EP1931901A1 - Electrovanne cryogenique - Google Patents

Electrovanne cryogenique

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EP1931901A1
EP1931901A1 EP06794523A EP06794523A EP1931901A1 EP 1931901 A1 EP1931901 A1 EP 1931901A1 EP 06794523 A EP06794523 A EP 06794523A EP 06794523 A EP06794523 A EP 06794523A EP 1931901 A1 EP1931901 A1 EP 1931901A1
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EP
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solenoid valve
valve
seat
valve according
rod
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Withdrawn
Application number
EP06794523A
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German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Allidieres
Florent Janin
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to cryogenic solenoid valves that can be used to control a flow of cryogenic fluid, especially cryogenic fuel contained in a motor vehicle tank operating said fuel, in particular for its propulsion.
  • valves for automotive liquid hydrogen storage tanks used in a fuel cell and / or directly as fuel in an internal combustion engine.
  • the liquid hydrogen tanks contain between 5 and 13 kg of liquid hydrogen, at a temperature of 20 K, and at pressures typically between 1 and 13 bar.
  • an automotive liquid hydrogen tank has a fill line, a gas drain line and a liquid drain line.
  • the valves controlling the gas flows containing hydrogen in each line are conventionally installed in a vacuum chamber called a "valve box" in order to thermally isolate the cold fluid circuits at 20 K from the ambient temperature.
  • the object of the present invention is to propose a cryogenic solenoid valve architecture that avoids the above-mentioned problems, and that is particularly suitable for consumer-car applications with increased reliability and minimum space requirements.
  • the solenoid valve comprises a seat body insertable in a fluid circuit and forming a valve seat, a valve assembly comprising a valve member cooperating with the seat and connected by a rod to a electromagnetic actuator, the actuator being mounted on a first end of a tubular shaft enclosing the valve assembly and whose second end is fixed to the seat body.
  • valve member has a tubular shape enclosing one end of the stem and is slidably mounted in a bore of the seat body
  • the second end of the shaft is mounted on a tubular portion projecting from the seat body partially defining the bore
  • the first end of the barrel is connected to a tubular valve head partially enclosing a plunger of the actuator cooperating with the rod and comprising a mounting flange in a wall of a vacuum enclosure enclosing the barrel and the seat body .
  • the present invention also relates to the use of such a cryogenic solenoid valve for controlling the flow of cryogenic fuel (oil) contained in a tank, in particular a tank of a motor vehicle.
  • the present invention finally relates to an automobile fuel tank equipped with a vacuum valve box and at least one solenoid valve as defined above.
  • FIG. 1 is a view in longitudinal section of a solenoid valve according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic top view of a pair of solenoid valves according to Figure 1 on a vacuum valve box;
  • Figure 3 is a similar view of Figure 1 showing the possibility of using the solenoid valve according to the invention for non-cryogenic fluids.
  • the solenoid valve essentially comprises a seat body 1 insertable into a fluid circuit 2, typically a cryogenic fluid supply circuit of a motor member of a motor vehicle, and forming a seat 3, a valve head 4 supporting an electromagnetic actuator 5 and a valve assembly comprising a valve head 6 connected by a rod 7 made of a material that is weakly heat-conductive and non-magnetic, for example in highly alloyed stainless steel, to the magnetic core 60 of the actuator 5.
  • valve head 4 comprises a lower tubular piece 40 comprising a radially outwardly extending flange 8 and a tubular end portion 9.
  • the seat body 1 comprises, coaxially with the seat 3, a bore 10 formed in part in a tubular portion 11 extending outwardly.
  • a long tube 12 sealingly fitted on the tubular portions 9 and 11 coaxially enclosing the rod 7, connects the valve head 4 to the seat body 1.
  • the tube 12 typically has a length between 3 and 5 times its diameter.
  • the valve head 6 comprises a tubular part 13 mounted to slide tightly in the bore 10 and a frustoconical end piece 14 forming a valve proper, cooperating with the seat 3 and connected to the lower end of the rod 7.
  • the upper end of the rod 7 is connected to the core 60, which is biased, in the closing direction of the valve 6 against the seat 3, by a spring 15 bearing on the polar mass 16 of the actuator 5.
  • the flange 8 of the part 40 of the solenoid valve head 4 is used for sealing the solenoid valve in the wall 17 of a vacuum valve box 18, also visible in Figure 2, associated with a cryogenic fluid reservoir 19, including a liquid hydrogen tank of a motor vehicle.
  • the coil of the actuator 5 is located outside the valve box 18, so easily accessible and at room temperature without interacting on the quality of the inter-wall void during its activation.
  • the seat 3 in the seat body 1 is always located in the valve box 18 under vacuum being permanently removed from the ambient atmosphere.
  • the coil of the actuator 5, using epoxy resin Ea is made free of thermal shock due to the passage of cryogenic fluid to Very low temperature in the seat body 1.
  • the mounting 40 of the valve head 4 on the valve box 18 is designed to remain tight also at the cryogenic temperatures of the fluid flowing in the circuit 2 (in case of accident with reversal of the vehicle, for example).
  • the solenoid valve architecture according to the invention is also suitable for use in non-cryogenic environments, in the absence of any vacuum valve box.
  • the tube 12 of stainless steel is removed and replaced for example by an extension of the annular end portion 9 of the valve head 4 to be mounted directly on the tubular portion 11 of the seat body 1, the rod 7 here having an extremely small extension and can be made of any suitable materials.

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Abstract

L'électrovanne comprend un corps de siège (1) reliée par un tube long (12) à une tête de vanne (4) portant l'actionneur électromagnétique (5), la tête de vanne (4) étant montée de façon étanche dans une paroi (17) d'une boîte à vannes sous vide (18) isolant le tube (12) et le corps de siège (1) de l'extérieur. Application notamment à la commande de flux de carburant cryogénique, en particulier d'hydrogène liquide, pour véhicule automobile.

Description

ELECTROVANNE CRYOGENIQUE
La présente invention concerne les électrovannes cryogéniques utilisables pour contrôler un flux de fluide cryogénique, notamment de carburant cryogénique contenu dans un réservoir de véhicule automobile exploitant ledit carburant, notamment pour sa propulsion.
Dans la description qui va suivre, on fera essentiellement référence, quoique de façon non limitative, à l'utilisation de vannes pour réservoirs de stockage hydrogène liquide automobile utilisé dans une pile à combustible et/ou directement comme carburant dans un moteur à combustion interne.
Les réservoirs d'hydrogène liquide, isolés sous vide, contiennent entre 5 et 13 kg d'hydrogène liquide, à une température de 20 K, et à des pressions comprises typiquement entre 1 et 13 bars. Typiquement, un réservoir d'hydrogène liquide automobile comporte une ligne de remplissage, une ligne de vidange gaz ainsi qu'une ligne de vidange liquide. Les vannes commandant les flux de gaz contenant de l'hydrogène dans chaque ligne sont classiquement installées dans une enceinte sous vide appelée « boîte à vannes » afin d'isoler thermiquement les circuits de fluide froid à 20 K de la température ambiante.
Jusqu'à présent, (comme décrit par exemple dans EP-A- 0 779 468 Messer / BMW)1 les électrovannes étaient disposées entièrement dans la boîte à vannes sous vide, ce qui pose des problèmes d'accès à la partie électrique de la vanne en cas de défaut sur la bobine, des problèmes d'accès au clapet en cas de fuite, et des problèmes de qualité du vide de la boîte à vannes car les bobines « dégazent » lorsqu'elles sont ouvertes, du fait de la chaleur émise par la bobine. La présente invention a pour objet de proposer une architecture d 'électrovanne cryogénique évitant les problèmes ci-dessus, convenant notamment à des utilisations automobile grand public avec une fiabilité accrue et un encombrement minimum.
Pour ce faire, selon l'invention, l'électrovanne comprend un corps de siège insérable dans un circuit de fluide et formant un siège de clapet, un équipage de clapet comprenant un élément de clapet coopérant avec le siège et relié par une tige à un actionneur électromagnétique, l'actionneur étant monté sur une première extrémité d'un fût tubulaire enclosant l'équipage de clapet et dont la deuxième extrémité est fixée au corps de siège.
Selon d'autres caractéristiques plus particulières de l'invention :
- l'élément de clapet présente une forme tubulaire enclosant une extrémité de la tige et est monté à coulissement étanche dans un alésage du corps de siège
- la deuxième extrémité du fût est montée sur une partie tubulaire en saillie du corps de siège définissant en partie l'alésage
- la première extrémité du fût est reliée à une tête de vanne tubuiaire enclosant en partie un plongeur de l'actionneur coopérant avec la tige et comprenant une collerette de montage dans une paroi d'une enceinte sous vide enclosant le fût et le corps de siège.
La présente invention concerne également l'utilisation d'une telle électrovanne cryogénique pour le contrôle de flux de carburant (fioule) cryogénique contenu dans un réservoir, notamment un réservoir de véhicule automobile.
La présente invention concerne enfin un réservoir de carburant automobile équipé d'une boîte à vannes sous vide et d'au moins une électrovanne telle que définie ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une électrovanne selon l'invention
- la figure 2 est une vue schématique du dessus d'une paire d 'électrovannes selon la figure 1 sur une boîte à vannes sous vide ; et
- la figure 3 est une vue analogue de la figure 1 montrant la possibilité d'utilisation de l'électrovanne selon l'invention pour des fluides non cryogéniques.
Comme représenté sur la figure 1 , l'électrovanne selon l'invention comprend essentiellement un corps de siège 1 insérable dans un circuit de fluide 2, typiquement un circuit d'alimentation en fluide cryogénique d'un organe moteur d'un véhicule automobile, et formant un siège 3, une tête de vanne 4 supportant un actionneur électromagnétique 5 et un équipage de clapet comprenant une tête de clapet 6 reliée par une tige 7 en matériau faiblement conducteur de la chaleur et amagnétique, par exemple en acier inoxydable fortement allié, au noyau magnétique 60 de l'actionneur 5.
De façon plus spécifique, la tête de vanne 4 comprend une pièce tubulaire inférieure 40 comprenant une collerette s'étendant radialement vers l'extérieur 8 et une partie tubulaire d'extrémité 9.
Le corps de siège 1 comporte, coaxialement au siège 3, un alésage 10 formé en partie dans une partie tubulaire 11 s'étendant vers l'extérieur.
Un tube long 12, emmanché de façon étanche sur les parties tubulaires 9 et 11 en enclosant coaxialement la tige 7, relie la tête de vanne 4 au corps de siège 1. Le tube 12 a typiquement une longueur entre 3 et 5 fois son diamètre.
La tête de clapet 6 comporte une pièce tubulaire 13 montée à coulissement étanche dans l'alésage 10 et une pièce tronconique d'extrémité 14, formant clapet proprement dit, coopérant avec le siège 3 et reliée à l'extrémité inférieure de la tige 7. L'extrémité supérieure de la tige 7 est reliée au noyau 60, qui est sollicité, dans la direction de fermeture du clapet 6 contre le siège 3, par un ressort 15 prenant appui sur la masse polaire 16 de l'actionneur 5.
Comme représenté sur la figure 1 , dans l'application préférentielle de contrôle de flux de fluide ultra-froid selon l'invention, la collerette 8 de la pièce 40 de la tête d'électrovanne 4 sert au montage étanche de l'électrovanne dans la paroi 17 d'une boîte à vanne sous vide 18, également visible sur la figure 2, associée à un réservoir de fluide cryogénique 19, notamment un réservoir d'hydrogène liquide de véhicule automobile.
De la description qui précède, on comprendra qu'avec l'agencement de l'électrovanne selon l'invention, la bobine de l'actionneur 5 est située hors de la boîte à vanne 18, donc facilement accessible et à température ambiante sans interagir sur la qualité du vide inter-paroi lors de son activation. En dévissant la partie supérieure de la tête 4 et en enlevant l'ensemble action neur / équipage de clapet, on peut accéder directement au siège 3 en cas de fuite sans avoir à casser l'enceinte sous vide. Le siège 3 dans le corps de siège 1 est toujours situé dans la boîte à vanne 18 sous vide en étant en permanence éloigné de l'atmosphère ambiante. A contrario, la bobine de l'actionneur 5, utilisant de Ea résine époxy, est rendue exempte de chocs thermiques dûs au passage de fluide cryogénique à très basse température dans le corps de siège 1. Avantageusement le montage étaπche 40 de la tête de vanne 4 sur la boîte à vanne 18 est conçu pour demeurer étanche également aux températures cryogéniques du fluide circulant dans le circuit 2 (en cas d'accident avec retournement du véhicule, par exemple). Comme représenté sur la figure 3, l'architecture d' électrovanne selon l'invention convient également à son utilisation dans des ambiances non cryogéniques, en l'absence de toute boîte à vanne sous vide. Dans ce cas, le tube 12 en acier inoxydable est supprimé et remplacé par exemple par un prolongement de la partie d'extrémité annulaire 9 de la tête de vanne 4 venant se monter directement sur la partie tubulaire 11 du corps de siège 1 , la tige 7 ayant ici une extension extrêmement réduite et pouvant être réalisée en tous matériaux adéquats.
Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisations particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Electrovanne cryogénique comprenant :
- un corps de siège (1) insérable dans un circuit de fluide (2) et formant un siège (3)
- un équipage de clapet (6, 7) comprenant un élément de clapet (6) coopérant avec le siège (3) et relié par une tige (7) à un actionneur électromagnétique (5)
- l'actionneur (5) étant monté sur une première extrémité d'un fût tubulaire (12) enclosant partiellement l'équipage de clapet et dont la deuxième extrémité est fixée au corps de siège (1), caractérisé en ce que la première extrémité du fût (12) est reliée à une tête de vanne tubulaire (4) enclosant en partie un plongeur (15) de l'actionneur (5) coopérant avec la tige (7) et comprenant une collerette (8) de montage dans une paroi (17) d'une enceinte (18) sous vide enclosant le fût (12) et le corps de siège (1).
2. Electrovanne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'élément de ctapet (6) présente une forme tubulaire (13) enclosant une extrémité de ta tige (7) et montée à coulissement étanche dans un alésage (10) du corps de siège (1).
3. Electrovanne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une extrémité de la pièce tubulaire formant l'élément de clapet (6) est refermée à une extrémité par une pièce d'extrémité (14), par exemple tronconique, formant le clapet proprement destiné à coopérer avec le siège (3).
4. Electrovanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pièce d'extrémité (4) est reliée à l'extrémité inférieure à la tige (7).
5. Electrovanne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la deuxième extrémité du fût (12) est montée sur une partie tubulaire en saillie (11) du corps de siège (1) définissant en partie l'alésage (10).
6. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le fût (12) est formé d'une seule pièce avec la tête de vanne (4).
7. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le fût (12) est constitué d'un tube long.
8. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la collerette est située hors de la partie sous vide pour permettre le démontage complet de l'ensemble comprenant la tige (7) et le clapet
(6).
9. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la partie supérieure de la tête de vanne (4) est démontable, par rapport à la collerette (8), par exemple par dévissage, pour permettre le retrait de l'ensemble actionneur/équipage de clapet et l'accès direct au siège (3).
10. Utilisation d'une électrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour le contrôle du flux d'un carburant cryogénique contenu dans un réservoir (19).
11. Réservoir de fioul automobile comprenant une boîte à vannes sous vide (18) et au moins une électrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
12. Réservoir selon la revendication 11, caractérisé en ce que le carburant cryogénique est l'hydrogène liquide.
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