Brevet FR2623874A1 — publié le 19890602

La présente invention concerne un réservoir pour fluides sous pression, capables de supporter de très hautes pressions. Les caractéristiques principales que doivent avoir de tels réservoirs sont les suivantes: - légèreté, à cause de leurs applications notamment dans des secteurs de pointe tels que l'industrie aéronautique et spatiale et, résistance car les pressions des fluides contenus dans ces containers peuvent être très élevées, entrainant des contraintes importantes sur les parois. Le problème technique ici posé n'est pas évident car ces deux caractéristiques ne vont pas forcément de pair en mécanique classique, à moins d'utiliser des procédés de fabrication extrêmement coûteux avec des matériaux onéreux. Ainsi, l'art antérieur montre des réservoirs légers et capables de supporter des pressions relativement élevées, réalisés en une seule pièce par bobinage filamentaire de fibres de carbone, mais dont le prix de revient est élevé. Il n'est donc pas envisageable de développer de tels produits dans des dispositifs grand public à usage courant. Plus récemment, allant dans le sens d'une réduction du coût, le brevet français N' 75.26934 décrit un réservoir en plusieurs parties comportant un corps central réalisé par bobinage de fils de carbone imprégnés de résine, éventuellement associés à un cylindre métallique placé intérieurement, les fonds dudit réservoir étant rapportés et leur diamètre extérieur correspondant au diamètre intérieur du cylindre formant le corps. La solution apportée au problème de "l'effet de fond", c'est-à-dire au problème de la liaison mécanique entre les 2 2623874 bouchons rapportés et le corps du réservoir, compte-tenu des contraintes générées par les hautes pressions, est la suivante: les deux bouchons sont reliés par un tirant intérieur, par exemple de section cruciforme, l'ensemble formant une unique pièce s'ajustant précisément dans le cylindre. Des bourrelets extérieurs solidarisent en outre le corps et la pièce ainsi décrite pour former le réservoir complet. Ainsi, au lieu d'utiliser des bouchons vissés dans un filetage inévitablement cisaillé à cause des efforts importants dus au fluide sous pression, ledit filetage étant nécessairement peu profond à cause de la faible épaisseur du cylindre, on répartit les efforts sur le tirant et dans une moindre mesure - sur le filetage des bourrelets vissés sur les bouchons. Toutefois, l'effet de fond n'est pas encore correctement maîtrisé dans ce cas, car l'énorme pression sur les surfaces internes des bouchons induit des contraintes très importantes - en traction et en cisaillement - notamment au niveau de la section de raccord entre le tirant et ledit bouchon. En l'occurrence, cette section est nécessairement peu importante par rapport au volume de fluide comprimé, de façon que le rendement du réservoir soit correct, c'est-àdire que le volume utile garde une proportion raisonnable. Au raccord, les contraintes internes au matériau sont donc très fortes et il est nécessaire de réduire la pression pour ne pas trop amputer le volume utile par un tirant disproportionné. Le compromis est délicat et prouve bien que le réservoir ainsi décrit n'est pas satisfaisant. Pour remédier aux insuffisances de ces modèles déjà connus, le réservoir selon l'invention apporte une solution originale qui supprime tout compromis puisqu'il n'y a plus de tirant interne. L'avantage décisif de l'invention réside dans une combinaison judicieuse entre les formes des éléments constitutifs du réservoir, choisies en fonction de critères purement techniques de résistance des matériaux, et les matériaux utilisés, sélectionnés suivant des caractéristiques bien précises. Si le principe général reste le même que dans le brevet français précédemment cité, à savoir un corps cylindrique muni à ses deux extrémités de bouchons reliés par un tirant, lesdits bouchons sont ici recouverts de pièces semi-cylindriques dotées de deux gorges qui logent des faisceaux souples en fibres de kevlar - ou tout autre matériau adapté -, lesdits faisceaux faisant office de tirant. Le progrès réside dans la répartition sur des fibres à très haute résistance des effets mécaniques engendrés sur les fonds (effet de fond). En premier lieu, le tirant, formé de deux faisceaux continues placées symétriquement de part et d'autre de l'axe du réservoir, c'est-à-dire entourant en les serrant les deux bouchons et le corps du cylindre, est soumis à des efforts de traction résultant de la poussée exercée sur les bouchons par la pression. En second lieu, ces efforts de traction sont uniformément répartis grâce à l'arrondi semi-circulaire surmontant chaque bouchon, car les fibres de kevlar sont extrêmement résistantes à la traction et la finalité de la forme ainsi créée est de transmettre les efforts dans leur quasi totalité sous forme d'efforts de traction pour le tirant en kevlar. On va maintenant décrire le réservoir suivant la présente invention en détail, en se référant aux figures annexées, pour lesquelles: - la figure 1 représente une vue d'ensemble du réservoir avec son système de fixation des bouchons, - la figure 2 est une vue de côté de la pièce semicylindrique et, - la figure 3 montre le bouchon dudit réservoir. La description détaillée qui suit évoque un exemple non limitatif de l'invention dont une application préférentielle concerne les ballons d'avalanche que l'on gonfle très rapidement par libération du fluide sous pression afin d'aider à la localisation des personnes ensevelies. Dans cette configuration, représentée en figure 1, le réservoir comporte un corps cylindrique (1) fretté constitué d'un bobinage filamentaire de fibres de kevlar associé à un cylindre métallique, par exemple en aluminium, que l'on obtient facilement par sectionnement d'un tube de grande longueur et de diamètre adéquat. A chaque extrémité, un bouchon (3) destiné à être introduit à l'intérieur du cylindre, la tolérance d'ajustement - étant très fine. Ce bouchon cylindrique est creusé d'une gorge (4) circulaire qui peut loger un joint, par exemple torique, assurant l'étanchéité du réservoir. Sur la face extérieure, un rail parallèlépipédique (5) venu d'une seule pièce avec ledit bouchon et destiné à servir de guide à la pièce semi-cylindrique (2) (montrée en figure 2) pour l'immobiliser en rotation, l'immobilisation en translation le long de cette glissière (5) se faisant par l'intermédiaire d'un arbre (6) surmontant ladite glissière (5), qui peut être fileté selon son utilisation, et complété par des conduits de remplissage et d'évacuation du gaz. Le dernier degré de liberté de la pièce semi-cylindrique (2) est bien entendu supprimé par la liaison avec les faisceaux en fibre de kevlar (11), passant par les gorges (8) et bloquant lesdites pièces (2) sur les bouchons (3). Plus précisément, comme le montre la figure 2, cette pièce semi-cylindrique est munie de deux gorges semi-circulaires de section parallèlépipédique (8) avec un épaulement (9) destinées à loger les faisceaux en fibre de kevlar. Bien entendu, on trouve les parties des liaisons mécaniques correspondant à celles qui ont été décrites pour les bouchons, en l'espèce les parties femelles: glissière creusée (7) et alésage (10) dont les fonctions respectives ont été montrées. Les faisceaux en fibre à haute résistance (11) sont constituées d'une grande quantité de fibres parallèles regroupées qui enrobent longitudinalement le réservoir. La géométrie du faisceau en coupe est celle d'un "hippodrome", dont les deux parties semi-circulaires permettent la répartition des effets de fond sur la fibre dans le sens de sa plus grande résistance mécanique, les portions rectilignes dès la sortie des gorges étant reliées continûment aux portions semi-circulaires. Les deux portions rectilignes sont bien entendu tendues car la pression de contact métal-fibre doit être élevée pour que le serrage des bouchons soit effectif. I1 y a deux faisceaux placés symétriquement par rapport à l'axe du cylindre, ce qui renforce l'efficacité de la réaction opposée à l'effort de pression du fluide. Comme on le voit, le faisceau de fibre est en contact avec le réservoir exclusivement au niveau de la pièce 6b a26238374 semi-cylindrique. IX est donc possible d'augmenter le diamètre de ladite pièce sans rien charger au principe de l'invention. Toutefois, il est important de garder une section semi-circulaire, de façon que le faisceau de fibre sorte parallèlement à l'axe du cylindre afin de réduire au maximum le cisaillement. En effet, pour l'essentiel, l'effort de pression s'exerce sur les bouchons parallèlement audit axe et même si la répartition des forces due à la forme semi-cylindrique modifie la direction des efforts selon leur position, à la sortie de la gorge il n'y a pratiquement pas d'action sur le faisceau, donc pas de risque de cisaillement. La résistance de rupture à la traction du kevlar lui permet de toute manière d'encaisser des efforts de traction importants. Bien entendu, si la conception du réservoir selon l'invention présente un progrès déterminant, c'est en particulier parce qu'elle offre un dispositif performant (les pressions admissibles vont jusqu'à plusieurs milliers de bars) nécessitant des techniques de fabrication et des matériaux dont les coûts sont modérés par rapport à ce qui existe actuellement. Il n'est pas nécessaire d'avoir un équipement spécial et la simplicité des différentes pièces n'entraine pas une durée de réalisation très longue, ce qui rabaisse d'autant le prix de revient. Au surplus, ce réservoir offre une grande souplesse d'utilisation: miniaturisable comme dans un système à ballon d'avalanche porté par l'homme en montagne o sa légèreté est un atout précieux, on peut également l'envisager avec des dimensions importantes pour des applications aéronautique, pour les bouteilles de plongée etc... Enfin, ce réservoir dispose bien évidemment d'un mécanisme autorisant son remplissage et sa vidange, constitué par exemple de valves et de conduits et qui peut trouver place dans un bouchon et son arbre; ainsi, appliqué au ballon d'avalanche, il faut prévoir un dispositif d'échappement commandé par simple pression de l'utilisateur, facilement déclenchable en cas de danger imminent. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à la description donnée auparavant ni aux exemples d'applications cités, mais englobe également d'autres modes et d'autres formes de réalisation. a 2623374 REVEND1CATIONS 1. Réservoir pour fluide sous pression, composé d'un corps cylindrique (1) recouvert d'un bobinage filamentaire et de deux bouchons (3) venant s'ajuster dans le diamètre interne du corps cylindrique aux extrémités, ces bouchons étant surmontés de pièces semi-cylindriques (2) permettant un bobinage du faisceau de fibre à haute résistance mécanique qui solidarisent les bouchons (2) au cylindre, l'effet de fond sur les bouchons étant totalement repris par l'épaisseur de la fibre. 2. Réservoir pour fluide sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on peut augmenter les dimensions des pièces semicylindriques indépendamment du diamètre du tube servant de capacité de gaz et ainsi augmenter à volonté les résistances mécaniques engendrées par l'importance des faisceaux de fibre ainsi appliquées sur ces pièces.