Brevet FR2677734A1 — publié le 19921218

-1- Réservoir et son procédé de fabrication La présente invention concerne un réservoir Elle concerne plus particulièrement les réservoirs destinés à contenir des fluides sous pression et constitués principalement d'une enveloppe en un matériau composite. De tels réservoirs comportent en outre généralement, mais non nécessairement, une enveloppe interne, appelée liner, constituée d'un matériau métallique, thermoplastique ou élastomère par exemple, et destinée à assurer l'étanchéité du réservoir lorsque cela s'avère nécessaire. L'enveloppe externe, constituée d'un enroulement dit filamentaire de mèches de fibres de verre, de carbone, de polyaramide ou d'autres fibres connues, imprégnées de résine, garantit la tenue mécanique de la structure, notamment lorsque le réservoir est rempli d'un fluide sous pression, et donc soumis à une pression interne importante La forme de l'enveloppe externe ainsi que la répartition et l'orientation des fibres la constituant sont telles que la structure obtenue a un profil dit "lisotensolde"l. Grâce à ce profil spécifique, la pression interne exercée par un fluide contenu dans le réservoir n'est supportée que par les fibres et ces dernières sont soumises uniquement à un effort de traction appliqué le long de leur axe longitudinal De plus, la tension des fibres est uniforme en tout point de la structure De telles dispositions permettent d'obtenir un rapport maximal entre la résistance mécanique du réservoir et sa masse. Pour satisfaire toutes ces exigences, la forme de réservoir retenue comprend une partie centrale tubulaire cylindrique appelée virole et deux parties appelées fonds, fermant la virole à ses deux extrémités et dont la forme particulière donne au réservoir le profil isotensoide recherché. Du fait du procédé d'enroulement filamentaire utilisé pour réaliser l'enveloppe externe, cette dernière présente deux ouvertures, dites "ouvertures polaires" pratiquées dans les fonds sur l'axe de symétrie de révolution du réservoir (on dit que ces ouvertures sont pratiquées aux p 8 les du réservoir) L'enveloppe -2- externe est particulièrement robuste dans les zones entourant les ouvertures polaires du fait de la concentration de mèches de fibres dans ces régions Lorsque le réservoir comporte un liner, ce dernier n'est pas nécessairement percé d'ouvertures polaires correspondant avec celles de l'enveloppe externe Dans ce cas, pour ne pas laisser le liner en relation avec le milieu extérieur, on installe un bouchon dans chaque ouverture polaire. Toutefois, on tire généralement profit de l'existence des ouvertures polaires, pour y installer des éléments de raccordement (appelés sièges de raccordement) du réservoir à des conduites, ou des dispositifs destinés par exemple à la purge ou à la visite des réservoirs Bien évidemment, lorsque le réservoir comporte un liner, ce dernier présente alors des ouvertures qui coopèrent avec celles de l'enveloppe externe. Pour fixer ces réservoirs à un véhicule ou dans un local, on connaît actuellement deux solutions. Une première solution consiste à utiliser deux sangles, en acier en général, ceinturant la virole à proximité de ses extrémités et fixées par ailleurs au véhicule ou à l'une des parois du local o est installé le réservoir Une telle disposition a l'inconvénient de créer des efforts antagonistes à ceux provenant des raccordements avec les conduites se trouvant éventuellement en relation avec les ouvertures polaires De plus, ce système de fixation par sangles peut engendrer, en cas de serrage exagéré, une déformation plastique de la paroi du réservoir au niveau des sangles et, à terme, une rupture de cette dernière, d'autant plus que le réservoir est rempli d'un fluide exerçant une pression interne importante. Pour pallier ces problèmes, on peut utiliser des brides de fixation coopérant avec les sièges de raccordement des ouvertures polaires. D'autre part, il est parfois nécessaire de doter le réservoir de sièges de raccordement (ou autres dispositifs) ailleurs qu'aux p 8 les C'est notamment le cas lorsque le réservoir, encombrant, est confiné dans un espace réduit empêchant l'accès aux -3- ouvertures polaires, ou bien lorsque l'on désire réduire la distance entre le réservoir et une autre enceinte à laquelle il est raccordé On doit alors pratiquer une ouverture dans le réservoir ailleurs qu'aux pôles Une telle nécessité présente deux inconvénients. Dans un premier temps, la réalisation de cette ouverture dans l'enveloppe externe interrompt la continuité des fibres de l'enroulement filamentaire, ce qui entratne une réduction locale de la résistance de la structure. D'autre part, l'installation du siège de raccordement dans cette ouverture introduit des efforts importants sur la structure de l'enveloppe externe qui, combinés avec les efforts provenant de l'un ou l'autre des deux systèmes de fixation mentionnés, risquent de conduire à une rupture rapide en fatigue du réservoir. Actuellement, on n'utilise pas, en pratique, de réservoirs en matériau composite comportant une ouverture ailleurs qu'aux pâles et contenant un fluide sous pression, car les systèmes de fixation connus sont incompatibles avec de telles dispositions. Le but de la présente invention est donc de réaliser un réservoir en matériau composite, destiné à contenir un fluide sous pression, et pouvant être fixé sans subir d'efforts importants dans un local ou un véhicule même lorsqu'une ouverture est pratiquée ailleurs qu'aux pôles. La présente invention propose à cet effet un réservoir du type destiné à contenir des fluides sous pression, comportant une enveloppe externe, en un matériau composite, ayant un axe de révolution et dont les extrémités situées sur ledit axe sont appelées pôles, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de renfort en contact avec ladite enveloppe externe ailleurs qu'aux pôles, et en ce qu'une ouverture est pratiquée dans ledit réservoir à travers ledit élément de renfort, ledit élément de renfort permettant à ladite ouverture de servir également de point de fixation. Avantageusement, l'élement de renfort est situé à -4- l'intérieur de l'enveloppe externe. En outre, le réservoir selon l'invention peut comporter une enveloppe interne solidaire de l'enveloppe externe Dans ce cas, l'élément de renfort est inséré entre l'enveloppe externe et l'enveloppe interne, en contact avec l'enveloppe interne, et l'enveloppe interne comporte alors, à sa partie en contact avec l'élément de renfort, une surface plane coopérant avec une surface plane de l'élément de renfort. Par ailleurs, l'ouverture est munie d'un moyen de raccordement du réservoir à un autre appareil, ce moyen de raccordement comprenant une embase ayant une partie tubulaire terminée à l'une de ses extrémités par une collerette éventuellement plane de plus grand diamètre que le diamètre de la partie tubulaire et comportant à l'extrémité opposée à celle munie de la collerette, un filetage extérieur, la collerette venant en appui contre l'élément de renfort, à l'intérieur de l'enveloppe externe de sorte que la partie tubulaire soit saillante hors du réservoir. un élément de fixation venant se visser sur le filetage extérieur de l'embase pour exercer une pression sur l'enveloppe externe. Avantageusement, le réservoir comprend une portion centrale en forme de tube cylindrique, et deux portions fermant la portion centrale à ses deux extrémités et portant les pôles du réservoir. L'enveloppe externe peut être percée à chacun des pôles d'une ouverture polaire. Lorsque le réservoir comporte une enveloppe interne solidaire de l'enveloppe externe, l'enveloppe interne et l'enveloppe externe peuvent être percées toutes deux au niveau de chacun des pôles d'une ouverture polaire. Selon un mode de réalisation possible, l'élément de renfort comprend une âme centrale en un matériau plastique à basse densité enfermée dans un caisson en matériau composite. Selon un autre mode de réalisation possible, l'élément de renfort a une structure sandwich. -5- De manière avantageuse l'élément de renfort comprend, autour de son ouverture, une première bague concentrique avec l'ouverture et un anneau concentrique avec l'ouverture. Un procédé de fabrication d'un réservoir selon l'invention comprend les opérations suivantes: moulage de l'enveloppe interne, le volume de l'enveloppe interne étant adapté pour que l'insertion de l'élément de renfort ne perturbe pas un profil prévu pour le réservoir, collage de l'élément de renfort à l'enveloppe interne, enroulement filamentaire du matériau composite constituant l'enveloppe externe autour de l'enveloppe interne munie de l'élément de renfort, pour obtenir le réservoir, traitement thermique du réservoir. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'un réservoir selon l'invention donnée à titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes la figure 1 représente une demi-coupe en élévation d'un réservoir selon l'invention, la figure 2 représente une demi-coupe transversale, selon son axe de symétrie de révolution, du réservoir de la figure 1, la figure 3 est une vue de dessus avec coupe partielle à plusieurs niveaux de la plaque de renfort du réservoir de la figure 1, la figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3, la figure 5 est une vue dans la direction V de la figure 3. Dans toutes ces figures, les éléments communs sont référencés avec les mêmes numéros. Afin de résoudre les problèmes posés par les réservoirs de l'art antérieur, c'est-à-dire principalement d'éliminer l'incompatibilité entre les systèmes de fixation existants et la -6- présence d'une ouverture située ailleurs qu'aux p 8 les, la présente invention envisage de fixer le réservoir par l'intermédiaire du siège de raccordement (ou autre dispositif) placé dans cette ouverture L'enveloppe externe composite n'étant dimensionnée que S pour supporter les efforts dus à la pression interne et se trouvant localement affaiblie par l'interruption des mèches de fibres au niveau de cette ouverture, la présente invention propose donc de renforcer l'enveloppe externe au niveau de cette ouverture. Les figures 1 et 2 montrent un réservoir 1 selon l'invention muni d'un élément (ou plaque) de renfort 2 et d'un siège de raccordement adapté 3. Plus précisément, le réservoir 1 comprend une enveloppe interne ou liner 10 en un matériau plastique, entourée d'une enveloppe externe 11 en fibres de verre, de carbone, de polyaramide ou autre, imprégnées de résine et enroulées puis polymérisées autour du liner 10 Le réservoir 1 présente une partie centrale tubulaire cylindrique ou virole 12 fermée à ses deux extrémités par des fonds 13 percés chacun d'une ouverture polaire circulaire 14 ayant pour axe l'axe de symétrie de révolution X du réservoir 1, de sorte que, lorsque les ouvertures 14 ne sont pas fermées ou reliées à des conduites, le volume intérieur 15 du liner 10 est en communication avec le milieu extérieur au réservoir 1 En outre, la virole 12 est percée à sa partie inférieure (située en-dessous de l'axe X dans le plan de la figure 1) d'une ouverture circulaire supplémentaire 16 mettant également en communication le volume intérieur 15 et le milieu extérieur. Comme cela est représenté en figure 2, le liner 10 a une section transversale quasiment circulaire, et présentant à sa partie inférieure une portion tronquée selon une corde parallèle à l'axe Y, horizontal et orthogonal à l'axe X Le liner 10 comporte donc une portion plane 17 dans le plan P dont la trace est représentée en figure 1 C'est à travers une partie centrale de cette portion plane 17 qu'est percée l'ouverture 16. Entre la portion plane 17 et la portion inférieure de l'enveloppe Il en regard, est intercalée la plaque de renfort 2 La -7- plaque 2 vient remplir exactement l'espace laissé libre entre la surface inférieure 17 A de la portion plane 17 et l'enveloppe 11. Ainsi, selon l'invention, la plaque 2 possède une première face plane 20, et une seconde face 21 de forme extérieure plus complexe et adaptée pour conserver le profil extérieur isotensoide du réservoir 1 (voir figure 5) La plaque 2 est en outre percée d'une ouverture circulaire 22 correspondant à l'ouverture 16. Avantageusement, la plaque 2 est réalisée en un matériau composite semblable à celui constituant l'enveloppe externe 11. Afin d'assurer un renfort mécanique suffisant tout en réduisant au maximum le poids et le coût de la plaque 2, cette dernière peut avoir la structure représentée aux figures 3 et 4. Dans ces figures, la plaque 2 a une structure communément appelée "structure caisson" dans le domaine des matériaux composites En effet, la plaque 2 comporte selon cette structure une âme 23 réalisée en un matériau à basse densité comme une mousse de polyuréthane, enfermée dans un caisson 24 en matériau composite, dont la surface externe est celle de la plaque 2 Afin de renforcer l'enveloppe- 11 au niveau de la coupure effectuée pour obtenir l'ouverture 16, un élément annulaire 25 en tissu composite est inséré dans le caisson 24, concentriquement à l'ouverture 22 et en contact avec la face 21 Enfin, une bague 26 en un matériau composite est également insérée dans le caisson 24, concentriquement à l'ouverture 22, à l'intérieur de l'anneau 25 et en contact avec la face 21 Sa fonction sera expliquée plus loin. La plaque 2 peut également avoir une structure dite sandwich (non représentée), c'est-à-dire que l'âme en matériau à basse densité est "prise en sandwich" entre deux plaques en matériau composite La surface extérieure de l'ensemble est celle de la plaque 2. Ainsi, grâce à la plaque de renfort 2 un élément de fixation du réservoir 1 solidaire, par exemple, du siège de raccordement 3, peut être installé sur le réservoir 1 et maintenir ce dernier sans faire subir d'efforts à sa structure. Le siège de raccordement 3 est un équipement -8- intermédiaire généralement métallique, monté sur le réservoir 1 et permettant d'effectuer un piquage c'est-à-dire un raccord entre le réservoir 1 et une conduite ou tout autre organe avec lequel il travaille Le siège de raccordement 3 permet également de placer un appareil de purge du réservoir, ou d'introduire un instrument d'inspection à l'intérieur du réservoir. Le siège 3 comporte une embase 30 de forme tubulaire terminée par une collerette 31 en forme d'anneau de diamètre supérieur à celui du tube principal 32 de l'embase 30 Le diamètre du tube 32 est sensiblement égal à celui des ouvertures 16 et 22. L'embase 30, préalablement introduite à l'intérieur de la structure par un moyen approprié (par exemple lors de la fabrication du liner ), est donc installée dans les ouvertures 16 et 22 de sorte que la collerette 3 vienne en appui contre la surface 17 B de la portion plane 17 du liner 10 à l'intérieur de ce dernier L'embase 30 possède en outre, à son extrémité opposée à celle portant la collerette 31, un filetage intérieur et un filetage extérieur Une contrecale 33 dont une des faces épouse la surface externe du réservoir 1 au niveau de l'ouverture 16 est enfilée sur la partie tubulaire 32, et une bague de fixation 34 venant se serrer contre la contrecale 33 est vissée sur le filetage extérieur de l'embase Le filetage intérieur est destiné à recevoir un raccord de conduite, un bouchon de purge, un élément de raccord pour instrument de mesure ou d'inspection, Avantageusement, la bague 26 de la plaque 2 permet de reprendre les efforts locaux dus au serrage imposé par la bague de fixation 34 à l'âme 23 et qui risqueraient de l'écraser. En outre, la face plane 20 de la plaque 2 permet d'adopter pour la collerette 31 de l'embase 30 une forme simple, facile à mettre en place et peu onéreuse Cette forme assure en outre un contact plus uniforme qu'une forme courbée Cette dernière nécessiterait en effet un positionnement précis, car toute rotation de l'embase autour de son axe longitudinal lors de l'installation entraînerait un mauvais contact et par conséquent des performances d'étanchéité médiocres et des efforts mal répartis qui conduiraient à une rupture du réservoir. Selon un mode de réalisation possible du réservoir 1, le liner 10 est fabriqué dans un moule dont le volume est réduit par rapport au volume des moules permettant de fabriquer les liners des réservoirs de l'art antérieur Cette réduction de volume correspond au volume nécessaire pour insérer la plaque de renfort entre l'enveloppe externe et le liner sans perturber le profil extérieur (isotensoide par exemple) du réservoir La plaque 2 non percée de l'ouverture 22 est ensuite collée, au moyen d'une résine adaptée, au liner 10 non percé de l'ouverture 16 avant la mise en oeuvre de l'enroulement filamentaire destiné à fabriquer l'enveloppe 11 L'ensemble du liner 10 et de la plaque 2 est alors monté sur un arbre tournant, puis l'enroulement filamentaire est réalisé selon une méthode connue L'ensemble est enfin placé, dans une étuve pour permettre la polymérisation de la résine de collage et de la résine du matériau composite de l'enveloppe Les ouvertures 16 et 22 sont ensuite pratiquées dans la virole 12 et dans la plaque 2. La plaque de renfort 2 a donc deux r 8 les fondamentaux son premier r 8 le est de permettre la fixation du réservoir 1 sans introduire d'efforts qui risqueraient de conduire à la rupture de ce dernier Son second rôle est d'assurer la protection mécanique d'une ouverture pratiquée ailleurs qu'aux p 8 les dans un réservoir en un matériau composite contenant un fluide sous pression La plaque de renfort reprend en effet les efforts dus à la coupure des fibres au niveau de l'ouverture correspondante Ainsi, la pression interne due au fluide présent dans le réservoir ne cause pas un agrandissement de l'ouverture. L'invention permet donc d'étendre l'utilisation des réservoirs composites contenant un fluide sous pression dans le cas courant o ces derniers sont installés dans un espace confiné empêchant l'accès aux p 8 les et nécessitant l'existence d'une ouverture, située sur la virole ou sur les fonds mais ailleurs qu'aux p 8 les, destinée à mettre le réservoir en communication avec d'autres appareils. -10- De plus, la plaque de renfort autorise la suspension du réservoir par la virole, ce qui n'était pas envisageable auparavant, et rend donc plus flexible l'utilisation des réservoirs de l'art antérieur. En outre, le profil de la plaque de renfort permet de respecter le profil souhaité du réservoir (isotensolde ou autre). Sa disposition à l'intérieur de l'enveloppe externe composite minimise la perturbation de la répartition locale des efforts qu'elle crée. Par ailleurs, la présence de l'élément de renfort permet de ménager, à l'intérieur du réservoir, une face plane o asseoir la colerette d'une embase de siège de raccordement du type vis-écrou, avantageux pour la solidité et l'étanchéité du raccord. Bien évidemmment, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. La plaque de renfort peut en particulier s'étendre sur tout ou partie de la longueur de la virole et coopérer avec plus d'un siège de raccordement. Tout élément de raccordement autre qu'un siège de raccordement peut être utilisé. En outre, la plaque peut être installée dans la virole ou dans les fonds, selon l'endroit o doit être pratiquée l'ouverture, du moment que son profil est choisi de manière à correspondre à celui de l'enveloppe extérieure et que sa structure est capable de reprendre les contraintes locales dues à la pression interne, à l'élément de fixation et aux efforts de serrage de l'élément de raccordement. La plaque de renfort peut être installée à l'intérieur ou à l'extérieur de l'enveloppe externe Toutefois, son installation à l'extérieur nécessite une opération supplémentaire de fabrication qui n'est pas souhaitable sur le plan économique. L'installation de la plaque de renfort à l'extérieur est de plus moins intéressante sur le plan de la répartition des contraintes sur la plaque. Le réservoir selon l'invention ne comporte pas -11- nécessairement d'enveloppe interne Dans ce cas, l'élément de renfort est installé, à l'intérieur du réservoir, par collage sur l'enveloppe externe uniquement. D'autre part, le liner, lorsqu'il existe, peut ne pas être percé au niveau des pôles En revanche, l'enveloppe externe comporte nécessairement des ouvertures polaires car l'enroulement filamentaire est réalisé autour d'un arbre qui vient en butée contre les p 8 les du liner pour lui imposer un mouvement de rotation. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention. -12- REVENDICATIONS 1/ Réservoir du type destiné à contenir des fluides sous pression, comportant une enveloppe externe, en un matériau composite, ayant un axe de révolution et dont les extrémités situées sur ledit axe sont appelées p 8 les, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de renfort ( 2) en contact avec ladite enveloppe externe ( 11) ailleurs qu'aux pôles, et en ce qu'une ouverture ( 16, 22) est pratiquée dans ledit réservoir ( 1) à travers ledit élément de renfort ( 2), ledit élément de renfort ( 2) permettant à ladite ouverture ( 16, 22) de servir également de point de fixation. 2/ Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de renfort ( 2) est situé à l'intérieur de ladite enveloppe externe ( 11). 3/ Réservoir selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe interne ( 10) solidaire de ladite enveloppe externe ( 11). 4/ Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément de renfort ( 2) est inséré entre ladite enveloppe externe ( 11) et ladite enveloppe interne ( 10), en contact avec ladite enveloppe interne ( 10). / Réservoir selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite enveloppe interne ( 10) comporte, à sa partie ( 17 B) en contact avec ledit élément de renfort ( 2), une surface plane coopérant avec une surface plane ( 20) dudit élément de renfort ( 2). 6/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite ouverture ( 16, 22) est munie d'un moyen de raccordement ( 3) dudit réservoir ( 1) à un autre appareil, ledit moyen de raccordement ( 3) comprenant: une embase ( 30) ayant une partie tubulaire ( 32) terminée à l'une de ses extrémités par une collerette ( 31) de plus grand diamètre que le diamètre de ladite partie tubulaire ( 32) et comportant à l'extrémité opposée à celle munie de ladite collerette ( 31), un filetage extérieur, ladite collerette ( 31 > venant en appui contre ledit élément de renfort ( 12), à l'intérieur de ladite enveloppe externe ( 11) de sorte que ladite partie tubulaire ( 32) soit -13- saillante hors dudit réservoir ( 1), un élément de fixation ( 34) venant se visser sur le filetage extérieur de ladite embase ( 30) pour exercer une pression sur ladite enveloppe externe ( 11). 7/ Réservoir selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite collerette ( 31) est plane. 8/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une portion centrale ( 12) en forme de tube cylindrique, et deux portions ( 13) fermant ladite portion centrale ( 12) à ses deux extrémités et portant chacune l'un desdits p 8 les ( 14). 9/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite enveloppe externe ( 11) est percée à chacun desdits p 8 les d'une ouverture polaire ( 14). 10/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe interne ( 10) solidaire de ladite enveloppe externe ( 11) et en ce que ladite enveloppe interne ( 10) et ladite enveloppe externe ( 11) sont percées au niveau de chacun desdits pôles d'une ouverture polaire ( 14). 11/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit élément de renfort ( 2) comprend une âme centrale ( 23) en un matériau plastique à basse densité enfermée dans un caisson ( 24) en matériau composite. 12/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit élément de renfort ( 2) a une structure sandwich. 13/ Réservoir selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit élément de renfort ( 2) comprend, autour de ladite ouverture ( 22), une première bague ( 26) concentrique avec ladite ouverture ( 22) et un anneau ( 25) également concentrique avec ladite ouverture ( 22). 14/ Procédé de fabrication d'un réservoir selon l'une des revendications 3 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: moulage de ladite enveloppe interne ( 10), le volume de ladite enveloppe interne ( 10) étant adapté pour que l'insertion dudit t -14- élement de renfort ( 2) ne perturbe pas un profil prévu pour ledit réservoir ( 1), collage dudit élément de renfort ( 2) à ladite enveloppe interne ( 10), enroulement filamentaire du matériau composite constituant ladite enveloppe externe ( 11) autour de ladite enveloppe interne ( 10) munie dudit élément de renfort ( 2), pour obtenir ledit réservoir ( 1), traitement thermique dudit réservoir ( 1).