Brevet FR2673256A1 — publié le 19920828

i Réservoir sous pression pour stocker un fluide sous pression La présente invention concerne un réservoir sous pression pour stocker un fluide sous pression, notamment un gaz, comprenant un corps creux oblong, pouvant être fermé de manière étanche à la pres- sion, ainsi qu'au moins une ouverture d'évacuation du fluide sous pression pouvant être fermée par une soupape, la périphérie du corps creux étant entourée d'un enroulement composite à base de fibres et le corps creux étant sensiblement à symétrie de révolution. On connaît un réservoir sous pression de ce type, par exemple, par le document DE 25 16 395 C 2. La présente invention a pour but d'optimiser un réservoir sous pression de ce type, notamment en ce qui concerne ses raccords. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le corps creux est muni de plusieurs raccords, symétriquement répartis sur sa périphérie et faisant saillie radialement vers l'extérieur Deux raccords diamétralement opposés sont dotés de soupapes d'évacuation et servent en outre à l'installation d'autres éléments fonctionnels Les raccords font saillie radialement vers l'extérieur, afin de ne pas être recouverts par l'enroulement composite à base de fibres Les raccords dépassent ainsi à l'extérieur, en traversant l'enroulement composite. Selon une configuration de l'invention, le corps creux présente un support central d'éléments fonctionnels, muni des raccords, qui est disposé à même distance des deux extrémités frontales du corps creux et de part et d'autre duquel sont raccordées, de manière étanche à la pression, deux parties de réservoir du genre demi-coques Comme les raccords se trouvent uniquement au milieu du corps creux, cela sim- plifie l'opération d'enroulement des fibres de renforcement autour du corps creux On obtient ainsi une répartition symétrique de l'enroulement composite à base de fibres sur la périphérie du corps creux. Selon une autre configuration de l'invention, le corps creux peut aussi être simplement pourvu d'un support d'éléments fonctionnels, disposé sur un côté frontal et muni des raccords, qui est fermé d'un côté et auquel est raccordée de manière étanche à la pression, sur le côté opposé, une partie de réservoir du genre demi-coque Le réser- voir sous pression ainsi configuré convient notamment pour être dis- posé à l'intérieur d'un dispositif de protection à sac gonflable pour le conducteur d'une voiture particulière, dispositif qui est logé dans le volant de direction de la voiture Ici aussi, on bénéficie des avantages du faible volume constructif et du faible poids Selon une configuration supplémentaire, le support d'éléments fonctionnels présente une épais- seur de paroi supérieure à celle des parties de réservoir Le support d'éléments fonctionnels est donc plus stable que les parties de réser- voir, de sorte que l'enroulement composite à base de fibres peut être maintenu plus mince dans la région des raccords. Selon une configuration supplémentaire de l'invention, comme en- roulement composite à base de fibres, des fibres de renforcement sont enroulées en plusieurs couches autour du corps creux et sont fixées en position, par une résine composite, dans une structure stratifiée de matrice allouée, les unes par rapport aux autres et sur le corps creux. Selon une configuration supplémentaire, des fibres d'aramide sont pré- vues comme fibres de renforcement Ces fibres d'aramide sont remar- quablement tenaces et résistantes à la déchirure, ce qui empêche la formation d'éclats en cas d'explosion imprévue du réservoir sous pres- sion De plus, un tel enroulement de fibres offre, par rapport à un ré- servoir sous haute pression purement métallique, une marge de sécu- rité nettement plus grande avant l'explosion Le réservoir sous pres- sion peut stocker sans problèmes du gaz sous une pression de 400 à 500 bars même sur une longue durée, par exemple la durée de vie to- tale d'une voiture particulière. Selon une configuration supplémentaire de l'invention, au moins une couche de fibres de renforcement de la structure stratifiée est enroulée en direction circonférentielle autour du corps creux Selon une configuration supplémentaire, la structure stratifiée présente au moins deux couches de fibres de renforcement qui se croisent et sont respectivement enroulées autour du corps creux en étant orientées sous un angle aigu par rapport à la direction axiale On tient ainsi compte des contraintes qui apparaissent tant en direction circonféren- tielle qu'en direction axiale Etant donné que sont prévues au moins trois couches de fibres s'étendant sous des angles respectifs diffé- rents sur le contour extérieur du corps creux, on peut fermer sensi- blement toutes les lacunes de la structure stratifiée, y compris celles apparaissant au cours de la fabrication. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les fibres de renforcement qui se croisent le font symétriquement à la di- rection axiale Enfin, selon une dernière caractéristique, les différentes fibres de renforcement s'entrelacent à la manière d'un treillis. Les différents avantages et caractéristiques de l'invention res- sortent de l'exposé qui suit d'exemples de réalisation, qui sont représentés à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une forme de réalisation d'un réservoir sous pression selon l'invention, pourvu d'un support central d'éléments fonctionnels et entouré d'un enroulement composite à base de fibres, la figure 2 représente un réservoir sous pression également en- touré d'un enroulement composite à base de fibres, mais o le support d'éléments fonctionnels se trouve sur un côté frontal, et la figure 3 représente la disposition du réservoir sous pression de la figure 2 dans un dispositif de protection à sac gonflable pour le conducteur d'une voiture particulière, dispositif qui est placé dans la région du volant de direction Le réservoir sous pression 1,2,3,6 selon la figure 1 fait partie d'un dispositif de protection à sac gonflable ("airbag") pour le passa- ger avant d'une voiture particulière, dispositif qui est logé devant le siège du passager avant, dans un compartiment de la planche de bord spécialement prévu à cet effet La boîte à gants qui se trouve devant le siège du passager avant n'est pas concernée par ce dispositif de protection et se trouve par exemple en dessous du compartiment pour le dispositif Le réservoir sous pression stocke un gaz inerte, par exemple de l'azote, qui, en cas d'accident, se décharge en quelques millisecondes du réservoir sous pression dans un sac gonflable, de sorte que le sac est gonflé et maintient le passager avant dans son siège Afin de prendre peu de place dans la région de la planche de bord, le réservoir sous pression 1,2,3,6 présente des dimensions relati- vement faibles Dans le présent exemple de réalisation, le réservoir sous pression présente une longueur d'environ 200 à 250 mm et un diamètre d'environ 60 mm Afin de pouvoir gonfler dans le temps sou- haité, au moyen du gaz stocké dans le réservoir sous pression, le sac gonflable qui a une contenance d'environ 150 à 170 litres, le gaz se trouve dans le réservoir sous une très haute pression, d'environ 400 à 500 bars Afin de pouvoir supporter ces pressions élevées pendant une longue durée, pouvant atteindre 15 ans, le réservoir sous pression 1,2,3, 6 possède une configuration particulière, qui va être maintenant décrite. Le réservoir sous pression 1,2,3,6 est constitué d'un corps creux en métal léger, aluminium par exemple, qui est configuré sensiblement à symétrie de révolution par rapport à un axe longitudinal 10 Le corps creux est sensiblement en forme de cylindre creux, fermé à ses deux extrémités frontales et pourvu de supports de montage respectifs 4 pour la fixation dans la région de la planche de bord Le corps creux présente en son milieu un support central 2 d'éléments fonctionnels, qui est une pièce profilée creuse forgée de forme annulaire Ce sup- port 2 est pourvu de quatre raccords 5 diamétralement répartis sur sa périphérie, qui présentent une forme cylindrique et font saillie du support 2 radialement vers l'extérieur Deux parties de réservoir 1 et 3 du genre demi-coques, réalisées chacune par fluage, sont soudées de manière étanche au gaz sur les deux côtés frontaux opposés du sup- port 2 Les épaisseurs de paroi des parties de réservoir 1,3 sont infé- rieures à celle du support 2 La paroi du support 2 est donc plus stable que celle des parties de réservoir 1,3 Deux raccords 5 mutuel- lement opposés du support 2 d'éléments fonctionnels sont pourvus d'ouvertures d'échappement, dans chacune desquelles une soupape d'échappement est soudée de manière étanche au gaz Un troisième raccord 5 est pourvu d'un système pyrotechnique hermétiquement protégé, qui est incorporé dans le support 2 et qui, lorsqu'il est amorcé, déplace un piston qui, d'une manière non détaillée, fléchit les soupapes d'échappement le long de points privilégiés de rupture et ouvre ainsi les ouvertures d'échappement vers l'intérieur du sac gon- flable Les soupapes d'échappement mutuellement opposées permettent au gaz de s'échapper sans recul dans le sac gonflable Une ouverture de remplissage pouvant être fermée de manière étanche au gaz, par la- quelle le gaz est introduit dans le réservoir, se trouve dans un sup- port de montage 4 ou encore dans le quatrième raccord 5 Toutefois, le remplissage ne s'effectue pas dès l'achèvement du corps creux 1,2,3, mais seulement après l'achèvement de l'ensemble du réservoir sous pression 1,2,3,6 Afin de renforcer encore le corps creux en métal léger 1,2,3, en lui-même déjà étanche au gaz, de façon qu'il résiste aux pressions élevées requises, il est pourvu d'un enroulement composite 6 à base de fibres Cet enroulement composite 6 est constitué de plu- sieurs couches de fibres de renforcement 7,8,9 qui, à l'aide d'une ma- tière synthétique composite, par exemple une résine époxy, sont en- roulées autour du corps creux 1,2,3 en une structure stratifiée por- teuse prédéterminée Comme fibres de renforcement 7,8,9, on utilise, selon le cas d'application, des fibres d'aramide, des fibres de carbone et des fibres de verre Toutefois, afin d'éviter la formation d'éclats en cas d'explosion du réservoir sous pression 1,2,3,6, au moins une partie de la structure stratifiée est constituée de fibres d'aramide, extrême- ment tenaces et résistantes à la déchirure. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 1, la structure stra- tifiée de l'enroulement composite 6 est constituée de différentes couches de fibres parallèles 7,8,9, qui sont par exemple enroulées sous trois angles différents autour du corps creux 1,2,3, afin de tenir compte des contraintes qui apparaissent en direction circonférentielle et en direction axiale Lors de l'enroulement du corps creux 1,2,3, ce dernier sert de chemise ("liner"), qui garantit l'étanchéité du réservoir sous pression 1,2,3,6 Ce corps creux 1,2,3 constitue l'âme de la struc- ture porteuse proprement dite de l'enroulement composite 6 à base de fibres Une partie 7 des fibres de renforcement parallèles est enrou- lée autour du corps creux 1,2,3 en s'étendant dans la direction cir- conférentielle, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe longitudinal 10, les enroulements terminaux intérieurs 7 ' n'entourant le support 2 d'éléments fonctionnels que jusqu'à hauteur des raccords 5 La raison en est, d'une part que le support 2 est une pièce profilée forgée creuse et possède une plus grande épaisseur de paroi que les parties de réservoir 1,3, de sorte qu'il présente une plus grande stabilité que ces dernières, et d'autre part que la surface d'enroulement du support 2 est réduite par les quatre raccords 5 faisant saillie vers l'extérieur et qu'un enroulement complet sous les trois angles 7,8,9 des fibres de renforcement dans cette région engendrerait un épaississement inutile de la structure stratifiée Toutes les fibres de renforcement sont fixées en position les unes par rapport aux autres et sur le corps creux 1,2,3 par la résine époxy dont elles ont été préalablement imprégnées Les autres fibres de renforcement ( 8 et 9) sont enroulées autour du corps creux 1,2,3 en hélices en sens contraires, en se croisant sous un angle aigu a symétriquement à l'axe longitudinal 10 Ces couches 8,9 de fibres de renforcement s'étendent également sur la région du support 2 d'éléments fonctionnels qui est comprise entre les raccords 5 Les quatre raccords 5 sont inclus dans l'enroulement en disposant des couches enroulées sous par exemple cinq angles d'enroulement diffé- rents, les insuffisances de résistance dues aux lacunes de la structure stratifiée ainsi produites dans cette région étant compensées par la plus grande épaisseur de paroi du support 2 Les angles d'enroulement dans cette région sont par exemple égaux, symétriquement à l'axe lon- gitudinal 10, à 15 , 30 et 90 ' Les angles d'enroulement différents des couches 7,8,9 de fibres de renforcement permettent de fermer dans une large mesure même les lacunes de la structure stratifiée qui appa- raissent lors de l'opération d'enroulement. Pour effectuer l'enroulement, on calcule le trajet optimal des fils et on le réalise, avec la meilleure approximation possible, avec les plis de l'enroulement composite à base de fibres Les différentes couches 7, 8,9 de fibres de renforcement peuvent être enroulées superposées chacune en plusieurs plis, soit en posant chaque fois alternativement un pli sous un angle respectif 7,8,9, soit en enroulant d'abord la tota- lité d'une couche ( 7 ou 8 ou 9) en plusieurs plis, puis en enroulant de même les autres couches On peut aussi enrouler les fibres de renfor- cement en les entrelaçant de manière qu'elles forment un treillis sur le corps creux 1,2,3 Pour l'opération d'enroulement, le corps creux 1,2,3, qui constitue le mandrin d'enroulement ("liner"), est serré dans le tour d'une machine d'enroulement Les fibres de renforcement 7,8,9 sont en- roulées sur le corps creux rotatif 1,2,3 sous la forme de brins continus de fibres ("rovings"), qui ont traversé un bain de résine époxy afin de les imprégner de la matrice de matière synthétique Les différents angles d'enroulement sont obtenus au moyen de guide-fils mobiles pa- rallèlement à l'axe longitudinal du corps creux, qui sont déplacés à des vitesses différentes sur des supports Au moyen de deux supports dé- placés à des vitesses différentes, on pose simultanément des plis cir- conférentiels et croisés, qui sont ainsi entrelacés On empêche ainsi que les lacunes de la structure stratifiée qui apparaissent dans la ré- gion des raccords 5 du support d'éléments fonctionnels puissent croître à l'épaisseur des plis, avant d'être par exemple fermées par des plis circonférentiels ou réduites par un second pli croisé. Une fois l'enroulement composite à base de fibres achevé et durci, on peut remplir de gaz le réservoir sous pression 1,2,3,6 La marge de sécurité du réservoir sous pression 1,2,3,6 renforcé par l'enroulement composite 6 à base de fibres est alors telle qu'on peut exclure avec une grande fiabilité toute explosion du réservoir sous pression, même en cas de surcharge. Dans une autre forme de réalisation, selon les figures 2 et 3, le réservoir sous pression 14 est conçu pour pouvoir être installé dans un dispositif de protection à sac gonflable pour le conducteur d'une voiture particulière Ce dispositif de protection 15 à sac gonflable est disposé dans la région d'un volant de direction 17 de la voiture parti- culière Comme le sac gonflable 16 pour le conducteur présente un plus petit volume que celui du passager avant, le réservoir sous pression 14 peut être réduit d'une manière correspondante Le réservoir sous pression 14 est constitué d'un corps creux 12,13, qui est lui-aussi en- touré d'un enroulement composite 6 à base de fibres L'enroulement composite 6 à base de fibres correspond pour l'essentiel à celui du ré- servoir sous pression de la figure 1, de sorte qu'on ne le détaillera pas ici Toutefois, le corps creux 12,13 présente un support 13 d'éléments fonctionnels auquel est soudée de manière étanche au gaz 2 sur un seul côté frontal,une partie de réservoir 12 en forme de demi- coque L'autre côté frontal du support 13 est fermé Le support 13 présente (d'une manière similaire au support 2 d'éléments fonctionnels de la figure 1) des raccords pour les ouvertures d'échappement qui font saillie radialement vers l'extérieur La disposition radiale des rac- cords présente l'avantage d'obtenir un échappement sensiblement sans recul du gaz dans le sac gonflable 16 Toutefois, la disposition des raccords dans le support 13 n'est pas représentée sur les figures 2 et 3 Grâce à sa petite taille et à sa stabilité cependant élevée, le réser- voir sous pression 14 peut être directement incorporé dans le volant de direction 17. On peut aussi prévoir d'autres formes de réalisation de réser- voirs sous pression, remplis d'autres fluides sous pression et destinés à d'autres applications Mais cela ne modifie en rien la structure fon- damentale d'un corps creux en métal léger renforcé par un enroule- ment composite à base de fibres De tels réservoirs sous pression ser- vent par exemple de réservoirs d'égalisation de pression pour des systèmes de pneumatiques de véhicules ou pour des systèmes de sus- pension pneumatique, ou encore d'accumulateurs hydrauliques. REVENDICATIONS 1 Réservoir sous pression pour stocker un fluide sous pression, notamment un gaz, comprenant un corps creux oblong, pouvant être fermé de manière étanche à la pression, ainsi qu'au moins une ouver- ture d'évacuation du fluide sous pression pouvant être fermée par une soupape, la périphérie du corps creux étant entourée d'un enroulement composite à base de fibres et le corps creux étant sensiblement à sy- métrie de révolution, c a r a c t é r i S é en ce que le corps creux est muni de plusieurs raccords ( 5), symétriquement répartis sur sa périphérie et faisant sail- lie radialement vers l'extérieur. 2 Réservoir sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les raccords ( 5) font partie d'un support ( 2) d'éléments fonctionnels, annulaire et central, qui est disposé à même distance des deux extrémités frontales du corps creux ( 1,2,3) et de part et d'autre duquel sont raccordées, de manière étanche à la pression, deux parties de réservoir ( 1,3) du genre demi-coques. 3 Réservoir sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps creux ( 12,13) est pourvu d'un support ( 13) d'éléments fonctionnels, disposé sur un côté frontal et muni des rac- cords, qui est fermé d'un côté et auquel est raccordée de manière étanche à la pression, sur le côté opposé, une partie de réservoir ( 12) du genre demi-coque. 4 Réservoir sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que, comme enroulement composite à base de fibres, des fibres de renforcement ( 7,8,9) sont enroulées en plusieurs couches autour du corps creux ( 1,2,3) et sont fixées en position, par une matrice de ma- tière synthétique, dans une structure stratifiée allouée, les unes par rapport aux autres et sur le corps creux ( 1,2,3). 5 Réservoir sous pression selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une couche ( 7) de fibres de renforcement de la structure stratifiée est enroulée perpendiculairement à l'axe longitudi- nal ( 10) du corps creux ( 1,2,3). 6 Réservoir sous pression selon la revendication 4 ou 5, carac- térisé en ce que la structure stratifiée présente au moins deux couches ( 8,9) de fibres de renforcement qui se croisent et sont res- pectivement enroulées autour du corps creux ( 1,2,3) en étant orientées sous un angle aigu ( a) par rapport à la direction axiale ( 10). 7 Réservoir sous pression selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fibres de renforcement ( 8,9) se croisent symétriquement à la direction axiale ( 10). 8 Réservoir sous pression selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les fibres de renforcement ( 7,8,9) s'entrelacent à la manière d'un treillis.