Brevet FR2733296A1 — publié le 19961025

TITRE: RESERVOIR SOUS PRESSION A RENFORT COMPOSITE A PERMEATIONREDUITE ETATDELA TECHNIOUE: Les réservoirs sous pression actuellement disponibles sur le marché ne sont pas satisfaisant. Soit on utilise une chambre à gaz en aluminium, avec un renforcement par coque ou frette composite, Soit on utilise une chambre à gaz thermo plastique avec renforcement par coque composite. Dans le premier cas, I'étanchéité est correcte (il s'agit de celle du métal) mais l'aluminium à deux problèmes dans ce contexte. En effet, contrairement à l'acier, I'aluminium a des propriétés en fatigue très mauvaise, les performances du réservoir chutent donc au rythme de son utilisation. Par ailleurs, I'aluminium à un allongement à la rupture réduit, si bien que la coque de renforcement, qui le soutien, a beaucoup de difficultés à éviter qu'il subisse des déformations importantes (pour lui). Il faut savoir que les composites les plus intéressants, à bases de fibres de verres, ont des allongements à la rupture de 3 à 4% , soit sensiblement plus que celui de l'aluminium. On a donc tendance à utiliser des renforts carbone qui sont plus compatibles grâce à leur raideur importante, avec un bon contrôle de l'aluminium. Mais le carbone a le défaut d'être une matière chère. Dans tous les cas, on peut considérer que la chambre à gaz en aluminium est non pas juste un matériau barrière, Mais qu'elle a un rôle plus où moins important de matériau structural (ce qui n'est pas saint, vu ses propriétés médiocres en fatigue). Dans le cas des chambres à gaz thermo plastique la situation est la suivante La chambre à gaz à un module extrêmement faible et elle n'a aucun problème de fatigue. Son rôle se réduisant donc à faire obstacle au passage des gaz. Le problème lors de l'utilisation de ces matériaux est le suivant Comment réaliser des inserts assurant une bonne étanchéité sous forte pression et en fatigue ? Comment éviter la perméation à travers les matériaux 9 Qu'est la perméation 9 C'est la migration d'un gaz au travers d'une paroi. On sait que si un produit est "barrière" à l'oxygène il est "barrière" aux gaz en général. On sait également que l'hydrogène est 3.5 fois plus fugace que l'oxygène à 20 Les Chambres à gaz qui ont été réalisées actuellement sont soit en polyéthylène (PE), en polypropylène (PP), ou en Rilsan (PA11). Les indices de perméation de ces différentes matières, par rapport à l'oxygène, exprimés en CC/m2/jour/atmosphère pour un matériel de 25 microns d'épaisseur sont de 7 000 pour le PE 2 200 pour le PP 115 pour le PA11 Les chambres à gaz actuelles sont obtenues par rotomoulage et les matériaux évoqués cidessus sont les seuls susceptibles de se contenter de cette technique rustique. Un grave problème supplémentaire lié aux chambres à gaz thermoplastique actuelles est la technique de mise en oeuvre de ceux-ci. En effet le rotomoulage est une technique "artisanale" avec laquelle il est quasiment impossible d'obtenir un niveau de qualité stable et répétitif à coup sur. Or les réservoirs à pression de gaz sont des organes de sécurité et une qualité parfaite doit pouvoir être assuré. Ceci passe par une maîtrise sans faille de l'état de la matière, de sa parfaite mise en oeuvre , on ne doit avoir ni porosité, ni zones mal ou trop chauffées ni déformations. Tout incident que ne maîtrise pas le rotomoulage. Les sociétés utilisant des chambres à gaz rotomoulées ne peuvent donc pas garantir la qualité de leur produits et exagèrent l'épaisseur de la paroi de la chambre à gaz pour tenter de s'assurer une zone saine quelque part dans l'épaisseur. Le saut technologique considérable objet de l'invention, consiste à changer de matières et de technique de mise en oeuvre. Nous proposons en effet, I'injection-soufflage ou mieux l'extrusion soufflage comme procédé de mise en oeuvre. Grâce à l'emploi de cette technologie la précision dimensionnelle, la répétitivité et la santé de la matière et de la pièce peuvent être parfaite. De plus, on peut utiliser par co-extrusion ou co-injection des produits excellent mais impossible à mettre en oeuvre sans précaution spéciale. Ainsi, par exemple lrEVOH et le PVDC ont des indices de perméation de 1 c'est à dire 100 fois meilleur que le PAl i et 7 000 fois supérieur au PE EVOH désigne la famille des copolymères d'Ethylène-Vinyl, Alcool (préférentiellement orienté). Enfin, PVDC désigne des copolymères à haute teneur en chlorures de vinylidene, on les dénomme PVDC ou PVDC IXAN WA. Le problème est que par exemple l'EVOH est sensible à l'humidité et qu'il doit être entouré par deux couches externes le protégeant de l'humidité d'où sa mise en oeuvre en tri couche. Pour le même genre de raison le PVDC nécessite lui cinq couches décomposées en deux couches externe de protection, deux couches d'adhésion et une couche centrale noble. Avec les techniques de l'injection soufflage ou de l'extrusion-soufflage, ce genre de multicouche se pratique sans difficultés. Des versions sept couches sont même faisable. Outre le choix matière multicouches et la technologie de mise en oeuvre, nous revendiquons également la technologie de l'insert décrite ci-après. Rappelons d'abord que L'extrusion soufflage consiste à produire un tube ébauche par extrusion. Ce tube de matière chaude, dénommé paraison, est alors rapidement mis dans un moule où il est expansé par soufflage jusqu'à' à venir au contact avec les parois. L'injection soufflage consiste à produire une ébauche creuse, par exemple, un tube, par injection. Cette ébauche sort froide de la machine, elle est ensuite placée dans une autre machine qui la chauffe pour la ramollir après l'avoir placée dans un moule où elle l'expanse par soufflage interne. Préférentiellement dans les deux cas de production décrit ci-dessus, il est possible de placer aux extrémités du tube ébauche deux bagues préférentiellement cylindrique (1), (la paraison passant dans leur alésage). Lors de l'expansion de la paraison, pendant le soufflage, ces bagues seront adhérisées et frétées à la chambre à gaz (2). REMAROUES: 1" I1 est toujours possible de placer les deux bagues à posteriori aux extrémités de la chambre à gaz (2) et de les adhériser. 2* Par adhérisation, nous entendons soit un collage direct de la matière de la chambre à gaz (2) sur l'insert (1) ou un collage utilisant un médium intermédiaire (3) qui peut être une couche spécifique de matière. Cette matière pouvant être un thermo plastique, une colle (structurale) ou une matière vulcanisable (exemple caoutchouc). Cette dernière opération pouvant nécessiter la mise en oeuvre de couches intermédiaires d'adhérisation (en général deux couches par interface). 3* Les bagues décrites ci-dessus peuvent, en fait, être des tubes fermés (4) plus où moins à l'une de leur extrémité. 4* L'intérêt d'utiliser des inserts constitués par des bagues situées sur et non pas dans la chambre à gaz , est que, celle-ci, lorsqu'elle s'expanse, sous la pression, a tendance à augmenter le frettage et donc à améliorer l'étanchéité de l'interface insert - chambre à gaz. Enfin, les bagues (1) sont rendues solidaires d'une plaque de fond (5) qui sert de bouchons d'extrémités à la chambre à gaz. Préférentiellement, les deux plaques de fond (5 ou 4) sont reliées entre elles par un tube (6) ou un tirant (7) passant de part en part à travers la chambre à gaz (2). Le rôle de ce tube, ou tirant, qui peut être métallique ou composite est de solidariser les deux fonds directement et donc de contrôler la position des deux inserts d'extrémités de la chambre à gaz. Les effets de la pression interne sur le fond étant pris en charge par ce tirant ou tube. Les inserts ne sont soumis à aucune poussée ayant tendance à les arracher de la chambre à gaz. Le tirant joue donc le rôle d'équilibreur de traction des deux fonds. Il peut même servir à ancrer les fonds pour aider le travail de la coque de renfort composite (8) qui sera tissé à l'extérieur. Eventuellement le tirant (6) peut être adhérisé par une couche (11) avec la chambre à gaz (2) dans son alésage d'extrémités. La couche (11) étant du même type que la (3). Actuellement les coques de renforcement composite (8) que l'on utilise sont réalisées à partir de fibres de renforcement (exemple verre ou carbone) et de matrice epoxy. L'epoxy a tendance à connaître des micro fissures et n'a donc aucun rôle barrière vis à vis des gaz contenus. Le remplacement de la matrice epoxy par une matrice PA (par exemple PA6, PA6.6 Nylon ou mieux Pals, Rilsan ) devrait permettre d'utiliser la partie structurale (8) du réservoir comme complément de zone barrière. Les faces extérieures (9) et ou intérieure (10) de la chambre à gaz (2) peuvent être recouverte d'une ou plusieurs couches de métal (cuivre, nickel, aluminium, Plomb, ou autres) déposée (s) par exemple par dépôt sous vide en phase vapeur sous vide par projection ionique ou plasmatique ou autre procédé de dépôt métallique sous vide, ou chimique. Ces dépôts étant confectionnés afin de servir de complément de barrière anti gaz et anti humidité. 5 Préférentiellement les bagues (1) ou (4) peuvent présenter des stries concentrique ou des indentations (picots ou nid de poule) dans leur alésage. Ceci favorisant l'ancrage dans les couches (3) d'adhérisation. RE VENDICA TIONS 1/ Chambre à gaz thermoplastique destinée à des réservoirs de gaz sous pression caractérisée par l'usage de multicouches obtenu par co-extrusion soufflage ou co-injection soufflage multicouches. 2/ Chambre à gaz selon la revendication 1 caractérisée par l'usage de EVOH PVDC, comme matériau barrière principale. 3/ Chambre à gaz selon les revendications 1 à 2 caractérisée par l'usage de bagues externes (1 ou 4) servant d'insert d'extrémités. 4/ Chambre à gaz selon la revendication 3 caractérisée par le fait que les bagues (1 ou 4) externes portent dans leur alésage des reliefs favorisant leur accrochage avec les couches de matériaux d'adhérisation de la chambre à gaz. 5/ Chambre à gaz selon les revendications 3 à 4 caractérisée par le fait que les bagues (1 ou 4) sont adhérisées soit directement, soit par l'intermédiaire d'une couche spécialisée déposée localement (3) sur la chambre à gaz (2). Cette couche pouvant être une colle, une matière thermo plastique ou un caoutchouc. 6/ Chambre à gaz selon les revendications 3 à 5 caractérisée par l'usage d'un tirant (7 ou 6) reliant deux fonds opposés du réservoir. 7/ Chambre à gaz selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisée par l'usage d'une couche d'adhésion (11) pour relier le tirant (6) à la chambre à gaz (2). 8/ Chambre à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée par le fait que ses faces intérieures et ou extérieures sont recouvertes d'une ou plusieurs couches de métal.