Brevet FR2739912A1 — publié le 19970418

TITRE: RESERVOIR MOYENNE PRESSIONA STRUCTURE MULTICELLULAIRE MOYENNE PRESSION ET SON PROCEDE DE FABRICA TION I- DOMINE DE LA TECHNIOUE: n existe dans l'industrie de nombreux réservoirs d'une trentaine à une centaine de litres fonctionnant à moins de 50 Bars de pression nominale. Notamment: * Pour le freinage (RATP, SNCF, Poids Lourds PL ). * Pour les extincteurs etc. * Pour le G.P.L. (Gaz de pétrole liquéfié). II- ETATDE LA TECHNIOUE: Actuellement le réservoir acier est la solution de base des capacités ; des variantes aluminium sont parfois exploitées ainsi que des capacités obtenues par enroulement filamentaire. Toutefois le prix de cette dernière solution est rédhibitoire dans l'objectif de réservoirs à faibles coûts. Notons que les capacités en acier, par exemple pour le freinage sont toutes des cylindres à fond elliptique embouties. Elles causent un gros encombrement sur véhicule et de plus rouillent intérieurement ce qui cause de graves problèmes d'entretiens Notons enfin que tout réservoir dont le produit pression par volume dépasse 50 est soumis à la réglementation des appareils à pression et que dans le cas des réservoirs de freinage le coefficient de sécurité à appliquer est de 5 (!). HI- ORIGINALITE DE L 'INVENTION PROPOSEE: Le réservoir que nous projetons est anc structure multicelalaire Dréférentiellement mono- bloc obtenue par coulée d'un métal léger où mieux de résine, si nécessaire renforcée de fibres. On peut par exemple injecter du polyamide 6.6 renforcé par 35% de fibres de verre dans un moule. On peut couler ou injecter un métal léger chargé ou non de fibres dans un moule. On peut également par exemple utiliser des préformes de mat de fibres ou de tissus qui une fois placées dans un moule sont noyées d'une matrice. Pour des questions de prix les fibres peuvent être en verre et la résine une vinylester. Naturellement toute fibre est éligible (carbone, aramide, polyester, métal). Toute matrice est éligible, métal, résine thermoplastique ou thermodurcissable. Enfin on peut obtenir ce réservoir multicellulaire par soudure soufflage de plaques métalliques ou par injection soufflage de préformes thermoplastiques. Comme le montre la figure 1 (vue en coupe dans le plan médian) ce réservoir se présente comme un gros nid d'abeille. Chaque membrane de cellule 3 du nid d'abeille constituant en fait un réservoir élémentaire 1, relié à son voisin 1 par des traversées de parois 2. Les cellules sont des polyèdres (triangle, carré, pentagone, hexagone etc..) des cylindres ou des portions de cylindres et une combinaison de ces géométries Les faces supérieures et inférieures de la structure sont constituées par une ou plusieurs membranes qui forment un dôme 4 à l'aplomb de chaque cellule 3 et qui adhèrent complètement, en la bouchant, aux extrémités de la cellule (fig. 2). L'ensemble d'une cellule du nid d'abeille, plus les deux portions de membrane fermant les deux extrémités de celle-ci forme un réservoir élémentaire 1. Le réservoir élémentaire 1 a donc l'allure d'un tube de section polygonale, fermé par deux fonds (bombés) 4. Optionellement une ou plusieurs membranes complémentaires 6.7, figure 2 portant préférentiellement elles aussi des traversées de parois 2 segmentent le réservoir dans son épaisseur. Les tubes constituant le nid d'abeille (figure 1) qui sont sur la périphérie du réservoir auront eux une forme, particulière car d'un côté leur géométrie est figée par la maille des polygones adjacent et de l'autre la parois est libre. La forme la plus efficace pour de telles parois est donc celle de portions de cylindres voir 8 et 9 figure 1. La paroi 3 sur les côtés du réservoir (vue en élévation figure 2) aura l'allure de dômes 4b ou 4c. Dans le cas particulier de la figure 3 on place une frette 10 de préférence cylindrique autour du réservoir dans son plan vue de dessus . Les parois 8 et 9 bordant les cellules frontières du réservoir prennent alors une forme moulée sur la géométrie locale de la frette, qui leur fait face. La figure 4 montre une vue en élévation d'un réservoir pourvu d'une frette. La figure 5 montre une variante de réservoir 1 dont les cellules 3 enserrent des volumes 12 délimités par une parois 11. Ces volumes peuvent, soit faire partie du réservoir 1, en communiquant avec lui par des traversées de parois 2, soit constitué des réservoirs indépendants du principale, soit encore formé des traversées de réservoirs qui sont à la pression atmosphérique et permettent par exemple de boulonner le réservoir sur un support en passant des axes dans ces cylindres 12. La figure 6 présente une variante où le réservoir est constitué d'une multitude de tubes 3 indépendant soudés et communicant en leurs points de tangente 13 par des traversées de parois optionnelles 2. La figure 7 présente le cas ou les tubes 1 ne se touchent plus et sont éventuellement reliés par des canaux d'accouplement 2. Notons que les extrémités des réservoirs des figures 6 et 7 peuvent avoir l'allure présentée en figure 8 et figure 9. L'intérêt de la solution illustrée en figure 9 est que chaque réservoir indépendant 1 est relié à un collecteur 14 par une traversée de parois 2 qui ressemble ici à s'y méprendre au goulot d'une bouteille et se trouve préférentiellement au pôle (ou aux pôles) du réservoir c'est à dire dans le dôme 4. L'avantage de cette topologie est que chaque réservoir élémentaire peut avoir été fabriqué individuellement. REMAROUE: 1) Une enceinte 15 peut avantageusement contenir et protéger les réser voirs. 2) Un matériau de remplissage tel que par exemple une mousse peut avan tageusement remplir au moins partiellement le volume 16 délimité entre l'enceinte 15 et le multi-réservoir. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas de la figure 9 pour bloquer les bouteilles individuelles 1 en tre elles. 3) Le principe du collecteur d'extrémité peut naturellement être adopté dans le cas de la figure 4 et de la figure 2. Les réservoirs décrits ci-dessus sont à cellules relativement oblongues. On pourrait les définir comme bi-dimensionnels. ll est possible de définir également des réservoirs à trois dimensions. Examinons-en la structure. Si l'on prend une cellule de base tétraédrique il est possible en l'empilant tête bêche avec des cellules semblable de construire un volume. Le tétraèdre est constitué de face triangulaire. Notons que de nombreuses variétés de cellules élémentaires à face polyédrique peuvent faire l'affaire. Ainsi en particulier l'empilage de cellules à face en carré ou hexagonale permet de fabriquer une structure alvéolaire à 3 dimensions. Notons qu'un empilage de sphère est également très intéressant. Dans le cas des sphères par exemple la figure 6 donne l'aspect que présenterait une vue du réservoir coupé soit en plan soit en élévation. La figure 1 donne elle l'allure qu'aurait le réservoir constitué de polyèdres hexagonaux aussi bien en vue de dessus qu'en vue en élévation. Notons qu'il serait bordé à sa surface par des calottes sphériques. La figure 2 elle donne l'allure d'un réservoir à maille cubiques ou parallélépipèdique aussi bien vue de dessus qu'en élévation. Enfin il est aisé de transposer par la pensée ce dernier dessin à tout autre volume polyédrique et en particulier au tétraèdre voir figure 10. I V- A VANTA GES DE LA TECHNIOUE: Au pl mécanique: La structure multicellulaire, telle que décrite, a une tenue mécanique excellente car les parois de la structure en nid d'abeille assurent une reprise harmonieuse des contraintes. En fait on a une série de tout petits réservoirs serrés les uns contre les autres. Les contraintes dans les parois sont nettement plus faibles et plus faciles à reprendre que dans le cas d'un volume unique. Aupkmstérigue: A volume contenu identique, le réservoir est plus compact qu'un réservoir cylindrique. Il peut avoir une forme extérieure plus facilement maîtrisée. ll est donc plus facilement logeable et ses fixations sont plus aisées. En fait le réservoir peut même servir de platine à des organes de gestion de fluides. Une bonne partie des tuyauteries peut être assurées par des canaux de types 2 ou 4. Ce qui peut supprimer nombre d'embouts et de flexibles. Dans le cas d'un réservoir de GPL, grâce à la structure multicellulaire on peut remplir au mieux le volume disponible sous plancher, aussi facilement et avec autant de liberté de forme que s'il s'agissait d'un réservoir d'essence ! V- EXEMPLES DE SOL UTIONS PRATIQUES PERMETTANT DE RELLISER UN RESER VOIR MULTICELLULAIRE: (1) Dans l'industrie automobile on a de plus en plus souvent recours à des formes indémoulables, telles les pipes d'admission, réalisées par injection sous pression de polyamides chargés verre. Pour parvenir à les réaliser on utilise des noyaux métalliques fusibles, récupérés après injection. Pour le réservoir multicellulaire on peut procéder de la même manière ; Les cavités 1 du multiréservoir étant à l'origine des noyaux métalliques assemblés les uns aux autres par des pédoncules qui formeront les traversés de parois style 2 ou les collecteurs styles 14. Notons que dans le cas du GPL il faut déposer un matériau barrière sur la grappe des noyaux métalliques avant injection de manière à constituer la peau intérieure 3' des futures parois 3 Ceci peut se faire de nombreuses façons par exemple * Au trempé dans une émulsion de PVDC, * Par peinture ou poudrage électrostatique par exemple de polyamide, ou équivalent * Par métallisation sous vide ou sous atmosphère inerte, (bombardement ionique, dépôt en phase vapeur), * Par électrolyse ou dépôt chimique. PVDC désigne des copolymère à haute teneur en vinylidène on les dénomme PVDC ou PVDC IXAN. (2) n existe des matériaux spécialement dédiés à la confection de tube dans l'aéronautique qui tombe en poussière ou peuvent être enlevé par jet d'eau, Ils sont dit lavable (wash away). On peut imaginer utiliser de tels matériaux pour réaliser les grappes évoquées (les adaptations pour le GPL évoquées précédemment sont ici valides). (3) On peut également préférentiellement pour le GPL fabriquer la peau intérieure 3' des parois 3 des cellules 1 par injection ou extrusion soufflage en matériaux barrières tel. EVOH, EVAL, PVDC, PET, PAN. EVOH ou EVAL désigne la famille des copolymères d'éthylène vinyl alcool. PAN est un polyacrylonitrile. PET est un polyéthylène tercphtalate ou isophtalate de l'éthylène glycol. PA désigne la famille des polyamides. Après assemblage de ces peaux en grappe, on peut les remplir d'un métal fusible ou préférentiellement d'une cire ou d'un liquide tel l'eau glacée. La fluide contenue évite que les cellules I de la grappe ne colapsent sous la pression de l'injection. (4) La solution de peaux intérieures 3' des parois 3 des cellules 1 telle qu'évoquée ci-dessus, peut être utilisée dans d'autres procédés tel le RTM. (RTM signifie Résine Transfert Moulage). Après avoir réalisé une grappe de peaux intérieures on dispose des préformes en fibres de verre qui emballent les cellules ,Puis on peut procéder au transfert de résine (RTM). Notons que dans le cas du RTM la matière constituant les peaux intérieures 3' est de choix libre car le procédé de transfert peut se réaliser à basse pression et faible température. (5) Dans le cas du réservoir à bouteilles tel que montré en figure 9 ; On peut réaliser les bouteilles élémentaires par injection soufflage ou extrusion soufflage. Si nécessaire il est possible par ce procédé de réaliser par coextrusion une peau intérieure utilisant un matériau barrière et une peau extérieure structurale pouvant être par exemple une résine thermoplastique chargée de fibres. (6) Notons également que de façon analogue au procédé de la grappe décrit précédemment on peut réaliser des cellules en bouteille correspondant à la peau intérieure 3' du réservoir et que le matériau de remplissage 16 évoquée en figure 4 et 9 est en fait le matériau de structure. (7) Dans le cas du réservoir à bouteilles de la figure 9, la peau intérieure 3' peut être un fin container en aluminium obtenu par exemple par filage inverse. REMARQUE: Les bouteilles et les renforts peuvent avoir été réalisé par tous les procédés et leur combinaison tel que décrit dans le paragraphe V. REVENDICA TIONS 1 Réservoirs moyenne pression caractérisé par le fait qu'il est constitué par une structure mettant en oeuvre de multiples réservoirs élémentaires I montés en coopération. 2 Réservoir moyenne pression selon la revendication I caractérisé par le fait que sa paroi intérieure est revêtue d'un matériau Barrière.