Brevet FR2771033A1 — publié le 19990521

La présente invention concerne un réservoir de gaz naturel pour véhicule (G.N.V.) destiné à contenir un tel carburant à une pression élevée, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel réservoir. Dans de nombreux pays, les pouvoirs publics cherchent à développer l'utilisation de carburants moins polluants que l'essence et le carburant diesel, et notamment de carburants tels que le gaz de pétrole liquéfié, le gaz naturel, etc. Compte tenu de la pression très élevée du gaz naturel pour véhicule (100 à 200 bar en l'absence d'adsorbant et autour de 15 bar avec un adsorbant), les réservoirs habituellement utilisés ont une forme sphérique ou cylindrique pour pouvoir supporter ces pressions élevées. Ces formes de réservoirs sont peu commodes sur les véhicules automobiles, car ils occupent un espace important. En conséquence, l'invention concerne un réservoir pour gaz naturel pour véhicule à pression élevée qui a une configuration adaptée à l'espace disponible dans un véhicule. L'invention concerne un réservoir pour gaz naturel pour véhicule ayant une pression très supérieure à la pression atmosphérique ; selon l'invention, le réservoir comprend un récipient interne hermétique qui n'est pas suffisamment résistant à la pression élevée du carburant pour ne pas se déformer, et une coquille de support entourant la plus grande partie de la surface externe du récipient interne et placée au contact de cette surface, la coquille comprenant une âme en nid d'abeilles dont les deux grandes faces sont fixées à deux organes adjacents en forme de feuille. De préférence, le matériau de l'âme en nid d'abeilles est choisi parmi l'aluminium et les alliages légers, les résines aramides, le téréphtalate de polyéthylène, les polyétheréthercétones, les matériaux composites formés de matières plastiques et de fibres, et le carton. Les fibres d'armature peuvent être de tout type couramment utilisé pour l'armature des structures de matières plastiques, et de toute texture, et ce sont notamment des fibres de carbone ou même de verre. La configuration des cellules de l'âme en nid d'abeilles est avantageusement choisie parmi les configurations hexagonales, rectangulaires et triangulaires. Selon une caractéristique avantageuse, l'âme en nid d'abeilles a des épaisseurs différentes à au moins deux emplacements différents de la coquille. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'âme en nid d'abeilles est formée de matériaux différents à au moins deux emplacements différents de la coquille de support. Dans une variante de réalisation, l'un des organes en forme de feuille auxquels est fixée une face de l'âme constitue une paroi du récipient interne. De préférence, le récipient interne porte au moins un accessoire qui lui est fixé de manière hermétique, et la coquille présente un discontinuité à l'emplacement de l'accessoire. L'accessoire est choisi par exemple parmi une jauge manométrique de carburant, un bouchon d'orifice de remplissage en adsorbant, une soupape de sûreté, un conduit de sortie de carburant, un conduit d'introduction de carburant et toute combinaison de tels éléments. Dans une variante de réalisation, le récipient interne a une partie renforcée, et la coquille présente une discontinuité à l'emplacement de la partie renforcée. Selon une caractéristique très avantageuse, le réservoir comporte en outre un revêtement protecteur externe appliqué à l'organe en forme de feuille de la coquille de support qui est opposé au côté du récipient interne. Dans un exemple de réalisation, la coquille de support est réalisée sous forme de deux demi-coquilles. Il est avantageux que le réservoir contienne un adsorbant destiné à retenir le gaz naturel pour véhicule, tel que du charbon actif ou une zéolite. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un réservoir selon les paragraphes précédents, qui comprend la fabrication d'un récipient interne à la configuration voulue, la fabrication d'une coquille de support à la configuration du récipient interne, par pose et mise en forme d'une âme en nid d'abeilles entre deux surfaces avec interposition d'une matière de collage entre l'âme et les deux surfaces, et par durcissement du matériau de collage. Dans un premier exemple de réalisation, la mise en forme est réalisée à l'aide d'un moule interne et d'un moule externe, l'âme étant placée entre deux organes en forme de feuille. Dans un second exemple de réalisation, la mise en forme est réalisée entre un moule externe et le récipient interne, l'âme étant placée entre deux organes en forme de feuille. Dans un troisième exemple de réalisation, la mise en forme est réalisée à l'aide d'un moule externe et du récipient interne, et l'âme est placée entre un organe en forme de feuille et le récipient interne. De préférence, le durcissement du matériau de collage est réalisé par chauffage. Il est avantageux que la mise en forme et le durcissement soient réalisés avec application d'une pression sur toute la surface de la coquille de support. Dans un mode d'exécution avantageux, la fabrication de la coquille de support comprend la fabrication séparée de deux demi-coquilles, puis leur association à un récipient interne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réservoir de carburant sous pression élevée selon l'invention la figure 2 est une vue en perspective du réservoir de la figure 1, sous forme retournée la figure 3 est une coupe partielle d'une partie du réservoir, indiquée par le trait de coupe 3-3 de la figure 2 la figure 4 représente schématiquement la structure d'une paroi de réservoir selon l'invention la figure 5 représente un détail du réservoir de la figure 1, suivant la ligne de coupe 5-5 la figure 6 représente un détail du réservoir de la figure 1, suivant la ligne de coupe 6-6 de la figure 6 ; et la figure 7 est une coupe partielle illustrant la fabrication d'une partie du réservoir des figures 1 et 2. On décrit d'abord l'invention en référence à un mode de réalisation particulier de réservoir de gaz naturel, dans son application au gaz naturel pour véhicule ; dans un exemple, le véhicule est une automobile comprenant un moteur à combustion interne, par exemple à injection d'essence. Ce réservoir contient du charbon actif adsorbant et est incorporé à un circuit d'alimentation en carburant du moteur à combustion interne. On décrit d'abord le réservoir en référence aux figures 1 à 7. On note sur les figures 1 et 2 que le réservoir selon l'invention a une forme "quelconque", c'est-à-dire qui peut être adaptée à un espace spécialement prévu à cet effet dans une automobile. Par exemple, un réservoir de carburant sous pression élevée peut être réalisé avec la même configuration externe qu'un réservoir à essence réalisé pour une automobile du même modèle. Cette caractéristique est très importante car, jusqu'à présent, étant donné la pression élevée que peut atteindre un tel réservoir (pression de service atteignant 100 bar et même 200 bar dans certaines conditions), on a utilisé des réservoirs sphériques ou cylindriques ; en effet, ces configurations se prêtent le mieux à l'encaissement des pressions. Par exemple, on a réalisé ces réservoirs en matériaux composites à liant de matière plastique armée de fibres, enroulées ou non, ou de tissu de verre ou d'autres matériaux. Selon l'invention, le réservoir peut avoir une forme quelconque, et celui qui est représenté sur les figures 1 et 2 a essentiellement une forme parallélépipèdique ayant un coin coupé et un évidement en arc de cercle délimitant un tunnel pour le passage d'un tuyau d'échappement qui peut atteindre une température élevée. La figure 4, qui est une vue très schématique d'une partie de la paroi du réservoir des figures 1 et 2, représente un récipient interne 10 dont le rôle est d'être hermétique au carburant contenu, mais qui n'est pas destiné à encaisser une pression élevée. Par exemple, le récipient interne peut être formé de tôle de quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur ou d'une feuille d'alliage d'aluminium de 1,5 à 3 mm d'épaisseur. A l'extérieur du récipient 10, une coquille 12 de support est réalisée avec une structure en nid d'abeilles. Sur la figure 4, cette structure en nid d'abeilles comporte une âme 14 placée entre deux organes 16, 18 qui sont solidaires de l'âme 14. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, l'âme 14 peut être formée d'un matériau métallique, avantageusement d'aluminium ou d'alliage léger, mais aussi de toute résine résistante, par exemple de résine aramide, de téréphtalate de polyéthylène, de polyétheréthercétone, etc. ; cependant, le matériau de l'âme peut aussi être un matériau composite, une matière plastique armée de fibres, ou même du carton, de préférence imprégné d'une résine, par exemple phénolique. La nature du matériau d'âme n'est donc pas importante dans la mesure où ce matériau a la résistance mécanique nécessaire lorsqu'il est incorporé à la coquille de support et où il donne la souplesse nécessaire à l'obtention de la forme voulue lors de la construction de la coquille. Les feuilles formant les organes extérieurs 16, 18 qui sont solidarisées à l'âme 14 peuvent être formées de tout matériau connu pour les structures en nid d'abeilles, par exemple de feuilles métalliques, notamment d'aluminium ou d'alliage léger, de feuilles de matière plastique, etc. Une condition que doivent remplir le matériau de l'âme 14 et le matériau des feuilles 16, 18 est qu'ils puissent être fixés mutuellement par un matériau de collage pour que la structure obtenue possède les propriétés mécaniques avantageuses bien connues des structures à nid d'abeilles. Il existe de très nombreuses colles permettant la fixation de l'âme 14 aux feuilles 16, 18. Bien entendu, ces colles dépendent de la nature du matériau de l'âme et de celle du matériau des feuilles 16, 18, et des conditions de fixation des feuilles à l'âme. On peut citer les colles phénoliques, époxydes et de bis-maléimide à titre d'exemples non limitatifs. Il en existe un très grand nombre et il est commode que le matériau de collage soit sous forme d'un film appliqué à la surface de l'âme ou d'une feuille lors de la mise en coopération. Un durcissement du matériau de collage, par exemple par chauffage ou par tout autre procédé provoquant un durcissement, une polymérisation ou un séchage, assure la fixation du matériau d'âme et des organes en forme de feuille. Dans une variante, lorsque le procédé de fabrication choisi pour le réservoir s'y prête, le matériau d'âme peut être fixé directement au récipient interne 10, sans interposition de l'organe en forme de feuille 18. Selon une caractéristique de l'invention, la coquille de support entourant le récipient interne ne recouvre pas obligatoirement de manière étanche la totalité du récipient interne. En effet, comme l'indiquent les figures 3 et 5, la coquille peut présenter des discontinuités au niveau d'emplacements déjà renforcés du récipient interne. Dans l'exemple de la figure 3, le récipient interne 10 est fermé par soudage de deux lèvres 20 qui sont pratiquement perpendiculaires à la surface du récipient 10. En conséquence, au niveau de ces lèvres soudées, le récipient est déjà renforcé et a une résistance mécanique élevée. La coquille 12 peut donc être interrompue au niveau de ce raccord soudé. Cette disposition est aussi indiquée sur les figures 1 et 2 sur lesquelles la coquille est formée en réalité de deux demi-coquilles placées de part et d'autre d'un joint soudé continu formé par les lèvres 20. La figure 5 représente un autre exemple de discontinuité de la coquille 12 du réservoir. Le récipient interne 10 comporte un manchon 22, ayant une bride appliquée contre la face interne du récipient 10 et tenue par une bride externe 24 serrée sur le manchon. Ce manchon à bride 22 peut par exemple former une ouverture d'introduction d'un adsorbant. Il peut aussi former un embout pour le raccordement d'un accessoire tel qu'un tube de remplissage de carburant, un tube d'introduction d'adsorbant, une soupape ou une jauge manométrique. Au niveau des brides, la structure du récipient interne 10 est suffisamment renforcée pour que la présence de la coquille soit superflue. En conséquence, la coquille est largement évidée et permet un accès libre à cet emplacement du récipient interne. Il est avantageux de placer un adsorbant dans le réservoir de gaz naturel car, pour une même quantité de gaz naturel présent, la pression est beaucoup plus faible. Ainsi, pour une même quantité de gaz naturel, dans certaines conditions, la pression dans le réservoir est de 15 bar environ en présence de charbon actif, alors qu'en l'absence de celui-ci, la pression serait de 200 bar environ. On peut utiliser, comme adsorbant, du charbon actif ayant de préférence une surface spécifique d'au moins 1 000 m2/g, et avantageusement de 2 000 à 3 000 m2/g. On peut aussi utiliser des zéolites, par exemple de type A, connues pour le stockage du méthane qui peut pénétrer dans les cages formées par le matériau. On a indiqué sur les figures 1 et 2 que le réservoir possédait un évidement en forme de tunnel destiné au passage d'un tuyau ou d'un pot d'échappement. Bien entendu, un tuyau ou un pot d'échappement a une température relativement élevée lors du fonctionnement du véhicule, et il convient donc que le réservoir soit autant que possible protégé contre la chaleur. A cet effet, la figure 6 indique une réalisation utilisée au niveau de cette partie du réservoir. Comme l'indique la partie droite de la figure 6, le récipient interne 10 est couvert de la coquille qui comprend, comme indiqué sur la figure 4, une âme 10 en nid d'abeilles, d'épaisseur déterminée, et des organes en forme de feuille 16 et 18, par exemple d'alliage d'aluminium. L'âme 14 est par exemple un nid d'abeilles d'aluminium. Les propriétés d'isolation thermique sont obtenues d'une part grâce aux propriétés isolantes du matériau en nid d'abeilles, et d'autre part, éventuellement, par incorporation d'une couche d'un matériau réfléchissant, par exemple une "peau" extérieure qui réfléchit au moins 80 W du rayonnement infrarouge. Sur la partie gauche de la figure 6, on note que les organes en forme de feuille 16 et 18 se prolongent en suivant la configuration du récipient interne, mais sont séparés par une autre âme 14'. Sur la figure 6, on a indiqué que l'âme 14' avait une épaisseur différente de celle de l'âme 14. Par exemple, l'âme 14 peut avoir une épaisseur voisine de 13 mm et l'âme 14' une épaisseur voisine de 25 mm. De préférence, l'âme, lorsqu'elle doit être placée dans une zone qui peut être relativement chauffée, est formée d'un matériau résistant à la chaleur, par exemple une matière plastique résistant à la chaleur, telle qu'une polyétheréthercétone, ou le matériau connu sous la marque de fabrique "Nomex". La fabrication des structures en nid d'abeilles adaptées à la configuration du récipient interne peut être très simple. Ainsi, la figure 7 indique comment la coquille peut être mise en forme sur une arête vive. Sur la figure 7, le récipient interne 10 a un coin net et la coquille s'enveloppe autour du récipient interne, après coupe d'une partie de l'organe interne en forme de feuille 18, l'âme en nid d'abeilles se pliant sur elle-même autour du coin. On a représenté, sur la figure 1, un certain nombre d'accessoires associés au réservoir. On a ainsi indiqué un tube 22 de remplissage de carburant, un couvercle 24 d'un orifice d'introduction d'un adsorbant, une bride 26, une autre bride 28 portant une soupape de sûreté, par exemple tarée à 200 bar, etc. Les accessoires qui sont en général indispensables dans le cas d'une automobile sont une jauge manométrique de carburant, un tube de remplissage de carburant, une soupape de sûreté, une sortie de carburant, éventuellement un orifice d'introduction d'adsorbant, qui peuvent être séparés ou regroupés de toute manière voulue. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, tous les accessoires sont regroupés à la face supérieure. Cependant, cette caractéristique n'est pas nécessaire car, comme on l'a indiqué précédemment, ces accessoires peuvent être placés à tout endroit commode. Bien qu'on ait décrit une fabrication du récipient interne par soudage de lèvres appliquées l'une contre l'autre, la fabrication du récipient interne n'est nullement limitée par cet exemple. En fait, tout procédé de fabrication convient dans la mesure où le récipient interne retient le carburant sous pression de manière hermétique. L'invention concerne aussi le procédé de fabrication d'un tel réservoir. On note que le réservoir comprend le récipient interne et la coquille de support. La coquille est délimitée, à l'intérieur, par le récipient interne au contact duquel elle est placée. A l'extérieur, elle est délimitée par une surface correspondant à la configuration extérieure du récipient interne, compte tenu de l'épaisseur de la coquille qui peut être variable, comme indiqué précédemment. Dans un exemple de procédé, un moule est réalisé avec la configuration de la surface extérieure de chaque demicoquille. Une feuille destinée à former l'organe externe 16 de la coquille est appliquée sur ce moule externe. Ensuite, l'âme en nid d'abeilles 14 est appliquée sur cette feuille. Lorsqu'elle n'est pas fixée aux surfaces 16 et 18, l'âme 14 est très souple. Il n'est pas nécessaire qu'elle soit en une seule pièce. En effet, plusieurs morceaux d'âme peuvent être juxtaposés, de préférence avec imbrication des bords. En outre, il n'est pas nécessaire que l'âme soit formée d'un même matériau, ni qu'elle ait une même épaisseur. Une fois l'âme maintenue en place par une feuille de colle placée sur la feuille externe 16 et avant la pose de l'âme, une autre feuille de colle est appliquée sur l'âme, et la feuille destinée à former l'organe interne 18 est appliquée sur l'âme. Ensuite, le récipient interne ou un moule ayant la même forme que le récipient interne est appliqué afin qu'une pression puisse être exercée aux deux faces externes de la coquille. La coquille subit alors un durcissement des feuilles de colle, de préférence par passage dans un four, avantageusement avec conservation de la pression appliquée par le moule externe et le récipient interne ou le moule ayant la forme de celui-ci. Après refroidissement, la coquille, si elle n'est pas déjà solidarisée au récipient interne, peut être fixée sur celui-ci de toute manière commode. Il est par exemple possible de réaliser les deux demi-coquilles des deux côtés du récipient interne, ou au contraire de réaliser séparément les demi-coquilles puis de les fixer au récipient interne. La fixation peut être réalisée par tout moyen chimique, mécanique, etc. connu. Après la réalisation du réservoir sous forme du récipient interne et de la coquille, il est avantageux que la surface extérieure soit recouverte d'un matériau protecteur. On connaît de nombreux matériaux protecteurs, allant d'une simple pulvérisation de matière à base de goudron, couramment appliquée aux bas des caisses des automobiles, à des matériaux à propriétés technologiques élevées, par exemple une résine aramide ayant une grande résistance aux chocs. Le réservoir selon l'invention comprend donc une coquille de support d'un récipient interne qui entoure la majeure partie de ce récipient interne, mais pas obligatoirement sa totalité. Il n'est pas nécessaire qu'elle soit étanche, si bien qu'elle peut comporter des discontinuités, comme décrit précédemment. L'herméticité au carburant est obtenue à l'aide du récipient interne. Dans un exemple de réalisation, on a fabriqué un réservoir ayant un récipient interne dont la capacité était de 90 1. Ce réservoir avait une forme parallélépipèdique et sa plus grande épaisseur était de 22 cm. Le réservoir comportait à l'intérieur une cloison percée d'ouvertures, vers sa partie médiane. Il était formé d'une feuille d'aluminium de 3 mm d'épaisseur. La coquille était formée d'une âme en nid d'abeilles à cellules hexagonales ayant une épaisseur de 12,7 mm sur la presque totalité de sa surface, l'épaisseur étant de 25 mm à chacune des deux extrémités destinées à être tournées vers l'avant et vers l'arrière d'un véhicule automobile. Les deux organes en forme de feuille de la structure en nid d'abeilles étaient des feuilles d'alliage d'aluminium de 0,3 mm d'épaisseur. L'âme était collée aux feuilles d'aluminium par des films de colle "Redux" 609 de Ciba Geigy. L'épaisseur des feuilles était de 0,5 mm. Les organes internes en forme de feuille, l'âme en nid d'abeilles et les organes externes en forme de feuille ont été appliqués successivement sur le récipient interne, avec interposition à chaque fois d'une feuille de colle. L'ensemble a alors été placé dans une vessie de caoutchouc à base de néoprène, destinée à être utilisée à des températures pouvant atteindre 300 OC (disponible par exemple auprès de Hutchinson), et qui a été évacuée afin que les éléments de la coquille soient intimement appliqués contre le récipient interne. L'ensemble a alors été maintenu à une température de 120 OC pendant une heure afin que la colle durcisse. Un revêtement protecteur de résine aramide de grande résistance aux chocs a alors été formé à l'extérieur du réservoir. Le réservoir ainsi réalisé a été soumis à des essais de pression. Il a résisté à une pression de 200 bar. La pression dans les réservoirs gaz naturel pour véhicule est limitée à 200 bar par une soupape de sûreté. Il est donc évident qu'un réservoir selon l'invention peut être utilisé facilement dans les véhicules automobiles avec une bonne marge de sécurité. L'invention permet donc la réalisation d'un réservoir de forme adaptée à l'emplacement et à l'équipement utilisé. Par exemple, il permet la disposition des différents accessoires aux emplacements les plus commodes. Cependant, l'invention s'applique aussi aux réservoirs de forme cylindrique ou sphérique destinés à contenir du gaz naturel pour véhicule à une pression élevée, par exemple de 200 bar, car la structure en nid d'abeilles présente aussi les propriétés avantageuses précitées de résistance mécanique et de protection thermiques. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. Ainsi, bien qu'on ait décrit un exemple dans lequel la coquille de support est formée de deux demi-coquilles, elle peut comprendre un nombre quelconque d'éléments, essentiellement en fonction de la forme voulue pour le réservoir. REVENDI CATIONS 1. Réservoir pour gaz naturel pour véhicule ayant une pression très supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce qu'il comprend - un récipient interne hermétique (10) qui n'est pas suffisamment résistant à la pression élevée du gaz naturel pour véhicule pour ne pas se déformer, et - une coquille (12) de support entourant la plus grande partie de la surface externe du récipient interne (10) et placée au contact de cette surface, la coquille (12) comprenant une âme (14) en nid d'abeilles dont les deux grandes faces sont fixées à deux organes adjacents (16, 18) en forme de feuille. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'âme (14) en nid d'abeilles est choisi parmi l'aluminium et les alliages légers, les résines aramides, le téréphtalate de polyéthylène, les polyétheréthercétones, les matériaux composites formés de matières plastiques et de fibres, et le carton. 3. Réservoir selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, à deux emplacements différents au moins de la coquille, l'âme (14) en nid d'abeilles a des épaisseurs différentes. 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à deux emplacements différents au moins de la coquille, l'âme (14) en nid d'abeilles est formée de matériaux différents. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un des organes (16, 18) en forme de feuille auxquels est fixée une face de l'âme constitue une paroi du récipient interne. 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le récipient interne (10) possède au moins un accessoire qui lui est fixé de manière hermétique, et la coquille (12) présente une discontinuité à l'emplacement de l'accessoire. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un revêtement protecteur externe appliqué à l'organe (16) en forme de feuille de la coquille (12) qui est opposé au côté du récipient interne (10). 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il contient un adsorbant destiné à retenir le gaz naturel pour véhicule. 9. Procédé de fabrication d'un réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend - la fabrication d'un récipient interne (10) à la configuration voulue, - la fabrication d'une coquille (12) à la configuration du récipient interne (10), par pose et mise en forme d'une âme (14) en nid d'abeilles entre deux surfaces avec interposition d'un matériau de collage entre l'âme (14) et les deux surfaces, et par durcissement du matériau de collage. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la mise en forme est réalisée entre un moule externe et le récipient interne.