Brevet FR2776750A1 — publié le 19991001

Le secteur technique de la présente invention concerne les réservoirs destinés à contenir des fluides sous pression, et plus particulièrement les réservoirs de gaz de pétrole liquéfié dit GPL pour véhicules automobiles.5 Généralement, les dispositifs destinés à contenir des fluides sous pression sont obtenus à partir d'une feuille métallique formée pour obtenir un réservoir sensiblement cylindrique dont les extrémités se présentent sous la forme d'une portion de sphère. Cette forme est bien adaptée pour10 répartir uniformément les contraintes sur la périphérie du reservoir. Les réservoirs GPL utilisés par exemple dans les automobiles sont généralement cylindriques ou toriques, classiquement métalliques et de préférence en acier.15 Les réservoirs toriques sont montés à l'emplacement de la roue de secours. Leur capacité est limitée du fait du manque de place disponible à cet emplacement du véhicule. Les réservoirs cylindriques sont généralement disposés au fond du coffre de l'automobile, o ils réduisent de façon considérable le volume de celui-ci, d'autant que le compartiment qui est destiné à les accueillir est parallélépipédique et que le volume compris entre les angles du compartiment et l'arc de cercle du réservoir est vide. Il y a une perte du volume utile, tant25 pour le coffre que pour le réservoir. Les réservoirs cylindriques peuvent également être montés sous le coffre en porte à faux arrière. L'espace disponible est limité en hauteur, ce qui oblige à utiliser un réservoir cylindrique de petit diamètre, ou plusieurs30 réservoirs cylindriques de petit diamètre reliés entre eux par un tuyau soudé radialement sur la périphérie des cylindres. Cette solution, si elle permet d'obtenir un grand volume sans empiéter sur le volume du coffre, est néanmoins coûteuse et ne permet pas d'utiliser de façon35 optimale le volume disponible sous le coffre puisqu'il subsiste une partie vide entre les deux réservoirs cylindriques accolés. Les réservoirs toriques et cylindriques ne donnent donc pas pleinement satisfaction, car ils sont souvent amenés à être montés dans des compartiments de forme parallélépipédique dont l'espace disponible n'est pas utilisé de façon optimale. Afin de pallier ces inconvénients, on a proposé des réservoirs parallélépipédiques. Leur forme comporte des arêtes propices aux amorces de rupture. Le réservoir ne se déforme pas de façon homogène sur toute sa périphérie et les arêtes constituent des zones de sollicitation composée o la contrainte est appliquée de façon multidirectionnelle. Ces réservoirs présentent15 l'inconvénient, par rapport à des réservoirs cylindriques ou toriques de même capacité et de même résistance mécanique, d'être beaucoup plus lourds, car il faut prévoir des parois plus épaisses. De plus, ces réservoirs sont encore lourds et sensibles aux sollicitations mécaniques20 qu'implique le stockage de fluide sous pression. Ils ne donnent donc pas entière satisfaction. Le but de la présente invention est de proposer un réservoir présentant une forme extérieure apte à être logé dans des compartiments d'automobile aux formes composées25 par des parallélépipèdes, tout en étant léger et en ayant de bonnes caractéristiques mécaniques pour résister à la pression interne impliquée par le stockage du fluide. De plus, le réservoir doit pouvoir aussi résister à des sollicitations externes, tel un choc, lorsque le véhicule30 est endommagé lors d'un accident. Enfin, le réservoir doit pouvoir résister à l'augmentation de la pression interne du fluide en cas d'incendie du véhicule. Afin d'atteindre à ces objectifs, la présente invention a pour objet un réservoir destiné à contenir du fluide pression, caractérisé en ce qu'il présente une forme extérieure polyédrique dont les parois des faces constituent une structure sandwich lui conférant une résistance multidirectionnelle à la pression. La structure sandwich des parois est constituée d'une part par une peau externe et une peau interne en matériau compact et d'autre part par une âme en matériau poreux ou alvéolé, ladite âme étant entourée sur sa face externe par ladite peau externe et sur sa face interne par ladite peau interne.10 L'âme de la structure sandwich des parois est en matériau de type nid d'abeille ou mousse. L'épaisseur de chacune des parois du polyèdre est variable. L'épaisseur de chacune des parois du polyèdre est minimale au voisinage des angles du réservoir et est maximale de leur partie médiane. Au moins une des parois du réservoir présente une forme curviligne, paraboloïdale ou ellipsoidale en contact avec le fluide sous pression.20 Les parois du réservoir comportent entre elles des raccordements arrondis ou congés. Les parois contiguës sont raccordées par un élément de paroi présentant une résistance et une densité plus grande. Le réservoir présente une forme extérieure parallélépipédique. Un avantage du réservoir selon l'invention consiste dans le fait que sa paroi comporte des parties anguleuses et peut occuper tout l'espace disponible proposé par un compartiment d'automobile comportant des formes composées30 par les parallélépipèdes et donc des angles vifs. Un autre avantage du réservoir selon l'invention consiste en ce que la structure des parois du réservoir est légère car évidée. Un autre avantage du réservoir selon l'invention consiste en ce que la structure de ses parois permet une meilleure répartition des contraintes et une plus grande inertie des parois vis à vis des sollicitations mécaniques et thermiques. Un nouvel avantage du réservoir objet de l'invention réside dans le fait qu'il est dépourvu d'arêtes vives propices aux amorces de rupture. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture du complément de description donné ci-après à titre10 d'illustration en relation avec des dessins sur lesquels: - la figure 1 est une vue en trois dimensions avec une coupe partielle à une arête d'un réservoir parallélépipédique selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un réservoir parallélépipédique selon l'invention dont les parois sont d'épaisseur constante, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un réservoir parallélépipédique selon l'invention dont les parois sont d'épaisseur variable,20 - la figure 4 est une coupe longitudinale d'un réservoir parallélépipédique selon l'invention dont les parois sont d'épaisseur variable et dont les arêtes comportent des congés. - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale partielle, montrant l'âme des parois à l'emplacement des congés à l'intersection de deux faces d'un réservoir parallélépipédique selon l'invention tel que montré à la figure 4, - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale partielle, montrant l'âme des parois à l'emplacement des congés à l'intersection de deux faces d'un réservoir parallélépipédique selon l'invention tel que montré à la figure 4 ou à la figure 5, et détaillant les dimensions de l'âme, - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un réservoir polyédrique selon l'invention. Dans la réalisation de l'invention représentée aux figures 1, 2 et 3, le réservoir 1 est un réservoir strictement parallélépipédique. Chaque face la ou paroi latérale est constituée par une plaque épaisse qui comporte plusieurs couches: une couche externe 2 sous forme d'une peau de faible épaisseur en matériau métallique, une couche10 intermédiaire ou âme 3 de forte épaisseur en matériau métallique ou plastique creux sous forme alvéolée ou de mousse et une couche interne 4 sous forme d'une peau de faible épaisseur en matériau métallique. L'épaisseur de l'âme 3 est constante en tout point des différentes faces15 du réservoir 1. De façon générale, le matériau constituant l'âme 3 doit avoir de bonnes caractéristiques mécaniques de façon multidirectionnelle. Par faible épaisseur, on entend une valeur inférieure au mm environ et par forte épaisseur une valeur supérieure à 5mm environ.20 Le réservoir 1 parallélépipédique peut être formé par deux demi coquilles de paroi sandwich soudées ou éventuellement assemblées par adhésif. Les peaux internes et externes peuvent être constituées de deux demi coquilles , 6, 7, 8 formées de plaques soudées entre elles aux arêtes du parallélépipède. L'âme 3 peut être en matériau sous forme alvéolée par exemple un matériau de type nid d'abeille qui est taillé en forme de demi coquille. Une demi coquille interne 5, 6 et une demi coquille externe 7, 8 sont placées de façon à30 entourer une demi coquilles 9, 10 de l'âme 3 en matériau de type nid d'abeille et sont solidarisées avec l'âme 3 par soudage, comme le soudage laser, à travers les peaux internes et externes ou par le biais d'un adhésif. L'âme 3 peut être en matériau creux par exemple sous forme de mousse et de façon préférentielle une mousse de polyéthylène, polypropylène, polychlorure de vinyle... Dans ce cas, les demi coquilles de paroi sandwich sont obtenues par injection du polymère formant la mousse entre une demi coquille interne 5, 6 et une demi coquille externe 7, 8.5 La structure ainsi obtenue permet d'emmagasiner l'énergie des contraintes engendrées par la pression et les déformations ne sont pas transmises à la peau externe. Cette technologie permet d'obtenir des réservoirs résistant à une pression de 30.105 Pa tout en présentant des formes extérieures très variées. Un mode de réalisation d'un réservoir 1 parallélépipédique très résistant est représenté à la figure 3. Chaque paroi est épaisse et comporte plusieurs couches. Sur la vue en coupe longitudinale du réservoir,15 les côtés représentés sont rectilignes sur leur face externe. La face externe est constituée par une peau mince 2 d'épaisseur constante sous forme de matériau plein ou compact. La face externe entoure l'âme 3 épaisse en matériau creux sous forme alvéolée ou de mousse. On voit20 sur cette figure que l'épaisseur de l'âme 3 est variable. Elle est importante à l'intersection des diagonales de chaque face du parallélépipède, autrement dit dans sa partie médiane, et décroît vers les arêtes du parallélépipède pour atteindre une épaisseur plus faible.25 L'épaisseur ne varie pas linéairement, mais de façon curviligne, ici en arc de cercle. Les bords de la peau interne 4 représentée se joignent en formant un angle a aiguë 11. On obtient un effet de voute de la paroi interne et un rapport volume utile/masse de 1,59 environ à comparer30 avec ce même rapport de 1,1 pour un réservoir de même forme mais à simple paroi. Une réalisation préférentielle du réservoir parallélépipédique selon l'invention est représentée à la figure 4. Il est constitué d'un parallélépipède dont les35 arêtes comportent des arrondis ou congés 12. Chaque paroi -7 est épaisse et comporte plusieurs couches. Sur la vue en coupe longitudinale du réservoir, les côtés représentés sont rectilignes sur leur face externe et sont reliés par un arrondi ou congé 12. La face externe est constituée par 5 une peau 2 mince d'épaisseur constante sous forme de matériau compact. La face externe entoure une âme 3 épaisse en matériau creux sous forme alvéolée ou de mousse. L'épaisseur de l'âme 3 est variable. L'épaisseur de l'âme 3 est plus grande à l'intersection des diagonales de chaque10 face du parallélépipède et décroit vers les arêtes du parallélépipède pour atteindre une épaisseur faible. L'épaisseur ne varie pas linéairement, mais de façon curviligne, ici en arc de cercle. Les côtés de la peau interne 4 représentée sont reliés par un arrondi ou congé15 13. La figure 5 montre l'âme 3 à l'emplacement des congés 12, 13 à l'intersection de deux parois contiguës du réservoir. Afin d'optimiser la tenue mécanique du réservoir, l'âme 3 n'est pas constituée uniformément d'un20 même matériau ayant les mêmes caractéristiques mécaniques. Dans l'exemple de réalisation pris en considération, l'âme 3 est constituée d'une mousse polymère dont deux parois A et C contiguës sont raccordées par un élément de paroi B. La densité de la mousse et ses caractéristiques mécaniques25 sont différentes selon la taille de la face considérée du réservoir et selon la partie de l'âme comme les faces du réservoir ou les congés. Selon une caractéristique de l'invention, chaque portion A, B, C de l'âme 3 est délimitée par les surfaces interne et externe de l'âme et30 un plan reliant les droites situées à l'intersection des surfaces interne et externe des faces du réservoir et des congés 12, 13. Des caractéristiques physiques et mécaniques des trois portions A, B, C de l'âme ont été testées sous une pression interne de 30.105 Pa à 20 C pour un réservoir parallélépipédique comportant les dimensions suivantes: longueur 1 largeur Hauteur h Dimension 850 434 330 (mm) Les valeurs des caractéristiques physiques et mécaniques déterminées pour les portions A, B, C sont indiquées dans le tableau qui suit: portion A portion B Portion C Module de 25 286 204 Young (MPa) Coefficient 0 0,24 0,2 de Poisson Masse 0,045 0,26 0,2 volumique (Kg/dm:) Les portions correspondant aux cotés de plus grande surface sont plus denses et ont des caractéristiques mécaniques plus élevées que celles correspondant aux côtés de plus faible surface. Les angles du réservoir sont denses et ont des caractéristiques mécaniques élevées. En relation avec la figure 6 et selon les modes de réalisation représentés aux figures 3 et 4, les dimensions de l'âme des parois à l'emplacement des congés à l'intersection de deux faces d'un réservoir parallélépipédique sont définies dans le tableau suivant (les cotes he et 1, permettent de construire la courbure en arc de cercle des modes de réalisations représentés aux figures 3 et 4: lt/2 h,/2 h. hi l l hi h | dimension (mm) 217 165 75 35 20 40 30 55 La masse d'un tel réservoir est de l'ordre de 36 kg pour un volume utile de 70 litres. On a constaté que la contrainte maximale est toujours située au niveau de la peau interne du congé intérieur et atteint environ 1 6705 MPa. Au niveau de la peau externe, la contrainte maximale atteint environ 500 MPa. La figure 7 montre une variante de réalisation d'un réservoir 1 objet de l'invention, dont la forme n'est pas strictement parallélépipédique, mais de forme polyédrique,10 afin de pouvoir se loger dans un compartiment du véhicule de forme irrégulière. Quelle que soit la géométrie du réservoir 1, sa structure reste la même: comme dans le cas d'un réservoir parallélépipédique, les arêtes du polyèdre comportent des congés 12. Le réservoir est composé d'une15 peau externe 2 et interne 4 en matériau compact prenant en sandwich une âme 3 en matériau poreux ou alvéolé. De même, l'épaisseur de l'âme 3 n'est pas constante. Dans le cas d'une forme polyédrique complexe, l'épaisseur de l'âme 3 n'est pas nécessairement minimale au niveau des congés 12,20 13 et ni nécessairement maximale aux alentours de l'intersection des diagonales de chaque face du polyèdre. Le réservoir 1 polyédrique représenté peut être en plusieurs volumes de forme géométrique distincte: un premier volume X parallélépipédique sur un côté duquel25 vient se greffer un deuxième volume prismatique Y et un troisième volume parallélépipédique Z. Les modes de réalisation du réservoir selon l'invention décrits précédemment et représentés sur les figures sont nullement limitatifs et peuvent donner lieu à30 des variantes. A titre de variante, les peaux internes et externes peuvent par exemple ne pas être d'épaisseur constante. REVENDICATIONS 1 - Réservoir (1) destiné à contenir un fluide sous pression, caractérisé en ce qu'il présente une forme extérieure polyédrique dont les parois des faces 5 constituent une structure sandwich lui conférant une résistance multidirectionnelle à la pression. 2 - Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure sandwich des parois est constituée d'une part par une peau externe (2) et une peau interne (4)10 en matériau compact et d'autre part par une âme (3) en matériau poreux ou alvéolé, ladite âme (3) étant entourée sur sa face externe par ladite peau externe (2) et sur sa face interne par ladite peau interne (4). 3 - Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme (3) de la structure sandwich des parois est en matériau de type nid d'abeille ou mousse. 4 - Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de chacune des parois du polyèdre est variable.20 5 - Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de chacune des parois du polyèdre est réduite au voisinage des angles du réservoir et est importante au niveau de leur partie médiane. 6 - Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que au moins une de ses parois présente une forme curviligne en contact avec le fluide sous pression. 7 - Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que sur au moins une de ses parois présente une forme paraboloïdale en contact avec le fluide sous pression.30 8 - Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que sur au moins une des ses parois présente une forme ellipsoïdale en contact avec le fluide sous pression. 9 - Réservoir selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que ses parois comportent entre elles des raccordements arrondis ou congés (12). - Réservoir selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parois contiguës sont raccordées par un élément B de paroi présentant une résistance et une densité plus grande. 11 - Réservoir selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (1) est de forme extérieure parallélépipédique.