Brevet FR2796701A1 — publié le 20010126

Le secteur technique de la présente invention est celui des dispositifs de sûreté destinés à équiper les enceintes étanches contenant un fluide liquide sous pression telles que les réservoirs de gaz de pétrole liquéfié (GPL) utilisé comme carburant pour les véhicules à moteur. Afin de réduire la pollution liée aux rejets dans l'atmosphère résultant de l'utilisation massive des véhicules automobiles, il est souhaitable de développer la consommation de carburants moins polluants que l'essence ou le fuel. Les fluides gazeux liquéfiés sous pression, tels que le gaz de pétrole et le gaz naturel, constituent des carburants qui répondent à l'évolution des nouvelles contraintes environnementales. A titre d'exemple, par rapport à l'essence, le GPL engendre l'émission d'une quantité de dioxyde de carbone inférieure de 40 à 75% et d'une quantité d'hydrocarbures imbrûlés et d'oxyde d'azote inférieure de 30 à 65%. Cette réduction est d'autant plus significative lorsque le véhicule effectue des trajets de courte distance, puisqu'il est bien connu que l'importance des rejets est fonction de la température du moteur. I1 faut également noter que ce carburant GPL présente l'avantage de ne pas contenir d'additifs tels que le plomb, le soufre ou le benzène, dont l'émission est nuisible à la santé des populations. Les fluides gazeux liquides sous pression sont contenus dans des réservoirs qui supportent des contraintes liées à leur confinement dans des conditions déterminées de température et de pression et à l'évolution possible de leurs propriétés physico-chimiques qui en résultent. En effet, le GPL se trouve en équilibre binaire entre une phase liquide et une phase gazeuse. Cet état peut, sous l'effet de la température, provoquer une élévation importante de la pression interne susceptible d'entraîner l'explosion du réservoir. C'est la raison pour laquelle, afin d'éviter une éventuelle détérioration du réservoir, on a recours à un limiteur de remplissage. A cette fin, on s'arrange pour que la phase liquide n'occupe que 80% du volume disponible. Les 20% de volume restant au-dessus constituent un ciel gazeux apte à absorber les dilatations de la phase liquide en fonction des variations de la température ambiante. Si l'on se réfère à la courbe connue de l'évolution du comportement du carburant GPL liquide à l'intérieur d'un réservoir en fonction de la température, on sait que la dilatation de la phase liquide peut augmenter de 21,8$ entre 0 et 60 C. Cela signifie que lorsque la phase liquide occupe 80$ du volume du réservoir à une température de -15 C, si celle-ci se dilate, elle peut atteindre 97% du volume lorsque la température est voisine de 50 C. Cette forte augmentation du volume a pour conséquence de réduire très fortement le ciel gazeux qui ne représente plus alors que 3% du volume. Dans cet état, il ne peut plus absorber la dilatation de la phase liquide. Le réservoir va alors subir des contraintes mécaniques élevées qui peuvent entraîner son explosion. I1 existe encore un risque conséquent pour la sécurité, si le limiteur de remplissage n'assure plus sa fonction, en cas de mauvais fonctionnement, car l'utilisateur peut dépasser la limite de remplissage du réservoir. On dit que l'on se trouve dans une situation de plein hydraulique, le ciel gazeux étant quasi inexistant. On sait également que la tension de vapeur saturante peut conduire également à la destruction du réservoir lorsque la température atteint un seuil critique. Ce phénomène est bien connu, car la pression de vapeur saturante emprisonnée dans un réservoir étanche est fonction de la température ambiante. Si l'on se réfère aux courbes connues de tension vapeur des carburants GPL en fonction de la température, on sait que la pression croît de manière sensiblement exponentielle en fonction de la température. On constate par exemple que la pression passe de 2.105 Pa à 10 C à 8.105 Pa à 50 C. Il y a donc, en cas de très forte augmentation de la température externe (qui peut se produire notamment lors d'un incendie), un risque que le seuil de pression, qui provoque la rupture du réservoir, soit dépassé et que de ce fait il explose. Pour répondre à ces contraintes, on a développé des réservoirs, comme ceux décrits dans le brevet W098/01962, qui présentent des caractéristiques de résistance mécanique accrue. I1 est constitué d'un récipient interne étanche et d'une coquille externe qui l'entoure. Celle-ci présente une âme en nid d'abeilles afin de lui conférer des propriétés mécaniques supérieures de résistance aux contraintes tout en lui permettant d'avoir une configuration répondant aux besoins des modèles de véhicules qu'il est destiné à équiper. L'utilisation de tels réservoirs, bien que parfaitement adaptés pour des usages en condition normale, a montré sa limite lorsqu'ils sont soumis à des contraintes thermiques fortes que l'on rencontre par exemple en cas d'incendie du véhicule. Plusieurs accidents ont conduit à l'explosion d'un réservoir de véhicule sous l'action de la chaleur, ce qui a causé de sérieux dommages pour les utilisateurs et les secouristes. C'est la raison pour laquelle pour remédier à ce problème, on a développé des dispositifs de sécurité qui protègent les réservoirs contre le risque d'explosion en cas de surpression. C'est ainsi que l'on a pensé à placer sur des réservoirs un bouchon obturateur réalisé dans un matériau qui fond dès qu'un seuil prédéterminé de température est atteint. Situé en contact de la phase gazeuse de fluide, il permet, par l'ouverture d'un orifice résultant de sa fonte, la libération du fluide gazeux vers l'extérieur et ainsi une diminution de la pression interne du réservoir. Bien que simple de conception, ce dispositif présente des inconvénients d'utilisation qui réduisent sa fiabilité. En effet, lorsque l'on se trouve en plein hydraulique (c'est à dire dans un état où il se produit une forte augmentation de la pression avec une faible variation de la température), le seuil de température permettant la fonte du bouchon obturateur n'est pas atteint, même si la pression peut provoquer la rupture du réservoir. Il en résulte alors un risque d'explosion du réservoir et donc un danger pour les usagers. D'autre part, en cas d'incendie du véhicule, l'expérience a montré que si le feu atteint seulement une partie du réservoir éloignée du bouchon fusible, le réservoir monte en pression sans que le bouchon fonde. Pour améliorer encore la sécurité, on a songé à disposer sur la partie du réservoir en contact avec la phase gazeuse une soupape de sécurité qui autorise la libération du fluide gazeux sous pression dès qu'un seuil prédéterminé de pression (par exemple de 27.105 Pa (t 1) ) est atteint à l'intérieur du réservoir. Ce dispositif, bien que permettant d'assurer une meilleure sécurité en cas de plein hydraulique, n'assure plus totalement sa fonction de sécurité lors d'une augmentation très rapide de la température qui conduit à une modification localisée des propriétés mécaniques de résistance du réservoir. Par exemple, lors d'un incendie, une très forte chaleur est répartie ou non sur l'ensemble du réservoir en fonction de la propagation du feu (avec une température qui peut parfois dépasser les 750 C). Ces conditions altèrent et modifient le comportement des matériaux qui constituent le réservoir. Cela se traduit par une fragilisation qui diminue le seuil de rupture. Le réservoir est alors susceptible d'exploser malgré la soupape puisque son seuil de tarage n'est plus adapté. Il en résulte, dans de telles situations, un danger qui ne permet pas aux secours d'assurer une intervention en toute sécurité. Le but de la présente invention est de concevoir une nouvelle soupape de sûreté pour des enceintes étanches telles que les réservoirs GPL ou à essence, apte à assurer la sécurité quelle que soit la cause de l'augmentation de pression, que celle-ci soit localisée en un point du réservoir ou non. L'invention a donc pour objet une soupape de sûreté pour une enceinte étanche destinée à contenir un fluide sous pression, du type GPL, constituée d'un corps creux à l'intérieur duquel se trouve un ressort coopérant à une extrémité avec un clapet de fermeture, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de tarage des contraintes de pression appliquées contre le ressort à son autre extrémité, un moyen d'obturation éjectable du corps creux et un moyen de détarage à mémoire de forme du ressort pour permettre la libération vers l'extérieur du fluide gazeux sous pression. Le moyen de tarage est constitué par une vis perforée vissée dans le corps. Le moyen d'obturation est un bouchon. Selon un mode de réalisation, le moyen de détarage est un ressort de détente à mémoire de forme monté en opposition avec le ressort et dont la raideur augmente dès qu'un seuil prédéterminé de température est atteint. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de détarage est un ressort de traction à mémoire de forme monté en parallèle avec le ressort et dont la raideur augmente dès qu'un seul prédéterminé de température est atteint. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de détarage est une tige à mémoire de forme montée en parallèle avec le ressort et dont la longueur diminue dès qu'un seuil prédéterminé de température est atteint. Avantageusement, la soupape comporte un joint d'étanchéité disposé à la base du clapet. La vis perforée comporte un pas de réglage correspondant aux contraintes de pression. Selon une forme de réalisation, la soupape comporte des moyens d'acquisition de données tel un capteur de température qui coopère avec le moyen d'obturation et des moyens de traitement des données aptes à déterminer l'éjection du moyen d'obturation qui sont reliés à un voyant lumineux situé au niveau du tableau de bord du véhicule. Un tout premier avantage de cette soupape réside dans le fait que, grâce à sa conception, elle assure une fonction de protection garantissant pleinement la sécurité, mais également une fonction d'indication sur l'état des contraintes subies par le réservoir. Un autre avantage de la soupape selon l'invention réside dans sa simplicité de réalisation. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre d'exemple, en référence au dessins sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une soupape de sûreté conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe illustrant un autre mode de réalisation de la soupape, - la figure 3 est une coupe illustrant un autre mode encore de la soupape, - la figure 4 est une coupe selon AA de la figure 3. Sur la figure 1, on a représenté une coupe suivant l'axe longitudinal XX de la soupape 1 constituée d'un corps 2 creux et étanche réalisé dans un matériau lui conférant des propriétés de résistance aux contraintes et sollicitations (corrosion par exemple) auxquelles il sera soumis au cours de son utilisation, par exemple du laiton. Le corps creux 2 se présente sous la forme générale d'un élément tubulaire délimitant extérieurement trois sections 2a, 2b et 2c de diamètre différent. La section 2a présente un certain nombre de pans aux fins de serrage dans un perçage approprié du réservoir non représenté. La section 2b est une partie filetée pour le vissage dans le réservoir. La section 2c est en contact avec le ciel gazeux de GPL. La section 2c se prolonge par une paroi radiale 3 munie d'une perforation 4. La paroi radiale 3 est munie côté interne d'une collerette 5. Un logement 6, ménagé à l'intérieur du corps 2, reçoit un ressort principal 7, interposé entre une vis 8 à tête perforée et un clapet 9. Cette vis 8 constitue le moyen de tarage du ressort 7. La tête de la vis 8 est munie d'un prolongement tubulaire 10 dans lequel est engagé le ressort 7 en appui sur un épaulement 11. Le diamètre externe du prolongement 10 est adapté au diamètre interne du logement 6. L'autre extrémité du ressort 7 vient en appui sur le clapet 9 fermant la perforation 4, ce clapet étant lui-même en appui sur la collerette 5. Un ressort 12 en alliage à mémoire de forme est en appui, d'un côté sur le clapet 9, de l'autre sur la paroi radiale 3 faisant ainsi opposition au ressort principal 7. Un joint 13, solidaire du clapet, est disposé entre ce clapet 9 et la collerette 5. Dans sa position de montage sur un réservoir GPL, la soupape 1 fait saillie à l'intérieur de ce réservoir, le joint 13 étant en contact avec le fluide par l'intermédiaire de sa phase gazeuse et éventuellement liquide. Le clapet 9 se présente sous la forme d'un premier élément tubulaire 14 dont le diamètre externe est adapté au diamètre interne du logement 6 à des fins de guidage du ressort 7 et du clapet lui-même et un second élément tubulaire 15 de diamètre inférieur assurant le guidage du ressort 12, réunis entre eux par une paroi radiale 16.qui sert d'appui au ressort 12. Le clapet 9 partage ainsi le logement interne 6 en deux parties isolées l'une de l'autre, une partie 17, dite supérieure, destinée notamment au ressort 7 et une partie 18, dite inférieure, destinée notamment au joint 13 ainsi qu'au ressort 12. Sur la figure 1, on voit que le joint 13 est logé à l'extrémité du second élément 15 du clapet et que le ressort 7 est engagé dans le premier élément 14. Le clapet 9 est muni de perçages 19, par exemple au niveau de l'élément 15 permettant la communication entre la partie inférieure 18 et la partie supérieure 17 du corps 2. Enfin, le corps creux est fermé par un bouchon 20 engagé à force dans celui-ci. En position fermée, comme illustrée sur la figure 1, le clapet 9 et le joint 13 obturent hermétiquement la perforation 4 afin de bloquer la libération de la phase gazeuse du carburant GPL contenu dans le réservoir (non représenté) et dans lequel la soupape 1 est en contact en position d'utilisation. La soupape 1 comporte donc un moyen de tarage permettant au ressort 7 de résister à un seuil de pression prédéterminé. Ce moyen est constitué, dans la forme de réalisation représentée, par la vis 8 munie d'un pas permettant d'assurer rapidement le réglage de l'intensité de la contrainte associée au seuil de pression, c'est-à- dire son tarage. A ce titre, à température ambiante, on choisit une contrainte du ressort 7 correspondant à une pression interne de 27.105 Pa (t 1) pour être conforme aux normes actuelles concernant les réservoirs GPL. A l'intérieur du corps 2, le ressort 12 constitue un moyen de détarage qui par ses propriétés crée un effort supérieur et s'oppose à celui du ressort 7 en dégageant le joint 13 de la collerette 5, pour permettre la libération du fluide gazeux dans certaines conditions, comme cela sera décrit ultérieurement. Le ressort 12 est constitué d'un alliage à mémoire de forme. Sa raideur, faible à température ambiante, augmente dès qu'un certain seuil de température est franchi. De préférence, il s'agit d'un alliage du type nickel/titane. On choisit les caractéristiques physico-chimiques de ces matériaux de manière à ce qu'elles soient adaptées aux contraintes liées aux conditions d'utilisation. Notamment, on utilise des matériaux à mémoire de forme qui doivent changer de caractéristiques lorsqu'on atteint un seuil prédéterminé dans une plage de température donnée. Cette caractéristique est très importante, car elle assure le détarage du ressort 7 dès que la température atteint le seuil critique fixé. C'est la situation que l'on rencontre notamment en cas d'incendie du véhicule. Sous l'effet de la chaleur, le ressort 12 retrouve une raideur importante et exerce sur le clapet 9 un effort opposé à celui du ressort 7, ce qui entraîne une modification du tarage de la soupape 1. On assure ainsi l'évacuation du fluide gazeux sous pression qui provoque alors l'éjection du bouchon 20. L'intégrité physique du réservoir est préservée et le risque d'explosion annulé même en cas d'augmentation localisée très importante de la température. Grâce à la soupape selon l'invention, la sécurité des personnels assurant les secours se trouve ainsi assurée. Le fonctionnement est le suivant. Le ressort 7 étant taré à la valeur conventionnelle maintient le clapet 9 et donc le joint 13 contre la collerette 5 pour assurer l'étanchéité. Lorsque la pression augmente à l'intérieur du réservoir et atteint un seuil prédéterminé, le ressort 7 est comprimé pour éloigner le joint 13 de la collerette 5 et le carburant GPL passe de la partie inférieure 18 à la partie supérieure 17 à travers les perçages 19. La pression du GPL entraîne alors l'éjection du bouchon 20 et le GPL est évacué vers l'extérieur. Le ressort 12 ne joue aucun rôle dans ce cas. Si le véhicule prend feu, alors le ressort 12 voit sa raideur augmenter sous l'effet de la température et exerce sur le clapet 9 un effort opposé à celui exercé du ressort 7 pour éloigner le joint 13 de la collerette 5. Le ressort 7 est alors détaré. La pression nécessaire à l'évacuation du GPL est donc moindre et autorise l'évacuation continue de ce fluide vers l'extérieur après éjection du bouchon. Un avantage également procuré par l'invention réside dans le rôle joué par le bouchon 20 lorsque l'on se trouve dans un état de plein hydraulique (c'est à dire lorsqu'il y a une forte augmentation de pression à l'intérieur du réservoir sans variation importante de la température). La pression exercée au niveau de la soupape 1 va conduire à l'ouverture du clapet 9, ce qui va permettre au gaz de traverser par l'orifice 4. I1 va alors exercer sur le bouchon 20 une pression qui conduit à son éjection et il pourra ainsi s'échapper par l'orifice de la vis perforée 8 vers l'extérieur du réservoir. Non seulement, on évite les risques de destruction par explosion du réservoir, mais il est également possible de détecter, lorsque le bouchon est absent, qu'une pression supérieure à 27.105 Pa a été dépassée à l'intérieur de celui-ci. On pourra alors prendre les mesures adaptées afin d'éviter que de telles contraintes ne puissent se reproduire. Selon une variante de réalisation représentée schématiquement sur la figure 2, on utilise un ressort en traction. Dans ce cas, un ressort 21 en alliage à mémoire de forme est disposé du même côté que le ressort principal 7, par exemple suivant le même axe XX. Sur la figure, le ressort 7 entoure le ressort 21 et est fixé sur la bague 8 et sur le clapet 9. La structure générale de la soupape reste identique, mais le fonctionnement est le suivant. Le ressort de traction 21, sous l'effet de la température, retrouve une raideur importante et exerce ainsi une traction sur le clapet 9 contre la force du ressort 7 qui est ainsi détaré. On assure ainsi l'évacuation du fluide gazeux sous pression qui provoque l'éjection du bouchon 20. Ce ressort de traction 21 est lié, d'un côté à la partie mobile de la soupape, de l'autre à un élément de la structure du corps qui sert de point d'appui lors de la rétractation du ressort 21. Selon une autre variante de réalisation représentée schématiquement sur la figure 3, on utilise une tige 22 en alliage à mémoire de forme du même côté que le ressort principal 7. Cette tige est liée à la partie mobile de la soupape, le clapet 9, d'une part et à un élément de la structure du corps, par exemple une rondelle perforée 23 en appui sur la bague 8, qui sert de liaison lors de rétractation de la tige 22 d'autre part. La structure générale de la soupape reste identique et le fonctionnement est le suivant. La tige 22, sous l'effet de la température, opère une réduction de sa longueur et exerce ainsi une traction sur le clapet 9 en s'appuyant sur la rondelle 23. Le joint 13 est alors éloigné de la collerette 5 et les gaz s'échappent au travers des trous pratiqués dans la rondelle. On notera que, suivant les deux premiers modes de réalisation (ressorts de détente et de traction), les ressorts 12 ou 21 ne jouent aucun rôle dans le cas d'une surpression interne dans l'enceinte étanche. Si le véhicule prend feu, alors le ressort 12 ou 21, sous l'effet de la température, produit son effort et ouvre le clapet 9. Dans le troisième mode de réalisation, la surpression provoque la levée de la tige 22 et de la rondelle perforée 23 qui lui est liée. Les gaz peuvent s'évacuer par les trous 24 pratiqués dans la rondelle d'appui comme montré sur la figure 4. Cette tige n'interfère donc pas avec le fonctionnement de la soupape en cas de surpression interne à l'enceinte étanche. Dans une variante de réalisation, il est envisageable de disposer des moyens d'acquisition de données tel qu'un capteur de température. On peut par exemple avoir recours à un thermocouple qui sera connecté à un organe de régulation qui assurera l'ouverture d'un cache amovible ou de tout autre dispositif susceptible d'assurer une obturation amovible du corps creux. Ce capteur de température pourra commander la mise sous tension du ressort à mémoire de forme dont l'échauffement provoquera sa transformation et donc l'ouverture de la soupape. On peut également envisager de placer des moyens de détection de l'éjection du bouchon 20 constitués d'un capteur, tel qu'un capteur de type inductif, qui sera connecté à un voyant lumineux ou une alarme sonore disposé sur le tableau de bord du véhicule pour permettre à l'usager de connaître l'état du réservoir. I1 va de soi que des moyens sont prévus pour que la chaleur régnant au niveau d'une partie quelconque du réservoir soit transmise vers la soupape, en particulier le moyen de détarage, pour provoquer son fonctionnement. Ainsi, on pourrait par exemple prévoir un corps métallique en contact avec l'élément à mémoire de forme et le réservoir favorisant le transfert rapide de la chaleur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite, mais elle couvre toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Soupape de sûreté (1) pour une enceinte étanche destinée à contenir un fluide sous pression, du type GPL, constituée d'un corps creux (2) à l'intérieur duquel se trouve un ressort (7) coopérant à une extrémité avec un clapet (9) de fermeture, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de tarage (8) des contraintes de pression appliquées contre le ressort (7) à son autre extrémité, un moyen d'obturation (20) éjectable du corps creux (2) et un moyen de détarage (12, 21, 22) à mémoire de forme du ressort pour permettre la libération vers l'extérieur du fluide gazeux sous pression. 2 - Soupape de sûreté (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de tarage (8) est constitué par une vis (9) perforée vissée dans le corps (2). 3 - Soupape de sûreté (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen d'obturation (20) est un bouchon. 4 - Soupape de sûreté (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen de détarage est un ressort (12) de détente à mémoire de forme monté en opposition avec le ressort (7) et dont la raideur augmente dès qu'un seuil prédéterminé de température est atteint. 5 - Soupape de sûreté (1) selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen de détarage est un ressort (21) de traction à mémoire de forme monté en parallèle avec le ressort (7) et dont la raideur augmente dès qu'un seul prédéterminé de température est atteint. 6 - Soupape de sûreté (1) selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen de détarage est une tige (23) à mémoire de forme montée en parallèle avec le ressort (7) et dont la longueur diminue dès qu'un seuil prédéterminé de température est atteint. 7 - Soupape de sûreté (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un joint d'étanchéité (13) disposé à la base du clapet (9). 8 - Soupape de sûreté (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la vis perforée (9) comporte un pas de réglage correspondant aux contraintes de pression. 9 - Soupape de sûreté (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'acquisition de données tel un capteur de température qui coopère avec le moyen d'obturation (20). 10 - Soupape de sûreté (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de traitement des données aptes à déterminer l'éjection du moyen d'obturation qui sont reliés à un voyant lumineux situé au niveau du tableau de bord du véhicule.