Brevet FR2922993A1 — publié le 20090501

-1- [0001] La présente invention se rapporte au stockage des fluides sous pression. Elle est notamment mais pas uniquement applicable pour le stockage d'oxygène gazeux dans un véhicule routier, par exemple un véhicule à pile à combustible dans lequel on désire embarquer une réserve d'oxygène sous haute pression. [0002] Dans ce domaine, l'une des difficultés en vue de la production en série de tels véhicules est la conception des réservoirs. En effet, les réservoirs emportés par ces véhicules doivent répondre à d'importantes exigences de sécurité afin de limiter au maximum les conséquences d'un choc ou d'un impact accidentel. Par exemple, lorsque le réservoir est détruit au cours d'un accident dans lequel le véhicule est impliqué ou lorsqu'un projectile tiré par une arme à feu traverse le réservoir, la pression du fluide se trouve brutalement libérée. Du fait des pressions de stockage de l'ordre de 200 à 500 bar, la puissance développée par cette libération de pression peut être importante au point de réunir les conditions de l'oxycoupage. Un objectif est donc de minimiser la puissance développée par la libération de la pression interne du réservoir en cas de rupture de celui-ci. Un autre objectif est de permettre une obtention industrielle de tels réservoirs pour un coût raisonnable, par exemple acceptable pour une application automobile. [0003] L'invention propose pour cela un réservoir métallique pour le stockage de fluide sous haute pression, comprenant le long de son axe une pluralité de compartiments adjacents séparés par des cloisons, chaque compartiment comportant une paroi cylindrique, une zone de transition reliant chaque cloison à la paroi cylindrique, les compartiments communiquant entre eux par au moins un orifice pratiqué dans chaque cloison, dans lequel, pour un compartiment donné, la paroi cylindrique est reliée par une soudure annulaire à la zone de transition du compartiment adjacent. [0004] De préférence, les compartiments d'extrémité sont différents des compartiments centraux, tous les compartiments centraux étant identiques entre eux. [0005] De préférence, le réservoir comporte une interface d'entrée/sortie unique situé à une extrémité d'entrée/sortie dudit réservoir. De préférence encore, les cloisons sont bombées, la face concave des cloisons étant orientée vers l'extrémité d'entrée/sortie du réservoir. [0006] De préférence, chaque cloison comporte un orifice unique, placé au centre de ladite cloison, le diamètre de l'orifice étant compris entre 1 et 5 mm. -2- [0007] L'invention propose également une méthode d'obtention d'un réservoir métallique pour le stockage de fluide sous haute pression, la méthode comprenant successivement les étapes suivantes : • former des éléments de base comprenant une paroi cylindrique de section ronde, une cloison comportant un orifice et disposée perpendiculairement à l'axe de la paroi cylindrique, une zone de transition reliant une première extrémité de la paroi cylindrique à la cloison, une deuxième extrémité de la paroi cylindrique constituant un bord libre, • juxtaposer une pluralité d'éléments de base identiques de manière à faire coïncider les axes respectifs des parois cylindriques, • lier ladite pluralité d'éléments de base par soudage du bord libre de l'extrémité de la paroi cylindrique de chaque élément de base sur la zone de transition de l'élément adjacent. [0008] De préférence, on forme les éléments de base essentiellement par emboutissage. [0009] Alternativement, on forme les éléments de base essentiellement par enlèvement de matière. [0010] De préférence, on lie la pluralité d'éléments de base par soudage par faisceau d'électrons. [0011] De préférence, on soude en outre des éléments d'extrémités aux deux extrémités de ladite pluralité d'éléments de base, les éléments d'extrémités étant différents des éléments de base. [0012] De préférence, la zone de transition de chaque élément de base comporte un épaulement de centrage autour duquel on place le bord libre de l'élément adjacent [0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront grâce à la description de modes préférés de réalisation. Les figures représentent respectivement: - Figure 1 : vue en perspective et en coupe partielle d'un réservoir selon l'invention ; - Figure 2 : vue plane de deux éléments de base du réservoir de la figure 1 ; - Figure 3 : vue en coupe selon un plan contenant l'axe du réservoir du détail de la liaison entre deux éléments du réservoir de la figure 1 ; - Figure 4 : vue en coupe selon un plan contenant l'axe du réservoir du détail de l'orifice de communication entre deux compartiments du réservoir de la figure 1 ; - Figure 5 : vue en coupe similaire à la figure 4 du détail d'une liaison selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; -3- Figure 6 : vue en coupe similaire aux figures 4 et 5 du détail d'une liaison selon un troisième mode de réalisation de l'invention. [0014] En référence à la figure 1, on voit en coupe partielle un réservoir 1 de forme générale cylindrique selon un axe 2. le réservoir comporte une extrémité ouverte 4 constituant son interface d'entrée/sortie 40 et une extrémité fermée 5. L'intérieur du réservoir comporte une pluralité de cloisons 3 qui définissent une pluralité de compartiments 10. Les compartiments adjacents communiquent par un orifice 6 situé au centre de la cloison correspondante. Le réservoir est ici constitué de cinq éléments de base 7 identiques définissant cinq compartiments centraux 10 identiques. Les parties d'extrémité du réservoir utilisent des éléments spécifiques 8 et 9, différents des éléments de base 7. [0015] L'extrémité fermée 5 est constituée par un élément de fond 9. Le compartiment de fond 91 ainsi défini a un volume similaire à celui des compartiments centraux. L'élément de fond comporte ici une tige filetée 51 destinée à être fixée au châssis du véhicule par l'intermédiaire d'un élément intermédiaire mobile ou flexible. Ceci permet d'autoriser un déplacement axial de l'extrémité fermée du réservoir du fait des déformations occasionnées par les contraintes mécaniques et thermiques auquel il est soumis. On comprend que cette fonction de maintien/guidage de l'extrémité fermée 5 du réservoir peut être réalisée de tout autre manière appropriée, par exemple par un guidage coulissant. [0016] L'extrémité ouverte 4 du réservoir 1 est constituée par un élément d'entrée/sortie 8 qui comporte l'interface d'entrée/sortie 40. L'interface d'entrée/sortie 40 comprend des moyens de connexion au circuit de fluide (voir logement 41 pour un joint d'étanchéité) et constitue en outre ici un moyen de fixation (voir trous filetés 42) du réservoir par rapport au véhicule. [0017] Les cloisons 3 sont de préférence bombées vers le fond du réservoir comme représenté ici (face concave orientée vers l'extrémité ouverte du réservoir et de l'élément dont fait partie la cloison considérée). [0018] Le réservoir de la figure 1 comprend en outre un élément 71 similaire aux éléments de base 7 mais dont la partie tubulaire est légèrement plus courte afin que le compartiment d'entrée/sortie 71 ainsi défini ait un volume équivalent à celui des compartiments centraux 10. On comprend cependant qu'un sixième élément de base 7 pourrait tout à fait être utilisé à la place de cet élément 71 si l'on accepte que le compartiment correspondant 71 soit d'un volume légèrement supérieur aux autres. -4- [0019] Sur la figure 2 qui montre deux éléments de base avant leur assemblage, on voit bien que chaque élément de base 7 (ou 71) comprend une cloison 3 et une partie tubulaire 72 de section circulaire de diamètre extérieur � � destinée à constituer la paroi cylindrique du réservoir. Chaque élément est réalisé en une seule pièce, de préférence dans un matériau métallique et soudable comme un acier inoxydable compatible avec l'oxygène sous pression. [0020] Tous les éléments (de base comme d'extrémité) sont ensuite reliés entre eux de manière étanche comme illustré par la figure 3 qui montre en détail un mode de réalisation de la liaison entre deux éléments adjacents. Sur cette figure, on voit la zone de transition 73 qui relie la partie tubulaire 72 et la cloison 3 d'un élément de base monobloc. Le bord libre 76 de la partie tubulaire 72 d'un élément adjacent 7' vient prendre place autour d'un épaulement de centrage 74 de cette zone de transition. Un cordon de soudure périphérique 75 vient alors solidariser les deux éléments de manière étanche. La liaison illustrée ici concerne deux éléments de base mais le même type de liaison peut être utilisé pour les éléments d'extrémité 8 et 9 comme on le devine à la figure 1. En particulier, la zone de transition de l'élément d'entrée/sortie 8 est différente du fait que l'élément d'entrée/sortie 8 est dépourvu de cloison mais la liaison entre cet élément 8 et l'élément adjacent 70 peut être réalisée de la même manière que les autres. [0021] La figure 4 montre à une plus grande échelle la zone B de la figure 2. On y voit la partie centrale de la cloison 3 qui comporte l'orifice 6. Comme décrit plus haut, l'orifice met en communication les deux compartiments 10 adjacents. Au cours du remplissage du réservoir, le fluide circule dans l'orifice vers la droite de la figure afin de remplir et mettre à égale pression tous les compartiments. Lorsque le réservoir alimente un circuit consommant du fluide, le fluide circule vers la gauche de la figure, c'est à dire vers l'extrémité ouverte 4 du réservoir. L'orifice central et unique 6 constitue un col sonique qui limite le débit entre deux compartiments adjacents. Le rôle essentiel des cloisons est de réduire le volume de fluide libéré instantanément en cas de rupture du réservoir. De préférence, les cloisons et les orifices doivent être dimensionnés de telle façon qu'ils puissent, en cas de rupture du réservoir, résister à une chute de pression brutale d'au moins un compartiment même s'ils doivent pour cela se déformer, y compris de manière permanente (plastique). Pour un réservoir réalisé en acier inoxydable dont la limite à la rupture est de 1100 MPa, de diamètre = 70 mm, rempli d'oxygène à la pression d'usage de 200 bar, on a constaté que des cloisons de 0.8 mm d'épais et des orifices de 3 mm de diamètre ont donné toute satisfaction. Selon les dimensions du réservoir, le diamètre de l'orifice peut -5-varier. De préférence, il est compris entre 1 et 5 mm. Alternativement, on peut avoir une pluralité de trous de diamètre plus réduit dont l'effet en terme de débit global est équivalent. [0022] Le fait que les cloisons soient bombées vers le fond du réservoir permet de remplir le réservoir sous une pression de remplissage relativement élevée par rapport à la pression de stockage visée sans endommager les cloisons car elles peuvent supporter une différence de pression importante entre deux compartiments successifs (de la gauche vers la droite sur les figures). De cette façon le remplissage peut être rapide. Au contraire, lorsque le fluide est ensuite consommé par le circuit qu'il alimente, la différence de pression à laquelle les cloisons sont soumises est bien moindre (voire négligeable) puisque le débit est bien plus faible que lors du remplissage. [0023] De préférence, le réservoir est fabriqué selon la méthode suivante : • On forme des éléments de base et des éléments spécifiques d'extrémités, par exemple par enlèvement de matière (tournage, fraisage), par emboutissage ou par toute technique adaptée au matériau choisi, • On assemble les éléments constitutifs d'un réservoir le long de son axe, • On réalise une liaison définitive du bord libre 76 de la paroi cylindrique 72 de chaque élément avec la zone de transition 73 de l'élément adjacent, par exemple par soudage par faisceau d'électrons (dit aussi par bombardement électronique), soudure laser ou par friction. [0024] Lorsque l'on dit que les éléments sont obtenus essentiellement par emboutissage, on veut dire que l'opération d'emboutissage donne sa forme générale à l'élément même si des reprises d'usinages sont ensuite nécessaires sur la zone de transition ou sur le bord libre selon la précision d'assemblage exigée par le type de liaison. On sait par exemple qu'une liaison par soudage par faisceau d'électrons exige une précision relativement élevée. [0025] A la figure 5, on a représenté un deuxième mode de réalisation du réservoir selon l'invention dans lesquels les éléments sont eux-mêmes obtenus par soudage (voir cordon de soudure 77) d'une portion de tube 721 sur l'épaulement 78 de la cloison 3 de manière similaire à ce qui a été décrit plus haut pour la liaison entre éléments adjacents. [0026] A la figure 6, on a représenté un troisième mode de réalisation du réservoir selon l'invention. Celui-ci differe du deuxième mode de réalisation en ce que les bords libres 761 des -6- portions de tube 721 et la zone de transition 732 sont configurés de manière à permettre leur assemblage et leur liaison par un cordon de soudure 75 unique. Sur cet exemple, les bords libres sont biseautés à 45° et la cloison 3 comporte une arête annulaire 79 dont les pentes latérales sont également inclinées à 45°. [0027] L'invention a été décrite dans une application particulière à un réservoir de véhicule, on comprend qu'elle peut également s'appliquer dans le cas de réservoirs stationnaires de plus ou moins grande capacité. [0028] La pression d'usage envisagée dans l'application automobile est de 200 bar. Ceci correspond selon les normes en vigueur à une pression d'épreuve de 300 bar et une limite de rupture supérieure à 450 bar. [0029] Un avantage de l'invention est que la longueur du réservoir ne dépend que du nombre d'éléments de base mis en oeuvre. Revendications 1 ù Réservoir (1) métallique pour le stockage de fluide sous haute pression, comprenant le long de son axe (2) une pluralité de compartiments (10, 71, 91) adjacents séparés par des cloisons (3), chaque compartiment comportant une paroi cylindrique (72), une zone de transition (73) reliant chaque cloison à la paroi cylindrique, les compartiments communiquant entre eux par au moins un orifice (6) pratiqué dans chaque cloison, dans lequel, pour un compartiment donné, la paroi cylindrique est reliée par une soudure annulaire (75) à la zone de transition du compartiment adjacent. 2 ù Réservoir selon la revendication 1, dans lequel les compartiments d'extrémité (71, 91) sont différents des compartiments centraux (10), tous les compartiments centraux étant identiques entre eux. 3 ù Réservoir selon l'une des revendications précédentes, comportant une interface d'entrée/sortie (40) unique situé à une extrémité d'entrée/sortie (4) dudit réservoir. 4 ù Réservoir selon la revendication 3, dans lequel les cloisons sont bombées, la face concave des cloisons étant orientée vers l'extrémité d'entrée/sortie du réservoir. 5 ù Réservoir selon l'une des revendications précédentes dans lequel chaque cloison comporte un orifice (6) unique, placé au centre de ladite cloison, le diamètre de l'orifice (cl)) étant compris entre 1 et 5 mm. 6 - Méthode pour la fabrication d'un réservoir métallique pour le stockage de fluide sous haute pression, la méthode comprenant successivement les étapes suivantes : • former des éléments de base comprenant une paroi cylindrique (72) de section ronde, une cloison (3) comportant un orifice (6) et disposée perpendiculairement à l'axe (2) de la paroi cylindrique, une zone de transition (73) reliant une première extrémité de la paroi cylindrique à la cloison, une deuxième extrémité de la paroi cylindrique constituant un bord libre (76), • juxtaposer une pluralité d'éléments de base identiques de manière à faire coïncider les axes respectifs des parois cylindriques, • lier ladite pluralité d'éléments de base par soudage du bord libre de l'extrémité de la paroi cylindrique de chaque élément de base sur la zone de transition de l'élément adjacent. 30 7 - Méthode selon la revendication 6 dans laquelle on forme les éléments de base essentiellement par emboutissage.-8- 8 -Méthode selon la revendication 6 dans laquelle on forme les éléments de base essentiellement par enlèvement de matière. 9 - Méthode selon l'une des revendications 6 à 8 dans laquelle on lie la pluralité d'éléments de base par soudage par faisceau d'électrons. 10 - Méthode selon l'une des revendications 6 à 9 dans laquelle on soude en outre des éléments d'extrémités (8, 9) aux deux extrémités de ladite pluralité d'éléments de base (7), les éléments d'extrémités étant différents des éléments de base. 11 - Méthode selon l'une des revendications 6 à 10 dans laquelle la zone de transition (73) de chaque élément de base (7) comporte un épaulement de centrage (74) autour duquel on place le bord libre (76) de l'élément adjacent (7').