Brevet FR2948167A1 — publié le 20110121

La présente invention concerne un réservoir de fluide sous pression et son procédé de fabrication. L'invention concerne plus particulièrement un réservoir de fluide sous pression de forme générale cylindrique avec notamment une extrémité bombée en forme de dôme, en particulier pour gaz, le réservoir comportant une enveloppe interne d'étanchéité, une enveloppe extérieure de renforcement en matériau composite disposée sur la majorité de la surface extérieure de l'enveloppe interne, les enveloppes interne et extérieure définissant un orifice pour le fluide situé à une extrémité supérieure du réservoir, le réservoir comportant une pièce polaire disposée au niveau de l'orifice et comportant une portion inférieure ayant une forme générale de collerette qui s'étend radialement vers la partie inférieure du réservoir, l'épaisseur de la portion inférieure de la pièce polaire se réduisant progressivement vers la partie inférieure du réservoir. L'invention concerne notamment les réservoirs dits de � type IV �. Les réservoirs de stockage de gaz sous pression de type IV comprennent une enveloppe interne en plastique (appelé également � liner �) assurant le stockage étanche du gaz, et une enveloppe extérieure en matériau composite assurant la tenue en pression. Afin d'assurer la liaison entre le réservoir et une valve ou un robinet, une pièce polaire métallique est généralement insérée entre l'enveloppe composite et l'enveloppe plastique. Généralement, la pièce polaire comporte à son extrémité supérieure un taraudage ou un filetage destiné à coopérer avec système conjugué d'une valve ou d'un robinet. L'extrémité inférieure de la pièce polaire comporte une embase destinée à épouser la forme bombée du liner. L'interface entre l'enveloppe interne et l'embase de la pièce polaire forme un chemin préférentiel pour les fuites de gaz éventuelles qui peuvent être observées en raison par exemple : - d'une décohésion entre l'embase et l'enveloppe interne, - d'une rupture de l'enveloppe interne au point triple (c'est-à-dire au point où 30 se rejoignent les enveloppes interne et extérieure ainsi que l'embase), - de la combinaison des deux phénomènes précédents. Un but de l'invention est de limiter la probabilité d'apparition de fuites sur un réservoir (de type IV ou autre) et ainsi d'augmenter la fiabilité et la durée de vie du réservoir. Les matériaux présents à l'interface embase/enveloppe interne/enveloppe extérieure (point triple) ont des propriétés différentes. En effet, un phénomène de cisaillement au point triple du réservoir peut apparaître lorsque le réservoir est sous pression. Ceci peut entraîner une rupture de l'enveloppe interne et/ou une décohésion de l'ensemble. De plus, le coefficient de dilatation thermique du métal constituant généralement l'embase est très différent du coefficient de dilatation thermique du polymère constituant généralement l'enveloppe interne. De ce fait, des décollements peuvent apparaître lorsque le réservoir est soumis à certains cycles thermiques ou thermomécaniques. Le cisaillement à l'interface entre ces matériaux peut être atténué par l'utilisation d'une forme géométrique adaptée du dôme (embase et enveloppe interne cf. par exemple FR2193953). Afin de limiter les effets de la dilatation thermique, et comme suggéré par US5518141A, il est également avantageux de prolonger les bords de l'embase jusqu'à la zone cylindrique du réservoir. Ceci permet d'avoir une plus grande surface d'accroche entre le l'enveloppe interne et l'embase. Ceci diminue le risque de décohésion. Afin de limiter le cisaillement de l'enveloppe interne au point triple, l'embase peut être recouverte d'un caoutchouc ou élastomère sur toute sa surface de contact avec le liner et le composite (cf. US6227402 ou US5429845). Certaines références précisent que les élastomères vieillissent mal dans ces conditions (cf. WO9423241). Afin de limiter le cisaillement au point triple, l'embase peut être prise en sandwich dans l'enveloppe interne. Ce concept est largement exploité pour les enveloppes internes réalisées par rotomoulage (cf. également WO9423241). La concentration de contrainte au point triple est diminuée mais reste présente. Les problèmes de tenue au point triple (embase/enveloppe interne/enveloppe extérieure) ne sont donc pas résolus avec satisfaction. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le réservoir selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la face inférieure de la portion inférieure de la pièce polaire est disposée au contact d'une couche d'adaptation en matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne, le matériau constituant la couche d'adaptation ayant un module d'élasticité inférieur ou égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la face supérieure de la portion inférieure de la pièce polaire est disposée au contact de l'enveloppe extérieure, - la couche d'adaptation a des dimensions supérieures aux dimensions de la partie inférieure de la pièce polaire, de façon à réduire ou rendre nulle la surface de contact entre l'enveloppe interne et la portion inférieure de la pièce polaire - la pièce polaire est métallique, - la surface inférieure de la portion inférieure de la pièce polaire est continûment courbe et concave, - la surface supérieure de la portion inférieure de la pièce polaire est continûment courbe et convexe, - l'enveloppe interne est constituée de plastique tel qu'un polymère, - la couche d'adaptation est constituée d'un matériau composite et/ou de matériau plastique tel qu'un polymère, - l'épaisseur de la couche d'adaptation se réduit progressivement vers la partie inférieure du réservoir, - la couche d'adaptation est formée par une portion de l'enveloppe extérieure, c'est-à-dire que la portion inférieure de la pièce polaire est prise en sandwich dans l'épaisseur de l'enveloppe extérieure. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un réservoir conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus, comportant : - une étape de pose d'une couche d'adaptation sur une enveloppe interne d'étanchéité pourvue d'un orifice, ladite couche d'adaptation étant simplement posée ou collée ou surmoulée sur ladite enveloppe interne d'étanchéité autour de l'orifice, - une étape de pose d'une pièce polaire sur la couche d'adaptation, ladite pièce polaire étant simplement posée ou collée sur la couche d'adaptation, - une étape de pose d'une enveloppe extérieure de renforcement sur l'enveloppe interne et sur la partie inférieure de la pièce polaire, la couche d'adaptation étant réalisée en un matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne, le matériau constituant la couche d'adaptation ayant un module d'élasticité inférieur ou égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un réservoir, comportant : - une étape de pose d'une première partie d'une enveloppe extérieure sur une enveloppe interne d'étanchéité pourvue d'un orifice, ladite partie d'une enveloppe extérieure étant disposée au moins autour de l'orifice de façon à réaliser une couche d'adaptation, - une étape de pose d'une pièce polaire sur la couche d'adaptation, ladite pièce polaire étant simplement posée ou collée sur ladite couche d'adaptation, - une étape de pose d'une seconde partie de l'enveloppe extérieure de renforcement sur l'enveloppe interne et sur la partie inférieure de la pièce polaire, la face inférieure de la portion inférieure de la pièce polaire étant disposée au contact d'une couche d'adaptation en matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne, le matériau constituant la couche d'adaptation ayant un module d'élasticité égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure, la couche d'adaptation étant formée par une partie de l'enveloppe extérieure. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures, dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un détail d'un réservoir selon un premier exemple possible de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un détail d'un réservoir selon un second exemple possible de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1 donnée à titre d'exemple schématique uniquement, une pièce polaire 3 est située au niveau d'un orifice 4 d'un réservoir comprenant une enveloppe interne 1 étanche et une enveloppe extérieure 2. La pièce polaire 3 est par exemple métallique, en acier, en aluminium ou tout autre alliage ou tout autre matériau approprié. L'enveloppe interne 1 étanche est en plastique ou polymère tel que le polyéthylène ou le polyamide ou tout autre matériau approprié pour contenir de façon étanche un gaz sous pression. L'enveloppe ou revêtement extérieure 2 est par exemple en matériau composite de renforcement mécanique tel qu'un composite à fibre de carbone de kevlar ou de verre ou hybride à matrice thermoplastique ou thermodurcissable. La pièce polaire 3 comporte une portion supérieure annulaire ou tubulaire (par exemple filetée et/ou taraudée ou autre) destinée à permettre la liaison avec un organe tel qu'une vanne ou un robinet. La vanne ou le robinet peut également être solidaire de la pièce polaire 3. La portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 (appelée également � embase �) est disposée entre les deux enveloppes 1, 2. Cette portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 a de préférence la forme générale d'une surface sphérique qui s'étend radialement vers la partie inférieure du réservoir. L'épaisseur de la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 peut se réduire de façon progressive vers la partie inférieure du réservoir. Par exemple, la portion inférieure 13 de la pièce polaire peut s'étendre jusqu'au niveau de la portion cylindrique du réservoir (c'est-à-dire à la limite du dôme de l'extrémité supérieure du réservoir). Selon une particularité avantageuse, une couche 5 d'adaptation est interposée entre la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 et l'enveloppe interne 1. Plus précisément, au moins la majorité de la face inférieure 33 de la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 est disposée au contact de la couche d'adaptation 5. Cette couche 5 d'adaptation est réalisée en matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne 1. Le matériau constituant la couche d'adaptation 5 a un module d'élasticité inférieur ou égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure 2. Le matériau constituant la pièce polaire 3 peut être plus rigide ou moins rigide que le matériau constituant l'enveloppe extérieure 2. Par exemple, la pièce polaire peut être constituée d'aluminium ou d'acier. Par exemple, le matériau constituant la pièce polaire 3 peut avoir un module d'élasticité supérieur ou inférieur ou égale au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure 2. De cette façon, les propriétés mécaniques des matériaux présents au point triple sont changées de façon à diminuer l'écart entre les modules élastiques des matériaux respectifs. Selon l'invention, la couche 5 d'adaptation forme une couronne intermédiaire entre l'enveloppe interne 1 et la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3. Cette couronne intermédiaire 5 est formée d'un matériau plus rigide que le matériau de l'enveloppe interne 1. De préférence, la couche 5 d'adaptation possède un module d'élasticité Ec tel que: - Ec>Eliner, et - Ec Ceci permet de diminuer la concentration de contraintes au niveau de l'enveloppe interne 1. La couche 5 d'adaptation peut par exemple être réalisée en matériau plastique ou composite. De préférence, la couche 5 d'adaptation a un diamètre supérieur à celui de la pièce polaire 3, 13 afin de limiter ou empêcher le contact entre l'enveloppe interne 1 et la pièce polaire 3, 13. Dans l'exemple de la figure 1 l'extrémité de l'enveloppe interne 1 (formant l'orifice) est ancrée dans le corps de la pièce 3 polaire. Bien entendu, cet ancrage est facultatif (cf. figure 2 où l'extrémité de l'enveloppe interne 1 est en contact avec l'enveloppe extérieure et éventuellement avec une portion seulement de la surface de pièce polaire 3). La couche 5 d'adaptation peut notamment s'étendre au-delà de la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 en direction de la partie inférieure du réservoir (par exemple via un diamètre supérieur au diamètre de la portion inférieure 13). De préférence, la couche 5 d'adaptation présente un bord profilé dont épaisseur diminue continûment vers son extrémité orientée vers la partie inférieure du réservoir. Ceci permet de diminuer avantageusement le gradient de contrainte au point triple entre : - la couche 5 d'adaptation, - l'enveloppe interne 1, - l'enveloppe extérieure 2. Cette structure forme ainsi deux points triples. Un premier point triple est l'endroit où se superposent : l'enveloppe extérieure 2, la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 et la couche 5 d'adaptation. Le second point triple est l'endroit où se superposent : l'enveloppe extérieure 2, l'enveloppe interne 1 et la couche 5 d'adaptation. Selon la définition de l'invention, la nature des matériaux est ainsi choisie de façon à faire diminuer le gradient de contrainte entre les parties constitutives en contact par rapport aux réservoirs de l'art antérieur. Ceci améliore l'intégrité du réservoir. Par ailleurs, une éventuelle décohésion de l'architecture du réservoir selon l'invention à l'interface entre : - l'enveloppe extérieure 2 composite, - l'embase 3 ; 13 et - la couche 5 d'adaptation n'est pas préjudiciable pour l'étanchéité du réservoir. La couche 5 d'adaptation est par exemple rigide ou semi-rigide et par exemple comprend un polymère. Cette couche 5 d'adaptation peut être préformée et posée sur l'enveloppe interne 1. En variante, cette couche 5 d'adaptation peut être moulée directement sur l'enveloppe interne 1. La portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 peut ensuite être positionnée (avec ou sans collage) sur cette couche 5 d'adaptation. Le renfort composite (enveloppe extérieure) peut ensuite être réalisé de façon classique (par exemple par bobinage). Dans le cas où le matériau constituant la couche 5 d'adaptation est un matériau composite, la couche 5 d'adaptation peut être réalisée en déposant un tissu de composite pré-imprégné sur l'enveloppe interne. En variante ou en combinaison, la couche 5 d'adaptation peut être réalisée par surmoulage sur l'enveloppe interne 1 (par exemple en matériau composite à base de fibres coupées). En variante ou en combinaison, la couche 5 d'adaptation peut être réalisée par un enroulement filamentaire sur l'enveloppe interne 1. Dans une variante de réalisation possible, la couche 5 d'adaptation peut être constituée d'un matériau de même nature que l'enveloppe extérieure 2 composite (cf. la figure 2). Dans ce cas, le procédé de fabrication d'un tel réservoir peut consister à déposer quelques couches de matériau composite (par exemple par bobinage) sur l'enveloppe interne 1. Ensuite, la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 peut être positionnée sur la couche 5 préalablement obtenue, puis le dépôt de couches 2 de matériau composite (par exemple par bobinage) peut continuer. De cette façon, l'embase 13 est alors prise en sandwich dans l'enveloppe extérieure 2 de renfort. Cette variante présente un avantage supplémentaire pour les réservoirs à enveloppe extérieur base matrice thermodurcissable (de type époxy par exemple) du fait que l'adhésion entre le métal (de la pièce polaire) et la résine du composite (enveloppe extérieure) est amélioré par rapport à une adhésion entre le métal et un thermoplastique (matériau de référence pour l'enveloppe interne 1). Le profil de la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 peut également être choisi pour diminuer le gradient de contrainte au point triple et donc de diminuer le cisaillement de l'enveloppe interne 1 dans un réservoir sous pression. Ainsi, de préférence, le profil de la portion inférieure 13 est tel que celle-ci se déforme progressivement et est flexible à la zone périphérique. Avantageusement, la portion inférieure 13 de la pièce polaire 3 est flexible au moins au niveau de la paroi d'extrémité. Ceci permet de diminuer ou supprimer les concentrations de contraintes au point triple du réservoir. La pièce polaire 3 peut être obtenue en profilant en épaisseur par usinage la portion inférieure 13 puis en soudant sur son extrémité inférieure une feuille de métal à l'épaisseur voulue (quelques dizaines de micron à quelques centaines de micron, par exemple entre 30 et 1000 pm et encore plus préférentiellement entre 50 et 500 pm). L'épaisseur de la feuille peut être ajustée (constante ou décroissante) en fonction des caractéristiques de l'enveloppe interne 1. Le métal constitutif de la feuille de faible épaisseur peut éventuellement être dans un matériau différent de celui de la pièce polaire 3. Le réservoir peut être réalisé en posant ou en collant la pièce polaire 3 sur l'enveloppe interne 1 avant la pose de l'enveloppe extérieure 2 (fibre de renfort bobinée par exemple). REVENDICATIONS1. Réservoir de fluide sous pression de forme générale cylindrique avec notamment une extrémité bombée en forme de dôme, en particulier pour gaz, le réservoir comportant une enveloppe interne (1) d'étanchéité, une enveloppe extérieure (2) de renforcement en matériau composite disposée sur la majorité de la surface extérieure de l'enveloppe interne (1), les enveloppes interne (1) et extérieure (2) définissant un orifice (4) pour le fluide situé à une extrémité supérieure du réservoir, le réservoir comportant une pièce polaire (3) disposée au niveau de l'orifice (4) et comportant une portion inférieure (13) ayant une forme générale de collerette qui s'étend radialement vers la partie inférieure du réservoir, l'épaisseur de la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) se réduisant progressivement vers la partie inférieure du réservoir, caractérisé en ce que la face inférieure (33) de la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) est disposée au contact d'une couche d'adaptation (5, 2) en matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne (1), et en ce que le matériau constituant la couche d'adaptation (5, 2) a un module d'élasticité inférieur ou égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure (2). 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face supérieure (23) de la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) est disposée au contact de l'enveloppe extérieure (2). 3. Réservoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche d'adaptation (5) a des dimensions supérieures aux dimensions de la partie inférieure de la pièce polaire (3), de façon à réduire ou rendre nulle la surface de contact entre l'enveloppe interne (1) et la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3). 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce polaire (3) est métallique. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface inférieure de la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) est continûment courbe et concave. 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface supérieure de la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) est continûment courbe et convexe. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe interne (1) est constituée de plastique tel qu'un polymère. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche d'adaptation (5, 2) est constituée d'un matériau composite et/ou de matériau plastique tel qu'un polymère. 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'adaptation (5, 2) se réduit progressivement vers la partie inférieure du réservoir. 10. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche d'adaptation est formée par une portion de l'enveloppe extérieure (2), c'est-à-dire que la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) est prise en sandwich dans l'épaisseur de l'enveloppe extérieure (2). 11. Procédé pour la fabrication d'un réservoir conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant : - une étape de pose d'une couche d'adaptation (5, 2) sur une enveloppe interne (1) d'étanchéité pourvue d'un orifice (4), ladite couche d'adaptation (5, 2) étant simplement posée ou collée ou surmoulée sur ladite enveloppe interne (1) d'étanchéité autour de l'orifice (4), - une étape de pose d'une pièce polaire (3) sur la couche d'adaptation (5, 2), ladite pièce polaire étant simplement posée ou collée sur la couche d'adaptation (5, 2), - une étape de pose d'une enveloppe extérieure (2) de renforcement sur l'enveloppe interne (1) et sur la partie inférieure de la pièce polaire, caractérisé en ce la couche d'adaptation (5) est réalisé en un matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne (1), le matériau constituant la couche d'adaptation (5) ayant par ailleurs un module d'élasticité inférieur au module d'élasticité du matériau constituant la pièce polaire (3), et ence que le matériau constituant la couche d'adaptation (5) a un module d'élasticité inférieur ou égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure (2). 12. Procédé pour la fabrication d'un réservoir conforme la revendication 10, comportant : - une étape de pose d'une première partie d'une enveloppe extérieure (2) sur une enveloppe interne (1) d'étanchéité pourvue d'un orifice (4), ladite partie d'une enveloppe extérieure (2) étant disposée au moins autour de l'orifice (4) de façon à réaliser une couche d'adaptation (5, 2), - une étape de pose d'une pièce polaire (3) sur la couche d'adaptation (5, 2), ladite pièce polaire étant simplement posée ou collée sur ladite couche d'adaptation (5, 2), - une étape de pose d'une seconde partie de l'enveloppe extérieure (2) de renforcement sur l'enveloppe interne (1) et sur la partie inférieure de la pièce polaire, caractérisé en ce la face inférieure (33) de la portion inférieure (13) de la pièce polaire (3) est disposée au contact d'une couche d'adaptation (2) en matériau ayant un module d'élasticité plus élevé que le module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe interne (1), et en ce que le matériau constituant la couche d'adaptation (2) a un module d'élasticité égal au module d'élasticité du matériau constituant l'enveloppe extérieure (2), la couche d'adaptation (2) étant formée par une partie de l'enveloppe extérieure (2).