Brevet FR3008767A1 — publié le 20150123

La présente invention concerne dispositif de sécurité ainsi qu'un récipient de stockage de gaz pourvu d'un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de sécurité formant une soupape de libération d'un gaz sous pression en cas de situation dangereuse, comprenant un corps définissant un canal d'écoulement de gaz dont une extrémité amont est destinée à être mise en contact avec une source de gaz sous pression et une extrémité aval est destinée à être mis en contact avec une atmosphère extérieure. Les bouteilles de gaz inflammable, en particulier pour les applications mobiles de l'hydrogène énergie, sont équipées d'un dispositif permettant de vider le contenu gazeux de la bouteille si celle-ci est prise dans un feu et d'éviter ainsi son éclatement. Ceci concerne en particulier les bouteilles composites de type IV. Un tel dispositif comprend souvent un fusible thermique, c'est-à-dire un eutectique en alliage métallique ou un dispositif qui se rompt (« glassbulb » c'est- à-dire une sphère de verre). Cet élément sensible à la température et/ou à la pression doit fondre ou se rompre sous l'action de la température du feu afin de créer une fuite qui vide la bouteille et évite ainsi son éclatement. Dans de nombreux cas d'incendie, lorsque le fusible libère le gaz (hydrogène notamment), le gaz s'enflamme et crée une flamme de grande longueur (parfois supérieure à plusieurs mètres). Ceci peut provoquer des brûlures pour des personnes adjacentes ou peut même induire des effets en cascade par l'impact de la flamme sur d'autres objets adjacents (d'autres réservoirs de gaz inflammable ou des véhicules adjacents). Une solution connue consiste à limiter la section de l'orifice rejetant l'hydrogène de façon à limiter la taille de la flamme générée. Cependant, dans ce cas, le temps de vidange de la bouteille est rallongé et peut accroître les risques d'éclatement de la bouteille au cours de sa vidange. Ce risque est d'autant plus grand pour les réservoirs de type IV. En effet, le risque d'éclatement n'est en général pas causé uniquement par une augmentation de pression dans la bouteille (puisque celle-ci se vidange) mais aussi et surtout par la fragilisation des matériaux constitutifs de la bouteille par l'action du feu. Pour résoudre ce problème, des solutions existent pour munir les réservoirs composite (de type IV) de renforts mécaniques extérieurs augmentant leur tenue à l'éclatement. Ces solutions augmentent cependant la masse et le coût des 35 réservoirs. De plus, dans certaines situations il peut être avantageux de prévoir une vidange rapide de la bouteille (donc de grandes flammes en début d'incendie) suivie d'une vidange moins rapide lorsque les pompiers sont sur place (et donc une flamme moins grande). Dans d'autres configurations, en début d'incendie, la vidange doit être lente (flamme réduite) tandis qu'ensuite (après évacuation) la vidange peut être plus rapide (grandes flammes). Le document FR2951243A1 décrit un dispositif de sécurité utilisant plusieurs orifices de sortie de gaz refermés respectivement par des eutectiques différenciés. Ceci nécessite une structure plus complexe, notamment du fait qu'il faut prévoir plusieurs sorties de gaz différenciées sur les bouteilles équipées de ce système. 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 dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le canal comprend un organe de régulation du débit de gaz autorisé à circuler entre les extrémités amont et aval, l'organe de régulation étant mobile dans le canal d'écoulement entre une première position empêchant la circulation du gaz entre les extrémités amont et aval, une seconde position permettant une circulation du gaz entre les extrémités amont et aval via première une section de passage de dimensions déterminées et une troisième position permettant une circulation du gaz entre les extrémités amont et aval via une seconde section de passage de dimensions déterminées, la seconde section de passage ayant une surface différente de la surface de la première section de passage, l'organe de régulation étant sollicité par un organe de rappel vers les seconde et troisième positions, le dispositif comprenant une première et une seconde butées fusibles prévues pour empêcher le déplacement de l'organe de rappel de la première vers les seconde et troisième positions, la première butée étant fusible à une température de fusion déterminée qui est inférieure à la température de fusion de la seconde butée fusible, lorsque la première butée fusible est fondue et escamotée, l'organe (4) de régulation étant déplacé par l'organe de rappel dans sa seconde position et empêché d'atteindre sa troisième position par la seconde butée fusible et en ce que lorsque la seconde butée fusible est également fondue et escamotée, l'organe de régulation est déplacé par l'organe de rappel dans sa troisième position. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la seconde section de passage est supérieure à la première section de passage, - la première section de passage est délimitée par un orifice calibré formé dans l'organe de régulation, - la seconde section de passage est délimitée par une réduction de dimension localisée de l'organe de régulation et/ou par les dimensions du canal ainsi qu'un déplacement de l'organe de régulation du trajet de gaz entre les extrémités amont et aval, - l'organe de régulation est mobile en translation dans le canal, l'organe de rappel comprenant un ressort, -la première butée est fusible a une température de fusion comprise entre 65°C et 200°C et de préférence entre 80°C et 110°C en ce que la seconde butée est fusible à une température de fusion comprise entre 200°C et 400°C et de préférence entre 250°C et 350°C, - les première (6) et seconde butées fusibles sont disposées au contact respectivement de deux extrémités d'une entretoise (9) mobile disposée dans le corps entre les deux butée fusibles, - la première section de passage est équivalente à un diamètre compris entre 0.005mm et 1mm et de préférence entre 0.1mm et 0.2mm et en ce que la seconde section de passage est équivalente à un diamètre compris entre 1.5mm 25 et 5mm et de préférence entre 2mm et 3mm, - la première butée et la seconde butée fusibles comprennent l'un au moins parmi : un alliage eutectique, un dispositif de type sphère en verre (« glassbulb »), - les deux butées fusibles sont disposées en série selon la direction de déplacement de l'organe de régulation mobile, 30 - les deux butées fusibles ont des délais de conduction différents, c'est-à- dire des sensibilités à une même source de chaleur décalées dans le temps, par exemple en raison de leurs emplacements relatifs distincts dans le dispositif, - le matériau de la ou des butées fondu est évacué hors du corps via un orifice sous la pression du gaz et/ou de l'organe de régulation contraint par l'organe de rappel de sorte que lorsque le matériau fond est à nouveau solidifié, ce dernier fige l'organe de rappel et l'organe de régulation dans une position qui interdit toute nouvelle utilisation du dispositif. L'invention concerne également un récipient de stockage d'un gaz, notamment d'un gaz contenant ou constitué d'hydrogène, le gaz étant stocké à une pression dite haute comprise entre 100 et 900 bar, le récipient comprenant un dispositif de sécurité conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. 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 : - les figures 1 à 3 représentent des vues en coupe longitudinale, schématiques et partielles, illustrant un exemple de dispositif de sécurité selon l'invention dans respectivement trois configurations distinctes à savoir : « inactive », « partiellement ouverte » et « complètement ouverte », - les figures 4 et 5 illustrent des vues agrandies respectivement des figures 2 et 3 illustrant deux positions de passage de gaz au sein du dispositif, - la figure 6 représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un réservoir de gaz muni d'un tel dispositif de sécurité. La figure 1 représente une vue en coupe d'un exemple d'un dispositif de sécurité susceptible d'être activé thermiquement appelé également « Thermal Pressure Relief Device » en anglais (« TPRD »). Ce dispositif (en configuration inactive à la figure 1) a pour fonction de libérer le gaz d'un réservoir (hydrogène en particulier) lorsqu'il est soumis à une température dépassant un seuil thermique. Cet échappement doit être suffisamment rapide pour faire chuter la pression avant que l'endommagement de la structure composite et/ou l'augmentation de la pression interne n'occasionnent l'éclatement de la bouteille considérée. Le dispositif de sécurité donné à titre d'exemple non limitatif à la figure 1 comprend un corps 1 définissant un canal 2 d'écoulement de gaz dont une extrémité amont 12 est destinée à être mise en contact avec la réserve de gaz 3 sous pression et une autre extrémité aval 22 est destinée à être mis en contact avec une atmosphère extérieure (par exemple une zone sécurisée). Le corps 1 peut avoir par exemple des dimensions extérieures de l'ordre de 100mmx50mm et peut être réalisé en alliage d'acier ou cuivreux (inox ou laiton par 5 exemple). Le corps 1 peut comporter un raccord destiné à permettre son montage sur un robinet de bouteille 12 (cf. figure 6). Le canal 2 comprend un organe 4 de régulation du débit de gaz autorisé à circuler entre les extrémités amont 12 et aval 22. Cet organe 4 de régulation est mobile par exemple en translation dans le canal 2 d'écoulement entre une 10 première position empêchant la circulation du gaz entre les extrémités amont 12 et aval 22 (état inactif du dispositif de sécurité, cf. figure 1), une seconde position permettant une circulation du gaz entre les extrémités amont 12 et aval 22 via première une section de passage de dimensions déterminées (correspondant à une configuration « partiellement ouverte » libérant le gaz à un premier débit cf. 15 figure 2 et 4) et une troisième position permettant une circulation du gaz entre les extrémités amont 12 et aval 22 via une seconde section de passage de dimensions déterminées (correspondant une configuration « partiellement ouverte » libérant le gaz à un second débit, cf. figures 3 et 5). Par exemple l'organe 4 de régulation a la forme générale d'un piston et 20 peut être composé d'un alliage métallique, cuivreux ou d'aluminium. L'organe 4 de régulation est sollicité par défaut par un organe 5 de rappel vers les seconde et troisième positions (vers la droite aux figures 1 à 3). L'organe 5 de rappel (par exemple un ressort de compression) permet d'assurer le déplacement optimal de l'organe 4 de régulation quelque soit la 25 pression en amont 12. Le dispositif comprend une première 6 et une seconde 7 butées fusibles disposées sur le trajet de l'organe 4 de régulation. Les butées 6, 7 sont prévues pour empêcher le déplacement de l'organe 5 de rappel de la première vers les seconde et troisième positions en situation normale de fonctionnement. 30 La première butée 6 est fusible à une température de fusion déterminée qui est inférieure à la température de fusion de la seconde butée 7 fusible. Par « fusible » on désigne la propriété de fondre à une température donnée (cas d'un alliage eutectique comprenant par exemple l'un au moins parmi : de l'étain, du zinc, du bismuth, de l'iridium, du plomb... ) et/ou la propriété de se rompre et de s'effacer à une température déterminée (cas par exemple d'un dispositif de type « glassbulb »). Par exemple les deux butées 6, 7 fusibles peuvent être disposées en série selon la direction de déplacement de l'organe 4 de régulation. Lors que la première butée 6 fusible est fondue et escamotée (cf. figure 2), l'organe 4 de régulation est déplacé par la conjonction d'une part de la pression appliquée par le gaz sur la section 41 dite « petite section » de l'organe 4 de régulation et, d'autre part de l'organe 5 de rappel dans sa seconde position. L'organe 4 de régulation est empêché d'atteindre sa troisième position par la seconde butée 7 toujours présente. Lorsque la seconde butée 7 fusible est également fondue et escamotée, l'organe 4 de régulation est déplacé par l'organe 5 de rappel dans sa troisième position (cf. figure 3). La seconde section de passage a une surface différente de la surface de la première section de passage. Ainsi, le dispositif possède deux états d'activation distincts dotés chacun d'un débit de purge différents. Les déclenchements séquentiels de ces deux états peuvent être assurés par deux eutectiques 6, 7 ayant des températures de fusion différentes. Le cas échéant, ces deux eutectiques peuvent avoir des délais de conduction différents, c'est-à-dire des sensibilités à la chaleur décalées dans le temps, par exemple en raison de leurs emplacements respectifs dans le dispositif. Par exemple, la première butée 6 est prévue pour fondre à une température de 105°C et provoquer une ouverture pour le gaz à un premier débit (via une première section de passage). Ce premier débit relativement limité peut être prévu 25 pour former des flammes ayant une longueur de 50cm. Ceci limite les risques de brûlure et permet d'informer les personnes autour du dispositif. De plus, si l'incendie est éteint rapidement, la deuxième butée 7 ne fond pas et seule une vidange lente se produit. Bien que l'incendie soit éteint, l'intégrité parfaite de l'enveloppe du récipient n'est plus garantie et justifie, malgré tout, une vidange 30 complète (même lente) Si l'incendie se poursuit, la seconde butée 7 fusible arrive ensuite à son point de fusion (pas exemple une minute plus tard) et une purge plus rapide est déclenchée par le déplacement possible de l'organe 4 de régulation vers sa troisième position, avec un débit de vidange adapté au volume du réservoir et de son temps de tenue à l'incendie et permettant d'éviter l'éclatement. Par exemple la seconde butée 7 est fusible à une température de 300°C. Pour favoriser un déclenchement séquentiel des deux butées fusibles 6, 7, outre la température de fusion, le première butée 6 fusible est disposée au plus près de la source de chaleur potentielle extérieure. Par exemple, la première butée fusible 6 est située derrière un bouchon 13 constitué en alliage cuivreux (cuivre pur ou laiton par exemple) interposé entre la butée 6 et l'extérieur. Comme représenté, la seconde butée 7 fusible peut être séparée de la première butée 6 via une entretoise 9. Par exemple, les première 6 et seconde 7 butée fusibles sont disposées au contact respectivement de deux extrémités d'une entretoise 9 mobile disposée dans le corps 1 entre les deux butée fusibles 6, 7. De cette façon, les calories extérieures arrivent d'abord au niveau de la première butée 6 avant d'atteindre la seconde butée 7. Ceci permet également de 15 retarder le déclenchement de la seconde butée 7 par rapport à la première butée 6. Cette entretoise 9 peut comprendre de la céramique, de l'inox ou tout autre matériau approprié. Comme visible notamment aux figures 1 et 4, dans sa première position 20 l'organe 4 de régulation ferme de façon étanche le passage de gaz entre les extrémités amont et aval. Par exemple, le système d'étanchéité entre l'organe 4 de régulation et le corps 1 peut comprendre des joints toriques 14 associés de préférence à une bague 15 en matériau du type TEFLON® emmanchée sur l'organe 4 de régulation (par exemple au niveau de la petite section 41 25 précédemment citée). La première section de passage peut être délimitée par un orifice 8 calibré formé dans l'organe 8 de régulation et qui est met en relation les extrémités amont 12 et aval 22 via un conduit interne 16 selon la position de l'organe 4 dans le corps 1. 30 Comme visible à aux figures 3 et 5, la seconde section de passage peut délimitée par une réduction de dimension localisée de l'organe 8 de régulation et/ou par les dimensions du canal 2 conjuguées à un retrait au moins partiel de l'organe 8 de régulation du trajet de gaz entre les extrémités amont 12 et aval 22. Par exemple, l'organe 5 de rappel est un ressort disposé concentriquement à l'organe 4 de régulation et maintenu extérieurement par une chemise 17 cylindrique, par exemple en laiton. Cette chemise 17 cylindrique peut également : - transmettre un effort de serrage longitudinal de l'ensemble assuré par le bouchon 13, - guider l'ensemble des pièces mobiles (organe 4, piston 9... ), - isoler thermiquement la seconde butée 7 fusible de l'extérieur. Le bouchon 3 d'extrémité peut quant à lui : - assurer le maintien des pièces dans le corps 1, - intégrer en son sein et favoriser la conduction thermique vers la première butée 6 fusible, De plus, comme symbolisé par des flèches à la figure 2, la première butée 6 fondue peut s'évacuer à l'état fluide à travers le bouchon 3 qui peut à cet effet être en matériau fritté (en bronze ou inox). L'évacuation de la seconde butée 7 fondue peut être réalisée via un conduit interne à l'organe 4 de régulation (comme schématisé par des flèches à la figure 3). L'évacuation du matériaux en fusion de la butée 7 hors de la chambre de l'organe de rappel 5 a pour avantage, une fois la température diminuée et le matériau solidifié, de figer définitivement l'organe de rappel 5 et l'organe 4 de régulation dans une position qui interdit tout nouveau remplissage du récipient ayant été de près ou de loin soumise à des températures extrêmes. Ceci permet d'éviter la réutilisation de récipients potentiellement dangereux. Un tel dispositif permet une vidange en cas d'incendie selon deux débits distincts successifs. Les deux fusions des butées 6, 7 peuvent être décalées par 25 exemple de 30secondes à une minute selon les situations. Bien entendu, il est possible d'envisager que le débit de purge dans la première configuration (premier fusible fondu) soit supérieur au débit de purge dans la seconde configuration (deux fusibles fondus) en paramétrant différemment le diamètre de l'orifice de l'organe 4 de régulation (en seconde butée) et la course 30 de cet organe 4 de régulation de manière à limiter à la section de passage (section de passage située par exemple entre l'organe 4 de régulation et le corps 1, en troisième position) REVENDICATIONS1. Dispositif de sécurité formant une soupape de libération d'un gaz sous pression en cas de situation dangereuse, comprenant un corps (1) définissant un canal (2) d'écoulement de gaz dont une extrémité amont (12) est destinée à être mise en contact avec une source de gaz (3) sous pression et une extrémité aval (22) est destinée à être mis en contact avec une atmosphère extérieure, caractérisé en ce que le canal (2) comprend un organe (4) de régulation du débit de gaz autorisé à circuler entre les extrémités amont (12) et aval (22), l'organe (4) de régulation étant mobile dans le canal (2) d'écoulement entre une première position empêchant la circulation du gaz entre les extrémités amont (12) et aval (22), une seconde position permettant une circulation du gaz entre les extrémités amont (12) et aval (22) via première une section de passage de dimensions déterminées et une troisième position permettant une circulation du gaz entre les extrémités amont (12) et aval (22) via une seconde section de passage de dimensions déterminées, la seconde section de passage ayant une surface différente de la surface de la première section de passage, l'organe (4) de régulation étant sollicité par un organe (5) de rappel vers les seconde et troisième positions, le dispositif comprenant une première (6) et une seconde (7) butées fusibles prévues pour empêcher le déplacement de l'organe (5) de rappel de la première vers les seconde et troisième positions, la première butée (6) étant fusible à une température de fusion déterminée qui est inférieure à la température de fusion de la seconde butée (7) fusible, et en ce que lorsque la première butée (6) fusible est fondue et escamotée, l'organe (4) de régulation est déplacé par l'organe (5) de rappel dans sa seconde position et empêché d'atteindre sa troisième position par la seconde butée (7) fusible et en ce que lorsque la seconde butée (7) fusible est également fondue et escamotée, l'organe (4) de régulation est déplacé par l'organe (5) de rappel dans sa troisième position. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde section de passage est supérieure à la première section de passage. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la première section de passage est délimitée par un orifice (8) calibré formé dans l'organe (4) de régulation. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde section de passage est délimitée par une réduction de dimension localisée de l'organe (8) de régulation et/ou par les dimensions du canal (2) ainsi qu'un déplacement de l'organe (8) de régulation du trajet de gaz entre les extrémités amont (12) et aval (22). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe (4) de régulation est mobile en translation dans le canal (2) et en ce que l'organe (5) de rappel comprend un ressort. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première butée (6) est fusible a une température de fusion comprise entre 65°C et 200°C et de préférence entre 80°C et 110°C en ce que la seconde (7) butée est fusible à une température de fusion comprise entre 200°C et 400°C et de préférence entre 250°C et 350°C. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les première (6) et seconde (7) butées fusibles sont disposées au contact respectivement de deux extrémités d'une entretoise (9) mobile disposée dans le corps (1) entre les deux butée fusibles (6, 7). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première section de passage est équivalente à un diamètre compris entre 0.005mm et 1mm et de préférence entre 0.1mm et 0.2mm et en ce que la seconde section de passage est équivalente à un diamètre compris entre 1.5mm et 5mm et de préférence entre 2mm et 3mm. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première butée (6) et la seconde butée (7) fusible comprennent l'un au moins parmi : un alliage eutectique, un dispositif de type sphère en verre (« glassbulb »). 10. Récipient de stockage d'un gaz, notamment d'un gaz contenant ou constitué d'hydrogène, le gaz étant stocké à une pression (P) dite haute comprise entre 100 et 900 bar, caractérisé en ce que le récipient (10)comprend un dispositif (11) de sécurité conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.