Brevet FR3003627A1 — publié le 20140926

TETE DE RESERVOIR DE GAZ SOUS PRESSION La présente invention a pour objet une tête de réservoir de stockage de gaz sous pression, en 5 particulier pour des cartouches amovibles permettant une utilisation nomade. Le secteur technique concerné par l'invention est le domaine de la fabrication et de l'utilisation de têtes de réservoirs de gaz sous pression et de dispositifs de 10 détente de ce gaz, en particulier ceux dans lesquels la délivrance du gaz détendu à une pression déterminée est indépendante de la pression du gaz fourni à l'entrée, depuis le réservoir de gaz sur lequel la tête et le dispositif de détente sont connectés. 15 Afin de réaliser la détente d'un gaz, depuis un premier niveau de pression dite haute jusqu'à un deuxième niveau de pression dite basse, inférieure à la pression haute, il est en effet connu d'utiliser des dispositifs de détente, plus simplement appelés détendeurs. 20 Une application particulière de l'invention, qui est cependant utilisable dans tout système de distribution de gaz à partir d'un réservoir de stockage amovible, est le domaine du stockage de l'hydrogène, notamment destiné à alimenter une pile à combustible, et 25 plus spécifiquement depuis des recharges d'hydrogène amovibles à base d'hydrures métalliques pour les applications nomades et/ou mobiles, et tel que nous en prenons exemple dans la description ci-après. De façon classique, un « système de pile à 30 combustible ou pile à hydrogène» comprend : - la pile à combustible elle-même, qui produit de l'énergie électrique à partir de la réaction chimique entre l'oxygène et l'hydrogène et en rejetant de l'eau. - le système de stockage d'hydrogène - et un ensemble d'équipements annexes nécessaires au bon fonctionnement de cet ensemble, tel que toute la connectique et les organes de contrôle de pression ou de débit, et de sécurité entre la pile et le stockage. L'hydrogène peut être stocké dans des réservoirs ou conteneurs de différentes façons, telles que sous forme gazeuse, sous forme liquide, ou sous forme dite « solide », c'est à dire adsorbé dans des matériaux poreux adsorbant tels que des éponges métalliques 10 dénommés hydrures métalliques. Ces réservoirs de stockage de l'hydrogène sous forme solide sont souvent conçus pour pouvoir être remplis à nouveau après utilisation et, du fait de leur grande capacité à contenir de l'hydrogène dans un faible volume, à température ambiante et sans que 15 l'enveloppe ait besoin de résister à de fortes pressions, ils peuvent être légers et de petite taille, telle que celle d'un briquet de poche, pour une utilisation individuelle qui se prêtent bien à l'alimentation d'une petite pile à combustible. 20 Même si un tel stockage se fait donc à une relative basse pression par rapport au stockage en phase liquide ou gazeuse, qui nécessite plusieurs centaines de bar, alors qu'en phase solide la pression n'est que d'une ou quelques dizaines de bar, il est cependant nécessaire 25 de détendre l'hydrogène en sortie du réservoir pour pouvoir l'utiliser, comme pour une pile à combustible qui fonctionne entre 0,3 et 1 bar, en général 0,5 bar environ, et pour laquelle la pression d'alimentation doit rester constante. 30 De plus dans une utilisation nomade individuelle de petit volume, l'ensemble du « système de pile à combustible » doit être compact et sécurisant : or si les piles en elles-mêmes et les réservoirs de stockage peuvent répondre à présent à ces objectifs, les dispositifs actuels de tête de réservoir, de connexions , de sécurité et de détente de gaz sont constitués d'éléments séparés et connectés les uns aux autres, ce qui, outre leur encombrement relativement important, peut être générateur de risques de fuite et donc de problèmes de sécurité. Le problème posé est donc de pouvoir réaliser, sans les inconvénients ci-dessus, un dispositif réunissant, dans un faible volume, une tête de réservoir de tout gaz à pression haute, tous les organes de sécurité contre tout disfonctionnement, un détendeur de gaz fournissant cette pression basse et toutes les connections depuis le réservoir jusqu'à la fourniture du gaz à une pression basse, celle-ci devant être fournie à une valeur quasi constante quelle que soit la pression haute de stockage qui, en particulier dans le cas de stockage d'hydrogène solide, peut varier de plusieurs bar en fonction de la température ambiante. Une solution au problème posé est une tête de réservoir de stockage de gaz sous pression dite haute, apte à être fixée directement et d'une manière amovible sur un tel réservoir et qui, suivant l'invention, comprend d'une manière intégrée dans le même corps: - un détendeur inversé de gaz, tel que décrit ci- après, comportant au moins un conduit d'arrivée du gaz à pression haute directement depuis le réservoir, au moins un conduit de sortie de ce gaz à pression dite basse depuis une chambre de détente aval, une pièce mobile de régulation sur laquelle appuie d'un côté la pression 30 basse et de l'autre côté un élément ressort, et qui est apte à fermer l'arrivée du gaz à pression haute et à fournir une pression basse donnée quelle que soit la variation de cette pression haute, - un connecteur amont apte à se fixer d'une manière amovible dans ou sur le col du dit réservoir et à l'intérieur duquel est située et débouche le conduit d'arrivée du détenteur - un connecteur aval apte à relier la tête de réservoir à tout système, tel qu'un circuit ou un appareil, utilisant le dit gaz à la pression basse, et à l'intérieur duquel et situé et débouche le conduit de sortie du détenteur et un dispositif de remplissage latéral communiquant avec le conduit d'arrivée du gaz et apte à permettre le chargement du réservoir, quand celui-ci est connecté à la tête de réservoir, en gaz à pression haute. De préférence ces deux connecteurs, disposées 15 coaxialement, sont aptes à relier en ligne le détendeur d'un côté au réservoir et de l'autre directement à l'appareil utilisant le dit gaz à la pression basse, et à constituer ainsi un ensemble intégré et compact, pouvant être de petit volume tel que celui d'une lampe de poche. 20 De plus le corps de la tête de réservoir de stockage de gaz suivant l'invention comporte et intègre au moins un dispositif de protection contre les surpressions de la pression haute en provenance du réservoir, un dispositif de protection contre les 25 surpressions en aval du détendeur intégré et un dispositif de blocage de sécurité apte à empêcher le détendeur de s'ouvrir et de fournir du gaz à pression basse dans le conduit de sortie et qui est débloqué lors de la connexion de la tête au conduit ou à l'appareil 30 utilisant le dit gaz à la pression basse. Le résultat est une nouvelle tête de réservoir de gaz, que l'on peut appeler tête-détendeur, qui répond au problème posé ci-dessus : entre autres, elle est connectable en ligne directement d'un côté sur la source de gaz à pression haute et de l'autre à l'appareil utilisateur de la pression basse, et intègre le détendeur, la fonction de remplissage à travers le même passage dans le col du réservoir que l'alimentation du détendeur, et tous les organes de sécurité souhaités et nécessaires, l'ensemble formant alors un dispositif intégré et compact sans raccord intermédiaire, qui est transportable et nomade, et dont de plus, comme cela est décrit dans la description des figures ci-après, le réglage de la pression basse est simple et celle-ci est fournie constante même en cas de diminution de la pression haute. On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent 15 déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description ci-après et les dessins joints représentent un exemple de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif: d'autres 20 réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de cette invention. En particulier bien que l'invention est présentée suivant un exemple de réalisation, qui est certes bien adapté mais n'est pas spécifique à l'application au 25 domaine du stockage de l'hydrogène, notamment destiné à alimenter une pile à combustible, et plus spécifiquement depuis des recharges d'hydrogène amovibles à base d'hydrures métalliques pour les applications nomades et/ou mobiles, il est évident qu'elle n'y est nullement 30 limitée mais au contraire susceptible d'autres applications et adaptation avec des modifications et des variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art et qu'elle comprend tous les éléments techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention, telles que le stockage de l'hydrogène pour le fonctionnement ou la calibration de chromatographe ou spectromètre) La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un 5 exemple de mode de réalisation d'une tête-détendeur de réservoir suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe axiale de la même tête-détendeur de réservoir que la figure 1 mais suivant un plan perpendiculaire. 10 Dans la présente description, on positionne et on qualifie les différents composants par les termes aval et amont pris dans le sens de l'écoulement du gaz de la pression haute depuis donc le réservoir de stockage vers la pression basse d'utilisation en sortie de la tête de 15 réservoir suivant l'invention. Celle-ci comprend d'une manière intégrée et compacte dans un même corps creux 30, sensiblement tubulaire, tel que cylindrique d'axe XX', et réalisé en matériau compatible et étanche aux gaz, tel que 20 l'hydrogène: - un détendeur inversé de gaz, tel qu'explicité ci-après, comportant au moins un conduit d'arrivée 1 du gaz à pression haute directement depuis le réservoir 8, au moins un conduit de sortie 2 de ce gaz à pression dite 25 basse depuis une chambre de détente aval 5, une pièce mobile de régulation 3 sur laquelle appuie d'un côté la pression basse et de l'autre côté un élément ressort 4, et qui est apte à fermer l'arrivée du gaz 1 à pression haute et à fournir une pression basse donnée quelle que 30 soit la variation de cette pression haute , - un connecteur amont 6 apte à se fixer d'une manière amovible dans le col 26 du dit réservoir 8 et à l'intérieur duquel est situé et débouche le conduit d'arrivée 1 au détenteur - un connecteur aval 7 apte à relier la tête de réservoir à tout système, tel qu'un circuit ou un appareil utilisant le dit gaz à la pression basse, et à l'intérieur duquel est situé et débouche le conduit de sortie 2 du détenteur et - un dispositif de remplissage latéral 22 communiquant avec le conduit d'arrivée 1 du gaz et doté d'un clapet anti-retour de sécurité, est apte à permettre, depuis l'extérieur par un orifice de remplissage 28, le chargement du réservoir 8, quand celui-ci est connecté à la tête de réservoir, en gaz à pression haute. Le principe de fonctionnement d'un détendeur classique est parfaitement connu de l'homme du métier et 15 nous ne l'expliquerons pas ici ; par contre comme la présente invention utilise un détendeur inversé, on rappelle que dans un tel détendeur, l'élément ressort 4 exerce sur la pièce mobile de régulation 3 une force qui est en sens inverse de celle du cas classique, à savoir 20 du même côté que la force transmise par le gaz à la pression haute, la surface en contact avec le gaz, respectivement à la pression haute, étant alors inférieure à la surface en contact avec le gaz, respectivement à la pression basse. Les dites surfaces 25 dites en contact sont définis comme étant les surfaces efficaces transmettant la pression considérée à la pièce mobile de régulation 3 dans le sens de son déplacement. Dans un détendeur inversé, la surface de contact efficace peut-être très faible du côté du gaz à la 30 pression haute, de telle façon que celle-ci, s'appuyant sur une petite surface, génère, sur la pièce mobile de régulation 3, une force qui est négligeable par rapport à celle exercée par l'élément ressort 4 qui appuie dans le même sens alors que la surface de contact du côté du gaz à la pression basse est importante, comme décrit dans les demandes de brevet EP362166, FR2879721 et FR2050407. De plus dans la présente invention, en position fermée, le gaz à pression haute n'agit pas directement 5 sur l'élément mobile de régulation 3 mais sur la perpendiculaire de la tige 19 de cet élément mobile 3 qui, quand il est en position ouverte, permet au gaz d'alimenter la chambre 5 à la pression basse : ainsi dans cette position, la surface de contact efficace du côté du 10 gaz à la pression haute, perpendiculaire à la pièce mobile de régulation, et qui est la seule ayant une influence, devient même extrêmement faible si ce n'est nulle. Un joint torique 14 est disposé du côté du 15 connecteur amont 6 et en aval du conduit d'arrivée 1, pour assurer l'étanchéité de la tête-détendeur avec le réservoir 8 dont le col 26 vient se visser sur ce connecteur 6. Un dispositif d'étanchéité est également nécessaire du côté du connecteur aval 7, qui n'est du 20 reste pas représenté finalisé ici car dépendant de l'interface compatible avec le circuit ou l'appareil sur lequel il est assemblé par des pièces raccordement qui viennent se visser ou clipper sur ce connecteur 7: celui-ci peut également comporter, en sécurité, au moins un 25 système de fermeture 29, tel qu'un clapet anti retour, du conduit 2 quand la tête de réservoir est en position de stockage non connectée au circuit et/ou à l'appareil d'utilisation du gaz à pression basse, lequel système s'ouvrant lors de la connexion tel que par l'appui d'un 30 doigt 31 . Le corps creux de la tête-détendeur de réservoir est constitué au moins de deux parties, dites amont 10 du côté de la pression haute et aval 11 du côté de la pression basse, fixées l'une à l'autre et dont l'une 10 au moins est creuse pour recevoir la pièce mobile de régulation 3 qui comporte : - une tête 20, de type piston, délimitant, dans la partie creuse 10, la chambre de détente 5 de volume 5 variable et étanche, dont l'étanchéité est assurée par d'une part un joint 15 tel que celui torique représenté entre le bord périphérique intérieur de la partie creuse amont 10 et le fond de la partie aval 11 et d'autre part par un joint torique 13 situé périphériquement dans 10 l'épaisseur de la tête 20 entre la chambre de détente 5 et le compartiment 21 où est situé l'élément ressort 4, et - une tige 19 de section inférieure à celle de la tête dont elle est solidaire, et qui coulisse d'une 15 manière étanche, grâce à un joint torique 16, dans le fond de la partie amont 10, l'extrémité distale de cette tige 19 venant s'appuyer, en position de fermeture de l'arrivée 1 de gaz à pression haute, contre un joint 12 étanche de fermeture et formant aussi butée, et l'élément 20 ressort 4 entourant la tige 19 s'appuyant d'un côté contre la tête 20 du piston 3 et de l'autre côté contre le fond de la partie creuse amont 10 à travers laquelle coulisse la tige 19. La partie aval 11 du corps de la tête-détendeur, 25 et qui constitue aussi dans la représentation des figures jointes le connecteur 7, comporte et intègre un dispositif de blocage de sécurité 18 apte à empêcher le détendeur de s'ouvrir, tel que par appui, par exemple par vissage de l'extérieur dans un alésage où peut déboucher 30 le conduit de sortie 2, d'un doigt dans l'axe de la partie-connecteur aval 7,11 contre la tête 20 de piston 3 jusqu'à écraser au maximum le ressort 4 ; lequel doigt 18 ferme alors l'orifice du canal 9 débouchant dans la chambre de détente 5 en même temps que le canal 9 est fermé à son autre extrémité contre le joint butée 12: cette fermeture empêche le détendeur de fournir du gaz à pression basse et le dispositif de blocage, tel que par dévissage du doigt 18 représenté sur les figures, est débloqué, manuellement pour plus de sécurité, lors de la connexion de la tête-détendeur au système, tel qu'un circuit ou l'appareil utilisant le dit gaz à la pression basse. Un dispositif 24 de protection, contre les surpressions de la basse pression en aval du détendeur, est disposé et intégré latéralement dans le corps de la tête-détendeur pour être d'un côté accessible de l'extérieur pour son réglage et de l'autre être relié à la chambre de détente 5 par un conduit 29 : celui-ci débouche d'un côté dans celle-ci et de l'autre dans une petite chambre contenant une membrane 31 maintenant fermé, par un dispositif à ressort 24, un autre conduit communiquant vers le compartiment 21 du ressort 4: en cas de surpression dans la chambre 5 de détente, le dispositif 24 formant soupape de sécurité est repoussé par cette surpression et la membrane 28 ouvre le conduit vers le compartiment 21 qui permet l'échappement du gaz en surpression par un conduit d'évacuation 25 qui communique vers l'extérieur à travers la paroi du corps 30 de la tête-détendeur. Un dispositif 27 de protection, de type également à ressort, contre les surpressions de la pression haute en provenance du réservoir 8 et en amont du détendeur, est disposé et intégré latéralement, tel que représenté sur la figure 2, dans le corps 30 de la tête-détendeur pour être d'un côté accessible de l'extérieur pour son réglage et de l'autre être relié par un conduit à celui d'arrivée 1 du gaz à la pression haute. L'arrivée 1 du gaz à la pression haute s'ouvre quand la pression basse dans la chambre de détente 5 diminue et que la poussée du ressort 4 déplace la pièce mobile de régulation 3 : l'extrémité distale de la tige 19 de la pièce mobile de régulation 3 se soulève alors du joint de fermeture et de butée 12, ouvrant l'arrivée 1 du gaz vers un canal interne 9 de la tige 19, débouchant à ses deux extrémités, et assurant la communication entre la chambre de détente 5 à la pression basse et l'arrivée 1 du gaz. Dans d'autres modes de réalisation, cette communication peut être assurée par un conduit externe à la tige 19. Dans les modes de réalisation des figures jointes, 15 le conduit 1 d'arrivée du gaz à pression haute est située et débouche, à une de ses extrémités, à l'intérieur du connecteur amont 6, soit en fait directement dans le réservoir 8, et, à son autre extrémité, en position de fermeture de l'arrivée 1 de gaz à pression haute comme 20 représenté sur les figures, latéralement contre l'extrémité distale de la tige 19 de la pièce mobile de régulation 3 qui assure la dite fermeture. La tête-détendeur suivant l'invention comporte de préférence un dispositif de réglage 17 de la poussée de 25 l'élément ressort 4 qui est coaxial au mouvement de la pièce mobile de régulation 3 suivant l'axe XX' du détenteur, et dont la position, modifiable suivant cet axe, détermine la force maximum de compression de l'élément ressort 4 en position de fermeture de l'arrivée 30 1 de gaz à pression haute et donc la valeur de la pression basse dans la chambre de détente 5, qui exerce la force antagoniste à celle de ce ressort. Suivant le mode de réalisation des figure 1 et 2, ce dispositif de réglage 17 est un bouchon 171 vissé dans l'axe du connecteur amont 6 à l'intérieur de l'alésage percé dans la partie amont 10 du détendeur, à côté du conduit d'arrivée 1 et dans lequel coulisse la tige 19 du piston 3 : ce bouchon maintient le joint butée 12 à la hauteur voulue, obtenue par vissage ou dévissage du bouchon 171, pour que la compression maximum du ressort 4, en position de fermeture de l'arrivée 1 de gaz à pression haute, corresponde à la force permettant d'obtenir la pression basse voulue dans la chambre 5. Un filtre poreux 23 vient de préférence, surtout pour les réservoirs-recharges d'hydrogène amovibles à base d'hydrures métalliques qui peuvent générer de la poussière d'hydrures, obturer l'orifice d'entrée du conduit d'arrivée 1, ainsi alors que l'alésage du bouchon 171, Ainsi suivant la présente invention et l'exemple de réalisation décrit et représenté qui permet une intégration poussée et une réduction du nombre des usinages par une économie de trous de passage, la partie 20 amont 10 creuse du corps 8 de la tête-détendeur comporte et intègre l'ensemble des moyens de remplissage 22,28, de détente 3,4,5,9,12 de sécurité en cas de surpression haute 27 et basse 24 pressions, de connexion amont 6 au réservoir de stockage 8 et d'arrivée 1 du gaz à pression 25 haute, alors que la partie aval 11 comporte et intègre l'ensemble des moyens de connexion aval 7, de sortie 2 de gaz à pression basse et de sécurité de blocage 18 du détendeur et de fermeture 29,31 de la sortie 2 de gaz ; la tête-détendeur pourrait être constituée de plus de 30 deux parties tout en restant compacte et intégrée et d'autre dispositions de ces divers moyens, dont certains pourraient être agencés sur une autre partie que celle où ils sont représentés, sont bien sûr possibles. REVENDICATIONS1. Tête de réservoir de stockage de gaz sous pression dite haute apte à être fixée directement et d'une manière amovible sur un tel réservoir (8) caractérisé en ce qu'elle comprend d'une manière intégrée dans le même corps : - un détendeur inversé de gaz comportant au moins un conduit d'arrivée (1) du gaz à pression haute directement depuis le réservoir, au moins un conduit de sortie (2) de ce gaz à pression dite basse depuis une chambre de détente aval (5), une pièce mobile de régulation (3) sur laquelle appuie d'un côté la pression basse et de l'autre côté un élément ressort (4), et qui est apte à fermer l'arrivée du gaz (1) à pression haute et à fournir une pression basse donnée quelle que soit la variation de cette pression haute , - un connecteur amont (6) apte à se fixer d'une manière amovible dans le col (10) du dit réservoir (8) et 20 à l'intérieur duquel est situé et débouche le conduit d'arrivée (1) du détenteur - un connecteur aval (7) apte à relier la tête de réservoir à tout système utilisant le dit gaz à la pression basse, et à l'intérieur duquel est situé et 25 débouche le conduit de sortie (2) du détenteur et - un dispositif de remplissage latéral (22) communiquant avec le conduit d'arrivée (1) du gaz et apte à permettre le chargement du réservoir (8), quand celui-ci est connecté à la tête de réservoir, en gaz à pression 30 haute. 2. Tête de réservoir de stockage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces deuxconnecteurs (6,7), disposées coaxialement, sont aptes à relier en ligne le détendeur d'un côté au réservoir (8) et de l'autre directement à l'appareil utilisant le dit gaz à la pression basse, et à constituer ainsi un ensemble intégré et compact. 3. Tête de réservoir de stockage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le corps de la tête comporte et intègre un dispositif de protection contre les surpressions de la pression haute en provenance du réservoir (8) et en amont du détendeur intégré. 4. Tête de réservoir de stockage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps de la tête comporte et intègre un dispositif de blocage de sécurité (18) apte à empêcher le détendeur de s'ouvrir et de fournir du gaz à pression basse dans le conduit de sortie (2) et qui est débloqué lors de la connexion de la têteau système utilisant le dit gaz à la pression basse. 5. Tête de réservoir de stockage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps de la tête comporte et intègre un dispositif (24) de protection contre les surpressions en aval du détendeur intégré. 6. Tête de réservoir de stockage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que son corps est constitué au moins de deux parties, dites amont (10) du côté de la pression haute et aval (11) du côté de la pression basse, fixées l'une à l'autre 30 et dont l'une au moins est creuse pour recevoir la pièce mobile de régulation (3) qui comporte :- une tête (20) délimitant, dans la partie creuse (10), la chambre de détente (5) de volume variable et étanche, et - une tige (19) de section inférieure à celle de 5 la tête dont elle est solidaire, et qui coulisse d'une manière étanche dans le fond de la partie amont (10), l'extrémité distale de cette tige (19) venant s'appuyer, en position de fermeture de l'arrivée (1) de gaz à pression haute, contre un joint (12) étanche de fermeture 10 et de butée, et l'élément ressort (4) entourant la tige (19) s'appuyant d'un côté contre la tête (20) du piston(3) et de l'autre côté contre le fond de la partie creuse amont (10) à travers laquelle coulisse la tige (19). 15 7. Tête de réservoir de stockage de gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conduit (1) d'arrivée du gaz à pression haute est située et débouche, à une de ses extrémités, à l'intérieur du connecteur amont (6) et, à son autre extrémité, en position de 20 fermeture de l'arrivée (1) de gaz à pression haute, latéralement contre l'extrémité distale de la tige (19) de la pièce mobile de régulation (3) qui assure la dite fermeture 8. Tête de réservoir de stockage de gaz selon 25 l'une quelconque des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que la tige (19) de la pièce mobile de régulation (3) comporte un canal interne (9) débouchant à ses deux extrémités et qui assure la communication entre l'arrivée (1) du gaz à la pression haute et la chambre de détente 30 (5) à la pression basse.