Brevet FR3061256A1 — publié le 20180629

Compensateur de pression dans une bulle de liquide emprisonnée dans la glace [1] L'invention concerne le domaine des véhicules automobiles, et plus spécifiquement les réservoirs destinés à contenir un liquide susceptible de geler dans les conditions normales d'utilisation du véhicule. Ces réservoirs élaborés comprennent généralement un module technique, en partie immergé, dans lequel sont installés les moyens de pompage ainsi que les dispositifs de mesure de niveau ou de température permettant de gérer la distribution du liquide contenu dans le réservoir. [2] C'est le cas en particulier des réservoirs contenant de l'urée, et faisant l'objet d'un usage courant pour alimenter le système de dépollution des gaz d'échappement du véhicule. Ce liquide commence à geler lorsque la température descend en dessous de - 11°C. [3] A cet effet, des moyens de chauffage sont prévus dans le réservoir pour éviter le gel de l'urée. [004] Toutefois, ces moyens sont désactivés lorsque, le véhicule est mis à l'arrêt après une période de roulage et, quand le véhicule stationne à l'extérieur dans des conditions externes hivernales sévères, pouvant atteindre par exemple des températures de l'ordre de -40°C, la transformation en glace del'urée contenu dans le réservoir s'amorce et peut conduire à la congélation de la totalité de l'urée en quelques dizaines de minutes. [005] Dans ces conditions de congélation rapide, il a été observé des dégradations du module technique, longtemps restées inexpliquées, et pouvant conduire à la destruction totale du module technique ou des organes qu'il contient. [006] Des analyses en laboratoire ont permis de mettre en évidence les phénomènes physiques intervenant pendant cette période. [007] Un réservoir fermé équipé d'un module technique et contenant un certain volume d'urée a été placé dans une enceinte froide maintenue à une température de l'ordre de -40°C. Le module technique est totalement immerffi dans le volume de liquide. Ce volume de liquide est surmonté d'une partie gazeuse restant tout au long de l'expérience à la pression atmosphérique. De même, certains organes du module technique tels que la pompe ou les flotteurs de niveau sont également à la pression atmosphérique. [008] On observe que la glace commence à se former à proximité des parois du réservoir par lesquelles les échanges thermiques s'opèrent. La croissance du volume de glace s'effectue alors en progressant vers la région centrale du réservoir occupée par le 3061256 2 module technique. Au bout d'un temps donné, la surface du liquide gèle à son tour. [009] On observe alors la création d'une bulle de liquide emprisonnée de toute part par de la matière gelée et dans laquelle la partie supérieure du module technique est immergée. 5 [0010] Une observation plus poussée, permet de mettre en évidence que la pression régnant à l'intérieur de cette bulle de liquide entièrement entourée de glace peut alors atteindre des valeurs très élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines de bars. [0011] Ce phénomène est lié au fait que la compressibilité du liquide formant la bulle est faible et que, la formation de la glace se poursuivant, l'augmentation de volume liée à 10 cette transition soumet la bulle de liquide à des pressions progressant rapidement. [0012] Il en résulte que les organes du module technique restant à la pression atmosphérique subissent des contraintes mécaniques très supérieures à la résistance des matériaux qui les constituent, lesquels se déforment jusqu'à se rompre. [0013] En poursuivant l'expérience, la bulle de liquide se résorbe petit à petit jusqu'à 15 ce que l'ensemble du liquide préalablement contenu dans le réservoir soit transformé en glace. [0014] Le dispositif de compensation de pression selon l'invention a pour objet de maitriser ce phénomène de surpression dans la bulle de liquide enfermée en totalité dans un volume de glace en formation surmonté d'un volume de gaz et contenu dans un réservoir 20 fermé par des parois, afin d'éviter la dégradation des composants du module technique immergé dans le liquide contenu dans le réservoir. [0015] Le compensateur de pression et le réservoir dans lequel ledit compensateur est installé, préférentiellement verticalement au-dessus d'un module technique, se caractérise en ce qu'il comprend un plongeur formé d'une tête surmontant un corps comprenant une 25 partie inférieure destinée à être immergée dans la bulle de liquide, une partie intermédiaire destinée à traverser le volume de glace et une partie supérieure destinée à demeurer dans le volume de gaz, et en ce que les faces du corps du plongeur présentent une dépouille positive ou nulle selon une direction sensiblement verticale et orientée du haut vers le bas. [0016] Lorsque le compensateur est placé dans le réservoir de sorte que le corps du 30 plongeur soit disposé sensiblement au-dessus du module technique et plonge dans le bulle de liquide, la poussée exercée sur la partie du corps du plongeur immergée dans la bulle de liquide par la pression régnant au sein de ladite bulle de liquide va provoquer une remontée du plongeur. [0017] Cette remontée du plongeur va permettre de dégager un volume 3061256 3 supplémentaire au sein de l'espace occupé par la bulle et contribuer à réduire la pression dans cet espace. [0018] De plus, en choisissant judicieusement l'angle de dépouille, un espace se crée lors de la remontée du plongeur entre le plongeur et la glace qui emprisonnait ce dernier, 5 autorisant le liquide contenu dans la bulle à s'échapper en direction de la surface gelée formant l'interface entre le bloc de glace et le volume de gaz. La pression dans la bulle de liquide chute à nouveau et le corps du plongeur redescend pour revenir au contact de la glace. Ces petits mouvements alternatifs se poursuivent jusqu'à ce que la totalité de la bulle de liquide se transforme en glace. 10 [0019] La combinaison des deux mécanismes exposés ci-dessus permet de réduire les effets négatifs de la surpression sur les organes du module technique et préserve ces derniers de toute détérioration susceptible de mettre ces appareils hors d'usage. [0020] Les explications servant de support à la présente description concernent un réservoir contenant de l'urée, mais il va de soi que le réservoir peut contenir toute espèce 15 de liquide passant en phase solide dans des conditions de température susceptibles d'être observées pendant l'utilisation courante dudit réservoir. Un réservoir contenant de l'eau, tel qu'un réservoir contenant le liquide de nettoyage des vitres, peut utilement comprendre un compensateur de pression tel que décrit ci-dessus pour éviter la dégradation des organes contenus dans le module technique monté dans ledit réservoir. 20 [0021] Le compensateur de pression selon l'invention peut aussi comprendre isolément, ou en combinaison, les caractéristiques suivantes : L'angle de dépouille du corps du plongeur est compris entre 2° et 15°. Une hauteur du corps du plongeur est ajustée de sorte que, lorsque le 25 compensateur de pression est installé dans un réservoir contenant un liquide en train de se transformer en glace, une partie inférieure du corps est immergée dans la bulle de liquide, une partie intermédiaire du corps traverse une couche supérieure de glace et une partie supérieure du corps demeure dans le volume de gaz. Le corps du plongeur a une forme sensiblement tronconique. 30 Le corps du plongeur est formé d'un matériau de type polyoxyméthylène. Un dispositif exerce sur la tête du plongeur une force constante prédéterminée dirigée du haut vers le bas. - La tête du plongeur circule selon la direction verticale entre une limite haute et une limite basse, dans un cylindre creux destiné à être fixé à la paroi supérieure du réservoir. - La tête et le corps du plongeur forment un corps creux fermé en partie supérieure 3061256 4 par une membrane hydrophobe. - La tête et le corps du plongeur forment un corps creux rempli d'une mousse à cellules fermées. - Le compensateur de pression est installé verticalement au-dessus d'un module 5 technique installé dans le réservoir. [0022] L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : 10 La figure 1 représente une vue en coupe d'un réservoir dans lequel est implanté un compensateur de pression selon l'invention. La figure 2 est une vue de détail du compensateur de la figure 1. - La figure 3 illustre la situation dans laquelle le compensateur se soulève et laisse échapper une partie du liquide contenu dans la bulle de liquide. 15 - La figure 4 illustre une forme alternative de réalisation du compensateur de pression. [0023] La figure 1 représente schématiquement un réservoir 1, fermé par une paroi supérieure 10, une paroi inférieure 11 et des parois latérales 12. Une tubulure de 20 remplissage 13 permet de remplir le réservoir. [0024] Un module technique 2 est implanté sur la paroi 11 formant le fond du réservoir 1. Ce module technique traverse le fond du réservoir pour permettre de relier les organes contenus dans le module à une source d'alimentation électrique, aux modules de contrôle et de commande ou encore aux conduits de sortie du liquide se dirigeant vers le système 25 de dépollution des gaz d'échappement et placés à la pression atmosphérique à l'extérieur du réservoir. Les autres organes secondaires tels que les évents, les moyens de chauffage etc.. ..ne sont pas représentés. [0025] Le réservoir contient un liquide en train de congeler et comprenant un volume en phase solide G et un volume se présentant encore sous forme liquide L, et formant une 30 bulle liquide, délimitée par le tracé en pointillé, entièrement emprisonnée dans le volume de glace G. [0026] Le niveau N symbolise la ligne de séparation entre la partie supérieure du réservoir remplie de gaz V et le bloc de glace G. Ce niveau N correspond sensiblement au niveau du liquide contenu dans le réservoir avant que ce dernier ne commence à geler. La 3061256 5 partie gazeuse V du réservoir est à la pression atmosphérique, et le gaz contenu dans cette partie est formé d'un mélange de liquide en phase vapeur et d'air. [0027] Le compensateur de pression 3 est disposé verticalement au-dessus du module technique 2 de manière à protéger ce dernier des effets néfastes que pourrait produire une 5 bulle de liquide L se formant dans cette zone. On observera ici que la bulle de liquide L peut s'étendre dans d'autres zones du réservoir dans lesquelles les effets de la surpression restent sans conséquence. [0028] Le compensateur de pression comprend un plongeur 30 formé d'une tête 300 surmontant un corps 301. Le corps du plongeur, 301 visible en détail à la figure 2, a ici la 10 forme d'un tronc de cône d'axe vertical. [0029] Cette forme tronconique est particulièrement bien adaptée pour que la surface du corps 301 du plongeur 30 présente une dépouille positive d'axe vertical selon une direction allant du haut vers le bas. En d'autres termes cela signifie que le corps 301 du plongeur 30 peut s'extraire vers le haut de la glace qui l'entoure sans être empêché par un 15 relief particulier formant une contredépouille. Cette exigence indique qu'il convient qu'aucune surface du corps du plongeur, ou en d'autres termes qu'aucun plan tangent à la surface du corps du plongeur, ne soit strictement parallèle ou ne forme un angle négatif avec la verticale. Aussi le corps du plongeur peut avoir des formes aussi variées que par exemple la forme d'une pyramide inversée tronquée à son sommet ou encore la forme d'un 20 ellipsoïde de révolution. [0030] Dans le cas d'espèce la forme tronconique fait un angle de dépouille positif constant a avec la direction verticale. Cet angle pourrait être égal à zéro mais on observera alors que les contraintes radiales exercées par la glace sur la surface du plongeur peuvent empêcher la remontée du plongeur. Aussi on préfèrera choisir un angle de dépouille au 25 moins égal à 2°. [0031] La hauteur h du corps 301 du plongeur 30 est adaptée pour que, lorsque la poche L de liquide apparait lors du processus de congélation, la partie inférieure 303 du corps 301 soit immergée dans le liquide, la partie intermédiaire 303 du corps étant emprisonnée dans le volume G de glace surmontant la bulle de liquide et la partie 30 supérieure 302 du corps du plongeur restant dans la partie aérienne V du réservoir. [0032] Cette adaptation peut se faire par calcul en appliquant les lois de la thermodynamique et des échanges de chaleur entre les parois du réservoir et le liquide, ou plus simplement par une observation expérimentale de l'évolution de la congélation du liquide contenu dans le réservoir. En pratique cela revient à positionner la partie basse du 35 plongeur 30 au plus près du centre de la bulle liquide dont la localisation est faite par un 3061256 6 processus expérimental. [0033] Le corps 301 du plongeur 30 est surmonté d'une tête 300. [0034] Cette tête 300 coulisse selon la direction verticale dans un cylindre creux 31 5 dont la partie supérieure est rendue solidaire de la paroi supérieure 11 du réservoir 1. [0035] Avantageusement le cylindre creux est formé d'un matériau thermoplastique compatible avec le matériau formant les parois du réservoir sur lequel il est soudé. En pratique ce cylindre creux peut avantageusement être réalisé en Polyéthylène haute densité (PEHD). 10 [0036] Un évent 310 est positionné dans la partie supérieure du cylindre creux 31. [0037] La course de la tête 300 du plongeur est bloquée vers le bas par une collerette 311 interagissant avec un épaulement 305 disposé sur la tête du plongeur 30. De même, la course du plongeur est limitée vers le haut par la paroi 11 du réservoir, ou par une butée mécanique haute semblable à la butée basse décrite ci-dessus, ou encore par les spires 15 jointives du ressort. [0038] Un ressort 32 est interposé entre le sommet de la tête 300 et la paroi 11. Ce ressort exerce une force constante dirigée du haut vers le bas sur la tête 300 du plongeur 30. [0039] En adaptant judicieusement le tarage du ressort on peut de la sorte contrôler le 20 seuil de la pression régnant dans la bulle de liquide L à partir duquel le plongeur 30 va effectuer une remontée. En dessus de ce seuil, le plongeur 30 remonte et relâche la pression dans la bulle de liquide L, en dessous de ce seuil le plongeur 30 revient en appui sur l'épaulement 305 ou, dans le cas où l'espace dans lequel circule le liquide viendrait à geler lui-même, sur la glace elle-même. 25 [0040] On observera ici que le ressort peut être remplacé par toute sorte de moyen équivalent permettant de faire monter ou descendre le plongeur de manière contrôlée. A titre d'exemple, et bien qu'il présente l'inconvénient d'augmenter la masse embarquée, un plongeur lesté pourrait également convenir. [0041] La figure 3 permet de visualiser ce mouvement de remontée au cours duquel le 30 plongeur 30 remonte et dégage un espace entre la glace G et la surface du plongeur permettant au liquide contenu dans la bulle L de s'échapper. [0042] On remarquera ici que, plus l'angle de dépouille est important, plus l'espace créé entre la glace et le corps du plongeur augmente, et plus le liquide présent dans la bulle 3061256 7 peut s'échapper facilement. Un angle compris entre 2° et 15° semble pouvoir satisfaire toutes les conditions d'usage. Un angle de dépouille trop important aurait pour effet d'augmenter inutilement l'encombrement du compensateur. [0043] Pour réduire les forces de frottement entre la glace et le plongeur ainsi que 5 l'érosion de la surface du plongeur 30, on pourra avantageusement réaliser le plongeur 30 à partir d'un matériau tel qu'un polyoxyméthylène. Grâce à sa structure et une haute cristallinité, ce matériau offre de très bonnes caractéristiques physiques : un faible coefficient de frottement et une très bonne résistance à l'abrasion, une résistance élevée à la traction et aux chocs, une très bonne résistance aux agents chimiques, une excellente 10 stabilité dimensionnelle, une bonne résistance au fluage et enfin une large plage de température d'utilisation. [0044] Les parois de la tête 300 et du corps 301 du plongeur 30 délimitent un volume intérieur dans lequel il convient de veiller à ce que le liquide contenu dans le réservoir ne pénètre pas. A cet effet, on peut utilement recouvrir la partie supérieure de la tête du 15 plongeur d'une membrane hydrophobe 306 ne laissant pas passer le liquide ou encore remplir ce volume d'une mousse à cellule fermée. [0045] La figure 4 illustre une variante de réalisation de l'invention, dans laquelle la tête 300 du plongeur 30 comporte une réduction 307 formant un appui incliné sur lequel le ressort 32 vient reposer. Cette réduction permet de faciliter l'écoulement du liquide vers le 20 bas dans le cas non désiré où ce dernier viendrait à s'introduire par l'évent 310. 3061256 8 NOMENCLATURE 1 Réservoir. 5 10 Paroi supérieure du réservoir. 11 Paroi inférieure du réservoir. 12 Paroi latérale du réservoir. 13 Tubulure de remplissage. 2 Module technique. 10 3 Compensateur de pression. 30 Plongeur. 300 Tête du plongeur. 301 Corps du plongeur. 302 Partie supérieure aérienne du corps du plongeur. 15 303 Partie intermédiaire du corps du plongeur traversant la couche supérieure de glace. 304 Partie basse du corps du plongeur immergée dans la bulle de liquide. 305 Epaulement. 306 Membrane hydrophobe. 307 Réduction 20 31 Cylindre creux. 310 Event. 311 Collerette. 32 Ressort. a Angle de dépouille. 25 h Hauteur du corps du plongeur. G Liquide transformé en glace. L Bulle de liquide enfermée dans la glace. / Partie aérienne surmontant la glace. N Niveau de la surface de glace formant l'interface entre le volume de liquide en phase 30 solide G et la partie aérienne N. REVENDICATIONS1. Compensateur de pression (3) pour réguler la pression dans une bulle de liquide (L) emprisonnée en totalité dans un volume de glace (G) en formation surmonté d'un volume de gaz (V) et contenu dans un réservoir (1) fermé par des parois (10, 11, 12), caractérisé en ce qu'il comprend un plongeur (30) formé d'une tête (300) surmontant un corps (301), et en ce que les faces du corps (301) du plongeur (30) présentent une dépouille (a) positive ou nulle selon une direction sensiblement verticale et orientée du haut vers le bas. 2. Compensateur de pression (3) selon la revendication 1, dans lequel l'angle de dépouille (a) du corps (301) du plongeur (30) est compris entre 2° et 15°. 3. Compensateur de pression (3) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel une hauteur (h) du corps (301) du plongeur (30) est ajustée de sorte que, lorsque le compensateur de pression est installé dans un réservoir contenant un liquide en train de se transformer en glace, une partie inférieure (304) du corps (301) est immergée dans la bulle de liquide (L), une partie intermédiaire (303) du corps (301) traverse une couche supérieure de glace (G) et une partie supérieure (302) du corps (301) demeure dans le volume de gaz (V). 4. Compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le corps (301) du plongeur (30) a une forme sensiblement tronconique. 5. Compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le corps (301) du plongeur (30) est formé d'un matériau de type polyoxyméthylène. 6. Compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel un dispositif (32) exerce sur la tête du plongeur une force constante prédéterminée dirigée du haut vers le bas. 7. Compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la tête (300) du plongeur (30) circule selon la direction verticale entre une limite haute et une limite basse, dans un cylindre creux (31) destiné à être fixé à une paroi supérieure (11) du réservoir (1). 8. Compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans 30 lequel la tête (300) et le corps (301) du plongeur (30) forment un corps creux fermé en partie supérieure par une membrane hydrophobe (306). 9. Compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la tête (300) et le corps (301) du plongeur (30) forment un corps creux rempli d'une mousse à cellules fermées. 3061256 10 10. Réservoir (1) comprenant un module technique (2), dans lequel un compensateur de pression (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 est installé verticalement au-dessus dudit module technique (2).