Brevet FR3052224A1 — publié le 20171208

SOUPAPE DE SÉCURITÉ AVEC MAINTIEN EN OUVERTURE [0001] L'invention se rapporte à une soupape de sécurité pour gaz de combustion dans un réservoir dédié, par exemple le réservoir de gaz d'un véhicule automobile fonctionnant au GPL, avec une ouverture sécurisée lorsque la soupape est ouverte en cas de surpression. Elle se rapporte également à un procédé d'utilisation de cette soupape. Cette invention appartient au domaine de la sécurité des installations alimentées au gaz, domaine dans lequel les dispositifs de protection et de sécurité concernent principalement les citernes de gaz et les véhicules automobiles à carburant gazeux de type GPL. [0002] La sécurité concernant l'utilisation de gaz impose la présence d'une soupape de sécurité permettant l'évacuation de gaz en cas de surchauffe, par exemple lors d'un incendie moteur. [0003] Le fonctionnement classique d'une telle soupape de sécurité est décrit en référence à la vue en coupe de la figure 1. Sur cette figure 1, la soupape de sécurité 10 présente une forme globalement cylindrique et est fixée, par son talon 1, sur un tube de raccordement « T » de réservoir de gaz « R » d'un véhicule automobile ou d'autre type de réservoir de gaz. Un clapet de fermeture 2 ferme la sortie de gaz en position nominale, correspondant à un état sans surpression de gaz dans le réservoir au-delà d'une valeur prédéfinie. [0004] Ce clapet de fermeture 2 est protégé par une coque 3 qui présente un évidement 3a dans lequel un plot de centrage 4 vient se positionner. Le plot de centrage 4 est couplé à un ressort hélicoïdal 5 logé dans le canal cylindrique 6c de la chambre 6 formée par la soupape 10. Ce plot de centrage 4 exerce une pression sur le clapet 2 via le ressort 5 et la coque 3 afin d'empêcher la sortie de gaz du réservoir « R ». [0005]Tant que la pression du gaz contenu dans le réservoir « R » reste en-dessous de la valeur prédéfinie d'état nominal, le clapet 2 ferme la chambre 6 mais, au-dessus de la valeur prédéfinie, le gaz en état de surpression repousse le clapet 2 et comprime son ressort 5, ce qui ouvre la communication avec l'orifice d'échappement 7. La sortie de gaz par l'orifice 7 entraîne alors une baisse de la 3052224 2 pression interne dans le réservoir « R » jusqu'à redescendre au niveau nominal prédéfini: le ressort 5 se détend et repousse le clapet 2 contre le talon 1, ce qui stoppe la sortie du gaz du réservoir « R ». La soupape de sécurité 10 a donc permis de gérer la surpression jusqu'à son retour au niveau de pression nominal, 5 ce qui écarte les problèmes liés à une surpression. [0006] De nombreuses améliorations ont été apportées à la sécurité des soupapes de sécurité. Le document de brevet WO 2009010177 présente par exemple une soupape de sécurité semblable à la soupape de la figure 1 ci-dessus, comportant en plus un cylindre de matière à bas point de fusion placé 10 derrière le ressort de la chambre par rapport au talon de la soupape. [0007] Cette soupape vise à produire une sécurité supérieure: en cas de surchauffe, le cylindre à bas point de fusion fond en libérant l'accès à plusieurs trous latéraux permettant au gaz de s'échapper. Le ressort est alors détendu et le gaz s'échappe jusqu'à ce que la pression du gaz du réservoir soit à la pression 15 atmosphérique. Cependant, à partir de cette mise à pression atmosphérique, le clapet vient fermer à nouveau l'accès aux trous d'échappement alors que le risque d'explosion persiste. [0008] Le document de brevet US 3 720 220 présente un système de fermeture de sécurité en cas de surchauffe, avec une bille fermant un orifice dès 20 qu'un écrou la bloquant se retire lorsqu'un bouchon fusible a fondu permet à l'écrou de se retirer. Un autre document de brevet, US 2005/0067025 présente une soupape de sécurité disposant à la fois d'une valve de sécurité antisuppression et une membrane fusible réagissant au-dessus d'un seuil prédéfini pour ouvrir un autre passage de sortie pour le gaz en surpression. 25 [0009]Cependant aucune des améliorations proposées n'apporte de solution au risque d'explosion d'un réservoir après l'épanchement du gaz via la soupape de sécurité. En effet, une fois le gaz évacué, la pression redescend dans le réservoir et la soupape de sécurité se referme. Mais le gaz restant dans le réservoir reste à la pression exercée par la force de rappel du ressort 5 (cf. figure 30 1), qui stoppe la sortie de ce gaz résiduel par l'orifice 7. Ainsi, en raison de la pression exercée par ce ressort 5, le gaz du réservoir n'est pas évacué dans sa totalité, et un environnement à température élevée - par exemple une forte 3052224 3 chaleur provoquée par un incendie - peut le faire exploser. Un tel risque résiduel est connu plus généralement sous la dénomination « explosion de gaz venant d'un liquide bouillant » ou BLEVE (acronyme de « Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion » en terminologie anglaise). 5 [0010] L'invention vise à résoudre le problème de risque résiduel pour une soupape de sécurité, en permettant à la totalité du gaz du réservoir d'être brûlée dans un incendie, ce qui supprime le risque potentiel d'explosion et de transformation du véhicule en torchère. Pour ce faire, l'invention prévoit de maintenir en position d'ouverture le clapet permettant l'épanchement du gaz 10 contenu dans le réservoir même après la baisse de pression interne de ce gaz. [0011] Plus précisément, la présente invention a pour objet une soupape de sécurité de réservoir de gaz comportant une chambre principale formant un canal cylindrique d'axe longitudinal pour un écoulement de gaz entre un talon de soupape, prolongeant une extrémité ouverte de la chambre principale, et un orifice 15 d'échappement de gaz formé sur ledit canal cylindrique. Ladite chambre principale loge un premier ressort qui exerce une pression sur un clapet de fermeture contre un rebord de l'extrémité ouverture de la chambre principale. Dans cette soupape de sécurité, une chambre secondaire, présentant un alésage cylindrique qui communique perpendiculairement à l'axe longitudinal avec le canal de la chambre 20 principale au niveau de l'extrémité ouverte, loge un bouchon de matériau fusible bloqué contre une butée formée au niveau de la communication entre les chambres, et un deuxième ressort qui exerce une pression contre un pêne agencé entre ce deuxième ressort et le bouchon, cette pression étant apte à pousser, dans le cas où le bouchon fond, le pêne sur un support ajouré fixé sur le rebord de 25 l'extrémité de la chambre principale. [0012] Un tel pêne sur le support ajouré empêche le clapet de fermer la chambre principale, et permet au gaz de continuer à sortir du réservoir même dans le cas où la pression de ce gaz redevient inférieure à une valeur prédéfinie. Toute explosion de type « BLEVE » est ainsi évitée après qu'une chaleur 30 anormale, classiquement due à un incendie, a provoqué la fusion du fusible et poussé le pêne sur le support ajouré. [0013] Selon des modes de réalisation particulièrement avantageux: 3052224 4 - la butée formée au niveau de la communication entre les deux chambres est dimensionnée pour bloquer le bouchon en matériau fusible tant que celui-ci n'est pas fondu et pour laisser passer le pêne ; - le matériau fusible est constitué d'un matériau apte à fondre à une 5 température d'au moins 100°C; l'avantage d'une température de fusion suffisamment élevée est d'empêcher le matériau fusible de fondre dans toutes les conditions d'utilisation conventionnelles du véhicule, par exemple au soleil en été ; - la chambre secondaire s'étend sensiblement en regard du clapet de fermeture ; 10 - une vis de montage/démontage des éléments logés dans la chambre secondaire est installée à une extrémité de celle-ci opposée à l'extrémité de communication avec la chambre principale, cette vis servant de fermeture à ladite chambre secondaire. [0014]L'invention se rapporte également à un véhicule automobile à 15 moteur fonctionnant au gaz comportant un réservoir de gaz, en particulier au GPL, et dans lequel une soupape de sécurité telle que définie ci-dessus est montée sur au moins un réservoir dudit gaz. [0015]L'invention a aussi pour objet un procédé de sécurisation d'un réservoir de gaz par la soupape de sécurité définie ci-dessus. Ce procédé 20 comporte les étapes suivantes : - le clapet de fermeture est repoussé et le ressort de la chambre principale comprimé par une pression de gaz supérieure à une valeur prédéfinie, ce qui libère la sortie du gaz par l'orifice d'échappement ; - la température dépassant la température de fusion du bouchon, le 25 matériau fusible du bouchon fond ; - le ressort de la chambre secondaire se détend et le pêne, poussé par cette détente, se positionne sur le support ajouré de la chambre principale; - la pression interne dans le réservoir diminuant, le clapet de fermeture est repoussé par le ressort de la chambre principale en direction de 30 l'extrémité ouverte de cette chambre; - le clapet de fermeture est alors stoppé par le pêne positionné sur le support ajouré, ce qui l'empêche de fermer la chambre principale; 3052224 5 - le support ajouré laisse sortir le gaz du réservoir par l'orifice d'échappement, quelle que soit la pression de ce gaz. [0016] Dans le présent texte, les qualificatifs « supérieur » et « inférieur » se rapportent aux localisations d'éléments en référence à des équipements 5 positionnés en utilisation standard. Egalement, les qualificatifs « interne » et « externe » se réfèrent à la position d'éléments à l'intérieur ou à l'extérieur d'une soupape de sécurité. Sur les figures, des éléments identiques sont repérés par un même signe de référence qui renvoie au(x) passage(s) de la description qui le mentionne(nt). 10 [0017] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue en coupe schématique d'une soupape de sécurité selon l'état de la technique (déjà présentée) ; et 15 - les figures 2a et 2b, une vue en coupe schématique complète et partielle d'un exemple de soupape de sécurité selon l'invention, respectivement avant et après que la chaleur a fait fondre le matériau fusible contenu dans cette soupape. [0018] La vue en coupe de la figure 2a présente un exemple de soupape de sécurité 100 selon l'invention qui comporte, en plus des éléments de la 20 soupape de sécurité 10 selon la figure 1 (en particulier: chambre principale 6, canal cylindrique 6c, orifice 7, talon 1, clapet 2, plot de centrage 4, ressort 5), une chambre secondaire d'alésage cylindrique 60. [0019] En référence à la soupape de sécurité 100, la chambre secondaire 60 forme à l'extérieur de cette soupape 100 une protubérance 8 sur la face 25 externe 6e de la chambre principale 6. La chambre secondaire 60 s'étend perpendiculairement à l'axe longitudinal X'X de la chambre principale 6. Cette chambre secondaire 60 comporte un alésage cylindrique 60c qui communique par une ouverture 21 avec le canal cylindrique 6c au niveau de l'extrémité ouverte 9 de la chambre principale 6. Cette extrémité ouverte 9 est partiellement obturée par 30 un support ajouré 22 fixé sur un rebord annulaire 12 formé par un resserrement du canal 6c. 3052224 6 [0020] Au niveau de la communication entre les deux chambres 6 et 60, l'alésage 60c est resserré par une butée annulaire 11 qui maintient en position un bouchon en matériau fusible 20 agencé contre la butée 11 sur une face et sur une face opposée contre un pêne 23 sur lequel un deuxième ressort 24 exerce une 5 pression. La chambre secondaire 60 est terminée, à l'extrémité opposée de son ouverture de communication 21, par une vis de montage / démontage 25 permettant d'introduire le bouchon 20, le pêne 23 et le deuxième ressort 24 dans la chambre secondaire 60. [0021 ]L'ouverture de communication 21 est dimensionnée pour bloquer le 10 matériau fusible 20 tant que celui-ci n'est pas fondu et pour laisser passer le pêne 23 en mode éjection, comme cela est décrit ci-après. Ce matériau fusible 20 est dans l'exemple constitué d'un alliage à base de Bismuth apte à fondre à une température d'au moins 100°C. [0022] L'alésage 60c est plus précisément agencé sensiblement en face 15 du clapet 2 de sorte que - en mode éjection - le pêne 23, poussé par le deuxième ressort 24 lorsque le bouchon 20 a fondu, vient se positionner sur le support ajouré 22. [0023] Le mode éjection du pêne 23 est maintenant exposé en référence à la figure 2b qui reprend partiellement la vue de la soupape 100 de figure 2a, au 20 moment où le bouchon de matériau fusible 20 vient de fondre sous l'effet de la chaleur d'un incendie. [0024] Lorsque la pression du gaz (flèche « P ») dans le talon de soupape 1 est supérieure à une valeur prédéfinie de sécurité, correspondant à la force de rappel exercée par le ressort 5 de la chambre principale 6 (cf. figure 2a), cette 25 pression « P » repousse le clapet de fermeture 2 ainsi que le ressort 5. Le gaz sort par l'orifice d'échappement 7 (cf. figure 2a). [0025] La température de l'environnement dépassant une valeur prédéterminée, le matériau fusible du bouchon 20 (cf. figure 2a) fond lorsque la valeur prédéterminée est la température de fusion de ce matériau. Le pêne 23 est 30 alors poussé par la détente du ressort 24 de la chambre secondaire 60 et se positionne, dans la chambre principale 6, sur le support ajouré 22. Le ressort 24 de la chambre secondaire 60 présente une force de rappel telle que la poussée 3052224 7 exercée permet au pêne 23 de se placer sensiblement au centre du support ajouré 22. [0026] La pression dans le réservoir « R » diminuant, suite à l'évacuation du gaz par l'orifice 7, le clapet de fermeture 2 est repoussé par le ressort 5 (cf. 5 figure 2a) de la chambre principale 6 en direction (flèche « F ») de l'extrémité ouverte 9 de cette chambre 6. Le clapet de fermeture 2 est alors stoppé par le pêne 23 positionné sur le support ajouré 22; la chambre principale 6 ne peut plus être fermée. [0027]Le support ajouré 22 laisse alors sortir le gaz du réservoir par 10 l'orifice d'échappement 7 (flèche « S »), quelle que soit la pression de ce gaz, en particulier lorsque la pression « P » diminue sensiblement. Ainsi le risque d'explosion, causé par la conjonction entre une augmentation de température au-delà de la fusion du matériau fusible et l'augmentation de pression d'un réservoir fermé par la soupape 100, est supprimé. 15 [0028] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, elle peut s'adapter aux soupapes de sécurité installées sur des réservoirs fixes de gaz. De plus, différents types de matériaux fusibles peuvent être utilisés, par exemple des alliages de bismuth, d'étain, de cadmium, d'indium, etc. REVENDICATIONS1. Soupape de sécurité (100) de réservoir de gaz comportant une chambre principale (6) formant un canal cylindrique (6c) d'axe longitudinal (X'X) pour un écoulement de gaz (S) entre un talon de soupape (1), prolongeant une extrémité ouverte (9) de la chambre principale (6), et un orifice d'échappement (7) de gaz formé sur ledit canal cylindrique (6c), ladite chambre principale (6) logeant un premier ressort (5) qui exerce une pression sur un clapet de fermeture (2) contre un rebord (12) de l'extrémité d'ouverture (9) de la chambre principale (6), caractérisée en ce que, dans cette soupape de sécurité (100), une chambre secondaire (60), présentant un alésage cylindrique (60c) qui communique perpendiculairement à l'axe longitudinal (X'X) avec le canal (6c) de la chambre principale (6) au niveau de l'extrémité ouverte (9), loge un bouchon (20) de matériau fusible bloqué contre une butée (11) formée au niveau de la communication (21) entre les chambres (6, 60), et un deuxième ressort (24) qui exerce une pression contre un pêne (23) agencé entre ce deuxième ressort (24) et le bouchon (20), cette pression étant apte à pousser, dans le cas où le bouchon (20) fond, le pêne (23) sur un support ajouré (22) fixé sur le rebord (12) de l'extrémité (9) de la chambre principale (6) . 2. Soupape de sécurité (100) selon la revendication 1, dans laquelle la butée (11) formée au niveau de la communication (21) entre les deux chambres (6, 60) est dimensionnée pour bloquer le bouchon (20) en matériau fusible tant que celui-ci n'est pas fondu et pour laisser passer le pêne (23). 3. Soupape de sécurité (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau fusible est constitué d'un matériau apte à fondre à une température d'au moins 100°C. 4. Soupape de sécurité (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la chambre secondaire (60) s'étend sensiblement en regard du clapet de fermeture (2). 5. Soupape de sécurité selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une vis (25) de montage/démontage des éléments (20, 23, 24) logés dans la chambre secondaire (60) est installée à une extrémité de 3052224 9 celle-ci opposée à l'extrémité de communication (21) avec la chambre principale (6). 6. Procédé de sécurisation d'un réservoir de gaz par la soupape de sécurité (100) définie selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - le clapet de fermeture (2) est repoussé et le ressort (5) de la chambre principale (6) est comprimé par une pression de gaz supérieure à une valeur prédéfinie, ce qui libère la sortie du gaz par l'orifice d'échappement (7); - la température dépassant la température de fusion du bouchon 10 (20), le matériau fusible du bouchon (20) fond ; - le ressort (24) de la chambre secondaire (60) se détend et le pêne (23), poussé par cette détente, se positionne sur le support ajouré (22) de la chambre principale (6); - la pression interne dans le réservoir (R) diminuant, le clapet de 15 fermeture (2) est repoussé par le ressort (5) de la chambre principale (6) en direction de l'extrémité ouverte (9) de cette chambre (6); - le clapet de fermeture (2) est alors stoppé par le pêne (23) positionné sur le support ajouré (22), ce qui l'empêche de fermer la chambre principale (6); 20 - le support ajouré (22) laisse sortir le gaz du réservoir (R) par l'orifice d'échappement (7), quelle que soit la pression de ce gaz. 7. Véhicule automobile à moteur fonctionnant au gaz comportant un réservoir de gaz (R), en particulier au GPL, caractérisé en ce qu'une soupape de sécurité (100), telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 25 est montée sur au moins un réservoir (R) dudit gaz.