Brevet FR3081208A1 — publié le 20191122

STRUCTURE OPTIMISEE, ET MOYENS DE PRODUCTION EN MASSE, DE RESERVOIRS A TRES HAUTE PRESSION A FAIBLE COÛT Domaine de l'invention : il est fait appel à des réservoirs à haute pression pour réaliser le stockage de gaz comprimés, que ce soit pour les besoins industriels ou les transports, par transports on comprend, l'automobile, les cars et bus, les autorails, les camions, les bateaux, les avions, les fusées, les véhicules spatiaux. Les gaz à stocker sous pression, peut-être de l'air comprimé, du gaz naturel, toute sorte de gaz industriel et en particulier de l'hydrogène, ou de l'hélium, ces derniers gaz ont la particularité d'être particulièrement fugaces, cela implique donc des réservoirs parfaitement 10 étanches. L'avenir de la mobilité routière passe par l'usage de l'hydrogène, plutôt que par celui des batteries électriques, il faut donc envisager des technologies de production des réservoirs à pression de faible coût et de grande fiabilité. Définitions : ve Par « capabilité » on qualifie la capacité d'un moyen de production de produire sans incident -15 ni arrêt de ladite production, on dit par exemple que tel moyen a une capabilité de 80%. 1 Par axe « AS » on désigne l'axe polaire de symétrie de révolution d'un réservoir, cet axe, allant d'un pôle à l'autre du dit réservoir. 1 Par enroulement « polaire » on désigne l'enroulement connu de l'homme de l'art qui vas principalement d'un pôle à l'autre en tournant à proximité de l'insert, généralement 20 métalliques, qui est placé au moins à l'un des pôles, enroulement dit géodésique. Cette définition est valable, aussi bien, pour un réservoir cylindrique et pour un réservoir sphérique. 1 Par enroulement « équatorial » on désigne l'enroulement connu de l'homme de l'art, qui vas principalement tourner parallèlement à l'équateur d'un réservoir cylindrique afin de former 25 une espèce de cylindre de renforcement, d'axe polaire « AS », sur toute la partie parfaitement cylindrique du dit réservoir. I Dans un réservoir cylindrique on désigne par « épaules » la zone de transition entre la forme purement cylindrique et le début de la forme en dôme qui suit. I Par « tack » ou « pégosité » on désigne la propriété qu'a un ruban composite préimprégné à 30 adhérer sur un support ou sur un autre ruban composite préimprégné, sans glisser. I Par enroulement filamentaire en « voie humide » on désigne un procédé lors duquel les fibres sont imprégnées de résine, juste avant leur enroulement sur le liner. Lesdites fibres sont donc humides, elles n'ont aucune cohésion, ni aucun tack. Etat de l'art : on utilise couramment des réservoirs métalliques qui présentent un inconvénient de 35 masse considérable dans le cadre de leur acheminement et à plus forte raison s'ils sont utilisés dans les transports. Afin de réduire la masse des réservoirs une tendance importante, dans les transports, et d'utiliser des réservoirs composites confectionnés par un système fibres-résine bobinés par enroulement filamentaire en voie humide. Les fibres étant soit des fibres de carbone soit des assemblables fibres de carbone, fibres de verre. La matrice étant soit une matrice époxy, vinylester, 40 ou polyester. 2 L'enroulement filamentaire en « voie humide » est un procédé, hérité de l'aviation ; il est particulièrement inadapté pour une production de masse car il implique : des temps d'enroulement démesurément longs. La gestion des fils, disposés en nappe, est quant à elle laborieuse et compliquée, notamment lors des variations de vitesses des fils, spécialement quand on passe de l'enroulement polaire à l'enroulement équatorial. Un temps considérable de non production est subit lorsqu'on passe de la fin de production d'un réservoir au début de la production du suivant, ceci est dû notamment au temps perdu lors la mise en place des fils et du réamorçage de l'enroulement suivant. Le parcours des fils en nappe, depuis les bobines de stockage, jusqu'à leur dépose sur le réservoir est particulièrement complexe, les fils peuvent casser, se bourrer, ou s'effilocher par exemple, dans les yeux de guidage ; l'une des bobines alimentant ladite nappe peut finir en plein enroulement, si bien que, pour toutes ces raisons, la « capabilité » de l'installation est médiocre. Les fibres, dans le procédé en voie humide, sont imprégnées d'une résine particulièrement fluide, au niveau santé matière cela à de graves conséquences, en effet : on observe des ségrégations, particulièrement dans la zone des pôles, lorsque les fibres subissent une traction incontrôlée. Les fibres sous tension « coulent » et la résine « surnagent » dans la zone de dépose. Cela aboutit, après polymérisation, à la formation de fissures dans la résine, à la pénétration de polluants est en particulier d'eau et donc à une détérioration des propriétés du composite ; dans tous les cas on ne maitrise absolument pas le taux de fibres ni la position des dites fibres dans le composite, en général les fibres ne sont pas placées radialement à la position souhaitée.... En voir humides les nappes de fils, n'ont aucune compacité ni aucun tack, ils doivent être posée le long de trajectoire optimisées afin qu'il y ai aucun risque de glissement latéral. Dans le cas d'un réservoir cylindrique ; la raison pour laquelle on pratique un enroulement équatorial sur l'enroulement polaire est la suivante : les contraintes d'axe parallèles à l'axe polaire sont beaucoup plus faibles que les contraintes perpendiculaires au dit axe ; le rôle de l'enroulement équatorial est donc de contrôler le surcroit de contraintes induites. Le problème se situe aux épaules en effet les contraintes perpendiculaires à l'axe polaire sont encore élevées mais, à cause de la forme en dôme de cette zone, il n'est pas possible de la renforcer avec l'enroulement équatorial ; on aboutit donc à une zone faible que l'on compense partiellement en surdimensionnant l'enroulement polaire. En ce qui concerne les fusées, afin de ne pas risquer de blesser des gens à terre, il faut que les réservoirs se consument lors de la rentrée atmosphérique. Les liners actuels métalliques et les sphères métalliques réalisées généralement en titane arrivent dangereusement au soi La présente invention a pour but 1) D'améliorer la producfivité : a) De permettre des vitesses de dépose par ruban plusieurs fois plus grandes qu'avec le procédé par voie humide, grâce au fait que la matrice a une cohésion et une résistance au cisallernent suffisante pour permettre des variations de tension importantes, et a une immunité parfaite à l'égouttage par centrifugation. b) De permettre de déposer plusieurs rubans à la foi, ce qui améliore encore plus la vitesse de production. Les rubans préimprégnés étant conditionnés en bobines prêtes à l'emploi, il n'est plus nécessaire d'avoir un complexe dispositif d'alimentation ; On peut par exemple, 10 avec deux bobines (5 et 5"), déposer deux rubans (4 et 4') alimentant deux régions symétriques par rapport à l'axe polaire « AS ». On peut étendre ce concept à une multitude de rubans, provenant d'une multitude de bobine disposées dans un même plan sur un cercle (3), dont l'axe de symétrie de rotation est l'axe polaire du réservoir « AS ». c) De supprimer le temps perdu entre deux réservoirs, les rubans d'un réservoir achevé 15 pouvant passer sur le liner suivant sans coupure des rubans, la séparation entre le réservoir fini et son suivant pouvant se faire lorsque le réservoir suivant a un enroulement suffisamment sécurisé. d) d'améliorer /a capabilité du moyen de production, grâce à la simplicité de mise en oeuvre, la fiabilité et à la robustesse des rubans préimprégnés 20 2) D'améliorer la qualité : a) De permettre de maitriser parfaitement la santé matière en utilisant des rubans préimprégnés dont on peut régler avec précision, le taux de fibres et la position des fibres dans la matrice. En effet, dans la mesure de variation de tension raisonnable, les fils ne 25 « coulent » pas dans le ruban préimprégné, car la matrice a une cohésion, une viscosité et une résistance au cisailement suffisante, b) De mettre en oeuvre des rubans à structure dite « RUBAN PREIMPREGNE THERMODURCISSABLE ANTI FISSURATION » objet du brevet français, de l'auteur, 1701130 du 31 octobre 2017, une telle structure évite la propagation de fisures améliore les propriétés 30 en cisaillement de la structure et améliorent son étanchéité. Ce brevet présente le concept de stratifils fins et large préférablement empilées en quinconce. c) De mettre en oeuvre des agrégats de silice fonctionnalisées grâce à des éposilanes portant des fonctions époxy en surface à la place des silanols (que l'on trouve naturellement en surface de la silice) les « multi époxy minéraux » ainsi obtenus sont dispersés dans de l'époxy 35 organique la dispersion est nommée « EPOSIL e » et est l'objet du brevet PCT, de l'auteur, WO 2013/107959A1 du 28 juillet 2013, une telle structure évite la propagation de fissures améliore les propriétés en cisaillement de la structure, accroissant le module d'Young et entravant la propagation des microfissures ce qui améliore l'étanchéité. d) De supprimer les liners métalliques en utilisant un liner thermoplastique produit par extrusion puis par soufflage dans un moule le liner, du réservoir est constitué d'une enveloppe thermoplastique constitué, soit d'un empilement concentrique d'au moins deux couches structurales thermoplastiques prenant en sandwich une couche de matériau dit barrière, tel soit l' EVOH (copolymère d'alcool vinylique) (cette technologie est utilisée pour réaliser des bouteilles de « ketchup » afin de protéger leur contenu de l'oxygène 4 atmosphérique), le PVCD ( chlorure de polyvinylidéne), le PAN (polyacrylonitrile) soit une fine couche d'un métal ductile tel l'aluminium, notons que l'on peut également appliquer directement la couche du dit matériau barrière dans l'alésage du liner thermoplastique par roto enduction de dit matériau sous forme liquide ; ou que l'on peut, dans le cas d'application spéciales, procéder à une métallisation de l'alésage par toute technique connue de l'homme de l'art tel la PVD (déposition en phase vapeur). e) Grâce au tack des rubans préimprégnés, de donner, une plus grande liberté dans le choix des trajectoires d'enroulement polaire, on peut donc s'écarter si nécessaire des sacro saintes géodésiques, et surtout, dans le cas de l'enroulement équatorial, de permettre de descendre 10 le long des épaules sans glisser, et donc les renforcer efficacement. Description de la figure : AS --z> axe du réservoir R et R' => rayon allant de l'axe (AS) à la structure support des bobines (3) 1 =>liner, en début de dépose, puis progressivement réservoir, ayant un axe de symétrie polaire (AS) 15 et capable de se déplacer, dans les deux directions, le long du dit axe, ou de tourner coaxialement autour du dit axe. 2 et 2' => bobines de préimprégné disposées sur la roue support (3) 3 => structure fixe, ou roue mobile, support des bobines, de type (2 et 2') ; en tant que « roue mobile », cette dite roue peut tourner autour de l'axe de symétrie polaire (AS) du réservoir (1) ou 20 translater le long du dit axe. 4 et 4° => rubans issus des bobines, de type (2 et 2°) et allant vers la zone de dépose (10 et 10') sur le réservoir (1) 5 et 5' = > axe des bobines, de type (2), cet axe comporte avantageusement un système de freinage pour éviter le débobinage intempestif des dites bobines lors d'un ralentissement du ruban. De plus 25 chaque axe est orientable perpendiculairement au rayon local (R et R') de la roue (3) de facon à permettre que le ruban, issue de la bobine, de type (2), soit aligné avec la trajectoire de débobinage visée. En d'autres termes, le ruban doit arriver tangentiellement à sa vitesse de dépose. La vitesse de dépose est, par exemple, la composition vectorielle locale, de la vitesse de translation du réservoir et de la vitesse tangentielle locale de dépose à la surface (10 et 10') du réservoir (1), cette dernière 30 vitesse et dépendante de la vitesse de rotation de la roue. Les rubans étant donc orientés presque parallèle à l'axe « AS » lors d'un enroulement polaire, et étant orienté presque perpendiculaire à l'axe « AS » lors d'un enroulement équatorial. 6 et 6' => axes respectivement perpendiculaires au rayon (R et R') 7 et 7' => angle formé respectivement entre les axes (5) et (6), (5') et (6') 35 8 et 8' => articulation préférablement motorisée située en bout de rayon respectivement (R et le) permettant le pilotage angulaire (7 et 7') de la bobine respectivement (2 et 2') 9 et 9' -=> axe respectivement perpendiculaire à (R et R°) autour duquel rotule l'axe (5 et 5') 10 et 10' => zone de dépôt sur le réservoir (1) des rubans (4 et 4') Remarques : Il est précisé que les adverbes préférentiellement, et optionneilement signifient que l'on peut de préférence utiliser une solution (par exemple cette forme est terminée préférentiellement par des boucles de fixation) ou que l'on peut ne pas l'utiliser (c'est-à-dire ne pas utiliser lesdites boucles) tout en restant dans le cadre de l'invention. Il est aussi précisé que la figure 1 représente essentiellement un mode de réalisation de l'objet, selon l'invention, mais qu'il peut exister d'autres modes de réalisation, qui répondent à la définition de cette invention. En particulier, pour des raisons de clarté du dessin, nous avons dessiné 2 bobines, sachant qu'il peut y en avoir N, avec N compris entre 1 et une vingtaine. 10 11 est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si le mode de réalisation de l'objet selon l'invention, tel qu'illustré, comporte plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de 15 ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. Il est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand 20 cela est techniquement possible, soit séparément, soit en combinaison totale et/ou partielle. Il est de même précisé que, dans la présente description, si l'adverbe "sensiblement" est associé à un qualificatif d'un moyen donné, ce qualificatif doit être compris au sens strict ou approché. En résumé : Réservoir selon l'invention, réalisé avec des rubans constitués d'un préimprégné fibres matrice 25 connu de l'homme de l'art. L'avantage d'utiliser un ruban préimprégné est multiple, d'une part on sépare la fonction d'imprégnation de la fonction de dépose du ruban, cela simplifie considérablement le fonctionnement des deux dites fonctions, en particulier, l'imprégnation peut être réalisée à vitesse constante, ce qui améliore sa qualité et sa fiabilité. On améliore donc ,globalement, la capabilité de l'installation et sa vitesse de production ; de plus, dans la mesure où 30 manipuler une bobine de préimprégné est infiniment plus simple que de manipuler tout une ligne d'imprégnation, on peut mettre en oeuvre plusieurs bobines qui déposent en parallèle leurs rubans ; enfin la résine préimprégné ne coule pas, le moyen de production est donc plus propre, plus facile à maintenir et de plus , on peut accélérer considérablement la vitesse de dépose, sans risque, d'égouttage par centrifugation, ni risque de casse d'un fil, car un ruban préimprégné ne coule pas et 35 est particulièrement solide mécaniquement. Réservoir dont la structure de renforcement, comporte et est constituée par un ruban mais préférablement par au moins deux rubans indépendants, (N étant le nombre de rubans) qui ont été déposés simultanément, par rapport à l'axe de symétrie « AS », l'axe « AS » allant d'un pôle à l'autre du dît réservoir, les rubans consécutifs sont disposés tangents les uns aux autres, c'est-à-dire que, sur 40 la couche considérée de l'enroulement équatorial (cas cylindrique), aussi bien que sur la couche polaire ( cas sphérique et cylindrique), si l'on désigne par « m » (avec Ni