Brevet FR3090808A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Système intégrant un appareil de traitement, de détente et de contrôle de pression de gaz au sein d'un réservoir de gaz Domaine technique de l'invention 100011 L'invention concerne le domaine technique de l'industrie, des transports et plus parti- culièrement le domaine des véhicules dont le carburant est un gaz. La présente invention concerne le domaine de stockage de fluide à haute pression en réservoirs, plus particulièrement de gaz combustibles et même plus spécifiquement, de gaz naturel comprimé, de gaz bio méthane, gaz de synthèse, ainsi que des mélanges d'hydrogène, de bio méthane et de gaz naturel. 100021 Dans la présente demande, nous utiliserons l'expression « gaz naturel » pour désigner tous les gaz carburants et leurs mélanges. 100031 Le domaine d'application de l'invention n'est pas limité aux véhicules à moteur : voitures, camions, autobus, embarcations diverses, avions, drones, etc... Le système selon l'invention peut être associé à des modules de distribution de gaz naturel comprimé désigné par l'acronyme « GNC » pour des clients isolés ou des stations-services non reliées à un réseau de gaz naturel. En outre, le système selon l'invention peut être associé à la production de gaz en puits marginaux pour la séparation des composants et l'extraction des « GPL » gaz de pétrole liquéfié et des condensats. Arrière plan technologique de l'invention 100041 L'utilisation de gaz combustibles dans les industries en général, pour les moteurs et autres équipements de production d'énergie thermique impose le développement. de systèmes de distribution et de stockage de ces gaz, toujours à haute pression. [0005] Dans un véhicule motorisé fonctionnant avec un gaz naturel, le gaz naturel est stocké dans un réservoir. Un robinet et une électrovanne libèrent le gaz qui alimente un réducteur chauffé avec l'eau du radiateur du moteur du véhicule. Le gaz naturel sortant du réducteur est conduit dans un collecteur d'injection comprenant des injecteurs de gaz sur l'aspiration d'air du moteur du véhicule. [0006] Cc fonctionnement présente plusieurs inconvénients. [0007] Un premier inconvénient réside dans le fait que le gaz naturel est injecté à une tem- pérature supérieure à 90°C, cc qui est contraire à tous les principes thermodynamiques d'alimentation de moteurs, qui consiste en la formation du mélange gazeux inflammable et combustible alimentant le moteur à explosion. Par ailleurs, le chauffage du gaz naturel n'est seulement possible qu'après le démarrage du moteur à l'aide d'un autre carburant, et donc il y a un doublement des systèmes de stockage de carburant, 2 d'injection de carburant et de contrôle. [0008] Un deuxième inconvénient réside dans le fait que les impuretés et les contaminants du gaz naturel sont vaporisés et injectés dans le moteur, provoquant ainsi une mauvaise combustion, des émissions nocives et des particules. En outre, les conduits menant le gaz du réservoir vers le compresseur chauffé sont à haute pression, ce qui représente un danger en cas de collision. Objet de l'invention [0009] L'invention a pour but de remédier à tout ou partie des inconvénients précités et notamment à permettre la détente du gaz tout en purifiant ledit gaz afin d'éviter une mauvaise combustion, des émissions nocives et des particules. [0010] À cet effet, l'invention a pour objet un système intégrant un appareil de traitement, de détente et de contrôle de pression de gaz au sein d'un réservoir de gaz, ledit appareil comprenant un corps destiné à être monté dans un réservoir, ledit corps étant configuré pour coopérer avec le réservoir de gaz, comprenant au moins : - une première partie comprenant au moins un système de détente de pression comprenant au moins un dispositif de détente configuré pour détendre le gaz du réservoir et équipé d'un piston senseur de pression, un organe de blocage et un échangeur de chaleur, - une deuxième partie comprenant au moins un filtre coalescent configuré pour traiter le gaz pour une purification de ce dernier, caractérisé en ce que l'appareil comprend une tête de contrôle amovible, configurée pour coopérer avec le corps de l'appareil, et préférentiellement avec la première partie du corps, et configurée pour être détachable du corps sans avoir à démonter le corps de l'appareil. [0011] L'avantage d'une tête démontable est que l'appareil est facilement entretenu sans avoir à démonter le corps et de dissocier du réservoir. En outre, il est possible de changer de tête de contrôle pour des fonctionnalités supplémentaires s'ajoutant au contrôle de la pression. La séparation de la tête par rapport au corps permet de rendre indépendant les deux pièces mécaniques, qui peuvent ainsi être substituées séparément. [0012] Par ailleurs, l'invention a pour avantage de pouvoir être montée en usine directement dans un réservoir, ce qui permet de réduire les coûts, les temps de conversion et les risques inhérents à un montage en atelier. [0013] En outre, la séparation en un corps et une tête de contrôle permet l'utilisation de deux matériaux qui peuvent être différents pour le corps et la tête de contrôle avec un choix le plus adapté selon la fonction du corps et de la tête de contrôle. Par exemple, on utilisera un acier inoxydable pour le corps et on utilisera de l'aluminium, le laiton, etc. Bien entendu, la tête de contrôle peut également être réalisée en acier inoxydable. [0014] L'avantage d'utiliser de l'acier inoxydable pour le corps est qu'il permet de 3 maintenir un isolement thermique adéquat pour conserver, à une température la plus basse possible avec une inertie thermique améliorée, les organes fonctionnels du corps tels que le dispositif de détente de pression. [0015] Selon une caractéristique de l'invention, la tête est montée directement sur le corps. [0016] Alternativement, la tête de contrôle est montée indirectement sur le corps. En effet la tête peut être montée sur un col de réservoir faisant office de pièce intermédiaire entre le corps de l'appareil et la tête de contrôle de l'appareil. [0017] Selon une caractéristique de l'invention, la tête comporte au moins un organe de contrôle de libération de gaz, préférentiellement au moins deux organes. Avantageusement, le premier organe de libération de gaz et/ou le deuxième organe de libération de gaz est un organe s'actionnant manuellement de type manette ou levier ou une électrovanne. [0018] Selon une caractéristique de l'invention, l'appareil comprend en outre au moins un organe de protection configure pour protéger l'appareil en cas d'excès de débit de gaz et/ou en cas de chute de pression en aval du réservoir ou du circuit basse pression en dessous d'un seuil déterminé. [0019] Avantageusement, l'appareil selon l'invention permet de répondre aux régle- mentations nationales et internationales en permettant l'ouverture et la fermeture en haute pression de manière manuelle, en utilisant au moins un dispositif d'excès de flux positionné en entrée (haute pression) et/ou en sortie (basse pression) de gaz au niveau de la tête de contrôle, en permettant la rétention à l'avitaillement en haute pression, un contrôle manuel et commandé du flux grâce à l'électrovanne. [0020] Selon une caractéristique de l'invention, le au moins un organe de protection est agencé préférentiellement à l'entrée du gaz haute pression dans le système de détente de pression. [0021] Selon une caractéristique de l'invention, le système de détente de pression comprend un clapet de fermeture à l'arrêt, ce qui permet d'assurer une étanchéité totale de l'appareil. [0022] Selon une caractéristique de l'invention, le système de détente de pression comprend en outre une olive de laminage de gaz pour libérer un débit pour le maintien d'une pression régulée. [0023] Selon une caractéristique de l'invention, le système de détente de pression comprend un clapet de blocage sur une onde de pression ou un débit de gaz excessif, ce qui permet d'interrompre le flux en cas de pression excessive durant l'avitaillement. [0024] Selon une caractéristique de l'invention, le corps cylindrique est préférentiellement en métal non conducteur de chaleur, ce qui permet de maintenir le filtre coalescent le plus froid possible. Par exemple, le corps est en inox ou autre métal présentant des propriétés de conduction thermique similaires. [0025] Selon une caractéristique de l'invention, la tête de contrôle est réalisée en différents métaux aisément forgeables et usinahles, tels que l'aluminium ou le laiton, ce qui permet de réduire les coûts de fabrication en grande série. [0026] Selon une caractéristique de l'invention, le corps comprend des taquets conformés pour coopérer avec des rainures agencées sur le col du réservoir ou sur la tête, ce qui permet d'orienter facilement le corps par rapport au réservoir. [0027] Selon une caractéristique de l'invention, l'organe de blocage est un clapet. Avanta- geusement, le clapet de fermeture à l'arrêt peut être réalisé en téflon ou en nitrile. Selon une caractéristique de l'invention, le clapet est préférentiellement utilisé avec une vis servant d'appui sur l'axe. [0028] Selon une caractéristique de l'invention, l'appareil comprend en outre un échangeur de froid configuré pour refroidir le filtre coalescent, ce qui permet de retenir tous les gaz non cryogéniques, condensats et liquides provenant du compresseur, des hydrocarbures, etc. [0029] Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur de froid comprend au moins un clapet de retenue configuré pour libérer les condensats et liquides à chaque réchauffement par un arrêt de fonctionnement. [0030] Selon une caractéristique de l'invention, le filtre coalescent est une unique pièce. [0031] Selon une caractéristique de l'invention, les joints du piston sont espacés entre eux d'une distance déterminée, ce qui permet de conserver une pression égale en tout point et éviter l'effet ventouse. [0032] Avantageusement, tous les joints d'étanchéité, préférentiellement annulaires, sont doublés, ce qui permet de renforcer la sécurité de l'appareil. [0033] L'invention porte également sur un réservoir de gaz comprenant un col, le réservoir de gaz étant équipé d'au moins un appareil de traitement, de détente et de contrôle de pression de gaz au sein d'un réservoir de gaz selon l'invention. [0034] Selon une caractéristique de l'invention, le réservoir est préférentiellement un réservoir type IV de gaz naturel véhiculaire dit « GNV ». L'intérêt de ce type de réservoirs est qu'ils sont très légers et qu'ils coopèrent efficacement l'appareil selon l'invention sans fatigue et avec une résistance validée. [0035] Dans la présente invention, un réservoir type W est un réservoir bobiné entièrement en fibre de carbone qui a une tenue en fatigue dite exceptionnelle. En effet, le composite bien dimensionné et bien fabriqué ne perd pas ses performances même après 20 années de service. [0036] Selon une caractéristique de l'invention, la chemise interne ou liner du réservoir, configuré pour assurer l'étanchéité dudit réservoir doit être en mesure de supporter des températures extrêmement basses de l'ordre de -80°C, afin de permettre un système de purification efficace. En effet, un liner métallique avec échange thermique important réduirait l'efficacité de la purification. [0037] Par ailleurs, selon l'invention, le liner thermoplastique et la connexion avec l'embout métallique, sur lequel on raccorde un robinet, doit pouvoir supporter une plage de température allant de -80°C à +85°C, avec des pics pouvant atteindre-100°C. [0038] Les gaz comprimés peuvent être combustibles ou neutres, gaz naturel, méthane naturel ou Bio, propane naturel ou bio, hydrogène, air, azote, Dioxyde de carbone, etc. [0039] Selon une caractéristique de l'invention, le réservoir peut être de toute capacité usuelle. [0040] Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur de froid et le système de détente de pression sont avantageusement agencés à l'intérieur du réservoir. Brève description des figures [0041] L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux figures schématiques annexées. Les figures schématiques annexées sont listées ci-dessous : [0042] [fig.1] est une vue en perspective de l'appareil selon un premier mode de réalisation de l'invention, [0043] [fig.2] est une vue en coupe longitudinale de l'appareil représenté en figure 1, [0044] [fig.3] est une vue en perspective de l'appareil selon un deuxième mode de réa- lisation de l'invention et selon un premier point de vue, [0045] [fig.4] est une vue en coupe longitudinale de l'appareil représenté en figure 3, [0046] W8.51 est une vue en coupe transversale de l'appareil représenté en figure 3, Description détaillée des figures 100471 Les caractéristiques suivantes sont valables pour tous les modes de réalisation du système selon l'invention illustrés aux figures 1 à 5. 100481 Le système selon l'invention intègre un appareil 10 de traitement, de détente et de contrôle de pression de gaz au sein d'un réservoir de gaz 2. 100491 L'appareil 10 selon l'invention comprend un corps 20 et une tête de contrôle 30, comme illustré en figures 1 et 3. 100501 La tête de contrôle 30 de l'appareil 10 est commune aux deux modes de réalisation et sera donc décrite par la suite quel que soit le mode de réalisation de l'appareil 10 et en référence principalement à la figure 5. 100511 Selon l'invention, la tête de contrôle 30 est amovible et configurée pour être dé- tachable du corps 20 sans avoir à démonter le corps 20. 100521 La tête de contrôle 30 comprend plusieurs organes fonctionnels rassemblés au sein de ladite tête de contrôle 30. [0053] Un premier organe fonctionnel de la tête de contrôle 30 est un organe de libération de 6 gaz de type électrovanne 31 configurée pour libérer le fluide sous pression de manière contrôlée. L'électrovanne 31 comprend un piston 311, un ressort 312, un piston de pilotage 313 incluant le ressort 312, une bobine 314 et un axe magnétique 315 reliant la bobine au piston de pilotage 313. [0054] Un deuxième organe fonctionnel de la tête de contrôle 30 est un organe de libération de gaz de type manuel, comme par exemple un robinet manuel basse pression 32. Le robinet manuel basse pression 32 comprend un levier 321, un support de fermeture manuelle 322, dans lequel est intégré partiellement un piston de fermeture manuelle 323, le levier 321 coopérant avec le piston de fermeture 323 dans une chambre ménagée dans le support de fermeture manuelle 322. [0055] Un troisième organe fonctionnel de la tête de contrôle 30 est un organe de protection 33 configure pour protéger l'appareil 10 en cas d'excès de débit de gaz et/ou en cas de chute de pression en aval en dessous d'un seuil déterminé. L'organe de protection 33 permet de protéger thermiquement l'appareil mais peut également protéger l'appareil optionnellement en cas de chute de pression. L'organe de protection 33 est piloté par un fusible. Cet organe peut prendre la forme d'une simple canalisation portant des fusibles de protection thermique, une soupape de sécurité, un robinet de mise à l'évent. L'organe de protection est avantageusement commandé par un opérateur tel un conducteur du véhicule équipé du système de l'invention. [0056] Un quatrième organe fonctionnel de la tête de contrôle 30 est une entrée 34 de fluide haute pression équipée d'un dispositif d'excès de flux 36. L'entrée 34 comprend une sphère 341 à une extrémité débouchant dans la tête de contrôle 30 et un connecteur 342 à une autre extrémité distale de la tête de contrôle 30 et préférentiellement saillante par rapport à la tête de contrôle 30. Par cette entrée le fluide rentre à haute pression, environ à 220 bar. Le dispositif excès de flux 36 fait office de clapet de retenue, quand la pression est nulle à l'entrée et que la commande manuelle haute pression 37 est ouverte. La commande manuelle 37 comprend un axe de commande 372 relié directement à la sphère 341. La sphère 341 comprend une perforation conique pour permettre, sur le plus petit diamètre, un laminage du gaz sans détérioration des joints d'étanchéité. La commande manuelle 37 comprend en outre une manette 371 d'actionnement manuel permettant d'ouvrir ou fermer l'entrée 34. Bien entendu, la manette 371 peut être remplacée par une poignée compacte. [0057] Un cinquième organe fonctionnel de la tête de contrôle 30 est une sortie 35 de fluide basse pression équipée d'un dispositif d'excès de flux 36. Par cette sortie, le fluide sort à basse pression entre 4 et 12 bar. Cette sortie 35 coopère avec le robinet 32 basse pression afin d'autoriser la sortie du fluide. [0058] Avantageusement, l'organe de protection thermique 32 est agencé à l'entrée 34 du gaz haute pression. 7 [0059] L'appareil 10 comprend un corps 11 destiné à être monté dans un réservoir 2. Le corps 11 est configuré pour coopérer avec le réservoir de gaz 2 et notamment avec un col 3 de réservoir 2, qui peut soit être intégré au système comme illustré dans le premier mode de réalisation soit distinct du système comme illustré dans le deuxième mode de réalisation. [0060] Le corps 20 de l'appareil 10 va maintenant être décrit et notamment en référence aux figures 2 et 4 et ce quel que soit le mode de réalisation de l'appareil. [0061] Selon l'invention, le corps 20 comprend une première partie comprenant un système de détente de pression comprenant au moins un dispositif de détente 21 configuré pour détendre le gaz du réservoir 3. [0062] Le dispositif de détente 21 comprend un cylindre détendeur de pression 210, une vis de réglage du détendeur de pression 211, un ressort du détendeur de pression 212, une vis de décompression 213, un piston capteur de pression 214, une tige de détendeur 215, un guide tige 216, une olive de laminage 217 de gaz pour libérer un débit pour le maintien d'une pression, un organe de blocage se présentant sous la forme d'un clapet de fermeture à l'arrêt 218 permettant d'assurer une étanchéité totale de l'appareil, un clapet de blocage 219 sur une onde de pression ou un débit de gaz excessif, ce qui permet d'interrompre le flux en cas d'augmentation excessive de pression. [0063] Avantageusement, La vis de réglage du détendeur 211 est accessible pendant le fonc- tionnement de l'appareil et comprend au moins une perforation permettant l'accès à la vis de décompression 213. La vis de décompression 213 est une protection pennettant d'éviter une utilisation hors conditions de sécurité. Le ressort du détendeur 212 est positionné entre la vis de réglage 211 et la vis de compression 213. [0064] Dans une variante non représentée, le ressort 212 est doublé de sorte qu'un premier ressort se retrouve entouré du deuxième, le premier ressorte t le deuxième ressort présentant des caractéristiques de force et de déformation différentes et indépendantes et avec un écart de longueur. L'intérêt d'un tel doublage est d'utiliser le ressort de plus grand force pour établir la pression nominale de service et d'utiliser le ressort de moins grande force pour le déplacement de l'olive de laminage 217 en fonction des débits et de la pression différentielle. En d'autres termes, le ressort le plus raide sert pour le réglage de la pression et le ressort le moins raide sert pour le réglage du débit. Préférentiellement, le ressort le plus raide est entouré du ressort le moins le raide. [0065] Par ailleurs, le piston 214 sert de capteur de pression recevant d'un côté la poussée du ressort 212 et de l'autre la résultante des forces de pression sur le piston et sur l'olive de laminage 217. Les variations de pression créées par la différence de débit de la consommation du moteur du véhicule et celui délivré par le laminage du gaz se traduisent par des variations de position du piston 214 et par conséquence par une variation de l'ouverture de l'olive de laminage 217. 8 [0066] Selon l'invention, l'appareil est dépourvu de soupape de sécurité de pression sur la détente du gaz, car le système prévoit de couper le flux de gaz plutôt que de libérer du gaz dans n'importe quelle ambiance. Afin d'assurer cette coupure, tous les joints d'étanchéité 0-rings sont doublés. [0067] Ainsi, pour les joints statiques, cette doublure, ne pose aucun problème ni amé- nagements particuliers tandis que pour les joints dynamiques, et notamment au niveau du piston de coupure de gaz sur haute pression, il est nécessaire qu'un des deux joints soit d'un diamètre supérieur à l'autre, afin d'éviter un effet ventouse indésirable : le joint le plus grand est utilisé en fonctionnement normal et le joint le plus petit n'est utilisé qu'en cas de coupure. [0068] La tige du détendeur 215 est composée d'une extension et d'une tige principale, reliées l'une à l'autre par une liaison rotule. Avantageusement, la tige 215 est en titane et permet de contrôler le débit. Cette dernière est déplacée par le piston 214 et agit pour l'ouverture duc l'organe de blocage en premier lieu et ensuite pour laisser s'échapper le gaz, provoquant ainsi la chute de pression au sein du dispositif de détente 21. [0069] L'olive de laminage 217 est un renflement de la tige 215 qui obture totalement le passage de gaz dans une position de fermeture. En opération, lorsqu'elle se déplace, le gaz passe de haute pression à basse pression tout en étant laminé afin de respecter la pression déterminée, qui est généralement entre 6 et 15 bar. [0070] Avantageusement, la dissociation du laminage et du blocage du gaz permet de garantir plus de cycles de fonctionnement sans fuite et cela permet de protéger l'organe de blocage 218 et de réduire les pertes de charge avec une très basse pression, permettant ainsi d'utiliser le gaz au maximum de ses caractéristiques admissibles. [0071] Comme on peut le voir aux figures 2 et 4, le système de détente de pression est équipé d'un clapet de blocage configuré pour interrompre le flux en cas de pression excessive. Ce clapet de blocage 219 est constitué d'une rondelle retenue par un ressort laissant passer un débit normal. Dans le cas d'un choc de pression, et d'une ouverture brusque d'une vanne d'avitaillement, la rondelle comprime le ressort et interrompt le flux. [0072] Selon l'invention, le corps 20 comprend une deuxième partie 22 essentiellement destinée au traitement du gaz par purification de ce dernier. La deuxième partie 22 du corps 20 comprend un filtre 220 coalescent, le filtre étant configuré pour traiter et purifier le gaz. Le filtre 220 est composé d'un corps moulé par injection sous pression, à double enveloppe renfermant des granulés d'effet coalescent. [0073] En outre, la deuxième partie 22 de corps 20 comprend un échangeur de froid 222 configuré pour refroidir le filtre coalescent, ce qui permet de retenir tous les gaz non cryogéniques, condensats et liquides. L'échangeur de froid 222 comprend au moins un 9 clapet de retenue 221 configuré pour libérer les condensats et liquides à chaque réchauffement par un arrêt de fonctionnement de l'appareil. [0074] Les différences entre les deux modes de réalisation illustrés respectivement en figures 1 et 2 et 3 et 4 vont maintenant être décrites. [0075] Selon le premier mode de réalisation, la tête de contrôle 30 est montée indirectement sur le corps 20. En effet la tête de contrôle 30 est montée sur un col 3 de réservoir 2 faisant office de pièce intermédiaire entre le corps 20 de l'appareil 10 et la tête de contrôle 30 de l'appareil 10. Selon le premier mode de réalisation, le corps 20 comprend des taquets conformés pour coopérer avec des rainures agencées sur le col 3 du réservoir 2 ou sur la tête de contrôle 30, ce qui permet d'orienter facilement le corps par rapport au réservoir 2. Selon le premier mode de réalisation, l'appareil 10 et le réservoir 2 sont fabriqués en même temps et assemblés ensemble. [0076] Selon le deuxième mode de réalisation, la tête de contrôle 30 est montée directement sur le corps 20. Selon le deuxième mode de réalisation, l'appareil 10 et le réservoir 2 sont fabriqués séparément et assemblés à posteriori : dans le deuxième mode de réalisation, l'appareil est indépendant du col 3 du réservoir et peut être appliqué à tout réservoir. [0077] Quel que soit le mode de réalisation de l'appareil 10 selon l'invention, ledit appareil est utilisable dans un réservoir 2 de gaz comprenant un col 3. Avantageusement, l'échangeur de froid 222 et le système de détente de pression 21 sont agencés à l'intérieur du réservoir 2. [0078] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et re- présentés aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. 10