Brevet FR3134163A1 — publié le 20231006

Réservoir cryogénique de forme complexe et à faible indice gravimétrique et procédé de fabrication correspondant L’invention concerne un réservoir cryogénique. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un réservoir cryogénique (10) dont la paroi comprend une pluralité de couches (11, 12, 61), parmi lesquelles une couche externe (11) est en contact avec le milieu extérieur, une couche interne (12) est en contact avec le contenu du réservoir. Selon l’invention, au moins une des couches de la paroi du réservoir (10) est constituée de matériau composite comprenant un feuilleté de plis (65, 66) empilés les uns sur les autres le long d’une direction d’empilement localement perpendiculaire à la surface de ladite couche (61) dans laquelle au moins un pli (66) du feuilleté de plis (65, 66) diverge de la surface de la couche (61), formant ainsi une structure de renforcement de ladite couche (61), appelée partie renforcée (62), et ladite couche (61) étant nommée couche composite renforcée. Du fait de sa structure, le réservoir peut prendre toute forme, notamment des formes complexes et amène un indice gravimétrique élevé. Figure 1 Réservoir cryogénique de forme complexe et à indice gravimétrique élevé et procédé de fabrication correspondant Domaine technique de l’invention Le domaine de la technique est celui du stockage à court terme et du transport de source d’énergie, notamment via l’utilisation de réservoirs cryogéniques. La technique concerne plus particulièrement un réservoir cryogénique pour le transport et/ou l’utilisation d’un liquide (ce liquide étant sous forme de gaz à température ambiante et pression atmosphérique). De plus, la technique concerne également le procédé de fabrication correspondant. Arrière-plan technologique Dans le cadre de la transition énergétique qui doit nécessairement être opérée pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, il est indispensable de repenser complètement le stockage temporaire et le transport de sources d’énergie propre, comme par exemple l’hydrogène. Les méthodes de fabrication actuelles fournissent des réservoirs à gaz, lourds et encombrants. La problématique de ce type de réservoir est que la source d’énergie (l’hydrogène) y est stockée sous forme gazeuse, qui entraine soit un réservoir à indice gravimétrique faible donc un réservoir lourd, soit une réduction de l’autonomie apportée au véhicule en question à poids constant. Des solutions sont donc développées pour construire des réservoirs cryogéniques permettant de transporter et d’utiliser ce gaz sous forme liquide. Une de ces solutions de réservoir cryogénique est de fabriquer le dit réservoir à partir d’aluminium, dont la masse volumique est inférieure à l’acier et qui possède de très bonnes propriétés mécaniques à basse température. Cependant, les réservoirs cryogéniques actuels restent malgré tout lourds du fait de leur nécessaire isolation, de la masse volumique de l’aluminium et ils ne peuvent être que de forme cylindrique ou sphérique. Ils ne sont donc pas intégrables dans toutes les situations ou dans toutes les configurations de véhicules. Par exemple, les réservoirs cryogéniques actuels ne sont pas intégrables dans l’aile d’un avion, contrairement aux réservoirs de kérosènes, ou dans l’espace d’un réservoir de voiture par exemple. Ainsi, à ce jour, de tels réservoirs cryogéniques doivent donc être intégrés dans des espaces dédiés, voire le véhicule embarquant un ou plusieurs réservoirs de ce type doit être construit autour de ces réservoirs. Ainsi par exemple, dans le cas d’un avion, les réservoirs cryogéniques actuels sont principalement intégrés dans le fuselage, ce qui limite d’autant plus la charge utile et nécessite le développement de nouvelles architectures à certifier sans possibilité de réutiliser l’existant. De tels réservoirs à hydrogène ne permettent donc pas le rétrofit d’avions existants (rééquipement d’un avion existant en remplaçant le système de propulsion actuel par un système de propulsion utilisant de l’hydrogène). Les inconvénients des réservoirs cryogéniques et des réservoirs à stockage gazeux actuels sont donc leur poids, leur encombrement et leurs formes limitées (sphère, cylindre). Ainsi, il est nécessaire de trouver une solution permettant d’obtenir des réservoirs moins encombrants aux formes complexe, et plus légers, tout en présentant une très bonne résistance mécanique. La présente invention a pour objectif de répondre à au moins certaines des problématiques de l’art antérieur. Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l’aide d’un réservoir cryogénique dont la paroi comprend une pluralité de couches, parmi lesquelles une couche externe est en contact avec le milieu extérieur, une couche interne est en contact avec le contenu du réservoir, au moins une des couches de la paroi du réservoir étant constituée de matériau composite comprenant un feuilleté de plis empilés les uns sur les autres le long d’une direction d’empilement localement perpendiculaire à la surface de ladite couche dans laquelle au moins un pli du feuilleté de plis diverge de la surface de la couche, formant ainsi une structure de renforcement de ladite couche, appelée partie renforcée, et ladite couche étant nommée couche composite renforcée. Ainsi, il est possible d’obtenir, en suivant le principe général de l’invention, un réservoir de forme complexe en raison de l’utilisation de matériaux composite et de l’absence de pression excessive au sein du réservoir, celui-ci conservant le contenu sous forme liquide et non gazeuse. Une telle forme complexe permet par conséquent d’intégrer ce réservoir dans tout espace jugé utile par l’homme du métier. De plus, l’utilisation de matériaux composites permet l’allègement du système et l’amélioration des propriétés mécaniques. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, la couche externe du réservoir est une couche composite renforcée. Ainsi, la surface externe du réservoir présente des propriétés mécaniques améliorées, permettant de résister à une contrainte externe (changement de pression, flambage, etc.). Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, deux couches successives parmi la pluralité de couches de ladite paroi dudit réservoir présentent un espace inter-couches, ledit espace inter-couches étant configuré pour être placé sous vide ou sous ultravide. Ainsi, le réservoir présente des propriétés d’isolation améliorées, tout en restant compact, le vide étant fait entre deux couches successives préexistantes. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, ledit espace inter-couche est maintenu à l’aide de supports. Ainsi, les supports (ou nervures) permettent d’empêcher tout effondrement de l’espace inter-couche placé sous vide, et peuvent également participer à l’amélioration des propriétés mécaniques de la paroi du réservoir. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, l’une desdites deux couches successives de la pluralité de couches est la couche externe, ladite couche externe étant au moins partiellement libre de fixation par rapport à la couche suivante, de sorte que la couche externe de se déformer sous l’effet de variations de pressions. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, ladite couche interne du réservoir est constituée de matériau composite. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, ladite couche interne (12) du réservoir est en aluminium. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, ledit réservoir est intégré au sein d’un avion. Selon un exemple de réalisation particulier de l’invention, ledit réservoir est intégré au sein d’un fuselage ou d’une aile ou d’un empennage d’un avion. Les différentes caractéristiques particulières listées ci-dessus peuvent bien sûr être combinées entre elles, selon toutes les combinaisons possibles. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un réservoir tel que décrit précédemment. Le procédé comprend les étapes suivantes : mise en forme d’une couche interne ; adjonction optionnelle de nervures ; adjonction optionnelle d’au moins une couche intermédiaire ; adjonction d’une couche externe autour de l’ensemble formé par ladite couche interne et optionnellement ladite au moins une couche intermédiaire ; mise sous vide d’au moins un espace inter-couche ; au moins une des couches précédemment citées étant fabriquée selon les étapes suivantes : positionnement d’au moins un pli du côté externe de ladite couche, nommé pli non-divergé ; création d’une partie renforcée au sein d’un feuilleté de plis selon les étapes suivantes: adjonction d’au moins un élément composé d’un matériau de faible densité sur ledit au moins un pli externe non-divergé, appelé élément support ; adjonction et mise en forme d’au moins un pli du côté interne de la couche, recouvrant l’ensemble formé par ledit au moins un pli externe et ledit au moins un élément support, ledit au moins un pli interne épousant les formes de l’ensemble formé par ledit au moins un pli externe et ledit élément support ; adjonction de résine pour former une matrice englobant l’ensemble formé par le feuilleté de plis et ledit au moins un élément support ; polymérisation de ladite résine. Brève description des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et qui se réfère aux figures annexées, dans lesquelles : représente un exemple de réalisation d’un réservoir cryogénique vu en coupe ; représente le diagramme de phase de l’hydrogène ; représente un exemple de réalisation de réservoirs cryogéniques intégrés dans le fuselage d’un avion ; représente un exemple de réalisation d’un réservoir cryogénique vu en coupe dont la section présente la forme d’un profil d’aile d’avion ; représente un exemple de réalisation d’un réservoir cryogénique vu en coupe dont la section est un assemblage d’un parallélépipède rectangle et d’un cylindre ; représente un exemple de réalisation d’une couche d’un réservoir cryogénique, vue en coupe ; représente un exemple de réalisation d’un espace inter-couches placé sous vide présentant des nervures transversales, vue en coupe ; représente un exemple de réalisation d’un espace inter-couches placé sous vide présentant des nervures longitudinales, vue en coupe ; représente un exemple de réalisation d’un réservoir cryogénique vu en coupe ; représente un exemple de réalisation d’une paroi d’un réservoir cryogénique ; Réservoir cryogénique (10) dont la paroi comprend une pluralité de couches (11, 12, 61), parmi lesquelles une couche externe (11) est en contact avec le milieu extérieur, une couche interne (12) est en contact avec le contenu du réservoir, caractérisé en ce qu’au moins une des couches de la paroi du réservoir (10) est constituée de matériau composite comprenant un feuilleté de plis (65, 66) empilés les uns sur les autres le long d’une direction d’empilement localement perpendiculaire à la surface de ladite couche (61) dans laquelle au moins un pli (66) du feuilleté de plis (65, 66) diverge de la surface de la couche (61), formant ainsi une structure de renforcement de ladite couche (61), appelée partie renforcée (62), ladite couche (61) étant nommée couche composite renforcée. Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe (11) du réservoir (10) est une couche composite renforcée (61). Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux couches successives parmi la pluralité de couches de ladite paroi dudit réservoir présentent un espace inter-couches, ledit espace inter-couches étant configuré pour être placé sous vide ou sous ultravide. Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit espace inter-couche est maintenu à l’aide de supports (71, 62). Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’une desdites deux couches successives de la pluralité de couches (11, 12, 61) est la couche externe (11), ladite couche externe (11) étant au moins partiellement libre de fixation par rapport à la couche suivante, de sorte que la couche externe (11) de se déformer sous l’effet de variations de pressions. Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche interne (12) du réservoir est constituée de matériau composite. Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche interne (12) du réservoir est en aluminium. Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est intégré au sein d’un avion. Réservoir cryogénique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est intégré au sein d’un fuselage ou d’une aile ou d’un empennage d’un avion. Procédé de fabrication d’un réservoir cryogénique (10) caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : mise en forme d’une couche interne (12) ; adjonction optionnelle de nervures (71) ; adjonction optionnelle d’au moins une couche intermédiaire (93, 94, 95) ; adjonction d’une couche externe (11) autour de l’ensemble formé par ladite couche interne (12) et optionnellement ladite au moins une couche intermédiaire (93, 94, 95) ; mise sous vide d’au moins un espace inter-couche (92, 96) ; au moins une des couches précédemment citées étant fabriquée selon les étapes suivantes : positionnement d’au moins un pli (65) du côté externe de ladite couche (61), nommé pli non-divergé ; création d’une partie renforcée au sein d’un feuilleté de plis (65, 66) selon les étapes suivantes : adjonction d’au moins un élément (67) composé d’un matériau de faible densité sur ledit au moins un pli (65) externe non-divergé, appelé élément support (67) ; adjonction et mise en forme d’au moins un pli (66) du côté interne de la couche (61), recouvrant l’ensemble formé par ledit au moins un pli externe (65) et ledit au moins un élément support (67), ledit au moins un pli interne (66) épousant les formes de l’ensemble formé par ledit au moins un pli externe (65) et ledit élément support (67) ; adjonction de résine pour former une matrice englobant l’ensemble formé par le feuilleté de plis (65, 66) et ledit au moins un élément support (67) ; polymérisation de ladite résine.