Brevet FR3156185A1 — publié le 20250606

Réservoir pour gaz sous pression L’invention concerne un réservoir (1) pour gaz sous pression, notamment de l’hydrogène, comprenant une structure (2) composite et une enveloppe (3) d’étanchéité, où la structure (2) comprend au moins deux anneaux (4), chaque anneau (4) comprenant une armature de fibres continues, lesdits au moins deux anneaux (4) étant disposés sensiblement tangents, en au moins une série, s’étendant sensiblement le long d’une première direction (X), un anneau présentant une hauteur (H), le nombre de série (x) déterminant sensiblement la hauteur (x*H) du réservoir (1) et le nombre d’anneaux (4) d’une série déterminant sensiblement la largeur (W) du réservoir (1). L’invention concerne encore un procédé de réalisation d’un réservoir pour gaz sous pression. Figure pour l'abrégé : Figure 1 Réservoir pour gaz sous pression L’invention concerne un réservoir pour le stockage de gaz sous pression. Un réservoir pour gaz sous pression est typiquement utilisé pour embarquer un gaz à bord d’un véhicule. La pression de stockage dudit gaz peut être élevée, jusqu’à atteindre des pressions de l’ordre de 1000 bars. Le gaz est, par exemple, de l’hydrogène destiné à la propulsion dudit véhicule, soit par combustion directe dans un moteur à hydrogène, soit par production d’électricité au sein d’une pile à combustible. Un tel réservoir, tout en supportant les contraintes liées à la pression, doit rester léger afin de ne pas amputer le budget masse du véhicule. Aussi, un tel réservoir est, de manière connue, réalisé en matériau composite. Un mode de réalisation connu utilise une structure en composite, comprenant des fibres noyées dans une matrice en résine. Cette structure assure une fonction de charpente du réservoir, garante de sa forme, et garantit la tenue des contraintes mécaniques. Cependant, un tel matériau ne saurait être étanche au gaz. Aussi, la structure est doublée, sur toute sa surface, par une enveloppe ou liner en matériau élastomère, assurant l’étanchéité au gaz. Pour des besoins d’intégration du réservoir dans un véhicule, il est avantageux que le réservoir présente une forme aplatie. Une forme sphérique ou cylindrique est la plus à même d’offrir une résistance homogène aux contraintes mécaniques causées par la pression. Au contraire, une forme aplatie, entraîne des contraintes mécaniques d’autant plus importantes que l’on s’éloigne de la forme sphérique. Aussi, il est recherché des modes de réalisation pour obtenir un réservoir aplati. L’invention propose de répondre à cette recherche en renforçant la structure par l’utilisation d’anneaux de renfort. Pour cela, l’invention a pour objet un réservoir pour gaz sous pression, notamment de l’hydrogène, comprenant une structure composite et une enveloppe d’étanchéité, où la structure comprend au moins deux anneaux, chaque anneau comprenant une armature de fibres continues, lesdits au moins deux anneaux étant disposés sensiblement tangents, en une série, s’étendant sensiblement le long d’une première direction, afin de former une section de réservoir aplatie, présentant deux surfaces sensiblement planes, parallèlement à ladite première direction, la hauteur d’un anneau déterminant la hauteur du réservoir et le nombre d’anneaux de la série déterminant la largeur du réservoir. Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont : - le réservoir présente une section de réservoir aplatie, présentant deux surfaces sensiblement planes, parallèlement à la première direction, - un anneau extrême d’une série présente une section partiellement circulaire et/ou un anneau intermédiaire d’une série présente une section oblongue ou rectangulaire à coins arrondis, - deux anneaux adjacents d’une série sont assemblés ensemble et avec au moins un, de préférence deux, inserts conformés pour combler l’interstice entre deux anneaux adjacents, - le réservoir comprend au moins deux séries d’anneaux, disposées parallèlement l’une à l’autre, selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, le nombre de série déterminant la longueur du réservoir, - l’enveloppe comprend des piliers creux traversants, selon une troisième direction sensiblement perpendiculaire au deux premières directions, conformés pour permettre le passage de deux anneaux adjacents, - les anneaux sont en fibres de carbone ou de verre, à fibres longues et continues, noyées dans une résine thermoplastique ou thermodurcissable telle qu’une résine époxy, et préférentiellement une résine époxy, - l’enveloppe est réalisée en surmoulant les anneaux d’une série de manière à obtenir une tranche, chaque tranche étant ensuite assemblée avec sa voisine, préférentiellement par soudage, encore plus préférentiellement par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir, - le réservoir comprend encore deux demi-coques fermant le réservoir à chacune des tranches extrémales. Selon un deuxième aspect de l’invention, un procédé de réalisation d’un réservoir pour gaz sous pression, notamment de l’hydrogène, comprenant une structure composite et une enveloppe d’étanchéité, comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’au moins deux anneaux de la structure, - disposition desdits au moins deux anneaux sensiblement tangents, en une série, s’étendant sensiblement le long d’une première direction, dans un moule, la hauteur d’un anneau déterminant la hauteur du réservoir et le nombre d’anneaux de la série déterminant la largeur du réservoir, - surmoulage des anneaux de la série avec une résine thermoplastique de l’enveloppe pour former une tranche. Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont : - la réalisation d’un anneau s’effectue par enroulement spiralé d’une fibre, d’une bande ou d’un ruban autour d’une forme, afin d’obtenir une armature de fibres continues, - la forme présente une section partiellement circulaire pour un anneau extrême d’une série et une section oblongue ou rectangulaire à coins arrondis pour un anneau intermédiaire d’une série, - le procédé comprend encore les étapes suivantes : - répétition des trois étapes précédentes pour former le nombre de tranches souhaitées, le nombre de tranches déterminant la longueur du réservoir, - assemblage des tranches selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, préférentiellement par soudage, encore plus préférentiellement par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir, - assemblage d’une demi-coque fermant le réservoir à chacune des tranches extrémales, - le procédé comprend encore l’étape suivante : - complément de la structure par une armature externe réalisée par enroulement filamentaire autour de l’ensemble formé par les tranches et les deux demi-coques. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles : FIG. 1 montre, en vue perspective, une tranche de réservoir, FIG. 2 montre, en vue perspective coupée, la tranche de la FIG. 1 , FIG. 3 montre, en vue perspective, un assemblage de tranches, FIG. 4 montre, en vue perspective, un assemblage de tranches, FIG. 5 montre, un schéma de principe de la réalisation des anneaux, FIG. 6 montre, en vue perspective, une série d’anneaux selon un autre mode de réalisation, FIG. 7 montre, en vue perspective, une tranche selon le mode de réalisation de la FIG. 6 , FIG. 8 montre, en vue perspective, un réservoir, avant enroulement, FIG. 9 et FIG. 10 montrent en vue perspective, un réservoir en cours et après enroulement de l’armature externe. En référence à la FIG. 8 , l’invention concerne un réservoir 1 pour gaz sous pression. Ce gaz peut notamment être de l’hydrogène sous une pression pouvant atteindre 1000 bars. Un tel réservoir 1 comprend une structure 2 composite et une enveloppe 3 d’étanchéité. Selon une caractéristique, la structure 2 comprend au moins deux anneaux 4, afin d’offrir un renfort, principalement selon une direction Z où la section du réservoir 1 est aplatie. Chaque anneau 4 comprend une armature de fibres continues. Comme plus particulièrement illustrés aux figures 1, 2, 6, 7, lesdits au moins deux anneaux 4 sont disposés sensiblement tangents de manière à former une série. Il est possible de superposer plus d’une série, soit x séries, selon la troisième direction Z. Ladite série s’étend sensiblement le long d’une première direction X. La cote selon la troisième direction Z est réduite relativement aux autres dimensions X, Y, afin de former un réservoir 1 aplati, selon la troisième direction Z. Un tel réservoir 1 présente deux surfaces sensiblement planes, parallèlement à ladite première direction X et perpendiculairement à la troisième direction Z. La hauteur H d’un anneau 4 détermine sensiblement la hauteur H du réservoir 1. Dans le cas d’une série unique, cette hauteur est sensiblement H. Si un nombre x de séries est superposé, la hauteur du réservoir 1 est sensiblement x * H. Le nombre d’anneaux 4 dans une série détermine sensiblement la largeur W du réservoir 1. Un anneau est génériquement désigné 4. Il est distingué les anneaux intermédiaires 4i, qui peuvent être en nombre quelconque, entre 0 et n, des deux anneaux extrêmes 4e. Selon une autre caractéristique, un anneau extrême 4e d’une série présente une section partiellement circulaire. Il est entendu, dans la présente, par « partiellement circulaire », une section en quart de cercle, en demi-cercle, ou en forme de D dont les extrémités, jouxtant la partie circulaire du D sont sensiblement rectilignes. Un anneau intermédiaire 4i d’une série présente une section oblongue ou rectangulaire à coins arrondis. Comme il est décrit plus avant, une tranche 9 est obtenue en disposant les anneaux 4 d’une série, tangents, selon une ligne d’extension X, un par un, dans un moule, et en les surmoulant. L’existence d’un moule pour réaliser l’opération de surmoulage permet de ne pas fixer préalablement les anneaux 4 entre eux, le surmoulage assurant ensuite leur assemblage. Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée aux figures 6 et 7, au contraire, les anneaux 4 d’une série sont assemblés ensemble et préalablement au surmoulage. Ceci peut concerner au moins deux anneaux 4 adjacents ou tous les anneaux 4 d’une série. De manière optionnelle, un insert 5, de préférence deux inserts 5 conformés pour combler l’interstice entre deux anneaux 4 adjacents, soit des inserts 5 sensiblement triangulaires, peuvent être intercalés entre deux anneaux 4 adjacents ainsi assemblés. Un insert 5 permet d’apporter un renfort et de rigidifier la section d’un anneau 4. L’ajout d’au moins un insert 5 permet encore de conformer un anneau 4 selon une forme de section plus oblongue que rectangle, et ainsi offrir une meilleure résistance à la pression. Des anneaux 4 sont accolés tangentiellement pour former une série, s’étendant selon la première direction X. Le nombre d’anneaux 4 d’une série détermine la largeur W du réservoir 1. Les anneaux 4 d’une série présentent sensiblement une même hauteur H. Les anneaux 4i intermédiaires sont sensiblement identiques entre eux et les anneaux 4e extrêmes sont sensiblement identiques entre eux. Selon une autre caractéristique, il est possible d’accoler plusieurs séries, comprenant un même nombre d’anneaux 4, en les disposant parallèlement l’une à l’autre. Ceci permet d’étendre le réservoir 1, selon une deuxième direction Y sensiblement perpendiculaire à la première direction X. Le nombre de série détermine alors la longueur L du réservoir 1. Selon une autre caractéristique, l’enveloppe 3 comprend des piliers 6 creux traversants, selon une troisième direction Z sensiblement perpendiculaire au deux premières directions X, Y. Ces piliers 6 creux sont conformés pour permettre le passage de deux anneaux 4 adjacents. Un pilier 6 enveloppe principalement la partie où deux anneaux 4 adjacents sont tangents et en contact. Selon une autre caractéristique, les anneaux 4 sont en fibres de carbone ou de verre. Afin d’offrir une bonne résistance à la traction, ils sont avantageusement constitués d’un composite comprenant une trame à fibres longues et continues. Cette trame est noyée dans une résine. La résine est ici une résine thermodurcissable, telle une résine époxy ou une résine thermoplastique, avec une préférence pour la résine époxy. Selon une autre caractéristique, l’enveloppe 2 est réalisée en surmoulant les anneaux 4 d’au moins une série. Le surmoulage est préférentiellement réalisé, une série à la fois. Le surmoulage d’une série permet d’obtenir une tranche 9. Chaque tranche 9 est ensuite assemblée avec sa voisine. Cet assemblage se fait préférentiellement par soudage entre l’enveloppe 2 d’une série et l’enveloppe 2 de la série adjacente. Ce soudage est préférentiellement réalisé par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir. L’assemblage de tranches 9, tel que précédemment décrit, produit un tronçon central de réservoir 1. Pour compléter le réservoir 1, il convient d’adjoindre à l’assemblage de tranches 9, tel qu’illustré aux figures 3, 4, à chaque extrémité ouverte, une demi-coques 7, 8 qui permet de fermer le réservoir 1. Ceci permet d’obtenir le résultat illustré à la FIG. 8 . Une demi-coque 7, 8 est assemblée, de manière étanche, préférentiellement par soudage, préférentiellement réalisé par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir, à chacune des tranches 9 extrémales de l’assemblage. Un orifice 13 de remplissage/puisage du réservoir 1 est avantageusement ménagé dans au moins une des demi-coques 7, 8. Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée aux figures 9 et 10, le réservoir 1 est encore renforcé en complétant la structure 2 par au moins une armature externe 10. La structure 2 du réservoir 1 selon l’invention comprend ainsi : les anneaux 4, les éventuels inserts 5 et l’au moins une armature externe 10. Une telle armature externe 10 est avantageusement réalisée par enroulage filamentaire autour de l’ensemble formé par les tranches 9 et les deux demi-coques 7, 8. Tel qu’illustré à la FIG. 9 , un enroulage filamentaire peut être réalisé selon une première orientation, dans un plan XZ. Tel qu’illustré à la FIG. 10 , un enroulage filamentaire alternatif ou complémentaire peut être réalisé selon une deuxième orientation perpendiculaire, dans un plan YZ. Il est encore possible de réaliser l’enroulement en variant continument l’orientation d’enroulement. L’invention concerne encore un procédé de réalisation d’un réservoir 1 pour gaz sous pression, notamment de l’hydrogène, comprenant une structure 2 composite et une enveloppe 3 d’étanchéité. Ce procédé comprend les étapes suivantes : réalisation d’au moins deux anneaux 4 de la structure 2, disposition desdits au moins deux anneaux 4 sensiblement tangents, en une série, s’étendant sensiblement le long d’une première direction X, dans un moule, la hauteur H d’un anneau 4 déterminant la hauteur H du réservoir 1 et le nombre d’anneaux 4 de la série déterminant la largeur W du réservoir 1, surmoulage des anneaux 4 de la série avec un matériau thermoplastique de l’enveloppe 3 pour former une tranche 9. Le matériau thermoplastique peut être du polyamide 6, du polyamide 66, du polyamide 11, du polyamide 12, du polypropylène, du polyéthylène, du polyéthylène téréphtalate, ou toute autre résine thermoplastique. Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la FIG. 5 , la réalisation d’un anneau 4 s’effectue par enroulement d’une fibre, d’une bande ou d’un ruban 12 autour d’une forme 11. Une bande est un assemblage de plusieurs fibres parallèles. Un ruban est un assemblage de plusieurs fibres dont les directions ne sont pas les mêmes. La fibre, la bande ou le ruban 12 est un composite humide comprenant une armature en fibres noyée dans une matrice de résine. Humide signifie ici que la résine n’est pas encore durcie, afin de permettre sa mise en forme par enroulement autour de la forme 11. La forme 11 est sensiblement prismatique et sa section reproduit la section souhaitée pour l’anneau 4. L’enroulement est réalisé de manière spiralée afin de pouvoir enrouler une fibre, une bande ou un ruban 12 en continu et obtenir au final une armature de fibres continues au sein d’un anneau 4. Après enroulement, la fibre, la bande ou le ruban 12 enroulée est coupée, sensiblement perpendiculairement à l’axe de la forme 11, en tronçon, de la largeur souhaitée pour un anneau 4. Tous les anneaux 4 présentent sensiblement une même largeur. Selon une autre caractéristique, la forme 11 présente une section en D pour un anneau extrême 4e d’une série et une section oblongue ou rectangulaire à coins arrondis pour un anneau intermédiaire 4i d’une série. Aussi, deux formes 11 sont nécessaires : une pour les anneaux intermédiaires 4i et une pour les anneaux extrêmes 4e. Les anneaux intermédiaires 4i sont symétriques par rapport à la direction X et par rapport à la direction Z. Les anneaux extrêmes 4e sont symétriques par rapport à la direction X et symétriques l’un de l’autre par rapport à la direction Z. Selon une autre caractéristique, les trois premières étapes : réalisation d’anneaux 4, disposition des anneaux 4 d’une série dans un moule, et surmoulage des anneaux 4 de la série pour former une tranche 9, sont répétées de manière à obtenir autant de tranches 9 que souhaité. Le nombre de tranches 9 détermine la longueur L du réservoir 1. Les tranches 9 sont ensuite assemblées selon la deuxième direction Y sensiblement perpendiculaire à la première direction X. L’assemblage est préférentiellement réalisé par soudage, encore plus préférentiellement par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir. Le soudage est fait de manière étanche entre l’enveloppe 2 surmoulée d’une tranche 9 et l’enveloppe 2 surmoulée de la tranche 9 adjacente. Il est ensuite assemblé une demi-coque 7, 8 à chacune des tranches 9 extrémales, de manière à fermer le réservoir 1. Selon une autre caractéristique, le procédé peut avantageusement comprendre encore une étape de réalisation d’une armature externe 10, éventuellement par enroulement filamentaire autour de l’ensemble formé par les tranches 9 et les deux demi-coques 7, 8. Une armature externe est nécessaire. Elle peut être réalisée par enroulement filamentaire ou par tout autre procédé de fabrication d’une enveloppe composite. L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles. Réservoir (1) pour gaz sous pression, notamment de l’hydrogène, comprenant une structure (2) composite et une enveloppe (3) d’étanchéité, caractérisé en ce que la structure (2) comprend au moins deux anneaux (4), chaque anneau (4) comprenant une armature de fibres continues, lesdits au moins deux anneaux (4) étant disposés sensiblement tangents, en au moins une série, s’étendant sensiblement le long d’une première direction (X), un anneau (4) présentant une hauteur (H), le nombre de séries (x) déterminant sensiblement la hauteur (x*H) du réservoir (1) et le nombre d’anneaux (4) d’une série déterminant sensiblement la largeur (W) du réservoir (1). Réservoir (1) selon la revendication 1, présentant une section de réservoir (1) aplatie, présentant deux surfaces sensiblement planes, parallèlement à la première direction (X). Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où un anneau extrême (4e) d’une série présente une section partiellement circulaire et/ou un anneau intermédiaire (4i) d’une série présente une section oblongue ou rectangulaire à coins arrondis. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, où deux anneaux (4) adjacents d’une série sont assemblés ensemble et avec au moins un, de préférence deux, inserts (5) conformés pour combler l’interstice entre deux anneaux (4) adjacents. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant au moins deux séries d’anneaux (4), disposées parallèlement l’une à l’autre, selon une deuxième direction (Y) sensiblement perpendiculaire à la première direction (X), le nombre de série déterminant la longueur (L) du réservoir (1). Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, où l’enveloppe (3) comprend des piliers (6) creux traversants, selon une troisième direction (Z) sensiblement perpendiculaire au deux premières directions (X, Y), conformés pour permettre le passage de deux anneaux (4) adjacents. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, où les anneaux (4) sont en fibres de carbone ou de verre, à fibres longues et continues, noyées dans une résine thermoplastique ou thermodurcissable telle qu’une résine époxy, et préférentiellement une résine époxy. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, où l’enveloppe (3) est réalisée en surmoulant les anneaux (4) d’une série de manière à obtenir une tranche (9), chaque tranche (9) étant ensuite assemblée avec sa voisine, préférentiellement par soudage, encore plus préférentiellement par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant encore deux demi-coques (7, 8) fermant le réservoir (1) à chacune des tranches (9) extrémales . Procédé de réalisation d’un réservoir (1) pour gaz sous pression, notamment de l’hydrogène, comprenant une structure (2) composite et une enveloppe (3) d’étanchéité, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - réalisation d’au moins deux anneaux (4) de la structure (2), - disposition desdits au moins deux anneaux (4) sensiblement tangents, en une série, s’étendant sensiblement le long d’une première direction (X), dans un moule, la hauteur (H) d’un anneau (4) déterminant la hauteur (H) du réservoir (1) et le nombre d’anneaux (4) de la série déterminant la largeur (W) du réservoir (1), - surmoulage des anneaux (4) de la série avec une résine thermoplastique de l’enveloppe (3) pour former une tranche (9). Procédé selon la revendication 11, où la réalisation d’un anneau (4) s’effectue par enroulement spiralé d’une fibre, d’une bande ou d’un ruban (12) autour d’une forme (11), afin d’obtenir une armature de fibres continues. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 ou 12, où la forme (11) présente une section partiellement circulaire pour un anneau extrême (4e) d’une série et une section oblongue ou rectangulaire à coins arrondis pour un anneau intermédiaire (4i) d’une série. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, comprenant encore les étapes suivantes : - répétition des trois étapes précédentes pour former le nombre de tranches (9) souhaitées, le nombre de tranches (9) déterminant la longueur (L) du réservoir (1), - assemblage des tranches (9) selon une deuxième direction (Y) sensiblement perpendiculaire à la première direction (X), préférentiellement par soudage, encore plus préférentiellement par soudage à gaz chaud ou par soudage miroir, - assemblage d’une demi-coque (7, 8) fermant le réservoir (1) à chacune des tranches (9) extrémales. Procédé selon la revendication 14, comprenant encore l’étape suivante : - complément de la structure (2) par une armature externe (10) réalisée par enroulement filamentaire autour de l’ensemble formé par les tranches (9) et les deux demi-coques (7, 8).