FR3152564A1

FR3152564A1 - Réservoir pour gaz sous haute pression

Info

Publication number: FR3152564A1
Application number: FR2309167A
Authority: FR
Inventors: Marc MORET
Original assignee: Faurecia Hydrogen Solutions France
Current assignee: Faurecia Hydrogen Solutions France
Priority date: 2023-08-31
Filing date: 2023-08-31
Publication date: 2025-03-07
Also published as: CN119532614A; DE102024124914A1

Abstract

Réservoir pour gaz sous haute pression L’invention concerne un réservoir (1) pour gaz sous pression, tel de l’hydrogène, comprenant une structure (2) et une enveloppe souple, où l’enveloppe comprend au moins deux alvéoles, un alvéole s’étendant selon un premier axe (X) et en ce que la structure (2) s’étend selon le premier axe (X) et présente, perpendiculairement au premier axe (X), une section de structure en échelle, comprenant une paroi externe entourant la périphérie externe desdits au moins deux alvéoles et pour chaque paire d’alvéoles voisins, une paroi interne séparant les alvéoles de la paire, et étant solidaire, à ses deux extrémités, de la paroi externe. Figure d’abrégé : Figure 1

Description

Réservoir pour gaz sous haute pression

L’invention concerne un réservoir pour gaz sous haute pression, tel de l’hydrogène. Une haute pression s’entend d’une pression pouvant atteindre 1000 bars.

Il est connu de réaliser un réservoir pour gaz sous haute pression avec une structure, typiquement en composite, assurant la tenue aux contraintes mécaniques structurelles, doublée d’une enveloppe souple interne, assurant l’étanchéité, appuyée contre la structure.

Il est recherché pour certaines applications et notamment pour les applications embarquées sur véhicule automobile, afin de faciliter l’intégration, une forme de réservoir sensiblement plat et plan. Une telle forme est délicate en ce qu’elle entraîne des contraintes structurelles liées à la haute pression.

La présente invention, présente un paradigme ingénieux qui répond avantageusement à cette problématique.

L’invention se propose de fournir un réservoir pour gaz sous pression, tel de l’hydrogène, comprenant une structure et une enveloppe souple, où l’enveloppe comprend au moins deux alvéoles, un alvéole s’étendant selon un premier axe et en ce que la structure s’étend selon le premier axe et présente, perpendiculairement au premier axe, une section de structure en échelle, comprenant une paroi externe entourant la périphérie externe desdits au moins deux alvéoles et pour chaque paire d’alvéoles voisins, une paroi interne séparant les alvéoles de la paire, et étant solidaire, à ses deux extrémités, de la paroi externe.

Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :

- un alvéole présente, perpendiculairement au premier axe, une section d’alvéole sensiblement constante au long du premier axe,

- chaque alvéole comprend un tube selon le premier axe, préférentiellement réalisé par extrusion, un premier opercule disposé à une première extrémité du tube et un deuxième opercule disposé à une deuxième extrémité du tube, sensiblement plans selon un plan perpendiculaire au premier axe, préférentiellement réalisés par injection, assemblés de manière étanche à l’extrémité, préférentiellement par soudage, encore préférentiellement par soudage à air chaud ou par soudage miroir,

- tous les opercules d’une même extrémité sont réalisés de matière,

- lesdits au moins deux alvéoles sont sensiblement identiques et s’étendent côte à côte parallèlement, sur une couche, selon un deuxième axe sensiblement perpendiculaire au premier axe, afin que le réservoir présente une extension sensiblement plane,

- lesdits au moins deux alvéoles sont sensiblement identiques et s’étendent côte à côte parallèlement, sur deux couches, selon le deuxième axe,

- le réservoir comprend encore au moins un raidisseur disposé entre les deux couches, préférentiellement parallèle au premier axe,

- la structure est réalisée en composite, et comprend une toile de fibres, tissées, intissées, tressées ou bobinées, imprégnée dans une résine durcissable,

- la toile de fibres est réalisée d’une seule pièce,

- la toile de fibres est tissée avec une distribution de trame et chaîne irrégulière, afin d’adapter sa force à la répartition des contraintes,

- l’enveloppe comprend des rainures superficielles afin de faciliter l’introduction de la résine durcissable entre l’enveloppe et la toile de fibres.

Selon un deuxième aspect de l’invention, un procédé de fabrication d’un tel réservoir comprenant les opérations suivantes : fabrication, pour chacun desdits au moins deux alvéoles, d’un tube, préférentiellement par extrusion, arrangement côte à côte des tubes, enfilage de la toile de fibres de la structure autour des tubes, soudage de deux opercules, à chaque extrémité de chaque tube, imprégnation de la toile de fibres avec une résine durcissable.

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. 1montre, en vue perspective, un réservoir selon un premier mode de réalisation,

FIG. 2montre, en vue perspective, un réservoir selon un deuxième mode de réalisation,

FIG. 3montre, en vue perspective, une étape d’assemblage du réservoir de laFIG. 1,

FIG. 4montre, en vue coupée perpendiculairement au premier axe X, le réservoir de laFIG. 1,

FIG. 5montre, en vue perspective, une étape d’assemblage du réservoir de laFIG. 2,

FIG. 6montre, en vue coupée perpendiculairement au premier axe X, le réservoir de laFIG. 2,

FIG. 7montre, en vue perspective, la structure du réservoir de laFIG. 1, avant son montage,

FIG. 8montre, en vue perspective, la structure du réservoir de laFIG. 1, après son montage,

FIG. 9montre, en vue coupée perpendiculairement au deuxième axe Y, le réservoir de laFIG. 1,

FIG. 10montre, en vue coupée perpendiculairement au deuxième axe Y, le réservoir de laFIG. 2,

FIG. 11montre, en vue coupée perpendiculairement au premier axe X ou au deuxième axe Y, le détail de l’assemblage d’un opercule d’un alvéole,

FIG. 12montre, en vue coupée perpendiculairement au deuxième axe Y, le détail de la fixation de la structure sur un collecteur, selon un premier mode de réalisation,

FIG. 13montre, en vue coupée perpendiculairement au deuxième axe Y, le détail de la fixation de la structure sur un collecteur, selon un autre mode de réalisation,

FIG. 14montre, en vue coupée perpendiculairement au deuxième axe Y, le détail de la fixation de la structure sur un collecteur, selon un autre mode de réalisation,

FIG. 15montre, en vue coupée perpendiculairement au deuxième axe Y, le détail de la fixation de la structure sur un collecteur, selon un autre mode de réalisation,

FIG. 16montre, le détail de la connexion d’un alvéole à une conduite, selon un premier mode de réalisation,

FIG. 17montre, le détail de la connexion d’un alvéole à une conduite, selon un autre mode de réalisation,

FIG. 18montre, en vue perspective partielle, un ensemble premier collecteur et enveloppe, selon un premier mode de réalisation,

FIG. 19montre, en vue perspective partielle, un ensemble deuxième collecteur et enveloppe, selon un premier mode de réalisation,

FIG. 20montre, en vue perspective partielle, un ensemble premier collecteur et enveloppe, selon un deuxième mode de réalisation,

FIG. 21montre, en vue perspective partielle, un ensemble deuxième collecteur et enveloppe, selon un deuxième mode de réalisation.

En référence aux figures 1 ou 2, l’invention concerne un réservoir 1 pour gaz sous pression. Ce gaz peut être de l’hydrogène sous haute pression. On entend ici par haute pression une pression pouvant atteindre 1000 bars.

Un tel réservoir 1 comprend une structure 2 et une enveloppe 3 souple. La structure est typiquement rigide et est conçue pour supporter les contraintes mécaniques, pouvant être importantes du fait des hautes pressions. L’enveloppe 3 ou liner, s’appuie sur la structure 2 et est conçue pour assurer l’étanchéité au gaz.

Selon une caractéristique, l’enveloppe 3 comprend au moins deux alvéoles 4. Un alvéole 4 s’étend principalement selon un premier axe X. Un alvéole 4 présente, perpendiculairement au premier axe X, une section d’alvéole sensiblement constante au long du premier axe X.

La structure 2 s’étend selon le premier axe X et présente, perpendiculairement au premier axe X, une section de structure en échelle. Ladite échelle est complémentaire de l’arrangement d’alvéoles 4. La structure 2 comprend une paroi externe 8 refermée sur elle-même et entourant la périphérie externe desdits au moins deux alvéoles 4 assemblés. Ainsi, la section de la paroi externe 8 reproduit sensiblement la périphérie de l’arrangement d’alvéoles 4. La structure 2 comprend encore, pour chaque paire d’alvéoles 4 voisins, une paroi interne 9. Cette paroi interne 9, qui forme un barreau de l’échelle, sépare les alvéoles 4 de la paire, et est solidaire de la paroi externe 8, aux deux extrémités de la paroi interne 9, de manière à former un tendeur entre les deux occurrences de la paroi externe 8. Ainsi, la section de structure suit la section desdits alvéoles 4 en les entourant par l’extérieur.

Selon une autre caractéristique, un alvéole 4 présente, perpendiculairement au premier axe X, une section d’alvéole sensiblement constante au long du premier axe X.

Pour le mode de réalisation de laFIG. 1, à une couche, la section de structure présente des caissons délimités par deux passages de la paroi externe 8, pour le côté haut et le côté bas du caisson et par deux parois internes 9 adjacentes pour les côtés gauche et droit du caisson. Exceptionnellement les alvéoles 4 les plus extrêmes sont entourés de caissons bordés aussi sur un côté extérieur par la paroi externe 8.

Pour le mode de réalisation de laFIG. 2, à deux couches, la section de structure présente deux couches de caissons. La section de structure comprend encore une paroi interne médiane séparant les deux couches.

Dans tous les cas, la section de structure reproduit sensiblement la section de l’arrangement d’alvéoles 4.

La structure 2 est visible aux figures 7 et 8, adaptée au premier mode de réalisation du réservoir de laFIG. 1, comprenant une unique couche d’alvéoles 4. L’ensemble des alvéoles 4, selon ce même premier mode de réalisation, est visible à laFIG. 3. LaFIG. 4illustre en vue sectionnelle l’assemblage imbriqué des alvéoles 4 et de la structure 2.

Une telle disposition avec des alvéoles 4, disposés côte à côte dans un arrangement, permet, chaque alvéole étant individuellement apte à supporter la pression du fait que la section d’un alvéole 4 est équilibrée, de cependant réaliser un réservoir 1 sensiblement plat, s’étendant selon les deux directions X et Y. Les alvéoles 4 sont accolés côte à côte parallèlement. La conformation particulière de la structure 2, avec une section de structure en échelle, permet de maintenir les alvéoles 4 ensemble et chaque alvéole 4 ensemble avec le caisson de structure permet de supporter les hautes pressions de gaz.

Une telle disposition plane est particulièrement avantageuse pour intégrer un tel réservoir 1 dans un véhicule automobile.

Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à laFIG. 3ou 5, chaque alvéole 4 comprend un tube 5 d’extension principale selon le premier axe X. Ce tube 5, prismatique en ce que sa section se reproduit tout au long du premier axe X, est préférentiellement réalisé par extrusion. Ce tube 5 confère l’étanchéité sur quatre côtés. Le tube 5 est ensuite refermé au moyen de deux opercules 6, 7, sensiblement plans selon un plan perpendiculaire au premier axe X. Ces opercules 6, 7 sont préférentiellement réalisés par injection, chacun disposé à une extrémité du tube 5. Ils sont assemblés de manière étanche. L’assemblage est préférentiellement réalisé par soudage. Le soudage peut être réalisé par tout mode de soudage. Cependant, le soudage est préférentiellement réalisé par soudage à air chaud ou par soudage miroir. L’emploi d’un de ces deux modes d’assemblage permet avantageusement de réaliser l’assemblage de tous les opercules 6 de tous les tubes 5 adjacents en une seule opération. LaFIG. 11montre le détail en coupe de l’assemblage d’un tube 5 avec un opercule 6, pour fermer un alvéole 4.

Selon une autre caractéristique, tous les opercules 6, 7 d’une même extrémité sont réalisés de matière. Tous les opercules 6 d’un même côté sont avantageusement alignés dans un même plan. Aussi, tous les tubes 5 étant adjacents, les opercules de deux alvéoles 4 voisins sont voisins. Aussi, il est avantageux de réaliser tous les opercules 6, 7 d’un même côté, correspondant à une même extrémité des tubes 5, en une seule pièce plane unique. Le procédé de soudage à l’air chaud permet avantageusement de réaliser l’assemblage opercule / tube depuis l’extérieur et donc ensemble pour tous les tubes 5.

Selon une autre caractéristique, les alvéoles 4 sont tous sensiblement identiques et s’étendent côte à côte parallèlement.

Selon un premier mode de réalisation, illustré aux figures 1, 3, 4, 9,18 et 19, les alvéoles 4 s’étendent sur une couche. Cette extension s’effectue selon un deuxième axe Y sensiblement perpendiculaire au premier axe X. Ceci permet de conférer au réservoir 1 une extension sensiblement plane.

Selon un deuxième mode de réalisation, illustré aux figures 2, 5, 6, 10, 20 et 21, les alvéoles 4 s’étendent côte à côte parallèlement, sur deux couches. L’extension s’effectue selon le deuxième axe Y. Les couches s’empilent selon un troisième axe Z perpendiculaire au deux premiers axes X, Y.

Plus particulièrement dans le cadre du deuxième mode de réalisation, la présence de deux couches superposées d’alvéoles 4 permet avantageusement de créer un passage, sensiblement central, dans un plan X, Y, entre les alvéoles 4. Selon une autre caractéristique, ce passage est avantageusement mis à profit pour disposer au moins un raidisseur 10. Ce raidisseur 10 est avantageusement disposé entre les deux couches. Un raidisseur 10 s’étend principalement selon toute direction comprise dans le plan X, Y. Un raidisseur 10 s’étend préférentiellement selon le premier axe X, entre les deux extrémités du réservoir 1. Un raidisseur 10 peut typiquement être réalisé en matériau métallique ou alternativement en matériau composite haute résistance. Il se présente typiquement sous forme d’un barreau de faible section, afin de s’insérer aisément entre les alvéoles 4, de longueur sensiblement égale à la longueur du réservoir 1, de manière à reprendre les efforts, principalement en traction, selon l’axe du raidisseur 10.

Un raidisseur 10 est intercalé entre la paroi d’un tube 5 et la structure 2, ici une paroi interne 9. Il peut être inséré une série de raidisseur 10, comme illustré aux figures 6, 10, 14, 20 ou 21, entre l’alvéole supérieur et la structure ou entre l’alvéole inférieur et la structure 2. Il peut encore être introduit deux séries de raidisseur 10, comme illustré aux figures 5 ou 15, entre l’alvéole supérieur et la structure et entre l’alvéole inférieur et la structure 2.

Selon une autre caractéristique, la section d’un alvéole 4 ou section d’alvéole est sensiblement rectangulaire ou oblongue, préférentiellement sensiblement rectangulaire à coins arrondis. Une telle forme rectangulaire permet d’arranger une pluralité d’alvéoles côte à côte. Les coins arrondis permettent également de mieux répartir les contraintes dans le composite de la structure 2 et dans le plastique de l’enveloppe 3. Les coins arrondis permettent de simplifier la fabrication, tout en restant sensiblement rectangulaire. Afin de mieux supporter les importantes contraintes liées à la pression, la forme des alvéoles extrémaux peut être plus arrondie vers l’extérieur du réservoir 1, tel qu’illustré aux figures 3 et 4. Une telle caractéristique n’est pas obligatoire, comme illustré à laFIG. 6.

La fonction première de l’enveloppe 3 est d’assurer l’étanchéité au gaz. Pour cela, l’enveloppe 3 est avantageusement réalisée en plastique, tel du PA6.

La fonction première de la structure 2 est d’assurer la tenue mécanique du réservoir 1, de maintenir l’enveloppe 3, de supporter les conséquences des fortes pressions. Tout ceci peut être réalisé avec des matériaux métalliques. Un objectif du réservoir 1, lorsqu’il est destiné à être embarqué sur véhicule, est d’être léger. Aussi, selon une autre caractéristique, la structure 2 est préférentiellement réalisée en composite, plus léger. La structure 2 comprend une toile de fibres, tissées, intissées, tressées ou bobinées, imprégnée dans une résine durcissable.

Les fibres de la toile peuvent être du verre, du carbone, du kevlar ou tout autre matériau. La toile de fibres peut être réalisé par tout mode de réalisation. Il peut ainsi être réalisé un étui pour chaque alvéole. Selon une autre caractéristique, la toile de fibres, armature de la structure 2, est préférentiellement réalisée d’une seule pièce. Ceci peut être réalisé par tissage, intissage, tressage ou encore bobinage. Cette réalisation exclut toute couture ou collage et permet de réaliser une structure 2 beaucoup plus résistante.

Selon une autre caractéristique, la toile de fibres, armature de la structure 2, est tissée avec une distribution de trame et chaîne irrégulière. Une telle caractéristique permet d’adapter la force de la toile de fibre à la répartition potentiellement irrégulière, des contraintes.

Selon une autre caractéristique, l’enveloppe 3, sur tout ou partie de sa surface extérieure, en regard avec la structure 2, comprend des rainures. Ces rainures forment des canaux. Il apparait en effet que l’espace présent entre structure 2 et enveloppe 3 est très réduit. Aussi, lorsque la toile de fibres est mise en place autour des alvéoles de l’enveloppe, l’interstice entre les deux est faible. La présence des rainures permet, en créant des canaux augmentant localement cet interstice, de faciliter l’introduction de la résine durcissable.

L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’un tel réservoir 1. Ce procédé comprend les opérations suivantes. Au cours d’une première étape, pour chacun des alvéoles 4, il est fabriqué un tube 5. Compte tenu de la forme prismatique et de la section constante, cette fabrication s’effectue préférentiellement par extrusion. Les tubes 5 ainsi obtenus sont ensuite arrangés côte à côte, selon la disposition finale souhaitée. Au cours d’une deuxième étape, la toile de fibres de la structure 2, présentant une section de structure en échelle correspondant à l’arrangement des tubes 5, est enfilée autour des tubes 5, sa paroi externe 8 entourant l’arrangement des tubes 5 et ses parois internes 9 étant insérées entre les tubes 5 adjacents. Il est ensuite, au cours d’une troisième étape, procédé au soudage des opercules 6, 7, à chaque extrémité de chaque tube 5. Alternativement, il peut être procédé au soudage des opercules 6 d’un côté avant l’étape d’enfilage. Mais, au moins les opercules 7 du second côté doivent être soudés après l’enfilage. Il est ensuite procédé, au cours d’une quatrième étape à une imprégnation de la toile de fibres avec une résine durcissable. Cette imprégnation peut être réalisée par infusion ou par injection RTM ou C-RTM.

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.

Claims

Réservoir (1) pour gaz sous pression, tel de l’hydrogène, comprenant une structure (2) et une enveloppe (3) souple, caractérisé en ce que l’enveloppe (3) comprend au moins deux alvéoles (4), un alvéole (4) s’étendant selon un premier axe (X) et en ce que la structure (2) s’étend selon le premier axe (X) et présente, perpendiculairement au premier axe (X), une section de structure en échelle, comprenant une paroi externe (8) entourant la périphérie externe desdits au moins deux alvéoles (4) et pour chaque paire d’alvéoles (4) voisins, une paroi interne (9) séparant les alvéoles (4) de la paire, et étant solidaire, à ses deux extrémités, de la paroi externe (8).
Réservoir (1) selon la revendication 1, où un alvéole (4) présente, perpendiculairement au premier axe (X), une section d’alvéole sensiblement constante au long du premier axe (X).
Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où chaque alvéole (4) comprend un tube (5) selon le premier axe (X), préférentiellement réalisé par extrusion, un premier opercule (6) disposé à une première extrémité du tube (5) et un deuxième opercule (6) disposé à une deuxième extrémité du tube (5), sensiblement plans selon un plan perpendiculaire au premier axe (X), préférentiellement réalisés par injection, assemblés de manière étanche à l’extrémité, préférentiellement par soudage, encore préférentiellement par soudage à air chaud ou par soudage miroir.
Réservoir (1) selon la revendication 3, où tous les opercules (6, 7) d’une même extrémité sont réalisés de matière.
Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, où lesdits au moins deux alvéoles (4) sont sensiblement identiques et s’étendent côte à côte parallèlement, sur une couche, selon un deuxième axe (Y) sensiblement perpendiculaire au premier axe (X), afin que le réservoir (1) présente une extension sensiblement plane.
Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, où lesdits au moins deux alvéoles (4) sont sensiblement identiques et s’étendent côte à côte parallèlement, sur deux couches, selon le deuxième axe (Y).
Réservoir (1) selon la revendication 6, comprenant encore au moins un raidisseur (10) disposé entre les deux couches, préférentiellement parallèle au premier axe (X).
Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, où la structure (2) est réalisée en composite, et comprend une toile de fibres, tissées, intissées, tressées ou bobinées, imprégnée dans une résine durcissable.
Réservoir (1) selon la revendication 8, où la toile de fibres est réalisée d’une seule pièce.
Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, où la toile de fibres est tissée avec une distribution de trame et chaîne irrégulière, afin d’adapter sa force à la répartition des contraintes.
Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, où l’enveloppe (3) comprend des rainures superficielles afin de faciliter l’introduction de la résine durcissable entre l’enveloppe (3) et la toile de fibres.
Procédé de fabrication d’un réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend les opérations suivantes : fabrication, pour chacun desdits au moins deux alvéoles (4), d’un tube (5), préférentiellement par extrusion, arrangement côte à côte des tubes (5), enfilage de la toile de fibres de la structure (2) autour des tubes (5), soudage de deux opercules (6, 7), à chaque extrémité de chaque tube (5), imprégnation de la toile de fibres avec une résine durcissable.