EP1412670A1 - Procede de realisation d'un reservoir renfermant du gaz comprime et reservoir ainsi obtenu - Google Patents

Procede de realisation d'un reservoir renfermant du gaz comprime et reservoir ainsi obtenu

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EP1412670A1
EP1412670A1 EP02779598A EP02779598A EP1412670A1 EP 1412670 A1 EP1412670 A1 EP 1412670A1 EP 02779598 A EP02779598 A EP 02779598A EP 02779598 A EP02779598 A EP 02779598A EP 1412670 A1 EP1412670 A1 EP 1412670A1
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manufacturing
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natural gas
caps
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Definitions

  • the technical sector of the present invention is that of tanks intended to contain compressed gas, for example natural gas to equip motor vehicles.
  • Gas powered vehicles are becoming more common around the world and there are known tanks containing liquefied petroleum gas (LPG) and tanks containing compressed natural gas (CNG).
  • Natural gas is generally methane.
  • Liquefied petroleum gas is generally at a pressure of 30.10 5 Pa.
  • natural gas is compressed to a pressure of around 300.10 5 Pa.
  • the technologies used in these two types of tanks are not the same.
  • CNG tanks are designed to withstand very high pressure and are most often metallic.
  • patent US-A-5443578 proposes a metallic steel tank. It is well known that these tanks, although resistant to pressure, are very heavy, of the order of 100 kg for a capacity of 100 liters. This mass requires a particular layout study on the passenger vehicle because their assembly supposes a reinforcement of the structure. It reduces the number of passengers and the payload and it can disrupt the road behavior of the vehicle. However, this type of tank remains cost competitive. This tank can only be used with difficulty on passenger vehicles without special arrangements.
  • Patent 09851962 proposes to improve this type of tank by providing a tank comprising an internal envelope of sufficient strength and an external honeycomb envelope. This tank is penalizing in terms of size.
  • Document DE-19935516 describes a reservoir made up of an internal metallic envelope and an external envelope made of material reinforced with fibers.
  • the concrete construction of this reservoir is not specified.
  • this kind of tank can be made from monobloc aluminum liners obtained by flow-forming processes. and / or repelling, the cost of which is high.
  • the patent WO9412396 describes a reservoir whose internal envelope consists of a polymer and whose external envelope consists of a matrix of non-metallic fibers impregnated with thermosetting resin.
  • This reservoir has the disadvantage of not being completely sealed and of being of high cost, but the advantage of having a reduced mass.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a reservoir containing compressed gas offering a compromise between mass and economically acceptable cost on a passenger vehicle.
  • the subject of the invention is therefore a method of manufacturing a reservoir for compressed gas, for example natural gas intended for a motor vehicle, of the type comprising an internal metallic envelope and an external envelope made of external composite material, characterized in that '' the metal casing is made from stainless steel sheets comprising a cylindrical trunk and two hemispherical end caps welded together and in that the outer casing is produced around said inner casing made of composite material by a filament winding.
  • motor vehicle By motor vehicle is meant vehicles of all types operating with this kind of fuel, such as private or utility vehicles, buses, trucks, construction equipment, etc.
  • the internal envelope has a thickness of the order of mm.
  • the filament winding is produced from a carbon wire impregnated with a resin of the epoxy type, possibly combined with wires of another nature.
  • At least one threaded end piece is attached by welding to the base of the hemispherical or elliptical caps.
  • one uses a carbon wire of diameter less than mm.
  • the invention also relates to a tank for a vehicle operating on compressed natural gas obtained according to the method.
  • the reservoir has an internal diameter of the order of 350 mm and a length of 1400 mm.
  • a very first advantage of the method according to the invention lies in the fact that the manufacture of the reservoir requires only the implementation of conventional welding and filament laying technologies. Another advantage lies in the fact that the manufactured tank can be incorporated into a vehicle without any particular modification.
  • FIG. 1 is an external view of the metal casing
  • FIG. 1 is a section through the tank.
  • the liner 1 of a tank that is to say the internal metal casing which mainly provides the seal.
  • This liner 1 comprises a trunk 2 of generally cylindrical shape and two hemispherical caps 3 and 4, these three elements being made of stainless steel.
  • the trunk 2 is made from a sheet of stainless steel with a thickness of the order of mm which is welded edge to edge longitudinally.
  • the caps 3 and 4 are identical and produced by stamping a sheet of stainless steel with a thickness of the order of mm.
  • the two caps 3 and 4 are then welded to the trunk 2.
  • the caps are provided with end caps 5 and 6 which can be threaded. These nozzles 5 and 6 make it possible to fix the liner 2 on the winding device on the one hand and to integrate the tank in a vehicle.
  • One of the end pieces can be hollow to communicate with the interior of the body to allow filling and feeding of the vehicle.
  • FIG 2 there is shown a reservoir 7 consisting of the liner 1 and an outer casing 8.
  • This casing 8 is produced as explained above by winding a carbon wire impregnated with a resin, for example an epoxy resin .
  • the carbon thread may possibly be combined with fibers of another nature.
  • the winding operation is in itself conventional and it is not necessary to describe it in detail.
  • the reservoir 7 is fixed to the winding machine by means of the nozzles and this machine is programmed in a conventional manner to produce a satisfactory winding of the wire on the liner both at the level of the body 2 and of the caps 5 and 6.
  • the wire carbon is a known type of wire having conventional characteristics in the production of filament wound.
  • the casing 8 is intimately linked to the internal casing and bears on the end caps.
  • Such an embodiment makes it possible to guarantee the resistance of the reservoir to an internal pressure of compressed gas service greater than 200 ⁇ 10 5 Pa.
  • the wire used is preferably made of carbon but one could use a “wire” of another nature, for example a metal wire , mineral or synthetic.
  • the mass is of the order of 40 Kg.
  • the tank according to the invention can be used not only to supply natural gas to vehicles , but it can also contain compressed air, hydrogen, and any other gas used in compressed form.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un réservoir pour gaz comprimé, par exemple du gaz naturel destiné à un véhicule automobile, du type comportant une enveloppe interne métallique (1) et une enveloppe extérieure (8) en matériau composite. On réalise l'enveloppe métallique (1) à partir d'acier inox comprenant un tronc cylindrique (2) et deux calottes hémisphériques ou elliptiques (3) d'extrémite soudés entre eux et en ce qu'on réalise autour de ladite enveloppe interne une enveloppe externe (8) en matériau composite par un enroulement filamentaire. L'enveloppe interne (1) présente une épaisseur de l'ordre du mm. L'enroulement filamentaire est réalise à partir d'un fil de carbone, éventuellement associé à d'autres fibres, imprégné d'une résine du type epoxy. Application aux réservoirs GNV pour véhicule.

Description

Le secteur technique de la présente invention est celui des réservoirs destinés à contenir du gaz comprimé, par exemple du gaz naturel pour équiper les véhicules automobiles. Les véhicules fonctionnant au gaz se répandent de plus en plus dans le monde et on connaît des réservoirs renfermant du gaz de pétrole liquéfié (GPL) et des réservoirs contenant du gaz naturel comprimé (GNV) . Le gaz naturel est généralement du méthane. Le gaz de pétrole liquéfié est généralement à une pression de 30.105 Pa .et le gaz naturel est comprimé à une pression de l'ordre de 300.105 Pa. Les technologies utilisées dans ces deux types de réservoirs ne sont pas les mêmes.
De nombreuses réalisations de réservoirs GNV ont été proposées. Ces réservoirs sont conçus pour résister à la pression très élevée et sont le plus souvent métalliques.
Ainsi, le brevet US-A-5443578 propose un réservoir métallique en acier. Il est bien connu que ces réservoirs bien que résistant à la pression sont très lourds, de l'ordre de 100 kg pour une contenance de 100 litres. Cette masse impose une étude d' implantation particulière sur le véhicule de grand tourisme car leur montage suppose un renforcement de la structure. Il réduit le nombre de passagers et la charge utile et il peut perturber le comportement routier du véhicule. Toutefois ce type de réservoir reste compétitif sur le plan du coût. Ce réservoir ne peut être utilisé que difficilement sur les véhicules de tourisme sans aménagement particulier.
Le brevet 09851962 propose d'améliorer ce genre de réservoir en prévoyant un réservoir comprenant une enveloppe interne de résistance suffisante et une enveloppe externe en nid d'abeilles. Ce réservoir est pénalisant sur le plan de l' encombrement .
Le document DE-19935516 décrit un réservoir constitué d'une enveloppe interne métallique et d'une enveloppe externe en matériau renforcé par des fibres. La réalisation concrète de ce réservoir n'est pas précisée. On sait aussi que ce genre de réservoir peut être fabriqué à partir de liners en aluminium monoblocs obtenus .par des procédés de fluotournage et/ou repoussage dont le coût est élevé.
Le brevet W09412396 décrit un réservoir dont l'enveloppe interne est constituée d'un polymère et dont l'enveloppe externe est constituée par une matrice de fibres non métalliques imprégnées de résine thermodurcissablé. Ce réservoir présente l'inconvénient de ne pas être complètement étanche et d'être d'un coût élevé mais l'avantage d'avoir une masse réduite.
Le but de la présente invention est de fournir un procédé permettant de réaliser .un réservoir contenant du gaz comprimé offrant un compromis entre la masse et le coût acceptable du point de vue économique sur un véhicule de grand tourisme.
L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un réservoir pour gaz comprimé, par exemple du gaz naturel destiné à un véhicule automobile, du type comportant une enveloppe interne métallique et une enveloppe externe en matériau composite extérieur, caractérisé en ce qu'on réalise l'enveloppe métallique à partir de feuilles d'acier inox comprenant un tronc cylindrique et deux calottes hémisphériques d'extrémité soudés entre eux et en ce qu'on réalise l'enveloppe externe autour de ladite enveloppe interne en matériau composite par un enroulement filamentaire .
Par véhicule automobile, on entend les véhicules de tout type fonctionnant avec ce genre de carburant, tels les véhicules particuliers ou utilitaires, les bus, les camions, les engins de chantier, etc..
Selon une caractéristique de l'invention, l'enveloppe interne présente une épaisseur de l'ordre du mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enroulement filamentaire est réalisé à partir d'un fil de carbone imprégné d'une résine du type époxy, éventuellement combiné à des fils d'une autre nature.
Selon encore une autre caractéristique de 1 ' invention, on rapporte par soudage au moins un embout fileté, deux embouts plus particulièrement, à la base des calottes hémisphériques ou elliptiques.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise un fil de carbone de diamètre inférieur au mm.
L'invention concerne également un réservoir pour véhicule fonctionnant au gaz naturel comprimé obtenu selon le procédé.
Avantageusement, le réservoir présente un diamètre interne de l'ordre de 350 mm et une longueur de 1400 mm.
Un tout premier avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait que la fabrication du réservoir ne nécessite que la mise en œuvre de technologies classiques de soudage et de pose de filament. Un autre avantage réside dans le fait que le réservoir fabriqué peut être incorporé dans un véhicule sans modification particulière.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels :
- la figure 1 est une vue extérieure de l'enveloppe métallique, et
- la figure 2 est une coupe du réservoir. Sur la figure 1, on a représenté le liner 1 d'un réservoir, c'est-à-dire l'enveloppe métallique interne qui assure principalement l' étanchéité. Ce liner 1 comprend un tronc 2 de forme globalement cylindrique et deux calottes hémisphériques 3 et 4, ces trois éléments étant réalisés en acier inoxydable. Le tronc 2 est réalisé à partir d'une feuille d'acier inox d'une épaisseur de l'ordre du mm que l'on soude bord à bord longitudinalement. Les calottes 3 et 4 sont identiques et réalisées par emboutissage d'une feuille d'acier inox d'une épaisseur de l'ordre du mm. On soude ensuite les deux calottes 3 et 4 sur le tronc 2. Les calottes sont munies des embouts 5 et 6 qui peuvent être filetés. Ces embouts 5 et 6 permettent de fixer le liner 2 sur l'appareil de bobinage d' une part et d' intégrer le réservoir dans un véhicule. Un des embouts peut être creux pour communiquer avec l'intérieur du corps pour permettre le remplissage et l'alimentation du véhicule.
On voit donc tout l'intérêt d'un liner réalisé selon le procédé de l'invention. Il n.' est fait appel qu'à des procédés de soudage et d'emboutissage classiques qui ne nécessitent aucune adaptation particulière de l'outil industriel. Ce liner procure un gain de masse et un volume utile plus important qu'un liner acier. Enfin, le coût de ce liner est très abordable.
Sur la figure 2, on a représenté un réservoir 7 constitué du liner 1 et d'une enveloppe externe 8. Cette enveloppe 8 est réalisée comme expliqué antérieurement par bobinage d'un fil de carbone imprégné d'une résine, par exemple une résine époxy. Le fil de carbone peut éventuellement être associé à des fibres d'une autre nature. L'opération de bobinage est en elle-même classique et il n'est pas nécessaire de la décrire en détail. Le réservoir 7 est fixé sur la machine de bobinage par l'intermédiaire des embouts et cette machine est programmée de manière classique pour réaliser un enroulement satisfaisant du fil sur le liner tant au niveau du corps 2 que des calottes 5 et 6. Le fil de carbone est un fil de type connu présentant des caractéristiques classiques dans la réalisation d'enroulés filamentaires. Sur la figure, on voit que l'enveloppe 8 est intimement liée à l'enveloppe interne et prend appui sur les embouts. Une telle réalisation permet de garantir la tenue du réservoir à une pression interne de service du gaz comprimé supérieure à 200.105 Pa. Le fil utilisé est préférentiellement en carbone mais on pourrait utiliser' un fil' d'une autre nature par exemple un fil métallique, minéral ou synthétique.
Pour un réservoir présentant un diamètre interne de l'ordre de 350 mm et une longueur de 1400 mm, la masse est de l'ordre de 40 Kg. Le réservoir selon l' invention peut être utilisé non seulement pour alimenter en gaz naturel les véhicules, mais il peut renfermer également de l'air comprimé, de l'hydrogène, et tout autre gaz utilisé sous forme comprimée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un réservoir (7) pour gaz comprimé, par exemple du gaz naturel destiné à un véhicule automobile, du type comportant une enveloppe interne (1) métallique et une enveloppe externe (8) en matériau composite, caractérisé en ce qu'on réalise l'enveloppe métallique (1) à partir de feuilles d'acier inox comprenant un tronc cylindrique (2) et deux calottes (3, 4) d'extrémité soudés entre eux et en ce qu'on réalise l'enveloppe externe (8) autour de ladite enveloppe interne à d'aide d'un matériau composite par un enroulement filamentaire.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe interne présente une épaisseur de l'ordre du mm.
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enroulement filamentaire constituant l'enveloppe externe (8) est réalisée à partir d'un fil de carbone, éventuellement associé à d'autres fibres, imprégné d'une résine du type époxy. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on rapporte par soudage au moins un embout fileté (5, 6) à la base des calottes (3,
4) .
5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on rapporte deux embouts (5, 6).
6. Procédé de fabrication selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on utilise un fil de carbone de diamètre inférieur au mm.
7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les calottes (3, 4) sont de forme hémisphérique ou elliptique.
8. Réservoir pour véhicule fonctionnant au gaz naturel comprimé obtenu selon le procédé conforme à l'une des revendications précédentes .
9. Réservoir selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il présente un diamètre interne de l'ordre de 350 mm et une longueur de 1400 mm.
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