FR2579833A1 - Dispositif de ventilation faisant office de soupape, en particulier pour generateur electrochimique - Google Patents

Abstract

DANS UN GODET 1 FERME HERMETIQUEMENT PAR UNE COUPELLE 2, ON PREVOIT POUR LA COUPELLE UNE CALOTTE CONVEXE CENTRALE10, UNE COURONNE INTERMEDIAIRE DE RAIDISSEMENT12 PLANE OU CONCAVE, ET UN REBORD PERIPHERIQUE CYLINDRIQUE14 COINCIDANT AVEC LE REBORD PERIPHERIQUE DU GODET1. ON REALISE DANS LA ZONE DE RACCORDEMENT11 DE LADITE CALOTTE A LADITE COURONNE INTERMEDIAIRE, UNE ZONE D'AFFAIBLISSEMENT QUI SE ROMPT LORSQUE LA PRESSION A L'INTERIEUR DU GODET ATTEINT UNE VALEUR DETERMINEE.

Description

Dispositif de ventilation faisant office de soupape, en particulier pour générateur électrochimique.

La présente invention concerne un dispositif de ventilation faisant office de soupape, en particulier pour générateur électrochimique.

Un tel générateur comprend un bottier constitué par un godet fermé hermétiquement par une coupelle.

Il est indispensable de prévoir pour un tel bottier un dispositif de sécurité susceptible de laisser échapper des gaz ou même de la matière, au cas où une pression trop importante s'instaurerait de manière accidentelle à l'intérieur de ce bottier.

De manière générale, on connaît deux types de dispositifs de ventilation fonctionnant une seule fois.

Ainsi, on peut utiliser un bouchon logé dans une ouverture prévue dans la coupelle du bottier, et qui en est chassé sous l'effet d'une pression élevée. Bien entendu, ce type de dispositif ne permet pas d'avoir un bottier absolument hermétique car, pour permettre l'expulsion du bouchon, aucune fixation étanche n'est prévue entre le bouchon et les parois de 11 ouverture.

On connatt un autre type de dispositif de ventilation, tel qu'une partie de la paroi du bottier soit volontairement affaiblie par un amincissement, afin qu'une ouverture d'évacuation se forme sous des pressions élevées.

Par exemple, il est possible de prévoir dans le fond du bottier une ondulation formant au moins une rainure interne, des interruptions étant prévues dans cette ondulation pour former des zones de rupture. Dans le cas d'un accroissement de pression à l'intérieur du bottier, il se produit un dépliage, puis un aplatissement de cette ondulation, et en même temps l'étirage des zones de rupture jusqu a la rupture effective.

On observe donc d'importantes déformations du bottier et notamment de son fond avant l'ouverture de l'évent.

La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients.

La présente invention a pour objet un dispositif de ventilation faisant office de soupape de sécurité, en particulier pour générateur électrochimique comprenant un bottier constitué d'un godet fermé hermétiquement par une coupelle, dispositif tel qu'une zone de la paroi dudit boîtier est volontairement affaiblie par amincissement afin qu'une ouverture d'évacuation s'y forme à l'apparition de pressions élevées à l'intérieur dudit boîtier ; ce dispositif est caractérisé par le fait que ladite coupelle comporte une calotte centrale convexe, dont la convexité est tournée vers l'extérieur dudit godet, une couronne intermédiaire de raidissement plane ou concave, et un rebord périphérique cylindrique coincidant avec le rebord dudit godet, et que ladite zone d'affaiblissement est une rainure continue située sur au moins une portion de la zone de raccordement entre ladite calotte convexe et ladite couronne intermédiaire de raidissement.

Contrairement aux dispositions de l'art antérieur, on n'observe pratiquement pas de déformation notable de la coupelle jusqu'à la rupture de ladite zone d'affaiblissement pour la pression choisie.

En effet, la flèche de déformation de la calotte convexe est extrêmement faible et les contraintes de flexion appliquées à la couronne de raidissement se concentrent sur sa zone de raccordement avec la calotte convexe qui se rompt, lorsque la pression limite est atteinte.

Selon un premier mode de réalisation, ladite rainure est réalisée sur tout le pourtour de ladite calotte convexe.

Ladite calotte convexe peut être sphérique, conique ou cylindrique.

Son axe de révolution peut être confondu avec celui du godet, mais dans certaines réalisations, il est avantageux que cet axe soit excentré par rapport à l'axe du godet.

La couronne concave peut être tronconique. Dans ce cas, la calotte convexe ne subit pratiquement pas de déformation, tandis que la zone d'affaiblissement qui se trouve normalement dans un état de cisaillement-compression passe brutalement, lorsque la pression limite est atteinte, à un état de flexion-cisaillement, ce qui entraine une rupture avec une brutale inversion du tronc de cône.

Ledit godet et ladite coupelle sont de préférence métalliques, par exemple en acier inoxydable.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre d'exemples.

Dans le dessin annexé - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un boitier de générateur électrochimique selon l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie du détail Il de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'une variante de coupelle de boîtier selon l'invention, permettant une ouverture partielle de la calotte, - la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une autre variante de coupelle de boîtier selon l'invention, permettant une ouverture partielle de la calotte, - la figure 5 montre en coupe un autre exemple de coupelle d'un boîtier selon l'invention, - la figure 6 montre en coupe à l'échelle agrandie le détail VI de la figure 5.

- la figure 7 montre des courbes illustrant l'intérêt du dispositif selon 11 invention vis-à-vis de ceux de l'art antérieur.

On voit partiellement dans la figure 1 un bottier de générateur électrochimique comportant un godet métallique 1 fermé par une coupelle métallique 2. Dans l'exemple illustré le godet 1 constitue l'une des bornes du générateur, l'autre borne étant formée d'une traversée métallique 3 avec un joint de verre 4 entre celle-ci et la coupelle 2.

L'ensemble présente une symétrie de révolution autour de l'axe 5.

En cours de fonctionnement, la pression interne du générateur peut croître jusqutà des valeurs excessives ; on peut considérer alors que la coupelle 2 et le fond du godet 1 sont soumis à une pression normale à leur plan moyen.

La coupelle prévue selon la présente invention est mieux adaptée à de telles contraintes. Elle comporte une portion annulaire de calotte sphérique 10 qui se prolonge par une couronne plane de raidissement 12 la zone de raccordement 11 entre ces deux surfaces sera détaillée plus loin à l'aide de la figure 2. La couronne 12 se termine par un arrondi 13 et une portion de cylindre 14 destinée à être soudée au bord du godet 1.

Une telle forme de coupelle présente de nombreux avantages.

La calotte sphérique 10 résiste beaucoup mieux qutune plaque plane aux contraintes de pression. Cette zone de la coupelle est rigidifiée et, lors de sollicitations éventuelles, la flèche maximale de déformation est notablement diminuée.

La couronne plane de raidissement 12 subit quant à elle le maximum des contraintes, et en particulier la zone de raccordement 11 entre cette couronne et la calotte sphérique.

Ce phénomène peut être amplifié lorsque l'on diminue l'épaisseur de la coupelle à cet endroit ainsi que le rayon de raccordement. Le choix de ces paramètres permet une rupture de la coupelle au niveau de cette zone de raccordement pour la pression désirée. Ainsi dans la figure 2, on a illustré une coupelle en acier inoxydable d'épaisseur initiale égale à 0,3 mm. Le diamètre intérieur du godet 1 est de 31,8 mm, le diamètre extérieur de la calotte sphérique 10 est de 24,8 mm, son rayon de courbure est de 22 mm, et la largeur de la couronne plane 12 est de 2,6 mm.

On a réduit l'épaisseur de la zone de raccordement 11 à 0,1 mm par usinage au tour, on a réalisé une rainure 15 de section transversale semi-circulaire dont le rayon est de l'ordre de 0,2 mm.

Avec une telle disposition, on a obtenu une rupture de la coupelle au niveau de la zone 11, sans déformation notable préalable à la rupture, pour des pressions de l'ordre de 45 bars.

Dans ce cas, la rupture s'effectue tout autour de la calotte sphérique 10.

Dans la variante de la figure 3, où l'on voit la coupelle 2 en vue de dessus, l'amincissement de la zone de raccord 15 entre la calotte 10 et la couronne 12 n1 est réalisé que sur les trois quarts de la circonférence de base de la calotte 10. Ceci peut être avantageux pour éviter une désolidarisation complète de la partie centrale de la coupelle, éventuellement accompagnée d'une projection.

Dans la variante de la figure 4, la coupelle 2 de centre 5 comporte une calotte sphérique 20 d'axe 25 décentrée par rapport à 5. La zone d'affaiblissement 23 entre la calotte 20 et la couronne plane 22 est réalisée également sur trois quarts de la circonférence et dans la région où la couronne est la plus large. La zone non affaiblie 24 joue le rôle de charnière lors de la rupture de la zone 23.

Dans la figure 5, on voit une autre variante de réalisation d'une coupelle 30. Elle comporte toujours une portion annulaire de calotte sphérique 31. La cuvette centrale 32 n'a pas de fonction autre que de limiter l'encombrement de la pièce. On retrouve la portion cylindrique périphérique 14 qui se raccorde au godet 1. Mais on a substitué à la couronne plane 12 de la figure 1 une couronne tronconique 33. La zone d'affaiblissement 34 entre la calotte 31 et cette couronne 33 est illustrée plus en détail dans la figure 6, où l'on a représenté la rainure 35.

Le diamètre extérieur de la calotte sphérique 31 est de 29 mm et son rayon de courbure est de 22 mm. Le demi-angle au sommet de la couronne tronconique 33 est de 600. Au niveau de la zone d'affaiblissement 34, l'épaisseur de la coupelle est de 0,1 mm. La rainure 35 a un profil conique d'angle au sommet 600.

La soupape ainsi définie matérialise un fonctionnement du type "tout ou rien". En effet, lorsque la pression est inférieure à une pression limite fixée, la géométrie de la pièce reste identique à la forme initiale, et les déformations provoquées sont minimales. En revanche, lorsque la pression limite ou pression de flambage est atteinte, on a localement une brutale inversion du eône qui occupe alors la position pointillée 33' de la figure 5. Ce phénomène provoque une destruction de la pièce, qui est due au fait que la tôle passe brusquement d'un état de cisaillement-compression à un état de flexioncisaillement.

Bien entendu, il est possible, comme dans le cas des figures 3 et 4 de ne réaliser l'affaiblissement que sur une fraction du périmètre de la calotte sphérique. Il est également possible de décentrer l'axe de cette calotte par rapport au centre de la coupelle. Le décentrage de la calotte peut d'ailleurs être obtenu en réalisant un cône à angle variable.

On a testé trente cinq échantillons avec un affaiblissement réalisé par estampage sur un demi-périmètre de la calotte sphérique. On a obtenu pour une pression de rupture 35 bars, une grande déchirure de la zone de raccordement 34 avec un retournement de la couronne tronconique à 1800 autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du godet.

On sait donc réaliser de manière reproductible un dispositif de ventilation susceptible de fonctionner sous une pression prédéterminée.

Par ailleurs, comme la variante de la figure 1, la variante qui vient d'être décrite ne subit pas de déformations notables pendant le fonctionnement normal du générateur électrochimique. Cet avantage apparait dans la figure 7, ou l'on a représenté la déformation LSH en millimètres de la coupelle en fonction de la pression P interne du gaz en bars. La courbe A correspond à un générateur de l'art antérieur tandis que la courbe B correspond à un générateur selon l'invention ; les points C et D correspondent à l'ouverture du dispositif de ventilation.

Si le dispositif selon l'invention se révèle particulièrement efficace dans le cas d'une montée de la pression interne du gaz, il peut aussi être très utile lorsqugapparatt un accroissement de la pression hydrostatique dans le générateur. Ainsi, on a testé dix échantillons dans lesquels un liquide s'était dilaté, par exemple sous l'effet de la température. On a constaté l'ouverture de la zone de raccordement 34 avec un léger basculement de la calotte centrale, notamment pour les variantes des figures 1 à 4.

Enfin, on constate que, de manière générale, la géométrie de la disposition selon l'invention permet de diminuer l'influence de l'épais- seur nominale de l'affaiblissement sur le fonctionnement du système, ce qui impose des tolérances de fabrication moins serrées et donc un coût moins élevé.

On a vu que les différentes variantes proposées permettaient d'obtenir des ouvertures plus ou moins importantes de la coupelle. La disposition de l'invention accorde une grande souplesse d'utilisation grâce à cette modulation.

Dans les exemples précités, on a donné le mode particulièrement avantageux d'une calotte convexe constituée par une calotte sphérique ; mais cette dernière pourrait etre remplacée par une portion de cylindre ou un tronc de cône.

On a décrit une application de la présente invention aux générateurs électrochimiques. Mais l'invention peut etre mise en oeuvre dans tout récipient à l'intérieur duquel la pression peut augmenter de façon considérable et indésirable. Elle peut être réalisée par usinage de manière économique et ne nécessite aucune pièce ou matériau supplémentaire. Dans le cas où il n'existe pas de problème de corrosion particulier, des matériaux tels que l'acier nickelé peuvent être utilisés pour la coupelle, à condition qu'ils présentent des caractéristiques mécaniques satisfaisantes (par exemple contrainte inférieure ou égale à 670 N/mm2 et un allongement à la rupture inférieur ou égal à 50%).

Claims (4)

REVENDICATIONS

1/ Dispositif de ventilation faisant office de soupape de sécurité, en particulier pour générateur électrochimique comprenant un boîtier constitué d'un godet fermé hermétiquement par une coupelle, dispositif tel qu'une zone de la paroi dudit boîtier est volontairement affaiblie par amincissement afin qu'une ouverture d'évacuation s'y forme à l'apparition de pressions élevées à llintérieur dudit boîtier, dispositif caractérisé par le fait que ladite coupelle comporte une calotte centrale convexe, dont la convexité est tournée vers l'extérieur dudit godet, une couronne intermédiaire de raidissement plane ou concave, et un rebord périphérique cylindrique coincidant avec le rebord dudit godet, et que ladite zone d'affaiblissement est une rainure continue située sur au moins une portion de la zone de raccordement entre ladite calotte convexe et ladite couronne intermédiaire de raidissement.

2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite rainure est réalisée sur tout le pourtour de ladite calotte convexe.

3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ladite calotte convexe a une forme choisie parmi les formes sphérique, conique et cylindrique.

4/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'axe de ladite calotte convexe est excentré par rapport au centre de ladite coupelle.

Si Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite couronne concave a une forme tronconique.