FR2976045A1 - Reservoir de fluide sous pression - Google Patents

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Antoine Frenal
Simon Jallais
Sidonie Ruban
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Réservoir de fluide sous pression comprenant un orifice muni d'un organe (2) de contrôle du remplissage et/ou du soutirage de fluide du réservoir (1), l'organe de contrôle (2) comprenant un dispositif (5, 6, 10, 11, 8) de sécurité pour l'évacuation du fluide contenu dans le réservoir en cas d'incendie, le dispositif (5, 6, 10, 11, 8) de sécurité comprenant un clapet (6) de vidange normalement en position fermée et susceptible de permettre la vidange du réservoir (1) lorsque le clapet (6) est en position ouverte, une charge pyrotechnique (8) reliée au clapet (6) pour actionner sélectivement le clapet (6) de vidange dans une position d'ouverture lors de la combustion de ladite charge pyrotechnique (8), la charge pyrotechnique (8) étant reliée à au moins un organe (11) de détection d'une situation d'incendie et d'amorçage de la charge pyrotechnique (8), caractérisé en ce que le au moins un organe (11) de détection et d'amorçage comprend un thermocouple (11) disposé au niveau de la surface de stockage du réservoir (1) et relié à la charge pyrotechnique (8) via au moins une ligne (111) de transfert de la force électromotrice produite par le thermocouple (11).

Description

La présente invention concerne un réservoir de fluide sous pression. L'invention concerne plus particulièrement un réservoir de fluide sous pression comprenant un orifice muni d'un organe de contrôle du remplissage et/ou du soutirage de fluide du réservoir, l'organe de contrôle comprenant un dispositif de sécurité pour l'évacuation du fluide contenu dans le réservoir en cas d'incendie, le dispositif de sécurité comprenant un clapet de vidange normalement en position fermée et susceptible de permettre la vidange du réservoir lorsque le clapet est en position ouverte, une charge pyrotechnique reliée au clapet pour actionner sélectivement le clapet de vidange dans une position d'ouverture lors de la combustion de ladite charge pyrotechnique, la charge pyrotechnique étant reliée à au moins un organe de détection d'une situation d'incendie et d'amorçage de la charge pyrotechnique. Dans de nombreux cas et surtout dans les applications mobiles de l'hydrogène énergie, les bouteilles ou réservoirs sont équipés d'un dispositif de sécurité permettant de vider le contenu gazeux du réservoir lorsque celui-ci risque d'éclater du fait d'une exposition à une source de chaleur. L'augmentation de la température des réservoirs peut conduite en effet à une augmentation de la pression interne et/ou à la perte de résistance de ses parois. Il existe plusieurs types de dispositifs de sécurité permettant d'éviter l'éclatement.
Une première solution consiste à détecter directement les surpressions en utilisant un disque de rupture, c'est-à-dire une membrane métallique mince dont la fonction est de décharger le gaz après son déchirement lorsque le seuil de pression est dépassé. Une autre solution consiste à détecter la température environnante du réservoir pour anticiper ainsi toute élévation de pression. Cette solution utilise généralement soit un fusible thermique, c'est-à-dire un eutectique métallique qui fond sous l'action de la température du feu, soit une bulle de verre (« glassbulb ») enfermant un liquide se dilatant suffisamment pour casser cette bulle. Cette rupture permet de déplacer une valve rompant l'étanchéité d'un passage d'évacuation.
Parfois, un matériau à mémoire de forme dont la forme change au-delà d'un certain seuil de température est utilisé. Cette déformation génère l'ouverture de la vanne libérant ainsi la pression contenue dans le réservoir. Dans le cadre des stockages à très haute pression d'hydrogène gazeux, il est nécessaire de mettre en oeuvre des réservoirs capables de supporter de très grandes contraintes mécaniques, tout en restant le plus léger possible. C'est pourquoi ce type d'applications fait généralement appel à la technologie des matériaux composites. Les dernières générations de bouteilles de gaz en matériaux composites (appelées « type III » ou « type IV ») sont formées : - d'une enveloppe (liner) métallique (« type III », en aluminium) ou en matériau polymère (« type IV, » essentiellement du polyamide) dont le rôle est d'assurer l'étanchéité de l'emballage vis-à-vis de la nature du gaz stocké, - d'une enveloppe extérieure généralement en fibres de carbone, noyé dans de la résine époxy dont le rôle est d'assurer la résistance mécanique de l'emballage vis-à-vis de la pression du gaz stocké, - d'une embase métallique dont le rôle est de permettre la connexion de la bouteille avec un robinet ou robinet à détente intégrée assurant la liaison fluidique avec l'application. Contrairement aux réservoirs conçus entièrement en métal (acier ou aluminium, appelés de « type I »), les réservoirs renforcés par un bobinage de carbone et résine sont très isolants et perdent leurs caractéristiques mécaniques lors d'un incendie. De ce fait, les dispositifs de sécurité par détection de surpression (disques de rupture) ne fonctionnent pas car le temps de résistance au feu des réservoirs composites est inférieur au temps qu'il faut à la température interne pour augmenter significativement et donc à la pression pour arriver au seuil de rupture du disque. Pour un réservoir de type I, au contraire, la structure complètement métallique, beaucoup plus conductrice de chaleur, résiste bien mieux aux flammes et par conséquent tolère une élévation de pression suffisante pour déchirer le disque de rupture bien avant l'éclatement. La structure composite des réservoirs de type III ou IV est très sensible à la chaleur lors d'un incendie généralisé mais aussi et surtout lors de la présence d'une source localisée à forte densité d'énergie (par exemple du type d'un feu torche). Dans ce dernier cas, la protection mise en oeuvre par un fusible thermique n'est pas efficace car la détection de la chaleur de ce genre de dispositif se localise au niveau du périmètre proche du détecteur et nécessite par conséquent que son environnement soit à la température au moins égale à la température d'activation du dispositif de sécurité (cf. par exemple le document EP2000719A1).
Le document FR2895488A1 décrit un réservoir de fluide sous pression muni d'un dispositif de sécurité pour l'évacuation du fluide contenu dans le réservoir en cas d'incendie. Le dispositif de sécurité comprend une vanne de vidange actionnable par une amorce pyrotechnique reliée à une mèche inflammable enroulée autour du réservoir.
Ce type de dispositif présente cependant l'inconvénient de nécessiter un contact direct entre la mèche inflammable et l'air pour s'enflammer et donc un risque d'abrasion ou de rupture de la mèche lors de manipulation du réservoir ou même en raison du vieillissement de cette mèche..
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le réservoir selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le au moins un organe de détection et d'amorçage comprend un thermocouple disposé au niveau de la surface de stockage du réservoir et relié à la charge pyrotechnique via au moins une ligne de transfert de la force électromotrice produite par le thermocouple. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une 10 ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le réservoir comprend une pluralité de thermocouples spatialement répartis au niveau de la surface de stockage du réservoir, chacun des thermocouples étant relié à la charge pyrotechnique via au moins une ligne de transfert de la force électromotrice produite par le thermocouple, 15 - le réservoir comprend entre trois et cinquante thermocouples, - la au moins une ligne de transfert comprend un fil conducteur électrique tel qu'un fil métallique, - le réservoir comporte au moins un amplificateur de la force électromotrice produite par le thermocouple disposé entre le thermocouple et la charge 20 pyrotechnique, - le au moins un amplificateur est disposé sur une ligne de transfert et/ou au niveau d'un boîtier électronique collecteur, - la charge pyrotechnique comprend un élément explosif solide ou liquide comprenant au moins un composant parmi un propergol, la poudre à canon ou tout 25 autre explosif approprié, - la charge pyrotechnique comprend un élément thermiquement instable se décomposant à partir d'une température déterminée, - le ou les thermocouples sont disposés sur la surface extérieure du réservoir et/ou dans l'épaisseur de la paroi du réservoir, 30 - le réservoir est du type composite. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : 35 - la figure 1 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation d'un réservoir selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe, schématique et partielle, d'un détail de la figure 1 illustrant un exemple de réalisation de l'organe de contrôle du remplissage/soutirage du réservoir de la figure 1. Le réservoir représenté à la figure 1 comprend un orifice muni d'un organe 2 de contrôle du remplissage et/ou du soutirage de fluide du réservoir 1. L'organe 2 de contrôle peut être une embase destinée à recevoir un robinet ou peut être un robinet, avec ou sans détendeur intégré. L'organe 2 de contrôle peut être vissé dans le col taraudé du réservoir 1. L'organe 2 de contrôle peut comprendre un raccord 4 de soutirage/remplissage muni de préférence d'un clapet d'isolation (non représenté par soucis de simplification). L'organe 2 de contrôle comprend classiquement un dispositif de sécurité pour l'évacuation du fluide contenu dans le réservoir en cas d'incendie. Ce dispositif de sécurité comporte un clapet 6 de vidange normalement fermé et susceptible de permettre la vidange du réservoir 1 lorsqu'il est en position ouverte.
Le clapet 6 possède une pièce mobile formant un obturateur d'un passage 22 d'évacuation du fluide sous pression du réservoir 1. Le clapet 6 est sollicité en position de fermeture par un organe de rappel tel qu'un ressort 16. Une charge pyrotechnique 8 est reliée au clapet 6 de vidange pour actionner sélectivement ce clapet 6 dans une position d'ouverture lors de la combustion de ladite charge pyrotechnique 8. Par exemple, la charge 8 pyrotechnique, lorsqu'elle est activée en combustion, vient déplacer un poussoir 7 contre le clapet 6, à l'encontre du ressort 16. Le clapet 6 est alors en position ouverte libérant le passage de fluide entre des conduits amont 21 et aval 22. A l'extrémité aval 22, le fluide libéré peut être collecté au niveau d'un raccord 5 pouvant être relié à un système de récupération. En position ouverte, une extrémité du clapet 6 peut venir se bloquer mécaniquement dans un système de maintien stable, par exemple via une bague 3 élastique qui vient coopérer avec des encoches 161 formées dans le corps du clapet 6. Le clapet 6 est ainsi maintenu en position ouverte malgré l'action du ressort 16. La charge pyrotechnique 8 est reliée à une pluralité de thermocouples 11 répartis spatialement sur le réservoir 2. Les thermocouples 11 sont disposés au niveau de la surface de stockage du réservoir 1 (sur la surface extérieur et/ou dans l'épaisseur) et sont reliés à la charge pyrotechnique 8 via des lignes 111 de transfert de préférences respectives. Ces lignes 111 de transfert, par exemple de type câbles conducteurs de l'électricité en cuivre ou alliage de cuivre par exemple ou tout autre matériau approprié permettent le transfert de la force électromotrice produite par les thermocouples 11 soumis à des températures élevées (par exemple au-dessus de 120 degrés). Le cas échéant un boîtier 9 électronique optionnel collecte l'ensemble des signaux produits par les thermocouples et le cas échéant assure une amplification avant d'alimenter la charge 8 pyrotechnique. Les thermocouples 11 sont de préférences des sondes de température de type à basse-impédance qui produisent des forces électromotrices (quelques milliVolt) correspondant à des courbes de température qui sont particulières et uniques pour chaque calibration de thermocouple. La force électromotrice est produite par les gradients de température se trouvant le long des conducteurs (par effet Seebeck, effet Peltier ou effet Thompson). Ainsi, l'ouverture du clapet 6 de vidange du réservoir 1 utilise l'énergie produite par la combustion d'un explosif 8 solide dont la combustion est déclenchée par l'énergie produite par des thermocouples 11.
En cas d'agression thermique sur le réservoir 1, la température des thermocouples 11 augmente et la force électromotrice des thermocouples 11 à la température considérés est donc utilisée pour mettre à feu la charge 8 pyrotechnique. La force électromotrice produite par le ou les thermocouples peut le cas échant être amplifiée électriquement. L'énergie produite par la charge 8 pyrotechnique (la pression de détonation) est utilisée pour déplacer le clapet 6 dans sa position ouverte permettant la libération de la pression du gaz et permettre ainsi d'éviter l'éclatement du réservoir 1. Dans une variante possible la charge 8 pyrotechnique est thermiquement instable (c'est-à-dire se décompose à une température seuil, par exemple 120°C).
L'énergie de réaction produite lors de sa décomposition est utilisée pour actionner le clapet 6.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Réservoir de fluide sous pression comprenant un orifice muni d'un organe (2) de contrôle du remplissage et/ou du soutirage de fluide du réservoir (1), l'organe de contrôle (2) comprenant un dispositif (5, 6, 10, 11, 8) de sécurité pour l'évacuation du fluide contenu dans le réservoir en cas d'incendie, le dispositif (5, 6, 10, 11, 8) de sécurité comprenant un clapet (6) de vidange normalement en position fermée et susceptible de permettre la vidange du réservoir (1) lorsque le clapet (6) est en position ouverte, une charge pyrotechnique (8) reliée au clapet (6) pour actionner sélectivement le clapet (6) de vidange dans une position d'ouverture lors de la combustion de ladite charge pyrotechnique (8), la charge pyrotechnique (8) étant reliée à au moins un organe (11) de détection d'une situation d'incendie et d'amorçage de la charge pyrotechnique (8), caractérisé en ce que le au moins un organe (11) de détection et d'amorçage comprend un thermocouple (11) disposé au niveau de la surface de stockage du réservoir (1) et relié à la charge pyrotechnique (8) via au moins une ligne (111) de transfert de la force électromotrice produite par le thermocouple (11).
  2. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de thermocouples (11) spatialement répartis au niveau de la surface de stockage du réservoir (1), chacun des thermocouples (11) étant relié à la charge pyrotechnique (8) via au moins une ligne (111) de transfert de la force électromotrice produite par le thermocouple (11).
  3. 3. Réservoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend entre trois et cinquante thermocouples (11).
  4. 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la au moins une ligne (111) de transfert comprend un fil conducteur électrique tel qu'un fil métallique.
  5. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un amplificateur de la force électromotrice produite par le thermocouple (11) disposé entre le thermocouple (11) et la charge pyrotechnique (8).
  6. 6. Réservoir selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le au moins un amplificateur est disposé sur une ligne (111) de transfert et/ou au niveau d'un boîtier (9) électronique collecteur.
  7. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la charge pyrotechnique (8) comprend un élémentexplosif solide ou liquide comprenant au moins un composant parmi un propergol, la poudre à canon.
  8. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la charge pyrotechnique (8) comprend un élément thermiquement instable se décomposant à partir d'une température déterminée.
  9. 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le ou les thermocouples (11) sont disposés sur la surface extérieure du réservoir (1) et/ou dans l'épaisseur de la paroi du réservoir (1).
  10. 10.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est du type composite.
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