FR2998941A1 - Dispositif de securite et bouteille de gaz munie d'un tel dispositif - Google Patents

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Abstract

Dispositif de sécurité formant une soupape de libération d'un gaz sous pression en cas de situation dangereuse, comprenant, entre une extrémité amont (100) destinée à être reliée à une source de gaz sous pression et une extrémité aval (200) destinée à être reliée à une zone d'évacuation, un bouchon (20) et un organe (3) de régulation de débit distinct du bouchon (20), le bouchon (20) étant en configuration fermée en situation normale pour empêcher l'écoulement du gaz entre l'extrémité amont (100) et l'extrémité aval (200), le bouchon (20) étant conformé pour commuter en configuration ouverte et libérer l'écoulement du gaz de l'amont vers l'aval en cas de situation dangereuse lorsqu'il est soumis à un pression et/ou une température excédant un seuil déterminé, caractérisé en ce que l'organe (3) de régulation comprend une extrémité (36) profilée sélectivement mobile relativement à un siège (132) pour réduire la taille du passage pour le gaz lorsque la pression en amont est relativement élevée et inversement, pour augmenter la taille du passage de gaz au niveau du siège (132) lorsque la pression en amont est relativement basse.

Description

La présente invention concerne un dispositif de sécurité ainsi qu'une bouteille de gaz munie d'un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de sécurité formant une soupape de libération d'un gaz sous pression en cas de situation dangereuse, 5 comprenant, entre une extrémité amont destinée à être reliée à une source de gaz sous pression et une extrémité aval destinée à être reliée à une zone d'évacuation, un bouchon et un organe de régulation de débit distinct du bouchon, le bouchon étant en configuration fermée en situation normale pour empêcher l'écoulement du gaz entre l'extrémité amont et l'extrémité aval, le bouchon étant 10 conformé pour commuter en configuration ouverte et libérer l'écoulement du gaz de l'amont vers l'aval en cas de situation dangereuse lorsqu'il est soumis à un pression et/ou une température excédant un seuil déterminé. Les bouteilles ou réservoirs de gaz inflammable et notamment les bouteilles d'hydrogène gazeux sont généralement équipées d'un dispositif de sécurité 15 permettant de vider le contenu gazeux de la bouteille pour éviter l'éclatement. Ces dispositifs de sécurité assurent une vidange de la bouteille lorsque celle-ci risque d'éclater du fait d'une exposition à une température trop importante. En effet, une pression interne trop élevée associée à une perte de résistance mécanique des parois de la bouteille avec la température peut provoquer un éclatement. 20 De nombreux dispositifs de sécurité sont connus pour éviter cette situation. Il est ainsi connu d'utiliser des systèmes qui détectent directement les surpressions, par exemple via des disques de rupture c'est à dire des membranes métalliques minces dont la fonction est de décharger le gaz après leur déchirement dès que le seuil de pression est atteint. 25 D'autres dispositifs détectent la température environnante de la bouteille pour anticiper toute élévation de pression. Ces dispositifs peuvent comprendre un fusible thermique c'est-à-dire souvent un eutectique métallique qui fond à une température connue sous l'action de la température du feu, ou une bulle de verre (« glassbulb ») enfermant un liquide se dilatant suffisamment pour casser la paroi 30 en verre de la bulle. Leur rupture ou fonte génère l'ouverture d'une vanne libérant ainsi la pression contenue dans la bouteille. La volonté d'augmenter la quantité d'énergie dans un volume toujours plus réduit implique d'accroitre considérablement la pression de stockage de l'hydrogène gazeux. Dans cet objectif, il est nécessaire de mettre en oeuvre des 35 bouteilles ou réservoirs capables de supporter de très grandes contraintes mécaniques, tout en restant les plus légers possibles. C'est pourquoi ce type d'applications fait généralement appel à la technologie des matériaux composites.
Contrairement aux réservoirs conçus entièrement en métal (acier ou aluminium, appelées de « type I »), les bouteilles dont la résistance mécanique est assurée par un bobinage de fibres de carbone et de résine polymérique, sont très isolantes et perdent leurs caractéristiques mécaniques lorsque celles-ci se retrouvent piégées dans 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 de ces réservoirs est inférieur au temps qu'il faut à la pression interne pour augmenter significativement. Ainsi le réservoir risque d'éclater avant que sa pression interne ne soit suffisante pour provoquer une rupture d'un disque.
C'est pourquoi l'utilisation de fusible thermique est en général plus indiquée dans ce type de construction de réservoir. Des vannes asservies par la température externe sont donc prévues pour relâcher le gaz sous pression dans l'atmosphère. Il est donc nécessaire de dimensionner convenablement le circuit de vidange de ces dispositifs pour que le temps de vidange soit adapté d'une part avec le volume de gaz contenu dans le réservoir et, d'autre part, avec le temps de tenu au feu du réservoir. Ainsi, pour une technologie de fabrication de réservoir donnée, une épaisseur de paroi donnée et une pression de gaz donnée, le temps de tenue à la pression du réservoir en cas de feu peut être considéré fixe quelque soit la taille du réservoir. Le débit de vidange du dispositif de sécurité est alors le seul paramètre qu'il est nécessaire d'adapter en fonction de la taille du réservoir. C'est-à-dire que, plus le réservoir est volumineux plus le débit de vidange doit être important. Pour un diamètre de passage de gaz fixe, le débit de vidange est fonction de la pression de gaz dans la bouteille. Cette pression décroît à mesure que le réservoir se vide. Dans le cas de l'hydrogène, lors d'une détection d'incendie lorsque la bouteille est à sa pression maximale de service (cas le plus défavorable), le débit de vidange est donc très élevé. Ceci peut générer une flamme importante et des risques non acceptables à proximité du dispositif en cours de vidange (la longueur de flamme est en effet proportionnelle au débit de gaz relâché). 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 dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l'organe de régulation comprend une extrémité profilée sélectivement mobile relativement à un siège pour réduire la taille du passage pour le gaz lorsque la pression en amont est relativement élevée et inversement, pour augmenter la taille du passage de gaz au niveau du siège lorsque la pression en amont est relativement basse. Un tel dispositif permet de diminuer le temps de vidange d'une bouteille en augmentant le diamètre de fuite pendant la dépressurisation de la bouteille. Ceci maintient une longueur de flamme quasi constante pendant la vidange. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'extrémité profilée est conformé pour rendre constant ou croissant le débit de gaz admis vers l'extrémité aval lorsque la pression au niveau de l'extrémité amont décroît, - l'organe de régulation comprend un pointeau mobile en translation et muni de l'extrémité profilée, la position de l'extrémité profilée du pointeau relativement audit siège définissant la taille du passage de gaz vers l'extrémité aval, - l'organe de régulation est mobile relativement au siège entre une première position correspondant à un passage de gaz maximal déterminé vers l'extrémité aval et une seconde position correspondant à un passage de gaz minimal déterminé vers l'extrémité aval, le dispositif comprenant un organe de rappel sollicitant par défaut l'organe de régulation vers sa première position, - dans ses première et seconde positions par rapport au siège, l'organe de régulation est en butée contre des portions fixes respectives du dispositif, - l'organe de rappel est situé dans une cavité communiquant avec l'atmosphère, c'est-à-dire que l'organe de rappel est isolé de pression de gaz de l'extrémité amont, - le dispositif comprend un corps muni d'un canal, l'organe de régulation comprenant une extrémité amont et une extrémité aval et étant mobile en translation dans le canal, le dispositif comprenant un organe d'étanchéité situé entre les extrémité amont et aval pour assurer l'étanchéité entre l'organe de régulation et le canal, et, lorsque le bouchon est en configuration ouverte, l'organe de régulation est soumis à la pression de l'extrémité amont au niveau de ses deux extrémités amont et aval et au niveau de surfaces d'appui respectives différentes pour générer un effort de translation sur l'organe de régulation fonction du niveau de la pression de l'extrémité amont, - le bouchon comprend au moins l'un parmi : un eutectique, un fusible thermique, un fusible sensible à la pression, une vanne, L'invention concerne également une bouteille de gaz sous pression, notamment d'hydrogène sous pression, comprenant un dispositif de sécurité selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après.
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 : - la figure 1 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple de dispositif de sécurité selon un mode de réalisation possible de l'invention, - la figure 2 illustre une vue en coupe longitudinale, schématique et simplifiée, du dispositif de la figure 1 dans une configuration de passage de gaz 10 maximal, - la figure 3 illustre une vue en coupe longitudinale, schématique et simplifiée, du dispositif de la figure 1 dans une configuration de passage de gaz minimal. La figure 1 représente une vue générale d'un mode de réalisation possible 15 du dispositif de sécurité. Le dispositif comprend un corps 1 muni d'un circuit interne débouchant via un premier 10 et un second orifice 11 raccordés à une source de gaz sous pression (par exemple le volume de stockage d'un réservoir 30 d'hydrogène sous pression, cf. figures 2 et 3). Le circuit interne débouche également via un orifice 12 à l'atmosphère. Le corps 1 est raccordé également à 20 un organe 2 de collecte du gaz sélectivement relâché par le dispositif. Comme visible aux figures 2 et 3, le circuit interne comprend un alésage 233 formant un canal dans lequel est monté coulissant un pointeau 3. Le pointeau 3, par exemple métallique, est guidé en translation via des faces 31, 32 et 33. L'extrémité aval du pointeau 3 coulisse de façon étanche au travers d'une bague 4 25 maintenue dans le corps via un bouchon 13. Un joint 101 d'étanchéité est prévu au niveau de la bague 4 pour assurer l'étanchéité du circuit. Un joint 112 d'étanchéité est également prévu au niveau du bouchon 13 pour assurer l'étanchéité entre le pointeau 3 mobile et le bouchon 13. Le joint 112 du bouchon 13 est par exemple un joint annulaire qui coopère avec la surface extérieure du 30 pointeau 3 qui pénètre dans un canal 133 formé dans le bouchon 13. L'extrémité profilée 36 du pointeau coopère avec une surface du bouchon 13 formant un siège 132. La position de l'extrémité 36 profilée du pointeau 3 par rapport au siège 132 définit notamment la taille de passage du gaz vers l'aval. Dans la configuration de la figure 2, le pointeau 3 est maintenu par un 35 ressort 5 en butée dans une première position amont correspondant à un passage de gaz maximal. Dans cette configuration de « passage maximal » la section de passage pour le gaz de l'amont vers l'aval est la plus grande possible.
Par exemple, l'extrémité amont du pointeau 3 est en contact avec une face 34 de l'alésage. Le ressort 5 est par exemple monté autour du pointeau et prend appui d'une part sur un épaulement 35 de pointeau 3 et, d'autre part, sur la bague 4.
La cavité 17 de l'alésage qui accueille le ressort 5 est de préférence mise à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un perçage débouchant au niveau d'un orifice 12 du corps. Cette cavité à la pression atmosphérique est isolée des extrémités amont et aval du pointeau via des joints toriques 6, 8, 101 et 112 respectifs associés le cas échéant à des bagues anti-extrusion.
Plus précisément, deux joints toriques 6, 8 associés à des bagues anti- extrusion 7, 9 respectives sont monté sur l'extrémité amont du pointeau 3 de part et d'autre d'une cavité 18 amont. La cavité 18 amont du circuit interne est reliée sélectivement au gaz sous pression du réservoir 30 via un perçage et le premier orifice 10. Les deux joints 6, 8 assurent l'étanchéité avec le reste du circuit interne.
L'extrémité profilée 36 du pointée est quant à elle reliée sélectivement au gaz sous pression du réservoir 30 via un perçage 131 débouchant à l'extérieur du corps 1 au niveau du second orifice 11. En cas de température et/ou pression anormale au niveau du réservoir 30, un bouchon 20 libère le gaz sous pression du réservoir 30. Le bouchon 20 20 comprend par exemple un eutectique et/ou un disque de rupture. Le gaz libéré arrive d'une part dans la cavité 18 amont via le premier orifice 10 et, d'autre part, au niveau de l'extrémité 36 profilée du pointeau 3 (via le second orifice 11). Les sections amont et aval du pointeau 3 soumises à la pression du gaz 25 libéré étant différentes, ceci génère un effort de translation sur le pointeau 3 à l'encontre de la force de rappel du ressort 5. Cet effort du gaz, combiné avec l'effort du ressort 5 et la pression exercée par la perte de charge du gaz appliquée sur l'extrémité 36 du pointeau et le joint torique 112 du bouchon 13, détermine le déplacement du pointeau 3 mobile dans 30 le corps 1. Ceci définit une loi de placement du pointeau 3 par rapport au siège 132 en fonction de la pression en amont 100. Lorsque la pression du gaz est nulle (bouchon 20 fermé) ou faible, par exemple inférieure au tiers de la pression nominale de la bouteille ou inférieure à un seuil bas déterminé compris par exemple entre 200 et 100 bar, le passage du 35 gaz vers l'aval 200 est maximal. En revanche, en cas de pression élevée (par exemple supérieure à 500bar), l'effort du gaz s'oppose à l'effort du ressort et amène le pointeau 3 dans une seconde position de butée correspondant à un passage de gaz vers l'aval minimal déterminé (non nul). Comme visible à la figure 3, dans cette seconde position, un épaulement 41 du pointeau peut venir en butée contre une partie fixe, notamment la bague 4. Cette seconde position limite le passage et donc le débit de gaz relâché en val et par conséquent la longueur de flamme potentielle correspondante. Ceci permet de conserver un débit d'échappement de gaz canalisé dans l'organe 2 de collecte pouvant être une cheminée, une conduite ou une buse de guidage du jet de gaz. Cette architecture permet de limiter la longueur de flamme potentiellement générée lors de l'ouverture du dispositif de sécurité. Le dispositif peut notamment rendre sensiblement constant le débit de gaz vidangé (et donc la vitesse de purge) au cours du temps via orifice (passage) calibré dont la section est variable et asservi par la pression de gaz en amont 100. Ceci permet de diminuer la distance d'impact aux personnes à proximité du réservoir 30 en cas de feu et d'ouverture du fusible thermique. Dans une variante de réalisation possible, la cavité 18 en amont du pointée peut être soumise en permanence à la pression du gaz du réservoir.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de sécurité formant une soupape de libération d'un gaz sous pression en cas de situation dangereuse, comprenant, entre une extrémité amont (100) destinée à être reliée à une source de gaz sous pression et une extrémité aval (200) destinée à être reliée à une zone d'évacuation, un bouchon (20) et un organe (3) de régulation de débit distinct du bouchon (20), le bouchon (20) étant en configuration fermée en situation normale pour empêcher l'écoulement du gaz entre l'extrémité amont (100) et l'extrémité aval (200), le bouchon (20) étant conformé pour commuter en configuration ouverte et libérer l'écoulement du gaz de l'amont vers l'aval en cas de situation dangereuse lorsqu'il est soumis à un pression et/ou une température excédant un seuil déterminé, caractérisé en ce que l'organe (3) de régulation comprend une extrémité (36) profilée sélectivement mobile relativement à un siège (132) pour réduire la taille du passage pour le gaz lorsque la pression en amont est relativement élevée et inversement, pour augmenter la taille du passage de gaz au niveau du siège (132) lorsque la pression en amont est relativement basse.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité (36) profilée est conformé pour rendre constant ou croissant le débit de gaz admis vers l'extrémité aval (200) lorsque la pression au niveau de l'extrémité amont décroît.
  3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe (3) de régulation comprend un pointeau (3) mobile en translation et muni de l'extrémité (36) profilée, la position de l'extrémité (36) profilée du pointeau (3) relativement audit siège (132) définissant la taille du passage de gaz vers l'extrémité aval (200).
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe (3) de régulation est mobile relativement au siège (132) entre une première position correspondant à un passage de gaz maximal déterminé vers l'extrémité aval (200) et une seconde position correspondant à un passage de gaz minimal déterminé vers l'extrémité aval (200) et en ce que le dispositif comprend un organe (5) de rappel sollicitant par défaut l'organe (3) de régulation vers sa première position.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans ses première et seconde positions par rapport au siège (132), l'organe (3) de régulation est en butée contre des portions fixes respectives du dispositif.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'organe (5) de rappel est situé dans une cavité (17) communiquant avec l'atmosphère, c'est-à-dire que l'organe (5) de rappel est isolé de pression de gaz de l'extrémité amont (100).
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend un corps (1) muni d'un canal (233, 133), l'organe (3) de régulation comprenant une extrémité amont et une extrémité aval et étant mobile en translation dans le canal (233, 133), le dispositif comprenant un organe (8) d'étanchéité situé entre les extrémité amont et aval pour assurer l'étanchéité entre l'organe (3) de régulation et le canal (233, 133), et en ce que, lorsque le bouchon (20) est en configuration ouverte, l'organe (3)de régulation est soumis à la pression de l'extrémité amont (100) au niveau de ses deux extrémités amont et aval et au niveau de surfaces d'appui respectives différentes pour générer un effort de translation sur l'organe (3) de régulation fonction du niveau de la pression de l'extrémité amont (100).
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le bouchon (20) comprend au moins l'un parmi : un eutectique, un fusible thermique, un fusible sensible à la pression, une vanne.
  9. 9. Bouteille de gaz sous pression, notamment d'hydrogène sous pression, comprenant un dispositif de sécurité selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que extrémité amont (100) est reliée au volume de stockage de la bouteille.
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