FR3028916A1 - Reservoir composite de stockage de fluide sous pression et son procede de fabrication - Google Patents

Reservoir composite de stockage de fluide sous pression et son procede de fabrication Download PDF

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Abstract

Réservoir composite de stockage de fluide sous pression, notamment de gaz inflammable sous pression, et son procédé de fabrication, comprenant une enveloppe (1) intérieure en matériau plastique définissant un volume de stockage de gaz, l'enveloppe (1) intérieure comportant une ouverture (2) à une première de ses extrémités et une couche (3) de renforcement mécanique en matériau composite disposée sur au moins une partie de sa surface extérieure, le réservoir comprenant une embase (4) disposée de façon étanche dans l'ouverture pour permettre le transfert de fluide depuis ou vers le réservoir, le réservoir comprenant un dispositif de sécurité pour réduire le risque ou empêcher son éclatement lorsque le réservoir est soumis à une température seuil déterminée, ledit dispositif de sécurité comprenant au moins un fil (5) conducteurs de la chaleur situé sur la surface extérieure du réservoir, caractérisé en ce qu'au moins une extrémité du au moins un fil (5) est reliée à l'enveloppe (1) intérieure.

Description

1 La présente invention concerne un réservoir composite et un procédé de fabrication. L'invention concerne plus particulièrement un réservoir composite de stockage de fluide sous pression, notamment de gaz inflammable sous pression, comprenant une enveloppe intérieure en matériau plastique définissant un volume de stockage de gaz, l'enveloppe intérieure comportant une ouverture à une première de ses extrémités et une couche de renforcement mécanique en matériau composite disposée sur au moins une partie de sa surface extérieure, le réservoir comprenant une embase disposée de façon étanche dans l'ouverture pour permettre le transfert de fluide depuis ou vers le réservoir, le réservoir comprenant un dispositif de sécurité pour réduire le risque ou empêcher son éclatement lorsque le réservoir est soumis à une température seuil déterminée, ledit dispositif de sécurité comprenant au moins un fil conducteur de la chaleur situé sur la surface extérieure du réservoir.
L'invention peut s'appliquer à une bouteille ou un ensemble de bouteilles de gaz sous pression. L'événement le plus redouté en cas de feu touchant un réservoir composite stockant du gaz sous pression est son éclatement. Ceci est particulièrement critique pour le stockage de gaz inflammable tel que l'hydrogène.
Une protection connue consiste à pourvoir le réservoir d'une soupape de sécurité activée par un fusible thermique pour libérer le gaz sous pression en cas de température excessive (feu). Les documents US20011150551A1, W011121336A1, US2009308874A1, W0201268606A1 et FR2964440A1 décrivent de tels dispositifs.
Ces documents décrivent des solutions basées essentiellement sur le même principe : l'échauffement produit par un feu localisé est détecté par une sonde extérieure. La sonde déclenche par réaction l'ouverture d'une vanne de vidange du réservoir. Ces solutions présentent des limites ou des inconvénients. Ainsi, ces dispositifs de sécurité peuvent être une source de fuite de gaz (défaillance d'un raccord ou d'un joint d'étanchéité par exemple). Outre leur fragilité et leur coût, ces dispositifs peuvent le cas échéant s'activer de façon intempestive.
3028916 2 Enfin, en cas d'activation pendant un incendie, la vanne de vidange peut entraîner la formation d'une flamme de longueur très importante (10 à 15 m par exemple). Ceci peut constituer un risque supplémentaire par rapport à l'incendie lui-même. En effet, cette flamme peut être dangereuse pour le public et pour le 5 personnel d'intervention et peut engendrer des effets sur les installations à proximité. 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 10 générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'au moins une extrémité du au moins un fil est reliée à l'enveloppe intérieure. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le réservoir comporte une pluralité de fils conducteurs disposés de façon 15 espacée les uns des autres sur au moins une partie de la surface extérieure du réservoir, - le réservoir comporte, sur au moins une partie de sa surface extérieure, une pluralité de fils conducteurs disposés de façon espacée les uns des autres d'une distance comprise entre 10 et 90mm et de préférence espacés les uns des 20 autres d'une distance comprise entre 60mm et 40mm, - le réservoir comporte plusieurs extrémités de fils reliées à l'enveloppe interne, - au moins une extrémité du au moins un fil est en contact direct avec l'enveloppe intérieure sur une longueur comprise entre 0,5 cm et toute la longueur 25 de la longueur du réservoir, - le réservoir comporte un réseau de fils conducteurs en contact direct avec l'enveloppe intérieure sur au moins une partie de la surface de ladite enveloppe, - le réservoir comporte une pluralité de fils conducteurs formant un réseau en contact avec au moins une partie de la surface extérieure du réservoir, 30 - le au moins un fil est constitué de l'un au moins des matériaux suivants : du cuivre, de l'aluminium, acier, acier inoxydable ou tout fil métallique ayant une conductivité thermique supérieure 5 W.m-1.K1, 3028916 3 - le au moins un fil a un diamètre compris entre 0,1mm et 1mm et de préférence de 0,5mm, - le réservoir comporte une pluralité de fils conducteurs liés entre eux selon un maillage formant une entité physique tubulaire dont une extrémité est enfilée 5 sur l'enveloppe interne et recouverte de la couche de renforcement et dont une autre extrémité est repliée sur la surface extérieure du réservoir, - le réservoir comporte au moins un fil conducteur qui traverse transversalement la couche de renforcement, - l'enveloppe interne est composée de l'un au moins l'un des matériaux 10 suivants : un polyamide PA, un polyuréthane PU, un polyéthylène PE, - la couche de renforcement comprenant au moins l'un parmi : une résine de type époxy, une matrice polyamide, un mélange d'une résines, des fibres de carbone ou de verre, - le maillage de fils forme une entité physique pré-assemblée et 15 indépendante de l'enveloppe interne, - le réservoir de fluide sous pression a une forme générale cylindrique avec notamment une extrémité bombée en forme de dôme, - la couche de renforcement a une épaisseur comprise entre 1 et 8 mm. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 20 comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un réservoir de gaz sous pression, le procédé comprenant une étape d'enroulement de filament(s) composite(s) autour d'une enveloppe interne plastique étanche pour former une couche de renforcement, dans lequel, préalablement à l'étape d'enroulement, une 25 extrémité d'au moins un fil conducteur de la chaleur est disposée sur la surface externe de l'enveloppe interne destinée à être recouverte de l'enroulement, et, postérieurement à l'étape d'enroulement, une autre extrémité du au moins un fil conducteur est disposée sur la surface externe de l'enroulement filamentaire composite. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la 30 description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un détail d'un exemple de réalisation d'un réservoir selon l'invention, 3028916 4 - la figure 2 illustre une vue de côté, schématique et partielle, illustrant deux étapes d'un procédé de fabrication d'un réservoir selon l'invention, - la figure 3 illustre une vue de côté, schématique et partielle, illustrant une troisième étape du procédé de fabrication d'un réservoir selon l'invention, 5 - la figure 4 représente une vue de face, schématique et partielle, illustrant trois exemples de réalisation d'un maillage de fils pouvant être utilisés dans un réservoir et son procédé de fabrication selon l'invention. Le réservoir composite illustré schématiquement et partiellement à la figure 1 comprend une enveloppe 1 intérieure en matériau plastique définissant un 10 volume de stockage de gaz. Cette enveloppe 1 intérieur (appelée également « liner ») comporte classiquement une ouverture 2 à une première de ses extrémités dans laquelle est placée une embase 4. L'embase est liée de façon étanche à l'enveloppe 1 et est destinée à recevoir par exemple un robinet pour assurer le transfert de fluide depuis ou vers le réservoir.
15 Par exemple, l'enveloppe 1 interne est composée de l'un au moins l'un des matériaux suivants : un polyamide PA, un polyuréthane PU, un polyéthylène PE. L'enveloppe 1 interne est notamment composée de polyamide 6. Une couche 3 de renforcement mécanique en matériau composite est déposée sur au moins une partie de la surface extérieure de l'enveloppe 1 20 intérieure. Classiquement, la couche 3 de renforcement comprend des fibres de carbone et/ou de verre noyés dans une résine (par exemple de type époxy). Le réservoir comprend un dispositif de sécurité pour réduire le risque ou empêcher son éclatement lorsque le réservoir est soumis à une température seuil 25 déterminée. Ce dispositif de sécurité comprend au moins un et de préférence plusieurs fils 5 conducteurs de la chaleur disposés sur la surface extérieure du réservoir et reliés (en contact de préférence direct) avec l'enveloppe 1 intérieure. Contrairement aux dispositifs connus, les fils 5 conducteurs ne sont pas 30 reliés à une vanne de purge pour l'activer en lui transférant une température excessive mais sont reliés à l'enveloppe 1 interne elle-même pour transmettre à cette dernière une puissance thermique.
3028916 5 La température de fusion du plastique constituant l'enveloppe 1 interne est d'environ 215°C. Le réseau de fils 5 conducteur conduit la chaleur de l'incendie directement sur cette enveloppe 1. En cas de température trop importante, ces fils 5 vont faire fondre localement cette enveloppe 1 interne qui du coup perd son 5 étanchéité et libère le gaz. Ainsi, le gaz combustible sous haute pression (par exemple de l'hydrogène à très haute pression 200 bar à 1000 bar) peut s'échapper évitant l'éclatement de la bouteille. La solution permet ainsi de s'affranchir d'une soupape de sécurité.
10 La détection de température/chaleur peut être réalisée sur tout ou partie de la surface de la bouteille. Ce mode d'évacuation du gaz permet de diminuer la longueur de flamme générée et de maximiser le débit de gaz rejeté. En effet, la bouteille composite est rendue ainsi poreuse et sert de diffuseur. Le gaz passe par un ou des trous 15 localisés de l'enveloppe 1 et va ensuite être diffusé au travers de la couche 3 de renforcement (enroulement filamentaire). Le gaz est libéré sur tout ou partie de la surface du réservoir. Dans un feu, un tel dégagement diffus de gaz inflammable ne génère pas de longue flamme.
20 Cette solution est relativement peu coûteuse par rapport aux solutions connues. De plus, cette structure est relativement robuste car même si un fil 5 est cassé, le reste du réseau de fils 5 peut assurer la détection et la transmission de la chaleur vers l'enveloppe 1 interne. Les fils 5 sont de préférence fins (section de diamètre compris entre 0,1 et 25 1mm de préférence, par exemple 0,5mm) et ont une conductivité thermique élevée (par exemple les fils sont en cuivre, aluminium ou tout autre matériau approprié équivalent). Les fils 5 peuvent être maintenus sur la surface extérieure du réservoir par des attaches mécaniques et/ou peuvent être collés et/ou intégrés lors de la 30 fabrication à la dernière couche 3 de renforcement. Dans ce derniers cas, les fils 5 sont tout de même exposés à la chaleur et au feu tout en évitant l'ajout de fixations mécaniques.
3028916 6 Comme illustré à titre d'exemple à la figure 1, le réseau de fils 5 peut s'étendre par une première de ses extrémités sur la surface de l'enveloppe 1 interne. Le réseau de fils 5 peut s'entendre vers une seconde extrémité opposée via l'ouverture 2 (entre l'embase 4 et l'enveloppe 1 interne) et s'étendre sur la 5 surface extérieure du réservoir (sur la couche 3 de renforcement). Les fils 5 conducteurs forment ainsi un pont thermique entre l'extérieur et l'enveloppe 1 interne. En variante ou en combinaison, il est possible d'envisager que les fils 5 traversent l'épaisseur du réservoir au niveau de l'autre extrémité du réservoir ou 10 ailleurs (au niveau du fond d'un réservoir). De même, il est possible d'envisager de réaliser un ou plusieurs ponts thermiques entre la surface extérieure du liner et l'extérieur du réservoir. C'est-à-dire qu'au moins un élément conducteur (fil notamment) traverse transversalement la paroi composite. Ceci peut être réalisé par exemple lorsque la fabrication du 15 réservoir composite est terminée en réalisant des trous dans son épaisseur (mais ne traversant pas le liner) et en installant des éléments conducteurs (par exemple des fils métalliques) dans ces trous. Selon une autre solution possible ce pont thermique peut être réalisé lors de la fabrication du réservoir, lors de l'enroulement filamentaire en intercalant les couches de fibre de carbone et du fil conducteur.
20 Comme illustré à la figure 1, une extrémité des fils 5 est exposée au feu à la surface du réservoir. L'autre extrémité est en contact avec le liner 1 à l'intérieur du réservoir. Les figures 2 et 3 illustrent un exemple possible et non limitatif de procédé de fabrication d'un tel réservoir.
25 Un liner 1 (enveloppe étanche) prêt à l'utilisation est recouvert par un réseau de fils 5 conducteurs. Par exemple, le réseau de fils 5 forme une entité physique, par exemple un fourreau ou un tube (ouvert par exemple à ses deux extrémités). Le liner 1 est disposé dans le mandrin d'une machine bobineuse et préparé 30 pour l'enroulement. Comme illustré à la figure 3, un enroulement filamentaire est réalisé pardessus le liner 1 et les fils 5 présents sur le liner 1.
3028916 7 Pendant le processus d'enroulement de la couche composite de renforcement, les fils 5 peuvent être maintenus relativement au mandrin d'enroulement. Lorsque l'enroulement est terminé, les fils 5 restés à l'extérieur peuvent être placés sur la surface du réservoir. Un pont thermique entre l'extérieur 5 et l'intérieur du réservoir est ainsi réalisé. La figure 4 représente de façon schématique (pas à l'échelle notamment) plusieurs exemples non limitatifs de réseaux de fils 5. Les fils 5 peuvent être agencés notamment selon un maillage présentant des mailles de forme parallélépipédique (en forme de parallélogramme, rectangulaire, ou en losange 10 par exemple). Pour optimiser la protection du réservoir la distance entre deux fils 5 adjacents est de préférence de l'ordre de 50 mm. Ainsi, cela nécessite environ trente cinq fils pour un réservoir cylindrique ayant un diamètre de 0,55 m. Ainsi, une flamme qui agresse une surface de plus de 50 mm de diamètre 15 sera ainsi nécessairement détectée par au moins deux fils 5 du réseau. Une flamme de dimensions plus petites ne dégradera pas forcément suffisamment la structure du stockage pour produire son éclatement. Pour améliorer la performance du dispositif, il est possible d'isoler thermiquement certaines sections des fils 5. Par exemple, au moins certains fils 5 20 en contact avec le goulot du réservoir peuvent être isolés du reste du réseau. Ceci permet de diminuer les pertes thermiques intermédiaires et améliore la conduction de la chaleur depuis l'extérieur vers l'intérieur en concentrant la chaleur sur un nombre réduit de fils 5. L'intégration de ces fils 5 ne diminue pas la performance mécanique ni la 25 tenue au feu du réservoir. Les propriétés thermiques du liner 1contribuent au bon fonctionnement de ce dispositif de sécurité. Dans le cas du polyamide 6, les inventeurs ont calculé qu'il est nécessaire d'une quantité de chaleur de neuf Joules pour faire fondre une section de liner 1 30 de 2,5 mm2 de surface et de 6 mm d'épaisseur. De plus, soixante six Joules sont nécessaires pour chauffer un fil de cuivre de diamètre 0,5 mm de 0,5 m de longueur.
3028916 8 La quantité d'énergie nécessaire pour produire l'échauffement des composants (fil 5 et liner 1) jusqu'à la perforation du liner 1 n'est donc que de soixante seize Joules. Cette quantité d'énergie est très faible par rapport à la puissance d'un feu (typiquement de l'ordre de 4,1 MW).
5 L'agencement permet ainsi efficacement d'évacuer le gaz stocké en supprimant l'étanchéité du liner 1 en cas de feu.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Réservoir composite de stockage de fluide sous pression, notamment de gaz inflammable sous pression, comprenant une enveloppe (1) intérieure en matériau plastique définissant un volume de stockage de gaz, l'enveloppe (1) intérieure comportant une ouverture (2) à une première de ses extrémités et une couche (3) de renforcement mécanique en matériau composite disposée sur au moins une partie de sa surface extérieure, le réservoir comprenant une embase (4) disposée de façon étanche dans l'ouverture pour permettre le transfert de fluide depuis ou vers le réservoir, le réservoir comprenant un dispositif de sécurité pour réduire le risque ou empêcher son éclatement lorsque le réservoir est soumis à une température seuil déterminée, ledit dispositif de sécurité comprenant au moins un fil (5) conducteur de la chaleur situé sur la surface extérieure du réservoir, caractérisé en ce qu'au moins une extrémité du au moins un fil (5) est reliée à l'enveloppe (1) intérieure.
  2. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de fils (5) conducteurs disposés de façon espacée les uns des autres sur au moins une partie de la surface extérieure du réservoir.
  3. 3. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, sur au moins une partie de la surface extérieure du réservoir, une pluralité de fils (5) conducteurs disposés de façon espacée les uns des autres d'une distance comprise entre 10 et 90mm et de préférence espacés les uns des autres d'une distance comprise entre 60mm et 40mm.
  4. 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs extrémités de fils reliées à l'enveloppe (1) interne.
  5. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une extrémité du au moins un fil (5) est en contact direct avec l'enveloppe (1) intérieure sur une longueur comprise entre 0,5cm et toute la longueur de la longueur du réservoir.
  6. 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau de fils (5) conducteur en contact 3028916 10 direct avec l'enveloppe (1) intérieure sur au moins une partie de la surface de ladite enveloppe (1).
  7. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de fils (5) conducteurs formant 5 un réseau en contact avec au moins une partie de la surface extérieure du réservoir.
  8. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le au moins un fil (5) est constitué de l'un au moins des matériaux suivants : du cuivre, de l'aluminium, acier, acier inoxydable ou tout 10 fil métallique ayant une conductivité thermique supérieure 5 W.m-1.K1.
  9. 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le au moins un fil (5) a un diamètre compris entre 0,1mm et 1mm et de préférence de 0,5mm.
  10. 10.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 15 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de fils (5) conducteurs liés entre eux selon un maillage formant une entité physique tubulaire dont une extrémité est enfilée sur l'enveloppe (1) interne et recouverte de la couche (3) de renforcement et dont une autre extrémité est repliée sur la surface extérieure du réservoir. 20
  11. 11.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un fil (5) conducteur qui traverse transversalement la couche (3) de renforcement.
  12. 12.Procédé de fabrication d'un réservoir de gaz sous pression, le procédé comprenant une étape d'enroulement de filament(s) composite(s) 25 autour d'une enveloppe (1) interne plastique étanche pour former une couche (3) de renforcement, dans lequel, préalablement à l'étape d'enroulement, une extrémité d'au moins un fil (5) conducteur de la chaleur est disposée sur la surface externe de l'enveloppe (1) interne destinée à être recouverte de l'enroulement, et, postérieurement à l'étape d'enroulement, une autre 30 extrémité du au moins un fil (5) conducteur est disposée sur la surface externe de l'enroulement filamentaire composite.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102006052382A1 (de) * 2006-11-07 2008-05-15 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Nichtmetallischer Druckgasbehälter

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