FR3030679A1 - Reservoir pour gaz sous pression a liner ultra mince - Google Patents

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Abstract

Réservoir (1) sous pression, destiné à contenir un gaz à une pression nettement différente de la pression ambiante, comprenant au moins une enveloppe métallique très mince (2) appelée liner (2) et au moins une enveloppe en matériau composite (3) encapsulant ledit liner (2), laquelle est disposée par bobinage ou par enroulement filamentaire sur ledit liner (2), ledit liner (2) comprenant au moins une partie PC de longueur LPC, de forme sensiblement cylindrique plus ou moins allongée et d'épaisseur sensiblement constante, et deux extrémités P1 et P2 de longueur LP1 et LP2 respectivement, caractérisé en ce que la partie PC du liner (2) est constituée par au moins une feuille métallique ultra mince (5), laquelle est pliée par enroulage et assemblée par soudage guidé suivant au moins une direction, notamment suivant l'axe XX', pour assurer la continuité des surfaces assemblées suivant ladite direction, de façon à définir une forme sensiblement cylindrique à tenue mécanique importante, et en ce que ladite feuille métallique ultra mince (5) et les deux extrémités P1 et P2 sont en matériau compatible avec les propriétés physiques et chimiques du gaz à haute pression à contenir, et en ce que ladite feuille métallique ultra mince (5) ayant en outre une épaisseur submillimétrique inférieure ou égale à 1 mm, de préférence une épaisseur inférieure à 700 micromètres.

Description

RÉSERVOIR POUR GAZ SOUS PRESSION A LINER ULTRA MINCE L'invention concerne un réservoir sous pression servant à contenir un gaz à une pression nettement différente de la pression ambiante, comprenant au moins une enveloppe métallique très mince (2) appelée liner, de taille submillimétrique, et au moins une enveloppe en matériau composite (3) encapsulant ledit liner. Elle concerne également un liner métallique ultra mince et ultra léger assemblé par soudage guidé. Elle concerne particulièrement les bouteilles pour gaz sous pression constituées d'au moins une partie cylindrique, appelée virole, et d'au moins deux fonds dont au moins un de ces deux fonds comporte une ouverture munie d'un dispositif de fermeture. Elle concerne plus particulièrement une bouteille sous pression, pour contenir un gaz médical à une pression nettement différente de la pression ambiante. Elle constitue une nouvelle génération des bouteilles de gaz sous pression, ultra légères de masse inférieure à 3 kg, comprenant un liner métallique spécifique ultra mince de taille sensiblement submillimétrique, sur lequel est encapsulé par bobinage au moyen d'un enroulement filamentaire une structure composite constituée de fibres de carbone et/ou de verre et/ou d'aramide, imprégnées d'une résine. Le réservoir selon l'invention présente des caractéristiques physico-chimique et mécanique jamais obtenues, notamment en termes de poids (masse), d'épaisseur du liner et de la méthode de 20 fabrication. Le réservoir de gaz ou bouteille de gaz ou bonbonne de gaz ou bouteille sous pression, est un récipient ou un réservoir sous pression, métallique (document WO 2006 067527) ou pour l'alléger, en matériau composite (document FR 3 003 190), de forme cylindrique comportant des fonds, plus ou moins allongés, conçue pour contenir un gaz à une pression nettement supérieure à la pression 25 ambiante. Ces bouteilles, servant à l'emmagasinage et au transport du gaz, doivent être d'une construction particulièrement robuste afin de résister à la pression de service d'au moins 200 bars ou 300 bars sous laquelle le gaz est comprimé et doivent être légères pour être facilement utilisables et/ou transportables dans un environnement difficilement accessible ou restreint. Dans le cas d'une bouteille comportant un matériau composite, elle comporte principalement une enveloppe 30 métallique ou plastique très mince, appelée liner laquelle est encapsulée par une enveloppe en matériau composite, notamment en fibres de carbone imprégnées de la résine enrobée sur ledit liner au moyen de l'enroulement filamentaire. Dans les cas où une bonne perméabilité au gaz contenu est nécessaire, l'utilisation d'un liner plastique est à proscrire. De même, certains gaz sous pression ne sont pas compatibles avec les liners plastiques et même avec certains matériaux constituant le liner métallique (oxygène pur sous pression par exemple). Pour ces différents cas, l'utilisation d'un liner métallique compatible avec le gaz sous pression semble être une condition obligatoire pour la réalisation d'une bouteille de gaz sous pression.
Les bouteilles en matériau composite ont un poids à vide environ égal à la moitié de celles des bouteilles purement métalliques. Par exemple, une bouteille en matériau composite de 6 1 à la pression de consigne de 300 bars pèse 3.4 kg à vide alors que la même bouteille purement métallique pèse 7,5 kg à vide. Cette légèreté attribuée aux bouteilles en matériau composite facilite leur utilisation dans les domaines nécessitant une grande mobilité; c'est le cas par exemple pour les bouteilles de plongée, de celles utilisées pour l'assistance médicale, notamment respiratoire ou encore par les pompiers. Cependant, lorsque lesdites bouteilles en matériau composite sont remplies de gaz, le poids d'ensemble de la bouteille devient conséquent pour une utilisation dans les domaines nécessitant une grande mobilité de la bouteille. Ces bouteilles en matériau composite présentent comme principal inconvénient d'avoir une épaisseur de liner métallique relativement importante, d'au moins 1,5 mm d'épaisseur, ce qui introduit un surpoids non négligeable sur le poids total des bouteilles. De l'état de la technique, il est impossible de fabriquer un liner métallique avec une épaisseur inférieure à 1,5 mm et notamment de taille submillimétrique c'est dire de taille inférieure à 1 mm, car en deçà de cette valeur, les contraintes mécaniques exercées lors de la fabrication du liner fait de sorte que le liner se déchire lors de sa fabrication et/ou ne peut supporter les efforts lors de l'enroulement filamentaire. En effet, la technique de fabrication usuelle, utilisée et/ou décrite dans l'état de la technique ne semble plus adaptée pour réduire simultanément la masse du liner et l'épaisseur dudit liner à une valeur inférieure à 1 mm c'est dire à une valeur submillimétrique. Le but de l'invention est de fournir un réservoir sous pression, pour contenir un gaz à une pression nettement supérieure à la pression ambiante, à moindre coût de fabrication, ultra léger, présentant un poids très faible et une épaisseur de liner de taille submillimétrique remédiant aux inconvénients évoqués et améliorant les réservoirs sous pression en matériau composite connus de l'état de la technique. Dans la description qui suit, les termes suivants auront la définition suivante: Submillimétrique : taille ou épaisseur comprise entre 0,001mm et 1 mm, c'est à dire, des épaisseurs ou tailles de quelques micromètres, mais inférieures à 1 mm. Technique d'enroulement filamentaire : c'est un procédé permettant d'obtenir des pièces de très bonnes caractéristiques mécaniques, en matériau composite, par enroulement de fibres sur un mandrin. Ce procédé consiste à enrouler, par l'intermédiaire d'un guide-fil, suivant un angle prédéfini, des fibres imprégnées de résine sur un mandrin et à faire polymériser la structure. - Liner : structure permettant de garantir l'étanchéité du gaz. - structure ultra mince : une structure en matériau ayant une épaisseur d'au plus 1 mm, c'est à dire inférieure ou égale à 1 mm. - structure très mince : une structure en matériau ayant une épaisseur d'au moins 1 mm. - Structure ultra léger : une structure ayant un poids (masse) inférieure ou égale à 3 kg L'invention a pour objet un réservoir sous pression, destinée à contenir un gaz à une pression nettement différente de la pression ambiante, comprenant au moins une enveloppe métallique très mince, appelée liner, et au moins une enveloppe en matériau composite encapsulant ledit liner, laquelle est disposée par bobinage ou par enroulement filamentaire sur ladite enveloppe métallique très mince, ladite enveloppe métallique très mince comprenant au moins une partie PC de longueur LPC de forme sensiblement cylindrique plus ou moins allongée et d'épaisseur sensiblement constante, et deux extrémités P1 et P2 de longueur LP1 et LP2 respectivement, caractérisé en ce que l'enveloppe métallique très mince constituant la partie PC est constituée par au moins une feuille métallique ultra mince métallique laquelle est pliée par enroulage et assemblée par soudage suivant au moins une direction, notamment suivant l'axe XX', pour assurer la continuité des surfaces à assembler suivant ladite direction, de façon à définir une forme sensiblement cylindrique à tenue mécanique importante, et en ce que ladite feuille métallique ultra mince étant en matériau compatible avec les propriétés physiques et chimiques du gaz à haute pression, en particulier compatible avec le gaz à contenir et en ce que ladite feuille ultra mince ayant en outre une épaisseur submillimétrique inférieure ou égale à 1 mm, de préférence une épaisseur inférieure à 700 micromètres. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les extrémités P1 et P2 sont assemblées de manière permanente à la partie PC par soudure et en ce que les extrémités P1 et P2 et la partie PC sont encapsulées par bobinage au moyen de la technique d'enroulement filamentaire par l'enveloppe en matériau composite, laquelle est constituée de fibres de carbone et/ou de verre et/ou d'aramide haute performance et de résine. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les longueurs LP1 et LP2 des extrémités P1 et P2 sont inférieures à une valeur prédéterminée LPD dépendant de la tenue mécanique du réservoir, de la résistance mécanique des matériaux composant le réservoir, notamment des matériaux composant le liner et l'enveloppe en matériau composite, et de la géométrie de l'enroulement filamentaire. Avantageusement, le rapport des longueurs (LP1+LP2)/LPC est inférieur à 0,7 de façon à minimiser la masse de l'enveloppe métallique très mince.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le réservoir objet de la présente invention comprend en outre une couche de protection extérieure en composite fibres de verre ou en plastique renforcé de fibre de verre haute résistance. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, au moins une des extrémités PI et/ou P2 a une géométrie elliptique et/ou parabolique et/ou sphérique et/ou torisphérique et ayant en outre une épaisseur évolutive, ladite épaisseur des extrémités Pl et/ou P2 étant en tout point inférieure à 4mm et étant sensiblement égale au double de l'épaisseur de la feuille ultra mince au niveau des extrémités. Avantageusement, la masse du liner est sensiblement inférieure à la masse de l'enveloppe en 10 matériau composite et en ce que la longueur LPC soit suffisamment grande par rapport aux longueurs LP1 et LP2 de façon à ce que la masse du liner soit aussi faible que possible. Avantageusement, les paramètres physiques suivants : la masse du réservoir, la tenue mécanique notamment la pression, et le volume du réservoir sont adaptés de sorte que la masse par unité de volume Mv (masse/volume) dudit réservoir soit toujours inférieure à 0,52 kg/L et le facteur de 15 performance (pression x volume / masse) dudit réservoir soit toujours supérieur à 575 bar.L/kg. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le liner a une étanchéité à l'hélium bien inférieure à 3,3x10-5 mbar. 1.s4 pour une pression d'épreuve d'au moins 300 bars, et en ce que ledit liner est en acier inoxydable ou en aluminium ou en titane. Avantageusement, le réservoir selon l'invention comprend en outre au moins un organe de 20 protection et d'ergonomie, monté de manière non amovible pour protéger des chocs, des chutes et autres incidents, ledit organe de protection et d'ergonomie étant conçu avec des matériaux capables d'absorber des chocs par déformation sans se rompre. Le réservoir selon l'invention est utilisé principalement comme bouteille de gaz sous pression, comprenant principalement un gaz à usage médical. Il peut être également utilisé comme réservoir 25 de stockage de gaz combustible ou liquéfié comme l'hydrogène. Le réservoir selon l'invention présente l'avantage d'être très léger avec un poids inférieur à ceux des réservoirs existants de l'état de la technique grâce à sa masse à vide qui est sensiblement à inférieure 3kg et à l'épaisseur de son liner qui est de taille submillimétrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, prises seules ou en combinaison, apparaîtront 30 à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un réservoir selon l'invention ; la figure 2a et la figure 2b sont des représentations schématiques de la partie sensiblement cylindrique du réservoir représenté à la figure 1 avant et après assemblage par soudure ; la figure 3a et la figure 3b sont des représentations schématiques de l'une des extrémités du réservoir représenté à la figure 1 avant l'assemblage par soudure avec la partie sensiblement cylindrique ; la figure 4 est une représentation schématique de l'enveloppe métallique très mince (liner) d'un réservoir selon l'invention après différentes assemblages par soudure ; La figure 1 est une représentation schématique d'un réservoir (1) sous pression caractérisant un mode de réalisation des réservoirs sous pression objet de la présente invention. Le réservoir (1) est notamment une bouteille sous pression. Le réservoir (1) sous pression est de forme sensiblement cylindrique, plus ou moins allongée, conçue pour contenir un gaz à une pression nettement différente de la pression ambiante. En référence à la figure 1, le réservoir (1) comprend principalement au moins une enveloppe métallique très mince (2) appelée liner, au moins une enveloppe en matériau composite (3).
L'enveloppe en matériau composite (3) constitue une couche d'encapsulation du liner (2). Cette enveloppe comprend en outre, mais pas exclusivement, une couche de protection (4) extérieure en composite fibres de verre ou en plastique renforcé de fibre de verre haute résistance. La figure 2a est une représentation de la partie sensiblement cylindrique PC de l'enveloppe très mince (2) du réservoir représenté à la figure 1 avant enroulage et assemblage par soudure. Cette figure montre que la partie sensiblement cylindrique PC de l'enveloppe très mince (2) avant enroulage et assemblage par soudure est une feuille métallique ultra mince (5) d'épaisseur submillimétrique et de longueur LPC. Les deux extrémités (7) de ladite feuille métallique ultra mince (5) sont assemblées (mises en contact) puis soudées pour former un cylindre de longueur LPC représenté sur la figure 2b.
La figure 2b est une représentation schématique de la partie sensiblement cylindrique PC de l'enveloppe très mince (2) du réservoir (1) représenté à la figure 1 après enroulage et assemblage par soudure (6). Cette figure montre que la partie cylindrique de l'enveloppe (2), après enroulage puis assemblage par soudure (6), est formée à partir de la feuille métallique ultra mince (5) d'épaisseur submillimétrique, laquelle est enroulée et assemblée par soudage suivant au moins un axe, notamment suivant l'axe XX', de façon à définir un cylindre de longueur LPC et de diamètre D. L'assemblage des deux extrémités (7) de la feuille métallique ultra mince (5) est réalisé de façon permanente suivant l'axe XX' pour assurer la continuité des surfaces assemblées. Les figures 3a et 3b sont des représentations schématiques de l'une des extrémités PI ou P2 de l'enveloppe très mince (2) du réservoir représenté à la figure 1 avant assemblage par soudure avec la partie PC de l'enveloppe très mince (2). Cette figure montre que l'extrémité P1 et/ou P2 a une géométrie elliptique ou parabolique ou toeisphérique. Le choix de la géométrie est définit par la nature des contraintes qu'exerce le gaz dans le réservoir tout en maximisant la durée de vie du réservoir. L'épaisseur de l'enveloppe très mince (2) en Pl et/ou en P2 est sensiblement évolutive et reste inférieure à 4 mm pour minimiser la masse aux extrémités du réservoir.
La figure 3a montre également la présence d'un chanfrein (8) permettant de raccorder la partie PC non chanfreinée de l'enveloppe métallique très mince (2) avec l'une des extrémités Pl et/ou P2 chanfreiné dudit enveloppe métallique très mince (2). Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3a, l'épaisseur de l'une des extrémités P1 et/ou P2 au niveau des surfaces de raccordements (9) suivant l'axe YY' est sensiblement égale à l'épaisseur sur la partie PC de façon à assurer la continuité des surfaces lors de l'assemblage par soudure avec la partie PC. Également, l'épaisseur de l'une des extrémités Pl et/ou P2 aux points de raccordement (10) avec le mécanisme de contrôle et de distribution de gaz (11) est sensiblement égale au double de l'épaisseur de la feuille métallique ultra mince (5) constituant la partie PC. La figure 4 est une représentation schématique de l'enveloppe métallique très mince (2) d'un réservoir (1) selon l'invention après différents assemblages par soudures (6) entre les différentes extrémités (7, 12), comme représenté sur la figure 2a pour de la partie cylindrique PC et les fonds (extrémités Pl et P2) présentés aux figures 3a et 3b. Cette figure montre que l'enveloppe métallique très mince (2) constituant le liner métallique comprend au moins trois parties. Une partie PC cylindrique de longueur LPC et deux parties P1 et P2 courbes de longueur respective LP1 et LP2. Les différentes parties constituant l'enveloppe métallique très mince (2) sont assemblées de manière permanente par soudage de façon à assurer la continuité des surfaces assemblées pour former une enveloppe très légère, à tenue mécanique importante, en particulier en fatigue, et enfin un réservoir pour gaz sous pression. Les soudures (6) sont réalisées soient longitudinalement et/ou radialement selon l'axe de révolution XX' du réservoir (1).
En référence à la figure 1, le réservoir (1) est destiné à contenir un gaz à une pression supérieure à la pression ambiante, plus particulièrement un gaz à une pression d'au moins 200 bar ou 300 bar. La valeur de pression est choisie en fonction de la nature et de la destination du gaz. Par exemple pour de l'oxygène médical, la pression choisie est 200 bar. L'enveloppe en matériau composite (3) est une couche d'encapsulation de l'enveloppe métallique très mince (2). Ladite enveloppe en matériau composite (3) est disposée par bobinage sur l'enveloppe métallique très mince (2) au moyen de la technique d'enroulement filamentaire, contrôlée par ordinateur. L'enveloppe métallique très mince (2) comprend principalement trois parties telles que représentées sur la figure 4: une partie PC de longueur LPC, de forme sensiblement cylindrique, plus ou moins allongée et d'épaisseur sensiblement constante, et deux extrémités Pl et P2 de longueur LP1 et LP2 respectivement.
En référence aux figures 2a et 2b, les extrémités Pl et P2 peuvent avoir des formes variées (sphérique, elliptique, torosphérique, ...). Ces extrémités P1 et P2 peuvent comporter ou non une ouverture permettant de fixer un mécanisme de contrôle et de distribution du gaz (11). Au moins une de ces deux extrémités P1 et/ou P2 comporte une ouverture.
En référence aux figures 2a et 2b, une feuille métallique ultra mince (5), d'épaisseur submillimétrique, de forme sensiblement rectangulaire, de longueur LPC est enroulée de façon à définir un cylindre de longueur LPC et de diamètre D. Ce cylindre constitue la partie PC de l'enveloppe métallique très mince (2). Ce cylindre est assemblé la soudure (6) en joignant les deux côtés ou extrémités (7). De préférence, la soudure est réalisée suivant l'axe XX' mais il est également possible de réaliser une soudure hélicoïdale. Ce soudage permet d'assembler de manière permanente les côtés ou extrémités (7) de façon à réaliser un cylindre étanche et résistant aux contraintes mécaniques, notamment les chocs mécaniques. Le soudage est réalisé de façon à définir une forme sensiblement cylindrique à tenue mécanique importante, en particulier en fatigue. Plusieurs types d'assemblage par soudages peuvent être envisagés pour réaliser les soudures (6) en fonction des matériaux choisis ; par exemple, sans que cette liste soit exhaustive, le soudage laser, le soudage plasma, le soudage diffusion, le soudage par faisceau d'électrons, etc. L'avantage d'assembler les différents éléments de l'enveloppe métallique très mince (2) par soudage réside dans le fait que le soudage est compatible avec l'utilisation des feuilles métalliques ultra minces (5) de l'ordre de quelques centaines de micromètres, qui sont nécessaires pour réaliser la plus grande partie du liner métallique (2) et donc de réduire considérablement la masse de ce liner métallique (2). Et en ce que, les éléments constituants l'enveloppe métallique très mince (2) sont compatibles avec le mode de soudage choisi. Un autre avantage de l'assemblage par soudage est en ce que, l'assemblage des différentes parties du liner (2) par soudage permet d'utiliser un liner (2) très mince de taille submillimétrique. Ce type de liner de taille submillimétrique présente l'avantage d'avoir une résistance mécanique très faible, conduisant le liner à mieux suivre le comportement de l'enveloppe en matériau composite (3). Avantageusement, les différentes parties PC, P1 et P2 constituant le liner métallique (2) sont assemblées de manière permanente par soudage dans au moins une direction suivant l'axe XX' et/ou YY'.
Avantageusement, la partie PC est liée aux extrémités P1 et P2 par au moins une soudure (6) suivant le pourtour du cercle définissant le cylindre de la partie PC. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'extrémité Pl et/ou P2 a une forme sensiblement sphérique de rayon RP1 et/ou RP2, de longueur LP1 et/ou LP2 et de diamètre D. Lorsque l'on parcourt cette calotte sphérique de l'équateur vers le pôle, l'épaisseur augmente régulièrement et reste inférieure à 4mm Dans l'exemple de réalisation présenté à la figure 3a, l'épaisseur de l'extrémité (9) au niveau de l'équateur est sensiblement égale à l'épaisseur de la feuille métallique ultra mince (5) utilisée pour réaliser la partie cylindrique PC. L'épaisseur au niveau du raccordement (10) avec le mécanisme de contrôle et de distribution du gaz (11) est sensiblement proportionnelle à l'épaisseur de la feuille ultra mince (5). Le coefficient de proportionnalité est calculé de façon à garantir la tenue mécanique du réservoir et est, entre autre, fonction du diamètre du mécanisme de contrôle et de distribution du gaz (11) et de l'épaisseur de la feuille ultra mince (5). Selon ce mode de réalisation, le mécanisme de contrôle et de distribution du gaz (11) et la calotte sphérique en Pl sont réalisés en une seule pièce. Tel que représenté sur la figure 3a, au moins une des extrémités P1 et/ou P2 a un rayon de courbure sensiblement elliptique ou parabolique ou sphérique et une épaisseur évolutive, ladite épaisseur des extrémités Pi et/ou P2 est inférieure à 4 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
Selon l'invention, La feuille ultra mince métallique (5) a une épaisseur submillimétrique, c'est-à- dire une épaisseur de quelques centaines de micromètres, de préférence une épaisseur inférieure à 700 micromètres. En comparaison avec les liners métalliques existants, ce dernier reste très léger du fait de sa faible épaisseur et de son procédé de fabrication, notamment d'assemblage par soudage.
Pour avoir une bouteille plus légère, l'épaisseur du liner métallique (2) doit être aussi mince que possible, de préférence inférieure à 700 micromètres. Le matériau utilisé pour la conception du liner (2) dépend de la nature du gaz à stocker dans le réservoir (1). Selon la nature du gaz, le liner (2) peut être, sans que cette liste soit exhaustive, en acier inoxydable et/ou en aluminium et/ou en titane.
En référence à la figure 3a et à la figure 3b, les extrémités P1 et/ou P2 comprennent au moins un chanfrein (8) et une surface de raccordement (9) permettant de faciliter l'assemblage permanent par soudure des dites parties avec la partie PC. L'épaisseur de la partie chanfreinée de Pl et P2 est sensiblement égale à celle de la partie PC. Les longueurs LP1 et/ou LP2 des extrémités P1 et P2 sont inférieures à une valeur prédéterminée LPD dépendant de la durée de vie des matériaux constituant le réservoir (1) et de la géométrie de l'angle d'enroulement filamentaire. De préférence, LPD = LPC. En effet, la longueur LPC doit être suffisamment grande par rapport à la longueur LP1 et LP2 de façon à ce que le poids, notamment la masse, de l'enveloppe métallique (2) soit négligeable par rapport au poids de l'enveloppe (3) en matériaux composite. Avantageusement, la masse de l'enveloppe métallique (2) est inférieure à 1,4 kg pour les réservoirs (1) de contenance inférieure à 111 de façon à minimiser la masse de ladite enveloppe métallique très mince (2) dans le réservoir (1) ou par rapport à l'enveloppe en matériau composite. Les extrémités P1 et P2 ont un diamètre sensiblement égal au diamètre D de la partie cylindrique PC et une épaisseur proportionnelle à l'épaisseur de la feuille métallique ultra mince (5). Les longueurs LP1 et/ou LP2 des extrémités Pl et P2 sont inférieures à une valeur prédéterminée LPD dépendant de la tenue mécanique du réservoir (1), de la résistance mécanique des matériaux composant le réservoir (1), en particulier des matériaux composant le liner (2) et l'enveloppe composite (3) et de la géométrie de l'enroulement filamentaire. En effet, plus la longueur LPD sera petite plus la masse du liner (2) sera faible.
De préférence, le rapport des longueurs (LP1+LP2)/LPC est inférieur à 0,7 de façon à minimiser considérablement et à chaque fois, la masse de l'enveloppe métallique très mince (2). Avantageusement, le rapport des longueurs (LP1+LP2)/LPC est inférieur à 0,7 et l'épaisseur des extrémités Pi et P2 au niveau des extrémités (10) est sensiblement égale à l'épaisseur de la feuille ultra mince (5) constituant la partie PC. Par exemple, la masse de l'enveloppe métallique (2) est inférieure à 1,3 kg pour des réservoirs (1) d'une contenance de 5 1. Tel que représenté sur la figure 3a, au moins une des extrémités P1 et/ou P2 a un rayon de courbure sensiblement elliptique ou parabolique ou sphérique ou torisphérique et une épaisseur évolutive, ladite épaisseur des extrémités P1 et/ou P2 est, de préférence, inférieure à 2 mm Tel que représenté sur la figure 4, les extrémités Pl et P2 sont reliées à la partie PC par soudure (6) pour constituer l'enveloppe métallique très mince (2) du réservoir (1) objet de l'invention. Lesdites extrémités P1 et P2 et la partie PC constituant le liner (2) sont encapsulées par bobinage au moyen d'une technique d'enroulement filamentaire par des fibres de carbone haute performance et de résine. L'enveloppe métallique très mince (2), ultra légère, ainsi assemblée par soudage guidée, notamment par soudage de la feuille métallique ultra mince (5) définissant la partie PC et par assemblage par soudage de ladite partie PC avec les extrémités Pl et P2, a une étanchéité à l'hélium meilleure que 3,3x106 mbar.l.s'i à une pression de moins 300 bars. Avantageusement, les matériaux choisis pour constituer ladite enveloppe (2) ultra légère ont des propriétés physico-chimiques compatibles avec le gaz sous pression contenu dans le réservoir.
Avantageusement, les matériaux choisis pour constituer ladite enveloppe (2) ultra légère ont des propriétés physico-chimiques compatibles avec de l'oxygène sous pression. Le réservoir (1) peut comprendre au moins un organe de protection et d'ergonomie, monté de manière non amovible au réservoir (1) pour protéger des chocs, des chutes et autres incidents pouvant survenir sur ledit réservoir (1). Cet organe de protection et d'ergonomie est conçu avec des matériaux capables d'absorber des chocs par déformation sans se rompre. Avantageusement, les différents paramètres physique et chimique, notamment, sans que cette liste soit exhaustive, la masse, la pression, le volume et d'autres paramètres relatifs au matériau constituant le réservoir (1) sont adaptés de sorte que la masse par unité de volume Mv (masse/volume) dudit réservoir soit toujours inférieur à 0,52 kg/1 et le facteur de performance (pression x volume / masse) dudit réservoir soit toujours supérieur à 575 bar.1/kg. Le réservoir (1) selon l'invention est principalement utilisé comme bouteille de gaz sous pression, pour stocker et distribuer un gaz à usage médical.
L'invention a permis de mettre en oeuvre une nouvelle génération de réservoirs (1), ultra léger, pour gaz haute pression, composés d'au moins un liner métallique (2) ultra léger et d'une enveloppe composite (3), ceci pour stocker un gaz ou des mélanges de gaz pouvant contenir des teneurs importantes d'oxygène. L'invention a permis de mettre en oeuvre une nouvelle génération de réservoirs (1), ultra léger, pour gaz haute pression, dans lequel la masse du liner métallique (2) ultra léger est inférieure à celle de l'enveloppe en matériau composite (3), Le réservoir (1) selon l'invention présente l'avantage d'avoir une masse (poids), un encombrement, une ergonomie et un design optimisé pour permettre une mobilité augmentée des utilisateurs. En particulier, la masse du liner peut être inférieure à 1,3 kg pour les réservoirs (1) ayant une contenance de 5 litres et inférieure à 2,5 kg pour une contenance de 11 litres. En particulier, l'ergonomie du réservoir (1) est optimisée pour profiter au maximum du gain de poids dudit réservoir (1). Le réservoir (1) selon l'invention présente également l'avantage d'avoir une conception optimisée lui permettant d'être utilisé en milieu hospitalier, en particulier pour contenir du gaz médical dans les meilleures conditions possibles de sécurité, en augmentant le facteur bénéfice/risque. Le faible poids des réservoirs (1) selon l'invention permet de garantir une meilleure mobilité desdits réservoirs (1) par des utilisateurs, ce qui diminue les risques liés au transport de réservoir lourd et augmente les bénéfices d'un traitement à domicile, par exemple, du fait que l'utilisateur peut se déplacer plus facilement.
Le liner (2) constituant ledit réservoir (1) selon l'invention est composé d'au moins une partie réalisée à partir d'une tôle mince de moins de 0,9 mm d'épaisseur, voire de moins de 0,5mm d'épaisseur, soudée. L'assemblage permanent du liner (2) est réalisé par soudage maitrisé, de manière à garantir une excellente étanchéité et une excellente tenue mécanique, même en fatigue.
Le réservoir selon l'invention est compatible avec l'oxygène pur, car, le liner (2) est réalisé dans un matériau compatible avec l'oxygène sous haute pression, en particulier l'acier inoxydable. En effet, certaines nuances de cette famille de matériaux peuvent posséder des caractéristiques en tenue mécanique, en particulier en tenue en fatigue, très intéressantes. Il a également une gamme d'utilisation en température importante, de -40°C à 70°C. Avantageusement, le liner (2) comprend au moins un fond, lequel présente une ouverture permettant l'arrivée et la sortie du gaz, la ou les ouverture(s) permettant la fixation d'un moyen de fermeture standard et/ou d'un manodétendeur. Avantageusement, le liner (2) peut être utilisé comme mandrin pour l'application du matériau composite (3) au moyen d'enroulement filamentaire. Le matériau composite (3) utilisé possède des propriétés mécaniques, physiques et chimiques permettant de garantir la tenue mécanique du réservoir (1) en toute sécurité et de limiter les déformations du liner métallique (2). Ledit matériau composite est soit à base de fibres de carbone, de fibres de verre, de fibres d'aramide ou autres et comprend une matrice ou résine adaptée aux fibres utilisées.
Le réservoir (1) selon l'invention est compatible avec différents éléments standards de délivrance de gaz existant au marché (en fonction de la nature du gaz). Avantageusement, les matériaux composant les organes de protection et d'ergonomie sont capables d'absorber des chocs, par déformation, et sans se rompre. La conception desdits organes est adaptée avec le gain en poids du liner (2) tout en maintenant un niveau de sécurité optimal.
Le réservoir selon l'invention peut être positionné verticalement ou horizontalement. Contrairement aux préjugés qui consistaient à croire que seul un liner sans soudure permet de réduire le poids d'un réservoir et qu'il est impossible de concevoir de liner métallique ultra mince et ultra léger, le réservoir (1) et son liner (2) selon l'invention permettent de fournir un réservoir ultra léger, avec un liner métallique ultra léger d'épaisseur submillimétrique, assemblé de manière permanente par soudure. L'homme du métier pourra utiliser le réservoir selon l'invention dans de nombreux autres domaines techniques similaires sans sortir du cadre technique de la présente invention.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1) Réservoir (1) sous pression, destiné à contenir un gaz à une pression nettement différente de la pression ambiante, comprenant au moins une enveloppe métallique très mince (2) appelée liner (2) et au moins une enveloppe en matériau composite (3) encapsulant ledit liner (2), laquelle est disposée par bobinage ou par enroulement filamentaire sur ledit liner (2), ledit liner (2) comprenant au moins une partie PC de longueur LPC, de forme sensiblement cylindrique plus ou moins allongée et d'épaisseur sensiblement constante, et deux extrémités P1 et P2 de longueur LP1 et LP2 respectivement, caractérisé en ce que la partie PC du liner (2) est constituée par au moins une feuille métallique ultra mince (5), laquelle est pliée par enroulage et assemblée par soudage guidé suivant au moins une direction, notamment suivant l'axe XX', pour assurer la continuité des surfaces assemblées suivant ladite direction, de façon à définir une forme sensiblement cylindrique à tenue mécanique importante, et en ce que ladite feuille métallique ultra mince (5) et les deux extrémités P1 et P2 sont en matériau compatible avec les propriétés physiques et chimiques du gaz à haute pression à contenir, et en ce que ladite feuille métallique ultra mince (5) ayant en outre une épaisseur submillimétrique inférieure ou égale à 1 mm, de préférence une épaisseur inférieure à 700 micromètres.
  2. 2) Réservoir (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que les extrémités P1 et P2 sont assemblées de manière permanente à la partie PC par soudure (6) et en ce que les extrémités Pl et P2 et la partie PC sont encapsulées par bobinage, au moyen de la technique d'enroulement filamentaire, par l'enveloppe en matériau composite (3) laquelle est constituée de fibres de carbone et/ou de verre et/ou d'aramide haute performance et de résine.
  3. 3) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les longueurs LP1 et LP2 des extrémités P1 et P2 sont inférieures à une valeur prédéterminée LPD dépendant de la tenue mécanique du réservoir (1), de la résistance mécanique des matériaux composant le réservoir (1), notamment des matériaux composant le liner (2) et l'enveloppe composite (3), et de la géométrie de l'enroulement filamentaire.
  4. 4) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport des longueurs (LP1+LP2)/LPC est inférieur à 0,7 de façon à minimiser la masse du liner (2).
  5. 5) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de protection extérieure (4) en composite fibres de verre ou en plastique renforcé de fibre de verre haute résistance. ' Ob 3030679 13
  6. 6) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins une des extrémités Pl et/ou P2 a une géométrie elliptique ou parabolique ou sphérique ou torisphérique et ayant en outre une épaisseur évolutive, ladite épaisseur des extrémités P1 et/ou P2 étant en tout point inférieure à 4mm ou étant sensiblement égale au double de l'épaisseur de la 5 feuille métallique ultra mince (5) au niveau des extrémités (10).
  7. 7) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, la masse du liner (2) est sensiblement inférieur à la masse de l'enveloppe en matériau composite (3) et en ce que la longueur LPC soit suffisamment grande par rapport aux longueurs LP1 et LP2 de façon à ce que la masse liner (2) soit aussi faible que possible. 10
  8. 8) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les paramètres physiques suivantes : la masse du réservoir (1), la tenue mécanique notamment la pression, et le volume du réservoir (1) sont adapté de sorte que la masse par unité de volume Mv (masse/volume) dudit réservoir soit toujours inférieur à 0,52 kg/L et le facteur de performance (pression x volume / masse) dudit réservoir soit toujours supérieur à 575 bar.L/kg. 15
  9. 9) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le liner (2) a une étanchéité à l'hélium bien inférieure à 3,3x10.5 mbar. 1.s-1 pour une pression d'épreuve d'au moins 300 bars, et en ce que ledit liner (2) est en acier inoxydable ou en aluminium ou en titane.
  10. 10) Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 20 comprend en outre au moins un organe de protection et d'ergonomie, monté de manière non amovible pour protéger ledit réservoir des chocs, des chutes et autres incidents.
  11. 11) Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'est utilisé principalement comme bouteille de gaz sous pression, comprenant principalement un gaz à usage médical. 25
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