FR3131359A1 - Réservoir cryogenique embarqué léger de forme quelconque optimisé structurellement - Google Patents

Réservoir cryogenique embarqué léger de forme quelconque optimisé structurellement Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de réservoir léger pour fluide cryogénique, et constitué d’un ou de réservoirs internes (1), lui-même ou eux-mêmes contenu dans une enveloppe extérieure (2). L’espace entre le réservoir interne (1) et l’enveloppe extérieure (2) est rempli par des sphères ou des microsphères creuses (3) sous contraintes, et mis sous vide. Par l’ajout d’un ou plusieurs vases d’expansion et/ou lors du remplissage et/ou de la mise en pression du réservoir interne (1), ce dernier transmet tout ou parti de la pression à l’enveloppe extérieure (2), qui bien que sous vide subit un mode de chargement bien plus faible que traditionnellement, voire même une déformation en extension, comme s’il s’agissait d’un réservoir sous pression. L’enveloppe extérieure (1) peut donc être allégée et tirer pleinement profit des excellentes caractéristiques en traction des matériaux composites. Le vase d’expansion (7) permet de régler et de maintenir la contrainte dans les sphères ou microsphères creuses (3). L’innovation permet donc de créer des réservoirs cryogéniques légers de forme élancée et/ou plane, facilement logeable dans les espaces exigus. Ces réservoirs cryogéniques légers seront particulièrement utiles dans le cadre de carburants cryogéniques comme l’hydrogène, embarqués et utilisés dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins. Dans le cadre d’aéronefs, ce dispositif permettra de stocker des carburants cryogéniques comme l’hydrogène dans les ailes et de s’intégrer et de contribuer à leurs structure Figure pour l’abrégé : [Fig 1]

Description

RÉSERVOIR CRYOGENIQUE EMBARQUÉ LÉGER DE FORME QUELCONQUE OPTIMISÉ STRUCTURELLEMENT
La présente invention concerne un dispositif de réservoir léger de forme quelconque pour un ou des fluides cryogéniques. La problématique des réservoirs cryogéniques consiste à trouver un compromis entre la sécurité, la performance thermique, le poids, la fiabilité notamment mécanique et les coûts d’achats, de montage et d’entretien de l’installation. Les technologies actuelles s’agencent autour d’un réservoir interne isolé contenant le fluide cryogénique, et contenu dans une enveloppe extérieure sous un vide poussé. Le dimensionnement de l’enveloppe extérieure, également appelée « enveloppe à vide », est particulièrement difficile, car soumis à une dépression. En effet, la dépression interne de l’enveloppe provoque des contraintes de compression et de cisaillement, et des déformations de flambage et d’écrasement. Ces phénomènes souvent instables sont d’autant plus critiques que l’enveloppe est élancée, non-circulaire, et de faible épaisseur.
Pour diminuer ces contraintes les réservoirs sont généralement cylindriques avec une géométrie assez précise et relativement épais ce qui pénalise la masse du réservoir. Pour les mêmes raisons, les grandes surfaces planes sont proscrites, ce qui contrarie la réalisation de réservoirs plats qui pourraient plus facilement s’intégrer dans des espaces exigus. Par ailleurs les matériaux composites qui constituent une grande capacité à diminuer la masse structurale des réservoirs, résistent bien aux contraintes de traction, mais relativement mal aux contraintes de compression et de cisaillement. L’ajout de raidisseurs dans la structure pénalise soit le volume utile du réservoir, soit son isolation thermique, soit les deux. L’étape de l’isolation du réservoir interne par de la « superisolation » est délicate et coûteuse en temps de fabrication et de mise sous vide.
L’innovation consiste donc à créer un réservoir cryogénique dont le mode de chargement mécanique de l’enveloppe extérieure ne sera pas de la compression et du cisaillement élevé, mais une diminution des contraintes, voire même la transformation en une contrainte principale en traction. Comme le montre la , la présente invention est constituée d’un réservoir interne (1) étanche à l’intérieur duquel est stocké le fluide cryogénique à pression ambiante ou de préférence en surpression, et contenue dans une enveloppe extérieure (2). L’espace entre le réservoir interne (1) et l’enveloppe extérieure (2) est rempli par des sphères ou des microsphères creuses (3) sous contraintes mécaniques, et mis sous vide. Ces sphères ou microsphères creuses, dont le diamètre moyen peut varier de quelques dizaines de micromètres à quelques millimètres, peuvent être réalisées en verre, en matière polymère ou céramique, en carbone voir à base de matériaux métalliques. Elles sont éventuellement revêtues par un ou des traitements isolants et/ou aux pouvoirs rayonnants. Les sphères ou microsphères creuses (3) jouent simultanément un rôle structural et d’isolation thermique.
Le vide entre les sphères ou microsphères creuses (3) sera soit un vide scellé ou un vide dynamique. Dans le cas d’un vide dynamique, le dispositif disposera de son propre circuit de pompage (10) de l’enveloppe extérieure (2). Comme dans toutes les installations nécessitant une mise sous un vide, la propreté de l’ensemble des éléments internes sera essentielle, notamment les sphères ou microsphères creuses qui pourront être lavées et étuvées avant montage. Des composants dessiccateurs pourront être introduit dans l’enveloppe extérieure (2), pour éliminer l’humidité résiduelle et les éventuels produits de dégazage. Les techniques traditionnelles de chauffage autour de 100°C pour faciliter le dégazage des matériaux internes pourront être utilisées et les températures de chauffage même augmenter dans le cas de sphères ou de microsphères creuses en verre. Des capteurs de pression et de présence des molécules du ou des fluides cryogéniques permettent de s’affranchir d’éventuelles fuites du réservoir interne (1) ou de l’enveloppe extérieure (2).
Le réservoir interne (1) est constitué d’une structure rigide ou d’un liner interne (4). Par liner il faut entendre ici, une structure étanche à faible rigidité, d’une certaine souplesse ou extensibilité dans un matériau élastique et/ou malléable et de faible épaisseur, offrant peu de résistance à la pression et capable de se déformer sans se déchirer. Le liner peut être métallique, textile, plastique ou sur la base de tous matériaux ou assemblage de multimatériaux. Le liner peut se présenter sous forme d’une poche ou d’une coque autoportante, obtenu par soudage, formage, thermoformage, moulage, rotomoulage, infusion, drapage ou tout autre procédé, et peut contenir des raidisseurs pour rigidifier ou pour limiter les déformations de tout ou partie de la structure du réservoir interne (1). Sous l’effet de la pression interne du fluide cryogénique et de la dépression dans l’interstice entre l’enveloppe extérieure (2) et le réservoir interne (1), la structure rigide ou le liner interne se déforme, gonfle légèrement et met les sphères ou microsphères creuses (3) sous contraintes qui se plaquent contre l’enveloppe externe (2). Cette dernière subit donc simultanément sur sa face interne la dépression du vide dans l’interstice et la poussée des sphères ou microsphères creuses sous contraintes, ce qui a pour conséquence de diminuer la contrainte dans l’enveloppe extérieure (2). Si la somme de la pression des sphères ou microsphères moins la dépression dans l’interstice, est supérieure à la pression ambiante à l’extérieure de l’enveloppe extérieure (2), cette dernière, bien que sous vide, subit un mode de chargement de type traction et une déformation en extension, comme s’il s’agissait d’un réservoir sous une faible pression. La structure de l’enveloppe extérieure (2) plus résistante pour ce type de chargement, peut donc être allégée au regard des technologies traditionnelles et leurs modes de charges et de flambage. L’enveloppe extérieure (2) peut être réalisée dans tous types de matériaux, mais le concepteur pourra par ce dispositif, tirer pleinement profit des excellentes caractéristiques en traction des matériaux composites et tout particulièrement des fibres de carbone.
Associé à un réservoir interne (1) peu épais ou composé d’un simple liner interne de faible épaisseur, le gain de masse d’un tel réservoir est conséquent, malgré l’utilisation de sphères ou microsphères creuses comme isolant dont la densité est particulièrement faible. Pour optimiser la masse du réservoir cryogénique, des renforts pourront être ajoutés sur l’enveloppe extérieure (2) et/ou sur le réservoir interne (1). Le dispositif pourra disposer d’un ensemble de piquages, de pompes, de vannes, de filtres, de soupapes, d’évents, de sondes et/ou de capteurs nécessaires au fonctionnement, à la surveillance et à l’entretien du réservoir cryogénique, ainsi qu’un circuit d’alimentation (4).
Pour augmenter la sécurité en cas de fuite du fluide cryogénique au travers du réservoir interne (1), l’enveloppe extérieure (2) pourra comprendre également un liner étanche (5) sur sa face interne. De même, pour améliorer l’isolation du réservoir et particulièrement en cas de dysfonctionnement et de rupture de vide, l’enveloppe extérieure (2) pourra comprendre un matériau isolant de type « foamglas » sur sa partie externe. En ultime recours, le réservoir interne (1) sera équipé d’un système de décharge et de purge (6) qui permettra d’éviter une trop forte pression et l’évacuation du fluide cryogénique.
Lors du remplissage du fluide cryogénique, la mise en froid provoque une rétractation du réservoir interne (1) et donc une augmentation du volume de l’interstice entre l’enveloppe extérieure (2) et le réservoir interne (1) et par conséquent une diminution de la pression des sphères ou microsphères creuses (3) sur l’enveloppe extérieure (2). Pour compenser cette perte de pression, le dispositif prévoit un système de type vase d’expansion (7) qui permet de régler et de compenser cette pression en ajoutant des sphères ou microsphères creuses (3). Ce ou ces vases d’expansion (7) permettent également d’amortir ou de compenser l’éventuel endommagement d’une partie des sphères ou microsphères creuses lors d’un choc ou d’une forte accélération accidentelle ou de vibrations internes ou externes au réservoir. Le vase d’expansion est également mis sous vide et comprend une réserve de sphères ou microsphères creuses associée à un système mécanique de mise sous contraintes des sphères ou microsphères, capable de les transférer vers l’interstice entre le réservoir interne (1) et l’enveloppe externe (2). In fine, c’est le ou les vases d’expansion qui régulent et règlent la contrainte de l’enveloppe extérieure à un faible niveau en générant le niveau de contrainte dans les sphères ou microsphères creuses.
Dans la plupart des cas, le réservoir interne (1) est autoporté par les sphères ou microsphères creuses. Son centrage par rapport à l’enveloppe externe (2) sera réalisé pendant la fabrication. Pour garantir sa géométrie et son intégrité, une mise sous une certaine pression pendant ou à partir du remplissage des sphères ou microsphères creuses peut être nécessaire. Dans le cas de réservoirs élancés et verticaux ou pour des réservoirs embarqués soumis à de fortes accélérations ou des vibrations importantes, des systèmes de supportages classiques peuvent s’avérer nécessaires. Pour tenir compte de la souplesse et de l’élasticité et garantir l’intégrité du réservoir interne (1), ces systèmes classiques pourront être remplacés par des bandes textiles (8) d’une largeur suffisante pour répartir la charge. La matière de ces bandes textiles (8) sera résistante et isolante thermiquement, comme par exemple de la fibre de verre. Une autre solution ou une solution complémentaire consiste à mettre sur le réservoir interne (1) des butées (9) qui permettront de garantir dans tous les cas une épaisseur minimum de sphères ou de microsphères creuses entre le réservoir interne (1) et l’enveloppe extérieure (2). Une variante consiste à intégrer dans une même enveloppe extérieure plusieurs réservoirs internes reliés entre eux ou pas.
Comme illustré sur la , la présente invention peut être combinée avec le descriptif de la demande de brevet n° FR2011805. Dans ce cas, le réservoir interne est composé d’un réservoir primaire (11) étanche dans lequel est contenu le fluide cryogénique par exemple de l’hydrogène et englobé dans un réservoir secondaire (12) également étanche dans lequel est contenu un fluide de refroidissement et/ou d’inertage, par exemple de l’hélium. Pour jouer son rôle protecteur en cas de fuite du réservoir primaire, l’hélium est maintenu à une pression supérieure à celle du stockage de l’hydrogène. Le réservoir primaire (11) sera construit rigide alors que le réservoir secondaire (12) se composera d’un simple liner tel que défini précédemment afin de transmettre tout ou partie de sa pression aux sphères ou microsphères creuses (3) sous vide.
De fait, comme dans le cas précédent, l’enveloppe extérieure (13) subira un mode de chargement réduit voire de type traction et une déformation en extension, comme s’il s’agissait d’un réservoir sous pression. La structure de cette enveloppe extérieure (13) peut donc également être allégée au regard des technologies traditionnelles et leurs modes de charges et de flambage. Pour limiter l’extension du réservoir secondaire (12) particulièrement en cas de surpression du circuit d’inertage, le dispositif peut prévoir des renforts (14). Pour augmenter encore la sécurité du réservoir, l’enveloppe extérieure (13) peut recevoir sur sa face interne un liner étanche (14) ou un revêtement de surface de type verni, peinture ou métallisation de faible émissivité pour limiter les transferts radiatifs. De même, le dispositif pourra posséder un ou plusieurs écrans thermiques de thermalisation, passifs ou actifs, disposés au milieu des sphères et microsphères creuses. Ces écrans pourront être ajourés pour permettre le passage des sphères ou des microsphères creuses et l’équilibre des contraintes mécaniques entre leur face interne et leur face externe.
L’innovation telle que décrite précédemment permet donc de créer des réservoirs cryogéniques légers de forme quelconque. Par exemple, il est possible créer des réservoirs de forme élancée et plane facilement logeable dans les espaces exigus. Ainsi ces réservoirs cryogéniques légers seront particulièrement utiles dans le cadre de carburants cryogéniques comme l’hydrogène, embarqués et utilisés dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins. L’épaisseur de sphères ou microsphères creuses (3) entre l’enveloppe extérieure (2 ou 13) et l’extérieure du réservoir interne (1 ou 12) permettra d’ajuster le niveau d’isolation en fonction de la durée nécessaire de stockage du carburant dans l’engin.
Dans le cadre de l’avion à hydrogène, ce dispositif permettra de stocker des carburants cryogéniques dans le caisson central, dans les soutes et aussi dans les ailes de l’aéronef en s’intégrant dans tout ou partie de la structure de ces dernières. Par intégration, il faut comprendre ici l’association de plusieurs fonctions dans un même élément. Par exemple, l’enveloppe extérieure peut faire office simultanément de tout ou partie de peau de l’aile, et/ou au travers de sa rigidité structurelle le réservoir cryogénique peut participer à la reprise des efforts de structure tels que ceux des longerons et/ou des nervures. Le réservoir interne pourra être décomposé en plusieurs réservoirs internes pour permettre d’insérer des renforts internes supplémentaires à l’enveloppe extérieure pour rigidifier l’aile. Par une action pilotée et/ou régulée, le ou les vases d’expansion permettent de limiter la contrainte de l’enveloppe extérieure en fonction de la pression atmosphérique durant le vol.

Claims (13)

  1. Dispositif de réservoir pour fluides cryogéniques, constitué d’un ou de plusieurs réservoirs internes (1) étanches dans lesquels est stocké le fluide cryogénique, lui-même ou eux-mêmes contenus dans une enveloppe extérieure (2 ou 13), et caractérisé par le fait que l’espace entre le ou les réservoirs internes (1) et l’enveloppe extérieure (2 ou 13) est rempli par des sphères ou des microsphères (3) creuses sous contraintes mécaniques, et mis sous vide.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le ou les réservoirs internes (1) sont constitués d’un liner interne qui est une structure d’une certaine souplesse ou extensibilité dans un matériau élastique et/ou malléable et d'une faible épaisseur, capable de transmettre à l’enveloppe extérieure (2) via les sphères ou microsphères creuses (3) une contrainte d’extension.
  3. Dispositif selon la revendication 1 et 2, caractérisé par le fait que le réservoir interne est composé d’un réservoir primaire (11) étanche et rigide dans lequel est contenu le carburant cryogénique par exemple de l’hydrogène, et englobé dans un réservoir secondaire (12) également étanche dans lequel est contenu un fluide de refroidissement et/ou d’inertage et constitué d’un liner, capable de transmettre à l’enveloppe extérieure (13) via les sphères ou microsphères creuses (3) une contrainte d’extension.
  4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le système prévoit au moins un vase d’expansion (7) qui permet de régler et/ou de réguler la contrainte interne sur les sphères ou microsphères creuses (3) et/ou d’amortir les chocs et les vibrations internes ou externes au dispositif.
  5. Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu’il existe des supports fixes ou souples maintenant le réservoir interne (1) dans l’enveloppe extérieure (2 ou 13).
  6. Dispositif la revendication 5, caractérisé par le fait que les supports sont constitués de bandes textiles (8) d’une largeur suffisante pour répartir la charge sur le réservoir interne (1).
  7. Dispositif selon les revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu’il existe sur le réservoir interne des butées (9) capables de garantir une épaisseur minimum de sphères ou de microsphères creuses (3) entre le réservoir interne (1) et l’enveloppe extérieure (2 ou 13).
  8. Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l’enveloppe extérieure (2 ou 13) peut recevoir sur sa face interne un liner étanche (5) ou un revêtement de surface de type verni, peinture ou métallisation.
  9. Dispositif selon les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait le réservoir interne (1) et/ou le réservoir primaire (11) et/ou le réservoir secondaire (12) et/ou l’enveloppe extérieure (2 ou 13) comporte des raidisseurs capables de limiter les déformations.
  10. Dispositif selon les revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le dispositif possède un ou plusieurs écrans thermiques de thermalisation disposés entre les sphères et microsphères creuses.
  11. Dispositif selon les revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le dispositif pourra disposer d’un ensemble de piquages, de pompes, de vannes, de filtres, de soupapes, d’évents, de sondes et/ou de capteurs nécessaires à son fonctionnement, à sa surveillance et à son entretien.
  12. Dispositif selon les revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu’il est utilisé dans le cadre de carburants cryogéniques et embarqués à bord d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins.
  13. Dispositif selon les revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que le réservoir cryogénique est intégré et contribue à la structure de l’aile d’un aéronef.
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