Titre de l’invention : Embout pour un réservoir de fluide sous pression

La présente invention concerne les réservoirs destinés à contenir des fluides sous pression, notamment des réservoirs embarqués dans des véhicules automobiles. L’invention se rapporte plus précisément aux embouts pour de tels réservoirs. Les fluides dont il est question sont par exemple, et non limitativement, le gaz naturel, les bio gaz, le gaz de pétrole liquéfié, l’hydrogène.

Les différentes fonctions de ces réservoirs sont :

- contenir le fluide sous pression, c’est-à-dire résister mécaniquement,

- assurer l’étanchéité vis-à-vis de l’extérieur,

- assurer le remplissage en fluide sous pression, à l'aide d’une électrovanne montée sur l’embout,

- délivrer le fluide sous pression à l’aide de la même électrovanne montée sur l’embout,

- se fixer à la structure porteuse,

- résister aux conditions de transport et d’utilisation,

- résister aux agressions extérieures de l’environnement, mécaniques et thermiques,

- résister aux mises en condition de fabrication des réservoirs.

Ces réservoirs peuvent être montés sur tous matériels fixes ou mobiles (véhicules sur route, fer, mer, air, espace). Les réservoirs de fluide sous pression sont fabriqués en matériaux métalliques ou, plus récemment, en matériaux composites, pour des raisons de gain de masse et de sécurité.

En ce qui concerne les réservoirs en matériaux composites aussi appelés réservoirs composites, leur étanchéité est généralement réalisée par la mise en place d’un récipient appelé « liner » capable d’assurer l’étanchéité du contenant vis-à-vis du contenu. Selon les constructeurs de réservoir, il est proposé des liners en matériaux métalliques ou en matériaux plastiques.

Le liner de type « plastique » comprend au moins une ouverture pour le remplissage et le vidage du réservoir. Il est fabriqué par injection ou par rotomoulage ou par extrusion-soufflage d’un matériau polymère thermoplastique ou thermodurcissable (abrégé en « thermodur ») comme par exemple, le polyéthylène, le polyamide, le polyphthalamide, le polyuréthane, le silicone. Avantageusement, le matériau polymère thermoplastique est chargé de fibres de renfort pour constituer un matériau composite. Les fibres de renfort sont, par exemple, des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres de basalte, des fibres d’aramide, des fibres polymères, des fibres de silice, des fibres de polyéthylène, des fibres naturelles, des fibres métalliques, des fibres d’alliages métalliques ou des fibres céramiques. Ces fibres permettent d’augmenter la résistance à la déformation du matériau composite. Dans un matériau polymère chargé de fibres de renfort, les fibres de renfort et le matériau polymère sont enchevêtrés pour former un matériau monobloc. Un tel matériau composite est décrit par la Demanderesse dans sa demande de brevet français N° 18 72197 déposée le 30 novembre 2018 et publiée sous le N° 3 089 160.

Alternativement, le liner est fabriqué par enroulement filamentaire. Un exemple de fabrication d’un récipient par enroulement filamentaire est décrit dans le document de brevet FR1431135A.

Ce liner est ensuite recouvert d’une enveloppe de renforcement du liner en matériau composite qui va constituer le corps du réservoir, c’est-à-dire la structure résistante du réservoir, laquelle doit être capable de résister aux pressions exercées par le fluide contenu dans le réservoir (ci-après désignées « pression interne »). Il n’est généralement pas demandé à l’enveloppe de renforcement d’assurer l’étanchéité du réservoir.

Cette enveloppe de renforcement est constituée de :

- un renfort généralement constitué de fibres continues, de verre, de carbone, de basalte, ou autres telles que des fibres de silice ou même des fibres végétales,

- une résine qui est soit déposée en même temps que la fibre (procédé d’enroulement filamentaire) ou après que l’enveloppe ait été réalisée pour constituer une « préforme » sèche. Cette préforme sèche est ensuite consolidée afin de lui conférer la rigidité nécessaire. Cette consolidation est réalisée à l’aide d’une injection de résine ou à l’aide d’une infiltration de cette résine à travers la dite préforme (procédé par infusion), ou encore à l’aide d’une imprégnation de résine sous vide.

Avantageusement, l’enveloppe de renforcement est revêtue d’une ou plusieurs couches d’un matériau ignifuge, de préférence, un matériau ignifuge intumescent comme, par exemple, un revêtement à base de silicate ou de phosphate. Le silicate et le phosphate sont des agents intumescents qui, après exposition au feu, se dilatent et créent une barrière isolante. Ceci permet d’améliorer la résistance à la chaleur et au feu du réservoir.

Dans tous les cas, au moment de la fabrication du réservoir, un embout est assemblé à étanchéité au liner pour permettre le remplissage et la délivrance du fluide. Cet embout est généralement réalisé en métal (acier ou aluminium). Il est rapporté sur un goulot de remplissage/vidage du liner et présente une collerette d’appui contre le liner. L’embout possède en outre un taraudage permettant de monter une électrovanne sur l’embout. Un tel embout est décrit dans le document de brevet US6230922.

Pour réduire la masse d’un réservoir, il est connu de réduire l’ouverture de remplissage/vidage du liner afin de réduire la taille de l’embout associé et donc sa masse. Ceci est particulièrement critique lorsque l’embout est en acier, en effet, les embouts en acier sont plus résistants mais plus lourds. Les embouts en aluminium quant à eux sont plus fragiles que ceux en acier, mais ils sont plus adaptés aux liners plastiques en raison de leurs coefficients de dilatation assez proches. Dans tous les cas, en réduisant l’ouverture de remplissage/vidage du liner, on augmente la quantité de matière nécessaire à la constitution de l’enveloppe de renforcement du liner. En effet, un liner comprend classiquement une partie centrale tubulaire creuse fermée à ses extrémités par deux dômes dont l’un au moins est pourvu d’une ouverture de remplissage/vidage du liner. On comprend aisément que plus l’ouverture de remplissage/vidage du liner est réduite et plus il y a de dôme à recouvrir avec l’enveloppe de renforcement du liner, ce qui se traduit par une augmentation de la masse du réservoir.

On note également entre autres inconvénients des embouts actuels :

- les embouts et leurs liaisons avec le liner présentent souvent des défauts d’étanchéité, particulièrement dans le temps, dus à la conception même de l’embout ou à la maîtrise des coefficients de dilatation des différents matériaux,

- les embouts ne sont pas suffisamment solidaires des liners pour assurer mécaniquement la tenue dans le temps des assemblages.

Pour augmenter l’autonomie d’un véhicule propulsé à l’hydrogène par exemple, on pense naturellement à augmenter la capacité de stockage embarquée dans le véhicule. Une solution évidente est de remplacer le réservoir d’hydrogène préexistant par un réservoir de plus grande capacité. Or, l’espace dans lequel est logé un réservoir d’hydrogène préexistant n’est pas extensible, de sorte qu’il n’est pas possible d’augmenter la capacité de stockage en augmentant la taille du réservoir. Une autre solution est de prévoir, dès la conception du véhicule, un espace adapté au stockage d’une plus grande quantité d’hydrogène. Un tel espace a une forme sensiblement prismatique et relativement plate. Pour utiliser cet espace au maximum, il est avantageux de le remplir avec un ensemble de plusieurs réservoirs longs et minces, c’est-à-dire des réservoirs présentant un rapport longueur sur diamètre élevé. Dans ce cas, chercher à réduire la masse de chaque réservoir tout en remplissant un maximum de l'espace de stockage disponible est encore plus critique.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients précités, en proposant des solutions techniques répondant aux attentes des utilisateurs quant à la masse, à la quantité de fluide stockée et à la longévité des matériels.

A cet effet, l’invention a pour objet un embout pour un réservoir de fluide sous pression, le réservoir comprenant un liner comportant une partie centrale tubulaire pourvue d’une première surface extérieure cylindrique, caractérisé en ce que l’embout comprend une partie terminale pourvue d’une deuxième surface extérieure cylindrique, la partie terminale étant configurée pour être positionnée coaxialement avec la partie centrale tubulaire, la deuxième surface extérieure cylindrique étant dans le prolongement radialement affleurant de la première surface extérieure cylindrique, l’embout étant configuré pour être assemblé à étanchéité sur l'extérieur d’un goulot du liner grâce à un joint d’étanchéité annulaire disposé coaxialement avec la partie terminale dans une gorge annulaire ménagée dans une cavité intérieure de l’embout de manière que la pression interne du réservoir ait tendance à presser radialement vers l’extérieur le goulot contre le joint d’étanchéité annulaire. Grâce à cette disposition, l’étanchéité est particulièrement efficace, surtout à haute pression. Un autre avantage de cette disposition est qu’elle permet de réduire le fluage de la matière plastique du liner à l’endroit du contact du premier goulot sur le joint d’étanchéité annulaire.

Par l’expression « radialement affleurant », on veut dire sans décrochement radial entre la première surface extérieure cylindrique de la partie centrale tubulaire du liner et la deuxième surface extérieure cylindrique de la partie terminale de l’embout.

On note que par « radial », ou « radialement », on fait référence à une (ou des) direction(s) sensiblement perpendiculaires à l’axe longitudinal d’un objet.

On note que par « intérieur(e) » et « extérieur(e) », on fait référence à la position radiale des parties d’un objet. Par exemple, pour un objet d’axe longitudinal (X) pourvu d'une surface extérieure et d’une surface intérieure, la surface extérieure de l’objet est radialement plus éloignée de l’axe longitudinal (X) que la surface intérieure dudit l’objet.

L’embout selon l’invention est ainsi parfaitement adapté à l’étanchéité d’un embout assemblé sur un liner d'un réservoir long et mince. En effet, outre une meilleure étanchéité de l’embout, la Demanderesse a constaté que plus le rapport longueur sur diamètre d’un réservoir composite est élevé et moins il y a besoin de matière pour constituer l’enveloppe de renforcement du liner. En effet, pour un réservoir présentant un rapport longueur sur diamètre supérieur ou égal à six (6), la présence de dômes aux extrémités du liner n'est plus nécessaire. Se faisant, l’embout n'a plus besoin de collerette d’appui contre le liner mais d’une partie terminale cylindrique dont la surface extérieure est destinée à être alignée avec la surface extérieure de la partie centrale tubulaire du liner.

De plus, l’absence de décrochement radial entre la première surface extérieure cylindrique de la partie centrale tubulaire du liner et la deuxième surface extérieure cylindrique de la partie terminale de l’embout permet un meilleur recouvrement du liner et de l’embout avec l’enveloppe de renforcement du liner.

De préférence, l’embout est une pièce en métal, par exemple, en aluminium.

Selon une caractéristique additionnelle de l’embout selon l’invention, la deuxième surface extérieure cylindrique de la partie terminale a un deuxième diamètre extérieur et la cavité intérieure a un premier diamètre intérieur, tel que le rapport du premier diamètre intérieur sur le deuxième diamètre extérieur est compris entre 0,6 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95. Ceci permet de réduire la quantité de matière nécessaire à la fabrication de l’embout, allégeant ainsi la masse de l’embout et, par conséquent, la masse du réservoir auquel l’embout est destiné à être assemblé. Bien que présentée comme une caractéristique additionnelle de l’embout selon l’invention, le rapport particulier du premier diamètre intérieur sur le deuxième diamètre extérieur n’est pas limité à un embout selon l'invention mais peut s’appliquer à n'importe quel type d'embout de réservoir composite. Ainsi, un autre objet de l’invention est un embout pour réservoir de fluide sous pression, caractérisé en ce que l’embout comprend un diamètre extérieur et un diamètre intérieur, tel que le rapport du diamètre intérieur sur le diamètre extérieur est compris entre 0,6 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95.

L’invention a également pour objet un réservoir de fluide sous pression, notamment pour le stockage et la distribution de gaz sous pression dans un véhicule automobile, comprenant :

- un liner comportant :

- une partie centrale tubulaire pourvue d’une première surface extérieure cylindrique ayant un premier diamètre extérieur,

- un premier goulot relié à la partie centrale tubulaire par un premier épaulement,

- un premier embout assemblé à étanchéité au premier goulot,

- une enveloppe de renforcement du liner, caractérisé en ce que le premier embout comprend une partie terminale pourvue d’une deuxième surface extérieure cylindrique positionnée coaxialement avec la partie centrale tubulaire dans le prolongement radialement affleurant de la première surface extérieure cylindrique, et en ce que le premier embout est assemblé à étanchéité sur l’extérieur du premier goulot du liner grâce à un joint d’étanchéité annulaire disposé coaxialement avec la partie terminale dans une gorge annulaire ménagée dans une cavité intérieure du premier embout de manière que la pression interne du réservoir ait tendance à presser radialement vers l’extérieur le goulot contre le joint d’étanchéité annulaire.

Grâce à cette disposition, l’étanchéité du réservoir est particulièrement efficace, surtout à haute pression. Un autre avantage de cette disposition est qu'elle permet de réduire le fluage de la matière plastique du liner à l’endroit du contact du premier goulot sur le joint d’étanchéité annulaire.

Ainsi, grâce à l’invention, on peut remplacer un unique réservoir de stockage de grande capacité par plusieurs réservoirs de capacité moindre, notamment des réservoirs longs et minces, tout en maintenant un ratio entre la masse de fluide stockée et la masse de l’ensemble de stockage acceptable, par exemple, supérieur à 4% pour un ensemble de stockage d’hydrogène à 700 bar.

De préférence, le réservoir est de type IV, c’est-à-dire un réservoir composite constitué d’un liner en matière plastique fabriqué, par exemple, par injection, rotomoulage ou extrusion- soufflage d’un matériau polymère thermoplastique ou thermodur, de préférence, un matériau polymère thermoplastique chargé de fibres de renfort, liner sur lequel un enroulement filamentaire (bobinage composite) est réalisé sur les parties cylindriques ainsi que sur les extrémités. Par exemple, le liner est en polyamide et son épaisseur est inférieure ou égale à 5 mm.

Alternativement, le liner dans la présente invention est fabriqué, par exemple, par injection, rotomoulage ou extrusion-soufflage d’un matériau composite. Ceci permet de réduire l’épaisseur du liner tout en maintenant la même résistance à la déformation qu’un liner fabriqué de la même façon en un matériau polymère thermoplastique non-chargé de fibres de renfort. Ainsi, à dimensions extérieures équivalentes et à résistance à la pression interne équivalente, un réservoir de type IV comprenant un liner fabriqué en un matériau composite permet, d’une part, de stocker davantage de fluide que le même réservoir comprenant un liner fabriqué en un matériau polymère thermoplastique non-chargé de fibres de renfort et, d'autre part, de réduire la masse du réservoir. En effet, en réduisant l’épaisseur du liner, on peut aussi réduire l’épaisseur de l’enveloppe de renforcement du liner en augmentant les dimensions intérieures du réservoir, se faisant, on augmente le volume utile du réservoir tout en réduisant la quantité de matière nécessaire à la constitution de l’enveloppe de renforcement.

Alternativement, le liner dans la présente invention est fabriqué par enroulement filamentaire, par exemple, d’une bande de fibres continues ou courtes imprégnée d’un polymère. Les fibres sont, par exemple, des fibres de verre, de carbone, de basalte, d’aramide ou autres telles que des fibres de silice ou de polyéthylène. Ceci permet de réduire l’épaisseur du liner tout en maintenant la même résistance à la déformation qu’un liner fabriqué de la même façon en un matériau polymère thermoplastique. Ainsi, à dimensions extérieures équivalentes et à résistance à la pression interne équivalente, un réservoir de type IV comprenant un liner fabriqué par enroulement filamentaire permet, d’une part, de stocker davantage de fluide que le même réservoir comprenant un liner fabriqué par injection, rotomoulage ou extrusion-soufflage et, d’autre part, de réduire la masse du réservoir. En effet, en réduisant l’épaisseur du liner, on peut aussi réduire l’épaisseur de l’enveloppe de renforcement du liner en augmentant les dimensions intérieures du réservoir, se faisant, on augmente le volume utile du réservoir tout en réduisant la quantité de matière nécessaire à la constitution de l’enveloppe de renforcement.

Alternativement, le liner dans la présente invention est fabriqué en métal, par exemple, en aluminium 6061.

Selon des caractéristiques additionnelles de l’invention :

- la deuxième surface extérieure cylindrique de la partie terminale du premier embout a un deuxième diamètre extérieur, tel que le deuxième diamètre extérieur est égal au premier diamètre extérieur. Ainsi, on s’assure qu’il n’y a pas de décrochement radial entre la première surface extérieure cylindrique de la partie centrale tubulaire du liner et la deuxième surface extérieure cylindrique de la partie terminale de l’embout. - la cavité intérieure de l’embout a un premier diamètre intérieur et le goulot du liner a un troisième diamètre extérieur, tel que le premier diamètre intérieur est égal au troisième diamètre extérieur. Grâce à cette disposition, l’embout est assemblé au plus près du goulot du liner.

- une bague de frettage est disposée à l’intérieur du premier goulot pour maintenir le premier goulot radialement serré contre le joint d’étanchéité annulaire. Ainsi, l’étanchéité est optimisée pour offrir la même efficacité quelle que soit la pression interne du réservoir.

- le joint d’étanchéité annulaire est un joint élastomère. Ceci permet au joint de se déformer sous l’effet de la pression et ainsi d’augmenter l’efficacité de l’étanchéité quand la pression augmente.

- le joint d’étanchéité annulaire est un joint torique. Ceci permet d’adapter le joint à toute forme de gorge annulaire.

- le premier embout est assemblé à étanchéité au premier goulot par un assemblage du type vis-écrou. Ceci facilite le montage industriel de l’embout sur le goulot et permet à l’ensemble embout/goulot de mieux résister aux efforts induits par un enroulement filamentaire.

- le premier embout est assemblé à étanchéité au premier goulot par clippage. Ceci permet d’assembler l’embout plus rapidement.

- le premier embout est assemblé à étanchéité au premier goulot par collage ou frettage. Ceci permet d’augmenter la tenue mécanique de l’ensemble embout/goulot.

- à l’opposé de la première surface extérieure cylindrique de la partie centrale tubulaire du liner, la deuxième surface extérieure cylindrique de la partie terminale du premier embout est prolongée axialement par une surface extérieure sensiblement hémisphérique d’une partie médiane du premier embout, telle que la surface extérieure sensiblement hémisphérique est enveloppée par l’enveloppe de renforcement du liner. Ceci permet à l’enveloppe de renforcement du liner de s’accrocher au premier embout.

- la partie médiane du premier embout comprend un quatrième diamètre extérieur, tel que le rapport du quatrième diamètre extérieur sur le deuxième diamètre extérieur est compris entre 0,5 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95. Ceci permet d’optimiser, à la fois, la quantité de matière nécessaire à la constitution du bobinage composite et l’accrochage du bobinage composite sur le premier embout. En effet, dès que le rapport du quatrième diamètre extérieur sur le deuxième diamètre extérieur est inférieur à 0,5, on a besoin de plus de bobinage composite pour recouvrir les extrémités du liner. A l’opposé, dès que le rapport du quatrième diamètre extérieur sur le deuxième diamètre extérieur est supérieur à 0,95, l’accrochage du bobinage composite sur le premier embout n'est plus vraiment assuré.

- l’enveloppe de renforcement du liner est constituée d’un bobinage composite comprenant plusieurs couches de filaments de renforcement enroulés en hélice autour de la partie centrale tubulaire du liner et autour de la partie médiane du premier embout, tel que l'angle d’enroulement hélicoïdal d'au moins une première couche est inférieur à 54°, de préférence, inférieur à 53° et, tel que l’angle d’enroulement hélicoïdal d’au moins une deuxième couche est compris entre 53° et 56°, par exemple, 54,7°. Ceci empêche le premier embout d’être éjecté quand le réservoir est mis sous pression grâce à un meilleur accrochage du bobinage composite sur le premier embout. Les angles d’enroulement hélicoïdal précités sont issus d’une sélection réalisée par la Demanderesse parmi plusieurs angles possibles. En effet, c’est au cours de simulations numériques que la Demanderesse a découvert que certains angles d’enroulement hélicoïdal pouvaient fournir de meilleurs résultats que d’autres aux essais de résistance à l’éclatement prescrits par le règlement n° 134 de la Commission économique pour l'Europe des Nations unies (CEE-ONU).

On rappelle que l’architecture des bobinages composites et, en particulier, les angles d’enroulement des couches de filaments de renforcement sont un paramètre important quant à la tenue mécanique des réservoirs composites. D’après des travaux connus, un angle de 54,7° (calculs issus de modèles analytiques « netting analysis » en langue anglaise) apparaît comme un angle optimisé pour un réservoir composite contenant uniquement des couches hélicoïdales (couches de filaments de renforcement enroulés en hélice autour de la partie centrale tubulaire du liner et autour de la partie médiane du premier embout). Certaines études parlent davantage d’angle ±A, car l’enroulement filamentaire induit des couches hélicoïdales entrecroisées entre elles. Cependant l’architecture d’un réservoir de type IV se compose généralement de couches hélicoïdales mais aussi de couches circonférentielles (couches de filaments de renforcement enroulés circonférentiellement autour de la partie centrale tubulaire du liner), les couches circonférentielles ayant pour intérêt de compacter les couches hélicoïdales sur la partie centrale tubulaire du liner. La séquence d’empilement classique contenant des couches circonférentielles et hélicoïdales est plutôt du type (90°, A) où A est l’angle d’enroulement hélicoïdal, d’environ 20° par rapport à l’axe du réservoir. Néanmoins, l’angle A peut varier en fonction de plusieurs paramètres comme le nombre et l’épaisseur des couches ou l’ordre des couches selon les objectifs d'optimisation préconisés.

C’est en faisant varier plusieurs de ces paramètres que la Demanderesse a fait une découverte surprenante. En effet, en partant d’un réservoir composite de 90 mm de diamètre, la Demanderesse a empilé huit couches hélicoïdales suivant différentes configurations d’angle d'enroulement hélicoïdal dont trois sont présentées dans le tableau ci-après (configurations A, B et C) :

Ensuite, la Demanderesse a calculé avec le logiciel ComposicaD™ qui utilise des modèles analytiques du type « netting analysis », la pression d'éclatement du réservoir dans les directions axiale et radiale du réservoir des différentes configurations étudiées, le tableau ci- après présente le résultat obtenu pour les configurations A, B et C :

Enfin, la Demanderesse a calculé le rapport de la pression d'éclatement du réservoir dans la direction axiale sur la pression d'éclatement du réservoir dans la direction radiale des différentes configurations étudiées, le tableau ci-après présente le résultat obtenu pour les configurations A, B et c :

Dans le cadre des essais de résistance à l’éclatement prescrits par le règlement n° 134 CEE- ONU, il est préférable que la rupture du réservoir se fasse dans la partie centrale tubulaire du réservoir plutôt qu’à ses extrémités, afin d’éviter l’éjection des embouts. En effet, des embouts éjectés sont des projectiles dangereux. Pour s’assurer que la rupture du réservoir se fera dans la partie centrale tubulaire de ce dernier, il faut que le rapport de la pression d'éclatement du réservoir dans la direction axiale sur la pression d'éclatement du réservoir dans la direction radiale soit inférieur à 1, idéalement inférieur ou égal à 0,9. Ainsi, les configurations B et C respectent ce critère et la configuration C présente une configuration idéale.

- au moins une première couche de filaments est une couche intérieure du bobinage composite et au moins une deuxième couche de filaments est une couche extérieure du bobinage composite.

- les filaments de renforcement sont constitués de fibres de verre, de fibres d’aramide et/ou de fibres de carbone.

- l’enveloppe de renforcement du liner est revêtue d’une ou plusieurs couches d’un matériau ignifuge, de préférence, un matériau ignifuge intumescent comme, par exemple, un revêtement à base de silicate ou de phosphate, de préférence, du polyphosphate d'ammonium dosé de 10 % à 50 %.En effet, la Demanderesse a procédé à de nombreux essais de matériaux ignifuges intumescents et découvert qu’un revêtement contenant du polyphosphate d'ammonium dosé de 10 % à 50 % donnait les meilleurs résultats pour une application à des réservoirs de fluide sous pression.

- le réservoir comprend une couche de protection en fibre de verre enveloppant l’enveloppe de renforcement du liner.

- le rapport du troisième diamètre extérieur sur le premier diamètre extérieur est compris entre 0,6 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95. Grâce à cette disposition, le goulot est aussi large que possible.

- le premier embout comprend au moins un élément fonctionnel choisi parmi une soupape de sécurité contre la surpression, de préférence à déclenchement thermique, une soupape formant limiteur de débit, une soupape anti-retour, une vanne d'arrêt manuelle, un injecteur, un filtre, un capteur de température, un capteur de pression.

- la deuxième surface extérieure cylindrique et la surface extérieure sensiblement hémisphérique de l’embout sont recouvertes, au moins partiellement, d’une structure composite, la structure composite étant prise en sandwich entre l’embout et l’enveloppe de renforcement du liner. Dans ce mode de réalisation, le deuxième diamètre extérieur de l’embout inclut la structure composite.

La structure composite précitée a pour fonction de réduire l’élongation du matériau de l’embout ce qui permet de réduire la masse de l’embout et d’augmenter le volume utile du réservoir. Dans un exemple où l’embout est réalisé en aluminium, l’élongation dans le matériau de l’embout soumis à la pression de cyclage hydraulique telle que prescrite par le règlement n° 134 CEE- ONU doit être typiquement inférieure à 0,5% afin de passer avec succès les essais de cyclage hydraulique telle que prescrite par le règlement n° 134 CEE-ONU.

La structure composite précitée peut être intégrée à l’enveloppe de renforcement du liner. Alternativement, la structure composite précitée peut être indépendante de l’enveloppe de renforcement du liner, c’est-à-dire sans liaison chimique avec celle-ci.

Grâce à la structure composite selon l’invention, on peut supprimer une partie de l’enveloppe de renforcement du liner ce qui permet de réduire la masse du réservoir, se faisant, on peut accélérer la cadence de production des réservoirs composites en réduisant le temps nécessaire à l’enroulement filamentaire.

La structure composite précitée comprend un matériau polymère thermoplastique ou thermodur comme par exemple, le polyéthylène, le polyamide, le polyphthalamide, le polyuréthane, le silicone. Avantageusement, le matériau polymère thermoplastique est chargé de fibres de renfort pour constituer un matériau composite. Les fibres de renfort sont, par exemple, des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres de basalte, des fibres d’aramide, des fibres polymères, des fibres de silice, des fibres de polyéthylène, des fibres naturelles, des fibres métalliques, des fibres d’alliages métalliques ou des fibres céramiques.

La structure composite précitée est fabriquée par enroulement filamentaire de l’embout au début de la fabrication de l’enveloppe de renforcement du liner. Alternativement, la structure composite précitée est fabriquée par surmoulage d’une matière composite sur l’embout. Dans une autre alternative, la structure composite précitée est fabriquée par positionnement d’une nappe de fibres sèches sur l’embout suivi d’une étape de moulage par infusion ou de moulage par transfert de résine à haute pression, aussi appelé HP-RTM (pour « High Pressure Resin Transfer Moulding » en langue anglaise). Dans une autre alternative, la structure composite précitée est fabriquée à partir de fibres pré-imprégnées (« towpreg » en langue anglaise).

Bien que présentée comme une caractéristique additionnelle du réservoir selon l’invention, les angles d’enroulement hélicoïdal précités ne sont pas limités à un réservoir selon l’invention mais peuvent s’appliquer à n’importe quel type de réservoir composite. Ainsi, un autre objet de l’invention est un réservoir de fluide sous pression, notamment pour le stockage et la distribution de gaz sous pression dans un véhicule automobile, comprenant un liner et une enveloppe de renforcement du liner, caractérisé en ce que l’enveloppe de renforcement du liner est constituée d’un bobinage composite comprenant plusieurs couches hélicoïdales, tel que l'angle d’enroulement hélicoïdal d’au moins une première couche hélicoïdale est inférieur à 54°, de préférence, inférieur à 53° et, tel que l’angle d’enroulement hélicoïdal d’au moins une deuxième couche hélicoïdale est compris entre 53° et 56°, par exemple, 54,7°.

De même, bien que présentée comme une caractéristique additionnelle du réservoir selon l’invention, le rapport particulier du quatrième diamètre extérieur sur le deuxième diamètre extérieur n’est pas limité à un réservoir selon l’invention mais peut s’appliquer à n’importe quel type de réservoir composite. Ainsi, un autre objet de l’invention est un réservoir de fluide sous pression, notamment pour le stockage et la distribution de gaz sous pression dans un véhicule automobile, comprenant un embout comportant une partie terminale pourvue d’une surface extérieure cylindrique ayant un premier diamètre extérieur, la partie terminale étant prolongée axialement par une surface extérieure sensiblement hémisphérique d’une partie médiane de l’embout, caractérisé en ce que la partie médiane de l’embout comprend un deuxième diamètre extérieur, tel que le rapport du deuxième diamètre extérieur sur le premier diamètre extérieur est compris entre 0,6 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95.

De même encore, bien que présentée comme une caractéristique additionnelle du réservoir selon l'invention, la structure composite précitée n’est pas limitée à un réservoir selon l’invention mais peut s’appliquer à n’importe quel type de réservoir composite. Ainsi, un autre objet de l’invention est un réservoir de fluide sous pression, notamment pour le stockage et la distribution de gaz sous pression dans un véhicule automobile, comprenant un liner et un embout recouvert, au moins partiellement, d’une structure composite, la structure composite étant prise en sandwich entre l’embout et une enveloppe de renforcement du liner.

L’invention a aussi pour objet un véhicule, de préférence véhicule automobile, comprenant :

- un réservoir selon l’invention,

- un moyen de conversion d’énergie configuré pour alimenter en énergie des moyens de propulsion du véhicule, lequel est en communication de fluide avec le réservoir via le premier embout de tel sorte qu’il peut être alimenté en fluide,

- un moyen de remplissage du réservoir, lequel est en communication de fluide avec le réservoir via le premier embout, et

- un actionneur configuré pour sélectivement actionner soit le moyen de conversion d’énergie, soit le moyen de remplissage du réservoir, en réponse à un signal de commande.

Brève description des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux figures annexées sur lesquelles les mêmes numéros de référence désignent partout des éléments présentant des fonctions identiques, analogues ou similaires, et dans lesquelles :

[Fig. 1] la figure 1 est une vue en coupe d’un réservoir selon l’invention ;

[Fig. 2] la figure 2 est une vue en perspective éclatée d’un détail du réservoir de la figure 1, illustrant un premier mode de réalisation de l’étanchéité d’un embout selon l’invention ;

[Fig. 3] la figure 3 est une vue en coupe d’un détail du réservoir de la figure 1, illustrant le premier mode de réalisation de l’étanchéité d’un embout selon l’invention ;

[Fig. 4] la figure 4 est une vue en coupe d’un détail d’un réservoir selon l’invention, illustrant un deuxième mode de réalisation de l'étanchéité d’un embout selon l’invention.

Description détaillée

Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.

Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère, etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tel critère.

On a représenté sur la figure 1 un réservoir 100 de fluide sous pression, notamment pour le stockage et la distribution de gaz sous pression - par exemple de l’hydrogène à 700 bar - dans un véhicule automobile (non représenté), selon un mode de réalisation de l’invention. Le réservoir 100 est un réservoir cylindrique d'axe longitudinal X, il comprend un liner 2 comportant une partie centrale tubulaire 20 et deux extrémités. La partie centrale tubulaire 20 est pourvue d’une première surface extérieure cylindrique 21. Des premier et un second goulots 22 sont prévus aux première et seconde extrémités du liner 2. Les premier et un second goulots 22 sont reliés à la partie centrale tubulaire 20 par des premier et seconds épaulements 23. Le réservoir 100 comprend des premier et second embouts 1 assemblés à étanchéité aux premier et second goulots 22. Le réservoir 100 comprend en outre une enveloppe de renforcement 3 du liner 2. Les premier et second embouts 1 comprennent chacun une partie terminale 10 pourvue d’une deuxième surface extérieure cylindrique 11 positionnée coaxialement dans le prolongement radialement affleurant de la première surface extérieure cylindrique 21 (voir aussi figures 2 à 4).

Comme illustré, la première surface extérieure cylindrique 21 de la partie centrale tubulaire 20 du liner 2 a un premier diamètre extérieur D1 et la deuxième surface extérieure cylindrique 11 de la partie terminale 10 du premier embout 1 a un deuxième diamètre extérieur D2 (voir figure 2), tel que le deuxième diamètre extérieur D2 est égal au premier diamètre extérieur D1.

Le goulot 22 a un troisième diamètre extérieur D3 et le premier embout 1 comprend une cavité intérieure 13 pour accueillir le goulot 22. La cavité intérieure 13 a un premier diamètre intérieur D4 tel que le troisième diamètre extérieur D3 est égale au premier diamètre intérieur D4. De plus, le rapport du premier diamètre intérieur D4 sur le deuxième diamètre extérieur D2 est compris entre 0,6 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95.

Avantageusement, l’embout est une pièce en métal, par exemple en aluminium.

Avantageusement, le liner est fabriqué par injection, rotomoulage ou extrusion-soufflage d’un matériau polymère thermoplastique ou thermodur, par exemple, le polyamide et l’épaisseur du liner est inférieure ou égale à 5 mm.

Alternativement, le liner est fabriqué par injection, rotomoulage ou extrusion-soufflage d’un matériau composite.

Alternativement, le liner est fabriqué par enroulement filamentaire.

Alternativement, le liner est fabriqué en métal, par exemple, en aluminium 6061.

Avantageusement, le réservoir 100 comprend une couche de protection en fibre de verre (non représentée) enveloppant l’enveloppe de renforcement 3 du liner 2.

Avantageusement, l’enveloppe de renforcement du liner est revêtue d’une ou plusieurs couches d’un matériau ignifuge (non représentée), de préférence, un matériau ignifuge intumescent comme, par exemple, un revêtement à base de silicate ou de phosphate, de préférence, du polyphosphate d'ammonium dosé de 10 % à 50 %.

Toujours dans l'exemple illustré, le réservoir 100 est un réservoir long et mince, c’est-à-dire que le rapport de sa longueur sur son diamètre est supérieur ou égal à six (6). En effet, la longueur du réservoir 100 est comprise entre 1000 mm et 2000 mm et son diamètre est compris entre 100 mm et 150 mm.

Les figures 2 et 3 illustrent un premier mode de réalisation de l'étanchéité de l'ensemble embout/goulot dans lequel le premier embout 1 est conçu pour s'adapter à un réservoir 100 de fluide sous pression, réservoir comprenant un liner 2 comportant une partie centrale tubulaire 20 pourvue d'une première surface extérieure cylindrique 21, le premier embout 1 comprenant une partie terminale 10 pourvue d'une deuxième surface extérieure cylindrique 11 apte à être positionnée coaxialement dans le prolongement radialement affleurant de la première surface extérieure cylindrique 21. Dans ce premier mode de réalisation de l’étanchéité, le premier embout 1 est assemblé à étanchéité sur l'extérieur du premier goulot 22 grâce à un joint d’étanchéité annulaire 4 disposé coaxialement dans une gorge annulaire 12 ménagée dans la cavité intérieure 13 du premier embout 1. Une bague de frettage 5 est disposée à l’intérieur du premier goulot 22 pour maintenir le premier goulot 22 radialement serré contre le joint d’étanchéité annulaire 4.

Avantageusement, le premier embout 1 est assemblé à étanchéité au premier goulot 22 par un assemblage du type vis-écrou. A cette fin, un filetage 24 est prévu sur le pourtour extérieur du premier goulot 22.

Alternativement, le premier embout 1 est assemblé à étanchéité au premier goulot 22 par clippage, collage ou frettage (non représenté).

Avantageusement, le joint d’étanchéité annulaire 4 est un joint élastomère.

Avantageusement, le joint d’étanchéité annulaire 4 est un joint torique.

Outre les éléments déjà décrit précédemment, la figure 3 illustre la présence d'un trou taraudé 16 dans l'axe longitudinal du premier embout 1 pour le montage d'une électrovanne (non représenté) sur le premier embout 1.

A l’opposé de la première surface extérieure cylindrique 21 de la partie centrale tubulaire 20 du liner 2, la deuxième surface extérieure cylindrique 11 de la partie terminale 10 du premier embout 1 est prolongée axialement par une surface extérieure sensiblement hémisphérique 14 d'une partie médiane 15 du premier embout 1, telle que la surface extérieure sensiblement hémisphérique 14 est enveloppée par l'enveloppe de renforcement 3 (non représentée) du liner 2. La partie médiane 15 du premier embout 1 comprend un quatrième diamètre extérieur D5, tel que le rapport du quatrième diamètre extérieur D5 sur le deuxième diamètre extérieur D2 est compris entre 0,5 et 0,95, de préférence, entre 0,8 et 0,95. On a représenté sur la figure 4 un deuxième mode de réalisation de l’étanchéité de l’ensemble embout/goulot. Dans ce deuxième mode de réalisation de l’étanchéité, le premier embout 1 est assemblé à étanchéité sur l’extérieur du premier goulot 22 grâce à un joint d’étanchéité annulaire 4 disposé coaxialement dans une gorge annulaire 12 ménagée dans une cavité intérieure 13 du premier embout 1 , la pression interne du réservoir 100 ayant tendance à presser radialement vers l'extérieur le premier goulot 22 contre le joint d’étanchéité annulaire 4. Dans l'exemple illustré, la cavité intérieure 13 a la forme d’une cavité annulaire. Un espace libre mais réduit est prévu entre la paroi intérieure de la cavité annulaire et la paroi intérieure du premier goulot 22. Le but de cet espace libre est d’être occupé par le fluide sous pression afin d’augmenter les forces radiales exercées par le fluide sur la paroi intérieure du premier goulot 22. Les flèches F illustrent les directions de la force de pression exercée par le fluide sur la paroi intérieure du liner 2.

Comme illustré, l’enveloppe de renforcement 3 du liner 2 est constituée d’un bobinage composite comprenant plusieurs couches de filaments de renforcement enroulés en hélice autour de la partie centrale tubulaire 20 du liner 2 et autour de la partie médiane 15 du premier embout 1, tel que l’angle A d’enroulement hélicoïdal d’au moins une première couche de filaments est inférieur à 54°, de préférence, inférieur à 53° et, tel que l’angle d’enroulement hélicoïdal d’au moins une deuxième couche de filaments est compris entre 53° et 56°, par exemple, 54,7°.

On prévoit qu’au moins une première couche de filaments est une couche intérieure du bobinage composite.

On prévoit qu’au moins une deuxième couche de filaments est une couche extérieure du bobinage composite.

Avantageusement les filaments de renforcement sont constitués de fibres de verre, de fibres d’aramide et/ou de fibres de carbone.

Les figures 3 et 4 illustrent un autre mode de réalisation de l’invention où la deuxième surface extérieure cylindrique 11 et la surface extérieure sensiblement hémisphérique 14 de l’embout 1 sont recouvertes, au moins partiellement, d’une structure composite 25, la structure composite 25 étant prise en sandwich entre l’embout 1 et l’enveloppe de renforcement 3 du liner 2.

Un réservoir tel que susmentionné est par exemple disposé sur un véhicule, de préférence, un véhicule automobile, lequel comprend :

- un réservoir selon l’invention,

- un moyen de conversion d’énergie configuré pour alimenter en énergie des moyens de propulsion du véhicule, lequel est en communication de fluide avec le réservoir via le premier embout de tel sorte qu'il peut être alimenté en fluide,

- un moyen de remplissage du réservoir, lequel est en communication de fluide avec le réservoir via le premier embout, et - un actionneur configuré pour sélectivement actionner soit le moyen de conversion d’énergie, soit le moyen de remplissage du réservoir, en réponse à un signal de commande L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés, il est notamment possible d’intégrer au moins un élément fonctionnel au premier embout. Cet élément fonctionnel est choisi parmi une soupape de sécurité contre la surpression, de préférence à déclenchement thermique, une soupape formant limiteur de débit, une soupape anti-retour, une vanne d’arrêt manuelle, un injecteur, un filtre, un capteur de température, un capteur de pression. De même, les conceptions concernant les embouts s’adressent à tous les réservoirs sous pression, quel que soit le fluide emporté ou la forme même du réservoir (cylindrique ou ovoïde).