FR3126148A1 - LINER c’est-à-dire:enveloppeinterne deRESERVOIRCOMPOSITEpour GAZà HAUTE PRESSION - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne des liners métalliques à paroi fine, pour réservoir composite, de type III, préférentiellement conçu pour contenir des gaz ou de l’hydrogène sous haute pression, destiné au transport terrestre, maritime, aérien et spatial, ainsi qu’au stockage statique. Ce liner (5D) est constitué par un cylindre principal de révolution (5) (5’), terminé, au moins à l’une de ses extrémités, par une forme évolutive, sensiblement hémisphérique (5c), se raccordant progressivement à son pôle sur une partie cylindrique (5b) de plus petit diamètre que le cylindre principal (5), la seconde extrémité du cylindre principal peut être soit sensiblement identique à la première, (configuration symétrique) ; soit dite « borgne » c’est-à-dire qu’elle a une forme évolutive, sensiblement en hémisphère entière, c’est-à-dire sans partie cylindrique de plus petit diamètre que le cylindre principal, à son pôle, (configuration asymétrique). Fig. 10

Description

LINER c’est-à-dire : enveloppe interne de RESERVOIR COMPOSITE pour GAZ à HAUTE PRESSION
Domaine de la technique :
Un liner est l’enveloppe interne d’un réservoir de gaz à haute pression, et en particulier pour l’hydrogène. Ledit réservoir est destiné au transport terrestre, maritime, aérien et spatial, ainsi qu’au stockage statique.
La présente invention concerne des liners (5) destinés à des réservoirs composite à haute performance ayant, à volume identique, sensiblement la forme intérieure d’un liner classique, c’est-à-dire d'un cylindre principal de révolution (5), terminé, au moins à l’une de ses extrémités, par une forme évolutive, sensiblement en hémisphère (5c), se raccordant progressivement à son pôle sur une partie cylindrique (5b’) de plus petit diamètre que le cylindre principal. voir .
La seconde extrémité du cylindre principal (5’b’) peut être sensiblement identique à la première, (configuration symétrique) ; soit dite « borgne » c’est-à-dire qu’elle a une forme évolutive, sensiblement en hémisphère entière, c’est-à-dire sans partie cylindrique de plus petit diamètre que le cylindre principal, à son pôle, (configuration asymétrique).
Etat de l’art antérieur :
Il existe quatre grands types de réservoirs de stockage de gaz comprimé :
- Le type I correspond à une enveloppe épaisse métallique faisant ,à la foi, office de pièce structurale et de liner,
- Le type II comporte un liner métallique dont la partie cylindrique est renforcée par un composite (fibre + résine) enroulé circonférentiellement par bobinage. Avec ce type de réservoir, le liner supporte une grande partie de la charge due à la mise sous pression, il est donc structural.
- Le type III est un liner entièrement bobiné par de la fibre enrobée de résine (structure composite). Le liner est métallique, il ne supporte pas la charge (ou très peu) et n’est là que pour empêcher la perméation de l’hydrogène. Ce type de liner permet d’accéder à de hautes pressions statiques, par exemple à 700 bars de service.
- Le type IV est un liner entièrement bobiné par de la fibre enrobée de résine (structure composite). Le liner est en polymère, par exemple du Polyéthylène haute densité (PEHD), il ne supporte pas la charge et n’est là que pour empêcher la perméation de l’hydrogène. On notera que la perméation est encore un frein à l’utilisation à grande échelle de ce type de réservoir, de même que la lenteur (10 minutes) et la difficulté de production du liner. Ce type de liner permet d’accéder à de hautes pressions de service (700 bars). La structure composite est généralement de la fibre de carbone enrobée de résine époxy.
Les réservoirs de type III & IV utilisent quasi exclusivement leur structure composite pour assurer la bonne tenue mécanique à la pression.
Les réservoirs de type III, classique, utilisent des liners métalliques ayant des épaisseurs de parois comprises entre 10 à 15 mm. La complexité et l’extrême lenteur du procédé de fabrication d’un tel liner est considérable. Il faut un temps de l’ordre de la demi-heure pour le fabriquer! De plus ce liner, est majoritairement réalisé avec un alliage d’aluminium de grade A6061. Un tel alliage à un très faible allongement à la rupture, c’est un handicap pour la tenue en fatigue !
Analyse du problème :
A titre d’exemple, il faut savoir que la perméabilité à l'hydrogène à 25C :
  • du Polyéthylène haute densité (PEHD) est de 2x10-13(moleH2. m- 1. s-1. MPa-1 /2)
  • de l’aluminium est de 6x10-16(moleH2. m-1. s-1. MPa-1/2)
On constate donc, a épaisseur identique, qu’il y a une différence de perméabilité de 333 fois entre celle de l’aluminium et celle du PEHD !
Le tableau 1 donne l’épaisseur typique d’un liner en PEHD destiné à un réservoir de type IV, à savoir 7 mm. Une telle épaisseur, pour une capacité intérieure de 62 litres, induit une masse sensiblement égale à 5.66 Kg, soit 12% de la masse totale du dit réservoir, ce qui loin d’être négligeable !
De plus, le liner n’étant pas structural, pour un liner de 372 mm de diamètre intérieur, la structure composite aura un diamètre intérieur de 386 mm et devra donc supporter une contrainte supérieure de 3.8% à celle qu’elle aurait à subir pour un diamètre de 372mm. Il faut donc réaliser la structure composite avec plus d’épaisseur, donc plus de masse et plus de coût.
Brève description des figures et des repères :
table donnant, à volume intérieur identique, les gains de masse de liner induit par le type de liner choisi.
graphique montrant les propriétés de perméation en fonction de la température pour 6 métaux candidats.
présentation schématique du filage inverse en 3 étapes à savoir : étape [A] mise en place de l’ébauche (3) ; puis étape [B] filage inverse ; et enfin étape [C] libération de la pièce
vue en coupe schématique d’une ébauche en aluminium (3) et ce qu’elle vas devenir en traits fins (5)
vue globale schématique, montrant l’ébauche (3) juste avant déformation
vue, en gros plan, montrant l’ébauche (3) juste avant déformation
vue, en gros plan, montrant, un autre type d’ébauche (3), juste avant déformation
vue, globale schématique, montrant le ½ liner (5) et son extrémité (5b) juste après déformation
vue, en gros plan, montrant le bout (5b) du ½liner juste après déformation, le poinçon (1) ayant commencé à être retiré.
vue, globale schématique, montrant le ½ liner (5) libéré.
vue, globale schématique, montrant les 2, ½ liners réunis.
propriété de « résistance à la déformation » d’un aluminium, de type 1000, en fonction de la « vitesse de déformation » et de la température.
évolution des propriétés d’un acier de moule (par exemple du H13 HRC50) en fonction de la température. On a représenté, ces dites propriétés, en pourcentage par rapport aux valeurs à 21°C du module d’Young et de la « résistance à la rupture ».
résultat de simulation numérique, par éléments finis, du filage inverse .
Gros plan presentant l’ébauche optimisée (3)
(1) poinçon
(1b) extension du poinçon (1) c’est-à-dire : partie servant à assurer un guidage précis du poinçon (1)
(2) et (4) contre forme
(2b) alésage de précision, de la contre forme, guidant l’extension (1b) du poinçon (1)
(3) ébauche
(3’) et (3’’) surépaisseur locale de l’ébauche destiné à éviter le refroidissement de l’ébauche, par conduction, lors de l’attente en début de filage.
(5) partie cylindrique, de grand diamètre, du ½ liner métallique.
(5b) extrémité cylindrique, de petit diamètre, brute de filage du ½ liner métallique
(5c) zone de transition entre grand (5) et petit diamètre (5b) du ½ liner métallique ; zone parfois appelée dôme, zone correspondant à l’ébauche optimisée
(5D) entièreté du liner métallique assemblé (bouteille)
(5D’) et (5D’’) ½ liners métallique usinés (demi-bouteilles)
(5e) alésage fileté du ½ liner 5b’
(5F) entrefer entre le poinçon (1) et la contre forme (2) assurant le calibrage de l’épaisseur de la partie cylindrique de grand diamètre (5) du ½ liner.
(5b’) extrémité, après reprise en usinage, du ½ liner métallique.
(5’) ½ liner métallique jumeau
(5’b’) extrémité, après reprise en usinage, du ½ liner métallique jumeau
(5’’) zone de liaison entre les deux ½ liners
(6) chariot de guidage du poinçon (1)
(7) moyen de guidage du chariot (6)
(8) et (8’) moyens de chauffage du ½ liner métallique (5)
Précisions complémentaires :
Notons également que la « partie filetée » (5e) servant au raccordement de la tuyauterie extérieure, est obtenue par filetage de l’extrémité (5b) du ½ liner.
« seconde extrémité » dite « borgne », ayant une forme évolutive, sensiblement en hémisphère entière, c’est-à-dire sans partie cylindrique de plus petit diamètre que le cylindre principal, à son pôle, (configuration asymétrique). Cette « seconde extrémité » nécessite un outillage de filage inverse spécifique.
Il est bien précisé que, sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l’une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure.
Le demandeur tient aussi à préciser que les figures représentent un mode de réalisation de l’objet selon l’invention, mais qu’il peut exister d’autres modes de réalisation qui répondent à la définition de cette invention.
Il précise en outre que, lorsque, selon la définition de l’invention, l’objet de l’invention comporte “au moins un” élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments.
Il précise également que, le terme sensiblement peut signifier que la propriété qualifiée ainsi peut être comprise soit comme étant exactement, soit comme presque définie. Par exemple la propriété « cette extrémité du tube affleurant sensiblement le bout de l’insert » peut signifier soit que l’extrémité affleure exactement, soit qu’elle arrive à une proximité raisonnable du bout de l’insert.
Il précise aussi que, si les modes de réalisation de l’objet, selon l’invention, tel qu’illustré comportent plusieurs éléments de fonction identique et que si, dans la description, il n’est pas spécifié que l’objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l’objet de l’invention pourra être défini comme comportant “au moins un” de ces éléments.
Il est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, soit en combinaison totale et/ou partielle.
Définition et notions indispensables :
Filage inverse (voir ) : le filage inverse permet de produire un tube avec un fond (appelé en général étui, et ici appelé liner ou ½ liner ). Les longueurs de filage sont forcément relativement courtes. Le filage inverse est utilisé pour la fabrication de composants d'armement (douille d'obus, ogive, gourde), de bouteilles à gaz en acier ou en alliage d'aluminium. Les formes sont limitées. Le filage inverse comporte les étapes suivantes. Etape [A] : L’ébauche (3) (par exemple en aluminium), chauffée ou froide et lubrifiée et est placée dans une matrice fermée à une extrémité par un tasseau (2) (dessin de gauche ). Etape [B] : Un poinçon (1) vient pousser sur l’ébauche qui file le long du poinçon en formant un étui (5) (dessin central ). Etape [C] : En fin de filage, l’étui est éjecté grâce à une poussée sur le tasseau (dessin de droite ).
Perméation :voir ; En physique et ingénierie, la perméation est la pénétration d'un perméat (liquide, gaz ou vapeur) à travers un solide. Elle est directement liée : au gradient de concentration du perméat, à la perméabilité intrinsèque du matériau, et à sa diffusivité massique. La perméation est modélisée par des équations telles que les lois de Fick de diffusion, et peut être mesurée à l'aide d'outils tels qu'un perméamètre. La perméation peut se produire à travers la plupart des matériaux, y compris les métaux, les céramiques et les polymères. Cependant, la perméabilité des métaux est beaucoup plus faible que celle de la céramique et des polymères en raison de leur structure cristalline et de leur faible porosité.
R ecuit: le recuit, d'une pièce métallique, est un procédé correspondant à un cycle de chauffage. Celui-ci consiste en une étape de montée graduelle en température, typiquement à 300°C , suivit par un temps de maintien à ladite température. Cette procédure, permet de modifier les caractéristiques physiques du métal . Cette action est particulièrement employée pour faciliter la relaxation des contraintes pouvant s’être accumulées au cœur de la matière, sous l'effet de contraintes mécaniques ou thermiques, intervenant dans les étapes de synthèse et de mise en forme des matériaux. À l'occasion d'un recuit, les grains (monocristaux) de matière se reforment et retrouvent en quelque sorte, leur « état d'équilibre ». Le recuit de cristallisation, après écrouissage, a pour but de conférer au métal une taille de grain optimale pour son utilisation future (pliage, emboutissage, filage…).
Outillage: on désigne ici par outillage l’ensemble poinçon (1) et contre forme (2)
Bouteille :dans le texte on désigne indifféremment par : liner ou ½ liner une ½ bouteille (5D’) ou (5D’’), on désigne par bouteille (5D) l’ensemble des deux ½ bouteilles. .
Paramètres de filage :
Le rapport de filage δR est une évaluation de la sévérité de filage. Il s’écrit :
avec :
s : section de l’ébauche (3)
S : section du produit filé (5).
Force de filage :
L’obtention de parois fines de grand diamètre, en filage inverse, est extrêmement délicate ; c’est la raison pour laquelle les réservoirs de type III actuel ont des parois épaisse et lourdes.
La force de filage permet de connaître la force nécessaire, pour une déformation donnée et permettra de connaître, en pratique, la presse qu'il faudra utiliser. La force de filage simplifiée s’écrit :
avec
F (daN) : force à appliquer sur le poinçon (1)
R (mm) : rayon de l’ébauche (3)
ρ(daN/mm2) : « résistance à la déformation » ( voir ) de la matière à la température de déformation (appelé également contrainte d'écoulement)
δ : rapport entre la section de l’ébauche et la section du produit fini à la température de déformation (appelé rapport de filage)
l (mm) : longueur de l’ébauche
f : coefficient de frottement entre l’ébauche (3) et les parois (1) et (2), ce coefficient dépend également de l’épaisseur de la paroi (5) du ½liner filé .
Vitesse de déformation :
La vitesse de déformation de l’ébauche, lors du filage inverse ,est la dérivée ,par rapport au temps, de la déformation ε ; on la note donc (« epsilon point ») :Elle s'exprime en s-1
Résistance à la déformation :
la résistance à la déformation, généralement désignée par Yf, est définie comme la valeur instantanée de contrainte nécessaire pour continuer à déformer plastiquement un matériau pour le faire fluer.
la résistance à la déformation, pour un matériau donné, varie avec les changements de température, et du taux de déformation ; par conséquent, on peut écrire :: Elle s'exprime en MPa.
Extrudabilité
Le tableau ci-dessus montre l’extrudabilité de l’aluminium en fonction de son type. Tout paramètres identiques par ailleurs, on désigne par extrudabilité la vitesse d’extrusion obtenue. L’extrudabilité découle de la « résistance à la déformation », Yf ,évoquée ci-dessus.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention décrit la structure optimale d’un liner destiné à un réservoir composite en vue du stockage de gaz et en particulier d’hydrogène à haute pression.
Le graphique 2 montre l’évolution de la perméabilité des métaux en fonction de la température. On constate, que pour la température ambiante (abscisse 3.4 sur le graphique), les métaux les plus intéressants sont par exemple et par ordre préférentiel : l’or, le cuivre, l’aluminium, le fer austénitique, le nickel, tout autre métal ou alliage métallique n’étant pas exclu du champ de nos revendications.
A part pour des applications très spéciales (spatial par exemple) nous pouvons faire l’impasse sur l’or (de densité 19.3). Le cuivre et l’aluminium viennent ensuite. Le cuivre à une densité de 8.96, l’aluminium à une densité de 2.7 soit 3.3 fois plus faible. De plus l’aluminium a une excellente extrudabilité et une bonne tenue à la corrosion. Nous allons donc analyser ici ,à titre d’exemple, un liner utilisant ce métal, ce qui ne restreint en aucune façon l’étendue du brevet aux autres métaux et alliages.
Nous avons mentionné que l’aluminium a une perméation 333 fois meilleure que le PEHD. Dans le cadre de l’invention, nous revendiquons d’utiliser un liner d’une épaisseur « e » en zone cylindrique de grand diamètre (5) comprise entre 0.1mm et 3 mm , dans le cadre d’un réservoir de type III ; Si l’on considère une épaisseur « E » de structure composite ayant typiquement entre 16 et 32 mm d’épaisseur, notre revendication porte sur un domaine d’épaisseurs de liner par rapport à épaisseur de structure composite « e / E » compris entre 0.3% et 19%. Confer le tableau ci-dessous.
Un liner de type IV, en PEHD a une valeur « e / E » de 43.9% ! Prenons, à titre d’exemple, pour notre liner aluminium, une épaisseur raisonnable de 0.7 mm, soit un « e / E » de 4.54%. Avec cette épaisseur de 0.7mm, notre performance, en perméation, sera 33.3 fois meilleure qu’un liner en PEHD de 7 mm. Technologiquement, le liner sera suffisamment robuste pour supporter la charge subie, lors du guipage de la structure composite ; notons qu’il est possible, si nécessaire, de le gonfler pour le raidir, ou de le remplir par exemple d’un fluide congelé.
Les bénéfices apportés par un liner aluminium, de par exemple 0.7 mm, outre la perméation, sont les suivants (par exemple pour un réservoir de 62 litres)
  • réduction de la masse du liner de 4.1 Kg soit 72.3% (la masse passe de 5.7 à seulement 1.6 Kg) (voir )
  • réduction de la masse de structure composite de 12 Kg soit 29.1% (la masse passe de 41.4 à 29 Kg) une telle réduction, induit naturellement une forte baisse sur le coût matière du réservoir.
  • donc réduction de la masse totale du réservoir de 16.1 Kg soit 34.3% (la masse totale passe de 47.1 à 30.9 Kg) (hors inserts), une telle réduction est intéressante en ce qui concerne l’allégement du véhicule. Notre liner est son propre insert.
  • réduction du diamètre extérieur du réservoir de 14.2 mm soit 3.4% (le diamètre passe de 419.8mm à 405.6 mm) une telle réduction est intéressante en ce qui concerne l’intégration dans le véhicule.
Le procédé permettant d’obtenir un tel liner (5D) est basé sur le principe du filage inverse.

Claims (12)

  1. Bouteille métallique (5D) composée de 2 demi bouteilles (5D’) et (5D’’) destinée à servir de liner léger pour les réservoirs composite de type III, caractérisée par la très faible épaisseur « e » de sa zone cylindrique (5)-(5’), épaisseur comprise entre 0.1mm et 3 mm, si bien que, si l’on désigne par « E » l’épaisseur la structure composite entourant le liner, notre revendication porte sur un domaine d’épaisseurs relatives : épaisseur de liner par rapport à épaisseur de structure composite « e / E », compris entre 0.3% et 19%.
  2. Bouteille métallique (5D’) ou (5D’’) , selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu’elle est constituée par l’un des métaux suivants : l’or, le cuivre, l’aluminium ; ledit aluminium étant choisi pur à 99%, ou plus ,à savoir notamment et de façon non exhaustive parmi les références suivantes : 1350,1199,1145,1199,1100,1070,1060,1050,1A99,1A97,1A95,1A93,1A90,1A85,1A80, 1A80A .
  3. Bouteille métallique (5D’) ou (5D’’) , selon les revendications 1 et 2 , caractérisée par le fait que, lors du filage inverse de l’ébauche (3) ; nous revendiquons que les ébauches (3), préalablement traité à l’état recuit, sont mises en œuvre dans un domaine de vitesse de déformation compris entre 50 s-1et 0.01s-1,couplé à un domaine de température desdites ébauches, compris entre 400°C et 645°C.
  4. Bouteille métallique (5D’) ou (5D’’) , selon les revendications 1 à 3, et afin de réduire les échanges thermique avant compression, l’ébauche (3) est caractérisée par des surépaisseurs (3’) et (3’’)
  5. Bouteille métallique (5D’) ou (5D’’) , selon les revendications 1à 4, et afin de réduire les échanges thermique et ainsi le temps de mise en forme avant compression ,l’ébauche (3) est caractérisée par le fait que la forme de ladite l’ébauche (3) à une géométrie très semblable à la forme du dôme (5c) à réaliser, on passe ainsi quasi directement au filage inverse de la partie tubulaire (5) du ½liner ,cette mise en forme sensiblement en dôme (5c) de l’ébauche (3) pouvant être obtenu préalablement par : emboutissage, moulage, repoussage, usinage, fabrication additive.
  6. Bouteille métallique (5D’’), selon les revendications 1 à 5 caractérisée par le fait que l’une des deux demi-bouteille la constituant est borgne, c’est-à-dire qu’elle ne comporte pas d’extrémité (5b) , mai un dôme (5c) borgne (non percé)
  7. Premier Procédé optimisé de réalisation de ½ Bouteille métallique (5D) ou (5D’’), selon les revendications 1 à 6, l’ébauche (3) étant préalablement chauffée à par exemple 600°C puis introduite rapidement dans la contre forme (2), procédé, caractérisé: par le fait qu’il consiste à chauffer à par exemple 600°C, localement et dans un temps très bref , la zone de l’outillage où sera le dôme (5c), et sur une épaisseur au moins égale à 3 fois l’épaisseur locale dudit dôme (5c), dans cette procédure ,il faut apporter juste l’énergie nécessaire pour annuler tout transfert thermique entre le dôme (5c) de l’ébauche (3) et l’outillage en choisissant l’une des trois options de zone d’outillage chauffée suivantes : soit (2) et (1) , soit (1) , soit (2).
  8. Second Procédé optimisé de réalisation de ½ Bouteille métallique (5D) ou (5D’’) , selon les revendications 1à 6, l’ébauche (3) étant préalablement chauffée à par exemple 500°C, puis introduite rapidement dans la contre forme (2), procédé caractérisé: par le fait qu’il consiste à réaliser un transfert thermique instationnaire, depuis l’outillage ,vers l’ébauche (3) ,le dit outillage étant chauffé à par exemple 640°C, localement et dans un temps très bref , au niveau de la zone de l’outillage en regard du dôme (5c), en choisissant l’une des trois options de zone d’outillage chauffée suivantes : soit (2) et (1) , soit (1) , soit (2).
  9. Procédé de réalisation de ½ Bouteille métallique (5D) ou (5D’’) , selon les revendications 1à 8, caractérisé par le fait que, pendant le filage inverse, on chauffe la zone cylindrique (5) du ½liner avec tout moyen connu par l’homme de l’art.
  10. Procédé de réalisation de ½ Bouteille métallique (5D) ou (5D’’) , selon les revendications 1à 9 caractérisé par le fait que pour guider le poinçon (1) on utilise un outillage de guidage de précision comprenant : un chariot de guidage (6) du poinçon (1) , ce chariot coulisse le long de colonnes de précision (7), lesdites colonnes étant encastrées dans la « contre forme » (2).
  11. Procédé de réalisation de ½ Bouteille métallique (5D) ou (5D’’) , selon les revendications 1 à 10 caractérisé par le fait que pour guider le poinçon (1) dans la « contre forme » (2) on utilise une extension (1b) ,du poinçon, qui coulisse et est guidé par l’alésage calibré (2b) de la « contre forme » (2)
  12. Procédé de réalisation de Bouteille métallique (5D) ou (5D’’) , selon les revendications 1à 11 , après avoir repris en usinage le bout (5b’) et procédé au taraudage (5e) de l’extrémité (5b) du ½liner ( demie bouteille), il est alors possible d’abouter, par frettage, le dit ½liner (5D’) avec son jumeau (5D’’) ,cette opération se caractérise par le fait qu’il doit y avoir une différentielle de température réalisée en chauffant , par exemple à 200°C, l’un des deux ½liners, en l’alignant puis en le glissant sur son jumeau, froid, et en laissant refroidir le tout, ce dit frettage peut être simple ou assisté par de la brasure ou de la colle.
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