WO2024002902A1 - Réservoirs composites à coque tressée et procédés de fabrication correspondants - Google Patents

Réservoirs composites à coque tressée et procédés de fabrication correspondants Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the field of fluid storage, in particular a fluid forming a fuel contained in a tank of a transport device such as a motor vehicle, an aircraft, a boat, or any other mobile equipment.
  • the invention is of particular interest, in no way limiting, in the sector of vehicles using hydrogen or other fuels including, for example, biogas.
  • the hydrogen, gas or liquefied gas tanks known in the prior art are generally formed of a body comprising a cylindrical jacket on which pre-impregnated technical fibers, for example made of carbon, are deposited by winding. filamentary, so as to form a shell capable of withstanding the pressure of such a fluid which typically ranges from 2 to 70 MPa in use, with admissible ruptures ranging from 8 to 157.5 MPa in rupture.
  • the known reservoirs are bulky, expensive taking into account in particular the time required to carry out the filament winding, and likely to undergo significant deformation under the effect of variations in pressure of the fluid carried.
  • the known tanks are poorly suited to current and future motorized vehicles which, on the one hand, for reasons of mass to be transported, have an increasingly restricted space to accommodate such tanks and, on the other hand, on the other hand, pose problems of energy autonomy.
  • the invention aims to remedy the aforementioned problems and in particular to respond to the need for additional autonomy of vehicles.
  • a particular aim of the invention is to provide a reservoir capable of storing a fluid of the biogas or hydrogen type, or more generally of containing a high pressure fluid.
  • Another aim of the invention is to provide a solution making it possible to maximize the useful storage volume with regard to the spaces actually available for this in vehicles such as a motor vehicle, aircraft, boat or other mobile equipment.
  • the subject of the invention is a reservoir for a transport device such as a motor vehicle, an aircraft or a boat, comprising a body which delimits a cavity intended to contain a fluid, the body comprising a shell forming a tank shell.
  • the shell comprises an assembly of fibers forming one or more layers each having several plies linked together by certain of said fibers, called “binding bias fibers”.
  • the shell of the tank includes braiding with interlacing of plies, that is to say braided fibers, some of which bind different plies together, which makes it possible to obtain excellent mechanical properties in terms of tenacity.
  • 3D interlock H. Lansiaux, D. Soulat, F. Boussu and A. R. Labanieh, Mechanical characterization of 3D warp interlock fabrics linen with different numbers of layers, 24th French Mechanics Congress, Brest, August 26 to 30, 2019.
  • Such a braiding technique makes it possible to deposit, at the same time, on a mandrel made to the interior shape of the tank for example, a certain number of braids while interweaving them together in order to avoid, in use, any delamination or any movement between the different braids and thus bring them to work together.
  • This technique also allows the construction of a polymorphic shell, whether it is a shell having a simple or classic geometry of the cylindrical type or a complex heteromorphic geometry.
  • a shell made of braided fibers with interlaced plies makes it possible in particular to improve the fatigue resistance of the tank compared to a shell produced by filament winding.
  • the invention also makes it possible to produce high pressure tanks, with cylindrical or other geometry, and low pressure tanks such as those, for example, used for transporting liquefied petroleum gas.
  • the braided shell of the invention makes it possible to reduce the very large deformations which occur on conventional tanks.
  • the shell of the tank of the invention thus forms a texture comprising mainly continuous technical fibers.
  • These fibers can be of organic, plant, mineral or metallic origin.
  • each of the layers comprises a number NI of plies greater than two, the binding bias fibers passing through a number N2 of plies at least equal to two.
  • NI can be equal to five and N2 can be equal to two for at least some of the binding bias fibers.
  • the body comprises a jacket defining an internal surface which delimits the cavity and an external surface matching an internal surface of the shell.
  • the liner may comprise a material such as plastic capable of making the liner impermeable to the fluid contained in the cavity.
  • the shirt may comprise a material of organic, plant, mineral or metallic origin.
  • the tank comprises one or more reinforcements which each connect the parts of the body arranged opposite to each other.
  • these parts connected together by one or more reinforcements can be flat, convex or even concave walls.
  • Such reinforcements make it possible to increase the resistance of the tank to the pressure of the fluid carried in the tank, in particular by increasing the resistance to tensile forces.
  • each of the reinforcements may comprise a wall made integrally with the jacket.
  • the wall of the reinforcement(s) can form a continuous extension of material with the shirt.
  • each of the reinforcements can extend along a connection direction.
  • connection direction of each of the reinforcements can be perpendicular or oblique relative to one and/or the other of the parts of the body which are connected to each other by this reinforcement.
  • each of the reinforcements forms a circumferentially closed external surface around the connection direction along which it extends.
  • the entirety of this external surface delimits the cavity of the tank.
  • each of the reinforcements forms an internal surface delimiting a hollow space.
  • This hollow space can define an opening passing through the tank in the connection direction.
  • a given reinforcement can include a wall which forms a solid of revolution or more generally a solid closed around the direction of connection that it constitutes.
  • such a reinforcement may have a generally annular or frustoconical geometry, which may be different on different sections of the reinforcement along the connection direction.
  • a tank comprising reinforcements forming such hollow spaces can thus form a cellular structure, the jacket delimiting a volume comprising the storage cavity of fluid crossed by cells formed by the hollow spaces of the reinforcements, in which can in particular be housed members of the tie type.
  • each of the reinforcements comprises a tie rod housed in the hollow space formed by said wall of the reinforcement.
  • the tie comprises one or more layers made up of fibers, the majority of which extend along the bonding direction.
  • the tension of the reinforcement(s) can thus form a fibrous texture, which is preferably manufactured using a technique other than braiding with interlacing of plies.
  • a majority of fibers can be arranged longitudinally and grouped together by light braiding.
  • the orientations of the respective fibers of the shell and the tie(s) make it possible to respond to loading conditions which are completely different between the body and the reinforcement(s).
  • the reinforcement(s) are in fact particularly exposed to tensile forces when the pressure is internal to the tank.
  • the structure of the body is exposed to all kinds of stresses, namely tensile, bending, compression or even shearing forces.
  • the invention makes it possible to manufacture tanks withstanding high internal functional pressures, compatible with the carriage of different types of fluid, for example natural gas at medium pressure (26 MPa in use and 47 MPa in rupture) or hydrogen at high or very high pressure (from 35 to 70 MPa in use and from 78.75 to 157.5 MPa in rupture), impervious to the fluid carried, particularly when it is a gas presenting molecules of very small sizes such as hydrogen, methane or butane molecules, and presenting resistance to different types of environment (e.g. acid, basic, humidity, salt spray, etc.), static mechanics pressure, vibration, shock, endurance, fatigue, aging, fire, ballistic and more generally mechanical, which increases their safety and reliability in use.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a tank, comprising a step of braiding the fibers with interlacing of plies so as to form the shell.
  • This braiding is preferably carried out on the shirt used as a mandrel.
  • the method comprises, for each of the reinforcement(s), a step of manufacturing the tie rod by braiding the fibers forming this tie rod and a step of inserting the tie rod into the hollow space formed by said wall of the reinforcement.
  • the method preferably comprises a step of injecting or infusing a resin into the assembly of fibers forming the shell.
  • the fibrous texture can thus be consolidated by an injection of resin or by any other means.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view, partially cut away, of a tank according to the invention, the tank comprising a body formed of a jacket and a shell made of braided fibers on the jacket, as well as a reinforcement connecting one to the other two parts of the body facing each other;
  • FIG. 2 is a partial schematic sectional view of a tank according to the invention and of tools making it possible to assemble a tie rod of a reinforcement of the tank with the body of this tank;
  • FIG. 3 is a partial schematic sectional view of a layer of the shell of a tank according to the invention, illustrating an example of assembly of fibers forming this layer;
  • FIG. 4 is a partial schematic sectional view of a tank according to the invention and of tools making it possible to assemble a tie rod of a reinforcement of the tank with the body of this tank, this tank being distinguished in particular from that of Figure 2 in that the parts connected together by the reinforcement are walls inclined relative to each other and to a direction along which the reinforcement extends;
  • FIG. 5 is a partial schematic sectional view of a tank according to the invention and of tools making it possible to assemble a tie rod of a reinforcement of the tank with the body of this tank, this tank being distinguished in particular from that of Figure 2 in that the reinforcement includes diffusers and anti-restriction nuts;
  • FIG. 6 is a schematic perspective view, partially cut away, of a tank according to the invention, comprising several reinforcements oriented in a single direction, forming a network of mono-axial reinforcements;
  • FIG. 7 is a schematic perspective view, partially cut away, of a tank according to the invention, comprising reinforcements oriented in two mutually orthogonal directions, forming a network of bi-axial reinforcements;
  • FIG. 8 is a schematic perspective view, partially cut away, of a tank according to the invention, comprising reinforcements oriented in three mutually orthogonal directions, forming a network of tri-axial reinforcements.
  • Figures 1 and 6 to 8 include a frame of reference defining three mutually orthogonal directions DI, D2 and D3.
  • DI is a longitudinal direction
  • D2 a first transverse direction
  • D3 a second transverse direction.
  • FIG. 1 a tank 1 conforming to a first embodiment of the invention.
  • the tank 1 is intended to equip a motor vehicle in order to supply it with fuel.
  • the reservoir 1 of Figure 1 has a generally ovoid shape extending along a longitudinal axis Al, parallel to Dl, so as to present two longitudinal ends IA and IB.
  • the tank 1 has a transverse dimension, in particular along D2, which varies along the axis Al. Starting from the longitudinal end IA, this transverse dimension increases to a median longitudinal coordinate, then decreases up to the longitudinal end IB.
  • the maximum transverse dimension of the tank 1 according to D2 which is located in this case at said median longitudinal coordinate, can be approximately 500 mm.
  • the tank 1 comprises a body which is in this example provided with a jacket 2, a shell 3 and a reinforcement 4.
  • the jacket 2 forms an internal surface and an external surface defining a thickness of this jacket 2, which is in this example substantially constant in the different parts of the tank 1.
  • the cavity 5 is intended to contain a fluid fuel, gas or liquid, having a pressure of around 70 MPa.
  • the shell 3 also comprises an internal surface and an external surface defining a thickness of this shell 3, which is in this example substantially constant in the different parts of the tank 1.
  • Shell 3 forms an envelope of tank 1.
  • the internal surface of the shell 3 matches the external surface of the liner 2.
  • the jacket 2 and the shell 3 thus constitute a double-walled body and each have respective and complementary properties taking into account their respective material and manufacturing process (see further below).
  • the reinforcement 4 is in this example configured to connect two parts of the body to each other which are located opposite each other, these opposite parts forming two transverse ends of the body according to D2.
  • the reinforcement 4 makes it possible to improve the mechanical resistance of the tank 1, taking into account in particular the pressures and depressions which it undergoes during its use.
  • the reinforcement 4 has a generally elongated shape along a direction D4, called “connection direction”, which is in this example parallel to the direction D2 and which passes through said median longitudinal coordinate of the tank 1.
  • the reinforcement 4 comprises an external envelope 6, a tie rod 7 and two diffusers 8 (only one diffuser being visible in this figure).
  • the reinforcement 4 and its outer envelope 6 comprise a central part 4A and end parts 4B and 4C respectively connected to said transverse ends of the body in the manner described further below.
  • the central part 4A of the envelope 6 of the reinforcement 4 has a generally cylindrical geometry defining an axis of symmetry which corresponds to the direction D4.
  • the end parts 4B and 4C have a flared geometry, in this case an increasing dimension from the respective end of the central part 4A to which they are connected towards the corresponding part of the jacket 2 to which they are connected.
  • the external envelope 6 of the reinforcement 4 defines, radially inside with respect to the direction D4, a hollow space which passes through the jacket 2 of the body of the tank 1 in the direction D4 so as to open onto the external surface of this jacket 2.
  • the envelope 6 thus forms a wall which extends circumferentially around D4, forming an internal surface and an external surface which define a thickness of this wall.
  • the internal surface of the envelope 6 delimits said hollow space.
  • the external surface of the envelope 6 is a circumferentially closed surface around the direction D4.
  • the entirety of this external surface delimits the cavity 5 of the tank 1 so that the cavity 5 extends all around the reinforcement 4.
  • the external envelope 6 of the reinforcement 4 thus forms a well which passes through the cavity 5.
  • the external envelope 6 of the reinforcement 4 is made integrally with the jacket 2, in this case with parts of the jacket 2 forming said transverse ends of the body, so as to form a continuous extension of material.
  • the envelope 6 and the jacket 2 comprise a thermoplastic material, making it possible to ensure a sealing function to the fluid contained in the cavity 5.
  • the external envelope 6 of the reinforcement 4 is in this example made from a part previously manufactured by machining, injection, roto-molding or even extrusion-blowing.
  • the subassembly comprising in continuity of material the jacket 2 and the external envelope 6 of the reinforcement 4 is called "membrane”.
  • the membrane can be obtained by crystallization or crosslinking of thermoplastic material constituted on the one hand by said prefabricated part and on the other hand by wall elements held in relation to each other using a appropriate tooling, or more generally by implementing any shaping process such as roto-molding, blowing, or other molding or casting technique, so as to create an assembly by adhesion of material elements.
  • the shell 3 is first braided onto the membrane using a ply interlacing braiding process, the membrane being used as a mandrel during braiding.
  • Each of the layers comprises an assembly of fibers which are in this example carbon fibers and which are braided so as to form five plies.
  • the fibers are called "axial fibers” when they are arranged in a manner substantially linear and “bias fibers” when they are arranged in such a way as to successively intersect other fibers.
  • Figure 3 schematically shows a sectional view of part of a layer Cl of the shell 3, in which the assembled folds P1-P5 define a thickness of the layer Cl in a direction D5.
  • Each of the folds P1-P5 comprises a series of axial fibers 21, also called “longis”, which are spaced from each other in a direction D6 perpendicular to the direction D5 and to a direction D7 along which they extend.
  • the axial fibers 21 specifically increase the mechanical resistance of the layer Cl in the direction D7, making it possible in particular to reduce the deformations of the shell 3 in this direction.
  • the layer Cl of Figure 3 comprises ten bias fibers braided on the axial fibers 21, including two external bias fibers 22 and eight binding bias fibers 23-30.
  • One of the external bias fibers 22 is braided around the axial fibers 21 of the PI fold.
  • the other external bias fiber 22 is braided around the axial fibers 21 of the ply P5.
  • the external bias fibers 22 make it possible to smooth the external surfaces of the Cl layer.
  • the binding bias fibers 23-30 are braided so as to connect the plies PI to P5 to each other.
  • binding bias fibers 23 and 24 connect the folds PI and P2 to each other
  • the binding bias fibers 25 and 26 connect the folds P2 and P3 to each other
  • the Binding bias fibers 27 and 28 connect the plies P3 and P4 to each other
  • binding bias fibers 29 and 30 connect the plies P4 and P5 to each other.
  • the binding bias fibers 23-30 are braided so as to each connect two respective adjacent plies, for example the plies PI and P2, so that two non-adjacent plies of the layer Cl, for example the plies PI and P3 , are not linked together directly, but indirectly via, in this example, the fold P2.
  • the binding bias fibers 24, 26, 28 and 30 are braided so as to evolve along parallel curves in directions D5 and D6 and in phase opposition to the binding bias fibers 23, 25, 27 and 29 (see figure 3).
  • the different layers of the shell 3 can be braided in a similar manner, preferably by modifying the relative orientation of the axial fibers 21 from one layer to another, so as to provide the shell 3 with improved mechanical resistance according to several directions of space.
  • the shell 3 thus forms a fibrous texture which can essentially consist of intertwined continuous fibers.
  • the number of layers of the shell 3 and/or the number of plies per layer and/or the number of plies directly connected together by binding bias fibers can be modified depending on the desired mechanical properties.
  • other technical fibers can be used to braid the shell 3, for example fibers made of glass, basalt, aramid, linen, hemp or even mixed fibers comprising, for example, polyamide or polyethylene filaments.
  • the braiding of the shell 3 can also be carried out using a combination of such technical fibers and thermoplastic filaments.
  • Such a braiding process makes it possible to deposit layers of dry material in the form of several folds of fibers intertwined with each other, one by one or two by two or even more depending on the needs. This operation can be reproduced several times, by stacking layers, in the same direction or in different directions in order to ensure a good framework of contextures capable of responding to the pressure forces generated by the fluid on the shell 3 of the tank 1.
  • Such a braiding process makes it possible to make the deposited fibers conform to the required shapes without fiber distortion and provides considerably improved properties in terms of tenacity, particularly in comparison with filament winding.
  • openings can be made in the shell 3 by spacing of fibers which constitute it using a tool such as a conical point, so as not to cut the fibers and allow the shell 3 to retain its mechanical properties.
  • the tie rod? prefabricated is inserted into the hollow space formed by the external envelope 6 of the reinforcement 4 through one of the openings thus made in the shell 3.
  • a tool comprising a mold 31, metallic or composite, and an axis 32 is then pre-positioned, by introducing the axis 32 through an opening made in the tie rod 7 and passages made in the mold 31.
  • the mold 31 is then moved so as to come to rest on the external surface of the shell 3, by tightening nuts 33 cooperating with the axis 32, resulting in a folding of the ends 9 of the tie rod? against parts 10 of the shell 3 which delimit said openings formed by spacing of fibers.
  • the parts 10 of the shell 3 are thus enclosed between the tie rod 7 and the membrane formed by the jacket 2 and the external envelope 6 of the reinforcement 4, ensuring a robust mechanical connection between the reinforcement 4 and the body of the tank 1.
  • this assembly is then consolidated by injection of a thermosetting resin via orifices (not shown) made in the tooling, after formation of a vacuum in the space delimited by the mold 31 and the membrane integrating the shirt 2 which provides a counter-mold function.
  • the injection is carried out using a process known under the Anglo-Saxon name “Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding” (VARTM).
  • VARTM Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding
  • the assembly is then subjected to heat treatment in order to stiffen the resin.
  • thermosetting resin can be replaced by a thermoplastic type resin, in particular with low viscosity allowing injection into the fibrous structure of the shell 3, or even by a bio-sourced resin.
  • the tie rod? is made by light braiding of carbon fibers mainly arranged in a longitudinal / unidirectional manner.
  • the majority of fibers forming the tie? extends substantially in the same direction which corresponds to the connection direction D4 when the tie rod 7 is assembled with the other parts of the tank 1.
  • Such an assembly of fibers allows the tie rod 7 and subsequently the reinforcement 4 to oppose tensile forces exerted on the reinforcement 4 under the action of the pressure of the fluid carried into the cavity 5.
  • tie rod 7 Of course, other technical fibers or different combinations of fibers can be used to form the tie rod 7, including for example glass fibers.
  • Figure 4 shows tooling similar to that of Figure 2 which is specifically adapted to the assembly of a reinforcement 4 with a tank body 1 having parts connected by the reinforcement 4 which are inclined relative to the connection direction D4.
  • the preceding description applies by analogy to this embodiment.
  • the tooling of Figure 4 is distinguished in particular from that of Figure 2 in that it comprises heads 41 forming molds, centered on the axis 32 in openings of the mold 31.
  • the heads 41 are arranged at the ends of the tie rod 7 so as to conform these ends when they are folded against the hull 3.
  • the geometry of the folded ends of the tie rod results from the shape of the molds 31 themselves.
  • the diffusers 8 are here rigid rings comprising for example a reinforced thermoplastic material each enclosed between a respective one of the end parts of the external envelope 6 of the reinforcement 4 and the shell 3 after folding down the ends 9 of the tie rod 7.
  • Such diffusers 8 make it possible to improve the distribution of loads on the shell 3, in particular when the ends 9 of the tie rod 7 are folded down.
  • the nuts 51 are also rigid rings which may comprise a reinforced thermoplastic material and which in this example have an ogive shape.
  • the nuts 51 are arranged in the end parts of the tie rod 7 so as to be axially retained in the direction D4 by the folded ends 9 of the tie rod 7.
  • the tooling and the tie rod 7 are in fact configured so that, when the ends 9 of the tie rod 7 are folded, a radially internal part of these ends 9 comes to bear on the nuts 51 and a radially external part of the ends 9 come to rest on the shell 3 (see figure 5).
  • the nuts 51 are configured to work in compression, so as to achieve an anti-stricture function capable of reducing the phenomena of sliding of the ends of the reinforcement 4 relative to the shell 3.
  • Such anti-restriction nuts 51 are particularly useful for tanks 1 intended to contain a fluid under high or very high pressure, such as hydrogen.
  • the diffusers 8 and the nuts 51 can include materials of the polyurethane, polyamide or even polyethylene type, and be reinforced by glass, carbon or other fibers.
  • the reinforcement 4 of the tank 1 is in this case similar to that illustrated in Figure 5, the anti-restriction nuts 51 however not being shown in Figure 1.
  • the tank 1 in Figure 1 further comprises a filling nozzle 61 integrated into the structure of the shell 3 at the longitudinal end IA of this tank 1.
  • the nozzle 61 is configured to establish fluid communication between the cavity 5 and the exterior of the reservoir 1, with a view to filling it or sampling the fluid it contains. It follows from the preceding description that the invention makes it possible to produce a composite tank 1, in this case having a body formed of an internal jacket 2 impermeable to the transported fluid and a braided shell 3 both monolithic, capable of 'endure very high pressures while considerably improving the aspects of fatigue, aging and explosion safety.
  • one or more reinforcements similar to the reinforcement 4 described above make it possible to significantly reduce the deformations of the body and to design a tank 1 of varied shape, conformable to the location reserved for its installation in a vehicle.
  • a tank 1 according to the invention makes it possible in particular to withstand pressures of several tens of MPa.
  • Figure 1 shows a tank 1 of ovoid shape comprising a single reinforcement 4.
  • FIGS 6 to 8 show other examples of heteromorphic reservoirs 1 according to the invention, which can be manufactured according to the same principles as those which have just been described.
  • the body of the tank 1 has a generally flattened shape, in this case a dimension along the direction D2, or height, relatively small compared to its dimensions along DI and D3.
  • the height according to D2 of tank 1 can be approximately 100 mm.
  • the jacket 2 and the shell 3 of the body define different parts 101-103 which define the shape of the tank 1.
  • the parts 101 and 102 have a generally planar shape defining a lower wall 101 and an upper wall 102 of the body which extend parallel , facing each other.
  • the parts 103 form side walls connecting the walls 101 and 102 so as to form rounded edges of the tank 1.
  • the tank 1 comprises in this example a series of reinforcements 4 as described above and which are each configured to connect the parts 101 and 102 of the body to each other.
  • the reinforcements 4 are distributed in the tank 1 being spaced two by two at a substantially constant distance in the direction DI and in the direction D3.
  • FIG. 7 shows another example of tank 1 according to the invention which is described below only according to its differences compared to tank 1 of Figure 6, the preceding description applying by analogy.
  • Tank 1 in Figure 7 has a dimension in direction D2 relatively greater than the height of the tank in Figure 6.
  • the upper part of the body comprises several upper walls 104-108 facing the lower wall 101 as well as two transverse walls 109.
  • the upper walls 104, 106 and 108 are parallel to the lower wall 101 while the upper walls 105 and 107 are inclined relative to the walls 104, 106 and 108 so as to create a bulge in the tank 1 at its central longitudinal part. .
  • the maximum height of tank 1 that is to say the distance along D2 between the lower wall 101 and the upper wall 106, can be approximately 150 mm.
  • transverse walls 109 are parallel to the directions DI and D2 and are spaced apart from each other in the direction D3 so as to define a constant width of the tank 1 .
  • the reinforcements 4 comprise on the one hand reinforcements 121 similar to those of the tank in Figure 6, that is to say reinforcements 121 connecting the lower wall 101 and the upper part of the body to each other.
  • the reinforcements 4 also comprise reinforcements 122 which connect the transverse walls 109 of the body to each other and which in this case have a connection direction perpendicular to these walls 109 and to the direction connection of reinforcements 121.
  • the reinforcements 4 of the tank 1 of Figure 7 thus extend by intersecting in two different directions of space, in this case D2 and D3, forming a bi-axial network of reinforcements 4.
  • FIG 8 shows another example of tank 1 according to the invention which is described below only according to its differences compared to tank 1 of Figure 7, the preceding description applying by analogy.
  • the upper part of the body comprises two upper walls 131 and 132 facing the lower wall 101, two lower longitudinal walls 133 and two upper longitudinal walls 134.
  • the upper walls 131 and 132 are parallel to the lower wall 101.
  • the distance along D2 between the lower wall 101 and the upper wall 131 is greater than the distance along D2 between the lower wall 101 and the upper wall 132, forming a stepped tank.
  • the maximum height of tank 1 that is to say the distance along D2 between the lower wall 101 and the upper wall 131, can be approximately 400 mm.
  • the lower longitudinal walls 133 are substantially parallel to the directions D2 and D3 and are spaced apart from each other in the direction DI so as to define a length of the tank 1.
  • One of the upper longitudinal walls 134 provides the connection between one of the lower longitudinal walls 133 and the upper wall 131, while the other upper longitudinal wall (not visible in Figure s) ensures the connection between the upper wall 131 and the upper wall 132.
  • the upper longitudinal walls 134 face each other and extend along a plane slightly oblique to the plane D2-D3.
  • the reinforcements 4 include reinforcements 121 similar to the reinforcements 121 of the tank in Figure 7, that is to say reinforcements 121 connecting the lower wall 101 and the upper part of the body to each other, as well as reinforcements.
  • reinforcements 122 similar to the reinforcements 122 of the tank in Figure 7, connecting the transverse walls 109 of the body to each other.
  • THE reinforcements 4 also include reinforcements 123, some of which connect the two lower longitudinal walls 133 to each other and others which connect the two upper longitudinal walls 134 to each other.
  • the reinforcements 4 of the tank 1 of Figure 8 thus extend crisscrossing in three different directions of space, in this case DI, D2 and D3, forming a tri-axial network of reinforcements 4.
  • the invention makes it possible to create polymorphic reservoirs which can include a network of multi-axial/multi-directional reinforcements.
  • this may comprise a peripheral layer comprising intertwining of metal filaments such as copper, in order to protect the tank 1 against electrostatic charges.
  • the tank 1 may comprise a dimensional control device formed by an interweaving of optical, inductive or laser-charged filaments allowing the detection of defects or failures generated during the life of the tank 1.
  • certain wells formed during the production of the membrane can be used not to produce additional reinforcements but to fix the tank 1 to a vehicle, for example using fixing studs passing through these wells.
  • the jacket 2 and/or the external envelope 6 of the reinforcement(s) 4 may be devoid of fibers, which makes it possible to reduce the cost, or on the contrary include fibers, for example to improve the adhesion of these elements. .
  • a tank according to the invention can be used in a transport device other than a motor vehicle, for example in an aircraft or in a railway or naval vehicle.

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Abstract

Réservoir (1) composite hétéromorphe comprenant un corps qui délimite une cavité (5) destinée à contenir un fluide tel que de l'hydrogène, le corps comprenant une chemise (2) étanche au fluide et une coque (3) tressée à entrelacement de plis, le réservoir (1) étant équipé d'un ou plusieurs renforts (4) traversant la cavité (5) de manière à améliorer la résistance mécanique du corps du réservoir (1). Procédé de fabrication correspondant.

Description

Description
Titre : Réservoirs composites à coque tressée et procédés de fabrication correspondants
Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine du stockage de fluide, notamment d'un fluide formant un carburant contenu dans un réservoir d'un appareil de transport tel qu'un véhicule automobile, un aéronef, un bateau, ou tout autre matériel mobile.
L'invention présente un intérêt particulier, nullement limitatif, dans le secteur des véhicules utilisant comme carburant de l'hydrogène ou d'autres combustibles incluant par exemple des biogaz.
État de la technique antérieure
Les réservoirs d'hydrogène, de gaz ou de gaz liquéfié connus dans l'état de la technique antérieure sont généralement formés d'un corps comportant une chemise cylindrique sur laquelle sont déposées des fibres techniques pré-imprégnées, par exemple en carbone, par enroulement filamentaire, de manière à former une coque capable de résister à la pression d'un tel fluide qui va typiquement de 2 à 70 MPa en utilisation, avec des ruptures admissibles allant de 8 à 157,5 MPa en rupture.
De manière générale, les réservoirs connus sont encombrants, coûteux compte tenu notamment de la durée nécessaire pour réaliser l'enroulement filamentaire, et susceptibles de subir des déformations importantes sous l'effet des variations de pression du fluide emporté.
De plus, les réservoirs connus sont peu adaptés aux véhicules motorisés actuels et futurs qui, d'une part, pour des raisons de masse à véhiculer, disposent d'un espace de plus en plus restreint pour accueillir de tels réservoirs et, d'autre part, posent des problématiques d'autonomie énergétique.
Exposé de l'invention
L'invention vise à remédier aux problèmes précités et notamment à répondre au besoin d'autonomie supplémentaire des véhicules. Un but particulier de l'invention est de procurer un réservoir capable de stocker un fluide du type biogaz ou hydrogène, ou plus généralement de contenir un fluide à haute pression.
Un autre but de l'invention est de procurer une solution permettant de maximiser le volume utile de stockage au regard des espaces effectivement disponibles pour ce faire dans des engins du type véhicule automobile, aéronef, bateau ou autre matériel mobile.
A cet effet, l'invention a pour objet un réservoir pour un appareil de transport tel qu'un véhicule automobile, un aéronef ou un bateau, comprenant un corps qui délimite une cavité destinée à contenir un fluide, le corps comprenant une coque formant une enveloppe du réservoir. Selon l'invention, la coque comprend un assemblage de fibres formant une ou plusieurs couches ayant chacune plusieurs plis liés entre eux par certaines desdites fibres, dites « fibres de biais de liage ».
Autrement dit, la coque du réservoir comprend un tressage à entrelacement de plis, c'est- à-dire des fibres tressées dont certaines lient entre eux différents plis, ce qui permet d'obtenir d'excellentes propriétés mécaniques en terme de ténacité.
Le document suivant décrit des principes connus en soi du tressage à entrelacement de plis, aussi connu sous la dénomination « 3D-lnterlock » : H. Lansiaux, D. Soulat, F. Boussu et A. R. Labanieh, Caractérisation mécanique de tissus 3D interlock chaîne en lin à différents nombres de couches, 24ème Congrès Français de Mécanique, Brest, 26 au 30 Août 2019.
Une telle technique de tressage permet de déposer, en même temps, sur un mandrin réalisé à la forme intérieur du réservoir par exemple, un certain nombre de tresses tout en les entrelaçant ensemble afin d'éviter, en usage, tout délaminage ou tout déplacement entre les différentes tresses et les amener ainsi à travailler ensemble.
Cette technique permet aussi la construction d'une coque polymorphe, qu'il s'agisse d'une coque présentant une géométrie simple ou classique du type cylindrique ou une géométrie complexe hétéromorphe.
Une coque en fibres tressées à entrelacement de plis permet notamment d'améliorer la résistance en fatigue du réservoir par comparaison avec une coque réalisée par enroulement filamentaire. L'invention permet aussi bien de réaliser des réservoirs haute pression, à géométrie cylindrique ou autre, et des réservoirs basse pression comme ceux, par exemple, utilisés pour l'emport de gaz de pétrole liquéfié.
Notamment lorsque le réservoir présente une grande dimension ou un grand diamètre dans le cas d'un réservoir cylindrique, la coque tressée de l'invention permet de réduire les très grandes déformations qui se produisent sur les réservoirs conventionnels.
La coque du réservoir de l'invention forme ainsi une contexture comprenant des fibres techniques principalement continues.
Ces fibres peuvent être d'origine organique, végétale, minérale ou métallique.
Dans un mode de réalisation, chacune des couches comprend un nombre NI de plis supérieur à deux, les fibres de biais de liage traversant un nombre N2 de plis au moins égal à deux.
A titre d'exemple, NI peut être égal à cinq et N2 peut être égal à deux pour certaines au moins des fibres de biais de liage.
Dans un mode de réalisation, le corps comprend une chemise définissant une surface interne qui délimite la cavité et une surface externe épousant une surface interne de la coque.
La chemise peut comprendre un matériau tel que du plastique apte à rendre la chemise étanche au fluide contenu dans la cavité.
Plus généralement, la chemise peut comprendre un matériau d'origine organique, végétale, minérale ou métallique.
Dans un mode de réalisation, le réservoir comprend un ou plusieurs renforts qui relient chacun l'une à l'autre des parties du corps disposées en vis-à-vis.
En fonction de la géométrie du corps, ces parties reliées entre elles par un ou plusieurs renforts peuvent être des parois planes, convexes ou encore concaves. De tels renforts permettent d'augmenter la résistance du réservoir à la pression du fluide emporté dans le réservoir, notamment en augmentant la résistance à des efforts de traction.
Dans un mode de réalisation, chacun des renforts, ou l'un au moins parmi eux, peut comprendre une paroi venue de matière avec la chemise.
Autrement dit, la paroi du ou des renforts peut former un prolongement continu de matière avec la chemise.
De manière générale, chacun des renforts, ou l'un au moins parmi eux, peut s'étendre le long d'une direction de liaison.
La direction de liaison de chacun des renforts peut être perpendiculaire ou oblique par rapport à l'une et/ou l'autre des parties du corps qui sont reliées l'une à l'autre par ce renfort.
Dans un mode de réalisation, chacun des renforts, ou l'un au moins parmi eux, forme une surface externe circonférentiellement fermée autour de la direction de liaison le long de laquelle il s'étend. De préférence, l'intégralité de cette surface externe délimite la cavité du réservoir.
Dans un mode de réalisation, chacun des renforts, ou l'un au moins parmi eux, forme une surface interne délimitant un espace creux. Cet espace creux peut définir une ouverture traversant le réservoir selon la direction de liaison.
Autrement dit, un renfort donné peut comprendre une paroi qui forme un solide de révolution ou plus généralement un solide fermé autour de la direction de liaison qu'il constitue.
A titre d'exemple non limitatif, un tel renfort peut présenter une géométrie globalement annulaire ou tronconique, qui peut être différente sur différents tronçons du renfort le long de la direction de liaison.
Un réservoir comprenant des renforts formant de tels espaces creux peut ainsi former une structure alvéolaire, la chemise délimitant un volume comprenant la cavité de stockage de fluide traversée par des alvéoles formées par les espaces creux des renforts, dans lesquels peuvent en particulier être logés des organes du type tirant.
Dans un mode de réalisation, chacun des renforts, ou l'un au moins parmi eux, comprend un tirant logé dans l'espace creux formé par ladite paroi du renfort.
Dans un mode de réalisation, le tirant comporte une ou plusieurs couches constituées de fibres dont la majorité s'étend le long de la direction de liaison.
Le tirant du ou des renforts peut ainsi former une contexture fibreuse, qui est de préférence fabriquée à l'aide d'une technique différente du tressage à entrelacement de plis. En particulier, un ensemble majoritaire de fibres peuvent être disposées longitudinalement et être regroupées par un léger tressage.
Les orientations des fibres respectives de la coque et du ou des tirants permettent de répondre à des conditions de chargement qui sont totalement différentes entre le corps et le ou les renforts. Le ou les renforts sont en effet particulièrement exposés à des efforts de traction quand la pression est intérieure au réservoir. La contexture du corps est quant à elle exposée à toutes sortes de contraintes, à savoir des efforts de traction, de flexion, de compression ou encore de cisaillement.
Entre autres avantages, l'invention permet de fabriquer des réservoirs ayant une tenue à des pressions fonctionnelles internes importantes, compatibles avec l'emport de différents types de fluide, par exemple du gaz naturel à moyenne pression (de 26 MPa en utilisation et de 47 MPa en rupture) ou de l'hydrogène à haute ou très haute pression (de 35 à 70 MPa en utilisation et de 78,75 à 157,5 MPa en rupture), étanches au fluide emporté, notamment lorsque celui-ci est un gaz présentant des molécules de très petites tailles telles des molécules d'hydrogène, de méthane ou de butane, et présentant une résistance à différents types d'environnement (p. ex. acide, basique, humidité, brouillard salin, etc.), mécanique statique à la pression, vibratoire, aux chocs, à l'endurance, à la fatigue, au vieillissement, au feu, balistique et plus généralement mécanique, ce qui permet d'augmenter leur sécurité et fiabilité en utilisation. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un tel réservoir, comprenant une étape de tressage des fibres à entrelacement de plis de manière à former la coque.
Ce tressage est de préférence réalisé sur la chemise utilisée comme mandrin.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend, pour chacun du ou des renforts, une étape de fabrication du tirant par tressage des fibres formant ce tirant et une étape d'insertion du tirant dans l'espace creux formé par ladite paroi du renfort.
Le procédé comprend de préférence une étape d'injection ou d'infusion d'une résine dans l'assemblage de fibres formant la coque.
La contexture fibreuse peut ainsi être consolidée par une injection de résine ou par tout autre moyen.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit.
Brève description des dessins
La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. 1] est une vue schématique en perspective, partiellement écorchée, d'un réservoir conforme à l'invention, le réservoir comprenant un corps formé d'une chemise et d'une coque en fibres tressées sur la chemise, ainsi qu'un renfort reliant l'une à l'autre deux parties du corps en vis-à-vis l'une par rapport à l'autre ;
[Fig. 2] est une vue schématique partielle en coupe d'un réservoir conforme à l'invention et d'un outillage permettant d'assembler un tirant d'un renfort du réservoir avec le corps de ce réservoir ;
[Fig. 3] est une vue schématique partielle en coupe d'une couche de la coque d'un réservoir conforme à l'invention, illustrant un exemple d'assemblage de fibres formant cette couche ;
[Fig. 4] est une vue schématique partielle en coupe d'un réservoir conforme à l'invention et d'un outillage permettant d'assembler un tirant d'un renfort du réservoir avec le corps de ce réservoir, ce réservoir se distinguant notamment de celui de la figure 2 en ce que les parties reliées entre elles par le renfort sont des parois inclinées l'une par rapport à l'autre et par rapport à une direction le long de laquelle s'étend le renfort ;
[Fig. 5] est une vue schématique partielle en coupe d'un réservoir conforme à l'invention et d'un outillage permettant d'assembler un tirant d'un renfort du réservoir avec le corps de ce réservoir, ce réservoir se distinguant notamment de celui de la figure 2 en ce que le renfort comprend des diffuseurs et des noix antistriction ;
[Fig. 6] est une vue schématique en perspective, partiellement écorchée, d'un réservoir conforme à l'invention, comprenant plusieurs renforts orientés selon une unique direction, formant un réseau de renforts mono-axial ;
[Fig. 7] est une vue schématique en perspective, partiellement écorchée, d'un réservoir conforme à l'invention, comprenant des renforts orientés selon deux directions orthogonales entre elles, formant un réseau de renforts bi-axial ;
[Fig. 8] est une vue schématique en perspective, partiellement écorchée, d'un réservoir conforme à l'invention, comprenant des renforts orientés selon trois directions orthogonales entre elles, formant un réseau de renforts tri-axial.
Description détaillée de modes de réalisation
Les figures 1 et 6 à 8 comprennent un référentiel définissant trois directions DI, D2 et D3 orthogonales entre elles. Dans cet exemple, DI est une direction longitudinale, D2 une première direction transversale et D3 une deuxième direction transversale.
Il est représenté sur la figure 1 un réservoir 1 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention.
Dans cet exemple nullement limitatif, le réservoir 1 est destiné à équiper un véhicule automobile afin de lui fournir du carburant.
Le réservoir 1 de la figure 1 a une forme globalement ovoïde s'étendant le long d'un axe longitudinal Al, parallèle à Dl, de manière à présenter deux extrémités longitudinales IA et IB. Dans cet exemple, le réservoir 1 a une dimension transversale, en particulier selon D2, qui varie le long de l'axe Al. En partant de l'extrémité longitudinale IA, cette dimension transversale croît jusqu'à une coordonnée longitudinale médiane, puis décroît jusqu'à l'extrémité longitudinale IB.
A titre indicatif, la dimension transversale maximale du réservoir 1 selon D2, qui se situe en l'occurrence au niveau de ladite coordonnée longitudinale médiane, peut être d'environ 500 mm.
Le réservoir 1 comprend un corps qui est dans cet exemple pourvu d'une chemise 2, d'une coque 3 et d'un renfort 4.
La chemise 2 forme une surface interne et une surface externe définissant une épaisseur de cette chemise 2, laquelle est dans cet exemple sensiblement constante dans les différentes parties du réservoir 1.
La surface interne de la chemise 2, qui forme aussi une surface interne du corps du réservoir 1, délimite une cavité 5 destinée à contenir un fluide sous pression constituant dans cet exemple ledit carburant.
Dans cet exemple, la cavité 5 est destinée à contenir un carburant fluide, gaz ou liquide, ayant une pression de l'ordre de 70 MPa.
La coque 3 comprend elle aussi une surface interne et une surface externe définissant une épaisseur de cette coque 3, qui est dans cet exemple sensiblement constante dans les différentes parties du réservoir 1.
La coque 3 forme une enveloppe du réservoir 1.
La surface interne de la coque 3 épouse la surface externe de la chemise 2.
La chemise 2 et la coque 3 constituent ainsi un corps à double paroi et ont chacune des propriétés respectives et complémentaires compte tenu de leur matériau et procédé de fabrication respectifs (voir plus loin ci-dessous).
Le renfort 4 est dans cet exemple configuré pour relier l'une à l'autre deux parties du corps qui sont situées en vis-à-vis l'une par rapport à l'autre, ces parties en vis-à-vis formant deux extrémités transversales du corps selon D2. Le renfort 4 permet d'améliorer la résistance mécanique du réservoir 1, compte tenu notamment des pressions et des dépressions qu'il subit lors de son utilisation.
Le renfort 4 a une forme globalement allongée le long d'une direction D4, appelée « direction de liaison », qui est dans cet exemple parallèle à la direction D2 et qui passe par ladite coordonnée longitudinale médiane du réservoir 1.
Dans l'exemple non limitatif de la figure 1, le renfort 4 comprend une enveloppe externe 6, un tirant 7 et deux diffuseurs 8 (un seul diffuseur étant visible sur cette figure).
Le renfort 4 et son enveloppe externe 6 comprennent une partie centrale 4A et des parties d'extrémité 4B et 4C respectivement reliées auxdites extrémités transversales du corps de la manière décrite plus loin ci-dessous.
Dans cet exemple, la partie centrale 4A de l'enveloppe 6 du renfort 4 a une géométrie globalement cylindrique définissant un axe de symétrie qui correspond à la direction D4.
Les parties d'extrémité 4B et 4C présentent une géométrie évasée, en l'occurrence une dimension croissante depuis l'extrémité respective de la partie centrale 4A à laquelle elles sont reliées vers la partie correspondante de la chemise 2 à laquelle elles sont reliées.
L'enveloppe externe 6 du renfort 4 définit, radialement à l'intérieur par rapport à la direction D4, un espace creux qui traverse la chemise 2 du corps du réservoir 1 selon la direction D4 de manière à déboucher sur la surface externe de cette chemise 2.
L'enveloppe 6 forme ainsi une paroi qui s'étend circonférentiellement autour de D4 en formant une surface interne et une surface externe qui définissent une épaisseur de cette paroi.
La surface interne de l'enveloppe 6 délimite ledit espace creux.
La surface externe de l'enveloppe 6 est une surface circonférentiellement fermée autour de la direction D4. Dans cet exemple, l'intégralité de cette surface externe délimite la cavité 5 du réservoir 1 de sorte que la cavité 5 s'étend tout autour du renfort 4.
L'enveloppe externe 6 du renfort 4 forme ainsi un puits qui traverse la cavité 5. Dans cet exemple, l'enveloppe externe 6 du renfort 4 est venue de matière avec la chemise 2, en l'occurrence avec des parties de la chemise 2 formant lesdites extrémités transversales du corps, de sorte à former un prolongement continu de matière.
De manière non limitative, l'enveloppe 6 et la chemise 2 comprennent un matériau thermoplastique, permettant d'assurer une fonction d'étanchéité au fluide contenu dans la cavité 5.
L'enveloppe externe 6 du renfort 4 est dans cet exemple réalisée à partir d'une pièce préalablement fabriquée par usinage, injection, roto-moulage ou encore extrusion- soufflage.
Dans la présente description, le sous-ensemble comprenant en continuité de matière la chemise 2 et l'enveloppe externe 6 du renfort 4 est appelé « membrane ».
De manière non limitative, la membrane peut être obtenue par cristallisation ou réticulation de matière thermoplastique constituée d'une part par ladite pièce préfabriquée et d'autre part par des éléments de parois maintenus les uns par rapport aux autres à l'aide d'un outillage approprié, ou plus généralement en mettant en œuvre tout procédé de mise en forme du type roto-moulage, soufflage, ou autre technique de moulage ou de coulée, de sorte à créer un assemblage par adhésion d'éléments de matière.
Il va maintenant être décrit, en référence notamment aux figures 2 et 3, un procédé d'assemblage d'une telle membrane (chemise 2 et enveloppe externe 6 du renfort 4) avec les autres éléments d'un renfort 4 et d'une coque 3 d'un réservoir 1 conforme à l'invention.
La coque 3 est tout d'abord tressée sur la membrane à l'aide d'un procédé de tressage à entrelacement de plis, la membrane étant utilisée comme mandrin lors du tressage.
Dans cet exemple, quatre couches sont successivement tressées sur le mandrin.
Chacune des couches comprend un assemblage de fibres qui sont dans cet exemple des fibres de carbone et qui sont tressées de manière à former cinq plis.
De manière conventionnelle, en fonction de leur disposition dans l'assemblage, les fibres sont appelées « fibres d'axiaux » lorsqu'elles sont disposées de manière sensiblement linéaire et « fibres de biais » lorsqu'elles sont disposées de manière à entrecroiser successivement d'autres fibres.
La figure 3 montre de manière schématique une vue en coupe d'une partie d'une couche Cl de la coque 3, dans laquelle les plis P1-P5 assemblés définissent une épaisseur de la couche Cl selon une direction D5. Chacun des plis P1-P5 comprend une série de fibres d'axiaux 21, aussi appelés « longis », qui sont espacés les uns des autres selon une direction D6 perpendiculaire par rapport à la direction D5 et par rapport à une direction D7 le long de laquelle elles s'étendent. Les fibres d'axiaux 21 augmentent spécifiquement la résistance mécanique de la couche Cl dans la direction D7, permettant en particulier de réduire les déformations de la coque 3 dans cette direction.
La couche Cl de la figure 3 comprend dix fibres de biais tressées sur les fibres d'axiaux 21, parmi lesquelles deux fibres de biais externes 22 et huit fibres de biais de liage 23-30.
L'une des fibres de biais externes 22 est tressée autour des fibres d'axiaux 21 du pli PI. L'autre fibre de biais externe 22 est tressée autour des fibres d'axiaux 21 du pli P5. Les fibres de biais externes 22 permettent de lisser les surfaces externes de la couche Cl.
Les fibres de biais de liage 23-30 sont tressées de manière à relier les plis PI à P5 les uns aux autres.
Plus précisément, les fibres de biais de liage 23 et 24 relient l'un à l'autre les plis PI et P2, les fibres de biais de liage 25 et 26 relient l'un à l'autre les plis P2 et P3, les fibres de biais de liage 27 et 28 relient l'un à l'autre les plis P3 et P4, et les fibres de biais de liage 29 et 30 relient l'un à l'autre les plis P4 et P5.
Ainsi, les fibres de biais de liage 23-30 sont tressées de manière à relier chacune deux plis adjacents respectifs, par exemple les plis PI et P2, de sorte que deux plis non adjacents de la couche Cl, par exemple les plis PI et P3, ne sont pas reliés entre eux directement, mais indirectement par l'intermédiaire dans cet exemple du pli P2.
Dans cet exemple, les fibres de biais de liage 24, 26, 28 et 30 sont tressées de manière à évoluer selon des courbes parallèles selon les directions D5 et D6 et en opposition de phase par rapport aux fibres de biais de liage 23, 25, 27 et 29 (voir figure 3). Les différentes couches de la coque 3 peuvent être tressées de manière analogue, de préférence en modifiant l'orientation relative des fibres d'axiaux 21 d'une couche à l'autre, de manière à apporter à la coque 3 une résistance mécanique améliorée selon plusieurs directions de l'espace.
La coque 3 forme ainsi une contexture fibreuse pouvant être essentiellement constituée de fibres continues entrelacées.
Bien entendu, le nombre de couches de la coque 3 et/ou le nombre de plis par couche et/ou le nombre de plis directement reliés entre eux par des fibres de biais de liage peuvent être modifiés en fonction des propriétés mécaniques souhaitées. De même, d'autres fibres techniques peuvent être utilisées pour tresser la coque 3, par exemple des fibres en verre, en basalte, en aramide, en lin, en chanvre ou encore des fibres mixtes comportant par exemple des filaments de polyamide ou de polyéthylène. Le tressage de la coque 3 peut aussi être réalisé à l'aide d'une combinaison de telles fibres techniques et de filaments thermoplastiques.
Un tel procédé de tressage permet de déposer des couches de matière sèche sous forme de plusieurs plis de fibres entrelacés entre eux, un par un ou deux par deux ou plus encore selon les besoins. Cette opération peut être reproduite plusieurs fois, par empilement de couches, dans la même direction ou dans des directions différentes afin d'assurer un bon canevas de contextures capable de répondre aux efforts de pression engendrés par le fluide sur la coque 3 du réservoir 1.
Un tel procédé de tressage permet de faire épouser aux fibres déposées les formes requises sans distorsion de fibres et procure des propriétés considérablement améliorées en termes de ténacité, notamment par comparaison avec un enroulement filamentaire.
Après tressage de la coque 3 sur le mandrin formé par ladite membrane, c'est-à-dire par la chemise 2 et par l'enveloppe externe 6 du renfort 4, l'espace creux constitué par cette enveloppe externe 6 est recouvert par la coque 3.
Pour faire déboucher cet espace creux vers l'extérieur du corps formé par la chemise 2 et la coque 3, des ouvertures peuvent être réalisées dans la coque 3 par écartement de fibres qui la constituent à l'aide d'un outil tel qu'une pointe conique, de manière à ne pas sectionner les fibres et permettre à la coque 3 de conserver ses propriétés mécaniques.
En référence à la figure 2, qui illustre un exemple dans lequel le renfort 4 comprend uniquement l'enveloppe externe 6 et le tirant ?, le tirant ? préfabriqué est inséré dans l'espace creux formé par l'enveloppe externe 6 du renfort 4 à travers l'une des ouvertures ainsi réalisées dans la coque 3. Un outillage comprenant un moule 31, métallique ou en composite, et un axe 32 est alors pré-positionné, par introduction de l'axe 32 à travers une ouverture réalisée dans le tirant 7 et des passages ménagés dans le moule 31.
Le moule 31 est ensuite déplacé de manière à venir en appui sur la surface externe de la coque 3, par serrage d'écrous 33 coopérant avec l'axe 32, entraînant un rabattement d'extrémités 9 du tirant ? contre des parties 10 de la coque 3 qui délimitent lesdites ouvertures formées par écartement de fibres.
Dans cet exemple, les parties 10 de la coque 3 se retrouvent ainsi enserrées entre le tirant 7 et la membrane formée par la chemise 2 et l'enveloppe externe 6 du renfort 4, assurant une liaison mécanique robuste entre le renfort 4 et le corps du réservoir 1.
Dans ce mode de réalisation, cet assemblage est ensuite consolidé par injection d'une résine thermodurcissable via des orifices (non représentés) réalisés dans l'outillage, après formation d'un vide dans l'espace délimité par le moule 31 et la membrane intégrant la chemise 2 qui assure une fonction de contre-moule.
L'injection est dans cet exemple réalisée à l'aide d'un procédé connu sous la dénomination anglo-saxonne « Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding » (VARTM).
L'assemblage est ensuite soumis à un traitement thermique afin de rigidifier la résine.
La résine thermodurcissable peut être remplacée par une résine de type thermoplastique, en particulier à faible viscosité permettant une injection dans la contexture fibreuse de la coque 3, ou encore par une résine bio-sourcée.
Des procédés de consolidation alternatifs peuvent être mis en œuvre, par exemple le procédé connu sous la dénomination anglo-saxonne « Resin Transfer Molding » (RTM) ou un procédé par infusion, ou encore une consolidation par thermocompression par exemple lorsque la coque 3 et/ou le tirant ? (voir ci-dessous) comprennent un mélange de fibres techniques et de filaments de matrices thermoplastiques.
Dans cet exemple, le tirant ? est réalisé par tressage léger de fibres en carbone principalement disposées de manière longitudinale / unidirectionnelle.
Autrement dit, la majorité des fibres formant le tirant ? s'étend sensiblement selon la même direction qui correspond à la direction de liaison D4 lorsque le tirant 7 est assemblé avec les autres parties du réservoir 1.
Un tel assemblage de fibres permet au tirant 7 et par suite au renfort 4 de s'opposer à des efforts de traction s'exerçant sur le renfort 4 sous l'action de la pression du fluide emporté dans la cavité 5.
Bien entendu, d'autres fibres techniques ou différentes combinaisons de fibres peuvent être utilisées pour former le tirant 7, incluant par exemple des fibres en verre.
La figure 4 montre un outillage semblable à celui de la figure 2 qui est spécifiquement adapté à l'assemblage d'un renfort 4 avec un corps de réservoir 1 présentant des parties reliées par le renfort 4 qui sont inclinées par rapport à la direction de liaison D4. La description qui précède s'applique par analogie à ce mode de réalisation.
L'outillage de la figure 4 se distingue notamment de celui de la figure 2 en ce qu'il comprend des têtes 41 formant des moules, centrées sur l'axe 32 dans des ouvertures du moule 31. Les têtes 41 sont disposées aux extrémités du tirant 7 de sorte à conformer ces extrémités lors de leur rabattement contre la coque 3. A titre de comparaison, dans l'exemple de la figure 2, la géométrie des extrémités rabattues du tirant ? résulte de la forme des moules 31 eux-mêmes.
La description qui précède s'applique aussi par analogie au mode de réalisation de la figure 5 qui se distingue essentiellement de celui de la figure 2 en ce que le renfort 4 comprend aussi des diffuseurs 8 et des noix 51.
Les diffuseurs 8 sont ici des bagues rigides comprenant par exemple un matériau thermoplastique renforcé enserrés chacune entre l'une respective des parties d'extrémités de l'enveloppe externe 6 du renfort 4 et la coque 3 après rabattement des extrémités 9 du tirant 7.
De tels diffuseurs 8 permettent d'améliorer la répartition des charges sur la coque 3, notamment lorsque les extrémités 9 du tirant 7 sont rabattues.
Les noix 51 sont aussi des bagues rigides pouvant comprendre un matériau thermoplastique renforcé et qui ont dans cet exemple une forme d'ogive. Les noix 51 sont disposées dans des parties d'extrémité du tirant 7 de manière à être axialement retenues selon la direction D4 par les extrémités 9 rabattues du tirant 7.
Dans cet exemple, l'outillage et le tirant 7 sont en effet configurés de sorte que, lors du rabattement des extrémités 9 du tirant 7, une partie radialement interne de ces extrémités 9 vienne en appui sur les noix 51 et une partie radialement externe des extrémités 9 vienne en appui sur la coque 3 (voir figure 5).
Les noix 51 sont configurées pour travailler en compression, de manière à réaliser une fonction anti-striction propre à réduire les phénomènes de glissement des extrémités du renfort 4 par rapport à la coque 3.
De telles noix anti-striction 51 sont particulièrement utiles pour des réservoirs 1 destinés à contenir un fluide sous haute ou très haute pression, tel que de l'hydrogène.
De manière non limitative, les diffuseurs 8 et les noix 51 peuvent comprend des matériaux du type polyuréthane, polyamide ou encore polyéthylène, et être renforcés par des fibres de verre, de carbone ou autre.
En référence de nouveau au mode de réalisation de la figure 1, le renfort 4 du réservoir 1 est en l'occurrence semblable à celui illustré sur la figure 5, les noix anti-striction 51 n'étant toutefois pas représentées sur la figure 1.
Le réservoir 1 de la figure 1 comprend en outre un embout 61 de remplissage intégré dans la contexture de la coque 3 au niveau de l'extrémité longitudinale IA de ce réservoir 1.
L'embout 61 est configuré pour établir une communication fluidique entre la cavité 5 et l'extérieur du réservoir 1, en vue de son remplissage ou d'un prélèvement du fluide qu'il contient. Il résulte de la description qui précède que l'invention permet de réaliser un réservoir 1 composite, en l'occurrence ayant un corps formé d'une chemise interne 2 étanche au fluide transporté et d'une coque 3 tressée toutes deux monolithiques, capable d'endurer de très hautes pressions tout en améliorant considérablement les aspects de fatigue, de vieillissement et de sécurité à l'explosion. Notamment, en fonction de la géométrie du réservoir 1, un ou plusieurs renforts analogues au renfort 4 décrit ci-dessus permettent de réduire significativement les déformations du corps et de concevoir un réservoir 1 de forme variée, conformable à l'emplacement réservé pour son installation dans un véhicule. Un réservoir 1 selon l'invention permet notamment de supporter des pressions de plusieurs dizaines de MPa.
En particulier, la figure 1 montre un réservoir 1 de forme ovoïde comprenant un unique renfort 4.
Les figures 6 à 8 montrent d'autres exemples de réservoirs 1 hétéromorphes conformes à l'invention, qui peuvent être fabriqués selon les mêmes principes que ceux qui viennent d'être décrits.
Le réservoir 1 de la figure 6 est décrit ci-dessous uniquement selon ses différences par rapport au réservoir 1 de la figure 1, étant entendu que la description qui précède s'applique par analogie.
Dans l'exemple de la figure 6, le corps du réservoir 1 a une forme globalement aplatie, en l'occurrence une dimension selon la direction D2, ou hauteur, relativement petite devant ses dimensions selon DI et D3.
A titre indicatif, la hauteur selon D2 du réservoir 1 peut être d'environ 100 mm.
La chemise 2 et la coque 3 du corps définissent différentes parties 101-103 qui définissent la forme du réservoir 1. Les parties 101 et 102 ont une forme globalement plane définissant une paroi inférieure 101 et une paroi supérieure 102 du corps qui s'étendent parallèlement, en vis-à-vis l'une par rapport à l'autre. Les parties 103 forment des parois latérales reliant les parois 101 et 102 de manière à former des bords arrondis du réservoir 1. Le réservoir 1 comprend dans cet exemple une série de renforts 4 tels que décrits ci-dessus et qui sont chacun configurés pour relier l'une à l'autre les parties 101 et 102 du corps.
Les renforts 4 sont répartis dans le réservoir 1 en étant espacés deux-à-deux d'une distance sensiblement constante selon la direction DI et selon la direction D3.
Bien entendu, la géométrie, la position et le nombre de renforts 4 peuvent être modifiés sans sortir du cadre de l'invention, en fonction de la répartition des efforts dans le réservoir 1 lors de son utilisation, qui dépend en particulier de la géométrie du corps.
La figure 7 montre un autre exemple de réservoir 1 conforme à l'invention qui est décrit ci- dessous uniquement selon ses différences par rapport au réservoir 1 de la figure 6, la description qui précède s'appliquant par analogie.
Le réservoir 1 de la figure 7 a une dimension selon la direction D2 relativement plus grande que la hauteur du réservoir de la figure 6.
La partie supérieure du corps comprend plusieurs parois supérieures 104-108 en vis-à-vis de la paroi inférieure 101 ainsi que deux parois transversales 109.
Les parois supérieures 104, 106 et 108 sont parallèles à la paroi inférieure 101 tandis que les parois supérieures 105 et 107 sont inclinées par rapport aux parois 104, 106 et 108 de manière à créer en renflement du réservoir 1 au niveau de sa partie longitudinale centrale.
A titre indicatif, la hauteur maximale du réservoir 1, c'est-à-dire la distance selon D2 entre la paroi inférieure 101 et la paroi supérieure 106, peut être d'environ 150 mm.
Concernant lesdites parois transversales 109, dont une seule est visible sur la figure 7, celles-ci sont parallèles aux directions DI et D2 et sont éloignées l'une de l'autre selon la direction D3 de manière à définir une largeur constante du réservoir 1.
Les renforts 4 comprennent d'une part des renforts 121 analogues à ceux du réservoir de la figure 6, c'est-à-dire des renforts 121 reliant l'une à l'autre la paroi inférieure 101 et la partie supérieure du corps. Les renforts 4 comprennent d'autre part des renforts 122 qui relient l'une à l'autre les parois transversales 109 du corps et qui présentent en l'occurrence une direction de liaison perpendiculaire par rapport à ces parois 109 et par rapport à la direction de liaison des renforts 121. Les renforts 4 du réservoir 1 de la figure 7 s'étendent ainsi en s'entrecroisant selon deux directions différentes de l'espace, en l'occurrence D2 et D3, formant un réseau bi-axial de renforts 4.
La figure 8 montre un autre exemple de réservoir 1 conforme à l'invention qui est décrit ci- dessous uniquement selon ses différences par rapport au réservoir 1 de la figure 7, la description qui précède s'appliquant par analogie.
La partie supérieure du corps comprend deux parois supérieures 131 et 132 en vis-à-vis de la paroi inférieure 101, deux parois longitudinales inférieures 133 et deux parois longitudinales supérieures 134.
Les parois supérieures 131 et 132 sont parallèles à la paroi inférieure 101.
La distance selon D2 entre la paroi inférieure 101 et la paroi supérieure 131 est supérieure à la distance selon D2 entre la paroi inférieure 101 et la paroi supérieure 132, formant un réservoir étagé.
A titre indicatif, la hauteur maximale du réservoir 1, c'est-à-dire la distance selon D2 entre la paroi inférieure 101 et la paroi supérieure 131, peut être d'environ 400 mm.
Les parois longitudinales inférieures 133, dont une seule est visible sur la figure 8, sont sensiblement parallèles aux directions D2 et D3 et sont éloignées l'une de l'autre selon la direction DI de manière à définir une longueur du réservoir 1.
L'une des parois longitudinales supérieures 134 assurent la liaison entre l'une des parois longitudinales inférieures 133 et la paroi supérieure 131, tandis que l'autre paroi longitudinale supérieure (non visible sur la figure s) assure la liaison entre la paroi supérieure 131 et la paroi supérieure 132.
Les parois longitudinales supérieures 134 sont en vis-à-vis l'une de l'autre et s'étendent selon un plan légèrement oblique par rapport au plan D2-D3.
Les renforts 4 comprennent des renforts 121 analogues aux renforts 121 du réservoir de la figure 7, c'est-à-dire des renforts 121 reliant l'une à l'autre la paroi inférieure 101 et la partie supérieure du corps, ainsi que des renforts 122 analogues aux renforts 122 du réservoir de la figure 7, reliant l'une à l'autre les parois transversales 109 du corps. Les renforts 4 comprennent aussi des renforts 123 dont certains relient l'une à l'autre les deux parois longitudinales inférieures 133 et d'autres relient l'une à l'autre les deux parois longitudinales supérieures 134.
Les renforts 4 du réservoir 1 de la figure 8 s'étendent ainsi en s'entrecroisant selon trois directions différentes de l'espace, en l'occurrence DI, D2 et D3, formant un réseau tri-axial de renforts 4.
Il résulte de ces différents exemples non limitatifs que l'invention permet de créer des réservoirs polymorphes pouvant comprendre un réseau de renforts multi-axiaux / multidirectionnels.
De nombreuses variantes peuvent être apportées à ces modes de réalisation. Par exemple, concernant la coque 3, celle-ci peut comprendre une couche périphérique comprenant des entrelacements de filaments métalliques tels que du cuivre, afin de protéger le réservoir 1 vis-à-vis de charges électrostatiques.
Dans un mode de réalisation, le réservoir 1 peut comprendre un dispositif de contrôle dimensionnel formé par un entrelacement de filaments optiques, inductifs ou chargés lasers permettant la détection de défauts ou défaillance engendrés durant la vie du réservoir 1.
Dans un mode de réalisation, certains puits formés lors de la réalisation de la membrane peuvent être utilisés non pas pour réaliser des renforts supplémentaires mais pour fixer le réservoir 1 à un véhicule, par exemple à l'aide de goujons de fixation traversant ces puits.
Par ailleurs, la chemise 2 et/ou l'enveloppe externe 6 du ou des renforts 4 peuvent être dépourvues de fibres, ce qui permet de réduire le coût, ou au contraire comprendre des fibres, par exemple pour améliorer l'adhérisation de ces éléments.
Les géométries décrites ci-dessus et représentées sur les figures ne sont aucunement limitatives. Outre la géométrie polymorphe et hétéromorphe du corps du réservoir 1, le ou les éventuels renforts 4 et/ou leur enveloppe externe 6 peuvent présenter une section circulaire, ovale, carrée, hexagonale ou autre. Bien entendu, un réservoir conforme à l'invention peut être utilisé dans un appareil de transport autre qu'un véhicule automobile, par exemple dans un aéronef ou dans un engin ferroviaire ou naval.

Claims

Revendications
1. Réservoir (1) pour un appareil de transport tel qu'un véhicule automobile, un aéronef ou un bateau, comprenant un corps qui délimite une cavité (5) destinée à contenir un fluide, le corps comprenant une coque (3) formant une enveloppe du réservoir (1), caractérisé en ce que la coque (3) comprend un assemblage de fibres (21-30) formant une ou plusieurs couches ayant chacune plusieurs plis (P1-P5) liés entre eux par certaines desdites fibres, dites « fibres de biais de liage » (23-30).
2. Réservoir (1) selon la revendication 1, dans lequel chacune des couches comprend un nombre NI de plis (P1-P5) supérieur à deux, les fibres de biais de liage (23-30) traversant un nombre N2 de plis (P1-P5) au moins égal à deux, NI étant par exemple égal à cinq, N2 étant par exemple égal à deux pour certaines au moins des fibres de biais de liage (23-30).
3. Réservoir (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le corps comprend une chemise (2) définissant une surface interne qui délimite la cavité (5) et une surface externe épousant une surface interne de la coque (3).
4. Réservoir (1) selon la revendication 3, dans lequel la chemise (2) comprend un matériau tel que du plastique apte à rendre la chemise (2) étanche au fluide contenu dans la cavité (5).
5. Réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications ! à 4, comprenant un ou plusieurs renforts (4) qui relient chacun l'une à l'autre des parties du corps disposées en vis-à-vis.
6. Réservoir (1) selon la revendication 5 intégrant les caractéristiques de la revendication 3 ou 4, dans lequel chacun des renforts (4) comprend une paroi (6) venue de matière avec la chemise (2).
7. Réservoir (1) selon la revendication 6, dans lequel chacun des renforts (4) s'étend le long d'une direction de liaison (D4) et comprend un tirant (7) logé dans un espace creux formé par ladite paroi (6) du renfort (4), le tirant (7) comportant une ou plusieurs couches constituées de fibres dont la majorité s'étend le long de la direction de liaison (D4).
8. Procédé de fabrication d'un réservoir (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une étape de tressage des fibres (21-30) à entrelacement de plis (P1-P5) de manière à former la coque (3).
9. Procédé selon la revendication s pour fabriquer un réservoir (1) comportant les caractéristiques de la revendication 3, dans lequel le tressage est réalisé sur la chemise (2) utilisée comme mandrin.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 pour fabriquer un réservoir (1) comportant les caractéristiques de la revendication 7, comprenant pour chacun des renforts (4) une étape de fabrication du tirant (7) par tressage des fibres formant ce tirant (7) et une étape d'insertion du tirant (7) dans l'espace creux formé par ladite paroi (6) du renfort (4).
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