Brevet FR2855812A1 — publié le 20041210

La présente invention concerne les systèmes embarqués de génération et de fourniture d'oxygène (désignés en aéronautique par le sigle " OBOGS") et d'azote (désignés en aéronautique par le signe " Historiquement les dispositifs OBOGS se sont développés les premiers, pour l'alimentation en oxygène des pilotes d'avions militaires, puis, plus 10 récemment, pour l'alimentation en continu de passagers d'aéronefs. Les dispositifs OBOGS sont généralement du type à séparation de composant de l'air par adsorption à pression alternée désignés sous le sigle PSA. Des dispositifs OBIGGS sont ensuite apparus pour inerter les réservoirs de carburant d'hélicoptères, puis d'avions civils. Les dispositifs OBIGGS sont 15 généralement du type à séparation de composant de l'air par perméation avec des membranes polymères. Des systèmes combinés OBOGS/OBIGGS ont été développés dans les années 80, comme décrit par exemple dans le document US-A-4 681 602 (Boeing) ou dans US-A-5 069 692 (Sundstrand), o l'OBOGS est alimenté par le mélange appauvri en azote du dispositif OBIGGS. Parallèlement, des dispositifs de fourniture d'oxygène à partir d'air dans des membranes transporteuses d'ions du type à électrolyte solide, dites SEOS, développés industriellement dans les années 80, telles que décrites dans le document W0-A-91/06691 (Ceramatec), capables de fournir de l'oxygène sous pression à partir d'air à pression ambiante ont été proposés comme dispositifs 25 OBOGS, éventuellement également pour la fourniture d'azote pour l'inertage de réservoirs, comme décrit dans le document US-A-5 169 415 (Sundstrand). Après une étude poussée des besoins en oxygène, d'une part, et en azote, d'autre part, des avions civils gros porteurs, les inventeurs sont parvenus à la conclusion que les systèmes mixtes OBOGS et OBIGGS, qu'ils soient du 3 0 type à adsorption ou à perméation, étaient industriellement inexploitables, et que les débits autorisés par les dispositifs à électrolyte solide étaient incapables de fournir les débits attendus. Il existe donc un besoin pour des systèmes de fourniture d'oxygène ou d'azote convenant pour des appareils gros porteurs avec des rapports débit de production/poids et des coûts de fabrication et d'entretien n'obérant pas les frais d'exploitation de ces appareils. Pour ce faire, I'invention propose un système embarqué de génération et de fourniture d'oxygène et d'azote comprenant: - un premier dispositif séparateur d'air ayant une entrée d'air et au moins une sortie, - un deuxième dispositif séparateur d'air ayant une entrée d'air et une 10 sortie, - un troisième dispositif séparateur d'air ayant une entrée d'air et au moins une sortie, - les entrées d'air des premier et deuxième dispositifs étant connectables à une source d'air sous pression - le premier dispositif séparateur ayant une sortie connectable à au moins un compartiment à inerter; et - les sorties des deuxième et troisième dispositifs séparateurs étant connectables à un circuit de fourniture d'oxygène. Selon des caractéristiques particulières de l'invention 20 - le troisième dispositif séparateur d'air est du type à électrolyte solide, - la sortie du troisième dispositif séparateur d'air est connectable à un réservoir d'oxygène embarqué, - le deuxième dispositif séparateur d'air est avantageusement du type à adsorption, - le premier dispositif séparateur d'air est avantageusement du type à membranes polymères. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel: La figure unique représente schématiquement un système embarqué de génération et de fourniture d'oxygène et d'azote selon l'invention. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure unique, le système embarqué dans un avion civil gros porteur, désigné généralement par la référence 1, comprend essentiellement un premier dispositif séparateur d'air de type OBIGGS 2, un deuxième dispositif séparateur d'air de type OBOGS 3, et un troisième dispositif séparateur d'air de type OBOGS 4. Le dispositif séparateur d'air OBIGGS 2, avantageusement du type à 5 membranes polymères, tels que ceux commercialisés par la société Medal Corp. aux Etats-Unis, comporte une entrée d'air sous pression 5, une sortie de mélange enrichi en azote 6, et une sortie 7 de mélange appauvri en azote. Le dispositif séparateur d'air OBOGS 3, avantageusement du type PSA, à adsorbants à hautes performance, par exemple à zéolite LiLSx, tels que ceux 10 commercialisés par la Demanderesse, comporte une entrée 8 d'air sous pression, une sortie 9 de mélange enrichi en oxygène et une sortie 10 de mélange appauvri en oxygène. Les entrées 5 et 8 des premier (2) et deuxième (3) dispositifs séparateurs d'air sont connectables, via une vanne de distribution/régulation 11 à une ligne 15 d'alimentation 12 provenant d'étages compresseurs des moteurs 13 de l'aéronef 1, la ligne 12 traversant un échangeur de chaleur 14 pour refroidir le gaz comprimé provenant des moteurs, et incorporant une vanne de régulation 15 et un filtre amont 16. La sortie d'azote 6 du dispositif OBIGGS 2 est connectable, via une vanne 20 de distribution 13, à des circuits 14a 14b d'inertage de compartiments de soute de transport de marchandises 15 ou de réservoirs de carburant 16, 17, alimentant les moteurs de propulsion et les équipements auxiliaires de fourniture d'énergie de l'aéronef. La sortie d'oxygène 9 du dispositif OBOGS 3 est reliée, via un filtre aval 25 17 et un régulateur de débit 18, à un circuit 19 de fourniture d'oxygène aux masques 20 du poste de pilotage et 21 des passagers en cabine. Le dispositif séparateur d'air OBOGS 4 à membranes céramiques, avantageusement du type en zircone dopé à l'yttrium, comporte une entrée 32 de courant électrique, une entrée 22 pour l'admission d'air à la pression de la 30 cabine, une sortie 23 de mélange appauvri en oxygène et une sortie 24 d'oxygène haute pureté (supérieur à 99,9%) à une pression supérieure à 100 bars absolus dans une canalisation sécurisée 25 débouchant dans le dispositif régulateur de débit 18 et incorporant un réservoir tampon d'oxygène sous pression 26. La vanne de régulation 15 est contrôlée par un dispositif électronique de contrôle 27 recevant des signaux 28 de pression et de température en amont de 5 la ligne 12 et 29 de mesure de teneur en oxygène dans les lignes de sortie des dispositifs séparateurs 2 et 3 et de signaux de consigne 30 en provenance du poste de pilotage. Dans le mode de réalisation représenté, les sorties 7 et 10 de résiduaire des dispositifs séparateurs 2 et 3 communiquent avec une ligne 31 d'évacuation 10 hors de l'aéronef. Avec l'agencement qui vient d'être décrit, on comprendra que les dispositifs séparateurs 2 et 3 peuvent être mis en oeuvre séquentiellement et/ou temporairement simultanément pour fournir respectivement de l'azote et de l'oxygène à partir de l'air comprimé des moteurs et que la réserve d'oxygène 15 ultra pur dans le réservoir 26, renouvelable à volonté en actionnant le dispositif séparateur 4, peut être utilisée, en étant diluée, en complément de tout ou partie du flux d'oxygène à pureté moyenne disponible en sortie 9 du dispositif séparateur 3. Dans un mode de réalisation particulier, convenant pour avion gros 20 porteur, I'OBIGGS 2 peut fournir un débit de 150 à 250 m3/h, typiquement d'environ 200 m3/h de mélange gazeux ayant une teneur en azote supérieure à 90% sous une pression relative de 2-3 bars, et l'OBOGS céramique 4 peut fournir un débit de 0,05 à 0,1 m3/h d'oxygène pur sous une pression supérieure à bars, typiquement d'environ 130 bars. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. S6297 - 07/03 REVENDICATIONS 1. Système embarqué de génération et de fourniture d'oxygène et d'azote, comprenant: - un premier dispositif séparateur d'air (2) ayant une entrée d'air (5) et au moins une sortie (6), - un deuxième dispositif séparateur d'air (3) ayant une entrée (8) et au moins une sortie (9), - un troisième dispositif séparateur d'air (4) ayant une entrée d'air (22) et 10 au moins une sortie (24); les entrées (5) et (8) des premier (2) et deuxième (3) dispositifs séparateurs étant connectables à une source d'air sous pression (13), - la sortie (6) du premier dispositif séparateur (2) étant connectable à au moins un compartiment à inerter (15;16), et les sorties (9, 24) des deuxième (3) et troisième (4) dispositifs séparateurs étant connectables (18) à un circuit de fourniture d'oxygène (19) à des passagers. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième dispositif séparateur (4) est du type à électrolyte solide. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie (24) du troisième dispositif séparateur (4) est connectable à un réservoir d'oxygène sous pression (26). 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'électrolyte solide est à base de zircone dopée. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième dispositif séparateur (3) est du type à adsorption à variation de pression. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier dispositif séparateur (2) est du type à perméation sur 30 membranes polymères. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compartiment à inerter est un compartiment de soute (15). 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compartiment à inerter est un réservoir de carburant (16;17).