Brevet FR2912377A1 — publié le 20080815

La présente invention se rapporte à un procédé pour l'approvisionnement de secours en oxygène dans un avion ainsi qu'à une installation d'approvisionnement de secours en oxygène pour la mise en oeuvre de ce procédé. A la suite d'un incident cause de dépressurisation à bord d'un avion de ligne, il est usuel, pour des raisons de sécurité, de faire descendre l'avion à une altitude qui permet une respiration sans approvisionnement d'appoint en oxygène. Suivant l'itinéraire de vol et l'endroit où a lieu l'incident cause de la dépressurisation, la distance à l'aéroport de destination ou à un aéroport de déroutement peut être très importante, et l'altitude de vol plus petite conduit alors à une consommation nettement plus élevée du carburant qui, pour cette raison, doit être embarqué, par précaution, à bord de l'appareil, ce qui se traduit par une grande charge en poids correspondante et par une limitation, liée à celle-ci, de la capacité de chargement de l'avion. C'est pourquoi on cherche, dans le cas d'une dépressurisation, à ne descendre plus qu'à une altitude supportable vis-à-vis de la consommation additionnelle de carburant et, pendant la durée restante du vol, à approvisionner les passagers avec de l'oxygène d'appoint, au moyen de masques à oxygène individuels. A cette façon de procéder s'est désavantageusement opposé, jusqu'à présent, le fait que l'oxygène d'appoint, prévu pour un éventuel approvisionnement de secours en oxygène est, dans les avions, embarqué, en général, dans des réservoirs à haute pression ou des générateurs chimiques d'oxygène, la capacité de stockage de ces accumulateurs d'oxygène étant alors relativement faible et ne pouvant pas non plus être augmentée sensiblement en raison de l'offre de place restreinte dans des avions. Au vu de ces inconvénients, la présente invention s'est fixé pour but de procurer un procédé pour l'approvisionnement de secours en oxygène dans un avion, avec lequel de l'oxygène puisse être mis à la disposition des passagers, dans une mesure suffisante, sur des périodes de temps prolongées, ainsi qu'une installation correspondante d'approvisionnement de secours en oxygène. Ce but est atteint, conformément à l'invention, par un tel procédé pour l'approvisionnement de secours en oxygène dans un avion, qui se caractérise en ce qu'au début de l'approvisionnement de secours, de l'oxygène stocké est tout d'abord envoyé à au moins un masque à oxygène d'un occupant de l'avion et, dans le même temps, une partie de l'oxygène stocké est employée pour nettoyer par balayage des lits de tamis moléculaire d'un dispositif de fractionnement de l'air, le dispositif de fractionnement de l'air prenant ensuite en charge l'approvisionnement en oxygène du ou des occupant(s) de l'avion. L'installation correspondante comportant un dispositif de fractionnement de l'air qui présente au moins deux lits de tamis moléculaire et qui, à sa sortie, peut être relié par conduit à au moins un masque à oxygène, se caractérise, conformément à l'invention, en ce qu'il est prévu au moins une unité de stockage d'oxygène, qui peut être reliée simultanément par conduit aussi bien au dispositif de fractionnement de l'air qu'au masque à oxygène. Des variantes de réalisation de l'invention de l'invention découlent des sous-revendications, de la description qui suit et de la Figure. Le procédé selon l'invention, pour l'approvisionnement de secours en oxygène dans un avion, prévoit donc fondamentalement de produire à bord de l'avion, dans un ou plusieurs dispositifs de fractionnement de l'air fonctionnant, par exemple, selon le principe de l'adsorption alternée sous pression, l'oxygène qui doit être mis à la disposition des passagers dans une situation de secours. Des dispositifs de fractionnement de l'air de ce type présentent au moins deux lits de tamis moléculaire, qui sont activés en alternance suivant un cycle d'adsorption et un cycle de désorption, sachant que dans le cycle d'adsorption, ils séparent l'oxygène de l'azote et que, dans le cycle de désorption, ils sont régénérés. L'utilisation de dispositifs de fractionnement de l'air permet d'approvisionner les passagers en oxygène pratiquement sur une durée illimitée. Cependant, de l'oxygène produit par le dispositif de fractionnement de l'air, n'est pas envoyé dès le début aux masques à oxygène des passagers de l'avion et, au lieu de cela, l'invention prévoit, au début de l'approvisionnement de secours, d'envoyer tout d'abord aux masques à oxygène des occupants de l'avion, de l'oxygène stocké à bord de l'avion. Cette façon de procéder assure, de manière avantageuse, que l'approvisionnement en oxygène des occupants de l'avion est garanti même pendant une phase de lancement du fractionnement de l'air, au cours de laquelle le dispositif de fractionnement de l'air ne produit pas encore de l'oxygène dans une mesure suffisante. L'invention prévoit en plus d'employer simultanément une partie de l'oxygène stocké pour le balayage des lits de tamis moléculaire du dispositif de fractionnement de l'air, c'est-à- dire qu'avant que dans les lits de tamis moléculaire, l'azote contenu dans l'air soit séparé, par adsorption, de l'oxygène, les lits de tamis moléculaire sont nettoyés avec un flux de gaz de balayage, qui est formé par l'oxygène stocké à bord, et sont ensuite remplis. Après le balayage des lits de tamis moléculaire, le dispositif de fractionnement de l'air prend en charge l'approvisionnement en oxygène des occupants de l'avion, les lits de tamis moléculaire, en raison de l'opération de balayage antérieure et du remplissage avec de l'oxygène effectué juste après, présentant alors leur comportement optimal en service. Il est possible, en principe, de fournir au dispositif de fractionnement de l'air, de l'air qui est aspiré dans l'environnement de l'avion, par exemple de ses groupes propulseurs. De préférence toutefois, les lits de tamis moléculaire du dispositif de fractionnement de l'air sont alimentés, pendant leur cycle d'adsorption, avec de l'air provenant de la cabine de l'avion. Ceci a pour avantage que l'air envoyé aux lits de tamis moléculaire, est déjà pré-conditionné, en ce qui concerne sa température et son degré d'humidité, la climatisation de l'avion. Cette façon de procéder est particulièrement avantageuse lorsque le fractionnement de l'air s'effectue dans la cabine de l'avion, c'est-àdire lorsque les lits de tamis moléculaire sont disposés dans la cabine de l'avion, par exemple dans les blocs de services personnels situés au-dessus des sièges des passagers. Dans ce cas, il est possible d'aspirer l'air au voisinage immédiat du dispositif de fractionnement de l'air sans avoir à l'acheminer sur de grandes distances à travers l'avion. Pour produire la pression de service nécessaire pour l'adsorption de l'azote dans les lits de tamis moléculaire du dispositif de fractionnement de l'air, l'air de la cabine est judicieusement comprimé avant son introduction dans les lits de tamis moléculaire. Pour pouvoir, dans le dispositif de fractionnement de l'air, produire de l'oxygène dans une mesure suffisante, on emploie alors utilement des compresseurs ayant un très grand débit volumique. Pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, il est proposé, conformément à la présente invention, une installation d'approvisionnement de secours en oxygène pour un avion, qui présente un dispositif de fractionnement de l'air comportant au moins deux lits de tamis moléculaire. A sa sortie, ce dispositif de fractionnement de l'air peut être relié par conduit à au moins un masque à oxygène. Selon l'invention, il est encore prévu une unité de stockage d'oxygène, qui peut être reliée simultanément par conduit aussi bien au dispositif de fractionnement de l'air qu'au masque à oxygène. L'installation d'approvisionnement de secours en oxygène, conforme à l'invention, est, de préférence, étudiée pour l'approvisionnement de secours en oxygène d'un seul passager de l'avion ou d'un groupe de passagers de l'avion et, par conséquent, reliée, par l'intermédiaire d'un conduit d'alimentation, à un seul masque à oxygène ou plusieurs masques à oxygène. L'unité de stockage d'oxygène peut être formée aussi bien par un réservoir à haute pression, dans lequel de l'oxygène est stocké à l'état gazeux, que par un générateur chimique d'oxygène, dans lequel l'oxygène est présent, au départ, sous une forme combinée chimiquement. Comme, dans le cas du procédé d'approvisionnement de secours en oxygène conforme à l'invention, on n'a besoin d'oxygène tiré de l'unité de stockage d'oxygène que sur une phase initiale relativement brève pour faire respirer un passager de l'avion et pour nettoyer par balayage les lits de tamis moléculaire, la quantité d'oxygène à stocker dans l'unité de stockage d'oxygène est faible. Ainsi, des unités de stockage d'oxygène de petite taille correspondante peuvent être avantageusement employées. Ceci permet, de façon avantageuse, une construction extrêmement compacte de l'ensemble de l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène, qui rend possible une mise en place dans un bloc de services personnel prévu au-dessus d'un siège de passager. De préférence, les lits adsorbants de tamis moléculaire du dispositif de fractionnement de l'air sont alimentés avec de l'air de la cabine. A cette fin, le dispositif de fractionnement de l'air peut être, de façon appropriée, relié par conduit à la cabine de l'avion. Dans le conduit de liaison allant de la cabine d'avion au dispositif de fractionnement de l'air est disposé, de préférence, un compresseur, à l'aide duquel l'air aspiré dans la cabine est comprimé jusqu'à la pression de service nécessaire dans les lits de tamis moléculaire. De façon préférée, ce compresseur est conçu sous forme d'un compresseur centrifuge radial, à l'aide duquel l'air de la cabine est, de préférence, comprimé à trois à quatre fois la pression dans la cabine. Pour la commande du dispositif de fractionnement de l'air et de l'unité de stockage d'oxygène, il est avantageusement prévu un dispositif de commande. Ce dispositif de commande est relié, par une liaison de transmission de signaux, à un capteur de pression situé dans la cabine d'avion. A l'aide du capteur de pression, une chute de pression dans la cabine de l'avion peut être détectée, sur quoi la commande met en état de fonctionnement l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène. De surcroît, la pression dans la cabine peut être surveillée en continu à l'aide du capteur de pression et l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène être pilotée, par la commande, en conformité avec les valeurs de pression détectées. Un mode d'exécution du procédé d'approvisionnement de secours en oxygène, conforme à l'invention, ainsi qu'un mode de réalisation de l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène pour sa mise en oeuvre, vont à présent être décrits plus en détail, mais uniquement à titre d'exemples non limitatifs, en référence au dessin annexé, dont la figure unique représente le schéma de montage pneumatique et de commande de cette installation. La Figure annexée montre le schéma des circuits pneumatiques et de commande d'une installation d'approvisionnement de secours en oxygène. L'installation d'approvisionnement de secours en oxygène 2, représentée sur la figure, comprend un dispositif de fractionnement de l'air comportant des lits de tamis moléculaire 4, 4' et 6, 6' disposés par paires, parallèlement l'un à l'autre dans chacune d'elles. Du côté de leur entrée, les lits de tamis moléculaire 4, 4' présentent une admission d'air commune 8 et les lits de tamis moléculaire 6 et 6' présentent une admission d'air commune 10. Au moyen d'une vanne à 4/2 voies 11, à actionnement électrique, soit la paire de lits de tamis moléculaire constituée des lits de tamis moléculaire 4 et 4', soit la paire de lits de tamis moléculaire constituée des lits de tamis moléculaire 6 et 6', peut être reliée fonctionnellement à un conduit d'amenée d'air 12 débouchant dans une cabine d'avion, étant précisé que la paire de lits de tamis moléculaire, qui n'est pas alors reliée fonctionnellement au conduit d'amenée d'air 12, est reliée fonctionnellement, par la vanne à 4/2 voies 11, à un conduit de gaz de balayage 14, qui peut être obturé, à son extrémité, à l'aide d'une vanne à 2/2 voies 15 à actionnement électrique. Du côté amont de la vanne à 4/2 voies 11 sont disposés dans le conduit d'amenée d'air 12, suivant la direction d'écoulement, tout d'abord un filtre à air 9, un compresseur sous forme d'un compresseur centrifuge radial 13 ainsi qu'une vanne à 2/2 voies 17 à actionnement électrique. Du côté de la sortie des lits de tamis moléculaire 4 et 4', il est prévu une évacuation de gaz produit 16 et, du côté de la sortie des lits de tamis moléculaire 6 et 6', il est prévu une évacuation de gaz produit 18. Les évacuations de gaz produit 16 et 18 débouchent, en un point de raccordement de conduits 19, dans un conduit de gaz produit 20 commun, à l'extrémité duquel est disposé un masque à oxygène pour passager, non représenté sur le dessin. Le conduit de gaz produit 20 peut être obturé à l'aide d'une vanne à 2/2 voies 21 actionnable électriquement, qui est disposée dans ce conduit. Pour limiter le débit du gaz produit dans le conduit de gaz produit 20, il est disposé dans ce dernier, du côté de l'entrée de la vanne à 2/2 voies 21, un étranglement 23. En amont, dans le sens de l'écoulement, du point de raccordement de conduits 19, les évacuations de gaz produit 16 et 18 sont reliées par un conduit 22 autorisant le passage d'un écoulement, un étranglement 24 étant prévu dans le conduit 22 pour limiter le débit de passage. Pour prévenir, au point de raccordement de conduits 19, un dédoublement d'écoulement du gaz produit, de l'évacuation de gaz produit 16 à l'évacuation de gaz produit 18 et en sens inverse, une soupape anti-retour 26 est disposée dans l'évacuation de gaz produit 16, en amont du point de raccordement de conduits 19 dans le sens de l'écoulement, et une soupape anti-retour 28 est disposée dans l'évacuation de gaz produit 18, également en amont du point de raccordement de conduits 19 dans le sens de l'écoulement. Outre le dispositif de fractionnement de l'air constitué 35 essentiellement des lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6', l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène 2 présente également une unité de stockage d'oxygène 30, qui est formée par un réservoir à haute pression 30. Une évacuation 32 pour l'oxygène du réservoir à haute pression 30 est, d'une part, reliée fonctionnellement au conduit de gaz produit 20, l'évacuation 32 pour l'oxygène débouchant alors dans le conduit de gaz produit 20 à la sortie de l'étranglement 23, l'évacuation 32 pour l'oxygène étant, d'autre part, reliée également à un conduit 34 qui établit une liaison d'écoulement de l'évacuation 32 pour l'oxygène aussi bien à l'évacuation de gaz produit 16 des lits de tamis moléculaire 4 et 4' qu'à l'évacuation de gaz produit 18 des lits de tamis moléculaire 6 et 6'. Pour prévenir un dédoublement d'écoulement du gaz produit de l'évacuation de gaz produit 16 à l'évacuation de gaz produit 18 au travers du conduit 34, deux soupapes anti-retour 25 et 27 sont disposées dans le conduit 34, la soupape anti-retour 25 bloquant alors le chemin d'écoulement allant de l'évacuation de gaz produit 16 à l'évacuation de gaz produit 18, tandis que la soupape anti-retour 27 bloque le chemin d'écoulement allant de l'évacuation de gaz produit 18 à l'évacuation de gaz produit 16. La commande et l'alimentation en énergie des composants, actionnés électriquement, de l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène 2 s'effectuent au moyen d'un dispositif de commande sous forme d'une commande électronique 36. Cette commande 36 est reliée au compresseur centrifuge radial 13 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux 38, à la vanne à 2/2 voies 17 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux 40, à la vanne à 2/2 voies 15 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux 42, à la vanne à 4/2 voies 11 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux 44, à la vanne à 2/2 voies 21 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux 46, ainsi qu'au réservoir à haute pression 30 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signaux 48. En plus de cela, une liaison transmettrice de signaux, de la commande 36 à un capteur de pression 50 disposé dans la cabine d'avion, est établie au moyen d'une ligne de transmission de signaux 52, et une liaison transmettrice de signaux à un micro-capteur d'oxygène au bioxyde de zirconium 54, est établie au moyen d'une ligne de transmission de signaux 56. Le procédé d'approvisionnement de secours en oxygène, conforme à l'invention, est décrit de façon détaillée dans ce qui suit, sur la base de l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène, représentée sur la figure. Lorsque l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène 2 est inactive, les vannes à 2/2 voies 15, 17, et 21 sont maintenues commutées en position de blocage par la commande 36, de sorte que le conduit d'amenée d'air 12, le conduit de gaz de balayage 14 et le conduit de gaz produit 20 sont obturés. On empêche, de cette façon, que lorsque l'installation d'approvisionnement de secours en oxygène 2 n'est pas en service, de l'eau puisse pénétrer dans les lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6', ce qui réduirait la capacité d'adsorption de la zéolite employée ici comme agent d'adsorption. Si le capteur de pression 50 disposé dans la cabine d'avion enregistre une chute de pression, les vannes à 2/2 voies 15, 17 et 21 sont commutées en position ouverte par la commande 36. Il s'ensuit que les lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6' sont détendus et qu'une désorption vis-à-vis de la pression ambiante est déclenchée en eux. En plus de cela, le réservoir à haute pression 30 est commuté dans le sens de l'ouverture par la commande 36, sur quoi l'oxygène se trouvant dans le réservoir à haute pression 30, est, par l'intermédiaire de l'évacuation 32 pour l'oxygène formée sur le réservoir à haute pression 30, dirigé dans le conduit de gaz produit 20, d'où l'oxygène est envoyé au masque à oxygène d'un passager. Dans le même temps, un flux partiel de l'oxygène stocké dans le réservoir à haute pression 30, est dirigé dans le conduit 34 et, de là, est, au travers des évacuations de gaz produit 16 et 18, dirigé, comme gaz de balayage, dans les lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6', puis est évacué de ces derniers par le conduit de gaz de balayage 14. Le temps de balayage des lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6' avec l'oxygène tiré du réservoir à haute pression 30, est, de préférence, de deux à quatre secondes. Au bout de ce laps de temps, la commande 36 provoque la fermeture de la vanne à 2/2 voies 15, de sorte que de l'oxygène ne s'échappe plus par le conduit de gaz de balayage 14. Après cela, de l'oxygène provenant du réservoir à haute 35 pression 30, continue à être amené au masque à oxygène du passager et dans les lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6', le débit d'oxygène dans le conduit de gaz produit 20 étant alors enregistré par le capteur d'oxygène 54. Si le débit volumique de l'oxygène tombe en dessous d'une valeur prédéterminée, le compresseur centrifuge radial 13 est mis en fonctionnement par la commande 36. De cette manière, de l'air de la cabine est aspiré au travers du conduit d'amenée d'air et est comprimé par le compresseur centrifuge radial 13. Avant son entrée dans le compresseur centrifuge radial 13, l'air aspiré dans la cabine est épuré dans un filtre à air 9. La vanne à 4/2 voies 11 est commandée, par la commande 36, de telle façon que l'air comprimé puisse, par l'admission d'air 8, s'écouler dans les lits de tamis moléculaire 4 et 4'. Comme tous les lits de tamis moléculaire 4, 4', 6 et 6' ont été auparavant remplis avec l'oxygène provenant du réservoir à haute pression 30, le gaz produit quittant les lits de tamis moléculaire 4 et 4', présente, en l'espace d'un intervalle de temps extrêmement bref, une concentration d'oxygène suffisamment élevée. Ce gaz produit est envoyé au masque à oxygène du passager, un flux partiel du gaz produit qui quitte l'évacuation de gaz produit 16, étant alors amené, comme gaz de balayage, dans les lits de tamis moléculaire 6 et 6', par le conduit 22. Si le pouvoir d'adsorption des lits de tamis moléculaire 4 et 4' s'est éteint, la commande 36 provoque une commutation de la vanne à 4/2 voies 11, après quoi l'air de la cabine, comprimé par le compresseur centrifuge radial 13, est désormais dirigé dans les lits de tamis moléculaire 6 et 6', où la part d'azote dans l'air est adsorbée, et le gaz produit enrichi en oxygène, qui est mis à disposition à la sortie des lits de tamis moléculaire 6 et 6', est amené, d'une part, au passager, comme gaz à respirer, et, d'autre part, aux lits de tamis moléculaire 4 et 4', en tant que gaz de balayage. Liste des références numériques 2. Installation d'approvisionnement de secours en oxygène 4, 4' Lit de tamis moléculaire 6, 6' Lit de tamis moléculaire 8 Admission d'air 9 Filtre à air Admission d'air 11 Vanne à 4/2 voies 10 12 Conduit d'amenée d'air 13 Compresseur centrifuge radial 14 Conduit de gaz de balayage Vanne à 2/2 voies 16 Evacuation de gaz produit 15 17 Vanne à 2/2 voies 18 Evacuation de gaz produit 19 Point de raccordement de conduits Conduit de gaz produit 21 Vanne à 2/2 voies 20 22 Conduit 23 Etranglement 24 Etranglement Soupape anti-retour 26 Soupape anti-retour 25 27 Soupape anti-retour 28 Soupape anti-retour Unité de stockage d'oxygène, réservoir à haute pression 32 Evacuation pour l'oxygène 34 Conduit 30 36 Commande électronique 38 Ligne de transmission de signaux 40 Ligne de transmission de signaux 42 Ligne de transmission de signaux 44 Ligne de transmission de signaux 46 Ligne de transmission de signaux 48 Ligne de transmission de signaux 50 Capteur de pression 52 Ligne de transmission de signaux 54 Capteur d'oxygène 56 Ligne de transmission de signaux REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'approvisionnement de secours en oxygène dans un avion, caractérisé en ce qu'au début de l'approvisionnement de secours, de l'oxygène stocké est tout d'abord envoyé à au moins un masque à oxygène d'un occupant de l'avion et, dans le même temps, une partie de l'oxygène stocké est employée pour nettoyer par balayage des lits de tamis moléculaire (4, 4', 6, 6') d'un dispositif de fractionnement de l'air, le dispositif de fractionnement de l'air prenant ensuite en charge l'approvisionnement en oxygène du ou des occupant(s) de l'avion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lits de tamis moléculaire (4, 4', 6, 6') du dispositif de fractionnement de l'air sont, pendant leur cycle d'adsorption, alimentés avec de l'air provenant d'une cabine d'avion. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'air de la cabine est comprimé. 4. Installation d'approvisionnement de secours en oxygène pour un avion, comportant un dispositif de fractionnement de l'air, qui présente au moins deux lits de tamis moléculaire (4, 4', 6, 6') et qui, à sa sortie, peut être relié, par conduit, à au moins un masque à oxygène, caractérisée en ce qu'il est prévu au moins une unité de stockage d'oxygène (30), qui peut être reliée simultanément, par conduit, aussi bien au dispositif de fractionnement de l'air qu'au masque à oxygène. 5. Installation d'approvisionnement de secours en oxygène selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif de fractionnement de 30 l'air peut, à son entrée, être relié, par conduit, à une cabine d'avion. 6. Installation d'approvisionnement de secours en oxygène selon la revendication 5, caractérisée en ce que dans le conduit de liaison (12) allant de la cabine d'avion au dispositif de fractionnement de l'air est disposé un 35 compresseur (13), de préférence un compresseur centrifuge radial. 7. Installation d'approvisionnement de secours en oxygène selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de commande (36) destiné à commander le dispositif de fractionnement de l'air et l'unité de stockage d'oxygène (30), lequel dispositif de commande est relié, par une liaison de transmission de signaux, à un capteur de pression (50) situé dans la cabine d'avion. 8. Installation d'approvisionnement de secours en oxygène selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de commande (36) destiné à commander le dispositif de fractionnement de l'air et l'unité de stockage d'oxygène (30), lequel dispositif de commande est relié, par une liaison de transmission de signaux, à un capteur d'oxygène (54) situé dans le conduit de liaison (20) allant du dispositif de fractionnement de l'air au masque à oxygène.