Brevet FR3018460A1 — publié le 20150918

La présente invention concerne un dispositif de séparation de gaz ainsi qu'un dispositif d'inertage et un aéronef comprenant un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de séparation de gaz comportant un boîtier abritant un élément de filtration comprenant un faisceau de fibre oblongues creuses s'étendant selon un axe longitudinal entre deux extrémités et formant une membrane de séparation de gaz, le boîtier comprenant, à une première extrémité, un orifice d'entrée d'air situé en vis-à-vis d'un première extrémité longitudinale du faisceau de fibres et, à une seconde extrémité, un orifice de sortie de gaz purifié, la section de l'orifice d'entrée selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal ayant une surface inférieure à la surface de la première extrémité longitudinale du faisceau de fibres. La filtration des gaz, notamment des gaz de l'air par membrane à fibres creuses est un procédé largement utilisé dans l'industrie et en particulier dans le domaine aéronautique. Cette technologie consiste à prélever de l'air en provenance de compresseurs ou de moteur(s) et à le faire circuler dans un système de séparation contenant une membrane poreuse sélective ne laissant "traverser" que les molécules d'une espèce chimique (oxygène ou azote par exemple). En compartimentant ce système de façon étanche il est possible de récupérer en sortie d'une part de l'air appauvri en oxygène et donc très riche en azote, et d'autre part, de l'air enrichi en oxygène. L'air enrichi en azote peut être utilisé pour inerter des réservoirs de carburant par exemple tandis que l'oxygène pourra être simplement rejeté à l'atmosphère. Les systèmes de séparation de l'air comprennent généralement un boîtier comportant une partie centrale cylindrique, fermée à une extrémité par un fond (soudé, collé ou vissé) et fermée à l'autre extrémité par un couvercle (généralement vissé ou assemblé par une bride). Le couvercle est percé d'un orifice d'entrée permettant l'admission d'air alors que le fond est percé d'un orifice de sortie permettant la collecte du gaz enrichi en azote en sortie de système. Un autre orifice est prévu pour le gaz séparé (oxygène). La partie cylindrique (appelée parfois enveloppe) peut par exemple être munie d'un orifice perpendiculaire à l'axe du cylindre permettant l'évacuation de l'oxygène filtré par le système. Les orifices d'entrée et de sortie peuvent être de nature et de géométries différentes. L'élément de filtration disposé à l'intérieur du boîtier est généralement constitué d'un faisceau de fibres polymères creuses présentes en très grand nombre. L'axe longitudinal des fibres est aligné ou non avec l'axe longitudinal du cylindre du boîtier. Classiquement, les fibres peuvent notamment présenter un angle d'enroulement (pour gagner en surface d'échange sur une longueur de membrane donnée). L'angle d'enroulement peut évoluer au fil des couches pour que la longueur d'échange du gaz avec les fibres soit la même au centre et à la périphérie du faisceau de fibres. Aux extrémités de ces fibres on peut prévoir un matériau rigide de cohésion tel qu'un matériau thermodurcissable, idéalement de l'époxy, coulé et ré-usiné. Ces extrémités de matériau rigide permettent un maintien mécanique des fibres et éventuellement une coopération avec un système de joint(s) torique(s) pour maintenir l'étanchéité entre les différentes chambres du système. Les inventeurs ont constaté que le flux d'air qui entre dans le dispositif par l'orifice d'entrée vient frapper l'extrémité du faisceau de fibres de façon non homogène (vitesse et débit). Dans les systèmes utilisés dans les aéronefs, le flux d'air prélevé sur le moteur de l'aéronef arrive à une température de 70°C environ avec une pression de l'ordre de 3 bar et avec une vitesse d'écoulement élevée (de l'ordre de 10 m/s). Cette configuration peut engendrer plusieurs problèmes. Ainsi, un impact du gaz localisé toujours au même endroit peut accélérer le vieillissement de la matière thermodurcissable et du matériau composite fibre creuse/ résine concerné. De plus, si l'air d'entrée est pollué le rendement des fibres peut rapidement 25 s'écrouler par colmatage des fibres creuses ou par modification des caractéristiques de sélectivité du matériau poreux à l'endroit considéré. De plus, la formation de chemins préférentiels pour le flux de gaz limite le travail des fibres périphériques (par opposition aux fibres centrales) et fait diminuer la surface active utilisée. Ainsi, les fibres qui sont relativement plus 30 utilisées que les autres risquent de présenter un rendement relativement médiocre notamment en raison des vitesses relativement élevées du gaz à traiter. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte un organe déflecteur disposé entre l'orifice d'entrée et la première extrémité longitudinale du faisceau de fibres, l'organe déflecteur comprenant une paroi formant une butée longitudinale pour un flux de gaz circulant de l'orifice d'entrée vers un faisceau de fibres selon une direction parallèle à l'axe longitudinal du boîtier, l'organe déflecteur comprenant au moins une ouverture guidant au moins une partie du flux de gaz selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ladite paroi formant butée est perpendiculaire à la direction longitudinale, - l'organe déflecteur comprend, disposés en série dans cet ordre entre l'orifice d'entrée et la première extrémité longitudinale du faisceau de fibres, une pluralité d'orifices orientés transversalement par rapport à l'axe longitudinal et la paroi, - lesdits orifices constituent la au moins une ouverture guidant au moins une partie du flux de gaz selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal, - l'organe déflecteur comprend une pluralité d'orifices répartis radialement régulièrement autour d'un axe longitudinal du boîtier passant par le centre de l'orifice d'entrée, - le dispositif comporte une portion tubulaire raccordée ou solidaire de l'orifice d'entrée, - l'organe déflecteur est relié au faisceau de fibres, - ladite paroi formant butée a une surface supérieure à la section de passage de l'orifice d'entrée et de préférence une surface comprise entre deux fois à cinq fois la valeur de la surface section de passage de l'orifice d'entrée, - le faisceau de fibres est du type à adsorption sélective de l'oxygène, - le boîtier a une forme générale cylindrique, et possède un axe (A) longitudinal, - l'axe longitudinal du faisceau de fibres est parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier, - l'organe déflecteur comprend un nombre d'orifices compris entre quatre et trente-six, - l'organe déflecteur comprend, en amont du au moins un passage, une réduction de section localisée pour augmenter localement la vitesse d'écoulement 5 du gaz, - les orifices ont une section comprise entre 4.7 mm et 14 mm, - l'une et de préférence les deux extrémités longitudinales du faisceau de fibres comprennent une couche de matériau rigide. L'invention peut concerner également un dispositif d'inertage pour réservoir 10 d'aéronef comprenant un dispositif de séparation conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans lequel le faisceau de fibres est du type à adsorption sélective de l'oxygène.. L'invention peut concerner également un aéronef comprenant un tel dispositif d'inertage. 15 L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe, schématique et partielle, 20 illustrant un exemple de réalisation d'un dispositif de séparation d'air selon un premier mode de réalisation possible de l'invention, - les figures 2 et 3 représentent des vues en perspective, schématiques et partielles et selon respectivement deux orientations différentes, illustrant un détail d'un organe redresseur du dispositif de la figure 1, 25 - la figure 4 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation d'un dispositif de séparation d'air selon un second mode de réalisation possible de l'invention, - la figure 5 représente deux graphiques modélisant le profil de vitesse de gaz susceptible d'atteindre un faisceau de fibre en fonction de la position 30 transversale du faisceau respectivement sans (courbe de droite) et avec (courbe de gauche) un organe déflecteur selon l'invention. Le dispositif de séparation illustré schématiquement et partiellement à la figure 1 comprend un boîtier 2 de forme générale cylindrique abritant un élément de filtration comprenant un faisceau 3 de fibres oblongues creuses formant une membrane. Comme schématisé à la figure 4, l'une et de préférence les deux extrémités longitudinales du faisceau 3 de fibres peuvent comprendre une couche 8 de matériau rigide (résine ou analogue). L'axe longitudinal A des fibres peut être parallèle ou non à l'axe longitudinal A du boîtier 2 (c'est-à-dire parallèle à l'axe des génératrices de la partie cylindrique du boîtier). Classiquement, le boîtier 2 comprend, à une première extrémité (du côté dit amont selon le sens d'écoulement du gaz), un orifice 4 d'entrée d'air situé en vis- à-vis d'une première extrémité longitudinale (amont) du faisceau 3 de fibres. Le boîtier 2 comprend à une seconde extrémité (par exemple longitudinale et aval), un orifice 5 de sortie de gaz purifié. La section de l'orifice 4 d'entrée selon une direction perpendiculaire à l'axe A longitudinal du boîtier 2 et du faisceau 3 de fibres a une surface inférieure à la surface de la première extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres. Par exemple, le rapport entre la section de l'orifice 4 d'entrée et la section de l'extrémité amont du faisceau 3 de fibres peut être compris entre 1/30 et 1/70 et notamment compris entre 1/45 et 1/55. Pour éviter les inconvénients de l'art antérieur, le dispositif 1 comporte un organe 6 déflecteur disposé entre l'orifice 4 d'entrée et la première extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres. Cet organe 6 déflecteur comprend une paroi 16 formant une butée longitudinale pour le flux de gaz circulant de l'orifice 4 d'entrée vers faisceau 3 de fibres selon une direction parallèle à l'axe A longitudinal. Cet organe 6 déflecteur comprend au moins une ouverture 26 guidant au moins une partie du flux de gaz selon une direction perpendiculaire à l'axe A longitudinal du boîtier. Ceci permet de briser le jet de gaz avant son impact sur la membrane pour homogéniser la répartition du flux de gaz et sa vitesse avant son entrée dans les fibres 3. De préférence, la paroi 16 formant une butée longitudinale est perpendiculaire à l'axe A longitudinal. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, l'organe 6 déflecteur comprend, disposés en série dans cet ordre entre l'orifice 4 d'entrée et la première extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres, une pluralité d'orifices 26 orientés transversalement par rapport à l'axe A longitudinal et la paroi 16. Les orifices 26 guident au moins une partie du flux de gaz selon une direction perpendiculaire à l'axe A longitudinal du centre du boîtier en direction des 5 extrémités périphériques du faisceau 3 de fibres comme symbolisé par des flèches pleines à la figure 1. Comme visible aux figures 2 et 3, l'organe 6 déflecteur comprend de préférence une portion amont tubulaire 36. Cette portion tubulaire est de préférence parallèle à l'axe A longitudinal et collecte le flux de gaz entrant part 10 l'orifice d'entrée 4. Cette portion 36 tubulaire peut être raccordée ou être solidaire de l'orifice 4 d'entrée. De préférence, le rapport entre la surface de la paroi 16 formant une butée longitudinale et la section de l'orifice 4 d'entrée est compris entre 3 et 5 et de préférence entre 3,5 et 4. 15 Par exemple, le rapport entre la surface de la paroi 16 formant une butée longitudinale et la section du faisceau de fibres 3 est compris entre 1/10 et 1/15 et de préférence entre 1/12 et 1/15. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple des figures 1 à 3. La figure 4 une variante de réalisation possible dans laquelle l'organe 6 20 déflecteur est relié mécaniquement au faisceau 3 de fibres, par exemple fixé sur un tube central du faisceau 3 de fibres. L'organe 6 déflecteur comprend uniquement une paroi 16 déflectrice brisant le jet de gaz entrant qui peut se répartir transversalement via le passage libre formé à la périphérie de la paroi 16. Ainsi, l'organe 6 déflecteur peut être monobloc ou raccordé sur le raccord 25 de l'orifice 4 d'entrée, le couvercle du boîtier 2 ou la membrane 3. Pour des raisons de facilité de fabrication il pourra également être usiné à part et rapporté sur le raccord ou le couvercle du boîtier 2. L'assemblage de l'organe 6 déflecteur pourra utiliser un vissage et/ou un collage et/ou un frettage et/ou circlips de maintien. 30 La figure 5 illustre les modélisations de la répartition des vitesses de flux de gaz (en mètre par seconde) à l'entrée des fibres selon la position P transversale (en mètre) par rapport au centre du faisceau de fibres respectivement sans organe déflecteur (graphique de droite) et avec un organe déflecteur (graphique de gauche). La figure 5 illustre le fait que, sans organe 6 déflecteur, la vitesse du gaz en entrée des fibres situées au centre du faisceau 3 de fibres est cinquante fois supérieure à la vitesse du gaz en entrée des fibres périphériques (extérieures). En revanche, avec un organe 6 déflecteur la vitesse du gaz en entrée de fibres est beaucoup plus homogène sur l'ensemble du faisceau et la vitesse du gaz la plus élevée est de l'ordre de deux fois la vitesse la plus basse (deux fois moins élevée au centre qu'à l'extérieur du faisceau). De plus cette amplitude de vitesse est relativement constante (0,2m/s) sur environ 80% de la surface active de l'extrémité du faisceau 3. On comprend donc aisément, que tout en étant de structure simple et peu coûteuse, l'invention permet de diminuer significativement la vitesse moyenne du gaz entrant dans les fibres. Par exemple, cette vitesse peut passer de 13 m/s (sans organe déflecteur) à 0,2 m/s (avec organe 6 déflecteur). Cette dernière valeur de vitesse est beaucoup plus conforme aux vitesses attendues dans les milieux poreux pour garantir un rendement optimum sur la sélectivité de la membrane. Le diamètre de l'obstacle (paroi 16) a une grande influence sur la vitesse 20 finale. De préférence cette paroi 16 a un diamètre égal à deux fois le diamètre de passage de l'orifice 4 d'entrée. De plus, de préférence, la distance de la paroi 16 par rapport à la surface des fibres doit être aussi grande que possible de façon à laisser un volume de tranquillisation maximum pour le gaz en aval de la paroi. Par exemple, une 25 distance de 5 à 10mm (ou plus) entre la paroi 16 et la surface des fibres est satisfaisante. En revanche, avec une distance inférieure à 5mm entre la paroi 16 et la surface des fibres, les vitesses du gaz à l'intérieur du couvercle risquent d'être insuffisamment diminuées. Cette structure permet ainsi : 30 - une homogénéisation du profil de vitesse des gaz sur la tranche du faisceau de fibres, - un abaissement de la vitesse moyenne d'entrée des gaz au niveau de l'entrée des fibres, - une fabrication aisée notamment si l'organe 6 déflecteur est monobloc avec le raccord d'entrée du boîtier 2, - une bonne diffusion de l'air à l'entrée, permettant de répartir les polluants éventuels sur toute la surface active de la membrane pour homogénéiser le vieillissement des fibres. De plus, cet organe 6 déflecteur peut assurer une fonction anti- desserrement d'un raccord d'entrée (de type contre écrou) disposée au niveau de l'orifice 4 d'entrée lorsque cet organe 6 est vissé sur le raccord d'entrée. Comme illustré à la figure 6, le dispositif 1 de séparation d'air peut être avantageusement utilisé pour produire un gaz enrichi en azote en vue d'inerter un réservoir 10 de carburant d'un aéronef 7.L'invention n'est pas limitée à la filtration de gaz de l'air pour des applications aéronautiques mais peut s'appliquer à tout dispositif de filtration de gaz, par exemple pour purifier des mélanges de gaz, notamment dans le domaine des biogaz.15 REVENDICATIONS1. Dispositif de séparation de gaz comportant un boîtier (2) abritant un élément de filtration comprenant un faisceau (3) de fibre oblongues creuses s'étendant selon un axe (A) longitudinal entre deux extrémités et formant une membrane de séparation de gaz, le boîtier (2) comprenant, à une première extrémité, un orifice (4) d'entrée d'air situé en vis-à-vis d'un première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres et, à une seconde extrémité, un orifice (5) de sortie de gaz purifié, la section de l'orifice (4) d'entrée selon une direction perpendiculaire à l'axe (A) longitudinal ayant une surface inférieure à la surface de la première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres, caractérisé en ce qu'il comporte un organe (6) déflecteur disposé entre l'orifice (4) d'entrée et la première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres, l'organe (6) déflecteur comprenant une paroi (16) formant une butée longitudinale pour un flux de gaz circulant de l'orifice (4) d'entrée vers un faisceau (3) de fibres selon une direction parallèle à l'axe (A) longitudinal du boîtier, l'organe (6) déflecteur comprenant au moins une ouverture (26) guidant au moins une partie du flux de gaz selon une direction perpendiculaire à l'axe (A) longitudinal. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ladite paroi (16) formant butée est perpendiculaire à la direction (A) longitudinale. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe (6) déflecteur comprend, disposés en série dans cet ordre entre l'orifice (4) d'entrée et la première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres, une pluralité d'orifices (26) orientés transversalement par rapport à l'axe (A) longitudinal et la paroi (16). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits orifices (26) constituent la au moins une ouverture guidant au moins une partie du flux de gaz selon une direction perpendiculaire à l'axe (A) longitudinal. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'organe (6) déflecteur comprend une pluralité d'orifices(26) répartis radialement régulièrement autour d'un axe (A) longitudinal du boîtier passant par le centre de l'orifice (4) d'entrée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une portion tubulaire (36) raccordée ou solidaire de l'orifice (4) d'entrée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe (6) déflecteur est relié au faisceau (3) de fibres. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite paroi (16) formant butée a une surface supérieure à la section de passage de l'orifice (4) d'entrée et de préférence une surface comprise entre deux fois à cinq fois la valeur de la surface section de passage de l'orifice (4) d'entrée. 9. Dispositif d'inertage pour réservoir (10) d'aéronef comprenant un dispositif (11) de séparation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le faisceau (3) de fibres est du type à adsorption sélective de l'oxygène. 10. Aéronef comprenant un dispositif d'inertage selon la revendication 9.20