Brevet FR3090811A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Ensemble pour le remplissage d'un réservoir d'oxygène liquide d'un sous-marin et procédé de remplissage associé [0001] La présente invention concerne un procédé de remplissage d'un réservoir d'oxygène liquide d'un sous-marin, ledit réservoir étant disposé à l'intérieur d'une coque d'un sous-marin et comprenant : une enceinte de stockage, une entrée d'oxygène liquide et une sortie d'oxygène gazeux, ladite sortie étant située en partie supérieure de l'enceinte de stockage, ledit procédé comprenant : l'introduction d'oxygène liquide dans l'enceinte de stockage par une ligne d'introduction reliée à l'entrée du réservoir, ladite ligne d'introduction comprenant une pompe d'introduction ; et l'évacuation d'oxygène gazeux de l'enceinte de stockage par une ligne d'évacuation reliée à la sortie du réservoir. [0002] L'invention s'applique particulièrement aux sous-marins équipés d'un sous-système d'alimentation en oxygène, apte à alimenter un système de propulsion anaérobie (AIP ou air-indepetzdetzt propulsion) et/ou à renouveler l'air respirable pour les occupants du sous-marin. 100031 La masse volumique de l'oxygène liquide varie légèrement en fonction de sa tem- pérature. Les réservoirs de sous-marins sont dimensionnés pour une masse volumique correspondant à une température de référence, de l'ordre de -183 °C. Si le réservoir est rempli à une température plus élevée, la masse volumique de l'oxygène liquide sera plus faible. Une quantité d'oxygène insuffisante pour l'autonomie du sous-marin sera alors embarquée. 100041 Afin de résoudre ce problème, l'invention a pour objet un procédé de remplissage du type précité, dans lequel la ligne d'évacuation comprend un compresseur d'évacuation diminuant une pression d'oxygène gazeux en partie supérieure de l'enceinte de stockage. 100051 Le fait de diminuer la pression d'oxygène gazeux dans le réservoir permet d'évaporer une partie de l'oxygène liquide introduit. L'enthalpie de vaporisation conduit à un refroidissement dudit oxygène liquide jusqu'à la température de référence. 100061 Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé de remplissage comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : 100071 - le procédé comprend au préalable les étapes suivantes : raccordement de rentrée du réservoir à la ligne d'introduction, ladite ligne d'introduction comprenant unc réserve d'oxygène liquide et la pompe d'introduction ; et raccordement de la sortie du 2 réservoir à la ligne d'évacuation, ladite ligne d'évacuation comprenant le compresseur d'évacuation et un dispositif d'évacuation d'oxygène gazeux ; [0008] - la ligne d'introduction comprend en outre une conduite d'introduction apte à relier la pompe d'introduction à l'entrée du réservoir ; la ligne d'évacuation comprend en outre une conduite d'évacuation apte à relier le compresseur d'évacuation à la sortie du réservoir ; et les conduites d'introduction et d'évacuation traversent la coque du sous-marin ; [0009] - l'introduction d'oxygène liquide et l'évacuation d'oxygène gazeux comprennent les étapes suivantes : fonctionnement de la pompe à un premier débit, vaporisation de l'oxygène liquide au contact de l'enceinte de stockage ; puis dès qu'un niveau maximal d'oxygène liquide est détecté en partie inférieure de l'enceinte de stockage, arrêt de la pompe ; le compresseur étant en fonctionnement à un deuxième débit non nul durant lesdites étapes, de sorte à maintenir proche d'une valeur de consigne une pression d'oxygène gazeux en partie supérieure de l'enceinte de stockage ; [0010] - le premier débit de la pompe a une valeur initiale faible ; et dès qu'un niveau minimal d'oxygène liquide est détecté en partie inférieure de l'enceinte de stockage, ledit premier débit est augmenté à une valeur plus élevée ; [0011] - le procédé comprend ensuite l'étape suivante : dès que le deuxième débit du com- presseur diminue en-dessous d'une valeur seuil, la pompe est remise en fonctionnement jusqu'à ce que le niveau maximal d'oxygène liquide soit à nouveau détecté, la pompe et le compresseur étant alors arrêtés. [0012] L'invention se rapporte en outre à un ensemble de remplissage comprenant : un sous- marin comprenant une coque et un réservoir d'oxygène liquide disposé à l'intérieur de ladite coque, ledit réservoir comprenant : une enceinte de stockage, une entrée d'oxygène liquide et une sortie d'oxygène gazeux, ladite sortie étant située en partie supérieure de l'enceinte de stockage ; un conduit de remplissage comportant : une entrée, une sortie et une pompe d'introduction disposée entre l'entrée et la sortie, ladite entrée étant apte à être reliée à une réserve d'oxygène liquide ; ladite sortie étant apte à être reliée à l'entrée du réservoir d'oxygène liquide du sous-marin ; un conduit de dégazage comportant : une entrée, une sortie et un compresseur d'évacuation disposé entre l'entrée et la sortie, ladite entrée étant apte à être reliée à la sortie du réservoir d'oxygène liquide du sous-marin ; et un dispositif d'évacuation d'oxygène gazeux, relié à la sortie du conduit de dégazage ; les conduits de remplissage et de dégazage et le dispositif d'évacuation étant disposés à l'extérieur du sous-marin ; l'ensemble de remplissage comprenant en outre des moyens de mise en oeuvre d'un procédé de remplissage tel que décrit ci-dessus. [0013] Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, l'ensemble de remplissage comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant 3 toutes les combinaisons techniquement possibles : [0014] - le dispositif d'évacuation d'oxygène gazeux de l'appareil de remplissage est une cheminée ; [0015] - la coque du sous-marin comprend au moins deux traversées, l'ensemble comprenant en outre : une conduite d'introduction apte à relier la pompe d'introduction à l'entrée du réservoir ; et une conduite d'évacuation apte à relier le compresseur d'évacuation à la sortie du réservoir ; chacune desdites conduites d'introduction et d'évacuation étant configurée pour être reçue de manière étanche dans l'une des traversées de la coque ; et [0016] - la pompe d'introduction et le compresseur d'évacuation sont inclus dans un même appareil de remplissage disposé à l'extérieur du sous-marin. [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : [0018] - [fig.1] la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de remplissage selon un mode de réalisation de l'invention ; et [0019] - [fig.2] la figure 2 est une représentation schématique d'un procédé de remplissage d'un réservoir de l'ensemble de la figure 1, selon un mode de réalisation de l' invention. [0020] La figure 1 représente un ensemble 10 pour le remplissage d'un réservoir 12 d'oxygène liquide d'un sous-marin 14. L'ensemble 10 comprend notamment : le sous-marin 14 ; un appareil 16 de remplissage ; une réserve 18 d'oxygène liquide ; et des conduites d'introduction 20 et d'évacuation 22. [0021] Le sous-marin 14, préférentiellement situé en eau, comprend une coque 24 et le réservoir 12 d'oxygène liquide, disposé à l'intérieur de ladite coque. Le réservoir 12 fait par exemple partie d'un sous-système 25 d'alimentation en oxygène du sous-marin 14. [0022] Le réservoir 12 comprend une enceinte de stockage 26, destinée à contenir de l'oxygène liquide et/ou gazeux. L'enceinte de stockage 26 comporte notamment une paroi thermiquement isolante. [0023] L'enceinte de stockage 26 est considérée par rapport à la direction verticale. Dans le mode de réalisation représenté, l'enceinte 26 reçoit une nappe 28 d'oxygène liquide située en partie inférieure de ladite enceinte ; et une couche 30 d'oxygène gazeux, située au-dessus de la nappe d'oxygène liquide, soit en partie supérieure de l'enceinte 26. [0024] Le réservoir 12 comprend en outre un premier 32 et un deuxième 34 capteurs de niveau, disposés à l'intérieur de l'enceinte 26. Lesdits premier 32 et deuxième 34 capteurs de niveau, disposés l'un au-dessus de l'autre, sont respectivement aptes à détecter un niveau minimal V,'', et un niveau maximal V,'' de la nappe 28 d'oxygène liquide. [0025] Le réservoir 12 comprend en outre un troisième capteur 35 de pression, disposé en partie supérieur de l'enceinte 26. [0026] Le réservoir 12 comprend en outre une entrée 36 d'oxygène liquide et une sortie 38 d'oxygène gazeux, respectivement situées en partie inférieure et en partie supérieure de l'enceinte 26. En variante non représentée, l'entrée d'oxygène liquide est située en partie supérieure de l'enceinte, de même que la sortie d'oxygène gazeux. Par « partie supérieure », on entend une partie de l'enceinte située au-dessus du niveau maximal V motel que détecté par le deuxième capteur 34. [0027] Par ailleurs, la coque 24 du sous-marin 14 comprend une première 40 et une deuxième 42 ouvertures, ou traversées de coque. Comme il sera détaillé par la suite, lesdites traversées 40, 42 permettent de relier le réservoir 12 à l'extérieur du sous-marin 14. [0028] L'appareil de remplissage 16 est disposé à l'extérieur du sous-marin 14, de préférence sur la terre ferme, ou encore sur une plate-forme située en mer. L'appareil de remplissage 16 est de type berceau ou SKTD et comprend des organes permettant le remplissage et le dégazage sécurisés du réservoir 12. [0029] L'appareil de remplissage 16 comprend notamment : une enveloppe 44, un conduit de remplissage 46 et un conduit de dégazage 48 situés à l'intérieur de ladite enveloppe ; et un dispositif d'évacuation 50 situé à l'extérieur de ladite enveloppe. L'appareil de remplissage 16 comprend en outre un module électronique de commande 51. [0030] Le conduit de remplissage 46 comporte : une entrée 52 et une sortie 54 situées en surface de l'enveloppe 44 ; et une pompe d'introduction 56, disposée entre ladite entrée et ladite sortie. En variante non représentée, la pompe d'introduction est assemblée à la réserve 18 d'oxygène liquide. [0031] Le conduit de dégazage 48 comporte : une entrée 58 et une sortie 60 situées en surface de l'enveloppe 44 ; et un compresseur d'évacuation 62 disposé entre ladite entrée et ladite sortie. [0032] La sortie 60 du conduit de dégazage 48 débouche sur le dispositif d'évacuation 50. Dans le mode de réalisation représenté, ledit dispositif d'évacuation 50 est une cheminée raccordée à l'enveloppe 44. [0033] Le module électronique 51 de commande de l'appareil 16 est relié à la pompe d'introduction 56 et au compresseur d'évacuation 62. De préférence, ledit module électronique 51 est également relié aux premier 32, deuxième 34 et troisième 35 capteurs du réservoir 12 du sous-marin 14, avantageusement par un système de liaison sans fil de type liaison radio. [0034] De préférence, la pompe 56 et le compresseur 62 sont à déhit D1, D2 variable, lesdits débits étant contrôlés par le module électronique 51. De préférence, le déhit D, du compresseur 62 est régulé en fonction d'une pression P de la couche 30 d'oxygène gazeux, mesurée par le troisième capteur 35 du réservoir 12. [0035] La réserve 18 d'oxygène liquide est reliée à l'entrée 52 du conduit de remplissage 46 de l'appareil 16. Dans le mode de réalisation représentée, la réserve 18 est mobile, par exemple reçue dans un camion, de manière à pouvoir être acheminée sur le site de l'appareil de remplissage 16. En variante non représentée, comme indiqué ci-dessus, ledit camion reçoit également une pompe destinée à l'introduction d'oxygène liquide dans le sous-marin. [0036] La conduite d'introduction 20 relie la sortie 54 du conduit de remplissage 46 et l'entrée 36 du réservoir 12 du sous-marin 14. La réserve 18, le conduit de remplissage 46 et la conduite d'introduction 20 forment ainsi une ligne 64 d'introduction d'oxygène liquide. [0037] La conduite d'évacuation 22 relie la sortie dudit réservoir 12 et l'entrée 58 du conduit de dégazage 48. La conduite d'évacuation 22, le conduit de dégazage 48 et le dispositif d'évacuation 50 forment ainsi une ligne 66 d'évacuation d'oxygène gazeux. [0038] Dans le mode de réalisation représenté, chacune des conduites d'introduction 20 et d'évacuation 22 comprend une première partie 67, interne au sous-marin 14, et une deuxième partie 68, externe audit sous-marin 14. Les première 67 et deuxième 68 parties de chacune des conduites 20, 22 sont raccordées de manière étanche au niveau d'une traversée 40, 42 de la coque 24. En variante non représentée, les première et deuxième parties de l'une ou de chacune des conduites sont formées d'une pièce. [0039] De préférence, chacune des première 67 et deuxième 68 parties des conduites 20, 22 comporte une canalisation flexible et isolée thermiquement. De préférence, chacune des deuxièmes parties 68 est une canalisation de grande longueur, apte à relier le sous-marin 14 en eau avec l'appareil de remplissage 16 situé à terre. [0040] Un procédé de mise en oeuvre de l'ensemble 10 décrit ci-dessus, pour le remplissage du réservoir 12 du sous-marin 14, va maintenant être décrit. Ledit procédé est mis en oeuvre par un programme mémorisé dans le module électronique 51 de commande de l'appareil de remplissage 16. [0041] D'une manière générale, le procédé de remplissage du réservoir 12 est tel que, lorsque la pompe d'introduction 56 est en fonctionnement, le compresseur d'évacuation 62 fonctionne également, de manière à diminuer la pression P de la couche 30 d'oxygène gazeux, en partie supérieure de l'enceinte de stockage 26. Ladite pression P est ainsi rapprochée d'une valeur de consigne P0, proche de la pression atmosphérique. [0042] La pression P dans la couche 30 d'oxygène gazeux peut ainsi être maintenue en- 6 dessous de la pression de saturation de l'oxygène liquide. La nappe 28 d'oxygène liquide s'évapore donc partiellement et sa température diminue en raison de l'enthalpie d'évaporation. Cette diminution de la température permet d'augmenter la masse volumique de ladite nappe 28, donc de stocker une plus grande quantité d'oxygène liquide dans le réservoir 12. [0043] Selon un mode de réalisation, un procédé 100 de remplissage est mis en oeuvre à partir de l'ensemble 10 décrit ci-dessus, l'enceinte de stockage 26 étant initialement vide, c'est-à-dire remplie d'air. Les étapes du procédé 100 sont représentées sur la figure 2. [0044] Tout d'abord (étape 102), la pompe d'introduction 56 et le compresseur d'évacuation 62 sont mis en route. De préférence, la pompe 56 a un débit initial DI,' faible. En effet, l'oxygène liquide introduit dans le réservoir 12 au début du procédé s'évapore instantanément au contact des parois de l'enceinte de stockage 26, refroidissant lesdites parois. L'oxygène gazeux formé est évacué par le compresseur d'évacuation 62, qui tend à rapprocher la pression P de la valeur de consigne Po. [0045] Après refroidissement de l'enceinte de stockage 26, une nappe 28 d'oxygène liquide se forme dans le réservoir 12. Le premier capteur 32 détecte alors (étape 104) que ladite nappe atteint le niveau minimal d'oxygène liquide en partie inférieure de l'enceinte 26. De préférence, le débit de la pompe 56 est alors augmenté à une valeur plus élevée D,,, (étape 106) afin d'accélérer le remplissage de l'enceinte 26 en oxygène liquide. [0046] La nappe 28 atteint ainsi le niveau maximal V,'a' détecté par le deuxième capteur 34 (étape 108). La pompe 56 est alors arrêtée (étape 110). [0047] Le fonctionnement du compresseur 62 est poursuivi après l'arrêt de la pompe 56. L'évaporation et le refroidissement de l'oxygène liquide sont ainsi poursuivis. La nappe 28 repasse en-dessous du niveau maximal V','' [0048] Le débit D, du compresseur 62 dépend notamment d'un écart entre la pression P de la valeur de consigne Po. De préférence, ledit débit Do est cependant limité afin que la vitesse de l'oxygène gazeux reste en dessous d'une valeur maximale, pour des raisons de sécurité. [0049] Lorsque la température de l'oxygène liquide se rapproche de la valeur souhaitée, l'écart entre Pet Po diminue et le débit Dopasse en-dessous d'une valeur seuil D2,0 (étape 112). La pompe 56 est alors remise en fonctionnement (étape 114) jusqu'à ce que le niveau maximal V. d'oxygène liquide soit à nouveau détecté (étape 116). La pompe 56 et le compresseur 62 sont alors arrêtés (étape 118). [0050] Les deuxièmes parties 68 des conduites 20, 22 peuvent alors être dissociées de la coque 24 du sous-marin 14 ainsi rechargé en oxygène liquide. [0051] L'ensemble et le procédé décrits ci-dessus permettent d'optimiser la quantité 7 d'oxygène liquide reçue dans le réservoir 12, ce qui améliore l'autonomie du sous-marin 14. La présence du compresseur d'évacuation 62 permet également d'accélérer le remplissage du réservoir 12 par rapport à un dégazage naturel à l'air libre. [0052] En variante au mode de réalisation décrit ci-dessus, le dispositif d'évacuation 50 comporte un système permettant un recyclage de l'oxygène gazeux évacué du réservoir 12. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]