Brevet FR3116238A1 — publié le 20220520

Réservoir de stockage de carburant, munie d’un système de protection et de maintien en température et pression. La présente invention concerne un dispositif de stockage de carburant liquide ou gazeux, ou un mélange de liquide et de gaz. Le dispositif est composé d’un réservoir de carburant ( 1 ), englobé par un réservoir contenant un fluide d’inertage ( 2 ), lui-même contenu dans un réservoir externe ( 6 ), comprenant ou pas une réserve de liquide d’inertage interne ( 7 ) ou externe. Le tout est relié par divers conduits et circuits de transfert équipés de vannes, pompes/compresseurs, capteur et échangeurs. Le dispositif selon l’invention a le but de stocker et d’alimenter en carburant de manière autonome, dans des conditions d’optimisations et de sécurités optimales, des systèmes de motorisations et/ou de propulsions, statiques ou dynamiques, dans le cadre de matériels terrestres, aérien, aquatique ou subaquatique. Figure pour l’abrégé : [Fig 1] Réservoir de stockage de carburant, muni d’un système de protection et de maintien en température et pression. La présente invention concerne un dispositif de stockage de carburant liquide, ou gazeux, ou un mélange de liquide et de gaz, dans le but d’alimenter des systèmes de motorisations et/ou de propulsions, statiques ou dynamiques, dans le cadre de matériels terrestres, aériens, aquatiques ou subaquatiques. Pour transporter de manière efficiente les carburants liquides ou gazeux, il est souvent intéressant, voir nécessaire de diminuer leur température. En effet, l’augmentation de température provoque dans un réservoir étanche une forte augmentation de la pression, soit par évaporation des liquides, soit par expansion des gaz. Cette augmentation de la pression nécessite, soit un dimensionnement conséquent du réservoir et donc une forte augmentation de sa masse, soit l’existence d’une ligne de décharge avec pour conséquence la perte d’une partie du carburant. Les systèmes actuels qui permettent de refroidir, ou maintenir, ou limiter l’augmentation de la température du carburant, utilisent les 3 principes suivants, et souvent l’addition de 2 ou 3 de ces technologies : Isolation du réservoir. Recirculation interne (effet type TVS). Circuit de refroidissement externe (avec consommation d’énergie type TCS). En parallèle, il peut être intéressant, pour maintenir plus facilement le carburant à l’état liquide et/ou pour favoriser le transvasement du carburant, de maintenir et piloter une certaine pression dans le réservoir, par exemple par évaporation du carburant. Une autre considération consiste, pour des raisons de sécurité, de remplacer le volume de carburant consommé par un gaz d’inertage. Dans certains réservoirs cryogéniques de fusées, cette fonction est associée à la fonction précédente de pressurisation du réservoir de carburant, par des capacités d’hélium liquide. Enfin une dernière problématique pour ce type de réservoir, particulièrement avec un carburant de type hydrogène, est le cas de fuite du réservoir. En effet la plupart des réservoirs de carburant étant à une pression supérieure ou égale à la pression juste de l’autre coté (extérieur) du réservoir, en cas fuite, le carburant migre immédiatement vers l’extérieur. Par ailleurs, ce design présente le désavantage que la paroi du réservoir doit résister simultanément aux agressions physico-chimiques du carburant, à la température et à une importante pression. Ces trois critères dimensionnants concomitants conduisent à des structures complexes et potentiellement à risque. Le dispositif selon l’invention permet donc de pallier aux différents inconvénients énoncés ci-dessus par : Un pilotage de la température du carburant. Un pilotage de la pression du carburant. Un inertage du réservoir de carburant. Une protection par un inertage englobant totalement le réservoir de carburant. En cas de fuite du réservoir de carburant, il n’y a aucune migration de carburant vers l’extérieur, mais au contraire un flux de fluide d’inertage en direction du réservoir. Les dessins annexés illustrent l’invention : La représente en coupe le dispositif de stockage contenant un réservoir additionnel de gaz d’inertage interne à l’ensemble, et un ensemble de vannes, de soupapes, de pompes ou de compresseurs, permettant de réguler les contenus des différents volumes en pression et en température. La représente en coupe le dispositif de stockage contenant un réservoir additionnel de gaz d’inertage externe à l’ensemble et un ensemble de vannes, de soupapes, de pompes ou de compresseurs, permettant de réguler les contenus des différents volumes en pression et en température . La représente des vues en coupe des dispositifs de stockage contenant un réservoir additionnel de gaz d’inertage interne à l’ensemble ou plusieurs ensembles de réservoirs (13), interconnectés entre eux ou pas, éventuellement amovibles et interchangeables et placés dans un aéronef. Le dispositif comporte un premier réservoir (1) dans lequel est contenu le carburant liquide ou gazeux. Ce réservoir est lui-même inclus dans un deuxième réservoir (2) dans lequel est contenu une substance d’inertage liquide ou gazeuse ou un mélange de gaz et de liquide. La pression dans le réservoir de carburant est maintenue par transfert du gaz d’inertage du réservoir (2) vers le réservoir de carburant (1) via le circuit (3) et son système de réglage. Ce transfert avec évaporation et détente refroidit le carburant. Il existe également un circuit de recirculation et de refroidissement du carburant (4) permettant de refroidir, de maintenir ou au moins de diminuer l’augmentation de température du carburant, via un échangeur carburant/fluide d’inertage et le fait que le circuit de carburant (4) se refroidit au contact de la substance d’inertage. La pressurisation du réservoir (2) est obtenue, maintenue et pilotée par l’évaporation du liquide d’inertage, le débit de la ligne de décharge (5), le débit du circuit (3) de transfert vers le réservoir de carburant. L’ensemble des réservoirs (1) et (2) sont insérés dans une enveloppe d’isolation (6) qui limite les échanges thermiques avec l’extérieur, soit par le vide, soit par des matériaux isolants, soit par le cumul de ces 2 technologies. Une éventuelle réserve supplémentaire liquide de la substance d’inertage, à l’intérieur (7) ou à l’extérieur (11) de l’enceinte extérieure (6), connectée au réservoir (2) est capable d’augmenter son autonomie. Un système de purge rapide (8) permet de vider rapidement le réservoir vers une sortie ou un réservoir prévus à cet effet. Lorsque tout le carburant est consommé, le réservoir de carburant, ainsi que les canalisations d’alimentation sont remplis de gaz d’inertage, ce qui sécurise l’installation. Une application particulière de ce concept consiste à concevoir un réservoir cryogénique aéronautique dont le carburant serait de l’hydrogène liquide, par exemple à une température de -253°C et une pression de 10 bars. Le liquide d’inertage serait de l’hélium liquide, par exemple à une température de -269°C et une pression de 15 bars. L’enveloppement du réservoir d’hydrogène liquide (1), par un réservoir contenant de l’hélium liquide (2) à une pression supérieure, assure à la fois la sécurité et le maintien de la température de l’hydrogène. En effet, la capacité de liquide et de gaz d’inertage est capable de refroidir, ou de maintenir, ou au moins de diminuer l’augmentation de la température du carburant, de pressuriser le réservoir de carburant, et de remplacer le carburant consommé. La recirculation de l’hydrogène au travers d’une canalisation (4) circulant dans l’enveloppe d’hélium liquide permet une régulation de la température, du taux d’évaporation et de la pression de l’hydrogène dans son réservoir (1). L’hydrogène est prélevé du réservoir (1) par le circuit de carburant (9). Le volume d’hydrogène prélevé est remplacé par de l’hélium via le circuit (3), ce qui assure la sécurité du réservoir d’hydrogène (1). La détente et l’évaporation de l’hélium ont pour conséquence de refroidir le contenu du réservoir d’hydrogène (1) et contribuent à la régulation de la température et de la pression du réservoir d’hydrogène. Le réservoir d’hélium (2) est maintenu en pression et en température par le circuit (5) qui permet de décharger une surpression liée à une surévaporation de l’hélium et par l’ajout piloté d’hélium liquide d’un réservoir extérieur (7) au réservoir principal (2) par le circuit (12). Un circuit de purge de sécurité (8) permet de décharger le réservoir d’hydrogène (1) rapidement. En fin de purge comme en fin d’utilisation (tout l’hydrogène consommé), le réservoir de carburant (1) est rempli d’hélium, ce qui sécurise les opérations de stockage et de remplissage. Des détecteurs d’hélium et d’hydrogène sont prévus dans le réservoir à vide (3) et seulement des capteurs d’hydrogène dans le réservoir d’hélium (2), afin d’anticiper tout risque de défaillance et de réagir avant l’accident, par exemple en transférant le carburant dans un autre réservoir, ou en initiant une purge complète du réservoir d’hydrogène (1). L’isolation de la paroi intermédiaire entre le réservoir d’hydrogène (1) et le réservoir d’Hélium (2) sera moyenne, par exemple via un matériau isolant entre deux enveloppes étanches. L’isolation sera par contre plus poussée sur la paroi extérieure du réservoir d’hélium avec par exemple plusieurs couches de super-isolation et un vide avancé dans l’enceinte à vide (6). Ce niveau de vide nécessite une qualité de fabrication particulièrement soignée au niveau des étanchéités et de la propreté, afin de limiter les phénomènes de fuites et de dégazages. Dans certaines applications, par exemple pour les vols de longues durées, une pompe à vide et/ou un réfrigérateur cryogénique pourront être avionnés pour maintenir les pressions et les températures. Le niveau de vide pourra aussi être réajusté au moment du remplissage du réservoir. Le remplissage du réservoir pourra être organiser, soit directement sur avion, soit dans une zone aéroportuaire éloignée de l’aérogare, pour des raisons pratiques et de sécurité. Ce remplissage consisterait donc simultanément, à l’appoint du carburant hydrogène dans le réservoir (1), à l’appoint du liquide d’inertage dans le ou les réservoirs spécifiques (2), (7) et / ou (11), ainsi que l’ajustement du niveau de vide par un pompage turbomolécullaire. Le cas d’un niveau de vide insuffisant avant remplissage nécessitera un pompage préalable, afin d’atteindre un niveau de vide minimal avant l’introduction de l’hydrogène et de l’hélium. En fonction des applications, on privilégiera un gros réservoir ou une multitude de réservoirs plus petits (13). Dans ce dernier cas, les réservoirs peuvent être connectés entre eux (14), ce qui permet le transfert et/ou le cumul des différents fluides pour assurer une plus grande sécurité, fiabilité et disponibilité des fluides, ainsi que d’agir sur le centrage de l’avion. Les réservoirs sont positionnés entre 2 cloisons (15) dans un espace de fuselage ventilé (16). Ils peuvent être amovibles et permettre un remplissage en dehors de l’engin pour améliorer les aspects opérationnels et satisfaire les mesures de sécurité. Le dispositif de stockage peut donc être variable en nombre pour ajuster la quantité de carburant nécessaire à l’étape envisagée. Le dispositif de stockage de carburant liquide, ou gazeux, ou d’un mélange de liquide et de gaz, tel qu’il a été défini ci-avant pourra être utilisé dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins. Dispositif pour stocker un carburant liquide ou gazeux ou d’un mélange de gaz et de liquide, caractérisé en ce qu’un premier réservoir (1) contenant le carburant, est contenu dans un deuxième réservoir (2), dans lequel est contenue une substance d’inertage liquide ou gazeuse ou un mélange de gaz et de liquide. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’ensemble du dispositif formé par le premier réservoir (1) et le deuxième réservoir (2) est enfermé dans une enceinte extérieure (6), servant à l’isolation de l’ensemble, par le vide, ou un matériau isolant, ou un ensemble des deux. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume situé entre le premier réservoir (1) et le deuxième réservoir (2) constitue une capacité de liquide et de gaz d’inertage capable de refroidir, ou de maintenir, ou au moins de diminuer l’augmentation de la température du carburant, de pressuriser le réservoir de carburant, et de remplacer le carburant consommé. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la détente du gaz d’inertage dans le réservoir de carburant constitue un refroidissement du carburant. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4 prise en combinaison avec la revendication n°2, caractérisé en ce qu’il existe une réserve supplémentaire liquide de la substance d’inertage, à l’intérieur (7) ou à l’extérieur (11) de l’enceinte extérieure (6), connectée au réservoir (2) et capable d’augmenter son autonomie. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il existe un ou des systèmes de recirculation du carburant (4) permettant de refroidir, de maintenir ou au moins de diminuer l’augmentation de température du carburant. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système de recirculation du carburant (4), se refroidit au contact de la substance d’inertage. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu’il existe un ensemble de vannes, de soupapes, de pompes ou de compresseurs, permettant de réguler les contenus des différents volumes en pression et en température. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu’il comporte un ou plusieurs ensembles de réservoirs (13), interconnectés ou pas, et éventuellement interchangeables. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le dispositif de stockage est amovible et permet un remplissage en dehors d’un engin pour améliorer les aspects opérationnels et satisfaire les mesures de sécurité. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 10 caractérisé par le fait que le dispositif de stockage peut être variables en nombre pour ajuster la quantité de carburant nécessaire à l’étape envisagée. Utilisation d’un dispositif selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le dispositif de stockage de carburant est utilisé dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins.