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Réservoir à combustible.
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La présente invention concerne des réservoirs à combustible pour moteurs thermiques.
L'utilisation d'hydrogène comme combustible et comme flui- de de travail dans certains types de moteurs thermiques offre deux avantages significatifs sur d'autres agents réactifs, Premièrement, le pouvoir calorifique de l'hydrogène mesuré en Kcal/Kg ou en d'au- tres unités avantageuses, est notablement supérieur à celui d'autres combustibles;
et deuxièmement, grâce à sa chaleur spécifique relati- vement élevée, il est thermodynamiquement possible et, dans certains
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cas avantageux, d'établir et de maintenir la combustion de l'hydrogè- ne à un rapport de mélange combustible-air notablement plus riche que le rapport chimiquement idéal ou stoechométrique, le produit de cette combustion étant un fluide de travail à haute température de capacité calorifique exceptionnellement élevée, Dans des cycle* thermodynamiques utilisés, par exemple, dans des moteurs thermiques de propulsion à réaction) un autre avantage que l'on peut obtenir en utilisant de l'hydrogène comme combustible est dû au fait que, dans des conditions aérodynamiques approprié,.,
une détonation continue auto-entretenu. d'un mélange d'hydrogène et d'air peut être établi*, le produit chauffé de cette détonation étant détendu vers 1 arrière d'une tuyère aérothermodynamique appropriée pour produire une poussée propulsive détirée, par exemple comme décrit dans le brevet belge de la Demanderesse n*608*871.
On gros inconvénient accompagne cependant les avantages précités de l'utilisation d'hydrogène comme combustible et fluide de travail et empêche dans une grande mesure l'adoption plus généra- le de l'hydrogène comme combustible pour des dispositifs propulseurs à réaction utilisés dans des véhicules; à savoir, la densité extrême- ment basse de l'hydrogène dans son état normalement gazeux. Par sui- te de cette faible densité, les réservoirs qui doivent oontenir une quantité d'hydrogène pendant une période de combustion raisonnable quelconque tendent à être excessivement grands.
Cet inconvénient peut être atténué dans une certaine mesure au moyen de réservoirs spéciaux dans lesquels l'hydrogène est stocké en phase gazeuse à une pression surcritique ou en phase liquide à des températures cryogéni- ques. Cependant, même lorsqu'on utilise ces expédients, la densité de l'hydrogène contenu est encore inférieure à la densité souhaitable et son pouvoir calorifique, mesuré en kcal/m3 (plutôt qu' en koal/kg) ne s'approche pas de celui de la plupart des combustibles hydrocar- bonds connus.
Comme le volume ou l'espace total occupé par un cir- cuit de combustible donné, ainsi que le poids du combustible y conte- nu, peuvent être d'une importance critique dans la construction du
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groupe propulseur et du véhicule, l'inconvénient inhérent à la den- site relativement faible de l'hydrogène peut proscrire son utilisa- tion dans bon nombre d'applications dans lesquelles son pouvoir ca- lorifique et sa chaleur spécifique élevée seraient autrement très souhaitables.
Ainsi, suivant une particularité de la présente invention, un réservoir à combustible comprend un récipient isolé comportant une sortie et contenant de l'hydrogène en phase solide, D'une fa- çon spécifique, le réservoir de combustible peut comprendre une en- veloppe isolée à double paroi contenant de l'hydrogène solide, l'en-! veloppe comportant une sortie et étant pourvue entre ses parois de moyens pour introduire de la chaleur dans l'enveloppe ou l'éva- cuer de celle-ci.
Un serpentin de chauffage électrique peut être placé entre les parois (par exemple autour de la paroi Intérieure) et comporte une borne de connexion placée à l'extérieur de la paroi extérieure.
De plus, un passage pour l'agent de transfert de la chaleur fluide peut être placé entre les parois. Le passage peut comprendre une conduite enroulée autour de la paroi intérieure de l'enveloppe.
L'invention procure également un procédé pour remplir d'hydrogène en phase solide un réservoir à combustible suivant le- quel on évacue l'enveloppe du réservoir, on la refroidit en faisant passer un agent de refroidissement dans un passage tout proche du réservoir et on introduit de l'hydrogène gazeux ou liquide dans le réservoir par une conduite d'entrée.
De plus, suivant une autre particularité de l'invention, un groupe propulseur comprend un moteur brûlant de l'hydrogène, un réservoir à combustible pour de l'hydrogène en phase solide, un dispositif pour convertir l'hydrogène de la phase solide à la phase liquide ou gazeuse et un dispositif pour transférer l'hydrogène con- verti au moteur.
Un réservoir à combustible du type spécifié peut être
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incorporé dans le groupe propulseur et dans ce cas la sortie du ré- servoir est raccordée à l'entrée d'un échangeur de chaleur (appelé ci-après le premier échangeur de chaleur) et la sortie du premier échangeur de chaleur est raccordée à une première extrémité du pas- sage, une seconde extrémité du passage communiquant directement ou indirectement avec le acteur.
On ou plusieurs autres échangeurs de chaleur peuvent être prévus entre la seconde extrémité du passage et le moteur pour ré. chauffer davantage l'hydrogène, et l'hydrogène provenant du réser- voir peut être envoyé dans le premier échangeur de chaleur pendant son passage de la seconde extrémité du passage au moteur pour ser- vir d'agent de chauffage dans le premier échangeur de chaleur.
Le réservoir peut être chargé d'hydrogène en raccordant sa sortie à une source d'hydrogène appropriée en phase liquide ou gazeuse, et cet hydrogène peut être congelé en phase solide sur pla- ce en raccordant le passage pour l'agent de transfert de la chaleur à un appareil réfrigérateur approprié tel qu'un cryostat à hélium.
Comme l'hydrogène subit une augmentation de densité d'environ 25% pendant son passage de la phase liquide à 20*K à la phase solide à 14 K, la conduite par laquelle l'hydrogène est introduit dans l'en- veloppe intérieure du réservoir est de préférence placée près de la partie supérieure de celle-ci, de manière à permettre à la partie inférieure de l'enveloppe de se remplir progressivement d'hydrogène solide; ainsi, en plaçant et en construisant judicieusement cette con- duite, il est possible d'obtenir un remplissage en substance complet de l'enveloppe de manière à tirer profit au maximum de la densité accrue et simultanément de la capacité de stockage accrue offerte par la réduction de l'hydrogène en phase solide.
Lorsque les pro- cossus de remplissage et de congélation désirés sont achevés, on peut détacher les conduites de chargement et de réfrigération et transférer le réservoir à bord du véhicule dans lequel l'hydrogène combustible doit être utilisé, les raccords rapidement détachables
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prévue sur la sortie du réservoir et sur le passage pour l'agent de transfert de la chaleur étant raccordés à des raccords corres- pondants bord du véhicule.
Lorsque le réservoir est installé à bord d'un véhicule, on raccorde sa sortie pour alimenter le groupe propulseur du véhicule d'hydrogène gazeux, le passage étant raccordé à un dispositif échan- geur de chaleur* approprié à bord du véhicule, de sorte que la cha- leur ambiante peut être transférée à l'enveloppe intérieure du réser- voir à une allure suffisante pour faire passer l'hydrogène y contenu de la phase solide à la phase liquide ou gazeuse suivant les besoins en combustible du groupe propulseur.
Comme l'hydrogène congelé forme un évacuateur de chaleur de capacité relativement grande, et comme le fonctionnement de véhi- oules à grande vitesse impose des exigences nombreuses et sévères pour dissiper les charges thermiques indésirables, la présente inven- tion envisage d'utiliser avantageusement l'hydrogène comme agent de refroidissement ou de transfert de la chaleur ainsi que comme combus- tible.
Sous ce rapport, il est à remarquer qu'en stockant ou en em- magasinant l'hydrogène en phase solide, on augmente matériellement sa capacité de refroidissement non seulement par la masse supen- taire d'hydrogène rendue disponible par la densité accrue de cette phase, mais également par la chaleur de fusion notable qui devient disponible pour le refroidissement lorsque l'hydrogène est reconver-- ti de la phase solide à la phase liquide et, en outre, par la cha- leur de vaporisation qui est dégagée par le passage ultérieur de la phase liquide à la phase gazeuse.
L'invention peut être mise en pratique de différentes façons, une forme d'exécution spécifique en sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la fig. 1 est une vue en plan schématique, en partie arra- chée, d'un appareil d'aviation comportant un réservoir à combusti- ble suivant l'invention; la fig. 2 est une coupe longitudinale du réservoir à combus- tible représenté sur la fie. 1;
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la fin. 3 est un schéma synoptique illustrant un procédé pour charger un réservoir à combustible suivant l'invention; et, la fig. 4 est un schéma synoptique illustrant un procédé pour décharger le combustible du réservoir dans un groupe propulseur de véhicule.
La fig. 1 représente un appareil d'aviation hypersonique
10 en forme de tête de flèche en plan, la partie médiane ou le fuse- lage de l'appareil étant pourvu d'un réservoir à combustible 11 ser- vant à alimenter d'hydrogène combustible un moteur de propulsion thermique (nonreprésenté) qui peut, par exemple, être une tuyère séro thermodynamique hypersonique du type décrit dans le brevet belge n 608.871. Le réservoir à combustible 11 comprend une enveloppe inté- rieur* 12 et une enveloppe extérieure à double paroi 13 espacée de 14 première pour délimiter une chambre intermédiaire 14,
les enveloppes 12 et 13 étant de construction étanche au fluide pour empêcher toute fuite d'hydrogène et pour permettre d'évacuer la chambre Intermédiaire 14 afin d'empêcher tout transfert de chaleur par con- vection t par conduction. De plus, la surface extérieure de l'en- veloppe 12 et la surface intérieure de l'enveloppe 13 présentent de préférence un fini spéculaire ou autrement fortement réflecteur, qui s'oppose à un transfert de chaleur par rayonnement dans la chambre 14.
Le transfert de la chaleur ambiante à l'enveloppe inté- rieurs 12 est également empêché par la construction à double paroi de l'enveloppe extérieure 13 dont la paroi intérieure 26 et la paroi extérieure 27 sont séparées par un Intervalle isolant qui peut être évacué ou bourré de matière isolante telle que de la perlite évacuée.
Une forme d'isolation particulièrement avantageuse pour cette appli- cation comprend des couches alternées et bien serrées de feuilles métalliques spéculaires et de fibres de verre feutrées.
Une conduite d'alimentation 16 est placée longitudinalement près de la partie supérieure de l' enveloppe intérieure et se termi- ne en un raccord rapidement détachable 17 placé à l'extérieur de
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l'enveloppe extérieure 13* La partie de la conduite située à l'in- térieur de l'enveloppe est percée de plusieurs petits trous axiale- cent espacés 18 permettant au fluide de pénétrer dans l'enveloppe.
On passage échangeur de chaleur 20 est enroulé pour former une hélice qui épouse le profil extérieur de l'enveloppe intérieure et qui est en relation de transfert de la chaleur avec cette enveloppe. Les extrémités du serpentin sont pourvues de rac- cords se détachant rapidement 21 et 22 placés à l'extérieur de l'en- veloppe extérieure 13 et grâce auxquels le passage 20 peut être raccordé en circuit avec un appareil de transfert de chaleur approprié pour faire circuler un agent échangeur de chaleur fluide, comme décrit ci-après.
Afin d'assister la fonction de chauffage du passage échangeur de chaleur 20 etde surmonter des délais inévita- bles dans la réponse d'autres parties d'un circuit de transfert de ohnleur associé, un élément chauffant électrique 23 est également enroulé autour de l'enveloppe 12 en relation d'échange de chaleur aveo celle-ci entre les spires du passage 20. L'élément chauffant est également pourvu d'une borne rapidement détachable 24 placée à l'extérieur de l'enveloppe 13 et destinée à être connectée à une alimentation de courant appropriée située à bord du véhicule dans lequel le réservoir à combustible 11 doit être utilisé.
La façon dont un réservoir à combustible suivant l'in- vention est chargé d'hydrogène, refroidi et installé pour être utilisé conjointement avec un groupe propulseur de véhicule est représentée sur les figs. 3 et 4. Sur la fig. 3, un réservoir à com bustible du type décrit est représenté schématiquement comme étant raccordé à une source d'hydrogène extérieure et à un appareil de réfrigération approprié qui peut être, par exemple, un cryostat à hélium.
Comme le montrent les dessins, la conduite d'alimentation d'hydrogène intérieure 16 du réservoir à combustible 11 est raccorde au moyen du raccord rapidement détachable 17 à une conduite extérieur re 30 comportant des branchements 31 et 32 qui communiquent, respec- tivement, avec une pompe à vide 33 via une vanne d'isolement 35
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et avec une source d'hydrogène 34 via une vanne d'isolement 36. On ! cryostat à hélium 40 est raccordé au moyen de conduites extérieures 41 et 42 et des raccords rapidement détachables 21 et 22 au passage échangeur de Chaleur 20 à l'intérieur du réservoir de combustible 11.
Pour charger le réservoir à combustible 11 d'hydrogène en phase solide, on commence par évacuer l'enveloppe intérieure 12 au moyen de la pompe à vide 33, la vanne 35 étant ouverte et la vanne 36 fermée pendant cette partie du cycle. Lorsque tout le gaz atmos- phérique ou d'autres gaz résiduels ont été évacués de l'enveloppe intérieure 12 du réservoir à combustible 11, on ferme la vanne 3S et on prérefrodit l'enveloppe intérieure au moyen du cryostat 40, qui fait circuler de l'hélium à basse température dans le passage échangeur de chaleur intérieur 20 jusqu'à ce qu'une température peu élevée désirée, par exemple 10 K, ait été obtenue.
On ouvre ensuite la vanne 36 de manière à placer l'alimentation d'hydrogène 34 en com- munication avec la conduite d'alimentation intérieure 16, l'hydrogène fluide qui pénètre alors dans l'enveloppe intérieure 12 étant refroi- di par transfert de chaleur avec sa paroi refroidie à l'hélium. Il est clair, évidemment, que quoique la source d'hydrogène 34 ait été représentée, uniquement pour l'illustration, comme comprenant plu- sieurs réservoirs ou bouteilles qui sont couramment utilisés pour stocker des fluides à l'état gazeux, d'autres moyens d'alimentation dans lesquels de l'hydrogène est stocké d'une façon cryogénique sous forme de liquide peuvent évidemment être utilisés.
De plus, les con- duites 30 et 32 peuvent comprendre des échangeurs de chaleur supplé- mentaires grâce auxquels l'hydrogène qui circule dans ces conduites peut être prérefroidi à une température approchant de la limite infé- rieure de la phase liquide, ces moyens connus étant omis dans les dessine pour la clarté.
Comme l'hydrogène pénètre dans l'enveloppe intérieure 12 et est refroidi par échange de chaleur avec la paroi de cette enve- loppe refroidie à l'hélium, il passe progressivement en phase solide
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et l'hydrogène précipité se dépose, par suite de sa densité, dans la. partie inférieure de l'enveloppe où. il se coagule en une masse solide de "glace" d'hydrogène.
Une masse d'hydrogène solide aug- mentant continuellement s'accumule ainsi dans la partie Intérieure de l'enveloppe et, comme de l'hydrogène fluide supplémentaire est introduit dans l'enveloppe, la surface supérieure de la masse gelée monte progressivement jusqu'à atteindre le niveau de la conduite intérieure 16. Lorsque le débit par les ouvertures 18 ménagées dans la paroi de la conduite 16 a été entièrement coupé par la con- densation de l'hydrogène en phase solide tout près de cette conduite, le réservoir à combustible 11 est complètement chargé et est prêt à être transféré à bord du véhicule dans lequel il doit être utilisé.
Il est clair cependant que ce transfert ne doit pas être effectué immédiatement parce que la structure Isolante de l'enveloppe exté- rieure 13 permet de conserver le réservoir à combustible 11 à l'état complètement chargé pendant une période prolongée, la charge réfrigé- rante imposée au cryostat à hélium 40 par cette conservation étant minime.
Une installation du réservoir à combustible chargé desti- nde à être utilisée avec un groupe propulseur de véhicule est repré- sentée schématiouement sur la fige 4 et on supposera, aux fins de la description suivante, que cette installation est incorporée dans un appareil d'aviation hypersonique représenté par exemple sur la fig.l.
La conduite d'alimentation d'hydrogène intérieure 16 est raccordée par le raccord rapidement détachable 17 à une conduite de remise en circulation extérieure 54 qui comprend un échangeur de chaleur 55 grâce auquel de la chaleur peut être transférée à l'hydrogène pas- sant dans l'échangeur de chaleur, cette chaleur étant fournit par une source environnante en substance comme décrit ci-après. La va- peur d'hydrogène chauffée par l'échangeur 55 est amenée via une con- duite 56 et le raccord rapidement détachable 22 au passage d'échange de chaleur intérieur 20 et ainsi, via le raccord rapidement détacha- ble 21, à une conduite extérieure 57.
Dans le passage d'échange
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de chaleur intérieur 20, la chaleur acquise par l'hydrogène dira l'échangeur de chaleur extérieur 55 est transférée au contenu de l'enveloppe intérieure 12, faisant ainsi passer une partie de l'hy- drogène qui y est stocké de la phase solide à la phase gazeuse;
1'hydrogène gâteux résultant est envoyé via la conduite d'alimenta- tion 16 dans la conduite de recirculation 54 pour entretenir le cy- cle décrit. L'hydrogène débité par le passage d'échange de chaleur intérieur 20 dans la conduite intérieure 57 est amené, via une vanne régulatrice de débit 58, à un second échangeur de chaleur extérieur
59 dans lequel la température de l'hydrogène est à nouveau élevée par transfert de chaleur ambiante.
Ainsi, l'échangeur de chaleur
59 peut comprendre un dispositif de refroidissement superficiel pour dissiper la chaleur produite aérodynamiquement dans la région de la surface extérieure d'un appareil d'aviation, un élément d'un dispositif de réglage d'ambiance pour la cabine de l'équipage, un dispositif pour dissiper la chaleur produite par l'équipement électrJ que et de commande ou un autre appareil pour dissiper une charge ther. mique de grandeur appropriée calculable.
L'hydrogène chauffé débité per l'échangeur de chaleur 59 est' son tour amené par une conduite 60 au premier échangeur de cha' leur extérieur 55 dans lequel sa capacité calorifique est transférée à l'hydrogène expulsé de l'enveloppe intérieure 12 via la conduite d'alimentation 16 et la conduite de recirculation 54' L'hydrogène qui est expulsé de l'échangeur de chaleur 55 via la conduite 56 est donc à une température relativement élevée,
ce qui est souhaitable pour vaporiser le contenu du réservoir à combustible 11 et l'hydrogè- ne qui est expulsé de l'échangeur de chaleur 55 par le passage 65 est a une température relativement basse et peut avantageusement être utilisé pour remplir les fonctions de réfrigération ou de réglage d'ambiance désirées. L'hydrogène relativement froid débité par l'é- changeur de chaleur 55 est par conséquent amené vie la conduite 65 à un troisième échangeur de chaleur extérieur 66 dans lequel il est à nouveau chauffé, comme dans l'échangeur de chaleur 59 par un ap-
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port de chaleur ambiante dans une gamme de températures désirée pour être envoyé via une conduite 67 à un moteur thermique de pro- pulsion 70 dans lequel il est brûlé.
Sur la fig. 4, le moteur ther- mique 70 est représenté schématiquement comme comprenant une tuyère aérothermodynamique du type décrit dans le brevet belge précité; cependant, il est clair que l'invention peut également être utilisée avec d'autres types de moteurs thermiques.
Comme le montre la fig. 4, le réservoir à combustible 11 est pourvu d'une valve de décompression appropriée 72 par laquelle la vapeur d'hydrogène superflue peut être évacuée, par exemple via i un évent extérieur approprié (non représenté). De plus, un appareil manométrique approprié 73 donne une indication visible de la pression de l'hydrogène pour renseigner l'équipage de l'appareil et peut être relié à l'appareil de dommande 74 de façon que la position de la valve régulatrice de débit 58 puisse être déterminée par un débit de combustible désiré vers le moteur thermique 70.
Il ressort de cette description du cycle qu'aussi long- temps qu'une source de chaleur ambiante adéquate est disponible pour être transférée à l'hydrogène gazeux dans l'échangeur de cha- leur 59, le cycle décrit plus haut est auto-entretenu et se poursuit jusqu'à, ce qu'il soit volontairement arrêté par la fermeture de la vanne 58 ou jusqu'à ce que la réserve d'hydrogène dans le réservoir 11 soit épuisée. Afin d'amorcer le cycle, il est cependant souhai- table de prévoir une source de chaleur permettant de vaporiser rapi- dement une partie de l'hydrogène solide contenu dans le réservoir à combustible.
Pour cette raison, l'élément chauffant 23 est prévu et est connecté au moyen de la borne à déconnexion rapide 24 et d'un câble 76 à une alimentation de courant électrique 75, de façon à pouvoir être mis en et hors circuit à volonté.
Ainsi, lorsque le véhicule dans lequel le réservoir de combustible est installé a atteint une vitesse à laquelle il est souhaitable d'utiliser le moteur de propulsion thermique 70, on peut mettre l'élément chauffant
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23 en circuit pour amorcer la circulation de l'hydrogène gazeux dans le circuit des échangeurs de chaleur intérieurs et extérieurs et, lorsque cette circulation a atteint un état d'auto-entretien, on peut mettre l'élément chauffant hors circuit.
Il est clair évi- demment que l'élément chauffent 23 peut également être utilisé pour renforcer le passage change de chaleur intérieur 20 lorsque la demande de combustible du moto= thermique 70 dépasse la capacité de vaporisation d'hydrogène du circuit de transfert de chaleur com- prenant le passage 20 et les échangeurs de chaleur extérieurs 55, 59 et 66 et, à cet effet, la source de courant 75 peut être rendue sensible à l'appareil régulateur de débit 74.
Il ressort clairement de la description qui précède que la présente invention procure un procédé et un appareil nouveaux pour stocker de l'hydrogène en phase solide et pour l'utiliser par consé- quent comme combustible et fluide de travail pour un moteur thermi- quede propulsion.
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1 - Réservoir à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient isolé comportant une sortie et contenant de l'hydrogène en phase solide*
2 - Réservoir à combustible, caractérisé en ce qu'il compor- te une enveloppe isolée à double paroi contenant de l'hydrogène solide, l'enveloppe comportant une sortie et étant pourvue entre ses parois de moyens pour introduire de la chaleur dans l'enveloppe ou pour l'évacuer de celle-ci.