FR3011483A1

FR3011483A1 - Dispositif de separation d'air, dispositif d'inertage et aeronef correspondants

Info

Publication number: FR3011483A1
Application number: FR1359768A
Authority: FR
Inventors: Xavier Roussin-Bouchard; Aurelie Caillaud; Pierre Gianese; Elodie Dumont; Jean-Marc Dejonghe
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-04-10
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: WO2015052394A1; FR3011483B1

Abstract

Dispositif de séparation d'air comportant un boîtier (1, 2) abritant un faisceau (3) de fibres formant une membrane, l'axe longitudinal des fibres étant parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2), les deux extrémités longitudinale du faisceau (3) de fibres comprenant chacune une couche (8) de matériau rigide, le dispositif comprenant en outre une chemise (7) cylindrique disposée longitudinalement autour du faisceau (3) de fibres, le dispositif comprenant un système de maintien du faisceau (3) de fibres dans le boîtier (1, 2) comprenant un mécanisme de butée (6) longitudinale formé entre un élément du boîtier (1, 2) et un élément d'une première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres pour assurer un blocage du faisceau (3) de fibres par rapport au boîtier (1, 2) selon une direction parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2), le système de maintien comprenant en outre un organe d'appui (9) mécanique entre d'une part le boîtier (1, 2) et, d'autre part, la chemise (7) et en ce que la seconde extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres est montée libre en translation dans le boîtier (1, 2) selon une direction parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2).

Description

La présente invention concerne un dispositif de séparation d'air ainsi qu'un dispositif d'inertage et un aéronef comprenant un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de séparation d'air comportant un boîtier de forme générale cylindrique abritant un élément de filtration comprenant un faisceau de fibre oblongues creuses formant une membrane, l'axe longitudinal des fibres étant parallèle à l'axe longitudinal du boîtier, le boîtier comprenant, à une première extrémité, un orifice d'entrée d'air et, à une seconde extrémité, un orifice de sortie de gaz purifié, les deux extrémités longitudinale du faisceau de fibres comprenant chacune une couche de matériau rigide, le dispositif comprenant en outre une chemise cylindrique disposée longitudinalement autour du faisceau de fibres entre les deux extrémités longitudinales du faisceau de fibres, le dispositif comprenant un système de maintien du faisceau de fibres dans le boîtier. La filtration 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 comprenant un cylindre métallique, fermé à une extrémité par un fond (soudé, collé ou vissé) et fermé 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. La géométrie des 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 avec l'axe longitudinal du cylindre du boîtier. 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 une coopération avec un système de joint(s) torique(s) pour maintenir l'étanchéité entre les différentes chambres du système. Le document US7717983B2 décrit un organe de maintien axial du faisceau constitué de cônes venant se centrer de chaque côté dans des cylindres creux 10 présents de chaque côté des faces extérieure des membranes. Cependant, ce montage génère une rigidité de l'ensemble du dispositif et provoque des contraintes néfastes dans les membranes lors de certaines phases de fonctionnement du système. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des 15 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 que le système de maintien comprend un mécanisme de butée longitudinale formé entre un élément du boîtier et un élément d'une première extrémité 20 longitudinale du faisceau de fibres pour assurer un blocage du faisceau de fibres par rapport au boîtier selon une direction parallèle à l'axe longitudinal du boîtier, le système de maintien comprenant en outre un organe d'appui mécanique entre d'une part le boîtier et, d'autre part, la chemise et en ce que la seconde extrémité longitudinale du faisceau de fibres est montée libre en translation dans le boîtier 25 selon une direction parallèle à l'axe longitudinal du boîtier. Un tel dispositif permet un assemblage et un maintien efficace du faisceau de fibres. Une telle structure permet d'assembler et de maintenir efficacement un faisceau de fibres tout en limitant les efforts de cisaillement subis par les 30 extrémités du faisceau de fibres. L'arrangement selon l'invention permet de diminuer par rapport à l'art antérieur les contraintes de cisaillement au niveau de la partie composite du faisceau de fibres (partie composite comprenant une extrémité des fibres noyées dans le matériau rigide) et au niveau du matériau rigide faisant saillie au-delà des fibres (matériau rigide seul). 35 Selon d'autres particularités possibles : - le système de maintien est constitué uniquement dudit mécanisme de butée longitudinale et de l'organe d'appui mécanique entre le boîtier et la chemise, la seconde extrémité longitudinale du faisceau de fibres étant guidée en translation de façon étanche dans le boîtier selon une direction parallèle à l'axe longitudinal du boîtier, - le mécanisme de butée longitudinale formé entre le boîtier et une première extrémité longitudinale du faisceau de fibres est situé au niveau de la périphérie du faisceau de fibres, - le mécanisme de butée longitudinale est formé entre la couche de matériau rigide et une paroi du boîtier, - le mécanisme de butée longitudinale comprend un insert solidaire de la périphérie d'une première extrémité longitudinale du faisceau de fibres et au moins un épaulement) formé par le boîtier ou un élément structurellement lié au boîtier, l'insert étant bloqué longitudinalement par le au moins un épaulement, - l'organe d'appui mécanique entre le boîtier et la chemise comprend une première extrémité fixée rigidement au boîtier, ou, respectivement, fixée rigidement à la chemise, et une seconde extrémité en appui ou fixée contre la chemise, respectivement contre le boîtier, - l'organe d'appui mécanique entre le boîtier et la chemise comprend au moins un profilé comprenant une première partie qui s'étend contre au moins une partie de la circonférence de la chemise et une partie en contact avec le boîtier, - l'organe d'appui est fixé au boîtier, respectivement à la chemise, par l'un au moins parmi : un vissage, un collage, un soudage, un rivetage, un encliquetage, - l'organe d'appui comprend une portion repliée de la chemise, c'est-à-dire qu'une portion de la chemise est reliée mécaniquement directement au boîtier, - le mécanisme de butée longitudinale est formée entre d'une part une partie de la couche de matériau rigide faisant saillie au-delà des fibres de la membrane et, d'autre part, une paroi du boîtier ou un élément fixe par rapport au boîtier, - l'organe d'appui mécanique entre le boîtier et la chemise transmet des efforts entre le boîtier et la chemise selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de du boîtier, - l'insert a la forme d'un anneau solidaire d'une extrémité de la chemise, - le mécanisme de butée longitudinale comprend une saillie formée sur le boîtier ou, respectivement, sur la couche de matériau rigide du faisceau de fibres, et un logement recevant la saille, ledit logement étant formé dans la couche de matériau rigide, respectivement dans le boîtier, - le mécanisme de butée longitudinale comprend un emmanchement ou serrage de la première extrémité longitudinale du faisceau dans le boîtier.

L'invention concerne également un dispositif d'inertage pour réservoir d'aéronef comprenant un dispositif de séparation conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous lequel le faisceau de fibres est du type à adsorption sélective de l'oxygène.

L'invention concerne également un aéronef comprenant un tel dispositif d'inertage. 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 longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation possible de l'invention, - la figure 2 illustre une vue agrandie d'un détail de la figure 1, - la figure 3 illustre une vue similaire à celle de la figure 2 selon un autre mode de réalisation possible, - la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale d'un détail d'un dispositif de séparation selon un autre mode de réalisation possible de l'invention, - la figure 5 illustre de façon schématique et partielle l'utilisation possible d'un tel dispositif pour inerter un réservoir d'aéronef. Le dispositif de séparation d'air représenté à la figure 1 comprend un boîtier 1, 2 de forme générale cylindrique abritant un élément de filtration comprenant un 20 faisceau 3 de fibres oblongues creuses. Par exemple, ces membranes sont celles commercialisées par la société « MEDAL ». Les deux extrémités longitudinales du faisceau 3 de fibres comprennent chacune une couche 8 de matériau rigide, par exemple une résine thermodurcissable, notamment une résine de type époxy. C'est-à-dire que les 25 deux extrémités longitudinales des membranes fibreuses sont noyées dans un matériau rigide 8. De plus, ce matériau rigide peut s'étendre sur la périphérie du faisceau 3 au-delà des fibres, pour former une couche 88 de matériau rigide « pur » destinée à coopérer mécaniquement et en étanchéité avec le boîtier 1, 2 via des joints 12, 13 appropriés. Comme illustré aux figures 2 et 4 notamment, des 30 joints 12, 13 toriques peuvent être disposés dans des gorges usinées dans la périphérie de la couche 88 de matériau rigide. Le dispositif comprend en outre dans le boîtier 1, 2 une chemise 7 cylindrique (par exemple métallique) disposée autour du faisceau 3 de fibres. La chemise 7 peut être maintenue par serrage entre les couches 88 de matériau 35 rigide des deux extrémités longitudinales du faisceau 3 de fibres. La chemise comporte un orifice 13 qui coïncide avec un orifice latéral du boîtier 1, 2 pour former une sortie 14 (cf. figure 4) de gaz filtré (l'oxygène de l'air ayant migré radialement au travers des fibres creuses).

Comme illustré à la figure 1, le boîtier 1, 2 peut être formé par deux extrémités 1, 2 assemblées l'une à l'autre et formant respectivement un fond et un couvercle du boîtier cylindrique. L'une ou les deux extrémités 1, 2 peuvent délimiter également la partie centrale cylindrique du boîtier.

Le dispositif comprend un système de maintien du faisceau 3 de fibres dans le boîtier 1, 2. Le système de maintien est composé : - d'un mécanisme de butée 9 mécanique longitudinale formée entre le boîtier 1, 2 et une première extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres pour assurer un blocage du faisceau 3 de fibres par rapport au boîtier 1, 2 selon une direction parallèle à l'axe longitudinal A du boîtier 1,2, et - un organe d'appui 9 mécanique entre d'une part le boîtier 1, 2 et, d'autre part, la chemise 7.

Le mécanisme 9 de butée est schématisé par un pion en pointillés aux figures 1 et 2. Ce mécanisme de butée 6 longitudinale est formé de préférence entre la couche 8, 88 de matériau rigide et une paroi du boîtier 1, 2. De préférence le mécanisme de butée 6 longitudinale est formée entre d'une part une partie de la couche 88 de matériau rigide pur faisant saillie au-delà du faisceau 3 de fibres et, d'autre part, une paroi du boîtier. De plus, la seconde extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres est montée libre en translation dans le boîtier 1, 2 selon une direction parallèle à l'axe longitudinal A du boîtier 1, 2. Tout comme la première extrémité longitudinale, la seconde extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres est en contact étanche avec l'intérieur du boîtier 1, 2, par exemple via au moins un joint 12 torique. Cette architecture présente de nombreux avantages par rapport aux systèmes connus. En effet, selon cette configuration, le faisceau 3 cylindrique de fibres est parfaitement maintenu et immobilisé dans le boîtier 1, 2 tout en permettant à ce faisceau 3 de fibres de se dilater ou de se rétracter selon les températures et accélérations au sein du dispositif (selon la direction longitudinale A). Selon cette configuration, aucune ou une seule des deux faces des extrémités longitudinales du faisceau 3 de fibres peut être mise en contact avec une extrémité du boîtier 1, 2 (fond ou couvercle).

Les efforts de pression sont donc intégralement et directement repris par la chemise 7, l'organe 9 d'appui et le boîtier 1, 2.

Contrairement à certaines solutions de l'art antérieur, cette solution permet aussi de ne pas affecter la surface d'échange des gaz (surface circulaire du faisceau 3 de fibres perpendiculaire à l'axe longitudinal). Le mécanisme 9 de butée longitudinale peut comprendre une saillie formée sur le boîtier ou respectivement sur la couche 8, 88 de matériau rigide du faisceau de fibres, et un logement recevant la saille, ledit logement étant formé dans la couche 8, 88 de matériau rigide, respectivement dans le boîtier 1, 2. Bien entendu, ce mode de réalisation n'est nullement limitatif. Ainsi, le mécanisme de butée 6 longitudinale peut comprendre un emmanchement ou serrage de la première extrémité longitudinale du faisceau 3 dans le boîtier 1, 2. Ceci peut être obtenu par un choix approprié des dimensions relatives de l'extrémité du faisceau de fibres par rapport aux dimensions du boîtier qui reçoit cette extrémité. De plus, dans l'exemple illustré aux figures le mécanisme de butée 6 longitudinale est situé au niveau de l'extrémité du faisceau 3 de fibres situé du côté de l'orifice 4 d'entrée d'air et l'extrémité du faisceau 3 libre de coulisser longitudinalement est située du côté de la sortie 5 de gaz enrichi. Bien entendu, l'inverse peut être prévu. Comme visible aux figures 1 et 2, l'organe d'appui 9 mécanique entre le boîtier 1, 2 et la chemise 7 comprend une première extrémité fixée rigidement au boîtier 1, 2, et une seconde en appui contre la circonférence de la chemise 7. Par exemple, l'organe d'appui 9 comprend un profilé ayant une section de forme générale coudée dont une portion peut être serrée contre le boîtier 1, 2 via une pièce 19 de serrage vissée 29 sur le boîtier 1, 2. Une autre portion de l'organe d'appui s'étend contre au moins une partie de la circonférence de la chemise 7.

De préférence, l'organe 9 d'appui est situé au plus proche de l'application de la pression. Bien entendu, ce mode de réalisation n'est nullement limitatif. Ainsi, l'organe d'appui 9 peut être fixé sur le boîtier 1, 2 et/ou sur la chemise 7 par soudage et/ou rivetage et/ou collage ou tout autre moyen approprié.

De même, et comme illustré à titre d'exemple à la figure 3, l'organe 9 d'appui peut être constitué d'une portion 17 repliée de la chemise 7 elle-même. Enfin, l'organe 9 de maintien représenté aux figures 1 à 3 est situé à proximité de l'entrée 4 d'air (et relié à la partie 2 du boîtier formant couvercle). Bien entendu, en variante celui-ci pourrait être disposé de l'autre côté (par exemple relié à la partie 1 du boîtier formant le fond). La figure 4 illustre encore une autre variante de réalisation. Comme illustré, le mécanisme de butée 6 longitudinale peut comprendre un insert 16 solidaire de la périphérie d'une première extrémité longitudinale du faisceau 3 de fibres et un ou des épaulements 26, 36 formés par le boîtier 2 ou un élément 19 structurellement lié au boîtier. L'insert 16 est bloqué longitudinalement par le ou les épaulements 26, 36. L'insert 16 a par exemple la forme d'un anneau solidaire d'une extrémité circulaire de la chemise 7 cylindrique. Le blocage longitudinal de l'insert 16 en direction de la seconde extrémité (vers l'orifice 5 de sortie) est par exemple réalisé par la pièce 19 de serrage. Le blocage longitudinal de la première extrémité du faisceau 3 de fibres vers l'extrémité adjacente du boîtier (vers la gauche sur la figure 4) peut être réalisé par la forme du boîtier lui-même (couvercle 2). C'est-à-dire que l'extrémité terminale de la couche 8, 88 de matériau rigide est bloquée par le boîtier 2. Alternativement ou cumulativement, l'insert 16 est bloqué contre une butée formée par le boîtier 2. L'architecture ne nécessite qu'un nombre réduit de pièces constitutives.

Comme illustré à la figure 5, le dispositif 11 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. L'utilisation d'un tel système permet de ne pas avoir de diminution ou d'augmentation de volume des différents compartiments de gaz du dispositif lors des accélérations ou de décélérations de l'aéronef. On conçoit donc aisément que, tout en étant de structure simple et peu coûteuse, l'invention offre de nombreux avantages, notamment : une facilité de montage, aucun effort nuisible important n'est exercé sur les faces d'extrémité du faisceau 3 de fibres, une structure de grande fiabilité et de tenue dans le temps, le faisceau 3 de fibres peut se dilater ou se contracter librement tout en étant parfaitement maintenu dans le boîtier. Un tel dispositif permet notamment un usinage symétrique des parties rigides constitutives et donc un montage indifférencié dans un sens où dans l'autre selon l'axe longitudinal.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de séparation d'air comportant un boîtier (1,
2) de forme générale cylindrique abritant un élément de filtration comprenant un faisceau (3) de fibre oblongues creuses formant une membrane, l'axe longitudinal des fibres étant parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2), le boîtier (1, 2) comprenant, à une première extrémité, un orifice (4) d'entrée d'air et, à une seconde extrémité, un orifice (5) de sortie de gaz purifié, les deux extrémités longitudinale du faisceau (3) de fibres comprenant chacune une couche (8) de matériau rigide, le dispositif comprenant en outre une chemise (7) cylindrique disposée longitudinalement autour du faisceau (3) de fibres entre les deux extrémités longitudinales du faisceau (3) de fibres, le dispositif comprenant un système de maintien du faisceau (3) de fibres dans le boîtier (1, 2), caractérisé en ce que le système de maintien comprend un mécanisme de butée (6) longitudinale formé entre un élément du boîtier (1, 2) et un élément d'une première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres pour assurer un blocage du faisceau (3) de fibres par rapport au boîtier (1, 2) selon une direction parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2), le système de maintien comprenant en outre un organe d'appui (9) mécanique entre d'une part le boîtier (1, 2) et, d'autre part, la chemise (7) et en ce que la seconde extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres est montée libre en translation dans le boîtier (1, 2) selon une direction parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de maintien est constitué uniquement dudit mécanisme de butée (6) longitudinale et de l'organe (9) d'appui (9) mécanique entre le boîtier (1, 2) et la chemise (7), la seconde extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres étant guidée en translation de façon étanche dans le boîtier (1, 2) selon une direction parallèle à l'axe longitudinal (A) du boîtier (1, 2).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le mécanisme de butée (6) longitudinale formé entre le boîtier (1, 2) et une première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres est situé au niveau de la périphérie du faisceau (3) de fibres.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mécanisme de butée (6) longitudinale est formé entre la couche (8, 88) de matériau rigide et une paroi du boîtier (1, 2).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mécanisme de butée (6) longitudinale comprend uninsert (16) solidaire de la périphérie d'une première extrémité longitudinale du faisceau (3) de fibres et au moins un épaulement (26, 36) formé par le boîtier (2) ou un élément (19) structurellement lié au boîtier, l'insert (16) étant bloqué longitudinalement par le au moins un épaulement (26, 36).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe d'appui (9) mécanique entre le boîtier (1, 2) et la chemise (7) comprend une première extrémité fixée rigidement au boîtier (1, 2), ou, respectivement, fixée rigidement à la chemise (7), et une seconde extrémité en appui ou fixée contre la chemise (7), respectivement contre le boîtier (1, 2).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe d'appui (9) mécanique entre le boîtier (1, 2) et la chemise (7) comprend au moins un profilé comprenant une première partie qui s'étend contre au moins une partie de la circonférence de la chemise (7) et une partie en contact avec le boîtier (1, 2).
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'organe d'appui (9) est fixé au boîtier (1, 2), respectivement à la chemise (7), par l'un au moins parmi : un vissage, un collage, un soudage, un rivetage, un encliquetage.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'organe d'appui (9) comprend une portion repliée de la chemise (7), c'est-à-dire qu'une portion de la chemise (7) est reliée mécaniquement directement au boîtier (1, 2).
10. Dispositif d'inertage pour réservoir (10) d'aéronef comprenant un dispositif (11) de séparation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel le faisceau (3) de fibres est du type à adsorption sélective de l'oxygène.
11. Aéronef comprenant un dispositif d'inertage selon la revendication 10.