WO2004087568A1 - Systeme de fourniture d'oxygene a des occupants d'un aeronef et procede de mise en oeuvre d'un tel systeme - Google Patents

Systeme de fourniture d'oxygene a des occupants d'un aeronef et procede de mise en oeuvre d'un tel systeme Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to systems for supplying oxygen to occupants of an aircraft, of the type comprising a device PS A for separation of air by pressure variation adsorption having an inlet connected to a line for supplying compressed air. and an outlet connected to an oxygen-rich gas mixture distribution line.
  • OBOGS Systems of this type, generally designated by the acronym OBOGS, have been used for several decades in military aircraft and are beginning to find a place in large civil aircraft for the supply of oxygen not only to the crew but also passengers.
  • the pressure of the supply air at the inlet of the PSA device can vary in a ratio of up to 2.
  • This approach has the disadvantage of only stabilizing the pressure upstream of the device while the operating principle of PSA devices intrinsically causes variations in outlet pressure even with a stable inlet pressure, this variable outlet pressure causing variations in outlet flow and therefore variations in enrichment in oxygen content delivered to the occupants.
  • the object of the present invention is to provide an improved system which, in a simple, reliable and low-cost arrangement, guarantees constant pressure and flow to users, even in the case of large variations in the air pressure d 'food.
  • the distribution line includes a pressure regulator making it possible to regulate the outlet pressure independently of variations in the inlet air pressure.
  • the pressure regulator is constituted by a motorized regulating valve forming a three-way valve having an outlet communicating with the atmosphere surrounding and advantageously comprising a position where it forms an isolation valve.
  • the PSA device contains at least one pair of adsorbers containing at least one LiX zeolite, advantageously a LiLSX zeolite.
  • the present invention also relates to a method of implementing such a system, in which the outlet pressure is regulated to a determined value P s for an inlet pressure P e varying between 1.1 and 1.7 P s .
  • FIG. 1 is a schematic view of an oxygen supply system to occupants of an aircraft according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a motorized valve regulator used in the system of Figure 1.
  • a PSA 1 device for separating gas from the air comprising at least two pairs of adsorbers containing at least one adsorbent for separating the oxygen from the constituents of the ambient air.
  • the PSA device 1 is supplied with compressed air by an air supply line 2 and supplies a mixture highly enriched in oxygen in a distribution line 3, the gaseous mixture depleted in oxygen being evacuated towards the outside or used for the inerting of tanks through an evacuation line 4.
  • the supply line 2 is supplied with compressed air coming from exits 5 from the compressor stages of turbomachines of the aircraft and the distribution line 3 routes the oxygen produced to crew masks 6 and passenger masks 7.
  • Bottles of pressurized gaseous oxygen reserves 8 are provided, under the control of a regulator / regulator device opening downstream in the distribution line 3, to complete or supplement the oxygen supply to the masks 6 and 7.
  • the compressed air supply line 2 first passes through a heat exchanger 10 through which a cooling fluid 11, typically ambient cold air, then passes, via isolation valves 12, a water and steam separator 13.
  • a pressure regulating device 14 in the distribution line 3, there is interposed, at the outlet of the PSA device 1, a pressure regulating device 14, making it possible to regulate the outlet pressure to a given value, typically slightly lower than the pressure minimum normally available in the air supply line 2.
  • This pressure regulator 14 is connected, as well as the isolation valves 12 and the regulator / regulator device 9, to an electronic control unit 15 receiving signals 16 representative flight conditions of the aircraft, signals from pressure sensors 17 and 18 in supply lines 2 and distribution lines 3, respectively, of at least one temperature sensor 19 in the supply line and of a detector of oxygen content 20 in the supply line 3, downstream of the pressure regulating device 14.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the pressure regulating device 14 articulated around a motorized valve such as that described in document EP-A-0 499 505 (ZapataArnaud), in the name of the applicant.
  • This valve essentially comprises a drawer 21, the position of which is determined by an electric motor 22 for positioning the inner end of the drawer 21 provided with progressive cutouts 23 relative to an outlet passage 24 and thus modulating a leakage rate 25 towards the surrounding atmosphere for regulating the flow rate and the pressure in the outlet passage 26 connected to the masks 6 and 7.
  • the motor 22 is controlled by electronics 27 receiving signals 28 representative of the actual upstream pressure in the regulator 14 and signals 29 images of a display pressure corresponding to the flight conditions of the aircraft.
  • the slide 21 further comprises an end head 30 coming, in the extreme stroke position, completely freeing the leak outlet orifice 24, obscuring a valve seat 31 interposed in the line 3 distribution and thus ensuring an isolation function thereof
  • the quantity of adsorbent in the PSA 1 device is dimensioned for the minimum supply pressure, typically 2.5 bars relative and can be optimized for this pressure threshold to provide a mixture with a substantially constant oxygen content greater than 80%, which can exceed 90%.
  • the pressure regulating device 14 maintains in line 3, a substantially constant pressure of approximately 2.20 bars.

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Abstract

Le système de fourniture d'oxygène à des occupants (6, 7) d'un aéronef comprend un dispositif PSA (1) ayant une entrée recevant l'air comprimé provenant des moteurs (5), la ligne de distribution d'oxygène (3) comprenant un régulateur de pression (14), avantageusement du type à vannes trois voies motorisée, permettant de réguler la pression de sortie dans la ligne de distribution (3) indépendamment des variations de pression dans la ligne de fourniture (2). Application notamment aux aéronefs civils gros porteurs.

Description

Système de fourniture d'oxygène à des occupants d'un aéronef et procédé de mise en oeuyre d'un tel système
La présente invention concerne les systèmes de fourniture d'oxygène à des occupants d'un aéronef, du type comprenant un dispositif PS A de séparation d'air par adsorption à variation de pression ayant une entrée reliée à une ligne de fourniture d'air comprimé et une sortie reliée à une ligne de distribution de mélange gazeux riche en oxygène.
Les systèmes de ce type, généralement désignés par l'acronyme anglo-saxon OBOGS, sont utilisés depuis plusieurs décennies dans les avions militaires et commencent à trouver une place dans les avions civils gros porteurs pour l'alimentation en oxygène non seulement de l'équipage mais aussi des passagers.
Dans ces avions civils, la pression de l'air d'alimentation en entrée du dispositif PSA peut varier dans un rapport allant jusqu'à 2. Pour tenir compte de ces conditions, il a été proposé d'aménager dans la ligne de fourniture d'air comprimé d'un organe limiteur de pression afin d'écrêter la pression d'entrée à une pression minimale de fonctionnement déterminée. Cette approche présente l'inconvénient de ne stabiliser la pression qu'en amont du dispositif alors que le principe de fonctionnement des dispositifs PSA cause intrinsèquement des variations de pression en sortie même avec une pression d'entrée stable, cette pression variable de sortie provoquant des variations de débit de sortie et donc des variations d'enrichissement en teneur en oxygène délivré aux occupants.
La présente invention a pour objet de proposer un système amélioré permettant, dans un agencement simple, fiable et de faibles coûts, de garantir une pression et un débit constants aux utilisateurs, même dans le cas de fortes variations de la pression de l'air d'alimentation.
Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, la ligne de distribution comporte un régulateur de pression permettant de réguler la pression de sortie indépendamment des variations de la pression d'air d'entrée. Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention :
Le régulateur de pression est constitué par une valve de régulation motorisée formant une vanne trois voies ayant une sortie communiquant avec l'atmosphère environnante et comportant avantageusement une position où elle forme vanne d'isolement.
Le dispositif PSA contient au moins une paire d'adsorbeurs contenant au moins une zéolite LiX, avantageusement une zéolite LiLSX. La présente invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre d'un tel système, dans lequel la pression de sortie est régulée à une valeur déterminée Ps pour une pression d'entrée Pe variant entre 1,1 et 1,7 Ps.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un système de fourniture d'oxygène à des occupants d'un aéronef selon l'invention ; et
- la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un régulateur à vanne motorisée utilisé dans le système de la figure 1. Sur la figure 1, on reconnaît les principaux circuits de gaz associés à un système de fourniture d'oxygène à des occupants d'un aéronef, comprenant un dispositif PSA 1 de séparation de gaz de l'air comportant au moins deux paires d'adsorbeurs contenant au moins un adsorbant pour séparer l'oxygène des constituants de l'air ambiant.
Le dispositif PSA 1 est alimenté en air comprimé par une ligne de fourniture d'air 2 et fournit un mélange fortement enrichi en oxygène dans une ligne de distribution 3, le mélange gazeux appauvri en oxygène étant évacué vers l'extérieur ou exploité pour Pinertage de réservoirs par une ligne d'évacuation 4.
De façon classique, la ligne de fourniture 2 est alimentée en air comprimé en provenance de sorties 5 d'étages de compresseurs de turbomachines de l'aéronef et la ligne de distribution 3 achemine l'oxygène produit vers des masques d'équipage 6 et des masques de passagers 7. Des bouteilles de réserves d'oxygène gazeux sous pression 8 sont prévues, sous contrôle d'un dispositif régulateur/détendeur 9 débouchant en aval dans la ligne de distribution 3, pour compléter ou suppléer l'alimentation en oxygène des masques 6 et 7. Côté amont, la ligne de fourniture d'air comprimé 2 traverse tout d'abord un échangeur de chaleur 10 où circule un fluide de refroidissement 11, typiquement de l'air froid ambiant, puis, via des vannes d'isolement 12, un séparateur d'eau et de vapeur 13. Selon un aspect de l'invention, dans la ligne de distribution 3, est interposé, en sortie du dispositif PSA 1, un dispositif régulateur de pression 14, permettant de réguler la pression de sortie à une valeur donnée, typiquement légèrement inférieure à la pression minimum normalement disponible dans la ligne de fourniture d'air 2. Ce régulateur de pression 14 est relié, de même que les vannes d'isolement 12 et le dispositif régulateur/détendeur 9, à une unité de contrôle électronique 15 recevant des signaux 16 représentatifs de conditions de vol de l'aéronef, de signaux de capteurs de pression 17 et 18 dans les lignes de fourniture 2 et de distribution 3, respectivement, d'au moins un capteur de température 19 dans la ligne de fourniture et d'un détecteur de teneur en oxygène 20 dans la ligne de fourniture 3, en aval du dispositif régulateur de pression 14.
On a représenté sur la figure 2 un mode de réalisation du dispositif régulateur de pression 14 articulé autour d'une vanne motorisée telle que celle décrite dans le document EP-A-0 499 505 (ZapataArnaud), au nom de la demanderesse.
Cette vanne comprend essentiellement un tiroir 21 dont la position est déterminée par un moteur électrique 22 pour positionner l'extrémité intérieure du tiroir 21 munie de découpes progressives 23 par rapport à un passage de sortie 24 et moduler ainsi un débit de fuite 25 vers l'atmosphère environnante permettant de réguler le débit et la pression dans le passage de sortie 26 relié aux masques 6 et 7. Le moteur 22 est commandé par une électronique 27 recevant des signaux 28 représentatifs de la pression amont réelle dans le régulateur 14 et des signaux 29 images d'une pression d'affichage correspondant à des conditions de vol de l'aéronef.
Avantageusement, comme représenté sur la figure 2, le tiroir 21 comporte en outre une tête d'extrémité 30 venant, en position extrême de course, libérant complètement l'orifice de sortie de fuite 24, occulter un siège de clapet 31 interposé dans la ligne 3 de distribution et assurant ainsi une fonction d'isolement de celle-ci
Avec la vanne motorisée 14 il est ainsi possible d'adresser aisément à cette dernière une consigne de régulation de pression de sortie dépendant de divers paramètres de vol, tels que l'altitude de rétablissement de l'avion, le nombre de passagers de l'aéronef etc.. Le système qui vient d'être décrit permet non seulement de réguler efficacement la pression de sortie adressée aux usagers mais aussi de supprimer tout réducteur de pression dans la ligne de fourniture 2 et donc de permettre au dispositif PSA 1 de fonctionner dans des conditions améliorées par rapport aux conditions de calcul correspondant à la pression minimale en entrée du système PSA.
Ainsi, la quantité d'adsorbant, dans le dispositif PSA 1, avantageusement une zéolite de type LilSX telle que décrite dans la le document EP-A-1358911, est dimensionnée pour la pression d'alimentation minimum, typiquement 2,5 bars relatifs et peut être optimisée pour ce seuil de pression pour fournir un mélange à teneur en oxygène sensiblement constante supérieur à 80%, pouvant dépasser 90%.
Lorsque la pression d'alimentation augmente, pour atteindre le cas échéant une valeur d'environ 3,8 bars relatifs, la performance du dispositif PSA en terme de teneur en oxygène produit sera améliorée alors qu'avec un réducteur de pression écrêtant la pression d'entrée le dispositif PSA ne fonctionne au mieux que dans les conditions de calcul de base.
Pour des variations de pression d'alimentation entre 2,5 et 3,8 bars relatifs, environ, le dispositif régulateur de pression 14 maintient dans la ligne 3, une pression sensiblement constante de 2,20 bars relatifs environ.
Quoique l'invention ait été décrite avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de fourniture d'oxygène à des occupants d'un aéronef, comprenant un dispositif PSA de séparation d'air (1) ayant une entrée reliée à une ligne de fourniture d'air comprimé (2) et une sortie reliée à une ligne de distribution de mélange gazeux riche en oxygène (3), caractérisé en ce que la ligne de distribution (3) comporte, en sortie du dispositif PSA (1), un régulateur de pression (14) permettant de réguler la pression de sortie indépendamment des variations de la pression d'entrée et des fluctuations de pression de ce dispositif PSA.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régulateur de pression est constitué par une valve de régulation motorisée formant une vanne trois voies (14) ayant une sortie communiquant avec l'atmosphère.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vanne motorisée (14) comporte une position où elle forme vanne d'isolement de la ligne de fourniture (3).
4. Système selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne motorisée est couplée à une électronique de commande (27) de façon à recevoir des signaux de commande dépendant de conditions de vol de l'aéronef.
5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif PSA (1) contient au moins une paire d'adsorbeurs contenant au moins une zéolithe LiLsX.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bouteille d'oxygène gazeux (8) connectable à la ligne de distribution (3).
7. Procédé de mise en œuvre d'un système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression de sortie est régulée à une valeur Ps déterminée pour une pression d'entrée Pe variant entre environ 1 , 1 et 1 ,7 Ps.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pression de sortie est régulée à une valeur P8 d'environ 2,20 bars relatifs pour une pression d'entrée Pe variant entre environ 2,5 et 3,8 bars relatifs.
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