Brevet FR2061509A1 — publié le 19710625

La présente invention concerne un écran de dissipation thermique et plus particulièrement une enceinte destinée à la protection d'organes qui doivent résister pendant un temps relativement important à des flux thermiques extrêmement élevés. 5 On rencontre ce cas notamment dans la protection des boîtes ■d'enregistrement de données de vol qui sont embarquées sur avions, lorsque ces. derniers subissent un incendie par exemple. Il est important en effet de pouvoir récupérer,après le sinistre, la boîte en bon état de manière à connaître ainsi l'origine 1 10 éventuelle du sinistre* Dans bien d'autres cas il peut être également utile de protéger,pendant une durée relativement importante,un organe quelconque d'un flux thermique intense.Cela peut être le cas,par exemple, pour les cônes- d'équipement de véhicules spatiaux dans la phase "15 de rentrée ou encore pour les portes ou autres cloisons pare-feu placées à proximité d'une source thermique qui peut devenir spontanément intense. . On connaît des moyens de protection vis-à-vis d'un flux thermique élevé mais tous ces moyens qui n'utilisent que la propriété 20 isolante intrinsèque du matériau protecteur employé,conduisent à des enroulements et des poids d'écran élevés et sont de plus inopérants, dans certaines applications,pour maintenir une température constante suffisamment basse pendant une durée suffisamment longue. C'est ainsi que le fait de vouloir maintenir les boîtes d'en-25 registrement embarquées mentionnées ci-dessus à une température maximum de, 100°C alors que la température ambiante peut atteindre 1100*G,nécessite dans, le meilleur cas un écran isolant classique de'6cm d'épaisseur alors que l'écran selon l'invention permet de protéger lesdites boîtes pendant trente minutes dans des 30 conditions similaires avec un écran de 3 cm d'épaisseur seulement. L'écran selon 1 'invention comprend deux parois ,l'une interne à basse température et l'autre externe soumise à la température éle-vée,à l'intérieur desquelles on prévoit un élément hydrateur et un élément surchauffeur de telle sorte que le flux thermique déclen-35 che d'une part la vaporisation du liquide contenu au sein de T'hydrateur et d'autre part la surchauffe de la vapeur ainsi produite afin d'évacuer "le maximum de calories. Dans un premier processus de vaporisation, l'enthalpie H' de la vapeur saturée qui est la somme de l'enthalpie du liquide et BAD ORIG1NA 69 05203 2 2061509 de la chaleur latente de vaporisation LV 2530°C, peut être déterminée approximativement par la formule approchée Oy/Kg) H' - (2530 + 1,3 t°)C ou en se rapportant à la courbe de -saturation du diagramme de 5 MOLLIER. "• Dans le processus complet de vaporisation avec surchauffe, tel qu'il résulte du diagramme de MOLLIER,la surchauffe de la vapeur produit pour une température de. protection définie une augmentation d'enthalpie qui est donnée par la différence des 10 ordonnées entre l'intersection des courbes isobares,avec la courbe de saturation,et . leur intersection avec les courbes isothermes, l'accroissement ainsi obtenu étant en général, de l'ordre de 25 % environ. Ainsi on peut réaliser avec un écran conforme à l'invention 15 ou avec une enceinte qui eh est la forme complémentaire une protection thermique efficace où la température la plus basse ne dépasse pas la température de vaporisation du liquide inclus dans 1'hydrateur et ce pendant toute la durée de cette vaporisation soit,par exemple,100°C pour de l'eau à la pression atmosphérique 20 normale de 760 mm Hg~ et pendant une durée directement proportionnelle à la quantité de cette eau incluse dans l'hydrateur. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre,faite en regard des dessins annexés et donnant à titre purement indicatif mais nullement limitatif une 25 forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins î La figure 1 est un diagramme mettant en évidence la chute de température obtenue par la transmission de la chaleur à travers une paroi isolante classique. 30 La figure 2 est un diagramme mettant en évidence la chute de température obtenue par la transmission de la chaleur à travers un écran conforme à l'invention. La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un écran de protection selon l'invention. 35 La figure 4 représente une partie du diagramme de MOLLIER. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une enceinte suivant l'invention destinée à la protection d'un enregistreur de pilotage embarqué à bord d'un avion. La figure 6 est une vue en coupe partielle du détail A de 4-0 la figure 5, 69 05203 3 2061509 D'une manière générale la chute de température obtenue après passage du flux thermique à travers une paroi classique connue, peut être définie graphiquement comme indiqué sur la figure 1. Si l'on prend à titre d'exemple $,es valeurs suivantes : 5 , Température du fluide chaud Ti h = 800°C ÎDempérature du fluide froid -- = 100°C Coefficient' de conduction de î*isolant3.\ = 0,1 w.nu °0 •Flux de convection fluide chaud à travers la paroi 0«1 ' = 500 w.m2 °C. ' '■ 10 ' JiTux de convëction • du fluide froid à travers la paroi &2 = 20 v. m2, °C . • Epaisseur e = 0,06 m. - p .Transmission globale ( £ = % + e + I ) K = 1,5 ï. m .°C Itt| À tt2 . 15 et si l'on adopte une échelle cohérente pour la construction du graphique, -on-constate que l'épaisseur de la paroi e peut être d'autant plus faible que X est lui-même petit. • . ■ . Malheureusement on sait que X, » qui est fixé par la nature même de l'isolant choisi, ne permet pas de descendre au-dessous 20 d'une certaine valeur pratique qui est "d'ailleurs voisine àë.Û" Mais le problème ci-dessus, envisagé pour un régime permanent , peut être vu sous un angle différent si l'on admet l'hypothèse d'une protection thermique limitée dans le temps. 25 ha figure 2 montre à cet effet et à titre de comparaison avec la figure 1, le graphique à même échelle d'un écran comprenant la combinaison cfun élémént hydrateur et d'un élément surchauffeur conforme à 1Tinvention. Sur la figure 2, on voit la combinaison d'un élément hy-30 drsfceur 1 et d'un élément surchauffeur 2, cunrrisolant; claé- • • sique 3 poreux pouvant avoir un rôle ablatif, une paroi 4 externe elle-même poreuse ou munie d'orifices, une paroi interne 5 que l'on veut protéger contre le rayonnement. On ge&ët&dïSs^èsle point a qui correspond au front d'hydratation ou de vaporisation se 35 déplace:--', vers b d'une quantité ' d, en fonction du temps d'exposition au flux thermique et jusqu'à épuisement du liquide contenu dans l'hydrateur 1. la vapeur saturée nasue de la vaporisation, en traversant la •partie surchauffante de l'élément hydrateur 1 et du surchauffeur 2, 40 élimine 'une quantité supplémentaire de calories directement pro- , î BAD ORIGINAL 69 05203 4 2061509 portionnelle à la température de sortie de la vapeur surchauffée par les orifices de la paroi 4. On voit en comparant les deux graphiques des figures 1 et 2, que "e,M est sensiblement la moitié de "e"pour une protec-5 tion thermique identique, d'où un gain d'encombrement et de poids notable bénéfice de l'écran selon -l'invention. On peut ainsi définir, d'une part, la durée de protection due à l'hydrateur 1 et, d'autre part, la durée de protection due au surchauffeur 2. 10 En se reportant à la figure 4# qui donne un réseau de courbes du diagramme eathalpie entropie de MOLLIER^ on voit qu'à -100°C la courbe enveloppe de la vapeur saturée donne une eftthalpie • -à l'évaporation de 2670 Kj par Kg d'eau et que la surchauffe à 500(10 de cette vapeur saturée élève cette eathalpie à 3480 Kj/Kg soit tur 15 gain Q à 810 Kj/Eg. Si l'on considère 1 cm de surface utile d'éereu* et si l'on admet, à titre' d'exemple, que l'élément hydrateur surchauffeur p (1,2) contient P = 0,35 g/cm d'eau, que le flux thermique P = 0,6 2 joule/cm /sec, que la température moyenne à dissiper T-j = 500°C, p 20 que la pression est de 10 ÏT/cm et que T2 doit rester à 100°C, on peut, à partir de l'équation : ht = Q qui donne directement la PS de protection " surchauffe " en secondes, déterminer le dans le présent exemple soit : (3) (s?0 & t' = 810.000-x 0,35 = 470 secondes ou 7 minutes 50 secondas 1000 x 1 x 0,6 p O (g?>) (cm ) (j/cm /sec) 30 On peut, de même, déterminer la durée initiale de la protec- " -tion " vapeur saturée " soit : (sec) (Kj/Eg) . & t = 470 x 2670 = 1550 secondes ou 25 minutes 50 secondes . 810 35 (KjAg) et connaître ainsi 1'éccroissement produit par la surchauffe, qui est égale à 470 f 1 dans Ht cas cité. . - 1550 3 La figure 3 montre schématiquement, en coupe, un moyen 40 nouveau pour protéger un corps 21 par des cellules 20, avec un duree temps 25 BAD ORIGINAL 69 05203 5 2061509 hydrateur 1 et un surchauffeur 2 'selon l'invention, placés en recouvrement « Sur cette figure 3 chaque cellule 20 qui est contenue dans une enveloppe rigide 222 recevante l'élément hydrateur-sur-chauffeur 25 peut être par exemple fixée.sur la paroi 21 à l'aide 5 de vis traversantes 24 vissées dans les écrous 23 solidaires de l'enveloppe 22, une soupape 26 (- tarée ou non) assure l'évacuation • • de la vapeur qui peut éventuellement être recyclée dans l'hydrateur après condensation.. Sur le. figure 5 on voit une coupe longitudinale d'une eh-10 ceinte désignée dans son ensemble par 27 munie d'un écran de dissipation thermique conforme à l'invention et destinée à assurer, pen- \ dant 30 minutes environ, la protection contre l'incendie d'enregistreurs 42 embarqués sur avion,maintenus espacés de la paroi interne de l'enceinte 27 par des cales §3. • 15 Cette enceinte comprend deux éléments repérés 28 et 29. De f orpj^ cylindro-sphérique et de volume environ 1800 car* cette enceinte/comprend essentiellement une enveloppe externe 30 en acier . spécial et -."'un écran isolant poreux 31 en résine et fibres d'amian- -te .pouvant subir une éventuelle ablation thermique. On voit un 20 élément hydrateur 1 et une paroi anti-rayonnement 5 en alliage d'aluminium poli intérieurement. Des canelures périphériques commu-niçaaates • 17 permettent une bonne répartition de la vapeur aboutissant aux orifices 9. Un plan de joint XI délimite les parties supérieure et 25 inférieure des enveloppes 30 des éléments supérieurs et inférieurs réunies par des vis 12, et un autre plan de joint WZ délimite les parties supérieures et inférieures des divers autres éléments de l'écran. • L'élément hydrateur 1 est constitué, d'un gel ou alginate 30 chargé d'eau et il est recouvert d'un matelas surchauffeur 2 de laine de Quartz. L'élément hydrateur 1 est contenu à l'intérieur de membranes fermées fines de 0,1 mm d'épaisseur en Poiyéthylène-32 et ;rd'éléments en tissus de"silice 33 à grosses mailles enfermant le matelas de Quartz 2 . 35 Les enveloppes 30 sont, soit perméables, à la vapeur, soit percées d'orifices 9 provisoirement obturés de tampons de si-licones. Un {ou plus'ieurs) bouchon(34 35)entourant un tissu de silice imprégné 36 protège la sortie des cables électriques 37, la fonction des éléments étant assurée par un jonc en acier 38 40 logé dans des rainures pratiquées dans la paroi 5 tandis que dès BAD ORIGINAL 69 05203 6 2061509 couronnes circulaires en secteurs 39 et 40 en résine chargée d'amiante, enserrent -un joint 41 réalisé par du tissu de silice comprimé. Le schéma de fonctionnement est Visible sur la figure 6 5 où l'on voit que, dès la vaporisation, la membrane 32 éclate au travers des mailles du tissu de silice 33 pour laisser passer la vapeur saturée à travers la partie surchauffante 2f- et la vapeur surchauffée s'échappe enfin après avoir traversé l'isolant pôreux 31 par les orifices 9 qui sont débouchés sous l'effet de la pres-10 sion de la vapeur. La vaporisation avec surchauffe se poursuit ainsi jusqu'à épuisement du liquide contenu dans Ihydrgjteur. On voit que l'invention fournit une enceinte de protection thermique comprenant une stratification d'un élément hydrateur 1 15 et d'un surchauffeur 2 placés entre une paroi externe chaude 30 et une paroi interne froide, 5 étant bien entendu que la nature et la forme de réalisation de l'hydrateur 1 avec son liquide inclus, combiné avec le surchauffeir 2 de la paroi externe chaude 30 et de la paroi interne froide 5/ peuvent présenter des variantes , le liquide 20 contenu étant évacué sous forme de vapeur surchauffée conformément à l'invention. L1 va de soi que la présente invention a été décrite ci-des sus sous la forme d'un exemple de réalisation indicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra introduire toute équivalence 25 dans ses éléments constitutifs sans sortir du cadre défini par les revenctiiï&tions annexées. 69 05203 .7 2061509 KEVEmmiMÎIOHB 1°- Ecran de dissipation thermique comprenant une paroi chaude et une paroi froide caractérisé en ce qu'il comprend entre la paroi chaude et la paroi froide Tin élément hydrateur stratifié 5 au contact de la paroi froide,un élément surchauffeur stratifié entre l'élément hydrateur et la paroi chaude, un élément réfrac-taire poreux stratifié entre l'élément sur'chauffeur et la paroi chaude,ladite paroi chaude étant percée d'orifices"permettant à( la vapeur saturée développée dans l'hydrateur pendant la mise en 10 service de l'écran et surchauffée pendant son passage à travers - le surchauffeur de s'échapper vers l'extérieur de la paroi chaude. 2°- Ecran de dissipation thermique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'hydrateur est un alginate renfermé dans une membrane de polyéthylène. 15 3°- Ecran de dissipation thermique suivant la revendica tion. 1 caractérisé en ce. que. le surehauff eur est un matelas de quartz renfermé dans un tissu de silice. ■ . 4.0— Ecran de dissipation thermique suivant l'une où l'autre des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la paroi chaude est 20 percée d'orifices obturés par des bouchons de silicone. 5°-. Eeran de dissipation thermique suivant la revendication 4 caractérisé en ce que ledit élément réfractaire isolant poreux porte des cannelures communicantes aboutissant auxdits orifices de la paroi chaude. 25 6°— Enceinte de protection d'un- organe sensible à la cha- • leur comprenant .un écran suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'écran affecte une forme cylindrosphérique,la paroi froide étant située à l'intérieur,des tampons de silicone entourant un manchon de silice traversant l'écran entre la paroi 30 chaude et la paroi froide pour protéger la sortie vers l'extérieur de l'enceinte de câbles branchés à l'intérieur sur ledit organe» 7°- Enceinte suivant la revendication 5 caractérisée en ce que la paroi chaude comprend deux premiers éléments assemblés 35 suivant un premier plan de liaison au moyen de boulons de fixation et l'ensemble de stratification hydrateur surehauffeur comprenant deux seconds éléments assemblés suivant un second plan de liaison décalé parallèlement audit premier plan au moyen d'un jonc en acier, un joint en tissu de silice comprimé entre deux 40 couronnes circulaires en résine chargée d'amiante assurant 69 05203 8 2061509 l'étanchéité entre les&its deux seconds éléments. 8°- Cellule de protection thermique comprenant un écran -suivant les revendisations 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle est contenue dans une enceinte fermée,une soupape permettant d'évacuer à un niveau de pression prédéterminé la vapeur surciiauffée dans la cellule. 9°- Cellule de protection thermique suivant la revendication 7 caractérisée en ce que la vapeur surchauffée est après condensation recyclée dans l'hydrateur.