Brevet FR2495733A1 — publié le 19820611

La présente invention concerne une isolation thermique, destinée en particulier aux batteries à haute température, et comprenant au moins une cavité fermée, étanche aux gaz et contenant un matériau isolant. De telles isolations thermiques sont utilisées pour éviter les pertes thermiques de dispositifs employés pour la production d'énergie. Elles sont notamment destinées aux batteries à haute température, telles que des batteries à base de métaux alcalins et de chalcogènes, qui sont généralement entourées d'une isolation thermique pour inter- dire un refroidissement des éléments d'accumulateur, en particulier pendant les temps de repos. Les isolations utilisées jusqu'à présent pour de telles batteries étaient constituées par exemple par une laine de verre ou une laine minérale. Pour obtenir une action suffisante avec ces isolations, il convient de prévoir des épaisseurs de paroi notables, en particulier quand la batterie d'accumulateur fonctionne à des températures élevées, de 350 OC par exemple, et quand ces tempé- ratures doivent être maintenues pendant les temps de repos de la batterie, qui peuvent atteindre plusieurs heures. De telles isolations à paroi épaisse augmentant notablement les dimensions et/ou le poids de la batterie d'accumulateur, la densité d'énergie, c'est-à-dire la quantité d'énergie stockable par unité de poids ou de volume, est faible. Cela est un inconvénient en particulier pour les batteries électrochimiques servant à l'alimentation de véhicules à propulsion électrique. Une autre isolation thermique est connue pour de tels éléments d'accumulateur électrochimiques. Elle est essentiellement constitué par une enceinte sous vide, dans laquelle sont disposées des feuilles métalliques. Ces feuilles sont fabriquées en aluminium notamment, et disposées avec un écartement prédéterminé. L'enceinte est constituée par des parois métalliques à faible coefficient de dilatation thermi- que. Afin d'éviter un fléchissement des parois de délimitation vers l'intérieur (par suite du vide), des barreaux supports sont disposés dans la cavité, entre des parois de délimitation parallèles. Ces éléments de support produisent toutefois un flux thermique important entre la face intérieure de l'isolation et l'extérieur. La faible con- ductibilité thermique de l'isolation, obtenue & l'aide des feuilles métalliques, est ainsi de nouveau perdue pour l'essentiel! L'invention a pour objet une isolation thermique présentant un poids et une épaisseur de paroi aussi faibles:Elue possiblei et dont la Tonductibiîité thermique A aux temperaturez comprises entre 350 C et la temperature aubiante est de barreaux supports dans sa cavité. Selon une caractéristiaue essentielle de i'inventi n, la cavité est mise cols vide. guis totalement rempl e par au moins run matériau isolant pulvérulent tres fin, de fagçon préseilter au mcins une re- mière zone, dont la sur-face admet la pleine prezsion, et au moins une seconde zone à très faible conductibilicé thermnique; et ces zones sont juxtaposées. Selon l'invention, chaque face de délimitation de la cavité pré- sente au moins une zone dont la surface admet la pleine pression. Les zones de la cavité admettant la pleine pression sont remplies par un matériau isolant pulvérulent, très fin et compacté. Ce matériau iso- lant pulvérulent, qui remplit les zones de la cavité admettant la pleine pression, présente avantageusement une masse volumique p garantissent un support optimal des parois de délimitation et permet- tent ainsi de renoncer totalement à des barreaux supports dans la cavité. Le matériau isolant pulvérulent, remplissant les zones de la cavité admettant la pleine pression, est avantageusement dopé avec des microfibres, qui augmentent encore la charge admissible de ces zones. Selon l'invention, chaque face de délimitation de la cavité présente au moins une zone qui offre une très faible conductibilité hermique et admet une pression plus faible. Ces zones sont avanta- geusement remplies aussi par un mat-riau isola puivérualent et très fin. Il est possible de doper également avec des microfibres le matériau isolant pulvérulent remplissant ces zones. Le matériau iso- tant puivéruient remplissant les zones à très faible conductibilité thermique présente une masse volumique p admettant la pleine pression et des zones à très faible conductibi- lité thermique. SiO2, A1203, CaSiO4 et MgO conviennent particulièrement bien pour cet usage. L'addition d'oxyde de titane à cette poudre iso- lante céramique permet de renforcer l'extinction du rayonnement. La cavité constituant l'isolation thermique présente des parois de délimitation métalliques, avantageusement réalisées dans un alliage de fer et de nickel ou de chrome. Dans une forme de réalisation de l'invention, la cavité est délimitée par deux corps creux parallélé- pipédiques de dimensions différentes, le plus petit étant logé dans le plus grand et l'espace compris entre les deux corps creux constitu- ant le corps creux de l'isolation. L'invention présente l'avantage particulier de n'exiger aucun barreau support dans la cavité, entre des parois de délimitation parallèles. Il n'y a ainsi aucune charge ponctuelle des parois de délimitation métalliques de la cavité et par suite aucune diminution de l'isolation thermique du fait de l'accroissement par les supports de la conduction thermique de l'intérieur vers l'extérieur. La cavité sous vide constituant l'isolation interdit ou rend plus difficile un flux thermique par convection entre l'intérieur de la batterie d'ac- cumulateur électrochimique et l'espace extérieur. L'emploi d'un matériau isolant pulvérulent réduit considérablement la conduction de rayonnement et la conduction solide. L'addition d'un opacifiant optique au matériau isolant pulvérulent amplifie en outre l'extinction du rayonnement, car elle permet de réduire la variation de conductibi- lité de rayonnement en fonction de T. La conductibilité thermique de l'isolation thermique selon l'invention est dix fois plus faible environ que celle d'une isolation thermique de même épaisseur à laine de verre. La cavité constituant l'isolation présente avantageusement une très faible pression résiduelle de gaz. L'emploi d'un matériau isolant pulvérulent compacté ou d'un matériau isolant pulvérulent dopé par microfibres pour constituer les zones intérieures de la cavité admettant la pleine pression assure un support optimal des parois de délimitation métalliques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem- ples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est la coupe verticale d'une batterie d'accumulateur à isolation thermique; la figure 2 est la coupe horizontale suivant l'axe II-II de la batte- rie d'accumulateur selon figure 1; la figure 3 représente une autre forme de réalisation d'une batterie d'accumulateur à isolation thermique; la figure 4 est la coupe horizontale suivant l'axe-IV-IV de la batte- rie d'accumulateur selon figure 3; la figure 5 représente une autre disposition possible du matériau isolant à l'intérieur de la cavité; et la figure 6 représente une variante de l'isolation selon figure 5. La figure 1 représente l'isolation thermique 1 selon l'inven- tion, disposée autour d'une batterie d'accumulateur électrique. Dans cet exemple de réalisation, l'isolation thermique t est constituée par une cavité 2 étanche aux gaz et totalement remplie par un matériau isolant 3. La cavité 2, fermée avec étanchéité aux gaz, est constituée dans cet exemple de réalisation par deux corps creux 5 et 6, métalli- ques et parallélépipédiques. Ces derniers présentent des dimensions différentes, le petit corps 5 étant logé dans le grand corps 6. Les dimensions des deux corps creux 5 et 6 sont choisies de façon que la cavité 2 qu'ils délimitent entre eux présente exactement les dimen- sions requises de l'isolation thermique 1. Les faces de délimitation des corps 5 et 6 sont fabriquées dans un alliage de fer, de nickel et de chrome. Les faces métalliques de délimitation de chaque corps 5, 6 sont assemblées avec étanchéité aux gaz, par soudage en particulier. La cavité comprise entre les deux corps 5 et 6 est ainsi également fermée avec étanchéité aux gaz. Avant sa fermeture finale avec étan- chéité aux gaz, la cavité 2 est remplie avec la poudre céramique 3 précitée. Selon l'invention, la cavité 2 constituant l'isolation ther- mique 1 présente des zones 7 admettant la pleine pression et des zones 8 à très faible conductibilité thermique. La conductibilité thermique X des zones 7 admettant la pleine pression peut être comprise entre 249573. et 2.10 W/(m.K), tandis que la condutibilité thermique À des zones 8 est comprise entre 10 et 8.10 W/(m.K). Les zones 8 peuvent également être chargées, mais par une force surfacique nettement infé- rieure à celle des zones 7. Comme le montre la figure 1, les zones 8 sont cylindriques et disposées en lots entre les zones 7. Dans l'exemple représenté, le matériau isolant remplissant les zones 7 est une poudre très fine, dopée par des microfibres. Des fibres de verre ou de céramique sont utilisables. Elles peuvent être comprimées dans une certaine mesure pour augmenter la pression admissible. Le matériau isolant pulvéru- lent remplissant les zones 7 de la cavité 2 présente une masse volu- mique p zones 8 de la cavité 2 est La figure 2 représente la coupe horizontale suivant l'axe II-II de la batterie d'accumulateur électrochimique selon figure 1. On voit que les zones 8 sont disposées, comme précédemment indiqué, sous forme d'ilots entre les zones 7 supportant la pleine pression. Dans l'exemple représenté, les zones 8 sont disposées dans des évidements cylindri- ques, situés à l'intérieur des zones 7 admettant la pleine pression. Le matériau isolant 3 qui remplit les zones 7 se raccorde directement au matériau isolant dans les zones 8. Comme le montre la figure 1, l'intérieur du corps creux 5 constitue le logement des éléments électrochimiques 9 constituant la batterie d'accumulateur. Le nombre d'éléments d'accumulateur utilisés dépend de la taille requise de la batterie. Il convient d'adapter les dimensions des deux corps creux 5 et 6 délimitant l'isolation thermique 1 à la taille requise de cette batterie. Les éléments d'accumulateur 9, à base de sodium et de chal- cogène, sont représentés schématiquement sur cet exemple de réalisation. Ils prennent appui sur une paroi de délimitation interne du corps creux È, avec interposition de pièces 10 conductrices. Ces dernières assu- rent la liaison électrique des enveloppes extérieures des éléments d'accumulateur 9, qui constituent une borne électrique desdits éléments. Les secondes bornes électriques des éléments d'accumulateur 9, situées à l'extrémité supérieure de ces derniers, sont reliées par une ligne électrique 11. Cette ligne est sortie avec isolation électrique (non représentée). La poudra remplissant les zones 7 présente mine masse volumique r.ettement supérieure à celle de la poudre remnlissant les zones 8, afin d'assurer la pression ad-missible der zones 7. Ce résul- tat peut notamment être obtenu en comprimrant cette poudre à l'aide de presses danxs les zones 7 de la cavité. Il est tout à fait possible selon l'invention de remplir les zones 7 et a de la cavité avec le rmême matériau isolant 3. La seule différence entre les matériaux isolants 3 réside dans leur masse volumique différente. il est en outre possible de mélanger un opacifiant optique au matériau isolant pulvrfulent. On utilise par exemple de l'oxyde de titane pulvérulent. L'extinction du rayvnnement est ainsi augmentée, ce qui permet de réduire la conduictibilité de rayonnement en fonction de T Après son remplissage total avec les matériaux isolants précités, la cavité 2 est mise sous vide, puis ferméle avec étanchéité aux gaz, Il est en outre possible de remplir les deux zones 7 et 8 uniquement avec un matériau isolant constitué par des microfibres. Ces derniêres doivent présenter la masse volumique appropriée pour le remplissage des zones 7 et 8. La figure 3 représente une autre forme de réalisation de l'iso- lation thermique 1 selon l'invention, de nouveau disposée autour d'une batterie d'accumulateur électrochimique. La cavité 2 de l'isolation thermique i est délimitée par deux corps creux 5 et 6, de la même façon que dans l'exemple selon figure 1. Les deux corps creux 5 et 6 sont produits dans le même matériau que pour l'exemple de réalisa- tion selon figure 1. Un choix approprié de leurs dimensions permet dans cet exemple de réalisation aussi d'adapter la taille de la cavité 2 cou'ils délimitent à la taille requise. Des éléments électrochimiques 9, constituant la batterie d'accu- mulateur, sont de nouveau disposés à l'intérieur du corps creux 5. Le montage et le câblaae électrique de ces éliments d'accumulateur sont identiques à ceux représentés et décrits pour l'exemple de réaii- sation seion figure i. La cavité 2 constituant l'isolation thermique 1 présente égale- ment dans cet exemple de réalisation des zones 7 admettant la pleine pression et des zones 8 à très faible conductibilité thermique AÀet admettant une pression plus faible. Comme le montre la figure 3, les zones 8 sont de nouveau disposées entre les zones 7 admettant la pleine pression. Les zones 8 en particulier sont disposées de façon discontinue entre les délimitations intérieure et extérieure de l'iso- lation. Un matériau isolant 3 admettant la pleine pression est même disposé entre la délimitation extérieure de l'isolation 1 et les zones 8, ainsi qu'entre ces dernières et la délimitation intérieure de l'isolation. La figure 4 représente une coupe suivant l'axe IV-IV de la bat- terie d'accumulateur. Elle montre que les zones 8 présentent dans ce cas la forme de parallélépipèdes, dont les axes longitudinaux sont perpendiculaires aux gradients de température. Les zones 7 admettant la pleine pression sont de nouveau remplies par un matériau isolant 3, fin, pulvérulent et dopé par des microfibres 4. On utilise en particulier de nouveau une poudre de céramique 3, dopée par exemple avec des fibres de verre 4. Même en cas de dopage par fibres, la poudre 3 destinée au remplissage des zones 7 doit être comprimée dans une certaine mesure, afin de créer la pression admissible requise. Seule cette opération évite le fléchissement vers l'intérieur des parois de délimitation métalliques de la cavité 2 sous l'action du vide qui y règne. Afin d'obtenir une très faible conductibilité ther- mique dans les zones 8, ces dernières sont également remplies avec un matériau isolant pulvérulent. L'addition supplémentaire d'opacifiants optiques, et notamment d'oxyde de titane, aux matériaux isolants pulvérulents est de nouveau possible sans difficulté et rationnelle. Dans cet exemple de réalisation, la cavité 2 constituant l'iso- lation thermique 1 est de nouveau mise sous vide après le remplis- sage par les matériaux isolants 3, 4, puis fermée avec étanchéité aux gaz. La figure 5 représente une autre forme de réalisation de l'iso- lation thermique. Seule la partie de la cavité 2 constituant le fond de la batterie d'accumulateur est représentée pour la description. Les autres parties de la cavité 2 sont réalisées de la même façon. La cavité présente de nouveau des zones 7, dont la surface admet la pleine pression, et des zones 8 à très faible conductibilité ther- mique et admettant une pression moindre. Les zones 8 sont dans cet exemple de réalisation aussi entourées par les zones 7. De telles zones 8 sont disposées dans deux plans. Les zones 8 présentent la forme de parallélépipèdes. Les zones 8 disposées dans chaque plan sont entourées par les zones 7 admettant la pleine pression. Les zones 8 disposées dans les deux plans sont de même séparées par un matériau isolant 3 admettant la pleine pression. Les axes longitudi- naux des zones 8 en forme de parallélépipèdes sont perpendiculaires aux gradients de température. Du matériau admettant la pleine pres- sion est également disposé entre les délimitations intérieure et extérieure de la cavité 2 et les zones 8. Les matériaux isolants précités sont également utilisables pour le remplissage des zones 7 et 8, et notamment les poudres qui sont en outre dopées par des microfibres et mélangées à des opacifiants optiques infrarouges. La figure 6 représente également la partie de la cavité 2 cons- tituant le fond de la batterie d'accumulateur. Dans cette forme de réalisation, des zones 8 cylindriques, présentant de nouveau une très faible conductibilité thermique et admettant une moindre pres- sion, sont disposées entre le matériau isolant admettant la pleine pression. Les axes longitudinaux de ces zones cylindriques 8 sont perpendiculaires aux gradients de température. La disposition du matériau isolant admettant la pleine pression s'effectue de la façon représentée et décrite pour l'exemple de réalisation selon figure 5. L'isolation thermique pour batteries électrochimiques selon l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits. Elle concerne en particulier aussi d'autres dispositions et formes de zones 7 admettant la pleine pression et de zones 8 à très faible conductibilité thermique. Revendications 1. Isolation thermique, destinée en particulier aux batteries à haute température, et comprenant au moins une cavité fermée, étanche aux gaz et contenant un matériau isolant, ladite isolation étant caractérisée en ce que la cavité (2) est mise sous vide, puis tota- lement remplie par au moins un matériau isolant pulvérulent très fin (3), de façon à présenter au moins une première zone (7), dont la surface admet la pleine pression, et au moins une seconde zone (8) à très faible conductibilité thermique; et ces zones (7) et (8) sont juxtaposées. 2. Isolation thermique selon revendication 1, caractérisée en ce que chaque face de délimitation de la cavité (2) présente au moins une zone (7) dont la surface admet la pleine pression. 3. Isolation thermique selon une des revendications 1 et 2, carac- térisée en ce que les zones (7) de la cavité (2) dont la surface admet la pleine pression sont remplies par un matériau isolant (3) pulvérulent, très fin et compacté. 4. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les zones (7) de la cavité (2) dont la surface admet la pleine pression sont remplies par un matériau iso- lant (3) pulvérulent, très fin et dopé par des microfibres (4). 5. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau isolant pulvérulent (3) remplissant les zones (7) de la cavité (2) admettant la pleine pXes- sion présente une masse volumique p _ 0,5 g/cm 6. Isolation thermique selon une quelconque des revendications l à 5, caractérisée en ce que chaque face de délimitation de la cavité (2) présente au moins une zone (8) à très faible conductibilité thermique. 7. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les zones (8) de la cavité (2) présen- tant une très faible conductibilité thermique sont remplies par un matériau isolant (3) pulvérulent très fin. 8. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce c.ue le matériau isolant pulvérulent (3) remplissant les zones (8) sst dopé par des microfibres (4). 9. Isolation thermique selon une quelconque des revendications i à 8, caractérisee en ce que le matériau isolant pulvérulent (3) remplis- sent les zones (8) de ia cavité (2) présente une sasse volumique p 0,35 g/cm3. 10. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à 9, cartérisé,se ence que -es zornes (7) 'e ia ca-vit-é (2) dc la sur- face admet ia pleine Dression et les zones (8) presentant une très faible coniukctibiiité 2ermique sont remplies chacune par une poudre de céramique (3). 11. Isolaticn thermiquce selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le.materiau isolant llent (3) est SiO2, A1203, ZrO2, CaSiO4 ou MgO. 12. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à il, caractérisee par iaddition au matériau isolant pulvérulent (3) d'un opacifiant optique infrarouge également pulvérulent. 13. Isolation thermique selon revendication 12; caractérisée par l'utilisation d'oxyde de titane comme opacifiant optique infrarouge. 14. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérise en ce que la cavité (2) présente des parois de délimitation métalliques. 15. Isolation thermique selon revendication 14, caractérisée en ce que les parois de dé3.litation métalliques de la cavi-é (2) sont fabriquées dans un alliage de fer et de nickel ou chrome. 16. Isolation thermique selon une quelconque des revendications 1 à , caractérisée en ce que la cavité (2) est délimitée par deux corps creux (5 et 6) paralléléipipédiques de dimensions différentes, le petit corps creux (5) étant disposé à l'intérieur du grand corps creux (6).