Brevet FR2607900A1 — publié le 19880610

BOUCLIER DE PROTECTION CONTRE LA CHALEUR DESCRIPTION La présente invention a pour objet un bouclier de protection contre La chaleur d'un incendie ou d'un four qui tire profit de la chaleur absorbée par certains métaux alcalins Lors de leur échauffement et de leur liquéfaction. Le but de L'invention est de fournir une protection thermique efficace à des nateriels fragiles tels que des instruments de mesure ou des composants électroniques notamment vis-à-vis de chaleurs de Longue durée ou répétitives. Toutefois, L'invention peut aussi être avantageusement mise en oeuvre pour permettre de résister à des chocs thermiques ou à des échauffements Localises. Les systèmes actuels de protection passifs contre la chaleur, par opposition aux systèmes actifs comprenant un refroidissement par circulation de fluide réfrigérant, incluent des boucliers d'isolant thermique et des enveLoppes remplies de produits hydratés dont on exploite la vaporisation de l'eau (brevet FR-A-2 512 169). Les premiers offrent une protection efficace mais assez brève : ils présentent donc surtout un intérêt dans le cas de chocs thermiques ou d'expositions à La chaleur de courte durée. La juxtaposition d'une couche d'acier permet d'accroître L'inertie thermique mais l'augmentation de la masse du bouclier est inacceptable. Les seconds permettent d'absorber une quantité de chaleur importante par la vaporisation de l'eau. ILs permettent de stabiliser, pour une durée éventuellement assez Longue, la température à laquelle est porté le matériau à protéger. Par contre, la vapeur d'eau s'écoule hors de L'enveloppe, ce qui fait que le bouclier est consommable au premier usage et ne peut être prévu que pour des événements exceptionnels tels que des incendies. Le choix de L'eau comme corps subissant une vaporisation est naturel en présence d'un incendie ordinaire. Il est contre-indiqué dans le cas d'incendies d'aluminium, de magnésium, de lithium ou de sodium, plausibles par exemple dans des centrales nucLéaires, car L'eau se combine avec ces métaux et avive L'incendie. Pour ces raisons, de tels boucliers ne peuvent être considérés comme satisfaisants. La présente invention permet d'éviter les inconvénients liés à la vaporisation de L'eau : elle consiste en un bouclier de protection contre la chaLeur, disposé entre une source de chaleur et un matériel à proteger, comprenant un corps de grande capacite thermique massique susceptible de changer d'état sous L'action de la chaleur à l'intérieur d'une enveloppe, caractérisé en ce que le corps est un métal alcalin solide à température ambiante et à bas point de fusion choisi parmi le lithium, le sodium ou le potassium. Ce corps absorbe donc La chaleur par échauffement dans un premier temps, puis par Liquéfaction et non par vaporisation, ce qui lui permet de demeurer dans son enveloppe. Et, meme en cas d'écoulement accidentel, une réaction avec les produits de combustion de l'incendie est évitée. L'action du métal alcalin peut être avantageusement complétée en garnissant d'une couche de matériau isolant thermique la surface de l'enveloppe exposée à la source de chaLeur. Le métal alcalin peut être ou non directement en contact avec le matériel à protéger. L'invention va maintenant être décrite à L'aide des figures 1 à 4 données en annexe à titre illustratif et non limitatif qui représentent chacune en coupe une réalisation possible de L'invention. La figure 1 représente tout d'abord un matériel 10 à protéger d'une source de chaleur environnante. Un bouclier L'isole de cette source et, dans le cas le plus général, L'entoure complètement ; mais ce bouclier peut se Limiter à une surface ouverte quand l'incidence du flux de chaleur est connue, par exemple si le matériel est logé dans une niche creusée dans Les parois réfractaires d'un four. Sur La figure, le bouclier se compose d'une boSte 1 et d'un couvercle 2 constitués chacun d'une enveloppe 3 et 4 respectivement, en métal à haute température de fusion tel que L'acier, renfermant chacune un espace vide intérieur 11 et 12 qui contient un métal alcalin à bas point de fusion choisi parmi Le lithium, le sodium et Le potassium. La botte 1 et le couvercle 2 sont munis d'un orifice de remplissage de métal alcalin 13 et 14 fermé par un obturateur 29 et 30 qui comprend un joint d'étanchéité 31 et 32. Un autre joint 15 isolant thermique peut être disposé entre la botte 1 et le couvercle 2, et ici on le représente interrompu en 16 de manière à Laisser passer les fils électriques non représentés reliant éventuellement le matériel 10 à l'extérieur dans le cas où ce matériel est un capteur. Le comportement de ce bouclier thermique est assez facile à concevoir : quand un flux thermique atteint Les parois extérieures 7 et 8 des enveloppes 3 et 4, celles-ci transmettent leur échauffement au métal alcalin qui emplit les espaces 11 et 12. Ce métal, solide à la température ambiante,s'échauffe puis commence à fondre (630C pour le potassium, 980C pour le sodium, 1810C pour le lithium), mais le maintien à cette température se prolonge jusqu a ce que La fusion soit complète, ce qui peut durer plusieurs heures dans des situations concrètes plausibles, grâce à la chaleur massique de fusion importante des métaux mentionnés. On garantit donc que les parois intérieures 5 et 6 des enveloppes 3 et 4 en regard du matériel 10 restent à une température modérée. Si le flux thermique apporté au système est trop important ou de trop longue durée, le métal alcalin va fondre totalement et devenir ensuite de plus en plus chaud. Même dans ce cas, L'échauffement n'est pas plus rapide qu'avec un autre calorifuge, car La capacité thermique massique des métaux alcalins reste assez élevée. On peut donc espérer une survie encore longue du matériel 10. Les métaux alcalins mentionnés présentent par ailleurs les avantages suivants : - leur densite est faible, inférieure à celle de l'eau (0,54 pour Le lithium, 0,97 pour Le sodium, 0,86 pour le potassium), - leur température d'ébullition, qui les verrait s'échapper des enveloppes 3 et 4, polluer les alentours et qui imposerait un nouveau remplissage des espaces il et 12, est élevée (respectivement 13360C, 8830C et 7570C), - ils ne créent pas de réaction explosive dans le cas de feux de sodium, contrairement à l'eau dont on a déjà exploité la vaporisation dans un revêtement calorifuge. Si L'on désire une protection thermique meilleure encore, on peut adopter un bouclier selon l'invention analogue à celui représenté figure 2. Cette fois-ci, le matériel 10 est entouré à la fois de métal alcalin et de matériau calorifuge tel que la laine de roche rigidifiée. Le bouclier se compose, d'après cet exemple précis, de trois parties : un couvercle 50, une paroi 51 à contour fermé et un socle 52, chacune étant pourvue d'une couche de calorifuge 64, 53 et 54 respectivement. Une enveloppe creuse en acier 55, qui renferme un espace 57 rempli de métal alcalin, est insérée à L'intérieur de la couche de calorifuge 53, et une autre enveloppe creuse 56, qui renferme également un espace 58 empli de métal alcalin, est encastrée dans la couche de calorifuge 54. Un obturateur 59 encastré dans le couvercle 50 permet de clore l'espace 57 à L'aide d'un joint d'étanchéité 61 ; de façon semblable, un obturateur 60 et un joint 62 ferment l'espace 58. Avantageusement, le calorifuge peut être recouvert extérieurement d'une pellicule réfléchissante telle qu'une tôle 70, 71, 72 d'acier -galvanisé. L'utilité de cette disposition apparat en presence d'échauffements étendus à un grand volume mais de durée assez courte, ou d'échauffements localisés dans L'espace. Dans Le premier cas, te dispositif de La figure 1 absorbe rapidement la chaleur qui lui est communiquée et la fusion du métal alcalin commence assez t8t. L'addition d'une couche de calorifuge, qui joue un rôle d'amortisseur thermique et qui limite l'importance du flux de chaleur incident, aboutit à un échauffement beaucoup plus lent du métal qui peut nême ne pas atteindre le palier de fusion pour peu que Le choc thermique soit suffisamment bref. Dans le second cas, il peut se produire une fusion locale du métal alcalin en face de la source de chaleur, puis une surchauffe de ce métal qui reste à L'état solide ailleurs (La zone fondue ne s'étendant que progressivement par conduction). Le bouclier thermique ne remplit donc que localement son rôle d'absorbeur de chaleur. Avec une couche de calorifuge, la probabilité de cet événement est moindre : comme dans le cas précédent, Le calorifuge permet un échauffement plus lent du métal alcalin et donc une égalisation plus grande des températures à l'intérieur de ce métal qui présente par ailleurs une excellente conductivité thermique qui facilite la répartition rapide de La chaleur dans l'ensemble de sa masse. Ainsi, on aboutit à une zone de fusion de plus grande étendue. Une autre application particulièrement intéressante de l'invention est représentée figure 3 : le matériel à protéger 10 a une forme très tourmentée et ne peut reposer dans de bonnes conditions sur une surface plane. On l'introduit alors directement dans un espace 83 empli de métal alcalin préalablement fondu dans une enveloppe constituée d'une botte 81 et d'un couvercle 82 éventuellement munis d'un joint d'étanchéité 85 à leur contact, comme dans les réalisations précédentes. On laisse ensuite le métal alcalin se solidifier, ce qui lui permet de soutenir le matériel 10. Dans la figure 4, on se trouve en présence d'un matériel 10 autour duquel on a construit une enveloppe 90 l'entourant presque complètement et pouvant inclure un obstacle 94 entre le matériel 10 et un orifice 96 de L'enveloppe 90. Le matériel 10 est alors inaccessible. L'invention permet cependant de réaliser sa protection thermique en versant du métal alcalin fondu, par l'orifice 96, dans un espace 93 délimité par L'enveloppe 90 et qui contient le matériel 10. On peut ensuite refermer L'espace 93 par un couvercle 91 éventuellement muni d'un joint d'étanchéité 95. Dans ces deux dernières réalisations, l'addition d'un calorifuge est encore possible. On constate donc que le dispositif d'après l'invention présente de nombreux avantages par rapport à d'autres boucliers thermiques : à conditions égales par ailleurs, une élévation de température déterminée peut être engendrée après un laps de temps deux ou trois fois plus grand qu'avec des dispositifs déjà connus de même masse. L'utilisation, comme réservoir de chaleur, de la liquéfaction de métaux alcalins au lieu de la vaporisation de l'eau permet, avec des enveloppes appropriées, de maintenir en place ces métaux pour d'autres échauffements et de -ne pas effectuer de remplissages intermédiaires. Cette caractéristique est très intéressante si le matériel à protéger est par exemple à proximité d'un four. De plus, l'emploi de corps chimiques tels que le sodium et le potassium, dont les propriétés fortement réductrices nécessitent des précautions lors de sa manipulation, de préférence à l'eau, qui est couramment associée à la notion de lutte contre l'incendie mais qui peut cependant être contreindiquée dans certains cas, constitue une autre marque d'originalité de l'invention. Les applications envisagées sont principalement la protection de matériels électromécaniques des locaux industriels contre l'échauffement et l'incendie, sans exclure les autres applications qui justifient déjà l'interposition de boucliers thermiques. A cet effet, l'invention pourra prendre des apparences assez différentes de celles représentées ici : il suffit qu'une enveloppe emplie de métal alcalin soit disposée entre La source de chaleur et La zone que L'on souhaite isoler, avec éventuellement une couche de calorifuge du côté exposé à cette source. C'est ainsi que L'invention peut être utilise pour accro5tre l'isolation des parois de fours : contrairement à la figure 2, la source de chaleur serait à l'intérieur du volume clos par le bouclier et il faudrait donc alors intervertir la couche calorifuge (c'est-à-dire ici le revêtement réfractaire de four) et les enveloppes de métal alcalin. Par ailleurs, il est à noter que cette disposition permet en outre de stocker une quantité importante de chaleur qui peut être restituée Lors de la phase de refroidissement. REVENDICATIONS 1. Bouclier de protection contre la chaleur, disposé entre une source de chaleur et un matériel à protéger (10), comprenant un corps de grande capacité thermique massique et susceptible de changer d'état sous l'action de La chaleur à l'intérieur d'une enveloppe (3, 4, 55, 56, 81, 82, 91, 92), caractérisé en ce que Le corps est un metal alcalin solide à température ambiante et à bas point de fusion choisi parmi le lithium, Le sodium ou le potassium. 2. Bouclier de protection contre la chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de matériau isolant thermique (64, 53, 54) disposée sur la surface de l'enveloppe (55, 56) exposée à la source de chaleur. 3. Bouclier de protection contre la chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau isolant thermique est de la laine de roche rigidifiée recouverte d'une tôle d'acier galvanisé (70, 71, 72) sur sa surface exposée à la source de chaLeur. 4. Bouclier de protection contre la chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériel à protéger (10) est en contact avec le métal alcalin. 5. Bouclier de protection contre la chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériel à protéger est séparé du métal alcalin par une partie (5, 6) de l'enveloppe.