Brevet FR2692962A1 — publié le 19931231

ISOLATION THERMIQUE POUR UN DISPOSITIF CRYOGENIQUE COMPRENANT AU MOINS UNE ZONE DEMONTABLE. DESCRIPTION L'invention concerne une isolation thermique conçue pour équiper un dispositif cryogénique comprenant au moins une zone démontable telle qu'une jonction entre deux tuyauteries. L'isolation thermique selon l'invention peut être utilisée dans tous les dispositifs cryogéniques dans lesquels il existe une zone démontable telle qu'une jonction ou une porte à laquelle il peut être nécessaire d'accéder, par exemple après la vidange du dispositif. Ainsi, les circuits cryogéniques qui équipent les lanceurs comportent des jonctions démontables auxquelles il peut être nécessaire d'accéder après chaque report de tir du lanceur. La protection thermique des zones démontables des dispositifs cryogéniques pose des problèmes très difficiles à résoudre, en raison du phénomène de cryopompage. Ce phénomène a pour origine la condensation des gaz qui se produit sous l'effet du froid dans tout espace clos adjacent à un dispositif cryogénique. Cette condensation crée une dépression dans l'espace considéré et cette dépression se traduit par un pompage de l'air environnant vers ledit espace, dès qu'il existe des microporosités dans la paroi séparant cet espace de l'extérieur. Dès qu'il a pénétré à l'intérieur de l'espace considéré, l'air se refroidit, gèle et crée à son tour une dépression qui entretient le phénomène de pompage. Une quantité importante d'air gelé peut ainsi se trouver emprisonnée dans l'espace entourant le dispositif cryogénique. Lorsque ce dispositif se réchauffe, par exemple lors de sa vidange, un grand volume d'air ou de gaz se trouve ainsi libéré brutalement, ce qui entraîne des risques d'explosion car les microporosités présentes dans les parois sont alors géné ralement insuffisantes pour permettre à l'air ou au gaz libéré de s'échapper librement vers l'extérieur. Lorsqu'on réalise une isolation thermique permanente ou non démontable, les risques d'explosion due au cryopompage sont évités grâce à un contrôle rigoureux des parois effectué lors de la fabrication de l'isolation. En revanche, la réalisation d'une isolation thermique démontable ne permet pas de s'astreindre de façon sûre du phénomène de cryopompage. En effet, il est pratiquement impossible de garantir l'absence de microporosité, notamment lors d'un démontage relativement fréquent de l'isolation thermique. Compte tenu du risque d'explosion qui découle de la présence de telles microporosités, en raison du phénomène de cryopompage exposé précédemment, il n'existe pas à l'heure actuelle d'isolation thermique démontable pour les dispositifs cryogéniques. Lorsqu'un dispositif cryogénique comprend des zones démontables, une première solution utilisée actuellement consiste à revêtir ces zones démontables d'une isolation thermique non démontable, apte à être détruite à chaque fois qu'il est nécessaire d'intervenir sur la zone démontable. Si cette solution permet de supprimer tout risque d'explosion, elle a pour inconvénient d'accroître le coût de l'installation et d'allonger de façon sensible la durée des interventions, puisqu'une nouvelle isolation thermique doit être mise en place autour de la zone démontable après chaque intervention. Par ailleurs, une autre solution pour résoudre ce problème consiste à ne pas prévoir d'isolation thermique sur les zones démontables. Toutefois, cela conduit à des pertes thermiques qui ont pour conséquence des pertes de liquide cryogénique. I1 en découle une augmentation appréciable du coût d'exploitation, compte tenu du prix de revient des liquides cryogéniques. L'invention a précisément pour objet une isolation thermique démontable permettant d'accéder aux zones démontables des dispositifs cryogéniques sans aucun risque d'explosion dû au phénomène de cryopompage, le caractère démontable de l'isolation permettant de raccourcir de façon sensible la durée des interventions ainsi que le coût d'exploitation des dispositifs cryogéniques, puisqu'il n'est plus nécessaire de remplacer l'isolation thermique autour des zones démontables après chaque intervention et puisque les pertes en liquide cryogénique sont fortement diminuées en raison de la protection thermique complète du dispositif cryogénique, y compris autour des zones démontables. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'une isolation thermique pour un dispositif cryogénique comprenant au moins une zone démontable, caractérisée par le fait qu'elle comprend, autour de la zone démontable du dispositif cryogénique - une paroi poreuse démontable, thermiquement conductrice, raccordée de façon étanche sur une partie adjacente, non démontable, de l'isolation thermique, et séparée de ladite zone démontable par un espace rempli d'un ma tériau anti-convection ; et - des moyens formant pont thermique entre la paroi poreuse démontable et ladite zone démontable. Dans une isolation thermique ainsi conçue, la paroi poreuse autorise, à température ambiante, la libre circulation de l'air au travers de cette paroi lorsque le remplissage du dispositif en liquide cryogénique n'a pas été effectué. L'espace formé entre la zone démontable et la paroi poreuse communique alors librement avec l'extérieur au travers de cette paroi. Au contraire, après le remplissage du dispositif en liquide cryogénique, la paroi poreuse se refroidit progressivement par l'intermédiaire des moyens formant pont thermique. Par conséquent, l'eau contenue dans l'air ambiant se condense, puis gèle progressivement à l'intérieur des pores formés dans la paroi. Lorsque le dispositif cryogénique est opérationnel, la paroi poreuse se trouve ainsi à une température d'environ -100C à -200C, pour laquelle elle est totalement étanche. De plus, le matériau anti-convection qui sépare la zone démontable de la paroi poreuse participe à l'isolation thermique du système en s'opposant aux mouvements d'air dans l'espace contenant ce matériau. Une isolation thermique efficace autour de la zone démontable est ainsi obtenue. Lors de la vidange du dispositif cryogénique, la paroi poreuse est la première à se réchauffer, de sorte que l'eau qui est gelée dans les pores de cette paroi se vaporise et la rend à nouveau perméable avant que l'air gelé qui se trouve piégé dans l'espace contenant le matériau anti-convection ne revienne à l'état gazeux. Par conséquent, le grand volume de gaz qui est alors libéré s'échappe sans problème à l'extérieur de la paroi poreuse et tout risque d'explosion est évité. Par ailleurs, le caractère démontable de la paroi poreuse permet d'accéder immédiatement à la zone démontable, après enlèvement du matériau anti-convection. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la zone démontable est constituée par une jonction entre deux tuyauteries du dispositif cryogénique. Dans ce cas, la paroi poreuse est une paroi cylindrique dont les extrémités sont appliquées de façon étanche sur les parties adjacentes, non démontables, de l'isolation thermique qui entoure les tuyauteries. Avantageusement, les moyens formant pont thermique comprennent alors un organe de transfert thermique interposé entre la jonction et la paroi cylindrique. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les extrémités de la paroi cylindrique sont appli quées de préférence sur les parties adjacentes de l'isolation thermique par des organes de serrage, des joints d'étanchéité étant interposés entre les extrémités de la paroi cylindrique et les parties adjacentes de l'isolation thermique. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure unique est une vue de côté, en coupe longitudinale partielle, représentant la jonction entre deux tuyauteries d'un dispositif cryogénique, équipée d'une isolation thermique conforme à l'invention. On a représenté sur la figure unique un tronçon d'un circuit cryogénique tel qu'un circuit d'alimentation d'un lanceur en liquide cryogénique. Plus précisément, la figure unique représente une jonction démontable 10 par laquelle sont raccordées de façon étanche les extrémités de deux canalisations 12 et 14 dans lesquelles est appelé à circuler un liquide cryogénique. La jonction démontable 10 est formée, dans la forme de réalisation représentée, par deux brides 16 et 18 solidaires des extrémités des canalisations 12 et 14 respectivement. Les brides 16 et 18 sont percées de trous régulièrement répartis autour de l'axe commun à ces brides et dans lesquelles sont reçus des boulons de liaison 20. Un ou plusieurs joints d'étanchéité (non représentés) sont placés entre les brides 16 et 18. Afin d'éviter les pertes thermiques, l'ensemble du circuit cryogénique est revêtu d'une isolation thermique. Plus précisément, dans la partie illustrée sur la figure unique, cette isolation thermique comprend des parties non démontables 22 et 24 entourant les canalisations 12 et 14 jusqu'à proximité de la jonction démontable 10 et une partie démontable 26 entourant la jonction démontable 10 et raccordée de façon étanche aux extrémités des parties non démontables 22 et 24. Les parties non démontables 22 et 24 de l'isolation thermique sont réalisées de façon connue, par exemple en doublant extérieurement chacune des canalisations 12 et 14 au moyen d'une paroi extérieure 26 et 28 et en faisant le vide dans l'espace annulaire 30 et 32 formé entre chaque canalisation et la paroi extérieure qui l'entoure. Dans ce cas, les parois extérieures 26 et 28 ainsi que les extrémités de ces parois raccordées sur les canalisations 12 et 14 sont réalisées en un matériau thermiquement isolant tel qu'une matière plastique. Les parties non démontables 22 et 24 de l'isolation thermique peuvent aussi être réalisées en un matériau alvéolaire à cellules fermées, placé directement autour de chacune des canalisations 12 et 14. Conformément à 1 invention, la partie 26 de l'isolation thermique du circuit, qui entoure la jonction démontable 10, est démontable et comporte principalement une paroi poreuse démontable 34, réalisée en un matériau thermiquement conducteur. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure unique, la paroi poreuse démontable 34 a la forme d'un cylindre qui entoure la jonction 10, les parties adjacentes des canalisations 12 et 14, ainsi que les extrémités des parties non démontables 22 et 24 dè l'isolation thermique. En outre, les extrémités de la paroi poreuse démontable 34 sont appliquées de façon étanche sur les extrémités des parties non démontables 22 et 24 de l'isolation thermique par des organes de serrage tels que des colliers 36 et 38. L'étanchéité est obtenue en interposant entre la paroi poreuse 34 et les parties non démontables 22 et 24 des joints d'étanchéité annulaires 40 et 42, par exemple de forme torique. Le matériau thermiquement conducteur dans lequel est réalisée la paroi poreuse démontable 34 peut être un métal tel qu'une tôle d'acier inoxydable, percée de perfo rations réalisées par exemple au laser. I1 peut aussi s'agir de carbone présentant des perforations, ou de tout autre matériau similaire. Pour faciliter la démontabilité de la partie 26 de l'isolation thermique, la paroi poreuse démontable 34 est avantageusement réalisée sous la forme de deux demicoquilles dont les bords adjacents coopèrent de façon étanche. La partie démontable 26 de l'isolation thermique selon l'invention comprend également un organe de transfert thermique tel qu'un clinquant métallique 44, qui forme un pont thermique entre la jonction démontable 10 et la paroi poreuse démontable 34. A cet effet, le clinquant 44 est en contact dans sa partie centrale avec le bord périphérique des brides 16 et 18 et, dans ses parties d'extrémité, avec la surface intérieure de la paroi poreuse démontable 34. Le clinquant 44 a pour fonction, comme on le comprendra mieux par la suite, de permettre un refroidissement progressif de la paroi poreuse démontable 34 lors du remplissage du circuit en liquide cryogénique. La nature du matériau qui le constitue ainsi que sa forme dépendent essentiellement de la nature du liquide cryogénique qui doit être introduit dans le circuit. En effet, la fonction du clinquant 44 ou de tout autre organe formant pont thermique entre la jonction 10 et la paroi poreuse démontable 34 est d'amener cette dernière, progressivement, à une température inférieure à OOC, généralement comprise entre environ -100C et -200C, lorsque le liquide cryogénique est introduit dans le circuit. Pour compléter la description de la partie démontable 26 de l'isolation thermique conforme à l'invention, on voit sur la figure unique que l'espace annulaire délimité autour de la jonction 10 par la paroi poreuse démontable 34 est rempli d'un matériau anti-convection 46. Plus précisément, cet espace annulaire dans lequel se trouve le matériau anti-convection 46 comprend deux zones annulaires situées de part et d'autre de la jonction 10, autour des canalisations 12 et 14 et s'étendant à l'intérieur de la paroi poreuse démontable 34, jusqu'aux extrémités des parties non démontables 22 et 24 de l'isolation thermique. Le matériau anti-convection 46 peut être constitué par un matériau quelconque, utilisable en cryogénie, permettant d'éviter que l'air présent dans l'espace considéré ne puisse se déplacer trop facilement par convection. Ce matériau peut notamment être constitué par une laine de polytétrafluoréthylène compatible avec l'oxygène de l'air. Le fonctionnement de la partie démontable 26 de l'isolation thermique va à présent être décrit en se référant à la figure unique. Lorsque les tuyauteries 12 et 14 ne sont pas remplies de liquide cryogénique, l'ensemble des pièces se trouve à la température ambiante, c'est-à-dire le plus souvent à environ 200C. L'air ambiant pénètre alors librement dans l'espace contenant le matériau anti-convection 46, au travers de la paroi poreuse 34. Cet espace est donc remplir d'air. Lors du remplissage du circuit en liquide cryogénique, la paroi poreuse 34 se refroidit progressivement jusqu'à une température inférieure à OOC, généralement comprise entre environ -10 0C et -200C, sous l'effet du clinquant 44 de transfert thermique. La vapeur d'eau contenue dans l'air se condense alors, puis gèle dans la paroi poreuse 34. La paroi 34 devient alors étanche. L'air contenu dans le matériau anti-convection 46 continue de se refroidir progressivement, pour atteindre progressivement la température de condensation de l'oxygène (environ -1830C), puis la température de conden sation de l'azote (environ -2030C), si le liquide cryogénique circulant dans les canalisations 12 et 14 le permet. Dans ces conditions, il se produit une dépression à l'intérieur de la paroi 34, alors étanche. La qualité de l'isolation procurée par la partie démontable 26 de l'isolation thermique est alors améliorée. Lors de la vidange des canalisations 12 et 14, l'élévation de température qui en résulte se traduit presque instantanément par la vaporisation de l'eau contenue dans la paroi 34, qui redevient alors perméable. L'azote et l'oxygène condensés retenus dans le matériau anti-convection 46 se vaporisent à leur tour, mais sans aucun risque d'explosion, puisque la paroi 34 est alors perméable. Si un démontage de la jonction 10 est nécessaire, celui-ci peut alors être effectué sans difficulté en un temps particulièrement court, en démontant les organes de fixation 36 et 38 de la paroi 34, puis en ôtant cette dernière ainsi que le matériau anti-convection 46. Lorsque l'intervention est terminée, les opérations inverses des précédentes sont effectuées sans perte de temps notable afin de remettre en place le matériau anti-convection 46, la paroi 34 et les organes de fixation 36 et 38, sans qu'il soit nécessaire de prendre des précautions particulières. Comme on l'a déjà indiqué, l'isolation thermique démontable conforme à l'invention peut être utilisée sur tout dispositif cryogénique comportant une ou plusieurs zones démontables, quelle que soit la nature de ces zones, c'est-à-dire aussi bien lorsqu'il s'agit de jonctions que lorsqu'il s'agit d'orifices d'accès de tout autre type. Bien entendu, la forme de la paroi et la nature des moyens de fixation ainsi que du ou des organes de transfert thermique sont adaptés à l'application considérée. Dans le cas particulier où le remplissage du dispositif cryogénique interviendrait en ambiance déshydratée, c'est-à-dire sous une température ambiante inférieure à OOC, une pulvérisation d'eau doit être effectuée sur l'extérieur de la paroi poreuse, à l'aide d'un petit pulvérisateur, afin que cette paroi devienne imperméable. REVENDICATIONS 1. Isolation thermique pour un dispositif cryogénique comprenant au moins une zone démontable, caractérisée par le fait qu'elle comprend, autour de la zone démontable (10) du dispositif cryogénique - une paroi poreuse démontable (34), thermiquement conduc trice, raccordée de façon étanche sur une partie adja cente (22,24), non démontable, de l'isolation thermique, et séparée de ladite zone démontable (10) par un espace rempli d'un matériau anti-convection (46) ; et - des moyens formant pont thermique (44) entre la paroi poreuse démontable (34) et ladite zone démontable (10). 2. Isolation thermique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que, la zone démontable étant une jonction (10) entre deux tuyauteries (12,14) du dispositif cryogénique, la paroi poreuse est une paroi cylindrique (34) dont les extrémités sont appliquées de façon étanche sur les parties adjacentes (22,24), non démontables, de l'isolation thermique qui entoure les tuyauteries. 3. Isolation thermique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les moyens formant pont thermique comprennent un organe de transfert thermique (44) interposé entre la jonction (10) et ladite paroi cylindrique (34). 4. Isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée par le fait que les extrémités de la paroi cylindrique (34) sont appliquées sur les parties adjacentes (22,24) de l'isolation thermique par des organes de serrage (36,38), des joints d'étanchéité (40,42) étant interposés entre lesdites extrémités et lesdites parties adjacentes.