Brevet FR2827940A1 — publié le 20030131

dans le domaine des hautes températures. PROCEDE D' ISOLATION THERMIQUE D'UNE STRUCTURE METALLIQUE DONT LES DEUX FACES SONT SOUMISES A DES TEMPERATURES CRYOGENIQUES DESCRIPTION Domaine technique L' invention concerne un procédé concu pour assurer l' isolation thermique d'une structure métallique dont les deux faces sont soumises à des températures cryogéniques. Dans l'ensemble du texte, l'expression "températures cryogénianes" doit étre comprise comme désignant des températures très basses, telles que celles de l'oxygène liquide (90 K) et de l'hydrogène licuide (20 K). L' invention s'applique nctamment à l' isolation thermique d'un fond commun à deux réservcTrs contenant des fluides cryogéniques tels que de l'hydrogène et de l'oxygène en phases liquides. En particulier, une application privilégiée de linvention concerne lisolation thermique de réservoirs appartenant à des véhicules ou à des engins utilisés dans les domaines aéronautique et spatial. Etat de la technique Pour assurer l' isolation thermique des structures métalliques à usage cryogénique, plusieurs techniques sont actuellement utilisées. Le choix entre ces techniques est différent selon que ces structures présentent une ou deux faces soumises à des températures cryogéniques. Dans le cas de structures isolées soumises à des températures cryagéniques, telles qu'un réservoir contenant deux ergols séparés par un fond commun, lisolation thermique est généralement obtenue en réalisant ledit fond sous la forme d'une double paroi métallique dans laquelle on fait le vide. Ce type d' isolation permet d'éviter le refroidissement par conduction et donc la solidification de l'ergol le moins froid, par exemple de l'oxygène liquide, dus à la température plus basse de l'autre ergol, par exemple de l'hydrogène liquide, contenu dans l'autre compartiment du réservoir. Une deuxTème technique connue d' isolation thermique consiste à isoler le fond comun aux deux réservoirs au moyen d'un voile en tissu de verre enduit de polyLétraLluaréthylène ou PTFE. Dar s le cas o les ergols contenus dans le récervoir sont de l'hydrogène et de l'oxygène, on colle ledit voile du côté de lhydrogène, si les matériaux qui les constituent supportent les très basses températures allant jusqu'à K. En effet, le voile est incompatible avec l'oxygène liquide, notamment en raison d'un risque d' inflammation. Cette deuxième technique connue d' isolation présente l'avantage d'être étanche au liquide (hydrogène) sous un faible gradient de pression. En outre, le voile est perméable au gaz de vaporisation, de telle sorte qu'un matelas de gaz isolant d' environ mm dépaisseur est formé entre le voile et le fond commun du récervoir. Pour des raisons économiques, cette deuxTème technique connue d' isolation thermique est progressivement remplacce par une troisième technique connue, qui consiste à coller des panneaux thermiquement isolants sur les surfaces à protéger. En effet, une caloUte dont les dimensions correspondent à environ 50% de la surface du fond commun suffit à assurer l' isolation thermique désirce. Les panneaux isolants sont généralement réalisés dans une mousse à cellules fermées de type polychlorure de vinyle. La caloUte est obtenue en juxUaposant des secteurs de panneaux isolants, préalablement découpés à la forme souhaitée. Pour les mêmes raisons que lorsque lisolation est obtenue au moyen d'un voile, dans le cas o les ergols contenus dans le récervoir sont de lhydrogène et de l'oxygène, on colle les panneaux isolants du côté de l'hydrogène, si les matériaux qui les constituent supportent les très basses températures allant jusqu'à K. Lorsque cette troisième technique connue est utilisée, l'épaisseur des panneaux isolants est de l'ordre de 10 mm. Quand le réservoir est utilisé comme moteur pour la propulsion d'un véhicule ou d'un engin, cette épaisseur garantit le respect du domaine fonctionnel de la propuleion. Après le collage des panneaux thermiquement isolants sur le fond commun, un revêtement primaire de colmatage doit impérativement être appliqué sur lesdits panneaux, pour éviter la pollution de lergol par le matériau qui les constitue. Si, pour des raisons économiques, lutilisation de panneaux thermiquement isolants est préférce à celle d'un voile en tissu de verre enduit de PTFE, le recours à des panneaux thermiquement isolants reste d'une mise en _uvre complexe et coûteuse. En effet, sans rentrer dans le détail de la gamme opératoire, il est rappelé que cette mise en _uvre impose les phases opératoires suivantes: - découpe des panneaux thermiquement isolants par secteurs, de manière à former une caloLte; - mise en forme desdits panneaux afin qu'ils épousent sans contrainte le fond du réservoir; -traitement de surface du fond du réservoir, avant la projection d'un revêtement primaire destiné à assurer une bonne adhérence de l'adbésif utilisé pour coller panneaux; - utilisation d'un tissu de verre pour l'encollage des panneaux, afin de remédier aux efforts de pelage aux basses températures; - utilisation d'un sac à vide ou d'un moyen de pression pour maintenir les panneaux contre le fond pendant toute la phase de polymérisation de la colle; et - application d'un revêtement primaire de colmatage des cellules à nature fermée du matériau, indispensable pour remédier aux risques de pollution engendrés par la perte de nombreuses particules dudit matériau. En conclusion, il apparaît qu'aucune des techniques utilisoes à ce j our pour assurer l' isolation thermique de structures métalliques dont les deux faces sont soumises à des températures cryogéniques n'est réellement satisfaisante. Exposé de 1' invention L' invention a précisément pour objet un procédé d' isolation thermique d'une structure métallique dont les deux faces sont soumises à une température cryogénique, la conception originale dudit procédé lui permettant d'envisager une production en série à un coût industriel raisonnable, toUt en procurant les qualités d' isolation requises. Conformément à l 'invention, ce résultat est obtenu en mettant en _uvre un procédé d' isolation thermique d'une structure métallique présentant deux faces opposées prévues pour être soumises à des températures cryagéniques, caractérisé en ce qu'on applique un film d'adhésif sur lune desdites faces de la structure métallique, puis on projette une mousse de polyuréthanne sur cet adhésif, avant la polymérisation de celui-ci. La mise en place dun adhésif avant la projection de la mousse de polyuréthanne permet dassurer une forte adbérence de la protection thermique sur la structure. Cette adbérence permet d'éviter la fissuration de la couche de mousse isolante jusqu'à la structure, malgré la fragilisation de ladite couche à basse température. Contrairement aux règles de l'art, la projection de la mousse isolante s'effectue avant la polymérisation et, plus précisément, avant le début de gel de l'adhésif, ce qui correspond à la fin de durée de vie en pot de celui-ci. Cette caractéristique permet de réaliser un cycle d'industrialisation sans attente. Elle permet aussi de mettre en place la mousse isolante sans avoir recours à un sac à vide, à un système de mise en pression de ladite mousse ou à un quelcouque tissu d'imprégnation tel qu'un tissu en fibres de verre. I1 est à noter que l'application de l'adbésif ne nocessite pas au préalable la pose dun revêtement primaire sur la surface de la structure à protéger, contrairement à ce qui est généralement obligaUcTre lorsqu' on désire obtenir l'aclhérence d'ure isola_ior sur une structure métallique. I1 est à noter également que l'utilisation dune mousse de polyuréthanne ne nocessite pas, a;c.-ès polymérisation, l'application d'une couche primaire de colmatage, pour remédier aux risques de pollution engendrés par la perte de nombreuses particules des panneaux thermiquement isolants actuellement utilisés. En effet, la mousse projetée forme une croûte en surface, lors de sa polymérisation. Cette croûte est plus dure et ne génère pas de pollution. Dans un mode de réalisation préféré de l 'invention, on obtient ladbécif en mélangeant un polyol et un isocyanate. Ce mode de mise en _uvre permet d'optimiser la compatibilité de la nature chimique de l'adhésif avec celle de la mousse en polyuréthanne, celle-ci étant également constituée en mélangeant un polyal et un isocyanate. En effet, on tire ainsi pleinement profit du fait que la polymérisation de l'adhésif s'effectue en même temps que celle de la mousse isolante. Ce choix préférentiel de compatibilité chimique de ladhésif et de la mousse évite une baisse des caractéristiques mécaniques de l' isolation thermique à l' interface entre ces deux composants, qui faciliterait l'effet de pelage au niveau de l'adhésif. Le film d'adhésif obtenu doit être mince, pour éviter un délaminage de l' isolation au niveau de l' interface de collage. Ainsi, l'épaisseur du film d'adbésif projeté sur la structure est. de préférence, comprise entre environ 50 microns et environ 150 microns, l'épaisseur optimale étant d' environ 100 mlcrons. Avantageusement, on projette la mousse de polyuréthanne de façon à obtenir une couche d'épaisseur comprise entre environ 10 mm et 15 mm. Cette couche isolante est projetée, en une ou deux étapes, grâce à lapplication préliminaire de l'adhésif. En effet, celui-ci remplace avantageusement l'application d'une première couche de mousse de polyuréthanne, dite "couche d'accrochage", et permet d'obtenir une isolation thermique efficace sans qu'il soit nécessaire de procéder à un chauffage du support métallique. L'adbésif peut être appliqué sur la structure métallique à isoler soit, de préférence, par projection, soit au moyen d'une spatule, suivant la taille et la forme de ladite structure. Lorsque ladhésif est projeté sur la structure à protéger, la projection peut se faire au travers dun pochoir. Pour optimiser les caractéristiques de la mousse et, éventuellement, de l'adhésif lorsque ce dernier fait partie de la famille des polyuréthannes et est mis en place par projection, les projections sont faites sous une aLmosphère dont la température est régulée à 20 C+3 C. Pour la même raison, l'hygrométrie de l'aLmosphère dans laquelle s'effectuent les projections est avantageusement réqulée à moins de 60%. Lors de la projection de la mousse, la structuré à protéger peut étre orientée soit horizontalement, soit verticalement. Brève description du dessin On décrira à présent, à titre d'exemple illustratif et nullement limitatif, une forme préférée de mise en uvre du procédé selon l'invention, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure urique est une vue d'ensemble qui représente schématiquement un réservoir apte à contenir deux fluides cryogéniques différents, séparés par un fond commun revêtu partiellement d'une isolation thermique mise en place par le procédé selon l' invention. Description détaillée d'une forme préférée de mise en _uvre de l' invention La description qui va suivre, faite en référence à la figure unique, se rapporte à une application préférée de l'invention. Cette application concerne la réalisation de l' isolation thermique 12 dun fond commun 10 assurant la séparation entre deux ergols 14 et 16 à l'intérieur d'un réservoir cryotechnique principal 18 d'un lanceur tel que le lanceur Ariane 5. Plus précisément, les deux ergols 14 et 16 sont respectivement de l'oxygène liquide à la température de 90 K et de l'hydrogène liquide à la température de 20 K. Le réservoir 18 ainsi que son fond commun 10 sont réalisés en tôles métalliques. Avant de décrire en détail cette application préférée du procédé selon l 'invention, il est rappelé que celle-ci ne doit en aucun cas être considérée comme limitative de la portée de l' invention. En effet, linvention peut être utilisée dans tous les cas o lon désire assurer l' isolation thermique d'une structure métallique quelconque dont les deux faces sont soumises à des températures cryogéniques. Dans un pemier temps, Gn prépare la surface du fond commun 10 que l'on déaire protéger thermiquement, c'est-à-dire au moins la partie centrale de la face du fond 10 prévue pour être en contact avec lhydrogène liquide 16. Cette préparation de surface a pour objet de donner à ladite surface une tens ion superf ic iel le suffisante pour assurer une adhérence optimale de l'adhésif. Elle peut prendre différentes formes bien connues de l'homme du métier. Ainsi, elle consiste généralement en une opération de dograissage alcalin, suivie dun rinçage à l'eau déminéralisoe ou d'émerisage à l' aide d'un abrasif de grade fin, ou encore de sablage au corindon de faible granulométrie, pour éviter de dégrader la structure métallique. Lorsque certaines parties de la structure métallique à protéger, telles que des inserts ou autres, ne doivent pas être recouvertes d' isolation thermique, on place au préalable des éléments de masquage sur les emplacements correspondants de ladite structure. Dans un délai aussi court que possible (généralement moins de 8 heures) afin d'éviter une nouvelle pollution de la surface, l'étape de préparation de ladite surface est suivie d'une étape d' application d'un adhésif sur celle-ci. L'adhésif est avantageusement un polyuréthanne constitué d'un polyol et d'un isocyanate. Il est choisi d'une part pour sa durée de vie en pot et dautre part de façon à pouvoir conserver ses propriétés jusquà une température cryagénique d' environ 20 K. L'application de l'adbésif s'effectue de prétérence par projection. Le réservoir 18 est alors positionne sur des vireurs, afin que le fond co.mun 10 soit orienté verticalement. Lorsque l'adhécif est projeté sur une structure suspendue, la projection est faite au travers d'un pochoir (fine grille), afin de permettre l'accrochage de l' isolation sur le support à certains emplacements. En variante, l'application de l'adhésif peut aussi être faite à l' aide d'une spatule, suivant la taille et la forme de la structure à protéger. L' épaisseur du film d' adbésif ou de colle ainsi obtenue est avantageusement comprise entre environ 50 microns et environ 150 microns. L'épaisseur optimale est denviron 100 microns. On projette ensuite sur la surface ainsi préparée et revêtue d'adhésif une couche de mousse polyuréthanne. Cette projection s'effectue avant la polymérisation de l'adbésif et, plus précisément, avant le début de gel de l'adhésif ou, en d'autres termes, avant la fin du temps d'ouverture de l'adhésif. Dans lapplication décrite, cela correspond à un délai inférieur à 150 minutes. La projection de la mousse polyoréthane s'effectue sous une atmosphère dont la température est réqulée à 20 C+3 C, avec une hygrométrie inférieure à %. Les machines destinées à assurer la projection de l'adbésif, puis de la mousse sont préparées et églées au préalable avec un certain nombre de paramètres, afin de respecter au mieux les conditions opératoires requises pour obtenir la qualité de mousse désirée (masse volumique inférieure à Kg/m 3). Lorsque l' isolation a été déposoe sur la structure, on mesure l'épaisseur de la couche déposée, afin de la contrôler. Cette mesure peut être faite à l' aide de tout moyen de mesure non destructif tel qu'un capteur à courant de Foucault ou similaire. Dans la forme préférée de mise en _uvre de l'invention, l'épaisseur de la couche de mousse isolante est comprise entre environ 10 mm et environ 15 mm. Si la mesure d'épaisseur révèle qu'une deuxième couche de mousse doit être déposée, l'application d'un nouveau film d'adhésif n'est pas indispensable. Toutefois, la présence d'un tel film améliore considérablement l'adbérence entre les deux couches de mousse. Afin d' assurer l'adhérence de la mousse isolante après sa projection, la structure à isoler thermiquement ne doit pas être manipulée tant que l'adhésif n'est pas polymérisé. REVEND I CAT I ONS 1. Procédé d' isolation thermique d'une structure métallique présentant deux faces opposées prévues pour être soumises à des températures cryagéniques, caractérisé en ce qu'on applique un film dadhésif sur l'une desdites faces de la structure métallique, puis on projette une mousse de polyuréthanne sur cet adhésif, avant la polymérisation de celui-ci. 2. Procédé d' isolation thermique selon la revendication 1, dans lequel on obtient l'adhésif e mélangeant un polyal et un isocyanate. 3. Procédé disolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on applique un film d'adhésif sur une épaisseur comprise entre environ 50 microns et environ 150 microns. 4. Procédé d' isolation thermique selon la revendication 3, dans lequel on applique un film d'adhésif sur une épaisseur d' environ 100 microns. 5. Procédé d' isolation thermique selon l'une quelcouque des revendications précédentes, dans lequel on projette la mousse de polyuréthanne de facon à obtenir une couche d'épaisseur comprise entre environ mm et 15 mm. 6. Procédé d' isolation thermique selon l'une quelcouque des revendications 1 à 5, dans lequel on applique l'adhésif sur ladite face par projection. 7 Procédé d' isolation thermique selon la revendication 6, dans lequel on projette l'adhésif au travers d'un pochoir. 8. Procédé d' isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on applique l'adhésif sur ladite face à l' aide d'une spatule. 9. Procédé d' isolation thermique selon l'une quelcouque des revendications précédentes, dans lequel on projette la mousse et, éventuellement, l'adhésif sous une aLmosphère dont la température est régulée à C+3 C. 10. Procédé d' isolation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on projette la mousse et, éventuellement, l'adhésif sous une atmosphère dont l'hygrométrie est réqulée à