Brevet FR2932243A1 — publié le 20091211

La présente invention concerne un dispositif d'isolation thermique pour réservoir de liquide cryogénique, un réservoir cryogénique et un procédé de protection d'une couche d'isolation cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'isolation thermique destiné à être disposé sur une surface interne d'un réservoir cryogénique, le dispositif comprenant une première couche d'isolant rigide tel qu'une mousse de polychlorure de vinyle (PVC). L'invention concerne l'isolation cryogénique d'un réservoir cryotechnique via l'intérieur, notamment pour un réservoir d'hydrogène liquide de lanceurs 10 spatiaux. L'invention s'applique notamment aux réservoirs dits à fond commun entre deux volumes de stockages prévus pour deux fluides distincts (hydrogène et l'oxygène par exemple), pour lequel une isolation doit être mise sur la paroi inter-volumes, du côté d'un des fluides (côté hydrogène liquide par exemple). 15 L'invention peut s'appliquer également à l'isolation interne pour réservoir de lanceurs spatiaux réutilisables, pour lesquels, du fait de la présence d'une isolation thermique externe (dite chaude) prévue pour la phase de réentrée atmosphérique, il est préférable de placer l'isolation cryogénique (dite froide) à l'intérieur du réservoir, notamment sur les zones cylindriques du réservoir. 20 Une solution d'isolation connue pour ce type de réservoir consiste à disposer une couche d'isolant à structure en nid d'abeille entre deux parois et à prévoir une isolation sous vide de cette structure. Cette solution est cependant coûteuse et complexe, en particulier pour les réservoirs de grande taille. Une autre solution connue consiste à disposer sur la surface interne des 25 réservoirs une couche d'isolant ayant une structure de mousse étanche et rigide. Cette isolation rigide étanche est par exemple celle désignée par la référence H920A de la société l'Air Liquide. Cette dernière solution isole de façon satisfaisante les réservoirs mais peut présenter des inconvénients lorsque la couche d'isolant est soumise à des 30 températures très basses (20K par exemple) pendant des durées relativement longues (plusieurs heures). En effet, la demanderesse a constaté que, du fait de la contraction thermique relative entre la paroi du réservoir (alliage d'aluminium en général) et la mousse d'isolation (soumise à une température telle que 20 K par exemple), et du fait du très faible allongement admissible de cette mousse, des fissures sont susceptibles de se produire au sein de la structure isolante. Ces fissures dégradent les performances d'isolation du réservoir, notamment par circulation de liquide cryogénique dans ces fissures. Le document DE 2423381 concerne des réservoirs en béton isolés nécessitant une couche de résine époxy étanche et deux couches de mousse (respectivement en mousse PU expansée et en mousse en alvéoles ouvertes). Ce système est inadapté aux lanceurs spéciaux car notamment la couche de mousse à cellule ouverte est entièrement imbibée de liquide cryogénique lors de son utilisation. Le document DE 2543840 décrit une isolation de réservoir de bateau stockant du liquide à la pression atmosphérique et isolé via deux couches de mousse PU respectivement à cellules ouvertes et fermées. Ce type d'isolation est inadapté aux réservoirs cryogéniques de lanceurs spatiaux du fait de ses caractéristiques mécaniques. Le document CH 484394 décrit un stockage de gaz liquéfié utilisant une couche de PVC à cellules fermées ayant des caractéristiques incompatibles avec les contraintes des réservoirs de lanceurs spatiaux. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif d'isolation thermique selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte une seconde couche souple d'isolant ayant une structure de mousse à cellules ouvertes, ladite seconde couche étant destinée à former un écran entre le liquide cryogénique et la première couche d'isolant, la première couche d'isolant ayant une épaisseur comprise entre 5 et 60 mm et de préférence entre 10 et 20 mm et en ce que la seconde couche d'isolant a une épaisseur comprise entre 5 et 40 mm et de préférence entre 15 et 25 mm. De cette façon, la seconde couche d'isolation permet de créer un tampon 30 de gaz entre le liquide stocké et la surface de l'isolation en mousse rigide existante. Cet agencement permet d'augmenter la température de surface de la première couche d'isolation rigide. Ceci permet d'obtenir une contraction thermique différentielle réduite entre d'une part la peau ou paroi du réservoir et, d'autre part, la couche d'isolation rigide. De plus, l'invention permet un allongement admissible à défaillance plus élevé. De cette façon, on évite que l'ergol liquide, par exemple hydrogène liquide, ne rentre dans les fissures et n'induise de forts flux thermiques par vaporisation. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la seconde couche d'isolant est collée sur une face à une première couche d'isolant, - la seconde couche d'isolant a une structure souple, - la seconde couche d'isolant comprend ou est constituée d'une mousse de polyimide, - la première couche d'isolant a une épaisseur comprise entre 5 et 60 mm et de préférence entre 10 et 20 mm, - la seconde couche d'isolant a une épaisseur comprise entre 5 et 40 mm 15 et de préférence entre 15 et 25 mm, - la seconde couche d'isolant est constituée d'un matériau ayant une densité comprise entre 5 et 20 kglm3. Un autre but de l'invention est de proposer un réservoir pour liquide cryogénique comprenant au moins une paroi délimitant un volume de stockage 20 pour du liquide cryogénique, comportant, disposé sur au moins une partie de la surface interne de la ou des parois, un dispositif d'isolation thermique conforme à l'une quelconque des caractéristiques précédentes, la seconde couche d'isolant étant interposée entre le volume de stockage destiné à contenir le liquide cryogénique et la première couche d'isolant. 25 Selon d'autres particularités possibles : - la première couche d'isolant est collée sur la paroi, - la paroi est métallique, en alliage d'aluminium ou en matériau composite (fibres de carbone par exemple), - la paroi délimite un volume de stockage interne par rapport au volume 30 chaud extérieur au réservoir, - le réservoir est du type à fond commun comportant deux volumes de stockage cryogéniques internes distincts destinés à stocker séparément des liquides distincts, une paroi inter-volumes délimitant le premier volume de stockage intérieur par rapport au second volume de stockage intérieur, une face de la paroi inter-volumes comprenant un dispositif d'isolation thermique conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de protection d'une couche d'isolation interne rigide disposée sur une face interne d'une paroi d'un réservoir de fluide cryogénique. Selon une particularité avantageuse, le procédé comporte une étape de réalisation d'un tampon gazeux entre la couche d'isolation interne rigide et le fluide stocké au moyen d'une couche d'isolation intermédiaire à structure ouverte interposée entre la couche d'isolation rigide et le fluide stocké, la couche d'isolation intermédiaire à structure ouverte étant conformée pour former un gradient de température entre la couche d'isolation rigide et le fluide stocké. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe partielle et schématique illustrant l'agencement d'un dispositif d'isolation dans un réservoir à fond commun selon un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue agrandie d'un détail de la figure 1 illustrant l'agencement de l'isolation sur une paroi du réservoir, - la figure 3 représente une vue agrandie d'un détail d'un second exemple de réalisation d'une isolation selon l'invention dans un réservoir réutilisable. En se référant à la figure 3, au moins la paroi cylindrique 3 d'un réservoir cryogénique comprend, sur sa surface intérieure en communication avec du liquide cryogénique stocké dans le réservoir, une couche 1 d'isolation étanche en mousse rigide classique. Cette première couche 1, par exemple collée sur la paroi métallique, peut avoir une épaisseur de l'ordre de 25 à 50 mm par exemple. Sur cette première couche 1 est collée une seconde couche 2 de mousse d'isolation souple à cellules ouvertes. Par structure à cellules ouvertes on désigne par exemple une structure poreuse dont les pores communiquent avec l'extérieur. De préférence la seconde couche 2 a une structure souple et élastique à température ambiante et à la température d'utilisation. Cette seconde couche 2 est par exemple constituée d'une mousse souple, élastique et de faible densité (par exemple comprise entre 5 et 20 kglm3). La seconde couche 2 est par exemple constituée de solimide AC 550 ou tout autre matériau équivalent. Les polymères peuvent être classés parfois selon trois grandes familles 1) les polymères de commodité (type PVC, Polystyrène, ...), 2) les polymères techniques (type polyuréthane, ..) et 3) les polymères de spécialité (type poiyimide, polysulfone, ...). Ce classement est généralement un classement économique. De préférence la seconde couche 2 n'est pas constituée ou ne comprend pas de polymère du type polyuréthane. De préférence, la seconde couche 2 à cellules ouvertes est réalisée en polymère de spécialité. L'épaisseur de la seconde couche 2 est par exemple de l'ordre de 15 à 25 mm. Cette seconde couche 2 d'isolation permet une dépressurisation rapide du réservoir sans dégradation des cellules 2 ouvertes (du fait notamment de sa densité et de sa structure permettant au fluide de s'en échapper en cas de dépressurisation rapide). Comme représenté, la structure d'isolation est particulièrement adaptée 20 pour former une isolation optimale entre l'intérieur d'un réservoir contenant de l'hydrogène liquide (H2L) (ou tout autre liquide cryogénique) et l'extérieur (EXT). Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 et 2, une structure d'isolation identique est disposée sur une face d'une paroi 3 interne séparant 25 deux volumes de stockages adjacents d'un même réservoir. Un tel réservoir à fond commun permet de stocker séparément deux fluides distincts (par exemple de l'hydrogène liquide (H2L) et de l'oxygène liquide (O2L). Le dispositif d'isolation est disposé sur la face de la paroi située du côté de l'hydrogène liquide (plus froid). 30 La première couche 1 d'isolation rigide a par exemple une épaisseur comprise entre 10 à 50 mm et la seconde couche 2 d'isolation en mousse souple à cellule ouverte a par exemple une épaisseur de l'ordre de 20 mm environ. L'invention permet de générer un tampon gazeux entre le liquide stocké et la couche d'isolation 1 rigide du fait que le fluide se vaporise dans les cellules ouvertes de la seconde couche 2. La température de surface de la mousse 1 rigide est ainsi augmentée aux alentours de, par exemple 70 à 80 K. A cette température, les caractéristiques mécaniques de la couche 1 rigide sont améliorées. De plus, la couche 2 de mousse à cellules ouvertes permet d'éviter d'avoir de forts échanges thermiques dans les zones à fortes déformations du réservoir (flexions, singularités) où des fissures seraient susceptibles de se produire (dans la couche d'isolation rigide). En effet, le tampon gazeux dans la seconde couche 2 empêche le liquide de pénétrer dans les fissures qui pourraient se former dans la première couche 1. Cette isolation est particulièrement adaptée aux applications en 15 microgravité. Dans ce cas, le tampon gazeux au sein de la seconde couche 2 est épais et l'isolation est particulièrement performante. L'invention peut également être utilisée pour le stockage d'autres fluides cryogéniques tels que le méthane par exemple. REVENDICATIONS1. Dispositif d'isolation thermique destiné à être disposé sur une surface interne d'un réservoir de liquide cryogénique de lanceur spatial, le dispositif comprenant une première couche (1) d'isolant rigide tel qu'une mousse de polychlorure de vinyle (PVC), la première couche (1) d'isolant étant collée sur la paroi (3), caractérisé en ce qu'il comporte une seconde couche (2) d'isolant souple ayant une structure de mousse à cellules ouvertes, ladite seconde couche (2) étant destinée à former un écran entre le liquide cryogénique et la première couche (1) d'isolant, la première couche (1) d'isolant ayant une épaisseur comprise entre 5 et 60 mm et de préférence entre 10 et 20 mm et en ce que la seconde couche (2) d'isolant a une épaisseur comprise entre 5 et 40 mm et de préférence entre 15 et 25 mm. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche (2) d'isolant est collée sur une face de la première couche (1) d'isolant. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde couche (2) d'isolant comprend ou est 20 constituée d'une mousse de polymère du type dit de spécialité tel que le polyimide. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde couche (2) d'isolant est constituée d'un 25 matériau ayant une densité comprise entre 5 et 20 kg/m3. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'isolation globale (première couche et seconde couche) a une masse surfacique inférieure à 2,5 kglm2. 6. Réservoir pour liquide cryogénique de lanceur spatial éomprenant au moins une paroi (3) délimitant un volume de stockage pour du liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'il comporte, disposé sur au moins une partie de la surface interne de la ou des parois (3), un dispositif d'isolation thermique 30conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, la seconde couche (2) d'isolant étant interposée entre le volume de stockage destiné à contenir le liquide cryogénique et la première couche (1) d'isolant. 7. Réservoir selon la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi (3) est métallique, en alliage d'aluminium ou en matériau composite. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la paroi (3) délimite un volume de stockage interne par 10 rapport au volume (EXT) chaud extérieur au réservoir. 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 6 ou 8, caractérisé en ce qu'il est du type à fond commun comportant deux volumes de stockage cryogéniques internes distincts destinés à stocker séparément des 15 liquides distincts (H2L, 02L), une paroi (3) inter-volumes délimitant le premier volume de stockage intérieur par rapport au second volume de stockage intérieur, une face de la paroi (3) inter-volumes comprenant un dispositif d'isolation thermique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7. 20 10. Procédé de protection d'une couche (1) d'isolation interne rigide disposée par collage sur une face interne d'une paroi (3) d'un réservoir de fluide cryogénique de lanceur spatial, comportant une étape de réalisation d'un tampon gazeux entre la couche (1) d'isolation interne rigide et le fluide stocké (H2L) au moyen d'une couche (2) d'isolation intermédiaire à structure ouverte 25 interposée entre la couche (1) d'isolation rigide et le fluide stocké (H2L), la couche (2) d'isolation intermédiaire à structure ouverte étant conformée pour former un gradient de température entre la paroi (3) du réservoir et le fluide stocké (H2L), la première couche rigide (1) d'isolant ayant une épaisseur comprise entre 5 et 60 mm et de préférence entre 10 et 20 mm, la seconde 30 couche intermédiaire (2) d'isolant ayant une épaisseur comprise entre 5 et 40 mm et de préférence entre 15 et 25 mm. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le fluide cryogénique est stocké dans le réservoir à une pression supérieure à 3 bar et de préférence entre 3.5 et 4.5 bar.