Brevet FR3001278A1 — publié le 20140725

La présente invention se rapporte principalement au domaine des dispositifs et méthodes de construction pour le bâtiment, notamment pour la réalisation de parois isolantes. Elle concerne plus particulièrement un assemblage de matériaux destiné à augmenter la résistance thermique du chemin thermique parcouru par un flux de chaleur entre deux faces opposées à l'extérieur dudit 15 assemblage. Pour mémoire les matériaux possèdent une grandeur physique dite « conductivité thermique » : LAMBDA (X) exprimée en W m'1 K-1 pour 1 m2. On peut calculer une « résistance thermique » Rth exprimée en K W1 avec la 20 formule : Rth = (1/X) * (L/S) où L est la longueur du matériau dans le sens de l'échange thermique, exprimée en mètre, et S est la surface au travers de laquelle le flux de chaleur circule, exprimée en m2. En l'état actuel de la technique, la recherche de la plus forte résistance 25 thermique possible entre deux faces extérieures opposées peut se faire par un des six moyens cités ci-dessous. Selon un premier moyen, on fait le choix de matériaux solides pleins. A la plus forte résistance thermique correspond la plus faible conductivité thermique. En 30 l'état actuel des matériaux connus le polystyrène avec X = 0,04 est couramment utilisé et certains matériaux sont donnés pour des I légèrement plus faibles. Selon un deuxième moyen, on piège l'air dans un système fibreux. On remarque en effet que l'air possède un très faible X. Ce système fibreux va éviter le transport de l'énergie par la convection de l'air, laquelle venant en plus de la conduction diminue la résistance thermique. La méthode a ses limites car le système fibreux lui-même, composé de fibres solides, apporte une conduction qui diminue la résistance thermique. Avec I air = 0,025 et X fibre = 1 on réalise des isolations avec X global autour de 0,030 à 0,040. Selon un troisième moyen, on peut aussi piéger l'air dans un réseau de microbulles. On retombe sur le même problème que pour le deuxième moyen car on utilise des matériaux dits plastiques avec le a, plastique autour de 0,15. Même en prenant bien soin d'arrêter les rayonnements avec des surfaces qui réfléchissent les rayonnements thermiques, le résultat final, X global, reste autour de 0,030 à 0,040. Selon un quatrième moyen, on peut aussi piéger l'air dans des aérogels. Avec des aérogels on peut approcher de très près le X de l'air. D'une manière générale, on peut approcher le X de l'air mais on ne peut pas descendre en dessous. Ayant aussi été remarqué que le vide ne permet ni la conduction ni la convection, seul le rayonnement thermique se propageant dans le vide. Selon un cinquième moyen, il a ainsi été créé une bouteille doublée d'une autre, les deux réunies au niveau du col. L'espace entre les deux bouteilles est tapissé d'une matière qui réfléchit les rayonnements thermiques et le vide est fait entre les deux bouteilles. Ceci donne de très bons résultats mais entre l'intérieur d'une bouteille et l'extérieur de l'autre. Ce n'est donc pas adapté à l'utilisation dans la construction d'un bâtiment. Selon le sixième moyen, des structures adaptées à la construction sont proposées formant des panneaux isolants sous vide. Elles donnent de très bons résultats en terme de a,. Il est possible de produire des panneaux minces. Il semble que la durée de vie de ces structures reste limitée du fait que les enveloppes de ces panneaux ne sont pas parfaitement imperméables à l'air. L'invention a pour but de proposer un dispositif et un procédé qui permettent d'obtenir une isolation thermique améliorée entre les deux faces d'une paroi, notamment entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Selon l'invention, un tel dispositif est formé d'un élément de construction thermiquement isolant caractérisé en ce qu'il comprend : - deux parois latérales comprenant chacune une surface extérieure distantes l'une de l'autre selon un axe ; - un tube reliant lesdites parois entre elles de façon sensiblement étanche aux gaz ; - au moins un réflecteur pour des rayonnements thermiques, disposé dans le tube, sensiblement transversalement à l'axe, présentant une surface réfléchissante sensiblement en vis-à-vis de l'une ou l'autre desdites parois latérales ; lesdites parois latérales et le tube formant ensemble un volume sous vide. Un réflecteur au moins, parmi les réflecteurs, peut être disposé contre l'une des parois latérales en vis-à-vis de l'autre paroi latérale. Un réflecteur au moins, parmi les réflecteurs, est avantageusement un réflecteur intermédiaire disposé à distance des parois latérales. Ce réflecteur intermédiaire peut comprendre deux surfaces réfléchissantes, chacune en vis-à-vis d'une paroi latérale respective. Il peut en outre constituer un moyen de renfort transversal pour le tube. Il peut aussi être percé d'un trou pour faire circuler l'air lors de la mise sous vide. Le tube peut en outre comprendre au moins une nervure de renfort s'étendant longitudinalement le long d'une de ses faces internes ou dans un angle. De préférence, le réflecteur est en contact avec le tube sensiblement sur la totalité d'un bord périphérique dudit réflecteur, ledit bord périphérique étant de préférence biseauté. L'invention porte aussi sur un procédé de construction d'une paroi isolante, caractérisé en ce qu'il comprend l'utilisation d'éléments de construction selon 1' invention. La présente invention propose ainsi, un dispositif formant des briques de construction et un procédé d'assemblage de matériaux entre deux plans opposés, en construisant un multiplicateur de résistance thermique, ce qui permet de réaliser de telles briques solides, peu fragiles, de taille standardisée, pouvant être produites en série. La construction de ces briques peut être réalisée avec des technologies actuellement connues et maîtrisées. Plusieurs modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 illustre schématiquement, en coupe et en élévation, un dispositif de brique selon l'invention et le principe de son assemblage ; la figure 2 illustre quatre différentes formes de section pour un tube utilisé pour former une brique selon l'invention ; la figure 3 illustre, en section, deux modes de réalisation pour une section de tube, l'une hexagonale, l'autre carrée, chacune comprenant des nervures, et pour chacun, un réflecteur/renfort correspondant ; la figure 4 illustre un exemple de disposition pour des réflecteurs/renforts dans un tube et un détail de contact entre ce tube et un réflecteur/renfort ; et, la figure 5 illustre schématiquement, en coupe, un mode de réalisation pour une brique selon l'invention, dans sa position dans une cloison. La figure 1 illustre un dispositif du type brique de construction 1. Dans l'exemple illustré, la brique 1 présente une direction d'allongement selon un axe de symétrie X1. La brique 1 comprend deux volumes d'un matériau solide formant chacun une paroi latérale 2,3, chacune définissant une face latérale 4,5 respective de la brique, sensiblement transversal à l'axe X1 ; la brique s'étend selon la direction définie par l'axe X1 entre les deux faces latérales 4,5. Dans un bâtiment, la brique 1 est prévue pour être disposée de sorte que les échanges d'énergie se font principalement entre les faces latérales 4,5, sensiblement selon l'axe X1. Par exemple, l'une des faces latérales 4,5 peut être en contact avec l'environnement extérieur du bâtiment, l'autre face étant en contact avec l'environnement intérieur de ce bâtiment. La brique comprend en outre un tube 6 en matériau solide reliant entre elles les deux parois latérales 2,3. Le tube est formé d'une ou plusieurs parois périphériques 7 d'épaisseur e. L'épaisseur e est choisie faible pour limiter les échanges thermiques par conduction entre les deux parois latérales 2,3. La surface de la section solide d'épaisseur e, mesurée transversalement aux parois périphériques 7 est notée Sb. Dans l'exemple illustré, la section du tube 6 et l'épaisseur e, mesurées perpendiculairement à l'axe X1 sont sensiblement constantes, les parois 7 du tube 6 s'étendent sensiblement perpendiculairement aux parois latérales 2,3, et, les parois périphériques 7 sont reliées à chaque paroi latérale le long d'un bord périphérique de ladite paroi latérale. Ainsi, les dimensions extérieures de la -6 brique 1, mesurées transversalement à l'axe Xl, sont sensiblement constantes d'une face 4,5 à l'autre. Les différents éléments formant les parois latérales 2,3 et le tube 6 sont liées entre eux de façon rigide et étanche à l'air ; ainsi, la liaison C entre chacun des deux volumes des parois latérales 2,3 et le tube 6 est solide et étanche. Le volume intérieur V défini entre les parois latérales et le tube est avantageusement placé sous vide. Les matériaux des parois latérales et du tube son suffisamment étanches pour limiter l'introduction d'air ou de vapeur pendant un temps suffisamment long, compatible avec l'usage de lo l'assemblage ; par exemple, pour une brique selon l'exemple, on considèrera la durée de vie de la construction dans laquelle elle est prévue de s'intégrer. Une telle disposition permet de limiter les échanges par convection à l'intérieur du volume V, notamment entre les parois latérales 2,3. 15 Avantageusement, pour limiter les échanges thermiques par rayonnement entre les deux parois latérales, directement ou indirectement, un ou plusieurs réflecteurs 8,9 sont disposés dans le volume V, entre les parois latérales. Les réflecteurs occupent chacun une section du tube 6, c'est-à-dire qu'ils s'étendent entre les parois du tube en y occupant toute la section de tube 20 correspondante. Eventuellement, certains réflecteurs peuvent être disposés contre l'intérieur des parois latérales. Dans l'exemple illustré, la brique 1 comprend deux réflecteurs intermédiaires 8, disposés à distance des parois latérales, et, deux réflecteurs d'extrémité 9, chacun accolé à l'intérieur d'une paroi 2,3 latérale respective ; tous quatre s'étendent sensiblement 25 perpendiculairement à l'axe Xl. L'énergie du flux de chaleur qui circule entre les deux surfaces S des faces latérales 4,5 est contrainte de passer par la surface sB formée par la section solide du tube 6 (voir figure 2). L'énergie de ce flux de chaleur ne peut pas 30 passer par la surface S-sB pour trois raisons : - 7 - il n'y a pas de conduction, car il n'y a ni liquide ni gaz dans le volume intérieur V ; il n'y a pas de convection, car il n'y a ni liquide ni gaz dans le volume intérieur V ; le rayonnement thermique est presque totalement arrêté par les réflecteurs 8,9. En considérant d'une part l'assemblage décrit, comportant le tube 6 dont la section solide est sB et réalisé avec un matériau de conductivité thermique X, la résistance thermique de ce tube est : Rth (tube 6) = (1/k) x (L6/ sB) où L est la longueur du tube 6 et sB est la section solide du tube 6. En considérant d'autre part l'assemblage exposé ci-dessus, et en supposant que 15 le tube 6 soit remplacé par un volume homogène du même matériau et de même section extérieure, la résistance thermique de ce volume serait : Rth (volume homogène) = (1/X) x (L6/ S) où L est la longueur de l'assemblage, entre les deux surfaces d'échange 4,5. 20 On constate un effet multiplicateur de la résistance thermique dans le ratio : Rth (volume homogène)/ Rth (tube B) = S / sB. L'assemblage doit être réalisé avec un matériau solide d'une part et de faible X d'autre part. 25 En se référant à la Figure 2, les différentes formes du tube 6 peuvent être : un cercle, un hexagone, un carré, un triangle ou d'autres formes selon le besoin. Selon la forme, pour une même surface S et pour un même ratio S / sB l'épaisseur de la paroi périphérique du tube varie ainsi que la longueur 30 périphérique du tube 6. -8 Exemples pour différentes formes : Tableau des dimensions dans l'hypothèse d'un ratio S / sB = 10, par exemple pour une surface de 1 m2. Forme Surface Surface Rayon extérieur Epaisseur du tube B Longueur périphérique extérieure S sB Cercle 1 m2 0.1 m2 0,564 m 0.029 m 3,54 m Longueur du côté extérieur Hexagone 1 m2 0.1 m2 0,623 m 0.028 m 3,73 m Carré 1 m2 0.1 m2 1 m 0.026 m 4 m Triangle équilatéral 1 m2 0.1 m2 1,52 m 0,022 m 4,56 m La forme circulaire est mécaniquement la meilleure. Mais la juxtaposition de cercles ne permet pas de couvrir totalement une paroi plane de grande surface. Il faut combler les interstices avec un matériau courant, ce qui diminue la résistance thermique totale de la paroi. La forme circulaire peut être utilisée pour des cas particuliers. La forme hexagonale et la forme carrée, qui sont juxtaposables, permettent de former de grandes surfaces planes isolantes ; La forme triangulaire qui est moins avantageuse peut faire l'objet d'applications particulières. Pour tous les cas, le tube 6 doit supporter une pression de S / sB atmosphères dans le sens de l'axe en longueur. Exemple pour une matière plastique (X plastique = 0,15) et si on prend l'hypothèse d'arriver à X, = 0,015 le ratio multiplicateur S / sB dans cet exemple doit être de 10. Dans l'hypothèse de ce ratio, le tube doit supporter 10 atmosphères dans le sens de son axe soit 10 kg/cm2. La résistance à la compression d'un plastique (matériau pris pour exemple) parmi les moins solides est de 1,5 daN/mm2 soit 150 kg/cm2. La pression à supporter dans l'exemple est 15 fois plus petite que le moins solide des plastiques (la plupart des plastiques ont une résistance à la compression supérieure à 6 daN/mm2). Le tube 6 subit la pression atmosphérique sur sa périphérie ; combinée avec la compression, ces forces peuvent causer un flambage. Pour diminuer les risques de flambage, on utilise les réflecteurs 8 comme disques de renfort, chaque disque épousant sensiblement la forme intérieure du tube 6. Les disques de renfort pouvant aussi ne pas être des réflecteurs. Comme illustré à la figure 3, la résistance mécanique et la résistance au flambage peuvent être améliorées en disposant des nervures 11 à l'intérieur du tube 6, sensiblement parallèlement à l'axe X1 . Ces nervures, qui augmentent la surface sB doivent être optimisées car elles diminuent la résistance thermique. La Figure 3 montre deux exemples de tubes nervurés avec les nervures 11 et la forme complémentaire des réflecteurs / renforts 11 correspondants. L'un des tubes est de section sensiblement hexagonale et le deuxième de section sensiblement carrée, les nervures étant disposés dans chacun des angles de l'hexagone ou du carré, respectivement. Les nervures peuvent être complétées ou remplacées par des surépaisseurs locales. Les matériaux utilisés pour les réflecteurs / renforts 8 peuvent être du métal avec les surfaces thermiquement réfléchissantes ou tout autre matériau résistant mécaniquement avec une ou deux surfaces rendues thermiquement réfléchissantes. Dans les exemples illustrés à la figure 3, les réflecteurs / renforts 8 sont pourvus d'un trou 12 pour assurer le vide dans tout le tube 6. Le nombre des réflecteurs/renforts 8 est optimisé en fonction du risque de flambage et de l'efficacité de la barrière thermique.30 - 10 - La Figure 4 montre une disposition possible des réflecteurs /renforts 8 dans le tube 6. Leur répartition, proche des parois latérales et plus espacée au milieu du tube 6, découle de la répartition des contraintes mécaniques le long du tube 6. Un détail grossi montre un contact 13 entre une paroi du tube 6 et un des réflecteurs / renforts 8. Ce contact 13 doit préférablement rester aussi petit que possible pour limiter la formation d'un pont thermique. Dans l'exemple illustré, le bord du réflecteur est biseauté, de sorte que le contact se fait le long d'une bande moins large que le réflecteur n'est épais. Le volume intérieur V définit par les deux parois latérales 2,3 et le tube 6 est placé sous vide et ce vide doit être conservé assez longtemps en comparaison avec le temps d'utilisation prévu. Dans le cas d'utilisation de matériaux poreux, on peut rendre l'assemblage étanche: soit par traitement de surface, soit par adjonction de matériaux non poreux, soit les deux simultanément. La forme en brique avec des surfaces planes se prête bien à ces trois possibilités. Le tube 6 peut être alors être constitué par deux ou plus matériaux dont au moins un est non poreux. On considère alors le 2 de chacun des matériaux et on identifie un 2 global. La résistance mécanique devient celle des deux ou 25 plus matériaux assemblés compte tenu de leur méthode d'assemblage. Le plastique (matériau pris pour exemple), qui est poreux aussi bien à l'air qu'à l'eau nécessite d'être rendu étanche par les moyens mentionnés ci-dessus. On peut citer à titre d'exemples les possibilités suivantes : - Avec un matériau en plastique (X plastique = 0,15) et un autre matériau en verre (X, verre = 1). Si l'épaisseur du verre est de 0,2 mm, le verre est l'équivalent de 1,33 mm du plastique. Dans l'hypothèse du tableau des dimensions ci-dessus, et dans le cas de la forme du carré, on a alors un tube 6 composé de 24,67 mm de plastique et 0,2 imn de verre. 2- Avec un matériau en plastique (I plastique = 0,15) et l'autre matériau qui est une couche métallique nikel / chrome ou invar (X alliage métal à 23 °C = 13). Si l'épaisseur du métal est de 0,1 mm, elle est l'équivalent de 8 min du plastique. Dans l'hypothèse du tableau des dimensions ci-dessus, et dans le cas de la forme du carré, on a alors un tube 6 composé de 18 mm de plastique et 0,1 mm de métal. 3- Avec un matériau en plastique (X plastique = 0,15) et l'autre matériau qui est une couche obtenue par dépôt électrolytique (X métal = 90). Si l'épaisseur du métal est de 0,01 mm, elle est l'équivalent de 6 mm du plastique. Dans l'hypothèse du tableau des dimensions ci-dessus, et dans le cas de la forme du carré, on a alors un tube 6 composé de 20 mm de plastique et 0,01 mm de métal. On voit dans les trois exemples ci-dessus que la résistance thermique est conservée et que la résistance mécanique peut toujours être assurée avec un matériau plastique. Les deux volumes du matériau solide 2,3 formant les parois latérales et qui définissent les deux faces 4,5 entre lesquelles l'énergie est échangée sont prévus assez résistants pour supporter la pression atmosphérique et transmettre la force résultante sur le tube 6. Dans le cas de grandes surfaces on peut ajouter une ou des entretoises entre les deux parois latérales mais ces entretoises vont diminuer la résistance thermique de l'ensemble. -12- La résistance thermique des deux parois latérales est une valeur qui correspond au chemin du flux thermique dans ce volume. Le chemin du flux thermique traverse d'un côté la surface 2,3 d'une paroi et de l'autre côté la surface sB correspondant au contact de ladite paroi avec le tube 6. Le flux de chaleur circulant donc principalement radialement, c'est-à-dire transversalement à l'axe Xl, dans l'exemple illustré. L'influence des deux parois latérales sur la résistance thermique totale n'est pas prépondérante mais si le matériau a un faible 2' ces deux volumes peuvent ajouter une résistance thermique non négligeable. Dans la pratique la résistance thermique de l'assemblage est comptée sur la longueur totale Lt selon l'axe X1 : Rth (assemblage) = Rth (paroi 2) + ((1/ X)*(L/S)*(S/sB)) + Rth(paroi 3) L'une des deux parois latérales 2,3 est avantageusement équipée d'un système de raccordement pour faire le vide. Ce système de raccordement permet une fermeture étanche. La méthode d'assemblage présente la caractéristique de posséder deux transitions de dimensions de matériaux. La transmission des vibrations acoustiques présente à ces endroits une forte réflexion par rupture d'impédance acoustique. Par ailleurs, le vide ne transmet pas les sons. Il en résulte que l'assemblage présente une forte atténuation pour les ondes acoustiques, hors résonnances. Dans l'exemple illustré à la figure 5, le tube 6 est de section carrée ; il est réalisé en plastique et les parois latérales 2,3 sont en acier. A la figure, aucun raidisseur ou réflecteur n'est représenté, par mesure de simplification. - 13 - Pour absorber les différences de dilatation entre l'acier et le plastique, par exemple en PVC, chaque paroi latérale 2,3 est reliée au tube 6 par un joint élastique 20 respectif. Chacune des quatre parois du tube 6 est doublée d'une plaque de verre 21 respective. Chaque paroi latérale 2,3 forme une cuvette 22 présentant une concavité tournée vers l'extérieur de la brique 1. Dans chacune des cuvettes est logée une bonde 25,26 en prise avec le volume intérieur V de la brique. Une première bonde 25 permet de mesurer la pression dans le volume V. cette première bonde comprend une puce du type RFID 27, de sorte que la pression peut être contrôlée à distance lorsque la brique est en place dans une construction. La deuxième bonde 26 est prévue pour faire le vide dans le volume V, initialement lors de la fabrication de la brique, puis lorsque la brique est dans la construction. En effet, le plastique étant généralement perméable à l'air, il peut être nécessaire de refaire le vide dans le volume V à intervalles réguliers, par exemple tous les vingt ans, ou au moins lorsque le contrôle à l'aide de la puce RFID 27 indique un vide insuffisant pour assurer une isolation thermique voulue. La deuxième bonde comprend une tubulure 28 pour relier le volume intérieur V à une pompe à vide et une valve 29 pour isoler et volume V lorsque la pompe n'est pas en service. De préférence, plusieurs tubulures, voire toutes les tubulures d'une même paroi ou de plusieurs parois sont reliées entre elles et à une même pompe. A la figure 5, la brique 1 est représentée dans une cloison d'une construction. Typiquement, cette construction est faite d'une charpente bois. Les briques, qui n'ont pas dans le cas d'espèce de fonction porteuse, sont empilées (une seule est représentée à la figure 5) dans les intervalles entre les éléments de la charpente. Des panneaux d'habillage 41,42 sont disposés de part et d'autre de l'empilement de briques avec un jeu J1,J2 respectif, typiquement de 10 millimètres. -14- Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Ainsi, au lieu de deux bondes une seule peut être prévue sur chaque brique, regroupant les fonctions de prise de pression et de mise au vide. De plus, tout ou une partie du tube peut être réalisé d'une seule pièce avec l'une des parois latérales, avant assemblage de la brique. REVENDICATIONS1. Elément de construction thermiquement isolant (1), caractérisé en ce qu'il comprend : deux parois latérales (2,3) comprenant chacune une surface extérieure (4,5) distantes l'une de l'autre selon un axe (X1) ; un tube (6) reliant lesdites parois entre elles de façon sensiblement étanche aux gaz ; au moins un réflecteur (8,9) pour des rayonnements thermiques, disposé dans le tube, sensiblement transversalement à l'axe (X1), présentant une surface réfléchissante sensiblement en vis-à-vis de l'une ou l'autre desdites parois latérales, lesdites parois latérales (2,3) et le tube (6) formant ensemble un volume (V) sous vide. 2. Elément de construction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un réflecteur (9) au moins parmi les réflecteurs est disposé contre l'une des parois latérales (2,3) en vis-à-vis de l'autre paroi latérale (3,2). 3. Elément de construction selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un réflecteur intermédiaire (8) au moins parmi les réflecteurs est disposé à distance des parois latérales (2,3). 4. Elément de construction selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réflecteur intermédiaire (8) comprend deux surfaces réfléchissantes, chacune en vis-à-vis d'une paroi latérale respective. 5. Elément de construction selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le réflecteur intermédiaire constitue un moyen de renfort transversal pour le tube (6).-16- 6. Elément de construction selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le réflecteur est percé d'un trou (12). 7. Elément de construction selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le tube (6) comprend en outre au moins une nervure de renfort (11) s'étendant longitudinalement le long d'une de ses faces internes. 8. Elément de construction selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réflecteur est en contact avec le tube sensiblement sur la totalité d'un bord périphérique (13) dudit réflecteur, ledit bord périphérique étant de préférence biseauté. 9. Elément de construction selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bonde (25,26) comprenant des moyens (28,29) pour faire ou refaire le vide dans le volume (V) et/ou des moyens (27) pour mesurer la pression dans ledit volume. 10. Procédé de construction d'une cloison isolante, caractérisé en ce qu'il comprend l'utilisation d'éléments de construction selon l'une des revendications précédentes.