Brevet FR3044739A1 — publié le 20170609

PIECE ISOLANTE METALLIQUE La présente invention concerne le domaine de la gestion thermique. Est concernée en particulier une pièce isolante sous atmosphère contrôlée (notamment pièce isolée sous vide ; PIV ou VIP en anglais : vacuum insulated panel) et son procédé de fabrication. Des publications de brevets ont déjà traité de ces sujets. Ainsi, US 9157230 propose-t-il une pièce PIV comprenant une enveloppe étanche entourant une structure interne et définissant autour d'elle une enceinte sous vide, l'enveloppe étanche comprenant au moins une feuille mince métallique de conductivité thermique inférieure à 26W/m.K et d'épaisseur inférieure à 0,1 mm choisie dans le groupe comprenant l'acier inoxydable, le titane et d'autres métaux à faible conductivité thermique, ladite au moins une feuille mince métallique étant scellée périphériquement pour maintenir sous vide l'enceinte. Un problème demeure toutefois en liaison avec la tenue dans le temps de la pièce, donc sa fiabilité et son efficacité dans la gestion thermique de l'environnement où il est placé, cela d'autant plus si cet environnement est soumis à des normes sévères, comme dans le domaine aérospatial où des éléments sous vide sont très rarement préconisés, compte tenu du risque de fuite inhérent, donc de perte de vide et de fonctionnalité. Sans spécifiquement cité les domaines d'applications critiques, US 9157230 propose une pièce PIV prévu pour diminuer la fuite de chaleur vis-à-vis d'une structure face à laquelle la pièce sera disposée, lequel sera pour cela fabriqué: - en soudant deux feuilles métalliques directement ensemble, en continu sur trois côtés adjacents aux bords de ces feuilles, de façon 3044739 2 à ainsi former une enceinte entre lesdites feuilles, au moins une ouverture permettant alors à l'enceinte de communiquant avec l'extérieur; - en serrant ensuite ensemble les bords des feuilles sur le côté 5 ouvert restant de ces feuilles; - et enfin, en évacuant du gaz de l'enceinte à travers ladite ouverture; puis en soudant alors ledit côté ouvert restant. Cette manière de procéder qui impose une mise en oeuvre contraignante ne se justifie pas aux yeux de inventeurs en ce qu'elle 10 ne permet pas, selon leur opinion, de garantir suffisamment une longévité décennale ou multi-décennale au pièce, dans des conditions opérationnelles satisfaisantes. Un aspect de l'invention vise à traiter ce problème et préjugé, qui devient critique quand un défaut de qualité de gestion thermique 15 n'est pas acceptable pendant des années, dans un environnement difficile : contraintes thermiques importantes autour d'un moteur, risques d'agressions chimiques, voire mécaniques lors d'une maintenance, cycles successifs des contraintes thermiques appliquées, dans un environnement vibratoire et avec des variations 20 de pression (si application aéronautique en particulier) ... De surcroît, il s'avère analyse faite que ce n'est pas la finesse de la (des) feuilles métalliques qui est en cause, ni le soudage (ou plus généralement le fait qu'elles sont directement scellées ensemble en continu), ni même la conductivité thermique précitée. 25 En fait, il s'est avéré que le défaut précité de qualité de gestion thermique pouvait être réduit si les conditions de scellement étaient revues et le taux de fuite à cet endroit maîtrisé. De fait, il est ici proposé que ce scellement de l'enceinte, réalisé sous dépression et/ou atmosphère contrôlée, soit tel qu'il 30 présente un taux de fuite inférieur à 10-6 Pa.m3/s, après un premier traitement thermique selon la norme RTCA-DO 160-G section 5 Cat 3044739 3 A (de -55°C à 400°C) et un second traitement thermique à -196°C pendant 1 heure, l'épaisseur de la ou des feuilles métalliques pouvant n'être qu'inférieure à 1mm, ceci sans limite quant à leur conductivité thermique, celle globale du pièce devant être inférieure 5 à 100mW/m.K à 20°C et dans un environnement sous pression atmosphérique, sur la gamme des températures possibles d'utilisation de ce pièce, soit au moins de -200°C à 600°C, voire de 269°C à 1100°C. L'épaisseur précitée de 1 mm, notamment avec des matériaux 10 comme cités ci-dessous, permettra de confondre les conductivités thermiques globale du pièce et intrinsèque de cette(ces) feuille(s) métallique(s), car la diffusion thermique et les pertes thermiques sont alors faibles. Dans la présente demande : 15 - « pièce » a pour sens une pièce ou un élément, plan ou non (en trois dimensions), de forme quelconque ; - « dépression » a pour sens pression inférieure à la pression ambiante (donc 1 000 Résorcinol-formaldéhyde (RF) 50,1 Mélamine-formaldéhyde (MF) 47,2 Polyuréthane /17 A Dl\ leN+S 3044739 15 On notera ainsi l'intérêt, dans des applications où la température atteint sensiblement ou dépasse les 200°C, voire 700°C et même davantage dans le second cas, à ce que les blocs de matériau coeur 5 aient un coefficient d'extinction moyen A de 5 Rosseland supérieur ou égal à 30. Tel est le cas d'un gel de silice, ou de poudre d'acide silicique (SiO2), pressé en plaque, ou de la composition carbonée pyrolysée présentée dans FR-A-2996850 et dont l'évolution À=f(P) est montrée figure 6 (courbe 2) que l'on recommande, dans sa version pyrolysat (voir figure 6 ; courbe 3), 10 pour réaliser alors la structure interne 5, en ce qu'il s'agit du pyrolysat d'un gel monolithique polymérique organique ou dudit gel sous forme d'un monolithe de carbone poreux super isolant thermique (i.e. de conductivité thermique inférieure ou égale à 100 mW/m.K à 20°C et dans un environnement sous pression 15 atmosphérique, et de préférence inférieure ou égale à 26 W/m.K). Plus précisément, ce pyrolysat est une composition organique gélifiée formant un gel polymérique apte à former par pyrolyse un monolithe de carbone poreux, la composition étant à base d'une résine issue au moins en partie de polyhydroxybenzène(s) R et de 20 formaldéhyde(s) F, ladite composition gélifiée comprenant au moins un polyélectrolyte cationique hydrosoluble P. Favorablement, ce polyélectrolyte sera un polymère organique choisi dans le groupe constitué par les sels d'ammonium quaternaire, le poly(chlorure de vinylpyridinium), la poly(éthylène imine), la poly(vinyl pyridine), le 25 poly(chlorhydrate d'allylamine), le poly(chlorure de triméthylammonium éthylméthacrylate), le poly(acrylamidecochlorure de diméthylammonium) et leurs mélanges. Les courbes de la figure 6 représentent l'évolution de la conductivité thermique gazeuse en fonction de la pression, pour différents matériaux 30 poreux. Les valeurs 10nm, 100nm, 100 microns... sont les tailles caractéristiques des pores du matériau poreux concerné. Ainsi la 3044739 16 courbe 3 représente le cas d'un matériau nanoporeux (aérogel), la courbe 2 représente le cas d'un matériau microporeux ayant des pores de 1micron et la courbe 1 représente le cas d'un matériau microporeux ayant des pores de 100microns. 5 Avec de tels blocs ou monolithes, on pourra former un isolant thermique 5 à effet mécaniquement structurant (le polyuréthane pouvant être une alternative, bien que notablement moins performante thermiquement). Un avantage du pyrolysat de la composition présentée dans FR-A-2996850 est toutefois qu'il n'est 10 pas inflammable. En alternative, voire en complément, un écran thermoréflecteur 50, pourra être contenu dans l'enceinte 7, comme illustré figure 10, afin de limiter les échanges radiatifs (rayonnement thermique) à travers la pièce. Il pourra s'agir d'un écran à couches 15 multiples. L'élément écran thermo-réflecteur 50, métallique, pourra être fixé, y compris soudé, avec l'une au moins des feuilles métalliques 30,31 pour son maintien en place dans l'enceinte 7. On notera l'intérêt à ce que, dans ce cas, les feuilles 30,31 soient chacune formées en cuvette et disposées face à face, comme 20 illustré, de façon que la face convexe, respectivement 300,310, soit tournée vers l'extérieur (EXT), avec toujours le scellement périmétrique 6. Ainsi, on peut envisager des protections dont la fonction isolante sera assurée par un vide assez poussé (typiquement moins 25 de 10-1Pa) en association avec des films thermo-réflecteurs 500. Ce seront avantageusement des feuillards dont le coefficient de réflexion des ondes thermiques (cf tableau ci-dessous), entre 0.1pm et 100 pm de longueur d'ondes, sera suffisamment élevé pour stopper la chaleur émise par rayonnement en la réfléchissant. Une 30 solution pertinente comprendra des feuillards métalliques constituant une enveloppe avec une pression interne REVENDICATIONS1. Pièce isolante comprenant une enveloppe étanche définissant une enceinte interne (7) sous dépression et/ou atmosphère contrôlée, la pièce présentant une conductivité thermique inférieure à 100mW/m.K à 20°C et dans un environnement sous pression atmosphérique, l'enveloppe étanche (3) comprenant au moins une feuille mince métallique (30,31) d'épaisseur inférieure à 1mm, ladite au moins une feuille mince métallique (30,31) étant scellée périphériquement pour maintenir l'enceinte sous dépression et/ou atmosphère contrôlée, le scellement, réalisé dans une chambre sous dépression et/ou atmosphère contrôlée, présentant un taux de fuite inférieur à 10-6Pa.m3/s, après un premier traitement thermique selon la norme RTCA-DO 160-G section 5 Cat A (de -55°C à 400°C) et un second traitement thermique à -196°C pendant 1 heure. 2. Pièce selon la revendication 1, où l'enveloppe étanche entoure un matériau coeur (5) comprenant un isolant thermique poreux. 3. Pièce selon la revendication 1, où l'enveloppe étanche renferme un écran thermo-réflecteur (50). 4. Pièce selon la revendication 1, où ladite au moins une feuille mince métallique (30,31) présente au moins une zone de réserve de matière (57) et est pour cela de préférence grainée. 5. Pièce selon la revendication 1 ou 2, où à l'endroit du scellement ladite au moins une feuille mince métallique (30,31) présente un 25 pliage sur elle-même (67). 6. Pièce selon l'une des revendications précédentes, où ladite au moins une feuille mince métallique (30,31) présente : - une dureté comprise entre 300 N/mm2 et 2350 N/mm2, - une résistance mécanique Rm supérieure ou égale à 20MPa, 30 - un allongement à la rupture compris entre 5% et 50%. 3044739 26 7. Pièce selon la revendication 2, où l'isolant thermique poreux (5) comprend un pyrolysat d'une composition carbonée gélifiée formant un gel monolithique polymérique organique apte à former par pyrolyse un monolithe de carbone poreux, la composition étant à 5 base d'une résine issue au moins en partie de polyhydroxybenzène(s) R et de formaldéhyde(s) F et présentant une conductivité thermique inférieure ou égale à 100 mW/m.K à 20°C et dans un environnement sous pression atmosphérique, caractérisée en ce que ladite composition gélifiée comprend au moins un 10 polyélectrolyte cationique hydrosoluble P. 8. Ensemble pour diminuer la fuite de chaleur à partir d'une structure (13), l'ensemble comprenant la pièce isolante (1) selon l'une des revendications précédentes et un capteur (56) à disposer du côté d'une seconde face de la pièce isolante opposée à une 15 première face où se trouve ladite structure, le capteur étant sensible à des informations visuelles, acoustiques, mécaniques, électriques, ou magnétiques. 9. Pylône de liaison entre un moteur d'aéronef et une aile (11) ou un fuselage (110) dudit d'aéronef, comprenant la pièce isolante (1) 20 selon l'une des revendications 1 à 7, ou l'ensemble selon la revendication 8. 10. Nacelle de moteur d'aéronef comprenant une structure interne fixe (17) pourvue de ladite pièce isolante (1) selon l'une des revendications 1 à 7, ou de l'ensemble selon la revendication 8, la 25 pièce isolante présentant une forme incurvée. 11. Echangeur (60) ou cuve de stockage (61) : - soumis(e) à une température comprise entre -150°C et -273°C et à une différence de températures entre un volume interne (65) et un environnement extérieur (EXT ; 67) supérieure à 100°C, 30 - et comprenant au moins une dite pièce isolante (1) selon l'une des revendications 1 à 7. 3044739 27 12.Procédé de fabrication d'une pièce isolante (1), comprenant des étapes où: - on fournit deux feuilles métalliques (30,31) ou deux portions d'une dite feuille métallique réservant entre elles un espace (70), la ou 5 chaque feuille métallique étant d'épaisseur inférieure à 1 mm et étant choisie dans le groupe comprenant l'acier inoxydable, le titane l'aluminium et d'autres métaux à conductivité thermique inférieure à 300W/m.K à 20°C et dans un environnement sous pression atmosphérique, 10 - on place la ou les feuilles métalliques dans une chambre (65) à dépression et/ou atmosphère contrôlée, - on établit une dépression inférieure à 105 Pa dans la chambre et on y scelle directement entre elles, en continu, lesdites feuilles métalliques (30,31) ou portions de dite feuille métallique, de sorte 15 qu'ainsi : -- ledit espace (70) définisse une enceinte interne (7) en dépression et/ou sous atmosphère contrôlée, -- le scellement (6) présente un taux de fuite inférieur à 10-6Pa.m3/s, après un premier traitement thermique selon la norme 20 RTCA-DO 160-G section 5 Cat A (de -55°C à 400°C) et un second traitement thermique à -196°C pendant 1 heure, -- et une pièce isolante (1) est formée qui présente une conductivité thermique inférieure à 100 mW/m.K à 20°C et dans un environnement sous pression atmosphérique. 13. Procédé selon la revendication 12, où préalablement à l'étape d'établissement de la dépression, on enferme un matériau coeur ou un écran thermo-réflecteur (5,50) entre les deux feuilles métalliques ou deux portions de dite feuille métallique.