FR2613488A2 - Procede et dispositif de mesure rapide de caracteristiques thermiques de materiaux isolants - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA MESURE RAPIDE DE CARACTERISTIQUES THERMIQUES DE MATERIAUX ISOLANTS. CONFORMEMENT A L'INVENTION, LE PROCEDE DE MESURE COMPORTANT UN ENREGISTREMENT DES VARIATIONS DE LA DIFFERENCE ENTRE LES TEMPERATURES DES DEUX SURFACES DE L'ECHANTILLON EN FONCTION DE LA SOMME DES DEUX FLUX THERMIQUES TRAVERSANT LES FACES DUDIT ECHANTILLON, SE POURSUIT PAR UNE OPERATION DE DEDUCTION DU COEFFICIENT D'ISOLATION THERMIQUE M DUDIT ECHANTILLON DE MATERIAU ISOLANT, CE QUI PERMET DE DETERMINER LE POUVOIR ISOLANT DU MATERIAU DANS LE CAS D'UNE CONSTITUTION DU TYPE SANDWICH. LE DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE COMPORTE AINSI DEUX UNITES DE CAPTAGE 1, 2 DESTINEES A ETRE APPLIQUEES CONTRE UN ECHANTILLON 3, DES MOYENS D'ASPIRATION ETANT PREVUS POUR CREER UN VIDE DANS LA ZONE DE CAPTAGE LORSQUE L'UNITE CONCERNEE EST APPLIQUEE CONTRE LA SURFACE DE L'ECHANTILLON. APPLICATION A LA DETERMINATION DU COEFFICIENT D'ISOLATION THERMIQUE DES VITRAGES ISOLANTS, ET EVENTUELLEMENT AUSSI DU COEFFICIENT DE TRANSMISSION THERMIQUE GLOBALE.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant la mesure rapide de caractéristiques thermiques de matériaux isolants, en faisant appel à une mesure de transfert unidirectionnel de chaleur dans un système plan à températures imposées, et plus particulièrement un procédé et un dispositif perfectionnant le procédé et le dispositif objet du brevet principal.

Le procédé de mesure rapide du brevet principal visait essentiellement à déterminer deux caractéristiques thermiques particulières d'un échantillon de matériau isolant, à savoir sa conductivité thermique et sa diffusivité thermique. Selon ce procédé, il était prévu des opérations suivantes . on met chacune des deux surfaces planes parallèles d'un
échantillon de matériau isolant en contact parfait avec
une plaque échangeuse maintenue à une température cons
tante, les deux plaques étant à des températures diffé
rentes et l'une quelconque d'entre elles étant sensible
ment à la même température que l'échantillon . on mesure, sensiblement jusqu'à l'établissement du régime
stationnaire, la différence entre les températures des
deux surfaces de l'échantillon ainsi que l'intensité de
chacun des flux traversant chacune desdites surfaces . on enregistre les variations de la somme et/ou de la
différence des deux flux en fonction du temps, et/ou les
variations de la différence entre les températures des
deux surfaces de l'échantillon en fonction de la somme
des deux flux ; et . on en déduit ainsi les valeurs de la conductivité et/cu
de la diffusivité thermiques de l'échantillon du maté
riau isolant.

Ce procédé était intéressant dans la mesure où il permettait un contrôle rapide de matériaux isolants en cours de fabrication, mais il était essentiellement dirigé vers la mesure de caractéristiques thermiques de matériaux homogènes au sens physique du terme, c'est-à-dire constitués d'une seule matière de caractéristiques physiques identiques en tout point de son volume. Ainsi par exemple, un échantillon monobloc de mousse de polyuréthane ou de polystyrène expansé, pour autant qu'il soit de densité uniforme, est dans ce cadre considéré comme constituant un matériau homogène, de sorte en particulier que sa conductivité thermique et/ ou sa diffusivité thermique sont des caractéristiques intéressantes permettant de classer ces matériaux selon lesdites caractéristiques.

I1 n'était cependant pas prévu, dans le cadre de ce procédé, de s'intéresser aux matériaux qui ne sont pas homogènes, tels par exemple que les matériaux du type sandwich : ces matériaux, constitués de plusieurs couches de matériaux différents, sont essentiellement hétérogènes au sens physique du terme.

Dans ce cas, on se tourne plutôt vers d'autres caractéristiques thermiques, et en particulier vers le coefficient d'isolation thermique M, qui est le quotient de la différence de température entre les deux faces de l'échantillon par la densité de flux thermique (exprimé ainsi en m2.degré Kelvin par watt, ou m2. K/W).

Cette caractéristique, représentative du pouvoir isolant du matériau considéré, présente un intérêt pratique réel. Ceci est tout particulièrement le cas si l'on s'intéresse aux vitrages isolants, à double ou triple vitres, et contenant de l'air ou d'autres gaz spécialement choisis pour la faiblesse des mouvements convectifs dont ils seront le siège ; ces vitrages, qu'ils présentent ou non des surfaces revêtues de dépôts à faible émissivité, constituent globalement un milieu très hétérogène.

On se tourne également vers le coefficient de transmission thermique globale K, selon une notion essentiellement d'ordre pratique et conventionnelle, dans un domaine particulier considéré.- Ce coefficient est obtenu à partir des valeurs conventionnelles d'échange de surface, selon la formule K = 1/(c + M) dans laquelle N est le coefficient d'isolation thermique, et c un coefficient d'échange de surface tenant compte des conditions générales de la mesure (par exemple de la position de l'échantillon par rapport à la verticale) : le coefficient K s'exprime ainsi en watt par m2 . degré Kelvin, ou W / m2 . K.

Le coefficient M est représentatif du pouvoir isolant du matériau (de façon intrinsèque), tandis cue le coefficient K est représentatif des déperditions thermiques possibles à travers ce matériau, dans des conditions d'utilisation bien déterminées.

Les mesures en laboratoire des coefficients M et/ ou K pour des vitrages isolants sont précises car elles sont effectuées à partir d'un régime parfaitement établi, mais demandent un temps important (une dizaine de jours habituellement) et mettent en oeuvre des moyens qui n'ont pas été conçus pour être déplacés en vue de mesures in situ.

Il est donc intéressant de s'inspirer du procédé de mesure rapide du brevet principal, en vue d'une mesure de caractéristiques thermiques sur des échantillons d'un matériau qui n'est pas homogène.

L'invention objet de la présente addition a ainsi pour but de perfectionner le procédé du brevet principal, afin de rendre possible une mesure rapide in situ, dont les résultats soient suffisamment proches de la réalité pour être exploitables pratiquement : si l'on parvient à obtenir, avec une mesure sur place de l'ordre d'une vingtaine de minutes, des résultats ne s'écartant pas plus de 3 % des valeurs indiquées par le laboratoire, ceci représente un progrès important dans le domaine considéré, et en particulier dans celui des vitrages isolants.

L'invention a également pour objet de proposer un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, qui perfectionne le dispositif du brevet principal, afin de le rendre apte aux mesures effectuées in Situ.

Le dispositif du brevet principal était essentiellement constitué par deux plaques échangeuses couplées chacune à un générateur qui lui impose un niveau thermique prédéterminé, chacune de ces plaques échangeuses étant par ailleurs équipée d'un fluxmètre, et par un organe de mesure de la différence de température entre les deux surfaces de l'échantillon, auquel sont associés des organes d'enregistrement des différentes valeurs mesurées.

Cependant, ce dispositif était équipé de fluxmètres à anneau de garde, et de plaques échangeuses en cuivre, présentant une surface plane sur laquelle on avait soudé un double serpentin à spires jointives de section carrée, ce qui aboutissait à un dispositif plutôt lourd et encombrant.

De plus, la conception du dispositif antérieur limitait pratiquement son utilisation à des échantillons de faible dimensionnement, et de toute façon n'était pas élaboréeen vue d'un déplacement rapide sur place pour une mesure-test capable de guider immédiatement le spécialiste.

L'invention a ainsi également pour but de proposer un dispositif perfectionnant le dispositif du brevet principal, qui soit à la fois fiable, peu encombrant, et apte au déplacement pour des mesures in situ, et ce dans des conditions de mesures très variées, en particulier sans limitations quant au dimensionnement du panneau à tester.

Il s'agit plus particulièrement d'un procédé de mesure rapide de caractéristiques thermiques de matériaux isolants, dans lequel on réalise successivement les opérations suivantes a) on met chacune des deux surfaces planes parallèles d'un
échantillon de matériau isolant en contact parfait avec
une plaque échangeuse maintenue à une température cons
tante, les deux plaques étant à des températures diffé
rentes et l'une quelconque d'entre elles étant sensible
ment à la même température que l'échantillon b) on mesure, sensiblement jusqu'à l'établissement du régi
me stationnaire, la différence entre les températures
des deux surfaces de l'échantillon ainsi que l'intensité
de chacun des flux traversant chacune desdites surfaces; c) on enregistre les variations de la somme des deux flux
en fonction du temps, et les variations de la différence
entre les températures des deux surfaces de l'échantil
lon en fonction de la somme des deux flux, dans lequel
le matériau isolant de l'échantillon peut ne pas être
homogène, en particulier un matériau du type sandwich, caractérisé par le fait que, dans une quatrième opération d) on en déduit le coefficient d'isolation thermique DI du
dit échantillon de matériau isolant considéré, et ainsi
le pouvoir isolant du matériau.

En particulier, l'opération d) de détermination du coefficient d'isolation thermique M est suivie d'une cinquième opération e) de détermination du coefficient de transmission thermicue globale K, correspondant à l'inverse de la somme du coefficient d'isolation thermique M et d'un coefficient c représentant une valeur conventionnelle d'échange de surface dans les conditions de mesure conternées,
K représentant ainsi les déperditions thermiques possibles à travers les parois du matériau dans des conditions analogues.

De préférence, l'opération d) est arrêtée dès que les variations enregistrées, directement obtenues à partir du rapport de la différence entre les températures des deux surfaces de l'échantillon à la somme des deux flux, se stabilisent suffisamment, ce qui correspondra dans la pratique à un temps de l'ordre de dix à vingt minutes si l'on a auparavant prévu un temps de stabilisation suffisant, par exemple de l'ordre d'une heure.

D'une façon générale, l'écart entre les températures des plaques échangeuses lors de l'opération a) est choisi au moins égal à 100C.

L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, comportant deux plaques échangeuses couplées chacune à un générateur qui lui impose un niveau thermique prédéterminé, chacune de ces plaques échangeuses étant par ailleurs équipée d'un fluxmètre, et comportant en outre un organe de mesure de la différence de température entre les deux surfaces de l'échantillon ainsi que des organes d'enregistrement des différentes valeurs mesurées, caractérisé par le fait qu'il comporte deux unités de captage, identiques et tournées l'une vers l'autre, destinées à être appliquées par une face de captage contre la surface de l'échantillon de matériau isolant, chaque unité comportant une plaque échangeuse munie d'un fluxmètre central unique et d'un moyen périphérique d'étanchéité tournés vers la surface concernée de l'échantillon, et étant associée par l'autre c6té à des moyens d'aspiration créant un vide dans la zone de captage lorsque ladite unité est appliquée contre ladite surface concernée.

Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les deux unités de captage sont réalisées à la manière d'un casque d'écoute mobile, avec un support commun autorisant un déplacement relatif desdites unités selon une direction sensiblement perpendiculaire à leur face de captage ; de préférence, le support commun a sensiblement la forme d'un U, dont une branche fixe.porte une unité de captage, tandis que l'autre branche, mobile transversalement, porte l'autre unité de captage, de préférence avec un moyen de liaison de type rotule.

Il est intéressant de prévoir que chaque unité de captage comporte un capot circulaire recevant une plaque échangeuse contre laquelle est fixé un disque support de fluxmètre, ledit disque fermant un ensemble de gorges ménagées sur la face en regard de ladite plaque échangeuse.

De préférence, une entretoise monobloc est prévue sur la plaque échangeuse, afin de définir un espace entre ladite plaque et la face du capot en regard, et les gorges de la plaque échangeuse sont constituées sous la forme de deux spirales, imbriquées l'une dans l'autre et communiquant au niveau de leur zone centrale commune.

Il est également avantageux de prévoir que le disque support de fluxmètre comporte une face avant délimitée par une gorge circulaire recevant un joint torique d'étanchéité, etune face centrale légèrement en retrait de ladite face avant pour recevoir le fluxmètre, un orifice étant par ailleurs prévu, débouchant dans ladite face avant, pour permettre l'établissement du vide par les moyens d'aspiration ; en particulier, deux rainures supplémentaires sont pratiquées dans la face avant du disque support de fluxmètre, chacune desdites rainures reliant le logement central défini par la face en retrait et un orifice débouchant à la périphérie dudit disque, afin de réaliser un passage non saillant des fils de raccordement de fluxmètre, et une rainure circulaire en V est également pratiquée dans la face avant du disque support de fluxmètre, au niveau de l'orifice de vide.

Il est intéressant de prévoir que le dispositif soit relié par des canalisations associées aux moyens de commande de circulation de fluide provenant de deux unités calorifiques, aux moyens de pompage pour la création du vide, et aux moyens de traitement des données mesurées et enregistrées, lesdits moyens étant logés dans un chariot mobile autonome.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation particulier, en référence aux figures où - la figure 1 représente schématiquement un dispositif
conforme à l'invention, relié à une unité centrale
transportable, et utilisé pour une mesure-test sur un
panneau vertical tel qu'un vitrage isolant, pour la
mise en oeuvre du procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en plan du dispositif
de l'invention, montrant une unité de captage dont le
couvercle est représenté comme s'il était transparent
pour faciliter la compréhension de la figure, - la figure 3 est une vue en perspective du dispositif de
l'invention, illustrant la réalisation des deux unités de
captage en casque d'écoute, ces unités étant montées sur
un support commun, - la figure 4 est une vue en plan de la plaque échangeuse
constituant l'un des éléments essentiels de chaque unité
de captage du dispositif de l'invention, montrant en par
ticulier l'organisation en deux spirales imbriquées tail
lées dans la masse, - les figures 5, 6, 7 sont des coupes respectivement selon
V-V, VI-VI, Vil-Vil de la figure 4, - la figure 8 est une vue en plan du disque support de
fluxmètre, constituant également l'un des éléments es
sentiels de chaque unité de captage, montrant en parti
culier la face de captage de l'unité, avec le logement
central légèrement en retrait prévu pour recevoir le
fluxmètre, - les figures 9, 10, 11 sont des coupes respectivement se
lon IX-IX, X-X, XI-XI de la figure 8.

Il sera question tout au long de la description qui va suivre de mesures du coefficient d'isolation thermique et/ou du coefficient de transmission thermique globale des vitrages isolants, tels que des vitrages à double ou triple vitres, contenant de l'air ou d'autres gaz, et qui peuvent présenter des surfaces revêtues ou non de dépôts à faible émissivité. Bien qu'il s'agisse d'une application préférentielle dans le cadre de la présente invention, il va de soi que ce type de matériaux isolants, constituant globalement un milieu très hétérogène, ne constitue qu'un exemple auquel il est possible d'appliquer le procédé de mesure de l'invention, de préférence au moyen du dispositif de mise en oeuvre qui sera décrit en regard des figures.

On sait que la transmission thermique globale à travers l'ensemble des couches, et plus généralement d'un volume de matériau non homogène du type sandwich, est relativement simple à mesurer lorsque l'on se situe en régime thermique établi, à condition que les températures et l'émissivité des générateurs imposant le gradient de température soient bien définies, que les températures de surface de verre soient correctement mesurées, et enfin que le flux thermique mesuré soit bien unidirectionnel.

Par contre, en régime transitoire, la faible résistance thermique du verre et sa forte capacité thermique, comparée à la forte résistance thermique et à la faible capacité du gaz enfermé dans le volume verrier, font qu'en dehors d'éventuels mouvements convectifs, la durée d'établissement du régime thermique est pratiquement liée à la charge thermique des verres aux différents niveaux respectifs résultant de la différence de températures imposée par les conditions d'échange de l'espace ménagé entre ces parois.

Si l'on considérait le volume verrier comme un matériau homogène au sens physique du terme, on pourrait définir le régime permanent, pour une surface unitaire d'échantillon,par la relation suivante

relation dans laquelle est le flux thermique traversant les deux faces de l'élément, AT la différence de température entre ces deux faces, et M le coefficient d'isolation thermique du matériau considéré.

Il a été expliqué en détail dans le brevet principal qu'après un certain temps, sensiblement jusqu'à l'établissement du régime stationnaire, la somme des flux entrant et sortant était constante, et que leur demi-somme ou flux moyen était égale au flux de régime stationnaire produit par le même gradient de température.En effet, si t l'on considère la somme but représentant la somme des flux entrant et sortant, ainsi que la différence de température Art, on peut profiter du fait que les coefficients des exponentielles intervenant dans leurs expressions individuelles sont d'ordre pair et impair et que,dans les cas consi dérés (somme des flux et différence des temparétures), on peut ne garer que les exponentplles descoefficientsd'ordre impair, lesquels sont les coefficients qui amortissent le plus rapidement les exponentelès. On est ainsi amené à
Tt considérer le rapport t : on constate que ce rapport devient constant sur une durée beaucoup plus courte que celle qui est nécessaire à l'établissement d'un régime établi dans lequel les grandeurs b et LT sont constantes.

De façon tout à fait surprenante, il est possible d'exploiter cette approche théorique pour déterminer le coefficient d'isolation thermique M d'un échantillon de matériau non homogène , en particulier d'un échantillon de vitrage isolant, en considérant que le coefficient thermique M n'est autre que la limite du rapport tt cette limite étant en fat atteinte en une durée de l'ordre de dix à vingt minutes ainsi qu'on le verra plus loin, ce qui correspond à un régime pseudo-stationnaire permettant d'obtenir rapidement une bonne approche de la valeur du coefficient d'isolation thermique, ainsi que l'on a pu le constater en comparant ces valeurs obtenues à celles effectuées en régime établi.

On constate donc que le procédé selon l'invention comporte les différentes étapes suivantes a) on met chacune des deux surfaces planes parallèles d'un
échantillon de matériau isolant en contact parfait avec
une plaque échangeuse maintenue à une température cons
tante, les deux plaques étant à des températures diffé
rentes et l'une quelconque d'entre elles étant sensible
ment à la même température que l'échantillon b) on mesure, sensiblement jusqu'à l'établissement du régi
me pseudo-stationnaire précité, les différences entre
les températures des deux surfaces de l'échantillon
ainsi que l'intensité de chacun des flux traversant
chacune desdites surfaces c) vn enregistre les variations de la somme des deux flux
en fonction du temps, et les variations de la différence
entre les températures des deux surfaces de l'échantil
lon en fonction de la somme des deux flux d) on en déduit le coefficient d'isolation thermique M
de l'échantillon de matériau isolant considéré, et
ainsi le pouvoir isolant du matériau.

Plus le coefficient d'isolation thermique M est grand, plus le matériau sera considéré comme isolant. A titre indicatif, pour un vitrage isolant, le coefficient M varie sur une plage allant environ de 0,10 à 0,40m2.K/W.

Il va de soi que le vitrage sera particulièrement isolant si l'on utilise un gaz lourd (argon, hexafluorure de soufre), ainsi que des couches faiblement émissives déposées sur les surfaces de vitres.

Ur.efois que l'on a déterminé le coefficient d'isolation thermique M, il peut dans certains cas s'avérer intéressant de déterminer un autre coefficient thermique, habituellement dénommé K, correspondant au coefficient de transmission thermique globale, c'est-à-dire à l'inverse de la somme du coefficient d'isolation thermique M et d'un coefficient c représentant une valeur conventionnelle d'échange de surface dans les conditions de mesures concernées: le coefficient de transmission thermique K, issu de la relation K = 1/(c + M), s'exprime naturellement en watt/m2 . K le coefficient c permet notamment de tenir compte des conditions particulières de la mesure, et en particulier de la position de l'échantillon par rapport à un plan vertical.

En fait, le coefficient de transmission thermique globale K est représentatif des déperditions thermiques possibles à travers les parois du matériau dans des conditions déterminées.

A titre illustratif, on va indiquer les résultats obtenus avec ce procédé, en utilisant un double vitrage carré ce 500 mm x 500 mm, avec 4 mm pour la paroi extérieure, 12 mm pour l'épaisseur isolante, et 4 mm pour l'épaisseur de la paroi intérieure.

En utilisant une position verticale de vitrage, et des températures choisies à 240C pour la température chaude, et 120C pour la température froide, on constate que les valeurs enregistrées de M se stabilisent déjà au bout d'une dizaine de minutes, autour de la valeur 0,35 m2 . K/W. Pour le coefficient K, on a utilisé des valeurs conventionnelles d'échange de surface de 0,17 pour la position verticale de l'échantillon (et qui correspondrait environ à 0,14 pour la position horizontale) on arrive ainsi à un coefficient de transmission thermique moyen en partie courante allant de 1,92 W/m2 . K(en position verticale), à 2,04 W/m2 . K (en position horizontal4.

Il est ainsi possible d'obtenir dans un délai extrêmement court, une excellente approximation du coefficient d'isolation thermique M, et, si on le désire, du coefficient de transmission thermique global K. En fait, l'opération d) de détermination du coefficient M est arrêtée dès que les variations enregistrées, directement obtenues à partir du rapport de la différence entre les températures des deux surfaces de l'échantillon à la somme des deux flux, se stabilisent suffisamment : dans la pratique ceci correspondra à un temps de l'ordre dix à vingt minutes.

De préférence, on choisira un écart entre les températures de plaques échangeuses lors de l'opération a) au moins égal à 100C : en effet, si cet écart était choisi plus faible, les fluctuations deviendraient trop importantes, et la précision de la mesure en souffrirait grandement.

On va maintenant décrire un mode de réalisation préférentiel choisi pour le dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, en regard des figures 1 à 11.

Rappelons que conformément au brevet principal, le dispositif est du type comportant deux plaques échangeuses couplées chacune à un générateur qui lui imposent un niveau thermique prédéterminé, chacune de ces plaques échangeuses étant par ailleurs équipée d'un fluxmètre, et comportant en outre un organe de mesure de la différence de température entre les deux surfaces de l'échantillon ainsi que des organes d'enregistrement des différentes valeurs mesurées.

Ainsi qu'illustré figure 1, et conformément à un aspect essentiel de l'invention, le dispositif comporte deux unités de captage 1, 2, identiques et tournées l'une vers l'autre, destinées à être appliquées par une face de captage contre la surface de l'échantillon 3 de matériau isolant concerné ; de plus, ainsi que cela sera décrit en détail plus loin, chaque unité de captage comporte une plaque échangeuse,munie d'un fluxmètre central unique et un moyen périphérique d'étanchéité tournés vers la surface concernée de l'échantillon 3, lesdites unités étant associées par l'autre côté à des moyens d'aspiration créant un vide dans la zone de captage après application contre la surface de l'échantillon.

La figure 1 illustre un mode de réalisation préférentiel dans lequel les deux unités de captage 1, 2 sont réalisées à la manière d'un casque d'écoute mobile, avec un support commun 4 autorisant un déplacement relatif desdites unités selon une direction sensiblement perpendiculaire à leur face de captage. L'ensemble des deux unités de captage'1, 2, avec leur support commun associé 4 sera décrit plus en détail en regard notamment de la figure 3, mais on peut d'ores et déjà constater que le support commun a sensiblement la forme d'un U, dont les branches 5, 6 portent chacune une unité de captage 1, 2, chacune desdites branches étant montée, avec possibilité de réglage transversal, sur un profilé support 7.Il va de soi que l'une au moins des branches du support commun doit être de position réglable afin de pouvoir aisément rapprocher les deux unités de captage 1, 2 l'une vers l'autre en vue d'une application contre les deux faces de l'échantillon concerné 3.

Un organe souple de raccordement 8, renfermant les différentes conduites nécessaires (connexions électriques, circulation d'eau, conduite d'aspiration), relie le dispositif de mesure rapide à une unité centrale 9, aisément transportable grâce à des roulettes 10, et renfermant les différents moyens de commande, de calcul et d'enregistrement nécessaires à une mesure rapide dans les meilleures conditions.

Il sera d'ailleurs préférable (contrairement à ce qui est illustré en figure 1) de prévoir deux organes souples 8 indépendants, associés à chaque unité de captage, afin d'éviter les perturbations thermiques résultant du contact entre les différentes canalisations d'eau. La partie inférieure 11 de l'unité 9 permet de loger des générateurs de chaud et de froid permettant une amenée de fluide aux deux unités de captage avec des températures prédéterminées. Ces générateurs n'ont pas été représentés en détail, car il s'agit d'une structure classique avec deux réservoirs d'eau refroidie et chauffée grâce à des résistances électriques, et des serpentins reliés au groupe frigorifique.Les températures de ces réserves d'eau sont naturellement régulées par des thermostats, et des pompes font circuler les fluides caloporteurs vers les plaques échangeuses de chacune des unités de captage 1, 2 au moyen de tuyauterie souple, de longueur environ 2,5 m. La partie centrale 12 de l'unité 9 constitue un espace de rangement dans lequel on peut remettre les deux unités de captage avec leur support commun après utilisation. La partie supérieure 13 de l'unité est quant à elle réservée à l'électronique d'amplification et de régulation.

Cette partie supérieure porte un pupitre de commande de contrôle et d'affichage incluant un micro-ordinateur à écran à cristaux liquides : on a illustré schématiquement sur la figure 1 un ensemble écran-clavier 14 du microordinateur, l'imprimante 15 (de préférence à plusieurs couleurs), deux modules 16, associés à chacune des unités de captage 1 et 2 formant régulateur et indicateur de température pour chacun des groupes chaud ou froid, et enfin une pluralité d'interrupteurs et voyants 17 concernant notamment la commande des moyens de pompage de circulation d'eau pour les groupes froid et chaud, et de la pompe à vide faisant partie des moyens d'aspiration.

On constate ainsi que l'unité 9 est d'utilisation très commode grâce à son caractère transportable, et quasi autonome (l'appareillage ne nécessite pour sa mise en oeuvre que du courant électrique pouvant être fourni par le secteur ou un groupe électrogène de faible puissance), ce qui permet d'effectuer des mesures rapides en usine ou sur chantier avec une grande facilité. L'autonomie de l'appareil est en particulier due au fait que la régulation des températures n'est pas assurée par des ultrathermostats fonctionnant à l'eau de ville, mais par des thermocouples pilotant des modules régulateurs à fonction intégrale et dérivée par rapport auxpointsde consigne.

Les résultats des mesures de température et de flux thermique sont ainsi traités numériquement au moyen d'un micro-ordinateur intégré à l'appareil : on peut par exemple prévoir que le résultat du calcul du coefficient d'isolation thermique M est affiché toutes les vingt secondes sur l'écran à cristaux liquides, et que l'imprimante trace l'évolution de la courbe indiquant les variations du coefficient M en fonction du temps, jusqu'à lsétat d'équilibre thermique où l'on obtient la valeur finale de M qui est retenue comme valeur mesurée. A titre indicatif, on a pu observer que la plupart des vitrages isolants ayant fait l'objet d'une mesure rapide avec le dispositif de l'invention, ont pu être mesurés en une dizaine de minutes au maximum.Des mesures comparatives avec la méthode de la plaque chaude gardée ont permis de constater que les écarts restent en fait compris dans le domaine des incertitudes de mesures dans les conditions expérimentales des mesures effectuées. On a pu ainsi établir que, malgré la simplification du dispositif par rapport à un dispositif de type laboratoire beaucoup plus précis, on ne perdait en fait qu'environ 3 % sur la précision de mesure, ce qui est extrêmement peu, compte tenu de l'énorme avantage que constitue la grande rapidité de la mesure. A titre indicatif, l'unité 9 illustrée sur la figure 1 peut être réalisée avec un poids de l'ordre de 85 kg et n'exiger qu'une consommation électrique n'excédant pas 1 kW.

On va maintenant décrire, en regard des figures 2 à 11, la structure particulière des unités de captage constituant ès élémentsessentielsdu dispositif de l'invention.

Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, l'unité de captage 1 est montée sur la partie supérieure de la branche de support 5 par l'intermédiaire de moyens de liaison 19, lesquels peuvent être articulés ou encore du type à rotule,pour plus de souplesse lors de la mise en place contre la surface concernée de l'échantillon.

Les unités de captage 1, 2 étant identiques, on se limitera par la suite à la description de l'une de celles-ci. On distingue ainsi sur la figure 2 une plaque échangeuse 20 contre laquelle est fixée un disque 21 formant support de fluxmètre 22. Le disque support 21 est fixé au moyen de boulons 23 sur la plaque échangeuse 20, létan- chéité entre ces deux éléments étant assurée par un joint torique 24 ménagé dans une gorge associée 25 de la plaque échangeuse.

La face avant 26 du disque support constitue une face de captage,délimitée a'l'extérieur par un joint torique d'étanchéité 27 logé dans une gorge périphérique 28 du disque support 26. Ce joint d'étanchéité 27 est essentiel pour que puisse être obtenu un vide dans la zone de captage lorsque l'unité est appliquée contre la surface de l'échantillon, grâce à la mise en oeuvre de moyens d'aspiration. Sur la figure 2, on distingue ainsi une conduite 29 se raccordant sur un embout 30, de façon à acheminer le vide d'aspiration jusqu'à la zone de captage.

On distingue également deux canalisations flexibles 31, 32, se raccordant par un embout associé respectivement 33, 34, et correspondant à l'entrée et la sortie de fluide maintenu à la température prédéterminée pour l'unité de captage concernée. il est en principe préférable de prévoir une entrée de fluide en partie haute de.

l'unité, de sorte que la canalisation 32 concerne l'entrée de fluide, et la canalisation 31 la sortie.

On distingue enfin un capot circulaire 35 recevant l'ensemble plaque échangeuse-disque support de fluxmètre. On notera la présence, sur la plaque échangeuse 20, d'une entretoise monobloc 36 servant à la fixation de l'unité de captage par les moyens 19,en combinaison avec une plaquette 37, et servant également à définir un espace intermédiaire 38 entre la plaque échangeuse 20 et la face du capot 35 en regard. Le fait de prévoir cet espace intermédiaire 38, avantageusement complété par une réalisation en acier inoxydable du capot 35 permettant une réflexion vers une
face arrière polie 39 de la plaque échangeuse, a pour effet de lutter contre les perturbations extérieures et d'améliorer encore le maintien des températures imposées pour chacune des unités de captage.

La figure 3 illustre clairement la réalisation des deux unités de captage 1, 2 à la manière d'un casque d'écoute mobile, avec un support commun associé autorisant un déplacement relatif desdites unités selon une direction sensiblement perpendiculaire à leurs faces de captage 26.

Chaque branche de support 5, 6 est ainsi maintenue sur un profilé de base 7 au moyen de connecteurs coulissants 40, 41, respectivement, dont la position peut naturellement être réglée. Dens la pratique, on prévoit que l'unité de captage correspondant par exemple à la source froide est montée fixe sur le support, tandis que celle correspondant à la source chaude est alors montée avec deux degrés de liberté, pour permettre un ajustement d'alignement aisé. il est en effet très important que les organes sensibles permettant la mesure soient précisément face à face.La figure 3 permet par ailleurs de distinguer un connecteur de liaison 42 permettant le couplage électrique entre la ligne 43 venant de l'unité centrale de commande, et le fluxmètre 22 (la traversée de l'unité de captage par les liaisons électriques associées au fluxmètre sera mieux comprise en référence aux figures 4, 8, 10 décrites ci-après).

Les figures 4 à 7 permettent de mieux distinguer la structure particulière des plaques échangeuses, déjà en partie décrites en regard de la figure 2.

Chaque plaque échangeuse circulaire 20, de préférence réalisée en matière plastique, présente en sa face avant une gorge spiralée 44 allant d'un orifice traversant 45 à une zone centrale 46, et une deuxième gorge spiralée 47 reliant un orifice traversant opposé 48 à la même zone centrale 46. La circulation du fluide concerné peut se faire ainsi depuis l'entrée par l'orifice 45 jusqu'à la sortie par l'orifice 48, après une circulation à contrecourant s'établissant à partir de la zone centrale 46. Il est à noter que les gorges 44, 47 sont usinées dans la masse de la plaque, et que la face avant d'ensemble est dans un même plan : ainsi, lorsque le disque support de fluxmètre 21 est fixé contre la plaque échangeuse 20, ledit disque support sert en même temps de couvercle pour fermer les gorges spiralées.On a représenté ici des gorges 44, 47 constituées sous la forme de deux spirales imbriquées l'une dans l'autre, communiquant au niveau de leur zone centrale commune 46, mais il va de soi qu'une telle disposition constitue un exemple, et que d'autres conceptions analogues pourraient être utilisées. La figure 5 permet de bien distinguer la face avant de la plaque échangeuse 20, et la figure 6 illustre un détail de la plaque échangeuse au niveau d'un orifice traversant pour la circulation du fluide (ici l'orifice d'entrée 45).

La figure 4, et plus particulièrement le détail de la figure 7, illustre un orifice traversant 49 ménagé au voisinage de la périphérie de la plaque échangeuse 20 cet orifice 49 concerne la connexion des moyens de vide, le raccordement se faisant avec l'embout 30 visible en figure 2. On notera que l'orifice 49 est prévu à l'extérieur de la gorge circulaire 25 recevant le joint torique d'étanchéité associé.

Les figures 8 à 11 illustrent quant à elles les détails de la structure du disque 21 servant de support de fluxmètre.

La figure 8 permet de distinguer que la face avant 26, délimitée par la gorge circulaire 28 déjà mentionnée plus haut, comporte une face centrale 51 légèrement en retrait par rapport au plan de ladite face avant pour recevoir le fluxmètre 22 (non représenté ici). On utilise ainsi, pour chaque unité de captage, un fluxmètre central unique par face, largement entouré par la plaque échangeuse chargée d'imposer la température concernée : ceci se différencie fondamentalement du dispositif objet du brevet principal dans lequel on utilisait un système de mesure fluxmétrique avec anneau de garde. En fait, en utilisant un fluxmètre ultramince (les techniques du type circuit imprimé permettent d'arriver à des fluxmètres dont l'épaisseur n'excède pas 150 ), il suffira de prévoir une face centrale en retrait d'environ 0,2 mm.

il est préférable de ménager un passage pour les fils de raccordement du fluxmètre qui ne doivent pas perturber le plan de la face avant 26 destiné à venir au contact de la face de l'échantillon. A cet effet, on a prévu deux rainures supplémentaires 52, chacune desdites rainures reliant le logement central défini par la face en retrait 51 et un conduit radial 53 ; ledit conduit 53 relie un orifice 54 d'extrémité de rainures à une sortie périphérique prévue au niveau d'une encoche 55.

Lorsque le disque support de fluxmètre 21 est fixé sur la plaque échangeuse 20, les deux encoches 55 sont en regard d'encoches homologues 50 ménagées à la périphérie de la plaque échangeuse, de sorte que les fils de raccordement du fluxmètre peuvent aisément déboucher en arrière de l'unité de captage, sans aucurwnent perturber la planéité de la face de captage : le détail de la figure 10 illustre clairement le cheminement d'un fil de raccordement.

On distingue également un orifice de vide 57 débouchant dans la face avant 26, pour permettre l'établissement du vide par les moyens d'aspiration. il est de préférence prévu une rainure circulaire en V 56 au niveau de l'orifice de vide 57, lequel orifice 57 est relié par un passage radial 58 à un orifice arrière 59, ainsi que cela est mieux visible sur le détail de la figure 11. Lorsque le disque support de fluxmètre 21 est fixé sur la plaque échangeuse 20, l'orifice arrière 59 vient naturellement en regard de l'orifice 49 de ladite plaque échangeuse.

Ainsi, chaque plaque échangeuse est fermée par un disque support qui est de préférence métallique, assurant une homogénéisation des températures tout en permettant le maintien du vide au niveau de la zone de captage pendant la mesure. il est clair que le contact intime entre les plaques échangeuses et l'échantillon à mesurer, assuré au moyen d'une pompe à vide, permet de limiter tout risque de création d'une lame d'air parasite entre l'appareil et l'échantillon.

Le type defluxmètre utilisé avec le dispositif de l'invention est de préférence conçu à partir du principe d'une pluralité de thermocouples déjà utilisés pour le dispositif du brevet principal, mais modifiés ici de façon à présenter une très faible inertie thermique pour ne pas perturber les échanges thermiques entre plaque échangeuse et échantillon. Ainsi, au lieu de bandes bimétalliques encochées, les fluxmètres seront de préférence réalisés par un procédé s'apparentant aux techniques de fabrication des circuits imprimés multicouches souples.A partir d'une mince feuille d'un métal (par exemple du constantan), de divers caches, de dépôts de résine photosensible, de photogravure et de dépôts électrolytiques d'un autre métal (par exemple du cuivre) possédant des propriétés thermoélectriques différentes, on a ainsi réalisé des fluxmètres d'une grande sensibilité, et présentant la propriété avantageuse d'avoir- la même réponse pour un flux traversant par une face ou par la face opposée.Sur ces fluxmètres, après interposition d'une pellicule isolante collée, le thermocouple central peut être réalisé par le même procédé sur une nouvelle feuille métallique par photogravure et dépôts électrolytiques : le thermocouple permet ainsi de mesurer la température de surface au contact de l'échantillon. il convient de noter que la mesure des températures de surface s'effectue à l'aide de thermocouples à compensation automatique ne nécessitant pas la référence constituée par de la glace fondante conservée dans un vase de
Dewar, comme ce serait le cas dans le cadre d'un appareil de laboratoire.

il convient de noter que la réalisation du dispositif à la manière d'un casque d'écoute mobile permet d'effectuer des mesures sur des échantillons verticaux, horizontaux ou même obliques, l'écartement des unités de captage étant réglables en fonction de l'épaisseur de l'échantillon. il va de soi que le support des unités de captage, et en particulier la distance séparant la face de captage de la branche & rticale) de support, ainsi que la cote ici verticale séparant chaque unité du profilé de base de support, seront choisis avec un dimensionnement suffisant.

La première cote doit pouvoir autoriser le contournement d'une bordure plus épaisse que l'échantillon, comme c'est le cas avec des menuiseries de façades (on pourra par exemple choisir une cote d'environ 90 mm) ; la cote verticale doit être par ailleurs suffisante pour éviter les perturbations dues à un effet de bord (on choisira par exemple une hauteur au moins égale à 20 cm).

il convient enfin de noter que le dispositif de mesure rapide permet de faire une mesure sur de grands panneaux ou vitrages en place, sans aucune limitation de dimensionnement, contrairement au dispositif du brevet principal. Il peut s'avérer intéressant de prévoir des capots de protection (non représentés) à placer sur chaque unité de captage pour protéger la face de captage de celle ci.En particulier, de tels capots peuvent être avantageusement réalisés de telle sorte qu'en rapprochant les plaques ainsi protégées jusqu'à ce que les capots soient en contact l'un contre l'autre, on obtienne entre les deux plaques une structure sandwich constituée de deux épaisseurs de matière (matière plastique de préférence) séparées par une lame d'air : une mesure rapide faite dans de telles conditions peut constituer un étalonnage ou la vérification d'une dérive éventuelle des organes de mesure et de régulation.

il va de soi que certaines précautions préalables à l'utilisation devront être prises pour le bon déroulement de la mesure. Ainsi, le dispositif sera placé dans un endroit à température ambiante correspondant à une bonne utilisation du matériel électrique ou électronique (environ 200C) ; on devra s'assurer que les bacs contiennent suffisamment d'eau, et que les raccordements souples par tuyau ont un rayon de courbure propre à assurer une bonne circulation. On doit également veiller à éviter tout frottement ou chocs sur la face de captage de chacune des unités, afin notamment d'éviter un arrachement des fils de raccordement et/ou une détérioration des fluxmètres. Enfin, il est préférable d'attendre la stabilisation des températures affichées sur les thermomètres numériques avant de procéder à une véritable mesure du coefficient thermique désirée.

Cette stabilisation est naturellement tributaire de la température ambiante, de l'aération du groupe frigorifique, et bien évidemment aussi des températures désirées : d'une façon généralerla durée de cette mise en régime devrait être de l'ordre de 45 à 60 minutes.

il va de soi que l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles figurant aux revendications.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure rapide de caractéristiques thermiques de matériaux isolants, dans lequel on réalise successivement les opérations suivantes a) on met chacune des deux surfaces planes parallèles d'un

échantillon de matériau isolant en contact parfait avec

une plaque échangeuse maintenue à une température cons

tante, les deux plaques étant à des températures diffé

rentes et l'une quelconque d'entre elles étant sensible

ment à la même température que l'échantillon b) on mesure, sensiblement jusqu'à l'établissement du ré

gime stationnaire, la différence entre les températures

des deux surfaces de l'échantillon ainsi que l'intensité

de chacun des flux traversant chacune desdites surfaces; c) on enregistre les variations de la somme des deux flux

en fonction du temps, et les variations de la différence

entre les températures des deux surfaces de l'échantil

lon en fonction de la somme des deux flux, selon la re

vendication 1 du brevet principal, dans lequel le maté

riau isolant de l'échantillon peut ne pas être homogène, en

particulier un matériau du type sandwich, caractérisé

par le fait que, dans une quatrième opération d) on en

déduit le coefficient d'isolation thermique (M) dudit

échantillon de matériau isolant considéré, et ainsi le

pouvoir isolant du matériau.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'opération d) de détermination du coefficient d'isolation thermique (M) est suivie d'une cinquième opération e) de détermination du coefficient de transmission thermique globale (K), correspondant à l'inverse de la somme du coefficient d'isolation thermique (M) et d'un coefficient (c) représentant une valeur conventionnelle d'échange de surface dans les conditions de mesure concernées, et ainsi les déperditions thermiques possibles à travers les parois du matériau dans des conditions analogues.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'opération d) est arrêtée dès que les variations enregistrées, directement obtenues à partir du rapport de la différence entre les températures des deux surfaces de l'échantillon à la somme des deux flux, se stabilisent suffisamment.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'écart entre les températures des plaques échangeuses lors de l'opération a) est choisi au moins égal à 1O0C.

5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comportant deux plaques échangeuses couplées chacune à un générateur qui lui impose un niveau thermique prédéterminé, chacune de ces plaques échangeuses étant par ailleurs équipée d'un fluxmètre, et comportant en outre un organe de mesure de la différence de température entre les deux surfaces de l'échantillon ainsi que des organes d'enregistrement des différentes valeurs mesurées, selon la revendication 5 du brevet principal, caractérisé par le fait qu'il comporte deux unités de captage (1, 2), identiques et tournées l'une vers l'autre, destinées à être appliquées par une face de captage (26) contre la surface de l'échantillon de matériau isolant, chaque unité comportant une plaque échangeuse (20) munie d'un fluxmètre central unique (22) et d'un moyen périphérique d'étanchéité (27) tournés vers la surface concernée de l'échantillon, et étant associée par l'autre côté à des moyens d'aspiration créant un vide dans la zone de captage lorsque ladite unité est appliquée contre ladite surface concernée.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les deux unités de captage (1, 2) sont réalisées à la manière d'un casque d'écoute mobile, avec un support commun (4) autorisant un déplacement relatif desdites unités selon une direction sensiblement perpendiculaire à leur face de captage (26).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le support commun (4) a sensiblement la forme d'un U, dont une branche fixe (5) porte une unité de captage (1), tandis que l'autre branche (6), mobile transversalement, porte l'autre unité de captage (2), de préférence avec un moyen de liaison (19) de type rotule.

8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que chaque unité de captage (1, 2) comporte un capot circulaire (35) recevant une plaque échangeuse (20) contre laquelle est fixé un disque support de fluxmètre (21), ledit disque formant un ensemble de gorges (44, 47) ménagées sur la face en regard de ladite plaque échangeuse.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'une entretoise monobloc (36) est prévue sur la plaque échangeuse (20), afin de définir un espace (38) entre ladite plaque et la face du capot (35) en regard.

10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait que les gorges de la plaque échangeuse (20) sont constituées sous la forme de deux spirales (44, 47), imbriquées l'une dans l'autre et communiquant au niveau de leur zone centrale commune (46).

11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait que le disque support de fluxmètre (21) comporte une face avant (26) délimitée par une gorge circulaire (28) recevant un joint torique d'étanchéité (27), et une face centrale (51) légèrement en retrait de ladite face avant pour recevoir le fluxmètre (22), un orifice (57) étant par ailleurs prévu, débouchant dans ladite face avant pour permettre l'établissement du vide par les moyens d'aspiration.

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que deux rainures supplémentaires (52) sont pratiquées dans la face avant (26) du disque support de fluxmètre (21), chacune desdites rainures reliant le logement central défini par la face en retrait (51) et un orifice (54) débouchant à la périphérie dudit disque, afin de réaliser un passage non saillant des fils de raccordement de fluxmètre.

13. Dispositif selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé par le fait que une rainure circulaire en V (56) est également pratiquée dans la face avant du disque support de fluxmètre, au niveau de l'orifice de vide (57).

14. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisé par le fait qu'il est relié par des canalisations associées (29, 31, 32, 3) aux moyens de commande de circulation de fluide provenant de deux unités calorifiques, aux moyens de pompage pour la création du vide, et aux moyens de traitement des données mesurées et enregistrées, lesdits moyens étant logés dans un chariot mobile autonome (9).