FR2932243A1

FR2932243A1 - Thermal insulation device for liquid hydrogen reservoir of space launcher, has flexible insulating layer arranged to form screen between cryogenic liquid and rigid insulation layer with thickness ranging from specific millimeters

Info

Publication number: FR2932243A1
Application number: FR0853726A
Authority: FR
Inventors: Francois Barbier; Sophie Quemerais
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-11
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: FR2932243B1

Abstract

The device has a rigid internal insulation layer (1) made of PVC foam and glued to a metallic cylindrical wall (3) and a flexible insulating layer (2) arranged to form a screen between cryogenic liquid and the rigid insulation layer. The rigid insulation layer has thickness ranging from 10 to 20 millimeters (mm), and the flexible insulating layer has a thickness ranging from 15 to 25 mm. The flexible insulating layer comprises or consists of specialty polymer foam such as polyimide. The wall is made of aluminum alloy or composite material. Independent claims are also included for the following: (1) a cryogenic liquid reservoir of a space launcher (2) a method for protecting a rigid internal insulation layer by gluing on internal surface of a cryogenic liquid reservoir of a space launcher.

Description

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. The present invention relates to a thermal insulation device for a cryogenic liquid tank, a cryogenic tank and a method for protecting a cryogenic insulation layer. The invention relates more particularly to a thermal insulation device intended to be disposed on an internal surface of a cryogenic tank, the device comprising a first layer of rigid insulation such as polyvinyl chloride (PVC) foam. The invention relates to the cryogenic insulation of a cryogenic tank via the interior, in particular for a liquid hydrogen tank of space launchers. The invention applies in particular to tanks said to have a common bottom between two storage volumes provided for two separate fluids (hydrogen and oxygen for example), for which an insulation must be placed on the inter-volume wall, on the side of one of the fluids (liquid hydrogen side for example). The invention can also be applied to the internal insulation for reusable space launchers tank, for which, due to the presence of an external thermal insulation (so-called hot) provided for the atmospheric re-entry phase, it is preferable to place the cryogenic insulation (so-called cold) inside the tank, especially on the cylindrical areas of the tank. A known insulation solution for this type of tank consists in arranging a layer of insulating honeycomb structure between two walls and in providing a vacuum insulation of this structure. This solution is however expensive and complex, especially for large tanks. Another known solution consists in arranging on the inner surface of the tanks an insulating layer having a tight and rigid foam structure. This rigid rigid insulation is for example that designated by the reference H920A of the company Air Liquide. This latter solution satisfactorily isolates the reservoirs but may have disadvantages when the insulation layer is subjected to very low temperatures (eg 20K) for relatively long periods of time (several hours). Indeed, the Applicant has found that, due to the relative thermal contraction between the tank wall (aluminum alloy in general) and the insulation foam (subjected to a temperature such as 20 K for example), and the Because of the very low permissible elongation of this foam, cracks are likely to occur within the insulating structure. These cracks degrade the insulation performance of the reservoir, in particular by circulation of cryogenic liquid in these cracks. Document DE 2423381 relates to insulated concrete tanks requiring a layer of impervious epoxy resin and two layers of foam (respectively of expanded foam and foam in open cells). This system is unsuitable for special launchers because in particular the open cell foam layer is completely soaked with cryogenic liquid during its use.

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. Document DE 2543840 describes a boat tank insulation storing liquid at atmospheric pressure and isolated via two layers of PU foam respectively with open and closed cells. This type of insulation is unsuitable for cryogenic tanks of space launchers because of its mechanical characteristics.

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. CH 484394 discloses a liquefied gas storage using a closed cell PVC layer having characteristics incompatible with the constraints of the space launcher tanks. An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.

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. To this end, the thermal insulation device according to the invention, moreover in conformity with the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that it comprises a second flexible layer of insulation having a an open-cell foam structure, said second layer being intended to form a screen between the cryogenic liquid and the first insulating layer, the first insulating layer having a thickness of between 5 and 60 mm and preferably between 10 and 20 mm and in that the second insulating layer has a thickness of between 5 and 40 mm and preferably between 15 and 25 mm. In this way, the second insulation layer creates a buffer 30 of gas between the stored liquid and the surface of the existing rigid foam insulation. This arrangement makes it possible to increase the surface temperature of the first rigid insulation layer. This makes it possible to obtain a reduced differential thermal contraction between, on the one hand, the skin or wall of the reservoir and, on the other hand, the rigid insulation layer. In addition, the invention allows a permissible elongation to higher failure. In this way, the liquid propellant, for example liquid hydrogen, is prevented from entering the cracks and inducing high thermal fluxes by vaporization.

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. Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following features: - the second layer of insulation is bonded on one side to a first layer of insulation, - the second layer of insulator has a flexible structure, - the second insulating layer comprises or consists of a polyimide foam, - the first insulating layer has a thickness of between 5 and 60 mm and preferably between 10 and 20 mm, - the second The insulating layer has a thickness of between 5 and 40 mm and preferably between 15 and 25 mm. The second insulating layer is made of a material having a density of between 5 and 20 μm / m 3. Another object of the invention is to provide a reservoir for cryogenic liquid comprising at least one wall delimiting a storage volume 20 for cryogenic liquid, comprising, disposed on at least a portion of the inner surface of the wall or walls, a thermal insulation device according to any one of the preceding characteristics, the second insulating layer being interposed between the storage volume intended to contain the cryogenic liquid and the first insulating layer. According to other possible particularities: the first layer of insulation is glued to the wall, the wall is metal, made of aluminum alloy or of composite material (carbon fibers for example), the wall delimits a volume internal storage with respect to the hot volume outside the tank, the tank is of the common bottom type comprising two separate internal cryogenic storage volumes intended to separately store separate liquids, an inter-volume wall delimiting the first internal storage volume. relative to the second internal storage volume, a face of the inter-volume wall comprising a thermal insulation device according to any one of the above characteristics or hereafter, Another object of the invention is to propose a method of protecting a rigid internal insulation layer disposed on an inner face of a wall of a cryogenic fluid reservoir. According to an advantageous feature, the method comprises a step of producing a gas buffer between the rigid inner insulation layer and the stored fluid by means of an intermediate insulation layer with an open structure interposed between the rigid insulation layer and the stored fluid, the intermediate open-frame insulation layer being shaped to form a temperature gradient between the rigid insulation layer and the stored fluid. Other features and advantages will appear on reading the description below, with reference to the figures in which: - Figure 1 shows a partial and schematic sectional view illustrating the arrangement of an isolation device in a common bottom tank according to a first exemplary embodiment of the invention, - Figure 2 shows an enlarged view of a detail of Figure 1 illustrating the arrangement of the insulation on a wall of the tank, - Figure 3 represents an enlarged view of a detail of a second embodiment of an insulation according to the invention in a reusable tank. Referring to Figure 3, at least the cylindrical wall 3 of a cryogenic tank comprises, on its inner surface in communication with cryogenic liquid stored in the tank, a layer 1 of rigid insulation rigid foam classic. This first layer 1, for example glued on the metal wall, may have a thickness of about 25 to 50 mm for example. On this first layer 1 is bonded a second layer 2 of open cell flexible insulation foam. By open cell structure is meant for example a porous structure whose pores communicate with the outside. Preferably, the second layer 2 has a flexible and elastic structure at ambient temperature and at the temperature of use.

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. This second layer 2 is for example made of a flexible foam, elastic and low density (for example between 5 and 20 kglm3). The second layer 2 is for example made of solimide AC 550 or any other equivalent material.

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. Polymers can be classified sometimes according to three main families 1) polymers of convenience (type PVC, Polystyrene, ...), 2) technical polymers (polyurethane type, ..) and 3) specialty polymers (polyimide type, polysulfone, ...). This ranking is usually an economic classification.

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. Preferably, the second layer 2 is not made of or does not comprise a polymer of the polyurethane type. Preferably, the second open cell layer 2 is made of specialty polymer. The thickness of the second layer 2 is for example of the order of 15 to 25 mm. This second insulation layer 2 allows rapid depressurization of the reservoir without degradation of the open cells 2 (in particular due to its density and its structure allowing the fluid to escape in the event of rapid depressurization). As shown, the insulation structure is particularly adapted to provide optimum insulation between the interior of a tank containing liquid hydrogen (H2L) (or other cryogenic liquid) and the outside (EXT). In the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2, an identical insulating structure is disposed on one face of an internal wall 3 separating two adjacent storage volumes of a same reservoir. Such a common bottom tank makes it possible to separately store two distinct fluids (for example liquid hydrogen (H2L) and liquid oxygen (O2L) .The isolation device is disposed on the face of the wall situated on the side liquid hydrogen (colder) The first layer 1 of rigid insulation has for example a thickness of between 10 to 50 mm and the second layer 2 of open cell flexible foam insulation has for example a thickness of about 20 mm.

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. The invention makes it possible to generate a gaseous buffer between the stored liquid and the rigid insulation layer 1 because the fluid vaporizes in the open cells of the second layer 2. The surface temperature of the rigid foam 1 is thus increased. around, for example 70 to 80 K. At this temperature, the mechanical characteristics of the rigid layer 1 are improved. In addition, the open-cell foam layer 2 makes it possible to avoid having strong heat exchanges in the zones with strong reservoir deformations (flexions, singularities) where cracks are likely to occur (in the insulation layer). rigid). Indeed, the gaseous buffer in the second layer 2 prevents the liquid from entering the cracks that could form in the first layer 1. This insulation is particularly suitable for microgravity applications. In this case, the gaseous buffer within the second layer 2 is thick and the insulation is particularly powerful. The invention can also be used for the storage of other cryogenic fluids such as methane for example.

Claims

REVENDICATIONS1. Thermal insulation device intended to be disposed on an internal surface of a cryogenic liquid tank of a space launcher, the device comprising a first layer (1) of rigid insulation such as a polyvinyl chloride (PVC) foam, the first layer (1) of insulation being adhered to the wall (3), characterized in that it comprises a second layer (2) of flexible insulation having an open cell foam structure, said second layer (2) being intended to form a screen between the cryogenic liquid and the first layer (1) of insulation, the first layer (1) of insulation having a thickness of between 5 and 60 mm and preferably between 10 and 20 mm and in that that the second layer (2) of insulation has a thickness of between 5 and 40 mm and preferably between 15 and 25 mm.

2. Device according to claim 1, characterized in that the second layer (2) of insulation is glued on one side of the first layer (1) of insulation.

3. Device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the second layer (2) of insulation comprises or consists of a polymer foam of the so-called specialty type such as polyimide.

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second layer (2) of insulation is made of a material having a density of between 5 and 20 kg / m3.

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the overall insulation (first layer and second layer) has a basis weight less than 2.5 kglm2.

6. Tank for cryogenic liquid launcher including at least one wall (3) defining a storage volume for cryogenic liquid, characterized in that it comprises, arranged on at least a portion of the inner surface of the wall or walls (3), a thermal insulation device 30comforme to any one of claims 1 to 4, the second layer (2) of insulation being interposed between the storage volume for containing the cryogenic liquid and the first layer (1 ) of insulation.

7. Tank according to claim 6, characterized in that the wall (3) is metal, aluminum alloy or composite material.

8. Tank according to any one of claims 6 or 7, characterized in that the wall (3) defines an internal storage volume relative to the volume (EXT) hot outside the tank.

9. Tank according to any one of claims 6 or 8, characterized in that it is of the common bottom type having two separate internal cryogenic storage volumes for separately storing separate liquids (H2L, 02L), a wall (3) inter-volume defining the first internal storage volume with respect to the second internal storage volume, an inter-volume wall face (3) comprising a thermal insulation device according to any one of claims 1 to 7. 20

10. A method of protecting a layer (1) of rigid internal insulation arranged by bonding on an inner face of a wall (3) of a space launcher cryogenic fluid reservoir, comprising a step of producing a a gaseous buffer between the rigid internal insulation layer (1) and the stored fluid (H2L) by means of an intermediate layer of intermediate structure insulation (2) interposed between the rigid insulation layer (1) and the fluid stored (H2L), the layer (2) of intermediate insulation with open structure being shaped to form a temperature gradient between the wall (3) of the reservoir and the stored fluid (H2L), the first rigid layer (1) d insulation having a thickness of between 5 and 60 mm and preferably between 10 and 20 mm, the second intermediate layer (2) of insulation having a thickness of between 5 and 40 mm and preferably between 15 and 25 mm.

11. The method of claim 10, characterized in that the cryogenic fluid is stored in the tank at a pressure greater than 3 bar and preferably between 3.5 and 4.5 bar.