FR3001277A3 - Procede d'assemblage de materiaux pour augmenter la resistance thermique d'un chemin thermique par effet multiplicateur. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé d'assemblage de matériaux destiné à augmenter la résistance thermique du chemin thermique parcouru par un flux de chaleur entre deux faces opposées à l'extérieur dudit assemblage. L'assemblage forme un volume étanche dans lequel on fait le vide. A l'intérieur de l'assemblage un ou des réflecteurs de rayonnements thermiques sont installés pour ne pas permettre à ces rayonnements de transférer de l'énergie entre l'intérieur des deux faces opposées caractérisant le chemin thermique et citées ci-avant. Le tout prend la forme d'une brique.

Description

277 Procédé d'assemblage de matériaux pour augmenter la résistance thermique d'un chemin thermique par effet multiplicateur. La présente invention concerne un procédé d'assemblage de matériaux destiné à augmenter la résistance thermique du chemin thermique parcouru par un flux de chaleur entre deux faces opposées à l'extérieur dudit assemblage. L'assemblage forme un volume étanche dans lequel on fait le vide. A l'intérieur de l'assemblage un ou des réflecteurs de rayonnements thermiques sont installés pour ne pas permettre à ces rayonnements de transférer de l'énergie entre l'intérieur des deux faces opposées caractérisant le chemin thermique et citées ci-avant. Le tout prend la forme d'une brique. Pour mémoire les matériaux possèdent une grandeur physique dite « conductivité thermique » : LAMBDA (X) exprimée en W m-1 K1 pour 1 m2. On peut calculer une « résistance thermique » Rth exprimée en K Avec la formule : Rth = (1/X) * (L/S) où L est la longueur du matériau exprimée en mètre et S est la surface au travers de laquelle le flux de chaleur circule exprimée en m2. En l'état actuel de la technique, la recherche de la plus forte résistance thermique possible entre deux faces extérieures opposées peut se faire par un des six moyens cités ci-dessous : 1- Par le choix de matériaux solides pleins. A la plus forte résistance thermique correspond la plus faible conductivité thermique. En l'état actuel des matériaux connus le polystyrène avec X = 0,04 est couramment utilisé et certains matériaux seraient donnés pour des X plus faibles. 2- En remarquant que l'air possède un très faible X = 0,025, on peut le piéger dans un système fibreux. Ce système fibreux va éviter le transport de l'énergie par la convection de l'air, laquelle venant en plus de la conduction diminue la résistance thermique. La méthode a ses limites car le système fibreux lui-même, composé de fibres solides, apporte une conduction qui diminue la résistance thermique. Avec X air = 0,025 et X fibre = 1 on réalise des isolations avec I global autour de 0,030 à 0,040. 3- On peut aussi piéger l'air dans un réseau de micro bulles. On retombe sur le même problème que ci-dessus car on utilise des matériaux dits plastiques avec le X plastique autour de 0,15. Même en prenant bien soin d'arrêter les rayonnements avec des surfaces qui réfléchissent les rayonnements thermiques, le résultat final X = reste autour de 0,030 à 0,040. 4- On peut aussi piéger l'air dans des aérogels. Avec des aérogels on peut approcher de très près le X de l'air. D'une manière générale, on peut approcher le X de l'air mais on ne peut pas descendre en dessous. 5- Il a aussi été remarqué que le vide ne permet ni la conduction ni la convection. Seul le rayonnement thermique se propage dans le vide. Il a été créé une bouteille doublée d'une autre, les deux réunies au niveau du col. L'espace entre les deux bouteilles est tapissé d'une matière qui réfléchit les rayonnements thermiques et le vide est fait entre les deux bouteilles. Ceci donne de très bons résultats mais entre l'intérieur d'une bouteille et l'extérieur de l'autre. Page 1 sur 10 - Des structures sont proposées formant des panneaux isolants sous vide. Elles donnent de très bons résulats en terme de X. Il est possible de produire des panneaux minces. Il semble que la durée de vie de ces structures reste limitée du fait que les matériaux ne sont pas parfaitement imperméables à l'air. La présente invention propose un procédé d'assemblage de matériaux entre deux plans opposés, en construisant un multiplicateur de résistance thermique, ce qui permet de réaliser des briques solides, peu fragiles, de taille standardisée, produites en série. La construction de ces briques ne fait appel qu'à des technologies connues et maîtrisées. La présente invention est décrite et commentée ci-après, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 présente le principe de l'assemblage. La figure 2 présente différentes formes de section du tube B. La figure 3 présente un exemple de nervures du tube B et de réflecteur / renfort C correspondant. - La figure 4 présente un exemple de disposition des réflecteurs / renforts C dans le tube B et un détail du contact entre le tube B et les réflecteurs / renforts C. Deux volumes d'un matériau solide A (Al, A2) définissent deux faces extérieures S entre lesquelles l'énergie est échangée par le flux de chaleur. Un tube B en matériau solide et a la paroi périphérique mince d'épaiseur e relie les deux volumes A. La surface de la section solide d'épaisseur e est Sb. La liaison C entre chacun des deux volumes A et le tube B est solide et étanche. Le volume intérieur V définit par les deux volumes A et le tube B est placé sous vide. Les matériaux des deux volumes A et de la paroi du tube B sont étanches ou suffisament étanches pour limiter l'introduction d'air ou vapeurs pendant un temps suffisament long compatible avec l'usage de 1 ' assemblage. Un ou des réflecteurs D de rayonnements thermiques, occupant chacun une section du tube B sont placés dans le volume intérieur V entre les deux volumes A, éventuellement contre l'intérieur de ces volumes A. La longueur du tube B est L. La longueur totale de l'assemblage est Lt. L'énergie du flux de chaleur qui circule entre les deux surfaces S d'échange est contrainte de passer dans la surface SB formée par la section solide du tube B. L'énergie du flux de chaleur ne peut pas passer par la surface S - SB pour trois raisons : - Il n'y a pas de conduction car il n'y a pas de liquide ou gaz, - Il n'y a pas de convection car il n'y a pas de liquide ou gaz, Le rayonnement thermique est presque totalement arrêté par les réflecteurs D. En considérant d'une part l'assemblage exposé ci-dessus, comportant le tube B dont la section solide est SB et réalisé avec un matériau de condictivité thermique X, la résistance thermique de ce tube est : Rth (tube B) (1/X) * (L/SB) où L est la longueur du tube B et SB la section solide du tube B En considérant d'autre part l'assemblage exposé ci-dessus, et en supposant que le tube B soit remplacé par un volume homogène du même matériau et de même section extérieure, la résistance thermique de ce volume serait : Page 2 sur 10 Rth (volume homogène) (1/a) * (LIS) où L est la longueur du tube B remplacé par le volume homogène du même matériau et S est la surface d'échange d'énergie. On constate un effet multiplicateur de la résistance thermique dans le ratio : Rth (volume homogène)/ Rth (tube B) = S sB. L'assemblage doit être réalisé avec un matériau solide d'une part et de faible X d'autre part. En se référant à la Figure 2, les différentes formes du tube B peuvent être : un cercle Bce, un hexagone Bhex, un carré Bca, un triangle Btr ou d'autres formes selon le besoin. Selon la forme, pour une même surface S et pour un même ratio S / sB l'épaisseur de la paroi périphérique du tube varie ainsi que la longueur périphérique du tube B. Exemples pour différentes formes : Tableau des dimensions dans l'hypothèse d'un ratio S / sB = 10 pour une surface de 1 m2. Forme Surface S Surface SB Rayon extérieur Epaisseur du tube B Longueur périphérique extérieure Cercle 1 m2 0.1 m2 0,564 m 0.029 m 3,54 m Longueur du côté extérieur Hexagone 1 m2 0.1 m2 0,623 m 0.028 m 3,73 m Carré 1 m2 0.1 m2 1 m 0.026 m 4 m Triangle équilatéral 1 m2 0.1 m2 1,52 m 0,022 m 4,56 m La forme circulaire est mécaniquement la meilleure. Mais la juxtaposition de cercles ne permet pas de couvrir totalement une parroi plane de grande surface. Il faut combler les interstices avec un matériau courant, ce qui diminue la résistance thermique totale de la parroi. La forme circulaire peut être utilisée pour des cas particuliers. La forme hexagonale et la forme carrée, qui sont juxtaposables, permettent de former de grandes surfaces planes isolantes. La forme triangulaire qui est moins avantageuse peut faire l'objet d'applications particukières. Pour tous les cas, le tube B doit supporter une pression de S sB atmosphères dans le sens de l'axe en longueur. Exemple pour une matière plastique (X plastique = 0,15) et si on prend l'hypothèse d'arriver à X 0,015 le ratio multiplicateur S sB dans cet exemple doit être de 10. Dans l'hypothèse de ce ratio, le tube doit supporter 10 atmosphères dans le sens de son axe soit 10 kg/cm2. La résistance à la compression d'un plastique (matériau pris pour exemple) parmi les moins solides est de 1,5 daN/mm2 soit 150 kg/cm2. La pression à supporter dans l'exemple est 15 fois plus petite que le moins solide des plastiques (la plupart des plastiques ont une résistance à la compression supérieure à 6 daN/mm2) Page 3 sur 10 Le tube B subit la pression atmosphérique sur sa périphérie. Combinée avec la compression, ces forces peuvent causer un flambage. Pour diminuer les riques de flambage, on utilise les réflecteurs D comme disques de renfort. Chaque disque épouse la forme intérieure du tube B. La résistance mécanique et la résistance au flambage peuvent être améliorées en disposant des nervures N à l'intérieur du tube L. Ces nervures, qui augmentent la surface SB doivent être optimisées car elles diminuent la résistance thermique. La Figure 3 montre deux exemples de tubes Bhex et Bca nervurés avec les nervures N et la forme des réflecteurs / renforts D correspondants. Les matériaux utilisés pour les réflecteurs / renforts D peuvent être du métal avec les surfaces thermiquement réfléchissantes ou tout autre matériau résistant mécaniquement avec une ou deux surfaces rendues thermiquement réfléchissantes. Les reflecteurs / renforts D sont pourvus d'un trou T pour assurer le vide dans tout le tube B. Le nombre des réflecteurs/renforts D est optimisé en fonction du rique de flambage et de l'efficacité de la barrière thermique. La Figure 4 montre une disposition possible des réflecteurs /renforts D dans le tube B. Leur répartition, proche des volumes A et plus espacée au milieu du tube B découle de la répartition des contraintes mécaniques le long du tube B. Un détail grossi montre que le contact P entre le tube B et les réflecteurs / renforts C doit rester aussi petit que possible pour limiter la formation d'un pont thermique. Le volume intérieur V définit par les deux volumes A et le tube B est placé sous vide et ce vide doit être conservé assez longtemps en comparaison avec le temps d'utilisation prévu. Dans le cas d'utilisation de matériaux poreux, il faut rendre étanche l'assemblage : - soit par traitement de surface, soit par adjonction de matériaux non poreux, soit les deux simultanément. La forme en brique avec des surfaces planes se prête bien à ces trois possibilités. Le tube B peut être alors être constitué par deux ou plus matériaux dont au moins un est non poreux. On considère alors le ?^, de chacun des matériaux et on identifie un 2 global. La résistance mécanique devient celle des deux ou plus matériaux assemblés compte tenu de leur méthode d'assemblage. Le plastique (matériau pris pour exemple), qui est poreux aussi bien à l'air qu'à l'eau nécessite d'être rendu étanche par les moyens mentionnés ci-dessus. On peut citer à titre d'exemples les possibilités suivantes : Page 4 sur 10 - Avec un matériau en plastique (X plastique = 0,15) et un autre matériaux en verre (X verre = 1). Si l'épaisseur du verre est de 0,2 mm, le verre est l'équivalent de 1,33 mm du plastique. Dans l'hypothèse du tableau des dimensions ci-dessus, et dans le cas de la forme du carré, on a alors un tube B composé de 24,67 mm de plastique et 0,2 mm de verre. 2- Avec un matériaux en plastique (X plastique = 0,15) et l'autre matériaux qui est une couche métallique nikel / chrome ou invar (X alliage métal à 23 °C = 13). Si l'épaisseur du métal est de 0,1 mm, elle est l'équivalent de 8 mm du plastique. Dans l'ypothèse du tableau des dimensions ci-dessus, et dans le cas de la forme du carré, on a alors un tube B composé de 18 mm de plastique et 0,1 mm de métal. 3- Avec un matériaux en plastique (X plastique = 0,15) et l'autre matériaux qui est une couche obtenue par depôt électrolytique (X métal = 90). Si l'épaisseur du métal est de 0,01 mm, elle est l'équivalent de 6 mm du plastique. Dans l'hypothèse du tableau des dimensions ci-dessus, et dans le cas de la forme du carré, on a alors un tube B composé de 20 mm de plastique et 0,01 mm de métal. On voit dans les trois exemples ci-dessus que la résistance thermique est conservée et que la résistance mécanique peut toujours être assurée avec un matériau plastique. Les deux volumes du matériau solide A qui définissent deux faces S entre lesquelles l'énergie est échangée sont assez résistants pour supporter la pression atmosphérique et transmettre la force sur le tube B. Dans le cas de grandes surfaces on pourrait ajouter une ou des entretoises entre les deux volumes mais elles vont diminuer la résistance thermique de l'ensemble. La résistance thermique des deux volumes A est une valeur qui correspond au chemin du flux thermique dans ce volume. Le chemin du flux thermique traverse d'un côté la surface S d'un volume et de l'autre côté la surface SB. Le flux de chaleur circule donc principalement radialement. L'influence de ces deux volumes A sur la résistance thermique totale n'est pas prépondérante mais si le matériau a un faible X, ces deux volumes peuvent ajouter une résistance thermique non négligeable. Dans la pratique la résistance thermique de l'assemblage est comptée sur la longueur Lt Rth (longueur Lt pour la surface S) = Rth volume Al +((l/X)*(L/S)*(S/SB))+Rth volume A2 L'un des deux volumes A est équipé d'un système de raccordement pour faire le vide. Ce système de raccordement permet une feu ieture étanche. La méthode d'assemblage présente la caractéristique de posséder deux transitions de dimensions de matériaux. La transmission des vibrations acoustiques présente à ces endroits une forte réflexion par rupture d'impédance acoustique. Par ailleurs le vide ne transmet pas les sons. Il en résulte que l'assemblage présente une forte atténuation pour les ondes acoustiques (hors résonnances). Page 5 sur 10

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage de matériaux pour augmenter la résistance thermique d'un chemin thermique par effet multiplicateur. Caractérisée par la méthode d'assemblage suivante qui se réfère aux Figures 1, 2, 3, 4. Deux volumes d'un matériau solide A (Ai, A2) définissent deux faces extérieures S entre lesquelles l'énergie est échangée par le flux de chaleur. Un tube B en matériau solide et a la paroi périphérique mince d'épaiseur C relie les deux volumes A. La surface de la section solide d'épaisseur e est Sb. La liaison C entre chacun des deux volumes A et le tube B est solide et étanche. Le volume intérieur V définit par les deux volumes A et le tube B est placé sous vide. Les matériaux des deux volumes A et de la paroi du tube B sont étanches ou suffisament étanches pour limiter l'introduction d'air ou vapeurs pendant un temps suffisament long compatible avec l'usage de l'assemblage. Un ou des réflecteurs D de rayonnements thermiques, occupant chacun une section du tube B sont placés dans le volume intérieur V entre les deux volumes A, éventuellement contre l'intérieur de ces volumes A. La longueur du tube B est L. La longueur totale de l'assemblage est Lt. L'énergie du flux de chaleur qui circule entre les deux surfaces S d'échange est contrainte de passer dans la surface SB formée par la section solide du tube B. L'énergie du flux de chaleur ne peut pas passer par la surface S - sB pour trois raisons : Il n'y a pas de conduction car il n'y a pas de liquide ou gaz, Il n'y a pas de convection car il n'y a pas de liquide ou gaz, Le rayonnement thermique est presque totalement arrêté par les réflecteurs D. En considérant d'une part l'assemblage exposé ci-dessus, comportant le tube B dont la section solide est SB et réalisé avec un matériau de conductivité thermique X, la résistance thermique de ce tube est : Rth (tube B) (1/X) * (L/SB) où L est la longueur du tube B et SB la section solide du tube B En considérant d'autre part l'assemblage exposé ci-dessus, et en supposant que le tube B soit remplacé par un volume homogène du même matériau et de même section extérieure, la résistance thermique de ce volume serait : Rth (volume homogène) - (1/X) (L/S) où L est la longueur du tube B remplacé par le volume homogène du même matériau et S est la surface d'échange d'énergie. On constate un effet multiplicateur de la résistance thermique dans le ratio : Rth (volume homogène)/ Rth (tube B) S sB. Au final la résistance thermique de l'assemblage de longueur Lt est : Rth (longueur Lt pour la surface S) = Rth volume Ai+(ono*(LiS)*(S/SB))+Rth volume A2 Page 6 sur 10