Stockage et transfert des fluides cryogéniques
Cryogénie : mise en œuvre des basses températures

1 - Réfrigération et liquéfaction

• 1.1 - Rappels thermodynamiques
  Figure 2 - Cycles réversibles : cycle de Carnot (isotherme-isentrope)1,2,3,4 cycle de Stirling (isotherme-isochore)1,2,3′ ,4′ cycle d’Ericsson (isotherme-isobare)1,2,3′′ ,4′′ Figure 3 - Cycles d’Ericsson, Siemens et Brayton : Ericsson 1,2,3,4 Siemens 1,2 ′ ,3,4 Brayton 1,2 ′,3,3 ′ Figure 4 - Efficacité par rapport au rendement de Carnot de réfrigérateurs et liquéfacteurs Tableau 1
• 1.2 - Cycles courants
  Figure 5 - Cycle de Joule‐Thomson et machine correspondante Figure 6 - Échangeur bobiné pour microréfrigérateur utilisant un cycle de Joule‐Thomson (doc. Air Liquide) Figure 7 - Cycle de Brayton et machine correspondante Figure 8 - Cycle de Claude et machine correspondante Figure 9 - Machines permettant d’obtenir des températures inférieures à 4,4 K par compression à température ambiante ou à basse température Figure 10 - Cycles de Solvay et Gifford‐MacMahon et machines correspondantes Figure 11 - Machines Stirling et à tube de gaz pulsé Figure 12 - Cycle de Vuilleumier et machine correspondante Figure 13 - Diagramme entropique de Gd3 Ga5 O12 , matériau fréquemment utilisé pour la réfrigération magnétique autour de 4 K : le cycle de réfrigération représenté est l’analogue magnétique du cycle de Carnot Figure 14 - Schémas d’un étage de réfrigération magnétique avec ou sans éléments mobiles
• 1.3 - Matériels
  Figure 15 - Système de déshuilage pour compresseur à vis lubrifié Figure 16 - Échangeur à plaques ailetées : constitution d’un bloc (doc. Nordon Cryogénie) Figure 17 - Capacités thermiques volumiques de 4He, du cuivre et du plomb Figure 18 - Turbine cryogénique (doc. Air Liquide) Figure 19 - Compresseur cryogénique centrifuge (doc. Air Liquide) Figure 20 - Système de contrôle des pressions de cycle Figure 21 - Boîte froide d’un liquéfacteur Helial 50 ouverte (doc. Air Liquide) Figure 22 - Exemples de réfrigérateurs Tableau 2
• 1.4 - Performances
  Figure 23 - Réfrigérateur Joule‐Thomson prérefroidi par un cryogénérateur Gifford‐MacMahon (1 W à 4,5 K) Figure 24 - Consommation spécifique en fonction de la puissance de réfrigération pour divers cycles à 77 K, 20 K et 4 K Figure 25 - Domaines d’utilisation des réfrigérateurs selon les cycles utilisés
• 1.5 - Tendances actuelles
  Figure 26 - Évolution de la puissance de réfrigération des liquéfacteurs et réfrigérateurs dans le temps en unités arbitraires (doc. Air Liquide)
• 1.6 - Perspectives

2 - Stockage et transfert des fluides cryogéniques

• 2.1 - Isolation des vases de stockage
  Figure 27 - Classement des divers types de matériaux isolants en fonction de leur conductivité thermique à la température ambiante Figure 28 - Conductivité thermique des poudres Figure 29 - Schéma d’un superisolant Figure 30 - Flux thermique transmis dans un superisolant en fonction du nombre de couches par unité d’épaisseur Figure 31 - Taux de dégazage de divers matériaux en fonction du temps Tableau 3 Tableau 4 Tableau 5 Tableau 6
• 2.2 - Supports des vases de stockage
• 2.3 - Exemples de réalisation
  Figure 32 - Réservoir de stockage : différents types (avec dimensions classiques)
• 2.4 - Lignes de transfert
  Figure 33 - Schéma d’une ligne de transfert d’azote liquide superisolée sous vide Figure 34 - Jonctions entre lignes de transfert
• 2.5 - Vannes et accessoires cryogéniques

3 - Cryostats

• 3.1 - Enceintes
  Figure 35 - Schéma d’un cryostat métallique
• 3.2 - Joints à basse température
• 3.3 - Différents types de cryostats
• 3.4 - Construction pratique des cryostats
  Figure 36 - Polycryostat pour mesures optiques Figure 37 - Cryostats pour applications particulières
• 3.5 - Perspectives d’évolution des cryostats

4 - Cryopompage

• 4.1 - Cryocondensation
  Figure 38 - Schéma de la cryocondensation Figure 39 - Courbes de tension de vapeur de quelques fluides Tableau 7
• 4.2 - Cryosorption
  Figure 40 - Isothermes d’adsorption de N2 , H2 et He en fonction de la nature de l’adsorbant et de sa température Tableau 8
• 4.3 - Cryopompes
  Figure 41 - Principe d’une cryopompe en régime visqueux (10 –2 < p < 10 Pa) Figure 42 - Cryopompes refroidies par fluides cryogéniques bouillants

5 - Production des températures inférieures à 1 K

• 5.1 - Procédés mécaniques
  Figure 43 - Compression adiabatique de 3He solide
• 5.2 - Dilution de 3 He dans 4He
  Figure 44 - Diagramme de phase des solutions liquides 3 He ‐4He sous pression de vapeur saturante Figure 45 - Principe du réfrigérateur à dilution Figure 46 - Échangeur de chaleur à basse température en argent fritté pour appareil à dilution (doc. CRTBT)
• 5.3 - Désaimantation adiabatique
  Figure 47 - Diagramme entropique du cuivre
• 5.4 - Perspectives