Présentation
Auteur(s)
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Ai BUI : Directeur de Recherche au CNRS, Laboratoire de Génie Électrique à l’Université Paul Sabatier de Toulouse
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Bernard HÉBRAL : Directeur de Recherche au CNRS, Centre de Recherches sur les très basses températures, Laboratoire associé à l’Université Joseph Fourier de Grenoble
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François KIRCHER : Chef de groupe au Service Technique de Cryogénie et de Magnétisme du Centre d’Études Nucléaires de Saclay
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Yves LAUMOND : Chef du Service Technique du Département Électrotechnique Avancée de GEC Alsthom Belfort
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Marcel LOCATELLI : Ingénieur au Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
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Jacques VERDIER : Ingénieur au Service des Basses Températures du Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’objet de ce premier article [B2380] est de montrer au lecteur, peu familier de la cryogénie, que les fluides ou les matériaux ont un comportement à basse température bien différent de celui connu à température ambiante. La dépendance en température ou l’apparition de phénomènes nouveaux sont souvent mises à profit par l’ingénieur pour assurer des fonctions spécifiques (isolation thermique, transport de chaleur ou d’électricité, etc.).
Ce document est complété par un formulaire rassemblant des figures et des tableaux auxquels les ingénieurs développant des applications cryogéniques pourront se référer.
L’ensemble Cryogénie comporte également un second article sur la mise en œuvre des basses températures Cryogénie : mise en œuvre des basses températures.
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Propriétés des matériaux1. Propriétés des fluides cryogéniques
L’utilisation des liquides cryogéniques, généralement produits suivant des procédés industriels, constitue le moyen actuellement le plus répandu pour obtenir et maintenir les basses températures. En effet, un bain cryogénique fournit une source de frigories à température constante, le liquide étant en équilibre avec sa vapeur. L’enthalpie de formation (chaleur latente) fournit généralement la réserve de frigories contenue dans le cryogène enfermé dans un cryostat. La vapeur peut aussi constituer une réserve de frigories utilisable dans des gammes de températures comprises entre celle du bain et la température ambiante. On utilise très souvent la notion d’enthalpie sensible (chaleur sensible) entre la température d’ébullition sous pression atmosphérique et la température ambiante. Elle représente, par exemple, la quantité de chaleur nécessaire pour réchauffer jusqu’à l’ambiante les vapeurs émises par le bain en ébullition, c’est-à-dire la variation d’enthalpie du fluide (à l’état gazeux) entre ces deux niveaux de température.
Les principaux fluides utilisés dans les laboratoires sont :
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l’azote liquide, de 65 à 100 K ;
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l’hydrogène liquide, de 15 à 30 K ;
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l’hélium 4 liquide, de 1 à 5 K.
Cependant, dans les applications particulières au laboratoire et dans des applications industrielles ou spatiales, le méthane, l’argon, l’oxygène, le néon, le deutérium et l’hélium 3 sont aussi des fluides dont l’usage s’est révélé intéressant.
Quelques propriétés physiques usuelles de ces fluides sont résumées dans le tableau 1 (en ). Leurs caractéristiques ne révèlent pas, en général, de comportement inattendu ; cependant, les propriétés singulières de l’hélium, de l’hydrogène et dans une moindre mesure du néon aux basses températures justifient un développement particulier.
1.1 Propriétés particulières de certains fluides
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