Cycles thermodynamiques et leur mise en œuvre
Cryoréfrigération de faible puissance

La cryoréfrigération de petite puissance recouvre typiquement les machines frigorifiques mécaniques susceptibles de produire du froid à des températures inférieures à environ 120 K (ébullition du gaz naturel liquéfié GNL), avec des puissances de réfrigération typiquement inférieures à quelques kW à 80 K (ébullition de l’azote liquide LN2), de quelques centaines de watts à 20 K (ébullition de l’hydrogène liquide LH2) ou de quelques watts à 4 K (ébullition de l’hélium liquide LHe). Cette référence aux températures d’ébullition au voisinage de la pression atmosphérique de fluides cryogéniques usuels traduit le fait que ces cryoréfrigérateurs ont été développés pour remplacer, dans de nombreuses applications en laboratoire ou dans l’industrie, l’utilisation de la chaleur latente d’ébullition de ces fluides comme source de froid. Le principal intérêt des machines est de produire une puissance froide continue, permettant de s’affranchir du remplissage périodique des cryostats mettant en œuvre l’ébullition de fluides pouvant s’avérer peu pratique et onéreuse, notamment pour des applications nécessitant une opération continue (applications de la supraconductivité), sensibles à l’orientation (détecteurs installés dans des antennes d’astrophysique…) ou situées sur des sites difficiles d’accès (applications spatiales…). Elles peuvent être également utilisées pour la recondensation in situ de fluides cryogéniques. Ces machines mettent le plus souvent en œuvre des cycles fermés dans lesquels un gaz (généralement l’hélium, gaz ayant la plus basse température de liquéfaction) est comprimé à température ambiante (au prix d’une puissance mécanique à fournir), prérefroidi (dans un échangeur contre-courant ou un régénérateur), puis détendu à froid (avec récupération ou non du travail de détente et abaissement de la température et extraction de la puissance frigorifique). De nombreuses machines sont disponibles commercialement, fonctionnant suivant différents types de cycles thermodynamiques et dans diverses gammes de températures et puissances froides. Les développements de ces machines ont pour objectif d’améliorer régulièrement leur efficacité thermodynamique, leur fiabilité et en conséquence leur coût d’acquisition et d’usage, en ayant recours à des techniques de compression et détente sans frottement (paliers gaz, magnétiques ou flexibles) et en cherchant à minimiser voire supprimer les parties mécaniques mobiles à froid (tubes à gaz pulsé).