FROID, physique

Les techniques cryogéniques

Les générateurs de froid les plus universellement répandus, dans les foyers comme dans les grands centres de conditionnement agroalimentaire, utilisent les échanges thermiques d'un fluide circulant en circuit fermé, alternativement comprimé et détendu. Durant la compression, sa température s'élève (comme dans une pompe à air), mais la pression est suffisamment forte pour qu'il se liquéfie ; on le fait alors circuler dans un radiateur externe où il revient à la température ambiante. Il est ensuite détendu, ce qui provoque évaporation et abaissement de température ; le gaz froid circule dans un échangeur qu'il refroidit. Il existe une multitude de variantes autour de ce schéma, concernant la nature du fluide et la façon de le comprimer et de le détendre, adaptées aux spécificités de l'utilisation. Cependant, qu'il s'agisse d'un petit réfrigérateur de camping ou des gigantesques usines à froid des entrepôts alimentaires ou des navires méthaniers, le principe est le même. Les fluides les plus utilisés sont : l'eau, essentiellement pour les climatiseurs ; le gaz ammoniac, bon marché, peu corrosif et non polluant, mais inflammable et toxique ; les chlorofluorocarbures (CFC), inodores, non toxiques, efficaces, mais hautement nuisibles à l'environnement (destruction de la couche d'ozone). Ces derniers, dont l'abandon progressif a été décidé lors du protocole de Montréal (1987), ont été remplacés par des composés moins nocifs, comme les hydrofluoroalcanes (HFA) qui sont moins stables et donc décomposés avant d'atteindre la stratosphère, mais un peu moins satisfaisants au point de vue frigorifique. Compte tenu de l'importance du marché, l'industrie chimique mondiale cherche activement le fluide idéal.

Lorsqu'il s'agit d'obtenir de très forts refroidissements, par exemple pour liquéfier les gaz de l'air ou le méthane, on a recours à un refroidissement en cascade utilisant une batterie de compresseurs où chacun produit le froid nécessaire au prérefroidissement du fluide utilisé dans le compresseur suivant. Cette technique, mise en œuvre dès le milieu du xix^e siècle, a permis la liquéfaction de tous les gaz, y compris le plus difficile à liquéfier de tous, l'isotope 3 de l'hélium. Elle a beaucoup évolué depuis les premiers compresseurs jusqu'aux groupes de liquéfaction actuels, en particulier grâce aux travaux de Carl von Linde et de Georges Claude, dont les contributions complémentaires ont permis de faire passer la liquéfaction des gaz, des constituants de l'air en particulier, du laboratoire au stade industriel et commercial.

L'hélium 3, utilisé pur comme fluide frigorifique, permet d'atteindre la température de 0,21 K. L'étape ultime du refroidissement par compression-évaporation est alors obtenue grâce à une technique proposée dès 1951, la dilution de l'hélium 3 dans l'hélium 4. La phase liquide du cycle est formée d'hélium 3 pur, mais la phase gazeuse est formée par un pseudo-gaz d'atomes d'hélium 3 en solution dans l'hélium 4 liquide. L'hélium 3 pur, plus léger, flotte sur l'hélium 4, « l'évaporation » (en fait la dilution) du liquide se produit à l'interface entre les deux liquides, où les atomes d'hélium 3 migrent dans l'hélium 4. L'hélium 3 gazeux est extrait en permanence de ce second liquide par pompage, liquéfié par compression-refroidissement et réintroduit dans la phase hélium 3 liquide. Ce compresseur fonctionne donc en continu et permet d'atteindre des températures de quelques millièmes de kelvin.

Il est possible d'atteindre des températures encore plus basses, mais les outils disponibles ne peuvent pas fonctionner comme des sources de froid indépendantes de ce qu'on veut[...]