Un cryoréfrigérateur est un appareil utilisé pour refroidir l’environnement et tout ce qu’il contient à des températures extrêmement froides. Généralement utilisé dans les applications scientifiques et techniques, il est conçu pour atteindre des températures bien inférieures à celles atteintes par les appareils standard. Il n’y a pas d’exigence de température officiellement définie pour ce qui est considéré comme un refroidisseur cryogénique. Un appareil qui peut refroidir à environ -238 degrés Fahrenheit (ou environ -150 degrés Celsius) ou plus froid, cependant, est généralement appelé cryoréfrigérateur.
Bien qu’il existe plusieurs types de cryoréfrigérants, la plupart fonctionnent sur une variante d’un processus commun. Le gaz circule généralement à travers un cycle fermé pour absorber la chaleur de l’intérieur de l’appareil et la transférer vers l’environnement extérieur. Ce gaz peut être de l’hydrogène, de l’hélium ou un autre gaz ou mélange de gaz. La capacité de l’appareil à refroidir son environnement intérieur dépend en grande partie des propriétés thermodynamiques du gaz circulant dans le système.
Les cycles de refroidissement dans ces appareils commencent généralement par la compression du gaz dans un compresseur. Lorsque le gaz comprimé traverse un échangeur de chaleur, il absorbe la chaleur de l’intérieur du cryoréfrigérant, refroidissant ainsi tout ce qui se trouve à l’intérieur. Lorsque ce gaz absorbe de la chaleur à volume constant dans l’échangeur de chaleur, sa pression augmente. Il se dilate en volume et sa pression diminue dans la partie suivante du cycle. Enfin, il retourne au compresseur, qui achève une boucle fermée à travers le cycle, et recommence à circuler à travers le cycle.
Un cryoréfrigérant peut parfois être appelé à tort cryostat. Il y a cependant une petite mais nette différence entre les deux. Un cryostat est utilisé pour maintenir les températures cryogéniques déjà en place, généralement de manière passive, comme avec une isolation. D’un autre côté, un cryoréfrigérant fonctionne activement pour refroidir l’environnement à des températures cryogéniques plutôt que simplement pour maintenir les conditions environnementales qui existent déjà. Cette différence peut être considérée comme similaire à la différence entre un thermos et un réfrigérateur.
De nombreux types de cryoréfrigérants sont disponibles avec différents avantages et caractéristiques adaptés à une grande variété d’applications. Les types courants de cryoréfrigérateurs comprennent le refroidisseur Joule-Thomson, le refroidisseur Gifford-McMahon, le refroidisseur Stirling, le réfrigérateur à tube pulsé et le réfrigérateur à démagnétisation adiabatique. Bien que nettement moins efficaces que de nombreux autres appareils, les cryoréfrigérants Joule-Thomson offrent des avantages en termes de fiabilité et de faibles niveaux de bruit électrique et mécanique. Les refroidisseurs Gifford-McMahon, en revanche, génèrent des vibrations dues à un piston qui pousse le gaz à travers le système. Ils offrent cependant une flexibilité à l’utilisateur car ils peuvent être utilisés dans n’importe quelle orientation.
Une attention particulière est généralement accordée à la sélection d’un refroidisseur cryogénique pour une utilisation dans l’espace. Dans de telles applications, l’énergie doit généralement être utilisée efficacement et les réparations sont extrêmement coûteuses, voire impossibles, comme pour les missions vers d’autres planètes. Remarqués pour leur fiabilité et leur efficacité, les refroidisseurs Stirling sont les premiers à avoir été utilisés avec succès dans l’espace. Avec une fiabilité encore plus élevée que les refroidisseurs Stirling, les refroidisseurs à tube pulsé sont souvent choisis pour l’espace même s’ils sont généralement légèrement moins efficaces. Un réfrigérateur à démagnétisation adiabatique peut également être choisi pour son excellente efficacité et sa capacité à fonctionner dans des environnements en apesanteur.
Il existe de nombreux domaines dans lesquels les cryoréfrigérants jouent un rôle essentiel. Celles-ci incluent les applications médicales, automobiles et aérospatiales, l’utilisation dans la recherche scientifique et les opérations militaires, etc. Par exemple, le durcissement cryogénique des composants métalliques peut modifier leurs propriétés physiques, augmentant leur résistance, leur dureté et leur résistance à l’usure. Les capteurs infrarouges utilisés dans la surveillance par satellite et le guidage de missiles, ainsi que dans les études atmosphériques et plus encore, nécessitent généralement un refroidissement cryogénique.