Joint cryogénique
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Les joints cryogéniques sont un type de confinement mécanique pour les matériaux maintenus à des températures cryogéniques, tels que les fluides cryogéniques.
Diverses techniques, notamment le brasage et le soudage, sont disponibles pour créer des joints; cependant, des matériaux et des processus spécialisés sont nécessaires pour piéger hermétiquement les constituants cryogéniques dans des conditions étanches au vide. Les liquides à contenir sont le plus souvent l'hélium liquide et l'azote liquide, qui bouillent à très basse température, en dessous de −153°C, ainsi que les hydrocarbures à bas point de congélation et les mélanges réfrigérants[1],[2]. On considère que l'indium pur, sous forme de fil ou de préforme à souder (rondelles...), sont les matériaux d'étanchéité à basse température les plus fiables. Lorsqu'il est correctement formé, l'indium permet des taux de fuite inférieurs à 4,0 x 10 -9 mbar-litre/sec.
Les matériaux d'étanchéité cryogéniques alternatifs comprennent les joints coniques à base de graisse de silicone et les joints métalliques en Pb/Sn (plomb-étain)[3].
Histoire[modifier | modifier le code]
Les traitements cryogéniques ont commencé dans les années 1940 : les outils de coupe en acier étaient immergés dans de l'azote liquide pour améliorer leur durée de vie.
Les processus mécaniques utilisant la cryogénie ont été bien documentés à partir des années 1950 et, dans les années 1980, les fluides cryogéniques ont commencé à être envisagés pour le stockage et l'utilisation dans des appareils modernes.
Les joints cryogéniques sont devenus indispensables dans les applications commerciales, médicales et militaires de haute technologie pour encapsuler les fluides cryogéniques essentiels au fonctionnement des appareils, et/ou pour obtenir des résultats en haute résolution (pour s'affranchir des bruits thermiques, la chaleur induisant des perturbations dans les capteurs).
Applications[modifier | modifier le code]
Les applications qui utilisent des joints cryogéniques comprennent :
- Imagerie par résonance magnétique (IRM)
- Chromatographie
- Unités de réfrigération à dilution
- Détecteurs refroidis
- Fenêtres optiques
- Détecteurs infrarouges
- Pompes cryogéniques centrifuges
- Systèmes de véhicules aériens sans pilote
- Détecteurs de missiles
- Systèmes de suivi par satellite
- Télescopes infrarouges
Joints en indium[modifier | modifier le code]
Avantages[modifier | modifier le code]
Avantages des joints cryogéniques en indium :
- Techniques de conception établies/éprouvées pour l'assemblage de joints en indium [4]
- Option de démontage et de remontage
- L'indium peut être reformé en d'autres joints utiles après utilisation [4]
- Doux et malléable à température ambiante, grâce à la faible température de fusion de l'indium, il comble ainsi les imperfections. Cela crée un lien imperméable entre les surfaces de contact, créant ainsi un joint hermétique qui reste malléable à des températures cryogéniques [1]
- L'intégrité du joint demeure après un choc thermique depuis la température ambiante jusqu'à l'immersion dans un bain cryogénique [5]
- La qualité du joint est indépendante de la composition de la surface de contact, par exemple en céramique, germanium, métal ou verre[6].
- L'indium forme une couche d'oxyde auto-passivante de 80 à 100 Ångström d'épaisseur. Cette couche est facile à enlever avec de l'acide, et le métal d'indium exposé sous-jacent peut être comprimé pour former une liaison étanche et hermétique[7].
Désavantages[modifier | modifier le code]
- Structure mécanique volumineuse nécessaire pour comprimer l'indium entre les brides[5].
- Les charges pulsées provoquent un fluage des joints en indium, ce qui relâche la tension du boulon, réduisant ainsi la qualité du joint.
Informations sur le processus pour les joints en indium[modifier | modifier le code]
- Les surfaces de contact doivent être maintenues aussi propres que possible, notamment par nettoyage à l'acétone[5].
- L'indium propre et sans oxyde se soudera à froid sur lui-même. Les extrémités d'un joint métallique se soudent ensemble sous compression[8].
- Une alternative plus fiable au joint en fil d'indium est un joint utilisant une rondelle en indium. Les rondelles minimisent le risque de dégradation du joint et de fuites cryogéniques en éliminant l'interface entre les extrémités du fil connectées. Les rondelles sont fabriquées sous forme d’anneau continu sans cassure[5].
- Autant de fixations que possible doivent être utilisées pour serrer le joint en indium[5].
- Le matériau d'indium utilisé doit être ultra-pur (pureté minimale de 99,9) pour empêcher le durcissement du matériau à des températures inférieures à zéro, ainsi que pour limiter les impuretés des éléments à faible pression de vapeur[9].
- Le matériau utilisé pour les joints cryogéniques en indium doit être fabriqué à partir d'un matériau moulé sous vide pour éviter le dégazage après montage dans l'assemblage.
Tests de fiabilité[modifier | modifier le code]
- Tests de fuite à l'hélium
- Essais de choc thermique cryogénique [5]
Types[modifier | modifier le code]
- Joint indium compact
- Joint hermétique compressible
- Joint à compression
- Joint sous vide cryogénique
- Joint cryogénique démontable
- Joint sous vide cryogénique en indium
- Joints de bride à joints toriques en indium
- Joint en indium
- Joint torique en fil d'indium
- Joint en fil d'indium
- Joint en indium à profil bas
- Joint basse température
- Joint sous vide cryogénique réutilisable
- Joint en fil d'indium réutilisable
- Fil d'étanchéité cryogénique réutilisable et profil bas
- Joint en métal souple
- Joint compatible avec le vide
- Joint compatible avec le vide à température cryogénique
- Joint d'angle
- Joint de face
Fabricants[modifier | modifier le code]
- Indium Corporation
- CMR-Direct
- Garlock Helicoflex Archived </link>
- AIM
- Métaux ESPI
- Sealwise
- Kapton® Archived </link>
- Mylar®
- Indium Wire
Liens externes[modifier | modifier le code]
- Constantes physiques de l'indium pur
- Un joint métallique cryogénique réutilisable à profil bas
- Corrosion des soudures à base d'indium
- Indium compressé dans des joints hermétiques
- Manuel de l'opérateur du système HelioxTL - Manuel du système générique
- Société cryogénique d'Amérique, Inc.
- VIDÉO montrant comment réaliser un joint en indium sur un système cryogénique
Références[modifier | modifier le code]
- Indium Wire and Cryogenic Sealing
- European Organization for Nuclear Research - An Introduction to Cryogenics
- Stewart, Koutroulakis, Kalechofsky et Mitrović, « A Reusable, Low-profile, Cryogenic Wire Seal », Cryogenics (Guildf), vol. 50, no 1, , p. 50–51 (PMID 20161550, PMCID 2805154, DOI 10.1016/j.cryogenics.2009.09.009)
- Indium and Vacuum Seals
- Compact indium seal for cryogenic optical windows
- Demountable Cryogenic Seal Options
- « Indium for Sealing » [archive du ] (consulté le )
- « Indium Cold Welding » [archive du ] (consulté le )
- Neuhauser, « Pressure-made soft-metal vacuum seals for glass and ceramics », Vacuum, vol. 29, nos 6–7, , p. 231–235 (DOI 10.1016/S0042-207X(79)80644-2, Bibcode 1979Vacuu..29..231N)
