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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
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
Les applications qui utilisent des joints cryogéniques comprennent :
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
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
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.
