Mesure de la conductivité thermique à température cryogénique

Pour le stockage et le transport du gaz liquéfié, il est utile de connaître les propriétés thermo-physiques des matériaux. L'hydrogène liquide est aujourd'hui un sujet de développement important. Cette étude porte sur le développement d'un dispositif permettant de caractériser les propriétés thermiques à basse température. Le dispositif sur une mesure en régime permanent du gradient thermique sur une barre de section connue. La méthode la plus couramment utilisée pour mesurer la conductivité thermique des métaux est la méthode du barreau gardé. Elle consiste à chauffer une barre métallique en régime permanent et à mesurer le gradient de température. Cette méthode est incontournable à haute température, où le rayonnement représente des pertes importantes. À température cryogénique, les pertes les plus importantes sont les pertes par conduction et par convection. Pour éviter les échanges avec l'air, la solution consiste à placer le dispositif sous vide poussé (10-5 mbar à 10-6 mbar). On chauffe l'échantillon à l'aide d'une résistance électrique placée d'un côté du barreau et on refroidit l'autre côté grâce à une tête froide permettant d’atteindre 10 K. En utilisant un régime de chauffage par peigne de Dirac, il a été possible d'identifier la capacité thermique volumétrique en fonction de la température. On a décomposé le dispositif en quadripôles qui représentent les différents éléments traversés par le flux thermique. Le peigne de Dirac a été choisi pour exciter les fréquences significatives en fonction de la diffusivité thermique supposée de l’échantillon et de sa géométrie. L’avantage du peigne de Dirac est sa richesse en harmonique et la possibilité ouverte de réaliser une série de Fourier pour déterminer la fonction de transfert entre deux points de mesure de température. Par une méthode inverse on peut retrouver le temps caractéristique du barreau et ainsi remonter à la diffusivité thermique et à la capacité thermique volumique. Cette étude est complétée par une étude de sensibilité et un calcul d’incertitude permettant d’évaluer la performance du dispositif.

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