Quelle est la température d'une cryochambre ?

Le mot « cryogénie » évoque des scénarios de science-fiction courants dans les livres et les films, comme des corps congelés pour des voyages spatiaux de plusieurs années-lumière ou pour être réveillés dans un futur lointain. 

Une imagerie qui a créé beaucoup de confusion autour de la réalité scientifique de la cryogénie et des cryochambres, propageant des opinions très polarisées telles que : on peut le faire comme dans les films / c'est absurde.

En réalité, la cryogénie est une technologie qui existe bel et bien et qui est appliquée dans de nombreux secteurs, de la médecine à la recherche scientifique, même si elle est (encore) loin de sa représentation fictive.

Aujourd'hui, nous allons voir ce qu'est une cryochambre, la température qu'elle atteint et ses applications.

Qu'est-ce qu'une cryochambre ?

La cryogénie vient du grec et signifie « génération de froid ». C'est pourquoi on utilise ce terme pour désigner toutes les technologies conçues pour produire des températures extrêmement basses.

Bien que le terme désigne initialement la production de froid, il est aujourd'hui employé pour tous les appareils capables de générer des températures inférieures à celles des congélateurs à très basse température. Le seuil généralement admis est de -145 °F (-230 °C).

En effet, pour dépasser ce seuil, il est nécessaire d'utiliser des fluides cryogéniques, c'est-à-dire des gaz liquides caractérisés par des températures extrêmement basses. L'azote liquide est généralement utilisé.

Une cryochambre est donc un instrument de laboratoire spécifiquement conçu pour atteindre ces températures extrêmes grâce à des fluides cryogéniques.

Les cryochambres sont toujours des environnements hermétiquement scellés, au sein desquels ces conditions environnementales peuvent être atteintes, mais elles peuvent être de tailles variées selon les domaines d'application.

Mais à quoi sert une cryochambre ?

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À quoi sert une cryochambre ?

La création d'environnements à températures extrêmement basses peut avoir de nombreuses applications, que l'on peut toutefois diviser en deux domaines principaux : la cryothérapie et la cryoconservation.

La cryothérapie est l'une des applications les plus connues des cryochambres, notamment dans les domaines de la médecine sportive et du bien-être. 

Cette technique consiste à exposer le corps, ou certaines parties de celui-ci, à des températures extrêmement basses pendant de courtes périodes, généralement entre -110 °C et -140 °C. Lors d'une séance de cryothérapie, le corps réagit à la chute brutale de température en réduisant l'afflux sanguin vers la zone exposée, ce qui peut atténuer l'inflammation et la douleur. Ce traitement est très apprécié pour ses bienfaits anti-inflammatoires, analgésiques et de récupération musculaire ; il accélère la guérison et améliore les performances sportives.

La cryoconservation, quant à elle, présente un intérêt pour la recherche médicale et scientifique. Ces températures sont idéales pour la conservation efficace de certains types d' échantillons biologiques, tels que les cellules, les tissus, les embryons et autres matériels génétiques. 

À des températures extrêmement basses, l'activité biologique s'arrête presque complètement, permettant un stockage à long terme sans dégradation. 

Cryochambre, congélateur ou ultra-ultra-congélateur ?

Cependant, les cryochambres ne sont pas le seul outil utilisé en recherche médicale et scientifique pour la conservation des échantillons. On utilise également les congélateurs et les congélateurs à ultra-basse température.

Les premiers atteignent généralement des températures comprises entre -15° et -25°, tandis que les seconds peuvent même atteindre -80°.

Comme on peut le déduire de ce que nous avons déjà dit, les cryochambres sont de loin les plus performantes des trois, atteignant au moins -145° pour être définies comme telles et sont les seules à utiliser l'azote liquide comme fluide de refroidissement.

Cette performance engendre cependant un coût élevé en termes d'énergie et de matières premières et, par conséquent, également sur le plan économique.

C’est pourquoi les instituts de recherche utilisent des congélateurs à ultra-basse température pour la plupart des échantillons , surtout si la durée de conservation n’a pas besoin d’être excessivement longue.

Nous en avons parlé plus en détail ici.

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Normes de référence

• ISO 21009-2 — Récipients cryogéniques : Récipients à isolation sous vide statique, exigences opérationnelles, exigences relatives aux récipients cryogéniques sous vide pour le stockage de LN2/LHe.
• EN 13458 — Récipients cryogéniques : Récipients isolés sous vide statique, conception, construction, inspection et essais pour la réglementation européenne PED.
• CGA P-12 — Manipulation sûre des liquides cryogéniques : Directives de sécurité américaines pour les opérateurs de systèmes cryogéniques.
• ASTM E1530 — Méthode d'essai normalisée pour l'évaluation de la résistance à la transmission thermique par la technique du fluxmètre thermique gardé, applicable à la caractérisation de l'isolation MLI.
• ISO 23208 — Récipients cryogéniques : Propreté pour service cryogénique, exigences de propreté pour l'oxygène liquide et les systèmes de fluides réactifs.
• ISO 11114 — Bouteilles de gaz : Compatibilité des matériaux des bouteilles et des vannes avec le contenu en gaz.

Sources faisant autorité

• CGA – Association des gaz comprimés. Organisme de référence américain pour la sécurité des gaz comprimés et des liquides cryogéniques.
• Le CEN (Comité européen de normalisation) gère la série de normes EN 13458 pour les récipients cryogéniques conformément à la directive PED 2014/68/UE.
• L’ISO (Organisation internationale de normalisation) publie la norme ISO 21009 et les normes connexes relatives aux récipients cryogéniques.

Pour en savoir plus : Découvrez notre chambre de test CO2 à basse température, conçue et fabriquée par FDM Environment Makers.

Questions fréquentes sur la température de la cryochambre

Quelles températures minimales peuvent être atteintes ?

Les cryochambres industrielles couvrent différentes plages de températures selon le fluide caloporteur. Les systèmes à cascade mécanique utilisant du R23/R170 atteignent -90/-100 °C grâce à des compresseurs en cascade, sans consommables mais avec une puissance frigorifique limitée (typiquement 500 à 3 000 W à -90 °C). Les systèmes au CO₂ liquide (échangeur immergé dans le CO₂ liquide) atteignent -78,5 °C, point de sublimation, avec une injection directe rapide et une autonomie dépendant du vase Dewar (2 000 à 5 000 L typiquement). Les systèmes à l'azote liquide (LN₂ avec injection directe ou échangeur couvrent -100/-196 °C (point d'ébullition de l'azote à 1 atm), avec des vitesses de refroidissement exceptionnelles (> 60 °C/min) et une grande polyvalence. Les systèmes à hélium liquide (LHe atteignent -269 °C (4,2 K) pour les applications supraconductrices et la qualification spatiale. Le choix dépend de l'application : le démarrage à froid automobile à -40 °C utilise une cascade ; le stockage pharmaceutique à -80 °C utilise une cascade suralimentée ou du CO₂. La simulation spatiale à -150 °C nécessite de l'azote liquide (LN2) ; l'informatique quantique nécessite de l'hélium liquide (LHe) avec un réfrigérateur à dilution.

Quelle est la différence entre LN2, CO2 et la cascade mécanique ?

La comparaison du coût total de possession (CTP) met en évidence des différences substantielles. Cascade mécanique : investissement élevé (30 000 à 80 000 €), faibles coûts d’exploitation (électricité uniquement, environ 3 à 8 kW à -80 °C), pas de logistique liée aux consommables, maintenance courante du compresseur tous les 5 à 10 ans. CO₂ liquide : faible investissement (10 000 à 25 000 €), coûts de consommables moyens (150 à 300 €/semaine pour un vase Dewar de 180 L), vitesse de refroidissement élevée (> 20 °C/min), applicable jusqu’à -80 °C, consommation de 2 à 5 kg de CO₂ par descente de la température ambiante à -70 °C dans une chambre de 500 L. LN₂ : investissement moyen (20 000 à 50 000 €), coûts de consommables variables (0,3 à 1,2 €/L de LN₂), vitesse de refroidissement extrême, nécessite un stockage de 5 000 à 20 000 L de vases Dewar avec points de distribution en bord de route et autorisations des pompiers, consommation de 3 à 8 L de LN₂ par litre de volume de chambre pour chaque descente profonde. Le choix optimal intègre la fréquence d'utilisation, le temps de cycle, la température minimale requise et la disponibilité logistique des consommables.

Comment isoler une cryochambre ?

L'isolation thermique est essentielle pour limiter les pertes de chaleur et la consommation d'énergie. Les cryochambres professionnelles intègrent : (1) des parois sous vide avec une chambre interne étanche, un vide de 10⁻⁴ mbar maintenu par des absorbeurs moléculaires ou des turbopompes ; (2) une isolation multicouche (MLI) entre la chambre interne et l'enveloppe externe, composée de 30 à 50 couches de Mylar aluminisé d'une épaisseur totale de 20 à 40 mm et d'une conductivité équivalente de 10⁻⁵ W/m·K ; (3) à faible conductivité ou en fibre de verre G-10 de longueur maximale afin de minimiser la conduction ; (4) des écrans de rayonnement à 77 K (si de l'azote liquide est disponible) pour réduire le rayonnement provenant de l'enveloppe externe ; (5) des passages de câbles en manganine ou en bronze phosphoreux à faible conductivité thermique. Fuites de chaleur typiques pour une cryochambre de 500 L avec MLI sous vide : 5-15 W à -150 °C, 30-80 W à 77 K. La mesure directe des fuites de chaleur est effectuée par la méthode d'évaporation de LN2 en pesant la consommation au fil du temps et en calculant la puissance dissipée.

Quels sont les risques liés à l'ODH dans les cryochambres ?

risque d' hypoxie (ou de déficit en oxygène) est le plus grave dans les systèmes cryogéniques : 1 L d'azote liquide (LN2) qui s'évapore produit 696 L d'azote gazeux à 20 °C, ce qui suffit à réduire la concentration d'O2 en dessous de 19,5 % dans une pièce de 50 m³ mal ventilée. La perte de conscience due à l'hypoxie peut être rapide (< 30 s) et sans signe avant-coureur. Mesures d'atténuation obligatoires (CGA P-12) : (1) capteurs d'O2 avec alarme sonore à 19,5 % et coupure à 18 % (près de la chambre et de la sortie de la pièce) ; (2) ventilation mécanique avec renouvellement d'air ≥ 6 fois/h et débit > la consommation d'azote liquide en cas de défaillance ; (3) détecteurs de fuites de gaz traceur formation spécifique des opérateurs au port d'EPI (appareils respiratoires autonomes pour les interventions d'urgence) ; (5) pictogrammes et panneaux d'avertissement ADR 2.2. Risques secondaires : brûlures dues au contact avec le froid (gants cryogéniques, visière), surpression due à l’évaporation dans un environnement clos (soupapes de sécurité sur les vases d’expansion), fragmentation des métaux fragilisés (aciers ferritiques réduits en éclats en dessous de -100 °C, utiliser uniquement de l’acier austénitique AISI 316L).