Du froid bon marché et peu encombrant

Du froid bon marché et peu encombrant

Il y a 3 semaines, on a construit une "boîte à chaud" capable de maintenir une petite enceinte à une température constante de l'ordre de 85°C pendant quelques heures. Cette semaine, on essaye de faire le contraire: une "boîte à froid" capable maintenir une température ambiante de l'ordre de -30°C.



La boîte à chaud est essentiellement un four à chaleur tournante: la chaleur est générée par deux petites ampoules halogènes et l'air chaud est brassé par deux ventilateurs. Avec cette méthode, certes un peu rustique, on arrive sans problème à maintenir une différence de température avec l'air ambiant d'environ 65°C. Alors on s'est demandé si on ne pouvait pas faire exactement la même chose, mais dans l'autre sens.

Glace carbonique

On a eu l'idée d'utiliser dans la glace carbonique, aussi appelée glace sèche, à la place des ampoules halogènes. La glace carbonique est simplement du gaz carbonique compressé au point de devenir solide. Dans cet état il reste à environ -79°C avant de se sublimer lentement en gaz carbonique à température et pression ambiante. Curieusement il est extrêmement facile de se procurer de la glace carbonique. En petite quantité, elle peut même être livrée par la poste, en tout cas en Suisse. Ça arrive sous forme de pellets dans une grosse boîte en polystyrène expansé. Stocké à l'extérieur à environ 0°C (on est en hiver) dans l'emballage d'origine, 6kg de glace carbonique mettent environ 4 jours pour s'évaporer complètement et nous ont coûté CHF 50, port compris.

Pellets de glace carbonique. Attention, c'est froid.
Pellets de glace carbonique. Attention, c'est froid.


Modification de la boîte à chaud

On a donc modifié notre boîte à chaud: on a aménagé une petite trappe dans le compartiment central pour charger les pellets de glace carbonique, et on a isolé ce compartiment à l'aide d'une couche de 15mm de polystyrène expansé.

On a ajouté une petite trappe pour charger la glace carbonique
On a ajouté une petite trappe pour charger la glace carbonique


Comme on ne pouvait pas vraiment "éteindre" la glace carbonique on a basé la régulation sur la ventilation: On pilote les ventilateurs à l'aide d'un Yocto-PowerRelay-V2. On active la ventilation pour faire circuler l'air refroidi par les pellets et faire ainsi baisser le température dans le compartiment supérieur. On compte sur les pertes thermiques de ce compartiment supérieur pour faire remonter la température lorsque la ventilation est arrêtée. Comme pour la version "chaude", l'algorithme de régulation est basé sur un PID.

On a juste ajouté un relais pour le contrôle les ventilateurs
On a juste ajouté un relais pour le contrôle les ventilateurs


Notez qu'on a laissé les ampoules halogènes à leur place dans le compartiment central. On a avait un peu peur que le choc thermique fasse éclater le verre des ampoules, mais apparemment baigner dans la glace carbonique à -80°C ne leur fait ni chaud ni froid. Il est vrai qu'une ampoule halogène subit un énorme choc thermique à chaque allumage.

Et est-ce ça marche?

A la surprise générale, ce système rudimentaire marche furieusement bien. Dans une pièce à 23°C, on arrive faire descendre la température de la zone de test jusqu'à environ -38°C, soit un delta de plus de 60°C, on arrive donc à maintenir notre objectif de -30°C sans problème. Dès qu'on arrête la ventilation, la température dans le compartiment supérieur remonte en flèche.

Test de la boîte à froid
Test de la boîte à froid


Ouvrir la trappe en cours de fonctionnement fait clairement perdre quelque degrés qui peuvent mettre du temps à se résorber. La meilleur technique est apparemment de charger la boîte de pellets, attendre que l'ensemble se refroidisse et que la température arrive un peu en dessous de la valeur recherchée puis à nouveau ouvrir la trappe, charger à fond et seulement commencer l'expérience. On peut ainsi maintenir -30°C dans la boîte pendant environ 90 minutes sans avoir à la remplir à nouveau.

La boîte à froid en fonctionnement
La boîte à froid en fonctionnement


Améliorations possibles

Notre objectif était de maintenir -30°C, on l'a atteint sans problème. Mais si besoin était, on pourrait probablement améliorer les performances en isolant les côtés du compartiment supérieur. On pourrait aussi utiliser un meilleur isolant que le polystyrène expansé, comme par exemple une matière basée sur de l'aérogel.

Sécurité

La glace carbonique est une matière vraiment amusante: elle permet de générer un froid extrême, et si on la plonge dans de l'eau tiède elle se transforme en un fumigène spectaculaire. Cependant, cela ne doit pas faire oublier que c'est aussi une matière relativement dangereuse.

Glace carbonique + eau tiède = brouillard instantané
Glace carbonique + eau tiède = brouillard instantané


S'il vous prenait l'envie reproduire cette expérience à la maison, soyez très attentifs aux points suivants.

  • -79°C c'est vraiment très froid, utilisez des gants, faites attention à vos yeux.
  • En se réchauffant, la glace libère des quantités importantes de CO2 pur, environ 500 litres/Kg. Ce CO2, inodore, invisible et plus lourd que l'air, va s'accumuler au sol. Le CO2 commence à devenir vraiment dangereux à partir d'une concentration de 3% dans l'air et si vous avez le malheur d'entrer dans une pièce saturée de CO2, vous allez vous évanouir et mourir avant même de réaliser ce qui vous arrive. On vous conseille de travailler dans une pièce bien ventilée, et de stocker votre réserve de glace carbonique dehors, à l'air libre.
  • Quoi que vous fassiez, ne stockez jamais de la glace carbonique dans un récipient hermétique, le gaz carbonique dégagé par la glace finirai par le faire éclater. Utiliser une bouteille thermos, par exemple, est une très mauvaise idée.


Bon, on va enfin savoir si les modules Yoctopuce marchent à -30°C...

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