APPAREIL THERMIQUE COMPORTANT AU MOINS UN TEL ELEMENT MAGNETOCALORIQUE

Domaine technique :

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un élément magnétocalorique monobloc. Elle concerne également un élément magnétocalorique ainsi obtenu. L'invention concerne encore l'utilisation d'au moins un élément magnétocalorique dans un appareil thermique et ledit appareil thermique comprenant au moins un tel élément magnétocalorique.

Technique antérieure :

La technologie du froid magnétique repose sur l'effet magnétocalorique (EMC) de certains matériaux, qui consiste en une variation de leur température lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique. Il suffit ainsi de soumettre ces matériaux à une succession de cycles d'aimantation et de désaimantation et de réaliser un échange thermique avec un fluide caloporteur pour parvenir à une variation de température la plus élargie possible. A titre d'exemple, l'efficacité d'un tel cycle de réfrigération magnétique surpasse d'environ 30 % celle d'un cycle de réfrigération classique, ce qui rend cette technologie particulièrement intéressante pour des applications de climatisation ou de réfrigération domestique. Cette technologie est toutefois applicable dans de très nombreux domaines thermiques tels que le chauffage, le tempérage, la congélation, la cryogénie, etc.

L'effet magnétocalorique (EMC) est maximum lorsque la température du matériau est proche de sa température de Curie, la température de Curie (Te) étant la température à laquelle le matériau perd son aimantation spontanée. Au-dessus de cette température, le matériau est dans un état désordonné dit paramagnétique.

Certains matériaux magnétiques tels le gadolinium, le lanthane ou certains alliages de type manganèse-fer (MnFe) présentent des propriétés magnétocaloriques particulièrement bien adaptées aux applications précitées. Parmi les alliages, et notamment ceux à base de silicium (Si), il est connu, selon les températures de Curie recherchées, d'utiliser des alliages à base de lanthane-fer- silicium-cobalt LaFeSiCo ou à base de lanthane-fer-silicium-cobalt avec de l'hydrogène LafeSi(H), dans lesquels l'insertion d'atomes légers, tels que l'hydrogène ou le cobalt dans les composés LaFeSi, est un moyen efficace d'augmenter et/ou adapter la température de Curie tout en maintenant l'effet EMC du matériau à un niveau élevé. Ces matériaux sont particulièrement intéressants en raison de leurs propriétés magnétocaloriques conjuguées à des coûts de fabrication réduits, permettant des applications de masse plus favorables en termes de coût de matière et d'impact écologique que celles obtenues avec des matériaux connus pour leur effet EMC naturel tels que le gadolinium.

De manière générale, pour exploiter les propriétés thermiques des matériaux magnétocaloriques, la technologie du froid magnétique repose sur l'interaction de ces matériaux avec un fluide caloporteur, constitué souvent d'un liquide de préférence aqueux. Ainsi, dans un appareil thermique exploitant l'effet magnétocalorique, l'on utilise un système magnétique apte à faire varier l'intensité du champ magnétique que l'on applique au matériau magnétocalorique. Sous l'effet des changements d'intensité de champ magnétique, le matériau magnétocalorique s'échauffe de manière quasi-instantanée quand il est placé dans le champ magnétique ou quand il subit une intensité de champ croissante et se refroidit suivant une même dynamique thermique quand il est retiré du champ magnétique ou quand il subit une intensité de champ magnétique décroissante. Pendant ces phases magnétiques, le matériau magnétocalorique est parcouru par un fluide appelé caloporteur qui va être déplacé dans un sens lorsque le matériau est magnétisé et dans le sens inverse lorsque le matériau est démagnétisé, pour récupérer dans le fluide caloporteur la chaleur du matériau (pour des applications de chauffage) ou lui apporter de la chaleur (pour des applications de réfrigération) provenant d'un échange thermique en établissant un gradient de température dans ledit matériau magnétocalorique.

Ainsi, un cycle magnétique comprend :

une phase de magnétisation (état magnétique = 1) ;

une phase de démagnétisation (état magnétique = 0)

qui se traduit par une énergie thermique disponible à chaque phase.

Ce cycle magnétique est répété jusqu'à des fréquences de plusieurs hertz. Quand la fréquence augmente, la puissance thermique (par exemple : le refroidissement) délivrée par l'appareil thermique magnétocalorique augmente également. Pour que cette puissance thermique augmente en proportion de l'augmentation de la fréquence, il est nécessaire de créer des caractéristiques d'échanges thermiques entre le matériau magnétocalorique et le fluide caloporteur qui permettent d'accroître ce flux thermique. La géométrie d'une pièce réalisée dans un ou plusieurs matériaux magnétocaloriques est donc essentielle pour assurer un échange thermique optimal entre ladite pièce et le fluide caloporteur qui circule en contact avec celle-ci. Or, cette géométrie est dictée et limitée par le matériau magnétocalorique. En effet, le matériau magnétocalorique brut ou l'alliage de matériaux magnétocaloriques, selon sa composition, possède des caractéristiques de ductilité, de tenue mécanique, etc. qui lui sont propres et qui limitent sa capacité à être mis sous une forme particulière pour le rendre apte à être exploité dans un appareil thermique magnétocalorique. Ces contraintes expliquent qu'actuellement, l'on trouve sur le marché principalement des plaques réalisées à partir d'un alliage de matériau magnétocalorique susceptible d'être laminé ou fritté. Ces plaques sont alors positionnées de telle sorte à être espacées parallèlement les unes aux autres par l'intermédiaire d' entretoises, par exemple, dans un appareil thermique pour former des canaux rectilignes permettant la circulation d'un fluide caloporteur. L'on trouve également des blocs de matériau magnétocalorique poreux réalisés à partir de poudre, de billes ou de sphères de matériau magnétocalorique, par un procédé d'agglomération ou de frittage.

Les publications EP 2 541 167 A2 et WO 2014/019941 Al divulguent des procédés de fabrication par extrusion de matière magnétocalorique, qui ne permettent pas de fabriquer une pièce magnétocalorique selon des formes géométriques variées ou complexes adaptées à l'application visée.

Les publications EP 2 762 801 Al, US 2005/0241134, WO 2008/099235 Al divulguent d'autres modes de fabrication qui prévoient d'enfermer le matériau magnétocalorique sous forme de poudre ou de billes dans une enveloppe métallique. Cette enveloppe présente nécessairement une très haute conductivité thermique pour permettre l'échange thermique entre le matériau magnétocalorique et le fluide caloporteur qui circule à l'extérieur de l'enveloppe. Toutefois, la présence de l'enveloppe métallique génère des courants de Foucault sous l'effet du champ magnétique, créant de la chaleur qui va parasiter les performances thermiques du générateur. Elle crée également un flux thermique qui va augmenter la conductivité thermique dans le sens longitudinal de la pièce magnétocalorique entre ses extrémités chaude et froide, ayant pour effet technique de faire chuter le gradient de température. Les matériaux magnétocaloriques ont l'avantage d'avoir une faible conductivité thermique et la présence d'une enveloppe métallique va donc à l'encontre du résultat recherché, à savoir créer un gradient de température entre les extrémités opposées de la pièce magnétocalorique.

Il existe ainsi un besoin de pouvoir disposer d'éléments magnétiques possédant un effet magnétocalorique et dont la forme peut être librement choisie et aisément adaptée à l'appareil thermique dans lequel ils sont destinés à être disposés, tout en permettant un procédé de fabrication simple à mettre en œuvre et économique, et en garantissant une tenue mécanique et une durabilité pendant tout le cycle de vie d'utilisation des éléments magnétocaloriques. Exposé de l'invention :

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de répondre aux contraintes précitées et de proposer un procédé de fabrication d'un élément thermique magnétocalorique permettant de lui donner aisément et à moindre coût une forme adaptée aux besoins, sans que cette forme ne soit dictée, ni limitée par les contraintes physiques et mécaniques du matériau à effet magnétocalorique qu'il comporte.

Dans ce but, l'invention concerne un procédé de fabrication du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes consistant à :

i) fabriquer au moins une pièce de support dans un matériau résistant mécaniquement, pour former une âme mécanique assurant audit élément magnétocalorique sa tenue mécanique, et à

ii) recouvrir au moins partiellement ladite pièce de support par au moins un matériau à effet magnétocalorique, pour former une surface thermique assurant audit élément magnétocalorique sa capacité à réaliser l'effet magnétocalorique,

en ce que l'étape de recouvrement ii) consiste à lier intimement ledit au moins un matériau à effet magnétocalorique à ladite pièce de support pour former un élément magnétocalorique monobloc dans lequel ladite au moins une pièce de support et ledit au moins un matériau magnétocalorique sont indissociables, et en ce que ledit au moins un matériau résistant mécaniquement a une conductivité thermique inférieure à celle dudit au moins un matériau à effet magnétocalorique.

L'étape de recouvrement consiste à relier mécaniquement, voire même lier intimement le matériau magnétocalorique à la pièce de support, de manière à fabriquer un élément magnétocalorique sous la forme d'une pièce monobloc. Avantageusement, cet élément magnétocalorique monobloc comporte ainsi une âme mécanique lui assurant sa tenue mécanique et une surface thermique lui assurant sa capacité à réaliser l'EMC. Dans le présent exposé, l'expression matériau magnétocalorique désigne les matériaux à effet magnétocalorique en général, ces matériaux pouvant être identiques ou différents, et avoir des températures de Curie identiques ou différentes. Il est notamment possible de créer des régions adjacentes de matériaux magnétocaloriques ayant des températures de Curie différentes pour créer un gradient de température croissant ou décroissant dans le sens de circulation du fluide caloporteur sur l'élément magnétocalorique.

Le procédé peut consister à fabriquer la pièce de support dans une des configurations suivantes : filaire, bidimensionnelle, tridimensionnelle, et selon l'une des formes suivantes : une plaque pleine, un treillis, une grille, une plaque ajourée, un tissage, une toile, un enchevêtrement de fils, une bande de matière, un réseau, un cylindre. La pièce de support peut comporter une face plane ou deux faces planes parallèles et opposées. Dans ce cas, l'étape de recouvrement peut consister à recouvrir en partie ou en totalité une des faces planes ou les deux faces planes de ladite pièce de support par une couche dudit au moins matériau magnétocalorique.

Le procédé peut comporter en outre une étape consistant à fabriquer plusieurs pièces de support recouvertes de matériau magnétocalorique en ménageant entre elles au moins un passage pour un fluide caloporteur, et former ainsi un élément thermique prêt à être monté dans un appareil thermique.

En variante, le procédé peut comporter en outre une étape consistant à plier ladite pièce de support recouverte de matériau magnétocalorique de manière à former dans chaque pli au moins un passage pour un fluide caloporteur. Le procédé selon l'invention peut consister à réaliser l'étape ii) par l'un des procédés choisis parmi l'électrolyse, la catalyse, la cuisson, l'électrostatisme, la sérigraphie, l'impression bi ou tridimensionnelle. Cela permet de réaliser une liaison intime entre la pièce de support et le matériau magnétocalorique qui est appliqué sur ladite pièce de support pour former un élément magnétocalorique monobloc.

En variante, il peut consister à réaliser l'étape ii) par pulvérisation d'une poudre de matériau magnétocalorique sur ladite pièce de support ou par immersion de ladite pièce de support dans un bain de poudre de matériau magnétocalorique.

Le procédé peut comporter une étape réalisée avant la pulvérisation ou l'immersion et consistant à déposer au moins partiellement sur la pièce de support une couche d'un liant choisi parmi une colle, une résine, un adhésif. L'étape ii) peut consister à déposer un mélange de liant et de poudre de matériau à effet magnétocalorique.

La pièce de support peut être réalisée parmi l'un des procédés suivants : le frittage, le laminage, l'emboutissage, l'extrusion, le moulage, l'injection, le soufflage, le thermoformage, le calandrage, le profilage, l'usinage, le découpage, le poinçonnage, l'impression bi ou tridimensionnelle.

Selon l'invention, la pièce de support peut être réalisée dans une matière sélectionnée parmi : une matière synthétique, un matériau composite, une céramique, de la fibre de verre, une matière naturelle, une matière artificielle, une combinaison desdites matières.

L'invention concerne également un élément magnétocalorique monobloc pour un appareil thermique, caractérisé en ce qu'il est réalisé selon le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus et en ce qu'il comporte au moins une pièce de support ayant des propriétés de résistance mécanique recouverte en partie ou en totalité par au moins un matériau à effet magnétocalorique.

L'invention concerne l'utilisation d'au moins un élément magnétocalorique monobloc tel que défini ci-dessus dans un appareil thermique.

La présente invention propose enfin un appareil thermique comprenant au moins un élément magnétocalorique monobloc tel que défini ci-dessus, destiné à être parcouru par un fluide caloporteur mis en circulation, ledit appareil comprenant un arrangement magnétique agencé pour soumettre ledit élément magnétocalorique à une variation de champ magnétique et créer alternativement dans ledit élément magnétocalorique un cycle d'échauffement et un cycle de refroidissement.

Description sommaire des dessins :

La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:

la figure 1 représente une pièce de support en forme de plaque sur laquelle est pulvérisé un matériau magnétocalorique en poudre,

la figure 2 est une vue d'un élément magnétocalorique constitué de plusieurs plaques réalisées selon le procédé illustré dans la figure 1,

la figure 3 représente un élément magnétocalorique réalisé par pliage d'une plaque déjà recouverte d'un matériau magnétocalorique,

- la figure 4 représente un élément magnétocalorique réalisé selon une autre variante,

la figure 5 représente deux éléments magnétocaloriques de la figure 4 encastrés tête-bêche, et la figure 6 représente un élément magnétocalorique sous la forme d'un treillis ou d'un enchevêtrement de pièces de support sous forme de fils recouverts d'un matériau magnétocalorique. Illustrations de l'invention et différentes manières de la réaliser :

L'invention concerne un procédé de fabrication permettant de réaliser un élément magnétocalorique El, E2, E3, E4. Ce procédé consiste essentiellement à fabriquer une pièce de support et à la recouvrir en partie ou en totalité d'un matériau magnétocalorique permettant ainsi de désolidariser la fonction thermique magnétocalorique de la fonction mécanique structurelle d'un élément magnétocalorique. La fonction de la pièce de support est donc d'assurer la tenue mécanique dans le temps de l'élément magnétocalorique El, E2, E3, E4, et en d'autres termes, de former son âme mécanique. Le matériau dans lequel est réalisée cette pièce de support est apte à assurer un maintien mécanique dans le temps et n'a pas besoin d'avoir une fonction ou un effet magnétocalorique. Ce matériau a de préférence une conductivité thermique inférieure à celle du matériau magnétocalorique, telle que par exemple inférieure à 10 watts par mètre-kelvin, pour ne pas induire un flux thermique parasite nuisible à l'établissement du gradient de température. Il peut notamment être un isolant thermique, tel que par exemple une matière synthétique, une matière composite renforcée ou non par des charges, de la fibre de verre, une céramique, une matière naturelle, une matière artificielle, un mélange desdites matières. Il peut par exemple être un produit tissé ou non-tissé. Il peut aussi avoir un effet magnétocalorique s'il est réalisé dans un matériau composite comportant des particules de matériau magnétocalorique. Ces exemples de matériaux ne sont bien entendu pas limitatifs, l'essentiel réside dans les propriétés mécaniques de la pièce de support fabriquée, qui doit présenter une certaine rigidité pour porter le matériau magnétocalorique, servir de guide pour un fluide caloporteur mis en circulation de part en part dudit élément magnétocalorique obtenu, sans nuire au gradient de température. Avantageusement, étant donné que le choix du matériau constituant la pièce de support est essentiellement déterminé par sa résistance mécanique, les possibilités en termes de forme sont beaucoup plus importantes que dans le cas actuel où c'est la matière magnétocalorique elle-même qui est travaillée, usinée, mise en forme, etc. pour former l'élément magnétocalorique. En effet, dans l'état de l'art, cette matière magnétocalorique assure actuellement à la fois la fonction mécanique de résistance aux sollicitations mécaniques et la fonction thermique magnétocalorique, c'est-à-dire la capacité à produire un effet magnétocalorique sous une sollicitation magnétique.

La figure 1 représente à cet effet, une pièce de support S 1 en forme de plaque réalisée par exemple en matière synthétique, tel qu'un thermoplastique, qui n'a aucun effet magnétocalorique. Cette pièce de support SI peut être obtenue par exemple par un procédé d'extrusion, de moulage, d'injection, de soufflage, de thermoformage, de laminage, de calandrage, de profilage, de frittage, d'usinage, d'impression bi ou tridimensionnelle, ou similaire. Bien entendu, cette pièce de support SI peut être réalisée en toute autre matière compatible pour ses fonctions mécaniques, présentant ou non un effet magnétocalorique. Dans l'exemple de la figure 1, un mélange d'un liant avec de la poudre de matériau magnétocalorique 1 est vaporisé sur la surface de ladite pièce de support S 1. Ce mélange peut être vaporisé, selon le résultat recherché, soit sur une seule de ses faces pour former une seule couche de matériau magnétocalorique, soit sur ses deux faces parallèles et opposées pour former deux couches de matériau magnétocalorique disposées de part et d'autre de la pièce de support SI. L'on obtient ainsi très aisément un élément magnétocalorique El formé de la combinaison de la pièce de support SI et de la poudre de matériau magnétocalorique 1. Avantageusement, l'élément magnétocalorique El présente simultanément une stabilité et une rigidité mécanique et un effet magnétocalorique. En variante, la pièce de support SI peut être immergée dans un bain de poudre de matériau magnétocalorique, cette poudre pouvant être rendue fluide par l'intermédiaire d'un gaz, tel que de l'air, par exemple. Le liant associé à la poudre de matériau magnétocalorique peut être une colle, un adhésif, une résine, ou similaire.

L'objectif est de lier intimement le matériau magnétocalorique 1 avec le matériau constituant la pièce de support SI afin de former un élément magnétocalorique El monobloc dans lequel la pièce de support et le matériau magnétocalorique sont indissociables. Une étape de cuisson peut éventuellement être nécessaire pour atteindre cet objectif. Dans d'autres exemples non représentés, l'assemblage intime entre le matériau magnétocalorique et le matériau constituant la pièce de support peut également être obtenu par d'autres procédés tels que l'électrolyse, la catalyse, la cuisson, l'électrostatisme, la sérigraphie, l'impression bi ou tridimensionnelle.

Le matériau magnétocalorique ne se présente pas nécessaire sous une forme de poudre, mais peut se présenter sous une forme de billes, particules, paillettes, pastilles, plaquettes, feuilles, etc. en fonction à la fois du matériau constituant la pièce de support et du procédé de fabrication.

Un élément thermique 10 peut alors comporter plusieurs de tels éléments magnétocaloriques El sous forme de plaques qui sont par exemple disposées parallèles les unes aux autres et espacées par l'intermédiaire d' entretoises 2, de manière à réaliser des canaux rectilignes permettant le passage d'un fluide caloporteur. Un tel élément thermique 10 est représenté dans la figure 2. Cet élément thermique 10 peut être obtenu à partir d'un élément magnétocalorique El tridimensionnel ou de plusieurs éléments magnétocaloriques El plans assemblés par des entretoises. Les entretoises 2 peuvent être des pièces rapportées ou des pièces intégrées dans les éléments magnétocaloriques El. Elles peuvent être par exemple imprimées à la surface des éléments magnétocaloriques El par tout procédé d'impression 3D connu et compatible. Cette pièce de support SI sous forme de plaque peut également être pliée en différents endroits le long de plis parallèles entre eux, afin de délimiter entre les différents plis des passages pour un fluide caloporteur. L'élément magnétocalorique E2 monobloc ainsi obtenu est représenté dans la figure 3.

L'élément magnétocalorique E3 tridimensionnel peut également être réalisé à partir d'une pièce de support comportant une embase 3 de laquelle s'étendent des lames 4 parallèles les unes aux autres et définissant des passages pour un fluide caloporteur. Pour une telle pièce de support, le recouvrement est idéalement réalisé par immersion de ladite pièce de support dans un bain de poudre de matériau magnétocalorique. L'on obtient alors un élément magnétocalorique E3 monobloc tel que celui représenté dans la figure 4. Lorsque l'on assemble deux éléments magnétocaloriques E3 selon la figure 4, par un encastrement tête-bêche, l'on obtient un nouvel élément thermique 20, selon la figure 5. Dans cette configuration particulière, l'espace libre entre les lames 4 peut être réduit jusqu'à 0,1 mm, alors que cela est irréalisable actuellement avec les techniques de fabrication connues.

Enfin, la figure 6 représente un élément magnétocalorique E4 monobloc réalisé à partir de plusieurs fils semi-rigides formant une pièce de support, recouverts d'un matériau magnétocalorique et enchevêtrés les uns dans les autres au travers desquels peut circuler un fluide caloporteur.

Les figures annexées montrent la variété de formes rendues possibles à réaliser pour fabriquer un élément magnétocalorique El, E2, E3, E4 selon le procédé de l'invention. Bien entendu, la forme de plaque rectangulaire illustrée dans les figures n'est qu'un exemple et n'est pas limitative. Cette forme peut être constituée d'une autre forme géométrique, ou d'une forme quelconque grâce à la dissociation de la partie mécanique de la partie magnétocalorique dans l'élément magnétocalorique. De cette manière, la forme de la pièce de support peut être obtenue par emboutissage, poinçonnage, découpage par tout moyen tel que par laser, jet d'eau, etc., Elle peut notamment être filaire, bidimensionnelle ou encore tridimensionnelle, telle qu'un cylindre, par exemple. Ces exemples ne sont bien entendus pas limitatifs.

L'invention permet également de fabriquer très simplement des éléments magnétocaloriques El, E2, E3, E4 dont le gradient de température est augmenté par le dépôt sur la pièce de support de matériaux magnétocaloriques différents ayant des températures de Curie différentes dans le but de créer des régions adjacentes dans lesquelles les températures de Curie différentes sont disposées de manière croissante ou décroissante dans le sens de circulation du fluide caloporteur sur ledit élément magnétocalorique. Ce dépôt peut consister en des dépôts de ces différents matériaux magnétocaloriques soit en couches superposées en partie ou en totalité et décalées dans le sens de circulation du fluide caloporteur, chaque couche étant constituée d'un des matériaux magnétocaloriques, soit côte à côte dans une même couche, soit en une combinaison de ces deux techniques de dépôt.

Possibilités d'application industrielle :

Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir désolidariser la fonction thermique magnétocalorique de la fonction de résistance mécanique et de structure d'un élément magnétocalorique El, E2, E3, E4 destiné à générer un effet magnétocalorique lorsqu'il est soumis à une induction magnétique d'intensité variable. Grâce au procédé de fabrication selon l'invention, il est possible de réaliser un élément magnétocalorique dont la forme est indépendante des caractéristiques mécaniques du matériau magnétocalorique qu'il comporte ou dont il est constitué, offrant ainsi des nouvelles possibilités d'améliorer le rendement thermique d'un appareil thermique magnétocalorique.

La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier.