GENERATEUR THERMIQUE A MATERIAU MAGNETOCALORIOUE

Domaine technique :

La présente invention concerne un générateur thermique comportant des éléments magnétocaloriques, des moyens magnétiques agencés pour soumettre alternativement lesdits éléments magnétocaloriques à une variation de champ magnétique et créer alternativement dans chaque élément magnétocalorique un cycle de chauffage et un cycle de refroidissement, au moins un fluide caloporteur agencé pour collecter les calories et/ou les frigories produites par lesdits éléments magnétocaloriques au cours des cycles de chauffage et de refroidissement, au moins une chambre d'échange chaude et une chambre d'échange froide prévues respectivement aux extrémités chaude et froide dudit générateur, et des moyens de circulation du fluide caloporteur entre lesdits éléments magnétocaloriques et lesdites chambres d'échange, ledit générateur comportant au moins un module thermique comportant au moins un jeu de N éléments magnétocaloriques.

Technique antérieure :

La technologie du froid magnétique est connue depuis plus d'une vingtaine d'années et on sait les avantages qu'elle apporte en termes d'écologie et de développement durable. On connaît également ses limites quant à sa puissance calorifique utile et à son rendement. Dès lors, les recherches menées dans ce domaine tendent toutes à améliorer les performances d'un tel générateur, en jouant sur les différents paramètres, tels que la puissance d'aimantation, les performances de l'élément magnétocalorique, la surface d'échange entre le fluide caloporteur et les éléments magnétocaloriques, les performances des échangeurs de chaleur, etc.

La publication US 4,829,770 porte notamment sur la composition des éléments magnétocaloriques et décrit un générateur thermique utilisant de tels éléments et

fonctionnant sur le principe du moteur Stirling. Ces éléments magnétocaloriques fixes sont traversés par un gaz caloporteur, notamment de l'azote, le tout étant contenu dans un réservoir animé d'un mouvement de translation alternatif, synchronisé sur la variation de champ magnétique. Des échangeurs de chaleur à l'hélium sont connectés aux extrémités chaude et froide du réservoir pour transférer les calories et les frigories collectées par le gaz caloporteur à des circuits extérieurs. Les éléments magnétocaloriques se présentent sous la forme de disques poreux, empilés dans le réservoir, séparés l'un de l'autre pour délimiter plusieurs chambres, ou accolés l'un à l'autre pour délimiter deux seules chambres, selon la forme de réalisation choisie. Chaque mouvement du réservoir correspond à un cycle froid ou à un cycle chaud et provoque un seul sens de circulation du gaz caloporteur. Les cycles de production de calories et de frigories sont donc alternés et non simultanés. De plus, le pouvoir caloporteur d'un gaz est nettement moins performant que celui d'un liquide. La surface d'échange entre le gaz caloporteur et les éléments magnétocaloriques est également très restreinte. Compte tenu des très basses températures de fonctionnement, de l'ordre de -200 ⁰ C, l'utilisation d'un tel générateur thermique est limitée à des applications laboratoires. En conclusion, le pouvoir calorifique d'un tel générateur thermique est trop faible pour trouver une application industrielle ou domestique.

La publication WO 2005/093343 décrit le principe d'un générateur thermique magnétocalorique, utilisant comme fluide caloporteur l'air à réchauffer ou à refroidir d'un véhicule automobile. Cette solution prévoit que, dans une phase de démarrage, le système de réfrigération fonctionne en circuit fermé, l'air étant animé d'un mouvement de va-et-vient au travers de l'élément magnétocalorique entre un réservoir chaud et un réservoir froid, par un système à pistons et balancier, jusqu'à atteindre le gradient de température voulu. Comme dans l'exemple précédent, chaque mouvement du piston correspond à un cycle froid ou à un cycle chaud et provoque un seul sens de circulation du flux d'air. Les cycles de production de calories et de frigories sont donc alternés et non simultanés. De plus, la surface d'échange entre

l'air et l'élément magnétocalorique est très faible et ne permet pas d'atteindre un pouvoir calorifique suffisant pour une application industrielle ou domestique, compte tenu également du fait que le fluide caloporteur n'est pas un liquide mais un gaz.

La publication WO 2007/026062 qui appartient à la demanderesse décrit un générateur magnétocalorique comportant deux circuits collecteurs distincts, à savoir un circuit collecteur chaud et un circuit collecteur froid, étanches hydrauliquement l'un par rapport à l'autre, et couplés chacun à un échangeur thermique servant de moyen d'évacuation des calories ou frigories. Le fluide caloporteur circule en boucle fermée dans les circuits collecteurs qui comportent une partie extérieure au générateur et nécessitent au moins une pompe, des moyens de commutation synchronisés sur la variation du champ magnétique, des conduits et des raccords.

Exposé de l'invention :

La présente invention vise à résoudre ce problème en proposant une solution industrielle d'un générateur thermique à matériau magnétocalorique économiquement rentable, et modulaire pour être facilement configurable en fonction d'un cahier des charges donné dans le cadre d'applications aussi bien industrielles que domestiques. Elle vise également à simplifier et à rationaliser la circulation du fluide caloporteur en supprimant le recours à un ou plusieurs circuits hydrauliques.

Dans ce but, l'invention concerne un générateur thermique du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que lesdits moyens de circulation sont synchronisés avec la variation du champ magnétique et agencés pour déplacer alternativement ledit fluide caloporteur à l'intérieur dudit module thermique simultanément dans deux directions opposées, entre les chambres d'échange chaude et froide à travers lesdits éléments magnétocaloriques, selon un mouvement de va-et-vient, de sorte qu'une première fraction de fluide caloporteur circule en direction de la chambre d'échange chaude à travers lesdits éléments magnétocaloriques soumis à un cycle de chauffage,

et qu'une seconde fraction de fluide caloporteur circule en direction de la chambre d'échange froide à travers lesdits éléments magnétocaloriques soumis à un cycle de refroidissement, et inversement, et en ce que les moyens de circulation comportent au moins un jeu de N pistons disposés en regard desdits éléments magnétocaloriques et animés d'un mouvement de translation alternatif par un mécanisme d'entraînement comportant au moins une came de commande entraînée par un actionneur.

Ainsi, on obtient un nombre N de mini-générateurs thermiques fonctionnant simultanément et en parallèle, permettant de multiplier par le coefficient N la surface d'échange avec le fluide caloporteur et ainsi le pouvoir calorifique d'un tel générateur. De plus, chaque cycle magnétique est utilisé de manière optimale puisque le déplacement du fluide caloporteur dans les deux sens de circulation permet de collecter simultanément les calories produites par les éléments magnétocaloriques soumis à une augmentation du champ magnétique (cycle de chauffage) et les frigories produites par les éléments magnétocaloriques soumis à une diminution du champ magnétique (cycle de refroidissement).

Les chambres d'échange chaude et froide forment des chambres de récupération de l'énergie thermique produite par le générateur et permettent de réaliser un mélange du fluide caloporteur issu d'une part, d'un cycle d'échauffement pour la chambre chaude et, d'autre part, d'un cycle de refroidissement pour la chambre froide.

De préférence, les éléments magnétocaloriques comportent des passages de fluide débouchant, ces passages de fluide étant formés de pores, de canaux, de rainures ou d'une combinaison de ces éléments.

Dans une forme de réalisation préférée, les moyens de circulation comportent deux jeux de N pistons disposés de chaque côté desdits éléments magnétocaloriques pour déplacer le fluide caloporteur dans les deux sens de circulation.

La came de commande peut comporter un profil de came de forme sensiblement sinusoïdale, dont l'amplitude détermine la course desdits pistons et dont la phase sinusoïde correspond globalement à un cycle de chauffage et un cycle de refroidissement desdits éléments magnétocaloriques.

Les moyens magnétiques peuvent comporter à proximité desdits éléments magnétocaloriques au moins un arrangement magnétique formé de zones aimantées et de zones non aimantées alternées, ledit arrangement magnétique étant couplé à un actionneur pour être mobile par rapport auxdits éléments magnétocaloriques.

Ces moyens magnétiques comportent, de préférence, un dispositif de fermeture de champ disposé à l'opposé dudit arrangement magnétique pour fermer le flux magnétique généré par lesdites zones aimantées à travers lesdits éléments magnétocaloriques.

Chaque couple formé par une zone aimantée et une zone non aimantée dudit arrangement magnétique s'étend avantageusement sur une distance correspondant globalement à une sinusoïde dudit profil de came.

Dans la forme de réalisation préférée, chaque zone aimantée comporte au moins deux aimants permanents de polarité opposée, assemblés à un noyau à forte perméabilité magnétique de manière à concentrer le flux magnétique desdits aimants en direction des éléments magnétocaloriques.

Le module thermique peut présenter avantageusement une structure circulaire dans laquelle les éléments magnétocaloriques sont disposés en cercle autour d'un axe central et la came de commande ainsi que l'arrangement magnétique sont concentriques à cet axe central et entraînés en rotation autour dudit axe.

En variante de réalisation, le module thermique peut également présenter une structure linéaire dans laquelle les éléments magnétocaloriques sont alignés et la came de commande ainsi que l'arrangement magnétique sont entraînés en translation alternative le long desdits éléments.

Le générateur thermique peut avantageusement comporter un nombre X de modules thermiques empilés pour former un générateur à X étages thermiques et lesdits modules thermiques peuvent être assemblés deux à deux par des chambres intermédiaires. Dans ce cas, les pistons de deux modules thermiques consécutifs sont avantageusement communs.

Ainsi, en empilant plusieurs modules thermiques, le réchauffement et le refroidissement du fluide caloporteur s'effectuent de manière étagée, permettant d'augmenter à souhait le gradient de température entre les extrémités froide et chaude dudit générateur.

Les chambres intermédiaires peuvent communiquer avec lesdits pistons et former des chambres de brassage de fluide caloporteur entre deux modules thermiques consécutifs.

Les chambres intermédiaires peuvent aussi ne pas communiquer avec lesdits pistons, le fluide caloporteur passant d'un module thermique à un autre par lesdits éléments magnétocaloriques.

La chambre d'échange chaude et la chambre d'échange froide peuvent être reliées chacune à un circuit extérieur équipé d'un moyen autorisant un échange de chaleur uniquement après atteinte d'une température prédéfinie dans ladite chambre d'échange concernée.

Description sommaire des dessins :

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

la figure 1 est une vue en perspective et partiellement éclatée d'un premier mode de réalisation d'un générateur thermique selon l'invention, la figure 2 est une vue en perspective d'une partie du générateur de la figure

1, - la figure 3 est une vue en plan du générateur de la figure 1 , la figure 4 est une vue en coupe axiale du générateur de la figure 3, les figures 5 à 8 sont des sections radiales du générateur de la figure 3, respectivement selon les plans de coupe V-V, VI-VI, VII-VII et VIII-VIII, la figure 9 est une vue en perspective et partiellement éclatée d'un second mode de réalisation d'un générateur thermique selon l'invention, la figure 10 est une vue agrandie du détail X de la figure 9, et la figure 11 est une vue en coupe axiale du générateur de Ia figure 9.

Illustrations de l'invention :

En référence aux figures 1 à 8 et plus particulièrement à la figure 4, le générateur thermique 1 selon l'invention comporte un module thermique 10 comprenant un nombre N d'éléments magnétocaloriques 2 disposés de manière adjacente en cercle autour d'un axe central A, formant une structure cylindrique annulaire. Ce mode de réalisation n'est qu'un exemple, sachant que le générateur thermique 1 peut également avoir une structure linéaire.

Ce générateur thermique 1 comporte des moyens magnétiques 3 aptes à soumettre alternativement les éléments magnétocaloriques 2 à une variation de champ de magnétique pour faire varier leur température selon le cycle de Carnot, et créer

alternativement dans chaque élément magnétocalorique 2 un cycle de chauffage et un cycle de refroidissement. Ce générateur contient un fluide caloporteur mis en mouvement à l'intérieur dudit module thermique 10 par des moyens de circulation 4 afin de collecter les calories et les frigories produites par les éléments magnétocaloriques 2 au cours des cycles de chauffage et de refroidissement successifs, et de les stocker respectivement dans une chambre d'échange chaude 5 et une chambre d'échange froide 6 disposées aux extrémités chaude et froide de ce générateur. Chaque chambre d'échange 5, 6 est destinée à échanger avec un circuit extérieur via un échangeur de chaleur (non représenté) pour utiliser les calories et les frigories produites par ledit générateur. Les moyens de circulation 4 sont synchronisés avec la variation du champ magnétique pour déplacer le fluide caloporteur simultanément dans deux directions opposées, de sorte qu'une première fraction de fluide caloporteur circule en direction de la chambre d'échange chaude 5 à travers les éléments magnétocaloriques 2 soumis à un cycle de chauffage, et qu'une seconde fraction de fluide caloporteur circule en direction de la chambre d'échange froide 6 à travers les éléments magnétocaloriques 2 soumis à un cycle de refroidissement, et inversement.

Les éléments magnétocaloriques 2 sont, dans l'exemple représenté, constitués de tronçons partiellement cylindriques découpés, usinés et/ou moulés dans un matériau magnétocalorique, logés dans un support 20 fixe, pourvu de logements 21 de forme complémentaire. La forme des éléments magnétocaloriques 2 n'est pas limitative et peut être déclinée en toute autre forme tridimensionnelle. On entend par matériau magnétocalorique, un matériau réalisé en partie et en totalité dans une matière magnétocalorique, telle que par exemple du gadolinium (Gd), un alliage de gadolinium contenant par exemple du silicium (Si), du germanium (Ge), un alliage de manganèse contenant par exemple du fer (Fe), du magnésium (Mg), du phosphore

(P), un alliage de lanthane, un alliage de nickel (Ni), tout autre matériau ou alliage magnétisable équivalent, ou d'une combinaison de différents matériaux magnétocaloriques, se présentant sous forme de poudre, de particules, de bloc plein,

fritte ou poreux. Le choix entre ces matériaux magnétocaloriques se fait en fonction des puissances caloriques et frigorifiques recherchées et des plages de température requises. Ces éléments magnétocaloriques 2 sont perméables au fluide caloporteur et comportent à cet effet des passages de fluide débouchant, qui peuvent être constitués par les pores d'un matériau poreux, des mini ou des micro-canaux usinés dans un bloc plein ou obtenus par l'assemblage de plaques rainurées superposées, et similaires.

Les moyens de circulation 4 du fluide caloporteur comportent au moins un et de préférence deux jeux de N pistons 40, animés d'un mouvement de va-et-vient, parallèle à l'axe central A, par un mécanisme d'entraînement 7, chaque piston 40 étant disposé en regard et dans l'axe d'un élément magnétocalorique 2, pour pousser le fluide caloporteur contenu dans ledit module au travers dudit élément dans un sens de circulation selon que ledit élément subit un cycle de chauffage ou un cycle de refroidissement. Chaque élément magnétocalorique 2 est donc associé à deux pistons 40, alignés dans son axe et en regard de chaque extrémité, commandés en sens opposé. Pour que le fluide caloporteur circule d'une chambre d'échange 5, 6 à l'autre chambre d'échange 6, 5, la chemise 42 comporte des orifices 43 mettant en communication le volume intérieur du module thermique 10 et le logement 41 des pistons 40. En référence à la structure circulaire du générateur thermique 1 tel qu'illustrée, les pistons 40 sont disposés de manière adjacente, en cercle autour de l'axe central A, et forment une structure annulaire. Dans le cas d'un générateur thermique linéaire, les pistons seraient alignés. Ces pistons 40 sont constitués de pièces cylindriques, guidées dans des logements 41 de forme complémentaire prévus dans une chemise 42. Toute autre forme de piston peut également convenir et peut être déterminée pour minimiser les pertes de charges hydrauliques. La chemise 42 est une pièce fixe, assemblée au support 20 des éléments magnétocaloriques 2, par tout moyen d'assemblage adapté. Le support 20 et la chemise 42 peuvent également être formés d'une seule et même pièce. Ces pièces sont de préférence réalisées dans des matériaux thermiquement isolants, tels que des matières synthétiques ou similaires.

Dans l'exemple représenté, le mécanisme d'entraînement 7 comporte au moins une et de préférence deux cames de commande 70 couplées aux pistons 40, entraînées par un actionneur (non représenté). Chaque came de commande 70 peut comporter un profil de came 71 de forme sensiblement sinusoïdale (voir fig. 2 et 3) ou similaire, dont l'amplitude détermine la course des pistons 40 et dont la phase sinusoïdale correspond globalement à un cycle de chauffage et un cycle de refroidissement des éléments magnétocaloriques 2. Le profil de came 71 forme une nervure saillante, logée dans une gorge de chaque piston 40 assurant ainsi un couplage mécanique entre ces pièces. En référence à la structure circulaire du générateur thermique 1 tel qu'illustrée, les cames de commande 70 sont annulaires et entraînées en rotation continue ou non autour de l'axe central A, par un moteur électrique ou tout actionneur équivalent. Dans le cas d'un générateur thermique linéaire, les cames de commande sont rectilignes et animées d'un mouvement de translation alternative.

En référence plus particulièrement à la figure 8, les moyens magnétiques 3 comportent à proximité des éléments magnétocaloriques 2 un arrangement magnétique 30 formé de zones aimantées ZA et de zones non aimantées ZN alternées. Chaque couple de zones aimantée ZA et non aimantée ZN s'étend sur une distance correspondant globalement à une sinusoïde du profil de came 71, la zone aimantée ZA générant le cycle de chauffage et la zone non aimantée ZN le cycle de refroidissement. Dans l'exemple représenté, la zone aimantée ZA comporte au moins deux aimants permanents 32 de polarité opposée, assemblés à un noyau 33 à forte perméabilité magnétique de manière à concentrer le flux magnétique en direction des éléments magnétocaloriques 2. Bien entendu, toute autre construction ou disposition est possible. Dans l'exemple représenté et en référence à la structure circulaire du générateur, l'arrangement magnétique 30 est cylindrique, disposé à l'intérieur du générateur 1 et entraîné en rotation continue ou non autour de l'axe central A par un moteur électrique ou tout actionneur équivalent. Dans cet exemple, l'arrangement magnétique 30 comporte quatre paires de zones aimantée ZA et non aimantée ZN

s'étendant chacune sur un secteur angulaire de 90°. En correspondance, le profil de came 71 des cames de commande 70 comporte quatre sinusoïdes s'étendant chacune sur un même secteur angulaire. Le profil de came 71 qui est illustré sur les figures ne montre que deux sinusoïdes pour simplifier la représentation graphique. Les moyens magnétiques 3 comportent également un dispositif de fermeture de champ 31 disposé à l'opposé de l'arrangement magnétique 30, et dans cet exemple à l'extérieur du générateur 1, pour fermer le flux magnétique généré par les zones aimantées ZA à travers les éléments magnétocaloriques 2. Dans le cas d'un générateur thermique linéaire, les moyens magnétiques 3 sont rectilignes et animés d'un mouvement de translation alternative.

Dans cet exemple, les organes mobiles du générateur thermique 1 sont concentriques à l'axe central A et peuvent être entraînés par un même actionneur intérieur et central ou par tout moyen équivalent. Dans le cas d'un générateur thermique de plus petit diamètre, il est possible d'inverser cette configuration, en prévoyant d'entraîner les organes mobiles par l'extérieur, les cames de commande 70 et l'arrangement magnétique 30 étant disposés à l'extérieur des éléments magnétocaloriques 2. Il est également possible de décaler angulairement le déplacement des pistons 40 par rapport au déplacement de l'arrangement magnétique 30 dans le but de tenir compte des inerties thermiques et hydrauliques.

Le fonctionnement du générateur thermique 1 consiste à commander le déplacement simultané et synchrone de l'arrangement magnétique 30 et des cames de commande 70 pour générer le déplacement alternatif du fluide caloporteur à l'intérieur du module thermique 10 entre les chambres d'échange chaude 5 et froide 6 à travers les éléments magnétocaloriques 2, simultanément dans deux directions opposées selon que lesdits éléments sont soumis ou non au champ magnétique. Le déplacement alternatif du fluide caloporteur à l'intérieur d'un même module thermique 10 permet d'augmenter le gradient de température entre les chambres d'échange chaude 5 et froide 6 disposées aux extrémités dudit générateur. Ces chambres d'échange 5, 6 sont

conçues pour que les calories et frigories produites par le générateur puissent être véhiculées vers des circuits extérieurs d'utilisation (chauffage, climatisation, tempérage, etc.), soit par conduction, soit par échangeur de chaleur (non représenté). Dans une variante non représentée, la chambre d'échange chaude et la chambre d'échange froide sont reliées chacune à un circuit extérieur qui peut être équipé d'un moyen autorisant un échange de chaleur uniquement après atteinte d'une température prédéfinie dans ladite chambre d'échange concernée. Ce moyen peut être sous la forme d'un obturateur thermosensible ou piloté. Un tel moyen permet au générateur d'être performant plus rapidement, l'échange thermique n'étant possible qu'à partir du moment où le générateur est arrivé à un régime établi prédéfini.

Le fluide caloporteur utilisé est de préférence liquide. On choisira une composition chimique du fluide caloporteur adaptée à la plage de température voulue afin d'obtenir un échange thermique maximal. Ce fluide peut donc être liquide, gazeux ou diphasique. S'il est liquide, on utilisera par exemple de l'eau pure pour des températures positives et de l'eau additionnée d'antigel, par exemple un produit glycolé ou une saumure pour des températures négatives.

Meilleure manière de réaliser l'invention :

Les figures 9 à 11 illustrent un générateur thermique 100 comportant plusieurs modules thermiques 10, 11, 12, 13, similaires à celui décrit précédemment, ces modules étant empilés pour former plusieurs étages thermiques, et pouvant être identiques ou non. Les modules thermiques 10, 11, 12, 13 sont assemblés deux à deux par des chambres intermédiaires 8. Dans cette configuration étagée, les pistons de deux modules thermiques 10 à 13 adjacents peuvent être communs, comme illustré dans les figures susvisées, ce qui permet de simplifier et de réduire le prix de revient d'un tel générateur, de même que son encombrement total. En conséquence, les cames de commande 70 sont également communes et disposées dans les chambres intermédiaires 8. Ces chambres intermédiaires 8 peuvent être

communicantes comme illustré dans les figures, ou étanches. Lorsqu'elles sont communicantes, ces chambres intermédiaires 8 permettent un brassage du fluide caloporteur entre deux étages thermiques successifs, le fluide passant d'un module thermique à l'autre par les orifices 43 prévus dans la chemise 42 des pistons 40. Ce brassage thermique contribue à augmenter le gradient de température d'un étage à l'autre et, par conséquent, le gradient de température entre les chambres d'échange chaude 5 et froide 6 prévues aux extrémités dudit générateur.

Dans une autre variante non représentée, ces chambres intermédiaires 8 peuvent être étanches. Dans ce cas, le fluide caloporteur passe d'un étage thermique à un autre uniquement par les éléments magnétocaloriques 2.

La configuration étagée telle que représentée peut bien entendu être étendue à des modules thermiques 10 à 13 présentant une structure linéaire. Le nombre de modules thermiques 10 à 13 n'est pas limitatif et est déterminé en fonction de l'application donnée.

Possibilités d'application industrielle :

Toutes les pièces qui composent le générateur thermique 1, 100 selon l'invention peuvent être réalisées en série selon des processus industriels reproductibles. Toutes ces pièces à l'exception des éléments magnétocaloriques 2 et des moyens magnétiques 3 peuvent être réalisées dans des matériaux thermiquement isolants moulés, injectés ou similaires. Les modules thermiques 10 à 13 et les chambres d'échange 5, 6 peuvent être assemblés par tout moyen d'étanchéité approprié et tout moyen de fixation adéquat connu. La réalisation du générateur thermique 1, 100 par modules thermiques 10 à 13, compacts et empilables, qui peuvent être standardisés, permet de répondre à une large gamme d'applications aussi bien industrielles que domestiques, à des coûts compétitifs, dans un faible encombrement, en offrant des

performances de pouvoir calorifique non égalées à ce jour avec ce type de générateurs.

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 tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.