DISPOSITIF DE GENERATION DE FROID ET DE CHALEUR PAR EFFET MAGNETO-CALORIQUE
Domaine technique La présente invention concerne un dispositif pour générer du froid et de la chaleur par effet magnétique, comportant au mois un générateur d'un champ magnétique disposé selon au moins un segment de couronne et définissant un espace annulaire traversé par une pièce circulaire coaxiale, cette pièce étant pourvue de cavités radiales traversantes et contenant au moins un matériau magnéto-calorique, lesdites cavités radiales traversantes étant agencées pour conduire un fluide caloporteur en contact avec ledit matériau magnéto-calorique.
Technique antérieure Les dispositifs conventionnels de génération du froid comportent habituellement un compresseur pour comprimer un fluide réfrigérant afin d'élever sa température et des moyens de détente pour décompresser ce fluide réfrigérant afin de le refroidir. Il se trouve que les réfrigérants couramment utilisés sont extrêmement polluants et que leur utilisation comporte des risques de pollution atmosphérique importants. De ce fait, ces réfrigérants ne répondent plus aux exigences actuelles en matière de protection environnementale.
On connaît déjà des dispositifs utilisant l'effet magnéto-calorique pour générer du froid. En particulier, le brevet US 4 674 288 décrit un dispositif de liquéfaction de l'hélium comprenant une substance magnétisable mobile dans un champ magnétique généré par une bobine et un réservoir contenant de l'hélium en conduction thermique avec ladite bobine. Le mouvement de translation de la substance magnétisable génère du froid qui est transmis à l'hélium par l'intermédiaire d'éléments conducteurs.
La publication FR 2 525 748 a pour objet un dispositif de réfrigération magnétique comprenant une matière magnétisable, un système de génération d'un champ magnétique variable et des moyens de transfert de la chaleur et du froid comportant une chambre remplie d'un réfrigérant liquide saturé. La matière magnétisable génère du froid dans une position dans laquelle les moyens de transfert de froid extraient le froid de la matière magnétisable par condensation d'un réfrigérant, et la matière magnétisable génère de la chaleur dans une autre position dans laquelle les moyens de transfert de chaleur extraient la chaleur de la matière magnétisable par ébullition d'un autre réfrigérant.
La publication FR 2 586 793 concerne un dispositif comportant une substance destinée à produire de la chaleur lorsqu'elle se magnétise et à produire du froid lorsqu'elle se démagnétise, un moyen de génération d'un champ magnétique variable, ledit moyen générateur de champ magnétique comportant une bobine supraconductrice et un réservoir contenant un élément à refroidir.
Le brevet US 5 231 834 décrit un dispositif de chauffage et de refroidissement par effet magnétique dans lequel un fluide magnétique est pompé à travers le système. Le fluide traverse un champ magnétique généré par des aimants supraconducteurs ou autres. Lorsque le fluide pénètre dans le champ magnétique il est chauffé en raison de la magnétisation.
De tels systèmes ont une efficacité extrêmement faible et ils ne peuvent pas s'appliquer à des utilisations domestiques. De ce fait, ils ne sont pas aptes à concurrencer les systèmes de réfrigération actuels.
Les publications internationales WO 2004/059221 et WO 2004/059222 concernent un procédé et un dispositif de génération de froid et de chaleur par effet magnéto-calorique. La première publication décrit un dispositif comportant un élément rotatif traversé par un fluide caloporteur dans une
direction parallèle à son axe de rotation. Cette construction se révèle encombrante et ne permet que difficilement de réaliser industriellement des appareils compacts, de construction simple et économique et permettant une maintenance aisée.
La publication FR 2 517 415 a pour objet un procédé et un dispositif de réfrigération dans lequel un support portant une substance paramagnétique est entraîné par un système mécanique/magnétique dans un cryostat de forme torique. Ce support est soumis à un champ magnétique induit soit par des électro-aimants, soit par des aimants permanents situés de part et d'autre du support magnétique. Dans cette conception, le circuit magnétique est ouvert et les lignes de champ magnétique se referment à l'extérieur du système, ce qui conduit à la nécessité d'une induction magnétique importante demandant une importante consommation énergétique dans le cas d'utilisation d'électro-aimants. En outre, l'utilisation de ces électro-aimants provoque des pertes par effet de Joule qu'il est absolument nécessaire de dissiper pour garantir le bon fonctionnement à Ia température de Curie* du gadolinium. L'utilisation d'aimants permanents ne permet pas le fonctionnement de ce système car ils devraient avoir une puissance qui n'est actuellement pas disponible sur le marché. De plus, le fait que le circuit magnétique ne soit pas fermé sur lui-même, peut provoquer d'importantes fuites de la magnétisation et il faudrait prévoir une isolation magnétique qui augmenterait notablement le coût de réalisation du dispositif. Ceci n'est pas le cas avec le dispositif selon la présente invention dans lequel il n'y a aucune fuite du champ magnétique puisque le circuit magnétique est fermé sur lui- même et que tout le champ magnétique est concentré dans les matériaux magnéto-caloriques.
Le dispositif décrit dans la publication FR 2 861 454 est un dispositif de génération de flux magnétique comportant un anneau portant radialement les moyens magnétiques qui pivote alternativement sur son axe. Cette configuration augmente l'énergie absorbée par le système car il faut mettre en
mouvement une masse plus élevée du fait de la rotation des aimants. Cet inconvénient ne se retrouve pas dans le dispositif de l'invention dans lequel la masse des aimants est fixe.
La publication internationale WO 03/050456 décrit un appareil de réfrigération magnétique utilisant deux aimants permanents animés d'un mouvement de rotation continue afin qu'ils balayent différents compartiments, contenant du gadolinium sous forme de poudre, d'une enceinte annulaire monobloc en les soumettant successivement à un champ magnétique non nul et nul. Pour fonctionner, ce dispositif nécessite une rotation synchrone très précise des aimants. C'est un système techniquement difficile à réaliser et coûteux qui, comme le dispositif décrit dans la publication précédente, demande une consommation énergétique élevée due à la rotation des masses des aimants plus lourds que la masse de gadolinium.
Dans le système proposé par le brevet US 4 727 721 les aimants disposés par une ou deux paires opposées engendrent des forces alternatives saccadées qui génèrent une consommation énergétique accrue pour assurer la rotation du système. Ces forces alternatives peuvent générer des vibrations, donc une usure plus rapide et un bruit. En outre, le fait de faire circuler deux fluides caloporteurs augmente la complexité du système donc son coût de fabrication et d'exploitation, avec des risques de pannes dus à l'éventuelle rupture des joints par l'usure. Dans le dispositif de l'invention, les logements sont disposés côte à côte ce qui engendre un mouvement ayant peu de vibrations car l'effort est pratiquement continu. De ce fait, la consommation énergétique est diminuée, l'usure est réduite et le bruit quasi inexistant. En outre, le fait qu'il n'y ait qu'un seul fluide caloporteur dispense de la présence d'un système d'étanchéité complexe.
Exposé de l'invention
La présente invention se propose de pallier les inconvénients des systèmes connus en offrant un dispositif de refroidissement qui n'utilise pas de fluides
réfrigérants polluants et qui ne présente donc pas les inconvénients des systèmes antérieurs. En outre, le dispositif de la présente invention peut être réalisé par une construction simple et économique, susceptible d'être industrialisée et aboutissant à un appareil peu encombrant, efficace et économique.
Ce but est atteint par le dispositif tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour amener ledit fluide caloporteur selon une direction axiale dans ladite pièce circulaire coaxiale, des moyens pour introduire ledit fluide caloporteur selon une direction radiale dans lesdites cavités radiales traversantes, lesdits moyens pour introduire ledit fluide caloporteur selon une direction axiale dans ladite pièce circulaire coaxiale et lesdits moyens pour introduire ledit fluide caloporteur selon une direction radiale dans lesdites cavités radiales traversantes comprenant au moins circulateur de fluide agencé pour faire circuler ledit fluide caloporteur, au moins un premier collecteur agencé pour recueillir ledit fluide caioporteur ayant traversé lesdites cavités radiales traversantes dans une zone comportant ledit générateur de champ magnétique, et au moins un second collecteur agencé pour recueillir ledit fluide caloporteur ayant traversé lesdites cavités radiales traversantes dans une zone située hors dudit générateur de champ magnétique.
De façon avantageuse, le dispositif comporte des moyens agencés pour former une unité agencée pour être associée en série à une unité identique afin de former un dispositif de plus grande puissance.
Ledit fluide caloporteur peut être un gaz et, dans ce cas, ledit circulateur de fluide caloporteur est un ventilateur.
Ledit fluide caloporteur peut également être un liquide et, dans ce cas, ledit circulateur de fluide caloporteur est une pompe.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit générateur de champ magnétique est fixe et ladite pièce circulaire coaxiale comportant les cavités radiales traversantes est rotative autour de son axe par l'intermédiaire d'un moteur d'entraînement monté coaxialement à ladite pièce circulaire rotative coaxiale.
Ledit générateur de champ magnétique a avantageusement une forme d'une couronne semi-circulaire et comporte un noyau en acier ayant une section transversale en forme de U dans lequel sont incrustés des aimants permanents de façon à former un champ magnétique fermé.
Le dispositif comporte de préférence un assemblage mécanique de support comprenant une cloche intérieure fixe, disposée coaxialement à l'intérieur d'une cloche extérieure rotative couplée au moteur d'entraînement, la pièce coaxiale rotative étant solidaire de ladite cloche extérieure rotative.
De façon avantageuse, la cloche intérieure fixe et la cloche extérieure rotative sont liées par l'intermédiaire de roulements à billes.
Dans la forme de réalisation préférée, la cloche intérieure fixe et cloche extérieure rotative forment les éléments de liaison de deux unités.
Dans toutes les formes de réalisation, l'assemblage mécanique de support comprend essentiellement une plaque, une ceinture, un plateau fixe et la cloche intérieure fixe.
Le dispositif comporte de façon préférentielle un cylindre inférieur qui définit avec la ceinture et le plateau fixe un espace inférieur.
De façon avantageuse, l'espace inférieur est divisé principalement par trois cloisons sensiblement radiales et forme lesdits moyens pour introduire ledit fluide caloporteur selon une direction axiale dans ladite pièce circulaire coaxiale.
Ledit générateur de champ magnétique peut être composé d'un nombre pair d'éléments magnétiques de segments de couronne, les segments de couronne de chacune desdites paires d'éléments étant disposés symétriquement par rapport à l'axe dudit générateur de champ magnétique.
De préférence, les éléments sous la forme de segments de couronne d'une même paire génèrent respectivement des champs magnétiques de polarité inversée.
Description sommaire des dessins
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront mieux de la description suivante de différents modes de réalisations illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'une première forme de réalisation du dispositif pour générer du froid et de la chaleur par effet magnéto-calorique selon l'invention,
la figure 2 représente une vue en coupe axiale du dispositif de la figure 1 ,
la figure 3 représente une vue partielle de dessous, en perspective, illustrant la structure des moyens d'amenée du fluide caloporteur,
la figure 4 représente une vue en perspective d'une seconde forme de réalisation du dispositif pour générer du froid et de la chaleur par effet magnéto-calorique selon l'invention comportant deux unités similaires au
dispositif de la figure 1, montées en série afin d'accroître l'efficacité du système,
les figures 5A et 5B représentent deux vues schématiques illustrant une première forme d'utilisation du dispositif selon l'invention,
les figures 6A et 6B représentent deux vues schématiques illustrant une deuxième forme d'utilisation du dispositif selon l'invention,
les figures 7A et 7B représentent deux vues schématiques illustrant une troisième forme d'utilisation du dispositif selon l'invention, et
les figures 8A et 8B représentent des vues schématiques illustrant une forme de réalisation avantageuse du générateur de champ magnétique du dispositif selon l'invention, la figure 8B étant une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 8A.
Manière(s) de réaliser l'invention
En référence aux figures 1 à 3, qui correspondent à une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention, ce dispositif 10 comporte principalement une pièce circulaire coaxiale 11 contenant un matériau magnéto-calorique, monté sur un assemblage mécanique de support 12 et entraînée en rotation autour de son axe à travers un champ magnétique généré par un générateur de champ magnétique 13 fixe. Le générateur de champ magnétique 13 fixe a, dans l'exemple de construction représenté, la forme d'une couronne semi-circulaire qui comporte un noyau 14 composé d'un bloc en acier magnétisable ayant une forme générale de U et dans lequel sont incrustés des aimants 15, de préférence des aimants permanents de forte puissance. Cette construction pourrait être modifiée par une structure symétrique dans laquelle le bloc en acier magnétisable en forme de demi- couronne est remplacé par deux blocs en acier magnétisable correspondant à des segments d'un quart de cercle et disposés deux à deux symétriquement
ou à des segments correspondant du point de vue des dimensions à un sixième ou à un huitième de cercle et disposés également deux à deux symétriquement. Une telle réalisation est représentée à titre d'exemple par les figures 8A et 8B. Le noyau 14 comporte un entrefer 16 dans lequel est engagée la pièce circulaire coaxiale 11 qui, dans cette réalisation est rotative. L'espace entre la périphérie de la pièce circulaire coaxiale 11 et les parois adjacentes du noyau 14 est très petit et sensiblement constant. Il ne doit en principe pas dépasser 0,5 mm, ce qui implique une construction très précise et très rigide de la pièce coaxiale rotative 11 et de l'assemblage mécanique de support 12. Le générateur de champ magnétique 13 est, dans ce cas, fixe et monté sur une plaque rigide 17 de l'assemblage mécanique de support 12.
La pièce coaxiale rotative 11 tourne à l'extérieur d'une ceinture 18 montée sur un plateau fixe 19 localisé à la base d'une cloche intérieure fixe 20 disposée coaxialement à l'intérieur d'une cloche extérieure rotative 21 couplée à un moteur d'entraînement M . La cloche intérieure fixe 20 et la cloche extérieure rotative 21 sont liées par l'intermédiaire de deux roulements à billes 22 et 23. L'assemblage mécanique de support 12 comprend essentiellement la plaque 17, la ceinture 18, le plateau fixe 19 et la cloche intérieure fixe 20. Le moteur d'entraînement M est monté entre le plateau fixe 19 et le sommet de la cloche extérieure rotative 21. Un cylindre inférieur 24 délimite avec la ceinture 18 et le plateau fixe 19 un espace inférieur 25 qui est représentée plus en détail par la figure 3 et communique avec l'environnement extérieur à travers une ouverture centrale 26 dans laquelle est monté un circulateur 27. L'espace inférieur 25 s'étend au-delà de la plaque 17 de l'assemblage mécanique de support 12 sensiblement jusqu'au plateau fixe 19 et, comme le montre plus précisément la figure 2, une paroi latérale 28 cylindrique qui délimite cette chambre à proximité de la pièce coaxiale rotative 11 , et qui est perforée d'une multitude de trous 29 en regard de passages 30 ménagés dans la ceinture 18.
La figure 3 représente plus en détail l'intérieur de l'espace inférieur 25 délimitée par la paroi latérale 28 cylindrique. Cet espace est partagé principalement par trois cloisons 41 , 42 et 43 sensiblement radiales destinées à orienter les flux d'air générés par le circulateur 27. On notera que l'air, qui dans l'exemple représenté, est le gaz constituant le fluide caloporteur nécessaire pour transporter des calories et des frigories générées par le dispositif magnéto-calorique de l'invention est mis en mouvement par un ventilateur qui constitue le circulateur. Ce fluide caloporteur pourrait également être un liquide qui, dans ce cas, pourrait être mis en mouvement par une pompe formant le circulateur.
La pièce coaxiale rotative 11 est pourvue d'une multitude de cavités radiales traversantes 31 , remplies partiellement ou totalement d'un matériau magnéto- calorique, par exemple sous la forme d'une accumulation de billes, ces cavités débouchant à travers des orifices périphériques 32, d'une part, dans un collecteur de fluide chaud 33 qui entoure la couronne semi-circulaire du générateur de champ magnétique 13 et, d'autre part, dans un collecteur de fluide froid 34 disposé dans la zone dans laquelle la pièce coaxiale rotative 11 tourne hors de l'entrefer 16 du noyau 14 du générateur de champ magnétique 13. Le collecteur de fluide chaud communique avec un conduit de fluide chaud 35 fixé à la plaque 17 de l'assemblage mécanique de support 12, à travers des ouvertures 36 ménagées dans cette plaque 17.
La figure 4 représente deux unités 40 et 50 respectivement similaires au dispositif des figures 1 et 2, ces unités étant montées en série afin d'accroître l'efficacité du dispositif dit à deux étages. Les composants de ce dispositif, similaires à des composants décrits et représentés par la figure 1 portent les mêmes numéros de référence. Chacune des unités 40 et 50 comporte principalement une pièce coaxiale rotative 11 contenant un matériau magnéto-calorique, montée sur un assemblage mécanique de support 12 et entraînée en rotation autour de son axe à travers un champ magnétique généré par un générateur de champ magnétique 13. Le générateur de champ
magnétique 13 a, dans l'exemple de construction représenté, la forme d'une couronne semi-circulaire qui comporte un noyau 14 composé d'un bloc en acier magnétisable ayant une forme générale de U et dans lequel est incrustée une série d'aimants 15, de préférence des aimants permanents de forte puissance. Le noyau 14 comporte un entrefer 16 dans lequel est engagée la pièce coaxiale rotative 11.
On notera que l'unité 50 est retournée par rapport à l'unité 40 de sorte que la cloche intérieure rotative 20 ainsi que la cloche extérieure fixe 21 , qui contient la cloche intérieure rotative 20, sont communes aux deux unités.
L'invention n'est pas limitée à un dispositif à deux étages. D'autres unités complémentaires pourraient être montées en série sur les deux unités 40 et 50, un tel montage ayant pour but d'augmenter l'efficacité et la puissance du dispositif.
Le fonctionnement du dispositif illustré par les figures 1 , 2 et 3 sera décrit ci- dessous en référence aux figures 5A et 5B destinées à expliquer le principe général de fonctionnement de ce dispositif dans un premier mode d'utilisation comme générateur de froid. L'air soufflé par le ventilateur 27 pénètre dans une chambre A délimitée par les cloisons 41 et 42, à raison de 2/3 du volume insufflé et dans une chambre B délimitée par les cloisons 42 et 43, à raison de 1/3 du volume insufflé. Le volume d'air de la chambre d'entrée A est injecté dans les cavités radiales traversantes 31 de la pièce circulaire coaxiale 11 , contenant par exemple des billes de matériau magnéto-calorique, entassées de manière à laisser le passage à l'air, et est rejeté dans l'air ambiant. Il s'agit de l'air ayant traversé la pièce circulaire coaxiale 11 et qui a été réchauffé par l'effet du champ magnétique sur le matériau magnéto- calorique. L'air qui a été insufflé dans la pièce circulaire coaxiale 11 en provenance de la chambre B est collecté à sa sortie et est insufflé dans Ia chambre C. L'air qui sort de la pièce circulaire coaxiale 11 en provenance d'une première zone de la chambre C dans la zone D est injecté dans la
chambre B où il est mélangé à l'air soufflé par le ventilateur 27. L'air qui vient de la pièce circulaire coaxiale 11 en provenance d'une deuxième zone de la chambre C dans la zone adjacente à la zone D constitue le flux d'air refroidi Fx utilisé par le dispositif agissant comme générateur de froid.
Dans un deuxième mode d'utilisation illustré par les figures 6A et 6B, le ventilateur 27 souffle l'air uniquement dans la chambre B. L'air ayant traversé les cavités radiales traversantes de la pièce circulaire coaxiale 11 est injecté à parts égales dans les chambres A et C. Le flux d'air Fx refroidi sortant du secteur C est collecté et insufflé dans une chambre à refroidir (non représentée). De cette chambre froide (non représentée) un flux d'air froid sortant, identique au flux d'air Fx entrant dans cette chambre froide, est prélevé et est injecté à parts égales dans les chambres B et D. La moitié de cet air est mélangée à l'air ambiant insufflé par le ventilateur 27 dans la chambre B. L'autre moitié de cet air est mélangée à l'air de la chambre A. Une partie, en l'occurrence la moitié de l'air provenant de la chambre A, est insufflée dans la chambre D.
Les figures 7A et 7B représentent un troisième mode d'utilisation dans lequel le dispositif est pourvu de deux ventilateurs 27a et 27b ainsi que de quatre tubes E, F, G et H. Le premier ventilateur 27a aspire l'air ambiant ou l'air du secteur A et le refoule dans le tube E. L'autre ventilateur 27b aspire l'air en provenance de la chambre froide (non représentée) et le refoule dans le tube
G. L'air sortant des quatre tubes E, F, G et H est partagé de manière équivalente dans les quatre chambres A, B. C et D. Les tubes F et H sont alimentés par l'air respectivement en provenance des secteurs D et B. L'air sortant du secteur C est injecté dans la chambre froide. Les chambres B et D sont connectées et la température est idéalement la même dans ces chambres. En récupérant l'air du secteur A, le système devient totalement fermé.
Les figures 8A et 8B illustrent une forme de réalisation d'un générateur de champ magnétique 130 qui comporte quatre éléments de segments de couronne 131 , 132, 133 et 134 qui sont séparés respectivement par quatre éléments 141 , 142, 143 et 144 dans lesquels ne sont disposés aucun moyen générateur de champ magnétique. Une pièce circulaire rotative 110 est montée de façon à traverser alternativement les zones de champ magnétique et les zones exemptes de champ magnétique. On peut avantageusement inverser les pôles magnétiques de deux éléments de segments, par exemple les éléments de segments 131 et 133 où le sens nord - sud des champs magnétique est opposé pour les deux champs générés par ces éléments. L'avantage de cette construction est que les effets d'attraction exercés sur la pièce circulaire rotative 110 s'équilibrent à tout moment, ce qui simplifie la construction du dispositif et réduit les contraintes sur les pièces en mouvement.