FR2959602A1 - Procede de generation d'un flux thermique et generateur thermique magnetocalorique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de génération d'un flux thermique à partir d'au moins un module thermique (1) comportant au moins deux éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) reliés deux-à-deux, traversés par un fluide caloporteur et soumis à un champ magnétique variable, le fluide caloporteur circulant simultanément à travers lesdits éléments (21, 22, 23, 24) de manière synchronisée avec la variation du champ magnétique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à soumettre lesdits éléments (21, 22, 23, 24) un sur deux à une variation opposée du champ magnétique, à faire circuler le fluide caloporteur dans lesdits éléments (21, 22, 23, 24) simultanément et en sens opposés, de telle sorte que, d'une part, le fluide sortant d'un desdits éléments (21, 23 ; 22) à l'issue d'une phase d'échauffement est mis à circuler au cours de la phase suivante dans l'élément (22, 24 ; 23) suivant subissant un échauffement et que, d'autre part, le fluide sortant d'un desdits éléments (22, 24 ; 23) à l'issue d'une phase de refroidissement est mis à circuler au cours de la phase suivante dans l'élément suivant (21, 23 ; 22) subissant un refroidissement, et inversement, et, entre deux phases magnétiques opposées, à stocker le fluide caloporteur dans une zone de réception intermédiaire (81, 82, 83, 91, 92, 93). Elle concerne également un générateur thermique mettent en œuvre ledit procédé.
Description
PROCEDE DE GENERATION D'UN FLUX THERMIQUE ET GENERATEUR THERMIQUE MAGNETOCALORIQUE
Domaine technique : La présente invention concerne un procédé de génération d'un flux thermique à partir d'au moins un module thermique comportant au moins deux éléments magnétocaloriques associés et reliés fluidiquement deux-à-deux, traversés de part en part par un fluide caloporteur et soumis à un champ magnétique variable créant alternativement, dans chaque élément magnétocalorique une phase magnétique différente correspondant à une phase d'échauffement et à une phase de refroidissement successives, le fluide caloporteur circulant simultanément à travers lesdits éléments magnétocaloriques de manière synchronisée avec la variation du champ magnétique.
Elle a également pour objet un générateur thermique pour la mise en oeuvre dudit procédé, comportant au moins un module thermique comprenant au moins deux éléments magnétocaloriques associés reliés entre eux fluidiquement et agencés pour être traversés de part en part par un fluide caloporteur, un arrangement magnétique destiné à soumettre chaque élément magnétocalorique à un champ magnétique variable, créant alternativement, dans chaque élément magnétocalorique deux phases magnétiques successives correspondant à une phase d'échauffement et à une phase de refroidissement, la circulation du fluide caloporteur à travers lesdits éléments magnétocaloriques étant réalisée par des moyens de mise en circulation synchronisés avec la variation du champ magnétique.
Technique antérieure :
La technologie du froid magnétique à température ambiante est connue depuis plus d'une vingtaine d'années et on sait les avantages qu'elle apporte en termes d'écologie 30 et de développement durable. On connaît également ses limites quant à sa puissance thermique 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.
Le choix des matériaux magnétocaloriques est déterminant et influence directement les performances d'un générateur thermique magnétocalorique. Pour augmenter ces performances, une solution consiste à associer plusieurs matériaux magnétocaloriques présentant des températures de Curie différentes en vue d'augmenter le gradient de température entre les extrémités de cet assemblage.
On connaît ainsi des générateurs thermiques comportant au moins un module thermique M tel que celui représenté sur les figures lA et lB et comportant des matériaux magnétocaloriques MC disposés côte-à-côte et alignés, et des moyens de circulation du fluide caloporteur, tels que des pistons P, destinés à entraîner le fluide caloporteur selon un mouvement de va et vient à travers l'ensemble des matériaux magnétocaloriques MC, de part et d'autre de ces derniers, entre le côté froid F et le côté chaud C de l'assemblage de matériaux magnétocaloriques MC, et en synchronisation avec la variation d'un champ magnétique (non représenté). Comme représenté sur les figures lA et lB, ces pistons P sont disposés de part et d'autre de l'assemblage de matériaux magnétocaloriques MC et se déplacent alternativement dans un sens puis dans l'autre, les figures 1A et 1B représentant les pistons dans leurs deux positions extrêmes.
Il ressort des figures lA et lB que le fluide se déplace soit dans un sens, en direction de l'extrémité chaude C (le sens de déplacement du fluide caloporteur est représenté par les flèches en pointillés, cf. figure lA) lorsque les matériaux magnétocaloriques subissent un cycle d'échauffement, soit dans l'autre sens, en direction de l'extrémité froide F (le sens de déplacement du fluide caloporteur est représenté par les flèches en trait plein, cf. figure 1B) lorsque les matériaux magnétocaloriques subissent un cycle de refroidissement.
Ce module thermique M présente un inconvénient dû au fait que pour atteindre un gradient de température, il est nécessaire de faire circuler un fluide caloporteur à travers l'ensemble des matériaux. L'utilisation de plusieurs éléments magnétocaloriques MC entraîne une augmentation de la longueur de matériau à traverser par ledit fluide caloporteur. Ainsi, pour ne pas diminuer le nombre de cycles (un cycle étant défini par un échauffement et un refroidissement de l'élément magnétocalorique), il est nécessaire d'augmenter la vitesse du fluide caloporteur. Or, l'augmentation de vitesse a pour effet une augmentation de la pression, ce qui aggrave les pertes de charge et diminue l'efficacité de l'échange thermique entre le fluide caloporteur et les éléments magnétocaloriques, et entraîne une réduction du rendement thermique du générateur magnétocalorique.
On sait également que pour augmenter la puissance thermique d'un générateur magnétocalorique, une possibilité consiste à augmenter le nombre de cycles par seconde. Or, cela a pour effet une augmentation de la vitesse, entraînant également les inconvénients précités.
Un générateur comportant un module thermique M tel qu'illustré dans les figures lA et 1B nécessite une durée de fonctionnement préalable non négligeable pour atteindre un gradient de température exploitable entre les deux extrémités du fait de la multiplicité des matériaux utilisés.
La demanderesse a proposé, dans sa demande de brevet FR 08/05901 non encore publiée, un générateur thermique magnétocalorique permettant d'améliorer le rendement thermique des générateurs connus ce, avec une même quantité ou longueur de matériau. 25 30 Elle a également proposé, dans les demandes de brevet WO 2007/026062 et WO 2008/012411 des générateurs thermiques magnétocaloriques de construction modulaire et comportant deux circuits chaud et froid distincts en contact avec les matériaux magnétocaloriques. Exposé de l'invention :
La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur précité et à proposer, en variante à l'objet de sa demande de brevet FR 08/05901, un procédé de 10 génération d'un flux thermique pouvant être facilement mis en oeuvre par un générateur thermique magnétocalorique et présentant un rendement thermique amélioré, qui permette également d'atteindre un gradient de température plus important entre les extrémités chaude et froide dudit générateur et ce, plus rapidement, de manière à augmenter son efficacité pour une même quantité ou 15 longueur de matériau magnétocalorique.
Dans ce but, l'invention concerne un procédé du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, - à soumettre lesdits éléments magnétocaloriques un sur deux à une variation 20 opposée du champ magnétique de manière à créer simultanément dans chacun des phases magnétiques opposées, - à faire circuler le fluide caloporteur dans lesdits éléments magnétocaloriques deux-à-deux simultanément et dans deux sens opposés et de telle sorte que, d'une part, le volume de fluide sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques à l'issue 25 d'une phase magnétique d'échauffement est mis à circuler, au cours de la phase magnétique suivante, dans l'élément magnétocalorique suivant subissant alors une phase magnétique d'échauffement et que, d'autre part, le volume de fluide sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques à l'issue d'une phase magnétique de refroidissement est mis à circuler, au cours de la phase magnétique suivante, dans 30 l'élément magnétocalorique suivant subissant une phase magnétique de5 refroidissement, et inversement et, - entre deux phases magnétiques opposées, à stocker le fluide caloporteur sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques dans une zone de réception intermédiaire.
L'invention a également pour objet un générateur thermique tel que décrit en préambule, caractérisé en ce que lesdits éléments magnétocaloriques sont reliés fluidiquement entre eux deux-à-deux par au moins deux compartiments aptes à réceptionner, au cours d'une phase magnétique, un volume défini de fluide caloporteur sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques et à le renvoyer vers l'élément magnétocalorique suivant au cours de la phase magnétique suivante.
Le procédé selon l'invention peut notamment consister à faire circuler le fluide caloporteur de manière simultanée en direction d'une première extrémité dudit module thermique, dite extrémité froide à travers chaque élément magnétocalorique subissant une phase de refroidissement, et en direction de la seconde extrémité dudit module thermique, dite extrémité chaude à travers chaque élément magnétocalorique subissant une phase d'échauffement.
Il peut, en outre, consister à relier fluidiquement les éléments magnétocaloriques deux à deux par l'intermédiaire de deux circuits distincts, respectivement un circuit de fluide se refroidissant dit circuit froid et un circuit de fluide s'échauffant dit circuit chaud, lesdits deux circuits comportant chacun un compartiment formant une zone de réception intermédiaire, étant disposé entre deux éléments magnétocaloriques adjacents, et agencé pour recevoir le fluide caloporteur sortant d'un élément magnétocalorique avant sa réinjection dans l'élément magnétocalorique suivant.
Pour augmenter la plage de température de sa mise en oeuvre (par exemple entre - 25°C et +65°C), le procédé selon l'invention peut consister à disposer dans ledit 30 module thermique des éléments magnétocaloriques comportant chacun une 5 température de Curie différente, selon leur température de Curie croissante en direction de l'extrémité chaude dudit module thermique.
Dans cette configuration, ledit procédé peut également consister à réaliser lesdits éléments magnétocaloriques à partir de plusieurs matériaux magnétocaloriques agencés selon une température de Curie croissante en direction de l'extrémité chaude dudit module thermique.
Dans le générateur thermique mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, lesdits moyens de mise en circulation peuvent comporter un piston dans chaque compartiment agencé pour aspirer et refouler ledit volume défini de fluide caloporteur.
En outre, lesdits éléments magnétocaloriques peuvent être à reliés entre eux fluidiquement par l'intermédiaire de deux circuits distincts et parallèles, respectivement un circuit de fluide se refroidissant dit circuit froid et un circuit de fluide s'échauffant dit circuit chaud, ces circuits étant pourvus de moyens de contrôle du sens de circulation du fluide caloporteur de sorte que la circulation du fluide caloporteur dans lesdits circuits est réalisée en sens opposés.
Description sommaire des dessins :
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures lA et lB sont des vues schématiques d'un module thermique de l'art antérieur, - les figures 2A à 2C sont des vues schématiques d'un module thermique constitué par quatre éléments magnétocaloriques respectivement dans trois phases successives du procédé selon l'invention et illustrant le déplacement du fluide caloporteur à travers lesdits éléments, - la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un module thermique selon l'invention, - la figure 4 est une vue en élévation d'une partie du module thermique de la figure 3, - les figures 5A et 5B sont des vues en coupe du module thermique de la figure 3 respectivement selon les plans C-C et D-D de la figure 4, représentant le module thermique dans une première phase magnétique, - la figure 6 est une vue en élévation d'une partie du module thermique de la figure 3, identique à la figure 4, et - les figures 7A et 7B sont des vues en coupe du module thermique de la figure 3 respectivement selon les plans A-A et B-B de la figure 6, représentant le module thermique dans une seconde phase magnétique.
Illustrations de l'invention :
Dans les exemples de réalisation illustrés, les pièces ou parties identiques portent les mêmes références numériques.
Le module thermique 1 représenté aux figures 2 à 7 annexées comporte quatre éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 définissant une extrémité froide 3 à gauche et une extrémité chaude 4 à droite des figures, ces éléments étant reliés entre eux deux à deux, à savoir entre les éléments magnétocaloriques 21 et 22, 22 et 23, et 23 et 24 adjacents. Ces éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 sont reliés entre eux à chaque fois par deux circuits fluidiques distincts 8 et 9, à savoir un circuit froid 8 et un circuit chaud 9. Les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23 et 24 sont reliés en série dans deux circuits fluidiques distincts 8 et 9 reliés en parallèle. Chaque circuit fluidique 8, 9 comprend un piston 61, 62, 63 ; 71, 72, 73 formant un moyen de mise en circulation du fluide caloporteur, la chambre de chaque piston formant un compartiment 81, 82, 83 respectivement 91, 92, 93 (réf. à rajouter sur les figures 3-7) relié fluidiquement aux éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 correspondants. Lesdits compartiments 81, 82, 83, 91, 92, 93 réalisent des zones de réception intermédiaires du fluide caloporteur, ledit fluide y étant aspiré et refoulé entre deux phases magnétiques. En outre, les circuits 8, 9 comportent également des moyens de contrôle du sens de circulation du fluide caloporteur (cf. fig. 5A et 5B), tels que des clapets anti-retour, par exemple. Ces moyens de contrôle du fluide caloporteur ont pour objet d'imposer le sens de circulation du fluide caloporteur dans les circuits 8, 9 et par exemple, en référence aux figures, de droite à gauche pour le circuit 8, c'est-à-dire de l'extrémité chaude 4 vers l'extrémité froide 3, et de gauche à droite pour le circuit 9, c' est-à-dire de l'extrémité froide 3 vers l'extrémité chaude 4.
Les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23 et 24 présentent des températures de Curie croissantes de l'extrémité froide 3 vers l'extrémité chaude 4, l'élément magnétocalorique 24 comportant la température de Curie la plus élevée étant disposé au niveau de l'extrémité chaude 4 du module thermique 1. En variante, chaque élément magnétocalorique 2 peut être réalisé par un assemblage de plusieurs matériaux magnétocaloriques différents, également disposés selon leur température de Curie croissante. Ces éléments magnétocaloriques comportent des passages de fluide débouchant (non représentés) qui peuvent être constitués par les pores d'un matériau poreux, des mini ou micro-canaux usinés dans un bloc plein ou obtenus par un assemblage de plaques rainurées superposées, par exemple.
Les extrémités froide 3 et chaude 4 du module thermique 1 sont confondues avec les extrémités froide et chaude des deux éléments magnétocaloriques 21 et 24 disposés aux extrémités dudit module thermique 1. Elles sont, bien entendu, également reliées avec un ou plusieurs moyens de mise en circulation du fluide caloporteur, tels que des pistons ou tout autre dispositif équivalent non représentés sur les figures 2A à 2C. Elles peuvent être également couplées à des échangeurs de chaleur ou tout moyen équivalent permettant de diffuser les calories et/ou les frigories vers une ou plusieurs applications externes.
Le module thermique 1 représenté aux figures 3, 5A, 5B, 7A et 7B comporte une structure linéaire dans laquelle les quatre éléments magnétocaloriques 21, 22, 23 et 24 sont alignés. Bien entendu, toute autre forme appropriée peut convenir.
Les figures 3, 5A, 5B, 7A et 7B ne représentent pas l'arrangement magnétique 5 permettant de soumettre les éléments magnétocaloriques 21 à 24 à un champ magnétique variable. Ledit arrangement magnétique 5 est toutefois représenté schématiquement sur les figures 2A à 2C. Il peut être constitué par des aimants permanents en déplacement relatif par rapport aux éléments magnétocaloriques 21 à 24 ou par tout autre moyen analogue.
Chaque élément magnétocalorique 21, 22, 23, 24 est apte à être traversé par un fluide caloporteur entraîné par les pistons 61, 62, 63; 71, 72, 73 et est soumis à une variation de champ magnétique par l'intermédiaire de l'arrangement magnétique 5 générant des phases d'échauffement et de refroidissement alternées, un cycle magnétique étant constitué par deux phases magnétiques coïncidant avec une phase de refroidissement et une phase d'échauffement de l'élément magnétocalorique 21, 22, 23, 24 correspondant. Le déplacement des pistons 61, 62, 63; 71, 72, 73 est synchronisé avec la variation du champ magnétique de telle manière que le fluide caloporteur se déplace en direction de l'extrémité chaude 4 à travers chaque élément magnétocalorique 21 et 23 ou 22 et 24 subissant un cycle d'échauffement, et en direction de l'extrémité froide 3 à travers chaque élément magnétocalorique 22 et 24 ou 21 et 23 subissant un cycle de refroidissement. Ce déplacement est possible grâce aux deux circuits fluidiques 8 et 9 distincts reliant chacun les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 en série. En effet, un premier circuit fluidique 8, dit circuit froid, est dédié au déplacement du fluide caloporteur, de droite à gauche sur les figures, ne traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que lorsqu'ils subissent un cycle de refroidissement et le second circuit fluidique 9, dit circuit chaud, est dédié au déplacement du fluide caloporteur, de gauche à droite sur les figures, ne traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que lorsqu'ils subissent un cycle d'échauffement. Il en est de même pour les chambres 81, 82, 83 ; 91, 92, 93 dont une première partie 81, 82, 83 correspond au premier circuit fluidique 8 et réceptionne uniquement le fluide caloporteur se refroidissant en traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que lorsqu'ils subissent un cycle de refroidissement, et dont la seconde partie 91, 92, 93 correspond au second circuit fluidique 9 et réceptionne uniquement le fluide caloporteur se réchauffant en traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que lorsqu'ils subissent un cycle d'échauffement.
Les figures 2A à 2C illustrent le module thermique 1 dans trois phases magnétiques successives du procédé. Les figures 2A, 2C et 5A et 5B représentent le module thermique 1 dans lequel les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 sont dans le même état magnétique, à savoir : le premier et le troisième éléments magnétocaloriques 21 et 23 en partant de la gauche sur ces figures sont soumis à un champ magnétique ou à un accroissement de champ magnétique généré par l'arrangement magnétique 5 et sont dans une phase d'échauffement, et les deux autres éléments magnétocaloriques 22 et 24 du module thermique 1 sont soumis à un champ magnétique nul, ou à une diminution de champ magnétique et sont dans une phase de refroidissement.
Dans le cas de matériaux magnétocaloriques à effet inverse, leur soumission à un champ magnétique ou à un champ magnétique croissant entraînerait leur refroidissement et le retrait de ce champ ou leur soumission à un champ magnétique faible ou décroissant entraînerait leur échauffement. Le procédé selon l'invention resterait donc inchangé, seules les phases du cycle seraient inversées par rapport à la variation du champ magnétique.
Les figures 2B, 7A et 7B représentent le module thermique 1 dans lequel les premier et troisième éléments magnétocaloriques 21 et 23 sont dans une phase de refroidissement, car ils ne sont plus soumis au champ magnétique et les deux autres éléments magnétocaloriques 22 et 24 sont soumis à un champ magnétique généré par l'arrangement magnétique 5 et en phase d'échauffement. La circulation du fluide caloporteur est commandée par les pistons 61, 62, 63 ; 71, 72, 73.
Les figures 2A, 5A et 5B représentent la première phase magnétique dans laquelle les pistons 61, 71 et 63, 73 situés respectivement entre le premier élément magnétocalorique 21 activé (soumis à un champ magnétique ou à un champ magnétique croissant) et le deuxième élément magnétocalorique 22 désactivé (non soumis à un champ magnétique ou soumis à un champ magnétique décroissant) et entre le troisième élément magnétocalorique 23 activé et le quatrième élément magnétocalorique 24 désactivé sont déplacés vers le bas, en mode aspiration, de sorte que leur chambre ou compartiment 81, 91 et 83, 93 aspire le fluide caloporteur, et les deux autres pistons 62 et 72 sont déplacés vers le haut, en mode refoulement, de sorte que leur chambre ou compartiment 82, 92 expulse le fluide caloporteur qu'elle contient.
Les figures 2B, 7A et 7B représentent la deuxième phase magnétique dans laquelle les pistons 61, 71 et 63, 73 situés respectivement entre le premier élément magnétocalorique 21 à présent désactivé et le deuxième élément magnétocalorique 22 activé et entre le troisième élément magnétocalorique 23 désactivé et le quatrième élément magnétocalorique 24 activé sont déplacés vers le haut, en mode refoulement, de sorte que leur chambre ou compartiment 81, 91 et 83, 93 expulse le fluide caloporteur qu'elle contient, et les deux autres pistons 62 et 72 sont déplacés vers le bas, en mode aspiration, de sorte que leur chambre ou compartiment 82, 92 aspire du fluide caloporteur.
La figure 2C représente la troisième phase magnétique qui correspond à la première phase magnétique illustrée à la figure 2A.30 En référence aux figures 2A, 2B, 2C, 5A, 5B, 7A et 7B, on constate que le fluide caloporteur qui est mis à circuler à travers le premier élément magnétocalorique 21 subissant un échauffement et dirigé vers la chambre 91 dans la première phase magnétique de la figure 2A est, au cours de la deuxième phase magnétique de la figure 2B, mis à circuler à travers le deuxième élément magnétocalorique 22 subissant également un échauffement et dirigé vers la chambre 92, puis est mis à circuler à travers le troisième élément magnétocalorique 23 subissant un échauffement et dirigé en direction de la chambre 93 lors de la troisième phase magnétique de la figure 2C. De manière similaire, le fluide caloporteur est mis à circuler à travers le quatrième élément magnétocalorique 24 subissant un refroidissement et dirigé vers la chambre 83 dans la première phase magnétique de la figure 2A est, au cours de la deuxième phase magnétique de la figure 2B, mis à circuler à travers le troisième élément magnétocalorique 23 subissant également un refroidissement et dirigé vers la chambre 82, puis, lors de la troisième phase magnétique de la figure 2C, est mis à circuler à travers le deuxième élément magnétocalorique 22 subissant un refroidissement et dirigé vers la chambre 81.
Ainsi, le fluide caloporteur circulant de l'extrémité froide 3 vers l'extrémité chaude 4, de gauche à droite sur les figures, s'échauffe au fur et à mesure qu'il s'approche de ladite extrémité chaude 4 car il est successivement échauffé par chaque élément magnétocalorique 21 à 24 en profitant de l'échauffement de chacun de ces derniers lorsqu'il les traverse. Simultanément, le fluide caloporteur circulant de l'extrémité chaude 4 vers l'extrémité froide 3, de droite à gauche sur les figures, se refroidit au fur et à mesure qu'il s'approche de ladite extrémité froide 3 car il est successivement refroidit par chaque élément magnétocalorique 24 à 21 en profitant du refroidissement de ces derniers lorsqu'il les traverse. En outre, les circuits fluidiques froid 8 et chaud 9 sont dissociés, de sorte que le volume de fluide caloporteur circulant à travers les éléments magnétocaloriques lorsqu'ils s'échauffent ne se mélange jamais avec le volume de fluide caloporteur circulant à travers les mêmes éléments magnétocaloriques 21 à 24 lorsqu'ils se refroidissent. Une telle configuration avec notamment les éléments magnétocaloriques 21 à 24 disposés selon leur température de Curie croissante, et un tel procédé permettent d'augmenter le gradient de température entre les extrémités chaude et froide du module thermique 1, et de l'atteindre rapidement. En d'autres termes, l'invention permet d'obtenir rapidement un important gradient de température et donc une forte puissance thermique utile susceptible d'être extraite d'un tel module thermique 1.
Le procédé selon l'invention permet de créer un gradient de température entre les extrémités chaude 4 et froide 3 d'un module thermique 1 et de maintenir ce gradient lorsqu'il y a extraction ou échange d'énergie thermique avec une application ou un circuit extérieur. Le générateur thermique selon l'invention est en effet destiné à échanger de l'énergie thermique avec un ou plusieurs circuits extérieurs d'utilisation (chauffage, climatisation, tempérage, etc.) en y étant relié au niveau d'au moins une des extrémités froide 3 ou chaude 4 de chaque module thermique 1, éventuellement par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Une chambre chaude ou froide peut également être mise en relation ou reliée fluidiquement avec l'extrémité chaude 4 ou froide 3 du module thermique 1.
En outre, l'entraînement du fluide caloporteur de manière sectionnée, c'est-à-dire par l'intermédiaire de moyens de mise en circulation entre deux éléments magnétocaloriques adjacents, présente de nombreux avantages par rapport aux générateurs connus dans lesquels le fluide circule simultanément à travers tous les éléments magnétocaloriques MC dans une première direction, du premier élément magnétocalorique au dernier élément magnétocalorique, puis à travers les mêmes éléments magnétocaloriques MC, mais dans la direction inverse de la première (cf. figures 1A et 1B).
Un premier avantage réside dans le fait que les pertes de charge sont réparties et réduites, le fluide caloporteur entraîné par un piston 61, 62, 63 ; 71, 72, 73 ne traversant qu'un élément magnétocalorique 2 à chaque phase magnétique et non tous 14 les éléments magnétocaloriques 2 constituant un module thermique 1.
A cet effet, en référence aux figures 2A à 2C les flèches illustrent le sens de déplacement du fluide caloporteur, les flèches en pointillés correspondant à un déplacement vers l'extrémité chaude 4 et les flèches en trait plein illustrant un déplacement vers l'extrémité froide 3.
Un second avantage apparaît lorsque l'on compare le système connu de l'art antérieur représenté dans les figures lA et lB avec celui selon l'invention dans lequel on est en présence d'une même longueur de matériau magnétocalorique. On constate que pour une même vitesse du fluide caloporteur traversant les éléments magnétocaloriques MC, la fréquence des cycles est multipliée par quatre dans le générateur selon de l'invention comportant un module thermique 1. Il en résulte que la puissance thermique d'un tel générateur thermique est également augmentée dans la même proportion.
A titre d'exemple illustratif, pour une vitesse de fluide caloporteur de 100 mm/s et une longueur de 100 millimètres par élément magnétocalorique : - pour traverser tous les éléments magnétocaloriques MC du système connu de l'art antérieur représenté dans les figures lA et lB, le temps nécessaire est de (4X100) =100 = 4 secondes, ce qui équivaut à une fréquence de 0,25 hertz, - alors que pour traverser tous les éléments magnétocaloriques 21 à 24 du générateur thermique 1 selon l'invention, le temps nécessaire est de (1x100) =100 = 1 seconde, ce qui équivaut à une fréquence de 1 hertz, soit quatre fois plus rapide.
Également, et toujours en comparant le module thermique 1 selon l'invention avec le système connu de l'art antérieur, on constate que pour une même fréquence de cycles (démagnétisation et magnétisation), la vitesse de déplacement du fluide caloporteur est divisée par quatre dans le générateur thermique selon l'invention. Cela a pour effet que dans l'invention, les pertes de charges sont réduites, ce qui équivaut à une diminution de l'énergie nécessaire pour déplacer le fluide caloporteur et à une augmentation du temps d'échange et donc de la puissance thermique échangée.
A titre d'exemple illustratif, pour une fréquence de 0,5 hertz correspondant à une phase d'échauffement (ou magnétisation) d'une seconde et à une phase de refroidissement (ou démagnétisation) d'une seconde et une longueur de 100 millimètres par élément magnétocalorique : - pour traverser tous les éléments magnétocaloriques MC du système connu de l'art antérieur représenté dans les figures lA et lB pendant une seconde, il est nécessaire que la vitesse du fluide caloporteur soit de (480,100) ±1 = 0,4 mis, - alors que pour traverser tous les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 du module thermique 1 selon l'invention, la vitesse du fluide caloporteur entraîné au niveau de chaque chambre commune est de (180,100) ±1 = 0,1 mis. Les figures annexées ne représentent pas les moyens de manoeuvre des pistons 81, 82, 83 ; 71, 72, 73. Ces moyens de manoeuvre peuvent être réalisés par une came de commande correspondante montée sur un arbre en rotation sur lui-même, par exemple, ou tout moyen équivalent. 20 Dans une telle configuration, il est également possible de disposer plusieurs modules thermiques 1 en étoile, par exemple décalés les uns des autres selon un angle de 90° et de réaliser une came de commande comportant des lobes correspondants également décalés les uns des autres d'un angle de 90°, lesdits modules thermiques étant alors 25 disposés radialement autour d'un arbre de telle manière que chaque lobe actionne un piston de chacun desdits modules thermiques 1.
Dans une seconde forme de réalisation non représentée, la manoeuvre des pistons 81, 82, 83 ; 71, 72, 73 peut être réalisée par un chariot de manoeuvre se déplaçant selon 30 un mouvement de translation de va-et-vient le long dudit module thermique 1 et15 comportant une rainure de guidage dans laquelle sont guidés des éléments de liaison correspondants de chaque piston. La rainure de guidage peut avoir une forme en dents de scie et les pistons peuvent être disposés sensiblement au droit du chariot de manoeuvre.
De manière avantageuse, le procédé consiste à faire circuler le fluide caloporteur à travers l'ensemble des éléments magnétocaloriques 21 à 24 afin d'établir rapidement un gradient de température important entre les deux extrémités froide 3 et chaude 4 de l'élément magnétocalorique 1. Dans ce procédé, une première partie du fluide caloporteur circule en direction de l'extrémité froide 3 et ne traverse les éléments magnétocaloriques 24 à 21 que lorsqu'ils sont dans une phase de refroidissement et une seconde partie du fluide caloporteur circule de manière simultanée en direction de l'extrémité chaude 4 et ne traverse les éléments magnétocaloriques 21 à 24 que lorsqu'ils sont dans une phase d'échauffement. De ce fait, le fluide circulant dans le circuit froid 8 se refroidit au fur et à mesure qu'il se rapproche de l'extrémité froide 3 et traverse des éléments magnétocaloriques 24 à 21 rangés selon leur température de Curie décroissante et échange thermiquement avec eux tandis que le fluide circulant dans le circuit chaud 9 s'échauffe au fur et à mesure qu'il se rapproche de l'extrémité chaude 4 et traverse des éléments magnétocaloriques 21 à 24 rangés selon leur température de Curie croissante et échange thermiquement avec eux.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ces formes de réalisation décrites et tout type de dispositif permettant la manoeuvre des pistons 81, 82, 83 ; 71, 72, 73 peut convenir. Un générateur selon l'invention peut comporter un ou plusieurs modules thermiques 1. Le nombre et la disposition spatiale de ces modules thermiques dépendra de l'encombrement disponible et la de puissance thermique nécessaire. 30 Possibilités d'application industrielle :
Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir proposer un générateur thermique comportant un ou plusieurs modules thermiques 1, de construction simple et d'efficacité améliorée.
Un tel générateur thermique peut trouver une application aussi bien industrielle que domestique dans le domaine du chauffage, de la climatisation, du tempérage, refroidissement ou autres, ce, à des coûts compétitifs et dans un faible encombrement.
En outre, toutes les pièces composant ce générateur thermique peuvent être réalisées selon des processus industriels reproductibles.
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. 17
Claims (9)
- Revendications1. Procédé de génération d'un flux thermique à partir d'au moins un module thermique (1) comportant au moins deux éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) associés et reliés fluidiquement deux-à-deux, traversés de part en part par un fluide caloporteur et soumis à un champ magnétique variable créant alternativement, dans chaque élément magnétocalorique (21, 22, 23, 24) une phase magnétique différente correspondant à une phase d'échauffement et à une phase de refroidissement successives, le fluide caloporteur circulant simultanément à travers lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) de manière synchronisée avec la variation du champ magnétique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, - à soumettre lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) un sur deux à une variation opposée du champ magnétique de manière à créer simultanément dans chacun des phases magnétiques opposées, - à faire circuler le fluide caloporteur dans lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) deux-à-deux simultanément et dans deux sens opposés et de telle sorte que, d'une part, le volume de fluide sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques (21, 23 ; 22) à l'issue d'une phase magnétique d'échauffement est mis à circuler, au cours de la phase magnétique suivante, dans l'élément magnétocalorique (22, 24 ; 23) suivant subissant alors une phase magnétique d'échauffement et que, d'autre part, le volume de fluide sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques (22, 24 ; 23) à l'issue d'une phase magnétique de refroidissement est mis à circuler, au cours de la phase magnétique suivante, dans l'élément magnétocalorique (21, 23 ; 22) suivant subissant une phase magnétique de refroidissement, et inversement, et, - entre deux phases magnétiques opposées, à stocker le fluide caloporteur sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) dans une zone de réception intermédiaire (81, 82, 83, 91, 92, 93). 18
- 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler lefluide caloporteur de manière simultanée en direction d'une première extrémité dudit module thermique, dite extrémité froide (3) à travers chaque élément magnétocalorique (21, 22, 23, 24) subissant une phase de refroidissement, et en direction de la seconde extrémité dudit module thermique, dite extrémité chaude (4) à travers chaque élément magnétocalorique (21, 22, 23, 24) subissant une phase d'échauffement.
- 3. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à relier fluidiquement les éléments magnétocaloriques deux à deux par l'intermédiaire de deux circuits distincts (8, 9), respectivement un circuit de fluide se refroidissant dit circuit froid (8) et un circuit de fluide s'échauffant dit circuit chaud (9), lesdits deux circuits (8, 9) comportant chacun un compartiment (81, 82, 83 ; 91, 92, 93) formant une zone de réception intermédiaire, étant disposé entre deux éléments magnétocaloriques adjacents, et agencé pour recevoir le fluide caloporteur sortant d'un élément magnétocalorique (21, 22, 23, 24) avant sa réinjection dans l'élément magnétocalorique (22 ; 21, 23 ; 22, 24 ; 23) suivant.
- 4. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer dans ledit module thermique (1) des éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) comportant chacun une température de Curie différente, selon leur température de Curie croissante en direction de l'extrémité chaude (4) dudit module thermique (1).
- 5. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) à partir de plusieurs matériaux magnétocaloriques agencés selon une température de Curie croissante en direction de l'extrémité chaude (4) dudit module thermique (1).
- 6. Générateur thermique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un module thermique (1)comprenant au moins deux éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) associés reliés entre eux fluidiquement et agencés pour être traversés de part en part par un fluide caloporteur, un arrangement magnétique (5) destiné à soumettre chaque élément magnétocalorique (21, 22, 23, 24) à un champ magnétique variable, créant alternativement, dans chaque élément magnétocalorique (21, 22, 23, 24) deux phases magnétiques successives correspondant à une phase d'échauffement et à une phase de refroidissement, la circulation du fluide caloporteur à travers lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) étant réalisée par des moyens de mise en circulation (61, 62, 63 ; 71, 72, 73) synchronisés avec la variation du champ magnétique, générateur thermique caractérisé en ce que lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) sont reliés fluidiquement entre eux deux-à-deux par au moins deux compartiments (81, 82, 83 ; 91, 92, 93) aptes à réceptionner, au cours d'une phase magnétique, un volume défini de fluide caloporteur sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) et à le renvoyer vers l'élément magnétocalorique (22 ; 21, 23 ; 22, 24 ; 23) suivant au cours de la phase magnétique suivante.
- 7. Générateur thermique, selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en circulation (61, 62, 63 ; 71, 72, 73) comportent un piston dans chaque compartiment (81, 82, 83 ; 91, 92, 93) agencé pour aspirer et refouler ledit volume défini de fluide caloporteur.
- 8. Générateur thermique, selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdits éléments magnétocaloriques (21, 22, 23, 24) sont reliés entre eux fluidiquement par l'intermédiaire de deux circuits (8,
- 9) distincts et parallèles, respectivement un circuit de fluide se refroidissant dit circuit froid (8) et un circuit de fluide s'échauffant dit circuit chaud (9), ces circuits étant pourvus de moyens de contrôle du sens de circulation du fluide caloporteur de sorte que la circulation du fluide caloporteur dans lesdits circuits (8, 9) est réalisée en sens opposés.30
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