WO2004059221A1 - Procede et dispositif pour generer en continu du froid et de la chaleur par effet magneto-calorique - Google Patents

Procede et dispositif pour generer en continu du froid et de la chaleur par effet magneto-calorique Download PDF

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WO2004059221A1
WO2004059221A1 PCT/CH2003/000839 CH0300839W WO2004059221A1 WO 2004059221 A1 WO2004059221 A1 WO 2004059221A1 CH 0300839 W CH0300839 W CH 0300839W WO 2004059221 A1 WO2004059221 A1 WO 2004059221A1
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WO
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circuit
compartment
heat
rotary element
cold
Prior art date
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PCT/CH2003/000839
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English (en)
Inventor
Andrej Kitanovski
Peter Wiliams Egolf
Osmann Sari
Original Assignee
Ecole D'ingenieurs Du Canton De Vaud
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • the present invention relates to a process for continuously generating cold and heat by magneto-calorific effect through at least one heat exchanger.
  • It also relates to a device for continuously generating cold and heat by magneto-caloric effect comprising at least one heat exchanger.
  • US Pat. No. 4,674,288 describes a device for liquefying helium comprising a magnetizable substance movable in a magnetic field generated by a coil and a reservoir containing helium and in thermal conduction with said coil. The translational movement of the magnetizable substance generates cold which is transmitted to helium via conductive elements.
  • the subject of FR-A-2,525,748 is a magnetic refrigeration device comprising a magnetizable material, a system for generating a variable magnetic field and means for transferring heat and cold with a chamber filled with a saturated liquid refrigerant.
  • the magnetizable material generates cold in a position in which the cold transfer means extract the cold from the magnetizable material by condensation of a coolant, and the magnetizable material generates heat in another position in which the transfer means heat extract heat from the magnetizable material by boiling another coolant.
  • the publication FR-A- 2,586,793 describes a device comprising a substance intended to produce heat when it magnetizes and to produce cold when it demagnetizes, a means for generating a variable magnetic field, said means magnetic field generator comprising a superconductive coil and a reservoir containing an element to be cooled.
  • US Patent 3,108,444 describes a magneto-calorific refrigerator apparatus comprising a wheel composed of superconductive elements passing alternately in a hot circuit, in a cold circuit and in a space subjected to a magnetic field.
  • the purpose of this device is to generate extremely low temperatures, of the order of 4 ° Kelvin.
  • This type of equipment is not suitable for a domestic installation and does not operate at ambient temperatures or close to 0 ° Celsius.
  • US Patent 5,091,361 relates to a heat pump using a reverse magneto-caloric effect.
  • the heat pump comprises a paramagnetic or ferromagnetic material alternately exposed to a very high magnetic field.
  • Such a system cannot be used for a domestic application, for example in a conventional refrigeration installation working at temperatures close to 0 ° Celsius.
  • the present invention proposes to overcome the drawbacks of known -systems by providing a cooling method and device which do not use polluting refrigerants and which therefore do not have the drawbacks of previous systems.
  • a first heat transfer fluid is circulated in a first circuit, called the hot circuit, connected to a first compartment of an enclosure containing a rotary element and a second heat transfer fluid in a second circuit, called the cold circuit, connected to a second compartment of said enclosure, said compartments being juxtaposed and separated by a partition, said enclosure being associated with magnetic means for generating a magnetic field in said first compartment, at least in the zone corresponding to said rotary element and said rotary element comprising ' at least one magneto-calorific material arranged to undergo a rise in temperature when it passes through said first compartment subjected to the magnetic field and cooling when passes into said second compartment not subjected to the magnetic field, in that the heat is extracted from said first circuit by means of a first heat exchanger disposed in said circuit and connected to a heat utilization circuit, and in that cold is extracted from said second circuit by means of a second heat exchanger disposed in said circuit and connected to a circuit for
  • the first and second heat transfer fluid are circulated in the same direction or in the opposite direction in the compartments of the enclosure.
  • Said first and second heat transfer fluids can be in the liquid state or in the gaseous state.
  • These fluids can be in the form of suspensions, sludges commonly called “slurry”, nanofluids, colloids for example, or the like.
  • the position of the magnetic means is reversed with respect to the compartments of the enclosure in order to generate cold and heat indifferently in one of said compartments.
  • the device according to the invention as defined in the preamble and characterized in that it comprises: an enclosure divided into a first and a second compartment juxtaposed and separated by a partition, said enclosure containing an element rotary, mounted transversely to the compartments, rotating about an axis disposed in the plane of said partition, so that it is located simultaneously and partially in said first and second compartments, - a first circuit, called hot circuit, connected to said first compartment of said enclosure and comprising a first heat exchanger, in which a first heat transfer fluid circulates, said first exchanger being connected to a heat utilization circuit, a second circuit, said cold circuit, connected to said second compartment of said enclosure and comprising a second heat exchanger, in which a second heat transfer fluid circulates, said second heat exchanger hanger being connected to a circuit for using the cold, and magnetic means for generating a magnetic field in said first compartment, at least in the zone corresponding to said rotary element, said rotary element comprising at least one magneto-calorific material arranged to undergo
  • said magnetic means can comprise permanent magnets or electromagnets or any other means to create a magnetic field. They can also be arranged to generate a constant or variable magnetic field.
  • the device may include complementary magnetic means arranged to create a magnetic insulating field isolating the second compartment from the magnetic field generated by said magnetic means.
  • said magnetic means are mobile, so that they can be arranged either in a first position in which they generate a magnetic field in one of said compartments, or in a second position in which they generate a magnetic field in other of said compartments.
  • said magnetic means comprise first electromagnets arranged to create a magnetic field in said first compartment, second electromagnets arranged to create a magnetic field in said second compartment and control means arranged to activate respectively the first or the second electromagnets.
  • the first and second heat exchangers are chosen from the group consisting of heat exchangers of the liquid - liquid, liquid - gas and gas - gas type.
  • the first circuit comprises a first pump and the second circuit comprises a second pump, these pumps being arranged to circulate the first and second heat transfer fluids respectively in each of the compartments.
  • the rotary element comprises a set of through passages, these passages being arranged to allow the circulation of the first and second heat transfer fluids in said rotary element.
  • said rotary element may comprise a set of stacked discs, made of different magneto-caloric materials, each disc comprising a set of passages communicating with the passages of the adjacent disc or discs.
  • said rotary element may comprise a set of nested hollow cylindrical elements, made of different magneto-caloric materials, each cylindrical element comprising a set of through passages.
  • said rotary element comprises a set of nested angular sectors, made of different magneto-caloric materials, these angular sectors being isolated from one another by thermally insulating elements, and each angular sector comprising a set of through passages.
  • Said rotary element can also consist of a single cylindrical element made of a magneto-caloric material, said cylindrical element comprising a set of passages opening on its two faces.
  • said rotary element comprises partitioned angular sectors containing grains of substantially spherical shape made up of at least one magneto-caloric material, the through passages being defined by interstices formed between the grains.
  • the through passages can be defined by a honeycomb structure or by hollow tubes arranged along the axis of the rotary element.
  • said through passages are formed by a porous structure whose porosity is connected and open.
  • FIG. 1 represents a schematic view of an advantageous embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2A represents a view in longitudinal section of a part of the device of FIG. 1,
  • FIGS. 2B and 2C respectively illustrate views in cross section of a part of the device of FIG. 1,
  • FIGS. 3A and 3B respectively illustrate alternative embodiments of the device according to the invention
  • FIGS. 4 to 10 show, in axial section, several embodiments of the rotary element of the device according to the invention
  • FIG. 11 is a view in longitudinal section schematically showing another embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 12 is a schematic view illustrating an installation comprising several devices according to the invention mounted in cascade.
  • the device 10 comprises an enclosure 11, comprising a first compartment 12 and a second compartment 13 juxtaposed and separated by a partition 14.
  • a rotary element 15 constituted by a wheel rotating around an axis 9 disposed substantially in the plane of said partition 14.
  • a first circuit 17a, said circuit hot, is connected to the first compartment 12 of the enclosure and comprises a first heat exchanger 18, in which a first heat transfer fluid circulates, said first exchanger 18 being for example connected to a heat utilization circuit 19 or simply intended to dissipate the heat.
  • a second circuit 17b is connected to the second compartment 13 of the enclosure and includes a second heat exchanger 21, in which a second heat transfer fluid circulates, said second exchanger 21 being for example connected to a use circuit 22 or combined with a refrigerated enclosure.
  • the device 10 is equipped with magnetic means 16 for generating a magnetic field in the first compartment 12, at least in the zone corresponding to the rotary element 15.
  • a first pump 23 is mounted in the first circuit 17a and circulates the first fluid coolant in said first circuit and a second pump 24, mounted in the second circuit 17b, circulates the second coolant in said second circuit.
  • the rotary element 15 which, in this embodiment, consists of a single cylindrical element, is mounted transversely with respect to the two compartments 12 and 13 so that it is located simultaneously and partially in said first compartment 12 and in said second compartment 13.
  • This rotary element 15 consists at least partially of at least one magneto-caloric material and has through passages 25 opening on its two faces and allowing the two parts of each compartment 12 and 13 located on the side and on the other side of the rotary element 15 to communicate with each other.
  • the rotary element 15 is rotated by a suitable drive motor. Its speed of rotation is low compared to the speed of circulation of the heat transfer fluids in the two circuits and in the through passages 25.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C illustrate in more detail the positioning of the magnetic means 16.
  • the enclosure 11 is provided with a wall 11a and comprises a central partition 14 serving to delimit the two compartments 12 and 13 made of a thermally insulating material , disposed in the median plane of the enclosure 11.
  • This partition 14 is discontinuous and disposed in the plane of the axis of rotation 9 of the rotary element 15.
  • Each end of the two compartments 12 and 13 is open to be connected to a pipe in the corresponding heat transfer fluid circuit.
  • the magnetic means 16 which may consist of either permanent magnets or electromagnets, are arranged on either side of the part of the rotary element 15 which is located in the first compartment 12. For this purpose, these magnetic means 16 are preferably arranged below and against the median plane passing through the partition 14.
  • the rotary element 15 is mounted coaxially in the enclosure 11 on the axis 9 passing through the median plane separating the two compartments 12 and 13.
  • This axis 9 is arranged so as to allow the rotation of the rotary element 15 by means a drive motor (not shown).
  • the diameter of the rotary element 15 and the inside diameter of the enclosure 11 are defined so that these two members leave only a small space between them. This makes it possible to limit the flow of the heat transfer fluid which could pass through this space during the operation of the device 10.
  • the rotary element may include, on its periphery, a sealing element such as a seal. Seals can also be placed on the inner edges of the partition 14 to make the two compartments 12 and 13 waterproof.
  • the through passages 25 of the rotary element 15 open at their two ends on each of the faces of the element 15 so that these passages communicate with each of the two parts of each compartment 12, 13 located on either side of said rotary element 15.
  • These passages 25 can be defined by a honeycomb structure of the honeycomb type or formed by hollow tubes parallel to the axis 9 of the rotary element 15. They can also be defined by a porous structure of the material of the rotary element 15.
  • FIGS. 2B and 2C represent two different constructions of the device 10.
  • the magnetic means 16 are either integrated into the wall 11a, as shown in FIG. 2B, or arranged outside this wall, as shown in FIG. 2C.
  • the operation of the device 10 is based on the method in which the rotary element 15 is rotated by means of a drive motor (not shown), the part of said rotary element 15 located in the magnetic field generated by the means magnetic 16 loses its entropy by undergoing a rise in temperature.
  • the first heat transfer fluid of the circuit 17a set in motion by the first pump 19 and flowing in the opposite direction of the second heat transfer fluid of the second circuit 17b enters the first compartment 12 at a given temperature T c1 and passes through, via the through passages 25, the part of the rotary element 15 subjected to the rise in temperature.
  • the first heat transfer fluid undergoes in this part of the rotary element 15 a rise in temperature by heat transfer.
  • said heat transfer fluid At the outlet of the first compartment 12, said heat transfer fluid then has a temperature T c2. Greater than T c. .
  • the heat transfer fluid of the heat utilization circuit 19 enters the first heat exchanger 18 at a temperature T cs ⁇ and in turn undergoes a temperature rise by heat exchange with the first heat transfer fluid having passed through the enclosure 11 and heated by its passage through compartment 12.
  • the fluid of the heat utilization circuit 19 emerges from said first heat exchanger 18 at a temperature T cs2 higher than T cs ⁇ .
  • the heat stored by this heat transfer fluid can be used for any application. It can also be simply discharged into the ambient atmosphere.
  • a second part of the rotary element 15 situated outside said magnetic field demagnetizes as it cools.
  • this second part is in turn exposed to the magnetic field and loses its entropy by undergoing a rise in temperature.
  • the part previously subjected to a rise in temperature leaves the magnetic field generated by the magnetic means 16, and demagnetizes while cooling down to a given temperature.
  • This second heat transfer fluid undergoes cooling in this part of the rotary element 15 and leaves the compartment 13 at a temperature T f2 ' lower than T f i.
  • the fluid of the cold use circuit 22 enters the second heat exchanger 21 at a temperature T fs1 and in turn undergoes cooling by heat exchange with the second heat transfer fluid having passed through the enclosure 11 and cooled by its passage through compartment 13.
  • This fluid leaves said second heat exchanger 21 at a temperature T fs2 lower than T fS. to be used.
  • the cold stored by this fluid can be used in any cold application, in particular for cooling a refrigeration cabinet, an air conditioning circuit or the like.
  • the rotation of the rotary element 15 alternately renews this operating cycle by generating heat in the first heat exchanger 18 and cold in the second heat exchanger 21.
  • the rotary element 15 is driven at a speed of rotation defined as a function of the application as well as the amplitude of the magnetic field and the flow of the heat transfer fluid passing through said rotary element 15.
  • the first heat transfer fluid flowing in the first circuit 17a and the second heat transfer fluid flowing in the second circuit 17b may be different or identical. They can also be either in the gaseous state or in the liquid state or be in different states depending on the applications. In addition, the fluids circulating in the circuits for using heat 19 and cold 22 may be either in the gaseous state or in the liquid state, depending on the applications. Therefore, the heat exchangers 18 and 21 of this device 10 can be of any known type depending on the state of the heat transfer fluid. They can be of the liquid - liquid, liquid - gas or gas - gas type. Instead of each of the exchangers 18 and 21, one can have any device generating respectively heat or cold, such as for example a radiator, a heat pump, a refrigerator, an air conditioning device.
  • FIGS. 3A and 3B schematically represent a variant of the. device of FIG. 1.
  • This device differs from the device 10 of FIG. 1 in that it comprises mobile magnetic means 16 which, when they are placed in a first position Pi , that is to say integral with the compartment 13 (fig. 3A) or in a second position P 2, that is to say integral with the compartment 12 (fig. 3B), make it possible to invert the circuits generating cold and heat as required.
  • the two positions Pi and P 2 are symmetrical to each other with respect to the plane of the partition 14.
  • the magnetic means 16 are provided with fixing elements 26, such as a U-axis, whose 180 ° pivoting or translation, by control means known per se, allows to pass from one position to another.
  • a circuit generating cold when the magnetic means 16 are in the position Pi generates heat when these magnetic means 16 are placed in the position P 2 and a circuit generating heat when the magnetic means 16 are in the position Pi, generates cold when these magnetic means 16 are placed in the position P 2 .
  • the part of the rotary element 15 subjected to a temperature rise by magnetic effect is located in the second compartment 13.
  • the first heat transfer fluid circulating in the second circuit 17b heats up .
  • the heat exchanger 21 then functions as a heat source and delivers heat to any fluid passing through it.
  • the part of the rotary element 15 which demagnetizes as it cools is located in the first compartment 12.
  • the first heat transfer fluid circulating in the first circuit 17a cools.
  • the heat exchanger 18 then functions as a source generating cold and can deliver cold at its outlet.
  • the part of the rotary element 15 which demagnetizes as it cools is located in the second compartment 13.
  • the second heat transfer fluid circulating in the second circuit 17b cools down.
  • the heat exchanger 21 then functions as a source generating cold and delivers cold to any fluid passing through it.
  • the part of the rotary element 15 subjected to a temperature rise by magnetic effect is located in the first compartment 12.
  • the first heat transfer fluid circulating in the first circuit 17a heats up.
  • the heat exchanger 18 then functions as a heat source and can deliver heat at its outlet.
  • the same magnetic means 16 fixed to generate a magnetic field in the first compartment 12 can also be fixed in duplicate in a symmetrical position relative to the plane separating the two compartments 12 and 13 to generate a field magnetic in the second compartment 13.
  • These magnetic means 16 can be activated separately by the same control which generates a magnetic field in one or other of the compartments 12 or 13 depending on the position of this control. It is also possible to provide magnetic means generating a variable magnetic field to vary the temperatures of the heat transfer fluids passing through it.
  • FIGS. 4 to 10 schematically illustrate alternative embodiments of the rotary element 15 of the device according to the invention.
  • the rotary member 15 consists of several discs 30 mounted coaxially. These discs have the same diameter and can be of the same thickness or of different thicknesses. They are either glued by their faces, or assembled by any suitable means. Each disc has a set of through passages 25 which communicate with the passages of the adjacent disc (s) to open out on each face of the rotary element 15 thus formed. Each disc is made of a different magneto-calorific material. The number of disks depends on the number of magneto-caloric materials which must constitute the rotary element 15. These materials are defined as a function of the application of the device 10 for generating cold and heat. For a given application, the magneto-caloric materials are chosen according to their Curie temperatures.
  • the magneto-caloric materials whose Curie temperature is between 0 ° C and -5 ° C are for example suitable for air conditioning applications, those whose Curie temperature is between 40 ° C and 70 ° C, and preferably magneto-caloric materials whose Curie temperature is around 60 ° C, are suitable for heating applications and magneto-caloric materials whose Curie temperature is between -10 ° C and 70 ° C are suitable for energy storage.
  • the rotary member 15 consists of several hollow cylindrical elements 40, each made of a different magneto-calorific material, mounted concentrically.
  • cylindrical elements have the same height and their internal and external diameters are defined so that each element fits into the adjacent element.
  • the outside diameter of the largest hollow cylindrical member 40 constitutes the diameter of the resulting rotary member and the hole inside the smallest hollow cylindrical member corresponds to the bore through which passes the axis 9 on which the rotary element 15.
  • the through passages 25 are formed in the thickness of each cylinder.
  • the rotary element 15, illustrated in FIG. 6, consists of several angular sectors 50 each made of a different magneto-calorific material. These elements, with equal angles at the top, have the same radius and the same height corresponding to the radius and to the height of the rotary element 15.
  • Each sector 50 has through passages 25 which can be obtained for example by a structure of the fine grid type.
  • Thermally insulating elements 26 can be mounted between the different sectors to better isolate the part of the rotary element 15 undergoing cooling from its part undergoing a rise in temperature. This is intended to increase the efficiency of the device of the invention by preventing respectively the loss of cold and heat generated.
  • the rotary member 15 consists of cavities 60 filled with grains 27 made of a magneto-caloric material. These cavities can be in the form of angular sectors separated by thermally insulating elements 26.
  • the through passages 25 are defined by the interstices defined between the grains 27. These interstices communicate with one another to open out on the two faces of the rotary element 15 These two faces are covered by a thin wall (not shown) having meshes of dimensions smaller than those of the grains 27 of smaller size. This wall is not necessary if the grains 27 are assembled by a binder.
  • the grains 27 can have any shape and any size. Their average dimension is preferably between 0.4 mm and 0.9 mm. They can be of the same size and the same shape or of different shapes and sizes.
  • Each cavity can contain grains of the same magneto-caloric material, the materials differing from one cavity to another or a mixture of grains of different magneto-caloric materials, the mixtures also varying from one cavity to another. It is quite obvious that the disks 30 and the hollow cylindrical elements 40, of the embodiments described above could also consist of cavities filled with grains 27.
  • the rotary element 15 is composed of a set of coaxial tubular elements 70 spaced apart and whose spaces are filled by a pleated structure 71 which defines a multitude of through passages 25
  • This structure can be made of a magneto-caloric material or can serve as a support for such materials.
  • FIG. 9 shows another embodiment in which the rotary element 15 comprises an inner annular element 15a and an outer annular element 15b coaxial.
  • the enclosure is defined by an inner channel 80a disposed between the two elements and by an outer channel 80b formed at the periphery of the element 15b.
  • the magnetic means are broken down into a pair of inner magnets 81a cooperating with the inner element 15a and a pair of outer magnets 81b cooperating with the outer element 15b. This arrangement improves the penetration of the magnetic field and its action on magneto-caloric materials, thus increasing the efficiency of the device.
  • FIG. 10 Another embodiment is represented by FIG. 10.
  • the magnetic means are broken down into angular segments respectively interior angular segments 90a and exterior angular segments 90b.
  • the magnetic field is not limited to a sector corresponding to a semicircle, but is located by angular sectors all around the rotary element.
  • FIG. 11 illustrates a variant in which the magnetic means are housed in the enclosure 11 and more specifically inside the first compartment 12. They consist of at least one pair of magnets 100 provided with passage orifices 101 heat transfer fluid.
  • FIG. 12 schematically represents a complex arrangement consisting of a set of devices according to the invention mounted in cascade.
  • this arrangement comprises four devices 110, 120, 130 and 140 respectively comprising the rotary elements 115, 125, 135 and 145 made of magneto-caloric materials.
  • the heat transfer fluid of the cold circuit 17b is brought to the cold inlet of the rotary element 115 and is then decomposed at the outlet of this element into two streams 17b ⁇ which is brought to the cold inlet of the second rotary element 125 and 17b 2 which is brought to the hot inlet of the second rotary element 125. It is the same in all the other rotary elements. However, reverse circulation can be produced when the temperatures reached are appropriate. It is represented by the arrows in dashed lines 125th, 135th and 145th.

Abstract

Le dispositif (10) pour générer en continu du froid et de la chaleur par effet magnéto-calorique, comporte une enceinte (11) divisée en deux compartiments (12, 13) juxtaposés et séparés par une cloison (14), l'enceinte (11) contenant un élément rotatif (15) en au moins un matériau magnéto-calorique, un premier circuit (17a), dans lequel circule un premier fluide caloporteur et un second circuit (17b) dans lequel circule un second fluide caloporteur. L'enceinte (11) est associée à des moyens magnétiques (16) pour générer un champ magnétique dans la zone du compartiment (12) où est situé l'élément rotatif (15). Lorsque celui-ci est mis en rotation, sa partie située dans le premier compartiment (12) se magnétise en subissant une élévation de température. En passant dans le second compartiment (13), cette partie se démagnétise en subissant un refroidissement. La chaleur et le froid ainsi générés sont transmis par les fluides caloporteurs respectivement aux circuits d'utilisation de chaleur (19) et de froid (22) en vue de leur récupération pour une utilisation ultérieure.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR GENERER EN CONTINU DU FROID ET DE LA CHALEUR PAR EFFET MAGNETO-CALORIQUE
Domaine technique La présente invention concerne un procédé pour générer en continu du froid et de la chaleur par effet magnéto-calorique à travers au moins un échangeur de chaleur.
Elle concerne également un dispositif pour générer en continu du froid et de la chaleur par effet magnéto-calorique comportant au moins un échangeur de chaleur.
Technique antérieure
Les dispositifs conventionnels de génération du froid comportent habituellement un compresseur pour comprimer un réfrigérant afin d'élever sa température et des moyens de détente pour décompresser ce réfrigérant afin de le refroidir adiabatiquement. Il se trouve que les réfrigérants couramment utilisés sont extrêmement polluants et leur utilisation comporte des risques de pollution atmosphérique importants. De ce fait, ces réfrigérants ne répondent plus aux exigences actuelles en matière d'environnement.
On connaît déjà des dispositifs utilisant l'effet magnétique pour générer du froid. En particulier le brevet US 4674 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 et 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-A-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-A- 2.586.793 décrit 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.
L'efficacité de tels systèmes est extrêmement faible et ne peut pas rivaliser avec les systèmes de réfrigération actuels.
Le brevet US 3,108,444 décrit un appareil réfrigérateur magnéto-calorique comportant une roue composée d'éléments supraconducteurs passant alternativement dans un circuit chaud, dans un circuit froid et dans un espace soumis à un champ magnétique. Le but de cet appareil est de générer des températures extrêmement basses, de l'ordre de 4° Kelvin. Ce type d'équipement n'est pas adapté à une installation domestique et ne fonctionne pas à des températures ambiantes ou voisines de 0° Celsius.
Le brevet US 5'091'361 a pour objet une pompe à chaleur utilisant un effet magnéto-calorique inverse. La pompe à chaleur comporte un matériau paramagnétique ou ferromagnétique exposé alternativement à un champ magnétique très élevé. Un tel système ne peut pas être utilisé pour une application domestique, par exemple dans une installation frigorifique classique travaillant à des températures voisines de 0° Celsius. Exposé de l'invention
La présente invention se propose de pallier les inconvénients des -systèmes connus en offrant un procédé et un dispositif de refroidissement qui n'utilisent pas de fluides réfrigérants polluants et qui ne présentent donc pas les inconvénients des systèmes antérieurs.
Ce but est atteint par le procédé selon l'invention tel que défini en préambule et caractérisé en ce que l'on fait circuler un premier fluide caloporteur dans un premier circuit, dit circuit chaud, connecté à un premier compartiment d'une enceinte contenant un élément rotatif et un second fluide caloporteur dans un second circuit, dit circuit froid, connecté à un second compartiment de ladite enceinte, lesdits compartiments étant juxtaposés et séparés par une cloison, ladite enceinte étant associée à des moyens magnétiques pour générer un champ magnétique dans ledit premier compartiment, au moins dans la zone correspondant audit élément rotatif et ledit élément rotatif comportant'au moins un matériau magnéto-calorique agencé pour subir une élévation de température lorsqu'il passe dans ledit premier compartiment soumis au champ magnétique et un refroidissement lorsqu'il passe dans ledit second compartiment non soumis au champ magnétique, en ce que l'on extrait de la chaleur dudit premier circuit au moyen d'un premier échangeur de chaleur disposé dans ledit circuit et connecté à un circuit d'utilisation de la chaleur, et en ce que l'on extrait du froid dudit second circuit au moyen d'un second échangeur de chaleur disposé dans ledit circuit et connecté à un circuit d'utilisation du froid.
De façon avantageuse, l'on fait circuler les premier et second fluide caloporteurs dans le même sens ou en sens inverse dans les compartiments de l'enceinte.
Lesdits premier et second fluides caloporteurs peuvent être à l'état liquide ou à l'état gazeux. Ces fluides peuvent être à l'état de suspensions, de boues appelées couramment "slurry", de nanofluides, de colloïdes par exemple, ou similaires.
Dans ce procédé, l'on inverse la position des moyens magnétiques par rapport aux compartiments de l'enceinte pour générer indifféremment du froid et de la chaleur dans l'un desdits compartiments.
Ce but est également atteint par le dispositif selon l'invention tel que- défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte divisée en un premier et un second compartiment juxtaposés et séparés par une cloison, ladite enceinte contenant un élément rotatif, monté transversalement par rapport aux compartiments, tournant autour d'un axe disposé dans le plan de ladite cloison, afin qu'il soit situé simultanément et partiellement dans lesdits premier et second compartiments, - un premier circuit, dit circuit chaud, connecté audit premier compartiment de ladite enceinte et comprenant un premier échangeur de chaleur, dans lequel circule un premier fluide caloporteur, ledit premier échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation de la chaleur, un second circuit, dit circuit froid, connecté audit second compartiment de ladite enceinte et comprenant un second échangeur de chaleur, dans lequel circule un second fluide caloporteur, ledit second échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation du froid, et des moyens magnétiques pour générer un champ magnétique dans ledit premier compartiment, au moins dans la zone correspondant audit élément rotatif, ledit élément rotatif comportant au moins un matériau magnéto-calorique agencé pour subir une élévation de température lorsqu'il passe dans le premier compartiment soumis au champ magnétique et un refroidissement lorsqu'il passe dans le second compartiment non soumis au champ magnétique.
Selon la forme de réalisation préférée, lesdits moyens magnétiques peuvent comporter des aimants permanents ou des électroaimants ou tout autre moyen permettant de créer un champ magnétique. Ils peuvent également être agencés pour générer un champ magnétique constant ou variable.
Le dispositif peut comporter des moyens magnétiques complémentaires agencés pour créer un champ magnétique d'isolation isolant le second compartiment du champ magnétique généré par lesdits moyens magnétiques.
De façon avantageuse, lesdits moyens magnétiques sont mobiles, de manière à pouvoir être disposés soit dans une première position dans laquelle ils génèrent un champ magnétique dans l'un desdits compartiments, soit dans une seconde position dans laquelle ils génèrent un champ magnétique dans l'autre desdits compartiments.
Dans un mode de réalisation, lesdits moyens magnétiques comportent des premiers électroaimants agencés pour créer un champ magnétique dans ledit premier compartiment, des seconds électroaimants agencés pour créer un champ magnétique dans ledit second compartiment et des moyens de commande agencés pour activer respectivement les premiers ou les seconds électroaimants.
De préférence, les premier et second échangeurs de chaleur sont choisis parmi le groupe constitué par les échangeurs de chaleur du type liquide - liquide, liquide - gaz et gaz - gaz.
Dans la forme de réalisation préférée, le premier circuit comporte une première pompe et le second circuit comporte une seconde pompe, ces pompes étant agencées pour faire circuler respectivement les premier et second fluides caloporteurs dans chacun des compartiments.
Dans toutes les variantes, l'élément rotatif comporte un ensemble de passages traversants, ces passages étant agencés pour permettre la circulation des premier et second fluides caloporteurs dans ledit élément rotatif. Selon une première forme de réalisation, ledit élément rotatif peut comporter un ensemble de disques empilés, réalisés en des matériaux magnéto-caloriques différents, chaque disque comportant un ensemble de passages communiquant avec les passages du ou des disques adjacents.
Selon une deuxième forme de réalisation, ledit élément rotatif peut comporter un ensemble d'éléments cylindriques creux emboîtés, réalisés en des matériaux magnéto-caloriques différents, chaque élément cylindrique comportant un ensemble de passages traversants.
Dans une troisième forme de réalisation, ledit élément rotatif comporte un ensemble de secteurs angulaires emboîtés, réalisés en des matériaux magnéto-caloriques différents, ces secteurs angulaires étant isolés les un des autres par des éléments thermiquement isolants, et chaque secteur angulaire comportant un ensemble de passages traversants.
Ledit élément rotatif peut également être constitué d'un seul élément de forme cylindrique réalisé en un matériau magnéto-calorique, ledit élément cylindrique comportant un ensemble de passages débouchant sur ses deux faces-.
Dans un mode de réalisation particulier, ledit élément rotatif comporte des secteurs angulaires cloisonnés contenant des grains de forme sensiblement sphérique constitués d'au moins un matériau magnéto-calorique, les passages traversants étant définis par des interstices ménagés entre les grains.
Les passages traversants peuvent être définis par une structure alvéolaire ou par des tubes creux disposés selon l'axe de l'élément rotatif.
Dans une forme de réalisation particulière, lesdits passages traversants sont formés par une structure poreuse dont la porosité est connectée et ouverte. Description sommaire des dessins
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de différents modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels.
La figure 1 représente une vue schématique d'une forme de réalisation avantageuse du dispositif selon l'invention,
La figure 2A représente une vue en coupe longitudinale d'une partie du dispositif de la figure 1 ,
Les figures 2B et 2C illustrent respectivement des vues en coupe transversale d'une partie du dispositif de la figure 1 ,
Les figures 3A et 3B illustrent respectivement des variantes de réalisation du dispositif selon l'invention,
Les figures 4 à 10 représentent, en coupe axiale, plusieurs formes de réalisation de l'élément rotatif du dispositif selon l'invention,
La figure 11 est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention, et
La figure 12 est une vue schématique illustrant une installation comportant plusieurs dispositifs selon l'invention montés en cascade.
Manière(s) de réaliser l'invention
En référence à la figure 1 , le dispositif 10 comporte une enceinte 11 , comprenant un premier compartiment 12 et un second compartiment 13 juxtaposés et séparés par une cloison 14. Dans cette enceinte est logé un élément rotatif 15 constitué par une roue tournant autour d'un axe 9 disposé sensiblement dans le plan de ladite cloison 14. Un premier circuit 17a, dit circuit chaud, est connecté au premier compartiment 12 de l'enceinte et comprend un premier échangeur de chaleur 18, dans lequel circule un premier fluide caloporteur, ledit premier échangeur 18 étant par exemple connecté à un circuit d'utilisation de la chaleur 19 ou simplement destiné à évacuer la chaleur. Un second circuit 17b, dit circuit froid, est connecté au second compartiment 13 de l'enceinte et comprend un second échangeur de chaleur 21 , dans lequel circule un second fluide caloporteur, ledit second échangeur 21 étant par exemple connecté à un circuit d'utilisation du froid 22 ou combiné avec une enceinte réfrigérée. Le dispositif 10 est équipé de moyens magnétiques 16 pour générer un champ magnétique dans le premier compartiment 12, au moins dans la zone correspondant à l'élément rotatif 15. Une première pompe 23 est montée dans le premier circuit 17a et fait circuler le premier fluide caloporteur dans ledit premier circuit et une seconde pompe 24, montée dans le second circuit 17b, fait circuler le second fluide caloporteur dans ledit second circuit.
L'élément rotatif 15 qui, dans cette forme de réalisation, est constitué d'un seul élément cylindrique, est monté transversalement par rapport aux deux compartiments 12 et 13 de telle manière qu'il soit situé simultanément et partiellement dans ledit premier compartiment 12 et dans ledit second compartiment 13. Cet élément rotatif 15 est constitué au moins partiellement d'au moins un matériau magnéto-calorique et comporte des passages traversants 25 débouchant sur ses deux faces et permettant aux deux parties de chaque compartiment 12 et 13 situées de part et d'autre de l'élément rotatif 15 de communiquer entre elles. L'élément rotatif 15 est entraîné en rotation par un moteur d'entraînement approprié. Sa vitesse de rotation est faible par rapport à la vitesse de circulation des fluides caloporteurs dans les deux circuits et dans les passages traversants 25. De ce fait, seule une très faible partie du fluide caloporteur refroidi dans la partie de l'élément rotatif 15 hors du champ magnétique pénètre dans la zone soumise au champ magnétique et réciproquement. La "perte" due au transfert de fluide d'un des circuits dans l'autre par l'intermédiaire de l'élément rotatif est infime. Les figures 2A, 2B et 2C illustrent plus en détail le positionnement des moyens magnétiques 16. L'enceinte 11 est pourvue d'une paroi 11a et comprend une cloison centrale 14 servant à délimiter les deux compartiments 12 et 13 réalisée en un matériau thermiquement isolant, disposée dans le plan médian de l'enceinte 11. Cette cloison 14 est discontinue et disposée dans le plan de l'axe de rotation 9 de l'élément rotatif 15. Chacune des extrémités des deux compartiments 12 et 13 est ouverte pour être connectée à un conduit du circuit du fluide caloporteur correspondant. Les moyens magnétiques 16, qui peuvent être constitués soit d'aimants permanents, soit d'électroaimants, sont disposés de part et d'autre de la partie de l'élément rotatif 15 qui se situe dans le premier compartiment 12. A cet effet, ces moyens magnétiques 16 sont de préférence disposés en dessous et contre le plan médian passant par la cloison 14.
L'élément rotatif 15 est monté coaxialement dans l'enceinte 11 sur l'axe 9 passant par le plan médian séparant les deux compartiments 12 et 13. Cet axe 9 est disposé de façon à permettre la rotation de l'élément rotatif 15 au moyen d'un moteur d'entraînement (non représenté). Le diamètre de l'élément rotatif 15 et le diamètre intérieur de l'enceinte 11 sont définis de sorte que ces deux organes ne laissent qu'un faible espace entre eux. Ceci permet de limiter le flux du fluide caloporteur qui pourrait passer à travers cet espace pendant le fonctionnement du dispositif 10. A cet effet, l'élément rotatif peut comporter, sur sa périphérie, un élément d'étanchéité tel qu'un joint. Des joints peuvent également être placés sur les bords intérieurs de la cloison 14 pour rendre les deux compartiments 12 et 13 étanches. Les passages traversants 25 de l'élément rotatif 15 débouchent à leurs deux extrémités sur chacune des faces de l'élément 15 afin que ces passages communiquent avec chacune des deux parties de chaque compartiment 12, 13 situées de part et d'autre dudit élément rotatif 15. Ces passages 25 peuvent être définis par une structure alvéolaire de type nid d'abeille ou formés par des tubes creux parallèlement à l'axe 9 de l'élément rotatif 15. Ils peuvent également être définis par une structure poreuse du matériau de l'élément rotatif 15. Les figures 2B et 2C représentent deux constructions différentes du dispositif 10. Les moyens magnétiques 16 sont soit intégrés à la paroi 11a, comme le montre la figure 2B, soit disposés à l'extérieur de cette paroi, comme le montre la figure 2C.
Le fonctionnement du dispositif 10 est basé sur le procédé dans lequel l'élément rotatif 15 étant mis en rotation au moyen d'un moteur d'entraînement (non représenté), la partie dudit élément rotatif 15 située dans le champ magnétique généré par les moyens magnétiques 16 perd son entropie en subissant une élévation de température. Dans le même temps, le premier fluide caloporteur du circuit 17a mis en mouvement par la première pompe 19 et circulant dans le sens inverse du second fluide caloporteur du second circuit 17b, entre dans le premier compartiment 12 à une température Tc1 donnée et traverse, par l'intermédiaire des passages traversants 25, la partie de l'élément rotatif 15 soumise à l'élévation de température. Le premier fluide caloporteur subit dans cette partie de l'élément rotatif 15 une élévation de température par transfert de chaleur. A la sortie du premier compartiment 12, ledit fluide caloporteur a alors une température Tc2.supérieure à Tc .. Le fluide caloporteur du circuit d'utilisation de la chaleur 19 entre dans le premier échangeur de chaleur 18 à une température Tcsι et subit à son tour une élévation de température par échange de chaleur avec le premier fluide caloporteur ayant traversé l'enceinte 11 et chauffé par son passage dans le compartiment 12. Le fluide du circuit d'utilisation de la chaleur 19 ressort dudit premier échangeur de chaleur 18 à une température Tcs2 supérieure à Tcsι. La chaleur emmagasinée par ce fluide caloporteur peut être utilisée pour n'importe quelle application. Elle peut également être simplement évacuée dans l'atmosphère ambiante.
Pendant qu'une première partie de l'élément rotatif 15 est soumise à une rotation et subit une élévation de température en passant dans le champ magnétique généré par les moyens magnétiques 16, une seconde partie de l'élément rotatif 15 située hors dudit champ magnétique se démagnétise en se refroidissant. Lorsque ladite première partie quitte le champ magnétique par rotation de l'élément rotatif en se démagnétisant et se refroidissant, cette seconde partie est à son tour exposée au champ magnétique et perd son entropie en subissant une élévation de température. La partie précédemment soumise à une élévation de température quitte le champ magnétique généré par les moyens magnétiques 16, et se démagnétise en se refroidissant jusqu'à une température donnée. Dans le même temps, le second fluide caloporteur circulant dans le second circuit 17b dit circuit froid, mis en circulation par la seconde pompe 24, entre dans le second compartiment 13 à une température Tfi donnée et traverse, par l'intermédiaire des passages traversants 25 de l'élément rotatif 15, ladite partie de l'élément soumise à un refroidissement. Ce second fluide caloporteur subit un refroidissement dans cette partie de l'élément rotatif 15 et sort du compartiment 13 à une température Tf2 'inférieure à Tfi. Par ailleurs, le fluide du circuit d'utilisation du froid 22 entre dans le second échangeur de chaleur 21 à une température Tfs1 et subit à son tour un refroidissement par échange de chaleur avec le second fluide caloporteur ayant traversé l'enceinte 11 et refroidi par son passage dans le compartiment 13. Ce fluide ressort dudit second échangeur de chaleur 21 à une température Tfs2 inférieure à TfS . pour être utilisé. Le froid emmagasiné par ce fluide peut être utilisé dans n'importe quelle application du froid, notamment pour le refroidissement d'une armoire frigorifique, d'un circuit de climatisation ou similaire.
La rotation de l'élément rotatif 15 renouvelle alternativement ce cycle de fonctionnement en générant de la chaleur dans le premier échangeur de chaleur 18 et du froid dans le second échangeur de chaleur 21. Pour obtenir un fonctionnement en continu, l'élément rotatif 15 est entraîné à une vitesse de rotation définie en fonction de l'application ainsi que de l'amplitude du champ magnétique et du débit du fluide caloporteur traversant ledit élément rotatif 15.
Le premier fluide caloporteur circulant dans le premier circuit 17a et le second fluide caloporteur circulant dans le second circuit 17b peuvent être différents ou identiques. Ils peuvent en outre être soit à l'état gazeux soit à l'état liquide ou être à des états différents selon les applications. En outre, les fluides circulant dans les circuits d'utilisation de la chaleur 19 et du froid 22 peuvent être soit à l'état gazeux soit à l'état liquide, selon les applications. De ce fait, les échangeurs de chaleur 18 et 21 de ce dispositif 10 peuvent être de n'importe quel type connu selon l'état du fluide caloporteur. Ils peuvent être du type liquide - liquide, liquide - gaz ou du type gaz - gaz. A la place de chacun des échangeurs 18 et 21 , l'on peut disposer n'importe quel dispositif générant respectivement de la chaleur ou du froid, comme par exemple un radiateur, une pompe à chaleur, un réfrigérateur, un dispositif de climatisation. Il est également possible de faire circuler le fluide du circuit d'utilisation de la chaleur 19 dans le circuit chaud 17a à la place du premier fluide caloporteur pour être directement chauffé dans la partie chaude de l'élément rotatif 15, et de faire circuler le fluide du circuit d'utilisation du froid 22 dans le circuit froid 17b à place du second fluide caloporteur pour être directement refroidi dans la partie froide de l'élément rotatif 15. Dans ce cas, le dispositif ne comporte plus d'échangeurs de chaleur.
Les figures 3A et 3B représentent schématiquement une variante du. dispositif de la figure 1. Ce dispositif diffère du dispositif 10 de la figure 1 en ce qu'il comporte des moyens magnétiques 16 mobiles qui, lorsqu'ils sont placés dans une première position P-i, c'est-à-dire solidaires du compartiment 13 (fig. 3A) ou dans une seconde position P2, c'est-à-dire solidaires du compartiment 12 (fig. 3B), permettent d'intervertir les circuits générant le froid et la chaleur selon les besoins. Les deux positions Pi et P2 sont symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de la cloison 14. Dans cette variante, les moyens magnétiques 16 sont pourvus d'éléments de fixation 26, tels qu'un axe en U, dont le pivotement de 180° ou la translation, par des moyens de commande connus en soi, permet de passer d'une position à l'autre. De cette manière, un circuit générant du froid lorsque les moyens magnétiques 16 sont dans la position P-i, génère de la chaleur lorsque ces moyens magnétiques 16 sont placés dans la position P2 et un circuit générant de la chaleur lorsque les moyens magnétiques 16 sont dans la position P-i, génère du froid lorsque ces moyens magnétiques 16 sont placés dans la position P2.
Lorsque les moyens magnétiques 16 sont placés dans la position Pi, la partie de l'élément rotatif 15 soumise à une élévation de température par effet magnétique se situe dans le second compartiment 13. Le premier fluide caloporteur circulant dans le second circuit 17b s'échauffe. L'échangeur de chaleur 21 fonctionne alors comme une source de chaleur et délivre de la chaleur à n'importe quel fluide le traversant. Dans le même temps, la partie de l'élément rotatif 15 qui se démagnétise en se refroidissant se situe dans le premier compartiment 12. Le premier fluide caloporteur circulant dans le premier circuit 17a se refroidit. L'échangeur de chaleur 18 fonctionne alors comme une source génératrice de froid et peut délivrer du froid à sa sortie.
En revanche, lorsque les moyens magnétiques 16 sont placés dans la position P2 par exemple par un pivotement de 180°, la partie de l'élément rotatif 15 qui se démagnétise en se refroidissant se situe dans le second compartiment 13. Le second fluide caloporteur circulant dans le second circuit 17b se refroidit. L'échangeur de chaleur 21 fonctionne alors comme une source génératrice de froid et délivre du froid à n'importe quel fluide le traversant. Dans le même temps également, la partie de l'élément rotatif 15 soumise à une élévation de température par effet magnétique se situe dans le premier compartiment 12. Le premier fluide caloporteur circulant dans le premier circuit 17a s'échauffe. L'échangeur de chaleur 18 fonctionne alors comme une source de chaleur et peut délivrer de la chaleur à sa sortie.
Lorsque les moyens magnétiques 16 sont des électroaimants, les mêmes moyens magnétiques 16 fixés pour générer un champ magnétique dans le premier compartiment 12 peuvent être également fixés en double dans une position symétrique par rapport au plan séparant les deux compartiments 12 et 13 pour générer un champ magnétique dans le second compartiment 13. Ces moyens magnétiques 16 peuvent être activés séparément par une même commande qui génère un champ magnétique dans l'un ou l'autre des compartiments 12 ou 13 selon la position de cette commande. Il est également possible de prévoir des moyens magnétiques générant un champ magnétique variable pour faire varier les températures des fluides caloporteurs qui le traversent.
Les figures 4 à 10 illustrent schématiquement des variantes de réalisation de l'élément rotatif 15 du dispositif selon l'invention.
Dans la forme de réalisation représentée par la figure 4, l'élément rotatif 15 est constitué de plusieurs disques 30 montés coaxialement. Ces disques ont le même diamètre et peuvent être de même épaisseur ou d'épaisseurs différentes. Ils sont soit collés par leurs faces, soit assemblés par n'importe quel moyen approprié. Chaque disque comporte un ensemble de passages traversants 25 qui communiquent avec les passages du ou des disques adjacents pour déboucher sur chaque face de l'élément rotatif 15 ainsi formé. Chaque disque est constitué d'un matériau magnéto-calorique différent. Le nombre des disques dépend du nombre des matériaux magnéto-caloriques devant constituer l'élément rotatif 15. Ces matériaux sont définis en fonction de l'application du dispositif 10 de génération du froid et de la chaleur. Pour une application donnée, les matériaux magnéto-caloriques sont choisis en fonction de leurs températures de Curie. Ces températures correspondent en effet à certains paramètres requis pour atteindre les températures qu'exige l'application. Les matériaux magnéto-caloriques dont la température de Curie est comprise entre 0°C et -5°C sont par exemple appropriés pour des applications de climatisation, ceux dont la température de Curie est comprise entre 40°C et 70°C, et de préférence les matériaux magnéto-caloriques dont la température de Curie est d'environ 60°C, sont appropriés pour des applications de chauffage et les matériaux magnéto-caloriques dont la température de Curie est comprise entre -10°C et 70°C sont appropriés pour le stockage de l'énergie. Dans la forme de réalisation représentée par la figure 5, l'élément rotatif 15 est constitué de plusieurs éléments cylindriques creux 40, réalisés chacun en un matériau magnéto-calorique différent, montés de manière concentrique. Ces éléments cylindriques ont une même hauteur et leurs diamètres intérieurs et extérieurs sont définis de sorte que chaque élément s'imbrique dans l'élément adjacent. Le diamètre extérieur du plus grand élément cylindrique creux 40 constitue le diamètre de l'élément rotatif résultant et le trou à l'intérieur du plus petit élément cylindrique creux correspond à l'alésage par lequel passe l'axe 9 sur lequel est monté l'élément rotatif 15. Les passages traversants 25 sont ménagés dans l'épaisseur de chaque cylindre.
L'élément rotatif 15, illustré par la figure 6, est constitué de plusieurs secteurs angulaires 50 réalisés chacun en un matériau magnéto-calorique différent. Ces éléments, d'angles au sommet égaux, ont le même rayon et la même hauteur correspondant au rayon et à la hauteur de l'élément rotatif 15. Chaque secteur 50 comporte des passages traversants 25 qui peuvent être obtenus par exemple par une structure du type quadrillage fin. Des éléments thermiquement isolants 26 peuvent être montés entre les différents secteurs pour mieux isoler la partie de l'élément rotatif 15 subissant le refroidissement de sa partie subissant une élévation de température. Ceci a pour but d'augmenter l'efficacité du dispositif de l'invention en empêchant respectivement les déperditions du froid et de la chaleur générées.
Dans la forme de réalisation illustrée par la figure 7, l'élément rotatif 15 est constitué de cavités 60 remplies de grains 27 constitués d'un matériau magnéto-calorique. Ces cavités peuvent se présenter sous forme de secteurs angulaires séparés par des éléments thermiquement isolants 26. Les passages traversants 25 sont définis par les interstices définis entre les grains 27. Ces interstices communiquent entre eux pour déboucher sur les deux faces de l'élément rotatif 15. Ces deux faces sont recouvertes par une paroi mince (non représentée) comportant des mailles de dimensions inférieures à celles des grains 27 de plus petite taille. Cette paroi n'est pas nécessaire si les grains 27 sont assemblés par un liant. Les grains 27 peuvent avoir n'importe quelle forme et n'importe quelles dimensions. Leur dimension moyenne est de préférence comprise entre 0,4 mm et 0,9 mm. Ils peuvent être de même taille et .de même forme ou de formes et de tailles différentes. Ils peuvent également être constitués en un même matériau magnéto-calorique ou en des matériaux magnéto-caloriques différents. Chaque cavité peut contenir des grains de même matériau magnéto-calorique, les matériaux différant d'une cavité à une autre ou un mélange de grains de matériaux magnéto-caloriques différents, les mélanges variant également d'une cavité à une autre. Il est bien évident que les disques 30 et les éléments cylindriques creux 40, des formes de réalisation précédemment décrites pourraient également être constitués de cavités remplies de grains 27.
Dans la forme de réalisation illustrée par la figure 8, l'élément rotatif 15 est composé d'un ensemble d'éléments tubulaires coaxiaux 70 espacés entre eux et dont les espaces sont remplis par une structure plissée 71 qui définit une multitude de passages traversants 25. Cette structure peut être réalisée en un matériau magnéto-calorique ou peut servir de support à de tels matériaux.
La figure 9 représente une autre forme de réalisation dans laquelle l'élément rotatif 15 comporte un élément annulaire intérieur 15a et un élément annulaire extérieur 15b coaxiaux. L'enceinte est définie par un canal intérieur 80a disposé entre les deux éléments et par un canal extérieur 80b ménagé à la périphérie de l'élément 15b. Les moyens magnétiques se décomposent en une paire d'aimants intérieurs 81a coopérant avec l'élément intérieur 15a et une paire d'aimants extérieurs 81b coopérant avec l'élément extérieur 15b. Cette disposition permet d'améliorer la pénétration du champ magnétique et son action sur les matériaux magnéto-caloriques, donc d'accroître l'efficacité du dispositif.
Une autre forme de réalisation est représentée par la figure 10. Les moyens magnétiques sont décomposés en segments angulaires respectivement segments angulaires intérieurs 90a et segments angulaires extérieurs 90b. Le champ magnétique n'est pas limité à un secteur correspondant à un demi- cercle, mais est localisé par secteurs angulaires tout autour de l'élément rotatif.
La figure 11 illustre une variante dans laquelle les moyens magnétiques sont logés dans l'enceinte 11 et plus précisément à l'intérieur du premier compartiment 12. Ils sont constitués d'au moins une paire d'aimants 100 pourvus d'orifices de passage 101 du fluide caloporteur.
La figure 12 représente schématiquement un arrangement complexe constitué d'un ensemble de dispositifs selon l'invention montés en cascade. Dans l'exemple représenté cet arrangement comporte quatre dispositifs 110, 120, 130 et 140 comprenant respectivement les éléments rotatifs 115, 125, 135 et 145 en matériaux magnéto-caloriques. Le fluide caloporteur du circuit froid 17b est amené à l'entrée froide de l'élément rotatif 115 puis est décomposé à la sortie de cet élément en deux courants 17bι qui est amené à l'entrée froide du deuxième élément rotatif 125 et 17b2 qui est amené à l'entrée chaude du deuxième élément rotatif 125. Il en est de même dans tous les autres éléments rotatifs. Toutefois une circulation inverse peut être produite lorsque les températures atteintes sont appropriées. Elle est représentée par les flèches en traits interrompus 125e, 135e et 145e.
Un tel arrangement permet d'augmenter considérablement l'efficacité du dispositif et d'accroître le rendement thermique d'une installation de génération de froid utilisant l'effet magnéto-calorique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour générer du froid et de la chaleur par effet magnétique à travers au moins un échangeur de chaleur, caractérisé en ce que l'on fait circuler un premier fluide caloporteur dans un premier circuit (17a), dit circuit chaud, connecté à un premier compartiment (12) d'une enceinte (1 1) contenant un élément rotatif (15) et un second fluide caloporteur dans un second circuit (17b), dit circuit froid, connecté à un second compartiment (13) de ladite enceinte (1 1), lesdits compartiments étant juxtaposés et séparés par une cloison (14), ladite enceinte (11) étant associée à des moyens magnétiques (16) pour générer un champ magnétique dans ledit premier compartiment (12), au moins dans la zone correspondant audit élément rotatif (15) et ledit élément rotatif (15) comportant au moins un matériau magnéto-calorique agencé pour subir une élévation de température lorsqu'il passe dans ledit premier compartiment (12) soumis au champ magnétique et un refroidissement lorsqu'il passe dans ledit second compartiment (13) non soumis au champ magnétique, en ce que l'on extrait de la chaleur dudit premier circuit (17a) au moyen d'un premier échangeur de chaleur (18) disposé dans ledit circuit (17a), ledit premier échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation de la chaleur (19), et en ce que l'on extrait du froid dudit second circuit (17b) au moyen d'un second échangeur de chaleur (21) disposé dans ledit circuit (17b), ledit second échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation du froid (21).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on fait circuler les premier et second fluides caloporteurs dans les compartiments (12, 13) de l'enceinte (11).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que premier et second fluides caloporteurs sont à l'état liquide ou à l'état gazeux.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on inverse la position des moyens magnétiques (16) par rapport aux compartiments (12, 13) de l'enceinte pour générer indifféremment du froid et de la chaleur dans l'un desdits compartiments.
5. Dispositif pour générer du froid et de la chaleur par effet magnéto-calorique comportant au moins un échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend : une enceinte (1 1) divisée en un premier et un second compartiment (12, 13) juxtaposés et séparés par une cloison (14), ladite enceinte (11) contenant un élément rotatif (15) monté transversalement par rapport aux compartiments (12, 13) et tournant autour d'un axe disposé dans le plan de la cloison (14), afin qu'il soit situé simultanément et partiellement dans lesdits premier et second compartiments (12, 13), - un premier circuit (17a), dit circuit chaud, connecté audit premier compartiment (12) de ladite enceinte (11) et comprenant un premier échangeur de chaleur (18), dans lequel circule un premier fluide caloporteur, ledit premier échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation de la chaleur (19), - un second circuit (17b), dit circuit froid, connecté audit second compartiment (13) de ladite enceinte (1 1) et comprenant un second échangeur de chaleur (21), dans lequel circule un second fluide caloporteur, ledit second échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation du froid (22), et - des moyens magnétiques (16) pour générer un champ magnétique dans ledit premier compartiment (12), au moins dans la zone correspondant audit élément rotatif (15), ledit élément rotatif comportant au moins un matériau magnéto-calorique agencé pour subir une élévation de température lorsqu'il passe dans le premier compartiment (12) soumis au champ magnétique et un refroidissement lorsqu'il passe dans le second compartiment (13) non soumis au champ magnétique.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques (16) comportent des aimants permanents.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques (16) comportent des électroaimants.
8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques (16) sont agencés pour générer un champ magnétique variable.
9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens magnétiques complémentaires (16a) agencés pour créer un champ magnétique d'isolation isolant le second compartiment (13) du champ magnétique généré par lesdits moyens magnétiques (16).
10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques (16) sont mobiles, de manière à pouvoir être disposés soit dans une première position (Pi) dans laquelle ils génèrent un champ magnétique dans l'un desdits compartiments (12, 13), soit dans une seconde position (P2) dans laquelle ils génèrent un champ magnétique dans l'autre desdits compartiments (12, 13).
1 1. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques (16) comportent des premiers électroaimants agencés pour créer un champ magnétique dans ledit premier compartiment (12), des seconds électroaimants agencés pour créer un champ magnétique dans ledit second compartiment (13) et des moyens de commande agencés pour activer respectivement les premiers ou les seconds électroaimants.
12. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits premier et second échangeurs de chaleur (18, 21) sont choisis parmi le groupe constitué par les échangeurs de chaleur du type liquide - liquide, liquide - gaz et gaz - gaz.
13. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier circuit (17a) comporte une première pompe (19), en ce que le second circuit (17b) comporte une seconde pompe (22) et en ce que ces pompes sont agencées pour faire circuler respectivement les premier et second fluides caloporteurs dans chacun des compartiments (12, 13).
14. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément rotatif (15) comporte un ensemble de passages traversants (25), ces passages étant agencés pour permettre la circulation des premier et second fluides caloporteurs dans ledit élément rotatif.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit élément rotatif (15) comporte un ensemble de disques (30) empilés, réalisés en des matériaux magnéto-caloriques différents, chaque disque comportant un ensemble de passages (25) communiquant avec les passages du ou des disques adjacents.
16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit élément rotatif (15) comporte un ensemble d'éléments cylindriques creux (40) emboîtés, réalisés en matériaux magnéto-caloriques différents, chaque élément cylindrique (40) comportant un ensemble de passages traversants (25).
17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit élément rotatif (15) comporte un ensemble de secteurs angulaires (50) emboîtés, réalisés en des matériaux magnéto-caloriques différents, ces secteurs angulaires (50) étant isolés les un des autres par des éléments thermiquement isolants (26), et chaque secteur angulaire comportant un ensemble de passages traversants (25).
18. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit élément rotatif (15) est constitué d'un seul élément de forme cylindrique réalisé en un matériau magnéto-calorique, ledit élément cylindrique comportant un ensemble de passages (25) débouchant sur ses deux faces.
19. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit élément rotatif (15) comporte des secteurs angulaires cloisonnés (60) contenant des grains (27) de forme sensiblement sphérique constitués d'au moins un matériau magnéto-calorique, et en ce que les passages traversants (25) sont définis par des interstices ménagés entre les grains (27).
20. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits passages traversants (25) sont formés par une structure alvéolaire.
21. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits passages traversants (25) sont formés par des tubes creux disposés selon l'axe de l'élément rotatif (15).
22. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits passages traversants (25) sont formés par une structure poreuse.
23. Procédé pour générer du froid et de la chaleur par effet magnétique à travers au moins un échangeur de chaleur, caractérisé en ce que l'on fait circuler un premier fluide caloporteur dans un premier circuit (17a), dit circuit chaud, connecté à un premier compartiment (12) d'une enceinte (11) contenant un élément rotatif (15) et un second fluide caloporteur dans un second circuit (17b), dit circuit froid, connecté à un second compartiment (13) de ladite enceinte (11 ), lesdits compartiments étant juxtaposés et séparés par une cloison (14), ladite enceinte (11) étant associée à des moyens magnétiques (16) pour générer un champ magnétique dans ledit premier compartiment (12), au moins dans la zone correspondant audit élément rotatif (15) et ledit élément rotatif (15) comportant au moins un matériau supraconducteur agencé pour subir une élévation de température lorsqu'il passe dans ledit premier compartiment (12) soumis au champ magnétique et un refroidissement lorsqu'il passe dans ledit second compartiment (13) non soumis au champ magnétique, en ce que l'on extrait de la chaleur dudit premier circuit (17a) au moyen d'un premier échangeur de chaleur (18) disposé dans ledit circuit (17a), ledit premier échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation de la chaleur (19), et en ce que l'on extrait du froid dudit second circuit (17b) au moyen d'un second échangeur de chaleur (21) disposé dans ledit circuit (17b), ledit second échangeur étant connecté à un circuit d'utilisation du froid (21).
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