WO2010106250A1 - Procédé de génération de flux thermique à partir d'un élément magnétoealorique et générateur thermique magnétocalorique - Google Patents

Procédé de génération de flux thermique à partir d'un élément magnétoealorique et générateur thermique magnétocalorique Download PDF

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WO2010106250A1
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WO
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magnetocaloric
cold
heat transfer
magnetic
transfer fluid
Prior art date
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PCT/FR2010/000228
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Inventor
Christian Muller
Jean-Claude Heitzler
Alain-François DOUARRE
Original Assignee
Cooltech Applications S.A.S.
Societe De Vehicules Electriques S.A.S.
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    • 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
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    • F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
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    • 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 method of generating heat flux from a magnetocaloric element, said magnetocaloric element being constituted by at least one magnetocaloric material comprising a hot end in relation to a hot chamber and a cold end in relation to a cold room. said method of magnetically activating and deactivating the magnetocaloric element alternately, and circulating a heat transfer fluid through said magnetocaloric element alternately towards the hot chamber and the cold chamber in a manner synchronized with the phases of magnetic activation and deactivation.
  • the magnetocaloric thermal generators operate according to the principle of the heat pump by taking thermal energy from a so-called “cold” chamber or source and returning it, at a higher temperature, to a so-called “hot” chamber or source.
  • the magnetocaloric effect is an intrinsic property of magnetocaloric materials. It results in a reversible variation of their temperature when they are subjected to a magnetic field or are subtracted from it or when this field is suppressed or substantially reduced.
  • H ' are two types of materials magnetocaloric: the materials of the first type heat up under the effect of a magnetic field and cool after the removal of this magnetic field and those of the second type, called “inverse magnetocaloric effect materials" cool under the effect of a magnetic field and heat up at the removal of this magnetic field.
  • magnetically activated will be used to describe a magnetocaloric material that heats up, whether this occurs in the presence or absence of a magnetic field.
  • a magnetocaloric material of the first type will be magnetically activated when subjected to a magnetic field and a magnetocaloric material having a reverse effect will be magnetically activated when it is removed from this magnetic field.
  • a “magnetically deactivated” material is a material undergoing cooling due either to the shrinkage of the magnetic field in the case of magnetocaloric materials of the first type, or to the application of a magnetic field in the case of magnetocaloric effect materials. reverse.
  • AMR Active Magnetocaloric Refrigerator
  • IA to ID The principle of exploitation of the magnetocaloric effect - known as the AMR (Active Magnetocaloric Refrigerator) - is illustrated in the appended Figures IA to ID. It consists of circulating a heat transfer fluid between the two hot and cold ends of a magnetocaloric material MC synchronously with the magnetic activation (by permanent magnets A - see Fig. IB and IC) and the magnetic deactivation (cf. Fig. IA and ID) of said magnetocaloric material MC.
  • the heat transfer fluid flows towards the hot end during the magnetic activation of the material MC (Fig. IB and IC) and then towards the cold end during the magnetic deactivation of the material MC (Fig. IA and ID) .
  • the heat transfer fluid can be displaced by pistons P.
  • the heat transfer fluid is intended to heat exchange with said magnetocaloric material MC and the two hot and cold ends are respectively connected to a hot chamber CH and to a cold chamber FR.
  • the magnetocaloric material MC is porous or comprises passages that may be traversed by the coolant, these passages connecting the volume of the cold chamber FR to the volume of the hot source CH, located on either side of the magnetocaloric material MC. It is considered that the temperature of the cold chamber is TFR, the temperature of the hot chamber is TCH and the length of the magnetocaloric material MC in the direction of the passages is L. A temperature gradient is established along the magnetocaloric material MC.
  • a thermal generator using this principle of exploitation of the magnetocaloric effect is intended to exchange thermal energy with one or more external circuits of use (heating, air conditioning, tempering, etc.) through or no heat exchanger, for example.
  • COP coefficient of performance
  • volume density of power (in kW / l) which characterizes the size of the core of the generator, namely the size of the magnetocaloric element, relative to the thermal power restored.
  • magnetocaloric heat generators capable of supplying several kilowatts, more particularly for mobile applications generally with high compactness requirements, or for reversible heat pumps requiring a temperature range exceeding 80 K.
  • generators should propose a coefficient of performance COP higher than 3.
  • the mass of magnetocaloric material receives, alternately and instantaneously, a stock of "calories” or “frigories", it then restores the fluid during the alternation initiated by said switching.
  • the main means for maximizing the power output for a given volume of magnetocaloric material is to increase the magnetic switching frequency, so as to benefit more often from the magnetocaloric effect (which is almost instantaneous).
  • the power required for the circulation of the heat transfer fluid in the magnetocaloric material increases according to the square of the ratio of the length of the magnetocaloric material to the hydraulic diameter of the channels or fluid passages.
  • the thermal conduction losses through the magnetocaloric material increase in inverse ratio of the square of the length of the magnetocaloric material.
  • the circulation of heat transfer fluid being the main source of power consumption of a magnetocaloric heat generator, any degradation of this station directly affects the COP - denominator.
  • the identified means which can substantially increase the power density also degrade powerfully the COP, and that the wise sizing of a magnetocaloric heat pump for a given application results from a compromise between its size and its energy efficiency.
  • the present invention aims to overcome the aforementioned compromise by proposing a method for increasing the thermal power passing through an element. magnetocaloric and therefore the useful power of a magnetocaloric thermal generator implementing this method, without loss of efficiency.
  • the invention relates to a method of generating heat flow of the kind indicated in the preamble, characterized in that it consists in reversing the direction of circulation of the coolant during said activation and magnetic deactivation phases, said magnetic activation phase comprising an initial step during which the coolant flows in the opposite direction towards the cold room followed by a preponderant step during which the heat transfer fluid flows in the right direction towards the hot chamber , and said magnetic deactivation phase comprising an initial step during which the heat transfer fluid circulates in the opposite direction towards the hot chamber followed by a preponderant step during which the heat transfer fluid circulates in the right direction in the direction of the cold room.
  • the method according to the invention thus implements a particular coupling between the magnetocaloric cycle and the oscillation of the fluid, which by its specific characteristics maximizes the "upward" active thermal flux under the above conditions, substantially improving the power restored. (to achieve a power density of the order of 0.5 to 1 kW / 1).
  • the method can thus consist in circulating, in one direction and then in the other alternatively, a quantity of coolant less than the amount of heat transfer fluid capable of being contained in said magnetocaloric element.
  • the method may consist in determining a duration of the initial step of the activation and magnetic deactivation phases less than half the duration of each of said magnetic activation and deactivation phases.
  • the subject of the invention is also a magnetocaloric heat generator comprising at least one magnetocaloric element constituted by at least one magnetocaloric material comprising a hot end in relation to a hot chamber and a cold end in relation to a cold chamber, an activation means and magnetically quenching said magnetocaloric material and circulation means driving a heat transfer fluid through said magnetocaloric element alternately towards the hot chamber and the cold chamber synchronously with the magnetic activation and deactivation phases.
  • This magnetocaloric thermal generator is characterized in that it comprises a control unit of said heat transfer fluid circulation means arranged to reverse its direction of circulation during said magnetic activation and deactivation phases according to the method.
  • FIGS. 1A to 1D diagrammatically show a magnetocaloric element in its various operating steps according to the known thermal flux generation method
  • FIGS. 2A to 2E schematically represent a magnetocaloric element in its various operating steps according to the method of the invention
  • FIG. 3A is a diagram illustrating the evolution of the temperature of a drop of coolant circulating in the magnetocaloric element of FIGS. 1A to 1D
  • FIG. 3B is a diagram similar to that of FIG. method of the invention implemented in the magnetocaloric element of Figures 2A to 2E.
  • FIGS. 2A to 2E schematically represent, in an elevational view, a magnetocaloric element 1 constituted by one or more magnetocaloric materials 2, for example in superimposed plates whose spacing defines heat transfer fluid circulation channels.
  • This magnetocaloric element 1 is traversed by a coolant (according to the arrows) in a manner synchronized with the activation and magnetic deactivation phases of this magnetocaloric element 1.
  • These activation and magnetic deactivation phases are carried out by means of a magnetic activation and deactivation means 7 represented in the appended example in the form of a permanent magnet in relative displacement with respect to the magnetocaloric element.
  • the invention is not limited to the use of permanent magnets.
  • said magnetocaloric element 1 may be porous so that its pores constitute open fluid passages. It can also be in the form of a solid block in which mini or micro-channels have been formed or be constituted by an assembly of plates, possibly grooved, superimposed and between which the heat transfer fluid can flow. This configuration corresponds to the one shown. Any other embodiment allowing the heat transfer fluid to pass through said magnetocaloric element 1 may, of course, be suitable.
  • the method according to the invention consists in circulating heat transfer fluid alternately in the direction of the cold chamber 6 and then in the direction of the hot chamber 4.
  • This circulation of heat transfer fluid is synchronized in a new way with respect to the phases of magnetic activation and deactivation.
  • the coolant is circulated in the direction of the hot chamber 4 when the magnetocaloric element 1 is magnetically activated (and heats up) - cf.
  • Fig. IB and IC - and in the direction of the cold chamber 6 when the magnetocaloric element 1 is magnetically deactivated (and cools) - cf.
  • Fig. IA and ID The method according to the invention provides for imposing a phase shift or time shift between the change of direction of circulation of the coolant and the change of state (magnetically activated or deactivated) of the magnetocaloric element 1.
  • this phase shift imputes a delay in changing the direction of circulation of the coolant relative to that of the magnetic state change of the magnetocaloric element.
  • FIG. 2B represents the situation in which the coolant still moves towards the cold chamber 6 while the cycle change has already occurred, that the material is therefore magnetically activated and heats up.
  • Figure 2D represents, in turn, the opposite situation in which the fluid always moves towards the hot chamber 4 while the cycle change has already occurred, so the material is magnetically deactivated and cools.
  • the magnetic activation phase comprises an initial step during which the heat transfer fluid flows upside down towards the cold chamber 6 and a preponderant step during which the heat transfer fluid circulates in the right direction towards the hot chamber 4 and the magnetic deactivation phase comprises an initial step during which the heat transfer fluid flows upside down towards the hot chamber 4 and a preponderant step during which the heat transfer fluid circulates in the common sense towards the cold room 6.
  • FIG. 3B this new method makes it possible to significantly increase the area delimited by the closed curve representing the trajectory of a heat transfer fluid drop relative to that of FIG. 3A, which is representative of the active heat flux. and therefore the thermal power of the generator implementing such a method according to the invention.
  • Diagrams of FIGS. 3A and 3B describe the displacement of a drop of heat transfer fluid inside one of the passages of the magnetocaloric element respectively according to the method known from FIGS. 1A to 1D and according to the method of the invention represented by FIG. Figures 2A to 2E.
  • FIG. 3A illustrates the mechanism of formation of the active heat flux upstream of the temperature gradient established in the generator between the cold chamber FR and the hot chamber CH.
  • the abscissa axis represents the distance x along the length L of the material or magnetocaloric element MC and the ordinate axis represents the temperature.
  • the source or cold chamber FR is located to the left of the abscissa 0 and the hot source CH is located to the right of the abscissa L.
  • the heat transfer fluid undergoes an oscillatory linear movement of period ⁇ , and therefore changes direction to each half -period.
  • the amplitude of the oscillation is less than the length L of the magnetocaloric material MC, so that the abscissa axis shown in this diagram does not cover the entire length L of the magnetocaloric material MC.
  • the magnetic material MC is activated.
  • the position of the coolant drop in said MC material is marked by a first point on the left of the diagram. It is then located at its minimum abscissa.
  • T MMC material magnetocaloric
  • the magnetocaloric material is magnetically deactivated. Its temperature decreases instantly by ⁇ TMC, following the gradient established between the cold source and the hot source. It is represented by the line “Gradient T MMC Not Activated Initial”, parallel to the previous ones. It is now lower than that of the heat transfer fluid, so that the magnetocaloric material receives heat from the fluid up to ⁇ . The drop of fluid is circulated in the opposite direction.
  • the magnetocaloric material has cooled by ⁇ TMMC, represented by the distance between the two curves "Gradient T MMC Activated Initial” and “Gradient T MMC Activated Final”, while the coolant droplet circulating in the passage in vis-à-vis has renewed and is found at a higher temperature than that of the initial drop of fluid, always following the gradient of the generator.
  • the temperature profile of the heat transfer fluid along the passage is not shown.
  • the distance between the first point and the small circle thus measures the temperature variation of the fluid facing the material during the half-period.
  • the second half-period naturally presents the inverse variations.
  • the active heat flux that "rises" the gradient can be appreciated by comparing the energies exchanged left and right of the center of symmetry of said closed curve.
  • the temperature differences between the drop of fluid and the magnetocaloric material MC are larger on the left than on the right.
  • the drop of fluid receives more energy from the material MC on the left than on the right.
  • the differences temperatures, symmetrical are larger on the right than on the left.
  • the drop of fluid gives more energy to the MC material on the right than on the left.
  • the thermal energy of the drop of fluid is proportional to its temperature, in relation to its heat capacity.
  • the average energy that a drop of fluid conveys during its path from the minimum abscissa to the maximum abscissa of its oscillation - counted positively - is proportional to the subtended area of the curve representing the temperature of the drop during this course to the horizontal axis of the abscissa, referred to the distance "a".
  • the average energy it carries in its return path from the maximum abscissa to the minimum abscissa of its oscillation - negatively counted - is proportional to the area underpinned by the curve representing the temperature of the drop during this course up to the horizontal axis of the abscissa, always referred to the distance "a".
  • the energy displaced from "a" towards the hot source during the complete cycle is proportional to the difference of the two areas, always related to the distance "a".
  • the power flow through the regenerator or magnetocaloric element is proportional to the area of the closed trajectory of the drop in the plane of the graph referred to the distance "a". he is positive - towards the hot source - if the drop describes the trajectory in the clockwise direction, negative in the opposite case.
  • the surface of the closed trajectory of the drop is increased, for the same quantity of magnetocaloric material, which causes an increase in the thermal power of a thermal generator implementing the method according to the invention.
  • the duration of the phase shift which corresponds to the duration of the initial steps described above, will be chosen as a function of the heat exchange coefficient between the magnetocaloric element 1 and the calco-carrier fluid. The higher this coefficient, the faster the fluid temperature reaches that of the magnetocaloric material after the magnetic alternation, so lower can be this phase shift, and vice versa.
  • the duration of the initial step of the magnetic activation and deactivation phases may be less than half the duration of each of the activation phases. and magnetic deactivation.
  • the delay of the recommended calco-carrier fluid is not related to any activation delay of the magnetocaloric material from the magnetic alternation.
  • the temperature increase of the magnetocaloric material is instantaneous. If such an activation delay were to be taken into account, for example for certain types of materials or for high cycle frequencies, it would be added to the previous phase shift.
  • FIGS 2A to 2E show the thermal generator according to the invention.
  • it is intended to exchange thermal energy with one or more external circuits of use (heating, air conditioning, tempering, etc.) connected (s) to at least a hot chamber 4 or cold 5, possibly via a heat exchanger 4 ', 6' which can be integrated in each hot chamber 4 and cold 5.
  • one or more external circuits of use heating, air conditioning, tempering, etc.
  • a hot chamber 4 or cold 5 possibly via a heat exchanger 4 ', 6' which can be integrated in each hot chamber 4 and cold 5.
  • the invention achieves the goals set, namely to provide a method for increasing the thermal power of a magnetocaloric element and the output of a magnetocaloric heat generator implementing this method.
  • the method and the heat generator according to the invention can find an industrial as well as domestic application in the field of heating, air conditioning, tempering, cooling or others, at competitive costs and in a small footprint.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de génération de flux thermique à partir d'un élément magnétocalorique (1) constitué par au moins un matériau magnétocalorique (2) comportant une extrémité chaude (3) en relation avec une chambre chaude (4) et une extrémité froide (5) en relation avec une chambre froide (6), ledit procédé consistant à activer et à désactiver magnétiquement de manière alternative l'élément magnétocalorique (1), et à faire circuler un fluide caloporteur à travers ledit élément magnétocalorique (1) alternativement en direction la chambre chaude (4) et de la chambre froide (5) de manière synchronisée avec les phases d'activation et de désactivation magnétique. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à inverser le sens de circulation du fluide caloporteur au cours desdites phases d'activation et de désactivation magnétique. Elle concerne également un générateur thermique magnétocalorique mettant en œuvre ledit procédé.

Description

PROCEDE DE GENERATION DE FLUX THERMIQUE A PARTIR D'UN ELEMENT MAGNETOCALORIOUE ET GENERATEUR THERMIQUE MAGNETOCALORIOUE
Domaine technique :
La présente invention concerne un procédé de génération de flux thermique à partir d'un élément magnétocalorique, ledit élément magnétocalorique étant constitué par au moins un matériau magnétocalorique comportant une extrémité chaude en relation avec une chambre chaude et une extrémité froide en relation avec une chambre froide, ledit procédé consistant à activer et à désactiver magnétiquement de manière alternative l'élément magnétocalorique, et à faire circuler un fluide caloporteur à travers ledit élément magnétocalorique alternativement en direction de la chambre chaude et de la chambre froide de manière synchronisée avec les phases d'activation et de désactivation magnétique.
Elle concerne également un générateur thermique magnétocalorique mettant en œuvre ledit procédé.
Technique antérieure :
Les générateurs thermiques magnétocaloriques fonctionnent selon le principe de la pompe à chaleur en prélevant de l'énergie thermique à une chambre ou source dite "froide" et en la restituant, à température plus élevée, à une chambre ou source dite "chaude".
L'effet magnétocalorique est une propriété intrinsèque des matériaux magnétocaloriques. Il se traduit par une variation réversible de leur température lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique ou en sont soustraits ou lorsque ce champ est supprimé ou réduit substantiellement. H'existe deux types de matériaux magnétocaloriques: les matériaux du premier type s'échauffent sous l'effet d'un champ magnétique et se refroidissent après le retrait de ce champ magnétique et ceux du second type, dits "matériaux à effet magnétocalorique inverse" se refroidissent sous l'effet d'un champ magnétique et s'échauffent au retrait de ce champ magnétique.
Pour faciliter la compréhension de la présente demande, l'expression "activé magnétiquement" sera utilisée pour décrire un matériau magnétocalorique qui s'échauffe, que cela se produise en la présence ou en l'absence d'un champ magnétique. Ainsi, un matériau magnétocalorique du premier type sera activé magnétiquement lorsqu'il sera soumis à un champ magnétique et un matériau magnétocalorique à effet inverse sera activé magnétiquement lorsqu'il sera soustrait de ce champ magnétique. De même, un matériau "désactivé magnétiquement" est un matériau subissant un refroidissement dû soit au retrait du champ magnétique dans le cas des matériaux magnétocaloriques de premier type, soit à l'application d'un champ magnétique dans le cas des matériaux magnétocaloriques à effet inverse.
Le principe d'exploitation de l'effet magnétocalorique - connu sous le nom d'AMR (Active Magnetocaloric Refrigerator) — est illustré dans les figures IA à ID annexées. Il consiste à faire circuler un fluide caloporteur entre les deux extrémités chaude et froide d'un matériau magnétocalorique MC de manière synchronisée avec l'activation magnétique (par des aimants permanents A - cf. fig. IB et IC) et la désactivation magnétique (cf. fig. IA et ID) dudit matériau magnétocalorique MC. Le fluide caloporteur circule en direction de l'extrémité chaude lors de l'activation magnétique du matériau MC (fig. IB et IC) puis en direction de l'extrémité froide lors de la désactivation magnétique du matériau MC (fig. IA et ID). Le déplacement du fluide caloporteur peut être réalisé par des pistons P. Le fluide caloporteur est destiné à échanger thermiquement avec ledit matériau magnétocalorique MC et les deux extrémités chaude et froide sont reliées respectivement à une chambre chaude CH et à une chambre froide FR. Le matériau magnétocalorique MC est poreux ou comprend des passages susceptibles d'être traversés par le fluide caloporteur, ces passages reliant le volume de la chambre froide FR au volume de la source chaude CH, situés de part et d'autre du matériau magnétocalorique MC. On considère que la température de la chambre froide est TFR, que la température de la chambre chaude est TCH et que la longueur du matériau magnétocalorique MC selon la direction des passages est L. Un gradient de température est établi le long du matériau magnétocalorique MC.
Bien entendu, un générateur thermique utilisant ce principe d'exploitation de l'effet magnétocalorique est destiné à échanger de l'énergie thermique avec un ou plusieurs circuits extérieurs d'utilisation (chauffage, climatisation, tempérage, etc.) par l'intermédiaire ou non d'un échangeur de chaleur, par exemple.
La publication US 4,507,928 illustre un exemple de réalisation dans lequel le générateur magnétocalorique fonctionne à l'hélium, les aimants supraconducteurs sont fixes et les matériaux magnétocaloriques sont logés dans un piston mobile en translation alternative entre deux positions extrêmes. Le fluide caloporteur circule dans deux circuits de fluide séparés commandés chacun par une pompe à piston. Lorsque le piston arrive en position extrême, le sens de circulation du fluide est inversé. Ainsi, le changement du sens de circulation du fluide et le changement de cycle magnétique coïncident et sont réalisés simultanément. Ce principe de fonctionnement se retrouve notamment dans les publications EP 1 156287, US 4,332,135 et WO 2008/132342.
Il existe un besoin d'améliorer le procédé de génération d'un flux thermique. A cet effet, on considère que pour une amplitude de températures entre chambres froide et chaude et une puissance thermique à restituer données, la performance d'un générateur thermique magnétocalorique se mesure selon deux critères essentiels :
- le coefficient de performance (COP) qui est le rapport de l'énergie thermique restituée sur l'énergie mécanique ou électrique consommée (notamment pour mettre en circulation le fluide et entraîner les dispositifs de commutation magnétique et / ou hydraulique), et
- la densité volumique de puissance (en kW/1) qui caractérise la taille du cœur du générateur, à savoir la taille de l'élément magnétocalorique, rapportée à la puissance thermique restituée.
Il existe notamment une demande de générateurs thermiques magnétocaloriques susceptibles de fournir plusieurs kilowatts, ce plus particulièrement pour les applications mobiles généralement à fortes exigences de compacité, ou pour les pompes à chaleur réversibles requérant une amplitude de températures dépassant 80 K. En outre, de tels générateurs devraient proposer un coefficient de performance COP supérieur à 3.
On peut considérer qu'à chaque commutation du champ magnétique (c'est-à-dire lors du passage de statut activé magnétiquement à désactivé magnétiquement, et inversement), la masse de matériau magnétocalorique reçoit, alternativement et de façon instantanée, un stock de " calories " ou de " frigories ", qu'elle restitue ensuite au fluide pendant l'alternance initiée par ladite commutation.
D en résulte que le principal moyen pour maximiser la puissance restituée pour un volume de matériau magnétocalorique donné est d'augmenter la fréquence de commutation magnétique, de façon à bénéficier plus souvent de l'effet magnétocalorique (qui est quasi instantané).
Toutefois, augmenter la fréquence de commutation demande d'augmenter d'autant la performance de l'échange thermique entre le matériau MC et le fluide caloporteur, donc en pratique de multiplier les surfaces d'échange, tout en conservant le volume global de fluide caloporteur contenu dans le matériau magnétocalorique MC. Cela implique d'utiliser un matériau magnétocalorique comportant de nombreux passages de fluide très fins, voire des micro-passages, ou un matériau magnétocalorique poreux.
Or, la puissance nécessaire à la mise en circulation du fluide caloporteur dans le matériau magnétocalorique croît selon le carré du rapport de la longueur du matériau magnétocalorique sur le diamètre hydraulique des canaux ou passages de fluide. De plus, les pertes thermiques de conduction à travers le matériau magnétocalorique (flux conductif parasite allant de la face chaude à la face froide du matériau magnétocalorique) croissent en rapport inverse du carré de la longueur du matériau magnétocalorique. La mise en circulation du fluide caloporteur étant la principale source de consommation de puissance d'un générateur thermique magnétocalorique, toute dégradation de ce poste affecte directement le COP - au dénominateur. On sait que l'énergie mécanique de mise en circulation contribue en outre à la puissance thermique restituée - au numérateur du COP -, positivement en chauffage, et négativement en réfrigération. Quant aux pertes conductives, elles viennent en déduction de la puissance utile restituée, et affectent directement le COP au numérateur.
Il résulte de ce qui précède qu'au niveau actuel de la technologie des alliages magnétocaloriques et des systèmes de magnétisation, les moyens identifiés susceptibles de permettre d'augmenter de manière substantielle la densité de puissance dégradent également puissamment le COP, et que le dimensionnement judicieux d'une pompe à chaleur magnétocalorique pour une application donnée résulte d'un compromis entre son encombrement et son efficacité énergétique.
Exposé de l'invention :
La présente invention vise à dépasser le compromis précité en proposant un procédé permettant d'augmenter la puissance thermique transitant dans un élément magnétocalorique et donc la puissance utile d'un générateur thermique magnétocalorique mettant en œuvre ce procédé, sans perte d'efficacité.
Dans ce but, l'invention concerne un procédé de génération de flux thermique du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il consiste à inverser le sens de circulation du fluide caloporteur au cours desdites phases d'activation et de désactivation magnétique, ladite phase d'activation magnétique comportant une étape initiale au cours de laquelle le fluide caloporteur circule en sens inverse en direction de la chambre froide suivie d'une étape prépondérante au cours de laquelle le fluide caloporteur circule dans le bon sens en direction de la chambre chaude, et ladite phase de désactivation magnétique comportant une étape initiale au cours de laquelle le fluide caloporteur circule en sens inverse en direction de la chambre chaude suivie d'une étape prépondérante au cours de laquelle le fluide caloporteur circule dans le bon sens en direction de la chambre froide.
Le procédé selon l'invention met ainsi en œuvre un couplage particulier entre le cycle magnétocalorique et l'oscillation du fluide, qui par ses caractéristiques spécifiques, maximise le flux thermique actif " ascendant " dans les conditions ci-dessus, améliorant substantiellement la puissance restituée (pour atteindre une densité de puissance de l'ordre de 0.5 à 1 kW/1).
Pour les applications exigeantes en compacité, on peut limiter les déperditions internes liées à l'augmentation de fréquence en diminuant la longueur du régénérateur formé par l'élément magnétocalorique et plus encore l'amplitude d'oscillation du fluide caloporteur le traversant de manière à limiter les pertes de charge fluidiques. Il est ainsi proposé de faire circuler à travers l'élément magnétocalorique, à chaque alternance magnétique, une quantité de fluide caloporteur inférieure à la quantité de fluide susceptible d'être contenue dans ledit élément magnétocalorique de sorte qu'une partie du fluide caloporteur contenu dans l'élément magnétocalorique n'est pas renouvelé. Le taux de renouvellement du fluide caloporteur dans l'élément magnétocalorique est alors inférieur à un.
De préférence, le procédé peut ainsi consister à faire circuler, dans un sens puis dans l'autre de manière alternative, une quantité de fluide caloporteur inférieure à la quantité de fluide caloporteur apte à être contenue dans ledit élément magnétocalorique.
En outre, le procédé peut consister à déterminer une durée de l'étape initiale des phases d'activation et de désactivation magnétique inférieure à la moitié de la durée de chacune desdites phases d'activation et de désactivation magnétique.
L'invention a également pour objet un générateur thermique magnétocalorique comportant au moins un élément magnétocalorique constitué par au moins un matériau magnétocalorique comportant une extrémité chaude en relation avec une chambre chaude et une extrémité froide en relation avec une chambre froide, un moyen d'activation et de désactivation magnétique dudit matériau magnétocalorique et des moyens de circulation entraînant un fluide caloporteur à travers ledit élément magnétocalorique alternativement en direction de la chambre chaude et de la chambre froide de manière synchronisée avec les phases d'activation et de désactivation magnétique. Ce générateur thermique magnétocalorique est caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande desdits moyens de circulation du fluide caloporteur agencée pour inverser son sens de circulation au cours desdites phases d'activation et de désactivation magnétique selon le procédé.
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 IA à ID représentent schématiquement un élément magnétocalorique dans ses différentes étapes de fonctionnement selon le procédé connu de génération de flux thermique, les figures 2A à 2E représentent schématiquement un élément magnétocalorique dans ses différentes étapes de fonctionnement selon le procédé de l'invention, la figure 3A est un diagramme illustrant l'évolution de la température d'une goutte de fluide caloporteur circulant dans l'élément magnétocalorique des figures IA à ID, et - la figure 3B est un diagramme similaire à celui de la figure 3 A relatif au procédé de l'invention mis en œuvre dans l'élément magnétocalorique des figures 2A à 2E.
Illustrations de l'invention :
Les figures 2A à 2E représentent schématiquement, selon une vue en élévation, un élément magnétocalorique 1 constitué par un ou plusieurs matériaux magnétocaloriques 2, par exemple en plaques superposées dont l'espacement définit des canaux de circulation du fluide caloporteur. Cet élément magnétocalorique 1 est traversé par un fluide caloporteur (suivant les flèches) de manière synchronisée avec les phases d'activation et de désactivation magnétique de cet élément magnétocalorique 1. Ces phases d'activation et de désactivation magnétique sont réalisées par l'intermédiaire d'un moyen 7 d'activation et de désactivation magnétique représenté dans l'exemple annexé sous la forme d'un aimant permanent en déplacement relatif par rapport à l'élément magnétocalorique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'aimants permanents. Tout autre dispositif susceptible de produire un champ magnétique peut être utilisé, tel que par exemple un électroaimant alimenté séquentiellement. Afin de faciliter les échanges thermiques avec le fluide caloporteur, ledit élément magnétocalorique 1 peut être poreux de sorte que ses pores constituent des passages de fluide débouchants. Il peut également être sous la forme d'un bloc plein dans lequel des minis ou micro-canaux ont été ménagés ou encore être constitué par un assemblage de plaques, éventuellement rainurées, superposées et entre lesquelles le fluide caloporteur peut s'écouler. Cette configuration correspond à celle représentée. Toute autre forme de réalisation permettant au fluide caloporteur de traverser ledit élément magnétocalorique 1 peut, bien entendu convenir.
Le procédé selon l'invention consiste à faire circuler du fluide caloporteur de manière alternée dans la direction de la chambre froide 6 puis dans la direction de la chambre chaude 4. Cette circulation de fluide caloporteur est synchronisée de manière nouvelle par rapport aux phases d'activation et de désactivation magnétique. En effet, dans les procédés connus (cf. fig. IA-D), le fluide caloporteur est mis à circuler dans la direction de la chambre chaude 4 lorsque l'élément magnétocalorique 1 est activé magnétiquement (et s'échauffe) - cf. fig. IB et IC - et dans la direction de la chambre froide 6 lorsque l'élément magnétocalorique 1 est désactivé magnétiquement (et se refroidit) - cf. fig. IA et ID. Le procédé selon l'invention prévoit d'imposer un déphasage ou décalage temporel entre le changement de sens de circulation du fluide caloporteur et le changement d'état (activé ou désactivé magnétiquement) de l'élément magnétocalorique 1.
De préférence, et comme cela est représenté dans les figures 2A à 2E et 3A, ce déphasage impute un retard de changement de sens de circulation du fluide caloporteur par rapport à celui de changement d'état magnétique de l'élément magnétocalorique.
Ce décalage est représenté plus particulièrement dans les figures 2B et 2D. La figure
2B représente la situation dans laquelle le fluide caloporteur se déplace toujours en direction de la chambre froide 6 alors que le changement de cycle s'est déjà produit, que le matériau est donc activé magnétiquement et s'échauffe. La figure 2D représente, quant à elle, la situation inverse dans laquelle le fluide se déplace toujours en direction de la chambre chaude 4 alors que le changement de cycle s'est déjà produit, que le matériau est donc désactivé magnétiquement et se refroidit.
Ainsi, à la phase d'activation magnétique sont associés deux sens de circulation du fluide caloporteur. Dans un premier temps (phase initiale), ce fluide caloporteur conserve son sens de circulation en direction de la chambre froide 6 (figure 2B) alors que l'élément magnétocalorique 1 est entretemps activé magnétiquement, puis il circule en direction de la chambre chaude 4, tandis que l'élément magnétocalorique 1 reste activé magnétiquement (figure 2C). Intervient ensuite la phase de désactivation magnétique de l'élément magnétocalorique 1 dans laquelle le fluide caloporteur conserve également au départ (phase initiale) le sens de circulation en direction de la chambre chaude 4 (figure 2D) avant de changer de sens de circulation, tandis que l'élément magnétocalorique 1 reste désactivé magnétiquement (figure 2E).
En d'autres termes, la phase d'activation magnétique comporte une étape initiale au cours de laquelle le fluide caloporteur circule à l'envers en direction de la chambre froide 6 et une étape prépondérante au cours de laquelle le fluide caloporteur circule dans le bon sens en direction de la chambre chaude 4 et la phase de désactivation magnétique comporte une étape initiale au cours de laquelle le fluide caloporteur circule à l'envers en direction de la chambre chaude 4 et une étape prépondérante au cours de laquelle le fluide caloporteur circule dans le bon sens en direction de la chambre froide 6.
Comme cela ressort du diagramme de la figure 3B, ce nouveau procédé permet d'augmenter significativement la surface délimitée par la courbe fermée représentant la trajectoire d'une goutte de fluide caloporteur par rapport à celle de la figure 3A qui est représentative du flux thermique actif et donc de la puissance thermique du générateur mettant en œuvre un tel procédé selon l'invention. Les diagrammes des figures 3A et 3B décrivent en effet le déplacement d'une goutte de fluide caloporteur à l'intérieur d'un des passages de l'élément magnétocalorique respectivement selon le procédé connu des figures IA à ID et selon le procédé de l'invention représenté par les figures 2A à 2E.
Le déplacement d'une goutte de fluide, représentatif de la formation du flux actif et est décrit ci-après en regard du procédé des figures IA à ID. Le diagramme de la figure 3A illustre le mécanisme de formation du flux thermique actif remontant le gradient de température établi dans le générateur entre la chambre froide FR et la chambre chaude CH. Dans le diagramme, l'axe des abscisses représente la distance x selon la longueur L du matériau ou élément magnétocalorique MC et l'axe des ordonnées représente la température. La source ou chambre froide FR est située à gauche de l'abscisse 0 et la source chaude CH est située à droite de l'abscisse L. Le fluide caloporteur subit un mouvement linéaire oscillatoire de période τ, et change donc de direction à chaque demi-période. L'amplitude de l'oscillation, égale à la distance parcourue dans chaque direction, est inférieure à la longueur L du matériau magnétocalorique MC, de sorte que l'axe des abscisses représenté dans ce diagramme ne couvre pas toute la longueur L du matériau magnétocalorique MC.
L'on constate que :
- A l'instant t = 0, le matériau magnétique MC est activé. La position de la goutte de fluide caloporteur dans ledit matériau MC est repérée par un premier point, sur la gauche du diagramme. Elle est alors située à son abscisse minimum. La courbe orientée qui part du point, représente l'évolution de la température de la goutte de fluide au cours de son déplacement dans ledit matériau MC, jusqu'à son retour au point de départ au temps t=τ.
- Entre t = 0 et t = τ/2, le matériau magnétocalorique reste activé et cède de la chaleur à la goutte de fluide caloporteur. La température du matériau magnétocalorique (T MMC) le long de la trajectoire de la goutte de fluide suit le gradient de température établi entre les deux sources chaude et froide. Elle est représentée par la droite " Gradient T MMC Activé Initial ".
- A t = τ/2, la température du matériau magnétocalorique le long de la trajectoire de la goutte de fluide diminue à cause de la chaleur qu'il lui a cédée. Elle est représentée par la droite " Gradient T MMC Activé Final ".
La courbe " T MMC au regard de la goutte d'eau " représente la température du matériau magnétocalorique en vis-à-vis de la goutte de fluide. De t = 0 à t = τ/2, elle relie naturellement les deux droites précédentes, joignant la première à gauche du schéma à t = 0, au droit du minimum de la trajectoire de la goutte, et la seconde à droite du schéma à t = τ/2, au droit du maximum de ladite trajectoire, repéré par le second point.
- A t = τ/2, le matériau magnétocalorique est désactivé magnétiquement. Sa température décroit instantanément de ΔTMC, suivant le gradient établi entre la source froide et la source chaude. Elle est représentée par la droite " Gradient T MMC Non Activé Initial ", parallèle aux précédentes. Elle est maintenant inférieure à celle du fluide caloporteur, de sorte que le matériau magnétocalorique reçoit de la chaleur du fluide jusqu'à τ. La goutte de fluide est mise à circuler dans le sens inverse.
- A τ, la température du matériau magnétocalorique remonte à cause de la chaleur qu'il lui a prélevée. Elle est représentée par la droite " Gradient T
MMG Non Activé Final ", toujours parallèle aux précédentes. Comme précédemment, la courbe " T MMC au regard de la goutte de fluide " relie les deux droites, joignant la première t = τ/2, à droite du schéma, au droit du maximum de la trajectoire de la goutte, et la seconde à t = τ, à gauche du schéma, au droit du minimum de ladite trajectoire. - Le matériau magnétocalorique est alors réactivé, regagnant ΔTMC, ce qui restaure la configuration initiale du cycle, à t ≈ 0.
Au bilan de la première demi-période, le matériau magnétocalorique s'est refroidi de ΔTMMC, représenté par la distance entre les deux courbes " Gradient T MMC Activé Initial " et " Gradient T MMC Activé Final ", tandis que la goutte de fluide caloporteur circulant dans le passage en vis-à-vis s'est renouvelée et se retrouve à une température supérieure à celle de la goutte de fluide initiale, toujours suivant le gradient du générateur.
Pour alléger le schéma, le profil de la température du fluide caloporteur le long du passage n'est pas représenté. A t = 0, il serait représenté par une droite parallèle au gradient passant par le premier point, et à t = τ/2, par une droite parallèle passant par le second point, mais également par le petit cercle qui repère, à gauche du diagramme, une autre goutte de fluide venue de la gauche et arrivant à l'abscisse de départ de la première à τ/2. La distance entre le premier point et le petit cercle mesure ainsi la variation de température du fluide en regard du matériau pendant la demi- période.
La seconde demi-période présente naturellement les variations inverses.
Le flux thermique actif qui " remonte " le gradient (ou puissance thermique qui traverse de la gauche vers la droite la section de matériau MC définie par un passage et la demi-paroi qui l'entoure, divisée par la surface de ladite section) peut être apprécié en comparant les énergies échangées à gauche et à droite du centre de symétrie de ladite courbe fermée. Dans la première demi-période, les écarts de températures entre la goutte de fluide et le matériau magnétocalorique MC sont plus grands à gauche qu'à droite. En conséquence, la goutte de fluide reçoit plus d'énergie du matériau MC à gauche qu'à droite. Dans la seconde demi-période, les écarts de températures, symétriques, sont plus grands à droite qu'à gauche. A son retour, la goutte de fluide cède plus d'énergie au matériau MC à droite qu'à gauche. La différence d'énergie échangée entre la partie gauche et la partie droite de la trajectoire est identique, en valeur absolue, au cours des deux demi-périodes. Au bilan, tout revient à ce que la goutte de fluide prélève au matériau MC cette différence d'énergie dans la partie gauche de sa trajectoire, et la lui restitue dans la partie droite. Bien entendu, au cycle suivant, une autre goutte de fluide située plus à droite, viendra prendre l'énergie redéposée par la première, et la porter un peu plus loin. C'est ainsi que l'énergie thermique progresse le long du matériau magnétocalorique MC, en " remontant " le gradient de température.
Les demanderesses ont identifié de manière nouvelle que l'énergie thermique de la goutte de fluide est proportionnelle à sa température, en rapport de sa capacité thermique. Ainsi, l'énergie moyenne qu'une goutte de fluide véhicule au cours de son trajet allant de l'abscisse minimum à l'abscisse maximum de son oscillation - comptée positivement - est proportionnelle à l'aire sous-tendue de la courbe représentant la température de la goutte au cours de ce parcours jusqu'à l'axe horizontal des abscisses, rapportée à la distance "a". De même, l'énergie moyenne qu'elle transporte dans son trajet retour allant de l'abscisse maximum à l'abscisse minimum de son oscillation - comptée négativement - est proportionnelle à l'aire sous-tendue par la courbe représentant la température de la goutte au cours de ce parcours jusqu'à l'axe horizontal des abscisses, toujours rapportée à la distance " a ". Ainsi, l'énergie déplacée de " a " en direction de la source chaude au cours du cycle complet est proportionnelle à la différence des deux aires, toujours rapportée à la distance " a ". Divisant par la période τ et multipliant par la capacité thermique du fluide contenu dans le régénérateur, on obtient le flux de puissance transitant de la source froide à la source chaude. Finalement, le flux de puissance à travers le régénérateur ou élément magnétocalorique est proportionnel à la surface de la trajectoire fermée de la goutte dans le plan du graphique rapportée à la distance "a". Il est positif - vers la source chaude - si la goutte décrit la trajectoire dans le sens horaire, négatif dans le cas contraire.
Grâce à l'invention, en réalisant un déphasage entre le changement de phase d'activation magnétique et le changement de sens de circulation du fluide calôporteur, la surface de la trajectoire fermée de la goutte est augmentée, pour la même quantité de matériau magnétocalorique, ce qui entraîne une augmentation de la puissance thermique d'un générateur thermique mettant en œuvre le procédé selon l'invention.
La durée du déphasage, qui correspond à la durée des étapes initiales décrites ci- dessus, sera choisie en fonction du coefficient d'échange thermique entre l'élément magnétocalorique 1 et le fluide calôporteur. Plus ce coefficient est élevé, plus la température du fluide rejoint rapidement celle du matériau magnétocalorique après l'alternance magnétique, donc plus faible pourra être ce déphasage, et inversement.
Dans le cas d'un procédé mettant en œuvre un taux de renouvellement inférieur à un, la durée de l'étape initiale des phases d'activation et de désactivation magnétique pourra être inférieure à la moitié de la durée de chacune des phases d'activation et de désactivation magnétique.
Notons que le retard du fluide calôporteur préconisé n'a pas de rapport avec un éventuel délai d'activation du matériau magnétocalorique à partir de l'alternance magnétique. Nous considérons ici que l'augmentation de température du matériau magnétocalorique est instantanée. Si un tel délai d'activation était à prendre en compte, par exemple pour certains types de matériaux ou pour des fréquences de cycle élevées, il s'ajouterait au déphasage précédent.
Les figures 2A à 2E représentent le générateur thermique selon l'invention. Bien entendu, il est destiné à échanger de l'énergie thermique avec un ou plusieurs circuits extérieurs d'utilisation (chauffage, climatisation, tempérage, etc.) relié(s) à au moins une chambre chaude 4 ou froide 5, éventuellement par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 4', 6' qui peut être intégré dans chaque chambre chaude 4 et froide 5.
Possibilités d'application industrielle :
II ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir proposer un procédé permettant d'augmenter la puissance thermique d'un élément magnétocalorique et le rendement d'un générateur thermique magnétocalorique mettant en œuvre ce procédé.
Le procédé et le générateur thermique selon l'invention peuvent 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.
La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit 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.

Claims

Revendications
1. Procédé de génération de flux thermique à partir d'un élément magnétocalorique (1), ledit élément magnétocalorique (1) étant constitué par au moins un matériau magnétocalorique (2) comportant une extrémité chaude (3) en relation avec une chambre chaude (4) et une extrémité froide (5) en relation avec une chambre froide (6), ledit procédé consistant à activer et à désactiver magnétiquement de manière alternative l'élément magnétocalorique (1), et à faire circuler un fluide caloporteur à travers ledit élément magnétocalorique (1) alternativement en direction la chambre chaude (4) et de la chambre froide (5) de manière synchronisée avec les phases d'activation et de désactivation magnétique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à inverser le sens de circulation du fluide caloporteur au cours desdites phases d'activation et de désactivation magnétique, ladite phase d'activation magnétique comportant une étape initiale au cours de laquelle le fluide caloporteur circule en sens inverse en direction de la chambre froide (6) suivie d'une étape prépondérante au cours de laquelle le fluide caloporteur circule dans le bon sens en direction de la chambre chaude (4) et ladite phase de désactivation magnétique comportant une étape initiale au cours de laquelle le fluide caloporteur circule en sens inverse en direction de la chambre chaude (4) suivie d'une étape prépondérante au cours de laquelle le fluide caloporteur circule dans le bon sens en direction de la chambre froide (6).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler, dans un sens puis dans l'autre de manière alternative, une quantité de fluide caloporteur inférieure à la quantité de fluide caloporteur apte à être contenue dans ledit élément magnétocalorique (1).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on détermine une durée de l'étape initiale des phases d'activation et de désactivation magnétique inférieure à la moitié de la durée de chacune desdites phases d'activation et de désactivation magnétique.
4. Générateur thermique magnétocalorique comportant au moins un élément magnétocalorique (1) constitué par au moins un matériau magnétocalorique (2) comportant une extrémité chaude (3) en relation avec une chambre chaude (4) et une extrémité froide (5) en relation avec une chambre froide (6), un moyen (7) d'activation et de désactivation magnétique dudit matériau magnétocalorique (1) et des moyens de circulation (8) entraînant un fluide caloporteur à travers ledit élément magnétocalorique (1) alternativement en direction de la chambre chaude et de la chambre froide de manière synchronisée avec les phases d'activation et de désactivation magnétique, générateur caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande desdits moyens de circulation du fluide caloporteur agencée pour inverser son sens de circulation au cours desdites phases d'activation et de désactivation magnétique selon le procédé d'une quelconque des revendications 1 à 3.
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