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PROCEDE DE GENERATION D'UN FLUX THERMIQUE ET
GENERATEUR THERMIQUE MAGNETOCALORIQUE
Domaine technique :
La présente invention concerne un procédé de génération d'un flux thermique à
partir
d'au moins un module thermique comportant au moins deux éléments
magnétocaloriques associés et reliés fluidiquement deux-à-deux, traversés de
part en
part par un fluide caloporteur et soumis à un champ magnétique variable créant
alternativement, dans chaque élément magnétocalorique une phase magnétique
différente correspondant à une phase d'échauffement et à une phase de
refroidissement successives, le fluide caloporteur circulant simultanément à
travers
lesdits éléments magnétocaloriques de manière synchronisée avec la variation
du
champ magnétique.
Elle a également pour objet un générateur thermique pour la mise en oeuvre
dudit
procédé, comportant au moins un module thermique comprenant au moins deux
éléments magnétocaloriques associés reliés entre eux fluidiquement et agencés
pour
être traversés de part en part par un fluide caloporteur, un arrangement
magnétique
destiné à soumettre chaque élément magnétocalorique à un champ magnétique
variable, créant alternativement, dans chaque élément magnétocalorique deux
phases
magnétiques successives correspondant à une phase d'échauffement et à une
phase de
refroidissement, la circulation du fluide caloporteur à travers lesdits
éléments
magnétocaloriques étant réalisée par des moyens de mise en circulation
synchronisés
avec la variation du champ magnétique.
Technique antérieure :
La technologie du froid magnétique à température ambiante est connue depuis
plus
d'une vingtaine d'années et on sait les avantages qu'elle apporte en termes
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d'écologie et de développement durable. On connaît également ses limites quant
à sa
puissance thermique utile et à son rendement. Dès lors, les recherches menées
dans
ce domaine tendent toutes à améliorer les performances d'un tel générateur, en
jouant
sur les différents paramètres, tels que la puissance d'aimantation, les
performances de
l'élément magnétocalorique, la surface d'échange entre le fluide caloporteur
et les
éléments magnétocaloriques, les performances des échangeurs de chaleur, etc.
Le choix des matériaux magnétocaloriques est déterminant et influence
directement
les performances d'un générateur thermique magnétocalorique. Pour augmenter
ces
performances, une solution consiste à associer plusieurs matériaux
magnétocaloriques présentant des températures de Curie différentes en vue
d'augmenter le gradient de température entre les extrémités de cet assemblage.
On connaît ainsi des générateurs thermiques comportant au moins un module
thermique M tel que celui représenté sur les figures 1 A et 1B et comportant
des
matériaux magnétocaloriques MC disposés côte-à-côte et alignés, et des moyens
de
circulation du fluide caloporteur, tels que des pistons P, destinés à
entraîner le fluide
caloporteur selon un mouvement de va et vient à travers l'ensemble des
matériaux
magnétocaloriques MC, de part et d'autre de ces derniers, entre le côté froid
F et le
côté chaud C de l'assemblage de matériaux magnétocaloriques MC, et en
synchronisation avec la variation d'un champ magnétique (non représenté).
Comme
représenté sur les figures 1 A et 1B, ces pistons P sont disposés de part et
d'autre de
l'assemblage de matériaux magnétocaloriques MC et se déplacent alternativement
dans un sens puis dans l'autre, les figures 1 A et 1B représentant les pistons
dans leurs
deux positions extrêmes.
Il ressort des figures 1 A et 1B que le fluide se déplace soit dans un sens,
en direction
de l'extrémité chaude C (le sens de déplacement du fluide caloporteur est
représenté
par les flèches en pointillés, cf. figure 1A) lorsque les matériaux
magnétocaloriques
subissent un cycle d'échauffement, soit dans l'autre sens, en direction de
l'extrémité
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à
froide F (le sens de déplacement du fluide caloporteur est représenté par les
flèches
en trait plein, cf. figure 1B) lorsque les matériaux magnétocaloriques
subissent un
cycle de refroidissement.
Ce module thermique M présente un inconvénient dû au fait que pour atteindre
un
gradient de température, il est nécessaire de faire circuler un fluide
caloporteur à
travers l'ensemble des matériaux. L'utilisation de plusieurs éléments
magnétocaloriques MC entraîne une augmentation de la longueur de matériau à
traverser par ledit fluide caloporteur. Ainsi, pour ne pas diminuer le nombre
de cycles
(un cycle étant défini par un échauffement et un refroidissement de l'élément
magnétocalorique), il est nécessaire d'augmenter la vitesse du fluide
caloporteur. Or,
l'augmentation de vitesse a pour effet une augmentation de la pression, ce qui
aggrave les pertes de charge et diminue l'efficacité de l'échange thermique
entre le
fluide caloporteur et les éléments magnétocaloriques, et entraîne une
réduction du
rendement thermique du générateur magnétocalorique.
On sait également que pour augmenter la puissance thermique d'un générateur
magnétocalorique, une possibilité consiste à augmenter le nombre de cycles par
seconde. Or, cela a pour effet une augmentation de la vitesse, entraînant
également
les inconvénients précités.
Un générateur comportant un module thermique M tel qu'illustré dans les
figures 1 A
et 1B nécessite une durée de fonctionnement préalable non négligeable pour
atteindre
un gradient de température exploitable entre les deux extrémités du fait de la
multiplicité des matériaux utilisés.
La demanderesse a proposé, dans sa demande de brevet FR 08/05901 non encore
publiée, un générateur thermique magnétocalorique permettant d'améliorer le
rendement thermique des générateurs connus ce, avec une même quantité ou
longueur de matériau.
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Elle a également proposé, dans les demandes de brevet WO 2007/026062 et WO
2008/012411 des générateurs thermiques magnétocaloriques de construction
modulaire et comportant deux circuits chaud et froid distincts en contact avec
les
matériaux magnétocaloriques.
Exposé de l'invention :
La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur
précité et à
proposer, en variante à l'objet de sa demande de brevet FR 08/05901, un
procédé de
génération d'un flux thermique pouvant être facilement mis en oeuvre par un
générateur thermique magnétocalorique et présentant un rendement thermique
amélioré, qui permette également d'atteindre un gradient de température plus
important entre les extrémités chaude et froide dudit générateur et ce, plus
rapidement, de manière à augmenter son efficacité pour une même quantité ou
longueur de matériau magnétocalorique.
Dans ce but, l'invention concerne un procédé du genre indiqué en préambule,
caractérisé en ce qu'il consiste, en outre,
à relier lesdits éléments magnétocaloriques deux à deux par deux circuits
fluidiques distincts,
à soumettre lesdits éléments magnétocaloriques un sur deux à une variation
opposée du champ magnétique de manière à créer simultanément dans chacun des
phases magnétiques opposées,
à faire circuler le fluide caloporteur dans lesdits éléments magnétocaloriques
deux-à-deux simultanément et dans deux sens opposés et de telle sorte que,
d'une
part, le volume de fluide sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques à
travers un
desdits circuits fluidiques à l'issue d'une phase magnétique d'échauffement
est mis à
circuler, au cours de la phase magnétique suivante, dans l'élément
magnétocalorique
suivant subissant alors une phase magnétique d'échauffement et que, d'autre
part, le
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volume de fluide sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques à travers
l'autre
desdits circuits fluidiques à l'issue d'une phase magnétique de
refroidissement est mis
à circuler, au cours de la phase magnétique suivante, dans l'élément
magnétocalorique suivant subissant une phase magnétique de refroidissement, et
5 inversement et,
entre deux phases magnétiques opposées, à stocker le fluide caloporteur
sortant d'un desdits éléments magnétocaloriques dans une zone de réception
intermédiaire.
L'invention a également pour objet un générateur thermique tel que décrit en
préambule, caractérisé en ce que lesdits éléments magnétocaloriques sont
reliés
fluidiquement deux à deux par deux circuits fluidiques distincts µcomportant
chacun
au moins un compartiment apte à réceptionner, au cours d'une phase magnétique,
un
volume défini de fluide caloporteur sortant d'un desdits éléments
magnétocaloriques ,
et à le renvoyer vers l'élément magnétocalorique suivant au cours de la phase
magnétique suivante.
Le procédé selon l'invention peut notamment consister à faire circuler le
fluide
caloporteur de manière simultanée en direction d'une première extrémité dudit
module thermique, dite extrémité froide à travers chaque élément
magnétocalorique
subissant une phase de refroidissement, et en direction de la seconde
extrémité dudit
module thermique, dite extrémité chaude à travers chaque élément
magnétocalorique
subissant une phase d'échauffement.
Il peut, en outre, consister à relier fluidiquement les éléments
magnétocaloriques
deux à deux par l'intermédiaire de deux circuits distincts, respectivement un
circuit
de fluide se refroidissant dit circuit froid et un circuit de fluide
s'échauffant dit circuit
chaud, lesdits deux circuits comportant chacun un compartiment formant une
zone de
réception intermédiaire, étant disposé entre deux éléments magnétocaloriques
adjacents, et agencé pour recevoir le fluide caloporteur sortant d'un élément
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magnétocalorique avant sa réinjection dans l'élément magnétocalorique suivant.
Pour augmenter la plage de température de sa mise en oeuvre (par exemple entre
-
25 C et +65 C), le procédé selon l'invention peut consister à disposer dans
ledit
module thermique des éléments magnétocaloriques comportant chacun une
température de Curie différente, selon leur température de Curie croissante en
direction de l'extrémité chaude dudit module thermique.
Dans cette configuration, ledit procédé peut également consister à réaliser
lesdits
éléments magnétocaloriques à partir de plusieurs matériaux magnétocaloriques
agencés selon une température de Curie croissante en direction de l'extrémité
chaude
dudit module thermique.
Dans le générateur thermique mettant en oeuvre le procédé selon l'invention,
lesdits
moyens de mise en , circulation peuvent comporter un piston dans chaque
compartiment agencé pour aspirer et refouler ledit volume défini de fluide
caloporteur.
En outre, lesdits éléments magnétocaloriques peuvent être à reliés entre eux
fluidiquement par l'intermédiaire de deux circuits distincts et parallèles,
respectivement un circuit de fluide se refroidissant dit circuit froid et un
circuit de
fluide s'échauffant dit circuit chaud, ces circuits étant pourvus de moyens de
contrôle
du sens de circulation du fluide caloporteur de sorte que la circulation du
fluide
caloporteur dans lesdits circuits est réalisée en sens opposés.
Description sommaire des dessins :
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description
suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en
référence
aux dessins annexés, dans lesquels:
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les figures 1 A et 1B sont des vues schématiques d'un module thermique de
l'art antérieur,
les figures 2A à 2C sont des vues schématiques d'un module thermique
constitué par quatre éléments magnétocaloriques respectivement dans trois
phases
successives du procédé selon l'invention et illustrant le déplacement du
fluide
caloporteur à travers lesdits éléments,
la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un module
thermique selon l'invention,
la figure 4 est une vue en élévation d'une partie du module thermique de la
figure 3,
- les figures 5A et 5B sont des vues en coupe du module thermique de
la figure
3 respectivement selon les plans C-C et D-D de la figure 4, représentant le
module
thermique dans une première phase magnétique,
la figure 6 est une vue en élévation d'une partie du module thermique de la
figure 3, identique à la figure 4, et
les figures 7A et 7B sont des vues en coupe du module thermique de la figure
3 respectivement selon les plans A-A et B-B de la figure 6, représentant le
module
thermique dans une seconde phase magnétique.
Illustrations de l'invention :
Dans les exemples de réalisation illustrés, les pièces ou parties identiques
portent les
mêmes références numériques.
Le module thermique 1 représenté aux figures 2 à 7 annexées comporte quatre
éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 définissant une extrémité froide 3 à
gauche et une extrémité chaude 4 à droite des figures, ces éléments étant
reliés entre
eux deux à deux, à savoir entre les éléments magnétocaloriques 21 et 22, 22 et
23, et
23 et 24 adjacents. Ces éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 sont reliés
entre
eux à chaque fois par deux circuits fluidiques distincts 8 et 9, à savoir un
circuit froid
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8 et un circuit chaud 9. Les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23 et 24 sont
reliés
en série dans deux circuits fluidiques distincts 8 et 9 reliés en parallèle.
Chaque
circuit fluidique 8, 9 comprend un piston 61, 62, 63; 71, 72, 73 formant un
moyen de
mise en circulation du fluide caloporteur, la chambre de chaque piston formant
un
compartiment 81, 82, 83 respectivement 91, 92, 93 relié fluidiquement aux
éléments
magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 correspondants. Lesdits compartiments 81,
82,83,
91, 92, 93 réalisent des zones de réception intermédiaires du fluide
caloporteur, ledit
fluide y étant aspiré et refoulé entre deux phases magnétiques. En outre, les
circuits
8, 9 comportent également des moyens de contrôle du sens de circulation du
fluide
caloporteur (cf. fig. 5A et 5B), tels que des clapets anti-retour, par
exemple. Ces
moyens de contrôle du fluide caloporteur ont pour objet d'imposer le sens de
circulation du fluide caloporteur dans les circuits 8, 9 et par exemple, en
référence
aux figures, de droite à gauche pour le circuit 8, c'est-à-dire de l'extrémité
chaude 4.
vers l'extrémité froide 3, et de gauche à droite pour le circuit 9, c'est-à-
dire de
l'extrémité froide 3 vers l'extrémité chaude 4.
Les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23 et 24 présentent des températures de
Curie croissantes de l'extrémité froide 3 vers l'extrémité chaude 4, l'élément
magnétocalorique 24 comportant la température de Curie la plus élevée étant
disposé
au niveau de l'extrémité chaude 4 du module thermique 1. En variante, chaque
élément magnétocalorique 2 peut être réalisé par un assemblage de plusieurs
matériaux magnétocaloriques différents, également disposés selon leur
température
de Curie croissante. Ces éléments magnétocaloriques comportent des passages de
fluide débouchant (non représentés) qui peuvent être constitués par les pores
d'un
matériau poreux, des mini ou micro-canaux usinés dans un bloc plein ou obtenus
par
un assemblage de plaques rainurées superposées, par exemple.
Les extrémités froide 3 et chaude 4 du module thermique 1 sont confondues avec
les
extrémités froide et chaude des deux éléments magnétocaloriques 21 et 24
disposés
aux extrémités dudit module thermique 1. Elles sont, bien entendu, également
reliées
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avec un ou plusieurs moyens de mise en circulation du fluide caloporteur, tels
que
des pistons ou tout autre dispositif équivalent non représentés sur les
figures 2A à
2C. Elles peuvent être également couplées à des échangeurs de chaleur ou tout
moyen équivalent permettant de diffuser les calories et/ou les frigories vers
une ou
plusieurs applications externes.
Le module thermique 1 représenté aux figures 3, 5A, 5B, 7A et 7B comporte une
structure linéaire dans laquelle les quatre éléments magnétocaloriques 21, 22,
23 et
24 sont alignés. Bien entendu, toute autre forme appropriée peut convenir.
Les figures 3, 5A, 5B, 7A et 7B ne représentent pas l'arrangement magnétique 5
permettant de soumettre les éléments magnétocaloriques 21 à 24 à un champ
magnétique variable. Ledit arrangement magnétique 5 est toutefois représenté
schématiquement sur les figures 2A à 2C. Il peut être constitué par des
aimants
permanents en déplacement relatif par rapport aux éléments magnétocaloriques
21 à
24 ou par tout autre moyen analogue.
Chaque élément magnétocalorique 21, 22, 23, 24 est apte à être traversé par un
fluide
caloporteur entraîné par les pistons 61, 62, 63; 71, 72, 73 et est soumis à
une
variation de champ magnétique par l'intermédiaire de l'arrangement magnétique
5
générant des phases d'échauffement et de refroidissement alternées, un cycle
magnétique étant constitué par deux phases magnétiques coïncidant avec une
phase
de refroidissement et une phase d'échauffement de l'élément magnétocalorique
21,
22, 23, 24 correspondant. Le déplacement des pistons 61, 62, 63; 71, 72, 73
est
synchronisé avec la variation du champ magnétique de telle manière que le
fluide
caloporteur se déplace en direction de l'extrémité chaude 4 à travers chaque
élément
magnétocalorique 21 et 23 ou 22 et 24 subissant un cycle d'échauffement, et en
direction de l'extrémité froide 3 à travers chaque élément magnétocalorique 22
et 24
ou 21 et 23 subissant un cycle de refroidissement. Ce déplacement est possible
grâce
aux deux circuits fluidiques 8 et 9 distincts reliant chacun les éléments
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magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 en série. En effet, un premier circuit
fluidique 8, dit
circuit froid, est dédié au déplacement du fluide caloporteur, de droite à
gauche sur
les figures, ne traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que
lorsqu'ils
subissent un cycle de refroidissement et le second circuit fluidique 9, dit
circuit
5 chaud, est dédié au déplacement du fluide caloporteur, de gauche à droite
sur les
figures, ne traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que
lorsqu'ils
subissent un cycle d'échauffement. Il en est de même pour les chambres 81, 82,
83 ;
91, 92, 93 dont une première partie 81, 82, 83 correspond au premier circuit
fluidique
8 et réceptionne uniquement le fluide caloporteur se refroidissant en
traversant les
10 éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que lorsqu'ils subissent un
cycle de
refroidissement, et dont la seconde partie 91, 92, 93 correspond au second
circuit
fluidique 9 et réceptionne uniquement le fluide caloporteur se -réchauffant en
traversant les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 que lorsqû'ils
subissent un
cycle d'échauffement.
Comme déjà indiqué, des moyens de contrôle du fluide caloporteur sont intégrés
dans
chaque circuit 8, 9 afin d'y imposer le sens de circulation du fluide
caloporteur. En
d'autres termes, entre deux éléments magnétocaloriques, un circuit 8, dit
circuit
chaud est destiné à faire circuler le fluide caloporteur dans un sens et un
autre circuit
9, dit circuit froid est destiné à faire circuler le fluide caloporteur dans
le sens opposé.
Il n'y a pas de changement de sens de circulation dans lesdits circuits 8, 9,
chacun
étant destiné à faire circuler le fluide caloporteur dans un unique sens, à
savoir d'un
élément magnétocalorique vers l'élément magnétocalorique auquel il est relié
par
lesdits circuits 8, 9. De ce fait, si l'on considère les circuits chaud 9 et
froid 8 reliant
les éléments magnétocaloriques 21 et 22, le circuit chaud 9 est destiné à
transférer le
fluide caloporteur sortant de l'élément magnétocalorique 21 à l'issue d'une
phase
d'échauffement vers l'élément magnétocalorique 22 avec un stockage ou passage
temporaire dans une zone de réception 91 et le circuit froid 8 est destiné à
transférer
le fluide caloporteur sortant de l'élément magnétocalorique 22 à l'issue d'une
phase de
refroidissement vers l'élément magnétocalorique 21 avec un stockage ou passage
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temporaire dans une zone de réception 81. Le circuit chaud 9 fait circuler le
fluide
caloporteur vers l'extrémité chaude 4 et le circuit froid 8 fait circuler le
fluide
caloporteur vers l'extrémité froide 3. Les zones de réception intermédiaire
81, 91
permettent de stocker le fluide caloporteur entre deux phases magnétiques.
Les figures 2A à 2C illustrent le module thermique 1 dans trois phases
magnétiques
successives du procédé. Les figures 2A, 2C et 5A et 5B représentent le module
thermique 1 dans lequel les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24 sont
dans le
même état magnétique, à savoir : le premier et le troisième éléments
magnétocaloriques 21 et 23 en partant de la gauche sur ces figures sont soumis
à un
champ magnétique ou à un accroissement de champ magnétique généré par
l'arrangement magnétique 5 et sont dans une phase d'échauffement, et les deux
autres
éléments magnétocaloriques 22 et 24 du module thermique 1 sont soumis à un
champ
magnétique nul, ou à une diminution de champ magnétique et sont dans une phase
de
refroidissement.
Dans le cas de matériaux magnétocaloriques à effet inverse, leur soumission à
un
champ magnétique ou à un champ magnétique croissant entraînerait leur
refroidissement et le retrait de ce champ ou leur soumission à un champ
magnétique
faible ou décroissant entraînerait leur échauffement. Le procédé selon
l'invention
resterait donc inchangé, seules les phases du cycle seraient inversées par
rapport à la
variation du champ magnétique.
Les figures 2B, 7A et 7B représentent le module thermique 1 dans lequel les
premier
et troisième éléments magnétocaloriques 21 et 23 sont dans une phase de
refroidissement, car ils ne sont plus soumis au champ magnétique et les deux
autres
éléments magnétocaloriques 22 et 24 sont soumis à un champ magnétique généré
par
l'arrangement magnétique 5 et en phase d'échauffement. La circulation du
fluide
= caloporteur est commandée par les pistons 61, 62, 63; 71, 72, 73.
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Les figures 2A, 5A et 5B représentent la première phase magnétique dans
laquelle les
pistons 61, 71 et 63, 73 situés respectivement entre le premier élément
magnétocalorique 21 activé (soumis à un champ magnétique ou à un champ
magnétique croissant) et le deuxième élément magnétocalorique 22 désactivé
(non
soumis à un champ magnétique ou soumis à un champ magnétique décroissant) et
entre le troisième élément magnétocalorique 23 activé et le quatrième élément
magnétocalorique 24 désactivé sont déplacés vers le bas, en mode aspiration,
de sorte
que leur chambre ou compartiment 81, 91 et 83, 93 aspire le fluide
caloporteur, et les
deux autres pistons 62 et 72 sont déplacés vers le haut, en mode refoulement,
de sorte
que leur chambre ou compartiment 82, 92 expulse le fluide caloporteur qu'elle
contient.
Les figures 2B, 7A et 7B représentent la deuxième phase magnétique dans
laquelle
les pistons 61, 71 et 63, 73 situés respectivement entre le premier élément
magnétocalorique 21 à présent désactivé et le deuxième élément
magnétocalorique
22 activé et entre le troisième élément magnétocalorique 23 désactivé et le
quatrième
élément magnétocalorique 24 activé sont déplacés vers le haut, en mode
refoulement,
de sorte que leur chambre ou compartiment 81, 91 et 83, 93 expulse le fluide
caloporteur qu'elle contient, et les deux autres pistons 62 et 72 sont
déplacés vers le
bas, en mode aspiration, de sorte que leur chambre ou compartiment 82, 92
aspire du
fluide caloporteur.
La figure 2C représente la troisième phase magnétique qui correspond à la
première
phase magnétique illustrée à la figure 2A.
En référence aux figures 2A, 2B, 2C, 5A, 5B, 7A et 7B, on constate que le
fluide
caloporteur qui est mis à circuler à travers le premier élément
magnétocalorique 21
subissant un échauffement et dirigé vers la chambre 91 dans la première phase
magnétique de la figure 2A est, au cours de la deuxième phase magnétique de la
figure 2B, mis à circuler à travers le deuxième élément magnétocalorique 22
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subissant également un échauffement et dirigé vers la chambre 92, puis est mis
à
circuler à travers le troisième élément magnétocalorique 23 subissant un
échauffement et dirigé en direction de la chambre 93 lors de la troisième
phase
magnétique de la figure 2C. De manière similaire, le fluide caloporteur est
mis à
circuler à travers le quatrième élément magnétocalorique 24 subissant un
refroidissement et dirigé vers la chambre 83 dans la première phase magnétique
de la
figure 2A est, au cours de la deuxième phase magnétique de la figure 2B, mis à
circuler à travers le troisième élément magnétocalorique 23 subissant
également un
refroidissement et dirigé vers la chambre 82, puis, lors de la troisième phase
magnétique de la figure 2C, est mis à circuler à travers le deuxième élément
magnétocalorique 22 subissant un refroidissement et dirigé vers la chambre 81.
Ainsi, le fluide caloporteur circulant de l'extrémité froide 3 vers
l'extrémité chaude 4,
de gauche à droite sur les figures, s'échauffe au fur et à mesure qu'il
s'approche de
ladite extrémité chaude 4 car il est successivement échauffé par chaque
élément
magnétocalorique 21 à 24 en profitant de l'échauffement de chacun de ces
derniers
lorsqu'il les traverse. Simultanément, le fluide caloporteur circulant de
l'extrémité
chaude 4 vers l'extrémité froide 3, de droite à gauche sur les figures, se
refroidit au
fur et à mesure qu'il s'approche de ladite extrémité froide 3 car il est
successivement
refroidit par chaque élément magnétocalorique 24 à 21 en profitant du
refroidissement de ces derniers lorsqu'il les traverse. En outre, les circuits
fluidiques
froid 8 et chaud 9 sont dissociés, de sorte que le volume de fluide
caloporteur
circulant à travers les éléments magnétocaloriques lorsqu'ils s'échauffent ne
se
mélange jamais avec le volume de fluide caloporteur circulant à travers les
mêmes
éléments magnétocaloriques 21 à 24 lorsqu'ils se refroidissent. Une telle
configuration avec notamment les éléments magnétocaloriques 21 à 24 disposés
selon leur température de Curie croissante, et un tel procédé permettent
d'augmenter
le gradient de température entre les extrémités chaude et froide du module
thermique
1, et de l'atteindre rapidement. En d'autres termes, l'invention permet
d'obtenir
rapidement un important gradient de température et donc une forte puissance
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thermique utile susceptible d'être extraite d'un tel module thermique 1.
Le procédé selon l'invention permet de créer un gradient de température entre
les
extrémités chaude 4 et froide 3 d'un module thermique 1 et de maintenir ce
gradient
lorsqu'il y a extraction ou échange d'énergie thermique avec une application
ou un
circuit extérieur. Le générateur thermique selon l'invention est en effet
destiné à
échanger de l'énergie thermique avec un ou plusieurs circuits extérieurs
d'utilisation
(chauffage, climatisation, tempérage, etc.) en y étant relié au niveau d'au
moins une
des extrémités froide 3 ou chaude 4 de chaque module thermique 1,
éventuellement
par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Une chambre chaude ou froide
peut
également être mise en relation ou reliée fluidiquement avec l'extrémité
chaude 4 ou
froide 3 du module thermique 1.
En outre, l'entraînement du fluide caloporteur de manière sectionnée, c'est-à-
dire par
l'intermédiaire de moyens de mise en circulation entre deux éléments
magnétocaloriques adjacents, présente de nombreux avantages par rapport aux
générateurs connus dans lesquels le fluide circule simultanément à travers
tous les
éléments magnétocaloriques MC dans une première direction, du premier élément
magnétocalorique au dernier élément magnétocalorique, puis à travers les mêmes
éléments magnétocaloriques MC, mais dans la direction inverse de la première
(cf.
figures lA et 1B).
Un premier avantage réside dans le fait que les pertes de charge sont
réparties et
réduites, le fluide caloporteur entraîné par un piston 61, 62, 63; 71, 72, 73
ne
traversant qu'un élément magnétocalorique 2 à chaque phase magnétique et non
tous
les éléments magnétocaloriques 2 constituant un module thermique 1.
A cet effet, en référence aux figures 2A à 2C les flèches illustrent le sens
de
déplacement du fluide caloporteur, les flèches en pointillés correspondant à
un
déplacement vers l'extrémité chaude 4 et les flèches en trait plein illustrant
un
CA 02833100 2013-10-10
WO 2011/135205
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déplacement vers l'extrémité froide 3.
Un second avantage apparaît lorsque l'on compare le système connu de l'art
antérieur
représenté dans les figures lA et 1B avec celui selon l'invention dans lequel
on est en
5 présence
d'une même longueur de matériau magnétocalorique. On constate que pour
une même vitesse du fluide caloporteur traversant les éléments
magnétocaloriques
MC, la fréquence des cycles est multipliée par quatre dans le générateur selon
de
l'invention comportant un module thermique 1. Il en résulte que la puissance
thermique d'un tel générateur thermique est également augmentée dans la même
10 proportion.
A titre d'exemple illustratif, pour une vitesse de fluide caloporteur de 100
mm/s et
une longueur de 100 millimètres par élément magnétocalorique :
- pour
traverser tous les éléments magnétocaloriques MC du système connu de
15 l'art
antérieur représenté dans les figures 1 A et 1B, le temps nécessaire est de
(4x100) +100 = 4 secondes, ce qui équivaut à une fréquence de 0,25 hertz,
- alors que pour traverser tous les éléments magnétocaloriques 21 à 24 du
générateur thermique 1 selon l'invention, le temps nécessaire est de (1 x100)
+100 = 1 seconde, ce qui équivaut à une fréquence de 1 hertz, soit quatre fois
plus rapide.
Également, et toujours en comparant le module thermique 1 selon l'invention
avec le
système connu de l'art antérieur, on constate que pour une même fréquence de
cycles
(démagnétisation et magnétisation), la vitesse de déplacement du fluide
caloporteur
est divisée par quatre dans le générateur thermique selon l'invention. Cela a
pour
effet que dans l'invention, les pertes de charges sont réduites, ce qui
équivaut à une
diminution de l'énergie nécessaire pour déplacer le fluide caloporteur et à
une
augmentation du temps d'échange et donc de la puissance thermique échangée.
A titre d'exemple illustratif, pour une fréquence de 0,5 hertz correspondant à
une
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phase d'échauffement (ou magnétisation) d'une seconde et à une phase de
refroidissement (ou démagnétisation) d'une seconde et une longueur de 100
millimètres par élément magnétocalorique :
pour traverser tous les éléments magnétocaloriques MC du système connu de
l'art antérieur représenté dans les figures 1 A et 1B pendant une seconde, il
est
nécessaire que la vitesse du fluide caloporteur soit de (4x0,100) 1 = 0,4
m/s,
alors que pour traverser, tous les éléments magnétocaloriques 21, 22, 23, 24
du module thermique 1 selon l'invention, la vitesse du fluide caloporteur
entraîné au
niveau de chaque chambre commune est de (1x0,100) 1 = 0,1 m/s.
Les figures annexées ne représentent pas les moyens de manoeuvre des pistons
81, 82,
83; 71, 72, 73. Ces moyens de manoeuvre peuvent être réalisés par une came de
commande correspondante montée sur un arbre en rotation sur lui-même, par
exemple, ou tout moyen équivalent.
Dans une telle configuration, il est également possible de disposer plusieurs
modules
thermiques 1 en étoile, par exemple décalés les uns des autres selon un angle
de 90
et de réaliser une came de commande comportant des lobes correspondants
également décalés les uns des autres d'un angle de 90 , lesdits modules
thermiques
étant alors disposés radialement autour d'un arbre de telle manière que chaque
lobe
actionne un piston de chacun desdits modules thermiques 1.
Dans une seconde forme de réalisation non représentée, la man uvre des pistons
81,
82, 83 ; 71, 72, 73 peut être réalisée par un chariot de manoeuvre se
déplaçant selon
un mouvement de translation de va-et-vient le long dudit module thermique 1 et
comportant une rainure de guidage dans laquelle sont guidés des éléments de=
liaison
correspondants de chaque piston. La rainure de guidage peut avoir une forme en
dents de scie et les pistons peuvent être disposés sensiblement au droit du
chariot de
man uvre.
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De manière avantageuse, le procédé consiste à faire circuler le fluide
caloporteur à
travers l'ensemble des éléments magnétocaloriques 21 à 24 afin d'établir
rapidement
un gradient de température important entre les deux extrémités froide 3 et
chaude 4
de l'élément magnétocalorique 1. Dans ce procédé, une première partie du
fluide
caloporteur circule en direction de l'extrémité froide 3 et ne traverse les
éléments
magnétocaloriques 24 à 21 que lorsqu'ils sont dans une phase de
refroidissement et
une seconde partie du fluide caloporteur circule de manière simultanée en
direction
de l'extrémité chaude 4 et ne traverse les éléments magnétocaloriques 21 à 24
que
lorsqu'ils sont dans une phase d'échauffement. De ce fait, le fluide circulant
dans le
circuit froid 8 se refroidit au fur et à mesure qu'il se rapproche de
l'extrémité froide 3
et traverse des éléments magnétocaloriques 24 à 21 rangés selon leur
température de
Curie décroissante et échange thermiquement avec eux tandis que le fluide
circulant
dans le circuit chaud 9 s'échauffe au fur et à mesure qu'il se rapproche de
l'extrémité
chaude 4 et traverse des éléments magnétocaloriques 21 à 24 rangés selon leur
température de Curie croissante et échange thermiquement avec eux.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ces formes de réalisation
décrites et tout
type de dispositif permettant la manoeuvre des pistons 81, 82, 83; 71, 72, 73
peut
convenir.
Un générateur selon l'invention peut comporter un ou plusieurs modules
thermiques
1. Le nombre et la disposition spatiale de ces modules thermiques dépendra de
l'encombrement disponible et la de puissance thermique nécessaire.
Possibilités d'application industrielle :
Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre
les buts
fixés, à savoir proposer un générateur thermique comportant un ou plusieurs
modules
thermiques 1, de construction simple et d'efficacité améliorée.
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Un tel générateur thermique peut trouver une application aussi bien
industrielle que
domestique dans le domaine du chauffage, de la climatisation, du tempérage,
refroidissement ou autres, ce, à des coûts compétitifs et dans un faible
encombrement.
En outre, toutes= les pièces composant ce générateur thermique peuvent être
réalisées
selon des processus industriels reproductibles.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits
mais
s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier
tout en
restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications
annexées.
