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RÉSUMÉ
Les systèmes de réfrigération magnétique autour de la température ambiante sont une solution alternative à la réfrigération par gaz compressé. Ces appareils ont atteint le stade de l'industrialisation, préalable à une prochaine mise sur le marché pour des puissances aujourd'hui limitées. La réfrigération, basée sur la compression/détente, est confrontée à des environnements contraignants sans véritable solution alternative, alors que le froid magnétique peut apporter des solutions crédibles au remplacement des compresseurs. Après un rappel du contexte et de l'effet magnétocalorique, l'article se focalise sur les spécifications marchés, les contraintes d'industrialisation et de coûts, et les prototypes rotatifs industrialisés et leurs composants. Des perspectives d'évolution vers des puissances plus élevées sont avancées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Christian MULLER : Directeur de recherche dans le domaine du froid magnétique - Président de la société Cooltech Applications
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Guillaume BRUMPTER : Ingénieur conception en systèmes de froid magnétique - Ingénieur en mécanique de l'ENIM,Cooltech Applications
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Lhassan ELOUAD : Docteur en sciences - Ingénieur de recherches pour les sciences fondamentales - Ingénieur essais, Cooltech Applications
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Jean-Baptiste POLMARD : Ingénieur en mécanique énergie – UHP Nancy 1 - Ingénieur de recherches - Ingénieur essais, Cooltech Applications
INTRODUCTION
Le domaine de la réfrigération et de la climatisation recouvre des secteurs d'applications larges, multiples et diversifiés (tant industriels que grand public). C'est également un marché fortement porteur, en progression régulière de 2 à 4 % par an.
Le froid, nécessaire à l'économie et à la société moderne pour l'alimentation, la santé et le confort (réfrigération, climatisation…) est majoritairement produit par des systèmes basés sur le principe thermodynamique classique de compression et de détente d'un fluide.
Cette technologie, datant des années 1880, est mature et bien maîtrisée. Elle est régulièrement confrontée à un environnement réglementaire et sociétal qui devient très contraignant. (voir articles [BE 9 720] et [BE 9 723]).
Le froid magnétique peut apporter des réponses crédibles aux industriels et utilisateurs en recherche de solutions alternatives aux systèmes de compression de gaz (compresseurs à gaz actuels).
Les systèmes de réfrigération magnétique autour de la température ambiante ont atteint le stade du développement industriel.
1881. Découverte par Warburg de l'effet magnétocalorique. Propriétés des matériaux = variation de température sous l'action d'un champ magnétique.
1949. Prix nobel de chimie. Reconnaissance scientifique = élargissement et intérêt accru pour des travaux de recherche.
1980. Preuve du concept. Écarts de température (spans) importants et mesurés de plus de 45 oC avec du gadolinium en utilisant des aimants supraconducteurs (B > 7 T).
1994. Progression des performances des aimants permanents de type NdFeB (Néodyme Fer Bore) permettant des applications industrielles et des innovations importantes dans le froid magnétique (par exemple : B > 1,2 T avec des aimants standard).
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Structure générale d'un appareil rotatif de réfrigérationArticle inclus dans l'offre
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3. Appareils de réfrigération magnétique
3.1 Principaux prototypes récents existants
Les caractéristiques et résultats pour quatre prototypes évolués, établis sur la base des informations disponibles à la conférence internationale sur le froid magnétique à température ambiante, THERMAG V, qui s'est tenue à Grenoble en septembre 2012, sont données dans le tableau 3.
Un réseau magnétique Halbach est une géométrie particulière d'aimants permanents (assemblage d'aimants dans une structure en forme de pétales/segments), qui permet d'augmenter le champ magnétique initial des aimants utilisés (B final supérieur au B r rémanent initial) en utilisant un motif spatial de rotation du sens de magnétisation de chaque aimant élémentaire de la structure Halbach.
Hormis l'appareil de la société Cooltech Applications, la majorité des prototypes présentés à THERMAG V ne sont pas industrialisés. En effet, ce sont majoritairement des prototypes de R ainsi que des démonstrateurs.
Des développements et simplifications complémentaires devront être apportés à ces démonstrateurs pour pouvoir répondre aux contraintes d'une application industrielle, quel que soit le segment ciblé, et pour démarrer une industrialisation.
HAUT DE PAGE3.2 Solutions techniques et principes retenus
La plupart des études présentées à THERMAG V concernaient trois grandes familles d'alliages : Gd (Gadolinium) et ses alliages, LaFeSi (Lanthane Fer Silicium) et MnFeP (Manganèse, Fer, Phosphore).
Les systèmes magnétiques illustrés étaient basés sur des architectures Halbach complexes capables d'atteindre un champ magnétique supérieur à 1,4 T avec des aimants permanents.
Les dispositifs représentés étaient en général mono-étage (un seul support mécanique comprenant les matériaux magnétocalorique MMC), avec une fréquence de fonctionnement maximale de quelques Hz. L'ordre de grandeur des masses d'alliages utilisés dans ces appareils était de plusieurs kilogrammes.
L'un des prototypes présentés était rotatif, avec un rotor de MMC (anneau d'alliages magnétocaloriques) tournant autour d'un double...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - NIELSEN (K.K.), TUSEK (J.), ENGELBRECHT (K.), SCHOPFER (S.), KITANOVSKI (A.), BAHL (C.R.H.), SMITH (A.), PRYDS (N.), POREDOS (A.) - Review on numerical modeling of active magnetic regenerators for room temperature applications. - Int. J. Refrigeration, 34(3), p. 603-616 (2011).
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(2) - PETERSEN (T.F.), PRYDS (N.), SMITH (A.), HATTEL (J.), SCHMIDT (H.), KNUDSEN (H.-J.H.) - Two-dimensional mathematical model of a reciprocating room-temperature Active Magnetic Regenerator. - Int. J. Refrigeration, DOI:10.1016/j.ijrefrig.2007.07.009 (2007).
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(3) - BOUCHARD (J.) et al - Model of a porous regenerator used for magnetic refrigeration at room temperature. - Int. J. Heat Mass Transfer, DOI:10.1016/j.ijheat mass transfer, 2008.08.031 (2008).
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(5) - ALLAB (F.), KEDOUS-LEBOUC (A.), YONNET (J.P.), FOURNIER (J.M.) - A magnetic field source system for magnetic refrigeration and its...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Flux 3D http://www.cedrat.com/fr/software/flux.html
Fem 4.0 http://www.femm.info/wiki/HomePage
CFX http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/Fluid+Dynamics+Products/ANSYS+CFX
Comsol http://www.comsol.com/
HAUT DE PAGE
THERMAG : conférence internationale sur le froid magnétique, organisé par l'IIFIIR, a lieu tous les deux ans http://thermagv.grenoble.cnrs.fr
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