Brevet FR2590004A1 — publié le 19870515

La présente invention concerne un dispositif pour la produc- tion magnétocalorique de froid avec un matériau ferromagnétique disposé dans un rotor dont la rotation le fait alternativement entrer dans un champ magnétique fixe, puis en sortir, et avec un circuit pour un gaz primaire qui vient successivement en contact d'échange thermique avec un matériau ferromagnétique disposé à l'ex- térieur du champ magnétique et par suite refroidi, constituant une charge frigorifique, un matériau ferromagnétique disposé dans des champs magnétiques et par suite chauffé, et un puits de chaleur exté- rieur. On sait que des substances ferromagnétiques sont refroidies quand elles sont retirées d'un champ magnétique. La répétition pério- dique de ce processus permet ainsi d'obtenir un refroidissement con- tinu quand on réussit à transmettre la puissance frigorifique produite par la désaimantation à une charge frigorifique et à évacuer la cha- leur produite lors de l'aimantation suivante de la substance ferro- magnétique. Pour la réalisation pratique de tels dispositifs, on s'efforce d'effectuer ce transfert de quantité de chaleur à l'aide de gaz primaire circulant en contact thermique avec les substances ferromagnétiques. Des difficultés notables apparaissent toutefois, car les substances ferromagnétiques doivent être déplacées pour l'in- troduction dans le champ magnétique puis la sortie hors de ce der- nier. Aux basses températures, la production de joints d'étanchéité fiables pour le gaz primaire est difficile, voire impossible. Il est par exemple connu de faire tourner un anneau en matériau ferromagnétique de façon qu'une zone se trouve toujours dans un champ magnétique stationnaire, tandis qu'une-autre zone en regard ne se trouve pas dans un champ magnétique. L'anneau est constitué par un matériau ferromagnétique poreux, dans lequel un gaz primaire peut être introduit, circuler circonférentiellement dans ce dernier, puis l'abandonner. Le gaz primaire est dirigé dans un circuit de façon à être introduit d'abord par un puits de chaleur extérieur dans la zone annulaire sans champ, s'y refroidir, venir en contact d'échange thermique avec la charge frigorifique, sortir de l'anneau dans la zone du champ, absorber la chaleur libérée dans cette der- nière et enfin transmettre cette chaleur à un puits de chaleur exté- rieur (J.Appl. Phys. 49 (3), pp. 1216 sqq., mars 1978). Bien que ce procédé soit théoriquement fonctionnel, la réalisation pratique a soulevé de grandes difficultés, en particulier dans le domaine froid, par suite des problèmes d'étanchéité rencontrés. L'invention vise à développer un dispositif du type précité de façon à pouvoir éviter de difficiles problèmes d'étanchéité dans le domaine froid. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, des corps discrets en matériau ferromagnétique sont disposés avec décalage angu- laire sur la circonférence du rotor; les corps sont réunis deux à deux en une paire, par un circuit du gaz primaire logé dans le rotor et reliant une face extérieure de ce dernier à son centre par un contact thermique avec un corps de la paire, puis de nouveau à une face extérieure du rotor par un contact thermique avec l'autre corps de la paire; au moins un raccord fixe d'arrivée du gaz primaire, aboutissant avec étanchéité sur la face extérieure du rotor, et un raccord fixe de départ du gaz primaire, partant avec étanchéité de la face extérieure du rotor, sont prévus et reliés au circuit d'une paire dans une position angulaire déterminée du rotor; un champ magnétique fixe est affecté à chaque raccord de départ de sorte que, dans la position angulaire déterminée, le corps voisin du raccord de départ se trouve dans ce champ magnétique fixe tandis que le second corps de la paire se trouve en dehors; et une canalisation de refroidissement passant dans un arbre palier creux du rotor est parcourue par un frigorigène constituant la charge frigorifique et venant en contact thermique avec le gaz primaire au centre du rotor. Par suite de cette disposition, l'ensemble du circuit du gaz primaire se trouve du c8té froid, à l'intérieur du rotor, ne com- portant pas de pièces en mouvement relatif. Un joint d'étanchéité est nécessaire uniquement sur la face extérieure du rotor, c'est-à- dire du c8té chaud du circuit du gaz primaire. Il n'y a donc pas de problèmes d'étanchéité imposés par les basses températures. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, le début et la fin du circuit d'une paire forment un angle au centre A0 360' de 2degrés, n étant un nombre entier; n raccords d'arrivée et n raccords de départ sont équidistants et alternent le long de la cir- conférence; et à chaque raccord de départ est affecté un champ magné- tique fixe dans lequel se trouve le corps situé en amont du raccord de départ considéré. Par suite de cette réalisation, chaque corps magnétique subit pendant un tour du rotor plusieurs aimantations et désaimantations que divers circuits du gaz primaire utilisent successivement pour refroidir le frigorigène circulant au centre du rotor. On obtient ainsi un prélèvement quasi-continu de chaleur du frigorigène, la régularité de ce prélèvement pouvant être augmentée par un accroisse- ment de n. Il est particulièrement avantageux que plusieurs raccords d'entrée d'une part et plusieurs raccords de sortie d'autre part soient branchés en parallèle et reliés à un puits de chaleur exté- rieur. Il en résulte aussi un fonctionnement quasi-continu du c8té extérieur. La régularité peut être améliorée quand le rotor comporte jusqu'à n paires réparties le long de la circonférence du rotor de façon que les circuits de toutes les paires soient reliés simultané- ment à des raccords d'arrivée et de départ. Il est par exemple pos- sible de disposer au total quatre corps ferromagnétiques dans le rotor avec un décalage de 90 suivant le sens circonférentiel. Chaque aimant de chaque paire pénètre ainsi deux fois dans un champ magné- tique pendant un tour du rotor, c'est-à-dire que chacun des quatre aimants est aimanté deux fois et désaimanté deux fois pendant un tour, de sorte que le gaz primaire refroidi quatre fois au total pendant un tour vient en contact thermique avec le frigorigène. Il est avantageux que les corps soient réalisés en matériau ferromagnétique poreux et remplissent la section du circuit, de façon que le gaz primaire circule dans ledit matériau. Selon une autre caractéristique de l'invention, les corps en matériau ferromagnétique sont disposés dans des chambres du rotor traversées par le circuit; et une canalisation d'échange de chaleur passant dans l'arbre palier creux du rotor est disposée entre les chambres contenant les deux corps et les relie. Cette canalisation d'échange de chaleur présente de préférence la forme d'un serpentin. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, les raccords d'arrivée et de départ sont entourés par des joints d'étan- chéité fixes, qui s'appliquent avec étanchéité sur la face extérieure du rotor. Les raccords d'arrivée et de départ sont ainsi reliés aux circuits des diverses paires quand le rotor se trouve dans des posi- tions angulaires déterminées et sont obturés par la face extérieure du rotor dans les autres positions angulaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem- ples de réalisation préférentiels et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation en coupe d'un dispositif de refroidis- sement magnétocalorique à 4 corps ferromagnétiques; la figure 2 est une coupe suivant l'axe II-II de la figure 1, le circuit du gaz primaire étant en outre représenté; et la figure 3 est une coupe, semblable à celle de la figure 2, d'un rotor à 8 corps en matériau ferromagnétique répartis sur la circonfé- rence. Un rotor discoide 5 est monté en rotation par un arbre creux 6 central dans un carter statorique 1 comportant un fond 2, un couver- cle 3 et une paroi latérale cylindrique circulaire 4. Le fond 2 et le couvercle 3 comportent des ouvertures centrales 7 dans lesquelles sont fixés des coussinets 8 appropriés. L'arbre creux 6 est relié à une cavité interne centrale 9 du rotor discoide 5. L'arbre creux 6 est relié à l'extérieur du carter statorique 1 avec étanchéité à une arrivée et à un départ de gaz non représentés, de sorte que l'arbre creux 6 et la cavité 9 sont parcourus par un gaz appelé frigorigène ci-après. Le rotor discorde 5 comprend à proximité de sa circonférence quatre chambres 10 décalées de 90 et remplies d'un corps 11 en maté- riau ferromagnétique poreux, du grenat de gadolinium-gallium Gd3Ga5012 par exemple. Chaque chambre 11 est séparée de la cavité interne 9 du rotor par une cloison 12. Deux chambres 10 voisines sont reliées par une canalisation d'échange de chaleur 13 hélicoïdale, disposée dans la cavité 9, de sorte que le frigorigène circulant dans l'arbre creux 6 de la cavité 9 vient en contact d'échange thermique intime avec les canalisations d'échange de chaleur 13. Chaque chambre 10 comporte une ouverture 14 dirigée radiale- ment vers l'extérieur et aboutissant à la circonférence du rotor 5. Deux raccords d'arrivée 15 et deux raccords de départ 16 dia- métralement opposés sont prévus pour un gaz primaire dans la paroi latérale 4 du carter statorique 1, à la hauteur du plan médian du rotor. Chaque point de traversée des raccords d'arrivée 15 et des raccords de départ 16 est entouré par une bague 17 maintenue sur la paroi latérale 4 et dont la face frontale s'applique avec étanchéité sur la face circonférentielle 18 du rotor. Les raccords d'arrivée et de départ sont perpendiculaires entre eux, de sorte qu'un raccord d'arrivée et un raccord de départ alternent tous les 90 suivant le sens circonférentiel. Les raccords d'arrivée 15 sont reliés à la sortie d'un échangeur de chaleur 20 par une canalisation 19 commune ramifiée; les raccords de départ 16 sont de même reliés à l'entrée de l'échangeur de chaleur par deux canalisations 21 réunies. Une pompe 22 ou un compresseur est prévu pour la circulation du gaz primaire. Un contact thermique est établi dans l'échangeur de chaleur 20 avec un puits de chaleur non représenté. Il peut par exemple s'agir d'un étage frigorifique magnétocalorique fonctionnant à une température plus élevée de tout autre machine frigorifique. Au-dessus et au-dessous du rotor 5 se trouvent des paires de bobines 23 et 24 diamétralement opposées d'un aimant supraconducteur, qui produisent un champ magnétique traversant le rotor dans la zone circonférentielle. Les bobines 23 et 24 sont disposées de façon que les chambres 10 contenant les corps ferromagnétiques 11 pénètrent dans le champ magnétique quand elles sont reliées aux raccords de départ 16 (figure 2). En service, le frigorigène circule continûment dans l'arbre creux 6. Lorsque le rotor 5 se trouve dans une position angulaire sur laquelle les ouvertures 14 des chambres 10 sont alignées sur les raccords d'arrivée 15 ou les raccords de départ 16, du gaz primaire peut pénétrer par les raccords d'entrée 15 dans les chambres 10 non aimantées et circuler dans le matériau ferromagnétique qu'elles con- tiennent. Ayant été désaimanté, en sortant d'un champ magnétique, ce matériau se trouve à une température plus basse et refroidit le gaz primaire qui le traverse. Ce matériau cède ensuite dans la canalisa- tion d'échange de chaleur 13 une puissance frigorifique au frigori- gène circulant dans l'arbre creux et la cavité 9 puis, après un échauffement correspondant, pénètre dans la chambre 10 voisine qui se trouve dans un champ magnétique. La température du matériau ferro- magnétique est augmentée par l'aimantation et le gaz primaire s'échauffe en circulant dans ce matériau ferromagnétique et trans- porte ainsi de la chaleur à l'échangeur de chaleur externe 20, dans lequel cette chaleur est de nouveau prélevée sur le gaz primaire. Ce circuit du gaz primaire est établi uniquement quand le rotor occupe une position angulaire dans laquelle les ouvertures 14 des chambres sont alignées sur les raccords d'arrivée 15 et les raccords de départ 16. Lorsque le rotor abandonne cette position par rotation, les raccords d'arrivée et de départ sont d'abord obturés, jusqu'à ce qu'une rotation de 90 aligne de nouveau les ouvertures 14 des cham- bres sur les raccords d'arrivée et de départ. Par cette rotation, les chambres qui se trouvaient auparavant dans le champ magnétique en sortent et inversement. Simultanément, les chambres aupravant reliées à des raccords d'arrivée sont maintenant reliées à des rac- cords de départ et inversement. Le circuit rétabli est de la même faGon le siège d'un refroidissement du gaz primaire, dune transmis- sion de puissance frigorifique au frigorigène, d'une évacuation de la chaleur du matériau ferromagnétique aimanté et d'une cession de la chaleur dans l'échangeur de chaleur externe 20. Les matériaux ferromagnétiques ont inversés leurs r8les dans les deux chambres 10 reliées par la canalisation d'échange de chaleur 13. Une nouvelle per- mutation des r8les intervient après une nouvelle rotation de 90 . Les deux chambres 10 remplies par le matériau magnétique et reliées par une canalisation 13 forment ainsi une paire dont les éléments sont alternativement aimantés et désaimantés, un élément étant toujours aimanté et l'autre désaimanté. Il est avantageux que les joints d'étanchéité du 17 se trouvent toujours dans le domaine haute température du gaz primaire, d'une part en amont du refroidissement dans le matériau ferromagnétique désaimanté et d'autre part après l'échauffement du gaz primaire par le matériau ferromagnétique aimanté. Aucun joint d'étanchéité n'est nécessaire dans la zone froide centrale du rotor. La forme de réalisation selon figure 3 est identique pour l'essentiel à celle des figures 1 et 2, de sorte que les mêmes pièces portent les mêmes références. Contrairement au dispositif selon figure 2, le rotor comporte toutefois au total huit chambres 10 équidistantes sur la circonférence, les chambres voisines étant reliées par une canalisation d'échange de chaleur 13. Quatre rac- cords d'arrivée 15 décalés de 90 et quatre raccords de départ 16 décalés de 90 sont par suite prévus, ainsi que quatre bobines 23 et 24 décalées de 90 . Du fait de cette multiplication du nombre de corps ferromagnétiques 11 et de champs magnétiques le long de la circonférence, un tour du rotor produit dans chaque paire huit refroidissements magnétiques, de sorte qu'une puissance frigorifi- que peut être cédée huit fois par tour au frigorigène dans la canalisation d'échange de chaleur 13. Le fonctionnement est ainsi très régulier, c'est-à-dire qu'on obtient un refroidissement quasi- continu du frigorigène. Cette multiplication des corps magnétiques 11 le long de la circonférence pourrait être poursuivie tout en conservant l'avan- tage de la disposition des joints d'étanchéité sur la face exté- rieure du rotor, dans le domaine chaud, sans aucun joint d'étanchéité nécessaire dans le domaine froid. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Dispositif pour la production magnétocalorique de froid avec un matériau ferromagnétique disposé dans un rotor dont la rotation le fait alternativement entrer dans un champ magnétique fixe, puis en sortir, et avec un circuit pour un gaz primaire qui vient succes- sivement en contact d'échange thermique avec un matériau ferromagné- tique disposé à l'extérieur du champ magnétique et par suite refroidi, constituant une charge frigorifique, un matériau ferromagnétique dis- posé dans le champ magnétique et par suite chauffé et un puits de chaleur extérieur, ledit dispositif étant caractérisé en ce que des corps discrets (11) en matériau ferromagnétique sont disposés avec décalage angulaire sur la circonférence du rotor; les corps (11) sont réunis deux à deux en une paire, par un circuit du gaz primaire logé dans le rotor (5) (canalisation d'échange de chaleur 13) et reliant une face extérieure (18) de ce dernier à son centre par un contact thermique avec un corps (11) de la paire, puis de nouveau à une face extérieure (18) du rotor (5) par un contact thermique avec l'autre corps (11) de la paire; au moins un raccord fixe d'arrivée du gaz primaire (15), aboutissant avec étanchéité sur la face exté- rieure (18) du rotor (5), et un raccord fixe de départ du gaz pri- maire (16), partant avec étanchéité de la face extérieure (18) du rotor (5), sont prévus et reliés au circuit d'une paire dans une position angulaire déterminée du rotor (5); un champ magnétique fixe est affecté à chaque raccord de départ (16) de sorte que, dans la position angulaire déterminée, le corps (11) voisin du raccord de départ (16) se trouve dans ce champ magnétique fixe tandis que le second corps (11) de la paire se trouve en dehors; et une canalisa- tion de refroidissement passant dans un arbre palier creux (6) du rotor (5) est parcourue par un frigorigène constituant la charge frigorifique et venant en contact thermique avec le gaz primaire au centre du rotor (5). 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce que le début et la fin du circuit d'une paire forment un angle au centre de 360 degrés, n étant un nombre entier; n raccords d'arrivée (15) et n raccords de départ (16) sont équidistants et alternent le long de la circonférence; et à chaque raccord de départ (16) est affecté un champ magnétique fixe, dans lequel se trouve le corps (11) situé en amont du raccord de départ (16) considéré. 3. Dispositif selon revendication 2, caractérisé en ce que plusieurs raccords d'arrivée (15) et plusieurs raccords de départ (16) sont respectivement branchés en parallèle et reliés à un puits de chaleur externe (20). 4. Dispositif selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le rotor (5) comporte jusqu'à n paires réparties le long de la circonférence du rotor (5) de façon que les circuits de toutes les paires soient reliés simultanément à des raccords d'arrivée ou de départ (15, 16). 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les corps (11) sont réalisés dans un matériau ferromagnétique poreux et remplissent la section du circuit, de façon que le gaz primaire circulaire dans ledit matériau. 6. Dispositif selon revendication 5, caractérisé en ce que les corps (11) en matériau ferromagnétique sont disposés dans des cham- bres (10) du rotor traversées par le circuit; et une canalisation d'échange de chaleur (13) passant dans l'arbre palier creux (6) du rotor (5) est disposée entre les chambres (10) contenant les deux corps (11) et les relie. 7. Dispositif selon revendication 6, caractérisé en ce que la canalisation d'échange de chaleur (13) présente la forme d'un ser- pentin. 8. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce que les raccords d'arrivée et de départ (15 ou 16) sont entourés par des joints d'étanchéité (17) fixes, qui s'appliquent avec étanchéité sur la face extérieure (18) du rotor (5).