Brevet FR2930679A1 — publié le 20091030

DISPOSITIF DE GENERATION DE FLUX THERMIQUE A MATERIAU MAGNETOCALORIQUE Domaine technique : La présente invention concerne un dispositif de génération de flux thermique à matériau magnétocalorique comportant au moins une unité de génération de flux thermique pourvue d'au moins un organe thermique contenant au moins un élément magnétocalorique, au moins un arrangement magnétique agencé pour générer un champ magnétique, au moins un entraînement électrique agencé pour assurer le déplacement dudit arrangement magnétique par rapport audit élément magnétocalorique afin de le soumettre à une variation de champ magnétique et provoquer une variation de sa température, des moyens pour capter des calories et/ou frigories émises par ledit élément magnétocalorique en raison de ladite variation du champ magnétique. Technique antérieure : La publication WO-A-03/050456 décrit un dispositif de réfrigération magnétique à matériau magnétocalorique utilisant deux aimants permanents et comportant une enceinte annulaire monobloc délimitant des compartiments à matériau magnétocalorique, par exemple du gadolinium sous forme poreuse, ces compartiments étant: séparés par des joints. Chaque compartiment est pourvu au minimum de quatre orifices dont un orifice d'entrée et un orifice de sortie d'une part, connectés à un circuit chaud et un orifice d'entrée et un orifice de sortie d'autre part, connectés à un circuit froid. Les deux aimants permanents sont animés d'un mouvement de rotation continue de sorte qu'ils balayent successivement les différents compartiments à matériaux magnétocaloriques fixes et les soumettent à des variations du champ magnétique. Les calories et/ou frigories émises par le matériau magnétocalorique sont captées par les circuits chaud et froid de fluide caloporteur et dirigées vers des échangeurs de chaleur. Les aimants permanents sont entraînés en rotation par un moteur électrique qui entraîne également des joints rotatifs pour que le conduit de fluide caloporteur traversant les compartiments à matériaux magnétocaloriques fixes soit successivement raccordé aux circuits chaud et froid. Ce dispositif, qui simule ainsi le fonctionnement d'un anneau liquide, nécessite une rotation en continu et synchrone précise des différents joints rotatifs et des aimants permanents. Le déplacement, notamment l'entraînement linéaire ou l'entraînement en rotation, des aimants qui génèrent le champ magnétique dont la variation, due au déplacement linéaire ou rotatif, provoque les cycles de température des matériaux magnétocaloriques, nécessite des moyens moteurs qui sont habituellement constitués d'un moteur électrique classique. On notera que les matériaux magnétocaloriques classiques ont pour effet de s'échauffer quasi instantanément lorsqu'ils pénètrent dans un champ magnétique. Les matériaux dits magnétocaloriques inverses ont la particularité de se refroidir au moment où ils entrent dans un champ magnétique. La génération de calories ou celle de calories � négatives � dites frigories présente des intérêts divers selon les applications envisagées. Le moteur qui engendre le déplacement des aimants présente un certain encombrement qui s'ajoute à l'encombrement du dispositif et augmente son prix de revient, son poids et son volume et réduit son rendement, ce qui constitue un ensemble d'inconvénients qui pénalisent le développement de cette technologie, notamment pour générer du froid, malgré l'intérêt écologique indiscutable de la solution. Exposé de l'invention :30 La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en réalisant un dispositif de génération de flux thermique à matériau magnétocalorique, économique et peu encombrant, dont tous les composants sont agencés en vue d'obtenir une construction optimisée dans un volume minimal avec une efficacité énergétique optimale. Ce but est atteint par le dispositif de l'invention, tel que défini en préambule, caractérisé en ce que ledit entraînement électrique est intégré au dispositif de génération de flux thermique à matériau magnétocalorique et comporte au moins deux bobinages électriques alimentés en courant électrique de manière à générer une variation de champ magnétique qui engendre le déplacement d'un assemblage mobile portant ledit arrangement magnétique et en ce que ledit organe thermique contenant ledit élément magnétocalorique est disposé entre lesdits bobinages électriques et ledit arrangement magnétique. Cette solution permet, par une cornmande en direct de ces bobinages électriques, d'assurer le déplacement dudit arrangement magnétique et, notamment lorsque le champ magnétique est obtenu par des aimants permanents, de coopérer avec ces. aimants permanents pour optimiser l'efficacité énergétique du matériau magnétocalorique dans le champ magnétique grâce à ces bobinages électriques. Selon une première forme de réalisation, lorsque ledit entraînement électrique est un moteur rotatif, l'e dispositif comporte une carcasse périphérique, un stator logé dans cette carcasse et un rotor monté à l'intérieur de ladite carcasse coaxialement par rapport audit stator, ledit rotor portant ledit arrangement magnétique et ledit élément magnétocalorique étant disposé dans l'entrefer entre ledit rotor et ledit stator.30 Selon une autre forme de réalisation, lorsque ledit entraînement électrique est un moteur linéaire, le dispositif comporte une carcasse allongée, un stator linéaire fixe et un chariot mobile alternativement par rapport audit stator et portant ledit arrangement magnétique iet ledit élément magnétocalorique étant disposé dans l'entrefer entre ledit stator linéaire et ledit chariot mobile. Ledit rotor est avantageusement composé d'au moins un arrangement magnétique qui peut, par exemple comporter des aimants permanents. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit arrangement magnétique dudit chariot mobile comporte un ensemble d'aimants permanents. Lesdits aimants permanents dudit arrangement magnétique dudit rotor comportent avantageusement au moins un élément magnétiquement perméable. Lesdits aimants permanents de l'arrangement magnétique dudit chariot mobile comportent avantageusement au moins un élément magnétiquement perméable. Lorsque ledit moteur est du type rotatif, le dispositif comporte de préférence au moins une couronne d'éléments magnétocaloriques entourant ledit rotor et disposés dans l'entrefer entre ledit stator et ledit rotor. Lorsque ledit moteur est du type linéaire, le dispositif comporte de préférence au moins une rangée d'éléments magnétocaloriques alignés le long d'au moins une partie du stator linéaire fixe dans l'entrefer entre ledit stator linéaire et ledit chariot mobile. 30 Lorsque ledit moteur est du type rotatif, ledit stator comporte avantageusement un ensemble de bobinages électriques ayant chacun un axe disposé selon une direction sensiblement radiale. Lorsque ledit moteur est du type linéaire, ledit stator linéaire fixe comporte avantageusement un ensemble de bobinages électriques ayant des axes parallèles et sensiblement perpendiculaires à la direction de déplacement dudit chariot mobile. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, chacun desdits bobinages électriques comporte un enroulement porté par une armature en forme de T et comprenant une pièce cle base et une branche perpendiculaire par rapport à la pièce de base. Ladite armature peut être réalisée en un des matériaux choisis dans le groupe comprenant le fer doux, un alliage de fer et de cobalt (FeCo), un alliage de fer et de silicium (FeSi). Ledit arrangement magnétique comporte de préférence au moins un concentrateur de flux magnétique. Ledit concentrateur de flux magnétique est de préférence réalisé en un des matériaux choisis dans le groupe comprenant le fer doux, un alliage de fer et de cobalt (FeCo), un alliage de fer et de silicium (FeSi). Selon une autre forme de réalisation, ledit concentrateur de flux magnétique est réalisé en tôles empilées. Avantageusement, ledit ensemble de bobinages électriques présente une 30 dissymétrie géométrique par rapport aux lignes de flux générées par ledit25 arrangement magnétique pour imposer un sens de rotation privilégié audit rotor. Avantageusement, ledit ensemble de bobinages électriques présente une dissymétrie géométrique par rapport aux lignes de flux générées par ledit arrangement magnétique pour imposer un sens de déplacement linéaire privilégié audit chariot mobile. Le dispositif peut comporter des moyens pour piloter lesdits bobinages électriques, ces moyens comprenant au moins un circuit électronique agencé pour commuter séquentiellement lesdits bobinages électriques. Description sommaire des dessins : La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation du dispositif de l'invention, - la figure 2 est une vue en plan du dispositif de la figure 1, - les figures 3A et 3B sont des vues en coupe selon les lignes A-A et B-B respectivement, de la figure 2, - la figure 4 est une vue en perspective d'une deuxième forme de réalisation du dispositif de l'invention, - la figure 5 est une vue partielle en perspective du dispositif de la figure 4, la figure 6 est une vue en plan d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 7A, 7B et 7C représentent une première forme de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel le moteur est du type linéaire, et les figures 8A, 8B et 8C représentent une deuxième forme de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel le moteur est linéaire. Différentes manières de réaliser l'invention : En référence aux figures 1 à 3, le dispositif 10 représenté, qui correspond à une variante de réalisation particulière de géométrie sensiblement 15 cylindrique, comporte une carcasse 11 extérieure cylindrique, réalisée en métal ou en tout autre matériau adéquat, qui délimite l'espace intérieur du dispositif 10. A l'intérieur de cette carcasse 11 sont montés un rotor 12 qui est constitué d'un arrangement magnétique rotatif qui sera décrit plus en détail par la suite, au moins un organe thermique constitué dans ce cas d'un 20 anneau sensiblement circulaire d'éléments 13 comportant au moins un matériau magnétocalorique, cet anneau étant disposé coaxialement autour dudit rotor 12 et un ensemble de bobinages électriques 14, d'axes radiaux, régulièrement disposés autour dudit rotor 12 et constituant un stator 15. Les éléments 13 comportant au moins un matériau magnétocalorique sont 25 disposés dans l'entrefer circulaire séparant le rotor 12 du stator 15. L'arrangement magnétique rotatif dudit rotor 12 tel que représenté, comporte plusieurs aimants permanents 17, en l'occurrence au nombre de huit, séparés par des éléments 18 en fer doux ou similaire, en l'occurrence 30 également au nombre de huit, qui se. trouvent intercalés entre les aimants10 permanents 17. L'ensemble est monté selon une géométrie radiale, les aimants permanents 17 ayant tous la même forme et les éléments 18 en fer doux ou similaire, comme par exemple un alliage fer-cobalt (FeCo) ou un alliage fer-silicium (FeSi), ayant deux à deux la même forme géométrique et étant régulièrement intercalés entre les aimants permanents 17. Cette disposition n'est pas contraignante et il est envisageable de modifier tant la forme que le nombre et la disposition des composants de l'arrangement magnétique. L'objectif de cet arrangement magnétique est de réaliser le champ magnétique le plus intense, dans un espace relativement réduit et à un prix de construction le plus bas possible. Le champ magnétique génère des lignes de champ qui traversent les éléments magnétocaloriques 13 et il est variable en fonction de la rotation du rotor 12, de manière à engendrer, d'une manière connue en soi, des variations thermiques dans lesdits éléments magnétocaloriques 13. Les éléments magnétocaloriques 13 sont représentés schématiquement sous la forme de barreaux cylindriques, mais leur forme et leur structure peut être différente. Le ou les matériaux magnétocaloriques utilisés peuvent par exemple être composés d'une structure poreuse, d'éléments structurés, de revêtement périphérique de pièces tubulaires ou similaires. Il est indispensable que la surface de contact des éléments magnétocaloriques avec un fluide caloporteur soit la plus grande possible afin que les échanges thermiques puissent être effectués dans les meilleures conditions avec la plus grande efficacité. Dans les dispositifs générateurs de flux thermique à effet magnétocalorique connus de ce type, le rotor 12 est entraîné par un moteur électrique indépendant, extérieur et couplé au rotor. Dans la présente réalisation, on génère le mouvement ou l'entraînement motorisé au moyen de composants disponibles, en utilisant les aimants permanents 17 existants et en leur associant, par exemple comme dans la variante illustrée, huit bobinages électriques 14 comprenant chacun un enroulement électrique 14a monté chacun sur une armature 16. Chaque armature 16 a sensiblement la forme d'un T et comprend une pièce de base 16a en forme de secteur circulaire et une branche 16b, perpendiculaire par rapport à la pièce de base 16a. L'interaction du champ électromagnétique créé par les bobinages électriques 14 alimentés sélectivement, produit sur les aimants permanents 17, un couple qui produit le déplacement, dans ce cas la rotation du rotor 12. En conséquence, l'adjonction des bobinages électriques 14 permet de combiner la fonction d'entraînement du rotor 12 à la fonction de base du dispositif 10 de génération de flux thermique à matériau magnétocalorique, consistant à créer des variations alternées du champ magnétique en vue de provoquer des fluctuations de température au sein des éléments 13 de matériau magnétocalorique. Comme le montre la figure 2, dans l'exemple représenté à huit bobinages électriques 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, et 148, on utilise des moyens pour piloter lesdits bobinages électriques, par exemple un circuit électronique 30, représenté schématiquement, et des éléments de connexion 31. On alimente de manière séquentielle lesdits bobinages électriques pour créer, dans un premier temps des pôles magnétiques positifs (+) au niveau de pièces de base 161a et 165a des armatures 161 et 165, correspondant respectivement aux bobinages électriques 141 et 145, et des pôles magnétiques négatifs (-) au niveau des pièces de base 163a et 167a des armatures 163 et 167 correspondant respectivement aux bobinages électriques 143 et 147. Dans un deuxième temps, on décale l'alimentation des bobinages de telle manière que l'on créée des pôles magnétiques positifs (+) au niveau des pièces de base 162a et 166a des armatures 162 et 166 correspondant respectivement aux bobinages électriques 142 et 146 et des pôles magnétiques négatifs (-) au niveau des pièces de base 164a et 168a des armatures 164 et 168 correspondant respectivement aux bobinages électriques 144 et 148. Ce processus permet de réaliser un champ tournant nécessaire pour entraîner le rotor 12. De façon avantageuse, une légère dissymétrie dans la disposition radiale des bobinages permettra d'initier un sens de rotation privilégié. Les figures 3A et 3B représentent respectivement des vues du dispositif des figures 1 et 2 coupées selon les lignes A-A et B-B illustrant la disposition des enroulements des bobinages électriques 14 et des composants de l'armature 16 notamment de la branche 16b disposée radialement. La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 1 représentant une construction dans laquelle le dispositif 20 est équipé de seize bobinages électriques 24 logés à l'intérieur d'une carcasse cylindrique 21 et qui constituent le stator 25. L'entraînement motorisé est similaire au précédent et le rotor 22 est sensiblement identique au rotor 12. II en est de même de la couronne d'éléments 23 comportant au moins un matériau magnétocalorique qui est disposée dans l'entrefer qui sépare le rotor 22 du stator 25. Le fait d'augmenter le nombre de bobinages électriques permet de piloter de façon plus progressive le champ tournant et de mieux contrôler l'entraînement en rotation du rotor 22. La figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4, mais où la carcasse cylindrique périphérique 21 a été retirée. La figure 6 représente une autre forme de réalisation où la carcasse a été retirée, qui diffère de celle de la figure 2, principalement en ce que les aimants permanents 17 de l'arrangement magnétique sont remplacés par des électro-aimants 120 qui équipent le rotor 12. Le dispositif 100 comporte dans ce cas un ensemble de dix sept bobinages électriques 14, d'axes radiaux, régulièrement placés autour dudit rotor 12 et constituant un stator 15. Le nombre des électro-aimants 120 est dans ce cas de dix huit, de sorte que les bobinages électriques 14 présentent par rapport aux électro-aimants 120 une dissymétrie géométrique, en l'occurrence un décalage axial de quelques degrés par rapport aux bobinages électriques 14 correspondants pour imposer au rotor un sens de rotation privilégié. Les figures 7A, 7B et 7C correspondent à une première forme de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel l'entraînement de l'arrangement magnétique s'effectue par déplacement linéaire. Le dispositif 50 comporte une carcasse allongée non représentée, un stator linéaire fixe 51 et un chariot 52 mobile alternativement par rapport audit stator linéaire fixe 51 et portant ledit arrangement magnétique, composé dans ce cas d'une série d'aimants permanents 53, associés chacun à un élément 54 magnétiquement perméable. Le stator linéaire fixe 51 est constitué d'un ensemble de bobinages électriques 55 d'axes parallèles et perpendiculaires à la direction de déplacement du chariot 52. Une série d'éléments magnétocaloriques 56 est alignée le long d'au moins une partie du stator linéaire fixe, dans l'entrefer entre ledit stator linéaire fixe 51 et ledit arrangement magnétique, ou plus exactement la ligne des éléments magnétiquement perméables 54. Les trois figures 7A, 7B et 7C correspondent à trois positions successives du chariot 52 mobile linéairement au cours de son déplacement. Les lignes de champ qui traversent les bobinages électriques 55 et les aimants permanents 53 en fonction de l'alimentation desdits bobinages provoquent le déplacement linéaire dudit chariot 52. Les figures 8A, 8B et 8C représentent des vues similaires à celles de figures précédentes 7A, 7B et 7C. Le dispositif 60 comporte comme précédemment une carcasse allongée non représentée, un stator linéaire fixe 61 et un chariot 62 mobile alternativement par rapport audit stator linéaire fixe 61 et portant ledit arrangement magnétique, composé dans ce cas d'une série d'électroaimants 63, associés chacun à un élément 64 magnétiquement perméable. Le stator linéaire fixe 61 comporte un ensemble de bobinages électriques 65 d'axes parallèles et perpendiculaires à la direction de déplacement du chariot 62. Une série d'éléments magnétocaloriques 66 est alignée dans l'entrefer, le long d'au moins une partie du stator linéaire fixe entre ledit stator linéaire fixe 61 et ledit arrangement magnétique. Les trois figures 8A, 8B et 8C correspondent à trois positions successives du chariot 62 mobile linéairement au cours de son déplacement. Le mode de fonctionnement du dispositif 60 est identique à celui du dispositif précédent 50 des figures 7A, 7B et 7C. Possibilités d'application industrielle : 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. Le nornbre des aimants qui composent l'arrangement magnétique, leur forme et leur disposition peuvent être modifiés en fonction des objectifs recherchés en matière de rendement, d'encombrement, de vitesse de rotation du rotor etc. Le nombre des bobinages électriques peut également varier selon les objectifs à atteindre. La nature des matériaux, notamment des matériaux magnétocaloriques, celle des éléments magnétiquement perméables et celle des autres composants tels que la carcasse du dispositif peuvent être modifiés selon les besoins. Revendications1. Dispositif de génération de flux thermique à matériau magnétocalorique (10, 20, 100, 50, 60) comportant au moins une unité de génération de flux thermique pourvue d'au moins un organe thermique contenant au moins un élément magnétocalorique, au moins un arrangement magnétique agencé pour générer un champ magnétique, au moins un entraînement électrique agencé pour assurer le déplacement dudit arrangement magnétique par rapport audit élément magnétocalorique (13, 23, 56, 66) afin de le soumettre à une variation de champ magnétique et provoquer une variation de sa température, des moyens pour capter des calories et/ou frigories émises par ledit élément magnétocalorique en raison de ladite variation du champ magnétique, caractérisé en ce que ledit entraînement électrique est intégré au dispositif de génération de flux thermique à matériau magnétocalorique (10, 20, 100, 50, 60) et comporte au moins deux bobinages électriques (14, 24, 55, 65) alimentés en courant électrique de manière à générer une variation de champ magnétique qui engendre le déplacement d'un assemblage mobile portant ledit arrangement magnétique et en ce que ledit organe thermique contenant ledit élément magnétocalorique est disposé entre lesdits bobinages électriques et ledit arrangement magnétique. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit entraînement électrique est un moteur rotatif, caractérisé en ce qu'il comporte une carcasse périphérique (11, 21), un stator (15, 25) logé dans cette carcasse et un rotor (12, 22) monté à l'intérieur de ladite carcasse coaxialement par rapport audit stator, ledit rotor portant ledit arrangement magnétique, et en ce que ledit élément magnétocalorique (13, 23) est disposé dans l'entrefer entre ledit rotor et ledit stator. 13 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit entraînementélectrique est un moteur linéaire, caractérisé en ce qu'il comporte une carcasse allongée, un stator linéaire fixe (51, 61) et un chariot mobile (52, 62) alternativement par rapport audit :stator et portant ledit arrangement magnétique, et en ce que ledit élément magnétocalorique (56, 66) est disposé dans l'entrefer entre ledit stator linéaire et ledit chariot mobile. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit rotor portant ledit arrangement magnétique, comporte un ensemble d'aimants permanents (17). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit arrangement magnétique dudit chariot mobile (52) comporte un ensemble d'aimants permanents (53). 15 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits aimants permanents (17) dudit arrangement magnétique dudit rotor comportent au moins un élément magnétiquement perméable (18). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits aimants 20 permanents (53) de l'arrangement magnétique dudit chariot mobile (52) comportent au moins un élément magnétiquement perméable (54). 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couronne d'éléments magnétocaloriques (13, 23) entourant ledit 25 rotor (12, 22) et disposés dans l'entrefer entre ledit stator et ledit rotor. 9. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une rangée d'éléments magnétocaloriques (56, 66) alignés le long d'au moins une partie du stator linéaire fixe (51, 61), dans l'entrefer entre ledit 30 stator linéaire et ledit chariot mobile.10 10. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit stator (15, 25) comporte un ensemble de bobinages électriques (14, 24) ayant chacun un axe disposé selon une direction sensiblement radiale. 11. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit stator linéaire fixe (51, 61), comporte un ensemble de bobinages électriques (55, 65) ayant des axes parallèles et sensiblement perpendiculaires à la direction de déplacement dudit chariot mobile (52, 62). 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits bobinages électriques comporte un enroulement porté par une armature (16) en forme de T et comprenant une pièce de base (16a) et une branche (16b) perpendiculaire par rapport à la pièce de base (16a). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite armature (16) est réalisée en un des matériaux choisis dans le groupe comprenant le fer doux, un alliage de fer et de cobalt (FeCo), un alliage de fer et de silicium (FeSi). 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit arrangement magnétique comporte au moins un concentrateur de flux magnétique. 25 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit concentrateur de flux magnétique est réalisé en un des matériaux choisis dans le groupe comprenant le fer doux, un alliage de fer et de cobalt (FeCo), un alliage de fer et de silicium (FeSi). 10 15 20 30 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que leditconcentrateur de flux magnétique est réalisé en tôles empilées. 17. Dispositif selon les revendications 10, caractérisé en ce que ledit ensemble de bobinages électriques (14, 24) présente une dissymétrie géométrique par rapport aux lignes de flux générées par ledit arrangement magnétique pour imposer un sens de rotation privilégié audit rotor (12, 22). 18. Dispositif selon les revendications 11, caractérisé en ce que ledit ensemble de bobinages électriques (55, 65) présente une dissymétrie géométrique par rapport aux lignes de flux générées par ledit arrangement magnétique pour imposer un sens de déplacement linéaire privilégié audit chariot mobile (52, 62). 19. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (30) pour piloter lesdits bobinages électriques, ces moyens comprenant au moins un circuit électronique agencé pour commuter séquentiellement lesdits bobinages électriques.