Brevet FR2935468A1 — publié le 20100305

GENERATEUR THERMIQUE A MATERIAU MAGNÉTOCALORIQUE Domaine technique : La présente invention concerne le domaine de la génération d'énergie thermique et concerne plus particulièrement un générateur thermique à élément magnétocalorique. Ce générateur thermique est constitué par au moins un module thermique intégrant un élément magnétocalorique disposé entre deux chambres thermiques chaude et froide, ledit élément magnétocalorique étant traversé de part et d'autre par un volume de fluide caloporteur incompressible, ce volume de fluide étant déplacé par l'intermédiaire d'un premier et d'un second moyens de circulation disposés chacun dans une des chambres chaude et froide et renvoyant chacun alternativement le fluide en direction du moyen de circulation opposé en réalisant un mouvement de va-et-vient entre les extrémités opposées de la chambre chaude ou froide correspondante, ledit générateur thermique comportant également un arrangement magnétique agencé pour soumettre alternativement chaque élément magnétocalorique à une variation de champ magnétique et créer alternativement dans ledit élément magnétocalorique un cycle d'échauffement et un cycle de refroidissement, générant la création puis le maintien d'un gradient de température entre les deux extrémités opposées dudit élément magnétocalorique, le déplacement alterné du fluide caloporteur étant synchronisé avec la variation du champ magnétique, ledit second moyen de circulation comportant un organe de compensation intégré dans ledit module thermique pour autoriser, d'une part, lors du déplacement du premier moyen de circulation vers l'élément magnétocalorique, le déplacement dans le même sens dudit second moyen de circulation vers l'extrémité de la chambre chaude ou froide correspondante éloignée de l'élément magnétocalorique et, d'autre part, renvoyer automatiquement le second moyen de circulation vers l'élément magnétique lors du retour du premier moyen de circulation vers l'extrémité de la chambre froide ou chaude correspondante éloignée de l'élément magnétocalorique.30 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 d'écologie et de développement durable. On connaît également ses limites quant à sa puissance calorifique 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. Une des difficultés dans la réalisation de générateurs utilisant un ou plusieurs éléments magnétocaloriques réside dans l'échange d'énergie thermique entre ces éléments magnétocaloriques et le ou les circuits utilisant, consommant ou échangeant l'énergie thermique avec le générateur, et reliés à ce dernier générateur. Une solution permettant de réaliser cet échange consiste à faire circuler un fluide caloporteur, liquide ou non, à travers les éléments magnétocaloriques, en synchronisation avec la variation du champ magnétique à laquelle sont soumis les éléments magnétocaloriques. Dans sa demande de brevet français n° 0707612, la demanderesse présente un générateur thermique à matériau magnétocalorique dans lequel le fluide caloporteur est mis en circulation entre les éléments magnétocaloriques et deux chambres d'échange dites chambre chaude et chambre froide. Cette mise en circulation est réalisée par l'intermédiaire de deux jeux de pistons situés en regard des éléments magnétocaloriques et entraînés pas une came de commande reliée à un actionneur. Ce générateur présente toutefois un inconvénient inhérent à la nécessité de deux moyens pour actionner les deux jeux de pistons situés de part et d'autre de chaque élément magnétocalorique. Cela entraîne une augmentation du nombre de pièces 2 constituant le générateur, et plus particulièrement du nombre de pièces en mouvement et donc une augmentation du risque de mauvais fonctionnement, un risque d'usure accru du fait du contact permanent entre la came et les pistons, et une dégradation du rendement du générateur. De plus, il pose des problèmes d'étanchéité entre la chemise des pistons et le mécanisme d'entraînement ou la came. Exposé de l'invention : La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un générateur thermique dans lequel le nombre d'organes d'actionnement ou de manoeuvre des moyens assurant la circulation du fluide caloporteur est réduit. A cet effet, elle propose un générateur thermique du genre indiqué en préambule caractérisé en ce que l'organe de compensation est disposé entre le second moyen de circulation et le fond la chambre chaude ou froide correspondante et en ce qu'il est apte à se comprimer sous la force exercée par le fluide caloporteur lors du déplacement du premier moyen de circulation vers l'élément magnétocalorique et à reprendre sa forme initiale lors du retour du premier moyen de circulation au niveau de l'extrémité de la chambre chaude ou froide correspondante éloignée de l'élément magnétocalorique l'organe de compensation. Par fond de la chambre, il faut comprendre l'extrémité de la chambre opposée à l'élément magnétocalorique. Lorsque le générateur magnétocalorique selon l'invention comporte plus d'un module thermique, ces derniers peuvent être disposés de manière adjacente les uns aux autres, de préférence avec les éléments magnétocaloriques alignés ou disposés à un même niveau. Ainsi, si l'on considère que les premiers moyens de circulation disposés sur un même côté par rapport aux éléments magnétocaloriques forment un jeu de moyens de circulation, et que les seconds moyens de circulation forment un second jeu, le premier jeu est entraîné par un organe de manoeuvre et le second jeu comporte un organe de compensation automatique qui lui permet de se déplacer sans l'intervention d'un organe de manoeuvre. Cela a notamment pour effet une simplification structurelle du générateur thermique. Selon l'invention, ledit organe de compensation peut être choisi dans le groupe comprenant le ressort de compression, le tampon élastique, un fluide compressible et ledit second moyen de circulation peut être choisi dans le groupe comprenant un piston, une membrane extensible. Description sommaire des dessins : La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante des modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en 15 référence aux dessins annexés, dans lesquels: les figures lA et 1B sont des vues en plan d'un générateur thermique selon une première forme de réalisation de l'invention, représentant les moyens de circulation dans leurs deux positions extrêmes, - les figures 2A et 2B sont des vues similaires à celles des figures lA et 1B 20 d'un générateur thermique selon une seconde forme de réalisation, et les figures 3A et 3B sont des vues similaires à celles des figures lA et 1B d'un générateur thermique selon une troisième forme de réalisation de l'invention. Différentes manières de réaliser l'invention : Dans les exemples de réalisation illustrés, les pièces ou parties identiques portent les mêmes références numériques. Les figures lA et 1B représentent un générateur thermique 1 selon l'invention 30 comportant deux modules thermiques 2 adjacents et superposés, intégrant chacun un 10 25 élément magnétocalorique 3 disposé entre deux chambres chaude 4 et froide 5 et comportant un fluide caloporteur. Un premier moyen de circulation 6 du fluide caloporteur est disposé dans la chambre chaude 4 et un second moyen de circulation 7 est disposé dans la chambre froide 5 ou inversement. Le second moyen de circulation 7 coopère avec un ressort de compression 8 formant un organe de compensation ou organe de rappel. L'organe de compensation peut également être constitué par un tampon élastique ou un autre moyen similaire. Le ressort de compression 8 est représenté en transparence sur les figures lA et 1B. Les paramètres physiques du ressort de compression 8 tels que la longueur libre ou la raideur sont déterminés de manière à permettre une compression progressive du ressort de compression 8 sous l'action de la pression ou force exercée par le fluide caloporteur lorsqu'il est déplacé par le premier moyen de circulation 6 et à atteindre une compression de préférence lorsque la course dudit premier moyen de circulation 6 est finie, à savoir lorsqu'il est en butée contre la paroi de la chambre concernée située au niveau de l'élément magnétocalorique 3. Ainsi, la compression du ressort de compression 8 autorise le déplacement du fluide caloporteur à travers l'élément magnétocalorique 3 vers la chambre dans laquelle est situé le second moyen de circulation 7, à savoir la chambre froide 5 dans l'exemple illustré. Lorsque le premier moyen de circulation 6 retourne dans sa position initiale, la force exercée par le fluide caloporteur sur le ressort de compression 8 diminue jusqu'à disparaître et ce dernier se détend tout en entraînant automatiquement le second moyen de circulation 7, et donc le fluide caloporteur, dans la direction opposée. Le déplacement alterné du fluide caloporteur dans le module thermique 2 est ainsi obtenu par un organe de compensation 8 automatique associé au second moyen de circulation 7 du fluide et un organe de manoeuvre 11 commandant le déplacement du premier moyen de circulation 6. La chambre dans laquelle est positionné le second moyen de circulation 7 est fermée, elle n'a pas besoin de prévoir de contact entre le second moyen de circulation 7 et un organe de manoeuvre, et tout risque de perte d'étanchéité est évité. Le générateur thermique 1 comporte également un arrangement magnétique (non représenté) soumettant alternativement chaque élément magnétocalorique 3 à une variation de champ magnétique, et le déplacement alterné du fluide caloporteur est synchronisé avec la variation du champ magnétique. L'élément magnétocalorique 3 est perméable au fluide caloporteur et peut être constitué par un ou plusieurs matériaux magnétocaloriques. Il comporte des passages de fluide débouchant 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. L'organe de manoeuvre 11 représenté est un chariot disposé face aux chambres chaudes 4 dans lesquelles sont montés les premiers moyens de circulation 6, formés par des pistons. Ces pistons 6 intègrent chacun un aimant susceptible d'interagir avec des aimants de différentes polarités montés sur ou intégrés dans le charriot 11 qui se déplace devant les modules thermiques 2 selon un mouvement de translation et de va-et-vient représenté par la double flèche 12. Ainsi, sur la figure 1A, le chariot 11 est dans une position qui, d'une part, repousse (vers la gauche sur la figure) le piston 6 de la chambre chaude 4 du module thermique 2 supérieur, ce qui entraîne un déplacement du fluide vers la chambre froide 5 et la compression du ressort de compression 8 et, d'autre part, attire (vers la droite sur la figure) le piston 6 de la chambre chaude 4 du module thermique 2 inférieur, ce qui autorise la détente du ressort de compression 8 et un déplacement ou renvoi automatique du fluide vers la chambre chaude 4. Lorsque le chariot 11 est mis en translation, d'autres aimants interagissent alors avec les pistons 6. Ainsi, sur la figure 1B, le chariot est dans une position qui, d'une part, attire (vers la droite sur la figure) le piston 6 de la chambre chaude 4 du module thermique 2 supérieur, ce qui entraîne la détente du ressort de compression 8 et un déplacement ou renvoi automatique du fluide vers la chambre chaude 4 et, d'autre part, repousse (vers la gauche sur la figure) le piston 6 de la chambre chaude 4 du module thermique 2 inférieur, ce qui entraîne un déplacement du fluide vers la chambre froide 5 et la compression du ressort de compression 8. Un mouvement de va-et-vient du fluide caloporteur est ainsi obtenu avec un seul organe de manoeuvre, ce dernier commandant uniquement les moyens de circulation situés d'un côté des modules thermiques 2. Les figures 2A et 2B représentent un générateur thermique 10 présentant également un ressort de compression 8 (non représenté en transparence à travers les pistons 7 formant les second moyens de circulation) et dans lequel l'unique organe de manoeuvre est réalisé sous la forme d'une came de commande 13 entraînée par un actionneur (non représenté) et comportant un profil de came 14 de forme sensiblement sinusoïdale dont l'amplitude détermine la course des premiers moyens de circulation 6 sous la forme de pistons. Le fonctionnement de ce générateur thermique est similaire à celui décrit précédemment. Les premiers et seconds moyens de circulation 6 et 7 peuvent présenter toute forme leur permettant de déplacer le fluide caloporteur, par exemple un piston ou une membrane. Le générateur 40 des figures 3A et 3B comporte également un organe de manoeuvre sous la forme d'un chariot 11. L'organe de compensation de ce générateur est réalisé sous la forme d'un gaz compressible 18 introduit dans la chambre chaude 4 dans laquelle se trouve le second moyen de circulation 7 en forme de piston, derrière ce dernier par rapport à l'élément magnétocalorique 3. Ce gaz compressible 18 est comprimé sous la pression du fluide caloporteur lors du déplacement du premier moyen de circulation 6 vers l'élément magnétocalorique 3 poussant le fluide caloporteur vers la chambre chaude 4 et se détend lors du retour dudit premier moyen de circulation 6 dans sa position initiale, repoussant ainsi le fluide caloporteur à travers l'élément magnétocalorique 3 vers la chambre froide 5. La figure 3A représente un état dans lequel le gaz 18 est comprimé dans la chambre chaude 4 du module thermique 2 supérieur et détendu dans la chambre chaude 4 du module thermique 2 inférieur. La figure 3B représente quant à elle une situation inversée après déplacement de l'organe de manoeuvre 11. Bien que l'ensemble des figures représentent un générateur thermique linéaire, l'invention s'applique également à un générateur thermique de configuration circulaire dans lequel les modules thermiques 2 sont disposés en cercle autour d'un axe central, ou selon toute autre configuration. L'invention s'applique à tout générateur dans lequel chaque module thermique 2 comprend un premier moyen de circulation 6 de fluide caloporteur manoeuvré par tout type d'organe de commande ou de manoeuvre, et un second moyen de circulation 7 qui comporte ou intègre un organe de compensation 8, 18selon l'invention lui permettant de se déplacer selon un mouvement alterné d'une position extrême à l'autre dans la chambre, de manière à imprimer une circulation alternée au fluide de part et d'autre et à travers l'élément magnétocalorique 3. En outre, et comme déjà indiqué, l'organe de compensation 8, 18peut être disposé dans ou au niveau de l'une quelconque des chambres chaude 4 et froide 5. Possibilités d'application industrielle : Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir proposer un générateur magnétocalorique 1, 10, 40de construction simple limitant le nombre d'organes de manoeuvre pour la circulation du fluide caloporteur dans les modules thermiques 2 à travers l'élément magnétocalorique 3, limitant les risques de perte d'étanchéité du générateur magnétocalorique et augmentant sa durée de vie. Un tel générateur thermique 1, 10, 40peut 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 1, 10, 40 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. Revendications1. Générateur thermique, constitué par au moins un module thermique (2) intégrant un élément magnétocalorique (3) disposé entre deux chambres thermiques chaude (4) et froide (5), ledit élément magnétocalorique (3) étant traversé de part et d'autre par un volume de fluide caloporteur incompressible, ce volume de fluide étant déplacé par l'intermédiaire d'un premier et d'un second moyens de circulation (6, 7) disposés chacun dans une des chambres chaude (4) et froide (5) et renvoyant chacun alternativement le fluide en direction du moyen de circulation opposé (7, 6) en réalisant un mouvement de va-et-vient entre les extrémités opposées de la chambre chaude (4) ou froide (5) correspondante, ledit générateur thermique (1) comportant également un arrangement magnétique agencé pour soumettre alternativement chaque élément magnétocalorique (3) à une variation de champ magnétique et créer alternativement dans ledit élément magnétocalorique (3) un cycle d'échauffement et un cycle de refroidissement, générant la création puis le maintien d'un gradient de température entre les deux extrémités opposées dudit élément magnétocalorique (3), le déplacement alterné du fluide caloporteur étant synchronisé avec la variation du champ magnétique, générateur thermique (1, 10, 40), ledit second moyen de circulation (7) comportant un organe de compensation (8, 18) intégré dans ledit module thermique pour autoriser, d'une part, lors du déplacement du premier moyen de circulation (6) vers l'élément magnétocalorique (3), le déplacement dans le même sens dudit second moyen de circulation (7) vers l'extrémité de la chambre chaude ou froide (4 ou 5) correspondante éloignée de l'élément magnétocalorique (3) et, d'autre part, renvoyer automatiquement le second moyen de circulation (7) vers l'élément magnétique (3) lors du retour du premier moyen de circulation (6) vers l'extrémité de la chambre froide ou chaude (5 ou 4) correspondante éloignée de l'élément magnétocalorique (3), caractérisé en ce que l'organe de compensation (8, 18) est disposé entre le second moyen de circulation (7) et le fond la chambre chaude (4) ou froide (5) correspondante et en ce qu'il est apte à se comprimer sous la force exercée par le fluide caloporteur lors du déplacement du premier moyen de circulation (6) 10vers l'élément magnétocalorique (3) et à reprendre sa forme initiale lors du retour du premier moyen de circulation (6) au niveau de l'extrémité de la chambre chaude ou froide (4 ou 5) correspondante éloignée de l'élément magnétocalorique (3) l'organe de compensation (8, 18). 2. Générateur thermique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de compensation est choisi dans le groupe comprenant le ressort de compression (8), le tampon élastique, un fluide compressible (18). 10 3. Générateur thermique, selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le second moyen de circulation (7) est choisi dans le groupe comprenant un piston, une membrane extensible.5