Brevet FR3130357A1 — publié le 20230616

L’invention concerne un générateur magnétocalorique (1) à efficacité augmentée, comportant un ensemble d’éléments actifs (2) poreux à base de matériau MMC, et un arrangement magnétique (3). L’arrangement magnétique (3) comporte deux rotors magnétiques superposés, dont un rotor magnétique externe (4) et un rotor magnétique interne (5) délimitant entre eux un entrefer (E) et comportant un même nombre de pôles magnétiques (PM). L’ensemble d’éléments actifs (2) comporte un stator (30) disposé dans ledit entrefer (E), les éléments actifs (2) s’étendant axialement dans ledit stator (30) permettant une circulation axiale bidirectionnelle d’un caloporteur entre une extrémité chaude (EC) et une extrémité froide (EF) dudit générateur. Le rotor magnétique externe (4) est avantageusement couplé d’une part à une machine électrique (9) par un couplage mécanique, et d’autre part audit rotor magnétique interne (5) par un couplage magnétique. Figure pour l’abrégé : Fig1 Générateur magnétocalorique à efficacité augmentée La présente invention concerne un générateur magnétocalorique à efficacité augmentée comportant au moins un ensemble d’éléments actifs à base de matériau magnétocalorique, et un arrangement magnétique agencé pour être mobile par rapport à l’ensemble d’éléments actifs. La technologie du froid magnétique à température ambiante est connue depuis plus d’une quarantaine d’années et on connaît ses avantages en termes d’efficacité énergétique et d’impacts environnementaux réduits par rapport aux technologies conventionnelles basées sur la compression et la détente d’un gaz réfrigérant. On connaît également ses limites quant à sa puissance calorique ou de conversion d’énergie. Dès lors, les recherches menées dans ce domaine tendent toutes à améliorer les performances des générateurs magnétocaloriques, en jouant sur les différents paramètres, tels que l'intensité et la qualité du champ magnétique, les performances du matériau magnétocalorique, la surface d’échange thermique entre le fluide caloporteur et les éléments magnétocaloriques, les performances des échangeurs de chaleur, etc. Aujourd’hui, les développements concernent l’optimisation de ces générateurs en vue, d’une part, de pouvoir les fabriquer en grande série et, d’autre part, de leur garantir une durée de vie importante. En plus de devoir atteindre une efficacité énergétique exploitable, ces générateurs doivent présenter une taille ou un encombrement relativement faible pour pouvoir les intégrer dans des applications commerciales présentant des contraintes d’encombrement Les publications WO2009/087310 et WO2015/079313 appartenant à la demanderesse donnent un aperçu des évolutions techniques déjà apportées aux générateurs magnétocaloriques, qui peuvent être encore améliorées. La présente invention vise à proposer une nouvelle génération de générateurs magnétocaloriques visant à optimiser les performances du générateur, réduire sa consommation énergétique, personnaliser les caractéristiques techniques du générateur pour atteindre les objectifs visés et répondre ainsi à une large gamme d’applications : chauffage, refroidissement, climatisation, pompe à chaleur réversible, convertisseur réversible permettant une conversion d’énergie électrique et/ou mécanique en énergie thermique et inversement une conversion d’énergie thermique, en énergie mécanique et/ou électrique. Dans ce but, l'invention concerne un générateur du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que ledit arrangement magnétique comporte deux rotors magnétiques superposés, dont un rotor magnétique externe et un rotor magnétique interne délimitant entre eux un entrefer, en ce que ledit rotor magnétique externe et ledit rotor magnétique interne comportent un même nombre de pôles magnétiques, en ce que ledit ensemble d’éléments actifs comporte un stator disposé dans ledit entrefer, en ce que lesdits éléments actifs s’étendent axialement dans ledit stator entre une extrémité chaude et une extrémité froide dudit générateur, et en ce qu’un desdits rotors magnétiques externe ou interne est couplé d’une part à une machine électrique par un couplage mécanique, et d’autre part à l’autre desdits rotors magnétiques interne ou externe par un couplage magnétique. Dans une forme préférée de l’invention, ledit générateur présente une configuration cylindrique, es rotors magnétiques externe et interne sont concentriques autour d’un axe de rotation, et ledit stator présente une forme annulaire, concentrique avec lesdits rotors magnétiques externe et interne. Ledit rotor magnétique externe est préférentiellement couplé à ladite machine électrique. Dans ce cas, il comporte une couronne crantée, et ledit couplage mécanique entre ledit rotor magnétique externe et ladite machine électrique comporte une transmission par courroie crantée engrenant ladite couronne crantée. Dans la forme préférée de l’invention, ledit générateur comporte au moins des moyens de guidage en rotation dudit rotor magnétique externe et dudit rotor magnétique interne portés par un carter, et lesdits moyens de guidage en rotation dudit rotor magnétique externe comportent des organes de guidage périphériques, montés dans les extrémités dudit rotor magnétique externe et agencés pour circuler sur un chemin de guidage appartenant audit carter. Lesdits organes de guidage sont avantageusement montés sur ledit rotor magnétique externe dans des secteurs périphériques situés en dehors desdits pôles magnétiques. Et ledit chemin de guidage est avantageusement prévu sur une bague de guidage rapportée sur ledit carter, ladite bague de guidage pouvant être réalisée dans une matière de dureté supérieure à celle de la matière dudit carter. De manière tout à fait avantageuse, ledit arrangement magnétique est de construction modulaire et comporte un assemblage d’au moins deux modules élémentaires superposés, chaque module élémentaire comporte une tranche dudit rotor magnétique externe et une tranche dudit rotor magnétique interne et le nombre de modules élémentaires dudit arrangement magnétique est déterminé en fonction de la puissance et/ou de l’écart de température ciblé pour ledit générateur. Lesdits modules élémentaires comportent préférentiellement des formes d’emboitement complémentaires agencées pour d’une part centrer lesdits modules élémentaires par rapport audit axe de rotation et indexer la position angulaire desdits modules élémentaires l’un par rapport à l’autre. Selon les variantes de réalisation de l’invention, ledit arrangement magnétique peut comporter en outre un dispositif d’uniformisation de champ magnétique superposé auxdits pôles magnétiques dudit rotor magnétique externe et/ou dudit rotor magnétique interne. Dans la forme préférée de l’invention, lesdits éléments actifs sont poreux et traversés chacun par un circuit caloporteur permettant une circulation axiale alternative d’un caloporteur de ladite extrémité chaude à ladite extrémité froide dans un premier cycle de travail et inversement de ladite extrémité froide à ladite extrémité chaude dans un second cycle de travail dudit générateur. Dans ce cas, l’orientation axiale de la circulation du caloporteur est avantageusement perpendiculaire à l’orientation radiale des lignes de champ magnétique générées par lesdits pôles magnétiques dudit arrangement magnétique. De préférence, le nombre d’éléments actifs dudit ensemble est un multiple du nombre de pôles magnétiques dudit arrangement magnétique, et lesdits éléments actifs sont disposés côte à côte sur la circonférence dudit stator. Chaque élément actif peut comporter un porte-matériau longitudinal, logé dans ledit stator. Dans ce cas, les porte-matériaux peuvent présenter une section choisie parmi un carré, un rectangle, un trapèze. En outre, la longueur desdits porte-matériaux est avantageusement déterminée en fonction de la puissance et/ou de l’écart de température ciblé pour ledit générateur. Dans la forme préférée de l’invention, le porte-matériau de chaque élément actif comporte un logement intérieur agencé pour recevoir au moins un matériau MMC, et au moins un raccord fluidique à chacune de ses extrémités, agencé pour raccorder ledit élément actif audit circuit caloporteur. Il peut comporter en outre au moins un répartiteur dans chaque zone d’extrémité entre ledit raccord fluidique) et ledit logement intérieur. Lesdits éléments actifs peuvent comporter au moins un bloc MMC poreux d’au moins un matériau MMC sous la forme de lames ou de structures de matériau régulières orientées parallèlement à l’axe longitudinal dudit porte-matériau, s’étendant radialement, et espacées entre elles d’un intervalle, les intervalles constituant un ensemble de canaux permettant la circulation axiale bidirectionnelle dudit caloporteur. Lesdits éléments actifs peuvent comporter plusieurs blocs MMC poreux d’un même matériau MMC ou de différents matériaux MMC séparés entre eux par des cales de jonction, les différents matériaux MMC étant rangés préférentiellement selon une température de Curie croissante ou décroissante évoluant de façon continue. 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 : est une vue en perspective d’un générateur magnétocalorique selon l’invention, représenté par son arrangement magnétique et son système d’entraînement en rotation, est une vue en perspective d’une partie d’un arrangement magnétique et d’un support pour éléments actifs appartenant à un générateur selon l’invention, est une vue de côté d’un générateur selon l’invention, représenté par son arrangement magnétique et ses éléments actifs, est une vue en perspective d’un arrangement magnétique d’un générateur selon l’invention, constitué d’un assemblage de deux modules élémentaires, est une vue éclatée en perspective d’un module élémentaire de la , est une vue de côté simplifiée d’un générateur selon une variante de l’invention, et similaire à la , est une vue éclatée d’un élément actif d’un générateur selon l’invention, est une vue en coupe longitudinale de l’élément actif de la , et est une vue en perspective d’un générateur selon l’invention, caréné et vu depuis une extrémité axiale comportant un système de commande du circuit caloporteur. Générateur magnétocalorique (1) à efficacité augmentée, comportant un ensemble d’éléments actifs (2) à base de matériau MMC, et un arrangement magnétique (3) agencé pour être mobile par rapport audit ensemble d’éléments actifs (2) , caractérisé en ce que ledit arrangement magnétique (3) comporte deux rotors magnétiques superposés, dont un rotor magnétique externe (4) et un rotor magnétique interne (5) délimitant entre eux un entrefer (E), en ce que ledit rotor magnétique externe (4) et ledit rotor magnétique interne (5) comportent un même nombre de pôles magnétiques (PM), en ce que ledit ensemble d’éléments actifs (2) comporte un stator (30) disposé dans ledit entrefer (E), en ce que lesdits éléments actifs (2) s’étendent axialement dans ledit stator (30) entre une extrémité chaude (EC) et une extrémité froide (EF) dudit générateur, et en ce qu’un desdits rotors magnétiques externe (4) ou interne (5) est couplé d’une part à une machine électrique (9) par un couplage mécanique, et d’autre part à l’autre desdits rotors magnétiques interne (5) ou externe (4) par un couplage magnétique. Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur présente une configuration cylindrique, en ce que les rotors magnétiques externe (4) et interne (5) sont concentriques autour d’un axe de rotation (A), et en ce que ledit stator (30) présente une forme annulaire, concentrique avec lesdits rotors magnétiques externe (4) et interne (5). Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit rotor magnétique externe (4) est couplé à ladite machine électrique (9), en ce qu’il comporte une couronne crantée (11), et en ce que ledit couplage mécanique entre ledit rotor magnétique externe (4) et ladite machine électrique (9) comporte une transmission par courroie crantée (10) engrenant ladite couronne crantée (11). Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit générateur comporte au moins des moyens de guidage en rotation dudit rotor magnétique externe (4) et dudit rotor magnétique interne (5) portés par un carter (C), et en ce que lesdits moyens de guidage en rotation dudit rotor magnétique externe (4) comportent des organes de guidage (14) périphériques, montés dans les extrémités dudit rotor magnétique externe (4), et agencés pour circuler sur un chemin de guidage appartenant audit carter (C). Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits organes de guidage (14) sont montés sur ledit rotor magnétique externe (4) dans des secteurs périphériques situés en dehors desdits pôles magnétiques (PM). Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit chemin de guidage est prévu sur une bague de guidage (15) rapportée sur ledit carter (C), ladite bague de guidage (15) étant réalisée dans une matière de dureté supérieure à celle de la matière dudit carter (C). Générateur magnétocalorique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit arrangement magnétique (3) est de construction modulaire et comporte un assemblage d’au moins deux modules élémentaires (17) superposés, en ce que chaque module élémentaire (17) comporte une tranche dudit rotor magnétique externe (4) et une tranche dudit rotor magnétique interne (5), et en ce que le nombre de modules élémentaires (17) dudit arrangement magnétique (3) est déterminé en fonction de la puissance et/ou de l’écart de température ciblé pour ledit générateur (1). Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits modules élémentaires (17) comportent des formes d’emboitement complémentaires agencées pour d’une part centrer lesdits modules élémentaires (17) par rapport audit axe de rotation (A) et indexer la position angulaire desdits modules élémentaires (17) l’un par rapport à l’autre. Générateur magnétocalorique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit arrangement magnétique (3) comporte en outre un dispositif d’uniformisation de champ magnétique (8) superposé auxdits pôles magnétiques (PM) dudit rotor magnétique externe (4) et/ou dudit rotor magnétique interne (5). Générateur magnétocalorique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments actifs (2) sont poreux et traversés chacun par un circuit caloporteur permettant une circulation axiale alternative d’un caloporteur de ladite extrémité chaude (EC) à ladite extrémité froide (EF) dans un premier cycle de travail et inversement de ladite extrémité froide (EF) à ladite extrémité chaude (EC) dans un second cycle de travail dudit générateur, et en ce que l’orientation axiale de la circulation du caloporteur est perpendiculaire à l’orientation radiale des lignes de champ magnétique générées par lesdits pôles magnétiques (PM) dudit arrangement magnétique (3). Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre d’éléments actifs (2) dudit ensemble est un multiple du nombre de pôles magnétiques (PM) dudit arrangement magnétique (3), et en ce que lesdits éléments actifs (2) sont disposés côte à côte sur la circonférence dudit stator (30). Générateur magnétocalorique (1) selon l’une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que chaque élément actif (2) comporte un porte-matériau (32) longitudinal, logé dans ledit stator (30), en ce que les porte-matériaux (32) présentent une section choisie parmi un carré, un rectangle, un trapèze, et en ce que la longueur desdits porte-matériaux (32) est déterminée en fonction de la puissance et/ou de l’écart de température ciblé pour ledit générateur. Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce que le porte-matériau (32) de chaque élément actif (2) comporte un logement intérieur (35) agencé pour recevoir au moins un matériau MMC, et au moins un raccord fluidique (37, 38) à chacune de ses extrémités, agencé pour raccorder ledit élément actif (2) dans audit circuit caloporteur. Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit porte-matériau (32) comporte en outre au moins un répartiteur (39) dans chaque zone d’extrémité entre ledit raccord fluidique (37, 38) et ledit logement intérieur (35). Générateur magnétocalorique (1) selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que lesdits éléments actifs (2) comportent au moins un bloc MMC poreux (40) d’au moins un matériau MMC sous la forme de lames ou de structures de matériau régulières (41) orientées parallèlement à l’axe longitudinal (B) dudit porte-matériau (32), s’étendant radialement, et espacées entre elles d’un intervalle, les intervalles formant un ensemble de canaux (31) permettant la circulation axiale bidirectionnelle dudit caloporteur . Générateur magnétocalorique (1) selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits éléments actifs (2) comportent plusieurs blocs MMC poreux (40) d’un même matériau MMC ou de différents matériaux MMC séparés entre eux par des cales de jonction (42), les différents matériaux MMC étant rangés selon une température de Curie (Tc) croissante ou décroissante évoluant de façon continue.