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MADEA : Réfrigération magnétique autour de la température ambiante - Grenoble INP - G2Elab

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MADEA : Réfrigération magnétique autour de la température ambiante

La RM est basée sur l'effet magnétocalorique (EMC), une propriété intrinsèque des matériaux magnétiques qui se traduit par un échauffement ou un refroidissement du matériau lorsqu'il est aimanté ou désaimanté de manière adiabatique. On peut ainsi réaliser magnétiquement l'équivalent du cycle d'une machine thermique classique d'autant plus que certains matériaux possèdent un EMC géant autour de la température ambiante. Plusieurs applications peuvent être envisagées et pourraient concurrencer les systèmes de réfrigération thermique classique ou encore thermoélectrique : réfrigération domestique ou industrielle, climatisation de bâtiment ou de véhicule, refroidissement de systèmes portables, etc.

Les travaux visent à :

  • développer des nouveaux matériaux à fort pouvoir magnétocalorique, les optimiser et les synthétiser en quantité suffisante pour les utiliser dans un prototype,
  • concevoir et réaliser un module de réfrigération magnétique en optimisant la source de champ, la mise en forme du matériau et les échanges thermiques.

Ces objectifs sont mis en place en développant des approches matériaux, cycle thermique et système et en s'appuyant à différents niveaux sur la caractérisation et la modélisation.


Matériaux magnétocaloriques

Nous participons aux travaux de l'Institut Néel et du CRETA sur l'analyse thermodynamique de l'EMC, la synthèse de nouveaux matériaux à haut pouvoir magnétocalorique, leur caractérisation magnétothermique,  la modélisation de leur transition de phase quelle soit du 1er ou du 2nd ordre ainsi que leur mise en oeuvre pour réaliser un bloc réfrigérant.

Bloc réfrigérant

Cycle thermique à régénération magnétique active AMRR

C'est un cycle spécifique qui permet grâce à un échange entre le matériau et un fluide extérieur d'amplifier l'écart de température entre la source chaude et la source froide. Un modèle analytique 1D et un modèle numérique sous l'environnement Fluent ont été développés pour prédire et analyser le comportement de ce cycle.  Un démonstrateur à aimants permanents (figure ci-dessous) mettant en œuvre ce cycle a été réalisé pour évaluer l'influence des différents paramètres et comparer les performances de différentes compositions et formes de matériaux dans leurs conditions réelles de fonctionnement dans un  bloc réfrigérant

Démonstrateur réfrigération magnétique

Système

Des approches analytiques et numériques (Flux 2D /3D) ont été développées pour calculer les sources de champ et leurs interactions avec les blocs réfrigérants. Elles tiennent  compte de la géométrie du système, des propriétés magnétocaloriques du matériau actif et dans certains cas du cycle magnétothermique qui peut être direct ou AMRR. Plusieurs structures originales à aimants permanents ou à bobines supraconductrices ont été proposées. Un premier prototype (figure ci-dessous) d'un système complet a été développé et est actuellement en cours de test. C'est un système rotatif à aimants permanents qui utilise du Gadolinium comme matériau à EMC géant, de l'eau comme fluide caloporteur et qui met en œuvre un cycle à régénération active.

Prototype de réfrigération magnétique

Historique et Partenariats

A notre connaissance, G2Elab est un pionnier dans cette thématique qu'il a lancée en 2002. Il s'est associé rapidement à l'Institut Néel et le Consortium de Recherche pour l'Emergence de Technologies Avancées (CRETA) pour constituer un groupe de recherche grenoblois sur la réfrigération magnétique et réunir les compétences nécessaires pour développer cette thématique. Dans la période 2002-2010, 4 thèses ont été soutenues (Balli, 2007), (Allab, 2008), (Bouchelara 2008), (Dupuis, 2009) et 3 sont en cours.

Les différents partenaires tant industriel qu'académique sont :
CNRS, ADEME/PSA, Grenoble INP, UJF, Cluster Energie Rhône Alpes, Institut Carnot Energie du Futur, ADEME, ArcelorMittal Stainless&Nickel Alloys, McPHy Energy et Cooltech Applications
 
G2ELAB
Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble
Bâtiment GreEn-ER, 21 avenue des martyrs, CS 90624, 38031 Grenoble CEDEX 1, FRANCE

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