Réfrigération magnétique : des principes fondamentaux aux applications

La réfrigération magnétocalorique ou simplement magnétique s’appuie sur l’effet magnétocalorique (EMC). L’EMC est une propriété présente dans tous les matériaux magnétiques qui correspond à un échauffement associé à son aimantation et à un refroidissement suivant sa désaimantation, soit une variation réversible de température liée à une variation du champ magnétique dans des conditions adiabatiques. C’est autour de la température de transition de phase magnétique, ferromagnétique-paramagnétique par exemple, que la variation de température est la plus importante. On appelle « matériaux magnétocaloriques » (MMC) les matériaux où cet effet est important.

Dans un contexte de besoin de technologie de réfrigération propre et efficace, la réfrigération magnétique à température ambiante apparaît comme une solution de rupture, permettant de réaliser des systèmes plus efficaces, moins polluants et faciles à recycler, car mettant en œuvre des réfrigérants solides, et essentiellement de l’eau comme fluide caloporteur. Même si l’EMC est connu depuis plus d’un siècle, la recherche dans ce domaine n’a réellement démarré qu’il y a 25 ans environ suite à la découverte de nouveaux matériaux à EMC géant autour de la température ambiante.

Historiquement, l’article des TI (Allab et al.), datant d’environ 20 ans, se présentait comme un état de l’art global de l’époque sur cette thématique émergente qu’était la réfrigération magnétique. Depuis, et compte tenu des avancées dans les différents domaines, des articles plus spécifiques ont été publiés dans cette collection, nous pouvons citer, en particulier [K 733] et [BE 9 830], dédiés respectivement aux matériaux magnétocaloriques et aux systèmes de réfrigération magnétique.

Cet article propose une approche thermodynamique pour comprendre, comment l’effet magnétocalorique est exploité afin d’obtenir un effet de réfrigération. Grâce à cette approche, il offre un point de vue transversal entre ces articles. Plus spécifiquement, ce document s’attache à transmettre aux lecteurs les principes, plus qu’une description détaillée des matériaux et des systèmes.

Après une introduction sur le contexte du froid aux niveaux national et mondial au § 2, l’approche proposée se décline en quatre axes, détaillés aux § 3, 4, 5 et 6 :

• analyse de l’EMC et recherche de matériau à haut pouvoir magnétocalorique. Dans cette partie du chapitre 3, nous introduisons l’effet magnétocalorique, son observation, les différentes méthodes de caractérisations qu’elles soient directes et indirectes. Après une description thermodynamique de ce comportement, deux facteurs de mérite seront introduits : la variation de la température adiabatique ΔT_adia et la variation de l’entropie ΔS_isotherm respectivement dans des conditions adiabatiques et isothermes. Enfin, nous ferons un état de l’art des matériaux ayant une transition magnétique du 1^er et 2^e ordre qui sont disponibles à l’échelle industrielle ou du laboratoire en précisant leurs intérêts et leurs limites et nous présenterons les familles les plus intéressantes qui se dégagent pour une intégration effective dans un système de réfrigération ;

• analyse et modélisation des cycles thermodynamiques. Ici, nous discuterons des cycles élémentaires puis de leurs associations pour amplifier l’écart de température. L’introduction de la thermodynamique à temps finie va permettre de prendre en compte l’échange thermique, un élément indispensable pour estimer la puissance froide. Dans ce cadre, nous pourrons estimer les performances des systèmes de réfrigération et surtout mieux comprendre les éléments limitants. Ensuite, nous introduisons les techniques pour amplifier l’écart de température, soit avec un système à régénération actif, soit avec un système à étagement ;

• modélisation du régénérateur actif (AMR). Cette architecture est la plus utilisée, à la fois parce qu’elle bénéficie du bon transfert de chaleur fluide/solide, mais aussi parce qu’elle permet de moduler l’amplification des écarts de température pour s’adapter aux points de fonctionnement, tout en réduisant les irréversibilités (les pertes) liées aux transferts de chaleur. Grâce à une modélisation du système qui se concentre sur le cœur de son fonctionnement, nous illustrerons ses principes ;

• conception, réalisation de dispositifs de réfrigération magnétique. Un système de réfrigération magnétique est un système complexe qui doit être considéré dans sa globalité en tenant compte de l’imbrication et des interactions entre les différents éléments. Cette complexité résulte du matériau magnétocalorique MCM, de sa mise en œuvre dans le régénérateur, de la source de champ et de son interaction avec ce dernier, du fluide caloporteur et de la gestion du cycle aimantation/désaimantation, du cycle thermodynamique, sans oublier les échangeurs. Les performances du système résulteront de l’ensemble de ces éléments. Nous développerons dans cette dernière partie, ces différents points en s’appuyant sur notre expérience dans ce domaine et les travaux réalisés au niveau international.