Un modèle pour concevoir des systèmes de réfrigération sans gaz

Des chercheurs du laboratoire ElyTMaX ont développé un modèle d’aide à la conception de systèmes de réfrigération basés sur un matériau calorique, et non plus sur un gaz. Ce modèle a été validé avec un dispositif expérimental utilisant un caoutchouc naturel. Les résultats sont publiés dans un numéro spécial du Journal of Applied Physics. Les systèmes de réfrigération actuels, utilisés pour la conservation des aliments, mais aussi pour assurer la fiabilité des systèmes électroniques, reposent sur des cycles de compression-détente d’un gaz. Ces systèmes ont un impact environnemental non négligeable, et sont difficilement intégrables dans des dispositifs embarqués. Une solution alternative consisterait à utiliser des matériaux caloriques, qui ont la capacité de produire un refroidissement quand ils sont soumis à une force cyclique (magnétique, électrique ou mécanique). Des chercheurs du laboratoire ElyTMaX (Science & Engineering Lyon, Tohoku Materials & systems under eXtreme conditions), une unité mixte internationale (CNRS/ Université de Lyon/Tohoku University), ont axé leurs travaux sur un système de réfrigération basé sur un caoutchouc élastocalorique dans le cadre du projet ANR ECPOR1. Son principe : le caoutchouc, dont la température évolue sous l’action d’une contrainte mécanique cyclique (sinusoïdale), est mis en contact avec un fluide caloporteur qui se déplace lui-aussi cycliquement. La température du fluide a ainsi tendance à suivre les oscillations de température du matériau calorique. La vitesse du fluide, combinée à ses oscillations de température, entraîne un flux de chaleur net dans une direction. Pour mieux comprendre le fonctionnement de ce type de dispositifs, les chercheurs ont développé un modèle de simulation. Au prix de quelques simplifications, ils ont pu mettre au point un modèle analytique, construit à partir des équations de transfert de chaleur à travers le système de réfrigération. Ce type de modèle, comparé par exemple à un modèle du type « éléments finis », permet d’étudier l’impact des différents paramètres sur les performances (la puissance de réfrigération). Les simulations effectuées à l’aide de ce modèle ont ainsi révélé que la faible conductivité thermique du caoutchouc n’est pas en soi un problème, et peut être compensée par l’optimisation de la géométrie du système. Par ailleurs, le modèle a mis en évidence un point clé pour une conception optimale : l’épaisseur du matériau et l’épaisseur de la couche limite thermique (à l’interface entre le matériau et le fluide) doivent être du même ordre de grandeur, faute de quoi la puissance de réfrigération chute rapidement. Le modèle de simulation a été validé avec un dispositif expérimental de réfrigération utilisant un caoutchouc élastocalorique. Il est constitué d’un tube de caoutchouc de 5 mm de diamètre (et 25 mm de longueur initiale), soumis à des élongations cycliques. Une pompe fait circuler de l’eau dans le tube. Les températures sont mesurées par une caméra infra-rouge. Plusieurs expérimentations ont montré la concordance entre les mesures effectuées et les résultats de simulation, et en particulier l’existence d’une fréquence optimale de déplacement du fluide, pour une géométrie donnée. Les chercheurs veulent maintenant compléter leur modèle, notamment en prenant en compte des écoulement plus complexes du fluide. Ils souhaitent aussi créer un dispositif expérimental de plus grande taille, afin d’aboutir à une véritable preuve de concept. © ELyTMaX Réfrigération élastocalorique utilisant du caoutchouc naturel. Le mouvement du fluide combiné avec la variation de température temporelle du caoutchouc permet de générer un gradient de température de plusieurs degrés entre les deux extrémités du système (mesure par des thermocouples insérés dans la colonne de fluide en mouvement cyclique). Cette expérience permet d’appuyer l’approche de modélisation, cette dernière étant développée pour concevoir et améliorer les performances de ce type de systèmes de réfrigération régénératifs.

Référence :
Regenerative cooling using elastocaloric rubber: Analytical model and experiments featured, G. Sebald, A. Komiya, J. Jay, G. Coativy and L. Lebrun
Journal of Applied Physics 127, 094903 (mai 2020)
DOI : 10.1063/1.5132361

Notes
Ces travaux sont menés dans le cadre du projet ANR ECPOR (Couplage Elastocalorique dans les Polymères pour la génération solide du froid) dont les partenaires sont les laboratoires suivants : Centre d'énergétique et de thermique de Lyon (CETHIL, CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), Matériaux : ingénierie et science (MATEIS, CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), Laboratoire de thermique et énergie de Nantes (LTEN, CNRS/Université de Nantes), ELyTMaX (CNRS/Université de Lyon/Tohoku University) et Laboratoire de génie électrique et ferroélectricité (LGEF, INSA Lyon).