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 (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée...) des systèmes électroniques, reposent sur des cycles de compression-détente d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...). Ces systèmes ont un impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient...) non négligeable, et sont difficilement intégrables dans des dispositifs embarqués. Une solution alternative consisterait à utiliser des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) caloriques, qui ont la capacité de produire un refroidissement quand ils sont soumis à une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Lyon/Tohoku University), ont axé leurs travaux sur un système de réfrigération basé sur un caoutchouc élastocalorique dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) ANR ECPOR.

Son principe: le caoutchouc, dont la température évolue sous l'action d'une contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) calorique. La vitesse (On distingue :) du fluide, combinée à ses oscillations de température, entraîne un flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le...) 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 (Graphie) un modèle analytique, construit à partir des équations de transfert de chaleur (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est...) 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 (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de réfrigération). Les simulations effectuées à l'aide de ce modèle ont ainsi révélé que la faible conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) du caoutchouc n'est pas en soi un problème, et peut être compensée par l'optimisation de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) 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 (La couche limite est une zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) (à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. 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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) (et 25 mm de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) initiale), soumis à des élongations cycliques. Une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) fait circuler de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) dans le tube. Les températures sont mesurées par une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) 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 (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) optimale de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) du fluide, pour une géométrie donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...).

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.

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

Contacts:
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
- Gaël Sebald - ElyTMaX - gael.sebald at cnrs.fr