Le renouveau de la réfrigération magnétique

Le renouveau de la r´efrig´eration magn´etique
Mohamed Balli, Cyril Mahmed, David Duc, Petri Nikkola, Osmann Sari, Jean
Christophe Hadorn, Fouad Rahali
To cite this version:
Mohamed Balli, Cyril Mahmed, David Duc, Petri Nikkola, Osmann Sari, et al.. Le renouveau
de la r´efrig´eration magn´etique. Revue G´en´erale du Froid, 2012, Production du Froid, 102
(1121), pp.45-54. <hal-01185989>
HAL Id: hal-01185989
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01185989
Submitted on 23 Aug 2015
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Le renouveau de la réfrigération magnétique
Mohamed Balli, Cyril Mahmed, David Duc, Petri Nikkola, Osmann Sari
Haute Ecole Spécialisée de Suisse Occidentale (HES-SO)
Avenue des sports 20, Yverdon-Les-Bains, Suisse
Jean Christophe Hadorn, Fouad Rahali
Clean Cool Systems
Avenue des sports 20, Yverdon-Les-Bains, Suisse
Résumé
Basée sur l’effet magnétocalorique (EMC), la réfrigération magnétique est considérée
actuellement comme l’une des alternatives sérieuses pour remplacer les systèmes de
réfrigération traditionnels. Cet article présente différents aspects de la réfrigération
magnétique ainsi qu’un récent développement dans ce domaine réalisé par la Haute Ecole
Spécialisée de Suisse Occidentale (HES-SO). Pour faciliter la lecture, l’origine physique de
l’EMC, le principe de la réfrigération magnétique et des éléments théoriques de base ont été
rappelés. Les derniers développements relatifs aux matériaux et sources de champ magnétique
sont également rappelés dans cet article. Enfin, les auteurs présentent le réfrigérateur
magnétique qu’ils ont développé très récemment en collaboration avec la société Clean Cool
System (CCS). La nouvelle machine a été conçue en tenant compte de la compacité du
système, des performances thermodynamiques et des besoins du marché. Afin d’obtenir des
champs magnétiques suffisants pour cette application, une source de champ innovante a été
mise au point. Une nouvelle conception des matériaux magnétocaloriques permet de réduire
très significativement l’énergie consommée durant les processus de magnétisation et de
démagnétisation. Utilisant les plaques du gadolinium comme réfrigérant et le cycle
thermodynamique AMRR
1
, ce système a permis de produire une puissance frigorifique
supérieure à 100 W pour un écart de température entre les sources de chaleur supérieur à 15
K.
1
AMRR = active magnetic regeneration refrigeration (Réfrigération par régénération magnétique active)

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Abstract
Based on the magnetocaloric effect (MCE), magnetic cooling is considered in recent years as
a serious alternative to replace conventional systems. In this paper, we present the various
aspect of the magnetic cooling as well as our recently developed magnetic refrigerator. In
order to more understand the physical origin of the MCE and the magnetic cooling, theoretical
backgrounds are developed. The recent developments on magnetocaloric materials and
magnetic field sources are also the subject of this paper. In the last part we present the recent
developed magnetocaloric machine at HES-SO in collaboration with Clean Cool System
Company (CCS). The magnetocaloric machine was designed taking into account the market
and thermodynamic performance requirements. In addition, the design options lead to a
compact system easier for using. In order to generate sufficient magnetocaloric effect, an
innovative magnetic field source was developed based on permanent magnets arranged
following an original configuration. However, in order to reduce the energy absorbed by the
machine, a new architecture for the magnetocaloric block was proposed. Using the active
refrigeration thermodynamic cycle (AMRR) and gadolinium plates as a refrigerant, a cooling
power higher than 100 W and a temperature span larger than 15 K were reached.
1. Introduction
Dans le contexte actuel de pénurie des ressources énergétiques et d’augmentation des
émissions des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, la réduction de l’utilisation des fluides
frigorigènes de synthèse ainsi que de la consommation d’énergie constituent des défis majeurs
pour l’industrie du froid. Des mesures ont été adoptées au plan international. Certains Etats
les ont concrétisées par des réglementations. De plus, des activités de recherches intenses sont
menées par des laboratoires pour faire face à ces défis. Clean Cool Systems en collaboration
étroite avec la HES-SO s’est engagée dans cette direction en développant de technologies
innovantes, en particulier la réfrigération magnétique. Cette dernière, considérée actuellement
comme l’une des alternatives sérieuses aux systèmes de réfrigération conventionnels connaît
un renouveau ces dernières années parce que économe en énergie et sans nocivité pour
l’environnement. L’intérêt suscité par la réfrigération magnétique est dû essentiellement à son
efficacité énergétique élevée et à l’absence de fluides frigorigènes dangereux pour
l’environnement. Son historique est présenté dans l’encadré 1.
Dans ce qui suit, les différents aspects de la réfrigération magnétique ainsi que le réfrigérateur
magnétique développé récemment à la HES-SO, sont décrits.
2. Notions de base
L’effet magnétocalorique (EMC) se traduit par l’échauffement ou le refroidissement d’un
matériau magnétique magnétisé ou démagnétisé. Il est le résultat du changement de l’entropie
du matériau dû aux couplages entre les moments magnétiques et le réseau atomique sous
l’action d’un champ magnétique extérieur [8]. L’entropie totale d’un matériau magnétique est

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la somme de l’entropie magnétique S
m
, de l’entropie atomique S
at
et de l’entropie électronique
S
el
. Elle est donnée par :
(T) S + (T) S + T) (B,S = H) (T, S
elatm
(1)
Avec T température du matériau et B champ magnétique appliqué.
Contrairement à l’entropie magnétique qui dépend fortement du champ magnétique, les
entropies électronique et atomique sont indépendantes du champ appliqué à l’exception de
quelques matériaux qui présentent une transition magnétique de premier ordre
2
. L’application
d’un champ magnétique élevé permet d’aligner les moments magnétiques créant ainsi une
forme d’ordre dans le solide (Fig. 1). Ce passage d’un état magnétique désordonné à un état
ordonné est accompagné d’une réduction isotherme au niveau de l’entropie magnétique de
∆S
m
(Fig.2). Dans des conditions adiabatiques, l’entropie totale reste constante. Ainsi, la
diminution de l’entropie magnétique est compensée par l’augmentation de l’entropie
atomique dans le sens inverse provoquant l’augmentation de l’intensité des vibrations
atomiques augmentant la température du matériau. Ce changement de température est connu
sous le nom de la variation de température adiabatique ∆T
ad
. L’EMC est caractérisé
principalement par les deux quantités thermodynamiques ∆T
ad
et ∆S
m
, illustrées sur la figure
2 pour une température initiale T
0
et un champ variant de B
I
à B
F
. L’origine physique et
magnétique de l’EMC est détaillée dans l’encadré 2.
Figure 1. Visualisation du principe de l’effet magnétocalorique
2
Une transition magnétique est dite de premier ordre lorsque l’aimantation du matériau présente une
discontinuité au voisinage de la température de changement de phase. Dans le cas où l’aimantation varie
lentement dans la phase de transition, la transition magnétique est dite de second ordre.

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Figure 2: Variations de l’entropie magnétique ∆S
m
et de la température adiabatique pour un
champ variant de B
I
à B
F
(B
F
> B
I
) et une température initiale de T
0
.
3. Cycle AMRR
3
et le principe de la réfrigération magnétique
L’exploitation directe de l’effet magnétocalorique pour refroidir au voisinage de la
température ambiante ne permet pas d’atteindre des écarts de températures importants entre
les sources de chaleur chaude et froide, en particulier avec des systèmes utilisant des aimants
permanents.
Pour des applications frigorifiques et pompes à chaleur, l’EMC peut être amplifié grâce à des
cycles magnétothermiques spécifiques appelés cycle à régénération AMRR. La majorité des
réfrigérateurs magnétiques conçus durant ces dernières années utilisent ce type de cycle. La
réalisation d’un cycle AMRR repose sur trois composants principaux (Fig.3) :
• une source de champ magnétique,
• un matériau magnétocalorique (réfrigérant solide),
• un fluide caloporteur pour le transfert thermique.
3
AMRR = réfrigération magnétique active à régénération