Développement de matériaux composites pour la réfrigération magnétique
Arezki Smaili
03-2183061

RÉSUMÉ

Ce projet porte sur l'étude des réfrigérants composites opérant suivant le cycle d'Ericsson et le cycle à régénération magnétique active (RMA) et ce, dans la plage de température de 200 à 300 K.

Pour le cycle d'Ericsson, le réfrigérant idéal doit avoir un changement d'entropie magnétique constant (DS = Cte) sur tout l'intervalle de température [TC, TH] (où TC et THsont respectivement les températures des sources froide et chaude). Afin de satisfaire cette condition, nous avons mis au point une méthode numérique permettant de déterminer la structure optimale du réfrigérant composite. La méthode a été validée expérimentalement en utilisant les alliages Gd0.69 Er0.31 et Gd0.90 Er0.10 comme matériaux constitutifs du réfrigérant. Cette nouvelle approche de calcul a fait l'objet d'une publication dans "Advances in Cryogenic Engineering". Puis, en se basant sur cette méthode, nous avons exploré l'effet du nombre n de matériaux constitutifs sur la constance de DScom, ainsi que l'effet du champ magnétique appliqué B sur les différentes fractions massiques optimales FMOs. Pour ce faire, nous nous sommes proposés d'utiliser les alliages Gd1-VDyV (V = 0, 0.12, 0.28, 0.49 et 0.70) comme matériaux constitutifs pour deux séries de réfrigérants, opérant respectivement sur les intervalles: 240 - 290 K et 210 - 290 K, et sous un champ B = 7 T. Il en est ainsi résulté qu'une augmentation subséquente de n peut rendre davantage à DScom constant, donc le réfrigérant plus performant, mais pas d'effet notable sur son amplitude. Les valeurs appropriées de n sont égales à 3 et 4 respectivement pour la première et la deuxième série. Toutefois, l'amplitude tend à diminuer si l'écart entre les températures TH et TC devient plus large.

Par ailleurs, les FMOs ont exhibé une certaine dépendance avec le champ B; d'où, l'importance d'évaluer la composition structurelle au champ auquel le réfrigérant est destiné d'opérer. Tout cela a constitué le thème de notre deuxième publication dans "Journal of Applied Physics".

Concernant le cycle de RMA, nous avons tenté dans un premier lieu de préciser les critères auxquels doit satisfaire un réfrigérant performant. Cela nous a conduit à considérer les équations gouvernant l'échange de chaleur dans un régénérateur actif, et ce, afin de simuler le cycle thermique. Une méthode similaire à celle du cycle d'Ericsson, développée et validée expérimentalement, a servi à générer différents régénérateurs composites ayant des profils de changement de température adiabatique DT(T) appropriés. L'impact de ces profils DT(T) sur la performance du cycle a été investigué. Nous avons ainsi abouti aux résultats suivants. Dans le cas réversible, se sont révélés prometteurs tous les régénérateurs ayant des profils DT(T) dont le comportement est croissant monotone avec la température. Pour des cycles irréversibles, nous avons constaté que seuls les régénérateurs ayant des profils DT(T) pratiquement linéaires (DT/T = Cste) sont les plus efficaces. Cette partie a fait l'objet de notre troisième publication dans "Cryogenics".

Une fois le critère de sélection éclairé, nous avons essayé d'étudier la faisabilité du matériau composite pour le cycle de RMA. Essentiellement, le problème de production d'entropie (irréversibilité) dû au mélange physique a été examiné. Pour ce faire, nous avons développé un modèle de calcul permettant d'estimer cette irréversibilité. Également, des tests expérimentaux préliminaires ont été effectués pour vérifier la validité des résultats numériques. Nous avons ainsi conclu que l'impact de cette irréversibilité pourrait être négligeable et, donc, la performance du cycle ne semble pas être affectée.

Enfin, à titre d'exemple d'application, nous avons proposé un régénérateur actif composé des alliages Gd-Dy, opérant sur l'intervalle 210 - 290 K, sous un champ B = 7 T, et ayant un profil DT(T) approximativement linéaire. Afin de bien visualiser l'impact du régénérateur composite, sa capacité frigorifique Qc et son coefficient de performance COP ont été évalués et comparés avec ceux obtenus par un régénérateur constitué de Gd seulement. Les calculs ont donné Qc = 100 J.mole-1 & COP = 70 % Carnot pour le composite, et Qc = 45 J.mole-1 & COP = 30 % Carnot pour le Gd. Cela nous a permis de conclure que l'utilisation de matériaux composites peut jouer un rôle primordial dans le développement des réfrigérants magnétiques hautement performants opérant sur de larges intervalles de température.

26 novembre 2001