DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Couplage Elastocalorique dans les Polymères pour la génération solide du froid – ECPOR

Couplage Elastocalorique dans les Polymères pour la génération solide du froid

La réfrigération est quotidiennement utilisée pour la conservation des aliments ou des médicaments (vaccin), pour la fiabilité des dispositifs électroniques, ainsi que pour le bien-être des personnes. Basée sur le cycle de compression-détente d’un gaz, elle présente quelques inconvénients: intégration difficile dans des systèmes embarqués et impact environnemental non négligeable. Il convient donc de développer des technologies alternatives dans le domaine de la physique à l'état solide.

Guideline pour le design d’un système de refroidissement solide performant utilisant un élastomère élastocalorique : du matériau à la preuve de concept

L'objectif du projet ECPOR est de contribuer à ce sujet en évaluant l'efficacité de l'effet élastocalorique dans les polymères pour les applications de réfrigération et en réalisant, comme preuve de concept des démonstrateurs. Une approche multidisciplinaire, combinant expériences et modélisation est utilisée pour mieux comprendre les mécanismes de l'effet élastocalorique afin de l'améliorer, de caractériser avec précision le transfert de chaleur entre la surface du polymère et son environnement et de construire des prototypes de machines thermiques pour chiffrer leurs performances et ainsi gagner en expérience sur cette nouvelle technique de production de froid . Ce projet s’inscrit dans le défi «Energie propre, sûre et efficace« et plus particulièrement dans son axe «recherches fondamentales, exploratoires et concepts en rupture«.

Trois effets dans les matériaux ont été étudiés pour remplacer le cycle compression-détente d'un gaz. Ils sont basés sur le même principe : faire varier l'entropie du système en utilisant une transition réversible entre un état ordonné et un état désordonné de la matière pilotée par une excitation extérieure. Dans le cas de l'effet magnétocalorique, c'est l'application d'un champ magnétique externe qui impose une variation de la magnétisation dans un matériau magnétique. Dans celui de l'effet électrocalorique, c'est l'application d'un champ électrique externe qui impose une variation de la polarisation dans un matériau diélectrique. Enfin, dans celui de l'effet mécanocalorique, une distinction est faite entre l'effet barocalorique où le matériau est soumis à une pression isostatique et l'effet élastocalorique où il est soumis à une déformation uniaxiale. La transition vers l'état ordonné provoque une augmentation de la température alors que celle vers un état désordonné conduit à sa diminution. Si les effets magnétocalorique et électrocalorique ont été très étudiés et qu’il existe déjà, au moins à l’échelle du laboratoire, des prototypes de systèmes de réfrigération, l’effet élastocalorique, alors qu’il est tout autant prometteur que les deux précédents, n’a pas fait l’objet de travaux aussi intensifs.

Le projet a permis le développement d’un modèle analytique permettant de dimensionner un système de refroidissement utilisant un fluide caloporteur. Ce modèle a été validé par un démonstrateur de laboratoire.
Le projet a doté les partenaires de bancs de caractérisations originaux permettant la mesure des caractéristiques thermiques (conductivité thermique, chaleur spécifique , effet thermique de la cristallisation induite) du matériau sous élongation et celle du couplage élastocalorique à différentes fréquences et sous différents cycles de sollicitations.

La suite du projet s’attachera à optimiser le matériau en s’appuyant sur une modélisation et une caractérisation multi-échelle de ses propriétés sous élongation, à améliorer le premier démonstrateur de type régénératif et à en développer un second à étage unique.

Oral Communication :

E-MRS Fall Meeting 2019, Warsaw,

SymposiumE:Caloric materials for efficient heat management applications: advances and challenges,

Main key points for developing environmental friendly solid state cooling system based on the elastocaloric effect in rubber

Gael Sebald1, Atsuki Komiya1,2, Jean-Marc Chenal3, Laurent Chazeau3, Florent Dalmas3, Mathieu Vigouroux4, François Rousset4, M'hamed Boutaous4, Jacques Jay4, Bertrand Garnier5, Mohammad Rammal5, Ahmed Ould El Moctar5, Hiba Haissoune6, Gildas Coativy6, Laurence Seveyrat6, Kaori Yuse6, Laurent Lebrun6

1 ELyTMaX UMI 3757, CNRS - Université de Lyon - Tohoku University, International Joint Unit, Sendai, Japan 2 Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai, Japan 3 Univ Lyon, CNRS, INSA-Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, MATEIS UMR5510, F-69621, Villeurbanne, France 4 Univ Lyon, CNRS, INSA-Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, CETHIL UMR5008, F-69621, Villeurbanne, France 5 LTeN Laboratoire de Thermique et Energie, CNRS, Université de Nantes, France ; 6 Univ Lyon, INSA Lyon, LGEF, EA682, Villeurbanne, France

La réfrigération fait partie de notre quotidien pour la conservation des aliments ou des médicaments (vaccin), pour la fiabilité des dispositifs électroniques, ainsi que pour le bien-être des personnes. Elle utilise le cycle de compression-détente d’un gaz et présente quelques inconvénients: un potentiel limité à s’intégrer dans des systèmes embarqués et un impact environnemental non négligeable quand des matériaux volatils nocifs sont utilisés. Par conséquent, les efforts ont porté sur le développement de technologies alternatives dans le domaine de la physique à l'état solide.

Trois effets dans les matériaux ont été étudiés pour remplacer le cycle compression-détente d'un gaz. Ils sont basés sur le même principe : faire varier l'entropie du système en utilisant une transition réversible entre un état ordonné et un état désordonné de la matière pilotée par une excitation extérieure. Dans le cas de l'effet magnétocalorique, c'est l'application d'un champ magnétique externe qui impose une variation de la magnétisation dans un matériau magnétique. Dans celui de l'effet électrocalorique, c'est l'application d'un champ électrique externe qui impose une variation de la polarisation dans un matériau diélectrique. Enfin, dans celui de l'effet mécanocalorique, une distinction est faite entre l'effet barocalorique où le matériau est soumis à une pression isostatique et l'effet élastocalorique où il est soumis à une déformation uniaxiale. La transition vers l'état ordonné provoque une augmentation de la température alors que celle vers un état désordonné conduit à sa diminution. Si les effets magnétocalorique et électrocalorique ont été très étudiés et qu’il existe déjà, au moins à l’échelle du laboratoire, des prototypes de systèmes de réfrigération, l’effet élastocalorique, alors qu’il est tout autant prometteur que les deux précédents, n’a pas l’objet de travaux aussi intensifs.

L'objectif du projet ECPOR est de contribuer à ce sujet en évaluant l'efficacité de l'effet élastocalorique dans les polymères pour les applications de réfrigération et en réalisant, comme preuve de concept des démonstrateurs. Une approche multidisciplinaire, combinant expériences et modélisation sera utilisée pour mieux comprendre les mécanismes de l'effet élastocalorique afin de l'améliorer, de caractériser avec précision le transfert de chaleur entre la surface du polymère et son environnement et de construire des prototypes de machines thermiques pour gagner en expérience sur cette nouvelle technique. Ce projet s’inscrit dans le défi "Energie propre, sûre et efficace" et plus particulièrement dans son axe "recherches fondamentales, exploratoires et concepts en rupture".

Coordination du projet

Laurent LEBRUN (Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CETHIL Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon
MATEIS Matériaux : Ingénierie et Science
LTEN (ex LTN) Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes (ex. Laboratoire de Thermocinétique)
ELYTMAX ELYTMAX
LGEF Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité

Aide de l'ANR 549 101 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 36 Mois

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