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Un modèle de conception de systèmes de réfrigération sans l’usage du gaz

Pour conserver des aliments et assurer la fiabilité des systèmes électroniques, les systèmes de réfrigération d’aujourd’hui sont basés sur des cycles de compression-détente d’un gaz. Un modèle, aidant à la conception de systèmes de réfrigération sans utiliser du gaz, mais un matériau calorique, a été développé par des chercheurs du laboratoire ElyTMaX (Science & Engineering Lyon, Tohoku Materials & systems under eXtreme conditions).

L’impact environnemental des systèmes de réfrigération actuels est considérable. De plus, leur intégration dans des dispositifs embarqués s’avère complexe. Dans le cadre du projet ANR ECPOR1, une unité mixte internationale (CNRS/ Université de Lyon/Tohoku University), constituée de chercheurs, a donc développé une solution alternative qui utilise un caoutchouc élastocalorique, ayant la capacité de produire un refroidissement une fois soumis à une force cyclique (mécanique, électrique ou magnétique).

La température du caoutchouc évolue sous l’action d’une contrainte mécanique cyclique (sinusoïdale). Lorsque le caoutchouc est mis en contact avec un fluide caloporteur, se déplaçant aussi cycliquement, la température du fluide tend à suivre les oscillations de celle du matériau calorique. Les oscillations de la température, combinées à sa vitesse, entraînent dans une direction un flux de chaleur net.

Un modèle de simulation a été développé par les chercheurs pour une meilleure compréhension du fonctionnement de ce type de dispositif. Un modèle analytique permettant l’étude de l’impact des divers paramètres sur les performances, notamment sur la puissance de réfrigération, a ainsi été mis au point.

Les simulations ont révélé que la faible conductivité thermique du caoutchouc peut être compensée par l’optimisation de la géométrie du système. Un point clé pour une conception optimale a été, par ailleurs, mis en évidence par le modèle : l’ordre de grandeur doit être le même aussi bien pour l’épaisseur de la couche limite thermique (interface entre le fluide et le matériau) que pour celle du matériau. Le cas échéant, la puissance de réfrigération chute rapidement.

Le modèle de simulation est constitué d’un tube de caoutchouc élastocalorique, de 25 mm de longueur initiale et de 5 mm de diamètre, qui est soumis à des élongations cycliques. L’eau dans le tube circule à l’aide d’une pompe. Une caméra infra-rouge est utilisée pour la mesure des températures.

De nombreuses expérimentations ont montré, en particulier, l’existence d’une fréquence optimale de déplacement du fluide, pour une géométrie donnée, et que les mesures effectuées et les résultats de simulation concordent.

Maintenant, les chercheurs veulent prendre en compte les écoulements plus complexes du fluide pour compléter leur modèle. Afin d’aboutir à une réelle preuve de concept, ils souhaitent également créer un dispositif expérimental d’une taille plus importante.