Il est extrêmement pertinent de créer actuellement un réfrigérateur compact, respectueux de l’environnement, économe en énergie et très fiable fonctionnant dans la plage de température de la pièce. Cette tâche est due à un certain nombre de revendications sérieuses aux systèmes de refroidissement existants. Il est connu que lors du fonctionnement des réfrigérateurs actuellement utilisés, il peut y avoir des fuites de gaz de travail (réfrigérants) qui causent de graves problèmes environnementaux tels que l’appauvrissement de la couche d’ozone et le réchauffement de la planète. Parmi les diverses technologies alternatives qui pourraient être utilisées dans les dispositifs de refroidissement, la technologie du refroidissement magnétique retient de plus en plus l’attention des chercheurs du monde entier. Des travaux intensifs sur le refroidissement magnétique sont menés dans de nombreux laboratoires et universités en Europe, aux États-Unis, au Canada, en Chine et en Russie.

Un réfrigérateur magnétique est un dispositif respectueux de l’environnement et permet de réduire considérablement la consommation d’énergie. Cette dernière circonstance est extrêmement importante étant donné le nombre vraiment énorme d’unités de réfrigération utilisées par l’homme dans divers domaines de son activité. La technologie du refroidissement magnétique est basée sur la capacité de tout matériau magnétique à modifier sa température et son entropie sous l’influence d’un champ magnétique. Cette capacité se manifeste lors de la compression ou de la détente de gaz ou de vapeur dans les réfrigérateurs traditionnels. Une telle modification de la température ou de l’entropie du matériau magnétique due à une modification de l’intensité du champ magnétique est appelée effet magnétocalorique (ci-après dénommé MCE).
La modification de la température du matériau magnétique est le résultat de la redistribution de l’énergie interne de la substance magnétique entre le système des moments magnétiques de ses atomes et le réseau cristallin. La valeur maximale de la MCE est obtenue dans les matériaux magnétiquement ordonnés, tels que les ferromagnétiques, les antiferromagnétiques, etc, situés à des températures de transitions de phases magnétiques (températures d’ordonnancement magnétique – Curie, Neel, etc).
Le principal avantage des dispositifs de refroidissement magnétique est associé à une densité élevée du matériau de transfert de chaleur – un corps solide par rapport à la densité de la vapeur ou du gaz. Le changement d’entropie par unité de volume dans les matériaux magnétiques solides est sept fois plus élevé que dans un gaz. Cela permet de concevoir des réfrigérateurs plus compacts. Le milieu de travail magnétique lui-même sert d’analogue aux réfrigérants utilisés dans les installations frigorifiques traditionnelles à cycle combiné. En outre, le processus de démagnétisation-magnétisation est analogue aux cycles de compression-détente. L’efficacité de tout réfrigérateur est principalement déterminée par la quantité de travail irréversible effectué au cours du cycle – pour les dispositifs efficaces, elle doit être aussi faible que possible. Dans un réfrigérateur chauffé au gaz, il y a des dispositifs qui produisent une quantité importante de travail irréversible – un régénérateur, un compresseur et des échangeurs de chaleur.
Une grande partie du travail irréversible est effectuée dans les échangeurs de chaleur. Il est directement proportionnel à la variation adiabatique de la température du fluide de travail. Il est beaucoup plus important dans un gaz que dans un matériau magnétique. Pour cette raison, la dissipation de chaleur la plus efficace est réalisée avec des matériaux magnétiques, en particulier dans le cycle de réfrigération régénérative. La conception spéciale de l’échangeur de chaleur et l’utilisation d’un régénérateur à grande surface permettent d’obtenir une petite partie du travail irréversible pendant le refroidissement magnétique. L’efficacité du cycle de refroidissement magnétique régénératif dans la gamme de température de 4,5 à 300 0K peut être de 38 à 60% du cycle de Carnot (environ 52% d’efficacité dans la gamme de température de 20 à 150 0K, et environ 85% dans la gamme de 150 à 300 0K). Ainsi, à toutes les étapes du cycle, les conditions de transfert de chaleur seront les meilleures connues à ce jour. En outre, les réfrigérateurs magnétiques comprennent un petit nombre de pièces mobiles, fonctionnent à basse fréquence, ce qui permet de minimiser l’usure du réfrigérateur et d’augmenter son temps de fonctionnement.

La chronologie de ce problème. Principes de base du refroidissement magnétique

1. Warburg a découvert le MCE il y a relativement longtemps, en 1881. Il a observé comment, sous l’action d’un champ magnétique, l’échantillon de fer se réchauffait, ou se refroidissait. Ce scientifique a conclu que le changement de température de l’échantillon est une conséquence du changement de l’énergie interne d’une substance, ayant une structure magnétique, sous l’influence d’un champ magnétique.

Cependant, il était encore loin avant l’utilisation pratique de ce phénomène. Langevin (en 1905) fut le premier à démontrer que le changement d’aimantation d’un paramagnétique conduit à un changement réversible de la température d’un échantillon. Le refroidissement magnétique lui-même a été proposé près de 50 ans après la découverte de la MCE, par deux scientifiques américains, Peter Debye (en 1926) et William Giauque (en 1927), indépendamment l’un de l’autre, comme un mode d’obtention de températures inférieures au point d’ébullition de l’hélium liquide. Jiok et McDougall ont été les premiers à démontrer l’expérience la plus simple de la réfrigération magnétique en 1933. Un peu plus tard, elle a également été réalisée par de Haas (en 1933) et Kurti (en 1934). Au cours de cette expérience, il a été possible d’atteindre une température de 0,25 0K. En outre, comme substance de transfert de chaleur, l’hélium liquide pompé a été utilisé pour à une température de 1,5 0K.
La pilule avec le sel magnétique était en train d’être dans un état d’équilibre thermique avec le matériau de refroidissement, tandis qu’il y avait un fort champ magnétique dans le solénoïde. Chaque fois que le solénoïde s’est déchargé, la pilule magnétique s’est isolée thermiquement et sa température a baissé. Cette technique, appelée refroidissement par démagnétisation adiabatique, est une technique de laboratoire standard, utilisée pour obtenir des températures ultra-basses. Cependant, la capacité d’un tel réfrigérateur et sa plage de température de fonctionnement sont trop faibles pour les applications industrielles. Des méthodes plus complexes, avec régénération thermique et changements cycliques du champ magnétique, ont été proposées dans les années 60 du siècle dernier. En 1976, J. Brown (de la NASA) a fait la démonstration d’un réfrigérateur magnétique régénératif, fonctionnant à une température de fonctionnement de 50 0K, déjà à la température ambiante. Cependant, la puissance du réfrigérateur et son efficacité étaient encore faibles dans ce cas, car le gradient de température devait être maintenu en mélangeant le fluide caloporteur, et le temps nécessaire pour charger et décharger l’aimant était trop important.

Les petits dispositifs de réfrigération à faible puissance ont été construits dans les années 80 et 90 dans plusieurs centres de recherche : Los Alamos National Lab, Navy Lab à Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (tous aux USA), Toshiba (Japon). Actuellement, plusieurs centres de recherche de la NASA financent des travaux sur les réfrigérateurs magnétiques compacts pour des applications spatiales sur le principe des opérations de démagnétisation adiabatique. L’Astronautics Corporation of America (USA, Wisconsin) et l’Université de Victoria (Canada) mènent des études sur les possibilités des réfrigérateurs magnétiques pour des applications commerciales. La recherche de matériaux pour un corps solide fonctionnel de réfrigérateurs magnétiques, d’un point de vue appliqué, est actuellement menée de manière intensive par le « Ames Laboratory » (Ames, Iowa), l' »Université de Three Rivers » au Québec (Canada), le NIST (Gaithersburg, MD) et la société « Advanced Magnetic Technologies and Consulting » (AMT&C).
En 1997, la ‘Astronautics Corporation of America’ a fait la démonstration d’un réfrigérateur magnétique relativement puissant (600 watts) fonctionnant à une température proche de la température ambiante. L’efficacité de ce réfrigérateur était déjà comparable à celle des réfrigérateurs classiques au fréon. Ce dispositif, utilisant un régénérateur magnétique actif (dans lequel les fonctions d’un régénérateur thermique et d’un milieu de travail sont combinées), a fonctionné pendant plus de 1500 heures à la température ambiante, soit une puissance de 600 watts. Le rendement était d’environ 35% par rapport au cycle de Carnot au champ magnétique de cinq Tesla. Dans ce dispositif, on a utilisé un solénoïde supraconducteur et, comme corps solide de travail, le métal de terre rare de gadolinium (Gd). Le gadolinium pur a été utilisé à ce titre non seulement par l’astronautique, mais aussi par la NASA, la marine et d’autres laboratoires, ce qui est dû à ses propriétés magnétiques, à savoir : une température de Curie appropriée (environ 293 0K) et la présence d’un effet magnétocalorique assez important. L’ampleur du MCE, et donc l’efficacité du processus de refroidissement dans un réfrigérateur magnétique, est déterminée par les propriétés des corps de travail magnétiques.
En 1997, le centre de recherche Ames a signalé la découverte de quatre effets magnétocaloriques géants dans les composés Gd5 (Si2Ge1-X). La température d’ordre magnétique de ces matériaux peut varier sur une large gamme de 20 0K à la température ambiante en raison d’une modification du rapport entre le silicium (Si) et le germanium (Ge). Les plus prometteurs pour une utilisation comme corps solides de travail sont actuellement le gadolinium métallique, un certain nombre de composés intermétalliques basés sur les éléments des terres rares, un système de composés silicium-germanure Gd5 (Ge-Si) 4, ainsi que La (Fe-Si) 13. L’utilisation de ces matériaux permet d’étendre la plage de température de fonctionnement du réfrigérateur et d’améliorer sensiblement ses indicateurs économiques. Il faut noter que les travaux pionniers sur la recherche d’alliages efficaces pour les réfrigérateurs magnétiques fonctionnant avec des corps solides ont été réalisés plusieurs années auparavant au département de physique de l’université de Moscou. Les résultats les plus complets de ces chercheurs sont exposés dans la thèse de doctorat du principal chercheur associé de la faculté de physique de l’Université d’État de Moscou, A.M. Tishina, en 1994.

Au cours de ce travail, de nombreuses combinaisons possibles de métaux de terres rares et magnétiques et d’autres matériaux ont été analysées du point de vue de la recherche des alliages optimaux pour la réalisation du refroidissement magnétique dans les différentes plages de température. Il a été constaté, en particulier, que parmi les matériaux ayant des propriétés magnétocaloriques élevées, le composé Fe49Rh51 (alliage fer-rhodium) a l’effet magnétocalorique spécifique (c’est-à-dire par unité de champ magnétique) le plus important. L’effet magnétocalorique spécifique de ce composé est plusieurs fois supérieur à celui des composés siliciures-germanures. Cet alliage ne peut pas être utilisé en pratique en raison de son coût élevé et de l’absence d’effets d’hystérésis significatifs dans cet alliage. Cependant, il peut servir d’étalon pour comparer les propriétés magnétocaloriques des matériaux étudiés. Enfin, Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) a rapporté la création du premier appareil réfrigérant au monde (applicable non seulement à des fins scientifiques mais aussi à des fins domestiques). Un modèle fonctionnel de ce réfrigérateur a été fabriqué conjointement par Astronautics Corporation of America et le laboratoire Ames et a été présenté pour la première fois lors de la conférence du G8 à Détroit en mai 2002. Le prototype fonctionnel du réfrigérateur magnétique domestique proposé fonctionne dans la plage des températures ambiantes et utilise un aimant permanent comme source de champ. Ce dispositif a été très bien accueilli par les experts et le secrétaire américain à l’énergie. Les estimations montrent que l’utilisation de réfrigérateurs magnétiques permettra de réduire de 5 % la consommation totale d’énergie aux États-Unis. Il est prévu, que le refroidissement magnétique puisse être utilisé dans divers domaines de l’activité humaine, par exemple, dans :

• les liquéfacteurs d’hydrogène,
• les dispositifs de refroidissement pour les ordinateurs à grande vitesse et les dispositifs basés sur les SQUIDs,
• les climatiseurs pour les locaux résidentiels et industriels,
• les systèmes de refroidissement pour les véhicules,
• les réfrigérateurs domestiques et industriels, etc.

Il faut noter, que les travaux sur les réfrigérateurs magnétiques sont financés par le département américain de l’énergie depuis 20 ans déjà.

Structure de construction du réfrigérateur

Dans le prototype créé du réfrigérateur magnétique, un arrangement de construction de roue rotative est utilisé. Il se compose d’une roue contenant des segments avec la poudre de gadolinium, ainsi que le puissant aimant permanent.

Cette construction est conçue de telle sorte que la roue a défilé dans l’espace de travail de l’aimant, dans lequel le champ magnétique est concentré. Lorsqu’un segment contenant du gadolinium entre dans le champ magnétique de ce dernier, un effet magnétocalorique se produit – il s’échauffe. Cette chaleur est évacuée par un échangeur de chaleur refroidi par eau. Lorsque le gadolinium quitte la zone du champ magnétique, un effet magnétocalorique de signe opposé se produit et le matériau est encore refroidi, ce qui refroidit l’échangeur de chaleur avec le second flux d’eau qui y circule. Ce flux, en fait, est utilisé pour congeler la chambre de refroidissement du réfrigérateur magnétique. Un tel dispositif est compact et fonctionne pratiquement sans bruit et sans vibrations, ce qui le distingue des réfrigérateurs à cycle vapeur-gaz actuellement utilisés. Pour la première fois, cette technologie a été approuvée en septembre 2001. Actuellement, des travaux sont en cours pour étendre encore ses capacités : le processus technologique de production commerciale de gadolinium pur et de ses composés nécessaires est en cours d’amélioration, ce qui permettra d’atteindre une plus grande valeur du MCE à un coût moindre. Simultanément, le personnel du laboratoire Ames a construit un aimant permanent, capable de créer un champ magnétique puissant. Le nouvel aimant crée un champ deux fois plus puissant que l’aimant utilisé lors de la précédente construction du réfrigérateur magnétique (en 2001). C’est très important car la magnitude du champ magnétique détermine des paramètres tels que l’efficacité et la puissance de sortie du réfrigérateur. Des demandes de brevet pour la préparation d’un composé pour la substance de travail Gd5 (Si2Ge2) et la construction d’un aimant permanent ont été déposées.

Avantages, inconvénients et applications

Tous les réfrigérateurs magnétiques peuvent être divisés en deux classes selon le type d’aimants utilisés:

• systèmes utilisant des aimants supraconducteurs;
• systèmes sur les aimants permanents.

Les premiers ont une large gamme de températures de fonctionnement et une puissance de sortie relativement élevée. Ils peuvent être utilisés, par exemple, dans les systèmes de climatisation des grands locaux et pour les équipements de stockage des aliments. Les systèmes de refroidissement à aimant permanent ont une plage de température relativement limitée (pas plus de 303 °K par cycle) et, en principe, peuvent être utilisés dans les appareils de puissance moyenne (jusqu’à 100 watts). Par exemple, comme une glacière de voiture ou un réfrigérateur portable de pique-nique sont. Cependant, ils présentent tous deux un certain nombre d’avantages par rapport aux systèmes traditionnels de réfrigération à cycle combiné :

• Faible risque environnemental. Le corps de travail est solide et peut être facilement isolé de l’environnement. Les métaux lanthanides utilisés comme corps de travail sont peu toxiques et peuvent être réutilisés après la mise au rebut du dispositif. Le fluide éliminateur de chaleur ne doit avoir qu’une faible viscosité et une conductivité thermique suffisante, ce qui correspond bien aux propriétés de l’eau, de l’hélium ou de l’air. Ils sont bien compatibles avec l’environnement.

• Haut rendement. Le chauffage et le refroidissement magnétocalorique sont des processus thermodynamiques pratiquement réversibles, contrairement au processus de compression de la vapeur dans le cycle de travail d’un réfrigérateur à cycle combiné. Les calculs théoriques et les études expérimentales montrent que les groupes frigorifiques magnétiques se caractérisent par une efficacité supérieure et En particulier, dans le domaine des températures ambiantes, les réfrigérateurs magnétiques sont potentiellement 20-30% plus efficaces que ceux fonctionnant dans le cycle gaz-vapeur. La technologie du refroidissement magnétique à l’avenir peut être très efficace, ce qui réduira considérablement le coût de ces installations.

• Longue durée de vie. Cette technologie implique l’utilisation d’un petit nombre de pièces mobiles et de quelques fréquences de fonctionnement dans les dispositifs de refroidissement, ce qui réduit considérablement leur usure.

• La flexibilité de la technologie. Il est possible d’utiliser les différents modèles de réfrigérateurs magnétiques en fonction de l’objectif poursuivi.

• Les propriétés utiles de la congélation. La technologie magnétique permet le refroidissement et la congélation de diverses substances (eau, air, produits chimiques) avec des changements mineurs dans chaque cas. En revanche, un cycle de refroidissement efficace à cycle combiné nécessite de nombreuses étapes distinctes ou un mélange de différents réfrigérants de travail pour la même procédure.

• Les progrès rapides dans le développement de la supraconductivité et l’amélioration des propriétés magnétiques des aimants permanents sont. Actuellement, tout un ensemble de sociétés commerciales connues s’engagent avec succès dans l’amélioration des propriétés des aimants NdFeB (les aimants permanents les plus efficaces) et travaillent à leurs constructions. Avec les progrès connus dans le domaine de la supraconductivité, cela permet d’espérer une amélioration de la qualité des réfrigérateurs magnétiques et leur baisse simultanée de prix.

Inconvénients du refroidissement magnétique