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[5][_]
Physical
(46/ 49)
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200 K
(2)
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3000 K
(2)
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20 K
(2)
[9][_]
de 60 W
(1)
[10][_]
90 %
(1)
[11][_]
60 W
(1)
[12][_]
6 teslas
(1)
[13][_]
9 teslas
(1)
[14][_]
2930 K
(1)
[15][_]
2870 K
(1)
[16][_]
4800 K
(1)
[17][_]
1 K
(1)
[18][_]
650 K
(1)
[19][_]
8101 K
(1)
[20][_]
-2200 K
(1)
[21][_]
-10000 K
(1)
[22][_]
890 K
(1)
[23][_]
-7201 K
(1)
[24][_]
2000 K
(1)
[25][_]
-400 K
(1)
[26][_]
3180 K
(1)
[27][_]
2980 K
(1)
[28][_]
333 K
(1)
[29][_]
7950 K
(1)
[30][_]
831 K
(1)
[31][_]
1200 K
(1)
[32][_]
-165 K
(1)
[33][_]
-610 K
(1)
[34][_]
740 K
(1)
[35][_]
-700 K
(1)
[36][_]
-1180 K
(1)
[37][_]
61-701 K
(1)
[38][_]
67-901 K
(1)
[39][_]
830 K
(1)
[40][_]
1020 K
(1)
[41][_]
300-3360 K
(1)
[42][_]
3 J
(1)
[43][_]
25 K
(1)
[44][_]
de 1 M
(1)
[45][_]
1 mm
(1)
[46][_]
de 3000 K
(1)
[47][_]
300 K
(1)
[48][_]
de 50 K
(1)
[49][_]
de 315 K
(1)
[50][_]
1 l
(1)
[51][_]
35 % de
(1)
[52][_]
Molecule
(12/ 36)
[53][_]
hydrogen
(14)
[54][_]
DES
(5)
[55][_]
helium
(4)
[56][_]
N2
(2)
[57][_]
iron
(2)
[58][_]
Cl
(2)
[59][_]
Br
(2)
[60][_]
Zn
(1)
[61][_]
OH
(1)
[62][_]
CO
(1)
[63][_]
Gd(HCCO)3
(1)
[64][_]
habi
(1)
[65][_]
Gene Or Protein
(13/ 35)
[66][_]
Etre
(16)
[67][_]
Est-a
(5)
[68][_]
DANS
(2)
[69][_]
Lic
(2)
[70][_]
Ner
(2)
[71][_]
CHAMP
(1)
[72][_]
Rela
(1)
[73][_]
Dispa
(1)
[74][_]
FOI
(1)
[75][_]
Pe 2
(1)
[76][_]
Apte
(1)
[77][_]
Fle
(1)
[78][_]
Pter
(1)
[79][_]
Polymer
(2/ 3)
[80][_]
Teflon
(2)
[81][_]
Mylar
(1)
[82][_]
Disease
(1/ 3)
[83][_]
Tic
(3)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2520094A1
Family ID 29309573
Probable Assignee Astronautics Of America Aca Corp
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title REFRIGERATEUR MAGNETIQUE DU TYPE A ROUE
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE UN REFRIGERATEUR MAGNETIQUE A ROUE.
DES MATERIAUX POREUX FERROMAGNETIQUES OU PARAMAGNETIQUES SONT
SUPERPOSES EN COUCHES N1, N2... NN CIRCONFERENTIELLES DANS LA ROUE 20,
PAR ORDRE DE TEMPERATURE DE CURIE CROISSANT DE L'INTERIEUR VERS
L'EXTERIEUR. LA ROUE 20 TOURNE DANS UN CHAMP MAGNETIQUE
PERPENDICULAIRE A SON AXE ET PARALLELE A SA DIRECTION DE ROTATION. UNE
POMPE 32 ENVOIE DU FLUIDE TRAVERSER DES PARTIES DES COUCHES N1, N2...
NN, ENTRE DES COLLECTEURS INTERIEURS 36, 38 ET DES COLLECTEURS
EXTERIEURS 34, 40 POUR ASSURER LA REFRIGERATION D'UNE CHARGE
THERMIQUE.
APPLICATION NOTAMMENT A LA LIQUEFACTION DE L'hydrogen.
Description
_________________________________________________________________
L'invention a trait au domaine de la refri-
geration et plus particulierement de la refrigeration magnetique a
l'aide d'un appareil du type a roue Une invention en rapport avec la
presente invention est divulguee dans la demande de brevet des E U A.
n' 228 836, deposee le 27 janvier 1981, relative a un
appareil de refrigeration a mouvement alternatif.
L'interet offert par l'hydrogen liquide en tant que combustible
transportable est diminue par le coct et le peu de rendement en
energie:des procedes de liquefaction classiques Si I'on parvenait a
reduire nettement ces inconvenients, l'hydrogen liquide constituerait
tres probablemnent un combustible de choix pour le remplacement des
combustibles fossiles dans de nombreuses applications et
particulierement, dans un proche avenir, pour la propulsion des avions
a reaction La presente invention permet de liquefier
des cryogenes, et notamment l'hydrogen, avec des ren-
dements au moins doubles de ceux des appareils de lic-
faction ou liquefacteurs courants La refrigeration
magnetique operee selon l'invention repose sur la rela-
tion liant l'entropie de certaines matieres au champ
magnetique et a la temperature, c'est-a-dire sur l'ef-
fet magnetocalorique.
L'invention utilise le concept de la refri-
geration magnetique active dans lequel un front d'onde thermique se
propage par un mouvement de va-et-vient
a travers un regenerateur au cours d'un cycle magne-
tic Le regenerateur, compose d'une ou de plusieurs
couches de materiaux ferromagnetiques poreux, a tempe-
raturesde Curie voisines des temperatures existant dans le
regenerateur en fonctionnement, doit etre capable de.couvrir de grands
intervalles de temperatures On On peut utiliser divers cycles
magnetiques tels que ceux de'Carnot, de Brayton ou de Stirling Dans le
mode de realisation prefere decrit ici, on utilise un cycle de Brayton
Le fonctionnement d'un tel refrigerateur exige un fluide pour
l'accouplement du solide magnetique poreux a la source de chaleur et
au refroidisseur La deanmde de brevet des Etats-Unis d'Amerique
precitee d Ocrit un appareil a mouvement alternatif utilisant le
concept de regeneration magnetique active.
Des appareils de liquefaction existants de 60 W a cycle de gaz, par
exemple a cycle de Claude,
fonctionnent avec un rendement de Carnot d'environ I( d.
Un appareil selon la presente invention peut fonction-
ner avec un rendement de Carnot d'environ 60 a 90 % pour un
liquefacteur a intervalle de 20 a 300 ' ayant une puissance de
refroidissement d'environ 60 W et fonctionnant a 200 K La raison
principale de la nette augmentation de rendement offerte par des
refrigerateurs
magnetiques selon la presente invention est la suppres-
sion des compresseurs et chambres de detente a tempera-
ture ambiante typiquement presents dans les appareils
traditionnels Ainsi, un systeme de refrigeration magne-
tic selon la presente invention n'exige pas de compo-
sants generateurs de fortes pertes Un autre point important est qu'un
systeme de refrigeretion magnetique selon l'invention est moins coteux
a construire et a
faire fonctionner qu'un systeme classique de meme capa-
cite. La presente invention a pour buts: d'abaisser le prix de revient
d'un combustible cryogene ayathetique tel que l'hydrogen;
ma"ugmenter les rendements des systemes de refrigera-
tion; de supprimer les compresseurs a temperature ambiante
des systemes de refrigeration.
Suivant la presente invention, il est prevu un refrigerateur a roue de
regeneration magnetique comportant une roue sensiblement circulaire
presentant un axe de rotation et des bords interieur et exterieur
concentriques - Un materiau ferromagnetique ou paramagnetique poreux
est dispose a l'interieur de la roue entre les bords interieur et
exterieur Ce materiau comporte au moins une substance, mais peut
comporter plusieurs couches concentriques adjacentes dont les
temperatures de Curie sont voisines d'une temperature Zroide T pres;
du bord interieur et voisines d'une temperature-chaude
TH pres du bord exterieur Un aimant de forme approxi-
mativement solenoldale, tel qu'un aimant supraconduc-
teur, est dispose de maniere a engendrer un champ magnetique
sensiblement perpendiculaire a l'axe de la
roue et parallele a la direction de rotation de celle-
ci Un dispositif d'entrainement de la roue, tel-qu'un arbre de
transmission, sert a entrainer la roue autour
de son axe de rotation et a travers le champ magnetique.
Des dispositifs de guidage tels que des galets de sup-
port et de guidage sont utilises pour conserver a la
roue l'orientation voulue Un premier et un second col-
lecteurs de fluide interieurs sont disposes pres du bord interieur de
la roue, et un premier et un second collecteurs de fluide exterieurs
sont disposes pres du bord exterieur de la roue Il est prevu des
echangeurs
de charge thermique et des echangeurs de rejet de cha-
leur qui communiquent avec les collecteurs Une pompe
deplace un fluide thermoconducteur a partir de l'echan-
geur de rejet de chaleur a travers le premiet collec-
teur exterieur, lui faisant traverser une premiere par-
tie du materiau de la roue voisine du premier collecteur exterieur
depuis le bord exterieur de la roue jusqu'au bord interieur Le fluide
est ensuite refoule a travers le premier collecteur interieur vers
l'echangeur de charge thermique et, de la, est envoye a travers le
second collecteur interieur Il traverse ensuite une seconde partie du
materiau de la roue voisine du second collecteur interieur pour
atteindre le second collecteur exterieur puis il rejoint l'echangeur
de
rejet de chaleur.
La presente invention a pour avantages: -
qu'elle assure la refrigeration continue d'une charge thermique; que
le fonctionnement d'un appareil confbrme 1 son principe est a haut
rendement en raison de l'absence de grandes sources d'entropie
irreversible; qu'on modifie le nombre d'etages par addition d'une ou
plusieurs couches supplementaires sur le bord
interieur en vue de couvrir tout intervalle de tempe-
rature entre environ 2 et 3000 K; que les forces magnetiques
s'exercant sur la roue
* sont automatiquement compensees par des forces inte-
rieures a la roue s'exercant sur l'aimant, qui annu-
*lent partiellement celles appliquees a la roue par l'aimant; qu'un
appareil selon l'invention peut fonctionner a
vitesse faible, ce qui lui assure une grande longe-
vite; qu'on peut facilement adapter l'invention a une charge thermique
distribuee a des temperatures diverses, ce
qui permet de realiser aisement un appareil de lic-
faction. On va maintenant decrire l'invention plus en detail en se
referant aux dessins annexes, donnes a titre illustratif mais non
limitatif, sur lesquels les figures 1, 2 et 3 sont des diagrammes
entropie/temperature d'un materiau magnetique place a differents
niveaux radiaux de la roue selon un mode de realisation prefere de
l'invention;
la figure 4 illustre le principe de fonctionne-
ment de la roue de regeneration magnetique; la figure 5 represente
schematiquement une roue de regeneration magnetique selon l'invention;
la figure 6 illustre schematiquement un mode prefere de realisation de
l'invention mettant en oeuvre un refrigerateur roue de regeneration;
et
la figure 7 illustre schematiquement le fonc-.
tionnement d'une roue de regeneration magnetique selon
l'invention en vue de la liquefaction de l'hydrogen.
Un appareil selon la presente inuention comporte
d'une maniere generale une roue compose d 'une Qu plu-
sieurs couches concentriques de materiau poreux ferro-
magnetique u paramagnetique tel que sa temerature de Curie, appelee
aussi terperature detemninante, couvre-l'intervalle de temperatures de
refrigeration souhaite, allant par exemple de 2 a 3000 K. On choisit
la couche la plus interieure telle qu'elle ait une temperature
determinante voisine d'une temperature froide TC et la couche la plus
exterieure
telle qu'elle ait une temperature determinante voisine.
d'une temperature chaude TH On choisit les couches intermediaires
telles qu'elles aient des temperatures determinantes voisines de la
temperature moyenne regnant au niveau radial correspondant de la roue,
c'est-a-dire qui vont croissant de l'interieur vers l'exterieur de la
roue Chaque materiau decrit un cycle magnetique de Brayton avec une
excursion de temperature minimale egale au double du changement de
temperature
adiabatique AT.
Sur les figures 1, 2 et 3, on a represente sur
des diagrammes entropie S en fonction de la tempera-
ture T le cycle de Brayton effectue par le materiau magnetique situe a
differentes distances radiales de
l'axe de la roue.
Le cycle de Brayton represente sur la figure 1 correspond a une couche
de materiau situee pres du bord exterieur de la roue Le segment
reliant T' a TH + ATH est decrit par le materiau traversant la zone de
champ intense (B &#x003E;&#x003E; 0) et le segment reliant T' AT' a TH
est decrit par le materiau traversant la
zone de champ faible (B = 0).
Le cycle de Brayton represente sur la figure 2 correspond a une couche
de materiau intermediaires;
celui represente sur la figure 3, a une couche de mate-
riau proche du bord interieur de la roue Si Ur ces den figures, les
zones a champ intense et a champ faible, non representees, concernent
les memes segments que sur
la figure 1.
Le principe de fonctionnement d'une roue
magnetique a regeneration selon l'invention est expli-
que par la figure 4 La roue est constituee de plu-
sieurs couches de materiau nl, N 2, n N On considere les points O, P
et Q appartenant a differentes codx*es de materiau Ces points
decrivent des cycles de Brayton representes respectivement par les
figures 3, 2 et 1, A mesure que le materiau present au point P penetre
par rotation dans la zone a champ intense, il atteint par echauffement
adiabatique une temperature T' + AT'
-ou AT' est le changement de temperature magnetocalo-
rique adiabatique On peut rendre la masse thermique des elements
ajoutes, tel que le fluide entraine, faible par rapport a la masse de
materiau magnetique de maniere a obtenir un changement de temperature
presque totalement adiabatique Le materiau situe aux points O et Q
subit aussi une hausse de temperature d'environ AT', ce qui donne le
profil de temperature ne X visible sur la figure 4 Sitot la roue
entree dans 1 zone a champ intense, le fluide penetre dans la r 4 gion
radialement interieure du secteur de la roue iatresse a TC par le
conduit 6 et ressort de la
region radialement exterieure a TH + ATH par le con-
duit 8 Un front d'onde thermique se propage radiale-
ment vers l'exterieur pendant la rotation de la roue, a travers la
zone a champ intense, ce qui donne le profil thermique n 2 visible sur
la figure 4, pres de l'extremite de cette zone L'ecoulement de fluide
a travers le secteur cesse lorsque la matiere quitte la zone a champ
intense, et le secteur en materiau magnetique subit adiabatiquement
une desaimantation et
un refroidissement d'environ AT", ce qui donne le pro-
fil thermique n 3 visible sur la figure 4 Des la penetration du
secteur de materiau dans la zone a
champ faible, du fluide penetre dans la region radia-
lement exterieure a une temperature TH par le conduit 2 Ce fluide est
celui-la meme qui est sorti par la region radialement exterieure
opposee a T + ATH par
le conduit 8 et qui a ete ramene a TH dans un echan-
geur de chaleur exterieur 16 visible sur la figure 6 que l'on decrira
ciapres Le fluide sort de la region radialement interieure de la zone
a champ faible a
T A Tc par le conduit 4 Pendant que le secteur tra-
verse en tournant la zone a champ faible, avec pene-
tration de fluide a TH par le conduit 2, un front d'onde thermique se
propage vers l'interieur, ce qui donne le profil thermique n 4 visible
sur la figure 4 pres de l'extremite de la zone d champ faible
L'ecoulement de fluide cesse pendant que le materiau rejoint sa
position initiale, pret a subir une nouvelle aimanta-
tion adiabatique Le fluide froid sortant a Tc ATC par le conduit 4 va
traverser un echangeur de charge
thermique 18, visible sur la figure 6, et est a nou-
veau porte a TC avant de penetrer dans la region radia-
lement interieure de la zone a champ intense par le
conduit 6.
La figure 5 est une vue schematique en coupe de la roue Elle indique
les endroits o des joints 41 en Teflon peuvent etre interposes entre
les collecteurs et la roue Un ecran en iron doux 42 est prevu pour
rendre le champ faible dans le secteur de roue situe
entre les collecteurs 34 et 36 Un pignon d'entraine-
ment 49 du bord de la roue est monte sur un arbre de transmission 24
On voit aussi sur la figure 5 des enroulements d'aimant
supraconducteur 415 creant un champ intense dans le secteur de la roue
compris entre les collecteurs 38 et 40, un ensemble paroi de vasa da
Dewar-espace isolant 48 et des cloisonnages le couches, qui empochent
le fluide de s'ecouler suivant la
direction du bord de la roue, maintenant ainsi l'ecou-
lement dirige radialement vers l'interieur ou vers l'ex-
terieur Dans la realisation preferee, des feuilles d'etancheite
adiabatique 52 sont affectees aux sections adiabatiques de la roue
pour interdire les fuites vers l'exterieur du reseau a partir des
collecteurs On a aussi represente schematiquement le conduit 30
reliant les collecteurs exterieurs 34 et 40 a l'echangeur de
rejet de chaleur 16 visible sur la figure 6.
Une installation selon l'invention est schema-
tiquement representee a titre d'exemple sur la figure 6.
Comme visible sur celle-ci, un aimant qui, dans la rea-
lisation preferee, est un aimant supraconducteur 12,
est refroidi par un vase de Dewar a helium liquide sur-
isole 14 L'homme de l'art concoit que, bien qu'on
utilise dans l'exemple prefere illustre un aimant sur-
refroidi, on pourra aussi avoir recours a d'autres
types d'aimants pour la mise en oeuvre de l'invention.
L'aimant supraconducteur 12 peut etre capable d'engen-
drer des champs magnetiques intenses, de l'ordre de a 6 teslas, mais
peut en general fournir un champ
magnetique de l'ordre de 4 a 9 teslas, par exemple.
Il est prevu un echangeur de rejet de chaleur 16 ainsi qu'un echangeur
de charge thermique 18 L'echangeur de rejet de chaleur 16 fonctionne a
temperature ambiante, et l'echangeur de charge thermique 18,a une
temperature froide Une roue 20 magnetique est entrainee par un
moteur d'entrainement 22 et par un arbre de transmis-
sion 24 La roue 20 est supportee par des structures de galets de
support et de guidage 26 Ainsi que le concoit l'homme de l'art, bien
qu'on uti Iise dans la realisation preferee un simple pignon
d'entrainement 49 de bord de roue,visible-sur la figure N, on peut
avoir recours, pour faire tourner la roueb a ui dispa-
sitif d'entrainement magnetique ou autre Pareillement, bien qu'on ait
recours, dans la realisation preferee, a des galets de support et de
guidage 26 pour mettre et
maintenir la roue 20 en bonne position, d'autres dispo-
sitifs capables de maintenir la roue 20 en place sont
connus et peuvent etre utilises par l'homme de l'art.
La roue 20 magnetique contient le materiau poreux
precite Un fluide tel que de l'helium ou de l'hydro-
gene gazeux, refoule a travers un conduit 30 par une pompe 32,
traverse l'echangeur de chaleur 16, arrive par le conduit 30 dans un
premier collecteur exterieur 34, traverse le materiau poreux de la
roue jusqu'au
premier collecteur interieur 36, atteint par le con-
duit 30 l'echangeur de charge thermique 18, et de 11, revient par le
conduit 30 dans le second collecteur interieur 38, traverse le
materiau poreux de la roue jusqu'au second collecteur exterieur 40, et
rejoint par le conduit 30 la pompe 32 Les fleches indiquent le
sens d'ecoulement du fluide.
Parmi les matieres utilisables comme materiaux ferromagnetiques ou
paramagnetiques dans la roue figurent au moins les suivantes:
TABLEAU I
Compose Temp de Curie Compose Temp de Curie Gd - Gd 3 A 12 Gd 55 i 4
Gd 6 nn 23 Gd 2 FOI 7 Qd Cd Gd Ga Gd 4 CQ 3 Gd Co 5 Gd Rh Gd Ir 2 di 2
Gd 2 Ni 7 Gd 2 "i 17 Gd Pd
2930 K
2870 K
336 O K
4800 K
490 1 K
650 K
8101 K
-250 OK
K
-2200 K
-10000 K
O K 890 K
-7201 K
-120 "K
2000 K
-400 K
Mn As Mn P Cr Te Gd Pe 2 Gd Ru 2 Gd Mg Gd Zn Gd A 1 Z
Gd 3 Ili-
Gd Co 3 Gd 2 Co 17 Gd Rh Gd Ni 3 Gd Ni 5 Gd 5 Pd 2 Gd Pt 2
3180 K
2980 K
333 K
7950 K
831 K
1200 K
268 KX
-165 K 1
-213 c 1
-610 K-
-1200 &C
740 K
-700 K
-1180 K
-30 'FZ
335 c O K
-50 OK
il existe aussi de nombreux composee ter-
naires dont on peut ajuster la temperat 4 re de Curie selon la
stoechiometrie; par exemple:
TABLEAU I I
Gdwi A 1 Gd Cu Al Gd Pd In Gd 5 si 4-Ge' TC TC TC = 61-701 K, variable
avec Ni ou Ai
= 67-901 K
= 830 K
= 1020 K
TC = 300-3360 K.
il
Des materiaux paramagnetiques interes-
sants peuvent etre les suivants
TABLEAU Ili
Type de reseau Triclinique Monoclinique Orthorhombique Compose
Gd(NO 03)36 H 20-
Gd PO 4 Gd OOIH Gd 2 (w 404 Gd Cl J 6 H O
G (SUC 4) 3 8 H,20
Gd 2 (SQ 4) 3 Gd 2 (C 2040 &#x003E; 10 H 20 Gd P 5 014 Gd Br 3 6 H 20
Gd 203 sous la forme B Gd Al O 3 Gd Pe O 3 Gd Cr O 3 Gd Sc O 3 Gd VO 3
Gd Ti O 3 Gd Mn O 3 Gd Co O 3 Gd Ga O 3 Gd Rho 3 Gd In O 3 Gd 2 Ti O 5
$-Gd 2 (MO 04)3 Gd O 25 04 TABLEAU III Suite Type de reseau Compose
Totragonal o O Hexagonal Cubique Gd Nb O 4 Gd VO 4 Gd As O 4 Gd 2
Gemoo 8 Gd 2 GEWO 8 Gd QF Gd OCIJ Gdobr Gd OI Gd 2 0025 Gd (OH), Gd Cl
3 Gd Br 3 Gd I 3 Gd F 3 Gd 203 sous la forme A Gd H 3 Gd 3 Nb O 7 Gd B
6 Gd(C 2 H 5504) 9 H 20 Gd 2 Mg 3 3 Gd 2 003 sous la forme C Gd 3 NF 6
Gd WOI o Gd 2 Sna 2 07 Gd 2 Ti 207 TABLEAU III Suite Type de reseau
Compose Gd 2 Ga Sb O 7 Gd 2 Cr Sb O 7 Gd 2 Ru 2 07 Gd 2 Ir 207 Autres
(amorphes, mixtes, etc) Gd 25 r O 4 Gd 253 Gd 354
4
Gd Mo 658 Gd 2,015 e 2 99 Gd(PO 3 J 3 Gd (CO 3)3 c 2 c 3) 3 Gd(HCCO)3
Gd BO 3 L'homme de l'art concoit qu'un materiau
ferromagnetique donne ne peut couvrir qu'environ 40-
K et qu'un materiau paramagnetique donne ne peut etre utilise
qu'audessous d'environ 25 K Si des
intervalles de temperature plus larges sont neces-
saires, il faut superposer des couches de plusieurs materiaux.
L'aimant represente schematiquement sur la
figure 5 a titre d'exemple est approximativement sole-
noidal Un aimant de cette forme est preferable parce qu'il engendre un
champ magnetique perpendiculaire a
l'axe de la roue et parallele a la direction de rota-
tion de celle-ci Cette orientation du champ est tres-
importante parce qu'elle permet d'obtenir aisement une zone a champ
faible, moyennant un minimum de blindage en iron doux Dans la
realisation preferee, le champ
regnant dans la zone a champ intense peut etre d'en-
viron 6 T, celui regnant dans la zone a champ faible etant inferieur a
0, 5 T.
Bien que dans l'exemple illustre schematique-
ment sur la figure 5, la roue 20 soit entrainee par un dispositif
d'entrainement de bord, on peut aussi lui affecter un dispositif
d'entrainement magnetique Le dispositif d'entrainement est de
preference place sur la roue 20 pres du bord exterieur, qui est
toujours a
une temperature voisine de la temperature chaude, habi-
tuellement voisine de la temperature amliante Des galets de support et
de guidage 26 conservant a la roue l'orientation voulue sont aussi
disposes pres de la zone marginale exterieure a haute temperature de
la
roue.
Chaque collecteur demeure voisin d'une tempe-
rature fixe et peut etre concu en vue d'une pression d'helium gazeux
de 1 M Pa, par exemple Les collecteurs sont relies deux a deux sur les
bords interieur et exterieur de la roue par des feuilles de matiere a
faible masse thermique pour eviter que du fluide tra-
versant la roue poreuse ne fuie a l'exterieur de celle-
ci Les joints 41 incorpores aux bords des collecteurs
peuvent etre realises en materiau du type Teflon compri-
m E afin de resister longtemps a l'usure D'autres
materiaux convenables apparaitront a l'homme de l'art.
Les joints sont circonferentiels et n'ont pas a etre parfaits, attendu
que les collecteurs interieurs 36 et 38 et exterieurs 34 et 40 peuvent
eventuellement etre accouples par une feuille a faible conductibilite
thermique et a faible masse thermique telle que de la
fibre de verre ou du "Mylar",destinee a assurer l'etan-
cheite du systeme de fluide d'echange de chaleur Le
materiau magnetique poreux peut etre forme de parti-
cules individuelles, d'un solide fore radialement,
d'une toile metallique ou analogue Dans la realisa-
tion preferee, on peut utiliser des particules sphe-
riques d'un diametre de l'ordre de 0,1 a 1 mm Des
tamis sont disposes sur les bords interieur et exte-
rieur de chaque couche de particules pour retenir les particules sans
engendrer pratiquement de perte de charge supplementaire Dans la
realisation preferee, la roue comporte des cloisons 50, visible sur la
fi gure 5, destinees a empecher le fluide de s'ecouler le long du bord
de la roue des collecteurs 38 et 40 a champ intense dans les
collecteurs 34 et 35 E a champ aible -Le materiau peut aussi etre
constitue de couches minces en materiau magnetique tres voisines les
unes des autres et orientees radialement au lieu
d'etre constitue de materiau solide poreux ou parti-
culaire. Bien que la realisation preferee comporte une disposition
tres economique du volume d'enroulement et a un champ B
perpendiculaire a l'axe de la roue et parallele a la direction de
rotation de celle-ci, on peut souhaiter disposer des bobines Helmholtz
de
part et d'autre de la roue dans une zone a champ in-
tense pour obtenir un champ B parallele a l'axe et perpendiculaire a
la direction de rotation Une autre variante consiste a prevoir une
bobine a chemin de roulement superposee a la zone a champ intense de
la roue pour etablir un champ B perpendiculaire a l'axe et
perpendiculaire a la direction de rotation de la roue L'homme de l'art
concoit qu'on peut aussi adopter diverses bobines de formes exotiques
telles que celles de type Ying-Yang La structure selon le mode de
realisation prefere a ete choisie parce qu'elle etablit une zone a
champ tres faible pres de la zone
a champ intense On peut utiliser des ecrans et even-
tuellement des bobines compensatrices pour etablir
u M zone a champ suffisamment faible.
Le refrigerateur magnetique selon l'invention peat facilement etre
utilise comme liquefacteur ma-
gnftique parce qu'il est apte a assurer un refroidis-
sememt reparti a toute temperature souhaitee Par cette aptitude, il
differe nettement d'un liquefacteur a cyle de gaz o la refrigeration
n'est assuree qu'a des temperatures discontinues lors de la detente du
gaz La roue a regeneration peut etre utilimee eu tant.
que liquefacteur d'hydrogen cormme illustre sur la
figure 7.
* Sur cette figure est represente un regene-
rateur a roue conforme a l'invention et un echangeur de chaleur 54 La
roue est constituee de plusieurs couches de materiaux magnetiques,
visibles sur le
secteur 56, dont la temperature de Curie diminue pro-
gressivement de 3000 K A 20 K lorsqu'on se deplace radia-
lement -ers le centre de la roue Une zone a champ magnetique intense(
B&#x003E;&#x003E; " s'etend entre deux collecteurs 58 et 60 alors qu'a
l'oppose une zone a faible champ
magnetique B = 0)regne entre les collecteurs 62 et 64.
Le fluide refroidisseur provenant de 1 'e-
changeur de chaleur a temperature ambiante est injecte dans le
collecteur 62 a 300 K Il traverse la roue
radialeuent et atteint le collecteur 64 sous une tem-
perature de 50 K Apres echauffement a 20 K dans-l'e-
changeur de chaleur 54# il est injecte dans le collec-
teur 60, traverse radialement la roue jusqu'au collec-
teur 58 o il arrive a une temperature de 315 K De 1 l, il est envoye
vers l'echangeur de chaleur a temp&
rature ambiante.
Les zones a champ intense et a champ faible sont munies d'orifices de
sortie 66 et d'arrivee 68
desquels le fluide s'echappe vers l'echangeur de cha-
leur 54 ou penetre dans la roue en venant de l'echan-
geur de chaleur 54 selon le sens indique par les fle-
ches Ceci permet d'avoir un echangeur de chaleur a
plusieurs etages qui refroidit progressivement l'hy-
drogene gazeux introduit en hydrogen liquide a 200 K. L'echangeur de
chaleur 54 est en outre muni d'un con-
vertisseur catalytique 70 pour effectuer une conver-
sion ortho-para.
Cette conception particuliere assure une nette augmentation du
rendement de liquefaction de l'hydrogen, ce qui reduit sensiblement le
prix de revient de l'hydrogen liquide L'analyse-du ptitx de revient de
l'hydrogen liquide montre en effet que
la moitie environ de ce prix est du a la matiere preu-
miere et l'autre moitie au traitement de liquefactioit.
Les modes actuels de liquefaction de l'hydrogen et
des autres cryogenes sont bases sur des procedes de re-
frigeration de gaz a rendements generalement-faibles, les rendements
maximaux representant environ 35 % de
la valeur ideale Les refrigerateurs magnetiques sup-
priment les causes majeures de perte de rendement et
devraient pouvoir fonctionner avec des rendements en-
viron doubles de ceux de refrigerateurs a gaz, redui-
sant ainsi sensiblement le colt de la liquefaction.
Le materiau magnetique doit avoir une excel-
lente capacite de transmission de chaleur, c'est-a-
dire d'une maniere generale une grande surface super-
ficielle telle qu'offerte par des feuilles minces e-
troitement tassees, par une couche poreuse de patti-
cules telles que copeaux ou spheres, ou par un bloc traverse par de
nombreux canaux radiaux L'un des modes les plus simples pour son
obtention consiste
a realiser une couche de particules poreuses tassee.
Le choix, a la conception, de la taille et de la forae de la couche
pour une puissance de refrigeration donnee depend de l'equilibre entre
d'une part une tranmission de chaleur maximale pour un minimum de Oere
de charge et d'autre part une perte par conduc- i oe longitudinale y
compris l'effet de diffusion par 9 a In ge te choix du fluide de
transmission de chaleur: depend de l'intervalle de temperature a
couvrir et de l'application D'unemaniere generale, les grands
intervalles de temperature exigent un gaz tel que
l'helium ou l'hydrogen, mais an peut aussi avoir re-
cours a des liquides si l'on prevoit des echangeurs
de chaleur interetages.
La description qui precede d'un jm&#x003E;de prefe-
re de realisation de 1 'invention est donnee a simple
titre d'exemple Elle n'est pas exhaustive et ne li-
mite pas l'invention a la forme precise decrite; on pour-
ra don ado Pter diverses modifications et variantes sans
sortir pour autant du cadre de 1 ' invention.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Refrigerateur a roue de regeneration magne- tic, caracterise en ce
qu'il comprend: une roue ( 20) sensiblement circulaire qui presente un
axe de rotation et des bords interieur et exterieur concentriques; un
materiau poreux pris dans le groupe comprenant les mate- riaux
ferromagnetiques et les materiaux paramagnetiques dispose dans ladite
roue ( 20) entre lesdits bords inte- rieur et exterieur, ledit
materiau comportant au moins une substance et ayant une temperature de
Curie voisine d'une temperature froide TC pres dudit bord interieur et
une temperature de Curie voisine d'une temperature chaude TH pres
dudit bord exterieur; un aimant ( 12) de forme approximativement
solenoldale dispose de maniere a engendrer un champ magnetique (B)
sensiblement perpen- diculaire audit axe de la roue ( 20) et parallele
a la direction de rotation de celle-ci; un moyen pour entra P- ner
ladite roue ( 20) autour de son axe de rotation et a travers ledit
champ magnetique (B); des moyens ( 26) pour maintenir la roue ( 20)
dans la bonne orientation; un premier et un second collecteurs de
fluide interieurs ( 36, 38) voisins dudit bord interieur de la roue (
20); un premier et un second collecteurs de fluide exterieurs ( 34,
40) voisins dudit bord exterieur dk la roue ( 20); un echangeur de
charge thermique ( 18,) z un echamgeur de
2 ejet de chaleur ( 16); et un moyen de pompage ( 32) envoyant un
fluide, a partir dudit fchangeur de rejet de chaleur ( 16), traverser
ledit pemier collecteur exterieur ( 34), traverserune partie dudit
materiau present dans la roue ( 20) pres dedit premier collecteur
exterieur ( 34) depuis le bord exterieur jusqu'au bord interieur,
atteindre et traverser le premier collecteur interieur ( 36) pour
rejoindre ledit moyen echangeur de charge thermique ( 18), traverser
de la le second collec- teur interieur ( 38), puis une seconde partie
du mate- riau present dans la roue au voisinage du second collec- teur
interieur ( 38) et ensuite le second collecteur ex- terieur ( 40) pour
rejoindre le moyen de rejet de chaleur ( 16) 2 Refrigerateur selon la
revendication 1, ca- racterise en ce que ledit aimant comporte un
aimant su- praconducteur ( 12) et un moyen ( 14) pour le refroidir.
3 Refrigerateur selon la revendication 2, ca- racterise en ce que
ledit fluide est de l'hydrogen.
4 Refrigerateur selon la revendication 1, ca- racterise en ce que
ledit moyen d'entrainement de la roue ( 20) comporte un moteur ( 24),
un arre d E transmis- sion ( 24) et un pignon ( 49) d'entrainement du
bord de la roue ( 2 Q).
5 Refrigerateur selon la revendication 4, ca- racterise en ce que
ledit moyen d'entrainement entraine le bord exterieur de la roue ( 20)
6 Refrigerateur selon la revendication 1, ca- racterise en ce que
ledit moyen d'entrainement de la roue ( 20) est un dispositif
d'entrainement magnetique.
7 Refrigerateur selon la revendication 6, ca- racterise en ce que
ledit moyen d'entrainement entraine le bord exterieur de la roue (
20).
8 Refrigerateur selon la revendication 1, ca- racterise en ce que
ledit moyen d'entrainement est un moyen d'entrainement par frottement.
9 Refrigerateur selon la revendication 8, ca- racterise en ce que
ledit moyen d'entrainement entraine le bord exterieur de la roue (
20). Refrigerateur selon la revendication 1, ca- racterise en ce que
ledit materiau pris dans le groupe comprenant les materiaux
ferromagnetiques et les mate- riaux paramagnetiques comporte une serie
de couches concentriques (nl, N 2, N 3 n N), la couche interieure (ni)
ayant une temperature de Curie voisine de T et la couche exterieure (n
N) ayant une temperature de Curie voisine de TH, les couches
intermediaires ayant des temperatures de Curie augmentant avec leur
eloignement au bord interieur de la roue ( 20).
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