Un système de réfrigération sans gaz basé sur un caoutchouc naturel

La climatisation représente 20% de la consommation électrique des bâtiments, et cette part ne cesse de croître. Le principal inconvénient de ces systèmes de réfrigération, en dehors de leur consommation d'énergie, est qu'ils sont majoritairement basés sur la compression d'un gaz qui contribue au réchauffement climatique. Une solution alternative consiste à utiliser des matériaux caloriques, qui ont la capacité de produire un refroidissement quand ils sont soumis à une force cyclique (magnétique, électrique ou mécanique). Des chercheurs de l’International research laboratory (IRL) Engineering Science Lyon Tohoku, Materials under eXtreme conditions (Elytmax, CNRS/INSA Lyon/Centrale Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/Tohoku University), ont réalisé deux prototypes d'un système de réfrigération basé sur un caoutchouc élastocalorique. Ces résultats sont publiés dans la revue Applied Thermal Engineering.

L'élément de base du dispositif est un simple tube de caoutchouc naturel, qui s'échauffe quand on lui fait subir une forte élongation (400% à 600%), et se refroidit quand il se rétracte. Le tube, soumis à une contrainte cyclique, est parcouru par le fluide caloporteur qui se déplace aussi cycliquement, de manière à créer un flux net de chaleur dans une direction.

Une première étude théorique, menée dans le cadre du projet ANR ECPOR (couplage élastocalorique dans les polymères pour la génération solide du froid), avait validé le principe, et permis d'identifier des paramètres clés du fonctionnement du dispositif. Les chercheurs ont franchi une nouvelle étape en construisant des prototypes de laboratoire qui ont confirmé le rôle clé de l'épaisseur et du diamètre du tube dans les échanges de chaleur, tout en démontrant qu'un tel dispositif de réfrigération était potentiellement réalisable à plus grande échelle.

Les deux prototypes de laboratoires sont constitués respectivement de 19 et 55 tubes de caoutchouc fins (quelque mm de diamètre) mis en parallèle entre deux réservoirs d'eau, et soumis à des cycles d'élongation par un actionneur. Les cycles d'élongation du tube et de circulation du fluide ont permis d'obtenir une puissance de réfrigération maximale de 3,5 Watt avec le dispositif à 55 tubes. A titre de comparaison, la puissance nécessaire à un réfrigérateur domestique se mesure en centaines de Watt, et se compte en kWatt pour une climatisation. Mais au vu des résultats obtenus grâce à la parallélisation des tubes, il devrait suffire d'en augmenter le nombre pour gagner en puissance. La réalisation pratique du système (principe d’actionnement, fixation des tubes et contraintes géométriques, distribution du fluide...) a donné naissance à des solutions innovantes, qui ont fait l'objet d'un dépôt de brevet.

Dans le cadre d’une collaboration franco-japonaise entre le laboratoire ELyTMaX, le Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon (CETHIL, CNRS/INSA Lyon), le Laboratoire de génie électrique et ferroélectricité (LGEF, INSA Lyon) et l’Institute of Fluid Science (Tohoku University au Japon), les scientifiques poursuivent l'analyse des mécanismes de transfert thermique dans le dispositif, ce qui permettra d'en améliorer encore les performances. Par ailleurs, des contacts sont pris avec des entreprises du secteur, en France et au Japon, pour évaluer la possibilité du développement d'un système industriel.

Références
High-performance polymer-based regenerative elastocaloric cooler.
Gael Sebald, Giulia Lombardi, Gildas Coativy, Jacques Jay, Laurent Lebrun, Atsuki Komiya.
Applied Thermal Engineering, 25 March 2023.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120016