Climatiseurs zéro gaz : l’innovation élastocalorique

Dans une récente étude publiée dans la revue Applied Thermal Engineering, des chercheurs du laboratoire international ELyTMaX ont dévoilé des prototypes innovants de dispositifs de réfrigération basés sur les propriétés élastocaloriques de tubes en caoutchouc naturel.

Cette découverte pourrait révolutionner le secteur de la climatisation, qui représente actuellement 20% de la consommation électrique des bâtiments et ne cesse d’augmenter.

Les systèmes de réfrigération actuels reposent en grande partie sur la compression de gaz à effet de serre, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Les chercheurs du laboratoire ELyTMaX, une collaboration entre le CNRS, l’INSA Lyon, Centrale Lyon, l’Université Claude Bernard Lyon 1 et l’Université Tohoku, explorent une alternative basée sur les matériaux caloriques. Ces derniers ont la capacité de produire un refroidissement lorsqu’ils sont soumis à une force cyclique, qu’elle soit magnétique, électrique ou mécanique.

Le dispositif innovant développé par les chercheurs repose sur un simple tube de caoutchouc naturel qui, lorsqu’il subit une élongation de 400% à 600%, s’échauffe, puis se refroidit en se rétractant. En soumettant le tube à une contrainte cyclique et en le parcourant avec un fluide caloporteur, les chercheurs ont réussi à créer un flux net de chaleur dans une direction. Les prototypes présentent des performances prometteuses pour le développement de systèmes de réfrigération à grande échelle sans utiliser de gaz à effet de serre.

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.

Définition : Le terme « élastocalorique » fait référence à un phénomène thermodynamique observé dans certains matériaux, dont le caoutchouc naturel. Lorsqu’un matériau élastocalorique est soumis à une contrainte mécanique, comme une déformation cyclique (compression, élongation ou torsion), il produit un effet thermique : il s’échauffe lorsqu’il est déformé et se refroidit lorsqu’il revient à sa forme initiale. Cet effet thermique, appelé « effet élastocalorique », est exploité pour créer des dispositifs de réfrigération ou de climatisation écologiques et efficaces, sans utiliser de gaz à effet de serre.

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