La réfrigération magnétique (RM) constitue une technologie à fort potentiel en efficacité énergétique. Toutefois, son rendement demeure difficile à quantifier à cause des phénomènes magnétohydrodynamiques complexes qui surviennent au coeur du régénérateur ferromagnétique poreux. Les modèles existants de régénérateur sont unidimensionnels et effectifs. Leur simplicité excessive explique l'écart entre les données expérimentales extraites de prototypes et les résultats générés. Le modelé de régénérateur poreux présenté préconise une approche numérique directe appliqué sur un domaine tridimensionnel. Ce dernier est formé de canaux interstitiels définis par des agencements structurés de particules ferromagnétiques de Gd. Le fluide qui s'écoule dans les canaux régénère le solide ayant subi une variation de température induite par l'effet magnétocalorique (EMC). En somme, la résolution souple des équations de conservation, de mouvement et d'énergies est effectuée en considérant les propriétés du Gd (EMC, capacité calorifique) comme variables. La simulation d'un cycle de RM nécessite l'application d'astuces numériques spécifiques. La validité du modèle est évaluée à l'aide de données expérimentales et de comparaisons avec les résultats existants. Un montage expérimental a été construit ; des granules de Gd consolidés sont incluses dans un boîtier disposé dans le pôle d'un électroaimant dont la commutation induit l'EMC. Entre autres, des thermocouples insérés au centre de la structure poreuse permettent de mesurer le gradient de température le long du régénérateur. Les résultats générés par le modèle sont cohérents dans leur limite. Le bilan global d'énergie est respecté à 99.5%. Des corrélations de Nu et f spécifiques au régénérateur structure sont formulés. Les écarts de celles-ci avec les corrélations existantes et les données expérimentales indiquent qu'un raffinement du modèle est requis. En somme, le remplacement de la géométrie structuré par un milieu poreux aléatoire de faible densité (MPAFD) de large section doterait le modèle d'un réalisme accru.

Ce travail a été effectué dans le cadre d’études de la miniaturisation d’un cryo-réfrigérateur de type tube à gaz pulsé (TGP) et particulièrement pour mieux comprendre l’écoulement et le transfert de chaleur dans un régénérateur, l’élément clé du TGP.Nous présentons les études numérique et expérimentale du facteur de frottement et du nombre de Nusselt pour les écoulements stationnaires et continus à nombre de Reynolds modéré O(1 − 100) au sein d’un régénérateur micro-fabriqué. L’influence de la porosité et de la géométrie est étudiée. La micro-structure précisément contrôlée représente des canaux incurvés de largeur de 10, 20 et 40 μm et de profondeur de 100 à 300 μm qui forment un réseau de colonnes ayant des profiles de losanges ou sinusoïdaux. Les micro-canaux sont gravés sur un substrat de silicium par la technologie DRIE. Une technologie d’implantation de thermomètres à l’intérieur de la micro-structure de régénérateur a été développée et mise en œuvre. Les performances des micro-régénérateurs ont été étudiées selon deux approches : la première se base sur le rapport des pertes de charges dans l’écoulement et de l’efficacité du transfert thermique (NPH/NTU) ; la deuxième, sur le coefficient de transfert de chaleur globale proposé par Bejan. L’étude numérique de ces deux critères montre tout le potentiel des micro-structures proposées. / This research is done in the framework of miniaturisation of pulse tube cryocoolers studies and especially to gain a better understanding of the mass flow and heat transfert in the regenerator, which is a crucial component of these type of cryocoolers.In this work we present a numerical and experimental study of the Darcy-Weisbach friction factor and Nusselt number for a continuous and steady flow at moderate Reynolds number O(1−100) in a micro-machined regenerators. The influence of porosity from 40 to 80 % and of the geometry parameters are studied. Well-controlled microstructures represent convoluted channels of 10, 20 or 40 μm width and 100 or 300 μm depth generated by rhombic- or sinusoidal-shaped columns.The channels are etched in Silicon wafers using DRIE MEMS technology. The thermometers are integrated inside the regenerator’s micro-structure to measure the temperature evolution. The efficiency of the regenerators is estimated using two different approaches : the first, as a ratio of pressure drop losses and heat transfer efficiency (NPH/NTU) ; the second, as a volumetric heat transfer density coefficient proposed by Bejan. The numerical study of the efficiency shows theinterest of proposed micro-structures.

Les pulses tubes sont des cryoréfrigérateurs similaires aux machines Stirling mais sans pièce mobile à froid, ce qui diminue les vibrations et augmente leur fiabilité. Toutes ces caractéristiques sont les bienvenues pour les applications spatiales, un domaine où le poids et la taille de la machine sont critiques. C'est dans ce cadre qui s'insère la recherche sur la miniaturisation des pulses tubes ; pour le réussir, on peut diminuer le volume déplacé pendant un cycle de la machine, en augmentant simultanément la fréquence d'opération. Pour savoir quels sont les limitations à l'augmentation de fréquence, des simulations sur le comportement du régénérateur et l'inertance à très hautes fréquences ont été faits; une étude expérimentale sur les pertes thermiques dans le tube a été aussi élaborée; et, finalement, des prototypes de pulse tube ont été dimensionnés et caractérisés, l'un desquels satisfait les spécifications initialement données : 0.25 W à 120 K avec 20 W puissance mécanique, à 100 Hz.

L’objectif de ce travail est de développer un modèle multi-physique et multi-échelle de Régénérateur Magnétique Actif en vue d’optimiser le fonctionnement d’un système de réfrigération magnétique. Le modèle numérique développé lors de cette thèse est un modèle multi-physique et multi-échelle qui prend en compte trois phénomènes distincts (le magnétisme, la fluidique et le transfert de chaleur), chacun à une échelle différente (micro-échelle, mini-échelle et macro-échelle). Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer les propriétés thermophysiques des matériaux magnétocaloriques et d’intégrer les résultats de ces mesures dans le modèle numérique. Le modèle a été validé par une comparaison avec des données expérimentales et les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Enfin, le modèle a été exploité par une analyse de sensibilité des paramètres en vue d’étudier le fonctionnement ainsi que les performances du système. Ce modèle permettra d’identifier une stratégie de conception optimale d’un Régénérateur Magnétique Actif afin de concevoir des systèmes de réfrigération magnétique performants. / The objective of this work is the developing of a multi-physics and multi-scale numerical model of an Active Magnetic Regenerator in order to optimize the operation of a magnetic refrigeration system. The numerical model developed in this thesis is a multi-physics and multi-scale model that takes into account simultaneously three distinct phenomena (magnetism, fluid flow and heat transfer), each on a different scale (micro-scale, mini-scale scale and macro-scale). An experimental study was conducted to determine the thermophysical properties of magnetocaloric materials and integrate the results of these measurements in the numerical model. The model has been validated by comparison with experimental data and the results showed a good correlation between the model results and measurements. Finally, the model was exploited by an analysis of parameter sensitivity allowing studying the operation and performance of the system. This model will identify an optimal design strategy of an Active Magnetic Regenerator in order to design high-performance magnetic refrigeration systems.

Les pulses tubes sont des cryoréfrigérateurs similaires aux machines Stirling mais sans pièce mobile à froid, ce qui diminue les vibrations et augmente leur fiabilité. Toutes ces caractéristiques sont les bienvenues pour les applications spatiales, un domaine où le poids et la taille de la machine sont critiques. C'est dans ce cadre qui s'insère la recherche sur la miniaturisation des pulses tubes ; pour le réussir, on peut diminuer le volume déplacé pendant un cycle de la machine, en augmentant simultanément la fréquence d'opération. Pour savoir quels sont les limitations à l'augmentation de fréquence, des simulations sur le comportement du régénérateur et l'inertance à très hautes fréquences ont été faits; une étude expérimentale sur les pertes thermiques dans le tube a été aussi élaborée; et, finalement, des prototypes de pulse tube ont été dimensionnés et caractérisés, l'un desquels satisfait les spécifications initialement données : 0.25 W à 120 K avec 20 W puissance mécanique, à 100 Hz. / Pulse Tubes are a kind of cryocoolers similar to Stirling refrigerators, apart from the cold mobile element, absent in the first, which lessens their exported vibrations and increases their reliability. Spatial applications seek these characteristics for the instruments embarked, along with small weight and size. These needs stimulate the research on pulse tube miniaturization; to achieve this reduction, one can decrease the swept volume per cycle, whilst increasing the frequency of operation. To understand the barriers to carry out very high frequency operation, simulations on the behavior of the regenerator and inertances were made, as well as an experimental study on the thermal losses of the expansion tube. Finally, several very high frequency pulse tube prototypes were built and benchmarked, one of which fulfills the requirements we had initially set : 0.25 W at 120 K, with 20 W of input power at 100 Hz.

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes). / Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).

La réfrigération magnétique est une technologie de rupture pour produire du froid qui n'utilise pas de gaz à effet de serre et est plus efficace que la réfrigération à compression de gaz. Elle est basée sur l'effet magnétocalorique, une propriété de certains matériaux à changer de température lorsqu'ils sont soumis à une variation de champ magnétique. Ces travaux de thèse ont porté sur l'étude des systèmes de réfrigération magnétique. Nous avons effectué une analyse critique des prototypes existants et proposé de nouveaux critères de performances pour les comparer de manière effective. Nous avons développé un modèle numérique des transferts thermiques au sein des réfrigérateurs magnétiques, pour étudier leur comportement en régime transitoire et permanent. Une analyse fine de la source de champ et de son interaction avec le matériau a permis de proposer des règles de conception et de dimensionnement d'un système performant.

La technologie de la réfrigération magnétique présentée dans ce manuscrit constitue une alternative prometteuse à la technologie de production de froid. Le travail effectué a porté tout d’abord sur une étude de la production de froid magnétique et un état de l’art de cette technologie émergente. Nous nous sommes fixés pour objectif de dimensionner et réaliser un réfrigérateur magnétique qui se présente sous la forme d’un actionneur intégré. Le dimensionnement a été réalisé par le biais d’un modèle à éléments finis. Il s’agit d’un dispositif présentant deux entrefers, dont un suffisamment large pour pouvoir accueillir un régénérateur magnétocalorique au sein duquel la valeur de l’induction est la plus élevée possible tout en offrant un profil d’induction de forme trapézoïdale. La réalisation du démonstrateur sur la base des étudeseffectuées par éléments finis constitue la première étape vers la réalisation d’un réfrigérateur magnétique intégré pouvant être logé dans une automobile. Pour finir, et afin d’améliorer encore les performances de notre dispositif, une optimisation de l’inducteur électromagnétique a été effectuée par le biais d’un modèle à éléments finis couplé à un algorithme d’optimisation. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work carried out focuses on the technology of magnetic refrigeration, a state of the art of this emerging technology has also been done. A magnetocaloric regenerator is placed in the air gap of the motor. It is necessary to design a motor with an air gap wide enough and where the induction will be as high as possible in order to insert the magnetocaloric regenerator. The regenerator is a hollow cylinder whose dimensions are adapted to the air gap of the synchronous machine. It is intended to contain the magnetocaloric material. The design of the electric motor is made in order to obtain a maximal variation of induction ΔB in the air gap and a temperature difference ΔT as large as possible, improving the magnetocaloric performance of the prototype. The profile of induction should also be as close as possible to a rectangular signal. The realization of the demonstrator based on the finite element studies is the first step towards the realization of integrated magnetic refrigerator which can be housed in an automobile. Finally, and in order to improve the performance of our device, an optimization of the electromagnetic inductor was carried out with a finite element model coupled to an optimizationalgorithm.

La réfrigération magnétique est une technologie de rupture pour produire du froid qui n’utilise pas de gaz à effet de serre et est plus efficace que la réfrigération à compression de gaz. Elle est basée sur l’effet magnétocalorique, une propriété de certains matériaux à changer de température lorsqu’ils sont soumis à une variation de champ magnétique. Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude des systèmes de réfrigération magnétique. Nous avons effectué une analyse critique des prototypes existants et proposé de nouveaux critères de performances pour les comparer de manière effective. Nous avons développé un modèle numérique des transferts thermiques au sein des réfrigérateurs magnétiques, pour étudier leur comportement en régime transitoire et permanent. Une analyse fine de la source de champ et de son interaction avec le matériau a permis de proposer des règles de conception et de dimensionnement d’un système performant. / Magnetic refrigeration is a good alternative to gas compression refrigeration systems because it does not involve the use of greenhouse gases and it is more efficient. This technology is based on the magnetocaloric effect, which manifests itself as a temperature change of a magnetocaloric material upon changing the magnetic field. This thesis is dedicated to the study of magnetic refrigerators. We reviewed the former prototypes and defined a set of performance criteria to make an accurate comparison. A numerical model of heat transfer in magnetic refrigerators was developed, and the transient and steady state response were studied. A thorough analysis of magnetic field sources was performed and we proposed guidelines to design a new magnetic refrigerator.