Exploitation of the electrocaloric effect for refrigeration : optimization of material properties and associated processses
Exploitation de l'effet électro-calorique pour la réfrigération : optimisation des propriétés des matériaux et des processus associés
Résumé
To answer to the environmental issues (global warning, pollution), electrocaloric cooling can be considered as a promising approach as an environment friendly alternative to the conventional refrigeration other techniques. It avoids the use of environment harmful refrigerant used in conventional refrigerators. Electrocaloric effect is the charge of temperature of a polar material when an electric field is applied or removed. This thesis had two objectives. Firstly, the elaboration and characterization of an original electrocaloric material, and then the conception of an electrocaloric refrigeration demonstrator device. Thus a new electrocaloric material based on samarium doped barium titanate has been elaborated and its structural, thermal, electrical and ferrolectrical properties have been characterized. The effect of the dopant (samarium) amount on the ferroelectric/paraelectric transition temperature has been confirmed. The characterization of the electrocaloric properties as a function of temperature and electric field intensity have been realized by direct measurement of the isothermal heat flux upon application and removal of the electric field using a homemade calorimeter. Preliminary results showed that an electrocaloric effect can be detected even for low electric field intensity, and evidenced the effect of the temperature and the electric field intensity on the magnitude of the electrocaloric effect. Then an electrocaloric refrigeration device has been developed and built, first results allowing to evaluate the different solutions we have selected for the conception of the demonstrator. They showed that the electrocaloric effect can be used as an alternative to the conventional solutions for the refrigeration. By its conception, the device may also be considered as a testing bench for the optimization of the materials properties and associated process in Electrocaloric refrigeration applications.
Pour répondre aux enjeux environnementaux (changement climatique, couche d'ozone...) et à l'accroissement des besoins de réfrigération (besoins sanitaires, agro-alimentaire, de confort...), la réfrigération électrocalorique est une alternative prometteuse : elle permet d'éviter l'utilisation des fluides réfrigérants nocifs pour l'environnement employés dans les réfrigérateurs conventionnels. L'effet électrocalorique est la variation de la température d'un matériau polaire suite à l'application ou la suppression d'un champ électrique. Cette thèse avait deux objectifs : le premier était l'élaboration et la caractérisation d'un matériau électrocalorique original, et le deuxième était de concevoir un démonstrateur de réfrigération électrocalorique. Ainsi, un nouveau matériau électrocalorique à base de titanate de baryum dopé par du samarium avec différents taux de concentration a été élaboré et ses propriétés microstructurales, thermiques, diélectriques et ferroélectriques ont été caractérisées. L'effet du taux de concentration en samarium dans les sites A de la structure pérovskite du BaTiO3 sur la température de transition ferroélectrique/paraélectrique a pu être mis en évidence. L'étude des propriétés électrocaloriques en fonction de la température et de l'intensité du champ électrique a été réalisée par mesure directe du flux de chaleur électrocalorique généré ou absorbé suite à l'application ou la suppression du champ électrique. Nous avons utilisé pour cela un calorimètre adiabatique développé au sein du laboratoire et adapté à l'étude de l'effet électrocalorique. Cette étude préliminaire a permis de mettre en évidence un effet électrocalorique même pour des champs faibles et l'influence de la température et de la concentration en samarium sur l'intensité de cet effet. Par ailleurs, un démonstrateur de réfrigération électrocalorique a été mis au point, les premiers résultats obtenus ont permis d'évaluer et de discuter les différentes solutions techniques proposées. Nous avons ainsi pu montrer la faisabilité de l'utilisation de l'effet électrocalorique pour la réfrigération, validant ainsi l'idée de l'exploitation de l'effet électrocalorique comme une solution alternative aux techniques usuelles de réfrigération. De par sa conception, ce démonstrateur peut être envisagé comme un banc d'essai permettant l'optimisation des propriétés des matériaux et des processus associés dans le cadre d'une application de l'effet électrocalorique pour la réfrigération.
Origine : Version validée par le jury (STAR)