Innovative electrical interfaces for solid-state electrocaloric cooling using ferroelectric ceramics

Contexte
Les dispositifs réfrigérants sont d'une importance cruciale dans de nombreuses applications (transport alimentaire, confort, approvisionnement médical, etc.). Pourtant, les approches conventionnelles pour maintenir une température basse dans un système reposent toujours sur des gaz qui soulèvent des préoccupations environnementales et de sécurité. Les gaz actuels, à savoir les hydrofluorocarbures HFC, devraient être remplacés depuis 1997 (protocole de Kyoto). Pourtant, aucune alternative viable n'a encore été proposée à ce jour.
Dans le cadre du projet ANR PRCI « CooliSH », un changement de paradigme pour la réfrigération est proposé au travers de l'utilisation de matériaux électrocaloriques qui convertissent directement l'énergie électrique en flux de chaleur. L'objectif du projet est de proposer des approches innovantes et sans gaz pour les dispositifs de refroidissement. Le projet comprend 1) l'adaptation des matériaux et de la géométrie pour améliorer l'échange thermique entre le matériau actif et l'environnement, 2) un contrôle énergétiquement efficace du côté électrique et 3) le développement d'une preuve de concept complète afin de démontrer l'efficacité de l'appareil.
La présente proposition de doctorat porte principalement sur le second aspect, avec quelques contributions au troisième.

Objectifs
Ainsi, dans ce travail de doctorat, l'objectif principal sera d'implémenter le matériau et la structure électrocaloriques dans un système complet intégrant l'interface électrique de commande, en tenant compte de l'efficacité énergétique globale de l'ensemble. L'application d'un champ électrique sera combinée à la récupération des charges lors de l'exécution du cycle thermodynamique. Cela sera notamment rendu possible par la prise en compte de l'ensemble du système, avec la modélisation du système thermique global par un circuit électrique équivalent. En résumé, les deux principales missions du travail de doctorat sont :
1.    Modélisation du comportement global du dispositif de refroidissement via des circuits électriques équivalents éventuellement non-linéaires.
2.    Sur la base de l'approche globale réalisée à l’étape précédente, la conception et la mise en œuvre d'interfaces électriques efficaces comprenant la récupération de charges pour assurer des cycles régénératifs. Une telle implémentation sera à terme déployée dans un dispositif global pour preuve de concept.

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Context
Refrigerant devices are of critical importance in many applications (food transportation, comfort, medical supply etc.). Yet, conventional approaches for maintaining a low temperature within a system still rely on refrigerant gases that raise environmental and safety concerns. Current gases, namely hydrofluorocarbons HFC, have been expected to be replaced since 1997 (Kyoto protocol). Yet, no viable alternatives have been proposed so far.
In the framework of the ANR PRCI “CooliSH” project, a change of paradigm for refrigeration is proposed through the use of electrocaloric materials that directly convert electrical energy into heat flux. The objective of the project is to propose innovative, gas-free approaches for cooling device. The project encompasses 1) the material and geometry tailoring for enhancing thermal exchange between the active material and the environment, 2) the energy-efficient control on the electrical side and 3) the development of a full proof of concept in order to demonstrate the device efficiency.
The present Ph.D. proposal is mainly targeted on the second aspect, with some contributions to the third one.

Objective
Hence, within this Ph.D. work, the main objective will be to implement the developed electrocaloric material and structure within a global system incorporating the electrical driving interface, with in mind the global energy efficiency of the whole device. The application of an electric field will be combined with the recovery of charges while performing the thermodynamic cycle. This will be notably enabled by the consideration of the whole system, with the modeling of the global thermal system using equivalent electrical circuit. In summary, the two main tasks of the Ph.D. are:
1.    Modeling of the global behavior of the cooling device through equivalent electrical circuit that are possibly nonlinear.
2.    Based on the global approach performed in the previous point, design and implementation of efficient electrical interfaces featuring charge recovery to ensure regenerative cycles. Such an implementation will be ultimately deployed in a general proof of concept device.

Le LGEF (Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité) est une équipe associée (EA682) de l'INSA Lyon (Institut National des Sciences Apppliquées). Il est composé d'environ 30 personnes dont 17 permanents. Il occupe le troisième étage et une partie du sous-sol du batiment Gustave Ferrié. Une partie des locaux sont classés en ZRR: Zone à Régime Restrictif.

Le laboratoire développe des activités de recherche centrées sur le "couplage multiphysique dans les matériaux de conversion et utilisation dans des systèmes dédiés". Les activités font appel à plusieurs champs disciplinaires allant des matériaux électro-actifs (céramiques, monocristaux, polymères, composites...) jusqu'aux systèmes et fonctions développées : récupération d'énergie, controle de vibration, dispositifs autonomes et auto-alimentés, actionneurs souples...

De part la nature des recherches effectuées au sein du laboratoire, les travaux émargent dans les enjeux sociétaux suivants de l’Institut:  “Energie pour un Développement Durable“, “Transport : Structures, Infrastructures et Mobilités“ et "Santé Globale et Bioingénierie". 

La personne candidate, titulaire d'un Master ou d'un diplôme équivalent (par exemple diplôme d'ingénieur français) ou proche de l'obtenir, doit avoir une solide formation en génie électrique et en gestion des systèmes énergétiques. Des compétences supplémentaires en conversion d'énergie et en physique seront considérées comme des atouts.
Le doctorat étant réalisé dans le cadre d'un projet collaboratif multi-partenaires, des compétences interprofessionnelles liées à la communication et au reporting sont également obligatoires.
Ce doctorat sera principalement effectué au LGEF (INSA Lyon), mais avec des séjours potentiels dans les locaux d'autres partenaires, notamment le LIST au Luxembourg.

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The candidate, awarded a Master or equivalent degree (e.g., French engineer diploma) or close to be awarded such diploma, should have a strong background in electrical engineering and energy management system. Additional skills in energy conversion and physics will be considered as assets.
The Ph.D. being performed in the framework of a multi-partner collaborative project, inter-professional skill related to communication and reporting are also mandatory.
This Ph.D. will be mainly performed in LGEF, INSA Lyon, but with potential stays in the premises of another partner, especially LIST in Luxembourg.