Refroidissement thermoélectrique

Il est envisageable de refroidir des objets en utilisant la thermoélectricité. On utilise pour cela des composants appelés «modules Peltier» qui transforment un courant électrique en une différence de température.

Catégories :

Thermoélectricité - Semi-conducteur - Matériau - Réfrigération

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Il est envisageable de refroidir des objets en utilisant la thermoélectricité. On utilise pour cela des composants appelés «modules Peltier» qui transforment un courant électrique en une différence de température.

Généralités

Module Peltier

Les modules Peltier sont appelés ainsi car ils mettent en œuvre la thermoélectricité et plus exactement l'effet Peltier. Ce module est alimenté par un courant et présente deux faces, l'une dite froide et l'autre chaude. L'objet à refroidir doit se mettre sur la face froide, tandis qu'il est indispensable d'avoir un mécanisme d'évacuation de la chaleur de l'autre côté (Ventilateur... ).

Fonctionnement

Schéma d'une cellule à effet Peltier

Article détaillé : Thermoélectricité.

Un module Peltier est constitué d'une série de «couples» constitués d'un matériau semi-conducteur choisi pour que les électrons puissent jouer le rôle de fluide caloporteur.

Équations

Dans cette section, il est utilisé les notations suivantes :

I est le courant traversant le module Peltier
$Q f$ est la chaleur absorbée par le côté froid du Peltier
$Q c$ est la chaleur rejetée par le Peltier
$Π a b$ est le cœfficient d'effet Peltier du module
$S m$ est le cœfficient d'effet Seebeck du module
$K m$ est la résistance thermique du module
$R m$ est la résistance électrique du module
$T f$ est la température du côté froid
$T c$ est la température du côté chaud
$Δ T$ = $T c$ - $T f$

Pour modéliser un module thermoélectrique, la première idée est de donner une chaleur transférée correspondant à l'effet Peltier (c'est-à-dire $Q_f=\Pi_{ab}\times I$ ou bien $Q_f=S_m\times T_f\times I$ ). Il faut aussi considérer la chaleur due à l'effet Joule qui va s'appliquer sur les 2 faces du modules et qui va augmenter avec l'alimentation de ce dernier. La chaleur absorbée est par conséquent à diminuer de $\frac{1}{2} \times R_m \times Iˆ2$ . Il faut aussi tenir compte de la conduction thermique qui s'oppose à l'effet voulu^[1]; il faut par conséquent enlever une chaleur de $K_m \times \Delta T$ .

Finalement on a une chaleur absorbée qui est $Q_f=S_m\times T_f\times I - \frac{1}{2} \times R_m \times Iˆ2 - K_m \times \Delta T$ . Cette expression est difficilement exploitable, d'autant plus que les cœfficients $S m$ , $K m$ , $R m$ fluctuent selon la température. Pour pouvoir utiliser correctement les modules Peltier, les fabricants fournissent des courbes donnant la différence de température selon le courant appliquée et de la chaleur transférée.

La tension aux limites du module est $V=S_m \times \Delta T + I \times R_m$ (on tient compte de l'effet Joule et de l'effet Seebeck).

La chaleur rejetée par le module est $Q_c=Q_f + V \times I$ (Chaleur absorbée et chaleur produite par le module lui-même).

Avantages et inconvénients

Comparé à un dispositif de refroidissement par compresseur (tel qu'utilisé surtout dans les réfrigérateurs), le refroidissement thermoélectrique par effet Peltier a pour principaux avantages :

sa simplicité et par conséquent son faible coût de fabrication
l'absence d'utilisation de gaz
le peu d'entretien nécessaire
le faible niveau de bruit (y compris avec l'ajout d'un ventilateur)
l'absence de vibrations

Il a par contre comme principaux inconvénients

une consommation électrique élevée
une efficacité moindre

Les glacières réfrigérée par effet Peltier qu'on trouve dans le commerce sont le plus souvent capable de produire une température de 15 à 18 °C en dessous de la température ambiante, là ou un dispositif par compresseur sert à descendre en dessous 0 °C y compris quand la température ambiante est élevée.

Applications

On peut citer les applications suivantes :

réfrigérateurs alimentaires de petite taille (par exemple de voiture) ;
refroidissement des solutions dans les laboratoires d'analyses biologiques et médicales. Procédé utilisé dans le dispositif de refroidissement des thermocycleurs ;
conteneurs utilisés pour le transport d'organes à transplanter ;
applications dans lesquelles les vibrations forment une gêne énorme, comme par exemple les dispositifs de guidage laser ;
applications pour lesquelles le bruit de fond électronique est gênant, par exemple pour l'analyse dispersive en énergie ;
système de refroidissement des caméras d'astronomie ;
système de refroidissement d'autodirecteurs infra-rouge de missiles air-air, par exemple sur le AIM-9 Sidewinder ou le MICA IR ;
refroidissement des microprocesseurs sur-cadencés, pour limiter leur température. Quoique peu puissant, il est apprécié étant donné qu'il ne fait appel à aucune pièce mobile, et n'est par conséquent source d'aucune nuisance sonore. Mais un problème persiste : celui de la condensation. En effet, de par sa nature même, l'effet Peltier crée un différentiel de température important entre deux plaques de métal, et une condensation se produit alors sur la partie la plus froide.

Notes et références

la chaleur allant naturellement du chaud vers le froid

Voir aussi

Liens externes

Les fabricants de modules Peltier proposent fréquemment une information technique particulièrement détaillé :

(en) Ferrotec
(en) Tetech

Bibliographie

Recherche sur Amazone (livres) :

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