Refroidissement thermoélectrique

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Le refroidissement thermoélectrique est une technique de refroidissement utilisant la thermoélectricité. On utilise pour cela des composants nommés « modules Peltier » qui transforment un courant électrique en une différence de température.

Généralités[modifier | modifier le code]

Module Peltier

Les modules Peltier sont nommés ainsi car ils mettent en œuvre la thermoélectricité et plus précisément 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 nécessaire d’avoir un mécanisme d’évacuation de la chaleur de l’autre côté (Ventilateur...).

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

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 sélectionné pour que les électrons puissent jouer le rôle de fluide caloporteur.

Équations[modifier | modifier le code]

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
  • \Pi_{ab} est le coefficient d'effet Peltier du module
  • S_m est le coefficient d'effet Seebeck du module
  • K_m est la conductance 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
  • \Delta T = T_c - T_f

Les transferts thermiques au sein d'un module thermoélectrique peuvent être modélisés en quantifiant trois contributions :

La première correspond à la chaleur transférée par effet Peltier. Sur la face froide, la chaleur prélevée est Q_f=S_m\times T_f\times I. Sur la face chaude, la chaleur injectée est Q_c=S_m\times T_c\times I.

Il faut ensuite 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 celui-ci. La chaleur prélevée côté froid est donc à diminuer de \frac{1}{2} \times R_m \times I^2. La chaleur injectée côté chaud doit être augmentée de la même valeur.

Enfin, il faut également tenir compte de la conduction thermique qui s’oppose à l’effet voulu[1]; il faut donc diminuer la chaleur prélevée en face froide de K_m \times \Delta T, et diminuer d'autant la chaleur rejetée en face chaude.

Finalement on a une chaleur prélevée côté froid qui vaut Q_f=S_m\times T_f\times I - \frac{1}{2} \times R_m \times I^2 - K_m \times \Delta T. Cette expression est difficilement exploitable, d’autant plus que les coefficients S_m, K_m, R_m varient en fonction de la température. Pour pouvoir utiliser correctement les modules Peltier, les fabricants fournissent des courbes donnant la différence de température en fonction du courant appliquée et de la chaleur transférée.

La tension aux bornes 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=S_m\times T_c\times I + \frac{1}{2} \times R_m \times I^2 - K_m \times \Delta T, soit Q_c=Q_f + V \times I (Chaleur absorbée et chaleur produite par le module lui-même(Non homogene))[2],[3].

Avantages et inconvénients[modifier | modifier le code]

Par rapport à un système de refroidissement par compresseur (tel qu'utilisé notamment dans les réfrigérateurs), le refroidissement thermoélectrique par effet Peltier a pour principaux avantages :

  • sa simplicité et donc 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 en revanche comme principaux inconvénients

  • une consommation électrique élevée (rendement 0,6)
  • une efficacité moindre (dépendance à la température ambiante)

Les glacières réfrigérées par effet Peltier que l'on trouve dans le commerce sont généralement capables de produire une température de 8 à 10 °C au-dessous de la température ambiante, celle-ci étant critique pour le refroidissement du côté chaud du module, là où un système par compresseur permet de descendre en dessous °C, y compris lorsque la température ambiante est élevée.

Applications[modifier | modifier le code]

Les systèmes suivants utilisent un refroidissement thermoélectrique :

Notes[modifier | modifier le code]

Sources[modifier | modifier le code]