Refroidissement thermoélectrique

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher

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 :

  • est le courant traversant le module Peltier
  • est la chaleur absorbée par le côté froid du Peltier
  • est la chaleur rejetée par le Peltier
  • est le coefficient d'effet Peltier du module
  • est le coefficient d'effet Seebeck du module
  • est la conductance thermique du module
  • est la résistance électrique du module
  • est la température du côté froid
  • est la température du côté chaud
  • = -

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 . Sur la face chaude, la chaleur injectée est .

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 . 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 , et diminuer d'autant la chaleur rejetée en face chaude.

Finalement on a une chaleur prélevée côté froid qui vaut . Cette expression est difficilement exploitable, d’autant plus que les coefficients , , 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 (on tient compte de l’effet Joule et de l’effet Seebeck).

La chaleur rejetée par le module est , soit (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 de construction (pas de serpentin, ailettes optionnelles suivant les applications),
  • l'absence d'utilisation de fluide frigorigène (certains dangereux pour l'environnement),
  • le peu d'entretien nécessaire (pas de pièces d'usure),
  • l'absence de pièce mobile : pas de bruit, de vibrations ou d'usure mécanique,[4]
  • la haute résistance des cellules aux contraintes mécaniques en compression[5] (permettant l'utilisation des éléments thermoélectriques comme support mécanique),
  • un excellent ratio puissance de refroidissement vs. encombrement : un élément industriel de 55×58 mm peut générer jusqu'à environ 300 W de flux thermique dans des conditions optimales[N 1], soit 9.3 W/cm²[6] (associé cependant à un cœfficient de performance de 0.5 à 0.75)[7]
  • supporte les chocs et les secousses, à la différence des circuits de fluides frigorigènes.

Il a en revanche comme principaux inconvénients :

  • un cœfficient de performance corrélé à la différence de température intérieur/extérieur, variant de 0.3 à 11 et généralement inférieur à 1 quand la différence de température excède 20 °C[8]
  • conséquemment à l'affirmation précédente, le refroidissement devient impossible pour des différences de température intérieur/extérieur excédant 70 à 85 °C suivant les éléments[9] et jusqu'à 123 °C pour des éléments à plusieurs étages[10]
  • un cœfficient de performance corrélé à l'intensité du courant électrique d'alimentation et généralement supérieur à 1 uniquement à basse intensité (1 à 30 % de l'intensité maximale d'entrée)[11],[12]
  • conséquemment aux affirmations qui précèdent, un coefficient de performance élevé (de 1 à 11) seulement pour de petites puissances de refroidissement (10 à 25 % de la puissance de refroidissement maximale)
  • la faible résistance des cellules aux contraintes mécaniques en cisaillement [13]

Le refroidissement par effet Peltier est donc efficace et économe pour des applications nécessitant une faible puissance de refroidissement (jusqu'à quelques dizaines de watts par élément) et fonctionnant à une température proche de l'ambiante (jusqu'à environ 20 °C d'écart).[14]

Lorsque l'efficacité énergétique n'est pas prioritaire, le refroidissement par effet Peltier reste pertinent pour des applications de petite taille nécessitant des puissances de refroidissement importantes (7.5 à 9.3 W/cm²) et/ou des refroidisseurs légers.

Le refroidissement par effet thermoélectrique est en outre la seule option pour le refroidissement en milieu inflammable, explosif ou à sécurité renforcée car la plupart des fluides caloporteurs industriels sont inflammables.

Applications[modifier | modifier le code]

Les systèmes suivants utilisent un refroidissement thermoélectrique :

Notes[modifier | modifier le code]

  1. 125 à 250 W dans des conditions de fonctionnement plus réalistes

Sources[modifier | modifier le code]

  1. la chaleur allant naturellement du chaud vers le froid
  2. « Thermoelectric Technical Reference — Mathematical Modeling of TEC Modules », sur www.ferrotec.com
  3. « FAQ & Technical Information », sur www.tetech.com
  4. « Thermoelectric Technical Reference - Advantages of Thermoelectric Cooling », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  5. « Thermoelectric Technical Reference - Installation of Thermoelectric Modules », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  6. (en) « Thermoelectric Modules - High-Power Peltier Coolers », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  7. « Ferrotec Thermoelectric Modules - Peltier Cooler Model 9501/242/160 B », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  8. « Ferrotec Thermoelectric Modules - Peltier Cooler Model 72008/131/150B », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  9. « Thermoelectric Modules - General-Purpose Coolers », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  10. « Ferrotec Thermoelectric Modules - Peltier Cooler Model 2030/106/047MN », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  11. « Ferrotec Thermoelectric Modules - Peltier Cooler Model 72008/131/150B », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  12. (en) ,, « FAQ's & Technical Information - TE Technology », sur TE Tech Products,‎ (consulté le 20 mai 2016)
  13. « Thermoelectric Technical Reference - Installation of Thermoelectric Modules », sur thermal.ferrotec.com (consulté le 20 mai 2016)
  14. (en) ,, « FAQ's & Technical Information - TE Technology », sur TE Tech Products,‎ (consulté le 20 mai 2016)
  15. « Thermoelectric Technical Reference — Applications of Thermoelectric Coolers », sur www.ferrotec.com
  16. « LabTips: Peltier vs. Compressor: A Chilling Battle », sur www.americanlaboratory.com (consulté le 20 mai 2016)