Refroidissement thermoélectrique

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

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

Schéma d'une cellule à effet Peltier

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

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_ab est le coefficient d'effet Peltier du module
• S_m est le coefficient 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
• ΔT = 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 ou bien ). 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 celui-ci. La chaleur absorbée est donc à diminuer de . Il faut également tenir compte de la conduction thermique qui s’oppose à l’effet voulu^{[N 1]}; il faut donc enlever une chaleur de .

Finalement on a une chaleur absorbée qui est . 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 (on tient compte de l’effet Joule et de l’effet Seebeck).

La chaleur rejetée par le module est (Chaleur absorbée et chaleur produite par le module lui-même)^[1],[2].

Avantages et inconvénients

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 capable 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 0 °C, y compris lorsque la température ambiante est élevée.

Applications

Les systèmes suivants utilisent un refroidissement thermoélectrique :

• refroidissement des corps noirs,
• calorimètres,
• capteurs CCD,
• échangeurs de chaleur,
• déshumidificateurs,
• systèmes de guidage,
• refroidissement des diodes laser,
• refroidissement des microprocesseurs,
• réfrigération embarquée (avions, voitures, hôtel …^[3].

Notes

Sources

• Portail de la physique
• Portail du froid et de la climatisation