Refroidissement thermoélectrique

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.

Sommaire

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
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

Dans cette section, il est utilisé les notations suivantes :

  • I est le courant traversant le module Peltier
  • Qf est la chaleur absorbée par le côté froid du Peltier
  • Qc est la chaleur rejetée par le Peltier
  • Πab est le coefficient d'effet Peltier du module
  • Sm est le coefficient d'effet Seebeck du module
  • Km est la résistance thermique du module
  • Rm est la résistance électrique du module
  • Tf est la température du côté froid
  • Tc est la température du côté chaud
  • ΔT = Tc - Tf

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 celui-ci. La chaleur absorbée est donc à diminuer de \frac{1}{2} \times R_m \times I^2. 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 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 I^2 - K_m \times \Delta T. Cette expression est difficilement exploitable, d’autant plus que les coefficients Sm, Km, Rm 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=Q_f + V \times I (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 °C, y compris lorsque la température ambiante est élevée.

Applications

Les systèmes suivants utilisent un refroidissement thermoélectrique :

Notes

  1. la chaleur allant naturellement du chaud vers le froid

Sources


Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Refroidissement thermoélectrique de Wikipédia en français (auteurs)

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