Principe du refroidissement thermoélectrique

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LE REFROIDISSEMENT THERMOÉLECTRIQUE EST UNE TECHNIQUE DE REFROIDISSEMENT UTILISANT L’ÉLECTRICITÉ

On utilise à cet effet des composants nommés « modules Peltier » qui transforment un courant électrique en une différence de température. Principe

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 du module PELTIER

construction module Peltier — *Schéma représentant la construction d’un module 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.

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
Sur la face chaude, la chaleur injectée
Il faut ensuite considérer la chaleur due à l’effet Joule qui va s’appliquer sur les 2 faces du modules. Elle va augmenter avec l’alimentation de celui-ci. La chaleur côté froid doit donc diminuer, tandis que la chaleur du côté chaud augmente de la même valeur.
Enfin, il faut également tenir compte de la conduction thermique qui s’oppose à l’effet voulu ; il faut donc diminuer la chaleur prélevée en face froide, et diminuer d’autant la chaleur rejetée en face chaude.

Avantages et inconvénients du refroidissement par thermo-éléctricité :

Avantages :

Par rapport à un système de refroidissement par compresseur (tel qu’utilisé notamment dans les réfrigérateurs), le refroidissement thermoélectrique par effet Peltier possède ne nombreux principaux avantages que nous vous présentons ici :

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) et donc un bon rapport qualité prix,
l’absence de pièce mobile : pas de bruit, de vibrations ou d’usure mécanique,
la haute résistance des cellules aux contraintes mécaniques en compression (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, soit 9.3 W/cm² (associé cependant à un coefficient de performance de 0.5 à 0.75)
supporte les chocs et les secousses, à la différence des circuits de fluides frigorigènes.

Inconvénients :

Il a en revanche comme principaux inconvénients :

un cœfficient de performance, corrélé à la différence de température intérieure/extérieure, variant de 0.3 à 11 et généralement inférieur à 1 quand la différence de température excède 20 °C.,
ainsi, le refroidissement devient impossible pour des différences de température intérieur/extérieur excédant 70 à 85 °C suivant les éléments et jusqu’à 123°C pour des éléments à plusieurs étages (cascade).
un coefficient 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),
Donc 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.

Le refroidissement par effet Peltier est donc efficace et économique 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’ambiant (jusqu’à environ 20 °C d’écart).

Lorsque l’efficacité énergétique n’est pas prioritaire, le principe du refroidissement thermoélectrique reste pertinent. C’est le cas pour des applications de petites tailles nécessitant des puissances de refroidissement importantes (7.5 à 9.3 W/cm²) ou bien des refroidisseurs légers.

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