Conseils
Que sont les éléments Peltier ?
Les éléments ou modules Peltier sont des composants électriques permettant de transporter la chaleur d'un côté à l'autre sans pièce mobile mécaniquement. Ils ont prouvé leur efficacité et se sont vite imposés dans de nombreux domaines en tant que refroidisseur ou pour stabiliser la température. A l'étranger, les éléments Peltier sont également appelés également appelés modules thermoélectriques ou TEC.
Comment fonctionnent les éléments Peltier ?
Le scientifique français Jean Peltier a publié en 1834 un article sur ses expériences électriques avec des points de contact de différents métaux. Lorsqu'il a relié les deux extrémités d'un fil de bismuth à des fils de cuivre et les a raccordé à une batterie pour faire passer un courant électrique, il a constaté que l'un des points de contact s'échauffait tandis que l'autre refroidissait. Lors de l'inversion du courant électrique, l'effet d'échauffement et de refroidissement des deux contacts s'inverse également. La cause de cet effet n'était pas encore connue. Ce n'est qu'après la découverte des lois de la thermoélectricité que ce phénomène a pu être expliqué. Il s'agit de processus de compensation d'énergie des porteurs de charge libres (électrons, trous) aux points de contact, lesquels se trouvent à différents niveaux d'énergie en fonction du matériau. Pour passer à un niveau d'énergie plus élevé, le porteur de charge prélève, dans son environnement immédiat, de l'énergie sous forme de chaleur. En cas de chute à un niveau inférieur, le porteur de charge évacue l'énergie sous forme de chaleur. Il en résulte une différence de température en fonction du courant.
Toutefois, 15 ans auparavant, le physicien prussien Johann Seebeck avait déjà découvert, avec un dispositif d'essai similaire, qu'une tension électrique entre les deux fils de cuivre si un l'un des deux points de contact était chauffé. Ainsi, l'effet Peltier tout comme l'effet Seebeck, utilisés chez les éléments thermoélectriques, sont connus depuis très longtemps mais n'ont trouvé de réelles applications pratiques qu'avec le développement de nouvelles technologies. Puisque les éléments Peltier et les éléments thermoélectriques, il est également possible de produire une tension électrique avec un élément Peltier, où un côté de contact s'échauffe et l'autre refroidit.
Schéma de principe d'éléments Peltier modernes. Les porteurs de charge sont amenés sur les points de contact à un niveau d'énergie supérieur (en bas) ou inférieur (en haut) et ainsi absorbent de la chaleur en bas et la rejettent en haut.
- Côté froid
- Plaque de céramique
- Semi-conducteur N
- Semi-conducteur P
- Côté chaud
- Ponts en cuivre
Section d'un élément Peltier moderne.
Les éléments Peltier modernes (images 1 et 2) se composent de contacts entre le cuivre et l'alliage semiconducteur, à savoir le tellurure de bismuth (Bi2Te3) ou le silicium-germanium (SiGe). Ce matériau a la forme de petits dés qui sont raccordés entre eux par des ponts de cuivre. L'ensemble est fixé sur un support céramique à base d'alumine. La face supérieure est recouverte d'une plaque de céramique. Le dopage N ou P permet de réaliser un circuit série d'un grand nombre de ces éléments de sorte que de nombreux points de contact se trouvent sur les deux faces du dispositif, lesquels refroidissent ou bien s'échauffent lors du passage du courant. Sur les côtés extérieurs, les fils sont sortis pour le raccordement électrique. Les dés dopés N et P sont raccordés en alternance avec des ponts en cuivre.
- Côté froid
- Plaque de céramique
- Semi-conducteur N
- Semi-conducteur P
- Côté chaud
- Ponts en cuivre
Les éléments Peltier ne possèdent aucune pièce mobile mécaniquement et peuvent refroidir ou chauffer sur un petit espace. La chaleur transportée et ainsi la puissance frigorifique peut être dosée précisément en fonction du courant. L'inconvénient reste le faible rendement par comparaison au système de reefroidissement classique, qui exige beaucoup moins d'espace et fonctionne avec des compresseurs et avec un fluide réfrigérant. Les éléments Peltier se limitent donc aux applications à faible performance de transport thermique en Watt.
Cet élément Peltier de TRU Components a une puissance frigorifique de 106 W bien que ne mesurant que 2,8 mm.
Les éléments Peltier standard se présentent habituellement avec une structure de type sandwich de forme carrée (voir image 3) et sont disponibles en différentes dimensions de quelques centimètres en longueur. La tension de service dépend du nombre de dés et atteint au maximum quelques dizaines de volts.
La puissance frigorifique pouvant être générée par les éléments Peltier est comprise entre quelques Watts jusqu'à 100 W.
La différence de température maximale qu'il est possible d'atteindre entre le côté chaud et le côté froid de l'élément Peltier s'élève environ à 70 K.
Les éléments Peltier se trouvent aujourd'hui dans des biens de consommationtels que les glacières thermoélectriques, les mini-réfrigérateurs ou les déshumidificateurs d'air. Dans les secteurs plus techniques, on emploie des éléments Peltier p. ex. pour refroidir des lasers ou les capteurs optiques afin de réduire le bruit numérique. Par ailleurs, en intégrant le système de refroidissement des puces d'ordinateur, c'est-à-dire du processeur, les éléments Peltier ont fait leurs preuves en termes de compacité.
La fréquence d'oscillation des générateurs à quartz en fonction de la température reste constante à l'aide d'éléments Peltier quelle que soit la température ambiante car ils peuvent soit chauffer, soit refroidir selon le sens du courant. En laboratoire, les éléments Peltier permettent de régler précisément et de façon reproductible les températures p. ex. de liquides. En technique d'analyse, les éléments Peltier permettent un parfait tempérage des échantillons.
Pour la commande optimale des éléments Peltier, il existe une catégorie spéciale de contrôleurs. L'unité d'affichage correspondante indique entre autres la température réelle et la température de consigne ainsi que le mode de fonctionnement (chauffage/refroidissement). Avec ces accessoires, les équipements de laboratoire et de mesure permettent ainsi un réglage et une régulation précis de la température.
Les éléments Peltier doivent être conçus de façon à pouvoir absorber de la chaleur d'un côté et la rejeter de l'autre côté. lorsque de la chaleur s'accumule sur un des deux côtés, cela dégrade le rendement du processus réfrigérant. Il est nécessaire de le monter sur toute sa surface avec une faible résistance de contact thermique.
Une pâte thermoconductrice devrait donc être appliquée sur les surfaces de contact avant le montage. Côté chaud, l'évacuation de la chaleur doit s'effectuer sans obstacle et devrait être assisté, pour une performance plus importante, d'un dissipateur thermique de grande atille et si nécessaire d'un ventilateur.
- Les valeurs-limites électriques Imax et Umax indiquées dans les fiches techniques ne doivent pas être dépassées.
- Les éléments Peltier, qui sont fortement sollicités dans certaines applications, doivent présenter une forte résistance aux cycles thermiques.
- Les éléments Peltier commercialisés habituellement sont conformes RoHS.