Functionality

Fonctionnement du Élément Peltier

L'effet Peltier est, outre l'effet Seebeck et l'effet Thompson, un des trois effet thermoélectrique. Si on grave (de la) tension sur un circuit que se compose de deux matériaux des niveaux différents de la série des potentiels électrochimiques (ou thermoélectrique), un point de jonction se rafraîchit tandis que l'autre point de jonction se réchauffe.

Donc, l'énergie thermique se transfère d'un point de jonction à l'autre. La quantité de la chaleur transportée dépende du nombre d'électrons que passent par le point de contact. Chaque électron peut absorber et émettre une distincte quantité de chaleur.

Des conducteurs parcourus par un courant ont une résistance idéale que génère l'effet Joule de/sur réchauffement. La chaleur se forme sur le côté chaud et le côté froid de la conducteur à parts égales. Cet effet d'échauffement propre est indésirable pour des applications de refroidissement. Pour cette raison des matériaux avec une haute conductibilité électrique, une faible conductibilité thermique et une différence de potentiel thermoélectrique élevée sont intéressant. Toutefois, la plupart des bons conducteurs électriques ont une également bien capabilité de transférer chaleur (et réciproquement). Les semi-conducteurs dopées constituent un bon compromis.

Une élément Peltier technique se compose des conducteurs N et des conducteurs P, quels sont électriquement connectés en série. Dans les semi-conducteurs N, se sont des électrons que transportent la chaleur. La semi-conducteur est montée entre deux plaques métalliques. La gestion d'énergie est représenté par les différences de niveau et les limites dans les bandes d'énergie. Pour atteindre le semi-conducteur, les électrons doivent vaincre la différence d'énergie entre la bande de conduction et le niveau de Fermi. La source de tension pousse les électrons vers un niveau potentiel électrique élevé. En le faisant, ils absorbent du chaleur provenant de la matrice métallique, donc de l'environnement. Le circuit électrique est fermé. Les électrons ont une forte énergie et transportent le chaleur à travers de la bande de conduction du semi-conducteur. Dans l'autre pièce de métal (plaque métallique) aucune interférence énergétique existe.

Les électrons peuvent de nouveau se rendre sur leur état énergétique plus favorable par l'émission de la chaleur absorbée. Le transport de chaleur s'opère vers la direction du courant.

Material A

Material B

Matériau A est un métal, Matériau B est un semi-conducteur dopé

Pour développer la conductibilité d'un semi-conducteur, suffisant d'électrons doivent être disponible dans la bande de valence. La source de tension pousse les trous dans un niveau d'énergie plus élevé (sur l'illustration ci-dessus le niveau d'énergie monte vers le direction de la bande de valence pour des trous positifs). Dans ce but, une différence d'énergie entre le niveau de Fermi et la bande de valence est nécessaire. Ceci est enchaîner avec l'absorption de chaleur. Les trous portant de la chaleur rencontrent le métal sur le côté droite où il y a aucune/il manque de la barrière/l'interférence énergétique existe. Les trous occupent leur état énergétique plus favorable et émettent de nouveau la chaleur absorbée.

En pratique, on utilise l'effet Peltier pour rafraîchir, mais aussi pour le chauffage des objectes. Pour la réalisation d'un dispositif de fixation mécanique et une isolation électrique, les plaquettes métalliques sont encastrés dans une plaque céramique en haut et en bas, que tiens une relativement bonne conductivité thermique. Maintenant, la chaleur est transportée vers la direction du courant dans des semi-conducteur de type P et contre la direction du courant dans des semi-conducteur de type N, si on applique la tension électrique. Si la conduction du courant est inversée, le côté chaud et le côté froid sont également inversés.

Contrairement aux thermostats ordinaires, il existe l'avantage des éléments Peltier de directement transposer l'énergie électrique en chaleur. Des éléments Peltier fonctionnent sans vibration, sont petits, peuvent atteindre des différences de température hautes (jusqu'à 70°C dans le côté froid), et ont des degrés d'efficacité relativement bons.

Sous réserve de modifications techniques et d'erreur.

Bon choix du élément Peltier

Code d'identification:

UEPT-140-127-085C200S

1: Type d'élément Peltier à un étage

40: Dimension 40x40 mm

127: Nombre de p/n-thermostats

085: Intensité du courant/Ampérage maximale 8,5 Ampère

C: Clé de fabrication

200: Température de fonctionnement maximale 200°C

S: Vitrification avec du silicone

Les données de base sont valable pour Tu = 300K (27°C):

Qc-max: la puissance de la pompe à chaleur maximale à ∆T = 0°C et Umax / Imax

∆Tmax: la différence de température maximale à Umax / Imax et Qc = 0 Watt

Le diagramme de puissance du modèle UEPT-140-127-085C200S comme exemple

Comme indiqué sur le diagramme, la performance de refroidissement Qc décline avec une différence de température (∆T) élevée. En outre, la relation entre Qc et le courant est presque linéaire dans la première moitié du diagramme, tandis que le surplus de la puissance de la pompe diminue exponentiellement dans la deuxième moitié. Mathématiquement, il s'agit d'un rapprochement exponentielle vers la valeur maximale.

La quantité de chaleur totale sur côté chaud du élément Peltier est la somme de la chaleur transportée et l'énergie de travail électrique: Qh = Qc + Qel.

Lors de la sélection correcte du élément Peltier, il faut considérer la capabilité du corps de refroidissement d'émettre de la chaleur à l'environnement. Avec la résistance thermique du corps de refroidissement un ∆T peut être calculé, que représente le ∆T total entre les deux côtés du élément Peltier dans le calcul.

Donc, un courant de fonctionnement ajusté sur une valeur trop élevée peut facilement conduire à un surmenage du corps de refroidissement. Le domaine pour réaliser une opération effective du élément Peltier se trouve dans la première côté du courant maximal.

En résumé, il faut reconnaître que un grand ∆T dans des éléments Peltier peut être obtenu par l'utilisation des courants petits et des alimentations faibles. D'autre part, un grand courant dans la pompe de chaleur peut y arriver en réalisant des courants hauts et des alimentations grandes. C'est idéale pour toutes sortes d'applications où des grandes quantités de chaleur doivent être évacuées rapidement, par exemple en pulsant des diodes laser.


Sous réserve de modifications techniques et d'erreur.

Le diagramme de puissance des éléments Peltier

Dans les diagrammes suivants on peut déduire la puissance de refroidissement des éléments Peltier dans des variantes de différences de température (∆T).

Dans le diagramme puissance frigorifique vs. courant on peut constater que la valeur de courant décline lorsque le ∆T augmente. À l'aide de cette valeur de courant, la Qc correspondante dérive du diagramme de la puissance frigorifique. La valeur maximale de la puissance frigorifique sont aussi mentionnés dans les tableaux des éléments Peltier.
Le graphique tension vs. courant montre un rapport linéaire entre ces deux valeurs. Les valeurs maximales respectives peuvent être utilisés à partir du tableau des éléments Peltier. En règle générale, le fonctionnement des éléments Peltier est adapté à 50-75% de Umax et Imax, respectivement.

Sous réserve de modifications techniques et d'erreur.