Éléments Peltier. Fonctionnement et application. L'effet inverse. Qu'est-ce qu'un élément Peltier, sa structure, son principe de fonctionnement et son application pratique Chaleur Joule-Lenz et chaleur Peltier

27.08.2023

Voyez ce qu'est « l'EFFET PELTIER » dans d'autres dictionnaires :

Libération ou absorption de chaleur lorsque le courant passe à travers un contact (jonction) de deux conducteurs différents. La quantité de chaleur est proportionnelle à la force du courant. Utilisé dans les unités de réfrigération. Ouvert en 1834 par J. Peltier. * * * EFFET PELTIER EFFET PELTIER... Dictionnaire encyclopédique

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Le module Peltier peut être utilisé selon 4 schémas différents : comme élément chauffant (dans les incubateurs...), comme élément réfrigérant (dans les réfrigérateurs...), pour produire de l'électricité (générateur...), et également en utilisant le module Peltier. élément, vous pouvez générer de l’eau. C’est de cela que parlera mon article.

Élément Peltier est un convertisseur thermoélectrique dont le principe de fonctionnement est basé sur l'effet Peltier - l'apparition d'une différence de température lorsqu'un courant électrique circule. Dans la littérature anglophone, les éléments Peltier sont désignés TEC (de l'anglais Thermoelectric Cooler - thermoélectrique refroidisseur).

L’effet inverse de l’effet Peltier est appelé effet Seebeck.

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des éléments Peltier repose sur le contact de deux matériaux conducteurs ayant des niveaux d’énergie électronique différents dans la bande de conduction. Lorsque le courant circule au contact de tels matériaux, l’électron doit acquérir de l’énergie afin de se déplacer vers une bande de conduction d’énergie plus élevée d’un autre semi-conducteur. Lorsque cette énergie est absorbée, le point de contact entre les semi-conducteurs se refroidit. Lorsque le courant circule dans le sens opposé, le point de contact entre les semi-conducteurs s'échauffe, en plus de l'effet thermique habituel.

Lorsque les métaux entrent en contact, l'effet Peltier est si faible qu'il est imperceptible dans le contexte des phénomènes d'échauffement ohmique et de conductivité thermique. Par conséquent, dans les applications pratiques, le contact entre deux semi-conducteurs est utilisé.

Un élément Peltier se compose d'une ou plusieurs paires de petits parallélépipèdes semi-conducteurs - un de type N et un de type P par paire (généralement du tellurure de bismuth, du Bi2Te3 et du germanure de silicium), qui sont connectés par paires à l'aide de ponts métalliques. Les cavaliers métalliques servent simultanément de contacts thermiques et sont isolés avec un film non conducteur ou une plaque en céramique. Les paires de parallélépipèdes sont connectées de telle manière qu'une connexion en série de plusieurs paires de semi-conducteurs avec différents types de conductivité est formée, de sorte qu'en haut il y ait une séquence de connexions (n->p) et en bas en face ( p->n). Le courant électrique circule séquentiellement dans tous les parallélépipèdes. Selon le sens du courant, les contacts supérieurs sont refroidis et les contacts inférieurs sont chauffés - ou vice versa. Ainsi, le courant électrique transfère la chaleur d’un côté de l’élément Peltier vers l’autre et crée une différence de température.

Si vous refroidissez le côté chauffant de l'élément Peltier, par exemple à l'aide d'un radiateur et d'un ventilateur, la température du côté froid devient encore plus basse. Dans les éléments à un étage, selon le type d'élément et la valeur actuelle, la différence de température peut atteindre environ 70 °C.

Avantages et inconvénients

L'avantage de l'élément Peltier est sa petite taille, l'absence de toutes pièces mobiles, ainsi que de gaz et de liquides. En inversant le sens du courant, le refroidissement et le chauffage sont possibles - cela permet de thermostater à des températures ambiantes supérieures et inférieures à la température du thermostat. Un autre avantage est l'absence de pièces mécaniques et l'absence de bruit.

L'inconvénient de l'élément Peltier est son rendement inférieur à celui des groupes frigorifiques à compresseur utilisant du fréon, ce qui entraîne une consommation d'énergie élevée pour obtenir une différence de température notable. Malgré cela, des développements sont en cours pour augmenter l'efficacité thermique, et les éléments Peltier ont trouvé de nombreuses applications technologiques, car des températures inférieures à 0 °C peuvent être atteintes sans aucun dispositif supplémentaire.

Le principal problème dans la construction d’éléments Peltier à haut rendement est que les électrons libres présents dans une substance sont simultanément porteurs de courant électrique et de chaleur. Le matériau de l'élément Peltier doit avoir simultanément deux propriétés mutuellement exclusives : il conduit bien le courant électrique, mais conduit mal la chaleur.

Dans les batteries à cellules Peltier, il est possible d'atteindre théoriquement une très grande différence de température, supérieure à 70 degrés Celsius, il est donc préférable d'utiliser une méthode de contrôle de température pulsée, grâce à laquelle la consommation d'énergie peut également être réduite. Dans ce cas, il est souhaitable de lisser les ondulations de courant afin de prolonger la durée de vie de l'élément Peltier.

Application du module thermoélectrique: dans les refroidisseurs d'eau, les systèmes de refroidissement pour ordinateurs ou microcircuits de divers appareils de petite taille, dans les générateurs thermiques électriques, le refroidissement des cartes vidéo, les ponts nord ou sud, les réfrigérateurs de voiture, les refroidisseurs d'air, Arduino, pour le refroidissement des matrices CCD et des photodétecteurs infrarouges, dans générateurs thermiques électriques, thermostats, instruments de laboratoire scientifique, calibrateurs thermiques, stabilisateurs thermiques. En général, là où il est nécessaire d'atteindre des différences de température supérieures à 60 degrés.

Dimensions de la plaque Peltier et caractéristiques de consommation

Dimensions des plaques Peltier et caractéristiques de consommation (consommation électrique, tension, courant, différence de température maximale). Les marquages de ces générateurs thermoélectriques peuvent être différents selon les sites, tout dépend du fabricant (par exemple : TEG1-241-1.4-1.2 ; CP1.4-127-06L domestique ; TB-127-1.4-1.5 Frost-72 ; SP1848-27145 ; thermogénérateur Seebeck TEP1-142T300). Les caractéristiques, quant à elles, ne différeront pas beaucoup, mais certains indicateurs ne diffèrent pas de manière significative.

Qmax	Umax	Imax	dTmax	Dimensions, (mm)
(W)	(DANS)	(UN)	(grêle)	UN	B	H
36,0	16,1	3,6	71	30,0	30,0	3,6
36,0	16,1	3,6	71	40,0	40,0	3,6
62,0	16,3	6,2	72	40,0	40,0	3,9
65,0	16,7	6,3	74	40,0	40,0	3,9
80,0	16,1	8,0	71	40,0	40,0	3,4
80,0	16,1	8,0	71	48,0	48,0	3,4
94,0	24,9	6,1	70	40,0	40,0	3,9
115,0	24,6	7,6	69	40,0	40,0	3,6
120,0	24,6	7,9	69	40,0	40,0	3,4
131,0	24,6	8,6	69	40,0	40,0	3,3
172,0	24,6	11,3	69	40,0	40,0	3,2
156,0	15,7	16,1	70	48,0	48,0	3,4
223,0	15,5	23,4	68	55,0	59,0	3,3
310,0	24,6	20,6	69	62,0	62,0	3,2

Réfrigérateur USB DIY (module Peltier)

Pour construire notre mini-réfrigérateur, nous devons trouver ou acheter un élément Peltier (vous pouvez lire ce que c'est et comment il fonctionne ci-dessous) et deux radiateurs.

Cet élément très Peltier, je l'ai arraché d'un ordinateur cassé, il se tenait là entre le processeur et le refroidisseur. J'en ai nettoyé l'ancienne pâte thermique. En un mot, cet élément Peltier, lorsqu'on lui fournit du courant continu, commence à fonctionner comme suit : un côté commence à chauffer et l'autre commence à refroidir si vous changez la polarité de la source d'alimentation, les côtés ; de l’élément se comportera de manière inverse !

Ensuite, j'ai pris deux radiateurs massifs d'un amplificateur inutile. Ensuite, j'ai lubrifié l'élément avec une nouvelle pâte thermique, que j'ai achetée dans un magasin de radio, et j'ai serré l'élément Peltier entre les radiateurs. L’utilisation de pâte thermique dans ce cas est obligatoire !
J'ai connecté les fils à l'élément à partir d'un câble USB et je l'ai branché sur l'ordinateur - un radiateur a commencé à chauffer et le second a commencé à refroidir ! Donc tout est en ordre !

Le matériau que j’ai utilisé pour coller le réfrigérateur est similaire à de la mousse compressée ou du plastique poreux. En général, le matériau peut être n'importe quoi, sa principale qualité est l'isolation thermique.
Le verre est organique et semble assez fragile, mais en fait le matériau est durable.
Colle - superglue.

Ensuite, pour plus de commodité, j'ai réalisé un fermoir magnétique.
Tout s'est bien passé : une bouteille d'eau minérale pouvait facilement y entrer.

Générateur - produire de l'électricité à l'aide d'un élément Peltier

Avantages de ce générateur :

— Le carburant est tout ce qui brûle ou chauffe.
— Sortie USB 5 Volts, 500mA.
— Ne dépend pas du soleil, du vent, etc.
- Conception simple et solide qui peut durer éternellement.
— Vous pouvez y cuisiner des aliments pendant que votre téléphone est en charge.
- Polyvalence.
— N'importe qui peut l'assembler chez lui en 1 soirée (même un employé d'AvtoVAZ =)).
- Conception bon marché.

Je ne l’ai pas inventé, il existe des copies commerciales bien meilleures que les miennes. Par exemple, BioLite CampStove, son prix est de 7 900 roubles. Ma copie a été réalisée à la hâte pour écrire cet article et d'autres expériences.

La base est l'élément Peltier. Il s'agit d'un module thermoélectrique utilisé dans les refroidisseurs d'eau et les réfrigérateurs portables, et il est également utilisé pour refroidir le processeur. Lorsqu'une tension lui est appliquée, un côté refroidit et l'autre se réchauffe. Au contraire, on chauffera un côté pour produire de l’électricité.

Le principe principal est qu'un côté chauffe et l'autre reste inchangé. Pour une efficacité maximale, vous avez besoin d'une différence de température de 100 degrés Celsius.

Commençons!

Nous aurons besoin:
— Élément Peltier, j'ai utilisé TEC1-12710
- Alimentation inutile de l'ordinateur
N'importe qui, même celui qui a brûlé, et tout a brûlé sauf le corps
- Régulateur de tension
Module Boost DC-DC, tension d'entrée 1-5 Volts, sortie toujours 5 V.
— Radiateur (le plus gros sera le mieux), de préférence avec un refroidisseur 5V, car Le radiateur va progressivement chauffer. En hiver, ce n'est pas un problème, puisque vous pouvez mettre le radiateur sur la glace.
- Pâte thermique
- Un ensemble d'outils

Module TEC1-12710, évalué à 10 A (moins ou plus). Mais les plus puissants seront plus gros. Plus le courant est élevé, plus il est efficace et coûteux. Je l'ai acheté sur Aliexpress pour environ 250 roubles. Dans nos magasins d'électronique, cela coûte environ 1 500 roubles.

Le module est conçu pour une tension maximale de 12 V, mais il ne produit pas beaucoup en raison de son faible rendement lorsque nous l'utilisons dans le sens opposé, c'est-à-dire pour recevoir du courant.

Pour qu'il y ait un 5 volts stable et que les appareils puissent être chargés en toute sécurité, vous avez besoin d'un stabilisateur élévateur. Il commence à produire 5 Volts alors qu'il n'y a encore que 1 Volt sur l'élément Peltier. Vous pouvez savoir que tout est prêt pour la charge grâce à la LED allumée sur le module.

Vous pouvez assembler le vôtre, mais j'ai décidé de faire confiance aux Chinois, ils proposent un module prêt à l'emploi avec une sortie USB pour 80 roubles. sur le même site.

Vidons notre alimentation électrique. J'ai dû faire des trous supplémentaires pour une meilleure circulation de l'air (l'alimentation électrique était très ancienne).

Le principe de base est que l’air est aspiré par le bas et ressort par le haut. En termes simples, vous devez fabriquer un poêle ordinaire. N'oubliez pas de prévoir un trou pour jeter les copeaux de bois et un support pour une casserole ou une tasse pour faire bouillir l'eau, si vous en avez besoin.

Ensuite, vous devez fixer le module Peltier avec un radiateur sur un mur plat, après avoir d'abord appliqué uniformément de la pâte thermique. Plus le contact est étroit, mieux c'est. Le côté où est écrit le modèle est froid, c'est sur ce côté qu'on applique le radiateur. Si vous les mélangez, le module ne produira pas de tension ; dans ce cas, il vous suffit d'échanger les fils.

Nous soudons le convertisseur boost et trouvons où le cacher. Vous pouvez généralement le laisser accroché aux fils, mais vous devez absolument l'isoler, par exemple en y mettant du thermorétractable.

Mettons tout ensemble. Voici ce que vous devriez obtenir :

Comment ça fonctionne?

On jette des branches, des copeaux de bois, en général, tout ce qui brûle à l'intérieur. Ensuite, nous l'allumons. Le feu chauffe les parois du poêle et l'élément Peltier qui se trouve sur l'une de ces parois. L'autre face de la résistance, qui se trouve sur le radiateur, reste à température extérieure. Plus la différence de température est grande, plus la puissance est grande, mais n'en faites pas trop.

L'efficacité maximale est déjà atteinte avec une différence de 100 degrés. Au fil du temps, le radiateur commence à chauffer et devra être refroidi. Vous pouvez jeter de la neige, verser de l'eau dessus, placer le radiateur sur de la glace ou dans l'eau, ou y placer une tasse d'eau froide. Il existe de nombreuses options, la plus simple est un refroidisseur, cela enlèvera une partie de la puissance, mais en raison du refroidissement, le résultat global ne changera pas.

N'exposez PAS l'élément à des températures élevées, il pourrait brûler et griller. La documentation indique une température maximale de 180 °C, mais il n'y a pas lieu de trop s'inquiéter, avec un bon refroidissement et avec du simple bois de chauffage, rien ne lui arrivera.

Si vous n'êtes pas paresseux et que vous faites tout correctement, vous obtiendrez une déchiqueteuse à bois si simple sur laquelle vous pourrez chauffer des aliments, faire bouillir, arroser et charger vos gadgets en même temps.

Il peut être utilisé à la maison en cas de panne de courant en plaçant une bougie à l'intérieur. À propos, si vous y connectez des LED, la lumière sera beaucoup plus brillante que celle de la bougie elle-même.

Partout où vous trouverez quelque chose en feu, vous aurez de l’électricité, du chauffage et la possibilité de cuire facilement des aliments, en utilisant moins de combustible qu’un feu.

Premiers essais !

Après le travail, je suis allé dans la forêt, le soleil était presque couché, les broussailles étaient mouillées, mais le poêle payait à 100 %.

Le résultat a dépassé toutes mes attentes. Immédiatement après que les copeaux de bois ont brûlé, le voyant s'est allumé, j'ai connecté le téléphone et il a commencé à se charger. La charge était stable.

Le convertisseur n'a pas du tout tendu. J'ai également emporté avec moi un coussin de refroidissement pour l'ordinateur portable, il a 2 refroidisseurs et des LED, il devrait consommer une quantité décente. Je l'ai connecté, tout tourne, brille et la brise souffle. J'ai aussi pris un ventilateur USB et je l'ai branché à la fin, alors qu'il ne restait plus que des charbons. Tout tourne à merveille, je ne sais même pas quoi essayer d’autre.

Résultat:

Tout fonctionne très bien, donne son genre Ampère. Pourtant, vous avez besoin d'une glacière, parce que... en une demi-heure, le radiateur a chauffé jusqu'à environ 40 degrés, en été ce sera encore plus. Laissez-vous tourner.

Les flammes jaillissent très haut, personnellement je n’ai pas besoin d’un tel feu, je vais boucher certains trous pour que ça brûle plus lentement.

Je ferai tout nouveau, je prendrai comme base une déchiqueteuse à bois standard fabriquée à partir de boîtes de conserve, mais je la fabriquerai à partir d'un métal plus épais et de forme rectangulaire. J'achèterai un bon radiateur avec un refroidisseur de forme appropriée et j'essaierai d'en faire une version pliable pour qu'il prenne moins de place lors du transport.

Produire de l'eau potable grâce à un module Peltier

Découvert en 1834 par J. Peltier, qui découvrit que lorsqu'un courant traverse une jonction de deux conducteurs différents, la température de la jonction change. En 1838, E. H. Lenz montra qu'avec un courant suffisamment fort, il était possible soit de congeler, soit de faire bouillir une goutte d'eau appliquée sur une jonction en changeant le sens du courant.

L'essence de l'effet Peltier est que lorsqu'un courant électrique traverse le contact de deux métaux ou semi-conducteurs dans la zone de leur contact, en plus de la chaleur Joule habituelle, une quantité supplémentaire de chaleur est libérée ou absorbée, appelée Peltier. chaleur Qp. Contrairement à la chaleur Joule, qui est proportionnelle au carré du courant, l'amplitude Qp proportionnelle à la puissance première du courant.

Qp = P.I. t.

t- l'heure de passage actuelle,

je- la force actuelle.

P.- Coefficient Peltier, coefficient de proportionnalité qui dépend de la nature des matériaux formant le contact. Des concepts théoriques permettent d'exprimer le coefficient de Peltier à travers les caractéristiques microscopiques des électrons de conduction.

Coefficient Peltier P = T D un, Où T- la température absolue, et Δ α - différence des coefficients thermoélectriques des conducteurs. La direction du courant détermine si la chaleur Peltier est libérée ou absorbée.

La raison de cet effet est qu'en cas de contact entre des métaux ou des semi-conducteurs, une différence de potentiel de contact interne apparaît à la frontière. Cela conduit au fait que l'énergie potentielle des porteurs des deux côtés du contact devient différente, puisque l'énergie moyenne des porteurs de courant dépend de leur spectre énergétique, de leur concentration et des mécanismes de leur dissipation et est différente selon les conducteurs. Étant donné que l'énergie moyenne des électrons impliqués dans le transfert de courant diffère selon les conducteurs, lors des collisions avec les ions du réseau, les porteurs cèdent l'excès d'énergie cinétique au réseau et de la chaleur est libérée. Si, lors du passage d'un contact, l'énergie potentielle des porteurs diminue, alors leur énergie cinétique augmente et les électrons, entrant en collision avec les ions du réseau, augmentent leur énergie jusqu'à une valeur moyenne, tandis que la chaleur de Peltier est absorbée. Ainsi, lorsque des électrons traversent un contact, soit ils transfèrent l’excès d’énergie aux atomes, soit ils le reconstituent à leurs dépens.

Lors de la transition des électrons d'un semi-conducteur à un métal, l'énergie des électrons de conduction du semi-conducteur est nettement supérieure au niveau de Fermi (voir Énergie de Fermi) du métal, et les électrons cèdent leur excès d'énergie. L'effet Peltier est particulièrement fort dans les semi-conducteurs, qui sont utilisés pour créer des dispositifs à semi-conducteurs de refroidissement et de chauffage, y compris la création de microréfrigérateurs dans les unités de réfrigération.

Les équipements de réfrigération sont devenus si bien ancrés dans nos vies qu'il est même difficile d'imaginer comment nous pourrions vivre sans eux. Mais les modèles de réfrigérants classiques ne conviennent pas à une utilisation mobile, par exemple comme sac isotherme de voyage.

A cet effet, on utilise des installations dont le principe de fonctionnement est basé sur l'effet Peltier. Parlons brièvement de ce phénomène.

Ce que c'est?

Ce terme fait référence à un phénomène thermoélectrique découvert en 1834 par le naturaliste français Jean-Charles Peltier. L'essence de l'effet est la libération ou l'absorption de chaleur dans la zone où sont en contact des conducteurs différents à travers lesquels passe le courant électrique.

Conformément à la théorie classique, il existe l'explication suivante du phénomène : le courant électrique transfère des électrons entre les métaux, ce qui peut accélérer ou ralentir leur mouvement, en fonction de la différence de potentiel de contact entre les conducteurs constitués de matériaux différents. En conséquence, avec une augmentation de l'énergie cinétique, elle est convertie en énergie thermique.

Sur le deuxième conducteur, on observe un processus inverse, nécessitant un réapprovisionnement en énergie, conformément à la loi fondamentale de la physique. Cela se produit en raison des vibrations thermiques, qui provoquent le refroidissement du métal à partir duquel le deuxième conducteur est constitué.

Les technologies modernes permettent de produire des éléments-modules semi-conducteurs avec un effet thermoélectrique maximal. Il est logique de parler brièvement de leur conception.

Conception et principe de fonctionnement

Les modules modernes sont une structure composée de deux plaques isolantes (généralement en céramique), avec des thermocouples connectés en série situés entre elles. Un schéma simplifié d'un tel élément peut être trouvé dans la figure ci-dessous.

Désignations :

A – contacts pour la connexion à une source d'alimentation ;
B – surface chaude de l'élément ;
C – côté froid ;
D – conducteurs en cuivre ;
E – semi-conducteur basé sur une jonction p ;
F – semi-conducteur de type n.

La conception est réalisée de telle manière que chaque côté du module soit en contact avec des jonctions p-n ou n-p (selon la polarité). Les contacts p-n sont chauffés, les contacts n-p sont refroidis (voir Fig. 3). En conséquence, une différence de température (DT) se produit sur les côtés de l'élément. Pour un observateur, cet effet ressemblera à un transfert d’énergie thermique entre les côtés du module. Il est à noter qu'un changement de polarité de l'alimentation entraîne une modification des surfaces chaudes et froides.

Riz. 3. A – côté chaud du thermoélément, B – côté froid

Caractéristiques

Les caractéristiques des modules thermoélectriques sont décrites par les paramètres suivants :

capacité de refroidissement (Q max), cette caractéristique est déterminée en fonction du courant maximum admissible et de la différence de température entre les côtés du module, mesurée en Watts ;
différence de température maximale entre les côtés de l'élément (DT max), le paramètre est donné pour des conditions idéales, l'unité de mesure est le degré ;
courant admissible requis pour garantir une différence de température maximale – I max ;
la tension maximale U max nécessaire pour que le courant I max atteigne la différence crête DT max ;
résistance interne du module – Résistance, indiquée en Ohms ;
coefficient d'efficacité - COP (abréviation de l'anglais - coefficient de performance), il s'agit essentiellement de l'efficacité de l'appareil, indiquant le rapport entre le refroidissement et la consommation électrique. Pour les éléments peu coûteux, ce paramètre est compris entre 0,3 et 0,35, pour les modèles plus chers, il s'approche de 0,5.

Marquage

Regardons comment les marquages typiques des modules sont déchiffrés en utilisant l'exemple de la figure 4.

Figure 4. Module Peltier marqué TEC1-12706

Le marquage est divisé en trois groupes significatifs :

Désignation de l'élément. Les deux premières lettres restent toujours inchangées (TE), indiquant qu'il s'agit d'un thermoélément. Le suivant indique la taille, il peut y avoir les lettres « C » (standard) et « S » (petit). Le dernier chiffre indique le nombre de couches (cascades) présentes dans l'élément.
Le nombre de thermocouples dans le module montré sur la photo est de 127.
Le courant nominal est en ampères, pour nous il est de 6 A.

Les marquages des autres modèles de la série TEC1 se lisent de la même manière, par exemple : 12703, 12705, 12710, etc.

Application

Malgré leur rendement plutôt faible, les éléments thermoélectriques sont largement utilisés dans les appareils de mesure, d'informatique et d'électroménager. Les modules constituent un élément de commande important des appareils suivants :

unités de réfrigération mobiles;
petits générateurs pour produire de l'électricité;
systèmes de refroidissement pour ordinateurs personnels;
refroidisseurs pour le refroidissement et le chauffage de l'eau;
déshumidificateurs, etc.

Donnons des exemples détaillés d'utilisation de modules thermoélectriques.

Réfrigérateur utilisant des éléments Peltier

Les unités de réfrigération thermoélectriques ont des performances nettement inférieures à celles des analogues à compresseur et à absorption. Mais ils présentent des avantages non négligeables, ce qui rend leur utilisation conseillée sous certaines conditions. Ces avantages comprennent :

simplicité de conception;
résistance aux vibrations;
absence d'éléments mobiles (sauf le ventilateur soufflant le radiateur) ;
faible niveau sonore;
petites dimensions;
capacité à travailler dans n'importe quel poste;
longue durée de vie;
faible consommation d'énergie.

Ces caractéristiques sont idéales pour les installations mobiles.

Élément Peltier comme générateur d'électricité

Les modules thermoélectriques peuvent fonctionner comme générateurs d'électricité si l'un de leurs côtés est soumis à un chauffage forcé. Plus la différence de température entre les côtés est grande, plus le courant généré par la source est élevé. Malheureusement, la température maximale du générateur thermique est limitée ; elle ne peut pas être supérieure au point de fusion de la soudure utilisée dans le module. La violation de cette condition entraînera la défaillance de l'élément.

Pour la production en série de générateurs thermiques, des modules spéciaux avec soudure réfractaire sont utilisés ; ils peuvent être chauffés jusqu'à une température de 300°C. Dans les éléments ordinaires, par exemple TEC1 12715, la limite est de 150 degrés.

L'efficacité de ces dispositifs étant faible, ils ne sont utilisés que dans les cas où il n'est pas possible d'utiliser une source d'énergie électrique plus efficace. Cependant, les générateurs thermiques de 5 à 10 W sont très demandés par les touristes, les géologues et les habitants des zones reculées. De grandes et puissantes installations fixes alimentées par du combustible à haute température sont utilisées pour alimenter les unités de distribution de gaz, les équipements des stations météorologiques, etc.

Pour refroidir le processeur

Relativement récemment, ces modules ont commencé à être utilisés dans les systèmes de refroidissement du processeur des ordinateurs personnels. Compte tenu du faible rendement des thermoéléments, les avantages de telles structures sont plutôt douteux. Par exemple, pour refroidir une source de chaleur d'une puissance de 100 à 170 W (correspondant à la plupart des modèles de CPU modernes), vous devrez dépenser 400 à 680 W, ce qui nécessite l'installation d'une alimentation puissante.

Le deuxième écueil est qu'un processeur déchargé dégagera moins d'énergie thermique et que le module pourra le refroidir en dessous du point de rosée. En conséquence, de la condensation commencera à se former, ce qui garantira d'endommager l'électronique.

Ceux qui décident de créer eux-mêmes un tel système devront effectuer une série de calculs pour sélectionner la puissance du module pour un modèle de processeur spécifique.

Sur la base de ce qui précède, l'utilisation de ces modules comme système de refroidissement du processeur n'est pas rentable et peut entraîner une panne de l'équipement informatique.

La situation est complètement différente avec les appareils hybrides, dans lesquels des modules thermiques sont utilisés en conjonction avec un refroidissement par eau ou par air.

Les systèmes de refroidissement hybrides ont prouvé leur efficacité, mais leur coût élevé limite le cercle de leurs admirateurs.

Climatiseur basé sur des éléments Peltier

Théoriquement, un tel dispositif sera structurellement beaucoup plus simple que les systèmes de climatisation classiques, mais tout cela se résume à de faibles performances. C’est une chose de refroidir un petit volume d’un réfrigérateur, une autre chose de refroidir une pièce ou l’intérieur d’une voiture. Les climatiseurs utilisant des modules thermoélectriques consommeront plus d'électricité (3 à 4 fois) que les équipements fonctionnant au réfrigérant.

Quant à son utilisation comme système de climatisation automobile, la puissance d'un générateur standard ne suffira pas pour faire fonctionner un tel appareil. Le remplacer par des équipements plus performants entraînera une consommation de carburant importante, ce qui n’est pas rentable.

Dans les forums thématiques, des discussions sur ce sujet surviennent périodiquement et diverses conceptions faites maison sont envisagées, mais aucun prototype fonctionnel à part entière n'a encore été créé (sans compter le climatiseur pour un hamster). Il est fort possible que la situation change lorsque des modules offrant une efficacité plus acceptable seront largement disponibles.

Pour l'eau de refroidissement

L'élément thermoélectrique est souvent utilisé comme liquide de refroidissement pour les refroidisseurs d'eau. La conception comprend : un module de refroidissement, un contrôleur contrôlé par thermostat et un chauffage. Cette mise en œuvre est beaucoup plus simple et moins coûteuse qu’un circuit à compresseur ; de plus, elle est plus fiable et plus facile à exploiter ; Mais il y a aussi certains inconvénients :

l'eau ne refroidit pas en dessous de 10-12°C ;
le refroidissement prend plus de temps que son homologue à compresseur, par conséquent, un tel refroidisseur ne convient pas à un bureau avec un grand nombre d'employés ;
l'appareil est sensible à la température extérieure ; dans une pièce chaude, l'eau ne refroidira pas jusqu'à la température minimale ;
L'installation dans des pièces poussiéreuses n'est pas recommandée, car le ventilateur pourrait se boucher et le module de refroidissement pourrait tomber en panne.

Refroidisseur d'eau de table utilisant un élément Peltier

Sécheur d'air basé sur des éléments Peltier

Contrairement à un climatiseur, la mise en œuvre d’un déshumidificateur utilisant des éléments thermoélectriques est tout à fait envisageable. La conception est assez simple et peu coûteuse. Le module de refroidissement abaisse la température du radiateur en dessous du point de rosée, de sorte que l'humidité contenue dans l'air traversant l'appareil s'y dépose. L'eau décantée est évacuée dans un réservoir de stockage spécial.

Malgré le faible rendement, dans ce cas, l'efficacité de l'appareil est tout à fait satisfaisante.

Comment se connecter?

Il n'y aura aucun problème pour connecter le module ; une tension constante doit être appliquée aux fils de sortie ; sa valeur est indiquée dans la fiche technique de l'élément. Le fil rouge doit être connecté au positif, le fil noir au négatif. Attention! L'inversion de la polarité inverse les positions des surfaces refroidies et chauffées.

Comment vérifier la fonctionnalité de l'élément Peltier ?

La méthode la plus simple et la plus fiable est tactile. Il est nécessaire de connecter le module à la source de tension appropriée et de toucher ses différentes faces. Pour un élément travaillant, l’un d’eux sera plus chaud, l’autre plus froid.

Si vous ne disposez pas d’une source adaptée, vous aurez besoin d’un multimètre et d’un briquet. Le processus de vérification est assez simple :

connecter les sondes aux bornes du module ;
amenez le briquet allumé sur l'un des côtés ;
Nous observons les lectures de l'appareil.

Dans le module de travail, lorsqu'un des côtés est chauffé, un courant électrique est généré, qui sera affiché sur l'écran de l'appareil.

Comment fabriquer un élément Peltier de vos propres mains ?

Il est quasiment impossible de fabriquer un module fait maison à la maison, d'autant plus que cela ne sert à rien, compte tenu de leur coût relativement faible (environ 4 à 10 dollars). Mais vous pouvez assembler un appareil qui sera utile lors d'une randonnée, par exemple un générateur thermoélectrique.

Pour stabiliser la tension, il est nécessaire d'assembler un simple convertisseur sur la puce IC L6920.

L'entrée d'un tel convertisseur est alimentée par une tension comprise entre 0,8 et 5,5 V et, à la sortie, il produira un 5 V stable, ce qui est largement suffisant pour recharger la plupart des appareils mobiles. Si un élément Peltier conventionnel est utilisé, il est nécessaire de limiter la plage de température de fonctionnement du côté chauffé à 150 °C. Pour éviter les tracas du suivi, il est préférable d’utiliser une casserole d’eau bouillante comme source de chaleur. Dans ce cas, l’élément est garanti ne pas chauffer au-dessus de 100 °C.

Libération ou absorption (selon la direction du courant) de chaleur au contact de deux semi-conducteurs différents ou d'un métal et d'un semi-conducteur

Animation

Description

L'effet Peltier est un phénomène thermoélectrique, à l'opposé de l'effet Seebeck : lorsqu'un courant électrique I passe à travers un contact (jonction) de deux substances différentes (conductrices ou semi-conductrices) au niveau du contact, en plus de la chaleur Joule, une chaleur Peltier supplémentaire Q P est libéré dans un sens du courant et absorbé dans le sens opposé.

La quantité de chaleur générée Q P et son signe dépendent du type de substances en contact, de l'intensité du courant et du temps qu'il passe :

dQ P = p 12 H I H dt.

Ici p 12 = p 1 -p 2 est le coefficient Peltier pour un contact donné, associé aux coefficients Peltier absolus p 1 et p 2 des matériaux en contact. Dans ce cas, on suppose que le courant circule du premier échantillon vers le second. Lorsque la chaleur Peltier est libérée, nous avons : Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 . Lorsque la chaleur Peltier est absorbée, elle est considérée comme négative et, par conséquent : Q P<0,p 12 <0, p 1

Au lieu de la chaleur Peltier, une quantité physique est souvent utilisée, définie comme l'énergie thermique libérée chaque seconde au contact d'une unité de surface. Cette grandeur, appelée puissance calorifique, est déterminée par la formule :

q P = p 12 H j,

où j=I/S - densité de courant ;

S - zone de contact ;

la dimension de cette grandeur est SI = W/m2.

Des lois de la thermodynamique, il résulte que le coefficient de Peltier et le coefficient de thermopuissance a sont liés par la relation :

p = aЧ T,

où T est la température absolue de contact.

Le coefficient Peltier, qui est une caractéristique technique importante des matériaux, n'est en général pas mesuré, mais est calculé à l'aide du coefficient de puissance thermique, dont la mesure est plus simple.

En figue. 1 et fig. La figure 2 montre un circuit fermé composé de deux semi-conducteurs différents PP1 et PP2 avec des contacts A et B.

Libération de chaleur Peltier (broche A)

Riz. 1

Absorption de chaleur Peltier (broche A)

Riz. 2

Un tel circuit est généralement appelé thermoélément et ses branches sont appelées thermoélectrodes. Un courant I créé par une source externe e circule dans le circuit. Riz. 1 illustre la situation où au contact A (le courant circule de PP1 à PP2) la chaleur Peltier est libérée Q P (A)>0, et au contact B (le courant est dirigé de PP2 à PP1) son absorption est Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >LA TÉLÉ .

En figue. 2, changer le signe de la source change le sens du courant dans le sens inverse : de PP2 à PP1 sur le contact A et de PP1 à PP2 sur le contact B. En conséquence, le signe de la chaleur Peltier et la relation entre les températures de contact changent : Q P (A)<0, Q P (В)>0, TA<Т В .

La raison de l'apparition de l'effet Peltier au contact de semi-conducteurs avec le même type de porteurs de courant (deux semi-conducteurs de type N ou deux semi-conducteurs de type P) est la même que dans le cas du contact de deux conducteurs métalliques. Les porteurs de courant (électrons ou trous) des différents côtés de la jonction ont des énergies moyennes différentes, qui dépendent de nombreuses raisons : spectre énergétique, concentration, mécanisme de diffusion des porteurs de charge. Si des porteurs, après avoir traversé la jonction, pénètrent dans une zone avec une énergie plus faible, ils transfèrent l'excès d'énergie au réseau cristallin, ce qui entraîne la libération de chaleur Peltier à proximité du contact (Q P >0) et la température de contact augmente. Dans ce cas, à l'autre jonction, les porteurs, se déplaçant vers une région avec une énergie plus élevée, empruntent l'énergie manquante au réseau et la chaleur de Peltier est absorbée (Q P<0 ) и понижение температуры.

L'effet Peltier, comme tous les phénomènes thermoélectriques, est particulièrement prononcé dans les circuits composés de semi-conducteurs électroniques (type n) et à trous (type p). Dans ce cas, l’effet Peltier a une explication différente. Considérons la situation où le courant dans le contact passe d'un trou semi-conducteur à un électronique (р ® n). Dans ce cas, les électrons et les trous se rapprochent et, après s'être rencontrés, se recombinent. À la suite de la recombinaison, de l’énergie est libérée, qui est libérée sous forme de chaleur. Cette situation est illustrée sur la Fig. 3, qui montre les bandes d'énergie (e c - bande de conduction, e v - bande de valence) pour les semi-conducteurs d'impuretés avec trou et conductivité électronique.

Libération de chaleur Peltier au contact des semi-conducteurs de type p et n

Riz. 3

En figue. La figure 4 (e c - bande de conduction, e v - bande de valence) illustre l'absorption thermique de Peltier pour le cas où le courant passe de n à p - semi-conducteur (n ® p).

Absorption de chaleur Peltier au contact des semi-conducteurs de type p et n

Riz. 4

Ici, les électrons d’un semi-conducteur électronique et les trous d’un semi-conducteur à trous se déplacent dans des directions opposées, s’éloignant de l’interface. La perte de porteurs de courant dans la région limite est compensée par la production par paires d'électrons et de trous. La formation de telles paires nécessite de l’énergie, fournie par les vibrations thermiques des atomes du réseau. Les électrons et les trous résultants sont attirés dans des directions opposées par le champ électrique. Par conséquent, tant que le courant circule à travers le contact, de nouvelles paires naissent continuellement. En conséquence, la chaleur sera absorbée au contact.

Pour que l'effet Peltier soit perceptible sur fond d'échauffement général associé au dégagement de chaleur Joule-Lenz, la condition suivante doit être remplie : S Q P Si Q J . . En conséquence, on obtient les relations suivantes qui doivent être prises en compte lors de la réalisation d'expériences :

où R est la résistance de la section de la thermoélectrode de longueur l à laquelle la chaleur est libérée ;

r - résistivité électrique.

Le coefficient Peltier, qui détermine la quantité de chaleur Peltier libérée au contact, dépend de la nature des substances en contact et de la température de contact : p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , où a 1 et a 2 sont les coefficients de puissance thermique absolus des substances en contact. Si pour la plupart des paires de métaux le coefficient de puissance thermique est de l'ordre de 10-5 x 10-4 V/K, alors pour les semi-conducteurs il peut être beaucoup plus élevé (jusqu'à 1,5 x 10-3 V/K). Pour les semi-conducteurs avec différents types de conductivité, a a des signes différents, de sorte que Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Il convient de noter que le coefficient de puissance thermique dépend de manière complexe de la composition et de la température du semi-conducteur, tandis que, par rapport aux métaux, la dépendance en température de a pour les semi-conducteurs est beaucoup plus prononcée. Le signe de a est déterminé par le signe des porteurs de charge. Il n’existe pas de formules empiriques générales, encore moins théoriques, qui couvriraient les propriétés thermoélectriques des semi-conducteurs sur une large plage de températures. Typiquement, la force thermoélectromotrice a d'un semi-conducteur, à partir de la valeur a = 0 à T = 0, augmente d'abord proportionnellement à T, puis plus lentement, reste souvent constante dans une certaine plage de température, et dans la région des températures élevées ( plus de 500 Kyo 700 K) commence à diminuer selon la loi a~ 1/T.

Une autre particularité des semi-conducteurs est le rôle décisif des impuretés, dont l'introduction permet non seulement de changer plusieurs fois la valeur, mais aussi de changer le signe de a.

Dans les semi-conducteurs à conductivité mixte, les contributions à la puissance thermique des trous et des électrons sont opposées, ce qui conduit à de petites valeurs de a et p.

Dans le cas particulier où les concentrations (n) et mobilité (u) des électrons et des trous sont égales (ne = np et ue = up), les valeurs de a et p deviennent nulles :

a~ (ne ue - np up) / (ne ue + np up).

L'effet Peltier, comme d'autres phénomènes thermoélectriques, est de nature phénoménologique.

L'effet Peltier dans les semi-conducteurs est utilisé pour le refroidissement et le chauffage thermoélectriques, ce qui a des applications pratiques dans les appareils de contrôle de la température et de réfrigération.

Le phénomène Peltier a été découvert par J. Peltier en 1834.

Caractéristiques temporelles

Heure d'initiation (log de -3 à 2);

Durée de vie (log tc de 15 à 15) ;

Temps de dégradation (log td de -3 à 2) ;

Temps de développement optimal (log tk de -2 à 3).

Diagramme:

Implémentations techniques de l'effet

Implémentation technique de l'effet Peltier dans les semi-conducteurs

La principale unité technologique de tous les dispositifs de refroidissement thermoélectriques est une batterie thermoélectrique composée de thermoéléments connectés en série. Étant donné que les conducteurs métalliques ont de faibles propriétés thermoélectriques, les thermoéléments sont constitués de semi-conducteurs et l'une des branches du thermoélément doit être constituée d'un semi-conducteur purement troué (type P) et l'autre d'un semi-conducteur purement électronique (type N). Si vous choisissez une direction de courant (Fig. 5), dans laquelle la chaleur Peltier sera absorbée au niveau des contacts situés à l'intérieur du réfrigérateur et libérée dans l'espace environnant au niveau des contacts externes, alors la température à l'intérieur du réfrigérateur diminuera et l'espace l'extérieur du réfrigérateur chauffera (ce qui se produit dans n'importe quel modèle de réfrigérateur).

Schéma schématique d'un réfrigérateur thermoélectrique

Riz. 5

La principale caractéristique d’un dispositif de refroidissement thermoélectrique est son efficacité de refroidissement :

Z= une 2 /(rl) ,

où a est le coefficient de puissance thermique ;

r - résistivité ;

l est la conductivité thermique du semi-conducteur.

Le paramètre Z est fonction de la température et de la concentration en porteurs de charge, et pour chaque température donnée, il existe une valeur de concentration optimale à laquelle la valeur Z est maximale. La réduction maximale de température est liée à la valeur de rendement par l'expression :

D T max = (1/2) × Z × T 2,

où T est la température de la soudure froide du thermoélément.

Plus la valeur de Z pour les branches individuelles est grande, plus la valeur de Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2 est grande, ce qui détermine l'efficacité. l'ensemble du thermoélément. Il est conseillé de choisir des semi-conducteurs ayant les valeurs de mobilité les plus élevées et une conductivité thermique minimale. L'introduction de certaines impuretés dans un semi-conducteur est le principal moyen disponible pour modifier ses paramètres (a, r, l) dans le sens souhaité.

Les dispositifs de refroidissement thermoélectriques modernes permettent une réduction de la température de +20°C à 200°C ; leur capacité de refroidissement ne dépasse généralement pas 100 W.

Technologiquement, des tiges en matériaux semi-conducteurs à conductivité p et n (1) sont montées sur des cartes thermoconductrices en matériau isolant (2) à l'aide de connecteurs métalliques (3), comme le montre la Fig. 6.

Schéma du module thermoélectrique

Riz. 6

Appliquer un effet

Les principaux domaines d'utilisation pratique de l'effet Peltier dans les semi-conducteurs : obtention de froid pour créer des dispositifs de refroidissement thermoélectriques, chauffage à des fins de chauffage, thermostatisation, contrôle du processus de cristallisation dans des conditions de température constante.

La méthode de refroidissement thermoélectrique présente plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes de refroidissement. Les appareils thermoélectriques se distinguent par leur facilité de contrôle, leur capacité à réguler finement la température, leur silence et leur fiabilité de fonctionnement élevée. Le principal inconvénient des appareils thermoélectriques est leur faible rendement, qui ne permet pas de les utiliser pour la production industrielle de « froid ».

Les dispositifs de refroidissement thermoélectriques sont utilisés dans les réfrigérateurs domestiques et de transport, les thermostats, pour refroidir et thermostater les éléments thermosensibles des équipements radioélectroniques et optiques, pour contrôler le processus de cristallisation, dans les appareils médicaux et biologiques, etc.

En informatique, les dispositifs de refroidissement thermoélectriques portent le nom d'argot « refroidisseurs » (de l'anglais cooler - cooler).

Littérature

1. Encyclopédie physique.- M. : Grande Encyclopédie russe, 1998.- T.5.- P.98-99, 125.

2. Sivukhin S.D. Cours général de physique - M. : Nauka, 1977. - T.3. Électricité.- P.490-494.

3. Stilbans L.S. Physique des semi-conducteurs - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Thermoéléments semi-conducteurs - M., 1960.

Mots clés