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Transfert thermique :
Semi-Conducteurs
Ce quatrieme mode de transfert thermique n'existe pas à l'état naturel mais il permet néanmoins de créer un flux de chaleur (sur une base de transfert conductif), il est donc intéressant de faire la lumière sur ce phénomène…
En 1822, Thomas Seebeck découvre le phénomène du courant thermoélectrique se produisant dans un circuit fermé, formé de conducteurs différents dont les jonctions sont à des températures différentes. Vers 1834, Jean Charles Athanase Peltier découvre les anomalies de température aux jonctions de conducteurs de nature différente soumis à un courant continu. En fait, ils ont tous deux découvert le même phénomène mais de façon inverse ! Les propriétés des circuits thermoélectriques ont été démontrées de manière précise par E. Altenkirch en 1909. La découverte des semi-conducteurs au milieu du 20eme siècle a permis d'exploiter ce phénomène.
Lorsqu'on raccorde par leurs extrémités, 2 fils composés de métaux différents et que l'on chauffe l'une des extrémités, une circulation de courant continu apparaît dans le circuit : c'est l'effet Seebeck. Il s'agit de l'effet Thermoélectrique. Si le circuit est ouvert, la tension apparaissant est proportionnelle à la température et fonction de la nature des 2 métaux. A l'inverse, si l'on soumet une tension à ce circuit, on observe un transfert de chaleur entre les 2 fils : c'est l'effet Peltier ! En conjuguant ce procédé aux semi-conducteurs les plus performants, on obtient un module thermoélectrique ou module à effet Peltier :
Un module thermoélectrique est un dispositif basé sur des composants semi-conducteurs asymétriques. Ils sont connectés thermiquement en parallèle et électriquement en série entre 2 plaques de céramique (une plaque "froide" et une plaque "chaude"). Les semi-conducteurs sont de type P et N. C'est-à-dire que les composants de type N sont chargés négativement (excès d'électrons) et les composants de type P sont chargés positivement (carence d'électrons).
La plaque de céramique "froide" est refroidie par l'absorption d’énergie due au passage des électrons d’un semi conducteur vers un autre. Bien évidement la plaque chaude "hérite" de l'énergie thermique arrachée à la plaque froide, il est donc impératif d'évacuer cette chaleur pour ne pas que cette chaleur ne réchauffe la plaque froide et ne finisse par endommager le module.
Dans un module thermoélectrique, le débit de chaleur est à la fois proportionnel au nombre de couple (N et P) et à l'intensité du courant traversant ces couples. Des bons semi-conducteurs thermoélectriques comme le Tellure de Bismuth améliorent le déplacement du flux d’énergie thermique. Il est intéressant de noter que lorsque l'on inverse le sens du courant cela inverse les fonctions de plaques, la plaque froide devient la chaude et inversement.
Ainsi l’efficacité d’un module à effet Peltier (ou encore appelé TEC pour
Thermo-Electric Conductor) repose sur trois paramètres : le courant
d’alimentation, le nombre de couples semi-conducteurs (certains en ont
128 voir plus) et le dispositif d’évacuation de chaleur sur la plaque
chaude. On peut trouver des modules de 200W d'un delta de 80°C et d'une
dimension de 50mm x 50mm, où le delta est la valeur différentielle entre
les 2 plaques. C'est-à-dire que si l'on est en mesure de maintenir la
plaque chaude à 50°C lorsque le Peltier dispose de toute la puissance
électrique nécessaire, la plaque froide sera à une température de -20°C
! L’efficacité d’un dispositif Peltier peut être renforcée soit par le
branchement en série de deux (ou plus) modules, soit par l'assemblage
de trois (voir plus) modules en pyramide inversée.
D'après vous, quelle est la plaque froide dans cette configuration
?