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Table des matières Renseignements sur le produit Introduction à la thermoélectr

Table des matières Renseignements sur le produit Introduction à la thermoélectricité...................................................................................................................................................1 Structure et fonction.............................................................................................................................................................................2 Contrôle de la température................................................................................................................................................................4 Paramètres requis pour la sélection de l’appareil......................................................................................................................6 Options de produit d’étanchéité.......................................................................................................................................................7 Réseaux thermoélectriques..............................................................................................................................................................7 Liste de contrôle de conception/sélection....................................................................................................................................8 Modules thermoélectriques à plusieurs étages (cascade)......................................................................................................9 Performance typique de l’appareil..................................................................................................................................................9 Renseignements sur l’assemblée Conseils d’assemblage.....................................................................................................................................................................10 Procédure d’assemblage des modules à recouvrement sur les échangeurs de chaleur...........................................11 Procédure d’assemblage des modules brasables aux échangeurs de chaleur............................................................12 Rendement et propriétés Formules de performance de l’appareil.......................................................................................................................................13 Formules de transfert thermique...................................................................................................................................................14 Propriétés typiques des matériaux (à 21 °C).............................................................................................................................15 Fiabilité et temps moyen entre les défaillances (MTBF)........................................................................................................16 www.lairdthermal.com Introduction à la thermoélectricité Les thermopompes à semi-conducteurs sont connues depuis la découverte de l’effet Peltier en 1834. Les dispositifs sont devenus disponibles dans le commerce dans les années 60 avec le développement de matériaux de thermocouple à semi-conducteurs avancés en combinaison avec des substrats céramiques. Les modules thermoélectriques (RET) sont des pompes à chaleur à semi-conducteurs qui nécessitent un échangeur de chaleur pour dissiper la chaleur en utilisant l’effet Peltier. Pendant le fonctionnement, le courant CC circule à travers le TEM pour créer un transfert de chaleur et une différence de température à travers les surfaces céramiques, provoquant un côté du TEM à froid, tandis que l’autre côté est chaud. Un TEM standard à une étape peut atteindre des différentiels de température allant jusqu’à 70°C. Cependant, les méthodes modernes de croissance et de traitement des matériaux semi-conducteurs dépassent cette limite. Les TEC présentent plusieurs avantages par rapport aux technologies de refroidissement alternatives. Ils n’ont pas de pièces mobiles, donc la construction à l’état solide se traduit par une grande fiabilité. Les TEM peuvent refroidir les appareils bien en dessous de la température ambiante. On peut obtenir des températures plus froides, jusqu’à moins 100 °C, en utilisant un module thermoélectrique à plusieurs étages dans un environnement sous vide. Les thermoélectriques sont capables de chauffer et de refroidir en inversant simplement la polarité, ce qui change la direction du transfert de chaleur. Cela permet un contrôle de la température très précis, où jusqu’à 0,01 °C peut être maintenu dans des conditions d’équilibre. En mode de chauffage, les TEM sont beaucoup plus efficaces que les appareils de chauffage résistants conventionnels, car ils produisent de la chaleur à partir de la puissance d’entrée fournie et de la chaleur supplémentaire générée par l’action de pompage de la chaleur qui se produit. Un MET typique mesure 30 mm x 30 mm x 3,6 mm. Leurs empreintes géométriques sont petites car elles varient de 2 x 2 mm à 62 x 62 mm et sont légères. Cela rend la thermoélectricité idéale pour les applications avec des contraintes d’espace géométriques serrées ou des exigences de faible poids par rapport aux technologies de refroidissement trop grandes, telles que les systèmes conventionnels à base de compresseurs. Les TEC peuvent également être utilisés comme génératrice pour convertir la chaleur résiduelle en énergie sous forme de petites sources d’énergie CC dans des endroits éloignés. Quand devriez-vous utiliser la thermoélectricité? Les systèmes thermoélectriques sont idéaux pour les applications qui nécessitent un refroidissement actif en dessous de la température ambiante et ont des exigences de capacité de refroidissement allant jusqu’à 600 watts. Un ingénieur de conception devrait en tenir compte lorsque les critères de conception du système comprennent des facteurs tels que le contrôle précis de la température, une grande fiabilité, des contraintes géométriques compactes, un poids réduit et des exigences environnementales. Ces produits sont idéaux pour de nombreuses applications de consommation, de restauration, médicales, télécoms, photoniques et industrielles nécessitant une gestion thermique. Modules thermoélectriques disponibles chez Laird Technologies La série CP offre une capacité de refroidissement fiable de 10 à 100 watts. Ils ont une large gamme de produits qui est disponible dans de nombreuses capacités de pompage de la chaleur, formes géométriques, et les plages de puissance d’entrée. Ces modules sont conçus pour des applications de pompage de chaleur à courant plus élevé et plus important avec une température de fonctionnement maximale de 80 °C. La série OptoTEC™ présente un encombrement géométrique inférieur à 13x13 mm et est utilisée dans des applications dont les besoins en refroidissement sont inférieurs à 10 watts. Ces modules offrent plusieurs options de finition de surface, telles que la métallisation ou le pré-étamage pour permettre le brasage entre TEM et surfaces de conduction d’accouplement. La série MS offre le différentiel de température le plus élevé (T). Chaque étape est empilée l’une sur l’autre, créant un module à plusieurs étapes. Disponibles en de nombreux différentiels de température et formes géométriques, ces modules sont conçus pour des applications de pompage de chaleur plus faibles. La gamme ThermaTEC™ est conçue pour fonctionner dans des conditions de cycle thermique nécessitant des performances fiables en mode chauffage et refroidissement (polarité inverse). Les contraintes thermiques générées dans ces applications entraîneront la fatigue des modules standard au fil du temps. Ces modules sont conçus pour des applications de pompage de chaleur et de courant plus élevés avec une température de fonctionnement maximale de 175 °C La série UltraTEC™ offre la plus grande capacité de pompage de chaleur en surface. Des densités de pompage de chaleur allant jusqu’à 14 W/cm2, soit deux fois plus élevées que les modules standard, peuvent être atteintes. La capacité de refroidissement peut varier de 100 à 300 watts. Les TEM sont également idéales pour les applications nécessitant des différentiels de température bas et un coefficient de performance (COP) élevé. www.lairdthermal.com 1 Structure et fonction Étant donné que les systèmes de refroidissement thermoélectrique sont le plus souvent comparés aux systèmes conventionnels, la meilleure façon de montrer les différences entre les deux méthodes de réfrigération est peut-être de décrire les systèmes eux-mêmes. Un système de refroidissement classique contient trois parties fondamentales - l’évaporateur, le compresseur et le condenseur. L’évaporateur ou la section froide est la partie où le frigorigène sous pression peut se dilater, bouillir et s’évaporer. Pendant ce changement d’état du liquide au gaz, l’énergie (chaleur) est absorbée. Le compresseur agit comme pompe de réfrigérant et recompresse le gaz en liquide. Le condenseur expulse la chaleur absorbée à l’évaporateur plus la chaleur produite lors de la compression, dans l’environnement ou ambiant. Un thermoélectrique a des parties analogues. À la jonction froide, l’énergie (chaleur) est absorbée par les électrons lorsqu’ils passent d’un niveau d’énergie faible dans l’élément semi-conducteur de type p à un niveau d’énergie plus élevé dans l’élément semi-conducteur de type n. L’alimentation fournit l’énergie pour déplacer les électrons à travers le système. À la jonction chaude, l’énergie est expulsée vers un dissipateur de chaleur lorsque les électrons passent d’un élément de niveau d’énergie élevé (n-type) à un élément de niveau d’énergie inférieur (p-type). Les modules thermoélectriques (RET) sont des pompes à chaleur – des dispositifs à semi-conducteurs sans pièces mobiles, fluides ou gaz. Les lois de base de la thermodynamique s’appliquent à ces dispositifs tout comme ils le font pour les pompes à chaleur classiques, les réfrigérateurs d’absorption et d’autres dispositifs impliquant le transfert de l’énergie thermique. Une analogie souvent utilisée pour aider à comprendre un système de refroidissement thermoélectrique est celle d’un thermocouple standard utilisé pour mesurer la température. Les thermocouples de ce type sont fabriqués en reliant deux fils de métal dissemblable, typiquement cuivre/constantan, de manière à former deux jonctions. Une jonction est maintenue à certaines températures de référence, l’autre est attachée à la mesure du dispositif de commande. Le système est utilisé lorsque le circuit est ouvert à un moment donné et que la tension générée est mesurée. Inverser ce train de pensée, imaginer une paire de jonctions fixes dans lesquelles l’énergie électrique est appliquée causant une jonction de devenir froid tandis que l’autre devient chaud. Les couples de refroidissement thermoélectrique (Fig. 1) sont constitués de deux éléments semi-conducteurs, principalement le tellure de bismuth, fortement dopés pour créer un excès (n- type) ou une carence (p-type) d’électrons. La chaleur absorbée à la jonction froide est pompée à la jonction chaude à un rythme proportionnel au courant qui traverse le circuit et au nombre de couples. www.lairdthermal.com Figure 1 : Coupe transversale d’un couple type d’EI En pratique, les couples sont combinés dans un module (Fig. 2) où ils sont raccordés électriquement en série, et thermiquement en parallèle. Normalement, un MET est le plus petit composant disponible dans le commerce. Figure 2 : Module TE type Les TEM sont disponibles dans une grande variété de tailles, de formes, de courants de fonctionnement, de tensions de fonctionnement et de gammes de capacité de pompage de chaleur. La tendance, cependant, est vers un plus grand nombre de couples opérant à des courants plus faibles. L’utilisateur peut sélectionner la quantité, la taille ou la capacité du module pour répondre à l’exigence exacte sans payer pour l’excès de puissance. Il est habituellement nécessaire d’utiliser la thermoélectricité plutôt que d’autres formes de refroidissement. Le « besoin » peut être une considération particulière de la taille, de l’espace, du poids, de l’efficacité, de la fiabilité ou des conditions environnementales, comme le fonctionnement sous vide. Une fois qu’il a été décidé que la thermoélectricité doit uploads/Industriel/ thermoelectric-handbook-1120a-fr.pdf