La réponse courte : Un refroidisseur Peltier est le plus efficace à une différence de température modérée, car un courant supplémentaire produit aussi de la chaleur.
Une plaque plus froide semble meilleure.
Ce n'est pas toute l'histoire.
Plus de puissance peut d'abord créer un refroidissement plus fort. Cela crée aussi plus de chaleur. La batterie se décharge plus vite, et le côté chaud a plus de travail à faire.
Un bon design équilibre quatre choses :
-
la puissance de refroidissement ;
-
la différence de température ;
-
l'évacuation de la chaleur ; et
-
la puissance électrique.
Ce guide transforme ces termes techniques en questions d'achat utiles.
Que signifie l'efficacité d'un refroidisseur Peltier ?
Les ingénieurs utilisent souvent le coefficient de performance, ou COP.
Pour le refroidissement :
COP = chaleur retirée du côté froid ÷ puissance électrique d'entrée
La chaleur retirée est appelée Qc. La puissance électrique d'entrée est appelée Pin.
Si un module retire 4 watts de chaleur en utilisant 8 watts d'électricité :
COP = 4 ÷ 8 = 0,5
Cela ne signifie pas que la plaque est « froide à 50 % ».
Cela signifie que le système déplace 0,5 watt de chaleur pour chaque watt d'électricité consommé dans ces conditions de test.
Ferrotec définit le COP du refroidissement thermoélectrique comme Qc ÷ Pin dans son modèle de module.[1]
Si vous avez besoin d'abord de l'explication de base du pompage de chaleur, lisez comment fonctionne un refroidisseur Peltier.
L'efficacité du module n'est pas l'efficacité du système
Un module Peltier n'est qu'une partie d'un refroidisseur portable.
Le système complet peut également utiliser :
-
des ventilateurs côté chaud ;
-
des ventilateurs de confort pour l'air ;
-
des convertisseurs de tension ;
-
des capteurs ;
-
de l'électronique de commande ; et
-
des circuits de protection de batterie.
Le COP du module ne compare que la chaleur pompée par l'élément Peltier avec sa propre entrée électrique.
Le COP du système doit inclure la puissance utilisée par le matériel de support.
Le confort de la peau est encore différent.
Une plaque métallique froide peut sembler efficace sur une petite surface. Cette sensation ne prouve pas un COP élevé. Cela ne signifie pas non plus que l'appareil refroidit tout le corps ou la pièce.
Gardez ces trois mesures séparées :
| Mesure | Ce qu'elle répond |
|---|---|
| COP du module | L'efficacité avec laquelle le TEC pompe la chaleur à un point de fonctionnement donné |
| Efficacité du système | La quantité de refroidissement que le produit complet fournit pour la puissance totale |
| Confort de l'utilisateur | Ce que l'on ressent en utilisation : zone de contact, flux d'air, ajustement et commandes |
Le côté chaud doit rejeter plus de chaleur que le côté froid n'en absorbe
Un refroidisseur Peltier ne détruit pas la chaleur.
Il déplace la chaleur du côté froid vers le côté chaud.
Le côté chaud doit rejeter deux apports :
Chaleur côté chaud (Qh) = chaleur côté froid (Qc) + puissance électrique (Pin)
Utilisez l'exemple précédent.
Le module retire 4 watts du côté froid. Il consomme 8 watts d'électricité.
Le côté chaud doit libérer :
4 W + 8 W = 12 W
C'est pourquoi le dissipateur thermique est si important.
Ferrotec indique que le dissipateur thermique doit dissiper à la fois la chaleur pompée et la chaleur Joule créée par l'entrée électrique.[2]
Si la chaleur du côté chaud ne peut pas s'échapper, la température du côté chaud augmente. Le côté froid doit alors travailler sur un écart de température plus difficile.
Les performances de refroidissement chutent.
Pourquoi une différence de température plus importante réduit le COP
La différence de température est écrite comme ΔT.
Pour un refroidisseur :
ΔT = température du côté chaud − température du côté froid
Un ΔT plus important semble impressionnant. Il est aussi plus difficile à maintenir.
Trois effets agissent à l'intérieur d'un élément Peltier :
-
L'effet Peltier pompe la chaleur vers le côté chaud.
-
La résistance électrique crée de la chaleur Joule.
-
La chaleur se conduit en retour du côté chaud vers le côté froid.
À mesure que ΔT augmente, le reflux thermique augmente. Le module a moins de capacité nette restante pour la charge de refroidissement réelle.
Le guide de conception de Ferrotec note que la capacité de pompage de chaleur est la plus élevée lorsque ΔT est proche de zéro et diminue à mesure que la différence de température souhaitée augmente.[3]
Cela crée un avertissement important concernant les spécifications.
Le ΔT maximal est normalement une limite sans charge.
Il est mesuré lorsque presque aucune chaleur utile n'entre dans le côté froid. Ferrotec définit ΔTmax à une charge thermique du côté froid effectivement nulle.[4]
La peau humaine n'est pas une condition de charge nulle.
La peau fournit continuellement de la chaleur à la plaque. L'air chaud, un mauvais contact et la chaleur qui fuit à travers le boîtier ajoutent plus de charge.
Ainsi, un nombre de module sans charge n'est pas une promesse réaliste de température sur le cou.
Pourquoi ajouter du courant finit par ne plus aider
Le refroidissement Peltier n'augmente pas en ligne droite avec le courant.
Le terme de pompage Peltier utile croît approximativement avec le courant.
Le chauffage résistif croît avec le courant au carré.
Doublez le courant, et le terme de chauffage résistif peut augmenter d'environ quatre fois si la résistance reste similaire.
À faible courant, ajouter de la puissance peut augmenter le refroidissement utile.
À courant plus élevé, le chauffage Joule rattrape. Le côté chaud devient plus difficile à refroidir. Le COP chute, et la demande de batterie augmente rapidement.
Des expériences contrôlées sur des TEC à un seul étage ont montré que le COP diminue lorsque le courant augmente, même si un courant plus important peut augmenter la différence de température dans certaines conditions.[5]
C'est pourquoi un élément Peltier a différents points de fonctionnement :
-
efficacité maximale ;
-
capacité de refroidissement maximale ; et
-
différence de température maximale.
Ce ne sont pas les mêmes points.
Pour un produit portable, le mode maximum peut offrir une première sensation forte. Un mode modéré peut offrir un confort soutenu meilleur par watt.
La résistance thermique détermine à quel point le côté chaud devient chaud
La performance du dissipateur thermique est souvent exprimée en résistance thermique.
L'unité courante est le degré Celsius par watt, écrit °C/W.
Utilisez cette relation simplifiée :
Augmentation du côté chaud au-dessus de la température ambiante = résistance thermique du dissipateur × chaleur du côté chaud
Supposons que le côté chaud doit rejeter 12 watts.
Avec un chemin thermique de 2°C/W, l'augmentation estimée est :
12 W × 2°C/W = 24°C
Avec un chemin de 0,8°C/W :
12 W × 0,8°C/W = 9,6°C
Ce sont des exemples hypothétiques. Les produits réels ont aussi une résistance de contact, un flux d'air variable et une recirculation d'air chaud.
La leçon est simple.
Une résistance thermique plus faible maintient le côté chaud plus près de la température ambiante. Cela donne plus de marge au côté froid pour fonctionner.
Le guide du dissipateur thermique Ferrotec utilise la même définition de l'augmentation de température divisée par le flux de chaleur.[2]
Pourquoi les dissipateurs thermiques portables sont difficiles
Un dissipateur thermique de laboratoire peut être grand et lourd.
Un produit porté au cou ne le peut pas.
Les concepteurs doivent équilibrer :
| Choix de conception | Gain potentiel | Coût probable |
|---|---|---|
| Dissipateur thermique plus grand | Température côté chaud plus basse | Plus de taille et de poids |
| Ventilateur d'extraction plus rapide | Meilleure évacuation de la chaleur | Plus de bruit et de consommation de batterie |
| Batterie plus grande | Autonomie plus longue | Plus de poids |
| Plaque de refroidissement plus grande | Plus de surface de contact | Plus de charge thermique et de contraintes d'ajustement |
| Courant plus élevé | Refroidissement initial plus fort | COP inférieur, plus de chaleur et autonomie plus courte |
| Contrôle à faible puissance | Meilleure efficacité | Sensation de froid moins agressive |
La recherche sur les TEC portables continue de se concentrer sur les dissipateurs de chaleur, la diffusion de la chaleur et les interfaces cutanées, car l'évacuation de la chaleur du côté chaud limite le refroidissement soutenu.[6][7]
C'est le compromis central des appareils portables :
Le refroidissement, l'autonomie, le poids et le bruit ne peuvent pas tous être maximisés en même temps.
Ce que le flux d'air du côté chaud change en usage réel
Le dissipateur de chaleur a besoin d'air entrant frais et d'un chemin d'évacuation dégagé.
Les cheveux longs, un col haut ou une sangle de sac à dos peuvent bloquer ce chemin.
L'air chaud évacué peut également revenir dans l'entrée d'air. Les ingénieurs appellent cela la recirculation.
Le produit peut toujours s'allumer. La plaque peut encore sembler fraîche pendant un court moment.
Mais le côté chaud chauffe plus vite. Le refroidissement soutenu s'affaiblit.
Lorsque vous comparez des produits, regardez au-delà du nombre d'évents.
Demandez :
-
Où l'air entre-t-il ?
-
Où l'air chaud sort-il ?
-
Les vêtements peuvent-ils couvrir l'un ou l'autre trajet ?
-
L'échappement souffle-t-il sur la peau ?
-
L'appareil réduit-il la puissance lorsque le côté chaud surchauffe ?
Comment l'autonomie de la batterie varie avec l'efficacité du Peltier
Un COP inférieur signifie qu'il faut plus d'énergie électrique pour le même retrait de chaleur utile.
Cette énergie provient de la batterie.
Si un mode plus puissant double la puissance du système, l'autonomie peut approcher la moitié dans des conditions par ailleurs similaires. Les vrais contrôleurs, les pertes de conversion et la protection de la batterie rendent la relation exacte moins nette.
Ne comparez pas uniquement la capacité de la batterie.
Comparez les wattheures, la puissance par mode et l'autonomie mesurée. Notre guide sur l'autonomie de la batterie des ventilateurs de cou comprend un estimateur d'autonomie simple.
Vérifiez également si l'autonomie publiée utilise :
-
le mode ventilateur uniquement ;
-
le refroidissement actif ;
-
le réglage le plus bas ; ou
-
un mode automatique mixte.
Un seul chiffre « jusqu'à » peut masquer une grande différence.
Comment lire une affirmation de refroidissement Peltier
Les affirmations de température nécessitent une condition de test.
Avant de faire confiance à un chiffre, posez six questions.
1. Quelle température a été mesurée ?
Était-ce la plaque de refroidissement nue, la surface de la peau, l'échappement ou l'air ambiant ?
Ces éléments ne sont pas interchangeables.
2. Quelle était la température de référence ?
« 20 degrés plus frais » pourrait signifier en dessous de l'air ambiant, en dessous du côté chaud ou en dessous de la température de départ de la plaque.
La référence doit être nommée.
3. Y avait-il une charge thermique réelle ?
Une plaque sans charge peut atteindre une température plus basse qu'une plaque touchant une peau chaude.
Cherchez des données avec charge ou sur le corps.
4. Combien de temps a duré le test ?
Un minimum de démarrage peut ne durer que brièvement.
Une température soutenue après stabilisation thermique est plus utile.
5. Quelle était la condition ambiante ?
Enregistrez la température de l'air, l'humidité et le flux d'air.
La performance du côté chaud varie avec l'environnement.
6. Quelle puissance et quel mode ont été utilisés ?
Un résultat de température sans watts, mode et impact sur la batterie est incomplet.
Pour une comparaison plus large du flux d'air, du refroidissement par contact et de l'évaporation, voir ventilateurs qui soufflent de l'air froid comme la climatisation.
Un test pratique d'efficacité Peltier
Vous n'avez pas besoin d'un laboratoire complet pour produire des preuves plus utiles.
Vous avez besoin d'une méthode contrôlée.
Mesurez ces valeurs
-
température ambiante et humidité ;
-
température du côté chaud ;
-
température de la plaque ;
-
tension et courant électriques ;
-
puissance totale du système ;
-
autonomie de la batterie ;
-
mode du ventilateur ; et
-
charge thermique appliquée du côté froid.
Effectuez trois comparaisons
Premièrement, testez un niveau de courant avec un flux d'air fort du côté chaud et un flux d'air restreint.
Deuxièmement, testez une puissance faible, moyenne et élevée avec la même condition de dissipateur thermique.
Troisièmement, répétez avec plus d'une charge du côté froid.
Attendez que les températures se stabilisent. Répétez chaque condition.
Tracez :
-
capacité de refroidissement en fonction du courant ;
-
COP en fonction du courant ;
-
température du côté froid en fonction du temps ; et
-
température côté chaud en fonction du temps.
Ne combinez pas la puissance du module et la puissance du système complet sans les étiqueter.
Questions fréquemment posées
Les refroidisseurs Peltier sont-ils économes en énergie ?
Ils peuvent être utiles pour un refroidissement compact, local et précisément contrôlé, mais le COP dépend fortement du courant, de la différence de température, de la charge thermique et des performances du dissipateur thermique.
Pourquoi l'ajout de puissance cesse-t-il d'aider ?
Le pompage Peltier utile augmente avec le courant, tandis que le chauffage résistif augmente approximativement avec le courant au carré et augmente la charge côté chaud.
Quelle est une chute de température Peltier réaliste ?
Il n'y a pas de nombre universel. Utilisez des données en régime permanent, en charge, du produit complet dans des conditions ambiantes spécifiées.
Pourquoi la plaque de refroidissement devient-elle plus chaude après le démarrage ?
Le côté chaud peut se réchauffer, la charge peut augmenter ou le contrôleur peut réduire la puissance. L'adaptation de la peau peut également rendre la plaque moins froide au toucher.
Un élément Peltier plus grand refroidit-il toujours mieux ?
Non. Il a également besoin d'une puissance adéquate, d'un contact de plaque et d'une évacuation de la chaleur côté chaud.
Un refroidisseur Peltier est-il plus efficace qu'un compresseur ?
Cela dépend de l'échelle et de l'utilisation. Les systèmes Peltier favorisent un contrôle local compact et à semi-conducteurs ; les compresseurs servent généralement de plus grandes charges de refroidissement plus efficacement. Notre prochain guide thermoelectric-vs-compressor expliquera la différence.
L'essentiel
L'efficacité Peltier est un problème de système.
Ne le jugez pas uniquement par la température de la plaque.
Vérifiez ensemble le COP, la puissance, la température côté chaud, la charge de test et les performances en régime permanent.
Un wearable bien conçu ne recherche pas la température de plaque la plus basse possible à tout prix. Il équilibre le confort durable, l'évacuation de la chaleur, le bruit, le poids et la durée de vie de la batterie.
Prochaine étape : Comparez le point de fonctionnement Peltier avec les données de durée de vie par mode et de température côté chaud du dispositif.
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