À quoi sert un Refroidisseur thermoélectrique REALLY
- Roger Stout
Contes de fées talesmachines à mouvement perpétuel all Tous les contes de fées ne sont pas des machines à mouvement perpétuel, mais toutes les machines à mouvement perpétuel sont certainement des contes. Avant d’entrer dans les spécificités des refroidisseurs thermoélectriques, cependant, il semble approprié de préparer le terrain pour cette catégorie particulière de contes de fées.
Il existe deux types classiques de « machines » à mouvement perpétuel, appelées (pas si créativement) machines de « type 1” et de « type 2 » (ou tout aussi créativement, machines du « 1er type » et du « 2e type”). Les machines de type 1 sont celles qui vous sont probablement immédiatement familières. Ils violent la Première Loi de la thermodynamique, qui stipule que l’énergie ne peut pas être créée ou détruite, seulement transformée d’une forme à une autre. En règle générale, les machines de type 1 impliquent une sorte de mécanisme de rotation qui, grâce à une conception apparemment intelligente, parvient à toujours générer un couple dans une direction constante (ou peut-être alterne la direction, mais avec une moyenne favorisant une direction). En l’absence de frottement (ou de charge), ils se déplaceraient pour toujours sans aucun ajout d’énergie. Les machines de type 1 sont si faciles à trouver que l’Office des brevets des États-Unis n’acceptera pas les demandes de machines de ce type sans modèle fonctionnel. Dans les rares cas où l’un est fourni, « l’intelligence” consiste invariablement à cacher une petite source d’énergie quelque part, et le travail de l’agent des brevets est d’être plus intelligent que l’inventeur et de le trouver! Les exemples les plus flagrants de machines de type 1 sont ceux où l’inventeur prétend réellement conduire une charge même s’il n’y a pas de source d’énergie pour la machine. Des exemples plus sournois ne cachent pas le fait qu’ils ont une source d’énergie, ils prétendent simplement fournir plus d’énergie qu’ils n’en absorbent. Par exemple, il y a quelques années, on m’a demandé d’évaluer le « générateur sans cogner à énergie libre” qui prétendait fournir plus d’énergie électrique que l’éolienne motrice. (Dans ce cas, je crois que l’inventeur n’était pas intentionnellement trompeur, mais il ignorait terriblement comment mesurer la puissance électrique!)
Les machines de type 2 sont plus subtiles. Ils violent la Deuxième Loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie ne peut pas être réduite (dans un système fermé). L’entropie est un concept un peu difficile à saisir, et encore moins à quantifier, mais très souvent, il peut se résumer à la simple observation que la chaleur ne peut jamais passer passivement d’un endroit plus froid à un endroit plus chaud. Si cela semble se produire, vous avez soit manqué quelque chose de crucial, soit vous avez une machine à mouvement perpétuel de type 2 de bonne foi. Je me souviens (embarrassant) d’un examen de mon premier cours de thermodynamique de premier cycle. On nous a demandé d’évaluer une chose curieuse (et au son louche) appelée « tube à vortex ».”Dans un tube à vortex, de l’air comprimé est introduit à la base d’un tuyau en forme de T et, étonnamment, de l’air froid sort d’une branche du T et de l’air chaud sort de l’autre branche du T. J’étais assez méfiant pour réaliser que cela impliquait qu’une certaine énergie se déplaçait « en montée” de la température du flux entrant à la branche de sortie plus chaude. L’énoncé du problème était très spécifique, et comprenait des débits massiques, des températures et des pressions, alors j’ai procédé aux calculs montrant que même si aucune énergie nette n’était créée, l’entropie nette des flux d’air sortant était inférieure à l’entropie du flux d’air entrant, prouvant ainsi son impossibilité. Il s’avère que les tubes vortex sont une vraie chose! J’avais fait une erreur de calcul, bien que le professeur ait été assez généreux pour m’accorder un crédit partiel pour avoir au moins pensé à rechercher une violation de la 2e loi. Mon point ici est que la 2e loi doit être prise en compte chaque fois que vous essayez de « pomper” de l’énergie d’un endroit froid à un endroit plus chaud.
Entrez les refroidisseurs thermoélectriques (ou TEC). Ce sont de petits gadgets intelligents qui utilisent l’effet Peltier bien établi. Ce sont un peu comme des thermocouples inversés. Vous les avez probablement vus quelque part vous-même sous la forme d’un refroidisseur de bière ou quelque chose de similaire. Ils fonctionnent évidemment (et ont été brevetés). L’une des choses les plus astucieuses à leur sujet est qu’ils n’ont pas de pièces mobiles et peuvent être totalement silencieux. Vous appliquez de l’électricité aux bornes de l’appareil et un « côté” du gadget devient froid (l' »intérieur” dans le cas d’un réfrigérateur pour VR), tandis que simultanément l’autre côté (ou à l’extérieur) devient chaud. De toute évidence, si la température de votre environnement se situe quelque part entre ces deux températures extrêmes, la chaleur s’écoulera nécessairement du côté chaud vers l’environnement et la chaleur s’écoulera du côté froid de l’appareil depuis l’environnement (ou tout ce qu’elle touche, par exemple votre bière). Si vous faites attention, vous conclurez deux choses: 1) cela pourrait être un moyen très intelligent de refroidir l’électronique sans avoir à utiliser de ventilateurs ou de liquides de refroidissement; et 2) si cela ne viole pas la 2e loi, il y a un élément critique que nous n’avons pas encore pris la peine de considérer (et cela peut nous mordre à la fin).
Voici cette chose : c’est ce qu’on appelle l’efficacité Carnot d’un moteur thermique. En application, il vous donne une évaluation rapide, basée sur les températures impliquées, de la quantité de chaleur supplémentaire que vous devrez ajouter à un système de refroidissement afin de déplacer une partie de cette chaleur d’un endroit plus froid vers un endroit plus chaud. (En fait, c’est ce qui vous permet d’éviter de violer la 2e loi). Pour des raisons d’argument, il pourrait s’avérer que pour déplacer 1W hors d’une jonction, vous devez ajouter 1 W supplémentaire, ce qui signifie que votre dissipateur thermique final doit rejeter 2 W dans l’environnement au lieu du 1 W d’origine. D’où vient l’énergie supplémentaire? Grâce à ces bornes électriques agréables et silencieuses. Volts temps appliqués ampères fournis est égal à l’énergie supplémentaire qui n’était pas là auparavant.
Oui, il y a le hic! Bien sûr, vous pouvez créer un refroidisseur Peltier miniature et abaisser la température de jonction (Tj, l' »intérieur” d’un composant électronique) à quelque chose de plus frais que l’environnement environnant, ou même – ne soyons pas gourmands – le rendre plus bas qu’il ne l’était sans le refroidisseur! Le problème est que lorsque vous allumez le refroidisseur, vous ajouterez de l’énergie au système global pour obtenir ce Tj inférieur. Du point de vue d’un analyste thermique à l’échelle macro, c’est généralement la mauvaise chose à faire, car le plus souvent, vous aviez déjà du mal à évacuer toute la chaleur de votre système en premier lieu. (En effet, ce problème est la raison pour laquelle votre Tj était plus chaud que vous ne le vouliez au départ.) Par exemple, la résistance de votre carte de circuit imprimé peut être 2 fois inférieure à ce qu’elle était auparavant (épandeur de chaleur plus grand, ventilateur plus grand, etc.), pour rejeter la chaleur ajoutée par le refroidisseur afin d’obtenir le Tj inférieur. Mais si vous pouviez le faire, alors vous auriez dû le faire – en d’autres termes, sans ajouter la glacière – et vous auriez de toute façon abaissé votre Tj un tas!
Maintenant, je peux penser à quelques situations où un TEC pourrait être un excellent choix, mais vous devez être très sûr de vos calculs. La première est, lorsque vous avez une très petite concentration de chaleur localisée et que vous pouvez vous permettre de faire baisser la température de cet endroit au détriment de chauffer un peu tout le reste autour. La seconde est, lorsque vous avez réellement besoin de contrôler la température d’un appareil spécifique dans un système électronique, par exemple un capteur d’image (où le soi-disant « courant d’obscurité” est un problème sérieux et monte rapidement avec la température). Dans ce dernier cas, vous devez avoir une certaine marge dans le « budget thermique” de votre système, car du point de vue du système, vous devrez vous débarrasser de la chaleur supplémentaire.
Mon conseil est de réfléchir très attentivement à la question de savoir si un TEC est vraiment la bonne chose pour votre problème de refroidissement de l’électronique. Et l’utiliser pour refroidir votre bière n’est peut-être pas non plus le meilleur choix, si vous essayez de bien réfléchir au refroidissement de vos appareils électroniques! Soyez le juge!