Les unités de refroidissement thermoélectriques, ou refroidisseurs Peltier (également appelés composants de refroidissement thermoélectriques), sont des dispositifs de refroidissement à semi-conducteurs basés sur l'effet Peltier. Elles présentent l'avantage d'être dépourvues de mouvement mécanique et de fluide frigorigène, de petite taille, de réponse rapide et d'un contrôle précis de la température. Ces dernières années, leurs applications dans l'électronique grand public, le médical, l'automobile et d'autres domaines n'ont cessé de se développer.
I. Principes fondamentaux des systèmes et composants de refroidissement thermoélectrique
Le principe du refroidissement thermoélectrique repose sur l'effet Peltier : lorsqu'un couple de thermocouples est formé de deux matériaux semi-conducteurs différents (de type P et de type N) et qu'un courant continu y est appliqué, une extrémité du couple absorbe la chaleur (extrémité refroidie) tandis que l'autre la dissipe (extrémité dissipée). En inversant le sens du courant, on peut intervertir les deux extrémités.
Ses performances de refroidissement dépendent principalement de trois paramètres clés :
Coefficient de mérite thermoélectrique (valeur ZT) : Il s’agit d’un indicateur clé pour évaluer les performances des matériaux thermoélectriques. Plus la valeur ZT est élevée, plus l’efficacité de refroidissement est importante.
Différence de température entre les extrémités chaude et froide : l’efficacité de la dissipation thermique à l’extrémité chaude détermine directement la capacité de refroidissement à l’extrémité froide. Si la dissipation thermique est irrégulière, la différence de température entre les extrémités chaude et froide se réduit et l’efficacité du refroidissement chute brutalement.
Courant de fonctionnement : Dans la plage nominale, une augmentation du courant améliore la capacité de refroidissement. Cependant, au-delà de ce seuil, l’efficacité diminue en raison de l’augmentation de la chaleur dégagée par effet Joule.
II. Historique du développement et percées technologiques des unités de refroidissement thermoélectriques (système de refroidissement Peltier)
Ces dernières années, le développement des composants de refroidissement thermoélectriques s'est concentré sur deux axes majeurs : l'innovation en matière de matériaux et l'optimisation structurelle.
Recherche et développement de matériaux thermoélectriques à hautes performances
La valeur ZT des matériaux traditionnels à base de Bi₂Te₃ a été augmentée à 1,2-1,5 grâce au dopage (tel que Sb, Se) et au traitement à l'échelle nanométrique.
De nouveaux matériaux tels que le tellurure de plomb (PbTe) et l'alliage silicium-germanium (SiGe) offrent des performances exceptionnelles dans des scénarios de température moyenne et élevée (200 à 500℃).
De nouveaux matériaux, tels que les matériaux thermoélectriques composites organiques-inorganiques et les isolants topologiques, devraient permettre de réduire encore les coûts et d'améliorer l'efficacité.
Optimisation de la structure des composants
Conception de miniaturisation : Préparer des thermopiles à l'échelle du micron grâce à la technologie MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) pour répondre aux exigences de miniaturisation de l'électronique grand public.
Intégration modulaire : Connectez plusieurs unités thermoélectriques en série ou en parallèle pour former des modules de refroidissement thermoélectriques haute puissance, des refroidisseurs Peltier, des dispositifs Peltier, répondant aux exigences de refroidissement thermoélectrique de qualité industrielle.
Structure de dissipation thermique intégrée : Intégrer les ailettes de refroidissement aux ailettes de dissipation thermique et aux caloducs afin d’améliorer l’efficacité de la dissipation thermique et de réduire le volume global.
III. Scénarios d'application typiques des unités de refroidissement thermoélectriques, composants de refroidissement thermoélectriques
Le principal avantage des unités de refroidissement thermoélectriques réside dans leur fonctionnement à semi-conducteurs, leur fonctionnement silencieux et leur régulation précise de la température. De ce fait, elles occupent une place irremplaçable dans les situations où les compresseurs ne conviennent pas au refroidissement.
Dans le domaine de l'électronique grand public
Dissipation thermique des téléphones portables : les téléphones de jeu haut de gamme sont équipés de modules de refroidissement micro-thermiques, de modules TEC, de dispositifs Peltier et de modules Peltier qui, associés à des systèmes de refroidissement liquide, peuvent rapidement abaisser la température de la puce, empêchant ainsi la réduction de fréquence due à la surchauffe pendant les jeux.
Réfrigérateurs et glacières pour voiture : Les petits réfrigérateurs pour voiture utilisent généralement la technologie thermoélectrique, qui combine les fonctions de refroidissement et de chauffage (le chauffage s’effectue en inversant le sens du courant). Ils sont compacts, économes en énergie et compatibles avec l’alimentation 12 V d’une voiture.
Gobelet isotherme/gobelet rafraîchissant pour boissons : Ce gobelet portable est équipé d'une microplaque de refroidissement intégrée, qui permet de refroidir rapidement les boissons entre 5 et 15 degrés Celsius sans avoir besoin d'un réfrigérateur.
2. Domaines médicaux et biologiques
Les équipements de contrôle précis de la température, tels que les appareils de PCR (réaction en chaîne par polymérase) et les réfrigérateurs à sang, nécessitent un environnement stable à basse température. Les composants frigorifiques à semi-conducteurs permettent un contrôle précis de la température à ±0,1 °C près, sans risque de contamination du fluide frigorigène.
Dispositifs médicaux portables : tels que les boîtes réfrigérées pour insuline, de petite taille et dotées d’une longue autonomie, sont adaptés aux patients diabétiques qui les emportent lors de leurs déplacements, garantissant ainsi le maintien de la température de conservation de l’insuline.
Contrôle de la température des équipements laser : Les composants essentiels des dispositifs de traitement laser médical (tels que les lasers) sont sensibles à la température, et les composants de refroidissement à semi-conducteurs peuvent dissiper la chaleur en temps réel pour assurer le fonctionnement stable de l’équipement.
3. Secteurs industriels et aérospatiaux
Équipements frigorifiques industriels à petite échelle : tels que les chambres de test de vieillissement des composants électroniques et les bains à température constante pour instruments de précision, qui nécessitent un environnement local à basse température, les unités de refroidissement thermoélectriques et les composants thermoélectriques peuvent être personnalisés avec la puissance de réfrigération nécessaire.
Équipements aérospatiaux : Dans le vide spatial, les dispositifs électroniques peinent à dissiper la chaleur. Les systèmes, unités et composants de refroidissement thermoélectriques, dispositifs à semi-conducteurs, sont extrêmement fiables et insensibles aux vibrations ; ils permettent de réguler la température des équipements électroniques des satellites et stations spatiales.
4. Autres scénarios émergents
Dispositifs portables : Les casques et combinaisons de refroidissement intelligents, dotés de plaques thermoélectriques flexibles intégrées, peuvent assurer un refroidissement local du corps humain dans des environnements à haute température et sont adaptés aux travailleurs en extérieur.
Logistique de la chaîne du froid : De petites boîtes d’emballage pour la chaîne du froid, alimentées par refroidissement thermoélectrique, refroidissement Peltier et batteries, peuvent être utilisées pour le transport sur de courtes distances de vaccins et de produits frais sans avoir recours à de grands camions frigorifiques.
IV. Limitations et tendances de développement des unités de refroidissement thermoélectriques et des composants de refroidissement Peltier
limitations existantes
L'efficacité du refroidissement est relativement faible : son coefficient d'efficacité énergétique (COP) se situe généralement entre 0,3 et 0,8, ce qui est beaucoup plus faible que celui du refroidissement par compresseur (le COP peut atteindre 2 à 5), et ne convient pas aux scénarios de refroidissement à grande échelle et à haute capacité.
Exigences élevées en matière de dissipation thermique : si la chaleur à l’extrémité de dissipation ne peut être évacuée à temps, l’efficacité du refroidissement s’en trouvera fortement compromise. Par conséquent, un système de dissipation thermique performant est indispensable, ce qui limite son application à certains environnements compacts.
Coût élevé : Le coût de préparation des matériaux thermoélectriques haute performance (tels que le Bi₂Te₃ nano-dopé) est plus élevé que celui des matériaux de réfrigération traditionnels, ce qui entraîne un prix relativement élevé des composants haut de gamme.
2. Tendances de développement futures
Avancée majeure en matière de matériaux : développer des matériaux thermoélectriques à faible coût et à valeur ZT élevée, dans le but d’augmenter la valeur ZT à température ambiante à plus de 2,0 et de réduire l’écart d’efficacité avec la réfrigération par compresseur.
Flexibilité et intégration : développer des modules de refroidissement thermoélectriques flexibles, des modules TEC, des modules thermoélectriques, des dispositifs Peltier, des modules Peltier, des refroidisseurs Peltier, pour s’adapter aux dispositifs à surface incurvée (tels que les téléphones portables à écran flexible et les dispositifs portables intelligents) ; promouvoir l’intégration des composants de refroidissement thermoélectriques avec les puces et les capteurs pour parvenir à un « contrôle de la température au niveau de la puce ».
Conception économe en énergie : grâce à l'intégration de la technologie de l'Internet des objets (IoT), le démarrage et l'arrêt intelligents ainsi que la régulation de la puissance des composants de refroidissement sont réalisés, réduisant ainsi la consommation d'énergie globale.
V. Résumé
Les unités de refroidissement thermoélectriques, également appelées unités Peltier ou systèmes de refroidissement thermoélectriques, grâce à leurs avantages uniques (fonctionnement à l'état solide, fonctionnement silencieux et contrôle précis de la température), occupent une place importante dans des secteurs tels que l'électronique grand public, le médical et l'aérospatiale. Avec l'amélioration continue des matériaux thermoélectriques et de leur conception structurelle, leur efficacité et leur coût de refroidissement s'amélioreront progressivement, et l'on s'attend à ce qu'elles remplacent les technologies de refroidissement traditionnelles dans un nombre croissant d'applications.
Date de publication : 12 décembre 2025
