Révision du projet

La reprise du projet en 2022, les tests effectifs des modules Peltier, est l'occasion de chercher à nouveau de la bonne bibliographie et des sites web… et de prendre de bonnes résolutions ! Finir d'ici les vacances de printemps.

Le but n'est pas de réviser l'architecture générale, mais mieux comprendre l'empilement des modules, et tenter une optimisation de la puissance consommée, à partir des mesures préliminaires.

Se baser sur la seule température du plancher de la chambre n'est pas suffisant : il faut compenser les pertes thermiques à travers la paroi, et l'apport de chaleur par le plafond.

On peut envisager une modélisation à partir d'un logiciel de calcul par éléments finis ou même un calcul littéral. Néanmoins, je suis tombé un calculateur en ligne qui fait déjà l'essentiel du job :

Laird thermal wizard

Pour l'utiliser, il faut indiquer la température à l'intérieur de l'enceinte. La température n'est pas uniforme, mais en supposant le plafond à 25°C, le plancher à -25°C, un gradient linéaire, et les pertes uniformes (ce n'est pas le cas, certes), on a une moyenne de la température interne de 0°C, ce qui permet de faire l'évaluation des pertes.

La conductivité thermique du plexiglass est de 0,18 W.m^-1.K^-1, d'après Wikipedia qui cite un catalogue Goodfellow.

L'épaisseur de l'isolation est un facteur important.

J'ai fait plusieurs calculs pour évaluer les pertes, à travers les parois latérales, la surface supérieure, et la face inférieure. Avec les les parois latérales, et le plafond à 5mm, on obtient 162 W. Avec juste le plafond, 54 W. Avec juste les parois latérales, 108 W. Le calcul suit donc un modèle où la perte est additive.

Cela ne prend pas en compte la perte à travers les profiles aluminium, qui sont bien plus conducteurs…

On a donc envie :

• réduire l'usage des profilés au cadre du plancher du couvercle, qui serviront à rigidifier et qui peuvent porter la charnière pour ouvrir le couvercle.
• faire un couvercle totalement en plexiglass d'épaisseur 5mm : cela améliorera la visibilité. En passant à 10mm, on passe à 118 W (au lieu de 162 W).

Si on se fixe comme but de sortir 172 W (162 + 10 du plafond), avec 9 empilements, on arrive à 19 W à extraire par empilement (sans compter la chaleur dégagée par les modules eux-mêmes).

Cette révision importante de la puissance à évacuer à la baisse laisse entrevoir la possibilité de réduire le nombre de ventilateurs, la diminution du dimensionnement des alimentations, et globalement une réduction du coût.

Jusqu'à présent, les réflexions menées par les différentes équipes ayant travaillé sur ce projet au FabLab SU s'arrêtaient à la température atteinte en surface : si c'est froid (en dessous de -25°C), on était content.

Il s'agit maintenant plutôt de regarder quelle puissance thermique on peut soustraire grâce à chaque empilement, et combien de puissance électrique cela demande.

Pour la méthodologie, on peut se référer à un forum où un utilisateur donne un calcul très détaillé pour des empilements de 3 modules TEC1-12706.

https://itectec.com/electrical/electronic-tec1-12706-peltier-run-from-diffirent-voltages/

Un empilement de trois modules TEC1-12706, alimentés en 12V, 5V, 3,3V, l'empilement extrait 90W, pour une température en surface de -50°C ! C'est très surdimensionné pour notre cas. Cette discussion fait référence à un montage décrit sur une chaîne Youtube par Ernő Némethy. Il y présent 2 types d'empilements, des manipulations avec des ballons baudruche pour capturer des noyaux chargés dans l'air (!), une chambre à brouillard minute. Le tout est très pédagogique !

Avec un TEC1-12715 alimenté en 12V et un TEC1-12706 alimenté en 5V, il montre un refroidissement (sans charge thermique) à -42°C.

Pour achever le modèle thermique du système, il faut aussi postuler la température du liquide de refroidissement, supposée égale à la température de la surface inférieur du module du dessous. On va tabler sur la température indiquée par Ernő Némethy. 27°C, et compter que le bloc dissipateur ventilateur maintiendra le liquide à 20°C.

Enfin, une ressource importante est le site américain du fabricant de modules TE Tec, qui a un calculateur pour aider au choix des modules (mais bon, là, j'ai déjà les modules). Le site regorge de publications, d'informations et datasheets… En particulier, je remets ici des documents pour être sûr de les retrouver :

• Notice d'instructions pour la lecture des datasheet performance-chart-instructions.pdf
• Notice du calculateur d'aide au choix de modules module-calculator-instructions.pdf. Cette notice explique que le choix est un processus itératif, car toutes les caractéristiques sont interdépendantes avec le point de fonctionnement.
• Dans la FAQ, les équations avec des grandeurs physiques (résistance, conductivité thermique)… qui ne sont précisées nulle part !

Malheureusement, la nomenclature des modules est peu comparable à celle des fabricants chinois et allemands. En particulier, je n'ai pas la certitude de retrouver la documentation du TEC1-12706/TEC1-12715.

Heureusement, sur le site de Reichelt, on trouve des datasheet qui comportent ces infos pour les modules d'un fabricant allemand (qui a sa propre nomenclature, mais a le bon goût de mettre les dénominations standard entre parenthèses).

• Datasheet TEC1-12706 de Rossman tec-12706.pdf
• Datasheet TEC1-12706 tec1_12706.pdf
• Datasheet TEC1-12715 tec1-12715-english.pdf

En itérant un peu avec tout ça, on en arrive à l'idée de travailler autour du maximum de COP pour chacun des deux modules :

• Avec 7V pour le 12706, sous 3A et un ΔT=27°C environ, on tire 20 W, et on délivre 41 W (COP~1).
• Avec 7V également pour le 12715, sous 6A, et un ΔT=25°C environ, on tire 40 W, et ~80 W sont délivrées (COP~1).

La consommation électrique est alors de 21+42=63 W. Tout ça est assez cohérent, moyennant l'approximation que les courbes pour Th=27°C ne sont pas trop différentes de celle pour Th=0°C.

Si on arrive à fixer les cibles de tension et d'ampérage pour chacun des deux étages de modules, il n'y a en pratique plus d'intérêt à piloter via les ponts en H, avec un signal PWM. Mais juste un relais démarrant les alimentations suffira ! Simplicité accrue, mais impossibilté de régler… En terme de coût, c'est également appréciable, puisque les breakout board avec le VNH2SP coûtent environ 7€ pièce… et les alimentations autour de 30€.

Enfin, autre possibilité hybride : piloter le premier étage de TEC1-12706, finement. Et tirer à 12V sur le deuxième étage des TEC1-12715 systématiquement. On aurait alors un point de fonctionnement inspiré de celui de Ernő Némethy, sans avoir à changer les alimentations.

Pour trancher entre les différents points de fonctionnement évoqués (7V/7V ΔT₁/ΔT₂  25°C/25°C), (12V/5V ΔT₁/ΔT₂ 30°C/20°C), il faut expérimenter, ou écrire un petit algorithme de résolution de l'empilement. Les COP globaux n'ont pas l'air très différents.

La première séance de montage montre une difficulté inattendue : la complexité du câblage et de la distribution de l'alimentation électrique. Cela vient renforcer le constat précédent.

Idée : réaliser des PCB de distribution de l'électricité, par exemple avec les connecteurs JST femelles pour les ventilateurs, et des borniers pour le reste. Peut-être même intégrer tout cela sur un PCB au format shield Arduino, pour éviter tous les jumpers qui forment un plat de spaghettis totalement ingérables. Ou même intégrer les composants… mais ça devient plus cher, car le prix des break-out boards, (avec les connecteurs, les LED indicatrices etc.) sur AliExpress est inférieur au prix des composants individuels chez Farnell !

Ou alors on dessine la carte, et on la fait assembler en Chine. Ou alors, on se dit que le prix c'est moins de temps passé à câbler…

• Ventilateurs : j'ai trouvé sur AliExpress un vendeur qui annonce 0,15A sous 12V par ventilateur, soit 1,8 W par bloc. 9 blocs → 16,2 W.
• Une pompe de liquide 1A sous 12V, 12 W. Si on réalise plusieurs circuits, pour garantir l'uniformité de la température, disons 3 pompes.
• Chauffage du plafond : 10 W ? Ce n'est même pas forcément nécessaire, si les parois sont mieux isolées que le plafond.
• Electrostatique : inconnu → 10 W.
• LED : quelques W.

Au total on aurait 100 W max.