Le module Peltier permet de transférer la chaleur d’un côté du module vers l’autre côté, réfrigérant ainsi le premier côté (voir images ci-dessous). Ces modules sont moins puissants que les systèmes de refroidissement à compression des réfrigérateurs mais suffisent à refroidir des canettes malgré une efficacité énergétique limitée.
Source: Wikipédia
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But du projet
Le projet consiste à réaliser un refroidisseur de canettes destiné à être placé sur une table à l’aide de modules Peltier en essayant de minimiser le temps de refroidissement.
Pour cela, nous utiliserons 2 modules Peltier asservis par un Arduino. Ils seront placés dessous et sur le côté de la canette à refroidir.
Par la suite, les modèles présentés ont été modélisés sur OnShape et sont disponibles à la fin.
1ère partie: La maquette
Les modules Peltier nécessite un refroidissement du côté chaud sous peine de voir le côté froid se réchauffer par conduction thermique et effet Joule. Nous avons donc pensé à réaliser une boîte permettant un flux d’air pour refroidir le côté chaud des modules à l’aide de ventilateurs.
Notre boîte comportera aussi un couvercle autour de la canette à refroidir pour limiter au plus les pertes de froid.
On remarquera que la maquette comporte un 3ème emplacement pour un module Peltier qui n’est finalement pas utilisé.
Nous avons opté pour l’utilisation de la découpeuse laser pour la maquette. La découpe précise et très rapide en sont les principaux avantages.
En revanche, nous avons utilisé du bois MDF et l’utilisation intensive d’une telle machine pourrait engendrer des problèmes d’humidité sur la maquette.
Le montage de la boîte se fait assez simplement en fixant d’abord les pièces de la vue principale ci-dessus avec de la colle à bois. (Astuce: positionnez d’abord vos composants avant de fixer des pièces ensemble. Cela permettra de voir les pièces à ajuster.)
En fonction des matériaux et composants disponibles, nous avons pris des libertés. Nous avons ajouté des plaques en aluminium pour assurer le contact entre les modules Peltier et la canette et pour fixer les dissipateurs thermiques, et ensuite des vis et punaises pour fixer les ventilateurs et les dissipateurs thermiques.
Afin d’aider le flux d’air à remonter, nous avons modélisé une rampe à imprimer en 3D.
2ème partie: Le circuit électrique
Le circuit électrique était la partie la plus compliquée pour nous qui ne sommes pas des experts en électronique.
Il est possible d’asservir les modules Peltier en tension et en intensité. Pour des raisons de simplicité de circuit, nous avons choisi de contrôler les modules en intensité. Le schéma utilisé est ci-dessous.
Ce schéma a été créé sur Tinkercad. Les modules Peltiers sont représentés par les LED rouges et les modules de température avec leurs sondes de type K ne sont pas représentés (il y a néanmoins les fils de ces modules sur la breadboard à droite). Pour des raisons de clarté, seuls les branchements d’un module de température sont représentés sur l’arduino (5 fils rouge, noir, cyan, violet et rose sur la breadboard).
Les ventilateurs sont représentés par les LED bleues.
La principale difficulté sur le circuit était de souder les mosfets ainsi que des rallonges de fils pour que ça aille dans la maquette.
On remarquera qu’il y a deux circuits en parallèle et que celui de l’arduino contrôle les mosfets N pour éviter la surchauffe des modules Peltiers.
ATTENTION: Bien fixer des dissipateurs thermiques sur les mosfets car ils chauffent beaucoup.
Les sondes de températures nous servent à contrôler en temps réel que la différence de température entre les deux faces d’un module Peltier ne dépasse pas les 70°C (seuil à ne pas dépasser selon le constructeur).
On remarquera que seules 3 sondes ont été utilisées pour 2 modules. Effectivement, 2 sondes se chargeront de vérifier les températures d’un module tandis que la dernière sonde servira à mesurer la température chaude de l’autre module. En supposant que ce dernier ne puisse pas refroidir plus que le premier module, il suffit de s’assurer qu’il ne chauffe pas plus pour rester sous le seuil. Pour cela, pendant que le premier module essaiera de s’approcher du seuil limite, le deuxième essaiera de caler sa température chaude sur celle du premier.
Nous avons pour des raisons de sécurité mis des marges de quelques degrés dans le code arduino pour être sûr de ne pas brûler les modules Peltier.
Cela permet de s’affranchir de trop modifier la maquette afin de vérifier la température froide du module Peltier monté sur la photo plus haut.
L’alimentation
Le tout est alimenté par une alimentation de PC, qui est malheureusement trop encombrante pour être intégrée à la maquette.
Son utilisation est plus simple qu’il n’y parait: il suffit d’utiliser les fils utiles dont les tensions et intensités sont renseignées sur l’alimentation.
Le fil vert est la PS-ON et doit être court-circuité avec la terre pour que l’alimentation s’allume (simulation d’un appui sur le bouton POWER d’un PC).
Les fils jaunes/noirs et violets sont à 12V et servent à alimenter les modules Peltiers (jaune/noir), le ventilateur AVC (jaune/noir), l’arduino (violet) et le ventilateur Sunon (violet).
Le fil bleu n’est pas utilisé.
L’assemblage
La gestion des câbles n’est pas idéale. L’espace à l’arrière est serré et des câbles perturbent le flux d’air. Les moyens de fixation sont aussi à revoir en cas de réplication du projet.
Les difficultés
Nous avons refait tardivement notre maquette pour l’agrandir et aussi accueillir le circuit électrique à l’arrière. Cela nous a pris beaucoup de temps car nous avions prévu de ne pas faire de l’asservissement en température pour simplifier. Mais cela serait trop dangereux car les modules Peltier doivent être maintenus à une différence de température pas trop élevé entre les deux faces.
Malgré les mesures, nous avons aussi poncé certaines parties de la maquette pour notamment le ventilateur avant et laisser de la place pour les fils des modules Peltier. Il aurait fallu faire des schémas plus détaillés pour éviter ces ajustements et mieux accueillir les libertés prises par rapport au schéma.
La manipulation de la pâte thermique n’était pas aisée. Nous pensions que la pâte thermique suffirait à faire tenir les dissipateurs thermiques mais la pâte thermique ne sèche pas. Les pièces étaient mobiles ce qui a laissé des traces sur la maquette.
Améliorations possibles
Voici une liste d’améliorations possibles ou pistes à explorer:
- Améliorer le refroidissement du Peltier du bas en créant une isolation en polystyrène autour de la canette ou une cuve.
- Mettre la canette horizontalement plutôt que verticalement dans la machine.
- Mesurer les températures froides de chaque Peltier pour rendre indépendant les modules.
- Capteur de température infrarouge pour connaitre la température de la canette.
Une autre itération pourrait donner un produit plus satisfaisant.
Conclusion
Nous nous sommes lancés dans ce projet très éloigné de notre zone d’expertise et nous a beaucoup appris sur les machines du Fablab, notamment l’imprimante 3D et la découpeuse laser mais aussi sur l’électronique et les arduinos.
Nous remercions Mr. Allali pour l’usinage du radiateur pour assurer le contact avec la canette et Mr. Boussicault pour toute la partie électronique.
Les principaux composants/matériaux utilisés
| Composant | Quantité | Référence |
| Module Peltier | 2 | TEC12715 |
| Ventilateur Sunon 12V 4,4W | 1 | PMD1207PTB1-A(2).GN |
| Ventilateur AVC 12V 0,7A | 1 | DS08025R12 |
| Grilles ventilateurs 80x80mm | 2 | |
| Vis ventilateur : 5x10mm | 6 | |
| Bois MDF 6mm et 3mm | ||
| Alimentation FORTRON ATX-350PNF | 1 | ATX-350PNF |
| Pâte thermique | ||
| Colle à bois | ||
| Sondes thermiques de type K | 3 | |
| Modules MAX6675 | 2 | |
| Arduino uno R4 minima | 1 | |
| LCD 2*16 avec module I2C | 1 | |
| Breadboard et câbles | ||
| Dissipateurs thermiques 30x30x30 mm | 8 | ATS-FPX030030030-83-C2-R0 |
| Mosfet N | 2 | IRL510 |
| Dissipateur thermique pour mosfet | 2 |
Lien vers le modèle OnShape de la maquette: https://cad.onshape.com/documents/9c9a6f866cd668dd95274b07/w/1fb2210d7f314a59c2d4429b/e/73531a252e90794780cb33ea?renderMode=0&uiState=6642f1315fd1470605c9d5a0
Lien vers le modèle OnShape de la rampe: https://cad.onshape.com/documents/090efa0522281a0e41ba5a04/w/ddb3dc853eada9029fc149d9/e/46f13be30cc66de240b3ae24?renderMode=0&uiState=6642f19bf2284c69c3f3d22f