Quick-Cool Bibliothek: Peltier-Element

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Peltier-Element oder auch Thermoelektrische Kühler (TEC) genannt, sind thermoelektrische Wärmepumpen. Das bedeutet, dass durch die Zuführung elektrischer Energie Wärme entgegen ihres natürlichen Gefälles transportiert werden kann. So ist es möglich, mit diesen Bauteilen, je nach Anwendungsfall, zu kühlen oder zu heizen. Dieses Verhalten wird durch die Stromrichtung definiert. Dabei wird der Umgebung auf einer Seite Wärme entzogen, zur anderen Seite des Elements transportiert, und dort über die Fläche abgegeben. Dabei kann der Temperaturunterschied theoretisch bis zu 73K bei einem einfachen Element und bis über 100K bei mehrstufigen Elementen betragen.

Die Anwendungsgebiete von Peltier-Elementen sind sehr vielfältig. Generell werden sie überall dort eingesetzt, wo eine Kühlung mit geringem Temperaturunterschied, präziser Regelung und dynamischem Verhalten notwendig ist. Angefangen bei komplexer Analysetechnik im Bereich der Medizin über lichtempfindliche CCD-Sensorik bis hin zu mobilen Kühllösungen sind thermoelektrische Heiz- und Kühlsysteme weit verbreitet.

Funktionsprinzip & Physikalische Effekte

Namensgeber und Funktionsweise von Peltier-Elementen ist der sogenannte Peltier-Effekt und dieser ist Teil der Thermoelektrizität. Darunter werden diverse physikalische Effekte zusammengefasst, bei denen sich thermische und elektrische Phänomene gegenseitig beeinflussen.

Die vier wichtigsten Effekte in Bezug auf die Thermoelektrizität sind:

1 . Peltier Effekt: Wird ein Strom durch eine Anordnung unterschiedlicher Leitermaterialien geleitet, so besitzt das Elektron, welches sich quasi durch den Leiter bewegt in den verschiedenen Leitermaterialien unterschiedliches Energieniveau. Trifft das Elektron auf eine Grenzfläche zwischen zwei Leitern, so muss für die Aufrechterhaltung des Stomflusses entweder Energie aufgenommen oder abgegeben werden. Eine Energieaufnahme wird über Wärmeentnahme aus dem Material der Grenzfläche bewirkt. Eine Energieabgabe erwärmt das Material der Grenzschicht.

Der Peltiereffekt ist verantwortlich für den Wärmetransport im stromdurchflossenen Peltierelement.

2 . Seebeck-Effekt: Die Ursache dieses thermoelektrischen Effekts liegt in der Bindung und im Zuge dessen insbesondere am freien Elektronenfluss im Metall. Wird ein Metalldraht nur an einem Ende erwärmt, nehmen die Schwingungen des Gitters sowie die Bewegung der freien Elektronen zu. Aufgrund dessen beginnen sich diese praktisch auszudehnen und diffundieren immer mehr in Richtung des kalten Endes. Dort ist die kinetische Energie der Elektronen geringer und infolgedessen werden sie nicht durch starke Stoßvorgänge wieder abgestoßen. Das bedeutet, dass im Draht eine ungleichmäßige Verteilung der Ladung vorliegt. Die erwärmte Seite weist demnach einen Elektronenmangel und die kalte einen Elektronenüberschuss auf. Die dadurch entstandene elektrische Spannung wird auch als Thermospannung bzw. Seebeck-Spannung bezeichnet. Die Größe dieser Spannung wird durch den Seebeck-Koeffizienten bestimmt.

Der Versuch, diese Spannung abzugreifen, scheitert daran, dass die Spannungsabgriffe den physikalischen Zustand derart beeinflussen, dass sich in Summe die Spannungen aufheben. Um die Spannung jedoch nutzbar zu machen, verwendet man zwei unterschiedliche Materialien, die möglichst unterschiedliche Spannungen generieren. Dieser Unterschied kann nun tatsächlich abgegriffen und zur Stromerzeugung genutzt werden. Zudem kann dieser Materialwechsel beliebig oft wiederholt werden, so dass beachtliche Spannungen erreicht werden können.

Der Seebeck-Effekt schmälert den Peltiereffekt, da hier eine Gegenspannung aufgebaut wird, die den Innenwiderstand vergrößert.

3 . Thomson-Effekt: Liegt an einem stromdurchflossenen Leiter eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten, wird, je nach Metallart, entweder mehr oder weniger Wärme transportiert. Zwar wird diese ebenso durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials übertragen, jedoch sorgt der entstehende Widerstand für weitere Erwärmung. Dadurch lässt sich der Effekt nur bedingt nachweisen.

Für die Berechnung der Kühlleistung von Peltierelementen kann der Thomson-Effekt vernachlässigt werden.

4 . Joulsche Wärme: Die Joulsche Wärme beschreibt die Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters aufgrund seines inneren Leitungswiderstands. Im Grunde basieren alle elektrischen Heizelemente und Glühlampen auf diesem Prinzip.

Die Joulsche Wärme ist beim Kühlbetrieb unerwünscht. Fügt sie der Seite, der über den Peltiereffekt Wärme abgetrotzt wurde, doch wieder Wärme zu. Dadurch ist die Joulsche Wärme maßgeblich dafür verantwortlich, dass der Gesamteffekt nur bis zum Wert I_max zu steigern ist. Oberhalb dieses Stromes wird mehr Wärme eingetragen als abgeführt.

peltierelement-physikalische-effekte

Aufbau: Peltier-Elemente bestehen aus zwei meist quadratischen Platten, in der Regel aus Aluminiumoxid-Keramik, welche in einem Abstand von 3-5 Millimetern übereinandergelegt werden. Diese Platten dienen dazu, das komplexe Gebilde mechanisch zusammen zu halten. Das Material muss einerseits thermisch leitfähig sein, um den Wärmefluss zu gestatten und andererseits elektrisch isolieren, damit die Reihenschaltung der Materialpaarungen nicht kurzgeschlossen wird. Dazwischen befinden sich kleine Quader, genannt Schenkel oder Dices, aus einem Halbleitermaterial wie Bismuttellurid oder Siliziumgermanium. Durch p- und n-Dotierung des Materials entstehen zwei unterschiedliche Leiterwerkstoffe, die durch eine Bestromung die oben beschriebenen Effekte hervorrufen.

Peltier-Element Aufbau

In einem Peltierelement wird eine Vielzahl elektrischer Leiter aus zwei unterschiedlichen Materialien elektrisch betrachtet in Reihe geschaltet, sodass wiederholt Wärme aufgenommen und abgegeben wird. Die räumliche Anordnung der einzelnen Leiter wird nun so gewählt, dass sich die energieaufnehmenden Übergänge ausschließlich auf der einen Peltierseite, die energieabgebenden Übergänge auf der anderen Seite befinden. Der Strom läuft also mäandernd zwischen den beiden Keramikplatten hin und her. Folglich ist die Anordnung elektrisch betrachtet eine Reihenschaltung, aus thermischer Sicht liegen die Leiter alle parallel.

Die thermischen und elektrischen Eigenschaften eines Peltiermoduls werden über die Schenkelanzahl und deren Geometrie definiert.

Wie bereits beschrieben, überlagern sich die verschiedenen Effekte und beeinflussen so den angestrebten Wärmetransport des Peltierelementes. Ab einem Strom Imax bzw. ab einer Spannung Umax überwiegen die unerwünschten Effekte und eine weitere Steigerung der Energiezufuhr bewirkt eine Abnahme der Transportleistung. Bei Bismuttellurid wird dieser Effekt bei etwa 0,12V je Schenkelpaar und 25 Grad Celsius Warmseitentemperaturerreicht.

Die Wärmeleistung auf der Kaltseite errechnet sich wie folgt:

Q = S x I x T_C - R x I² - G_th x ∆T

Peltier-Effekt
Joulsche Wärme
natürlicher Wärmefluss von warm nach kalt

Wie bei der Beschreibung der einzelnen Effekte erwähnt, wird der Widerstand R über den Seebeckeffekt beeinflusst. Zudem sind alle Materialeigenschaften temperaturabhängig. Die Temperatur eines einzelnen Halbleiterschenkels beschreibt eine Kurve über die räumliche Ausdehnung und übersteigt im Inneren sogar die Temperatur der Warmseite.

Eine korrekte mathematische Beschreibung ist daher extrem komplex.

Ein Modul mit 127 Schenkelpaaren besitzt in etwa ein Umax von 15V, wohingegen ein Modul mit 241 Schenkelpaaren entsprechend ca. 28V aufweist. Die überwiegende Mehrheit der Peltiermodule basiert herstellerübergreifend auf dem gleichen Raster mit 17, 31, 63, 71, 127, 61, 241 Schenkelpaaren. Je nach Bauweise sind es jeweils ein Paar mehr oder weniger, je nachdem, wie die Schenkelpaare zwischen den Keramiken angeordnet sind und wie der elektrische Anschluss erfolgt. Die Leistungsstärke wird bei Peltier-Elementen gleicher Schenkelzahl über die maximale Stromstärke eingestellt. Je dünner die Module sind, desto leistungsstärker werden sie. Durch flachere Schenkel sinken Innenwiderstand, Joulsche Wärme und der thermische Widerstand, während die Kühlleistung steigt.

Bauformen:

Es gibt unterschiedliche Bauformen von Peltiermodulen. Die gängigste Form ist eine quadratische Form, ein augenscheinlich kleines Plättchen mit elektrischen Anschlüssen, über die ein Gleichstrom zugeführt werden kann. Mit dem Verändern der Stromstärke und Richtung kann die Temperatur angrenzender Objekte gesteuert werden. Diese Bauform ist am weitesten verbreitet.

Da leistungsstarke Module, wie beschrieben, flacher sind als Module geringer Leistung, kann hier oftmals keine Leitung mehr in den Zwischenraum eingefügt werden. Dann wählt man die Keramikseite, auf die der elektrische Anschluss angebracht wird etwas größer und kontaktiert die Anschlüsse auf dem entstehenden Überstand. Diesen Überstand nennt man Porch (Vorbau). Der Porch ermöglicht auch eine Integration ohne Leitungen, zum Beispiel mit Push-Pins oder Klemmen, da die freiliegenden elektrischen Anschlüsse direkt abgegriffen werden können. Bei sehr kleinen Modulen ist es auch geläufig, dass die heiße Seite auf zwei Seiten über die kalte Keramik hinaussteht.

Hierbei wird auf einer Seite der Plus(+)-Pol angeschlossen und auf der anderen Seite der Minus(-)-Pol.

Der technische Aufbau zum Kühlen eines Objekts mit Hilfe von Peltier-Technik besteht in der Regel aus einem Peltier-Element, einem Kühlkörper sowie dem Objekt selbst. Sind diese Komponenten sinnvoll aufeinander abgestimmt, kann dadurch die Objekttemperatur in etwa zwischen Minus 40 Grad Celsius und Plus 200 Grad Celsius gesteuert werden.

Diese Abstimmung sinnvoll vorzunehmen, macht allein die Schwierigkeit dieser Technik aus. Das Peltierelement erzeugt schließlich keine definierte Temperatur, sondern eine Temperaturdifferenz. Dieser Temperaturunterschied ist abhängig von der zugeführten Leistung, die den Peltiereffekt antreibt und der zu transportierenden thermischen Leistung. Hinzu kommen die Temperaturen im Material, die alle elektrischen und thermischen Effekte beeinflussen. Die Temperatur des zu kühlenden Objektes ist dann eine Funktion aus dieser Temperaturdifferenz und der Temperatur auf der Warmseite. Diese Warmseitentemperatur wiederum wird über den Kühlkörper bestimmt.

Die Ingenieure im Hause Quick-Ohm sind in der Lage, die Zusammenstellung der Komponenten auf die gewünschten Anforderungen abzustimmen und gegebenenfalls einen Aufbau herzustellen, auf dessen Grundlage ein Produkt zur Serienreife gebracht werden kann.

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1. Peltierelemente sind üblicher Weise rechteckige Platten mit Kantenlängen zwischen 10 mm und 50 mm. Die Dicke liegt im Bereich zwischen 3 mm bis 5 mm. An einer der schmalen Seiten ragen zwei Leitungen für die elektrische Versorgung heraus.

2. Peltierelemente aus dem Hause Quick-Ohm werden oben kalt, wenn das Element so positioniert wird, dass sich der rote Leiter rechts befindet und hier positiv bestromt wird also: Rot-Rechts-Oben-Kalt!

3. Der Peltiereffekt zeigt sich als Temperaturspreizung, verursacht durch den elektrischen Energiefluss über eine Grenzschicht zweier verschiedener Leiter.

4. Das Peltierelement vereint die Anordnung einer Vielzahl Grenzschichten aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien, die in ihrer Summe, angetrieben von elektrischer Energie, Wärme von einer Seite („Kaltseite“) zur anderen Seite („Warmseite“) des Elementes transportieren.

5. Der Transport von Wärme verursacht in der Zone des Abtransportes einen Temperaturabfall und in der Anreicherungszone einen Temperaturanstieg.

6. Das Peltierelement erzeugt durch Zuführen von elektrischer Energie eine Temperaturdifferenz zwischen seinen beiden Kontaktflächen.

7. Ohne weitere thermische Anbindung an einen Kühlkörper verbleibt die zugeführte elektrische Energie in einem Peltierelement und führt zu einer unkontrollierten Temperaturerhöhung.

8. Einem Peltierelement muss die Möglichkeit gegeben werden, die zugeführte Energie abzugeben.

9. Wird ein Peltierelement an eine Stromquelle angeschlossen, ohne eine thermische Anbindung herzustellen, so wird es innerhalb kürzester Zeit überhitzen.

10. Wird ein Peltierelement unzureichend an eine Wärmesenke (Kühlkörper) angebunden, so kann der gewünschte Temperier-Effekt nicht kontrolliert werden.

11. Der häufigste Mangel beim Aufbau von Peltieranwendungen ist die unzureichende Dimensionierung der Wärmesenke.

12. Die Temperaturdifferenz am Peltierelement ist abhängig von der Zugeführten Leistung, der transportierten Leistung und der Höhe des Temperaturniveaus, auf welchem der Vorgang vonstattengeht.

13. Der Zusammenhang zwischen zugeführtem Strom und transportierter Wärme (Kühlleistung Q des Peltierelementes) folgt in etwa einer Polynomfunktion zweiten Grades. Bis zu einem Maximalwert wächst der Wärmetransport mit zunehmendem Strom. Über diesen Wert hinaus sinkt die Transportleistung. Das Modul wird hier übersteuert.

14. Mit zunehmendem Strom steigt die Kühlleistung des Peltierelementes an. Ab einer Kühlleistung von etwa 50% Qmax muss die zugeführte elektrische Leistung deutlich überproportional gesteigert werden. Hierdurch kann es von Vorteil sein, ein voll angesteuertes Element durch ein weniger stark angesteuertes leistungsstärkeres Element zu ersetzen. Durch diese Maßnahme sinkt der Energieaufwand und der Anspruch an den nachgeschalteten Kühlkörper.

15. Übersteigt der zugeführte Strom in etwa den zweifachen Wert Imax (Datenblatt), so wird keine Wärme mehr transportiert. Ab diesem Zeitpunkt wird beiden Seiten des Peltierelementes Energie zugeführt. Das Element fungiert als reine Heizung.

16. Der Zusammenhang zwischen zugeführtem Strom und Temperaturdifferenz folgt in etwa einer Polynomfunktion zweiten Grades. Bis zu einem Maximalwert wächst die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Peltierelementes mit ansteigendem Strom. Über diesen Wert Imax hinaus sinkt die erreichbare Temperaturdifferenz. Das Modul wird hier übersteuert.

17. Übersteigt der zugeführte Strom den zweifachen Wert Imax (Datenblatt), so ändert die Temperaturdifferenz ihr Vorzeichen. Die Oberflächentemperatur beider Seiten nimmt in Folge einer weiteren Stromerhöhung zu.

18. Wurde ein qualitativ hinreichender Kühlaufbau geschaffen, so erzeugt dieser einen Bereich niedriger Temperatur. Wir empfinden diese Zone als „Kalt“.

19. Wird der Kühlzone Energie zugeführt, so steigt ihre Temperatur. Eine Energiezufuhr geschieht beispielsweise über das Eindringen von Umgebungswärme oder durch aktive Teile im Kühlbereich.

20. Wird der Kühlzone die Energie Qmax zugeführt und beträgt der zugeführte Strom I = Imax, beträgt nun die Temperatur auf der „Warmseite“ 25°C, so stellt sich auf der Kaltseite ebenfalls eine Temperatur von 25°C ein. Das Peltierelement ist nun nicht mehr in der Lage, die Kühlzone zu unterkühlen. Diese Werte sind als die Nenndaten des Peltierelementes definiert und können im Datenblatt abgelesen werden.

21. Um eine Wärmemenge Q ([Q]= Watt) abzutransportieren und gleichzeitig einen „Kühleffekt" zu erzielen, muss die Nennleistung Qmax des Peltierelementes größer sein als die abzuführende Wärmemenge.

22. Die Richtung des Wärmetransportes wird mit der Stromrichtung gesteuert und kann in beide Richtungen erfolgen.

23. Über die Stromrichtung wird gesteuert ob das Peltierelement kühlt oder heizt.

24. Über die Stromamplitude wird gesteuert wie stark das Peltierelement kühlt bzw. heizt.

25. Ein zu kühlendes Objekt muss thermisch mit der Kaltseite des Peltierelementes kontaktiert werden. Diese Verbindung stellt einen thermischen Widerstand dar. Der Wärmefluss über diesen thermischen Widerstand erzeugt einen Temperaturgradienten. Das Objekt erreicht niemals die Temperatur der Peltier-Kaltseite.

26. Die Energie, die sich auf der Warmseite (beim Kühlen) des Peltierelementes anreichert, muss über einen Wärmetauscher an ein Kühlmedium (Luft, Wasser etc.) abgegeben werden. Dieser Wärmetauscher wird qualitativ über seinen thermischen Widerstand Rth beschrieben. Über diesen Widerstand fließen die Kühlleistung Q und die zugeführte Leistung Pzu und erzeugen einen Temperaturabfall. Für den Kühlvorgang gilt somit, dass die Temperatur auf der Warmseite des Peltierelementes immer die Temperatur des Kühlmediums übersteigt.

27. Als Faustformel zur Auslegung des Wärmetauschers für Peltierelemente gilt: Rth <10K/Pzu
Hierbei ist:
- Rth = thermischer Widerstand des Kühlkörpers
- Q = abgeführte Wärme
- Pzu = zugeführte elektrische Leistung

28. Der thermische Widerstand eines Kühlkörpers laut Herstellerangabe bezieht sich üblicher Weise auf eine homogene Wärmebeaufschlagung über die vollständige Wärmeaufnahmefläche dieses Kühlkörpers. Bei der Entwärmung eines Peltierelementes ist der wirksame thermische Widerstand gegenüber dieser Angabe, bedingt durch die kleine Kontaktfläche mit dem Peltierelement, deutlich schlechter (schlechter = größer)

29. Soll ein Objekt gegenüber der Umgebung um 30 Kelvin abgekühlt werden, so muss das Peltierelement einen Temperaturunterschied von etwa 50 Kelvin zwischen seinen Oberflächen erzeugen, um den Wärmefluss von „Kalt“ nach „Warm“ zu ermöglichen.

30. Um mit Peltierelementen eine sehr niedrige Temperatur erzeugen zu können, müssen gegebenenfalls mehrere Peltierelemente thermisch in Reihe geschaltet werden. (übereinander)

31. Werden zwei Peltierelemente für eine Kühlung thermisch in Reihe geschaltet, so muss die Vorkühl-Stufe die Summe aus der abgeführten Wärmeleistung und der zugeführten elektrischen Leistung, für den Betrieb der ersten Stufe, transportieren. Damit muss die zweite Stufe leistungsstärker sein als die vorangehende.

32. Damit die zweite Stufe eines zweistufigen Peltierelementes die Abwärme der ersten Stufe abführen kann, müssen die Kontaktflächen vollständig miteinander verbunden sein.

33. Die Größe der einzelnen Flächen eines mehrstufigen Peltierelementes müssen gleich groß sein, um eine thermisch schlüssige Verbindung zwischen den Ebenen herzustellen.

34. Peltierelemente mit mehr als zwei Stufen bedingen erhebliche Nennleistungsunterschiede zwischen der ersten und der letzten Stufe. Derartig unterschiedliche Stufen können nicht mehr auf die gleiche Fläche untergebracht werden.

35. Vielstufige Peltierelemente müssen fertigungsbedingt aus unterschiedlich großen Ebenen aufgebaut werden. Hierdurch verliert die thermische Verschaltung an Qualität. Es werden große Teile unwirksam. Folglich sind die einzelnen Stufen effektiv gleichstark. Eine echte Kaskadierung findet nicht statt. Der größte Teil der aufgewendeten elektrische Leistung verpufft in den funktionslos überstehenden Rändern.

36. Um eine Vielzahl von Peltierstufen thermisch miteinander zu verschalten, müssen homogenisierende Zwischenlagen aus thermisch leitfähigem Material eingebracht werden.

37. Die Kühlleistungsfähigkeit von Peltierelementen sinkt bei niedrigen Temperaturen und steigt bei hohen Temperaturen.

38. Bei Temperaturen unterhalb von minus 150 Grad Celsius verschwindet der Peltiereffekt.

39. Es ist nicht möglich, mit Peltierelementen Temperaturen unter minus 150 Grad Celsius zu erreichen.

40. Die zunehmende Vorkühlung der „Warmseite“ eines Peltierelementes setzt sich auf der „Kaltseite“ in zunehmend geringerem Maße fort.

41. Jedes Peltierelement ist ein thermischer Generator.

42. Der maximale Wirkungsgrad der Umformung von Wärmeleistung in elektrische Leistung erreicht bei Peltierelementen maximal 5%.

43. Da der Aufbau eines Thermogenerators, inklusive seiner thermischen Anbindung an die Quelle und Senke, einen gewissen Aufwand bedarf, und weil der Wirkungsgrad der Umformung recht gering ist, erreicht der Wert der generierten Energie nicht den Kostenaufwand.

44. Für die Generierung elektrischer Energie mit Peltierelementen muss thermische Energie aus einer „warmen Zone“ durch das Peltierelement in eine „kalte Zone“ geleitet werden. Durch diesen Energieabgriff singt die Temperatur der warmen Zone und steigt die Temperatur der kalten Zone.

45. Ein thermischer Wärmeüberschuss kann niemals vollständig zur thermoelektrischen Umformung genutzt werden.

46. Peltierelemente dürfen ausschließlich mit Druck auf die Keramikplatten beaufschlagt werden. Hier dürfen Kräfte bis 200 Newton pro Quadratzentimeter wirken. Eine Belastung auf Scherung oder Zug darf nicht erfolgen.

47. Peltierelemente sind vor Erschütterung zu schützen.

48. Aufgrund der Belastungsbeschränkungen sollte eine Peltier-Montage nicht ausschließlich über Kleben erfolgen.

49. In einem dauerhaften Aufbau wird das Peltierelement immer zwischen Kühlkörper und Kühlzone verspannt werden.

50. Um thermisch bedingt Verspannungen zu minimieren, ist eine Verbindung von „Kühlkörper“ und „Temperierbereich“ federnd auszuführen. (z.B.: Tellerfeder anstatt Unterlegscheiben - siehe Abbildung)

51. Ist es konstruktionsbedingt erforderlich, die Montage ausschließlich mittels Klebung auszuführen, so ist sicherzustellen, dass auf das Peltierelement keinen Scher- oder Zugkräften einwirken.

51 goldene Regeln zum Thema Peltierelemente

Unsere Peltier-Elemente nach Q-max sortiert im Überblick:

. Einstufige Standard Peltier-Elemente aus CHINA (20.000 Zyklen & T-Max 100°C):

- Wärmetransportmenge (Qmax) 2-10 W

- Wärmetransportmenge (Qmax) 10-20 W

- Wärmetransportmenge (Qmax) 20-30 W

- Wärmetransportmenge (Qmax) 30-40 W

- Wärmetransportmenge (Qmax) 40-100 W

- Wärmetransportmenge (Qmax) 100-400 W

- PCM-Siebdruck (Phase-Change-Material)

. Einstufige Peltier-Elemente Premium aus RUSSLAND (800.000 Zyklen & T-Max 200°C) :

- Wärmetransportmenge (Qmax) 2-10 W