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Peltier-Elemente werden eingesetzt, wo es auf präzise und schnelle Temperaturregelung ankommt. Dieser Ratgeber zeigt alles zur Funktionsweise, welches Bauteil sich für welchen Einsatz eignet & wie man das Beste aus den Miniatur-Kühlern herausholt.
Peltier-Elemente, auch als TEC (thermoelectric cooler, dt. thermoelektrische Module) bezeichnet, sind elektronische Bauteile, die der genauen Temperatursteuerung von Objekten dienen. Der Vorteil: Sie reagieren schnell, wenn sich thermische Belastungen ändern und werden deswegen in temperatursensiblen Anwendungen eingesetzt. Ihr Einsatz ist besonders sinnvoll in Bereichen, die ein Lüfter nicht mehr ausreichend kühlen kann. Darüber hinaus können die Halbleiter-Bauteile je nach Stromrichtung auch heizen – so regulieren sie die Solltemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.
Sie sind kleiner und leichter als Wärmekompressoren oder Wärmeableitungen und verbrauchen deutlich weniger Strom. Dank der elektrothermischen Funktionsweise mit Halbleitern kommen die Geräte ohne störungsanfällige bewegliche Bauteile und ohne kühlende Gase oder Flüssigkeiten aus. Wegen des einfachen und robusten Aufbaus sind sie ideal für den Einsatz bei schwierigen Bedingungen mit Staub und Öl sowie bei anspruchsvollen Außenanwendungen.
Die Vorteile von Peltier-Elementen im Überblick:
Die Funktionsweise von Peltier-Elementen Die Hauptbestandteile von Peltier-Elemente sind p- und n-dotierte Halbleiter, deren unterschiedliche Anzahl freier Elektronen für den nötigen Energieunterschied sorgen. Sie bestehen aus Bismuttellurid oder Siliciumgermanium und sind als kleine Würfel oder Pellets über Kupferbrücken miteinander verbunden, damit Strom zwischen ihnen fließen kann. Die spezielle Anordnung sorgt dafür, dass sich eine Seite erhitzt und die andere abkühlt, wenn Spannung angelegt wird. Die Elektronen müssen dabei unterschiedliche Energieniveaus zwischen den verschiedenen Materialien überwinden. Dadurch entsteht die für Peltier-Elemente typische Temperaturdifferenz. Für die bessere Wärmeübertragung sind die Halbleiter zwischen zwei thermisch leitende Keramikplatten geklemmt.
Im Detail funktioniert das so: N-dotierte Halbleiter verfügen über ein geringeres Energieniveau als p-dotierte. Damit die Elektronen von den n-dotierten Halbleitern auf das höhere Energieniveau der p-dotierten wandern können, müssen sie Energie aufnehmen. So entsteht ein Kühleffekt. Wandern die Elektronen andersherum von p nach n, müssen sie Energie abgeben, um auf ein tieferes Energieniveau zu kommen. Dadurch entsteht Wärme. Achtung: Technisch gesehen fließt der Strom umgekehrt zur Elektronenbewegung, also für den Kühleffekt von p nach n.
Was ist der Peltier-Effekt?
Die Funktion von Peltier-Elementen basiert auf dem Peltier-Effekt, der nach den Beobachtungen von Jean Peltier benannt ist. Er stellte bereits 1834 fest, dass der Stromfluss zwischen zwei ungleichen Leitern eine Temperaturdifferenz erzeugt, das heißt an den Verbindungsstellen erwärmen oder abkühlen. Erst später entdeckte man mit den Gesetzmäßigkeiten der Thermoelektrik, dass energetische Ausgleichsvorgänge der Grund dafür sind.
Hier kommen Peltier-Elemente zum Einsatz Peltier-Elemente finden sich als Temperaturregler überall dort, wo stabile Temperaturen nötig sind und es auf eine präzise und schnelle Anpassung an Veränderungen ankommt, zum Beispiel:
Peltier-Kühlungen oder thermoelektrische Generatoren bestehen prinzipiell aus dem zwischen zwei Keramikplatten befindlichem Peltier-Element und einer Stromquelle. In Kühlelementen ist ein Metallblock aus einer Aluminiumlegierung und hoher thermischer Leitfähigkeit auf der kühlen Seite des Peltier-Elements angebracht. Er sorgt für eine konstante thermische Verbindung und einen besseren Wärmefluss mit dem zu kühlenden Bauteil. Auf der anderen Seite nimmt ein Kühlkörper entstehende Wärme auf und leitet diese an die Umgebung ab.
Bei der Auswahl des Kühlkörpers ist zu beachten, dass nicht nur das zu kühlende Objekt, sondern auch das Peltier-Element selbst Wärme produziert. Die Leistung des Kühlelements muss also auf die beiden Werte abgestimmt sein, damit das Peltier-Element seine optimale Kühlleistung erreicht. Eine Wärmeleitpaste kann hier die Wärmeübertragung auf beiden Seiten effektiv unterstützen.
Ein komplettes thermoelektrisches Kühlsystem verfügt zudem über Temperatursensoren zur Überwachung der warmen und kalten Keramikplatten. Eine Steuerungseinheit berechnet aus den Daten die Temperaturdifferenz und den nötigen Stromfluss, um die Solltemperatur aufrechtzuerhalten.
Je nach den spezifischen Anforderungen kommt ein anderes Peltier-Element zum Einsatz. Das passende Bauteil ist abhängig von der zu übertragenden Wärmeleistung, der maximalen Temperaturdifferenz und der Höchsttemperatur der heißen Seite.
Peltier-Elemente sind in der Regel in quadratischer Form und in verschiedenen Abmessungen zwischen 4 mm und 62 mm Kantenlänge erhältlich. Die Betriebsspannung ist abhängig von der Menge der geschalteten Halbleiter-Pellets. Peltier-Elemente gibt es von weniger als 1 Volt bis zu 230 V. Bauteile mit Niederspannung von 12 V und 24 V verwendet man im Automobilbereich oder in der additiven Fertigung. In leistungsstarken Schaltschrankkühlungen finden sich Peltier-Elemente mit 230 V. Die Kühlleistung reicht bis etwa 100 Watt, damit können die Bauteile eine maximale Temperaturdifferenz von 70 Kelvin überbrücken.
Gewöhnliche Lötverbindungen in Peltier-Elementen zwischen elektrischem Anschluss und den Halbleiterelementen sorgen für eine stabile mechanische, thermische und elektronische Verbindung. Durch die ständigen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen beim Betrieb des Peltier-Elements entstehen mit der Zeit Mikrorisse, die die Funktion beeinträchtigen oder zum Ausfall führen können. Die Lebensdauer herkömmlicher Peltier-Elemente ist aufgrund dieser thermischen Ermüdung auf etwa 10.000 Zyklen begrenzt. Moderne Technologien versuchen diesem Effekt entgegenzuwirken: So verwendet man beispielsweise spezielle Lötmetalle wie Antimon-Zinn, die über einen höheren Schmelzpunkt und damit eine stärkere Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturveränderungen verfügen. Auch verklebt man Halbleiter mit wärmeleitendem Harz, welches elastisch ist und dem ständigen Ausdehnen und Zusammenziehen besser standhält.
Peltier-Elemente sind klein und handlich, haben aber eine geringe Effizienz gegenüber anderen Kühlsystemen. Ihr Wirkungsgrad beträgt nur 1/10 des Carnot-Wirkungsgrades. Sie eignen sich deswegen vor allem für kleinere Temperaturdifferenzen. Bei größeren Differenzen weisen die elektronischen Bauteile eine hohe elektrische Leistungsaufnahme bei relativ geringer Kühlleistung auf.
Welchen Temperaturunterschied ein Peltier-Element erreichen kann, hängt von der Leistungszahl ab. Gebräuchlich ist auch die englische Bezeichnung „Coefficient of Performance“ oder kurz COP. Dieser wird von dem Betriebspunkt, der thermischen Ausstattung und der Versorgungsart des Bauteils beeinflusst.
Der optimale Betriebspunkt ist abhängig von der Temperaturdifferenz und dem angelegten Strom (I). Grundsätzlich arbeiten Peltier-Elemente effizienter bei geringem Arbeitsstrom, das Optimum liegt zwischen 0 und 70 %. Die Kurve ist je nach Temperaturdifferenz unterschiedlich stark ausgeprägt. Das heißt, die optimale Stromversorgung hängt von der der jeweiligen Temperaturdifferenz ab. Bei standardisierten Modulen kann man auf dem der Verpackung beigelegtem Diagramm entnehmen, wie viel Strom man für die gewünschte Kühlleistung benötigt.
Es gilt: Ist die Temperaturdifferenz < 25 Kelvin, liegt der optimale COP zwischen 0 bis 33 % des maximalen Arbeitsstroms. Bei Temperaturdifferenzen > 25 Kelvin sind 33 bis 66 % des Maximums optimal.
Um das Maximum aus einem Peltier-Element herauszuholen, gilt es bei der Konstruktion einer Kühlung drei wichtige Punkte zu beachten:
Die optimale Kühlung:
Peltier-Elemente erzeugen eine Temperaturdifferenz. Der Kühleffekt ist am größten, wenn die heiße Seite sich weniger erhitzt. Deswegen sollte man diese so gut wie möglich kühlen und für ausreichend Luftzirkulation sorgen. Oft greift man dafür auch auf zusätzliche Mittel wie den Einbau eines Ventilators zurück.
Leistungsverluste minimieren:
Um Kälteverlust zu vermeiden und den Einfluss der Umgebungswärme zu reduzieren, sollte man den gekühlten Bereich so gut wie möglich isolieren.
COP optimieren:
Um einen idealen COP zu erreichen, sollte man ein Peltier-Element mit ausreichender Leistung auswählen. Es können auch mehrere Elemente kombiniert werden. Da der optimale Betriebspunkt bei niedrigen Strömen liegt, können auf diese Weise Störungen absorbiert werden. Ist die Leistung der Bauteile zu gering, kann ungewollt eine Heizung entstehen.
Umgebungstemperatur und Kühlkörperkapazität bestimmen die maximale Betriebstemperatur des Bauteils und damit die Wärmeabfuhr des Kühlsystems. Gängige Peltier-Elemente können einen Temperaturunterschied von 60 °C bis 70 °C herstellen und werden etwa -30 °C kalt. Je nach Ausführung, angelegter Spannung und Stromstärke kann ein modernes Bauteil eine Temperaturdifferenz von 250 °C erzeugen.
Diese Funktionsweise von Peltier-Elementen wurde schon getestet. Vor allem für die Kühlung von CPU ist die Anwendung der Bauteile interessant, um so die Geräuschbelastung in Rechenzentren zu reduzieren. Eine der Herausforderungen hierbei ist das entstehende Kondenswasser an der kalten Seite.
Als Umkehrung des Peltier-Effekts ist auch die Stromerzeugung mit den Bauteilen möglich. Erzeugt man einen Temperaturunterschied an beiden Seiten des Bauteils, entsteht eine elektrische Spannung. Bekannt ist dies als Seebeck-Effekt.
Damit das Bauteil heizt, statt zu kühlen, muss man nur die Stromrichtung umkehren, also das schwarze Kabel an den Pluspol der Gleichstromquelle anschließen.
Für den Betrieb der Bauteile ist Gleichstrom notwendig, denn die Umkehr der Stromrichtung führt zu einem Wechsel zwischen Kühl- zu Heizfunktion.
