Peltierelemente
Seit über 25 Jahren sind thermoelektrische Elemente Bestandteil unseres Lieferprogramms.
Da Baugruppen und Geräte immer kleiner werden, ist es heute für viele Anwendungen besonders interessant Betriebstemperaturen konstant zu halten, sowie zusätzliches „Wärmepotential“ nach außen abzuführen. Mit Hilfe der Peltiertechnik ist dies auf einfache Weise möglich. Zudem arbeiten Peltiermodule vibrations- und verschleißfrei, sowie geräuschlos. Durch Umpolen der Versorgungsspannung ist sowohl „Kühlen“ als auch „Heizen“ möglich.
Kleinstelemente bis hin zu Kaskaden sind ebenso lieferbar wie runde Ausführungen.
Alle Elemente können als Schutz vor Korrosion und elektrischem wie thermischem Kurzschluss auch epoxidharzversiegelt oder silikonvergossen geliefert werden. Die Keramikplatten sind metallisiert, verzinnt oder normal geläppt erhältlich. Außerdem sind Kombinationen davon möglich ( z.B. verzinnt-metallisiert). Zur einfachen Befestigung können viele Elemente auch mit Mittelloch geliefert werden. Lüfter können Ihnen auf Anfrage ebenfalls angeboten werden. Hier sind alle gängigen Größen sowohl mit DC als auch mit AC lieferbar.
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Antworten auf Ihre Fragen…
- Was sind Peltierelemente?
- In welchen Anwendungsbereichen findet man Peltierelemente?
- Auf welche Art und Weise wirken Peltierelemente?
- Was ist beim Betrieb zu beachten?
- Wie sind Peltierelemente aufgebaut?
Was sind Peltierelemente?
Peltierelemente sind Halbleiterbauteile. Legt man an diese eine Gleichspannung an, so kühlt sich die eine Seite des Elements ab und die andere erwärmt sich. Die von der kalten Seite aufgenommene Wärmeenergie wird über die warme Seite wieder an die Umgebung abgegeben. Die Peltierelemente erzeugen hierbei keine Kühlung sondern transportieren – vereinfacht betrachtet wie eine Wärmepumpe – Wärmeenergie z.B. vom Gehäuseinneren einer Baugruppe nach außen. Oft findet man bei Anwendungen die Kombination von Peltierelement, Kühlkörper und Lüfter, bei kleineren Baugruppen reicht aber vielfach ein richtig positioniertes Peltierelement z.B. an der Gehäusewand aus, um die unerwünscht auftretende Wärme nach außen abzuführen.
In welchen Anwendungsbereichen findet man Peltierelemente?
In sehr unterschiedlichen Anwendungen ( es können sowohl feste als auch flüssige Objekte gekühlt werden ) sind diese Elemente vorzufinden u.a. in der
- Medizintechnik: Pipettenkühler, Blutanalysatoren (Analysetechnik), Kühlplatten (Krankenhaustechnik); mobile „Kühltaschen“ für Organtransporte, Blutkonserven, etc.
- Labortechnik: Infrarotdetektoren, Laserdiodenkühlung, IC-Kühler, Osmometer, konstante Temperaturbäder, Nullpunktkonstanthaltung
- Sensortechnik: CCD-Chipkühlung zur Reduzierung des Rauschens
- Computertechnik: CPU-Kühler, Kühlung von Halbleiterbaugruppen
- Forschung: Ermittlung von Testverhalten elektronischer Bauteile mittels Lastwechsel, d.h. im Wechsel Kühlen und Heizen mittels Peltierelementen
- Luftfahrt: Kühlung der elektronischen Ausrüstung
- Konsumgüter: tragbare Kühlboxen, Weinkühler, tragbare Insulinkühler
- Restaurants: Sahne- und Butterportionierer, Kühltheken
Wie sind Peltierelemente aufgebaut?
Um den Peltiereffekt zum Kühlen in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen nutzen zu können, muss dieser Effekt vor allem ausreichend sein. Besonderes Augenmerk gilt den verschiedenen Materialien, welche zum Aufbau eines solchen Peltiermodules geeignet sind, insbesondere den Materialien für die leitenden Komponenten. Bei den gängigen Metallen bewegt sich die Kenngröße – der Seebeckkoeffizient – im Bereich einiger V / K . Hinzu kommt, dass die Wärmeleitung dem entgegenwirkt und der Kühleffekt sehr gering ausfällt. Die Industrie verwendet Halbleiter- Mischkristalle. Ausgangsmaterial ist Bi2 Te3 (Wismuttellurit), wobei man beispielsweise den n – Halbleiter mit Selen und den p – Halbleiter mit Antimon dotiert.
An der warmen und kalten Seite ist eine Keramikschicht ( Al2 O3 ) aufgebracht. Diese Schichten dienen als Träger für die einzelnen p-n „Bausteine“, gleichzeitig wirken diese elektrisch auch isolierend. Die Wismuttelluritstäbchen sind elektrisch in Reihe, aber thermisch parallel geschaltet. Keramik hat den Vorteil, dass die Peltierelemente leicht herstellbar und somit preiswert sind. Darüber hinaus eignet sie sich aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit und verleiht den Elementen eine erhöhte mechanische Druckfestigkeit. Unter den Keramikplatten befindet sich eine Kupferplatte, die im direkten Kontakt mit den Halbleiterbausteinen steht und die Geometrie eines Kühlblockes bestimmt. Die Kupferplatten haben – aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer – einen sehr geringen Seebeckkoeffizienten, sie wirken sich deshalb kaum auf den Kühleffekt aus.
Was ist beim Betrieb zu beachten?
Stromversorgung: Peltierelemente werden mit Gleichstrom (DC) betrieben und können je nach Polarität (Umpolen der Stromrichtung) kühlen oder heizen. Durch den Betriebsstrom wird die Leistungsregelung der Peltiermodule erreicht. Dabei sollte die Betriebsspannung nach Möglichkeit oberwellenfrei ( je größer der Wechselspannungsanteil, desto größer die Leistungsminderung ) und stabil sein. Ein in der Praxis üblicher Richtwert von maximal 10 % darf als ausreichend angesehen werden, bessere Werte wären unter Beachtung von Leistung und Lebensdauer wünschenswert und vorzuziehen. Elemente sollten unterhalb von Imax betrieben werden, damit die Anteile von Joulscher Wärme und der Wärmeleitung möglichst gering sind; diese beiden „Effekte“ wirken – wie schon erwähnt – dem eigentlichen Kühleffekt entgegen.
Ausführungen: Für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche gibt es heute eine Vielzahl von passenden Ausführungen. Dabei unterscheidet man verschiedene Bauformen; normal quadratische, runde oder gar Formen mit innenliegendem Loch sind derzeit möglich. Darüber hinaus sind gestockte Peltierelemente, auch als Peltierkaskaden bekannt, lieferbar. Ferner sind verschiedene Ausführungen der Oberfläche möglich: die bereits erwähnte Keramikoberfläche oder eine verzinnte Oberfläche. Bei letzterer sollte jedoch nur eine der beiden Flächen verlötet werden, um einer Zerstörung aufgrund von mechanischen Spannungen vorzubeugen. Peltierelemente sind auch mit Epoxid- oder Silikonversiegelungen lieferbar, um Korrosion sowie elektrischem wie thermischem Kurzschluss vorzubeugen.
Vorteile: hohe Zuverlässigkeit da keine beweglichen Teile vorhanden sind, kompakte Bauform vereint mit geringem Gewicht, genaue Temperaturkontrolle , einfachste Regelung über die Betriebsstromstärke bzw. der Betriebsspannung möglich, durch Wahl der Stromrichtung sowohl Heizen als auch Kühlen möglich, geringe Leistungsaufnahme, geräuschloser Betrieb, hohe Lebensdauer, gutes Preis- / Leistungsverhältnis
Montagehinweise: Festklammern / Festschrauben, Festkleben mittels Epoxid, Festlöten bei metallisierter oder verzinnter Oberfläche, bessere Wärmeleitung z.B. durch Aufbringen einer Wärmeleitpaste
Lebensdauer: Peltiermodule erweisen sich – dank ihrer einfachen Handhabung als äußerst zuverlässige Bauelemente. Sie sind relativ unempfindlich, da beim Einsatz von Peltierelementen keine beweglichen Teile nötig sind. Nachteilig wirken sich zum einen Überhitzungen aus: Die vom Hersteller vorgeschriebenen Arbeits- und Lagertemperaturen sollten eingehalten werden. Standard ist z.B. + 80°C bis -150°C . Ab Temperaturen größer als +80°C diffundieren die Kupfermoleküle stärker und schneller in das Halbleitermaterial Wismut-Tellurit. Zusätzlich könnte das Lot, welches zur Kontaktierung der Halbleiterelemente Verwendung findet, schneller schmelzen; dies führt dann zu einer sich lösenden Kontaktierung. Falschbedienungen (z. B. Anlegen zu hoher Betriebsspannungen) oder Erschütterungen, z. B. Herunterfallen der Peltierelemente beeinträchtigen die Lebensdauer und können bis zur Zerstörung führen!
Tipps aus der Praxis: nach Möglichkeit nur bei 40-80 % des maximalen Stromwerts betreiben; bei höheren Werten steigt die Joulesche Wärme und reduziert den Peltiereffekt! Beim Einsatz mehrerer Peltierelemente z. B. auf einem Kühlkörper sollte dieser plangeschliffen sein und die Peltierelemente aus einer Charge stammen, also möglichst die gleiche Höhe besitzen; eventuell ist auch ein Nachschleifen denkbar. Kommt Wärmeleitplaste zum Einsatz, sollte diese „hauchdünn“ von innen nach außen aufgetragen werden, um ein Eindringen zwischen den einzelnen p-n Bausteine zu verhindern; so wird auf diese Weise von vorneherein zusätzlichen Wärmebrücken vorgebeugt.
Auf welche Art und Weise wirken Peltierelemente?
Die Grundlage bildet der nach dem französischen Physiker Peltier benannte Peltiereffekt, der aussagt, dass bei einem Stromdurchgang an der Kontaktstelle zweier unterschiedlicher, einander sich berührender Metalle eine Temperaturabsenkung gegenüber der Umgebungsluft festzustellen ist. Diese quasi Umkehrung des Thermoelektrischen Effekts (oder auch Seebeckeffekts) war anfangs sehr klein und kaum nutzbar. Heute hingegen, durch die Verwendung moderner Halbleitermaterialien konnte dieser Effekt wesentlich verbessert werden. Zu den wichtigsten Eckgrößen des Halbleitermaterials zählen der spezifische elektrische Widerstand, sowie die Wärmeleitfähigkeit. Geht man einfach davon aus, dass ein elektrischer Strom durch einen Halbleiterschenkel fließt und gleichzeitig ein Temperaturunterschied vorliegt, so treten sowohl Anteile von Joulescher Wärme (= Die Joulesche Wärme ist als Reibungsarbeit des elektrischen Stromes im Material zu verstehen ), als auch Anteile von Wärmeleitung (d. h. die von Teilchen zu Teilchen fortgeleitete Wärme innerhalb eines Stoffs, jedoch werden dabei die Teilchen selbst nicht transportiert. Einige Hersteller bezeichnen diese Wärmeleitung auch als Konvektion.) auf. Diese beiden auftretenden Prozesse wirken dem eigentlichen Peltierkühleffekt entgegen!
Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit Ihnen!
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