Thermoelektrische Generatoren (TEG)

Mesh- und Sinterkapillaren unterscheiden sich in Struktur, Kapillarwirkung und Anwendungsbereich.

Sinter (gesinterte Metallpulver-Strukturen) bieten eine sehr hohe Kapillarwirkung in alle Richtungen und sind besonders geeignet, wenn die Einbaulage der Heatpipe variabel oder ungünstig ist (z. B. horizontal oder gegen die Schwerkraft). Sie sind robust, bieten gleichmäßige Rückführung des Arbeitsmediums und eignen sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen mit wechselnder Lage oder dynamischer Belastung. Mesh-Kapillaren bestehen aus gewickeltem Drahtgeflecht (Kupfer) und sind kapillarisch weniger leistungsfähig. Sie funktionieren besonders gut, wenn die Heatpipe in bevorzugter Einbaurichtung (z. B. vertikal aufsteigend) betrieben wird. Mesh Heat Pipes können besser abgeflacht werden und können in größeren Längen oder auch kleineren Durchmessern gefertigt werden. Wenn ein Sinter Heat Pipe in der gewünschten Form verfügbar ist, bieten diese ein breiteres Anwendungsspektrum als Mesh Heat Pipes. Quick-Ohm bietet beide Varianten an und unterstützt bei der Auswahl – auf Basis Ihrer Einbausituation, Leistungsvorgaben und Montagebedingungen.

Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Oberflächenbeschichtungen:

• blankes Kupfer
• vernickelt
• Antioxidationsschicht

Von blankem Kupfer ist abzuraten, dass es sehr schnell an der Umgebungsluft oxidiert und optische Wertigekeit einbüßt. Die Nickelschicht kann das Löten vereinfachen und ist beständig gegen Berührungen und im gewissen Maße gegen Feuchtigkeit. Allerdings ist die Nickelschicht chemisch aufgebracht und nur 4-8µm Dick und somit nicht als korrosionsfest im technischen Sinne anzusehen. Antioxidationsschicht ist eine Klarlackschicht, die ein Oxidieren an der Umgebungsluft verhindert, aber nicht als Korrosionsschutz zu verstehen ist. Unsere Anwendungstechniker helfen bei der Auswahl – auch unter Berücksichtigung der mechanischen Montage und elektrischen Isolation.

Der thermische Widerstand (K/W) beschreibt, wie effizient eine Heatpipe Wärme vom Verdampfer- zum Kondensatorende transportiert. Ein niedriger Wert (z. B. 0,1 K/W) bedeutet, dass pro Watt Wärmefluss nur 0,1 K Temperaturunterschied entsteht – also eine sehr effiziente Wärmeleitung. 

Allerdings ist der Wert abhängig von Einbaulage, Umgebungstemperatur, Verdampferleistung und der tatsächlichen Wärmeabgabe am Kondensator. Eine Heatpipe mit sehr gutem K/W-Wert kann bei falscher Einbaulage (z. B. gegen die Schwerkraft) trotzdem ineffizient arbeiten.

Bei kleinen Leistungen bezogen auf die mögliche Gesamttransportleistung der Heat Pipe kann der Rth höher sein, dieser Effekt gleicht sich aber bei steigender Transportleistung aus.

In der Praxis ist der thermische Widerstand besonders bei sensiblen Anwendungen mit engem Temperaturbudget (z. B. bei Laserdioden oder Leistungshalbleitern) ein entscheidender Vergleichswert. Quick-Ohm liefert auf Wunsch Heatpipes mit spezifizierten K/W-Werten unter definierten Testbedingungen und unterstützt bei der Einordnung in Ihr thermisches Gesamtkonzept.

Das Arbeitsmedium in der Heatpipe bestimmt maßgeblich den einsetzbaren Temperaturbereich

Quick-Ohm setzt je nach Anwendung verschiedene Medien ein, u. a.:

• Wasser: Standardmedium, sehr hohe Verdampfungsenthalpie, ideal für 10–250 °C
• Methanol: geeignet für niedrigere Temperaturen (unter 0 °C)
• Ammonium/Aceton: für Anwendungen unter -40 °C bis +120°C 

Die Auswahl hängt vom gewünschten Temperaturfenster, Materialkompatibilität (z. B. mit Kupfer) und der Einbaulage ab. Bei sehr vielen Anwendungen spielt die Toxizität oder Entflammbarkeit des Mediums eine Rolle. Es ist zu berücksichtigen, dass Wasser aufgrund seiner Verdampfungsenthalpie, Oberflächenspannung, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Dichte sehr gut als Transportmedium funktioniert. Alle Alternativen, egal ob Methanol, Aceton oder Kältemittel sind mindestens 1 Dekade schlechter in der Performance.

Unsere Ingenieure beraten Sie bei der Auswahl des passenden Mediums – auch unter Berücksichtigung von Normen, Sicherheitsanforderungen und Lebensdauer.

Kupfer ist Standard für Heatpipes, da es eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit (ca. 400 W/mK) bietet, leicht zu bearbeiten ist und gute Kompatibilität mit Wasser als Arbeitsmedium aufweist. Es ist die erste Wahl für klassische Elektronikanwendungen, OEM-Baugruppen und kostenoptimierte Serienprodukte.

Edelstahl dagegen wird eingesetzt, wenn besondere Anforderungen bestehen – z. B.:

• aggressive Umgebungen (z. B. Chemieanlagen, Seeluft)
• sterile Prozesse (Medizintechnik, Lebensmitteltechnik)
• Nicht-Magnetismus oder EMV-Anforderungen

Edelstahl-Heatpipes sind robuster, aber schwerer und thermisch weniger leitfähig. Quick-Ohm berät projektabhängig, wann der Einsatz von Edelstahl technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist – auch bei Sonderanforderungen wie Vakuum, ATEX oder Hochtemperatur.

Die Heatpipes von Quick-Ohm unterliegen einem qualitätsgesicherten Fertigungsprozess, der auf die Anforderungen industrieller Anwendungen abgestimmt ist. Die Fertigung erfolgt unter kontrollierten Bedingungen mit geprüften Materialien Jede Heatpipe wird auf Dichtheit (Helium-Lecktest/Burn-In) sowie auf thermische Funktion geprüft. Die Fertigung ist in Anlehnung an ISO 9001 zertifizierte Prozesse eingebettet. Auf Wunsch können produktspezifische Prüfzertifikate, Fertigungsprotokolle oder Seriennummern bereitgestellt werden – insbesondere bei Serienprojekten oder OEM-Vorgaben.

Quick-Ohm achtet besonders auf Reproduzierbarkeit und Rückverfolgbarkeit – wichtig für Unternehmen, die Normen wie EN 9100 (Luftfahrt), ISO 13485 (Medizin) oder IATF 16949 (Automotive) einhalten müssen.

Jede Heatpipe wird bei Quick-Ohm individuell geprüft, bevor sie ausgeliefert wird. Der Prüfprozess umfasst typischerweise:

• Burn/In und ggf. Helium-Lecktest zur Dichtheitskontrolle
• Funktionsprüfung unter Wärmelast (dT-Test, Sprungantwort)
• Sichtprüfung der Biegung, Kapillarstruktur und Oberflächengüte

Diese Qualitätsmaßnahmen sichern die Zuverlässigkeit im Einsatz und minimieren das Risiko eines Funktionsausfalls im Feld.

Heatpipes gelten als passive, wartungsfreie Komponenten mit sehr hoher Lebensdauer. Bei korrektem Einsatz (innerhalb von Temperaturgrenzen und ohne mechanische Überlastung) kann eine Heatpipe über 10–20 Jahre stabil funktionieren – auch im Dauerbetrieb.

Die Performance bleibt über die gesamte Lebensdauer konstant, da keine beweglichen Teile verbaut sind. Vorausgesetzt, die Heatpipe bleibt dicht und das Arbeitsmedium verdampft nicht (z. B. durch Diffusion), ist keine Alterung der thermischen Leistung zu erwarten. Einflussfaktoren auf die Lebensdauer sind:

• Qualität der Dichtung
• Medium-Material-Kompatibilität
• mechanische Beanspruchung (z. B. Vibration)
• Betriebstemperatur und Umgebungseinflüsse

Quick-Ohm verwendet hochwertige, diffusionsarme Materialien und geprüfte Dichtverfahren, um maximale Lebensdauer auch bei schwierigen Bedingungen (z. B. Automotive, Bahn, Outdoor) zu gewährleisten.

Quick-Ohm bietet eine breite Palette an kundenspezifischen Anpassungen, um Heatpipes exakt auf Ihre Anwendung zuzuschneiden. Mögliche Anpassungsparameter sind u. a.:

• Länge und Durchmesser (ab ca. 3 mm Ø bis >10 mm)
• Biegeverlauf (2D oder 3D, mit CAD-Abstimmung)
• Kapillarstruktur (Sinter, Mesh)
• Arbeitsmedium (Wasser, Ammoniak, Methanol etc.)
• Material (Kupfer, Edelstahl)
• Oberfläche (vernickelt, blank, Lackschicht)
• Abflachung, Anschlussadapter
• Integration in Baugruppen (mit Kühlkörper, Halterung etc.)
• Einlötung oder Klebung in Wärmetauscher

Diese Individualisierung erfolgt entweder als Einzelstück (Prototyp) oder für Serienanwendungen. Quick-Ohm berät frühzeitig zur Machbarkeit und gibt Empfehlungen zu Toleranzen, Biegeradien und thermischer Auslegung.

Ja – bei der Biegung sind sowohl mechanische als auch thermische Grenzen zu beachten. Die wichtigsten Einschränkungen betreffen:

• Mindestbiegeradius (abhängig von Rohrdurchmesser und Wandstärke)
• Vermeidung von Knicken oder Querschnittseinengungen
• Richtungswechsel in kurzen Abständen (z. B. S-Form)
• Ebenenwechsel (z. B. 3D-Biegung), die spezielle Werkzeuge erfordern
• Symmetrieanforderungen bei Serienfertigung

Quick-Ohm bietet eine Machbarkeitsprüfung, bei der Biegeverläufe auf ihern Leistungseinfluss bewertet werden. Komplexe Geometrien sind oft realisierbar – jedoch nur, wenn sie thermisch und mechanisch sinnvoll sind. Für konstruktionsnahe Projekte empfiehlt sich eine Abstimmung direkt mit dem Engineering-Team.

Ja – Quick-Ohm bietet die Möglichkeit, Heatpipes als vormontierte Baugruppen zu liefern. Typische Kombinationen sind:

• Heatpipe + Kühlkörper (gefräst, vernickelt, extrudiert, gestanzt)
• Heatpipe mit Anschraubplatte oder Halteblech
• Heatpipes in Verbindung mit Peltierelementen

Diese Baugruppen werden auf Basis von 3D-Daten oder Funktionsvorgaben entwickelt. Vorteile: weniger Montageaufwand beim Kunden, erhöhte Prozesssicherheit, gleichbleibende thermische Performance. Quick-Ohm übernimmt bei Bedarf auch die Fertigung, Prüfung und Dokumentation kompletter Einheiten – bis hin zur Serienmontage.

Für viele Projekte – insbesondere im OEM-, Bahn-, Medizintechnik- oder Luftfahrtbereich – ist Rückverfolgbarkeit ein Muss. Quick-Ohm kann folgende Nachweise bereitstellen:

• Seriennummern (z. B. gelasert oder dokumentiert)
• Prüfzertifikate (z. B. Dichtheit, thermische Funktion, Materialnachweise)
• Messprotokolle (z. B. Temperaturverläufe bei Referenzlast)
• First Article Inspection Reports (FAI)
• Fertigungslos-Dokumentation

Diese Leistungen sind optional und abhängig vom Projektumfang. Bei Serienaufträgen empfiehlt sich eine frühzeitige Klärung der Dokumentationsanforderungen im Projektgespräch.

Ja – Quick-Ohm bietet sowohl Standardmuster als auch kundenspezifische Bemusterungen an. Für viele Anwendungen ist es sinnvoll, vor Serienfreigabe eine Heatpipe unter realen Bedingungen zu testen. Muster können in folgenden Formen bereitgestellt werden:

• Standard-Heatpipes ab Lager (zur Prüfung von Einbau, Handhabung, Kühlleistung)
• Vorab-Prototypen mit kundenspezifischer Biegung oder Medium
• Funktionsmuster innerhalb von Baugruppen (z. B. Heatpipe + Kühlkörper)

Die Lieferzeit für Muster hängt vom Aufwand ab. Standardteile sind meist innerhalb weniger Tage versandfertig, Sonderformen benötigen je nach Spezifikation etwa 1–8 Wochen. Quick-Ohm unterstützt auch bei der Bemusterung mit Messwerten, thermischer Analyse oder CAD-Daten – um Ihre Validierung zu erleichtern.

Ja – insbesondere im Bereich Wärmemanagement versteht sich Quick-Ohm nicht nur als Lieferant, sondern als Engineering-Partner. Unsere Ingenieure bieten Unterstützung bei:

• thermischer Simulation (CFD)
• Auswahl geeigneter Heatpipes je nach Lastprofil und Bauraum
• Auslegung kompletter Kühllösungen inkl. Kühlkörper, Peltierelementen, Steuerung
• Machbarkeitsbewertung bei schwierigen Einbausituationen
• Optimierung bestehender Konzepte auf Effizienz, Platzbedarf und Lebensdauer

Gerade bei komplexeren Projekten (z. B. Laserkühlung, Leistungshalbleiter, LED-Module) können Simulationen frühzeitig Risiken reduzieren und Kosten senken. Quick-Ohm liefert auf Wunsch technische Berichte, Temperaturprofile und Designempfehlungen – abgestimmt auf Ihre Anforderungen.

Absolut. Quick-Ohm legt besonderen Wert auf technische Beratung – vor allem bei erklärungsbedürftigen Produkten wie Heatpipes. Bereits im Anfrageprozess können Sie Ihre Anforderungen angeben (z. B. Einbaulage, Wärmeverlust, Platzverhältnisse). Unsere Ingenieure analysieren daraufhin mögliche Optionen und unterstützen Sie bei:

• Auswahl geeigneter Geometrien, Medien und Materialien
• Beurteilung der Einbaubedingungen
• Integration in bestehende Kühlsysteme
• wirtschaftlicher Bewertung (Standard vs. Sonderlösung)

Für komplexe Projekte bieten wir persönliche Projektgespräche (Telefon, Online oder vor Ort) an – gemeinsam mit unserem Engineering-Team. Ziel ist immer: eine funktionssichere, wirtschaftlich sinnvolle und prozessfähige Lösung, die exakt auf Ihre Anwendung zugeschnitten ist.

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: 

• Peltiereffekt
• Seebeckeffekt
• Thomson Effekt
• Joulesche Wärme

Die Kennzahlen von Peltier-Elementen wie Q_c,max, dT_max, U_max und I_max sind theoretische Maximalwerte, die im realen Betrieb nicht erreicht werden können. Für eine möglichst exakte Vorauslegung sollte das System thermisch halbwegs charakterisiert sein. Sämtliche Temperaturen, Temperaturdifferenzen und Leistungen beziehen sich bei einem Thermoelektrischen System immer auf die Oberflächen des Moduls. Der thermische Pfad von der kalten Seite zum Zielbauteil sollte also so kurz und gut thermisch leitend sein, wie möglich. Hierbei geht es im Besonderen um Materialien und Thermal Interfacem Material. Kupfer, Aluminium oder Silber sind zu bevorzugen, auf Gap-Pads sollte zugunsten von dünnschichtigen Lösungen wie Wärmeleitpaste verzichtet werden.

Auf der Abwärmeseite des Peltiers sollte ein hinreichend guter Kühlkörper montiert werden. Meist ist die Auswahl des Kühlkörpers ein iterativer Prozess, da die tatsächliche Wärmelast des Kühlkörpers erst während der Auslegung bestimmt wird. Wir empfehlen jeweils 10 Kelvin auf der kalten und der heißen Seite aufzuschlagen, um eine tragbare Lösung zu finden. Die Temperaturdifferenz, die das Peltierelement erzeugen muss sollte also 20 Kelvin größer sein, als die Differenz zwischen Bauteil und Wärmesenke. Das bedeutet nichts anderes, als dass das Peltier eine kältere Temperatur haben muss als die Zieltemperatur ist, da der Pfad vom Peltier zum Ziel verlustbehaftet ist und auf der anderen Seite ist das Peltier an der warmen Seite 10 Kelvin wärmer als die Wärmesenke.

Der Peltier-Effekt wurde erst 1834, 13 Jahre nach der Entdeckung des Seebeck-Effekts vom französischen Physiker und Namensgeber Jean Charles Athanase Peltier nachgewiesen. Wird ein Strom durch eine Anordnung unterschiedlicher Leitermaterialien geleitet, so besitzt das Elektron, welches sich durch den Leiter bewegt, in den verschiedenen Leitermaterialien ein unterschiedliches Energieniveau. Trifft das Elektron auf eine Grenzfläche zwischen zwei Leitern, so muss für die Aufrechterhaltung des Stomflusses entweder Energie aufgenommen oder abgegeben werden. Die Energieaufnahme erfolgt über Wärmeentnahme aus dem Material der Grenzfläche. Eine Energieabgabe erwärmt das Material der Grenzschicht. Der Peltiereffekt ist verantwortlich für den Wärmetransport im stromdurchflossenen Peltierelement.

->Energieaufnahme durch Stromfluss

Der Physiker und Erfinder Thomas Johann Seebeck entdeckte bereits 1821 durch Zufall, dass in zwei verschiedenen Stangen aus Metall eine elektrische Spannung entsteht, wenn zwischen den Enden der beiden Stäbe ein Temperaturunterschied besteht. Sobald die beiden Enden miteinander verbunden sind, fließt ein elektrischer Strom, dessen Magnetfeld er mit Hilfe einer Kompassnadel nachweisen konnte. 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 Be- wegung der freien Elektronen zu. Aufgrund dessen beginnen sich diese praktisch auszudehnen und diffundieren immer mehr in Richtung des kalten Endes. Dort ist die kinetische Ener- gie 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. Um die Spannungnutzbar 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, sodass beachtliche Spannungen erreicht werden können. Das bekannteste Anwendungsfeld für Seebeck-Spannungen sind Thermocouples.

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

-> Stromquelle durch Temperaturdifferenzen

Benannt wurde der Thomson-Effekt nach dem britischen Physiker William Thomson (1. Baron Kelvin 1856). Er beschreibt eine Veränderung des Wärmetransports entlang eines unter Strom stehenden Leiters, in dem ein Temperaturverlauf besteht. Liegt an einem stromdurchflossenen Leiter eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten an, 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. 

-> Wärmeleitung im stromdurchflossenen Leiter

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 Imax zu steigern ist. Oberhalb dieses Stromes wird mehr Wärme eingetragen als abgeführt.

-> Wärmeerzeugung im stromdurchflossenen Leiter

In einem Peltierelement wird eine Vielzahl elektrischer Leiter aus zwei unterschiedlichen Materialien, jeweils p- oder n-dotiert, elektrisch betrachtet in Reihe geschaltet, sodass wiederholt Wärme aufgenommen und abgegeben wird. Folglich ist die Anordnung elektrisch eine Reihenschaltung, aus thermischer Sicht liegen die Leiter jedoch 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 Warmseitentemperatur erreicht. Die Wärmeleistung auf der Kaltseite errechnet sich wie folgt:

Der Begriff Kühlleistung klingt plausibel ist aber technisch sehr irreführend. Grundsätzlich fließt nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik Wärme immer vom höheren Niveau auf ein niedriegeres Niveau. Der heiße Kaffee erwärmt die kalte Tasse und wird dadurch etwas kälter und wir verbrennen uns die Finger an der Tasse. Eine Umkehrung des Energieflusses ist nicht möglich, die Tasse kann nicht kälter werden und so den Kaffee weiter erwärmen.

Auf Kühlleistung übertragen bedeutet das, dass wir mit einem Peltierelement Wärme an einer Stelle (der kalten Seite des TEC) entziehen können und zu einer anderen Stelle (der warmen Seite des TEC) transportieren können um sie dort wieder abzugeben. Der Ort der Wärmeaufnahme steht jedoch in Wechslewirkung mit seiner Umgebung, und wenn es an einer Stelle kalt wird, fließt die Wärme zu dem kalten Punkt und erwärmt ihn wieder. Es kann also nur zu einer dauerhaften Temperaturänderung kommen, wenn die entzogene Leistung größer ist, als die Wechselwirkung des Ausgleichs. Eine Entkopplung des Kühlpunktes von der Umgebung redurziert die nötige Kühlleistung im gleichen Maße, man isoliert den Kühlpunkt von der Umgebung.

Ein Kühlschrank funktioniert am anschaulichsten nach dem Prinzip. Die Wände und Türen sind sehr gut isoliert und auch ein Luftaustausch im geschlossenen Zustand ist weitestgehend unterbunden. So kann die Kältemaschine dem Innenraum des Kühlschranks Wärmeleistung eintziehen und da nur sehr wenig von der Umgebung nachfließt, wird es im Innenraum kalt. Natürlich könnte man auch einfach die Kältemaschine größer dimensionieren und auf Isolierung verzichten, aber das wäre für Effizienz und Betriebkosten nicht zuträglich. 

-> Die Kühlleistung ist also eigentlich eine Entzugsleistung die einem Raum/Bauteil entzogen wird und nicht aktiv in den Raum eingebracht wird. Die Temperatur sinkt ab, da nicht so viel Wärmeleitsung aus der Umgebung nachfließen kann, wie von der Kältmaschine oder dem Peltier entzogen wird.

Ein Peltier-Modul erzeugt nur einen Temperaturhub bei einer gewissen Wärmetransportleistung. Jedes Kelvin, dass das Peltier auf der warmen Seite wärmer ist, muss durch mehr Leistung kompensiert werden. Wir empfehlen, dass das Kühlsystem so dimensioniert wird, dass die warme Seite maximal 10 Kelvin über Wärmesenkentemperatur liegen sollte. Die 10 Kelvin geteilt durch die Abwärmeleistung aus dem Datenblatt im Betriebspunkt ergibt den nötigen thermischen Widerstand des Kühlkörpers inklusive Interface Material.

Grundsätzlich sind alle elektrischen und thermischen Werte, die in Datenblättern zu finden sind theoretische Maximalwerte. Sie beschreiben markante Eckpunkte der Kennlinienfelder treten aber nicht immer gleichzeitig auf. U_max und I_max beschreiben die maximalen elektrischen Anschlussparameter, bei der die maximale Kühl- oder Wärmepumpleistung erreicht wird. Q_c,max beschreibt die die maximale Kühlleistung des Peltierelementes, bei dieser Leistung ist die Temperaturdifferenz über das Modul null, die kalte und die warme Seite haben hier die gleiche Temperatur. DT_max beschreibt den maximal möglichen Temperaturhub, den ein Peltier schaffen kann, allerdings wenn keine Kühlleistung abgerufen wird. Für die Anwendung ist ein weiterer Wert, der nur implizit in den Kennlinien zu finden is, relevant, nämlich die Abwärme. Je schlechter die Wärmabfuhr auf der warmen Seite des Peltiers erfolgt, desto höher ist die Warmseitentemperatur. Und da Peltiermodule nur Temperaturdifferenzen bei entsprechenden Kühlleistungen erzeugen, ist die Wärmeabfuhr das absolut zu priorisierende Kriterium. Die Abwärme ist die Summe der Kühlleistung Qc und der elektrischen Anschlussleistung U*I, da sich die Halbleiter durch den Stromfluss selber erwärmen. Die Joulsche Wärme fließt über den Strom quadratisch in die Berechnung, so dass die Abwärme schneller Zunimmt als die Kühlleistung und somit der Betrieb mit steigender Leistung und Temperaturdifferenz innefektiver wird. Dieses Verhältnis wird sehr gut über die Leistungszahl, definiert als Quotient von Nutzen und Aufwand, verdeutlicht. Im technisch realen Bereich von einer Temperaturdifferenz von 30 Kelvin oder größer ist die Leistungszahl immer <1. Es muss also immer mehr elektrische Leistung aufgeprägt werden, als Kühlleistung abgeführt wird. Die Abwärme eine Peltier ist also im realen Anwendungsfall immer mindestens doppelt so groß, wie die Kühlleistung.

Ja, kann man, allerdings haben Peltiers einen großen Nachteil gegeüber den anderen Kältemaschinen. Durch den Aufbau ist ein Peltier sehr flach und die warme und die kalte Seit sind direkt über die Halbleiter miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Peltierkühleinheit nach dem Abschalten eine sehr große Wärmebrücke in der Kühlschrankisolierung bildet. Für einen befriedigenden Kühlbetrieb muss ein Peltierkühlschrank also immer betrieben werden. Kältmaschinen mit einem 2-phasigen Kreislauf sind lediglich dir die Rohrleitungen mit der Umgebung verbunden, dun die sind eine sehr kleine Wärmebrücke. Ein Kompressorkühlschrank läuft nur wenige Minuten pro Stunde und kann so die Temperatur im Innenraum halten. Ein Peltierkühlschrank müsste die ganze Zeit konstant eingeschaltet sein und wäre so sehr ineffizient. Allerdings kann er mobiler sein, ist lageunabhängig, kann also hochkant oder über Kopf eingebaut werden und ist vibrationsärmer.

Die grobe Charakterisierung ist in diesem Fall sehr wichtig. Die nötige Kühlleistung sollte recht genau (+/- 10%) bekannt sein, die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmesenke und dem zu kühlenden Teil sollte bekannt sein.

Um eine erste Iteration starten zu können wird auf die bekannte Temperaturdifferenz ein Aufschlag von 20 Kelvin aufgeschlagen, um das System realer abzubilden. Mit der folgenden Formel kann das Q_c,max bestimmt werden, mit dem ein Peltier aus den vielen Standards ausgewählt werden kann.

Hierbei ist Q_C die nötige Kühlleistung, dT_max die maximale Temperaturdifferenz des Peltiers (in der Regel 72K) und dT die Differenz im Betrieb.

Im Folgenden ist eine Beispielrechnung aufgeführt:

Problemstellung: 

Kühlgerät für einen Behälter mit: 

• 100W Kühlleistung bei 28°C Umgebungstemperatur
• 4°C Innentemperatur 
• Maximales Gewicht 5kg 
• Versorgungsspannung 28VDC 
• Max. Stromaufnahme 15A

Die Anforderung ergab eine Temperaturdifferenz von 24 Kelvin zwischen Umgebung und Innenraum, Es wurden gemäß der EMpfehlung auf der warmen Seite 10 Kelvin aufgeschlagen, auf der kalten Seite nur 8 Kelvin, da wir bei identischen Kühlkörpern Innen und Außen eine auf der Innenseite ein kleineres dT erwarten, da die Leistung kleiner ist. Als dT_max wird hier 78Kelvin gewählt, da die Heißseitentemperatur bei 38°C anstatt der 25°C aus dem Standard-Test-Conditions liegt und die Modulparameter temperaturabhängig sind. Mit diesen Daten wird mit eine Vorauslegung für die Umsetzung mit einem TEC gestartet.

Mit der gefundenen Leistung von 216W wird ein Modul gefunden. Die gelben Markierungen zeigen die Kennwerte bei unterschiedlichen Strömen bis zu 15A Imax bei 38°C Heißseitentemperatur. Die roten Punkte zeigen den Betriebspunkt in der ersten Annahme, 100W bei 42K erfordert eine Anschlußleistung von 226W (70% I_max * 21,5V).

Wir hatten für die Vorauslegung ein deltaT von 10 Kelvin für den Kühlkörper auf der heißen Seite angenommen, was in einem nötigen thermischen Widerstand Rth von 0,03K/W resultiert. Bei einer Heißseitenfläche von 50x54mm wird es keinen Kühlkörper geben, der diese Performancedaten erfüllt.

Wir versuchen den Aufbau mit 4 leistungschwächeren Peltiers aufzubauen, um die Leistungsdichte zu reduzieren. Zudem erhöhen wir das zulässige dT auf der warmen Seite von 10 Kelvin auf 13 Kelvin.

Mit der Partitionierung konnte ein ebenfalls ein passendes Modul gefunden werden. Die gesamte Abwärmeleistung steigt mit 91W/Module zwar leicht an, aber mit einem R_th von 0,14K/W ist es kein Problem einen entsprechenden Heatsink zu finden. Für die kalte Siete kann ein Standard Aluminium-Extrusionsprofil verwendet werden, für die warme Seite wurde ein entsprechender Heat Pipe Wärmetauscher mit optimierter Leistungs und Masse entwickelt.

Die Kühlleistung Qcmax wird immer bei einer Temperaturdifferenz von ΔT = 0 °C gemessen. In der Praxis sinkt die tatsächlich erreichbare Kühlleistung, sobald eine Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite entsteht.

Beispiel: Ein Element mit 15 W Qcmax liefert bei ΔT = 30 K oft nur noch 30–50 % dieser Leistung.

Die Zyklenzahl gibt an, wie oft ein Peltierelement wiederholt zwischen zwei Temperaturzuständen wechseln kann, bevor erste Materialermüdungen auftreten. 

Zum Vergleich:

• Standard-Peltierelemente: ca. 150.000–300.000 Zyklen
• Industrie-Qualität: ca. 300.000–500.000 Zyklen
• Hochzyklische Premium-Elemente: 500.000–1.000.000 Zyklen