Peltier-Module
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 Imax zu steigern ist. Oberhalb dieses Stromes wird mehr Wärme eingetragen als abgeführt.
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.
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 TC - R x I2 - Gth 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.
Regeln für Peltierelemente
1. Peltierelemente sind üblicherweise 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.
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Einstufige Standard Peltier-Elemente aus CHINA (20.000 Zyklen & T-Max 100°C):