.Sortiertabelle .PCM-Wärmeleitpaste .Peltier-Element .51 goldene Regeln .Know-How
.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. [weiter lesen...]
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. Sehr zu empfehlen: 51 wichtige Regeln zum Thema Peltierelemente
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. Gedruckte PCM-Wärmeleitpaste von Quick-Cool
QC-PCM ist ein innovatives TIM (Thermal Interface Material) mit Phase Change Eigenschaften. Es ist besonders geeignet zur thermischen Anbindung von elektronischen Bauelementen an Kühlkörper oder anderen Kühlflächen in der Serienproduktion als Ersatz einer händisch aufzutragenden Wärmeleitpaste. Oberhalb der Phasenwechseltemperatur verteilt sich die aufgedruckte und durchgetrocknete Wärmeleitpaste bereits unter geringem Druck und benetzt die Oberfläche vollständig. Dabei wird eine äußerst dünne Schichtstärke erreicht, die zusammen mit der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit zu einem geringen thermischen Widerstand führt. Oberflächenrauhigkeiten sowie leichte Unebenheiten werden ausgeglichen, Lufteinschlüsse werden ausgetrieben. Es kommt zu keinem Zeitpunkt zu einem Auslaufen oder Auspumpen des TIM. Die mit der QC-PCM bedruckten Teile sind sehr gut in automatisierten Prozessen oder von pick-and-place Robotern zu verarbeiten. Anwendungen: Thermische Anbindung von: - Wärmeleitscheiben, Kühlkörpern Eigenschaften: - Sehr guter Ersatz für herkömmliche WLP Montagematerial/TIM: Durch die Diversität an Anwendungsgebieten ist es notwendig, das Thermomanagement genau auf die Rahmenbedingungen des Projekts auszulegen. Hierbei spielt die ordnungsgemäße und sichere Montage der einzelnen Bauteile eine tragende Rolle. Die Verwendung von Montagehilfen sorgt für optimalen Halt und effektive Wärmeübertragung. Zudem ist Wärmeleitmaterial, beziehungsweise Thermal Interface Material (TIM) ein wichtiger Faktor bei der Umsetzung der Planung. Dieses ist meist eine Paste auf keramischer Basis, welche mit mikroskopischen Partikeln aus Aluminiumoxid, Bornitrid und Zinkoxid versetzt ist. Frei von Silikon und durch Zugabe mehrerer spezieller, synthetischer Öle wird eine Langzeitstabilität erreicht und überdurchschnittliche Performance garantiert. Bei der Inbetriebnahme verringert sich die Viskosität des TIM. Dadurch werden kleinste Oberflächenrauheiten ausgefüllt und schädliche Lufteinschlüsse verdrängt. In den ersten 20-30 Betriebsstunden verfestigt sich die Paste und verhindert so durch Temperaturschwankungen bedingte Ausdehnungen. Mit einem Temperaturbereich von -40 Grad Celsius bis 180 Grad Celsius ist Wärmeleitpaste für einen Großteil der Einsatzgebiete geeignet. Zudem isoliert sie elektrischen Strom und ist elektrisch nicht-kapazitiv. Anwendung findet Wärmeleitpaste überall dort, wo eine effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten erreicht werden soll. Beispielsweise zwischen einem Mikrochip und einem Kühlkörper. Druckverfahren: Für den Anwendungsfall, dass konventionelle Wärmeleitpaste nicht verwendet werden kann oder eine Massenproduktion von Bauteilen notwendig ist, empfiehlt sich das Siebdruckverfahren. Dadurch wird ermöglicht, ein Phase-Change-Material (PCM) im Direktdruck auf einzelne Elemente aufzubringen. Bei Raumtemperatur ist dieses Material trocken und formbar. Das PCM besitzt die Eigenschaft, erst im eingebauten Zustand bei einem Druck von 30N/cm² und circa 45 Grad Celsius die Phase zu ändern und flüssig zu werden. So füllt es Hohlräume und Spalten optimal aus und gewährt dadurch beste Wärmeübertragung. Der Einsatz von konventioneller Wärmeleitpaste (WLP) wird dadurch hinfällig.
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Was Sie über Peltier-Elemente wissen sollten: . Peltier-Element . Funktionsprinzip & Physikalische Effekte . Aufbau eines Peltierelementes . Bauformen von Peltier-Elementen . Grundlegendes zu Einbau und Montage von Peltier Elementen . Peltierelement: Berechnung der Klemmkraft . Betrieb und Steuerung von Peltier Moduls . System integration und Kühlkörper . 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 Peltierelements transportiert, und dort über die Fläche abgegeben. 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. 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.
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.
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. . Zurück . 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 ∆TPeltier-Effekt
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. . Zurück . 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. Fälschlicherweise wird die Nennleistung des Peltierelementes gerne als fixe Größe angenommen. Tatsächlich beschreibt dieser Wert jedoch nur einen bestimmten Arbeitspunkt, der zum relativen Vergleich unterschiedlicher Peltierelemente dient. Sowie ein Auto nicht weiter beschleunigen kann, wenn es seine Maximalgeschwindigkeit erreicht hat, kann das Peltierelement keine Wärme mehr abführen, wenn es seine maximale Temperaturspreizung erreicht hat. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die notwendige Nennleistung des Peltierelementes immer größer sein muss als die Leistung, die abzuführen ist, um eine Kühlung zu erreichen. Hierbei ist es besonders wichtig, dass der gesamte Wärmeverlustpfad zu berücksichtigen ist.
Als Temperaturdifferenz ist nicht der Gradient zwischen „kaltem“ Bauteil und Wärmesenke anzusetzen, sondern der tatsächliche Hub des Peltiers, inklusive Wärmeübergänge und Kühlkörper auf der heißen Seite. Die beiden aktiven Oberflächen des Peltierelementes sind durch thermische Übergänge mit dem zu temperierenden Objekt einerseits und dem für die Kühlung verwendeten Medium andererseits verbunden. Darum wird bei einer Kühlung das Objekt immer wärmer sein als die Kaltseite des Peltierelementes. Die Warmseite des Peltierelementes wird immer wärmer sein als das für die Kühlung verantwortliche Medium. Um diesem Punkt gerecht zu werden, kann als Faustwert eine Differenz von jeweils 10 Kelvin pro Seite herangezogen werden. Hieraus ergibt sich, dass in einem sinnvoll dimensionierten System die Temperaturdifferenz des Peltierelementes 20 Kelvin größer sein muss als die zu erzeugende Temperaturdifferenz zwischen Zielobjekt und Kühlmedium. Bei der Auslegung des Systems ist auf die Dimensionierung des Kühlkörpers/Kühlsystems ein besonderes Augenmerk zu richten. Wie anfangs gezeigt, ist die Abwärme des Peltiers stets größer als die Kühlleistung. Sind alle Größen bekannt, kann mit folgender Formel eine erste grobe Vorauswahl eines Peltiermoduls gemacht werden. Mit dem berechneten Qcmax kann dann ein entsprechendes Modul ausgewählt werden, das eine ähnliche Leistung hat. Mit den von uns bereitgestellten Datenblättern und den dar auf abgebildeten Performance Curves können die ersten An- nahmen geprüft und über Iteration gegebenenfalls angepasst werden.
Beispielhaft ist hier die Dimensionierung eines Peltiers gezeigt, welches eine Kühlleistung von 40W bei einer Temperaturdifferenz von 40K transportieren soll. Die 40K sind in diesem Fall der Gradient auf dem Modul und nicht der Gradient zwischen zu kühlendem Teil und der Wärmesenke. Die oben berechneten 92W finden sich nicht 1:1 wieder, deshalb wird ein Modul mit ca. 20% mehr Leitung gewählt (QC-127-2.0-15.0M). Im Performance-Diagramm findet man bei einem Wert von 40K auf der Abszisse und 40W Kühlleistung auf der Ordinate einen Strom von 0,6*Imax, also in diesem Fall 9A. Weiterhin findet man im zweiten Diagramm bei 9A und 40K auf der Abszisse etwa 9,5V Betriebsspannung. Das Modul hat also in diesem Betriebspunkt eine Kühlleistung von 40W bei einer Temperaturdifferenz von 40K und einer Leistungsaufnahme von ca. 86W. Der Kühlkörper auf der warmen Seite muss demnach die Leistung von 126W abführen können.
Wir empfehlen, einen Kühlkörper so zu wählen oder zu gestalten, dass er im Betriebszustand nicht heißer als 10K über der Wärmesenke ist. Bei dem skizzierten Fall wird also ein Kühlkörper mit einem Rth von 10K/130W = 0,077 K/W benötigt. . Zurück . Grundlegendes zu Einbau und Montage In der Regel werden Peltier-Elemente zwischen zwei nicht beweglichen und festen Kontaktflächen - einem Kühlkörper und einer Kühlplatte - mit Hilfe von Schrauben eingespannt. Dabei können einige Trägermaterialien, wie zum Beispiel:
zum Einsatz kommen, um die Zwischenräume der Verbindung so luftdicht wie möglich zu verschließen. Nur so kann eine effiziente Wärmeabgabe gewährleistet werden, da Luft als hervorragender Isolator den Wärmefluss erheblich bremst. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Verbindung durch Fügeverfahren wie Kleben oder Löten zu schaffen. Jedoch müssen dafür einige Voraussetzungen und Eigenschaften in Bezug auf das verwendete Material und anliegende Temperaturschwankungen erfüllt und gegeben sein. Vor dem Einbau sollte also darauf geachtet werden, ein geeignetes Interfacematerial, wie beispielsweise Wärmeleitpaste, auf die Kontaktflächen aufzutragen. Hier gilt die Devise: Weniger ist immer mehr. Der Grund dafür ist, dass Wärmeleitpasten ihrem Namen nur zum Teil gerecht werden. Da wärmeleitende Pasten die Wärme schlecht, aber immer noch effektiver als Luft leiten, werden sie vor allem zur Verdrängung der Luft in Rautiefen eingesetzt. Dabei gilt jedoch: Je kleiner diese Messwerte, desto höher die Wärmeleitfähigkeit. Bei Werten von unter 0,010 mm kann gegebenenfalls auf den Einsatz von Zwischenraum-füllenden Materialien verzichtet werden. . Zurück . Berechnung der Klemmkraft Für eine intakte Verbindung zwischen dem zu kühlenden Objekt, Peltier-Element und Kühlkörper ist eine Klemmschraubenverbindung mit gleichmäßiger Kräfteverteilung von allerhöchster Bedeutung. Werden Schrauben unterschiedlich stark angezogen, kann es zu mechanischen sowie im späteren Verlauf zu thermisch-bedingten Schäden der Peltier-Elemente führen. . Befinden sich die Schrauben alle in einer Reihe, ist es am besten, in der Mitte zu beginnen und sich nach außen vorzuarbeiten. . Handelt es sich um zwei Reihen, eignet sich der Weg von der Mitte über Kreuz nach außen. Damit das Drehmoment der Schrauben nicht auf einmal mit voller Kraft auf die Verbindungen einwirkt, sollte jede Schraube in kleinen Schritten mehrmals in der richtigen Reihenfolge angezogen werden. Dieser Vorgang wird dann so oft wiederholt, bis bei jeder Verschraubung das richtige Drehmoment erreicht ist. Fett- und staubfrei: Selbstredend, aber wichtig zu erwähnen ist, dass alle Kontakt-flächen vor dem Verbinden fachgerecht und ordentlich von eventuellen Rückständen befreit werden sollten. Grundsätzlich ist zu beachten, dass über die Verschraubung ein thermischer Schluss zwischen den beiden Seiten verursacht wird. Durch Minimierung der Schraubenanzahl, des Gewinde-durchmessers und der Leitfähigkeit des verwendeten Schraubenmaterials sowie Maximierung der Schraubenlänge, kann dieser Effekt maximal klein gehalten werden. Durch Kleben der Komponenten wird dieser Thermo-Schluss verhindert. Wenn die Komponenten verklebt werden, so dürfen hier keine nennenswerten Zug- oder Scherkräfte auftreten, die das Peltierelement leicht zerstören können. In der Regel ist ein Verkleben als endgültige Montage nicht zulässig. . Zurück . Betrieb und Steuerung Ein Peltier-Element muss stets mit Gleichstrom betrieben werden. Die Polarität steuert den Wärmefluss, hierbei gilt, dass die obere Seite des Moduls die kalte Seite ist, wenn die Anschlussleitungen zum Betrachter weisen und sich der rote Anschluss (+) rechts befindet. Die Spannung kann hierbei beliebig klein sein, wobei mit abnehmender Spannung die Leistung des Elements sinkt. Eine Spannungsumkehr kehrt ebenso den Wärmefluss innerhalb des Elements um. Werden mehrere Elemente in einer Anwendung genutzt, lassen sich diese wahlweise parallel oder seriell schalten. Parallel geschaltet bleibt die notwendige Spannung gleich, wobei die Stromstärken entsprechend der Anzahl der Elemente multipliziert werden. Bei der Reihenschaltung bleibt die notwendige Stromstärke gleich, jedoch wird ein der Anzahl der Elemente entsprechendes Vielfaches der Spannung benötigt. Wichtig hierbei ist jedoch, dass die Module einen möglichst gleichen inneren Widerstand haben. Bei der Parallelverschaltung sind die Kabelquerschnitte bei großen Strömen zu berücksichtigen. Bei der Auslegung des Regelkreises sollte unbedingt die Regel strecke beachtet und analysiert werden. Thermische Systeme sind in der Regel träge, da sich Wärmekapazitäten erst ausgleichen und, verglichen mit einer Motorsteuerung, sehr langsam einschwingen. Eine große Distanz zwischen Peltier-Element und Ist-Wert-Sensor kann zu einer sehr großen Zeitkonstante führen, was ein langsames Einregelverhalten nach sich zieht. Der Ist-Wert-Sensor sollte für gute Regelergebnisse sehr nah am Peltier-Element sein. RegelungsartenEine Regelung stellt, vereinfacht dargestellt, einen Vorgang dar, der einen vorbestimmten Zustand herstellt. Dabei werden Ist-und Sollwerte miteinander verglichen und auf Änderungen reagiert. Für verschiedene Anwendungsfälle existiert eine Reihe diverser Regelungsarten, zum Beispiel: Zweipunkt-Regler Proportionalregler oder P-Regler PI-Regler PID-Regler Fuzzy-Logik
PWM-Ansteuerung oder veränderliche Gleichspannung/Gleichstrom? Die Regelung eines Peltiermoduls kann entweder über eine in ihrem Wert veränderte oder pulsierende Gleichspannung durch PWM (Pulsweitenmodulation), die in regelbaren Proportionen ein- und ausgeschaltet wird, erfolgen. Die Frequenz letzterer bewegt sich mehrheitlich im Kilohertz-Bereich. Energetisch betrachtet, ergibt sich daraus ein erheblicher Unterschied, welche der beiden Ansteuerungsformen genutzt wird. In unserem Beispiel wird ein Peltier-Element mit einem Nennstrom von 6A und einer Nennspannung von 15V eingesetzt, um einen optimal isolierten Aluminiumquader herunterzukühlen. Die Ausführung erfolgt zweifach. Beide Regler werden auf die minimal erreichbare Temperatur von -45 Grad Celsius eingestellt. Regelung 1 gibt eine glatte 15V-Gleichspannung aus und der Aluminiumkörper erreicht nach einer bestimmten Zeit -45 Grad Celsius. Der Regler hält die Spannung fortlaufend auf 15V, um einen Temperaturanstieg zu verhindern. Regelung 2 gibt ein PWM-Signal von 100 Prozent ab, was bedeutet, dass die Gleichspannung nicht unterbrochen wird. Es liegen permanent 15 Volt Gleichspannung an, der Körper erreicht ebenfalls nach einer unbestimmten Zeit -45 Grad Celsius. Weicht die gewünschte Temperatur von der minimal erreichbaren ab, ergibt sich ein klar erkennbarer Unterschied zwischen beiden Varianten. Wird nun die Solltemperatur auf -15 Grad Celsius eingestellt, müssen beide Peltier-Elemente eine Temperaturdifferenz von 35K leisten, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Auch hier erzielen beide nach einer unbestimmten Zeit die eingestellte Zieltemperatur - die Hälfte des Werts aus dem vorherigen Beispiel. Regelung 1 riegelt nun den Strom beziehungsweise die Spannung ab und stellt durchgehend etwa 7,5V Gleichspannung bei einer Stromstärke von 3A bereit. Regelung 2 drosselt seine PWM auf etwa 50 Prozent, wobei die Gleichspannung pulsierend ein- und ausgeschaltet wird, während Ein- und Ausschaltzeit gleich lange dauern. Dabei liegen zur halben Dauer 15V am Peltier-Element an, welche einen Strom von 6A hervorrufen. Während der restlichen Dauer bezieht das Element keinen Strom. Daraus kann folgender Schluss gezogen werden: . Peltier-Elemente mit einer maximalen Nennspannung von 12V dürfen nicht mit einer 50 Prozent PWM-Größe angesteuert werden, deren Amplitude 24V beträgt. In der Zeit, in der die 24V durchgeschaltet werden, fließt doppelt so viel Strom wie maximal zulässig, einhergehend mit einem 4-Fachen an Energie. Diese Übersteuerung sorgt dafür, dass das Element nicht mehr kühlt, sondern sich aufheizt. . Die Eingangsspannung für einen PWM-Regler gilt dann als optimal, wenn der Regler bei maximaler Anforderung ein 100-Prozent-Signal abgibt. Bei einem ΔT von maximal 20K kann, je nach abzuführender Wärmeenergie bereits eine Spannung von 0,5 · Umax oder gar weniger ausreichend sein, wodurch der Energieverbrauch reduziert wird und die Anforderung an den nachgeschalteten Kühler sinkt. . Eine PWM-Regelung erreicht die gleiche Tiefst- oder Höchsttemperatur wie die Regelung über eine glatte Gleichgröße. Soll die maximal mögliche Dynamik in der Regelung erreicht werden, ist der maximale Strom des Peltier-Elements zur Verfügung zu stellen. . Bei einer PWM-Frequenz größer als 1kHz wird nicht mehr von Schaltzyklen gesprochen, da ab dieser Frequenz keine Schädigung mehr nachgewiesen werden kann. Zyklische Belastungen hingegen bewegen sich im Sekunden- bis Minutenbereich. . Eine Zweipunktregelung wird üblicherweise bei trägen Systemen genutzt, in denen sich Temperaturen nur langsam ändern. Die Objekttemperatur schwankt hier im Sekunden- oder Minutentakt um wenige Kelvin. Quick-Ohm Premium-Peltier-Elemente sind hoch zyklenfest. Im beschriebenen Fall ist eine Lebensdauer von vielen Millionen Zyklen zu erwarten. . Zurück . Systemintegration und Kühlkörper Kühlkörper benötigen für die korrekte Funktion eine möglichst große Schnittstelle zum Kühlmedium, in der Regel Luft oder Wasser. Das richtige Modell kann durch die Festlegung einiger Parameter relativ einfach bestimmt werden. In den meisten Fällen wird eine Wärmeabfuhr an die Umgebung angestrebt, da das eine größere Unabhängigkeit ermöglicht. Für den Betrieb werden hierbei lediglich Spannungsversorgungen für Peltier und Lüfter benötigt. Qh Maximale Leistung der warmen Seite des Moduls Rth Kennzahl des Kühlkörpers. Bei seriösen Anbie- tern in Abhängigkeit von Luftgeschwindigkeit und Leistung im Datenblatt angegeben. TUmg Die Umgebungstemperatur, beziehungsweise deren Maximalwert (TUmax) Der thermische Widerstand des Kühlkörpers in K/W gibt die Temperaturdifferenz zwischen dem heißesten Punkt des Kühlkörpers und der Umgebung an. Von der Temperatur Thot zieht man das ΔT des Peltiers ab und bekommt die Temperatur auf der kalten Seite des Peltiers. Es wird sofort klar, dass der Kühlkörper auf der Warmseite die bestmögliche Effizienz haben sollte, da jedes Grad über der Umgebungstemperatur die Kühlleistung schmälert. Als grober Anhaltspunkt sollte ein ΔT von 10K am Kühlkörper auf der warmen Seite nicht überschritten werden. Thermocycler-Anwendungen
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51 wichtige Regeln zum Thema Peltierelemente: 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.(Abbildung 1) Abbildung 1:
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 (Abbildung 2).
Abbildung 2:
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 (Abbildung 3).
Abbildung 3:
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, liegt hierbei die Temperatur auf der „Warmseite“ bei 25°C so kommt der Wärmetransport zum Erliegen. Das Peltierelement ist nun nicht mehr in der Lage, einen Kühleffekt zu erzielen. 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 diese 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 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. Die Temperatur auf der Warmseite des Peltierelementes übersteigt die Temperatur des Kühlmedium um diesen Temperaturabfall.
27. Als Faustformel zur Auslegung des Wärmetauschers für Peltierelemente gilt:
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 4) Abbildung 4: 51. Ist es konstruktionsbedingt erforderlich, die Montage ausschließlich mittels Klebung auszuführen, so ist sicherzustellen, dass auf das Peltierelement keinen Scher- oder Zugkräften einwirken.
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Diese Informationen können Sie auch interessieren: . Alterung von Peltierelementen . Bedeutung der Quick-Ohm-Artikelnummer bei Peltierelementen . Das Peltierelement und sein Betrieb . Die Nennwerte im Datenblatt . Die Wahl des optimalen Peltierelementes . Wie benutzt man die Diagramme aus den Datenblätern? . Einfluss des Stromes oder der Spannung bei Peltierelementen . Elektrische Energiegewinnung mittels Peltierelementen . Kühlung von Elektronik . Mangelhafte Kühlung korrigieren . Passive Kühlung & aktive Kühlung . Wärmeübertragungsparadoxon von Peltierelementen . Was bedeutet Kühlung . Peltier-Element: Technische Erläuterungen . Auswahl eines passenden Peltier-Elements . Allgemeine Spezifikationen . Zyklenfestigkeit im Betrieb . Feuchtigkeitsschutz der Peltierelemente . Qualitäts & Zuverlässigkeitskontrolle . Einbau & Montage der Peltier-Module . Leistungsverhalten von Peltier-Elementen . 10 wichtigsten Regeln für Peltier-Elemente
. Alterung von Peltierelementen Zur Bestimmung der Lebensdauer werden Quick-Ohm-Peltierelemente verschiedenen Prüfverfahren unterzogen. Es muss hierbei unterschieden werden, zwischen einem Defekt, der ein Bauteil unbrauchbar werden lässt und einer Alterung, die die Funktionsweise des Bauteils verändert. Der Defekt, wie man ihn beispielsweise von Glühlampen her kennt, der von einem Augenblick zum nächsten eine Funktionslosigkeit nach sich zieht, tritt bei Peltierelementen nicht auf, wenn sie korrekt verbaut werden. Ein solch plötzlicher Defekt ist ein Indiz dafür, dass das Element falsch eingebaut oder behandelt wurde.
. Zurück . Bedeutung der Quick-Ohm-Artikelnummer bei Peltierelementen Beispiel: QC-127-1.4-15.0MX QC: Quick-Cool - 127: Anzahl der verbauten Halbleiterpaare - 1.4: Kantenlänge der Halbleiterquader in mm - 15.0: ≈Imax in A - M: Qualitätsindex: [A = Standard (ca. 20.000 Zyklen, Tmax=100°C), M= Premium (ca. 800.000 Zyklen, Tmax=200°C), MM =Superior (ca. 2.000.000 Zyklen, Tmax=200°C)] - X: Versiegelung - Leer = keine, S = Silikon, X = Epoxidharz (Bild 1)
Bild 1:
Der Wert Imax gibt den Strom an, der durch das Peltierelement geleitet, die maximale Temperaturänderung zwischen den beiden Flächen des Elementes hervorruft. Peltierelemente deren zweite und dritte Ziffer übereinstimmen, werden aus den gleichen Halbleiterquadern aufgebaut und können dadurch elektrisch in Reihe geschaltet werden. Standard Qualität Premium Qualität SuperiorQualität
. Zurück . Das Peltierelement und sein Betrieb Das Peltierelement ist ein elektrisches Bauteil mit zwei Anschlussdrähten. Es besitzt in der Regel zwei parallel gegenüberliegende, ebene, meist quadratische Keramikoberflächen mit einer Kantenlänge von etwa 10mm bis 50mm und ist etwa 2mm bis 5mm flach. Treibt man einen Gleichstrom durch die Anschlussdrähte, so wird thermische Energie von einer Keramikoberfläche zur anderen - transportiert. Das Peltierelement ist solange in der Lage, diese thermische Energie zu transportieren, bis sich eine von vielen Größen abhängige Temperaturdifferenz einstellt, die nicht weiter gesteigert werden kann. Dabei sinkt die Temperatur auf der einen Seite relativ zur Temperatur der anderen Seite. Man erhält somit zwei unterschiedlich warme Oberflächen, deren Temperaturdifferenz mit der Stromstärke verändert werden kann, wobei die Temperatur selbst jedoch erst einmal nicht vorausbestimmt werden kann. Mit zunehmendem Temperaturhub sinkt die Transportleistung, bis zu dem Punkt, da keine Energie mehr übertragen werden kann. Dann wird die elektrische Energie, die in das Element fließt, nur noch dafür aufgewendet, die Temperaturdifferenz zu halten. Ähnlich einer Pumpe, die Wasser in die Höhe pumpen kann, bis die Pumpkraft und die Schwerkraft des Wassers ins Gleichgewicht gelangen und die Pumphöhe stagniert. Steht bei diesem Beispiel die Pumpe etwa im Keller, so erreicht die Pumphöhe möglicher Weise das 3. Stockwerk, sie fördert dann jedoch kein weiteres Wasser, da sich nun der Pumpendruck und der, Schwerkraftbedingte Wasserdruck im Gleichgewicht befinden. Ins zweite Stockwerk vermag die Pumpe dann vielleicht 10 Liter pro Minute fördern, während sie in der Lage wäre möglicher Weise 20 Liter pro Minute ins erste Stockwerk zu pumpen. Setzte man die Pumpe jedoch ins 10. Stockwerk, so erreichte die Pumpenhöhe natürlich entsprechend größere Höhen. Analog zu diesem Beispiel kann die Starthöhe der Pumpe mit der Temperatur auf der Warmseite des Peltierelementes verglichen werden. Die Förderhöhe wäre dann die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Peltierseiten und die Fördermenge entspräche der Kühlleistung.
. Zurück . Die Nennwerte im Datenblatt
Diagramm 1: Was bedeutet ΔTmax? Wird ein Peltierelement von einem Gleichstrom durchflossen, so sinkt die Temperatur auf der einen Seite, während die Temperatur auf der anderen Seite ansteigt. Der Temperaturunterschied der dabei entsteht wird ΔT genannt. Mit zunehmendem Strom nimmt auch der Betrag von ΔT zu. Die Zunahme steigt jedoch nicht proportional zum Strom, sondern folgt einer Kurve, ähnlich einer Sinusfunktion. Es existiert also eine Stromschwelle. Steigert man den Strom über diese Schwelle, so nimmt der Wert ΔT ab. Folglich existiert eine maximale Temperaturdifferenz. Die Höhe dieses Wertes ändert sich mit dem Temperaturniveaus, auf welchem der beschriebene Vorgang durchgeführt wird. Mit zunehmender Temperatur kann auch eine höhere Temperaturdifferenz erzeugt werden. Wird hierbei Wärmenergie transportiert, so schmälert die Höhe dieser Energie die mögliche Temperaturdifferenz wiederum.
ΔTmax beschreibt die maximale Temperaturdifferenz, die ein Peltierelement in der Lage ist, zwischen seinen beiden Seiten zu erzeugen, wenn dabei keine Wärme transportiert wird und die Temperatur auf der warmen Seite 25°C hat. ΔT gibt also die maximale Unterkühlung der Kaltseite an, wenn die Warmseitentemperatur 25°C beträgt. Diagramm 2: Was bedeutet Imax? Die Steuergröße des Peltierelementes ist sein Strom. Mit zunehmendem Strom durch das Peltierelement steigt sowohl der Wärmestrom als auch die Temperaturdifferenz. Wie in den Kapiteln Was bedeutet Qmax und Was bedeutet ΔTmax erklärt, beschreiben diese Werte, in Abhängigkeit vom Strom, eine Kurve mit einem Extremwert. Die Maxima der beiden Kurven liegen bei leicht unterschiedlichen Stromwerten. Der Strom, bei welchem sich ΔTmax einstellt, wird Imax genannt. Diagramm 3:
Was bedeutet Umax? Die Spannung U die an einem Element anliegt ist über das ohmsche Gesetz und dem Innenwiderstand des Moduls mit dem Strom verknüpft. Der Innenwiderstand ändert sich mit der Temperatur und dem Arbeitspunkt des Elementes. Sein Verlauf kann dem Datenblatt zu dem Peltierelement entnommen werden. Der Wert Umax stellt sich ein, wenn das Element mit dem Wert Imax bestromt wird und die Temperaturen auf der Warmseite Th = 25°C und auf der Kaltseite Tc = 25°C betragen sowie keine Wärme transportiert wird. Siehe hierzu Was bedeutet ΔTmax. Was bedeutet Ri (AC resistance)? Ri beschreibt den Innenwiderstand des Moduls im Ruhezustand bei 25°C. Da Ohmmeter üblicherweise zur Ermittlung eines Widerstandes eine Gleichspannung an die Messspitzen führen, werden Peltierelemente durch dieses Messverfahren aktiv verändert. Diese Messung liefert deshalb kein brauchbares Ergebnis. Um den Innenwiderstand eines Peltierelementes messen zu können, kann eine Wechselspannung zur Messung herangezogen werden, deren Polarität schnell genug wechselt, um innerhalb des Elementes keine störenden Temperaturverschiebungen zu verursachen. Um parasitäre stromdynamische Widerstände gering zu halten, ist eine Messfrequenz von 1kHz zu empfehlen. Wegen der Messmethode wird dieser Widerstandswert in den Datenblättern auch „AC resistance“ genannt.
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. Die Wahl des optimalen Peltierelementes Mit Hilfe von Peltierelementen ist eine Temperierung in einem großen Temperaturbereich möglich. Mit Peltierelementen kann sowohl gekühlt als auch geheizt werden. Damit die gewünschte Temperaturdynamik erreicht werden kann, ist es unerlässlich, dass für diese Anwendung optimale Peltierelement zu bestimmen.
Damit dieses Peltierelement ermittelt werden kann, sind folgende Fragen zu klären:
. Zurück . Wie benutzt man die Diagramme aus den Datenblätern? Hier sind beispielhaft einige Punkte eigezeichnet, die nachfolgend bewertet werden. Punkt 1: Der maximale Temperaturunterschied zwischen Warmseite und Kaltseite beträgt ca. 70K, wenn das Element mit 15A betrieben wird. Hierbei kann keine Energie mehr transportiert werden. Punkt 2: Der maximale Temperaturunterschied zwischen Warmseite und Kaltseite beträgt ca. 50K, wenn das Element mit 6A betrieben wird. Hierbei kann keine Energie mehr transportiert werden. Punkt 3: Um 50 Watt bei einem ΔT von 30 Kelvin abzuführen muss das Element mit etwa 9A bestromt werden. Punkt 4: Um 80 Watt bei einem ΔT von 40 Kelvin abzuführen ist das Element zu schwach. Es müssen 2 Elemente gewählt werden, die jeweils ca. 9,5A benötigten. Punkt 5: Um ca. 95 Watt bei einem ΔT von 20 K abzuführen, müsste ein Element voll bestromt werden. Die Spannung betrüge (hier nicht zu erkennen) etwa 13,5V. Die aufgenommene Leistung beliefe sich somit auf etwa 200W. Es könnten aber auch 2 Elemente mit etwa 6A bestromt werden. Jedes benötigte dann etwa 6V, so dass die Betriebsleistung auf etwa 72W zurückginge. Der angebundene Kühlkörper muss nun etwa 130 Watt weniger abführen und für den Betrieb der Elemente würde nur etwa ein Drittel der Energie benötigt.
. Zurück . Einfluss des Stromes oder der Spannung bei Peltierelementen Was bedeutet Imax? Die Stellgröße des Peltierelementes ist sein Strom. Mit zunehmendem Strom durch das Peltierelement steigt auch der Wärmestrom. Die Zunahme der transportierten Wärme ist jedoch nicht linear, sondern folgt einer Kurve. Legt man die Werte für den Strom IPeltier auf die X-Achse und den Wärmestrom Q auf die Y-Achse eines Diagramms, so ähnelt die resultierende Kurve in etwa dem Verlauf des positiven Anteils einer Sinuskurve, wobei der Maximalwert Qmax bei IPeltier = Imax liegt. Wird der Strom über den Wert Imax hinaus erhöht, so bricht der Wärmestrom ein. Das Peltierelement wird übersteuert. Bei einer deutlichen Übersteuerung kann das Element keine Kühlleistung mehr erbringen. Das Element fungiert nur noch als Heizung. Was bedeutet Umax? Die Spannung U die an einem Element anliegt ist über das ohmsche Gesetz und dem Innenwiderstand des Moduls mit dem Strom verknüpft. Der Innenwiderstand ändert sich mit der Temperatur und dem Arbeitspunkt des Elementes. Sein Verlauf kann dem Datenblatt zu dem Peltierelement entnommen werden. Der Wert Umax stellt sich ein, wenn das Element mit dem Wert Imax bestromt wird und die Temperaturen auf der Warmseite 25°C - und auf der Kaltseite kältest möglich etwa -52°C betragen.
. Zurück . Elektrische Energiegewinnung mittels Peltierelementen Peltierelemente eignen sich, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuformen. Um das leisten zu können, muss durch das Peltierelement ein thermischer Wärmefluss geleitet werden. Ein thermischer Fluss entsteht durch einen Temperaturunterschied und das grundsätzliche Bestreben nach thermischem Ausgleich. Werden zwei unterschiedlich temperierte Körper thermisch in Kontakt gebracht, so wird der wärmere Körper an Temperatur verlieren, während der kältere Körper an Temperatur zunimmt, dieser Ausgleich dauert an, bis beide Körper die gleiche Temperatur besitzen. Die Geschwindigkeit mit der dieser Vorgang von statten geht hängt neben vielen anderen Faktoren davon ab, welcher thermische Widerstand sich diesem Fluss entgegenstemmt. Hierüber berechnet sich die Leistung P = ΔT/Rth des Wärmestromes. Das ist dann die Leistung, die aus der warmen Seite abwandert und in die kalte Seite zuwandert. Um den Vorgang aufrecht zu erhalten, muss der warmen Seite somit permanent diese Leistung zugeführt werden. Es muss aber ebenso dafür gesorgt werden, dass die kalte Seite ihre gewonnene Energie wieder abgeben kann, um sich nicht aufzuheizen. Andernfalls wird die Temperaturdifferenz rasch versiegen. Je nach Zusammensetzung der Peltiermaterialien und je nach Temperaturdifferenz liegt der Wirkungsgrad der Energieumwandlung bei weniger als 1% bis 5%. Die Höhe eines Temperaturunterschieds ist kein Maß für die Tauglichkeit zur Energiegewinnung. Eine Kerzenflamme erreicht bis zu 1400°C. Das erscheint erst einmal viel. Ein brennendes Teelicht erzeugt jedoch nur etwa 25 Watt Wärmeleistung. Damit ließe sich also etwa 1 Watt elektrische Energie erzeugen. Hierfür müsste jedoch die komplette Wärme durch das Peltierelement geleitet werden. Der thermische Widerstand des Elementes ist so zu wählen, dass hierüber 125 Kelvin Temperaturdifferenz abfallen. Damit das Element nicht überhitzt, muss auf seiner Kaltseite ein Kühlkörper angekoppelt werden, der die Temperatur auf ca. 50°C oder weniger begrenzt. Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C müsste sein thermischer Widerstand maximal 1K/W betragen. Ein rein mittels natürlicher Konvektion angetriebener Kühlkörper mit einem solchen Widerstandswert hat bereits Lexikongröße. Ein Kühlkörper mit forcierter Belüftung, sprich Lüfter, würde die mühsam generierte Energie gleich wieder für dessen Betrieb verbrauchen. Es wird deutlich, dass die Energiegewinnung mit Peltierelementen bzw. Thermogeneratoren aus wirtschaftlichen Beweggründen kaum Sinn macht.
. Zurück . Kühlung von Elektronik Auf dem Weg bis zum heutigen Stand der Halbleitertechnik ist ihre Leistungsfähigkeit kontinuierlich gestiegen und gleichzeitig auf immer kleineren Raum komprimiert worden. Der Strom, der die Elektronik steuert, wird durch die sogenannten ohmschen Verluste in Wärme umgewandelt. Theoretisch reicht die kleinste Wärmeleistung aus um höchste Temperaturen zu erzeugen, wenn gleichzeitig verhindert wird, dass diese Energie abwandert. Umgekehrt gesagt: “Möchte man verhindern, dass in elektronischen Geräten schädlich hohe Temperaturen entstehen, muss die Verlustwärme abgeführt werden.“ Wenn zwei Medien mit unterschiedlichen Temperaturen in thermischen Kontakt gebracht werden, so wandert thermische Energie solange vom wärmeren zum weniger warmen Medium, bis beide Medien die gleiche Temperatur besitzen. Die Temperatur des warmen Mediums sinkt, während die Temperatur des anderen Mediums ansteigt. Je nach Wärmekapazität der einzelnen Medien, ändern sich die Temperaturen unterschiedlich stark. Ist die Wärmekapazität eines Mediums unendlich groß, so kann seine Temperatur nicht verändert werden. Da an den meisten Einsatzorten die Luft in annähernd unerschöpflicher Menge vorhanden ist, bietet sie sich als Medium zur Aufnahme von Verlustwärme an. Ein Objekt, welches thermisch perfekt mit der Atmosphäre in Kontakt tritt, nimmt dessen Temperatur an. Die Qualität des thermischen Kontaktes steigt und fällt mit der Kontaktflächengröße und -güte. Eine Elektronik, die miniaturisiert wurde, besitzt zwangsläufig nur eine kleine Oberfläche, um mit der Umgebung in Kontakt zu treten. Somit entstehen hier oftmals ein Wärmestau und in der Folge hohe Temperaturen. -Es muss gekühlt werden. Passive oder aktive Kühlung? Die passive Kühlung: Bei der passiven Kühlung wird der Kontakt zum Kühlmedium verbessert, indem etwa ein Kühlkörper mit der zu kühlenden Stelle verbunden wird. Ein Kühlkörper besteht in der Regel aus wärmeleitfähigem Material und besitzt Verrippungen, die seine Oberfläche vergrößern. Hierdurch wird der Kontakt zum Kühlmedium deutlich verbessert. Die Qualität eines Kühlkörpers wird über seinen thermischen Widerstand beschrieben. Dieser Wert gibt an, um wieviel Kelvin sich die Kontaktfläche gegenüber der Temperatur des Kühlmediums aufheizt, wenn an diese Kontaktfläche thermische Energie übergegeben wird. Somit ist die Einheit des thermischen Widerstandes K/W (Kelvin pro Watt). Je kleiner dieser Wert ist, desto weniger heizt sich dieser Wärmetauscher gegenüber der Temperatur seines Kühlmediums auf. Besitzt ein Kühlkörper einen thermischen Widerstand von Null, so stellt sich auf der Wärmeaufnahmefläche exakt die Temperatur des Kühlmediums ein. Bei der passiven Kühlung kann das zu kühlende Objekt also minimal die Temperatur des Kühlmediums erreichen. Die aktive Kühlung: Wenn ein Körper auf eine Temperatur gebracht werden soll, die geringer ist als die Umgebungstemperatur, spricht man von aktiver Kühlung. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit einer Kühlung im Vergleich zur Heizung. Das heißt, es ist möglich, in einen Körper Energie einzubringen um diesen zu erwärmen. Die Energiemenge pro Zeit ist annähern unbegrenzt groß wählbar, so dass Objekte sehr schnell aufgeheizt werden können. Ein kälteres Niveau erreicht man jedoch nur dadurch, dass man dem zu kühlende Objekt Energie entnimmt. Es kann also nicht unbegrenzt Energie hineingepumpt werden. Dem Objekt muss vielmehr die Möglichkeit gegeben werden, seine Wärmeenergie an ein thermisch angebundenes Areal mit niedriger Temperatur abzugeben. In der Folge wandert der Temperaturüberschuss aus dem warmen Objekt in das kalte Medium ab. Je niedriger die Temperatur ist, die man an das zu kühlende Objekt heranträgt, das heißt, je größer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Arealen ist, desto größer ist der resultierende Wärmestrom Q = ΔT/Rth und umso schneller findet die Temperaturänderung statt. Da die natürliche Grenze bekannten Maßen bei -273,15°C liegt, kann diese Abkühlgeschwindigkeit nicht endlos gesteigert werden. Ein Peltierelement erreicht Temperaturen von etwa -40=°C. Auf der Oberfläche eines Peltierelementes entsteht durch einen Stromfluss und bedingt durch seinen Aufbau, eine thermische Verarmung, also eine Stelle die wir kalt nennen. Mit Peltierelementen kann aktiv gekühlt werden.
. Zurück . Mangelhafte Kühlung korrigieren Oftmals stellt sich nach dem Aufbau von passiven Kühlanwendungen heraus, dass die Kühlung unzureichend dimensioniert ist. Üblicher Weise wird für die Lösung dieses Problems meist über zwei Ansätze nachgedacht: 1. Den Kühlkörper vergrößern Lösung Eins ist einfach herzustellen. Es muss lediglich der Kühlkörper vergrößert werden. Das Dilemma der Lösung zwei ist folgendes: Es wird versucht, ein Peltierelement zu finden, welches die Stelle aktiv herunterkühlt. Hierbei ist zu beachten, dass dieses Element wiederum Energie aufnehmen muss, um kühlen zu können. Diese Energie wird dem bereits zuvor schon überlasteten Kühlkörper zugeführt, was ihn wiederum weiter aufheizt, womit sich der erforderliche Temperaturhub weiter vergrößert. Da sich die vom Peltierelement benötigte Energie mit steigendem Temperaturhub vergrößert, kommt dieser Lösungsansatz sehr schnell an seine Grenzen. Der COP in dem Arbeitspunkt, also das Verhältnis aus abgeführter Energie zu benötigter Betriebsenergie muss größer sein als 1. Tatsächlich vermag diese Technik nur wenige Kelvin zu korrigieren. Praktisch heißt das: Ist ein Kühlkörper zu schwach ausgelegt, so ist es physikalisch nicht möglich, diese in der Planung verursachte Verfehlung mit Peltierelementen zu korrigieren.
. Zurück . Passive Kühlung & aktive Kühlung Kühlung In jedem denkbaren Objekt, sei es ein elektrisches Gerät oder ein Lebewesen oder eine sonst wie geartete Ansammlung von Materie, stellt sich in irgendeiner Form eine gewisse Temperatur ein. Diese Temperatur ist das Ergebnis aus der Energiebilanz zwischen eben diesem Objekt und allen anderen Objekten, die zwangsläufig miteinander in Wechselwirkung treten. Von einer Kühlung wird gesprochen, wenn dieser ursprüngliche Zustand derart geändert wird, dass die Temperatur verringert wird. Beispiel: Der Stromfluss innerhalb elektrischer Bauteile erzeugt unausweichlich einen Spannungsabfall. Die hieraus resultierende Leistung Pv = U x I, ohmsche Verluste genannt, führt dazu, dass sich diese Stellen aufheizen. Ohne ein Abfließen von Wärme, würde mit fortschreitender Zeit die Energie in dem Bauteil stetig zunehmen und damit die Temperatur unaufhaltsam ansteigen. Tatsächlich erreicht die Temperatur einen Grenzwert. Dieser Temperaturwert wird dadurch bestimmt, dass die Energie, die sich in Form von Wärme anhäuft, natürlicher Weise bestrebt ist, in Areale abzufließen, deren Temperaturniveaus auf einem niedrigeren Wert liegen. Eine Elektronik tritt zwangsweise, mit unterschiedlicher Güte in Kontakt mit der Umgebungsluft. Diese Güte wird über den Thermischen Widerstand Rth beschrieben. Mithilfe der ohmschen Verluste Pv, dem, thermischen Widerstand Rth und der Temperatur der Umgebung TU kann (vereinfacht) die Temperatur TE berechnet werden, die die betrachtete Elektronik nach einiger (theoretisch nach unendlich langer) Zeit erreicht. TE = Rth x Pv + TU Der thermische Widerstand kann Werte zwischen Null (perfekte Güte) und Unendlich (perfekte Isolation) annehmen. Somit liegt die resultierende Temperatur TE zwischen Umgebungstemperatur TU: TE = 0 x Pv + TU = TU Und Unendlich: TE = ∞ x Pv + TU = ∞ Da elektrische Bauteile aus verschiedenen Gründen auf möglichst kleinem Raum komprimiert werden, ist ein thermischer Austausch mit der Umgebung von geringer Güte. Der thermische Widerstand zwischen dem Bauteil und der Umgebung ist groß. Es stellt sich eine „hohe“ Temperatur ein. Möchte man dieses Aufheizen vermindern, so muss der thermische Widerstand verringert werden. Pragmatisch betrachtet, verringert sich der thermische Widerstand dann, wenn die Kontaktfläche zum energieaufnehmenden Medium (In unserem Beispiel: Die Umgebungsluft) vergrößert wird. Passive Kühlung In der Praxis wird hier ein Gebilde aus thermisch leitfähigem Material eingesetzt, welches eine große Oberfläche besitzt, mit der es thermisch mit der umgebenden Luft in Wechselwirkung tritt. Über dieses Objekt, den Kühlkörper, verringert sich der thermische Widerstand Rth. Die Temperatur sinkt. Eine weitere Möglichkeit, den thermischen Widerstand zu verringern, ist der Einsatz von Lüftern. Indem die Umgebungsluft gezielt auf das zu kühlende Bauteil und gegebenenfalls den Kühlkörper geleitet wird, wird der thermische Austausch forciert. Auch hier verringert sich der thermische Widerstand. Alle Anstrengung den Kühlkörper zu optimieren und den Luftstrom zu maximieren führt zur Verkleinerung des thermischen Widerstandes, kann ihn jedoch niemals auf null setzen. Damit wird sich die Bauteiltemperatur der Temperatur der Umgebung annähern, diese jedoch unmöglich erreichen oder gar unterschreiten. Diese Art der Kühlung nennt man passive Kühlung. Passive Kühlung intensiviert den thermischen Austausch zwischen einem Objekt und einem Kühlmedium. Mithilfe der passiven Kühlung ist es möglich, ein Objekt nahe an die Temperatur des Kühlmediums herunterzukühlen. Aktive Kühlung Ist es gewünscht, Temperaturen zu erreichen, die niedriger sind als die direkte Umgebung, so ist es nötig, Energie aufzuwenden und diese derart umzuformen, dass ein Areal mit Energieverarmung entsteht. Die konventionelle Kompressor-Kühlung beispielsweise nutzt die Eigenschaft von Gasen, deren Temperatur bei Komprimierung steigt und bei Dekomprimierung sinkt. Mittels einer Pumpe wird ein Gas zusammengepresst, so dass sich dessen Temperatur erhöht. Dieses erwärmte Gas wird über einen Wärmetauscher an die Umgebungsluft geführt und gibt somit Wärmeenergie ab. Über ein Druckventil strömt das Gas zurück zur Pumpeneingangsseite. Durch den thermischen Austausch hat es nunmehr Energie verloren, so dass die Temperatur abgesunken ist. Physikalisch betrachtet wird elektrische Energie in Mechanische Energie umgewandelt. Die Mechanische Energie komprimiert und dekomprimiert ein Gas. Dieses Gas wiederum zirkuliert derart zwischen einem zu kühlenden Objekt und der Umgebungsluft, dass das Objekt unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Hierbei wird aus einem Areal niedriger Temperatur Energie abgeführt und an ein Areal höherer Temperatur abgegeben. Ein ähnlicher Effekt wird im Peltierelement erzielt. Hier wird ein elektrischer Strom über unterschiedliche Materialpaarungen geleitet. Da ein Elektron in unterschiedlichen Materialien unterschiedliches Energieniveaus besitzt, kommt es dazu, dass an solchen Übergangsstellen Energie aufgenommen wird oder freigesetzt wird. Dieses Phänomen wird Peltiereffekt genannt. Im Peltierelement werden nun abwechselnd viele Materialübergänge von einem Strom durchströmt. Die Übergänge, die eine Energieaufnahme verursachen werden auf einer Seite des Peltierelementes zusammengelegt. Die Temperatur auf dieser Seite fällt. Die Übergänge die eine Energieabgabe bedingen, sitzen folglich auf der zweiten Seite. Diese Seite wird warm. Wird die Stromrichtung geändert, tauschen sich die Effekte auf den Übergängen. Ein Peltierelement ist somit in der Lage, Temperaturen zu erzeugen, die niedriger sind als die Temperatur der Umgebung. Eine Kühlung die physikalische Phänomene nutz um Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur zu erzeugen wird aktive Kühlung genannt. Da Peltierelemente weder bewegliche noch flüchtige Bauteile besitzen, ist deren Einsatz über ihre gesamte Lebenszeit wartungsfrei. Kurz zusammengefasst: Eine Kühlung, die den natürlichen thermischen Widerstand zwischen einem Objekt und einem Kühlmedium verringert, um aus diesem Objekt thermische Energie in das kühlere Medium fließen zu lassen, wird passive Kühlung genannt. Die passive Kühlung erzielt Temperaturen die sich der Temperatur des Kühlmedium annähern, diese jedoch nie erreichen oder gar unterschreiten. Eine Kühlung, die in der Lage ist, thermische Energie aus einem Bereich abzuführen und an ein Medium abzugeben, dessen Temperatur größer ist als die Temperatur dieses Areals, wird aktive Kühlung genannt. Die aktive Kühlung erschafft Bereiche mit Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur.
. Zurück . Wärmeübertragungsparadoxon von Peltierelementen Typischer Anwendungsfall einer Peltierkühlung: In einem Aufbau soll eine bestimmte Stelle auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden. Hierfür soll ein Peltierelement (PE) zum Einsatz kommen. Durch die wärmere Umgebung und diverse Verluste strömt permanent thermische Energie in das zu kühlende Objekt nach. Das PE muss diese Energie entgegen dem natürlichen Wärmefluss an die wärmere Umgebung abführen. Damit die Energie aus dem Objekt abfließen kann, muss sich auf der Kaltseite des PE eine Temperatur einstellen, die niedriger ist, als die gewünschte Zieltemperatur. Auf der anderen Seite, der Warmseite des PE, muss die Temperatur den Wert der Umgebung überschreiten, damit die transportierte Energie in die Umgebung abfließen kann. Die Temperaturdifferenz ΔT die sich am Peltierelement einstellt ist somit immer größer, als die Temperaturdifferenz zwischen dem „Kühlen-Ort“ und der Temperatur des Kühlmediums, z.B. der Umgebungsluft. Der Verlauf der Kühlleistung eines Peltierelementes in Abhängigkeit zu seinem Betriebsstrom hat sinngemäß den in Bild 1 skizzierten Verlauf. Mit zunehmender Temperaturdifferenz ΔT, die sich wie oben beschrieben am Peltierelement einstellt, steigt der natürliche „Wärmedruck“, gegen den das Peltierelement ankämpfen muss. Bei einem ΔT von 0K beginnt der Wärmetransport, sobald ein noch so geringer Strom fließt. Die transportierte Wärmemenge steigt mit zunehmendem Strom an, bis ein Maximum erreicht wird. Wird der Strom nun weiter erhöht, so sinkt die transportierte Wärmemenge. In Bild 1 soll die obere Kurve diesen Verlauf verdeutlichen. Ein ΔT von mehr als 0K bedeutet, der zu kühlende Ort ist kälter als die Warmseite des Peltierelementes. Der natürliche Wärmefluss bewirkt, dass in die zu kühlende Seite Wärmeenergie von der anderen Seite strömt. Mit zunehmendem Strom sinkt die Menge der nachströmenden Energie. Erreicht der Strom den Wert I1 (Bild 1 mittlere Kurve) so kommt der Wärmestrom zum Erliegen. Steigert man den Strom weiter, so kehrt sich die Strömungsrichtung um, und von der Kaltseite wird Wärmeenergie abgeführt. Wir sprechen von aktiver Kühlung. Bei einem ΔT von Tmax kann keine thermische Energie mehr abgeführt werden. (Bild 1 untere Kurve). ΔTmax ist der Temperaturhub, der an einem perfekt isolierten Körper maximal gegenüber dem Kühlmedium erreicht werden kann. Bild 1: Strom I1, ist der Strom (bezüglich f{1} und ΔT>0) der benötigt wird, um den Tempraturhub ΔT zwischen der warmen und der kalten Seite des Peltierelements zu überwinden. Hier ist die Kühlleistung gerade 0W. Das heißt, ab diesem Strom wird von der kalten Seite Wärmeenergie entnommen. Vorher fließt die Wärme i die kalte Seite. Die transportierte Wärmemenge sowie die überwindbare Temperaturdifferenz steigen nicht proportional zum Strom, sondern flachen mit zunehmendem Strom ab bis bei Imax.die maximal mögliche Wärmemenge abgeführt wird. Steigt der Strom hier weiter an, so nimmt der Wärmetransport ab, bis er bei etwa 2Imax (für den Fall: ΔT=0) seine Richtung umkehrt und die ursprüngliche Kühlung zur Heizung wird. Die Warmseitentemperatur stellt sich auf ein Niveau ein, welches durch die abzuführende Wärmemenge, den thermischen Widerstand des Kühlkörpers (Wärmetauschers) und der Temperatur des Kühlmediums bestimmt wird. Betrachtet man nur die Wärmemenge, die durch die elektrisch zugeführte Energie P=U*I entsteht, so ist zu beachten, dass der Strom nicht erhöht werden kann, ohne auch die Spannung zu erhöhen. Siehe Ohm’sches-Gesetz: R=U/I, P=UxI, P=I²R Die abzuführende Wärmemenge steigt also mindestens quadratisch mit dem Strom. Da aber zusätzlich der Innenwiderstand des Peltierelementes mit Stromzunahme, durch den Peltiereffekt und der gleichzeitigen Temperaturzunahme des BiTe-Materials im Element, auch noch steigt, ist die Energiezunahme sogar noch größer. Beim Einsatz und Betrieb von Peltierelementen ist resultierend aus den oben beschriebenen physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgendes zu beobachten: Das Peltierelement kann mit Zunahme seines Betriebsstromes auch mehr Wärme transportieren.
Je nach Güte der Kühlung kommt es nun dazu, dass eine Zunahme der Kühlleistung nur bis zu einem Strom I < Ikipp erfolgt. Das ist der Punkt, ab dem eine Stromzunahme den Kühlkörper mehr aufheizt, als das Peltierelement über seine Leistungssteigerung komprimieren kann. Je ungeeigneter der Kühlkörper, desto früher tritt dieser Effekt auf. Dieses Phänomen kann sich soweit auswirken, dass der zwecks Kühlung erdachte Aufbau zu einer Heizung wird. Merke: Ist der Kühlkörper gar deutlich schlechter kommt es zum Peltierelemente-Auswahlparadoxon: Ist ein Kühlaufbau mit Peltierelementen bezüglich seines Arbeitspunktes falsch dimensioniert, so kann beobachtet werden, dass der Einsatz deutlich leistungsärmerer Elemente eine erhebliche Kühlleistungszunahme zur Folgen hat.
. Zurück . Was bedeutet Kühlung? Auf dem Weg bis zum heutigen Stand der Halbleitertechnik ist ihre Leistungsfähigkeit kontinuierlich gestiegen und gleichzeitig auf immer kleineren Raum komprimiert worden. Der Strom, der die Elektronik steuert, wird durch die sogenannten ohmschen Verluste in Wärme umgewandelt. Theoretisch reicht die kleinste Wärmeleistung aus um höchste Temperaturen zu erzeugen, wenn gleichzeitig verhindert wird, dass diese Energie abwandert. Umgekehrt gesagt: “Möchte man verhindern, dass in elektronischen Geräten schädlich hohe Temperaturen entstehen, muss die Verlustwärme abgeführt werden.“ Wenn zwei Medien mit unterschiedlichen Temperaturen in thermischen Kontakt gebracht werden, so wandert thermische Energie solange vom wärmeren zum weniger warmen Medium, bis beide Medien die gleiche Temperatur besitzen. Die Temperatur des warmen Mediums sinkt, während die Temperatur des anderen Mediums ansteigt. Je nach Wärmekapazität der einzelnen Medien, ändern sich die Temperaturen unterschiedlich stark. Ist die Wärmekapazität eines Mediums unendlich groß, so kann seine Temperatur nicht verändert werden. Da an den meisten Einsatzorten die Luft in annähernd unerschöpflicher Menge vorhanden ist, bietet sie sich als Medium zur Aufnahme von Verlustwärme an. Ein Objekt, welches thermisch perfekt mit der Atmosphäre in Kontakt tritt, nimmt dessen Temperatur an. Die Qualität des thermischen Kontaktes steigt und fällt mit der Kontaktflächengröße und -güte. Eine Elektronik, die miniaturisiert wurde, besitzt zwangsläufig nur eine kleine Oberfläche, um mit der Umgebung in Kontakt zu treten. Somit entstehen hier oftmals ein Wärmestau und in der Folge hohe Temperaturen. -Es muss gekühlt werden. Passive oder aktive Kühlung? Die passive Kühlung Bei der passiven Kühlung wird der Kontakt zum Kühlmedium verbessert, indem etwa ein Kühlkörper mit der zu kühlenden Stelle verbunden wird. Ein Kühlkörper besteht in der Regel aus wärmeleitfähigem Material und besitzt Verrippungen, die seine Oberfläche vergrößern. Hierdurch wird der Kontakt zum Kühlmedium deutlich verbessert. Die Qualität eines Kühlkörpers wird über seinen thermischen Widerstand beschrieben. Dieser Wert gibt an, um wieviel Kelvin sich die Kontaktfläche gegenüber der Temperatur des Kühlmediums aufheizt, wenn an diese Kontaktfläche thermische Energie übergegeben wird. Somit ist die Einheit des thermischen Widerstandes K/W (Kelvin pro Watt). Je kleiner dieser Wert ist, desto weniger heizt sich dieser Wärmetauscher gegenüber der Temperatur seines Kühlmediums auf. Besitzt ein Kühlkörper einen thermischen Widerstand von Null, so stellt sich auf der Wärmeaufnahmefläche exakt die Temperatur des Kühlmediums ein. Bei der passiven Kühlung kann das zu kühlende Objekt also minimal die Temperatur des Kühlmediums erreichen. Die aktive Kühlung Wenn ein Körper auf eine Temperatur gebracht werden soll, die geringer ist als die Umgebungstemperatur, spricht man von aktiver Kühlung. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit einer Kühlung oder Heizung. Das heißt, es ist möglich, in einen Körper Energie einzuführen um diesen zu erwärmen. Die Energiemenge pro Zeit ist annähern unbegrenzt groß wählbar, so dass Objekte sehr schnell aufgeheizt werden können. Ein kälteres Niveau erreicht man jedoch nur dadurch, dass man das zu kühlende Objekt mit einem Medium thermisch in Kontakt bringt, dessen Temperatur kleiner ist als die gewünschte Zieltemperatur. In der Folge wandert der Temperaturüberschuss aus dem warmen Objekt in das kalte Medium ab. Der Körper wird kalt. Je niedriger die Temperatur ist, die man an das zu kühlende Objekt heranträgt, das heißt, je größer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Arealen ist, desto größer ist der resultierende Wärmestrom Q = ΔT/Rth und umso schneller findet die Temperaturänderung statt. Da die natürliche Grenze bekannten Maßen bei -273,15°C liegt, kann diese Abkühlgeschwindigkeit nicht endlos gesteigert werden. Auf der Oberfläche eines Peltierelementes entsteht durch einen Stromfluss und bedingt durch seinen Aufbau, eine thermische Verarmung, also eine Stelle die wir kalt nennen. Mit Peltierelementen kann aktiv gekühlt werden.
. Zurück . Peltier-Element: Technische Erläuterungen Peltier - Elemente sind thermoelektrische Elemente (TE), die als Wärmepumpe arbeiten.
Nachdem der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) im Jahr 1821 die Thermoelektrizität entdeckte und damit die heute bekannte Temperaturmssung mit Thermoelementen ermöglichte, entdeckte der französische Physiker Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) im Jahre 1834 die Umkehrung dieses thermoelektrischen Effektes.
Welche besonderen Vorteile erreicht man mit dem Einsatz von thermoelektrischen Elementen:
• ökologische Reinlichkeit und Sicherheit, wegen des Fehlens von irgendwelchen Gasen und Flüssigkeiten. Die M-Serie bietet zwei weitere Eigenschaften:
1. Einen langfristigen stabilen Betrieb bei ständig wechselnden Temperaturen.
Thermische Zyklenfestigkeit
Mechanische Festigkeit eines Elementes Weitere thechnische Erläuterungen in der PDF-Datei: Extremtest für Alterungsvergleich, Anordnung für 40°/90°C Zyklentes, Aufbau des Schockversuches, Die richtige Auswahl von Peltier-Elementen, Leistungs-Diagramm, Wie wählt man das richtige Element?, Einbau von Peltier-Elementen, Korrosionsschutz der Peltier-Elemente, Bemerkungen zur Speisung der Elemente,...
. Zurück . Auswahl eines passenden Peltier-Elements TE-Module sind geeignete Teile für den Einsatz unter vielen verschiedenen Bedingungen. Dessen ungeachtet beinhalten die meisten Anwendungen die nachfolgend beschriebenen Arbeitsweisen. Der Zustand größter Energieeffizienz wird dadurch charakterisiert, dass ein Minimum an Energie-Aufwand die Möglichkeit bietet, genau die gewünschte Kältemenge zu erhalten, also den des maximalen Wertes des “Coefficient of Performance” (COP); Der Zustand der maximalen Kühlkapazität ist von äußerstem Interesse. Auf Grund dessen wird die Methode der Selektion der benötigten Module durch die Modul- Funktion in Abhängigkeit von der maximalen Kühlkapazität bestimmt. Für eine optimale Auswahl von TE-Modulen sind zwei Parameter erforderlich:
1. Die thermischen Belastung eines Moduls.
Die totale Wärmebelastung steht in Beziehung zu der Verlustleistung des zu kühlenden Objektes und verschiedenen Arten des Wärme-Zuflusses, von der Umgebungswärme durch Konvektion, von der Abstrahlung und dem Wärmeleitwert der montierten Teile. Die Temperaturdifferenz wird bestimmt als die Differenz zwischen der Temperatur, bei der die Wärmeabstrahlung stattfindet, und der Temperatur des zu kühlenden Objektes.
Soweit die benötigte Temperaturdifferenz 50°C nicht überschreitet, ist ein mehrstufiges Element möglichst zu vermeiden.
. Zurück . Allgemeine Spezifikationen Einleitende Bemerkungen
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. Zyklenfestigkeit im Betrieb Module für ThermoCYCLER-Anwendungen
Merke: Die Werte in der Tabelle sind Anzahlen von Zyklen bevor irgendein Fehler auftrat. Das Fehlerkriterium für ein Modul ist eine Veränderung des Widerstandes um –5%.
Merke: Die Werte in der Tabelle sind Anzahlen von Zyklen bevor irgendein Fehler
auftrat. Das Fehlerkriterium für ein Modul ist eine Veränderung des Widerstandes um
–5%.
. Zurück .Feuchtigkeitsschutz der Peltierelemente Feuchtigkeitsschutz oder Anti-Korrosionsschutz von thermo-elektrischen Modulen bedeutet eine Prävention gegen den Korrosions-Prozess, gegen sein Eindringen unter Feuchtigkeitseinfluss in die Lotverbindungen. Diese Feuchtigkeit kondensiert aus der Umwelt, wenn diese höhere Temperaturen hat als der betroffene Bereich des Moduls. Neben der zerstörerischen Einwirkung des Korrosions-Phänomens erzeugt gesammeltes Wasser auch thermische Brücken zwischen den Keramik-Substraten und führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Moduls.
. Zurück . Qualitäts & Zuverlässigkeitskontrolle Jedes thermoelektrische Modul wird gründlich auf Qualitäts- und Zuverlässigkeitsdaten geprüft, um Übereinstimmung mit den Marktanforderungen an moderne thermo-elektrische Module sicherzustellen. Fig. 1: Outline of POWER CYCLE (Reverse Current Polarity) TEST Fig. 2: Possible modes of t
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. Einbau & Montage der Peltier-Module Ein Peltier-Element enthält verhältnismäßig zerbrechliche Halbleiter-Elemente und v erlangt deshalb strikte Einhaltung der Reihenfolge gew isser Schritte während der Montage. Das Versäumen eines der Schritte führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades oder aber zu Fehlern.
. Zurück . Leistungsverhalten von Peltier-Elementen Die genaue Kenntnis des Leistungsverhaltens von Peltier-Elementen und deren gezielte Ausnutzung ist für grenzwertige Kühlaufgaben von erfolgsentscheidender Bedeutung.
Qk = (Se * I*T) - (R*I²)/2 - (K*dT)
Bild 1: Temperaturabhängigkeit der Materialparameter Mathematische Beschreibung bei dT ≠ 0: Die Formeln zur Berechnung der einzelnen Parameter am Beispiel eines Peltier-Elementes mit 71 Thermopaaren und einer maximalen Stromaufnahme von 6 Ampere lauten wie folgt: Grundlegende Formeln zur Berechnung der Leistungsparameter: Die Bedeutung des Kennlinienfeldes für die Auslegung von grenzwertigen Kühlaufgaben wird aus der Interpretation der Grafik deutlich.
Bild 2: COP (coefficient of performance) in Abhängigkeit der Stromstärke; COP = Qc/U*I
Bei geringen Stromstärken verringert sich die transportierbare Wärmemenge entsprechend der Grafik in Bild 3. Das Fazit lässt sich in den beschriebenen kritischen Fällen in folgende Leitsätze kleiden:
Bild 3: Leistung eines Peltier-Elementes in Abhängigkeit von Stromstärke und Temperaturdifferenz
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. 10 wichtigsten Regeln für Peltier-Elemente 1. Unbeeinflusst fließt Wärme immer von warm nach kalt
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Unsere Peltier-Elemente nach Q-max sortiert im Überblick: . Einstufige Standard (20.000 Zyklen & T-Max 100°C) Peltier-Elemente: - 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 Premium (800.000 Zyklen & T-Max 200°C) Peltier-Elemente: - 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 Superior (2.000.000 Zyklen & T-Max 200°C) Peltier-Elemente: - Wärmetransportmenge (Qmax) 70-80 W
. Einstufige Micro (Standard & Premium) Peltier-Elemente: - Wärmetransportmenge (Qmax) 3-4 W
. Zweistufige Premium (800.000 Zyklen & TMax 200°C) Peltier-Elemente: - Wärmetransportmenge (Qmax) 17 W - Wärmetransportmenge (Qmax) 35 W
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