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.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...]

Sortiertabelle

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Artikelnummer warme Seite
[mm]
kalte Seite
[mm]
Höhe
[mm]
Q-max
[W]
U-max
[V]
I-max
[A]
QC-17-1.0-2.5XX 12x12 12x12 4,2 003,20 01,90 02,80
QC-17-1.0-3.0XX 12x12 12x12 3,8 004,00 01,90 03,50
QC-17-1.0-3.9XX 12x12 12x12 3,6 004,90 01,90 04,30
QC-17-1.4-3.7XX 15x15 15x15 4,7 004,70 01,90 04,10
QC-17-1.4-6.0XX 15x15 15x15 3,8 007,40 01,90 06,50
QC-17-1.4-8.5XX 15x15 15x15 3,4 009,80 01,90 08,70
QC-31-1.0-2.5XX 15x15 15x15 4,2 005,80 03,50 02,80
QC-31-1.0-3.0XX 15x15 15x15 3,8 007,30 03,50 03,50
QC-31-1.0-3.9XX 15x15 15x15 3,6 008,80 03,60 04,30
QC-31-1.4-3.7XX 20x20 20x20 4,7 008,60 03,50 04,10
QC-31-1.4-6.0XX 20x20 20x20 3,8 013,50 03,50 06,50
QC-31-1.4-8.5XX 20x20 20x20 3,4 017,80 03,50 08,70
QC-32-0.6-1.2XX 08x10 08x08 2,6 003,13 03,60 01,40
QC-32-0.6-1.5XX 08x10 08x08 2,5 003,83 03,60 01,80
QC-35-1.4-3.7XX 15x30 15x30 4,7 009,70 04,00 04,10
QC-35-1.4-6.0XX 15x30 15x30 3,8 015,20 04,00 06,50
QC-35-1.4-8.5XX 15x30 15x30 3,4 020,10 04,00 08,70
QC-63-1.0-2.5XX 15x30 15x30 4,2 011,80 07,20 02,80
QC-63-1.0-3.0XX 15x30 15x30 3,8 014,80 07,10 03,50
QC-63-1.0-3.9XX 15x30 15x30 3,6 017,90 07,10 04,30
QC-63-1.4-3.7XX 20x40 20x40 4,7 017,40 07,20 04,10
QC-63-1.4-6.0XX 20x40 20x40 3,8 027,40 07,20 06,50
QC-63-1.4-8.5XX 20x40 20x40 3,4 036,10 07,10 08,70
QC-71-1.0-2.5XX 23x23 23x23 4,2 013,30 08,10 02,80
QC-71-1.0-3.0XX 23x23 23x23 3,6 016,70 08,10 03,50
QC-71-1.0-3.9XX 23x23 23x23 3,6 020,20 08,00 04,30
QC-71-1.4-3.7XX 30x34 30x30 4,7 019,60 08,10 04,10
QC-71-1.4-6.0XX 30x34 30x34 3,8 030,90 08,10 06,50
QC-71-1.4-8.5XX 30x30 30x30 3,4 040,70 08,00 08,70
QC-71-2.0-12.0XX 40x40 40x40 3,8 061,50 08,00 13,00
QC-71-2.0-15.0XX 40x40 40x40 3,6 073,90 08,00 15,80
QC-127-1.0-2.5XX 30x30 30x30 4,2 023,80 14,50 02,80
QC-127-1.0-3.0XX 30x30 30x30 3,8 029,80 14,40 03,50
QC-127-1.0-3.9XX 30x30 30x30 3,6 036,10 14,40 04,30
QC-127-1.4-3.7XX 40x40 40x40 4,7 035,10 14,50 04,10
QC-127-1.4-6.0XX 40x40 40x40 3,8 055,20 14,40 06,50
QC-127-1.4-8.5XX 40x40 40x40 3,4 072,80 14,40 08,70
QC-127-2.0-15.0XX 50x54 50x50 3,6 131,20 14,30 15,70
QC-161-1.6-15.0XX 40x40 40x40 3,3 141,80 17,90 13,90
QC-241-1.0-3.0XX 40x40 40x40 3,8 056,50 27,40 03,50
QC-241-1.0-3.9XX 40x40 40x40 3,6 068,30 27,30 04,30
QC-241-1.4-8.5XX 54,4x57 54,4x57 3,4 138,10 27,30 08,70
QC-241-1.6-15.0XX 50x54 50x50 3,8 204,80 26,70 13,60
QC-241-1.6-28.0XX 50x54 50x50 3,3 338,80 25,60 24,50
QC-450-0.8-3.0XX 54,4x57 54,4x57 3,4 099,20 51,10 03,30

 

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Peltierelemente

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Peltier-Controler

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Wärmeleitpaste

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WärmeleitKleber

. Alle Peltier-Elemente liegen bei uns versandfertig im Lager bereit und können umgehend geliefert werden. Die Lieferzeit für solch einen Artikel beträgt innerhalb Deutschland 1-3 Werktage. In seltenen Fällen können einzelne Artikel kurzfristig vergriffen sein. In diesem Fall werden Sie umgehend von unseren Mitarbeitern informiert.

 

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Allgemeine Fragen & Verkauf: Katja Hermes +49 (0) 202 - 40 43 22

Technische Fragen: Werner Jonigkeit +49 (0) 202 - 40 43 26

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. Sehr zu empfehlen: 51 wichtige Regeln zum Thema Peltierelemente

 

 

 

. 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
- IGBTs oder MOSFETs
- Prozessoren
- Bauteilen in der Elektronik / Mikroelektronik in Serienproduktion

Eigenschaften:

- Sehr guter Ersatz für herkömmliche WLP
- Extrem dünne Schicht durch definierten Aufdruck
- Wärmeleitfähigkeit 3,4W/mK
- Silikonfrei
- Druckmuster frei wählbar
- Maximale Reproduzierbarkeit, kein händischer Auftrag
- Saubere Arbeitsplätze, durchgetrockneter Druck

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.

 

pdf-image Datenblatt

 

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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.

 

quick-cool: peltier-element

 

. 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.

Peltierelement: Physikalische Effekte

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. 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.

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. 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.

peltierelement-Bauform

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.

peltierelement-kühlleistung-formel

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.

peltierelement-kühleistung-spannung-diagramm

 

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.


Anmerkung

Es gibt sehr viele Kühlkörper, die 130W abführen können, aller­dings wird in diesem Zusammenhang selten von der Tempera­turdifferenz gesprochen. Diese Temperaturdifferenz lässt sich im thermischen Widerstand Rth ausdrücken. Der Rth charakteri­siert einen Kühlkörper und trägt die Einheit K/W.
Er drückt aus, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen dem heißesten Punkt auf dem Kühlkörper und der Wärmesenke, in der Regel Luft, ist. Ein Kühlkörper mit einem Rth von 1 hat bei einer Verlustleistung von 10W einen Gradienten von 10K. Das bedeutet, dass die heißeste Stelle des Kühlkörpers 10K wärmer ist als die Umgebung.
Übertragen auf unsere thermische Aufgabe würde das bedeu­ten, dass der Kühlkörper an der heißesten Stelle, also auf der heißen Seite des Peltiers eine Temperatur von 130K über der Umgebung aufweist. Das Peltier erzeugt jedoch nur einen Tem­peraturhub von 40K, also ist die kalte Seite immer noch 90K über der Umgebung.

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.

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. 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:

  1. Wärmeleitpaste
  2. spezielle leitende Folien aus Graphit
  3. Phasenwechselmaterialien (Phase Change Material, kurz: PCM), druckbar
  4. Wärmeleitkleber
  5. Gap Pads

zum Einsatz kommen, um die Zwischenräume der Verbindung so luftdicht wie möglich zu verschließen.

peltierelement-montage-wärmeleitfähogkeit

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.

Zudem sollte darauf geachtet werden, dass die Oberflächenbe­schaffenheit der Kontaktflächen von Kühlkörpern und Wärme­tauschern zu der des Peltier-Elements identisch ist.

Die Kontaktflächen sollten mindestens eine Oberflächengüte mit folgenden Werten aufweisen:  

peltierelement-kontaktfläche-werte

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.

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. 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.
Dabei sollte außerdem beachtet werden, dass die Schrauben, die für die Verbindung zum Einsatz kommen, thermisch zu isolieren sind, um zu verhindern, dass eine Kältebrücke zwischen der kalten und warmen Seite entsteht. Dafür können beispielsweise thermische Isolierscheiben verwendet werden. Außerdem spielt auch das Material eine entscheidende Rolle. Schrauben aus Edelstahl haben nicht nur eine gute Festigkeit, sie besitzen zudem einen niedrigen Wärmeleitwert von ca. 15 W/mK. Ebenso sollten Federn, die eine konstante Klemmkraft ermöglichen, genutzt werden.

Beim Anziehen der Schrauben ist darauf zu achten, die Schrau­ben gleichmäßig anzuziehen. Bei diesem Vorgang sollte folgen­des Schema berücksichtigt werden:

. 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.

Dabei sollte die Klemmkraft auf das Peltier-Element zwischen 1,3 bis 1,5 N/mm² liegen. Je größer das Bauteil, desto höher die benötigte Anpresskraft. Beispielsweise wäre bei einem Pel­tier-Element mit der Größe 40 x 40 mm eine gesamte Andruck­kraft von 2.100 bis 2.400 N notwendig.

Bevor das System dauerhaft in Betrieb genommen wird, ist es jedoch erforderlich, die Klemmkräfte mittels Drehmoments noch einmal zu überprüfen. Sollten die Werte abweichen, wird eine Korrektur fällig. Hier helfen Druckfedern, z. B. Spiralfedern oder Tellerfedern.

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.

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. 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.

Regelungsarten

Eine 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
Dieser stellt die einfachste Form einer Regelung dar. Weicht ein Wert vom eingestellten Soll ab, wird geschaltet, um gegenzu­steuern.

Proportionalregler oder P-Regler
Dieser Regler regelt sanfter als ein Zweipunkt-Regler, indem kurz vor Erreichen des Sollwerts ein fließender Übergang her­abgeregelt wird.

PI-Regler
Mit einem implementierten Integralteil wird hier sichergestellt, dass der Sollwert sicher erreicht werden kann. Ein PI-Regler än­dert nicht nur proportional zur Regelabweichung die Steuer­größe, sondern beobachtet diese über eine Zeitspanne x. Da­durch ist die Genauigkeit mit diesem Regelsystem höher.

PID-Regler
Zusätzlich zur Regelabweichung beobachtet dieser Regler die Dynamik, mit der sich der Ist-Wert dem Sollwert nähert. Wenn bei gegebener Regelabweichung keine Temperaturänderung erkannt wird, erhöht der PID-Regler den Stellwert. Dieser Reg­ler kann nicht nur auf vorhandene oder gar dauerhafte Regel­abweichungen reagieren, sondern ebenso auf eine sich erst ankündigende.

Fuzzy-Logik
Bei dieser Ansteuerung reagiert der Regler auf diverse Kenn­größen und Datenquellen. Die Regeldynamik ist hier ausschließlich von der Kompetenz des Programmierers abhängig.

 

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:

Im ersten Fall werden Strom bzw. Spannung halbiert.  Die Leistungsaufnahme beträgt hier:
7,5V · 3A = 22,5W

Im zweiten Fall beträgt die Leistungsaufnahme:
50% · 15V · 6A = 45W

Daraus lässt sich schließen, dass eine Peltieranwendung, die den Energieverbrauch minimieren soll, eine geglättete Gleichstromquelle als Stellgröße benötigt. Bei einer PWM-Ansteuerung wird mehr Energie benötigt, die ebenfalls in Form von Wärme abgeführt werden muss.

Folgende Punkte sollten bei der Nutzung von PWM-Reglern be­achtet 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.

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. 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.

peltierelement-thermische Widerstand

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

Thermocycler sind Geräte, welche durch zyklischen Temperatur­wechsel in der Polymerase-Kettenreaktion eingesetzt werden. Diese wird zum Beispiel dafür genutzt, um Krankheitserreger nachzuweisen. Die Geräte bauen auf einem relativ einfachen Prinzip auf. Es sind spezielle, zyklenfeste Peltiermodule verbaut, welche die Proben auf festgelegte Temperaturen bringen und wieder abkühlen lassen. Die schnelle zeitliche Abfolge der Zyklen während der Sequenzierung verlangt den Modulen einiges ab. Die Lebensdauer eines Moduls kann durch eine optimale Kons­truktion erhöht werden. Ein Großteil der Module auf dem Markt erfüllt diese Kriterien nicht. Quick-Cool hat hierfür jedoch zwei Modulkonfigurationen mit hoher und sehr hoher Zyklenfestig­keit im Angebot.

 

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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:

peltier-element: Darstellung warme Seite

 

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:

Diagramm: Kühlleistung-Q-des-Peltierelementes

 

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:

Diagramm: peltierelement-tempraturdifferenz

 

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:
Formel Thermische Wiederstand: Rth<10K:(Q+Pzu)
Hierbei ist:

- Rth = thermischer Widerstand des Kühlkörpers
- Q = abgeführte Wärme
- Pzu = zugeführte elektrische Leistung

 

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:

kühlkörper-luftaustausch

51. Ist es konstruktionsbedingt erforderlich, die Montage ausschließlich mittels Klebung auszuführen, so ist sicherzustellen, dass auf das Peltierelement keinen Scher- oder Zugkräften einwirken.

 

pdf-image 51 goldene Regeln zum Thema Peltier-Element zum Download

 

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. 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.

Mit fortschreitender Lebensdauer unterliegt das Element jedoch einer Alterung, die hauptsächlich zwei unterschiedlichen Ursachen hat. Die sogenannte Zyklenfestigkeit eines Peltierelementes beschreibt den Alterungsprozess des Elementes nach einer zyklischen Beanspruchung. Eine Zyklische Beanspruchung ist ein Vorgang, bei dem ein Peltierelement in festgelegtem Rhythmus derart angesteuert wird, dass die Kaltseiten-Oberfläche des Elementes in eben diesem Rhythmus ihre Temperatur ändert. Bei einer solchen Wechselbeanspruchung werden, bedingt durch die thermische Materialausdehnungen, mikroskopische Bewegungen im Element verursacht. Diese Bewegungen beanspruchen den inneren Aufbau des Peltierelementes. Sie verursachen kleine Risse im Material und hierüber eine Erhöhung des Innenwiderstandes. Dieser Alterungsprozess ist mechanischer Natur. Um ein valides Prüfverfahren zu definieren, hat man innerhalb des Hauses Quick-Ohm die Anzahl der Zyklen, die eine Innenwiderstandsänderung von 5% verursachen, als das Maß der Zyklenfestigkeit definiert. Hierbei ist zu beachten, dass das Element nach einer solchen Beanspruchung nicht funktionslos geworden ist, ihm jedoch eine Einschränkung der Funktionsfähigkeit nachzuweisen ist.

Es ist nachvollziehbar, dass die dynamische Form des Zyklus, den das Element durchfährt, einen entscheidenden Einfluss auf seine Beanspruchung hat. Ebenso ist festzustellen, dass die Temperaturspanne und die Änderungsfrequenz der Zyklen unendlich variabel sind. Wenn eine Zyklenfestigkeit angegeben wird, so hat dieser Wert nur im Zusammenhang mit der exakten Beschreibung des Zyklus‘ eine quantitative Aussagekraft. Je höher die Temperaturänderung innerhalb des Zyklus‘ desto kritischer ist die Beanspruchung.

In Quick-Ohm-Peltierelementen vom Typ „M“ ist eine flexible Schicht eingearbeitet, die die besagte mechanische Beanspruchung gegenüber Peltierelementen ohne eine solche Zwischenlage um ein Vielfaches reduziert. Es gibt darüber hinaus eine zweite Beanspruchung, die ein Peltierelement altern lässt.

Die im Peltierelement verbauten Thermoelemente bestehen aus einer Vielzahl von positiv und negativ dotierten Halbleiterquadern. Durch diese Dotierung entstehen partiell begrenzte Ladungsüberschüsse. Mit zunehmender Temperatur diffundieren die zusätzlichen Elektronen bzw. die „Löcher“ in die angrenzenden Lötverbindungen, was eine Schwächung des Peltier- als auch des Seebeck-Effektes nach sich zieht.

Auch hier ist im Hause Quick-Ohm eine Lösung gefunden worden, die den Alterungsprozess entscheidend verlangsamt. In Quick-Ohm-Elemente werden sogenannte Antidiffusionsschichten eingearbeitet, die den soeben beschriebenen negativen Effekt erheblich abschwächen.

Die sorgfältige Auswahl einwandfreier Rohstoffe macht Quick-Ohm Peltierelemente zu den haltbarsten Modulen auf dem Markt. So wird beispielweise das Halbleitermaterial bereits in dem Stadium, da es sich noch in großen Blöcken befindet, auf seine technischen Eigenschaften hin untersucht. Hierdurch wird vermieden, dass fehlerhaftes Material in die Produktion gelangt. Da die thermisch aktiven Komponenten im Peltierelement elektrisch in Reihe geschaltet werden, verursacht bereits ein defektes Einzelteil den Ausfall des gesamten Moduls. Unter der Betrachtung, dass die Anzahl der Einzelteile eines Peltierelementes einen Wert von bis zu 1800 erreicht, kann ein wirksames Qualitätsmanagement nicht hoch genug wertgeschätzt werden.

Die Alterung von Quick-Ohm-Peltierelementen, verursacht durch zyklische Beanspruchung:

Art des Zyklus Test -20°C /+120°C Test +40°C/+90°C: unsymmetrische Zyklen Test +40°C/+90°C: symmetrische Zyklen
A-Serie   ca. 20.000  
M-Serie 10.000-15.000 20.000-30.000 800.000-1.000.000
MM-Serie 200.000-300.000 400.000-600.000 1.500.000-2.000.000



Die Zahlen beschreiben die Durchschnittliche Anzahl der beschriebenen Zyklen, die eine 5%‘ige Veränderung des Innenwiderstandes im Peltierelement verursachen.

Das Element wird hierbei sowohl mechanisch (im mikroskopischen Bereich) als auch thermisch belastet. Die Standzeit eines Elementes bei einer +20°C/+70°C Zyklus-Beanspruchung wird, bedingt durch die geringere, relative Temperatur, höher sein, als der beschrieben +40°C/+90°C Zyklus. Etc.

Diagramm: Test: Alterung von Quick-Ohm-Peltierelementen

Die Alterung von Quick-Ohm-Peltierelementen, verursacht durch thermische Beanspruchung:

Ein Quick-Ohm-Peltierelement wird nach durchschnittlichen 50.000 Stunden Dauerbetrieb bei 50°C eine nachweisliche Innenwiderstandsänderung von 5% erfahren. Das entspricht einem Dauerbetrieb von mehr als 5 Jahren. Hierbei ist es unerheblich, ob die Temperatur von außen zugeführt wird, oder ob das Element durch Strombeaufschlagung auf die beschriebene Temperatur gebracht wird. Eine Temperaturerhöhung um 50K beschleunigt den Prozess um Faktur 10. So dass bei einer Temperatur von 100°C die definierte 5% Innenwiderstandsänderung nach etwa 5000 Stunden eintritt. Eine Absenkung der Temperatur auf 0°C wiederum, erhöht die Lebensdauer des Elementes um den Faktor 10.

 Alterung von Peltierelementen

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. 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:

peltierelemente-versiegelung



Verantwortlich für den Peltiereffekt ist die Paarung von zwei elektrischen Leitern mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Um mit einem Peltierelement nennenswerte Kühlleistungen erzielen zu können, werden diese aus einer variablen Anzahl von Halbleiterpaaren aufgebaut. Mit Zunahme dieser Anzahl vergrößert sich folglich das Modul. Da die Paarungen elektrisch in Reihe geschaltet werden, steigt die Versorgungsspannungvon Peltierelementen mit Zunahmder Paarmenge.

Die einzelnen Halbleiter im Peltierelement haben eine Quaderform. Die Querschnittsfläche durch die der Wärmestrom geleitet wird ist quadratisch. Die zweite Ziffer im Artikelnamen gibt die Kantenlänge des Halbleiter quaders in Millimeter an. Dieser Wert ist auf volle zehntel Millimeter abgerundert.

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
Das Lot in einem Standard-Modul hat seinen Schmelzpunkt bei 138°C. Aus diesem Grunde dürfen Standard-Module nur von maximal 100°C erfahren. Standard-Module werden ohne flexible Schicht. Hierdurch erreichen diese Qualitäten nicht die zyklenbedingte Lebensdauer unserer M- und MM-Typen.

Premium Qualität
Premium -Module dürfen Temperaturen bis 200°C ausgesetzt werden. Zusätzlich erhalten Peltierelemente der Premium Qualität eine flexible Zwischenlage, um thermisch bedingte Spannungen abzumildern. Hierdurch werden sehr hohe Standzeiten bei zyklischer Belastung erreicht.

SuperiorQualität
Superior-Module dürfen Temperaturen bis 200°C ausgesetzt werden. Peltierelemente der Superior Qualität werden mit zwei flexiblen Zwischenlagen aufgebaut. Hierdurch werden die Standzeiten bei zyklischer Belastung gegenüber den M-Typen in etwa verdoppelt

Aufbau der Artikelnummer bei Quick-Ohm

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. 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.

Damit also die Temperatur auf der Kaltseite bestimmt werden kann, muss die Temperatur auf der gegenüberliegenden Seite bekannt sein. Die Kaltseitentemperatur ergibt sich dann aus Warmseitentemperatur minus Temperaturdifferenz. Je weniger Energie transportiert werden muss, desto größer ist der maximal erreichbare Temperaturhub.

Einstufige Peltierelemente aus dem Hause Quick-Ohm erreichen einen maximalen Temperaturhub von ca. 70K, wenn die Warmseitentemperatur 25°C beträgt und die transportierte Energie gegen Null geht. Die Quantität dieser Temperaturdifferenz hängt unter anderem von den Eigenschaften der beiden verwendeten Halbleitermaterialien ab. Um möglichst tiefe Temperaturen auf der Kaltseite eines Elementes erreichen zu können, ist es erforderlich, die Warmseite auf niedrigem Temperaturniveau zu halten. In der Praxis wird die Warmseitentemperatur mit einem Wärmetauscher auf konstantem Niveau gehalten.

Die Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers wird über seinen Wert Rth beschrieben. Je kleiner sein Wert ist, desto leistungsfähiger ist dieser Kühler und umso geringer heizt sich dieser bei der Energieabgabe gegenüber seinem Kühlmedium auf. Die abzuführende Leistung, die den Kühlkörper wärmer werden lässt, ergibt sich aus der Summe von transportierter Wärmeleistung und der für den Peltierbetrieb notwendigen zugeführten Leistung. Je besser der Kühlkörper zur Stabilisierung der Warmseite gewählt wird, desto geringer heizt sich diese Seite auf und umso tiefer kann die Kaltseitentemperatur absinken.

So wie der ohmsche Widerstand in einem Stromkreis Spannungsabfälle erzeugt, so erzeugen thermische Widerstände, wie auch Kontaktstellen oder Wegstrecken durch Material, Temperaturabfälle. Die nutzbare Temperaturdifferenz, wird gegenüber der Differenz, die das Peltierelement erzeugt, um diese Temperaturabfälle geschmälert.

Das heißt:

- Soll ein perfekt isolierter Aluminium-Block mit einem Peltierelement heruntergekühlt werden, und wird die Warmseite mit einem Luftwärmetauscher in einer Umgebung von 20°C entwärmt. So verhindern die thermischen Widerstände auf den Weg vom Alukorpus bis zur Umgebungsluft, dass der Alublock -50°C erreicht, obwohl die Temperaturdifferenz direkt am Peltierelement 70 Kelvin betragen könnte. Darum sind alle thermischen Kontaktstellen sorgfältig auszuführen und Materialien mit guter thermischer Leitfähigkeit, wie etwa Kupfer oder Aluminium, zu wählen. Die häufigste Schwachstelle ist in der falschen Anpassung des Kühlkörpers zu finden.

Die Halbleiter-Materialeigenschaften sind temperaturabhängig. So dass der erreichbare Temperaturhub auf unterschiedlichen Temperaturniveaus unterschiedlich hoch ausfällt. In einem Bereich zwischen - 40°C und +100°C steigt der maximal mögliche Temperaturhub mit der Temperatur. Dies verhindert, dass sich die Vorkühlung der Warmseite in vollem Umfang auf der Kaltseite auswirkt. Erreicht das Peltierelement bei einer Warmseitentemperatur von 20°C beispielsweise -30°C auf der Kaltseite, so ist es nicht folgerichtig, zu erwarten, bei einer Warmseitentemperatur von 0°C könne die Kaltseite -50°C erreichen.
Das Peltierelement besitzt gegenüber der konventionellen Wärmepumpe weder bewegliche noch flüchtige Bestandteile, so dass es während seiner langen Lebensdauer völlig wartungsfrei betrieben werden kann.

Das Peltierelement und sein Betrieb

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. Die Nennwerte im Datenblatt


Was bedeutet Qmax?

Je nach innerem Aufbau, können Peltierelemente unterschiedlich große Mengen Energie transportieren. Werden zwei gleichwarme Objekte miteinander verbunden, so befindet sich die Wärme im Gleichgewicht und es findet kein Energieaustausch statt. Wenn zwischen diese beiden Objekte ein von Gleichstrom durchströmtes Peltierelement gesetzt wird, so wird einem dieser Objekte thermische Energie entzogen und in das andere Objekt transportiert. Die Abgeführte Wärmeleistung nennen wir Kühlleistung. Mit zunehmendem Strom nimmt auch die Kühlleistung des Peltierelementes zu. Die Zunahme steigt jedoch nicht proportional zum Strom, sondern folgt einer Kurve, ähnlich einer Sinusfunktion. Es existiert also eine Stromschwelle, ab deren Überschreitung die Kühlleistung abnimmt. Folglich existiert eine maximale Kühlleistung. Die Höhe dieser maximalen Kühlleistung ändert sich mit dem Temperaturniveaus auf welchem der beschriebene Vorgang durchgeführt wird. Mit zunehmender Temperatur kann mehr Wärme transportiert werden. Der Wärmestrom Qmax, beschreibt die maximale Wärmeleistung, die ein Peltierelement in der Lage ist, aus einem Objekt mit einer Temperatur von 25°C, unbegrenzter Leitfähigkeit und Wärmekapazität abzuführen und an ein ebensolches Objekt abzugeben.

Diagramm 1 zeigt beispielhaft den Verlauf der Kühlleistung des Peltierelementes QC-127-1.4-3.7 als Funktion des zugeführten Stromes.


Diagramm 1:

peltierelement-qmax-diagramm

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 zeigt, unter den oben beschriebenen Bedingungen, den Verlauf der Kaltseitentemperatur als Funktion des Stromes. Diese Kurve gilt für alle einstufigen Quick Ohm-Peltierelemente.

Diagramm 2:

peltierelement-deltatmax-diagramm

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:

peltierelement-imax-diagramm

 

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.

Definition der Nennwerte im Datenblatt

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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:

1. Was wird temperiert?
2. Welche Temperatur oder welcher Temperaturbereich soll erzielt werden?
3. Mit welchem Kühlmedium wird das Peltierelement entwärmt?
4. Welche Temperatur besitzt das Kühlmedium?
5. Welche Kühl- oder Heizleistung wird benötigt?
6. Wie schnell soll eine Temperatur erreicht werden?

Ohne diese Fragen zu klären, ist eine sinnvolle Auswahl nicht möglich. Eine Vorgehensweise nach dem Motto, Viel hilft viel, ist in den allermeisten Fällen zum Scheitern verurteilt. Bitte bedenken Sie, dass nur über die Quantifizierung des thermischen Zusammenhangs die beste Lösung gefunden werden kann und andernfalls über ein gesamtes Projekt hin mit den Folgefehlern zu kämpfen ist.

Quick-Ohm ist sich dieses Sachverhaltes bewusst und hat darum den Arbeitsbereich Wärmemanagement ins Leben gerufen. Das Team umfasst Ingenieure und Techniker, die, mit ihrer jahrzehntelangen Erfahrung aus zahllosen Anwendungen und Lösungen, ihnen die bestmögliche Unterstützung zukommen lassen.

Die Wahl des optimalen Peltierelementes

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. Wie benutzt man die Diagramme aus den Datenblätern?

Hier sind beispielhaft einige Punkte eigezeichnet, die nachfolgend bewertet werden.

peltierelement- Diagramm Nutzung

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.

Wie benutz man die Diagramme aus den Datenblättern

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. 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.

Einfluss der Spannung bei Peltierelementen

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. 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.

Generierung elektrischer Energie

 

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. 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.

Kühlung von Elektronik

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. 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
2. Ein Peltierelement einsetzen.

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.

Mangelhafte Kühlung korrigieren

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. 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.

Passive Kühlung & aktive Kühlung

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. 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:

Kurve: Kühl- & Heizbetrieb zu Kühlleistung

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.
Das Niveau, an welches es die Wärme wieder abgibt, steigt dabei, bedingt durch das Aufheizen des verwendeten Wärmetauschers (Kühlung).

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:
Ein Kühlkörper der sich an der Kontaktstelle zum Peltierelement mehr als 10K gegenüber seiner Kühlmedium-Temperatur aufheizt ist in der Regel falsch dimensioniert und unwirtschaftlich.

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.

Wärmeübertragungsparadoxon von Peltierelementen

 

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. 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.

 

Was bedeutet Kühlung?

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. Peltier-Element: Technische Erläuterungen

Peltier - Elemente sind thermoelektrische Elemente (TE), die als Wärmepumpe arbeiten.
Damit kann man Kühlen und Heizen.
Diese Wirkung beruht auf einem Vorgang, bei dem Gleichstrom durch ein thermoelektrisches Element fließt und dazu führt, dass Wärme von einer Seite des Elementes zur anderen Seite transportiert wird.
Das Ergebnis ist, dass eine Seite kalt und die gegen- überliegende Seite warm wird.
Der Temperaturunterschied kann bis zu 73°C bei einem einfachen Element und bis zu 100°C bei mehrstufigen Elementen betragen.

 

Aufbau Prinzip von Peltierelementen

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.

 

Thermoelektrischer Effekt


Verbindet man zwei Drähte aus unterschiedlich elektrisch leitenden Materialien jeweils an den beiden Enden und eine dieser Verbindungstellen hat eine andere Temperatur als die andere, dann entsteht dazwischen eine Spannungsdifferenz. Dieser Effekt (Seebeck) wird zur Temperaturmessung genutzt. Diese Elemente bezeichnet man als Thermoelemente.
Legt man aber eine Spannung an, fließt ein Strom, der Wärme von der einen Verbindungsstelle zur anderen transportiert. Die eine Verbindung wird kalt und die andere Verbindung wird warm.
Dieser Wärmetransport wird durch den Elektronenfluss hervorgerufen. Diese Elemente nach dem Peltier-Effekt sind thermoelektrische Elemente. (Gesetz der intermediären Metalle und Gesetz der intermediären Temperaturen)

 

Wärmetransport thermoelektrischen Elemente


Für die Peltier-Elemente sind Materialien günstig, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Leitfähigkeit für Wärme haben. Da die meisten elektrischen Leiter auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, wählt man dotierte Halbleiter, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen.
Als Halbleitermaterial wird Bismuth Tellurid (Bi2Te3), Antimon Tellurid (Sb2Te3), Bismuth Selenide (Bi2Se3) und andere eingesetzt. In n-Halbleitern wird dies Wärme entgegengesetzt zum Stromfluss und in p-Halbleitern in gleicher Stromrichtung transportiert.

Welche besonderen Vorteile erreicht man mit dem Einsatz von thermoelektrischen Elementen:

• ökologische Reinlichkeit und Sicherheit, wegen des Fehlens von irgendwelchen Gasen und Flüssigkeiten.
• Keine Geräusche oder Erschütterungen
• Kühlen oder Heizen einfach durch Umpolen des Gleichstromes
• praktisch unbegrenzte Möglichkeiten im Einsatz bis zu kleinsten Baugrößen
• Betrieb in allen Lagen, sogar unabhängig von Erdanziehung und Schwerelosigkeit
• Erzeugung von elektrischer Energie direkt aus Wärme (Power Generator)
• und noch ein bisschen mehr.... Qualität der Peltier-Elemente
• Forschung und Weiterentwicklung sorgen für einen hohen technologischen Stand der Quick- Ohm Produkte.
• Die ständige Anpassung an die Bedürfnisse der Kunden wird damit ermöglicht.
• Das beste thermoelektrische Material mit hoher mechanischer Festigkeit hilft, Ausfälle durch Transport, Montage und bei der Anwendung zu vermeiden.
• Quick-Ohm legt den größten Wert auf Zuverlässigkeit. Speziell für diesen Zweck sind modifizierte Elemente (M) entwickelt worden. Diese Elemente haben eine sehr hohe Zyklen Festigkeit, die mehr als ein Dutzend Mal höher ist, als bei den Standardelementen.
• Bei besonderen Anforderungen für die Elemente kann Quick-Ohm verschiedene Schutzarten gegen Feuchtigkeit und Kondensation bieten.
• Es werden die besten Rohmaterialien, auch für Keramiksubstrate und Zubehörteile, eingesetzt, die von den Lieferanten weltweit zu erhalten sind.
• Alle Fertigungsschritte werden sorgfältig geprüft. Alle Elemente, die an die Kunden verschickt werden, werden mit äußerster Sorgfalt geprüft. Sie durchlaufen auch Ultraschall- und Temperaturprüfungen für alle elektrischen und thermoelektrischen Parameter. Darüber werden Prüfbescheinigungen ausgestellt.
• Die Produktion ist ISO 9001 : 2000 zertifiziert
• Die Verpackung schützt die empfindlichen Elemente vor Erschütterungen und Stößen während des Transportes.

Hoch zuverlässige Elemente der M-Serie

Die M-Serie bietet zwei weitere Eigenschaften:

1. Einen langfristigen stabilen Betrieb bei ständig wechselnden Temperaturen.
2. Die Eigenschaft, den hohen mechanischen Belastungen beim Einbau und beim Betrieb zu widerstehen.

Thermische Zyklenfestigkeit
Wechselhafte thermische Belastung im Betrieb der Elemente, wie bei EIN/AUS Betrieb, ist der Hauptgrund für eine erhebliche Verkürzung der Lebensdauer. Die Elemente werden dadurch mehr belastet, als bei mehr oder weniger kontinuierlichem Betrieb.
Die drastische Verbesserung der Zyklusfestigkeit beruht auf verschiedenen Konstruktionsmerkmalen. Durch einen Temperatur - Test, 40°C für 3 Minuten, dann 90°C für 3 Minuten, dann wieder 40°C für 3 Minuten) wird die Zyklusfestigkeit der Standard-Elemente und der modifizierten Elemente (M-Serie) geprüft. Der Prüfvorgang 40/90 beinhaltet eine Umpolung des Stromes zur künstlichen Alterung, wie in Bild 1 dargestellt. Das Testergebnis, wie in der Tabelle für das PELTIER-Element QC-127-1.4-6.0 angegeben, zeigt eine durchschnittliche Lebensdauer-erhöhung für das modifizierte Element um das 500-fache.

Mechanische Festigkeit eines Elementes
Der von früher gut bekannte Ausfall eines Einzelelementes während des Betriebes hat etwas zu tun mit schleichender Zerstörung durch die Auswirkungen der Montage mittels Einklemmens. Nebenbei, auch gut montierte Elemente sind Erschütterungen und Stößen ausgesetzt und können auch dadurch zerstört werden. Hierbei sind die mechanische Festigkeit und die Montagemethode die kritischen Punkte. Thermoelektrische Werkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften wurden speziell für die M-Serie entwickelt. Diese Ausführung bietet eine beträchtliche Verstärkung der Elemente.
Beim Schocktest, wie in Bild 2 dargestellt, werden eine Reihe von Stößen auf die Versuchsanordnung mit eingespanntem Element gebracht. Damit wird das Verhalten der Elemente simuliert, wie in einem echten Einbau. Der Test bestätigt die Wirksamkeit dieser verbesserten Eigenschaften für das modifizierte Element.

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,...

Peltier-Element: Technische Erläuterungen

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. 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.
2. Die Temperatur-Differenz, die bei der jeweiligen Wärmemenge von einem
Objekt wegtransportiert werden soll, um dieses zu kühlen.

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.
Bei Benutzung nachfolgender Tabelle ist die geringste mögliche Anzahl an Stufen zu wählen, um die benötigte Temperaturdifferenz zu erreichen:

Tmax im Vakuum, °C Anzahl der Stufen
72 1
94 2
110 3
117 4

Soweit die benötigte Temperaturdifferenz 50°C nicht überschreitet, ist ein mehrstufiges Element möglichst zu vermeiden.

Auswahl eines passenden Peltier-Elements

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. Allgemeine Spezifikationen

Einleitende Bemerkungen

Im Zusammenhang mit neueren Tendenzen im T hermoelectric-Markt und auch mit spezifischen Kundennachfragen, bietet QUICK-COOL ein breites Spektrum an Thermoelectric-Modulen an, bestimmt durch verschiedene Anforderungsprofile, wie auch durch geometrische Abmessungen.
Ständig bemüht um erstklassigen Lief erservice haben wir eine spezielle Klassifikations-Nomenklatura für uns ere Produkte erarbeitet. Allgemeine Spezifikationen, die es erlauben als ei n adäquates Werkzeug, das passende Modul auszuwählen.

Bevor Sie mit der Suche nach einem pa ssenden Modul beginnen, bitten wir Sie um ein wenig Zeit, um die nachfolgenden Be merkungen zu lesen und um sich mit unserer internen Klassifizierung und den Definitionen vertraut zu machen.

Die allgemeine Spezifikation ist eingeteilt in die folgenden Hauptbereiche, die die Modul-Abmessungen und die thermoelektrischen Eigenschaften wiedergeben:

- Einstufige Standard-Module
- Zweistufige Standard-Module
- Einstufige Micro-Module
- Zweistufige Micro-Module

Einstufige Standard-Module
Alle Modul-Bezeichnungen innerhalb dieser Produktgruppe sind durch die folgenden Buchstabengruppe bestimmt:
QC-AAA-BB-CC
QC - QUICK-COOL Peltier-Element
AAA - Anzahl der Thermohalbleiterelemente
BB - Kantenlänge der quadratischen Einzel-Pellets, mm
CC - Wert des maximalen Stromes bei ∆T, Amp.

Zum Beispiel, das Modul QC-127-1.4-6.0, das 127 Thermohalbleiterelemente enhält, mit Pellet-Kantenlänge 1,4 x 1,4 mm für einen Maximalstrom von 6,0 Ampere.

Zweistufige Standard-Module
Alle Modul-Bezeichnungen innerhalb dieser Produktgruppe sind durch die folgenden Buchstabengruppe bestimmt:
2 - Anzahl der Modulstufen
QC - QUICK-COOL Peltier-Element
AAA - Anzahl der Thermohalbleiterelemente in der zweiten Stufe
BB - Anzahl der Thermohalbleiterelemente in der ersten Stufe
CC - Wert des maximalen Stromes bei ∆T max, Amp.

Zum Beispiel, das Modul 2QC-127-63-6.5, enhält 127 Thermohalbleiterelemente in der zweiten Stufe, 63 Thermohalbleiterelemente in der ersten Stufe und erlaubt einen Maximalstrom von 6,0 Ampere.

Einstufige Micro-Module
Die Modul-Bezeichnungen dieser Produktg ruppe setzen sich genauso zusammen, wie die der oben beschriebenen der “Einstufigen Standard-Module”.

Zweistufige Micro-Module
Die Modul-Bezeichnungen dieser Produktg ruppe setzen sich genauso zusammen, wie die der oben beschriebenen der “Zweistufigen Standard-Module”.

Optionale Versionen der thermoelektrischen Module
Jedes in der allgemeinen Spezifikation ge listete Modul kann auch in den folgenden Versionen hergestellt werden:

- Hochtemperatur-Version (zusätzlicher Index “H” am Ende der Modulbezeichnung, z. B. QC-127-1.4-6.0H) wurde entwickelt auf der Basis von +230°C m.p.t. mit bleifreiem Lot, für Module mit einem Arbeitsbereich bis 200°C.

- M-Version (zusätzlicher Index “M” am Ende der Modulbezeichnung) wurde entwickelt für Module mit erhöhter Zyklenfestigkeit.
- QCC-Serie (zusätzlicher Index “C” in der Modulbezeichnung, z.B. QCC-127-1.4- 6.0M), als ein Zusatz zur M-Serie, wurde speziell entwickelt für Module, die in besonderen Applikationen arbeiten sollen wie Burn-In-Test- Equipments oder Thermocyclers.

Charakteristika, welche in der allgemeinen Spezifikation enthalten sind, stellen die auftretenden Modulwerte dar, auf der Seite der heißen Temperatur (Thot) bei 300 K.

Imax - Eingangsstrom im Falle von ∆Tmax, (Amp.)
Umax - Eingangsspannung bei ∆Tmax, (Volt)
Qcmax -maximale Wärmepumpen-Kapazität bei Imax, ∆T = 0° C, (Watt)
∆Tmax - maximale Temperaturdifferenz, die das Modul erreichen kann bei I max,
Qc = 0, (Degrees)

Die Optionen für die Anschlussdrähte der “Thermoelektrischen Module” werden in den folgenden Zeichnungen gezeigt:

 

Peltierelement: Optionen für die Anschlussdrähte

 

 

Allgemeine Spezifikationen

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Haben Sie Fragen oder benötigen Sie weitere Informationen? Senden Sie uns bitte eine Anfrage.

Allgemeine Fragen & Verkauf: Katja Hermes +49 (0) 202 - 40 43 22

Technische Fragen: Werner Jonigkeit +49 (0) 202 - 40 43 26

. Zyklenfestigkeit im Betrieb

Module für ThermoCYCLER-Anwendungen

M-Serien Module
Diese modifizierte Produktreihe wurde 1996 ins Produktionsprogramm genommen und erwies sich als ungewöhnlich zuverlässig. In 2002 wurde dann eine neue Generation dieser M-Serie vorgestellt, als Resultat einer Langzeituntersuchung zwecks Verbesserung der GM-Technologie, welche in diversen Ländern Patentgeschützt ist. Die so produzierten Module sind gekennzeichnet durch eine geradezu revolutionäre Zyklenfestigkeit.

Der Standardtest 40/90°C der bis dahin für die Auswertung der Zyklenfestigkeit benutzt wurde, mit einer Zyklendauer von 5-6 Minuten, wurde unakzeptabel langsam und hätte diverse Jahre benötigt für die Beendigung der Testprozedur. Deshalb wurde eine andere Testmethode entwickelt, welche die tatsächlichen Bedingungen von Thermo-CYCLERN nachvollzieht.

Dieser Testaufbau, mit ständiger Stromrichtungs-Umkehr ist in Zeichnung Fig. 1 dargestellt. Die Beschreibung von drei verschiedenen Zyklenfolgen mit einer Temperatur-Amplitude bis hinauf zu 140°C, und mit einer Zeitperiode bis zu 20 Sekunden wird in derselben Darstellung gezeigt.

Fig. 1: Zeichnung des POWER CYCLE (Reverse Current Polarity) TEST

Die in der Tabelle gezeigten Daten demonstrieren das unglaubliche Niveau, das in der Zyklenfestigkeit erreicht wurde.

Art des Zyklus Test -20 /+120 °C Test +40 /+90 °C unsymmetrische Zyklen Test +40/+90 °C symmetrische Zyklen
M-Serie des Moduls 10-15 x 103 200-300 x 103 800-1000 x 103

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%.

Die bemerkenswerte Besonderheit dieser Technologie-Entwicklung ist, dass jedes Modul der Standard-Spezifikation auch parallel als M-Type angeboten werden kann. Die Fähigkeit einer hohen Zyklenfestigkeit der Module ist der Beweis immanente strukturelle Stabilität des Produktes und belegt erst recht die lange Lebensdauer bei statischen Anwendungsfällen.

QCC-Serien-Module
Die Module der QCC-Serie (Quick-Cool für Cycling) wurden für spezielle Applikationen entwickelt, welche in Zusammenhang stehen mit Cycling- Anwendungen in “Burn-In” Testgeräten (CPU-Qualitätskontrolle), DANN-Verstärker und andere Thermo-Cycler. Die QCC-Serie ist die Weiterentwicklung der M-Serie und hat technische Eigenschaften die zusätzlichen Fortschritte in der Zyklenfestigkeit bringen.

Die Daten für die Zyklenfestigkeit dieser Module sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Art des Zyklus Test -20 /+120 °C Test +40 /+90 °C unsymmetrische Zyklen Test +40/+90 °C symmetrische Zyklen
CC-Serie des Moduls 20-30 x 103 400-600 x 103 1500-2000 x 103

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%.

Jedes Modul der Standard-Spezifikation kann auch parallel als M-Type angeboten werden.

 

Zyklenfestigkeit im Betrieb

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.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.

Unser Forschungs- und Entwicklungsteam hat folgende Methoden des Feuchtigkeitsschutzes erarbeitet, die sich unterscheiden in den Bereichen Effizienz und Aufwand.

1. Innenschutz-Methode (Coating)
Ein Überzug als interne Schutzmethode wir d empfohlen für TE-Module, die normal bei negativen Temperaturen und nur kurzzeitig positiven Temperaturenrbeiten über dem Taupunkt.

Coating bedeckt alle Bereiche innerhalb des Moduls und schützt speziell die Halbleiter-Substrat-Lötübergänge. Langzeitprüfungen unter verschiedenen Umweltbedingungen, mit Modulen, die mit ACP- Anstrich versehen wurden, zeigten, dass diese Art Schutz in weiten Temperaturbereichen der Modulfunktion benutzt werden kann, -50°C bis +140°C. Außerdem reduziert Coating nicht die Effizienz des Moduls, weil es keine nennenswerten thermischen Brücken gibt.

Coating ist zu beachten als die ursprüngliche Schutzmethode für die meisten TE-Modulanwendungen. Sofern Coating als Option für den Feuchtigkeitsschutz ausgewählt wurde, sollte der Zusatz “C” der Modulbezeichnung angefügt werden.

2. Methode des externen Schutzes (Sealing)

Sealing, als externer Schutz ist entl ang der Außengeometrie aufgebracht, als ein Verschluss aus Epoxyd oder Silikon.

Der Silikonschutz kann in folgenden Arbeitstemperatur-Bereichen der TE-Module benutzt werden:

Von – 40°C bis + 180°C. Silikon-Sealing ist wegen seiner hohen Elastizität für Cycling-Anwendungen vorzuziehen und für Niedrig-Temperatur-Bedingungen. Epoxy Sealing hingegen erlaubt die Modul-Verwendung im Falle intensiver Dunst-Kondensation und kann in folgenden Arbeitstemperatur-Bereichen der TE-Module benutzt werden: - 50°C bis 150°C.

Wichtig: Im Falle von Sealing mit Silikon und Epoxyd muss mit einer Reduzierung der Leistung des TE-Moduls um durchschnittlich 4% gerechnet werden.

Wird Silikon-Sealing gewählt als Feuchtigkeitsschutz, so muss der Modulbezeichnung der Anhang “S” angefügt werden. Wird Epoxyd-Sealing gewählt als Feuchtigkeitsschutz, so muss der Modulbezeichnung der Anhang “X” angefügt werden.

Die meisten der APC-Abdichter, die in der thermo-elektrischen Industrie benutzt werden besitzen eine gute Haftung des Überzugs und können als eine zusätzliche Schutzbarriere angesehen werden. Auf Kundenanfrage hin ist QUICK-COOL in der Lage doppelten Schutz herzustellen: Coating plus Silikon- oder Epoxyd-Sealing.

Wird die kombinierte Methode gewählt als Feuchtigkeitsschutz, so muss der Modulbezeichnung der Anhang “CS oder “CX” angefügt werden.

Wichtig: Um künftigen Missverständnissen vorzubeugen oder möglichen Qualitätsproblemen wird unbedingt empfohlen. Die Auswahl des Feuchtigkeitsschutzes ist im Gespräch mit den QUICK-COOL-Spezialisten, unter Berücksichtigung zusätzlicher Informationen über die Einsatzbedingungen des TE- Moduls, zu treffen.

 

Feuchtigkeitsschutz der Peltierelemente

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. Qualitäts & Zuverlässigkeitskontrolle

 Jedes thermoelektrische Modul wird gründlich auf Qualitäts- und Zuverlässigkeitsdaten geprüft, um Übereinstimmung mit den Marktanforderungen an moderne thermo-elektrische Module sicherzustellen.

Alle hergestellten Module werden einer Basisuntersuchung unterzogen, bestehend aus:
1. Visuelle Überprüfung und Überprüfung der Abmessungen.
2. Ein Wärmeimpuls-Test mit der folgenden Ultraschall-Diagnostik des Moduls findet statt zur Entdeckung latenter Fehler.
3. Die Messung und Überprüfung des Innenwiderstandes (R) des Moduls und die thermo-elektrisch bedeutende Zahl (Z).

Der ZUVERLÄSSIGKEITS-TEST wird regelmäßig durchgeführt, um höchste Zuverlässigkeits-Eigenschaften der Thermoelektrischen Module zu garantieren. Die Langzeittests überschreiten nicht Zweijahresperioden. Sobald irgendeine Änderung gemacht wurde bei der Modulherstellung, wird, wenn nötig, ebenfalls der Zuverlässigkeitstest angepasst. Die vollständige Erfüllung des Zuverlässigkeitstest, ist vorrangige Bedingung sowohl für den letztendlichen Einsatzfall des thermoelektrischen Moduls, als auch die besondere Anforderung der Kunden.

STANDARD-MODULE

Die Qualitäts- und Zuverlässigkeitskontrolle für STANDARD-MODULE besteht aus der BASIS-UNTERSUCHUNG und der Erfüllung des folgenden ZUVERLÄSSIGKEITS-TESTS.

Bedingungen des Zuverlässigkeits-Tests:
1. Langzeit-Lagerung bei hohen Temperaturen (z.B. bei +85°C).
2. Langzeit-Lagerung bei niedrigen Temperaturen (z.B. bei - 40°C).
3. Symmetrische Leistungs-Zyklen (Polaritätswechsel) “+40/+90°C” mit einer Zyklendauer von ungefähr 5 min. und einer Anzahl von >2x103 - Siehe auch Fig. 1 und Fig. 2 (C).
4. Langzeit-Temperatur-Cycling (z. B. –40°C / +85°C).
5. Mechanischer Schock: Entsprechend der MIL-STD-883, Methode 2002.
6. Vibration: entsprechend MIL-STD-883, Methode 2007.
7. Scherkraft: entsprechend MIL-STD-883, Methode 2019.

MODULE FÜR CYCLING-ANWENDUNGEN
Die Qualitäts- und Zuverlässigkeits-Kontrollen für Cycling-Module (QC- und QCC-Serien) wurden entwickelt unter Berücksichtigung aller Anforderungen des ON/OFF- Betriebes. Die obligatorische Basisuntersuchung kann wie folgt durch zusätzliche Testschritte gemäß Kundenanforderung verbreitert werden.

Beispiel für zusätzliche Basisuntersuchungen:
1. Wärmeuntersuchung, ausgelegt darauf, Module mit “Hot-Spots” oder “Cold-Spots) in den Lötverbindungen zurückzuweisen
2. Modul-Sortierung zur Zuordnung gleichförmiger Werte der Warm- Kaltseiten innerhalb von Modul-Kombinationen unter identischen Anwendungsbedingungen.

Der BASISUNTERSUCHUNG folgt gewöhnlich die Erfüllung des ZUVERLÄSSIGKEITS-TESTS wie folgend beschrieben.

Bedingungen des Zuverlässigkeits-Tests:
1. Langzeit-Lagerung bei hohen Temperaturen (z.B. bei +85°C).
2. Langzeit-Lagerung bei niedrigen Temperaturen (z.B. bei - 40°C).
3. Symmetrische Leistungs-Zyklen (Polaritätswechsel) “+40/+90°C” mit einer Zyklendauer von 20-60 sec. und einer Anzahl von >105 Zyklen. Siehe auch Fig. 1 und Fig. 2 (C).
4. Langzeit-Temperatur-Cycling (z. B. –40°C / +85°C).
5. Mechanischer Schock: Entsprechend der MIL-STD-883, Methode 2002.
6. Vibration: entsprechend MIL-STD-883, Methode 2007.
7. Scherkraft: entsprechend MIL-STD-883, Methode 2019.

Fig. 1: Outline of POWER CYCLE (Reverse Current Polarity) TEST

Figur 1: Outline of POWER CYCLE (Reverse Current Polarity) TEST

Fig. 2: Possible modes of t

Figur 2: Possible modes of t



MICRO-MODULE FÜR TELEKOMMUNIKATIONSGERÄTE-ANWENDUNGEN
Die Qualitäts- und Zuverlässigkeitskontrolle für MICROMODULE basiert auf den Bellcore-Anforderungen für TELEKO MMUNIKATIONSGERÄTE-ANWENDUNGEN. Jedes hergestellte MI-CRO MODUL unterliegt der Basisuntersuchung plus zusätzliche Untersuchungen.

Zusätzliche Untersuchungen:
1. Temperatur-Cycling-Test: - 40°C/+85°C.
2. Leistungs-Zyklen-Test (ON/OFF): Temper atur der heißen Seite Th=+70°C, I=I max während der “ON”-Periode.
3. Messungen des Innenwiderstandes (R) des Moduls und der Zahlenwert des Parameters (Z), nach der Basisuntersuchung; Untersuchung der Änderung der R zu Z – Relation als ein Ergebnis der Basisuntersuchung.

Der BASISUNTERSUCHUNG folgt gewöhnlich die Erfüllung des ZUVERLÄSSIGKEITS-TESTS wie folgend beschrieben.

Bedingungen des Zuverlässigkeits-Tests:
1. Langzeit-Lagerung bei hohen Temperaturen (z.B. bei +85°C).
2. Langzeit-Lagerung bei niedrigen Temperaturen (z.B. bei - 40°C).
3. Langzeit-Temperatur-Cycling (–40°C / +85°C).
4. Langzeit-Leistungs-Zyklen-Test (ON/OFF) : Th=+70°C, I=Imax während der “ON”- Periode, I=0 während der “OFF”-Periode
5. Lanzeit-Stromkonstanz-Test: Th=+70°C, I=Imax.
6. Mechanischer Schock: Entsprec hend der MIL-STD-883, Methode 2002, Bedingung B. Eine Masse schlägt gegen die kalte Seite des Moduls, um die Masse der Temperatur zu kontrollierendem Objekt zu simulieren
7. Vibration: entsprechend MIL-STD- 883, Methode 2007, Bedingung A. Eine Masse schlägt gegen die kalte Seite des Moduls, um die Masse der Temperatur zu kontrollierendem Objekt zu simulieren
8. Scherkraft: entsprechend MIL-STD-883, Methode 2019.

Zusätzliche Zuverlässigkeits-Tests entsprechend Kundenanforderungen können können gemacht werden. Zum Beispiel:
1. Hochtemperatur-Lagerung bei 150°C.
2. Temperatur-Cycling: - 50°C/+110°C.

 

Qualitäts & Zuverlässigkeitskontrolle

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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.

Innerhalb eines Endproduktes sollte das thermo-elektrische Modul niemals als ein mechanisch tragendes Element. Die Montageoberfläche d es einzubauenden Moduls sollte eine Rauhtiefe und eine Parallelität haben von nicht mehr als 0,020 mm, und selbstverständlich gereinigt sein von Schmutz und anderen aufgetragenen Resten. Im Falle, dass zwei oder mehr Elemente in das Kundengerät eingebaut werden, sollte die Höhentoleranz der Module untereinander und insgesamt 0,050 mm nicht überschreiten.

Wie werden Peltier-Elemente montiert?

Eine verbreitet geübte Einbau-Methode für Module ist die Einklemmung des thermoelektrischen Modules zwischen einem Kühlkörper und einer Kühlfläche. Die anschauliche Erläuterung dieser Details wird gezeigt in Fig. 1 und 2.


die Einklemmung des thermoelektrischen Modules zw ischen einem Kühlkörp er und einer Kühlfläche


Zur Montage des Moduls sollte man mit den folgenden Schritten vorgehen:

1. Tragen Sie eine Lage Wärmeleitpaste so dünn wie möglich auf die Montagestelle des Kühlkörpers auf. Platzieren Sie ein Modul in der gewünschten Position, bewegen Sie das Modul mit sanftem Druck der Finger hin und her, um die überflüssigen Reste der Wärmeleitpaste herauszuquetschen.
WICHTIG: vor Beginn der Montage ist es unbedingt nötig, sich bezüglich der Sauberkeit aller Kontaktflächen zu versichern.

2. Tragen Sie eine Lage Wärmeleitpaste so dünn wie möglich auf die Kühlfläche auf und platzieren Sie dieselbe auf dem Modul. Quetschen Sie die überflüssige Wärmeleitpaste heraus, wie in Schritt 1 beschrieben.

3. Abhängig von der Anzahl der Klemmschrauben sollte die Klemmkraft zwischen 13-15 kg/cm2 betragen. Unter solchen Bedingungen ist der Thermische Widerstand der Wärmeleitpaste minimiert. Nach Erreichen der Gewünschten Drehmomentwerte unterbrechen sie die Montage für eine Stunde. Prüfen sie das Drehmoment und lockern Sie sofern nötig.

Zusätzliche Information. Bei Einhaltung der empfohlenen Klemmkraft wird der Wärmewiderstand der Wärmeleitpaste bei einer Schichtdicke von ca. 0,03 mm im Bereich von 0,03-0,05°C/W liegen für eine Auflagefläche von 40 x 40 mm in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Wärmeleitpaste.

Bemerkung: QC-127-1.4-6.0M (siehe allgemeine Spezifikation) sollte mit einer Kraft von 210 - 240Kg geklemmt werden. Sofern man Module unter Verwendung hochmoderner Wärmeleitpasten montiert sollte man wissen, dass Temperaturverluste auf der warmen Seite einem Wert von 2,7°C nahekommen können.

Wenn zwei 4mm-Klemmschrauben verwendet werden sollte das Drehmoment je Schraube 0,11-0,12 kg x m sein.

Für vier solcher Klemmschrauben gilt: 0,05-0,06 kg x m

Sind die gewünschten Klemmbedingungen bekannt, kann man das Drehmoment je Schraube entsprechend folgender Formel berechnen:
T (Drehmoment je Schraube) = (2,8 x 10-4 x p x d):n

Dabei ist
p – gegebene Klemmkraft in kg
d – Durchmesser der Schraube in mm
n – Anzahl (2-4) der Klemmschrauben

 

Einbau & Montage der Peltier-Module

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. Leistungsverhalten von Peltier-Elementen

Die genaue Kenntnis des Leistungsverhaltens von Peltier-Elementen und deren gezielte Ausnutzung ist für grenzwertige Kühlaufgaben von erfolgsentscheidender Bedeutung.

Als grenzwertig sind Kühlaufgaben dann zu bezeichnen, wenn restriktive Bedingungen bei der zwingend erforderlichen Wärmeabfuhr bestehen. Dies ist z. B. bei mangelndem Platz für entsprechend große Kühlkörper oder ungünstigen Temperaturverhältnissen gegeben. Auch wenig Strom zur Versorgung der Peltierelemente macht die Aufgabe schwierig. Hierbei kann es erforderlich sein, die benötigte Kühlleistung mit minimalem Stromeinsatz aufzubringen.

Das gleich gilt, wenn mit mehreren Stufen große Temperaturunterschiede überbrückt werden müssen.

Der folgende Beitrag geht darauf ein, wie dieses zu erreichen ist. Hierzu werden die Hintergründe geschildert und praktische Schlussfolgerungen gezogen ein.

Die Fähigkeit von Peltier-Elementen, Wärme zu transportieren, hängt von folgenden Parametern ab:

Moduleigenschaften
• Thermokraft Se (auch Seebeckkoeffizient genannt) in Volt/Kelvin
• Elektrischer Widerstand R in Ohm
• Wärmeleitwert K in Watt/Kelvin

Prozesseigenschaften
• Temperatur T in Kelvin (T: die Temperatur im Peltierelement)
• Temperaturdifferenz dT in Kelvin (dT: die Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite des Peltierelementes)
• Stromstärke I in Ampere (Stromstärke, mit der das Peltierelement betrieben wird)

Mit diesen Größen lässt sich das Leistungsverhalten der Peltier-Elemente nach folgender Formel beschreiben:
Qk = (Se * I*T) - (R*I²)/2 - (K*dT)
wobei Qk die transportierte Wärmeleistung in Watt bedeutet (cooling capacity)

 

Bild: transportierte Wärmeleistung

 

Qk = (Se * I*T) - (R*I²)/2 - (K*dT)

Aus der Betrachtung der Formel lassen sich folgende Sätze formulieren:
1. Der erste Klammerausdruck der Formel liefert einen positiven Beitrag, der zweite und der dritte jeweils einen negativen Beitrag zur transportierten Wärme.
2. Der negative Beitrag des zweiten Klammerausdrucks ist proportional zum Quadrat der Stromstärke. Es handelt sich hierbei um die Ohm ́schen Verluste im Peltierelement
3. Der negative Beitrag des dritten Klammerausdrucks ist proportional zur Temperaturdifferenz, die sich am Peltierelement einstellt und entfällt bei dT = 0. Es handelt sich um die Wärme, die aufgrund der Temperaturdifferenz im Peltierelement von der warmen zur kalten Seite zurückfließt.

Die mathematische Beschreibung ist aber nur für den Sonderfall dT = 0 in Form der angegebenen Gleichung zu beschreiben. Andernfalls muss die Temperaturabhängigkeit von Thermokraft, elektrischem Widerstand und Wärmeleitwert des Peltier-Elementes berücksichtigt werden. (siehe Bild 1)

 

Bild 1: Temperaturabhängigkeit der Materialparameter

Leistungsverhalten

Mathematische Beschreibung bei dT ≠ 0:

Die Temperaturabhängigkeit der Materialparameter kann mit einem Polynom 4 Grades hinreichend genau beschrieben werden. Dieser hat für alle drei Fälle die Form:

P = a*T + b*T²/2 + c*T³/3 + d*T4/4

Dadurch wird Se in Sm(T), R in Rm(T) und K in Km(T) umgeformt.

In der Literatur sind die Koeffizienten für einzelne Peltier-Elemente beschrieben. Für diese Elemente lässt sich unter Nutzung der beschriebenen Ausdrücke ein Kennfeld für dieses betreffende Element ermitteln und grafisch darstellen. (siehe Bild 2)

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:

Thermokraft: Sm(T)=(Sw+Sk)/dT
Sw=1,33450*10-2*Tw -5,37574*10-5*Tw2/2+7,42731*10-7*Tw3/3-1,27141*10-9*Tw4/4
Sk=1,33450*10-2*Tk -5,37574*10-5*Tk2/2+7,42731*10-7*Tk3/3-1,27141*10-9*Tk4/4

Elektrische Leitfähigkeit: Rm(T)=(Rw-Rk)/dT
Rw=2,08317*Tw-1,98763* 10-2 *Tw2/2 +8,53832* 10-5 *Tw3/3 +-9,03143* 10-8*Tw4/4
Rk=2,08317*Tk-1,98763* 10-2 *Tk2/2 +8,53832* 10-5 *Tk3/3 +-9,03143* 10-8*Tk4/4

Wärmeleitfähigkeit: Km(T)=(Kw-Kk)/dT

Kw=0,476218*Tw-3,89821*10-6 *Tw2/2 -8,64864*10-6 *Tw3/3+2,20869*10-8*Tw4/4
Kk= 0,476218 *Tk-3,89821*10-6 *Tk2/2 -8,64864*10-6 *Tk3/3 +2,20869*10-8 *Tk4/4

Grundlegende Formeln zur Berechnung der Leistungsparameter:

Kühlleistung Qk in Watt: Qk = (Se * I*Tk) - (Ri*I²)/2 - (K*dT)
Eingangsspannung Ui in Volt b: Ui = (Se*dT) + (Ri*I)
Elektrische Leistung Qel in Watt: Qel = Ui*I
Wärmeleistung Qw in Watt: Qw in Watt = Qk + Qel
Kühlleistungszahl Ek oder COP (coefficient of performance) : Ek = Qk/Qel
Wärmeleistungszahl Ew : Ew = Qw/Qel
maximale Kühlleistung Qkmax in Watt: Qkmax = (S*Tk)² / 2Ri
Strom bei maximaler Kühlleistung Io: Io = S*Tk / Ri
Strom bei maximaler Kühlleistungszahl Iopt : Iopt = S*dT / Ri(Zf-1)
Güteziffer Z : Z = S²*(Ri*K)
maximale Kühlleistungszahl Ekmax : Ekmax = Tk/dT * (Zf-Tw/Tk) / (Zf+1)

Die Bedeutung des Kennlinienfeldes für die Auslegung von grenzwertigen Kühlaufgaben wird aus der Interpretation der Grafik deutlich.

In diesen Fällen ist es das Ziel, ein maximal günstiges Verhältnis von transportierter Wärmemenge zu aufgewendeter Elektroenergie zu erreichen. Dieses wird durch das Kürzel COP (coefficient of performance) beschrieben. Aus Bild 2 wird deutlich, daß der COP-Wert bei kleinen Stromstärken und geringen Temperaturdifferenzen besonders günstig (hoch) wird.

 

Bild 2: COP (coefficient of performance) in Abhängigkeit der Stromstärke; COP = Qc/U*I

Bild 2: COP (coefficient of performance) in Abhängigkeit der Stromstärke; COP = Qc/U*I

Dieser Aspekt ist umso wichtiger, als die Wärmeabfuhr des Peltier-Elementes in den beschriebenen Fällen häufig nicht nur die Temperatur auf der kalten Seite, sondern auch auf der warmen Seite beeinflusst.

Peltier-Elemente beeinflussen die Umgebungstemperaturen und werden von ihnen beeinflusst. Sie agieren und reagieren gleichzeitig.

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:

Bei kleinen Temperaturdifferenzen (unter 20 °C):
Die mit Peltier-Elementen zu installierende Kühlleistung ist mit dem Faktortor 5 – 6 zu überdimensionieren, um diese mit ca. 10 – 20 % der maximalen Stromstärke zu betreiben.

Bei großen Temperaturdifferenzen (über 45 °C):
Die mit Peltier-Elementen zu installierende Kühlleistung ist maximal mit dem Faktor 1,2 – 1,5 zu überdimensionieren, um diese mit ca. 65 – 80 % der maximalen Stromstärke zu betreiben.

Sinnvoll ist die gezielte Regelung in den optimalen Bereich, um ein Abkippen des gesamten Systems zu verhindern.
Eine regelungstechnisch gut beherrschbare Betriebsweise ist links vom Punkt des optimalen COP (weniger Stromstärke als Iopt(T)).

 

Bild 3: Leistung eines Peltier-Elementes in Abhängigkeit von Stromstärke und Temperaturdifferenz

Bild 3: Leistung eines Peltier-Elementes in Abhängigkeit von Stromstärke und Temperaturdifferenz

 

 

Leistungsverhalten von Peltier-Elementen

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. 10 wichtigsten Regeln für Peltier-Elemente

1. Unbeeinflusst fließt Wärme immer von warm nach kalt

2. Mit Hilfe einer elektrischen Leistung transportiert das Peltier-Element die Wärme von kalt nach warm. (Wärmepumpe). Die eingesetzte elektrische Energie wird nur für den Transport der Wärme von einer Peltier-Element Seite zur anderen Peltier-Element Seite verwendet. Die elektrische Energie wird überhaupt nicht für direkte Wärmekompensation (Vernichtung) verwendet.

3. Das thermische Management auf der warmen Seite des Peltier-Elementes ist der absolut bestimmende Parameter für jede Anwendung. Je kühler die Warm-Seite gehalten wird, desto kälter kann die Kaltseite werden.

4. Die von der kalten Seite des Peltier-Elementes zur warmen Seite transportierte Wärmemenge muss in vollem Umfang von dort weggeführt werden, um auf der kalten Seite eine ausreichend tiefe Temperatur zu erhalten und um eine Überhitzung des Peltier-Elementes zu vermeiden.

5. Die von der warmen Seite wegzuführende Wärmemenge entspricht der Summe der vom Peltier-Element gepumpten Wärme plus der Wärme, die durch die vom Element aufgenommene elektrische Betriebsenergie, erzeugt wird!!!

6. Reduziert man bei gleicher transportierter Wärmemenge die Temperaturdifferenz am Peltier-Element zwischen warm und kalt, so sinkt die benötigte elektrische Energie für den Wärmepump-Vorgang überproportional. Es ist unter Umständen sinnvoll, mehrere Elemente bzw. Kaskaden zu verwenden.

7. Der Wärmetransport bzw. die Wärmeleitfähigkeit aller Komponenten des Temperaturweges bestimmt die Effektivität. Besondere Beachtung erfordern die Wärmeübergänge zwischen dem zu kühlenden bzw. temperierenden Objekt und dem Peltier-Element auf der einen Seite, und zwischen dem Peltier-Element und dem Kühlkörper / Flüssigkeitskühler / Wärme-Transfer auf der anderen Seite. Hier können gewaltige Wirkungsgrad-Verluste entstehen.

8. Sind Peltier-Elemente für die jeweilige Anwendung unterdimensioniert, wird die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten des Peltier-Elementes umso kleiner, je stärker die Unterdimensionierung ist. Entsprechend der Unterdimensionierung wird dann die notwendige elektrische Energie für den Wärmetransport immer größer. Bei richtiger bzw. größerer Dimensionierung kann das Peltier-Element einen größeren Wärmetransport mit der dazugehörigen größeren Temperaturdifferenz erzeugen. Evtl. sind mehrere Elemente zu verwenden.

Ab ∆T > 70°C wird von einstufigen Elementen gar keine Wärme transportiert.
Bei ∆T = 0°C wird die maximale Wärmemenge transportiert

9. Durch Umpolen der elektrischen Energie (Gleichstrom) wird beim Peltier-Element die Kalt- und Warmseite gewechselt.

10. Die Qualität von Peltier-Elementen wird hauptsächlich von folgenden Faktoren bestimmt:

• Anzahl der erlaubten Temperaturzyklen
• Lebensdauer
• maximal zulässige Temperatur
• Einhaltung möglichst geringer Maßtoleranzen
• Ebenheit der Oberfläche
• mechanisch spannungsfreier Aufbau

 

10 wichtigsten Regeln für Peltier-Elemente

 

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. 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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