Peltier-Element

Bei der thermoelektrischen Kühlung wird der Peltier-Effekt genutzt, um einen Wärmefluss an der Verbindungsstelle von zwei verschiedenen Materialien zu erzeugen. Ein Peltier-Kühler, -Heizer oder eine thermoelektrische Wärmepumpe ist eine aktive Festkörper-Wärmepumpe, die Wärme von einer Seite des Geräts auf die andere überträgt, wobei je nach Stromrichtung elektrische Energie verbraucht wird. Ein solches Gerät wird auch als Peltier-Gerät, Peltier-Wärmepumpe, Festkörperkühlung oder thermoelektrische Kühlung (TEC) und gelegentlich als thermoelektrische Batterie bezeichnet. Es kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden, wobei die Hauptanwendung in der Praxis das Kühlen ist. Sie kann auch als Temperaturregler verwendet werden, der entweder heizt oder kühlt. ⓘ

Diese Technologie wird in der Kältetechnik weit weniger häufig eingesetzt als die Dampfkompressionskälte. Die Hauptvorteile eines Peltierkühlers im Vergleich zu einem Dampfkompressionskühler sind das Fehlen beweglicher Teile oder zirkulierender Flüssigkeit, die sehr lange Lebensdauer, die Unempfindlichkeit gegen Lecks, die geringe Größe und die flexible Form. Die Hauptnachteile sind die hohen Kosten für eine gegebene Kühlleistung und die schlechte Energieeffizienz (ein niedriger Leistungskoeffizient oder COP). Viele Forscher und Unternehmen versuchen, Peltier-Kühler zu entwickeln, die kostengünstig und effizient sind. (Siehe Thermoelektrische Materialien.) ⓘ

Ein Peltier-Kühler kann auch als thermoelektrischer Generator verwendet werden. Beim Betrieb als Kühler wird eine Spannung an das Gerät angelegt, wodurch sich ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten aufbaut. Beim Betrieb als Generator wird eine Seite des Geräts auf eine höhere Temperatur als die andere Seite erwärmt, wodurch sich eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Seiten aufbaut (Seebeck-Effekt). Ein gut konstruierter Peltier-Kühler ist jedoch ein mittelmäßiger thermoelektrischer Generator und umgekehrt, was auf die unterschiedlichen Anforderungen an Design und Gehäuse zurückzuführen ist. ⓘ

Funktionsprinzip

Schema eines Peltier-Elements. Thermoelektrische Schenkel sind thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet. ⓘ

Thermoelektrische Kühler funktionieren nach dem Peltier-Effekt (eines der drei Phänomene, die den thermoelektrischen Effekt ausmachen). Das Gerät hat zwei Seiten, und wenn ein elektrischer Gleichstrom durch das Gerät fließt, wird Wärme von einer Seite auf die andere übertragen, so dass die eine Seite kühler und die andere heißer wird. Die "heiße" Seite ist mit einem Kühlkörper verbunden, so dass sie auf Umgebungstemperatur bleibt, während die kühle Seite unter die Raumtemperatur sinkt. Bei speziellen Anwendungen können mehrere Kühler kaskadiert oder gestaffelt werden, um eine niedrigere Temperatur zu erreichen, aber der Gesamtwirkungsgrad (COP) sinkt erheblich. Der maximale COP eines jeden Kältekreislaufs wird letztlich durch die Differenz zwischen der gewünschten (kalten Seite) und der Umgebungstemperatur (warme Seite) begrenzt (die Temperatur des Kühlkörpers). Je größer die Temperaturdifferenz (Delta), desto geringer ist der maximale theoretische COP. ⓘ

Konstruktion

Aufbau

Es werden zwei verschiedene Halbleiter verwendet, einer vom n-Typ und einer vom p-Typ, da sie unterschiedliche Elektronendichten aufweisen müssen. Die sich abwechselnden Halbleitersäulen vom p- und n-Typ werden thermisch parallel zueinander und elektrisch in Reihe geschaltet und dann mit einer wärmeleitenden Platte auf jeder Seite verbunden, in der Regel aus Keramik, wodurch ein separater Isolator überflüssig wird. Wenn eine Spannung an die freien Enden der beiden Halbleiter angelegt wird, fließt ein Gleichstrom über die Verbindungsstelle der Halbleiter, wodurch ein Temperaturunterschied entsteht. Die Seite mit der Kühlplatte nimmt Wärme auf, die dann durch den Halbleiter zur anderen Seite des Geräts transportiert wird. Die Kühlleistung der gesamten Einheit ist dann proportional zum Gesamtquerschnitt aller Säulen, die oft elektrisch in Reihe geschaltet sind, um den benötigten Strom auf ein praktisches Maß zu reduzieren. Die Länge der Säulen ist ein Gleichgewicht zwischen längeren Säulen, die einen größeren Wärmewiderstand zwischen den Seiten haben und eine niedrigere Temperatur ermöglichen, aber mehr Widerstandserwärmung erzeugen, und kürzeren Säulen, die einen höheren elektrischen Wirkungsgrad haben, aber mehr Wärme durch Wärmeleitung von der heißen zur kalten Seite entweichen lassen. Bei großen Temperaturunterschieden sind längere Säulen weit weniger effizient als die Stapelung separater, zunehmend größerer Module; die Module werden größer, da jede Schicht sowohl die von der darüber liegenden Schicht bewegte Wärme als auch die Abwärme der Schicht abführen muss. ⓘ

Werkstoffe

ZT-Werte für verschiedene Materialien und Wismut-Legierungen. ⓘ

Anforderungen an thermoelektrische Materialien:

• Halbleiter mit schmaler Bandlücke wegen des Betriebs bei Raumtemperatur;
• Hohe elektrische Leitfähigkeit (zur Verringerung des elektrischen Widerstands, einer Quelle von Abwärme);
• Geringe Wärmeleitfähigkeit (damit die Wärme nicht von der heißen Seite auf die kühle Seite zurückfließt); dies bedeutet in der Regel schwere Elemente
• Große Einheitszelle, komplexe Struktur;
• Stark anisotrop oder stark symmetrisch;
• Komplexe Zusammensetzungen. ⓘ

Materialien, die für hocheffiziente TEC-Systeme geeignet sind, müssen eine Kombination aus niedriger Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweisen. Die kombinierte Wirkung verschiedener Materialkombinationen wird üblicherweise mit Hilfe einer Leistungszahl verglichen, die als ZT bekannt ist und ein Maß für die Effizienz des Systems darstellt. Die Gleichung für ZT ist unten angegeben, wobei alpha der Seebeck-Koeffizient, sigma die elektrische Leitfähigkeit und kappa die Wärmeleitfähigkeit ist. ⓘ

$$\mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa$$

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Es gibt nur wenige Materialien, die für TEC-Anwendungen geeignet sind, da die Beziehung zwischen thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in der Regel positiv ist. Die Verbesserung des reduzierten Wärmetransports bei erhöhter elektrischer Leitfähigkeit ist ein aktiver Bereich der materialwissenschaftlichen Forschung. Zu den gängigen thermoelektrischen Materialien, die als Halbleiter verwendet werden, gehören Bismuttellurid, Bleitellurid, Siliziumgermanium und Bismutantimonid-Legierungen. Von diesen Materialien wird Bismuttellurid am häufigsten verwendet. An neuen Hochleistungsmaterialien für die thermoelektrische Kühlung wird aktiv geforscht. ⓘ

Die Arbeitselemente müssen sich in einem isolierten Gehäuse befinden, und die beste Geometrie ist eine Ebene. In der Regel sind sie zwischen zwei Keramikplatten eingebettet und abgedichtet (oder nicht). ⓘ

Kennzeichnung und Merkmale

Alle Peltier-Elemente entsprechen einer universellen Identifikationsspezifikation ⓘ

Die überwiegende Mehrheit der thermoelektrischen Kühler hat eine Kennzeichnung auf der gekühlten Seite. ⓘ

Diese universellen Kennzeichnungen geben eindeutig die Größe, die Anzahl der Stufen, die Anzahl der Paare und die Stromstärke in Ampere an, wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen ist. ⓘ

Sehr gebräuchliche Tec1-12706, quadratisch, 40 mm groß und 3-4 mm hoch, sind für ein paar Dollar zu haben und werden als fähig verkauft, etwa 60 W zu bewegen oder eine Temperaturdifferenz von 60 °C mit einem Strom von 6 A zu erzeugen. Ihr elektrischer Widerstand liegt bei 1-2 Ohm. ⓘ

Stärken und Schwächen

Es gibt viele Faktoren, die für die weitere Erforschung von TEC sprechen, darunter die geringeren Kohlenstoffemissionen und die einfache Herstellung. Es sind jedoch auch einige Herausforderungen entstanden. ⓘ

Vorteile

Ein wesentlicher Vorteil von TEC-Systemen ist, dass sie keine beweglichen Teile haben. Das Fehlen von mechanischem Verschleiß und die geringere Anzahl von Ausfällen durch Ermüdung und Bruch aufgrund von mechanischen Vibrationen und Belastungen erhöht die Lebensdauer des Systems und senkt die Wartungsanforderungen. Aktuelle Technologien zeigen, dass die mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF) bei Umgebungstemperaturen über 100.000 Stunden beträgt. ⓘ

Die Tatsache, dass TEC-Systeme stromgesteuert sind, führt zu einer weiteren Reihe von Vorteilen. Da sich der Wärmefluss direkt proportional zum angelegten Gleichstrom verhält, kann bei genauer Steuerung der Stromrichtung und -menge Wärme zu- oder abgeführt werden. Im Gegensatz zu Methoden der Widerstandsheizung oder -kühlung, bei denen Gase zum Einsatz kommen, ermöglicht TEC eine gleichwertige Kontrolle des Wärmeflusses (sowohl in als auch aus einem kontrollierten System). Aufgrund dieser präzisen bidirektionalen Steuerung des Wärmestroms können die Temperaturen der kontrollierten Systeme auf Bruchteile eines Grades genau bestimmt werden, wobei in Laboratorien oft eine Genauigkeit von Milli Kelvin (mK) erreicht wird. TEC-Geräte sind auch in ihrer Form flexibler als ihre herkömmlichen Gegenstücke. Sie können in Umgebungen eingesetzt werden, in denen weniger Platz zur Verfügung steht oder strengere Bedingungen herrschen als bei einem herkömmlichen Kühlschrank. Die Möglichkeit, ihre Geometrie anzupassen, ermöglicht eine präzise Kühlung auf sehr kleinen Flächen. Diese Faktoren machen sie zu einer häufigen Wahl bei wissenschaftlichen und technischen Anwendungen mit hohen Anforderungen, bei denen Kosten und absolute Energieeffizienz nicht im Vordergrund stehen. ⓘ

Ein weiterer Vorteil von TEC ist der Verzicht auf den Einsatz von Kältemitteln im Betrieb. Bevor sie aus dem Verkehr gezogen wurden, trugen einige frühe Kältemittel, wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), erheblich zum Abbau der Ozonschicht bei. Viele der heute verwendeten Kältemittel haben ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt, da sie die globale Erwärmung fördern oder andere Sicherheitsrisiken mit sich bringen. ⓘ

Nachteile

TEC-Systeme haben eine Reihe von bemerkenswerten Nachteilen. An erster Stelle stehen ihre begrenzte Energieeffizienz im Vergleich zu konventionellen Dampfkompressionssystemen und die Beschränkung des Gesamtwärmestroms (Wärmestroms), den sie pro Flächeneinheit erzeugen können. Dieses Thema wird im Abschnitt über die Leistung weiter unten behandelt. ⓘ

Leistung

Die (thermoelektrische) Peltier-Leistung ist eine Funktion der Umgebungstemperatur, der Leistung des Wärmetauschers (Kühlkörpers) auf der heißen und kalten Seite, der thermischen Belastung, der Geometrie des Peltier-Moduls (Thermopile) und der elektrischen Peltier-Parameter. ⓘ

Die Wärmemenge, die bewegt werden kann, ist proportional zu Strom und Zeit.

$Q=PIt$Dabei ist P der Peltier-Koeffizient, I ist der Strom und t ist die Zeit. Der Peltier-Koeffizient hängt von der Temperatur und den Materialien ab, aus denen der Kühler hergestellt ist. Größenordnungen von 10 Watt pro Ampere sind üblich, aber dies wird durch zwei Phänomene ausgeglichen:

• Nach dem Ohmschen Gesetz erzeugt ein Peltier-Modul selbst Abwärme,

$Q_{waste}=RI^{2}t$wobei R der Widerstand ist.

• Außerdem wandert die Wärme durch Wärmeleitung innerhalb des Moduls selbst von der heißen zur kalten Seite, ein Effekt, der umso stärker ist, je größer der Temperaturunterschied ist. ⓘ

Das Ergebnis ist, dass die effektiv bewegte Wärme mit zunehmender Temperaturdifferenz abnimmt und das Modul weniger effizient wird. Es kommt zu einer Temperaturdifferenz, bei der die Abwärme und die zurückfließende Wärme die bewegte Wärme übersteigt, und das Modul beginnt, die kühle Seite zu heizen, anstatt sie weiter zu kühlen. Ein einstufiger thermoelektrischer Kühler erzeugt in der Regel eine maximale Temperaturdifferenz von 70 °C zwischen seiner heißen und kalten Seite. ⓘ

Ein weiteres Problem mit der Leistung ist eine direkte Folge eines ihrer Vorteile: Sie sind klein. Dies bedeutet, dass:

• Die heiße Seite und die kalte Seite liegen sehr nahe beieinander (einige Millimeter Abstand), wodurch die Wärme leichter zur kalten Seite zurückfließen kann und es schwieriger ist, die heiße und die kalte Seite voneinander zu isolieren
• Ein gewöhnliches 40 mm × 40 mm großes Bauteil kann 60 W oder mehr erzeugen, d. h. 4 W/cm² oder mehr, und erfordert einen leistungsstarken Heizkörper, um die Wärme abzuführen. ⓘ

Bei Kälteanwendungen haben thermoelektrische Verbindungen einen Wirkungsgrad (COP) von etwa 1/4 im Vergleich zu konventionellen Mitteln (Dampfkompressionskälte): Sie bieten einen Wirkungsgrad von etwa 10-15 % des idealen Carnot-Kreislauf-Kühlschranks, verglichen mit 40-60 %, die von konventionellen Kompressionskreislaufsystemen (umgekehrte Rankine-Systeme mit Kompression/Expansion) erreicht werden. Aufgrund dieses geringeren Wirkungsgrads wird die thermoelektrische Kühlung im Allgemeinen nur in Umgebungen eingesetzt, in denen der Festkörpercharakter (keine beweglichen Teile), der geringe Wartungsaufwand, die kompakte Größe und die Unempfindlichkeit gegenüber der Ausrichtung den reinen Wirkungsgrad überwiegen. ⓘ

Der Wirkungsgrad ist zwar geringer als bei konventionellen Methoden, kann aber dennoch gut genug sein, vorausgesetzt:

• die Temperaturdifferenz so gering wie möglich gehalten wird und,
• der Strom niedrig gehalten wird, da das Verhältnis von bewegter Wärme zu Abwärme (bei gleicher Temperatur auf der heißen und der kalten Seite) folgendermaßen ist ${\frac {Q}{Q_{waste}}}={\frac {P}{RI}}$.

Da ein niedriger Strom jedoch auch eine geringe Menge an bewegter Wärme bedeutet, ist die Leistungszahl in der Praxis niedrig. ⓘ

Die größten Vorteile eines Peltier-Elements sind die geringe Größe, das geringe Gewicht, die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile, Gase und Flüssigkeiten. Eine Kältemaschine benötigt dagegen immer ein Kältemittel und in den meisten Fällen einen Kompressor. ⓘ

Mit Peltier-Elementen ist sowohl Kühlen als auch Heizen möglich. Damit kann eine Temperaturregelung von Bauteilen auch erreicht werden, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb oder auch unterhalb der Solltemperatur liegt. ⓘ

Ein Nachteil der Peltier-Elemente ist der niedrige Wirkungsgrad von ca. 1/10 des Carnot-Wirkungsgrades, der zu einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme bei vergleichsweise geringer Kühlleistung bzw. Temperaturdifferenz führt. Ferner sind Elemente größer als 50 mm × 50 mm kaum erhältlich. ⓘ

Wichtige Faktoren für die Effizienz (ähnlich dem Wirkungsgrad) eines Peltier-Elements sind Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Widerstand des verwendeten Halbleitermaterials. Der erzeugte Wärmestrom ist proportional zum elektrischen Strom. Durch die Temperaturdifferenz zwischen den Seiten entsteht im Element ein Wärmerückstrom, und zwar proportional zur Temperaturdifferenz und zur Wärmeleitfähigkeit. Durch den fließenden Strom entsteht Verlustwärme, die quadratisch mit der Stromstärke steigt und proportional zum spezifischen Widerstand ist. Die Effizienz (Leistungszahl) als Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu nutzbarem Wärmestrom sinkt daher – eine Verdoppelung des elektrischen Stroms verdoppelt den Wärmestrom, aber vervierfacht die Verlustwärme. Der Wärmerückstrom kann reduziert werden, wenn für effiziente Wärmeleitung an den Außenflächen (Kühlkörper, Ventilation) gesorgt wird, und damit auch die Temperaturdifferenz gering gehalten wird. ⓘ

Zusammenfassend sinkt die Effizienz mit steigendem Strom und steigt mit guter Wärme-Zu- und Ableitung. ⓘ

Verwendet

Ein USB-betriebener Getränkekühler ⓘ

Thermoelektrische Kühler werden für Anwendungen eingesetzt, die eine Wärmeabfuhr im Bereich von Milliwatt bis zu mehreren tausend Watt erfordern. Sie können für so kleine Anwendungen wie einen Getränkekühler oder so große wie ein U-Boot oder einen Eisenbahnwaggon hergestellt werden. TEC-Elemente haben eine begrenzte Lebensdauer. Ihr Gesundheitszustand lässt sich an der Änderung ihres Wechselstromwiderstands (ACR) ablesen. Wenn sich ein Kühlelement abnutzt, steigt der ACR-Wert. ⓘ

Verbraucherprodukte

Peltier-Elemente werden häufig in Konsumgütern verwendet. Sie werden zum Beispiel beim Camping, in tragbaren Kühlboxen, zur Kühlung elektronischer Bauteile und kleiner Instrumente verwendet. Sie können auch dazu verwendet werden, der Luft in Luftentfeuchtern Wasser zu entziehen. Eine elektrische Kühlbox für Camping und Auto kann die Temperatur in der Regel um bis zu 20 °C unter die Umgebungstemperatur absenken, die 25 °C beträgt, wenn das Auto in der Sonne 45 °C erreicht. In klimatisierten Jacken werden zunehmend Peltier-Elemente verwendet. Thermoelektrische Kühler werden zur Ergänzung von Kühlkörpern für Mikroprozessoren eingesetzt. ⓘ

Industrielle

Thermoelektrische Kühler werden in vielen Bereichen der industriellen Fertigung eingesetzt und erfordern eine gründliche Leistungsanalyse, da sie Tausende von Zyklen durchlaufen müssen, bevor diese Industrieprodukte auf den Markt gebracht werden. Zu den Anwendungsbereichen gehören Lasergeräte, thermoelektrische Klimaanlagen oder Kühler, Industrieelektronik und Telekommunikation, Kraftfahrzeuge, Mini-Kühlschränke oder Inkubatoren, Militärschränke, IT-Gehäuse und vieles mehr. ⓘ

Wissenschaft und Bildgebung

Peltier-Elemente werden in wissenschaftlichen Geräten verwendet. Sie sind ein gängiger Bestandteil von Thermocyclern, die für die DNA-Synthese durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden, eine gängige molekularbiologische Technik, die ein schnelles Erhitzen und Abkühlen der Reaktionsmischung für Denaturierungsprimer-Annealing und enzymatische Synthesezyklen erfordert. ⓘ

Mit Rückkopplungsschaltungen können Peltier-Elemente für hochstabile Temperaturregler eingesetzt werden, die die gewünschte Temperatur innerhalb von ±0,01 °C halten. Diese Stabilität kann bei präzisen Laseranwendungen genutzt werden, um ein Abdriften der Laserwellenlänge bei Änderungen der Umgebungstemperatur zu vermeiden. ⓘ

Der Effekt wird in Satelliten und Raumfahrzeugen genutzt, um Temperaturunterschiede zu verringern, die durch direkte Sonneneinstrahlung auf einer Seite des Raumfahrzeugs entstehen, indem die Wärme über die kalte Schattenseite abgeleitet wird, wo sie als Wärmestrahlung in den Weltraum abgegeben wird. Seit 1961 werden in einigen unbemannten Raumfahrzeugen (einschließlich des Mars-Rovers Curiosity) radioisotopische thermoelektrische Generatoren (RTGs) eingesetzt, die Wärmeenergie mithilfe des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umwandeln. Die Geräte können mehrere Jahrzehnte halten, da sie durch den Zerfall hochenergetischer radioaktiver Stoffe gespeist werden. ⓘ

Peltier-Elemente werden auch zur Herstellung von Nebelkammern verwendet, um ionisierende Strahlung sichtbar zu machen. Indem sie einfach einen elektrischen Strom durchlassen, können sie Dämpfe auf unter -26 °C abkühlen, ohne dass Trockeneis oder bewegliche Teile erforderlich sind. ⓘ

Photonendetektoren wie CCDs in astronomischen Teleskopen, Spektrometern oder sehr hochwertigen Digitalkameras werden häufig durch Peltier-Elemente gekühlt. Dadurch wird die Dunkelzählung aufgrund von thermischem Rauschen reduziert. Eine Dunkelzählung tritt auf, wenn ein Pixel ein durch thermische Fluktuation verursachtes Elektron und nicht ein Photon registriert. Auf Digitalfotos, die bei wenig Licht aufgenommen wurden, treten diese als Flecken (oder "Pixelrauschen") auf. ⓘ

Thermoelektrische Kühler können zur Kühlung von Computerkomponenten verwendet werden, um die Temperatur innerhalb der Konstruktionsgrenzen zu halten oder um beim Übertakten eine stabile Funktion zu gewährleisten. Ein Peltier-Kühler mit einem Kühlkörper oder Wasserblock kann einen Chip weit unter die Umgebungstemperatur kühlen. ⓘ

In faseroptischen Anwendungen, bei denen die Wellenlänge eines Lasers oder einer Komponente stark von der Temperatur abhängt, werden Peltier-Kühler zusammen mit einem Thermistor in einer Rückkopplungsschleife eingesetzt, um die Temperatur konstant zu halten und so die Wellenlänge des Geräts zu stabilisieren. ⓘ

Einige elektronische Geräte, die für den militärischen Einsatz im Feld bestimmt sind, werden thermoelektrisch gekühlt. ⓘ