Temperaturmanagement mit Peltier-Elementen

Peltier-Elemente, auch als TEC (thermoelectric cooler, dt. thermoelektrische Module) bezeichnet, sind elektronische Bauteile, die der genauen Temperatursteuerung von Objekten dienen. Der Vorteil: Sie reagieren schnell, wenn sich thermische Belastungen ändern und werden deswegen in temperatursensiblen Anwendungen eingesetzt. Ihr Einsatz ist besonders sinnvoll in Bereichen, die ein Lüfter nicht mehr ausreichend kühlen kann. Darüber hinaus können die Halbleiter-Bauteile je nach Stromrichtung auch heizen – so regulieren sie die Solltemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Sie sind kleiner und leichter als Wärmekompressoren oder Wärmeableitungen und verbrauchen deutlich weniger Strom. Dank der elektrothermischen Funktionsweise mit Halbleitern kommen die Geräte ohne störungsanfällige bewegliche Bauteile und ohne kühlende Gase oder Flüssigkeiten aus. Wegen des einfachen und robusten Aufbaus sind sie ideal für den Einsatz bei schwierigen Bedingungen mit Staub und Öl sowie bei anspruchsvollen Außenanwendungen.

Die Vorteile von Peltier-Elementen im Überblick:

• exakte Temperatursteuerung
• hohe Reaktionsgeschwindigkeit
• klein und leicht
• widerstandsfähig auch in anspruchsvollen Umgebungen
• Geräuschreduzierung
• geringer Stromverbrauch
• geringe Störungsanfälligkeit

Hier kommen Peltier-Elemente zum Einsatz Peltier-Elemente finden sich als Temperaturregler überall dort, wo stabile Temperaturen nötig sind und es auf eine präzise und schnelle Anpassung an Veränderungen ankommt, zum Beispiel:

• zur Temperaturregulierung von Laserdioden, optischen Sensoren und Photodioden
• zur Kühlung von Hochleistungslasern
• bei Infrarotsensoren in Nachtsichtsystemen
• für Referenztemperaturen in Labormessgeräten
• bei der Probentemperierung in der Molekularbiologie
• für konstante temperaturabhängige Schwingungen in Quarzgeneratoren
• zur Schaltschrankkühlung
• als Wasserkühlung am CPU
• in thermoelektrischen Kühlbehältern
• in Mini-Kühlschränken
• zur Kondensation in Luftentfeuchtern
• in Diffusionsnebelkammern

Je nach den spezifischen Anforderungen kommt ein anderes Peltier-Element zum Einsatz. Das passende Bauteil ist abhängig von der zu übertragenden Wärmeleistung, der maximalen Temperaturdifferenz und der Höchsttemperatur der heißen Seite.

Peltier-Elemente sind in der Regel in quadratischer Form und in verschiedenen Abmessungen zwischen 4 mm und 62 mm Kantenlänge erhältlich. Die Betriebsspannung ist abhängig von der Menge der geschalteten Halbleiter-Pellets. Peltier-Elemente gibt es von weniger als 1 Volt bis zu 230 V. Bauteile mit Niederspannung von 12 V und 24 V verwendet man im Automobilbereich oder in der additiven Fertigung. In leistungsstarken Schaltschrankkühlungen finden sich Peltier-Elemente mit 230 V. Die Kühlleistung reicht bis etwa 100 Watt, damit können die Bauteile eine maximale Temperaturdifferenz von 70 Kelvin überbrücken.

Gewöhnliche Lötverbindungen in Peltier-Elementen zwischen elektrischem Anschluss und den Halbleiterelementen sorgen für eine stabile mechanische, thermische und elektronische Verbindung. Durch die ständigen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen beim Betrieb des Peltier-Elements entstehen mit der Zeit Mikrorisse, die die Funktion beeinträchtigen oder zum Ausfall führen können. Die Lebensdauer herkömmlicher Peltier-Elemente ist aufgrund dieser thermischen Ermüdung auf etwa 10.000 Zyklen begrenzt. Moderne Technologien versuchen diesem Effekt entgegenzuwirken: So verwendet man beispielsweise spezielle Lötmetalle wie Antimon-Zinn, die über einen höheren Schmelzpunkt und damit eine stärkere Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturveränderungen verfügen. Auch verklebt man Halbleiter mit wärmeleitendem Harz, welches elastisch ist und dem ständigen Ausdehnen und Zusammenziehen besser standhält.

Peltier-Elemente sind klein und handlich, haben aber eine geringe Effizienz gegenüber anderen Kühlsystemen. Ihr Wirkungsgrad beträgt nur 1/10 des Carnot-Wirkungsgrades. Sie eignen sich deswegen vor allem für kleinere Temperaturdifferenzen. Bei größeren Differenzen weisen die elektronischen Bauteile eine hohe elektrische Leistungsaufnahme bei relativ geringer Kühlleistung auf.

Welchen Temperaturunterschied ein Peltier-Element erreichen kann, hängt von der Leistungszahl ab. Gebräuchlich ist auch die englische Bezeichnung „Coefficient of Performance“ oder kurz COP. Dieser wird von dem Betriebspunkt, der thermischen Ausstattung und der Versorgungsart des Bauteils beeinflusst.

Der optimale Betriebspunkt ist abhängig von der Temperaturdifferenz und dem angelegten Strom (I). Grundsätzlich arbeiten Peltier-Elemente effizienter bei geringem Arbeitsstrom, das Optimum liegt zwischen 0 und 70 %. Die Kurve ist je nach Temperaturdifferenz unterschiedlich stark ausgeprägt. Das heißt, die optimale Stromversorgung hängt von der der jeweiligen Temperaturdifferenz ab. Bei standardisierten Modulen kann man auf dem der Verpackung beigelegtem Diagramm entnehmen, wie viel Strom man für die gewünschte Kühlleistung benötigt.

Es gilt: Ist die Temperaturdifferenz < 25 Kelvin, liegt der optimale COP zwischen 0 bis 33 % des maximalen Arbeitsstroms. Bei Temperaturdifferenzen > 25 Kelvin sind 33 bis 66 % des Maximums optimal.

Um das Maximum aus einem Peltier-Element herauszuholen, gilt es bei der Konstruktion einer Kühlung drei wichtige Punkte zu beachten:

1. Die optimale Kühlung:

   Peltier-Elemente erzeugen eine Temperaturdifferenz. Der Kühleffekt ist am größten, wenn die heiße Seite sich weniger erhitzt. Deswegen sollte man diese so gut wie möglich kühlen und für ausreichend Luftzirkulation sorgen. Oft greift man dafür auch auf zusätzliche Mittel wie den Einbau eines Ventilators zurück.

2. Leistungsverluste minimieren:

   Um Kälteverlust zu vermeiden und den Einfluss der Umgebungswärme zu reduzieren, sollte man den gekühlten Bereich so gut wie möglich isolieren.

3. COP optimieren:

   Um einen idealen COP zu erreichen, sollte man ein Peltier-Element mit ausreichender Leistung auswählen. Es können auch mehrere Elemente kombiniert werden. Da der optimale Betriebspunkt bei niedrigen Strömen liegt, können auf diese Weise Störungen absorbiert werden. Ist die Leistung der Bauteile zu gering, kann ungewollt eine Heizung entstehen.

Wie kalt wird ein Peltier Element?

Umgebungstemperatur und Kühlkörperkapazität bestimmen die maximale Betriebstemperatur des Bauteils und damit die Wärmeabfuhr des Kühlsystems. Gängige Peltier-Elemente können einen Temperaturunterschied von 60 °C bis 70 °C herstellen und werden etwa -30 °C kalt. Je nach Ausführung, angelegter Spannung und Stromstärke kann ein modernes Bauteil eine Temperaturdifferenz von 250 °C erzeugen.

Kann man Peltier-Elemente zur Wasserkühlung einsetzen?

Diese Funktionsweise von Peltier-Elementen wurde schon getestet. Vor allem für die Kühlung von CPU ist die Anwendung der Bauteile interessant, um so die Geräuschbelastung in Rechenzentren zu reduzieren. Eine der Herausforderungen hierbei ist das entstehende Kondenswasser an der kalten Seite.

Kann man mit Peltier-Elementen Strom erzeugen?

Als Umkehrung des Peltier-Effekts ist auch die Stromerzeugung mit den Bauteilen möglich. Erzeugt man einen Temperaturunterschied an beiden Seiten des Bauteils, entsteht eine elektrische Spannung. Bekannt ist dies als Seebeck-Effekt.

Wie kann man mit einem Peltier-Element heizen?

Damit das Bauteil heizt, statt zu kühlen, muss man nur die Stromrichtung umkehren, also das schwarze Kabel an den Pluspol der Gleichstromquelle anschließen.

Funktionieren Peltier-Elemente auch mit Wechselstrom?

Für den Betrieb der Bauteile ist Gleichstrom notwendig, denn die Umkehr der Stromrichtung führt zu einem Wechsel zwischen Kühl- zu Heizfunktion.