Peltier-Elemente

Peltier-Elemente / thermoelektrische Kühler (TECs) sind Wärmepumpen, die Wärme von einer Seite zur anderen übertragen, je nach Richtung des elektrischen Stroms. TECs werden zur Ansteuerung der Peltier-Elemente verwendet.
Dieser Artikel erklärt, wie Peltier-Elemente / thermoelektrische Kühler funktionieren, beschreibt die Merkmale und erwähnt Hersteller von Peltier-Elementen.

TEC Controller Produktübersicht

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen des Peltier-Elements

Ein Peltier-Element ist in der Lage, Wärme mit Hilfe des Peltier-Effekts zu transportieren. Im Inneren des Peltier-Elements erzeugt der Peltier-Effekt eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Seiten, wenn ein Strom fließt.

Abhängig von der Richtung des DC-Stromflusses ist es möglich, mit Peltier-Elementen zu kühlen und zu heizen, ohne die Anschlüsse oder den mechanischen Aufbau zu ändern. Weitere Vorteile sind, dass kleine Designs realisiert werden können und keine beweglichen Teile vorhanden sind. Der dem Peltier-Element zugeführte Strom wird von einem TEC Controller gesteuert.

Peltier-Element Beschriftung Peltier-Element Design

Linke Seite: Standard Peltier-Element      Rechte Seite: Spezielle Arten von Peltier-Elementen

Im Normalfall ist die Herstellerkennung auf der kalten Seite des Peltier-Elements aufgedruckt. Dies ist die kalte Seite, wenn die positive Versorgungsspannung mit dem roten Kabel des Peltier-Elements verbunden ist

Da Kabel eine thermische Kapazität haben, werden sie an die heiße Seite des Peltier-Elements angeschlossen, um die Kühlkapazität des Elements nicht zu verringern.

Wie Sie auf dem rechten Bild sehen können, gibt es verschiedene Arten von Peltier-Elementen, die sich in Größe und Form, Leistung und Temperaturbereich unterscheiden.

Größenbereich: 1 mm x 1 mm bis zu 60 mm x 60 mm
Formen: Quadratisch, Ringform, mehrstufig, einstufig, abgedichtet oder nicht abgedichtet, kundenspezifische Formen
Temperaturbereich: Temperaturdifferenz dTmax bis 130 °C (mehrstufig), max. Temperatur bis 200 °C
Maximale Kühlleistung: bis zu 290 W

Model eines Peltier-Elements

Peltier-Elemente können durch ein Modell charakterisiert werden. Die folgenden drei Effekte sind Gegenstand dieses Modells

  • Peltier-Effekt Qp: Wärmetransport von einer Seite zur anderen. Beschrieben in dieser Gleichung Qp = I * α * T
  • Wärmerückfluss QRth: Wärmestrom von der warmen zur kalten Seite. Beschrieben in dieser Gleichung QRth = dT / Rth
  • Joule-Erwärmung/Verluste QRv im folgenden Widerstand vertreten: Rv: Beschrieben in dieser Gleichung QRv = I2 * Rv / 2.
    Die durch Rv erzeugte Wärme wird zu gleichen Teilen zwischen der warmen und der kalten Seite aufgeteilt. Die auf der warmen Seite erzeugte Wärme wird direkt durch den Kühlkörper abgeführt und ist daher in dieser Gleichung nicht enthalten.

Die resultierende gepumpte Wärmelast Qc hängt von den folgenden drei Auswirkungen ab: Qp, QRth and QRv.

Im Falle der Kühlung ist die Gleichung für Qc. Ist wie folgt: Qc = Qp - QRth - QRv.

Parameter eines Peltier-Elements

Neben den mechanischen Eigenschaften werden Peltier-Elemente durch vier wichtige Parameter charakterisiert. Diese werden vom Hersteller angegeben: Qmax, dTmax, Umax, Imax

  •  Qmax: Maximale Wärmepumpenkapazität bei einer Temperaturdifferenz zwischen der warmen und kalten Seite von 0 °K
  •  dTmax: Die maximale Temperaturdifferenz über das Peltier-Element, wenn keine Wärme gepumpt wird
  •  Imax: Strom durch das Peltier-Element bei  Qmax
  •  Umax: Spannung durch das Peltier-Element bei  Qmax

Die Parameter Qmax und dTmax sind theoretische Zahlen und werden zur Beschreibung des Verhaltens von Peltier-Elementen verwendet. Diese Maximalwerte werden jedoch in einer thermoelektrischen Anwendung nie erreicht. Sie werden vom Hersteller bereitgestellt, um die Leistung des Peltier-Moduls zu charakterisieren.

Bei einer thermoelektrischen Anwendung gibt es immer einen Kompromiss zwischen der Wärmepumpenkapazität Qc und der Temperaturdifferenz dT.

Eigenschaften und Verhalten von Peltier-Elementen

Die folgenden vier Diagramme charakterisieren ein Peltier-Element gut. Sie sind nützlich, um die Eigenschaften und das Verhalten von Peltier-Elementen zu verstehen. Ähnliche Diagramme werden auch manchmal von Herstellern verwendet, zum Beispiel von Ferrotec. Die Werte in den Diagrammen sind alle relativ.

Wärmepumpe vs. Strom

Dieses normierte Diagramm beschreibt die Beziehung zwischen der Wärmepumpenleistung auf der y-Achse und dem Strom auf der x-Achse für verschiedene Werte der Temperaturunterschiede zwischen der warmen und kalten Seite (dT = Theiß - Tkalt) im Falle der Kühlung.

Wärmepumpe vs. Strom
Dynamik eines Systems. Normalisiertes Diagramm Wärmepumpe gegen Strom

Nur bei relativ kleinen Temperaturdifferenzen dT kann eine signifikante Wärmemenge übertragen werden. Mehrstufige Peltier-Elemente werden verwendet, wenn höhere Temperaturdifferenzen benötigt werden. Mehrstufige Peltier-Elemente werden verwendet, wenn höhere Temperaturdifferenzen benötigt werden.

Die gepumpte Wärme QC und die Temperaturdifferenz dT sind invers zueinander, da die Wärme auf der kalten Seite aufgebracht wird, wird die Temperaturdifferenz unterdrückt.

Normalerweise sollte der Durchstrom für das Peltier-Element zwischen 0 und 0.7 mal Imax betragen.

Dynamik eines Systems

Peltier-Leistung im Vergleich zu Strom mit Kennzeichnung
Dynamik eines Systems. Normalisiertes Diagramm Wärmepumpe gegen Strom

Um die Dynamik des Systems zu verstehen, können wir beobachten, was passiert, wenn sich die Temperatur - und damit die dT - ändert oder wenn die Wärmelast erhöht wird.

Betreiben wir das Peltier-Element mit einem Strom von etwa 25% von Imax, so ist es möglich, einen 10-Kelvin-Anstieg des dT-Punktes A nach B zu kompensieren - Um sicherzustellen, dass die Leistung der Wärmepumpe konstant bleibt, muss der Strom erhöht werden. Die Wärmepumpenkapazität kann ebenfalls erhöht werden, ohne den dT zu verändern, wenn man von A nach C geht.

Wenn der Arbeitspunkt bei etwa 60% von Imax liegt, benötigen wir mehr Strom als im vorherigen Beispiel, um einen 10-Kelvin-Anstieg des dT-Punktes D nach E zu kompensieren - wenn die Wärmepumpenkapazität nicht beeinflusst werden soll. Die Wärmepumpenkapazität kann immer noch erhöht werden, ohne dass die Temperaturdifferenz verloren geht, wenn wir von D nach F gehen.

Wird das Peltier-Element jedoch in der Nähe seines Maximalstroms betrieben, kann eine Temperaturänderung nicht durch eine Erhöhung des Stroms kompensiert werden. Der Übergang von einer niedrigeren zu einer höheren Temperaturdifferenz würde zu einer Verringerung der Wärmepumpenkapazität führen.

Leistungskoeffizient (COP) (Effizienz)

Die Definition des COP ist die an der Kaltseite absorbierte Wärme QC geteilt durch die Eingangsleistung Pel des Peltier-Elements: COP = QC / Pel. Der COP ist im Prinzip der Wirkungsgrad des Peltier-Elements bei der Kühlung.

Das folgende Diagramm zeigt die Leistung (COP) im Vergleich zum aktuellen Verhältnis I / Imax, die Werte in diesem Diagramm sind relativ und normalisiert.

Leistung des Peltier-Elements im Vergleich zum Strom
Dieses Diagramm zeigt das Verhältnis von Leistung (COP) zu aktueller Leistung. Verwenden Sie es, um den Betriebsstrom zu finden, der bei einer entsprechenden Temperaturdifferenz dT die höchste Leistung erbringt.

Auf der linken Seite sehen wir, dass der COP bei der niedrigsten Temperaturdifferenz maximal ist. Daher erhalten wir eine hohe Menge an gepumpter Wärme pro Einheit elektrischer Leistung. Wie wir sehen können, liegt das entsprechende COP-Maximum je nach dT auf unterschiedlichen Stromniveaus - mit höherer dT bewegt es sich nach rechts. Wenn wir der Kurve nach rechts folgen, stellen wir fest, dass wir viel elektrische Leistung in das System einbringen müssen, um nur wenig Wärme zu pumpen, was einem niedrigen COP-Wert entspricht. Wir können auch beobachten, dass höhere Ströme benötigt werden, um höhere Temperaturdifferenzen zu erzeugen.

Der Grund, warum der COP nicht bei Null mit einem dT > 0 K beginnt, ist, dass zunächst der Wärmerückfluss QRth durch den Peltier-Effekt Qp kompensiert werden muss, bevor das Peltier-Element abkühlt.

Zurückgewiesene Wärme eines Peltier-Elements

Das folgende Diagramm zeigt die auf der warmen Seite des Peltier-Elements abzuführende Wärme Qh im Falle einer Abkühlung im Verhältnis zum Strom.

Normalisiertes Wärmeabgabediagramm (Kühlkörper) für Peltier-Elemente
Normalisiertes Diagramm, das die vom Kühlkörper abgeleitete Wärme in Abhängigkeit vom Strom für verschiedene Temperaturdifferenzen dT zeigt.

Die Werte sind normalisiert und relativ. Wie Sie sehen können, kann Qh vom Peltier-Element zurückgewiesen werden, bis zu 2.6 mal Qmax sein. Die Wärmemenge auf der heißen Seite Qh kann deshalb so groß sein, weil die Wärme des Peltier-Effekts Qp und die Wärme des Verlustwiderstandes QRv abgeführt werden muss. Qh = Qp + QRv gilt.

Abhängigkeit der abgelehnten Wärme von der dT

Das folgende Diagramm zeigt das Verhältnis zwischen Qh und QC für verschiedene dT im Falle einer Kühlung. Das Verhältnis Qh / Qc ist ein Faktor, wie viel mehr Wärme auf der warmen Seite als auf der kalten Seite abgeführt werden muss.

Abgeleitete/Transportierte Wärme vs. Strom
Normalisiertes Diagramm, das die vom Kühlkörper abgeleitete Wärme pro gepumpter Wärmemenge im Vergleich zum Strom für verschiedene dT zeigt.

Dies bedeutet, dass bei großer dT eine große Wärmemenge durch den Kühlkörper für eine vergleichsweise geringe Wärmemenge, die an der kalten Seite des Peltier-Elements absorbiert wird, abgeführt wird.
Zum Beispiel, wenn Sie ein Watt auf der kalten Seite QC = 1 W kühlen wollen. Dies ergibt eine Wärme von 1.75 W auf der heißen Seite Qh = 1.75 W, wenn der dt = 20 K ist. Bei dT = 40 K sind es etwa 3.5 Watt auf der heißen Seite Qh = 3.5 W.

Spannung vs. Strom

Dieses normierte Diagramm beschreibt die Beziehung zwischen der Spannung auf der y-Achse und dem Strom auf der x-Achse für verschiedene Werte der Temperaturunterschiede zwischen der heißen und kalten Seite (dT = Theiß - Tkalt) im Falle einer Abkühlung.

Spannung vs. Strom
Das normierte Diagramm zeigt Spannung und Strom für verschiedene dT.

Wie Sie sehen können, ist die Kurve linear. Das Verhalten eines Peltier-Elements ist das gleiche wie das eines Widerstands mit einer Spannungsquelle. Die Steigung der Kurve nimmt mit zunehmender dT ab. Die Verschiebung auf der y-Achse hängt mit dem Seebeck-Effekt zusammen.

Mehrstufige Peltier-Elemente

Mehrstufige Peltier-Elemente
Mehrstufige Peltier-Elemente

Alle obigen Diagramme gelten für Standard Peltier-Elemente, aber das Verhalten von mehrstufigen Peltier-Elementen ist ähnlich. Mehrstufige Peltier-Elemente werden verwendet, wenn höhere dT (bis zu 125 K) erforderlich sind. Die Qmax ist jedoch niedriger, d.h. es kann weniger Wärme abgeführt werden. Dies ist der Nachteil von mehrstufigen Peltier-Elementen.

 

Hersteller

Hersteller Beschreibung Land
Deltron AG
www.deltron.ch
Thermoelektrische Module Schweiz
Ferrotec
www.thermal.ferrotec.com
Thermoelektrische Module USA, Asien, Europa
RMT Ltd.
www.rmtltd.ru
Miniatur- bis Hochleistungs-Peltier-Elemente Russland
Laird
www.lairdthermal.com
Thermoelektrische Module United Kingdom
II-VI
www.i-vi.com
Thermoelectric Modules USA, Asia, Europe
CUI Devices
www.cuidevices.com
Thermoelektrische Module USA
Kryotherm
www.kryothermtec.com
Thermoelektrische Module Russland
Peltron GmbH
www.peltier.de
Thermoelektrische Module, Elemente für Thermozyklierung Deutschland
Europaan Thermodynamics Ltd
www.europaanthermodynamics.com
Thermoelektrische Module, Elemente für Thermozyklierung Deutschland