Ratgeber
Was sind Peltier-Elemente?
Peltier-Elemente sind elektrische Bauteile, die ohne mechanisch bewegte Teile Wärme von einer Seite zur anderen transportieren können. Sie haben sich inzwischen in vielen Bereichen der Technik als Kühlelement oder zur Temperaturstabilisierung bewährt. Peltier-Elemente werden international auch als „Thermoelectric Cooler“, abgekürzt „TEC“ bezeichnet.
Wie funktionieren Peltier-Elemente?
Der französische Wissenschaftler Jean Peltier publizierte 1834 einen Artikel über seine elektrischen Experimente mit Kontaktstellen verschiedener Metalle. Als er die beiden Enden eines Bismut-Drahtes mit Kupferdrähten verband und diese an eine Batterie anschloss, um Strom fliessen zu lassen, stellte er fest, dass sich die eine Kontaktstelle erwärmt und die andere abkühlt. Bei Umkehrung des Stromflusses kehrt sich auch der Erwärmungs- und Abkühlungseffekt der beiden Kontakte um. Die Ursache dieses Effektes war zunächst nicht bekannt. Erst nachdem die Gesetzmässigkeiten der Thermoelektrik entdeckt worden waren, gab es eine Erklärung. Es handelt sich um energetische Ausgleichsvorgänge freier Ladungsträger (Elektronen, Löcher) an den Kontaktstellen, die sich abhängig vom Material auf unterschiedlichen Energienieveaus befinden. Für den Sprung auf ein höheres Energieneiveau entzieht der Ladungsträger der Umgebung Energie in Form von Wärme. Beim Fall auf ein niedrigeres Niveau gibt der Ladungsträger Energie in Form von Wärme ab. Es entsteht eine stromabhängige Temperaturdifferenz.
Schon 15 Jahre vorher hatte der preussische Wissenschaftler Johann Seebeck mit einem ähnlichen Versuchsaufbau herausgefunden, dass zwischen den beiden Kupferdrähten eine elektrische Spannung entsteht, wenn eine der beiden Kontaktstellen erhitzt wird. Sowohl der „Peltier-Effekt“ als auch der „Seebeck-Effekt“, der bei Thermo-Elementen genutzt wird, sind schon lange bekannt, liessen sich aber erst mit der Entwicklung moderner Technologien praktisch nutzen. Weil Peltier-Elemente und Thermo-Elemente ähnlich aufgebaut sind, lässt sich mit einem Peltier-Element auch eine elektrische Spannung erzeugen, indem die eine Seite erhitzt und die andere abgekühlt wird.
Prinzipieller Aufbau moderner Peltier-Elemente. Die Ladungsträger werden an den Kontaktstellen auf ein höheres (unten) bzw. niedrigeres Energieniveau (oben) gebracht und nehmen deshalb unten Wärme auf und geben sie oben wieder ab.
- Kalte Seite
- Keramikplatte
- N-Halbleiter
- P-Halbleiter
- Heisse Seite
- Kupferbrücken
Blick in ein modernes Peltier-Element.
Moderne Peltier-Elemente (Bild 1 und 2) bestehen aus Kontakten zwischen Kupfer und der halbleitenden Legierung Bismuttellurit (Bi2Te3) oder Siliziumgermanium (SiGe). Dieses Material hat die Form kleiner Würfel „Dices“, die über Kupferbrücken miteinander verbunden werden. Das ganze ist auf einem Aluminiumoxid-Keramiksubstrat befestigt. Auch die Oberseite wird von einer Keramikplatte bedeckt. Die unterschiedliche N- oder P-Dotierung erlaubt die Reihenschaltung einer grossen Zahl solcher Elemente, so dass sich auf beiden Seiten der Anordnung viele Kontaktstellen befinden, die bei Stromdurchfluss abkühlen bzw. erwärmen. Seitlich sind die Litzen für den Strom-Anschluss herausgeführt. Die N- und P-dotierten "Dices" sind abwechselnd mit Kupferbrücken verbunden.
- Kalte Seite
- Keramikplatte
- N-Halbleiter
- P-Halbleiter
- Heisse Seite
- Kupferbrücken
Peltier-Elemente besitzen keine mechanisch bewegten Teile und können auf kleinstem Raum kühlen oder erwärmen. Die transportierte Wärme und damit die Kühlleistung lässt sich mit dem Strom genau dosieren. Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad im Vergleich zum klassischen Kühlsystem, das viel mehr Platz beansprucht und mit Kompressoren arbeitet sowie ein Kühlmedium benötigt. Peltier-Elemente beschränken sich deshalb auf Anwendungen mit geringer Wärmetransportleistung im Watt-Bereich.
Dieses Peltier-Element von TRU Components hat eine Kühlleistung von 106 W und ist nur 2.8 mm hoch.
Standard-Peltier-Elemente sind typischerweise in quadratischer Sandwich-Form (siehe Bild 3) aufgebaut und werden in verschiedenen Abmessungen von wenigen Zentimetern Kantenlänge hergestellt. Die Betriebsspannung hängt von der Menge der Dices ab und liegt zwischen wenigen und einigen Zehn Volt.
Die Kühlleistung, die Peltier-Elemente erzeugen können, liegen im Bereich von einigen Watt bis etwa 100 Watt.
Die maximal erreichbare Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite des Peltier-Elementes beträgt etwa 70 K.
Peltier-Elemente finden sich heute in Konsumgütern wie z.B. thermoelektrischen Kühlbehältern, Mini-Kühlschränken oder Luftentfeuchtern. In der Technik nutzt man Peltier-Elemente z. B. zur Kühlung von Lasern oder von optischen Sensoren, um das Bildrauschen zu vermindern. Auch als ein Teil des Kühlers von Computerchips, z. B. der CPU, haben sich Peltier-Elemente auf Grund ihrer kompakten Bauweise bewährt.
Die temperaturabhängige Schwingfrequenz von Quarzgeneratoren lässt sich mit Hilfe von Peltier-Elementen unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant halten, denn sie können je nach Stromrichtung heizen oder kühlen. Im Labor lassen sich mit Hilfe von Peltier-Elementen die Temperaturen z. B. von Flüssigkeiten genau und reproduzierbar einstellen. In der Analysentechnik lässt sich mit Hilfe von Peltier-Elementen die genaue Probentemperierung vornehmen.
Für die optimale Ansteuerung von Peltier-Elementen steht eine spezielle Controller-Baugruppe zur Verfügung. Die dazugehörigen Display-Einheit zeigt u. a. Ist- und Soll-Temperaturen sowie Heiz- und Kühlbetrieb an. Mit diesem Zubehör lassen sich z. B. Labor- und Messeinrichtungen mit präziser Einstellung und Regelung der Temperatur aufbauen.
Peltier-Elemente müssen so eingebaut werden, dass sie auf der einen Seite Wärme aufnehmen und auf der anderen Seite abgeben können. Wenn sich die Wärme auf einer der beiden Seiten staut, verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Kühlvorgangs. Erforderlich ist flächenschlüssige Montage mit geringem Wärme-Übergangswiderstand.
An den Kontaktflächen sollte deswegen vor der Montage Wärmeleitpaste aufgetragen werden. An der warmen Seite muss die Abführung der Wärme unbehindert möglich sein und sollte bei grösserer Leistung mit einem grossflächigen Kühlkörper und erforderlichenfalls mit einem Lüfter unterstützt werden.
- Die in den Datenblättern angegebenen elektrischen Grenzwerte Imax und Umax dürfen nicht überschritten werden.
- Peltier-Elemente die in bestimmten Anwendungen häufig ein- und ausgeschaltetet werden, müssen eine hohe thermische Zyklusfestigkeit aufweisen.
- Die handelsüblichen Peltier-Elemente sind RoHS-konform.