Glossar Peltierelemente

Glossar Peltiertechnologie / Thermoelektrik

Die wichtigsten Fachbegriffe rund um Peltierelemente und thermoelektrische Module – kurz erklärt.

Anpressdruck: Flächenpressung, mit der das Modul zwischen Kühlkörper und Kühlplatte geklemmt wird. Empfohlen 3–8 kg/cm², konstruktive Obergrenze 15 kg/cm².
Aspektverhältnis: Verhältnis von Schenkelhöhe zu Querschnittsfläche eines Halbleiterschenkels. Bestimmt Strom-Spannungs-Verhalten und erreichbares ΔT.
Al₂O₃ (Aluminiumoxid): Standardkeramik für Substrate von Peltierelementen; Wärmeleitfähigkeit ca. 24–30 W/(m·K).
AlN (Aluminiumnitrid): Hochwertige Substratkeramik mit ca. 150–180 W/(m·K); Aufpreisvariante für hohe Wärmestromdichten.
Bismuttellurid (Bi₂Te₃): Thermoelektrisches Halbleitermaterial mit optimaler Leistung im Bereich um Raumtemperatur; Standardmaterial für Kühlmodule.
Bleitellurid (PbTe): Thermoelektrisches Material für ca. 250–450 °C, überwiegend in der Stromerzeugung eingesetzt.
COP (Leistungszahl): Coefficient of Performance; Verhältnis aus gepumpter Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung: COP = Q_c/P_el.
CTE: Coefficient of Thermal Expansion, Wärmeausdehnungskoeffizient. Unterschiede zwischen Modul und angrenzenden Bauteilen erzeugen Scherspannungen.
Cyclermodul: Für häufige und große Temperaturwechsel optimiertes Peltierelement mit erhöhter Zyklenfestigkeit.
Dice / Die: Einzelner Halbleiterblock (Schenkel) aus thermoelektrischem Material, aus dem das Modul aufgebaut ist.
Dünnschichtmodul: Peltierelement, dessen thermoelektrisches Material als Schicht abgeschieden statt aus Blöcken gesägt wird; sehr flach und schnell, aber leistungsschwach und teuer.
Emissionsgrad (ε): Verhältnis der von einer Oberfläche abgestrahlten Energie zu der eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur; bestimmt die Strahlungswärmelast.
Energy Harvesting: Gewinnung elektrischer Energie aus Abwärme über den Seebeck-Effekt. Wirtschaftlich nur in Nischen (Raumfahrt, sehr große ΔT).
Erzwungene Konvektion: Wärmeabfuhr mit Lüfter- oder Gebläseunterstützung; senkt den thermischen Widerstand eines Kühlkörpers um ein Vielfaches gegenüber freier Konvektion.
Freie Konvektion: Wärmeabfuhr allein über natürliche Luftströmung ohne Lüfter.
Gap-Filler: Sehr weiches, hoch wärmeleitfähiges Interfacematerial (10–50 W/(m·K)) zum Ausgleich großer mechanischer Toleranzen; Dicke 0,2–2,0 mm.
Graphitfolie: Anisotropes Interfacematerial aus über 98 % reinem Graphit; bis 200 W/(m·K) in der Ebene, silikonfrei, über 300 °C beständig.
Gütefaktor Z / ZT: Figure of Merit; Z = S²·σ/λ. Kennzahl für die Qualität eines thermoelektrischen Materials; gute Bi₂Te₃-Module erreichen ZT ≈ 0,8–1,0.
Höhentoleranz: Zulässige Abweichung der Modulbauhöhe; Standard ±0,3 mm, geläppte Ausführung ±0,03 mm.
Interstage-Temperatur: Temperatur zwischen zwei Stufen eines Kaskadenmoduls.
I_max: Strom, bei dem das Modul seine maximale Temperaturdifferenz erreicht.
Joule'sche Wärme: Durch den elektrischen Widerstand im Modul erzeugte Verlustwärme; fällt auf beiden Seiten an und begrenzt die Leistung bei hohen Strömen.
Kaskade (mehrstufiges Modul): Stapelung mehrerer Module thermisch in Reihe zur Erzielung sehr großer Temperaturdifferenzen (zweistufig ca. 91–106 K, dreistufig ca. 111 K).
Kaltseite: Modulfläche, die im Kühlbetrieb Wärme aufnimmt und am zu kühlenden Objekt anliegt.
Konduktion: Wärmeleitung innerhalb eines Materials aufgrund eines Temperaturgefälles.
Kühlkörper: Bauteil, das die Abwärme der Warmseite an die Umgebung überträgt. Sein thermischer Widerstand bestimmt maßgeblich die erreichbare Kaltseitentemperatur.
Latente Wärme: Wärmemenge, die für einen Phasenwechsel eines Stoffes erforderlich ist, ohne dass sich die Temperatur ändert.
MTBF: Mean Time Between Failures. Für Peltierelemente im stationären Betrieb über 200.000 Stunden; im Zyklenbetrieb deutlich geringer.
Metallisierung: Beidseitig lötfähige Beschichtung der Keramikflächen; ermöglicht das direkte Auflöten kleiner Module (Suffix M).
Miniaturmodul / Mikro-TEC: Peltierelement mit sehr kleiner Grundfläche und Bauhöhe, häufig in TO-Gehäusen zur Kühlung von Laserdioden und Detektoren.
Modul (TEC): Thermoelectric Cooler; komplettes Bauelement aus vielen Thermopaaren zwischen zwei Keramiksubstraten.
n-Typ: Halbleitermaterial mit Elektronenüberschuss.
Optimaler Strom: Strom, bei dem für eine gegebene Aufgabe der beste COP erreicht wird; liegt in der Regel unter 50 % von I_max.
p-Typ: Halbleitermaterial mit Elektronenmangel (Löcherleitung).
Parylene: Sehr dünne, im Vakuum abgeschiedene Schutzbeschichtung (Suffix P); gute Feuchtesperre bei minimaler Wärmerückkopplung.
Peltier-Effekt: Wärmetransport von einer Verbindungsstelle zur anderen bei Stromfluss durch zwei unterschiedliche Materialien; physikalische Umkehrung des Seebeck-Effekts.
Phase Change Material (PCM): Interfacematerial, das beim Erwärmen weich wird, Rauheiten benetzt und Lufteinschlüsse verdrängt; thermische Widerstände bis 0,2 K·cm²/W, silikonfrei, migrationsfrei.
PWM: Pulsweitenmodulation. Kostengünstige Ansteuerung, verursacht aber zusätzliche Joule'sche Wärme und reduziert ΔT und COP gegenüber Gleichstrom.
Q_c: Auf der Kaltseite aufgenommene (gepumpte) Wärmeleistung.
Q_h: Auf der Warmseite abzuführende Wärmeleistung: Q_h = Q_c + P_el.
Q_max: Maximale Wärmepumpleistung bei ΔT = 0 K und I_max.
Restwelligkeit (Ripple): Wechselanteil der Versorgungsspannung. Empfohlen < 5 %, maximal 10 %, bei Kaskaden < 2 %.
R_th (thermischer Widerstand): Temperaturerhöhung je zugeführter Wärmeleistung, angegeben in K/W. Maß für die Leistungsfähigkeit eines Kühlkörpers oder einer Fügestelle.
Schmelzwärme: Energie, die für den Phasenübergang fest/flüssig erforderlich ist; bei Anwendungen mit Vereisung in die Auslegung einzurechnen.
Seebeck-Effekt: Entstehung einer elektrischen Spannung, wenn zwei Verbindungsstellen unterschiedlicher Materialien auf verschiedenen Temperaturen gehalten werden.
Silizium-Germanium (SiGe): Thermoelektrisches Hochtemperaturmaterial für ca. 500–1.000 °C; Einsatz in Radionuklidgeneratoren.
Spezifische Wärmekapazität (c_p): Energie, die erforderlich ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen; bestimmt die transiente Last beim Abkühlen einer Masse.
Strahlung (thermisch): Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur; bei tiefen Kaltseitentemperaturen relevante parasitäre Last.
Substrat: Keramikplatte, auf der das Modul aufgebaut ist – thermisch leitfähig und elektrisch isolierend.
Taupunkt: Temperatur, bei der Luft mit Wasserdampf gesättigt ist. Unterschreitet die Kaltseite den Taupunkt, kondensiert Feuchtigkeit auf dem Modul.
Thermischer Schock: Sehr schneller Temperaturwechsel; Prüfverfahren nach MIL-STD-202 Method 107.
Thermistor: Temperaturabhängiger Widerstand (meist NTC) zur Temperaturmessung; optional direkt auf dem Modul integrierbar.
Thermogenerator (TEG): Modul zur Stromerzeugung aus einem Temperaturgefälle über den Seebeck-Effekt; typischer Wirkungsgrad 2–3 %.
Thermopaar (Couple): Ein p- und ein n-dotierter Schenkel, elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Spannungsabfall rund 0,12 V je Paar.
Thermozyklus: Vollständiger Temperaturwechsel des Moduls. Dominierender Verschleißmechanismus – Zyklenzahl, Hub, Obergrenze und Änderungsrate bestimmen die Lebensdauer.
Thomson-Effekt: Reversible Wärmeaufnahme oder -abgabe in einem stromdurchflossenen Leiter mit Temperaturgradient.
U_max: Spannung, die bei I_max und maximaler Temperaturdifferenz anliegt.
Vierleitermessung: Messverfahren, bei dem Strom- und Spannungspfad getrennt geführt werden, um den Leitungswiderstand aus dem Messergebnis zu eliminieren.
Wärmeleitpaste: Pastöses Interfacematerial, das mikroskopische Unebenheiten zwischen zwei Flächen füllt. Für Peltieranwendungen möglichst ohne Silikon-Trägerflüssigkeit.
Warmseite: Modulfläche, die im Kühlbetrieb Wärme abgibt und am Kühlkörper anliegt – erkennbar an den angelöteten Anschlussdrähten.
ΔT (Delta-T): Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite des Moduls.
ΔT_max: Größte erreichbare Temperaturdifferenz bei Q_c = 0 W und I_max; Messung im Vakuum bei definierter Warmseitentemperatur.