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Hintergrundwissen

Funktionsweise

Funktionsweise - Peltierelemente

Der Peltiereffekt ist neben dem Seebeckeffekt und dem Thomsoneffekt einer der drei thermoelektrischen Effekte. Wird einem Kreis, der aus zwei Materialien mit verschiedenen Niveaus in der thermoelektrischen Spannungsreihe besteht, ein Strom eingeprägt, dann kühlt sich eine Verbindungsstelle ab, die andere Verbindungsstelle erwärmt sich.

Wärmeenergie wird also von der einen zur anderen Verbindungsstelle transportiert. Die Menge der transportierten Wärme ist abhängig von der Anzahl der Elektronen, welche die Kontaktstelle durchfließen. Jedes Elektron kann eine bestimmte Wärmemenge absorbieren und emittieren.

Die stromdurchflossenen Leiter haben einen Widerstand, wodurch die Joule-Erwärmung auftritt. Die Wärme entsteht zu gleichen Teilen auf der warmen und der kalten Seite. Für Kühlzwecke ist diese Eigenerwärmung unerwünscht. Es sind also Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, niedriger Wärmeleitfähigkeit und hoher thermoelektrischer Potentialdifferenz interessant. Allerdings besitzen die meisten guten elektrischen Leiter auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit (und umgekehrt). Dotierte Halbleiter bilden den besten Kompromiss.

Ein technisches Peltier-Element besteht aus elektrisch seriell geschalteten p- und n-Leitern. In n-Halbleitern wird die Wärme durch Elektronen transportiert. Der Halbleiter ist zwischen zwei Metallplatten montiert. Der Energiehaushalt ist durch die Höhenunterschiede und die Grenzen der Energiebänder dargestellt. Um den Halbleiter zu erreichen, müssen die Elektronen die Energiedifferenz zwischen Leitungsband und Fermi-Niveau überwinden. Die Elektronen werden von der Spannungsquelle zu einem höheren Potential gestoßen. Dabei absorbieren sie Wärme aus der Metallmatrix, respektive der Umgebung. Der Stromkreis ist geschlossen. Die energiereichen Elektronen transportieren die Wärme durch das Leitungsband des Halbleiters. An dem anderen Metallstück herrscht keine Energiebarriere.

Die Elektronen können sich wieder in ihren energetisch günstigsten Zustand begeben, und emittieren dazu die absorbierte Wärme. Der Wärmetransport findet entgegengesetzt zur Stromrichtung statt.

Material A ist ein Metall

Wärmetransport

Material B ist ein dotierter Halbleiter

Wärmetransport



Damit der Halbleiter leitfähig wird, muß eine ausreichende Anzahl von Defektelektronen im Valenzband vorhanden sein. Die Spannungsquelle stößt die Löcher auf ein höheres Energieniveau (in der obigen Abbildung steigt für positive Löcher das Energieniveau in Richtung Valenzband). Dazu ist die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und dem Valenzband notwendig. Dies ist mit der Absorbtion von Wärme verbunden. Die wärmetragenden Löcher treffen auf der rechten Seite auf das Metall in dem keine Energiebarriere vorhanden ist. Die Löcher nehmen ihren energetisch günstigsten Platz ein und geben die absorbierte Wärme wieder ab.

In der Praxis wird der Peltier-Effekt zum Kühlen, aber auch zum Heizen von Objekten genutzt. Zur mechanischen Befestigung der Struktur und zur elektrischen Isolation, werden die Metallplättchen oben und unten in eine Keramikplatte eingebettet, die eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Wenn jetzt eine Spannung angelegt ist, wird in den p-Halbleitern Wärme in Stromrichtung und in den n-Halbleitern entgegengesetzt zur Stromrichtung transportiert. Kehrt sich der Stromfluß um, dann sind Warm- und Kaltseite ebenso vertauscht.

Gegenüber herkömmlichen Temperiereinheiten besteht der Vorteil von Peltier-Elementen in der direkten Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme. Peltier-Elemente arbeiten vibrationsfrei, sind klein, können hohe Temperaturdifferenzen (Kaltseitentemperaturen bis -70°C) erreichen, und haben relativ gute Wirkungsgrade.

Auswahl der Peltierelemente

Richtige Auswahl von Peltierelementen

Typenschlüssel:

UEPT-140-127-085C200S

1: Typ einstufiges Peltierelement

40: Abmessung 40x40mm

127: Anzahl der p/n-Thermoelemente

085: Maximale Stromstärke 8,5 Ampere

C: Fabrikationsschlüssel

200: Maximale Betriebstemperatur

S: Versiegelung mit Silikon

 

Basisdaten gültig für Tu=300K (27°C):

Qc-max: Maximale Wärmepumpleistung bei deltaT=0°C und Umax / Imax

deltaT-max: Maximale Temperaturdifferenz bei Umax / Imax sowie Qc=0 Watt

 

 

 

Leistungsdiagramm am Beispiel UEPT-140-127-085C200S

Heat Pumped vs Current neu

 

Aus dem Diagramm ist leicht zu entnehmen, dass die Kühlleistung Qc mit steigendem deltaT abnimmt. Außerdem ist das Verhältnis Qc und Strom in der ersten Hälfte fast linear, während in der zweiten Hälfte der Mehrertrag der Pumpleistung exponentiell abnimmt. Es handelt sich mathematisch um eine exponentielle Annährung an den Maximalwert.

Die gesamte Wärmemenge auf der Heißseite des Peltierelements ist die Summe aus der transportierten Wärme und der elektrischen Arbeitsenergie: Qh = Qc + Qel.

Heat Rejected vs Current neu

 

Bei der richtigen Auswahl des Peltierelements muss daher auch die Fähigkeit des Kühlkörpers zur Wärmeabgabe an die Umgebung in Betracht gezogen werden. Aus dem thermischen Widerstand des Kühlkörpers lässt sich somit ein deltaT ermitteln, das in die Rechnung für das gesamte deltaT zwischen den zwei Seiten des Peltierelements einfließt.

Ein zu hoch ausgewählter Betriebsstrom kann daher leicht zu einer Überforderung des Kühlkörpers führen. Der effektive Betrieb des Peltierelements ist daher in der ersten Hälfte des maximal möglichen Stroms zu finden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass ein großes deltaT bei Peltierelementen am ehesten mit kleinen Strömen bzw. Spanungsversorgungen zu erreichen ist. Einen hohen Wärmepumpstrom dagegen erreicht man beim Betrieb mit hohen Strom und Spannungswerten. Dies eignet sich für Anwendungen bei denen hohe Wärmemengen z.B. durch Pulsen von Laserdioden schnell abgeführt werden müssen.

Leistungsdiagramme Peltiertechnologie

Leistungsdiagramm Peltierelemente

Aus folgenden Diagrammen kann auf die Kühlleistung des Peltierelements bei verschiedenen Temperaturunterschieden geschlossen werden:

 Kuehlleistung
Spannung

Im Diagramm Kühlleistung vs. Strom ist zu erkennen, dass mit steigendem deltaT der Stromwert abnimmt. Aus dem Stromwert lässt sich im Diagramm der Kühlleistung das entsprechende Qc ermitteln. Der Maximalwert der Kühlleistung ist ebenfalls aus den Tabellen der Peltierelemente zu entnehmen.  
Das Diagramm Spannung vs. Strom zeigt den linearen Zusammenhang beider Werte. Die jeweiligen maximalen Werte können aus der Wertetabelle der Peltierelemente eingesetzt werden. In der Regel werden Peltierelemente bei 50-75% von Umax bzw. Imax betrieben.

Montage der Peltierelemente

Montage:

Üblicherweise werden die Elemente zwischen dem Kühlkörper und der Kühlplatte eingeklemmt. Um den thermischen Übergangswiderstand zwischen den unterschiedlichen Materialien zu senken dienen Interface-Materialien wie Wärmeleitpasten oder Wärmeleitfolien. Bei der Verwendung von Wärmeleitpaste ist darauf zu achten, dass die Trägerflüssigkeit ohne Silikon ist (Alterung durch Diffusion der Flüssigkeit und somit Verschlechterung der thermischen Eigenschaft).
Ein hoher Anpressdruck verbessert den Wärmeübergangswiderstand ebenfalls. In Abhängigkeit des Peltiermoduls wird ein Anpressdruck von 3-8 kg/cm² empfohlen. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass die Kraft gleichmäßig auf das Modul wirkt und somit keine Scherkraft auf das innere Halbleitermaterial ausgeübt wird.
Um sicherzustellen, dass nach dem Einbau das Peltierelement auf der richtigen Seite kalt wird, sollte auf die Lage der Anschlussposition geachtet werden. Beim richtigen Anschluss der Versorgungsspannung wird immer die Seite warm, auf der die Drähte angelötet sind.

1stagestandard01

Interface Materialien

Vergleich des thermischen Widerstands bei verschiedenen Interfacematerialien

thermischer Widerstand zum Flaechendruck neu

Das Diagramm zeigt eine deutliche Absenkung des thermischen Widerstands ab einen Flächendruck von 10-20 N/cm² bei allen Materialien

Bei der Montage der Peltierelemente ist darauf zu achten, dass nicht nur der thermische Durchgangswiderstand des Interfacematerials, sondern auch der Wärmeübergangswiderstand zwischen der Oberfläche des Peltierelements sowie dem Kontaktkörper in die Berechnung einfließen muss. Der gesamte thermische Widerstand ist demnach definiert:

Rth = Rth Interface Material + Rth Kontaktfläche 1 + Rth Kontaktfläche 2

Ein hoher Anpressdruck, eine geringe Rauhtiefe der Oberflächen sowie eine gute Anpassung des Interface Materials an die Oberflächenstruktur durch geringe Viskosität und Volumenausdehnung bei Überschreitung der Phasenänderungstemperatur verbessern den thermischen Widerstand. Der Hintergrund ist das notwendige Ausdrängen von Lufteinschlüssen.

Thermal gradient and Rth neu

Mögliche Interface Materialien:

1. Thermisch leitfähige Phase Change Material
Phase Change Materialien benetzen beim Weichwerden oberhalb der Phase Change Temperatur die unvermeidbaren Oberflächenrauhigkeiten und verdrängen damit Lufteinschlüsse aus den Mikroporen der Oberfläche. Dadurch, dass sich die Phase Change Materialien bei steigender Temperatur im Volumen ausdehnen, wird die Benetzung der Kontaktflächen zusätzlich verbessert. Konvexe und konkave Unebenheiten der Kontaktflächen und Toleranzen lassen sich außerdem sehr gut ausgleichen.

Oberflaeche neu

Durch die thixotropische Fließeigenschaft kann es zu keinem Auslaufen der Materialien kommen. Die Materialdicken sind prozesssicher gleichmäßig, wodurch die Materialien u.a. ein idealer Ersatz für Wärmeleitpasten sind.
Durch beidseitige Aufbringung von definierten Phase Change Beschichtungen auf Aluminiumträgern lässt sich der thermische Kontaktwiderstand bei geringem Druck auf ein Minimum reduzieren.

In der Ausführungsform als trocknende Compounds können die Oberflächen von Peltierelementen z.B. durch Schablonen- oder Siebdruck beschichtet und das Phase Change Material berührungstrocken vorappliziert werden.

Eigenschaften und Vorteile:

  • Sehr niedrige thermische Widerstände bis zu 0,2 K-cm2/W
  • Silikonfrei
  • Keine Austrocknung, Migration, Auslaufen
  • Prozesssichere gleichmäßige Dicke
  • Berührungstrockene Vorapplikation

2. Hoch thermisch leitfähige Gap-Filler

Nicht-dielektrische hoch wärmeleitfähige Gap-Filler erreichen extreme Wärmeleitfähigkeiten von 10 W/mK bis zu 50 W/mK. Durch ihre hohe Weichheit wird ein exzellenter thermischer Oberflächenkontakt erreicht und große mechanische Toleranzen lassen sich sehr gut ausgleichen.

Eigenschaften und Vorteile in aller Kürze:

  • Thermische Leitfähigkeiten von 10 W/mK bis zu 50 W/mK
  • Thermisch Widerstände unter 0,4 K-cm2/W
  • Dicke von 0,2 bis 2,0 mm
  • Sehr gute Oberflächenanpassung und thermischer Kontakt durch hohe Viskosität
  • Sehr guter Ausgleich von mechanischen Toleranzen

3. Grafitfolien

Grafitfolien bestehen über 98% aus reinem Grafit. Durch ihre innere Struktur weisen sie anisotrope Wärmeleitfähigkeiten in der Folienebene auf. Dadurch kann Wärme aus punktförmigen Wärmequellen, sogenannten Hot Spots über die Folien gespreizt und gerichtet weitergeleitet werden. Durch ihre Weichheit passen sie sich sehr gut an die Oberflächen an, wodurch der thermische Übergangswiderstand minimiert wird.

Eigenschaften und Vorteile:

  • Thermische Leitfähigkeiten bis zu 200 W/mK in der Ebene und 5 W/mK in z-Richtung
  • Sehr gute Wärmeableitung von Hot Spots
  • Thermische Widerstände unter 0,5 K-cm2/W
  • Geringer thermischer Übergangswiderstand
  • Sehr geringes Gewicht
  • Silikonfrei
  • Hohe Temperaturbeständigkeit über 300 °C
  • Keine Austrocknung, Migration, Auslaufen oder Auspumpen

5. Thermisch leitfähige Kleber

Die thermisch leitfähigen Klebesysteme sind als Silikon oder Acrylatkleber erhältlich. Die meist aus zwei Komponenten bestehenden Klebesysteme härten bei Raumtemperatur aus. Durch ihre sehr gut klebende thermische Kontaktierung und durch hohe Leitfähigkeiten bis zu 2,8 W/mK ist dieses Interface Material eine Alternative.

Die Klebelösungen eignen sich zur einfachen, wirkungsvollen und kostengünstigen thermischen Anbindung von Wärmsenken an Peltierelemente. Vor allem werden die Klebesysteme dort eingesetzt, wo Schraub oder Klemmverbindungen nicht möglich sind.

Eigenschaften und Vorteile:

  • Gute thermische Widerstände durch minimale thermische Kontaktwiderstände
  • Zuverlässige Dauerklebkraft auf unebenen oder schwierig zu behandelnden Oberflächen
  • Hoher Ausgleich mechanischer Toleranzen
  • Alternative zu mechanische Befestigungen wie Schrauben oder Klammern

Schutz gegen äußere Einflüsse

Schutz gegen Feuchtigkeit und Korrosion:

Beim Betrieb der Peltierelemente kann die Kaltseite leicht den Taupunkt der Luft unterschreiten. Im Dauerbetrieb kondensiert somit das Wasser aus der Luft. Diese Feuchtigkeit kann zu Korrosion der Kupferbrücken im Inneren des Peltierelements oder zu einem Kurzschluss führen. Auch stellt Wasser eine nicht gewollte wärmeleitende Verbindung zwischen den beiden Keramik-Platten dar.

Um die Peltierelemente vor Feuchtigkeit zu schützen, werden diese optional mit Silikon oder Epoxid abgedichtet. In den meisten Fällen wird Silikon verwendet, da sich das Material flexibler den häufigen Temperaturveränderungen anpassen kann.

Bei optischen Geräten besteht meistens die Vorgabe wegen der Möglichkeit der Ausgasung auf Materialien wie Silikon zu verzichten. In diesem Fall wäre Epoxid die bessere Wahl, so lange die maximale Einsatztemperatur am Peltierelement 80°C nicht überschreitet. Die nicht gewollte Wasseraufnahmefähigkeit der Epoxid-Versiegelung ist im Vergleich zu Silikon ebenfalls etwas geringer.

Silikon- und Epoxid-Dichtungen vermindern die Leistungsfähigkeit des Peltiermoduls aufgrund der Wärmerückkopplung um etwa 3-4%. Am Ende des Typenschlüssels steht ein „S“ für Silikon und ein „E“ für Epoxid-Versiegelung.

 

Beständigkeit gegenüber thermischen und mechanischen Einflüssen:

Thermoelektrische Module werden häufig in Systemen eingesetzt, bei denen Vibrationen oder Stöße vorkommen können.  Um die Einsetzbarkeit der Peltiermodule für diese Zwecke nachzuweisen, werden unterschiedliche Testverfahren angewandt. Für die hochqualitativen Module wird folgender Qualitätstest für die Temperaturbeständigkeit sowie Stoß- und Vibrationsfestigkeit durchgeführt:

Hochtemperatur-Einsatz: >30.000 Stunden bei 150°C

Tieftemperatur-Einsatz: >1.000 Stunden bei -40°C

>Thermischer Schock:

(I) 100°C (15 sec)/100°C (15 sec), 10 Zyklen
(II) 150°C (5 min)/-65°C (5 min)/ 150°C, 10 Zyklen
(III) MIL-STD-202, Method 107

Mechanischer Schock:

(I) 100G, 200G 2 6msec; 500G, 1000G @1 sec. 3-Achsen, 3 Schocks pro Achse
(II) MIL-STD-202, Method 213, Test Condition I

Vibration:

(I) 10/55/10 Hz,1 Minute Zyklus, 9.1G, 3-Achsen, 2 Stunden pro Achse
(II) MIL-STD-202, Method 204A, Test Condition B, 15G Peak

Anwendungsbeispiele

Peltierelemente werden in der Biomedizin in verschiedensten Instrumenten verwendet. Die Kühlung bzw. Temperierung von Reagenzien wäre hier als Beispiel zu nennen. Eine ebenfalls häufige Anwendung von Peltierelementen findet man in Thermocyclergeräten.

In der Dermatologie werden Peltierelemente bei der med. Behandlung von Tatoos oder der Haarentfernung verwendet um die gereizte Haut zu kühlen. Bei der Warm-Kalt-Therapie werden Peltierelemente eingesetzt um mit Hilfe von Manschetten am Körper Fettzellen zu zerstören.

Peltierelemente findet man in Haushaltsgeräten zum Beispiel in Kühlboxen. Der Vorteil besteht hierbei darin, dass kein Kompressor benötigt wird um die Box zu kühlen. Durch den fehlenden Kompressor sind Kühlboxen mit Peltierelemente wesentlich leichter und günstiger als mit Kompressor.

Im automotive Bereich setzen einige Firmen die Thermoelektrik bei der Temperierung von Autositzen ein. Aber auch in der Produktion werden Peltierelemente bei der richtigen Einstellung der Verarbeitungstemperaturen von Klebstoffen im Fertigungsprozess mit eingebunden.

Auch bei Labor-, Wissenschaftsinstrumente finden Peltierelemente eine Anwendung. In der Spektroskopie werden Laser zur Ermittlung bzw. Feststellung von Substanzen mittels Thermoelektrik konstant auf Temperatur gehalten. Dadurch wird verhindert dass sich durch Eigenerwärmung des Lasers das Frequenzspektrum verändert.

Die in der Astronomie benutzten Kameras mit CCD-Arrays sind hochsensible Sensoren, die bei zunehmender Temperatur anfangen ein Bildrauschen zu entwickeln. Eine konstante Einstellung der Temperatur ist deshalb sehr wichtig.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel findet sich in der Wasser und auch Gasanalyse. Um ein Normgerechtes Ergebnis zu garantieren muss die Umgebungstemperatur konstant auf 23°C gehalten werden. Hierfür sind unsere Peltierelemente bestens geeignet.

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