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Peltiertechnik
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Peltierelemente
Allgemein
Peltierelemente sind Halbleiterbausteine die zum Kühlen im unteren Leistungsbereich von einigen Milliwatt (mW) bis zu mehreren Hundert Watt eingesetzt werden. Peltierelemente arbeiten wie Wärmepumpen, d.h. es wird keine Kälte erzeugt, sondern vielmehr wird Wärme von der so genannten „Kaltseite“ des Peltierelementes hin zur warmen Seite gepumpt.
Aufbau
Ein Peltierelement besteht aus zwei im Abstand von einigen Millimetern parallel zueinander liegenden Keramikplättchen. Senkrecht stehend zwischen diesen beiden Keramikplättchen sind zwei oder bis zu etwa 130 Metallstäbchen aus Wismut-Tellur Halbleitermaterial angeordnet. Diese Metallstäbchen sind so ausgerichtet, dass jeweils das „kalte Ende“ in dieselbe Richtung zeigt. Übliche Bezeichnungen für die Peltierelemente sind auch Namen wie „TEC`s“, (Thermo-Electric-Coolers), Peltierchips, Batteries oder Kühlbausteine.
Die Peltierelemente können i.d.R. nicht in dem Zustand in dem sie geliefert werden, betrieben werden. Zum Betrieb ist auf der warmen Seite des Peltierelementes immer eine Wärmesenke (Kühlkörper) notwendig.
Funktion
Anfang des 19. Jahrhunderts wurde von dem französischen Wissenschaftler Jean Charles Peltier bei Versuchen folgender Effekt festgestellt. Wenn man die beiden Enden eines Metalles in Kontakt mit einem anderen Metall bringt und zugleich durch diese einfache Anordnung einen Gleichstrom schickt, dann erwärmt sich eine der Kontaktstellen, während sich die andere Kontaktstelle abkühlt. Dieser Effekt wurde fortan als Peltiereffekt bezeichnet.
Wenn man nun mehrere dieser kalten Kontaktstellen in einer Richtung anordnet, kann man die „Kälteleistung“ einer Kontaktstelle vervielfachen.
Peltier-Kühlgeräte
Peltier-Kühlgeräte sind in ihrem „Inneren“ mit einem oder mit mehreren Peltierelementen ausgestattet.
Die Peltier-Kühlgeräte sind auf ihrer warmen Seite bereits mit einem Kühlkörper und einem Lüfter ausgestattet, und sind somit direkt betriebsbereit an Gleichspannung (keine Funktion an Wechselspannung) von 12, 24 oder gar 48 VDC.
Bei den Peltier-Kühlgeräten wird die Kälte meistens über eine entsprechend dimensionierte Aluminiumplatte angeboten. Hierbei spricht man von einer Kontaktkühlung. Darüber hinaus kann die Kaltseite auch so gestaltet sein, dass damit flüssige oder gasförmige Medien gekühlt werden können.
Die dritte Variante hat auf der Kaltseite einen Kühlkörper mit angebautem Lüfter. Damit werden überwiegend kleinere Elektronikgehäuse und Transportbehälter gekühlt bzw. temperiert.
Im Bedarfsfall wird das Peltier-Kühlgerät auch zum Heizen eingesetzt. Dieser Umstand ist ein großer Vorteil verglichen mit anderen Kühlmöglichkeiten. Weiterhin ist die Tatsache, dass Peltier-Kühlgeräte lageunabhängig und ohne Kühlmittel betrieben werden können für manche Anwendungen von hoher Wichtigkeit.
Thermogeneratoren
Seit einigen Jahren werden Peltierelemente auch vermehrt als Thermogeneratoren eingesetzt. D.h., wenn die Kontaktstellen wie bei Peltierelementen beschrieben, unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden, dann entsteht zwischen diesen Kontaktstellen eine elektrische Spannung. Dieser Effekt wurde von dem deutschen Arzt und Physiker Johann Seebeck Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt und ging als Seebeck-Effekt in die Lehrbücher ein.
Diese Spannung kann in der Praxis genutzt werden um kleine und kleinste elektrische und elektronische Produkte zu betreiben.
Auf die Anwendung mit Peltierelementen bezogen wird hierbei durch einen Temperaturunterschied zwischen der kalten und der warmen Seite des Peltierelementes eine elektrische Spannung erzeugt.
D.h., eine Seite des Peltierelementes wird zum Beispiel einer Temperatur von +100°C ausgesetzt, und die andere Seite wird meistens unter Zuhilfenahme eines Kühlkörpers auf der Umgebungstemperatur von z.B. +25°C gehalten. Bedingt durch diese Temperaturdifferenz von ca. 75 K, kann an den Anschlusslitzen des Peltierelementes eine geringe elektrische Spannung abgenommen werden.
Mittlerweile werden bereits serienreife Produkte wie Miniatursensoren angeboten. Das Peltierelement wird auf der einen Seite z.B. der menschlichen Körpertemperatur von etwa +37°C ausgesetzt, die andere Seite sieht die Temperatur der Umgebung, die i.d.R. deutlich unterhalb der 37°C liegt. Diese Temperaturdifferenz reicht oftmals aus, um die elektrische Leistung zum Betrieb von Miniatursensoren oder Kleinstsendern zu erhalten.
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Abmessungen:
4 x 4 mm bis 62 x 62 mm
Pumpleistung:
0,5 W bis ca. 300 W
Betriebsspannung:
0,9 VDC bis 55 VDC
Delta T:
bis 110 K
Feuchtraumeignung:
mit Silikonverguss oder Epoxidharzverguss
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