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Peltier-Element

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Definition: ein elektrothermisches Gerät, welches bei Zufuhr elektrischer Energie Wärme aufnehmen und abgeben kann

Englisch: Peltier element

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 07.11.2014; letzte Änderung: 22.02.2017

Ein Peltier-Element ist ein flach gebautes Gerät, welches auf einer Seite kühlt (Wärme aufnimmt) und auf der anderen Seite Wärme abgibt, wenn ihm elektrische Energie zugeführt wird. Es basiert auf dem Peltier-Effekt in Halbleitern (meist Bismuttellurid = Wismuttellurid), der quasi die Umkehrung des Seebeck-Effekts in einem thermoelektrischen Generator (TE-Generator) ist. In der Tat funktioniert ein TE-Generator auch als Peltier-Element, wenn eine geeignete elektrische Spannung an ihn angelegt wird. Ein Peltier-Element ist im Prinzip ebenso aufgebaut, nur für die jeweilige Anwendung unter Umständen ein wenig anders optimiert.

Peltier-Element

Abbildung 1: Aufbau eines Peltier-Elements. Die Schenkel aus n- bzw. p-dotiertem Halbleitermaterial werden von einem Strom durchflossen, der von einer äußeren Stromquelle erzwungen wird. Hierdurch wird Wärme auf der Unterseite aufgenommen und auf der Oberseite abgegeben, selbst wenn die Oberseite schon deutlich wärmer ist. Ohne Stromzufuhr würde Wärme in der umgekehrten Richtung fließen, d. h. von der heißen zur kalten Seite hin.

Nutzung der Kühlwirkung

In vielen Fällen nutzt man bei einem Peltier-Element die Kühlwirkung auf einer Seite. Diese ist umso stärker, je besser die Wärme von der anderen Seite abgeführt wird, d. h. je niedriger die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten ist. (Die gängigen Bismuttellurit-Elemente können maximal eine Temperaturdifferenz von ca. 70 K erreichen; für größere Temperaturdifferenzen kann man mehrstufige Elemente einsetzen, siehe unten.) Bei steigender Temperaturdifferenz nimmt die der kalten Seite entzogene Wärmeleistung mehr und mehr ab (wie auch sonst bei Kältemaschinen), und schließlich kehrt sich der Wärmefluss sogar um.

Wegen des elektrischen Widerstands im Gerät erzeugt der Stromfluss auch Wärme, die für den Einsatz zur Kühlung natürlich nachteilig ist. Da diese Wärmeleistung mit dem Quadrat der Stromstärke zunimmt, d. h. schneller als die intrinsische Kühlleistung, nimmt die effektive Kühlleistung bei zu hohen Stromstärken sogar wieder ab. Es gibt also eine optimale Stromstärke, die die maximale Kühlleistung für eine gegebene Temperaturdifferenz ergibt. Die maximale Kälteleistungszahl (Verhältnis von Kälteleistung und benötigter elektrischer Leistung) ist allerdings bei niedrigeren Stromstärken höher, vor allem wenn die Temperaturdifferenz klein ist.

Kälteleistung eines Peltier-Elements

Abbildung 2: Kälteleistung eines einstufigen Peltier-Elements in Abhängigkeit von der Stromstärke für verschiedene Temperaturdifferenzen zwischen warmer und kalter Seite. Bei zu geringen Stromstärken wird die Kälteleistung negativ, will die unerwünschte Wärmeleitung von der warmen zur kalten Seite überwiegt. Bei zu hohen Stromstärken sinkt die Kälteleistung, weil der Strom das Element über seinen elektrischen Widerstand heizt.

Abbildung 1 zeigt, wie die Kälteleistung von der Stromstärke abhängt. Man beachte, dass die nötige elektrische Spannung etwa proportional zur Stromstärke ist, die benötigte elektrische Leistung also mit dem Quadrat der Stromstärke ansteigt.

Vergleich mit Kompressionskältemaschinen

Ein Peltier-Element kann als eine Kältemaschine angesehen werden. Im Gegensatz zu einer Kompressions-Kältemaschine enthält es aber keine beweglichen Teile, ebenfalls keine Flüssigkeiten und Gase, und arbeitet lautlos und praktisch verschleißfrei. Zudem kann man Peltier-Elemente auch in sehr niedrigen Leistungsbereichen (wenige Watt) einsetzen, wo ein herkömmliches Kälteaggregat viel zu groß und teuer wäre.

Die Leistungszahl eines Peltier-Elements ist allerdings nur ein Bruchteil derjenigen einer klassischen Kältemaschine – je nach Modell und Temperaturdifferenz im Betrieb nur zum Beispiel zwischen 0,1 und 0,2, während Kompressions-Kältemaschinen häufig Werte über 3 erreichen. (Peltier-Elemente können zwar auch Leistungszahlen von 2 oder 3 erreichen, aber nur bei sehr niedrigen Temperaturdifferenzen und gleichzeitig sehr niedrigem Betriebsstrom, wo die Kälteleistung sehr klein ist.) Außerdem steigen die Herstellungskosten mit der Leistung sehr viel schneller an als bei einem herkömmlichen Kälteaggregat.

Aus diesen Gründen werden Peltier-Elemente zur Kühlung hauptsächlich dann eingesetzt (siehe unten), wenn es um recht geringe Kälteleistungen geht.

Typische Abmessungen und Leistungen

Meistens haben Peltier-Elemente eine rechteckige Form mit Kantenlängen von einigen Zentimetern und eine Dicke von einigen Millimetern. Sie können meist Kälteleistungen zwischen einigen Watt und mehreren Dutzend Watt erbringen, wenn sie mit elektrischen Stromstärken zwischen einigen Ampere und einigen Dutzend Ampere betrieben werden. Die elektrische Spannung im Betrieb liegt häufig in der Größenordnung von 10 bis 20 V.

Beispielsweise könnte ein Element mit einer Fläche von 3 cm · 3 cm = 9 cm2 und einer Höhe von 5 mm mit maximal 2 A bei 15 V betrieben werden, also mit 30 W elektrischer Leistung. Es würde dann ca. 15 bis 20 W Kühlleistung bei verschwindender Temperaturdifferenz liefern, bei 30 K Temperaturdifferenz dagegen nur noch wenige Watt. Die Heizleistung (bzw. abzuführende Leistung) dagegen läge deutlich über 30 W. Es gibt auch Hochleistungselemente, die auf gleicher Fläche deutlich mehr Leistung durchsetzen können.

Für größere Kühlleistungen können natürlich auch mehrere nebeneinander angebrachte Elemente dienen; durch diesen modularen Ansatz ist praktisch eine beliebige Skalierung der Leistung möglich. Allerdings steigen die Kosten damit auch in etwa proportional zur Leistung.

Mehrstufige Elemente können eingesetzt werden, um größere Temperaturdifferenzen zu erzielen, beispielsweise um auf recht tiefe Temperaturen zu kühlen. Hier werden mehrere (z. B. 2 oder 4) einstufige Elemente aufeinander montiert und elektrisch in Reihe oder auch parallel geschaltet. Bei manchen Bauformen ist das unterste Element das größte, und die darauf liegenden werden zunehmend kleiner. Das liegt daran, dass die abzuführende thermische Leistung zur warmen Seite hin immer größer wird.

Spezial-Elemente z. B. mit der Form eines Rings sind ebenfalls verfügbar. Andere haben einen integrierten Temperatursensor, vor allem zum Einsatz für eine thermostatische Temperaturstabilisierung oder auch zur Überwachung zwecks Vermeidung von Überhitzung. Manche Peltier-Elemente sind außen offen und dürfen deswegen nur in trockener Umgebung verwendet werden, während andere am Rand versiegelt sind, um das Eindringen z. B. von Feuchtigkeit zu verhindern.

Heizwirkung

Auch die Heizwirkung eines Peltier-Elements kann ausgenutzt werden. Diese ist um die elektrische Aufnahmeleistung höher als die Kälteleistung und somit typischerweise um ein mehrfaches höher als diese. In dieser Betriebsart arbeitet das Element praktisch als eine Wärmepumpe. Gegenüber einer Kompressionswärmepumpe weist es die gleichen Vorteile auf, die oben beim Einsatz als Kältemaschine genannt wurden, hat aber wiederum eine sehr viel niedrigere Energieeffizienz: Die Leistungszahl liegt bei nur z. B. 1,1 oder 1,2. Die Wärmeausbeute ist also nicht dramatisch höher als bei einem einfachen Elektroheizstab. Deswegen ist diese Anwendung nicht sehr häufig.

Anwendungen von Peltier-Elementen

Die wichtigsten Anwendungen basieren auf der Kühlwirkung. Beispielsweise nutzt man diese aus in kleinen tragbaren Kühlboxen, aber auch zur Kühlung oder thermostatischen Temperaturstabilisierung bestimmter Bauelemente wie beispielsweise Sensorchips von Infrarotkameras, Empfängerchips von besonders empfindlichen Satellitenempfängern oder Laserdioden. Hierbei wird häufig die Stromstärke automatisch geregelt, um ein Bauteil auf einer konstanten Temperatur zu halten (→ Thermostat). Manchmal wird auch ausgenutzt, dass durch Umkehr der Stromrichtung auch eine Heizwirkung statt der Kühlwirkung erzielt werden kann. Dadurch eignen sich Peltier-Elemente auch dazu, die Temperatur eines Bauteils auf einem Wert nahe der Umgebungstemperatur zu halten.

Siehe auch: thermoelektrischer Generator, Kältemaschine, Wärmepumpe
sowie andere Artikel in der Kategorie Wärme und Kälte

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