Peltierelement

Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler, welcher basierend auf dem Peltier-Effekt (nach Jean Peltier (1785–1845)) bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss erzeugt. Eine übliche Abkürzung für Peltier-Elemente und Peltier-Kühler ist TEC (engl. thermoelectric cooler).

Prinzip, Grundlagen

Grundlage für den Peltier-Effekt ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau (entweder p- oder n-leitend) der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinanderliegende Kontaktstellen dieser Materialien, so muss auf der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden, damit das Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt, folglich kommt es zur Abkühlung. Auf der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird.

Der Effekt tritt auch bei Metallen auf, ist hier jedoch sehr gering und wird fast vollständig durch die Stromwärme und die hohe Wärmeleitfähigkeit überlagert.

Schematische Zeichnung eines Peltier-Elements

Ein Peltier-Element besteht aus zwei oder mehreren kleinen Quadern je aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial (Bismut-Tellurid, Bi₂Te₃, Silizium-Germanium), die abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und sind durch eine aufliegende Folie oder eine Keramikplatte isoliert. Immer zwei unterschiedliche Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Der zugeführte elektrische Strom durchfließt alle Quader nacheinander. Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlen sich die oberen Verbindungsstellen ab, während die unteren sich erwärmen. Der Strom pumpt somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten.

Die gebräuchlichste Form von Peltier-Elementen besteht aus zwei meist quadratischen Platten aus Al₂O₃-Keramik (Aluminiumoxid) mit einer Kantenlänge von 20 mm bis 90 mm und einem Abstand von 3 mm bis 5 mm, zwischen denen die Halbleiter-Quader eingelötet sind. Die Keramikflächen sind hierzu an ihren zugewandten Flächen mit lötbaren Metallflächen versehen.

Kühlt man die warme Seite z. B. mittels eines aufgesetzten Kühlkörpers mit Ventilator, so wird die kühlende Seite noch kälter. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten kann, je nach Element und Strom, bei einstufigen Elementen bis ca. 69 Kelvin betragen.

Die Umkehrung des Peltier-Effekts ist der Seebeck-Effekt. So ist es möglich durch Herstellen einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten eines Peltier-Elements elektrischen Strom zu erzeugen (Seebeck-Effekt, Thermoelektrischer Generator).

Peltier-Element im Betrieb, die Oberseite hat −8 °C und zeigt Eisansatz

Vor- und Nachteile

Die größten Vorteile eines Peltier-Elements sind die geringe Größe, die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile, Gase und Flüssigkeiten; eine Kältemaschine benötigt dagegen immer ein Kältemittel und in den meisten Fällen einen Kompressor.

Durch Umkehr der Stromrichtung ist mit Peltier-Elementen sowohl Kühlen als auch Heizen möglich. Damit kann eine Thermostatierung von Bauteilen erreicht werden, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb oder auch unterhalb der Solltemperatur liegt.

Ein Nachteil der Peltier-Elemente ist der niedrige Wirkungsgrad, welcher zu hoher elektrischer Leistungsaufnahme bei vergleichsweise geringer Kühlleistung bzw. Temperaturdifferenz führt. Ferner sind Elemente über einer Größe von 60 mm × 60 mm kaum erhältlich. Trotzdem sind Peltier-Elemente für viele Anwendungen brauchbar, da ohne weiteres Temperaturen unter 0 °C erreicht werden können.

Verwendung

Peltier-Element, dessen Oberseite bei einer Temperatur von –6 °C Reif-Ansatz zeigt

Peltier-Element mit Eis, eingefrorenen Schrauben und einer Münze zum Größenvergleich

Peltier-Elemente können überall dort eingesetzt werden, wo Kühlung mit geringer Temperaturdifferenz oder ohne Anforderungen an die Effizienz erforderlich ist. Peltier-Elemente werden beispielsweise in Kühlboxen eingesetzt, wo sich der Einsatz einer Kältemaschine aus Platzgründen verbietet oder nicht rentabel wäre, weil die benötigte Kühlleistung gering ist.

Außerdem werden Peltier-Elemente verwendet, um CCD-Chips in digitalen Fotokameras zu kühlen. Dadurch verringert sich bei langen Belichtungszeiten (z. B. in der Astrofotografie) das Bildrauschen deutlich. Mehrstufige Peltier-Elemente werden zur Kühlung von Strahlungsempfängern in Infrarotsensoren verwendet.

Zunehmend finden Peltier-Elemente auch Eingang in unterschiedlichsten Labor-Messgeräten, bei denen die Temperatur ein wesentlicher Parameter ist, wie beispielsweise in Viskosimetern, Rheometern oder Refraktometern.

In Taupunktspiegelhygrometern kühlen üblicherweise ein oder mehrere hintereinander geschaltete Peltier-Elemente den Spiegel auf bis zu −100 °C ab. Hier macht man sich zunutze, dass man die Kühlleistung von Peltier-Elementen schnell elektrisch regeln kann.

Auch Diodenlaser werden oft mit Peltier-Elementen gekühlt und thermostatiert, d. h. auf konstanter Temperatur gehalten, um deren Emissionswellenlänge und/oder Wirkungsgrad konstant zu halten. Auch nachgeschaltete optische Elemente von Dioden- und anderen Lasern werden oft mit Peltier-Elementen thermostatiert.
Peltier-Elemente können hier sowohl zur Kühlung als auch – bei Stromrichtungsumkehr – zum Heizen verwendet werden.

Ebenso werden Peltier-Elemente vereinzelt als Bestandteile von CPU-Kühlern eingesetzt. Das Peltier-Element erlaubt es hier, die CPU auf Temperaturen unterhalb der Gehäuseinnentemperatur abzukühlen, was entweder die Übertaktung der CPU ohne Einbußen an Stabilität erlaubt, oder aber die Lebensdauer des Prozessors erhöht. Das Element wird dabei am Boden eines Kühlkörpers mit Lüfter verbaut und vom Netzteil mit dem erforderlichen Strom versorgt. Bis dato haben sich solche Lösungen aber aufgrund ihres zusätzlichen Energieverbrauchs (die eingesetzte elektrische Energie wird als Abwärme in das Gehäuseinnere abgegeben!) nicht durchgesetzt, könnten aber in naher Zukunft für hochgezüchtete Prozessoren (z. B. Intel Core i7) mit thermischen Verlustleistungen von 150 Watt und mehr wieder interessant werden.

Photodioden, z. B. zum Auslesen von Szintillatoren, lassen sich auf Grund ihrer geringen Fläche mit Peltier-Elementen kühlen, damit lässt sich das Rauschen und deren Dunkelstrom drastisch verringern.

Die in der Molekularbiologie heute zur Grundausstattung gehörenden Thermocycler verwenden Peltier-Elemente, um Proben schnell zu erwärmen und abzukühlen, was zum Beispiel bei der Polymerase-Kettenreaktion notwendig ist.

Sat-DXler können durch das Abkühlen ihres zwischen zwei Peltier-Elemente gepackten LNB das Signal-Rausch-Verhältnis relativ preiswert verbessern. Auf diese Weise kann man auch mit einer etwas zu kleinen Satellitenschüssel Fernsehprogramme außerhalb der eigentlichen Ausleuchtzone empfangen.

Weblinks

• www.quick-cool.de: pdf-Dateien mit Erläuterungen
• www.telemeter.info: pdf-Dateien mit technischen Unterlagen
• www.siteware.ch/peltier: Anschauliche Erklärung der thermoelektrischen Effekte
• Anwendungsbeispiel eines Peltier-Elements zur CPU-Kühlung