Peltier-Elemente. Technische Informationen / Montage-Empfehlungen

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1 Peltier-Elemente Technische Informationen / Montage-Empfehlungen

2 Inhaltsverzeichnis 1 Höhe der Peltier-Elemente Zuverlässigkeit der Peltier-Elemente Mechanische Eigenschaften Anschluss-Drähte Metallisierung Feuchtigkeitsschutz Montage-Instruktionen Montage von metallisierten Elementen Elektrischer Anschluss Überlegungen zur Speisung Überlegungen zur Speisespannung Höhe der Peltier-Elemente Die Höhe der Peltier-Elemente ist aus dem Produkte-Katalog ersichtlich. Die Toleranz beträgt wenn nicht anders spezifiziert ± 0.15 mm. Innerhalb eines Produktionsloses beträgt die Toleranz ± 0.05 mm. Die Parallelität beträgt 0.05mm. Wenn mehrere Peltier-Elemente in einer Kühleinheit eingesetzt werden, müssen die Toleranzen enger sein: Höhe ± mm, Parallelität 0.03 mm. Auf Wunsch sind Höhentoleranz ± 15 µm und Parallelität 15 µm erhältlich. Auf Kundenwunsch können auch Peltier-Elemente mit andern Höhen, als im Katalog angegeben, produziert werden. Innerhalb eines Produktionsloses beträgt die Standard Höhen-Toleranz bei metallisierten Miniatur-Elementen ± 0.15 µm, die Standard-Parallelität 0.15 mm. 2 Zuverlässigkeit der Peltier-Elemente Die Zuverlässigkeit ist ein Hauptkriterium bei der Auswahl von Peltier-Elementen. Die Peltier- Elemente gelten konstruktionsbedingt als sehr zuverlässig. Trotz der grossen Produktions- Erfahrung von Kryotherm können bei unsachgemässer Behandlung folgende Fehler auftreten: Mechanischer Defekt infolge falscher Montage und falschem Betrieb. Überhitzung wegen schlechtem Wärmeübergang auf der Heissseite. Überhitzung des Peltier-Elementes wegen ungenügender Wärmeableitung (Kühlkörper) auf der heissen Seite oder zu grossem Strom. Schnelle oder grosse Temperatur-Änderungen auf der Heiss- und / oder Kalt-Seite Eine allgemeine Anleitung zur richtigen Montage von Kryotherm Peltier-Elementen finden Sie unten. Wir empfehlen Ihnen, die Anleitung genau zu lesen, besonders, wenn Sie das erste Mal mit Peltier-Elementen arbeiten. Wenn Sie das optimale Peltier-Element für Ihre Anwendung aussuchen, beachten Sie die Temperatur auf der heissen Seite. Sie dürfen die in den Spezifikationen festgehaltene maximale Temperatur auf keinen Fall überschreiten. Eine Überschreitung der Maximaltemperatur führt zu einem Leistungsabbau oder sogar zu einem Ausfall. Die Standard Peltier-Elemente von Kryotherm dürfen bei maximal 80 C betrieben Instruktion_d.doc Seite 2 von 6 V1.0

3 werden. Weitere Temperaturbereiche wie 120 C, 180 C und 200 C sind auf Anfrage erhältlich. Elemente mit der Temperaturlimite > 80 C haben den Index HT in der Bezeichnung. Kryotherm hat spezielle Peltier-Elemente entwickelt, die den temperaturbedingten mechanischen Beanspruchungen im zyklischen Betrieb standhalten. Diese Elemente finden Anwendung in medizinischen Diagnosegeräten und Testgeräten für elektronische Komponenten. Verglichen mit herkömmlichen Peltier-Elementen halten diese mehr Zyklen aus unter gleichen Bedingungen. Die MTBF (Mean Time Between Failures) für Peltier-Elemente von Kryotherm beträgt bei Raumtemperatur Stunden. Wir empfehlen bei der Entwicklung von Peltier- Anwendungen darauf zu achten, dass die Temperatur auf der heissen Seite durch konstruktive Massnahmen möglichst tief gehalten werden kann. 3 Mechanische Eigenschaften Die Peltier-Elemente werden nach strengen Produktionsrichtlinien gefertigt. Diese stellen sicher, dass die Elemente die folgenden Konditionen ohne Schaden überstehen: Sinus-Schwingung, 55 Hertz, maximale Beschleunigung 20 m/s 2 (2G) Wiederholter mechanischer Schock, maximaler Beschleunigung 150 m/s 2 (15G), 2 6 ms Stoss Einzelner mechanischer Schock, maximale Beschleunigung 200 m/s 2 (20G) 2 4 ms Stoss 205 kg Scherspannung, 315 kg Druck (für Elemente mit 40 x 40 mm) 4 Anschluss-Drähte Kryotherm liefert die Peltier-Elemente mit Anschlusslitzen, um die Verdrahtung zu vereinfachen. Ader-Durchmesser und -Länge können vom Kunden bestimmt werden. Die minimale Länge beträgt 20 mm. Die Standard-Toleranz der Länge der abisolierten und verzinnten Enden beträgt ± 1 mm. Kryotherms Standard Längen-Toleranz beträgt ±2 %. Die Lötstellen am Peltier-Element sind mit Schrumpfschlauch isoliert. Wenn Sie die Anschlusslitzen selber anlöten, achten Sie darauf, dass Sie Bi-Sn-Lot mit 139 C Schmelztemperatur für Standard Peltier-Elemente (80 C Betriebstemperatur) und Pb-Sn Lot mit 183 C und 232 C Schmelzpunkt für Hochtemperatur-Elemente (120 C, 150 C und 200 C Betriebstemperatur) verwenden. 5 Metallisierung Kryotherm liefert auf Wunsch metallisierte Peltier-Elemente. Diese sind nicht geläppt. Sie werden auf die Kühlkörper oder Wärmetauscher gelötet. Die metallisierte Oberfläche der Keramikplatten können bei 95 C gelötet werden. Für Standard-Elemente (80 C) ist auf Wunsch auch die einer Metallisierung für 117 C Löttemperatur erhältlich. Hochtemperatur- Elemente sind mit Metallisierung für 139 C Löttemperatur erhältlich. Für Anwendungen in der Telekommunikations-Industrie wurden goldbeschichtete Elemente entwickelt. Sie kommen ohne Flussmittel aus. Instruktion_d.doc Seite 3 von 6 V1.0

4 6 Feuchtigkeitsschutz Für den Schutz vor Feuchtigkeit oder Kondenswasser empfiehlt Kryotherm das Abdichten der Elemente mit Silikon oder Epoxid. Die heutigen Dichtmassen halten den abdichtungsbedingten Wärmeverlust zwischen der heissen und der kalten Seite auf einem Minimum. Die Reduktion vom T max beträgt ca C. Wir empfehlen, die Abdichtung nicht selber auszuführen, weil dies zu unerwarteten Fehlern führen kann. Für vom Kunden abgedichtete Peltier-Elemente übernimmt Kryotherm keine Garantie bezüglich Leistung und Ausfall. 7 Montage-Instruktionen Bitte beachten Sie die folgende Anleitung bei der Montage von Peltier-Elementen, mit polierten Flächen, mit Kühlkörpern und Kälteplatten. Die Anleitung gilt sinngemäss bei andern Anordnungen ebenfalls. 1. Die Oberfläche des Kühlkörpers oder der Kälteplatte, im Bereich wo das Peltier-Element montiert wird, muss eine Unebenheit < 25 µm haben. Um Verbiegungen zu verhindern, sollten die Schrauben möglichst nahe am Peltier-Element positioniert sein. Die Schrauben sollten in der gleichen Linie verlaufen wie die Kühlrippen. 2. Tragen Sie eine dünne Schicht Wärmeleitpaste auf den Kühlkörper und das Peltier- Element auf. 3. Setzen Sie das Peltier-Element mit der heissen Seite auf den Kühlkörper und bewegen Sie es, damit die überschüssige Wärmeleitpaste verdrängt wird, bis Sie einen Widerstand spüren. Entfernen Sie die überflüssige Wärmeleitpaste. 4. Wiederholen Sie die Schritte 2 3 mit der kalten Seite des Peltier-Elements. Beachten Sie, dass Sie behutsam auf das Peltier-Element drücken. 5. Verschrauben Sie den Kühlkörper mit der Kälteplatte. Verwenden Sie isolierende Unterlagsscheiben. Seien Sie vorsichtig beim Anziehen der Schrauben. Ziehen Sie die Schrauben in mehreren Schritten an. Wenn Sie mehrere Peltier-Elemente montieren, beginnen Sie mit der Mittelschraube. Ziehen Sie die Schrauben leicht an und kontrollieren Sie die Auflage des Peltier-Elements auf dem Kühlkörper und der Kälteplatte. Wiederholen Sie diesen Vorgang bis Sie das nötige Anzugsmoment erreicht haben. Der empfohlene Auflagedruck von Kryotherm Peltier-Elementen beträgt wie folgt: Peltier-Element P m Miniature TEM s 2-6 kg/cm 2 Standard single stage TEM s 5-12 kg/cm 2 High performance single stage TEM s 8-12 kg/cm 2 Multistage TEM s 3-10 kg/cm 2 Zur Bestimmung des benötigten Drehmoments verwenden Sie bitte folgende Formel: T= ((Pm *S) / N) * K * d T P m S N K D Drehmoment der Schraube Montage-Druck Fläche der Peltier-Elemente Anzahl Schrauben Reibungskoeffizient (z. B. K=0.2 für Stahl; K=0.15 für Nylon) Nenndurchmesser der Schrauben Instruktion_d.doc Seite 4 von 6 V1.0

5 8 Montage von metallisierten Elementen 1. Polieren oder schleifen Sie die Oberfläche des Kühlkörpers auf der Auflagefläche bis Sie eine Unebenheit von < ±25 µm erreicht haben. Entfetten Sie die Oberfläche 2. Die Oberfläche des Kühlkörpers muss zum Löten vorbereitet sein. Der Kühlkörper sollte aus Kupfer/Nickel bestehen oder mit geeignetem Material überzogen sein. Vorverzinnen Sie den Kühlkörper auf der Montagefläche mit geeignetem Lot. (Beachten Sie die Spezifikationen der Peltier-Elemente). Tragen Sie nun Flussmittel auf. 3. Entfetten Sie die Oberfläche des Peltier-Elementes, und bestreichen Sie dieses mit einer dünnen Schicht des Flussmittels. Heizen Sie die Montagefläche des Kühlkörpers auf, bis die Temperatur 5 10 C über dem Schmelzpunkt des Lotes liegt. Positionieren Sie das Peltier-Element. Warten Sie kurz bis das Lot geschmolzen ist und das Flussmittel verdampft. Das Peltier-Element wird nun auf dem Lot schwimmen. Zum Abkühlen wird empfohlen, einen kleinen Luftstrom zu erzeugen, damit der Kühlkörper schneller abkühlt. 4. Warten Sie bis der Kühlkörper vollständig abgekühlt ist und die Lötstelle hart ist. Wenn Sie mehrere metallisierte Peltier-Elemente montieren müssen, sollten Sie die Peltier- Elemente auf eine Platte montieren. Diese muss die richtige Grösse haben und parallel sein. Damit wird das Auflöten auf dem Kühlkörper erleichtert. 9 Elektrischer Anschluss Zur Bestimmung der Anschlüsse legen Sie das Peltier-Element mit den Anschlüssen nach unten ab. Auf der rechten Seite ist der + -Anschluss (ev. rot), auf der linken Seite der - - Anschluss (ev. schwarz). Speist man das Peltier-Element mit einer DC-Quelle, wird die untere Seite heiss und die obere Seite kalt. Bei abgedichteten Elementen ist die Anschluss-Seite schwierig zu bestimmen. Anhand der Ader-Farben können Sie die beiden Anschlüsse bestimmen. Rot ist + und schwarz -, wenn nicht anders spezifiziert. Das Peltier-Element sollte den Anschlüssen entsprechend an die Stromversorgung angeschlossen werden Rot auf + und schwarz auf -. Einstufige Peltier-Elemente sind stromreversibel. D. h. Sie dürfen die Polarität ändern. Der Kältefluss ändert dann ebenfalls seine Richtung. Wenn der Strom nicht in der vorgesehenen Richtung fliesst, wird die Seite mit den Anschlüssen kalt. Über die Anschlussdrähte geht Kälte verloren. Dies sollten Sie beachten. 10 Überlegungen zur Speisung Die Peltier-Elemente benötigen eine DC-Speisung. Wir empfehlen den maximalen Rippel auf 10% zu reduzieren, vorzugsweise auf 5% für einen optimalen Betrieb. Bei Multistage-Peltier-Elementen muss der Rippel kleiner 2 % sein, um einen optimalen Betrieb zu erreichen (hohe Temperaturdifferenz). Auch in Anwendungen, wo Präzisions- Empfänger und Paramagnetische Komponenten verwendet werden, muss man den Rippel möglichst klein halten. Der Einsatz von einstellbaren DC-Versorgungen ermöglicht eine genaue Temperatur- Regelung von +/-1 C. Wenn eine genaue Temperatur verlangt ist, muss ein Temperatursen- Instruktion_d.doc Seite 5 von 6 V1.0

6 sor eingesetzt und ein Regler aufgebaut werden. Mit solchen System wird eine Temperaturgenauigkeit von C erreicht, je nach Typ des Temperatursensors und des Reglers. Speisegeräte mit PWM (Pulsbreitenmodulation) sind sehr verbreitet in Peltier-Anwendungen. Die maximale Modulationsfrequenz sollte auf 0.5Hz begrenzt werden wegen der relativen Trägheit der thermischen Vorgänge gegenüber den elektrischen. Wird Hochfrequenz-PWM eingesetzt (1 100 khz), verwenden Sie einen passenden Kondensator, um die Oberwellen zu reduzieren. 11 Überlegungen zur Speisespannung Die maximal benötigte Kühlleistung und die geforderte Effizient bestimmen die anzulegende Spannung am Peltier-Element. Die in den Spezifikationen (Datenblatt) gegebene maximale Spannung (U max ) sollte nicht überschritten werden. Die hocheffizienten Elemente der FROST-, SNOWBALL- und ICE-Serien mit U max von ca. 16V sollten mit 12 V betrieben werden. Dies entspricht ca. 75% von U max. Mit dieser Einstellung erreichen Sie eine grosse Kühlleistung (Q c ) und einen guten Wirkungsgrad. Die Leistungszahl COP (coefficient of performance) gibt den Wirkungsgrad des Peltier-Elements wieder und ist definiert als Kühlleistung (Q c ) dividiert durch die aufgewendete elektrische Leistung (P). Wird bei hocheffizienten Elementen von Kryotherm die Spannung über 12 V erhöht, ist die Zunahme der Kühlleistung gering und der Wirkungsgrad fällt stark ab. Um in einem Kühlsystem, das bei kleiner Temperaturdifferenz arbeitet ( T << T max ), einen guten COP zu erreichen, empfehlen wir mehrere Peltier-Elemente zu verwenden und diese mit nur 6 bis 9 V zu speisen. Muss die Kühlleistung von FROST-, SNOWBALL- oder ICE- Elementen erhöht werden, muss man die Spannung auf über 12 V erhöhen. Dies führt auf der heissen Seite zu einer hohen Verlustleistung, die effizient abgeführt werden muss. Das Prinzip, die Peltier-Elemente bei 75% von ihrem U max zu betreiben, funktioniert bei allen Peltier-Elementen, obwohl U max sehr unterschiedlich ist. Das Kühlen der heissen Seite und die Charakteristik des Speisegerätes müssen in jedem Fall beachtet werden. Bei den hocheffizienten Elementen der DRIFT-Serie liegt die optimale Betriebsspannung bei V, um eine grosse Kühlleisung bei möglichst hohem COP zu erreichen. Dies ist wichtig in Anwendungen wo CPUs gekühlt werden müssen. Wenn Sie die elektrischen Parameter im Arbeitspunkt bestimmen, beachten Sie, dass der Strom im Dauerbetrieb auf 20 bis 35% des Anfangsstromes zurückgeht. Der Seebeck-Effekt verursacht bei einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten einen zusätzlichen Spannungsabfall. Dieser nimmt mit zunehmender Temperaturdifferenz zu. Dadurch fällt der Strom. Instruktion_d.doc Seite 6 von 6 V1.0