Peltier-Kühleinheit kurz erklärt

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1 Peltier-Kühleinheit kurz erklärt

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Peltier-Kühltechnik Allgemeines Was ist ein Peltier-Element Peltier-Effekt Prinzipieller Aufbau eines Peltier-Elements Wärmeflüsse in einer Kühleinheit Kühleinheiten Grundsätzlicher Aufbau Typen Aufbau einer Luft-Luft-Kühleinheit Lüfter Kälteplatte Modularisierung Parameter der Kühleinheiten Speisung Spannung Strom Kühlleistung / Temperatur-Differenz Wirkungsgrad Betriebs-Temperaturbereich Eindringschutz (IPx) Zuverlässigkeit Anwendungen Temperatur-Regelung Auswahl der passenden Kühleinheit Kundenspezifische Kühleinheiten...10 Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 2 von 10 V1.0

3 1 EINFÜHRUNG PELTIER-KÜHLTECHNIK 1.1 Allgemeines Die Peltier-Kühleinheiten bieten eine Alternative zu den herkömmlichen Kompressor- und Absorber- Kühlsystemen. Man setzt sie bei kleinen Kälteleistungen (bis ca. 500 W) ein. Die Peltier-Kühleinheiten bieten folgende Vorteile: Brauchen weniger Platz Kleines Gewicht Kommen ohne Kältemittel aus Arbeiten lageunabhängig Hohe Zuverlässigkeit Mit einem Regler kann die Temperatur sehr genau eingestellt werden. Durch Umkehr der Stromrichtung kann auch geheizt werden (Klimagerät). 1.2 Was ist ein Peltier-Element Das Kernstück einer Peltier-Kühleinheit ist das Peltier-Element. Ein Peltier-Element ist ein elektrisches Bauelement, welches bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Die Entstehung der Temperaturdifferenz basiert auf dem nach Jean Peltier benannten Peltier-Effekt. Das Peltier-Element ist eine Wärmepumpe und hat die gleiche Funktion wie ein Kühlschrank. Es kommt jedoch ohne mechanisch bewegliche Bauteile (Pumpe, Kompressor) und ohne Kühlmittel aus. Durch Umkehr der Stromrichtung kann der Wärmefluss ebenfalls gedreht werden. 1.3 Peltier-Effekt Metall A Metall A Verbindet man 2 Drähte aus unterschiedlich elektrisch leitenden Materialien jeweils an den beiden Enden und legt man zusätzlich eine Spannung an, fliesst ein Strom, der Wärme von der einen Verbindungsstelle zur andern transportiert. In der Folge wird eine Verbindungsstelle kalt und die andere warm. warm Metall B Wärme kalt Für Peltier-Elemente kommen Materialien in Frage, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine kleine thermische Leitfähigkeit besitzen. Leider sind gute Stromleiter auch gute Wärmeleiter. Den besten Wirkungsgrad erzielt man mit Halbleitern. Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 3 von 10 V1.0

4 1.4 Prinzipieller Aufbau eines Peltier-Elements Halbleiter N-dotiert kalt Halbleiter P-dotiert Ein Peltier-Element besteht aus 2 verschiedenen elektrisch leitenden Materialien. Diese werden alternierend elektrisch miteinander verbunden und mechanisch derart angeordnet, dass die Verbindungsstellen jeweils abwechselnd auf einer Ebene liegen. warm 1.5 Wärmeflüsse in einer Kühleinheit heiss kalt Abwärme (Q h ) Kühlleistung (Q C ) Elektrische Leistung (P el ) Auf der heissen Seite muss die der kalten Seite entzogene Wärme plus die elektrische Energie an die Umgebung abgegeben werden. Q h = P el + Q c Durch Stromrichtungswechsel wechselt ebenfalls der Wärmefluss. Dadurch wird vom Kühl- in den Heizbetrieb gewechselt. Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 4 von 10 V1.0

5 2 KÜHLEINHEITEN 2.1 Grundsätzlicher Aufbau heiss kalt Wärmetauscher Wärmetauscher Peltier-Element Als Wärmetauscher kommen Kühlkörper oder Flüssigkeitskühlplatten in Frage. 2.2 Typen Je nach eingesetzten Wärmetauschern unterscheidet man die Kühleinheiten: Luft-Luft (Luft zu Luft) Luft-Fluid Fluid-Fluid Direkt-Luft (Kälteplatte zu Luft) Beispiele: Luft-Luft-Kühleinheit Fluid-Fluid-Kühleinheit Fluid-Luft-Kühleinheit Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 5 von 10 V1.0

6 2.3 Aufbau einer Luft-Luft-Kühleinheit Peltier-Kühleinheit kurz erklärt Kühlkörper heisse Seite Isolation Kühlkörper Kalte Seite Lüfter Peltier-Elemente Eine Luft-Luft-Kühleinheit kann auch ohne Lüfter betrieben werden. Mit Lüfter arbeitet der Kühlkörper etwa 3x so gut LÜFTER Die Lüfter sind die einzigen beweglichen Teile der Kühleinheit. Möglicherweise möchte man darauf verzichten. Zu bedenken ist, dass ein Kühlköper mit Lüfter etwa 3x so gut die Wärme abführt wie ohne Lüfter. 2.4 Kälteplatte Normalerweise gibt eine Wärmequelle die Wärme an die Umgebungsluft ab. Damit keine Überhitzung eintritt, muss die Umgebungsluft oft gekühlt werden. Effizienter kann man kühlen, indem man die Wärme direkt von der Quelle abführt. Wenn möglich setzt man anstelle der Luft-Luft-Kühleinheit eine Kälteplatte (Direkt-Luft-Kühleinheit) ein. Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 6 von 10 V1.0

7 2.5 Modularisierung Kühleinheiten sind modular aufgebaut. Deshalb kann es sinnvoll sein, statt eine grosse, 2 kleine Kühleinheiten einzusetzen. Beispiel: Einfach -Kühleinheit Zweifach -Kühleinheit 3 PARAMETER DER KÜHLEINHEITEN 3.1 Speisung SPANNUNG Grundsätzlich ist die Kälteleistung vom Strom abhängig. Die Kühleinheiten sind meist für den Betrieb an einer konstanten Gleichspannung ausgelegt z. B. 12V, 24V. Wir empfehlen den maximalen Rippel auf 10% zu reduzieren, vorzugsweise auf 5% für einen optimalen Betrieb. Wird die Spannung über den Nennwert erhöht, ist die Zunahme der Kühlleistung gering oder sinkt sogar und der Wirkungsgrad fällt stark ab. Wird die Spannung reduziert, kann die maximale Temperaturdifferenz nicht mehr erreicht werden. Die Kühlleistung reduziert sich ebenfalls, dafür steigt der COP (Effizienz, siehe Kap. 3.3). Der Einsatz von einstellbaren DC-Versorgungen ermöglicht eine grobe Einstellung der Temperatur. Wenn eine genaue Temperatur verlangt ist, muss ein Regler eingesetzt werden (Siehe Kap. 5). Zu beachten ist, dass die Lüfter immer bei Nennspannung betrieben werden sollen. Durch Umkehr der Polarität wird geheizt statt gekühlt. Die Kühleinheit kann somit als Klimagerät verwendet werden. Zu beachten ist, dass die Polarität der Lüfter nicht vertauscht werden dürfen (=> getrennte Speisung) STROM Der Anfangsstrom ist grösster als der Strom im Dauerbetrieb. Beachten Sie dies bei der Dimensioniertung des Speisegerätes. Mit zunehmender Temperaturdifferenz an der Kühleinheit wird der Strom kleiner. Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 7 von 10 V1.0

8 3.2 Kühlleistung / Temperatur-Differenz Angaben wie 300W-Kühleinheit, max. Kühlleistung 250W, Betriebskühlleistung 180W sagen wenig aus über die Leistungsfähigkeit einer Kühleinheit. Die Kühlleistung ist abhängig von der Temperaturdifferenz. Dies wird im untenstehenden Diagramm dargestellt werden: Die Kennlinie alleine sagt auch noch nicht viel aus. Wichtig ist zu wissen, auf welche Temperaturen sich die Temperatur-Differenz bezieht. Häufig wird für die Temperaturdifferenz der Temperaturunterschied zwischen den Kühlkörpern, oder Kühlkörper und Umgebung angegeben. Anwenderfreundliche Diagramme verwenden als Temperaturdifferenz die Differenz zwischen Umgebungs- und Innentemperatur, wie hier im Beispiel. Die Temperaturdifferenz kann auch negative Werte haben (Innentemperatur grösser als Umgebungstemperatur) Dadurch wird die Kühlleistung grösser. Die Kennlinie darf erweitert werden (rot). Beispiel für ein anwenderfreundliches Diagramm 3.3 Wirkungsgrad Die Effizienz einer Peltier-Kühleinheit wird mit dem COP (Coefficient Of Performance) angegeben. Er ist wie folgt definiert: Q COP= P c el Q c : Kühlleistung P el : Elektrische Leistung Der COP ist abhängig von der Temperaturdifferenz. Je grösser die Temperaturdifferenz desto kleiner ist der COP. Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 8 von 10 V1.0

9 3.4 Betriebs-Temperaturbereich Der Betriebs-Temperaturbereich einer Kühleinheit wird durch die Peltier-Elemente und die Lüfter bestimmt. Peltier-Elemente gibt es für den Einsatz bis 200 C. Bei tiefen Temperaturen nimmt die Kühlleistung materialbedingt stark ab. Der Betriebstemperatur-Bereich wird effektiv durch die Lüfter begrenzt. Ab 60 C reduziert sich die Lebensdauer mit zunehmender Temperatur. 3.5 Eindringschutz (IPx) Entscheidend für den zu erreichenden Eindringschutz sind die Lüfter. Diese sind der Umgebung ausgesetzt. Lüfter sind mit Eindringschutz IP67 erhältlich. Die Peltier-Elemente können abgedichtet werden. Die Kühleinheiten können so aufgebaut werden, dass kein Wasser oder Feuchtigkeit in die Kühleinheit eindringen kann. Standard-Kühleinheiten erreichen IP Zuverlässigkeit Die Peltier-Kühleinheiten gelten konstruktionsbedingt als sehr zuverlässig. Bei unsachgemässer Behandlung können folgende Fehler auftreten: Überhitzung des Peltier-Elementes wegen ungenügender Wärmeableitung (Kühlkörper, Lüfter) auf der heissen Seite oder zu grosser Spannung. Schnelle oder grosse Temperatur-Änderungen auf der Heiss- und / oder Kalt-Seite. Sie dürfen die in den Spezifikationen festgehaltene maximale Betriebs-Temperatur auf keinen Fall überschreiten. Eine Überschreitung der Maximaltemperatur führt zu einem Leistungsabbau oder sogar zu einem Ausfall. Durch geeignete Wahl der Peltier-Elemente kann der Temperaturbereich erweitert werden. Soll eine Kühleinheit im Zyklus-Betrieb arbeiten (heizen / kühlen), sollten spezielle Peltier-Elemente eingesetzt werden. Diese halten den temperaturbedingten mechanischen Beanspruchungen im zyklischen Betrieb stand. 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. Die Lebenserwartung der Lüfter ist tiefer und somit entscheidend. 4 ANWENDUNGEN Das Einsatzgebiet der Peltier-Kühleinheiten ist sehr umfangreich. Deshalb hier nur eine kleine Auswahl von Anwendungen: Kleine Schaltschränke Anzeigen Bedienpanels Transport-Kühlbehälter Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 9 von 10 V1.0

10 5 TEMPERATUR-REGELUNG Kühleinheiten sind oft für den Betrieb an einer konstanten Spannung ausgelegt. Sie können auch mit einem Regler betrieben werden. Dabei ist zu beachten, dass die Speisungen für die Peltier- Elemente und die Lüfter getrennt sein müssen. Hauptsächlich werden Regler mit PWM-Ausgang (= Pulsweitenmodulation) eingesetzt. Sie benötigen nur einen elektronischen Schalter. Die Verlustleistung im Regler ist klein. Ist der Schalter als H- Brücke ausgeführt, kann die Stromrichtung änderen und somit ist der Kühl- und Heizbetrieb möglich. Beispiel eines Peltier-Temperaturreglers mit PWM-Ausgang: 6 AUSWAHL DER PASSENDEN KÜHLEINHEIT Wird eine Kühleinheit auch im als Heizung benutzt, muss für die Bestimmung der Kühleinheit der Kühlbetrieb beachtet werden. Die Kühlleistung ist immer geringer als die Heizleistung (siehe 1.5) Für die Bestimmung einer passenden Kühleinheit müssen folgende Werte bekannt sein: T c (Temperatur auf der Kalt -Seite, im Innenraum) T h (Temperatur auf der Heiss -Seite, Umgebung) Q c (Kühlleistung, Verlustleistung im Innenraum) Die obigen Werte können oft nicht so einfach bestimmt werden. Dann muss man Annahmen treffen. Diese müssen in einem Versuchsaufbau auf ihre Richtigkeit überprüft werden. 6.1 Kundenspezifische Kühleinheiten Häufig passen die Abmessungen von Standard-Kühleinheiten nicht in die Anwendung. Dann ist der Einsatz einer kundenspezifischen Kühleinheit in Betracht zu ziehen. Deltron AG hilft Ihnen gerne bei der Auswahl einer passenden Kühleinheit. Wir stellen auch kundenspezifische Kühleinheiten her. Nehmen Sie mit uns Kontakt auf. Kühleinheit kurz erklärt_d.doc Seite 10 von 10 V1.0