Die Peltier-Technologie

Welche Vorteile bietet die Kühlung mit Peltiermodulen?
Worin bestehen die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu konventionellen Kompressoranlagen?

Bei beiden Kühlsystemen findet ein Wärmefluss von einem kalten zu einem warmen Reservoir statt.

Schaubild

Bei der Kompressoranlage übernimmt den Wärmetransport eine Kühlflüssigkeit, die vom Kompressor komprimiert und durch das System transportiert wird.


Im Peltierkühler entspricht der elektrische Strom der Kühlflüssigkeit des Kompressors, die Gleichspannungsquelle dem Kompressor.


Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsfällen, die nur mit Peltier-Technik gelöst werden können.

  • Regelgenauigkeit
    Peltier-Geräte sind elektrisch regelbar. Dadurch werden Regelgenauigkeiten erreicht, die mittels Kompressorkühlung nicht möglich sind.
  • Umkehrbarkeit
    Peltier-Elemente sind leicht umkehrbar. Durch einfaches Umpolen der Gleichspannung kann dort Wärme erzeugt werden, wo zuerst Kälte entstand und umgekehrt.
  • Robustheit
    Peltier-Kühler können in widrigsten Umgebungsbedingungen arbeiten. z.B. bei hohen Umgebungstemperaturen oder stark verschmutzter Umgebungsluft, auch Vibrationen und starke Beschleunigungen sind kein Problem.
  • Miniaturkühlung
    Peltier-Kühler können genau definierte kleine Kälteleistungen erbringen.

Die Geschichte des Thermoelektrischen Effekts

Die Endeckung der thermoelektrischen Effekte fällt in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts.

1822 Seebeck-Effekt
Thomas Johann Seebeck beobachtete das nach ihm benannte Phänomen: Bildet man eine geschlossene Leiterschleife aus zwei verschiedenen metallischen Leitern und herrscht zwischen den so entstehenden zwei Berührungspunkten der beiden Materialien eine Temperaturdifferenz, so fließt in der Leiterschleife ein Kreisstrom.
Die heutigen Thermoelemente sind demonstrative Beispiele dafür.

1834 Peltier-Effekt
Den umgekehrten Effekt entdeckte Jean Charles Athanase Peltier: Ein elektrischer Stromfluss ruft unter bestimmten Bedingungen eine Temperaturdifferenz zwischen zwei metallischen Leitern hervor.

Peltier-Effekt: Erzeugung einer Temperaturdifferenz durch einen elektrischen Stromfluss
Peltier-Effekt: Erzeugung einer Temperaturdifferenz durch einen elektrischen Stromfluss

Um den Peltier-Effekt wirtschaftlich nutzbar zu machen, verwendet man heute für den Aufbau eines Peltierelements nicht mehr zwei verschiedene Metalle. Die entstehende Temperaturdifferenz liegt hier unter 1 K.

Vielmehr ersetzt man ein Metall durch einen n-dotierten Halbleiter (die elektrische Leitung erfolgt durch negativ geladene Elektronen) und das andere durch einen p-dotierten Halbleiter (die elektrische Leitung erfolgt durch positiv geladene Löcher). Eine Kupferbrücke verbindet die beiden Halbleiter-Schenkel. Schickt man Gleichstrom in der eingezeichneten Richtung durch das Peltierelement, so kühlt sich die Kupferbrücke, welche die beiden Elemente verbindet, ab. Die beiden, ebenfalls aus Kupfer bestehenden Anschlussbrücken erwärmen sich. Anders ausgedrückt heißt dies, es findet ein stetiger Wärmetransport von der oberen Kupferbrücke zu den unteren Kupferbrücken statt.

Um für die technische Anwendung zweckmäßige Peltierblöcke zu erhalten, fügt man die einzelnen Peltierelemente mäanderförmig aneinander. Die zu einem Peltierblock vereinigten Peltierelemente sind also elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Die Peltierblöcke ihrerseits kann man nun elektrisch in Reihe bzw. parallel schalten, wenn große Kühlflächen benötigt werden.