Was ist ein thermoelektrischer Kühler?
Thermomodule (englisch: peltier device) sind Einheiten aus thermoelektrischen Elementen, die durch Anlegen eines elektrischen Stroms gekühlt oder geheizt werden.
Sie werden auch Peltier-Module genannt. Thermoelektrische Kühler sind Module aus Halbleiterelementen, die in verschiedenen Kühl- und Heizgeräten verwendet werden. Durch eine schnelle Umkehrung der Richtung des fließenden Stroms kann das Objekt schnell und mit hoher Präzision für die Temperaturregelung erwärmt oder abgekühlt werden.
Dieses Phänomen ist auf den Peltier-Effekt zurückzuführen, der auftritt, wenn elektrischer Strom fließt und wird nicht nur in industriellen Anwendungen, sondern auch in vertrauten Alltagsgegenständen eingesetzt. Der Peltier-Effekt wurde von dem französischen Physiker Jean-Charles Peltier im Jahr 1834 entdeckt. Zur Zeit seiner Entdeckung wurden zwei verschiedene Metalle verwendet, während heute effiziente Halbleiter zum Einsatz kommen.
Anwendungen von thermoelektrischen Kühlern
Thermoelektrische Kühler werden im Allgemeinen in den verschiedensten Bereichen als saubere Elemente eingesetzt. In der Mess- und Analysetechnik werden sie zum Beispiel zur Entfeuchtung in Spektralphotometern und Gasanalysatoren eingesetzt, in der Optik zur Kühlung von Projektoren und Überwachungskameras.
Im Verbraucherbereich werden sie unter anderem zur Kühlung von Computer-CPUs, Klimaanlagen, Luftreinigern, Haartrocknern, Kühlboxen, Weinkühlern und medizinischen Geräten eingesetzt. Da sie eine Senkung der Produktionskosten und eine hohe Zuverlässigkeit erwarten lassen, werden sie auch in bekannten Produkten der Unterhaltungselektronik eingesetzt.
Funktionsweise der thermoelektrischen Kühler
1. Peltier-Effekt
Thermoelektrische Kühler machen sich das Phänomen zunutze, dass Wärme von einem Metall auf das andere übertragen wird, wenn ein Gleichstrom an die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle angelegt wird. Dies wird als Peltier-Effekt bezeichnet und wenn ein elektrischer Strom direkt an den thermoelektrischen Kühler angelegt wird, entsteht auf beiden Seiten des Elements ein Temperaturunterschied.
Die Niedertemperaturseite absorbiert Wärme und die Hochtemperaturseite erzeugt Wärme, so dass Wärme von der Niedertemperaturseite auf die Hochtemperaturseite übertragen werden kann. Darüber hinaus kann durch Änderung der Polarität des Stroms die Richtung der gepumpten Wärme geändert werden und durch Änderung der Stromstärke kann auch die Wärmemenge geändert werden.
Dieser Peltier-Effekt kann zum Kühlen, Heizen und zur Temperaturregelung genutzt werden.
2. Thermoelektrische Halbleiterbauelemente
Die in den letzten Jahren am häufigsten verwendeten thermoelektrischen Halbleiterelemente sind geschweißte Blöcke mit unterschiedlichen N- und P-Eigenschaften oder Legierungen aus entsprechend dotierten Wismutesteriden. Sie zeichnen sich durch die Richtcharakteristik des Materials aus. Die Funktionsweise besteht darin, dass die Differenz zwischen den zusätzlichen Elektronen im N-Material und den fehlenden Elektronen im P-Material zur Übertragung von Wärmeenergie führt.
Thermoelektrische Kühler bestehen aus P- und N-Halbleiterelementen, die in Reihe geschaltet sind und sich zwischen Keramiksubstraten befinden.
Weitere Informationen zu thermoelektrischen Kühlern
1. Vorteile der thermoelektrischen Kühler
Kühlsysteme arbeiten in der Regel mit Kältemitteln und benötigen Geräte wie Kompressoren. Thermoelektrische Kühler hingegen kommen ohne Kältemittel und Kompressoren aus und haben den Vorteil, dass sie kompakt, leicht und vibrationsfrei sind. Außerdem sind sie umweltfreundliche Kühl- und Heizgeräte. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, Temperaturen mit hoher Präzision zu regeln. Die Effizienz kann jedoch noch verbessert werden.
Kühlkörper, die häufig zur Kühlung elektronischer Geräte verwendet werden, leiten lediglich Wärme ab. Thermoelektrische Kühler hingegen können bis unter die Umgebungstemperatur abkühlen und bieten somit eine effiziente Kühlung.
2. Erweiterte Anwendungen für thermoelektrische Kühler
Halbleiterlaser, die in optischen Kommunikationsnetzen eingesetzt werden, müssen eine konstante Laserwellenlänge beibehalten, um eine stabile Übertragung der Kommunikationsdaten zu gewährleisten. Der Schlüssel zur Stabilisierung der Wellenlänge ist die Temperatur. Thermoelektrische Kühler werden zunehmend für diese Anwendung eingesetzt.
Darüber hinaus wurden Produkte mit Ionengeneratoren in Haushaltsgeräten eingeführt. Während Wasserreinigungssysteme Bestandteile freisetzen, die Schimmel und Bakterien verursachen können, kühlen thermoelektrische Kühler die Feuchtigkeit in der Luft und kondensieren sie, um saubere Ionen ohne schädliche Bestandteile zu erzeugen und so Energie zu sparen.
Außerdem werden bei der PCR-Methode, mit der auf das Vorhandensein von Krankheitserregern getestet wird, DNA-Reaktionen verstärkt. Hier sind präzise Temperaturzyklen mit exakter Temperatursteuerung erforderlich, weshalb thermoelektrische Kühler zum Einsatz kommen; PCR-Testgeräte können nun kleiner und tischtauglich gestaltet werden und neuerdings können mehrere Probengefäße für parallele, hocheffiziente Tests montiert werden.