4 Hersteller von Thermoelektrische Kühlungen im Jahr 2024

Was ist ein Peltier-Modul?

Ein Peltier-Modul (englisch: peltier cooler) ist ein Kühlmechanismus, der ein Peltier-Element, ein thermoelektrisches Element, verwendet; auch als thermoelektrische Kühler (TEC) bekannt. Ein Peltier-Element ist ein Halbleiterelement, bei dem der Peltier-Effekt durch Erregung des Geräts erzeugt wird, was zu einer Wärmeübertragung und einem Temperaturunterschied zwischen Kühlung und Heizung auf den beiden Oberflächen führt. Peltier-Elemente haben im Allgemeinen die Form einer einzelnen Platte und sind 2 mm bis 5 mm dünn. Sie sind außerdem sehr leicht und kompakt. Die Struktur eines Peltier-Elements besteht aus einem thermoelektrischen Element vom n-Typ, einem thermoelektrischen Element vom p-Typ und Elektroden, die zwischen einer keramischen Basis liegen.

Peltier-Module verbessern die thermoelektrische Kühlung, um die Leistung des Peltier-Elements optimal zu nutzen. Das Peltier-Element überträgt Wärme von der wärmeaufnehmenden Seite auf die wärmeabgebende Seite, wodurch eine große Wärmemenge erzeugt wird. Aus diesem Grund ist die wärmeabgebende Seite mit einem Wasserkühlsystem, einem Kühlkörper oder einem Lüfter ausgestattet. Bei einigen Produkten ist auch ein wärmeleitendes Material zwischen den Kontaktflächen eingefügt, um die Wärmeableitung zu verbessern. Auf der wärmeaufnehmenden Seite werden Kühlplatten installiert, um die Wärmeaufnahmeeffizienz zu maximieren. Die Wärmeabsorptionsleistung wird auch dadurch erhöht, dass ein wärmeleitendes Material zwischen den Kontaktflächen mit der Kühlplatte eingefügt wird.

Peltier-Module zeichnen sich auch durch ihre geringe Umweltbelastung aus, da sie nur mit elektrischer Energie gekühlt werden können, ohne dass Kühlmittel verwendet werden.

Anwendungen von Peltier-Modulen

Peltier-Module haben den Vorteil, dass sie kleiner als allgemeine Kühlgeräte sind und daher leicht in Geräte integriert werden können, die eine Kühlung benötigen. Peltier-Kühler werden vor allem im Konsumbereich eingesetzt, wo sie in Zentraleinheiten, Verteilerschränken, Schalttafeln, Kühlschränken, Klimaanlagen und Entfeuchtern eingebaut werden. In der allgemeinen Industrie und im gewerblichen Bereich werden sie in Halbleiterfertigungsgeräten, medizinischen Geräten, Analysegeräten und Forschungsgeräten verwendet.

In den letzten Jahren wurden sie als mobile Kühler vermarktet, die zum Schutz vor Hitze um den Hals oder am Körper getragen werden. Darüber hinaus gibt es auch Smartphone-Kühler für Smartphones, die die Funktionen von Peltier-Module-Kühlern übernehmen.

Produkte, in denen Peltier-Module eingesetzt werden, sind kompakt und frei gestaltbar, da sie kleiner gebaut werden können und weniger vibrieren. Dadurch sind sie kostengünstig und leise. In der Vergangenheit waren Peltier-Kühler aufgrund von Problemen mit der Kondensation und dem Energieverbrauch nicht weit verbreitet, aber diese Nachteile sind jetzt beseitigt und die Produkte lassen sich leicht in den Alltag integrieren.

Auswahl eines Peltier-Modul

Peltier-Module haben kleine Peltier-Elemente, was bedeutet, dass die Größe des Produkts an die erforderliche Kapazität angepasst werden kann. Die Leistung von Peltier-Module-Kühlern dürfte auch bei Produkten, die sich ausschließlich auf die Kühlung konzentrieren, kostengünstig und stabil sein. Peltier-Module sind auch in Hochleistungsversionen erhältlich und können mit einem Steuergerät geliefert werden, wenn ein präziser Betrieb erforderlich ist. Diese Auswahl an Leistung, Preis und Größe für die jeweilige Anwendung ist eine der Stärken der Peltier-Kühler. Bei Verbraucheranwendungen kann man sich auf Designverbesserungen konzentrieren, während bei industriellen Anwendungen die Leistung entsprechend der erforderlichen Kapazität maximiert werden kann.

All dies macht es möglich, dass Peltier-Module als maßgeschneiderte Produkte bestellt werden können, zusätzlich zu der Auswahl bestehender Produkte.

Funktionsweise des Peltier-Moduls

Peltier-Module nutzen den Peltier-Effekt, bei dem zwei verschiedene Metalle miteinander verbunden werden, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen ihnen zu erzeugen, was zu einer Wärmeübertragung von einem Metall zum anderen führt. Die verwendeten Metalle sind eine Kombination aus Wismut, Silizium-Germanium, Kobalt-Zinn und Eisen.

Die Wärme wird vom Peltier-Element erzeugt, wenn sich das Peltier-Element mit dem Peltier-Effekt von der Kühlplatte auf die Kühlseite bewegt. Um die erzeugte Wärme abzuführen, müssen auf der anderen Seite ein Kühlkörper und ein Lüfter zur Luftkühlung installiert werden. Wenn eine Spannung an das Peltier-Element angelegt wird, wird die Wärme von der Kühlseite auf die Wärmeabgabeseite übertragen. Die Temperatur kann durch den angelegten Strom gesteuert werden und durch Umkehrung der Polarität des Stroms können die Kühlseite und die Wärmeabgabeseite vertauscht werden. Es ist auch möglich, das Kühlobjekt in umgekehrter Richtung zu erwärmen.

Wie bereits erwähnt, lassen sich Peltier-Elemente leicht miniaturisieren, benötigen keine umweltschädlichen Stoffe wie Kältemittel und haben den Vorteil, dass die Temperatur durch die Steuerung des Stroms geregelt werden kann. Es gibt aber auch Nachteile: Das Element selbst erzeugt viel Wärme, die wärmeabgebende Seite muss durch einen anderen Mechanismus gekühlt oder luftgekühlt werden, und die Kühltemperatur ist auf ein Minimum von etwa 5 °C begrenzt.

Die Zukunft der Peltier-Module

Dank der Bemühungen vieler Ingenieure können Peltier-Module heute mit verbesserter Leistung und zu einem niedrigeren Preis hergestellt werden. 

Am Institute of Industrial Technology der Universität Tokio wurde ein Element entwickelt, das eine zehnmal höhere Kühlleistung als Peltier-Elemente haben soll. Es wurde entwickelt, um als Kühlelement eingesetzt zu werden, indem die thermische Elektronenemission und Resonanztunneleffekte durch die Verbindung von Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid, eine so genannte Halbleiter-Heterostruktur, gesteuert werden. Da die Temperatur mit hoher Effizienz gesenkt werden kann, indem der zu kühlende Bereich gezielt angesteuert wird, ist zu erwarten, dass Energie für die Kühlung eingespart und die Leistung der Geräte erheblich verbessert werden kann. Obwohl sie in den derzeitigen Peltier-Module-Kühlern noch nicht eingesetzt wird, sind weitere Leistungsverbesserungen zu erwarten, sobald die neue Technologie für den praktischen Einsatz verfügbar ist.