Rådgiver
Teksten forneden er maskineoversat fra den tyske originaltekst.
Værd at vide om Peltier-elementer
Hvad er Peltier-elementer?
Hvordan fungerer Peltier-elementerne?
Hvordan er Peltier-elementer opbygget?
Hvilke fordele og ulemper har Peltier-elementerne?
Hvilke Peltier-elementer findes der?
Hvad kan Peltier-elementer anvendes til?
Hvad skal der tages hensyn til ved anvendelse af Peltier-elementer?
Hvad er Peltier-elementer?
Peltier-elementer er elektriske komponenter, der kan transportere Varme fra den ene side til den anden uden mekanisk bevægelige dele. De har nu bevist deres værd som køleelement eller til stabilisering af temperaturen på mange områder inden for teknikken. Peltier-elementer kaldes også internationalt "Termoelectric COOLER", forkortet "TEC".
Hvordan fungerer Peltier-elementerne?
Den franske videnskabsmand Jean Peltier publicerede i 1834 en artikel om hans elektriske eksperimenter med kontaktpunkter for forskellige metaller. Da den tilsluttede sig de to ender af en tråd af bismuth med kobbertråde og derefter tilsluttede sig et batteri for at få strøm, konstaterede han, at det ene kontaktpunkt opvarmes, og det andet afkøles. Hvis strømmen vendes om, vendes opvarmning og afkøling af de to kontakter også om. Årsagen til denne effekt var i første omgang ikke kendt. Først efter at termoelektrikkens lovmæssigheder var blevet opdaget, kom der en forklaring. Der er tale om energetiske udligningsoperationer af frie ladefaciliteter (elektroner, huller) på kontaktpunkterne, som afhængigt af materialet befinder sig på forskellige energiniveau. For at tage et spring til et højere energiveau trækker den omkringliggende lastbærer energi ud i form af Varme. I tilfælde af et lavere niveau bruger lastbærere energi i form af Varme. Der opstår en strømafhængig temperaturdifference.
Allerede 15 år tidligere havde den preusiske videnskabsmand, Johann Seebeck, med en lignende forsøgsstruktur fundet ud af, at der opstår en elektrisk spænding mellem de to kobbertråde, når et af de to kontaktpunkter opvarmes. Både Peltier-effekten og Seebeck-effekten, der anvendes til termoelementer, har længe været kendt, men kan først udnyttes i praksis med udviklingen af moderne teknologier. Da Peltier-elementer og termo-elementer er monteret på samme måde, kan der også opnås en elektrisk spænding med et Peltier-element, ved at den ene side varmes op, og den anden afkøles.
1: Kold side
2: Keramisk plade
3 n-halvleder
4: P-halvleder
5: Varm side
6: Kobberbroer
Principiel opbygning af moderne Peltier-elementer. Lastbærerne bringes op på et højere (lavere) eller lavere energiniveau (op) ved kontaktpunkterne og optager derfor Varme nedefter og afgiver dem opad.
Hvordan er Peltier-elementer opbygget?
Moderne Peltier-elementer (fig. 1 og 2) består af kontakter mellem kobber og den halvledende legering Bismutellurit (Bi2T3) eller siliciumgermanium (SiGE). Dette materiale har form af små terninger »Dices«, som forbindes med hinanden via kobberbroer. Det hele er fastgjort på et aluminiumoxidkeramisk substrat. En keramisk plade dækker også oversiden. De forskellige N- eller P-numre giver mulighed for serieforbindelse af et stort antal af disse elementer, således at der på begge sider af arrangementet er mange kontaktpunkter, som afkøler eller opvarmer strømmen. Siden er litzetrådsene til strømtilslutningen udført. De N- og P-doterede »Dices« er skiftevis forbundet med kobberbroer.
1: Kold side
2: Keramisk plade
3 n-halvleder
4: P-halvleder
5: Varm side
6: Kobberbroer
Hvilke fordele og ulemper har Peltier-elementerne?
Peltier-elementer har ingen mekanisk bevægelige dele og kan køle eller opvarme på mindst mulig plads. Den transporterede Varme og dermed køleeffekten kan doseres præcist med den transporterede strøm. Ulempen er den lave virkningsgrad i forhold til det klassiske kølesystem, der kræver meget mere plads og arbejder med kompressorer samt et kølemedie. Peltier-elementer begrænser sig derfor til anvendelser med lav varmetranportseffekt i watt-området.
Hvilke Peltier-elementer findes der?
Dette Peltier-element fra TRUE COMPONENTS har en køleeffekt på 106 W og er kun 2,8 mm høj.
Standard Peltier-elementer er typisk opbygget i kvadratisk sandwich-form (se billede 3) og fremstilles i forskellige dimensioner på få centimeter i kantlængde. Driftsspændingen afhænger af mængden af interfaces og ligger mellem få og nogle få 10 volt.
Peltier-køleeffekten, der kan oprette et-element, ligger i området fra nogle watt til ca. 100 watt.
Den maksimalt opnåelige temperaturforskel mellem varm og kold side af Peltier-elementet er ca. 70 K.
Hvad kan Peltier-elementer anvendes til?
Peltier-elementer kan i dag findes i forbrugsgoder som for eksempel termoelektriske kølebeholdere, mini-køleskabe eller luftaffugtere. I teknikken anvender man Peltier-elementer til for eksempel køling af lasere eller af optiske sensorer for at mindske billedstøj. Peltier-elementer har også vist sig ved hjælp af sin kompakte konstruktion som en del af køleskabet til computerchips, for eksempel CPU'en.
Den temperaturafhængige svingfrekvens for kvartsgeneratorer kan ved hjælp af Peltier-elementer holdes konstant uafhængigt af den omgivende temperatur, da de kan Varme eller køle alt efter strømretning. I laboratoriet kan temperaturen indstilles præcist og reproducerbar, for eksempel ved hjælp af Peltier-elementer. I analyseteknikken kan den nøjagtige prøvemperering foretages ved hjælp af Peltier-elementer.
Til optimal styring af Peltier-elementer er der en speciel styreenhed til rådighed. Den tilhørende displayenhed viser blandt andet Faktiske og nominelle temperaturer samt Varme- og køledrift. Med dette tilbehør kan du for eksempel Laboratorie- og målesystemer med præcis indstilling og regulering af temperaturen opbygges.
Hvad skal der tages hensyn til ved anvendelse af Peltier-elementer?
Peltier-elementer skal monteres således, at de på den ene side kan optage Varme og afgive på den anden side. Hvis varmen ophobes på den ene side, forringes køleprocessens effektivitet. Montage med begrænset Varme-overgangsmodstand er påkrævet.
Der bør derfor påføres endnu en varmelederpasta på kontaktfladerne. På den Varme side skal det være muligt at bortlede varmen uden at blive forhindret, og ved større ydelse skal den understøttes af et stort køleelement og om nødvendigt af en ventilator.
- De elektriske grænseværdier Imax og Umax, der er angivet i databladene, må ikke overskrides.
- Peltier-elementer, der ofte til- og udgammeldags i bestemte applikationer, skal have en høj termisk cyklusstyrke.
- De almindelige Peltier-elementer er RoHS-konform.