Wärmemanagement in Schaltschränken Thermoelektrische versus Kompressions-Klimaanlagen

Eine konventionelle Kompressionskältemaschine
Eine konventionelle Kompressionskältemaschine

Klimaanlagen, die thermoelektrische Module (TEMs) nutzen, werden oft als Alternative zu herkömmlichen Kompressionssystemen für die Kühlung von Elektro- und Elektronikschränken in Betracht gezogen. Denn ein TEM ist nicht nur kompakt und robust, es kommt auch vollständig ohne bewegliche Teile aus.

Eine konventionelle Kompressionskältemaschine (oben dargestellt) besteht aus drei Hauptteilen: Verdampfer, Kompressor und Verflüssiger. Im Verdampfer (kalte Seite) strömt das unter Druck stehende Kältemittel durch das Entspannungsventil, wird entspannt, siedet und verdampft. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird Energie (Wärme) absorbiert. Der Kompressor fungiert als Kältemittelpumpe und komprimiert das Gas wieder zu einer Flüssigkeit. Im Verflüssiger (Kondensator) wird sowohl die im Verdampfer absorbierte als auch die bei der Kompression erzeugte Wärme in die Umgebung abgeführt.

Ein thermoelektrisches System besteht sowohl aus p- als auch aus n-leitenden Materialien, die in Kontakt gebracht werden und einen Übergang (Junction) bilden. Wenn das Bauteil an eine Batterie oder eine andere Spannungsquelle angeschlossen wird, fließen Elektronen. Am kalten Übergang wird Energie (Wärme) mithilfe von Elektronen absorbiert und wechselt von einem niedrigen Energiezustand im p-Halbleiterelement zu einem höheren Energiezustand im n-Halbleiterelement. Die Batterie stellt die Energie für die Bewegung der Elektronen durch das System bereit. Am heißen Übergang wird die Energie an einen Wärmetauscher abgegeben, wenn die Elektronen von einem hohen auf ein niedrigeres Energieniveau übergehen. Durch Umkehr der Stromflussrichtung wird auch die Wärmeflussrichtung umgekehrt. So kann ein Peltierelement durch einfaches Umpolen sowohl kühlen als auch heizen.

TEMs, z.B. von Laird Technologies, sind Festkörperbauteile ohne bewegliche Teile, Flüssigkeiten oder Gase. Die Grundgesetze der Thermodynamik sind auf diese Bauteile genauso anwendbar wie auf konventionelle Wärmepumpen, Absorptionskältemaschinen und andere Geräte, bei denen Wärme übertragen wird.