uwe electronic: Peltiertechnik-Trends »Kühlen und auch Aufheizen«

Andreas Neumaier, uwe electronic
»Während herkömmliche einstufige Peltierelemente einen maximalen Temperaturunterschied zwischen den zwei Peltierseiten von bis zu 70 Kelvin aufbauen können, sind mit dem neuen Herstellverfahren nun bis zu 78 Kelvin möglich.«
Andreas Neumaier, uwe electronic »Während herkömmliche einstufige Peltierelemente einen maximalen Temperaturunterschied zwischen den zwei Peltierseiten von bis zu 70 Kelvin aufbauen können, sind mit dem neuen Herstellverfahren nun bis zu 78 Kelvin möglich.«

». . . erlaubt die Peltiertechnik, es muss nur die Polarität der Anschlussspannung gedreht werden«, führt Andreas Neumaier, Produktmanager bei der uwe electronic GmbH, als einen Vorteil der geräuschlosen Technik an. Ein weiterer Pluspunkt ist die hohe Regelgenauigkeit von bis zu 0,01 °C.

Markt&Technik: Was ist der gravierende, sofort ins Auge fallende Unterschied etwa zu Lüftern?

Andreas Neumaier, uwe electronic: Lüfter können nur die Umgebungsluft zur Kühlung des Mediums verwenden. Dadurch wird die Zieltemperatur niemals unterhalb der Umgebungstemperatur liegen. Luft ist außerdem ein sehr schlechter thermischer Leiter, weshalb ein hoher Luftfluss notwendig ist, verbunden mit dem Nachteil der Geräuschemission durch Turbulenzen. Außerdem ist die Regelgenauigkeit bzw. Geschwindigkeit der Abkühlung bei Lüftern schlechter. Wegen des mechanischen Aufbaus verschleißen Lüfter schneller; zudem könnte Staub in der Luft zu weiteren unerwünschten Effekten in einem Gehäuse führen. Beim möglichen Einsatz von Luftfiltermatten hat man außerdem das zeitliche Problem der Wartungsintervalle zu erfüllen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sehr kleine Aufbauten konstruiert werden können mit Miniatur-Peltierelementen in den Größen von bis zu 4 x 4 mm. Bei den kleinen Kühl­lösungen wird überdies das geringe Gewicht thermoelektrischer Lösungen geschätzt.

Welcher Temperaturbereich lässt sich abdecken?

Prinzipiell ist ein sehr großer Temperaturbereich möglich; Temperaturen von 0 bis +60 °C können mit einem einfachen Peltieraufbau leicht erzielt werden. Es gibt aber auch extreme Anwendungen, bei denen Temperaturen von bis zu –50 °C erreicht werden müssen. Auch dafür sind Peltierelemente geeignet. Die maximale Einsatztemperatur der Peltierelemente liegt bei +200 °C. Somit entsteht ein sehr breites Anwendungsfeld.

Was hat den Einsatz der Peltiertechnik im industriellen Umfeld ermöglicht? Was sind denn derzeit typische Anwendungen?

Erst mit der industriellen Herstellung von Halbleitermaterialien in großen Mengen hat die Peltiertechnik bezüglich Preis und Wirkungsgrad viele Einsatzgebiete bei Industriegütern, der Medizintechnik und in Konsumarti­keln finden können. Die Anwengungsgebiete sind somit sehr vielfältig; adressiert werden Analysegeräte (Lebensmitteltechnik, Bioanalyse, Blutproben) und die Laserspektroskopie (Rauchgasanalyse, Isotopenanalyse). Peltierelemente werden eingesetzt zur Kühlung von Laserdioden, CCD-Chips und Röntgendetektoren sowie in Kühlboxen und Mini-Kühlschränken. Im medizinischen Bereich gibt es Kühlanwendungen für die Hautbehandlung. Ein Einsatzbereich ist überdies die Kühlung kleiner Gehäuse wie etwa von Überwachungskameras, Steuerschränken und Schaltschränken.

In welchen Anwendungen ist diese Technik konkurrenzlos, wo macht ihr Einsatz wenig oder gar keinen Sinn?

Konkurrenzlos sind die thermoelektrischen Module bei der aktiven Kühlung in kleinen Bauräumen und überall dort, wo hohe Regelgenauigkeiten von bis zu 0,01 °C gefordert sind. Bei hohen Umgebungstemperaturen kommen sie ebenfalls zum Zug, denn alternative Kühllösungen mit dem Kompressor-­Verdampferprinzip können bei Umgebungstemperaturen ab etwa +60 °C nicht mehr direkt eingesetzt werden. Eine Rolle spielen sie zudem in rotierenden Systemen – etwa bei der Pitchsteuerung innerhalb von Windrädern – und in Einsatzgebieten, bei denen Flüssigkeiten oder Vibrationen untersagt sind. Weil es Peltierelemente nur in Größen bis 60 x 60 mm gibt, sind Kühlleistungen größer als 250 Watt nur mit einer Vielzahl von Peltierelementen erzielbar. Dies erhöht den Preis, sodass ab einem bestimmten Punkt andere Kühllösungen wirtschaftlicher sind. Es ist auch zu berücksichtigen, dass ein Peltierelementaufbau aus weiteren Komponenten besteht, sodass auf der gegenüberliegenden Seite des Peltiermoduls die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. In der Regel wird dies über einen Kühlkörperaufbau gelöst. Im übrigen hängt die Effizienz einer Peltierkühlung stark davon ab, wie gut die Wärmeabgabe auf der anderen Seite des Moduls gelingt: Die Wärme wird nicht vernichtet, sondern nur auf die andere Seite transportiert. Somit hängt die Leistungsfähigkeit der Peltierkühlung im Wesentlichen auch vom Kühlkörperaufbau ab.

Ist zu erwarten, dass sich durch IoT und Industrie 4.0 neue Einsatzgebiete erschließen lassen?

Einer der größten Vorteile der thermoelektrischen Kühlung ist die hohe Miniaturisierungsmöglichkeit. Weil die Packungsdichte der Elektronik bei IoT und Industrie 4.0 weiter zunimmt, werden sich daraus weitere Anwendungsmöglichkeiten für miniaturisierte Kühlkonzepte ergeben.

Welche Varianten hinsichtlich Größe und Formen offerieren Sie derzeit?

Die Geometriegrößen reichen von 4 x 4 bis 60 x 60 mm. Es gibt neben der quadratischen Form auch Peltierelemente in rechteckigen und runden Varianten. Manche Peltierelemente haben für die Kabeldurchführung oder wegen der optischen Notwendigkeit eine Bohrung, andere wiederum sind an den Oberflächen metallisiert, um einen direkten Lötprozess zu ermöglichen. Unser Portfolio umfasst bis zu 100 Modultypen, die wiederum je nach Einsatz in unterschiedlichen Konfiguration angeboten werden. Daraus resultiert ein Portfolio von weit über 500 verschiedenen Varianten. Eine interessante Variante sind die Cycler-Module: In der Analysetechnik von Proben ist es notwendig, möglichst schnell verschiedene Temperaturstufen zu erreichen. Weil unterschiedliche Materialien unterschiedliche Längenausdehnungen haben, kommt es physikalisch bedingt zu dynamisch-mechanischen Spannungen, welche die Lebensdauer der spröden Halbleitermaterialien stark beeinträchtigen. Für diese Anwendungsfälle wurden spezielle Cycler-­Module entwickelt, bei denen eine Keramikseite gelötet und die andere Seite geklebt ist. Die durch die Längenausdehnung verursachten Scherkräfte können dank der höheren Flexibilität besser kompensiert werden. Dies erhöht die Lebensdauer bzw. Zyklenhäufigkeit deutlich.

Energieeffizienz ist in allen Bereichen der Elektronik ein wichtiges Thema. Wie steht es da bei der Peltiertechnik?

Aktuell gibt es einen entscheidenden Fortschritt in der Energieeffizienz der Peltiermodule. Durch die Verbesserung des Herstellprozesses des kristallinen Halbleitermaterials entstehen nun Thermoelemente mit homogeneren Kristallstrukturen. Dies ermöglicht neue Module mit einem um bis zu 10 Prozent gesteigerten Effizienzgrad. Während herkömmliche einstufige Peltierelemente einen maximalen Temperaturunterschied zwischen den zwei Peltierseiten von bis zu 70 Kelvin aufbauen können, ist mit dem neuen Herstellverfahren nun ein Temperaturunterschied von bis zu 78 Kelvin möglich. Dies bedeutet für die energieeffiziente Klimatisierungstechnik einen weiteren Fortschritt.