Anwendungen von thermoelektrischen Kühlmodulen
Kernstück des Produkts für thermoelektrische Kühlanwendungen ist das thermoelektrische Kühlmodul. Entsprechend den Eigenschaften, Schwächen und dem Anwendungsbereich des thermoelektrischen Stapels sollten bei der Auswahl des Stapels folgende Punkte berücksichtigt werden:
1. Ermitteln Sie den Betriebszustand der thermoelektrischen Kühlelemente. Anhand der Richtung und Größe des Betriebsstroms können Sie die Kühl-, Heiz- und Konstanttemperaturleistung des Reaktors bestimmen. Obwohl die Kühlmethode am häufigsten angewendet wird, sollte die Heiz- und Konstanttemperaturleistung nicht vernachlässigt werden.
2. Ermitteln Sie die tatsächliche Temperatur des heißen Endes während der Kühlung. Da der Reaktor ein Temperaturdifferenzgerät ist, muss er zur Erzielung einer optimalen Kühlwirkung auf einem geeigneten Kühlkörper montiert werden. Ermitteln Sie anhand der Wärmeabfuhrbedingungen die tatsächliche Temperatur des thermischen Endes des Reaktors während der Kühlung. Beachten Sie, dass die tatsächliche Temperatur des thermischen Endes aufgrund des Temperaturgradienten stets höher ist als die Oberflächentemperatur des Kühlkörpers, üblicherweise um wenige Zehntel Grad, aber auch um einige Grad oder zehn Grad. Zusätzlich zum Wärmeabfuhrgradienten am heißen Ende besteht auch ein Temperaturgradient zwischen dem Kühlraum und dem kalten Ende des Reaktors.
3. Ermitteln Sie die Arbeitsumgebung und -atmosphäre des Reaktors. Dies umfasst die Frage, ob die TEC-Module (thermoelektrische Kühlmodule) im Vakuum oder in normaler Atmosphäre, in trockenem Stickstoff, in stehender oder bewegter Luft arbeiten, sowie die Umgebungstemperatur. Dabei sind Wärmedämmmaßnahmen (adiabatische Maßnahmen) zu berücksichtigen und die Auswirkungen von Wärmeverlusten zu bestimmen.
4. Bestimmen Sie den Anwendungsbereich der thermoelektrischen Elemente und die Größe der thermischen Last. Neben dem Einfluss der Temperatur des heißen Endes wird die minimale bzw. maximale Temperaturdifferenz, die die Peltier-Elemente erreichen können, unter den beiden Bedingungen Leerlauf und Adiabatie ermittelt. Tatsächlich können Peltier-Elemente nicht vollständig adiabatisch arbeiten, sondern benötigen eine thermische Last, da ihre Messung sonst sinnlos ist.
5. Bestimmen Sie die Leistungsstufe des thermoelektrischen Moduls (TEC-Modul, Peltier-Elemente). Die Auswahl der Reaktorserie muss den Anforderungen der tatsächlichen Temperaturdifferenz entsprechen, d. h. die Nenntemperaturdifferenz des Reaktors muss höher sein als die tatsächlich benötigte Temperaturdifferenz, da er sonst die Anforderungen nicht erfüllt. Die Serie darf jedoch nicht zu groß sein, da der Preis des Reaktors mit zunehmender Serie erheblich steigt.
6. Spezifikationen der thermoelektrischen N,P-Elemente. Nach Auswahl der Peltier-Elemente können deren Spezifikationen, insbesondere der Betriebsstrom, bestimmt werden. Da verschiedene Reaktortypen die gleichzeitige Erzeugung von Temperaturdifferenz und Kälte ermöglichen, jedoch unterschiedliche Betriebsbedingungen erfordern, wird üblicherweise der Reaktor mit dem geringsten Betriebsstrom gewählt. Dies ist aufgrund der geringen Kosten für die benötigte Zusatzenergie vorteilhaft. Die Gesamtleistung des Reaktors ist jedoch der entscheidende Faktor. Um bei gleicher Eingangsleistung den Betriebsstrom zu reduzieren, muss die Spannung erhöht werden (0,1 V pro Bauteilpaar), wodurch sich der Logarithmus der Bauteilanzahl erhöht.
7. Die Anzahl der N,P Elemente ist zu bestimmen. Diese basiert auf der Gesamtkühlleistung des Reaktors, um die geforderte Temperaturdifferenz zu erreichen. Es muss sichergestellt sein, dass die Summe der Reaktorkühlleistung bei Betriebstemperatur größer ist als die Gesamtleistung der Wärmelast des Arbeitsobjekts, da die Anforderungen sonst nicht erfüllt werden. Die thermische Trägheit des Stapels ist sehr gering und beträgt im Leerlauf maximal eine Minute. Aufgrund der Trägheit der Last (hauptsächlich bedingt durch deren Wärmekapazität) ist die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit zum Erreichen der Solltemperatur jedoch deutlich länger als eine Minute und kann mehrere Stunden dauern. Bei höheren Anforderungen an die Arbeitsgeschwindigkeit ist eine größere Anzahl von Stapeln erforderlich. Die Gesamtleistung der Wärmelast setzt sich aus der Gesamtwärmekapazität und der Wärmeverlustleistung zusammen (je niedriger die Temperatur, desto höher die Wärmeverlustleistung).
Die oben genannten sieben Aspekte sind die allgemeinen Grundsätze, die bei der Auswahl von thermoelektrischen Modulen mit N- und P-Peltier-Elementen zu berücksichtigen sind. Nach diesen Grundsätzen sollte der ursprüngliche Anwender zunächst die thermoelektrischen Kühlmodule, Peltier-Kühler oder TEC-Module entsprechend den Anforderungen auswählen.
(1) Bestätigen Sie die Verwendung der Umgebungstemperatur Th ℃
(2) Die niedrige Temperatur Tc ℃, die der abgekühlte Raum oder das abgekühlte Objekt erreicht.
(3) Bekannte thermische Last Q (thermische Leistung Qp, Wärmeverlust Qt) W
Ausgehend von Th, Tc und Q können die benötigten thermoelektrischen Kühlerelemente N,P und die Anzahl der TEC-Elemente N,P anhand der Kennlinie der thermoelektrischen Kühlmodule, Peltier-Kühler, TEC-Module abgeschätzt werden.
Veröffentlichungsdatum: 13. November 2023
