Eine Einführung in das thermoelektrische Kühlmodul
Die thermoelektrische Technologie ist eine aktive Wärmemanagementtechnik, die auf dem Peltier-Effekt basiert. Sie wurde 1834 von JCA Peltier entdeckt. Bei diesem Phänomen wird die Verbindung zweier thermoelektrischer Materialien (Wismut und Tellurid) durch Stromfluss erhitzt oder gekühlt. Während des Betriebs fließt Gleichstrom durch das TEC-Modul, wodurch Wärme von einer Seite auf die andere übertragen wird. So entstehen eine kalte und eine heiße Seite. Wird die Stromrichtung umgekehrt, vertauschen sich die kalte und die heiße Seite. Die Kühlleistung kann auch durch Änderung des Betriebsstroms angepasst werden. Ein typischer einstufiger Kühler (Abbildung 1) besteht aus zwei Keramikplatten mit p- und n-Typ-Halbleitermaterial (Wismut, Tellurid) zwischen den Keramikplatten. Die Elemente aus Halbleitermaterial sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet.
Thermoelektrische Kühlmodule, Peltier-Geräte und TEC-Module können als eine Art Festkörper-Wärmeenergiepumpe betrachtet werden und eignen sich aufgrund ihres Gewichts, ihrer Größe und Reaktionsgeschwindigkeit sehr gut für den Einsatz in eingebauten Kühlsystemen (aufgrund von Platzbeschränkungen). Dank ihrer Vorteile wie leisem Betrieb, Bruchsicherheit, Stoßfestigkeit, längerer Lebensdauer und einfacher Wartung finden moderne thermoelektrische Kühlmodule, Peltier-Geräte und TEC-Module ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Militärausrüstung, Luftfahrt, Raumfahrt, medizinische Behandlung, Epidemieprävention, Versuchsgeräte und Verbraucherprodukte (Wasserkühler, Autokühler, Hotelkühlschränke, Weinkühler, persönliche Minikühler, kühlende und wärmende Schlafunterlagen usw.).
Aufgrund des geringen Gewichts, der geringen Größe bzw. Kapazität und der niedrigen Kosten wird die thermoelektrische Kühlung heute häufig in der Medizin, der Pharmaindustrie, der Luft- und Raumfahrt, dem Militär, in Spektroskopsystemen und kommerziellen Produkten (wie Heiß- und Kaltwasserspendern, tragbaren Kühlschränken, Autokühlern usw.) eingesetzt.
| Parameter | |
| I | Betriebsstrom zum TEC-Modul (in Ampere) |
| Imax | Betriebsstrom, der die maximale Temperaturdifferenz △T bewirktmax(in Ampere) |
| Qc | Wärmemenge, die an der kalten Seite des TEC absorbiert werden kann (in Watt) |
| Qmax | Maximale Wärmemenge, die auf der kalten Seite aufgenommen werden kann. Dies tritt bei I = I auf.maxund wenn Delta T = 0. (in Watt) |
| Theiß | Temperatur der heißen Seite beim Betrieb des TEC-Moduls (in °C) |
| Tkalt | Temperatur der kalten Seite beim Betrieb des TEC-Moduls (in °C) |
| △T | Temperaturunterschied zwischen der heißen Seite (Th) und der kalten Seite (Tc). Delta T = Th-Tc(in °C) |
| △Tmax | Maximaler Temperaturunterschied, den ein TEC-Modul zwischen der heißen Seite (Th) und der kalten Seite (Tc). Dies tritt auf (Maximale Kühlleistung) bei I = Imaxund Qc= 0. (in °C) |
| Umax | Spannungsversorgung bei I = Imax(in Volt) |
| ε | Kühleffizienz des TEC-Moduls (%) |
| α | Seebeck-Koeffizient des thermoelektrischen Materials (V/°C) |
| σ | Elektrischer Koeffizient des thermoelektrischen Materials (1/cm·Ohm) |
| κ | Wärmeleitfähigkeit thermoelektrischen Materials (W/CM·°C) |
| N | Anzahl der thermoelektrischen Elemente |
| Iεmax | Anliegender Strom, wenn die Temperatur der heißen und der alten Seite des TEC-Moduls einen bestimmten Wert erreicht und die maximale Effizienz (in Ampere) erreicht werden muss. |
Einführung von Anwendungsformeln in das TEC-Modul
Qc= 2N[α(Tc+273)-LI²/2σS-κs/Lx(TH- TC) ]
△T= [ Iα(Tc+273)-LI/²2σS] / (κS/L + I α]
U = 2 N [ IL /σS +α(TH- TC)]
ε = Qc/Benutzeroberfläche
QH= Qc + IE
△Tmax= TH+ 273 + κ/σα² x [ 1-√2σα²/κx (Th+273) + 1]
Imax =κS/ Lαx [√2σα²/κx (Th+273) + 1-1]
Iεmax =ασS (TH- TC) / L (√1+0.5σα²(546+ TH- TC)/ κ-1)
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