Einführung in das Modul „Thermoelektrische Kühlung“
Die thermoelektrische Technologie (TEC) ist eine aktive Wärmemanagementtechnik, die auf dem Peltier-Effekt basiert. Dieser wurde 1834 von J. C. A. Peltier entdeckt. Das Phänomen beruht auf der Erwärmung oder Kühlung des Übergangs zweier thermoelektrischer Materialien (Bismut und Tellurid) durch Stromfluss. Im Betrieb fließt Gleichstrom durch das TEC-Modul und bewirkt so einen Wärmetransport von einer Seite zur anderen. Dadurch entstehen eine kalte und eine warme Seite. Wird die Stromrichtung umgekehrt, tauschen sich die Bereiche. Die Kühlleistung lässt sich durch Änderung des Betriebsstroms regulieren. Ein typischer einstufiger Kühler (Abb. 1) besteht aus zwei Keramikplatten mit p- und n-leitendem Halbleitermaterial (Bismut, Tellurid) zwischen den Platten. Die Halbleiterelemente sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet.
Thermoelektrische Kühlmodule (TEM-Module), auch Peltier-Elemente genannt, können als eine Art Festkörper-Wärmepumpen betrachtet werden. Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer Größe und ihrer Reaktionsgeschwindigkeit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in eingebauten Kühlsystemen (bedingt durch Platzmangel). Moderne TEM-Module bieten Vorteile wie geräuscharmen Betrieb, Bruchsicherheit, Stoßfestigkeit, lange Lebensdauer und einfache Wartung und finden daher breite Anwendung in Bereichen wie Militärausrüstung, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Seuchenprävention, Versuchstechnik und Konsumgütern (z. B. Wasserspender, Autokühler, Hotelkühlschränke, Weinkühler, Mini-Kühlboxen, Kühl- und Wärmematten für Schlafsäcke).
Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer geringen Größe bzw. Kapazität und ihrer niedrigen Kosten wird die thermoelektrische Kühlung heute in großem Umfang in der Medizintechnik, der pharmazeutischen Ausrüstung, der Luft- und Raumfahrt, im Militär, in Spektroskopiesystemen und in kommerziellen Produkten (wie z. B. Heiß- und Kaltwasserspendern, tragbaren Kühlschränken, Autokühlern usw.) eingesetzt.
| Parameter | |
| I | Betriebsstrom des TEC-Moduls (in Ampere) |
| Imax | Betriebsstrom, der die maximale Temperaturdifferenz △T erzeugtmax(in Ampere) |
| Qc | Wärmemenge, die an der kalten Seite des TEC aufgenommen werden kann (in Watt) |
| Qmax | Die 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 im Betrieb des TEC-Moduls (in °C) |
| Tkalt | Temperatur der kalten Seite im Betrieb des TEC-Moduls (in °C) |
| △T | Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite (Thund die kalte Seite (Tc). Delta T = Th-Tc(in °C) |
| △Tmax | Maximale Temperaturdifferenz, die ein TEC-Modul zwischen der warmen Seite (T) erreichen kannhund die kalte Seite (TcDies tritt (maximale Kühlleistung) bei I = I auf.maxund Qc= 0. (in °C) |
| Umax | Spannungsversorgung bei I = Imax(in Volt) |
| ε | Kühlleistung des TEC-Moduls ( %) |
| α | Seebeck-Koeffizient des thermoelektrischen Materials (V/°C) |
| σ | Elektrischer Koeffizient des thermoelektrischen Materials (1/cm·Ohm) |
| κ | Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Materials (W/CM·°C) |
| N | Anzahl der thermoelektrischen Elemente |
| Iεmax | Stromstärke, die anliegt, wenn die Temperatur der heißen und alten Seite des TEC-Moduls einen bestimmten Wert erreicht, und die für die Erzielung des maximalen Wirkungsgrades erforderlich ist (in Ampere). |
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/UI
QH= Qc + IU
△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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