Moderne Peltier-koeltechnologie

Moderne Peltier-koeltechnologie
Moderne Peltier-koeltechnologie
Gaan Peltier-modules de compressor verdringen?
|1
Moderne Peltier-koeltechnologie
Samenvatting
Peltier-elementen zijn thermo-elektrische componenten die warmte omkeerbaar in een
gedefinieerde richting kunnen pompen. Hoewel het principe reeds lang bekend is, kon de
Peltier-technologie pas moderne halfgeleidermaterialen doorbreken.
De sterke punten van de Peltier-technologie liggen in de schaalbaarheid van de koelelementen, de
onafhankelijkheid van de positie van deze elementen, de betrouwbaarheid en de fijn doseerbare
regeling. Bovendien werken Peltier-elementen zonder bewegende delen en daardoor in
principe zonder trillingen en geluiden. Een belangrijk voordeel t.o.v. conventionele compressorkoelmachines is de vermijding van brandbare of voor het milieu schadelijke koelmiddelen.
De maximale capaciteit en effectiviteit van Peltier-koelsystemen liggen echter aanzienlijk lager
dan bij compressorsystemen. Bij standaard koel- en vriesapparaten moet rekening worden
gehouden met veel hogere energiekosten en een sterkere warmteafgifte.
Met de bijzondere eigenschappen kan de Peltier-technologie voor een breed spectrum speciale
toepassingen worden ingezet. Deze zal echter de compressoren bijvoorbeeld bij huishoudelijke
koelkasten niet verdringen omdat de technologie niet zuinig genoeg werkt.
|2
Moderne Peltier-koeltechnologie
Inhoudsopgave
2Samenvatting
4 Thermo-elektrische effecten
Geschiedenis
Natuurkundige achtergrond
6 De technische realisatie van thermisch-elektrische koeling
Opbouw van een Peltier-element
Opbouw van een Peltier-module
Regeling van een Peltier-systeem
9 Vergelijking koeltechnologieën
11 Toepassingsterreinen van Peltier-technologie
13 Conclusies
14 Colofon
|3
Moderne Peltier-koeltechnologie
Thermo-elektrische effecten
Geschiedenis
Het Seebeck-effect
De Duits-Baltische natuurkundige Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) ontdekte in 1821
dat in een gesloten circuit met twee verschillende metalen een kompasnaald uitslaat als de
contactpunten van de geleider verschillende temperaturen hebben. De Deense natuurkundige
Hans Christian Ørsted onderzocht tegelijkertijd het fenomeen elektromagnetisme en
interpreteerde Seebecks ‘thermomagnetisch’ effect correct als ‘thermo-elektrisch’ effect,
namelijk een door het temperatuurverschil veroorzaakte elektriciteitsstroom die op zijn beurt
weer het door Seebeck geobserveerde magneetveld veroorzaakt.
Het Peltier-effect
Pas dertien jaar na de ontdekking van het thermo-elektrische effect ontdekte de Franse
natuurkundige Jean Charles Athanase Peltier (1785 – 1845) het omgekeerde effect, het ontstaan
van een temperatuurverschil bij contactpunten van twee verschillende elektrische geleiders bij
het stromen van een elektrische stroom.
Peltier kon dit effect in die tijd nog niet correct verklaren. Dat lukte de Iers-Britse natuurkundige
William Thomson (ook wel Lord Kelvin genoemd – naar wie de SI-temperatuureenheid is
genoemd) in 1860 wel met zijn theorie over thermodynamica.
Leiter A
kalt
warm
Leiter B
Strom
|4
Moderne Peltier-koeltechnologie
Thermo-elektrische effecten
Natuurkundige achtergrond
Thermokracht
Bij de thermo-elektrische effecten gaat het in principe om verschillende fenomenen die via
een gemeenschappelijke materiaalconstante onderling zijn verbonden. De zogenaamde
thermokracht Q verschilt bij metalen geleiders slechts in enkele µV/K. Voor de technische
realisatie van het Peltier-effect is echter een paar elektrische geleiders met zeer veel hogere
thermische spanning nodig. Tot nog toe heeft men slechts enkele halfgeleiders gevonden die
hieraan voldoen bij kamertemperatuur.
De coëfficiënt Π is het product van thermokracht en temperatuur (Kelvin-relatie):
Π=Q·T
De aan het grensvlak tussen twee geleiders vrijgekomen hoeveelheid warmte van het Peltiereffect bedraagt
W = (ΠA – ΠB) · I
De warmtestroom (W) is afhankelijk van het verschil van de Peltier-coëfficiënten en proportioneel
t.o.v. van de elektriciteitsstroom I. Het voorteken van de warmtestroom hangt af van de
stroomrichting. Een negatief voorteken betekent een warmte-opname aan het contactpunt.
Het elektrische verlies groeit echter met een toenemende stroom sneller dan het warmtetransport
door het Peltier-effect. Als gevolg daarvan wordt het koelvermogen vanaf een bepaalde
stroomsterkte ondanks de verhoging van de stroom niet hoger, maar zelfs lager.
Thermo-elektrische koeling
Het Peltier-effect kan technisch voor koeling worden ingezet. Tegenover te koele zijde met de
temperatuur T0 staat een warmtereservoir met de temperatuur T1.
(T0 – T1)max = 1/8 · (ΠA – ΠB) · σ/λ
Het maximaal bereikbare temperatuurverschil verloopt proportioneel t.o.v. de elektrische
geleidbaarheid λ en omgekeerd operationeel t.o.v. de warmtegeleiding σ, dus twee
tegenovergestelde-eigenschappen.
En precies dit is naast de benodigde thermische spanning de tweede uitdaging voor de
technische realisatie van het Peltier-effect, want de meeste goede elektrische geleiders glijden
ook warmte zeer goed.
|5
Moderne Peltier-koeltechnologie
Technische realisatie van de
thermo-elektrische koeling
Opbouw van een Peltier-element
kalt
Thermokoppel
De kleinste component van het thermo-element is het thermokoppel.
p
Deze bestaat uit twee elektrische geleiders met zeer verschillende
Seebeck-coëfficiënten om een zo hoog mogelijke thermische
spanning op te wekken. Als materiaal worden meestal
warm
n
warm
halfgeleiderblokjes gebruikt en aan de uiteinden met koper
verbonden. Het tot nu toe meest geschikte materiaal voor
kamertemperatuur toepassingen is bismut-telluride in n- en
Strom
p-dotering.
Thermo-element
Een modern Peltier-element bestaat uit vele thermokoppels, die met koperbruggen elektrisch in
serie geschakeld zijn. De koperbruggen aan iedere zijde worden door keramische platen (meestal
aluminiumoxide) thermisch met elkaar verbonden, maar elektrisch van elkaar geïsoleerd.
Ook al wordt hier p- en n-gedoteerd halfgeleidermateriaal gebruikt, gaat het hier niet om
‘halfgeleidertechnologie’ in eigenlijke zin zoals bijvoorbeeld in halfgeleiderdioden te vinden is.
Daar moeten de beide halfgeleiders in direct contact staan om de elektriciteitsstroom in één
richting te blokkeren. In het Peltier-element daarentegen is dit niet handig en de verschillende
halfgeleiders zijn meestal door metaalbruggen met elkaar verbonden. Halfgeleiders krijgen
daarom de voorkeur boven andere
kalt
Bi2Te3
p
n
Al2O3
p
n
Cu
geleidermaterialen omdat men in
deze materiaalgroep stoffen met
hoge thermische spanning heeft
warm
gevonden die elektrisch zeer goed
geleiden, maar thermisch isoleren.
Alleen
daardoor
kan
de
koude
zijde effectief van de warme worden
Strom
gescheiden en een nuttig temperatuurverschil
worden gegenereerd.
|6
Moderne Peltier-koeltechnologie
De technische realisatie van
thermisch-elektrische koeling
Opbouw van een Peltier-module
Een Peltier-module bestaat uit één of meerdere Peltier-elementen en thermisch gekoppelde
koellichamen. Het voor het pompen ingezette elektrische vermogen wordt in de Peltierelementen onomkeerbaar in warmte omgezet en moet effectief worden afgevoerd. Bovendien
pompen de Peltier-elementen omkeerbaar warmte van een zijde naar de andere, afhankelijk
van de stroomrichting. Zo krijgt men aan één zijde een warmte-opname die aanzienlijk lager is
dan de aan de andere zijde afgegeven warmte. Overeenkomstig moet de warmtewisseling over
grote koellichamen plaatsvinden die aan beide zijden warmtesluitend tegen het Peltier-element
liggen. De opgewarmde of gekoelde lucht worden meestal door sterke ventilatoren afgevoerd.
Lüfter
kalt
Kühlkörper
Peltier-Element
warm
|7
Moderne Peltier-koeltechnologie
De technische realisatie van
thermisch-elektrische koeling
Regeling van een Peltier-systeem
Vaak worden Peltier-elementen door pulswijdtemodulatie geregeld waarbij de gemiddelde
stroomsterkte door de lengte van de stroompulsen van een hoge frequentie wordt geregeld.
Ook de spanningsregeling is een gangbare methode. Daarentegen wordt de eenvoudige
tweepunts regeling nauwelijks ingezet omdat daardoor het wel Peltier-element sterk belast en
de levensduur aanzienlijk verkort wordt.
Thermische stress
Ook al is het mogelijk om Peltier-modules door eenvoudig ompolen te regelen, moeten de
consequenties daarvan duidelijk zijn. Als men de stroomrichting omkeert voordat een
temperatuurcompensatie in het Peltier-element heeft plaatsgevonden, oefent men een enorme
thermische stress op de component uit. De producent van Peltier-chips testen de cyclische
stabiliteit van hun producten door directe ompolen en provoceren zo een uitval na reeds enkele
honderd cycli. Door bepaalde modificaties kan de cyclische stabiliteit worden verhoogd.
Op het gebied van de wetenschap waar vooral de langetermijnstabiliteit en betrouwbaarheid van
de apparaten belangrijk zijn wordt deze verkorting van de levensduur meestal niet geaccepteerd.
|8
Moderne Peltier-koeltechnologie
Vergelijking koeltechnologieën
De sterke punten van Peltier-systemen
In principe zijn Peltier-elementen door het ontbreken van bewegende slijtdelen zeer betrouwbaar,
onderhoudsarm en duurzaam. Bovendien werken ze zonder geluid en trillingen. Ze kunnen
klein en licht worden gebouwd, zelfs wanneer meerdere modules tot één element worden
samengevat. Een ander voordeel ligt in de goedkope productie. Peltier-systemen bevatten
geen koelmiddel dat brandgevaarlijk of schadelijk voor de ozonlaag is of broeikaseffecten
heeft. Het gehele koelcircuit met compressor, smoorklep en grote verdamper- en condensatorcomponenten komt te vervallen. Peltier-elementen zijn onderhoudsvrij en bij een uitval snel en
eenvoudig te vervangen.
Met moderne regeltechniek kan de koelwerking fijner worden gedoseerd dan bij een conventionele
compressor. Bovendien is het door ompoling mogelijk de functie om te keren, dat wil zeggen
dat men van een koelelement een efficiënt verwarmingselement kan maken.
De zwakke punten van Peltier-systemen
Bij Peltier-modules kan technisch niet worden voorkomen dat de warme en koude zijde zeer
dicht bij elkaar liggen. In de praktijk zijn de huidige Peltier-modules slechts 3 tot 5 mm dik.
Hierdoor is het nodig dat de warmte zeer effectief toegevoerd en afgevoerd moet worden.
Technisch wordt dit door grote koellichamen met ventilatoren gerealiseerd.
Het vermogen van een Peltier-module is direct afhankelijk van het gewenste temperatuurverschil.
Hoe groter dit temperatuurverschil, hoe lager het pompvermogen, totdat het vermogen (bij de
huidige stand van de Peltier-techniek) bij ca. 70 K volledig wegvalt. Grotere temperatuurverschillen
kunnen slechts met complexe constructies met meertraps elementen worden gerealiseerd.
|9
Moderne Peltier-koeltechnologie
Vergelijking koeltechnologieën
De energie-efficiëntie
Peltier-elementen kunnen warmte aan één zijde opnemen en aan de andere zijde afgeven.
Het medium dat voor dit omkeerbare pompproces wordt gebruikt is de elektrische stroom ofwel
zijn ladingsdrager. De stroom werkt eigenlijk als koelmiddel in het koelcircuit en het onvermogen
is in het ideale geval proportioneel t.o.v. de elektriciteitsstroom. Het is onvermijdelijk dat deze
stroom in het Peltier-element met zijn eigenschap als ohmse weerstand onomkeerbaar in
warmtejoule wordt omgezet. Deze warmteontwikkeling vormt niet alleen een vermogensverlies
maar de verlieswarmte moet bovendien aan de koude zijde door het onvermogen worden
gecompenseerd, nog voordat er een netto-koelvermogen ontstaat.
In de praktijk moet bij Peltier-systemen moet rekening worden gehouden met een meervoud van
het warmtepompvermogen als vermogensverlies. Het koelvermogen van compressorsystemen
daarentegen is ca. twee keer hoger dan de te investeren arbeid.
|10
Moderne Peltier-koeltechnologie
Toepassingsterreinen van Peltiertechnologie
De moderne Peltier-technologie wordt toegepast in situaties waarin compressoren vanwege
hun grootte niet geschikt zijn, de energie-efficiëntie een ondergeschikte rol speelt of waarin
slechts een laag koelvermogen nodig is.
Huishouden en vrije tijd
Boxen die werken op basis van de Peltier-technologie zijn ideaal voor het actief koelen van
levensmiddelen en dranken in de auto of campingwagen, aangezien ze kunnen mobiel worden
ingezet en direct op het 12V-boordnet worden aangesloten.
Eén van de eigenlijke nadelen van de Peltier-modules wordt bij de luchtontvochtiger benut.
De lucht die moet worden ontvochtigd wordt via de koude zijde van de Peltier-module geleid en
het condenswater dat daarbij ontstaat in een bak opgevangen.
Wetenschap
Een bekend voorbeeld voor Peltier-temperering is de thermocycler, een laboratoriumapparaat
voor de vermenigvuldiging van DNA-sequenties. Bij deze zogenaamde PCR (polymerase chain
reaction) zijn drie verschillende snel op elkaar volgende reactietemperaturen nodig.
Compressorsystemen kunnen niet onbeperkt worden geschakeld. Peltier-modules daarentegen
kan men zeer klein met een verbazingwekkend vermogen bouwen. Dergelijke miniatuur-Peltierelementen kunnen bijvoorbeeld in scintillatoren worden ingezet waardoor de ruis van fotodioden
door koeling moeten worden verlaagd.
Gangbare compressorsystemen werken afhankelijk van de positie. In gekantelde toestand of
zelfs op de kop staand voeren ze hun taken uit, dat is ook het geval bij gewichtloosheid. Met
Peltier-modules kan men daarentegen mobiele apparaten instrueren die met de eenvoudig
beschikbare 12V-accu kunnen worden gebruikt. Voorbeeld: dichtheidsmeters, viscosimeters,
rheometers of refractometers.
|11
Moderne Peltier-koeltechnologie
Toepassingsterreinen van Peltiertechnologie
Speciale toepassingen
Peltier-elementen geven meer warmte af dan ze kunnen pompen. Voor gangbare
computerprocessoren
hebben
zich
daarom
hoogontwikkelde
koellichamen
en
warmtetransportelementen weten door te zetten die alleen de door de processor gegenereerde
warmte moeten afvoeren. Pas als processortemperaturen onder de kamertemperatuur nodig
zijn, wordt de Peltier-technologie toegepast.
Meertrapse Peltier-modules kunnen een temperatuurverschil van meer dan 100 K genereren
en worden bijvoorbeeld bij IR-sensoren of hygrometers ingezet. Voor diffusienevelkamers voor
het bewijs van verschillende deeltjes (alfastraling, elektrononen, positronen) is zowel koeling als
verwarming mogelijk. Hier kan de handzame Peltier-technologie goed worden ingezet.
Koelbroedstoven
Het is nog niet zo lang geleden dat de Peltier-technologie werd ingezet in de koelbroedstoven
in laboratoria. Voor de beschikbaarstelling van constant lage temperaturen (bijvoorbeeld onder
de 10 °C) zijn ze weliswaar minder geschikt, maar voor incubatoren in het bereik van de
kamertemperatuur (15 – 30 °C) of bij toepassingen met warmte-invoer kunnen deze apparaten
efficiënt worden ingezet.
Hierbij speelt de slechte energie-efficiënte nauwelijks een rol, omdat de koeling op een laag
niveau loopt, zonder het maximale vermogen te gebruiken. Daarbij kan het gemiddelde
stroomverbruik onder het verbruik van een klassieke koelbroedstoof liggen en het technische
werk van een compressorsysteem met de nadelen komt te vervallen.
|12
Moderne Peltier-koeltechnologie
Conclusies
De Peltier-technologie opent geheel nieuwe mogelijkheden voor speciale toepassingen, in het
bijzonder als maximaal over vermogen of energie niet van belang zijn. Dankzij de schaalbaarheid
en de onafhankelijkheid van de locatie kunnen kleine of draagbare apparaten worden vervaardigd.
Efficiënt wordt de tempel een met Peltier-modules bij geringe temperatuurgradiënten en door de
fijne doseerbaarheid van het koelvermogen.
Gangbare compressor-koelsystemen komen bij de gangbare koel- en vriesapparaten dankzij de
hoge efficiëntie en de grotere capaciteitsreserves nog steeds op de eerste plaats, bijvoorbeeld
in het huishouden en in laboratoria.
|13
Moderne Peltier-koeltechnologie
Colofon
|Auteur
Dr. Jens Thielmann is gediplomeerd bioloog en werkt als Product Manager Growth & Storage
bij BINDER GmbH. Hij is productverantwoordelijke voor de verschillende incubatoren die in de
geneeskunde, wetenschap en het farmaceutische onderzoek voor de incubatie van bacteriën
of zoogdiercelculturen worden ingezet, en voor de ultra-lage vriezers voor de langdurige stabiele
opslag van kwetsbare monsters.
| Bedrijfsprofiel
BINDER is de grootste specialist ter wereld voor simulatiekasten voor wetenschappelijke
en industriële laboratoria. Met de technische oplossingen levert de onderneming een
belangrijke bijdrage aan de verbetering van de gezondheid en veiligheid van de mensheid.
Het productprogramma is zowel geschikt voor routinetoepassingen als voor uiterst specifieke
werkzaamheden in onderzoek en ontwikkeling, productie en kwaliteitsborging. Met momenteel
350 medewerkers wereldwijd en een exportpercentage van 80 % behaalde BINDER in 2012
een omzet van 56 mln. euro.
| Contact
BINDER GmbH
Im Mittleren Ösch 5
78532 Tuttlingen
Tel: +49(0)74 62-20 05-0
[email protected]
www.binder-word.com
|14
Moderne Peltier-koeltechnologie
Colofon
| Literatuur
MacDonald, D.K.C. (1962):
Thermoelectricity. An Introduction to the Principles. Wiley, New York
Dugdale, J.S. (1977):
The electrical Properties of Metals and Alloys. Edward Arnold, Londen
Jäckle, J. (1998):
Über die Ursache der Thermospannung. Faculteit natuurkunde, universiteit Konstanz
| Links van producenten
www.tellurex.com
www.quick-cool-bibliothek.de
www.mecheltron.com
www.peltier.de
www.deltron.ch
www.dr.neumann-peltier.de
www.ferrotec.com
www.siteware.ch
|15