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Vom Modul zum System

Optimale Einbindung von Peltier-Elementen – maßgeschneidert auf die spezielle Anwendung

Peltier-Kühlung

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In der Aufbauvorrichtung wurden Peltierstreifen mit Wärmeleitkleber auf Kupferfinnen aufgeklebt. Ein Peltierstreifen besteht aus zwei Curamik-Platten mit Kupfer-Pads, auf die die Schenkel aus p- und n-dotiertem Material aufgelötet sind. Die Schenkel sind dadurch thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet. Zur Kontaktierung der Streifen wurden Kupferdrähte angelötet.
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Mit dem Aufbau können Wärmestrom-Dichten von > 30.000 W/m² (Heizen) bzw. 12.000 W/m² (Kühlen) erzielt werden. Dies kann genutzt werden, um das Rohr präzise zu temperieren.

Thermoelektrische Peltier-Elemente werden als Wärmepumpen zur Kühlung und exakten Temperaturregulierung in vielen Industriezweigen eingesetzt. Im Konsumgüterbereich sind thermoelektrische Wärmepumpen traditionell in Nischenprodukten wie Camping- oder Weinkühlern zu finden. Inzwischen werden sie aber auch zur energieeffizienten Temperaturregulierung in Autositzen sowie zur intelligenten, personenbezogenen Innenraum-Klimatisierung genutzt. Peltier-Elemente regeln die Temperatur empfindlicher elektronischer Bauteile wie Laser, LEDs oder CPUs und werden vielfach in der Medizin- und Biotechnologie, zum Beispiel zur Vervielfältigung von DNA (PCR), eingesetzt.

Kurze Ansprechzeiten, hohe Temperaturstabilität und ein breiter Temperaturbereich zeichnen die Technologie aus und machen sie auch für Anwendungen wie z. B. die lokale Werkzeugkühlung interessant. Die wartungsfreien Peltier-Elemente arbeiten geräuschlos und ohne Vibrationen.  Um die Module optimal zu nutzen, spielt ihre thermische Ankopplung im System eine entscheidende Rolle.

Wir forschen seit mehr als 20 Jahren auf dem Gebiet thermoelektrischer Generatoren und Peltier-Elemente. Zu unseren Forschungsthemen gehören die Material- und Modulentwicklung, die Messtechnik für thermoelektrische Systeme und die simulationsgestützte Auslegung von Bauteilen. Für unsere Kunden entwickeln, bauen und charakterisieren wir spezifische Systemlösungen – vom Prototyp bis zur Implementierung.

Im Rahmen laufender und geplanter Projekte forschen wir an Peltier-basierten Systemen für einen breiteren Einsatz in Konsumgütern oder der Industrie. Dazu wurden Konzepte für verschiedene Anwendungen entwickelt und zum Teil als Demonstratorsysteme aufgebaut:

  • Modellierung und Aufbau eines thermoelektrischen Kühlschranks
  • Peltierelemente zur präzisen Temperierung in Industrieanlagen
  • Einsatz von Peltierelementen in mobilen Anwendungen
  • präzise Temperierung von Rohren

Alternative Bauformen für eine bessere thermische Ankopplung

Im Hinblick auf die thermische Ankopplung sind mitunter Alternativen zur üblichen planaren Bauform von Peltier-Elementen gefragt. Im Rahmen eines Forschungsprojekts haben wir selbstgefertigte Streifen aus einem thermoelektrischen Material entwickelt und in Reihe geschaltet und um ein dünnwandiges Rohr angeordnet. Ziel des »Rohr-Pelt«-Konzepts ist es, Rohre aus einem Formgedächtnis-Material sehr präzise zu temperieren, um sie auf sehr kleinem Bauraum als Aktor nutzen zu können. Die Rohre sind aus der thermischen Formgedächtnis-Legierung Nitinol gefertigt. Durch eine Temperaturänderung lässt sich eine Änderung vom Grundzustand des Materials (Martensit) in einen ausgelenkten Zustand (Austenit) herbeiführen, wobei eine Bewegung induziert wird. So lässt sich das Rohr thermisch gezielt steuern und als Aktor nutzen. Entscheidend dabei ist die thermische Ankopplung: Je größer der Druck, desto besser werden Unebenheiten ausgeglichen; gleichzeitig kann zu viel Kraft auf das Material (in unserem Fall Bismut-Tellurid) zum Zerbrechen der TE-Schenkel führen. Auch ein schiefer Zusammenbau oder Scherkräfte zerstören die Schenkel. Der Aufbau des Rohr-Pelts wurde deshalb mit einer eigens dafür entwickelten Aufbau-Vorrichtung realisiert.

Mit diesem Demonstrator-Aufbau wurden Heiz-Wärmestromedichten von > 30.000 W/m² und Kühl-Wärmestromdichten von 12.000 W/m² erzielt.

Kompetenz

Heatpipes & Peltier-Module

Projekt

HochPerForm

Hochkompakte, schnelle Aktorik auf Basis von Formgedächtnislegierungen