Advies
Wat zijn peltier-elementen?
Peltier-elementen zijn elektrische componenten die warmte van de ene kant naar de andere kant kunnen transporteren zonder mechanisch bewegende delen. Zij hebben zich inmiddels op vele gebieden van de technologie bewezen als koelelement of voor temperatuurstabilisatie. Peltier-elementen zijn internationaal ook bekend als "thermo-elektrische koelers", afgekort tot "TEC".
In 1834 publiceerde de Franse wetenschapper Jean Peltier een artikel over zijn elektrische experimenten met contactpunten van verschillende metalen. Toen hij de twee uiteinden van een bismutdraad verbond met koperdraad en ze op een batterij aansloot om stroom te laten vloeien, ontdekte hij dat het ene contactpunt opwarmt en het andere afkoelt. Wanneer de stroom wordt omgekeerd, keert ook het verwarmings- en koeleffect van de twee contacten om. De oorzaak van dit effect was aanvankelijk niet bekend. Pas nadat de wetten van de thermo-elektriciteit waren ontdekt, kwam er een verklaring. Het is een kwestie van energetische balanceringsprocessen van vrije ladingsdragers (elektronen, gaten) op de contactpunten, die zich op verschillende energieniveaus bevinden, afhankelijk van het materiaal. Voor de sprong naar een hoger energieniveau onttrekt de ladingsdrager energie aan de omgeving in de vorm van warmte. Wanneer de ladingsdrager naar een lager niveau zakt, geeft hij energie af in de vorm van warmte. Er ontstaat een stroom-afhankelijk temperatuurverschil.
15 jaar daarvoor had de Pruisische wetenschapper Johann Seebeck met een soortgelijke experimentele opstelling ontdekt dat tussen de twee koperdraden een elektrische spanning wordt opgewekt wanneer één van de twee contactpunten wordt verwarmd. Zowel het "Peltier-effect" als het "Seebeck-effect", dat in thermische elementen wordt toegepast, zijn allang bekend, maar konden pas praktisch worden toegepast met de ontwikkeling van moderne technologieën. Omdat Peltier-elementen en thermo-elementen op dezelfde manier zijn opgebouwd, kan een Peltier-element ook worden gebruikt om een elektrische spanning op te wekken door de ene kant te verwarmen en de andere kant af te koelen.
1: Koude kant
2: Keramische plaat
3: N-semiconductor
4: P-semiconductor
5: Warmte kant
6: Koperbruggen
Basisstructuur van moderne Peltier-elementen. De ladingsdragers worden op de contactpunten naar een hoger (beneden) of lager (boven) energieniveau gebracht en absorberen daardoor warmte aan de onderkant en geven die weer af aan de bovenkant.
Moderne Peltier-elementen (fig. 1 en 2) bestaan uit contacten tussen koper en de halfgeleidende legering bismut-telluriet (Bi2Te3) of silicium-germanium (SiGe). Dit materiaal heeft de vorm van kleine kubusjes "dobbelstenen", die met elkaar verbonden zijn via koperen bruggen. Het geheel is bevestigd op een aluminiumoxide keramisch substraat. De bovenkant is ook bedekt met een keramische plaat. Door de verschillende N- of P-dopering kan een groot aantal van dergelijke elementen in serie worden geschakeld, zodat er aan beide zijden van de array veel contactpunten zijn, die afkoelen of opwarmen wanneer er stroom doorheen loopt. De draden voor de stroomaansluiting worden aan de zijkanten naar buiten geleid. De N- en P-gedoteerde "dobbelstenen" zijn afwisselend verbonden met koperbruggen.
1: Koude kant
2: Kermische plaat
3: N-semiconductor
4: P-semiconductor
5: Warme kant
6: Koperbruggen
Peltier-elementen hebben geen mechanisch bewegende delen en kunnen in een zeer kleine ruimte koelen of verwarmen. De getransporteerde warmte en daarmee het koelvermogen kan nauwkeurig met de stroom worden gedoseerd. Het nadeel is het lage rendement in vergelijking met het klassieke koelsysteem, dat veel meer ruimte inneemt en werkt met compressoren en waarvoor een koelmedium nodig is. Peltier-elementen zijn daarom beperkt tot toepassingen met een laag warmtetransportvermogen in het wattbereik.
Dit Peltier-element van TRUE COMPONENTS heeft een koelvermogen van 106 W en is slechts 2,8 mm hoog.
Standaard Peltier-elementen zijn meestal geconstrueerd in een vierkante sandwichvorm (zie fig. 3) en worden vervaardigd in verschillende afmetingen van enkele centimeters randlengte. De bedrijfsspanning hangt af van de hoeveelheid dobbelstenen en varieert van enkele tot enkele tientallen volts.
Het koelvermogen dat Peltier-elementen kunnen opwekken varieert van enkele watts tot ongeveer 100 watts.
Het maximaal haalbare temperatuurverschil tussen de warme en koude zijde van het Peltier-element is ongeveer 70 K.
Tegenwoordig worden Peltier-elementen aangetroffen in consumentengoederen zoals thermo-elektrische koelers, minikoelkasten of ontvochtigers. In de technologie worden Peltier-elementen bijvoorbeeld gebruikt voor het koelen van lasers of optische sensoren om beeldruis te verminderen. Peltier-elementen hebben ook hun waarde bewezen als onderdeel van de koeler van computerchips, b.v. de CPU, dank zij hun compacte ontwerp.
De temperatuurafhankelijke oscillatiefrequentie van kwartsgeneratoren kan onafhankelijk van de omgevingstemperatuur constant worden gehouden met behulp van Peltier-elementen, omdat deze afhankelijk van de richting van de stroom kunnen verwarmen of afkoelen. In het laboratorium kunnen Peltier-elementen worden gebruikt om de temperatuur van bijvoorbeeld vloeistoffen nauwkeurig en reproduceerbaar in te stellen. In de analytische technologie kunnen Peltier-elementen worden gebruikt voor een nauwkeurige regeling van de monstertemperatuur.
Een speciale regelmodule is beschikbaar voor de optimale regeling van Peltier-elementen. Het bijbehorende display toont o.a. de actuele en de gewenste temperatuur, alsmede de verwarmings- en koelingsmodus. Deze accessoires kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om laboratorium- en meetapparatuur in te stellen met nauwkeurige temperatuurinstelling en -regeling.
Peltier-elementen moeten dusdanig worden geïnstalleerd dat zij aan de ene kant warmte kunnen opnemen en aan de andere kant warmte kunnen afgeven. Als de warmte zich aan een van de twee zijden ophoopt, gaat de efficiëntie van het koelproces achteruit. Wat nodig is, is een oppervlakte-installatie met een lage weerstand tegen thermische overdracht.
Daarom moet vóór de montage een warmtegeleidende pasta op de contactvlakken worden aangebracht. De warmteafvoer aan de warme kant moet onbelemmerd zijn en moet worden ondersteund door een koellichaam met een groot oppervlak en, indien nodig, door een ventilator voor betere prestaties.
- De in de databladen aangegeven elektrische grenswaarden Imax en Umax mogen niet worden overschreden.
- Peltier-elementen die in bepaalde toepassingen vaak aan en uit worden geschakeld, moeten een hoge thermische cyclusweerstand hebben.
- De in de handel verkrijgbare Peltier-elementen zijn RoHS-conform.