Thermoelektrische Kühlelemente (TECs), sogenannte Peltier-Elemente, sind elektronische „Wärmepumpen“ aus Halbleitermaterial, die Wärme von kritischen Komponenten wegleiten, um sie zu kühlen. Es gibt sie in den unterschiedlichsten Größen und Leistungsstärken, und sie kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, darunter auch im elektronischen und medizinischen Bereich (Transportelemente zum Kühlen von Gewebe) sowie im Lebensmittel- und Getränkehandel (Kühlgeräte).
Thermoelektrische Kühlelemente machen sich den Peltier-Effekt zunutze. Grundlage für den Peltier-Effekt ist ein Temperaturunterschied, der entsteht, wenn ein Gleichstrom durch zwei Materialien mit unterschiedlichem Energieniveau geleitet wird.
Peltier-Elemente bestehen in der Regel aus zwei Keramikplatten, die sandwichartig angeordnete, thermoelektrische Bindungsstellen (von einer bis mehreren hundert) enthalten. Die Bindungsstellen bestehen aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial mit Anteilen von Bismut-Tellurid. Das n-dotierte Material verfügt über einen Elektronenüberschuss, während das p-dotierte Material einen Mangel an Elektronen aufweist. Die Bindungsstellen eines Peltier-Elements sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet.
Peltier-Elemente werden meisten zum Kühlen verwendet, können aber auch zum Erwärmen eingesetzt werden. Sie eignen sich in jedem Fall gut für Anwendungen, die eine präzise Temperatursteuerung erfordern. Für den Betrieb eines Peltier-Elements ist eine Gleichstromquelle erforderlich. Anhand der Polarität wird die Richtung der Wärmeübertragung vorgegeben (von kalt zu warm oder von warm zu kalt).
Die nachstehende Abbildung zeigt eine TEC-Komponente in einer schematischen Darstellung:
In diesem Diagramm wird die TEC-Komponente zur Kühlung verwendet.
Zur Definition einer TEC-Komponente werden folgende Eingaben verwendet:
- I = Stromstärke
- V = Spannung
- Tc = Temperatur (kühle Seite)
- Th = Temperatur (warme Seite)
- DT = delta T = Th - Tc
- Pin = Stromversorgung der Komponente = I * V
- Qc = Vom Element gepumpte Wärme (Wärme, die zur gekühlten Seite abfällt)
- Qh = Aus dem Element abgeleitete Wärme = Pin + Qc
- COP = Leistungszahl = Qc / Pin
- a = Seebeck-Koeffizient
- r = Elektrischer Widerstand
- k = Wärmeleitfähigkeit
- h = Höhe der TEC-Komponente
- A = warme oder kalte Oberfläche des Elements
- G = Geometriefaktor (Verhältnis von Pin-Querschnittsbereich zu Höhe der Bindungsstelle)
- N = Anzahl der Bindungsstellen (lt. Herstellerangaben)
Peltier-Elemente können in einer ein- oder mehrstufigen Konfiguration für eine höhere thermische Leistungsfähigkeit verwendet werden.
Modellierungsrichtlinien
- Peltier-Elemente dürfen kein Material für kompakte thermische Modelle (CTM-Material) berühren.
- Peltier-Elemente können nur auf sechsseitige "würfelförmige"“ Objekte angewendet werden.
- Teile, welche die heiße und kalte Seite einer TEC-Komponente berühren, müssen vernetzt werden. Wenn sie unterdrückt werden, wird eine Fehlermeldung ausgegeben, und die Lösung wird nicht ausgeführt.
Ergebnisextraktion und -darstellung
Die physikalische Leistung der TEC-Komponente innerhalb der Baugruppe kann am besten durch die grafische Darstellung der Temperatur visualisiert werden:
Im obigen Beispiel wird die Wärme vom Chip zum Kühlkörper geleitet, und die Abtastfläche der TEC-Komponente wird auf einer Temperatur von 25 °C gehalten. Wenn Sie die Maus über der TEC-Komponente platzieren, wird ein Dialogfenster mit diversen Daten angezeigt:
Diese Daten werden außerdem in der Datei mit thermischen Ergebnissen gespeichert, auf die Sie im Hauptmenü über "Überprüfen_Thermische Eigenschaften aller Komponenten" zugreifen können.
Folgende Größen werden ausgegeben:
- Anzahl der Bindungsstellen
- Steuermodus
- Status ("Normal", wenn die Betriebsgrenzwerte nicht überschritten werden. Andernfalls weist der Status auf eine Überschreitung der Grenzwerte hin. Das bedeutet, dass die Komponente die gewünschte Zieltemperatur im System nicht mehr aufrechterhalten kann.)
- Temperatur der gekühlten Seite
- Übertragung Kühlseiten Wärme
- Temperatur der warmen Seite
- Übertragung Kühlseiten Wärme
- Stromverbrauch
- Arbeitsstrom
- Leistungszahl (Qc / Pin)
- Leistungskennzahl