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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wärmeleitfähigkeit von TEC/Peltier-Element


Autor: Oleg A. (oga)
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Kennt jemand die Wärmeleitfähigkeit von TEC/Peltier-Elementen?

Wenn das TEC zur Kühlung eines Festkörper benutz wird ist dieser 
normalerweise überall gut isoliert (Styropor, Schaumstoff u. ä.), ausser 
dort, wo er über den TEC Kontakt zur Aussenwelt hat. Also bildet der TEC 
im ausgeschalteten Zustand (Zweipunkteregelung) eine Wärmebrücke.

Die kann man nur berechnen, wenn die Wärmeleitfähigkeit vom TEC bekannt 
ist. Ist diese Grösse jemandem geläufig?

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Ich kenne den aktuellen Wärmewiderstand zwar nicht, aber man kann ja mal 
grob überschlagen, man hat 2 Keramikplatten von etwa 1mm, davon kannst 
du dir schon mal den Wärmewiderstand raussuchen und dann noch etwas 
Silizium dazwischen.

Autor: Oleg A. (oga)
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Naja, gerade das Silizium dazwischen ist die grosse Unbekannte. ;)

Autor: Jens G. (jensig)
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Naja, nicht einfach nur Silizium. Meines Wissens ist da auch noch 
irgendwie Wismut, Tellur und sowas mit dazwischen ...

Autor: Olaf (Gast)
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> Also bildet der TEC im ausgeschalteten Zustand (Zweipunkteregelung)
> eine Wärmebrücke.

Das tut er, und das verschlechtert den eh schon schlechten Wirkungsgrad 
der Teile nochmal erheblich. Deshalb macht das keiner. .-)

Olaf

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Hmm aber ich denke Silizium wird den Löwenanteil ausmachen und somit 
auch am meisten die Wärmeleitfähigkeit betreffen, sind zwar nur 
Vermutungen, sonst bleibt dir wohl nix anderes aus als nachzumessen ;)

Autor: Oleg A. (oga)
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Olaf wrote:
> ... Deshalb macht das keiner. .-)

Was genau macht keiner?

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Das ding ausschalten, bzw. eine zweipunktregelung verwenden, da so die 
effizient noch mal drastisch sinkt

Autor: Oleg A. (oga)
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Achso, natürlich. :)

Aber die Wärmeübertragung zurück findet auch im eingeschaltetem Zustand 
statt, solange eine Temperaturdifferenz zwichen dem gekühltem Festkörper 
und der Umwelt vorhanden ist. Der TEC pumpt zwar die Wärme von innen 
nach aussen, aber ein Teil dieser Wärme fliesst über das TEC Material 
wieder zurück. Eine Art Wärmeleckstrom sozusagen.

Oder mache ich da irgendwo einen Denkfehler?

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Peltier-Elemente arbeiten in beide Richtungen, d.h. wenn man Strom 
durchschickt wird die eine Seite heiß und die andere kalt. Schaltet man 
nun nur ein Multimeter zwischen die beiden Anschlüsse und man macht die 
eine Seite heißer als die andere, kann man mit einem Multimeter einen 
Strom messen. Nun könnte ich mir vorstellen, daß man daraus, d.h. über 
den sich über die Zeit ändernden (sprich kleiner werdenden) Strom in 
Verbindung mit dem Wissen über die thermischen Eigenschaften der an den 
beiden Flächen angebrachten Kühlkörpern und zweier Temp.-Sensoren (auf 
jeder Seite einer) von hinten durch die Brust ins Auge auf derartige 
Parameter schließen könnte.
Selbst gemacht habe ich das (natürlich) noch nicht - ist ja nur ein, 
vielleicht auch in die völlig falsche Richtung, weisender Denkanstoss. 
;-)

Autor: Oleg A. (oga)
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Naja, zum Vergleich könnte man diese Methode eventuel benutzen, aber für 
eine quantitative Messung ist sie wohl zu ungenau.

Autor: Ulrich (Gast)
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In einem guten Datenblatt sollte man diese Daten finden. Eventuell aber 
auch nur indirekt über die maximale temperaturdifferenz und den 
Wärmestrom bei Null Temperaturdfferenz. Wenn ich mich richtig erinnere 
ist es beim optimalen Strom gerade so, das die elektrische Leistung 
genauso groß ist wie die gepumpte wärmemenge. Der Wärmewiderstand sollte 
sich dann als optimaler Strom * Spannung dazu (ohne Temperaturdifferenz) 
geteilt duch die maximal erreichbare Temperaturdifferenz ergeben. Eine 
gewisse Ungenauigkeit ist da drin, denn die Parameter sind etwas 
Temperaturabhängig. Dazu kommt dann auch noch ein Teil von den 
Isolierkörpern.

Die Wärmeleitung durch das Petierelement ist eine wesentliche 
Begrenzung. Deswegen werden ja gerade die relativ exotischen Halbleiter 
genommen und kein Silizium, damit man eine relativ gute elektrische 
Leitfähigkeit und schlechte thermische Leitfähigkeit hat, soweit das 
halt eben geht.

Autor: Oleg A. (oga)
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Ulrich wrote:
> In einem guten Datenblatt sollte man diese Daten finden.

Es sieht so aus, als ob ich bis jetzt nur schlechte gesehen habe.

Danke für den Rechenanzatz.

Da wir gerade dabei sind: was unterscheidet das gute vom schlechtem 
Peltier?

Autor: Olaf (Gast)
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> Da wir gerade dabei sind: was unterscheidet das gute vom schlechtem
> Peltier?

Bessere Teile sind z.B am Rand versiegelt. Das erhoeht die Lebensdauer
weil kein Wasser ins Bauteil kommt wenn man unter dem Taupunkt liegt.

Olaf

Autor: Oleg A. (oga)
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Aha, danke!
Gibt es auch irgendwelche Unterschiede im Wirkungsgrad, oder andere 
Parameter?

Autor: hmm (Gast)
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>Bessere Teile sind z.B am Rand versiegelt.

Ein bisschen voreilig. Der Hersteller kann nicht ahnen wir der Kunde das 
Ding einsetzen will. Auf Kondensation zu schliessen ist etwas uebereilt. 
Falls man die Kondensation ausschliesst, so ist die Abdichtung nur eine 
zusaetzlicher Waermeleiter.
Ich verklopp die Dinger, und die wenigesten Kunden kuehlen unter die 
Kondensationstemperatur. Die meisten, die mit festen Temperaturen 
arbeiten haben eine Temperatur etwas oberhalb der Raumtemperatur, sodass 
man mit minimal Strom eine stabile Temperatur kriegt. Viele fahren die 
Temperatur im positiven Bereich herum. Andere im negativen Bereich, aber 
im Vakuum, oder unter Schutzgas.

Autor: Oleg A. (oga)
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> Ich verklopp die Dinger

Und?
Gibt es irgendwelche Unterschiede im Wirkungsgrad? Bei mir ist die 
Energie nämlich streng limitiert wegen Batteriebetrieb.

Autor: hmm (Gast)
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Ja. es gibt Unterschiede. Der ist aber generell schlecht. Der beste 
Wirkungsgrad ist bei deltaT=0, wobei der Wirkungsgrad die Waermemenge 
durch den Strom gerechnet wird. Der Wirkungsgrad ist nicht der 
wichtigste Parameter. Fast wichtiger sind Exemplarstreuungen, 
Zuverlaessigkeit bei Zyklenbetrieb.
Batteriebetrieb ? Wenn man mit einem minimal Kleinen durchkommt ... Es 
gibt Standardgroessen ab 6x6mm

Autor: Oleg A. (oga)
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Ich brauche es für eine konstante Temperatur von 4°C. Kleines Peltier 
6x6 ist gut weil die Wärmebrücke zur Aussenwelt klein ist, aber auch der 
Wärmetransport muss über eine kleinere Fläche erfolgen...

Gibt es eigentlich ein Fundamentalwerk für TECs? Irgendein Whitepaper 
mit Praxistips, oder so?

Autor: Olaf (Gast)
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> Die meisten, die mit festen Temperaturen arbeiten
> haben eine Temperatur etwas oberhalb der Raumtemperatur,
> sodass man mit minimal Strom eine stabile Temperatur kriegt.

Hm..haette ich jetzt nicht gedacht. In so einem Falle scheint es
mir billiger zu sein einfach den Sollwert so hoch zu setzen das
man da normalerweise nicht hinkommt, sagen wir mal 45Grad und
einfach nur mit einem Widerstand zu heizen.

> Andere im negativen Bereich, aber im Vakuum, oder unter Schutzgas.

Versauen die einem nicht das Vakuum?


> Ich brauche es für eine konstante Temperatur von 4°C.

Also dann wird da Luftfeuchtigkeit kondensieren. .-)

> Kleines Peltier 6x6 ist gut weil die Wärmebrücke zur
> Aussenwelt klein ist

Also den Satz musst du mir nochmal erklaeren. Die Groesse deines
Elementes richtet sich nach deiner Benoetigten Kuehlleistung. Also
z.B wie gut du deine kalte Seite gegen die Umwelt isolieren kannst.
Oder auch mit welcher Geschwindigkeit du runterkuehlen musst.


> Gibt es eigentlich ein Fundamentalwerk für TECs? Irgendein Whitepaper
> mit Praxistips, oder so?

Naja, bei den Herstellern auf deren Homepages kann man sicherlich was
finden.

Olaf

Autor: Oleg A. (oga)
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>> Kleines Peltier 6x6 ist gut weil die Wärmebrücke zur
>> Aussenwelt klein ist

>Also den Satz musst du mir nochmal erklaeren. Die Groesse deines
>Elementes richtet sich nach deiner Benoetigten Kuehlleistung.

Sicher.
Aber die Kühlleistung ist sowohl durch einen 30x30, als auch durch einen 
40x40 TEC erreichbar. Welches nehme ich jetzt?

Im eingeschwungenen Zustand (Solltemperatur 4°C erreicht) muss der TEC 
nur noch die Wärmr rauspumpen, die von aussen eindringt. Das Ding ist 
gut isoliert, der Hauptanteil der Aussenwärme dringt durch den TEC 
selbst in das kühle Innenvolumen. Also sollte der TEC eine möglichst 
kleine Fläche haben. Anderseits kann ich mir aber vorstellen, das der 
kleinere TEC mit schlechterem Wirkungsgrad arbeitet.

Welches nehme ich jetzt?

Autor: hmm (Gast)
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Weshalb sollte der kleinere Peltier mit kleinerem Wirkungsgrad arbeiten 
? Die Elementchen sind immer dieselben, nur deren Zahl variiert.

Autor: Oleg A. (oga)
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> Weshalb sollte der kleinere Peltier mit kleinerem Wirkungsgrad arbeiten?

Ist nur eine Vermutung: Weil die gleiche Wärmemenge durch eine kleinere 
Öffnung gepumpt werden muss, die Wärmeübergangswiderstände aber grösser 
sind: Innenraum-TEC, TEC selbst, TEC-Kühlkörper, Kühlkörper-Umgebung, 
mit allen dazwischenliegenden Folien und Pasten.

Autor: hmm (Gast)
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Ja. Bei einer gleichen Waermemenge pro Flaeche und Zeit wuerde ich den 
Wirkungsgrad als gleich annehmen.

Autor: Oleg A. (oga)
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Also ist bei gleicher Wärmemenge und Zeit, aber kleinerer Fläche der 
Wirkungsgrad schlechter?

Autor: Jens G. (jensig)
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Wirkungsgrad bestimmt sich aus Nutzenergie und aufzubringender Energie. 
Es ist natürlich anzunehmen, daß der Wirkungsgrad sinkt, wenn das 
Verhältnis von "wärmeübergangsbestimmenden_Flächen" zu von der Wärme zu 
überwindender Strecke ungünstig (klein) wird, weil von der Seite her 
Verluste enstehen. Insofern sind kleine Peltiers mit ungünstiger 
Geometrie sicherlich etwas benachteiligt.

Autor: Ulrich (Gast)
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Der Wirkungsgrad hängt auch von den Einsatzbedingungen ab.

Wenn es darum geht eine hohe Temperaturdifferenz aufrecht zu halten, 
dann ist eine große Fläche schlecht, denn dann wird ein großer Teil der 
Leistung benötigt die Wärmeleitung im TEC selber zu kompensieren. Das 
Peltierelement sollte also nicht unötig groß gewählt werden. Ein bischen 
Reserve für ungünstige Rahmenbedingungen sollte natürlich schon sein.

Bei einer kleinen Temperaturdifferenz (Temperaturstabiliesierung nahe 
Umgebungstemperatur) wird es zunehmend weniger wichtig, dann darf das 
Peltierelemt auch etwas größer als nötig sein.

Autor: Oleg A. (oga)
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Soweit klingt es logisch.
Lässt sich diese Aussage auch quantifizieren?
Was ist eine grosse Temperaturdifferenz und was eine kleine?

Autor: Clemens Gerlach (Gast)
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Bzgl. Standartwerk: Ich habe auch lange gesucht (habe eine Regelung für 
eine Klimakammer durchrechnen wollen) und kaum etwas gefunden. Einzig 
ein paar (gute) Veröffentlichungen von Simon Lineykin. In seinen Papers 
hat er ein SPICE-Modell für TECs aufgestellt und auch Formeln zum 
extrahieren Parameter aus den üblichen Herstellerangaben (deltaTmax, 
Pmax, Imax ...).

Als Beispiel hier dieses:
http://www.ee.bgu.ac.il/~pel/pdf-files/conf102.pdf

Die meisten hier aufgebrachten Fragen in den Gleichungen (8) und (9) 
enthalten (Wärmeleitung + Wärmepumpleistung + elektrische 
Verlustleistung).

Aus dem entwickelten Ersatzschaltbild und den Gleichungen lässt sich die 
Funktionsweise ganz gut nachvollziehen. Nicht von den vielen Formeln 
abschrecken lassen. So wild ist (zumindest das für Anwender interessante 
nicht). Ich habe das simuliert (Matlab) und mit einem billig TEC 
(EBay-Teil) verglichen. Passt ganz gut. Am schwierigsten war das 
Abschätzen der Wärmewiderstände TEC <-> Kühlkörper, da die (vor allem 
auf der heißen Seite) viel ausmachen.

Grundsätzlich zum Wirkungsgrad: Bei einer Temperaturdifferenz von 0 K 
über den beiden Seiten ist dieser am größten und nimmt dann immer weiter 
ab (soweit ich noch weiß, weil irgendwann die Wärmeleitung + el. 
Verlustleistung so groß wie die Pumpleistung werden).

Clemens

Autor: Oleg A. (oga)
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Oha, danke, das ist mal was!

Du schreibst, dass Du es mit diesem Model bereits im Spice simuliert 
hast. Hast Du zufällig noch die Netzliste?

Gruss

Autor: Clemens Gerlach (Gast)
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Ich habe es in Simulink nachgebaut (war schon eine Weile her). Keine 
Ahnung ob ich das noch finde. Aber ich habe einfach die Schaltung aus 
dem Paper mit der SimPower Toolbox zusammengeklickt
.
Clemens

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