Grundlegendes

Wie alle Seiten auf der Tech-Ecke, erhebt auch diese Seite und diese sogar insbesondere keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Wer tiefergreifende Informationen zum Peltier-Effekt sucht, der ist hier falsch am Platz... hier wird gebastelt!

Ein Peltier-Element ist ein elektrothermisches Bauteil, welches elektrischen Strom in Kälte und Wärme umsetzt. Aber auch Kälte und Wärme in elektrischen Strom wandeln kann. Das Element besteht aus zwei Aluminiumoxidplatten, etwas Halbleitermaterial dazwischen und zwei Anschlüsse.

Erwärmt man eine Platte und hält dabei die andere kühl, so entsteht eine Gleichspannung an den Anschlüssen. Tauscht man warm und kalt, so kehrt sie auch die Polarität um. Umgekehrt verhält es sich wenn man Spannung auf die Anschlüsse gibt. Dann erhitzt sich eine Seite, während sich die andere abkühlt. Dreht man die Polarität um, dreht sich auch die Kalt- und Warmseite. Eigentlich eine äußerst interessante Sache und man fragt sich: "Warum man Klimaanlagen so irrsinnig komplex aufbaut, wenn das mit so einem simplen Halbleitersandwich auch erledigt werden kann?" Der Grund ist der äußerst bescheidene Wirkungsgrad. Insbesondere beim Kühlen und erzeugen von Strom gibt es signifikant effizientere Möglichkeiten, aber auch beim Heizen geht der Energiebetrag verloren, welcher als Kälte abfällt. Nichtsdestotrotz haben Peltier-Elemente ihre Daseinsberechtigung, denn dem bescheidenen Wirkungsgrad steht eine äußerst kompakte und simple Technik gegenüber, die sich im Einzelfall rechtfertigt.

   Peltier-Kühler

Aus KFZ-Kühl/Wärmeboxen und von "stromlosen" Kaminventilatoren kenne ich die faszinierenden Elemente schon seit etlichen Jahren, aber nun habe ich endlich auch mal ein konkretes Bastelprojekt umgesetzt, bei dem ein bzw. gleich zwei Peltier-Elemente zum Einsatz kommen. Und zwar dem "Low-Budget-Chiller" für meinen K40-Lasercutter. Um die Thematik ein wenig zu beleuchten, entstand auch diese Seite hier und wie all meine Seiten erhebt auch diese nicht den Anspruch auf Vollständigkeit, nur soviel, dass es zum Umsetzen von Bastelprojekten reicht.

Wirkungsgrad beim Kühlen

Oft wird für Peltier-Elementen ein Wirkungsgrad von 0,1 (10%) genannt, aber nicht für welchen Einsatz? Kühlen, Heizen, Stromerzeugen? Theoretisch entsteht in gleichen Teile Wärme auf der einen Seite und Kälte auf der anderen Seite. Je mehr Strom fließt, desto mehr Kälte, aber auch Wärme wird erzeugt. Da die Wärme allerdings von der heißen auf die kalte Seite überschlägt, verschiebt sich das Verhältnis hin zu einem schlechteren Wirkungsgrad, je mehr Energie (Strom) eingebracht wird. Die logische Konsequenzen ist demnach: Die Wärme auf der heißen Seite so schnell und effektiv es geht wegzuschaufeln.
Das bedeutet also, je mehr Ampere ich in das Modul schicke, desto größer muss der Kühler für die heiße Seite gewählt werden.
Trotzdem kommt man schnell in einen Bereich, wo der Wärmeeintrag zur kalten Seite größer ist, als der gewonnene Kühleffekt. Weshalb dann nur noch Strom verbraten wird und sich keine erhöhte Kühlleistung der kalten Seite einstellt. Übertreibt man es, wird sich sogar der gegenteilige Effekt einstellen und die Temperatur beginnt auf der kalten Seite wieder zu steigen. Es gilt also den, zum Kühler passenden Optimalwert (Sweet Spot) der Stromstärke zu finden, dazu mehr unter Abstimmung der Komponenten.

Dimensionierung Kühler und Peltier-Element

Welchen Wirkungsgrad ich jetzt letztlich für das TEC-Element annehmen darf bleibt sehr schwammig. Ebenso ist die Berechnung von Kühlkörpern eine Wissenschaft für sich, weshalb ich empfehle das Ganze wie folgt auszulegen: "Je größer desto besser" :-)
Das was an Kühler machbar ist, sei es limitiert durch den Bauraum oder Geldbeutel, sollte man auch umsetzen. Ein Lüfter ist quasi Pflicht, aber auch eine Wasserkühlung darf in Betracht gezogen werden, wenn man das Optimum herausholen möchte bzw. muss. Überkühlen kann man das Element jedenfalls nicht.
Bei der Auswahl des Peltier-Element gilt eigentlich das gleiche, je größer, desto besser. Hier muss dann aber das Element über einen Leistungsregler ansteuert werden. Als Leistungsreglung kann ein ausreichend dimensionierter und regelbarer DC-DC Wandler genommen werden.20 A Varianten bekommt man im Netz für 10 EUR und weniger. Wenn man die Peltier-Elemente günstig kauft, dann sollte man ohne hin immer ein paar Nummern größer kaufen, dazu gleich mehr.  

Vorab ein Test an realer Hardware

Ein TEC1-12706 hat eine max. Belastbarkeit von 6A und 15V und eine max. Leistung von ca. 60W. Bei meinen Tests, mit ausgeglichener Temperatur zwischen Warm- und Kaltseite, also DeltaT=0 und Raumtemperatur ca. 23 °C messe ich bei 12V einen Strom von 2,7 A, welcher mit steigendem Temperaturunterschied an den Außenplatten stetig abfällt. Bei ca. 55 °C auf der Warmseite und 5 °C auf der Kaltseite sind es dann noch 2,2 A. Laut Datenblatt sollte sich bei den Bedingungen aber ein Startstrom von ca. 5 A zeigen, das ist also nicht das, was ich demnach erwartet hätte?

Das Bild zeigt übrigens nur einen schnellen Testaufbau, bei 12V und ungeregeltem Strom. Der Kühler ist für ein TEC1-12706 definitiv zu klein. Wenn geregelt wird, dann sollte der Lüfter auch nicht mit heruntergeregelt werden, sondern immer seine Nennspannung erhalten, damit er auch ordentlich Luft schaufelt.

Des Rätsels Lösung zu den nicht plausiblem Strom?

Wahrscheinlich wurde ich mit dem TEC1-12706 einfach nur verarscht und es ist in Wahrheit ein umgelabelter 04'er oder gar 03'er. Das bei den Element-Typenbezeichnungen wohl öfter gemogelt wird zeigen auch die zahlreichen negativen Bewertungen bei den Billig-Angeboten der allseits bekannten Onlineverkaufsplattformen. Es ist zugegebenermaßen schon sehr auffällig, dass gleiche Elementtypen bei einem Seriösen Online-Händler, wie bspw. Conrad beinahe das 10-fache kosten.
Entweder greift man also einmal tief in die Tasche, oder man kalkuliert es eben ein über den Tisch gezogen zu werden und ordert bei billigen entsprechend eine paar Nummern größer. Letzteres war jetzt mal meine Devise, weil selbst 3x billig ist immer noch deutlich günstiger als zwei mal seriös - jo, scheiß Einstellung ich weiß :-/ ... aber es kann auch ganz anders kommen, siehe: Nachtrag vom 09.04.2023

Abstimmen der Komponenten

Nachdem das Peltier-Element am Kühler verschraubt bzw. geklemmt ist, kann man sich an das Herantasten der optimalen Einstellung machen. Dabei tastet man sich mit der Spannung (einstellbarer DC-DC-Wandler) von unten nach oben heran. Mit steigender Spannung wird sich auch ein höherer Strom einstellen.
Nach jeder Erhöhung der Spannung sollte man dem Peltier-Element Zeit geben sich einzupendeln. Erfolgt trotz Erhöhung der Spannung und somit auch des Stroms keine weitere Abkühlung auf der kalten Seite, so hat man den Optimalen Punkt überschritten und stellt wieder, auf die unmittelbar zuvor eingestellte Spannung zurück.
Aber diese Einstellung bezieht sich dann nur auf die aktuell gegebenen Einflussbedingungen, insbesondere auf die Umgebungstemperatur. Die Abstimmung sollte also bei der höchsten anzunehmenden Umgebungstemperatur stattfinden, da hier der Kühler die Wärme weniger effektiv abführen.

Zum Schluss sei eventuell noch erwähnt, dass zum halten einer Bestimmten Temperatur das Modul am einfachsten ein- und ausgeschaltet werden kann, z.B. mit dem XH-W301. Wobei die TEC Elemente es nicht sonderlich mögen permanent ein- und ausgeschaltet zu werden. Aber die Regelung über ein Spannung/Strom bzw. PWM ist im Gegenzug auch aufwendiger. Je nach Hersteller werden 100.000 - 120.000 Schaltzyklen angegeben.
Eine Reglung der Mindesttemperatur ist besonders beim Kühlen von Elektronikbauteilen wie CPU's wichtig. Denn bei wenig Gegenwärme vom CPU, kann die Temperatur schnell unter den Taupunkt sinken und sich dann Kondenswasser bilden - ganz blöd im PC :-/

Nachtrag 09.04.2023: Nachdem ich nun insgesamt 8 günstige Peltier-Element mit 3 unterschiedlichen Leistungsstufen vor mir habe, möchte ich mal die gemessenen Werte hier aufzeigen. Alle Elemente wurden jeweils paarweise beim größten Online-Marketplace der westlichen Hemisphäre geordert. Der Erste Satz TEC1-12706 war in einem Kühlermodul verbaut (siehe "Low-Budget-Chiller"), zwei weiter TEC1-12706 lagen noch in der Schublade (? EUR) von einem Test aus dem nie ein Projekt wurde. Dann habe ich noch je ein paar TEC1-12709 (10 EUR) und TEC1-12715 (12 EUR) nachgeordert. Hier nun die gemessenen Anlaufströme in der Übersicht: