Moderne Peltier-koeltechnologie. Moderne Peltier-koeltechnologie. Gaan Peltier-modules de compressor verdringen?

Transcriptie

1 Moderne Peltier-koeltechnologie Gaan Peltier-modules de compressor verdringen? 1

2 Samenvatting Peltier-elementen zijn thermo-elektrische componenten die warmte omkeerbaar in een gedefinieerde richting kunnen pompen. Hoewel het principe reeds lang bekend is, kon de Peltier-technologie pas moderne halfgeleidermaterialen doorbreken. De sterke punten van de Peltier-technologie liggen in de schaalbaarheid van de koelelementen, de onafhankelijkheid van de positie van deze elementen, de betrouwbaarheid en de fijn doseerbare regeling. Bovendien werken Peltier-elementen zonder bewegende delen en daardoor in principe zonder trillingen en geluiden. Een belangrijk voordeel t.o.v. conventionele compressorkoelmachines is de vermijding van brandbare of voor het milieu schadelijke koelmiddelen. De maximale capaciteit en effectiviteit van Peltier-koelsystemen liggen echter aanzienlijk lager dan bij compressorsystemen. Bij standaard koelen vriesapparaten moet rekening worden gehouden met veel hogere energiekosten en een sterkere warmteafgifte. Met de bijzondere eigenschappen kan de Peltier-technologie voor een breed spectrum speciale toepassingen worden ingezet. Deze zal echter de compressoren bijvoorbeeld bij huishoudelijke koelkasten niet verdringen omdat de technologie niet zuinig genoeg werkt. 2

3 Inhoudsopgave 2 Samenvatting 4 Thermo-elektrische effecten Geschiedenis Natuurkundige achtergrond 6 De technische realisatie van thermisch-elektrische koeling Opbouw van een Peltier-element Opbouw van een Peltier-module Regeling van een Peltier-systeem 9 Vergelijking koeltechnologieën 11 Toepassingsterreinen van Peltier-technologie 13 Conclusies 14 Colofon 3

4 Thermo-elektrische effecten Geschiedenis Het Seebeck-effect De Duits-Baltische natuurkundige Thomas Johann Seebeck ( ) ontdekte in 1821 dat in een gesloten circuit met twee verschillende metalen een kompasnaald uitslaat als de contactpunten van de geleider verschillende temperaturen hebben. De Deense natuurkundige Hans Christian Ørsted onderzocht tegelijkertijd het fenomeen elektromagnetisme en interpreteerde Seebecks thermomagnetisch effect correct als thermo-elektrisch effect, namelijk een door het temperatuurverschil veroorzaakte elektriciteitsstroom die op zijn beurt weer het door Seebeck geobserveerde magneetveld veroorzaakt. Het Peltier-effect Pas dertien jaar na de ontdekking van het thermo-elektrische effect ontdekte de Franse natuurkundige Jean Charles Athanase Peltier ( ) het omgekeerde effect, het ontstaan van een temperatuurverschil bij contactpunten van twee verschillende elektrische geleiders bij het stromen van een elektrische stroom. Peltier kon dit effect in die tijd nog niet correct verklaren. Dat lukte de Iers-Britse natuurkundige William Thomson (ook wel Lord Kelvin genoemd naar wie de SI-temperatuureenheid is genoemd) in 1860 wel met zijn theorie over thermodynamica. Leiter A kalt warm Leiter B Strom 4

5 Thermo-elektrische effecten Natuurkundige achtergrond Thermokracht Bij de thermo-elektrische effecten gaat het in principe om verschillende fenomenen die via een gemeenschappelijke materiaalconstante onderling zijn verbonden. De zogenaamde thermokracht Q verschilt bij metalen geleiders slechts in enkele µv/k. Voor de technische realisatie van het Peltier-effect is echter een paar elektrische geleiders met zeer veel hogere thermische spanning nodig. Tot nog toe heeft men slechts enkele halfgeleiders gevonden die hieraan voldoen bij kamertemperatuur. De coëfficiënt Π is het product van thermokracht en temperatuur (Kelvin-relatie): Π = Q T De aan het grensvlak tussen twee geleiders vrijgekomen hoeveelheid warmte van het Peltiereffect bedraagt W = (Π A Π B ) I De warmtestroom (W) is afhankelijk van het verschil van de Peltier-coëfficiënten en proportioneel t.o.v. van de elektriciteitsstroom I. Het voorteken van de warmtestroom hangt af van de stroomrichting. Een negatief voorteken betekent een warmte-opname aan het contactpunt. Het elektrische verlies groeit echter met een toenemende stroom sneller dan het warmtetransport door het Peltier-effect. Als gevolg daarvan wordt het koelvermogen vanaf een bepaalde stroomsterkte ondanks de verhoging van de stroom niet hoger, maar zelfs lager. Thermo-elektrische koeling Het Peltier-effect kan technisch voor koeling worden ingezet. Tegenover te koele zijde met de temperatuur T 0 staat een warmtereservoir met de temperatuur T 1. (T 0 T 1 ) max = 1/8 (Π A Π B ) σ/λ Het maximaal bereikbare temperatuurverschil verloopt proportioneel t.o.v. de elektrische geleidbaarheid λ en omgekeerd operationeel t.o.v. de warmtegeleiding σ, dus twee tegenovergestelde-eigenschappen. En precies dit is naast de benodigde thermische spanning de tweede uitdaging voor de technische realisatie van het Peltier-effect, want de meeste goede elektrische geleiders glijden ook warmte zeer goed. 5

6 Technische realisatie van de thermo-elektrische koeling Opbouw van een Peltier-element Thermokoppel De kleinste component van het thermo-element is het thermokoppel. Deze bestaat uit twee elektrische geleiders met zeer verschillende Seebeck-coëfficiënten om een zo hoog mogelijke thermische spanning op te wekken. Als materiaal worden meestal halfgeleiderblokjes gebruikt en aan de uiteinden met koper verbonden. Het tot nu toe meest geschikte materiaal voor kamertemperatuur toepassingen is bismut-telluride in n- en p-dotering. kalt p n warm warm Strom Thermo-element Een modern Peltier-element bestaat uit vele thermokoppels, die met koperbruggen elektrisch in serie geschakeld zijn. De koperbruggen aan iedere zijde worden door keramische platen (meestal aluminiumoxide) thermisch met elkaar verbonden, maar elektrisch van elkaar geïsoleerd. Ook al wordt hier p- en n-gedoteerd halfgeleidermateriaal gebruikt, gaat het hier niet om halfgeleidertechnologie in eigenlijke zin zoals bijvoorbeeld in halfgeleiderdioden te vinden is. Daar moeten de beide halfgeleiders in direct contact staan om de elektriciteitsstroom in één richting te blokkeren. In het Peltier-element daarentegen is dit niet handig en de verschillende halfgeleiders zijn meestal door metaalbruggen met elkaar verbonden. Halfgeleiders krijgen kalt daarom de voorkeur boven andere Al 2 O 3 geleidermaterialen omdat men in Bi 2 Te 3 p n warm p n Cu deze materiaalgroep stoffen met hoge thermische spanning heeft gevonden die elektrisch zeer goed geleiden, maar thermisch isoleren. Alleen daardoor kan de koude zijde effectief van de warme worden Strom gescheiden en een nuttig temperatuurverschil worden gegenereerd. 6

7 De technische realisatie van thermisch-elektrische koeling Opbouw van een Peltier-module Een Peltier-module bestaat uit één of meerdere Peltier-elementen en thermisch gekoppelde koellichamen. Het voor het pompen ingezette elektrische vermogen wordt in de Peltierelementen onomkeerbaar in warmte omgezet en moet effectief worden afgevoerd. Bovendien pompen de Peltier-elementen omkeerbaar warmte van een zijde naar de andere, afhankelijk van de stroomrichting. Zo krijgt men aan één zijde een warmte-opname die aanzienlijk lager is dan de aan de andere zijde afgegeven warmte. Overeenkomstig moet de warmtewisseling over grote koellichamen plaatsvinden die aan beide zijden warmtesluitend tegen het Peltier-element liggen. De opgewarmde of gekoelde lucht worden meestal door sterke ventilatoren afgevoerd. Lüfter kalt Kühlkörper Peltier-Element warm 7

8 De technische realisatie van thermisch-elektrische koeling Regeling van een Peltier-systeem Vaak worden Peltier-elementen door pulswijdtemodulatie geregeld waarbij de gemiddelde stroomsterkte door de lengte van de stroompulsen van een hoge frequentie wordt geregeld. Ook de spanningsregeling is een gangbare methode. Daarentegen wordt de eenvoudige tweepunts regeling nauwelijks ingezet omdat daardoor het wel Peltier-element sterk belast en de levensduur aanzienlijk verkort wordt. Thermische stress Ook al is het mogelijk om Peltier-modules door eenvoudig ompolen te regelen, moeten de consequenties daarvan duidelijk zijn. Als men de stroomrichting omkeert voordat een temperatuurcompensatie in het Peltier-element heeft plaatsgevonden, oefent men een enorme thermische stress op de component uit. De producent van Peltier-chips testen de cyclische stabiliteit van hun producten door directe ompolen en provoceren zo een uitval na reeds enkele honderd cycli. Door bepaalde modificaties kan de cyclische stabiliteit worden verhoogd. Op het gebied van de wetenschap waar vooral de langetermijnstabiliteit en betrouwbaarheid van de apparaten belangrijk zijn wordt deze verkorting van de levensduur meestal niet geaccepteerd. 8

9 Vergelijking koeltechnologieën De sterke punten van Peltier-systemen In principe zijn Peltier-elementen door het ontbreken van bewegende slijtdelen zeer betrouwbaar, onderhoudsarm en duurzaam. Bovendien werken ze zonder geluid en trillingen. Ze kunnen klein en licht worden gebouwd, zelfs wanneer meerdere modules tot één element worden samengevat. Een ander voordeel ligt in de goedkope productie. Peltier-systemen bevatten geen koelmiddel dat brandgevaarlijk of schadelijk voor de ozonlaag is of broeikaseffecten heeft. Het gehele koelcircuit met compressor, smoorklep en grote verdamper- en condensatorcomponenten komt te vervallen. Peltier-elementen zijn onderhoudsvrij en bij een uitval snel en eenvoudig te vervangen. Met moderne regeltechniek kan de koelwerking fijner worden gedoseerd dan bij een conventionele compressor. Bovendien is het door ompoling mogelijk de functie om te keren, dat wil zeggen dat men van een koelelement een efficiënt verwarmingselement kan maken. De zwakke punten van Peltier-systemen Bij Peltier-modules kan technisch niet worden voorkomen dat de warme en koude zijde zeer dicht bij elkaar liggen. In de praktijk zijn de huidige Peltier-modules slechts 3 tot 5 mm dik. Hierdoor is het nodig dat de warmte zeer effectief toegevoerd en afgevoerd moet worden. Technisch wordt dit door grote koellichamen met ventilatoren gerealiseerd. Het vermogen van een Peltier-module is direct afhankelijk van het gewenste temperatuurverschil. Hoe groter dit temperatuurverschil, hoe lager het pompvermogen, totdat het vermogen (bij de huidige stand van de Peltier-techniek) bij ca. 70 K volledig wegvalt. Grotere temperatuurverschillen kunnen slechts met complexe constructies met meertraps elementen worden gerealiseerd. 9

10 Vergelijking koeltechnologieën De energie-efficiëntie Peltier-elementen kunnen warmte aan één zijde opnemen en aan de andere zijde afgeven. Het medium dat voor dit omkeerbare pompproces wordt gebruikt is de elektrische stroom ofwel zijn ladingsdrager. De stroom werkt eigenlijk als koelmiddel in het koelcircuit en het onvermogen is in het ideale geval proportioneel t.o.v. de elektriciteitsstroom. Het is onvermijdelijk dat deze stroom in het Peltier-element met zijn eigenschap als ohmse weerstand onomkeerbaar in warmtejoule wordt omgezet. Deze warmteontwikkeling vormt niet alleen een vermogensverlies maar de verlieswarmte moet bovendien aan de koude zijde door het onvermogen worden gecompenseerd, nog voordat er een netto-koelvermogen ontstaat. In de praktijk moet bij Peltier-systemen moet rekening worden gehouden met een meervoud van het warmtepompvermogen als vermogensverlies. Het koelvermogen van compressorsystemen daarentegen is ca. twee keer hoger dan de te investeren arbeid. 10

11 Toepassingsterreinen van Peltiertechnologie De moderne Peltier-technologie wordt toegepast in situaties waarin compressoren vanwege hun grootte niet geschikt zijn, de energie-efficiëntie een ondergeschikte rol speelt of waarin slechts een laag koelvermogen nodig is. Huishouden en vrije tijd Boxen die werken op basis van de Peltier-technologie zijn ideaal voor het actief koelen van levensmiddelen en dranken in de auto of campingwagen, aangezien ze kunnen mobiel worden ingezet en direct op het 12V-boordnet worden aangesloten. Eén van de eigenlijke nadelen van de Peltier-modules wordt bij de luchtontvochtiger benut. De lucht die moet worden ontvochtigd wordt via de koude zijde van de Peltier-module geleid en het condenswater dat daarbij ontstaat in een bak opgevangen. Wetenschap Een bekend voorbeeld voor Peltier-temperering is de thermocycler, een laboratoriumapparaat voor de vermenigvuldiging van DNA-sequenties. Bij deze zogenaamde PCR (polymerase chain reaction) zijn drie verschillende snel op elkaar volgende reactietemperaturen nodig. Compressorsystemen kunnen niet onbeperkt worden geschakeld. Peltier-modules daarentegen kan men zeer klein met een verbazingwekkend vermogen bouwen. Dergelijke miniatuur-peltierelementen kunnen bijvoorbeeld in scintillatoren worden ingezet waardoor de ruis van fotodioden door koeling moeten worden verlaagd. Gangbare compressorsystemen werken afhankelijk van de positie. In gekantelde toestand of zelfs op de kop staand voeren ze hun taken uit, dat is ook het geval bij gewichtloosheid. Met Peltier-modules kan men daarentegen mobiele apparaten instrueren die met de eenvoudig beschikbare 12V-accu kunnen worden gebruikt. Voorbeeld: dichtheidsmeters, viscosimeters, rheometers of refractometers. 11

12 Toepassingsterreinen van Peltiertechnologie Speciale toepassingen Peltier-elementen geven meer warmte af dan ze kunnen pompen. Voor gangbare computerprocessoren hebben zich daarom hoogontwikkelde koellichamen en warmtetransportelementen weten door te zetten die alleen de door de processor gegenereerde warmte moeten afvoeren. Pas als processortemperaturen onder de kamertemperatuur nodig zijn, wordt de Peltier-technologie toegepast. Meertrapse Peltier-modules kunnen een temperatuurverschil van meer dan 100 K genereren en worden bijvoorbeeld bij IR-sensoren of hygrometers ingezet. Voor diffusienevelkamers voor het bewijs van verschillende deeltjes (alfastraling, elektrononen, positronen) is zowel koeling als verwarming mogelijk. Hier kan de handzame Peltier-technologie goed worden ingezet. Koelbroedstoven Het is nog niet zo lang geleden dat de Peltier-technologie werd ingezet in de koelbroedstoven in laboratoria. Voor de beschikbaarstelling van constant lage temperaturen (bijvoorbeeld onder de 10 C) zijn ze weliswaar minder geschikt, maar voor incubatoren in het bereik van de kamertemperatuur (15 30 C) of bij toepassingen met warmte-invoer kunnen deze apparaten efficiënt worden ingezet. Hierbij speelt de slechte energie-efficiënte nauwelijks een rol, omdat de koeling op een laag niveau loopt, zonder het maximale vermogen te gebruiken. Daarbij kan het gemiddelde stroomverbruik onder het verbruik van een klassieke koelbroedstoof liggen en het technische werk van een compressorsysteem met de nadelen komt te vervallen. 12

13 Conclusies De Peltier-technologie opent geheel nieuwe mogelijkheden voor speciale toepassingen, in het bijzonder als maximaal over vermogen of energie niet van belang zijn. Dankzij de schaalbaarheid en de onafhankelijkheid van de locatie kunnen kleine of draagbare apparaten worden vervaardigd. Efficiënt wordt de tempel een met Peltier-modules bij geringe temperatuurgradiënten en door de fijne doseerbaarheid van het koelvermogen. Gangbare compressor-koelsystemen komen bij de gangbare koelen vriesapparaten dankzij de hoge efficiëntie en de grotere capaciteitsreserves nog steeds op de eerste plaats, bijvoorbeeld in het huishouden en in laboratoria. 13

14 Colofon Auteur Dr. Jens Thielmann is gediplomeerd bioloog en werkt als Product Manager Growth & Storage bij BINDER GmbH. Hij is productverantwoordelijke voor de verschillende incubatoren die in de geneeskunde, wetenschap en het farmaceutische onderzoek voor de incubatie van bacteriën of zoogdiercelculturen worden ingezet, en voor de ultra-lage vriezers voor de langdurige stabiele opslag van kwetsbare monsters. Bedrijfsprofiel BINDER is de grootste specialist ter wereld voor simulatiekasten voor wetenschappelijke en industriële laboratoria. Met de technische oplossingen levert de onderneming een belangrijke bijdrage aan de verbetering van de gezondheid en veiligheid van de mensheid. Het productprogramma is zowel geschikt voor routinetoepassingen als voor uiterst specifieke werkzaamheden in onderzoek en ontwikkeling, productie en kwaliteitsborging. Met momenteel 350 medewerkers wereldwijd en een exportpercentage van 80 % behaalde BINDER in 2012 een omzet van 56 mln. euro. Contact BINDER GmbH Im Mittleren Ösch Tuttlingen Tel: +49(0) info@binder-world.com 14

15 Colofon Literatuur MacDonald, D.K.C. (1962): Thermoelectricity. An Introduction to the Principles. Wiley, New York Dugdale, J.S. (1977): The electrical Properties of Metals and Alloys. Edward Arnold, Londen Jäckle, J. (1998): Über die Ursache der Thermospannung. Faculteit natuurkunde, universiteit Konstanz Links van producenten