Wärmemanagement

Kühlung sensibler Komponenten mit Peltier-Elementen

| Autor / Redakteur: Jürgen Beckers* / Kristin Rinortner

Peltier-Elemente als Alternative beim Wärmemanagement: Im Bild zu sehen ist der Einsatz von Peltier-Elementen in der Analytik.
Peltier-Elemente als Alternative beim Wärmemanagement: Im Bild zu sehen ist der Einsatz von Peltier-Elementen in der Analytik. (Bilder: Eureca Messtechnik)

Wärme aus elektrischer Verlustleistung oder Umgebungswärme sorgt mit zunehmender Empfindlichkeit der Komponenten häufiger für Störungen und Ausfälle. Hier können Peltier-Elemente helfen.

Elektronikkomponenten und Baugruppen werden immer leistungsfähiger – aber auch immer anfälliger für äußere Einflüsse. Insbesondere Wärme, egal ob elektrische Verlustleistung oder Umgebungswärme, sorgt mit zunehmender Empfindlichkeit auch häufiger für Störungen und Ausfälle. Hier können Peltier-Elemente helfen.

Der Sensorik-Experte Eureca Messtechnik entwickelt kundenspezifische Kühlsysteme, die sich speziell für den Einbau in enge und sensible Umgebungen wie Steuerungsgehäuse oder Computer eignen: Die dazu verwendeten Peltier-Elemente benötigen kaum Platz und beinhalten keine beweglichen Teile, was sie sehr wartungsarm und langlebig macht.

Gleichzeitig besteht, anders als etwa mit Kompressoren, keine Gefahr von Kühlmittellecks oder Schäden durch Verschleiß. Um eine optimale Kühlleistung zu erreichen, werden die Elemente entsprechend der jeweiligen Anwendung dimensioniert und konfektioniert. Ein eigens entwickeltes Simulationsprogramm hilft dabei, die passende Auslegung zu ermitteln.

Ein häufiges Problem in der Halbleiterelektronik ist die Verschiebung der Arbeitspunkte durch Temperaturänderungen, was zu Fehlern und Leistungseinbußen bis hin zu Ausfällen führen kann. Wo hochpräzise Ergebnisse benötigt werden, ist daher eine verlässliche Kühlung unumgänglich, lässt sich jedoch in den meisten Geräten mit herkömmlichen Verfahren nur schwer realisieren. Zwar sind heute bereits sehr vibrationsarme, leistungsstarke Kühlkompressoren verfügbar, allein ihre Größe verbietet aber häufig einen Einsatz in der High-End-Elektronik.

Peltier-Elemente stellen hier eine effiziente Alternative dar, da ihre Kühlwirkung auf einem thermoelektrischen Effekt beruht, der selbst weder Druck noch Kühlflüssigkeiten benötigt. Sie sorgen mittels eines thermoelektrischen Effekts für den Transport der Wärme vom Sensor weg und führen durch das aktive Pumpen der Wärme zum Kühlkörper dort zu einer Temperatur- und damit Effizienzsteigerung.

Individuelle Kühlelemente sparen Platz und Kosten

Im Wesentlichen bestehen Peltier-Elemente aus verschieden dotierten Wismuttellurid-Klötzchen, die zwischen zwei Keramikplatten verlötet sind. Dies ermöglicht einen flachen und kompakten Aufbau. Die Lebensdauer eines solchen Bauteils kann ohne nennenswerte Leistungseinbußen dreißig Jahre und mehr betragen. Die Elemente lassen sich zudem in unterschiedlichen Größen und Kühlleistungen fertigen, wodurch sich für nahezu jeden Einsatzbereich ein passendes Element findet – oder unkompliziert hergestellt werden kann.

Je nach konkretem Anforderungsprofil rechnen sich solche und andere spezifische Anpassungen bereits ab recht geringen Stückzahlen von etwa 1000 Elementen.

Eine recht häufige Anpassung der Peltier-Elemente ist die Versiegelung des Zwischenraums zwischen den Keramikplatten mit Polyurethan, Epoxid oder Silikon, um sie gegen Feuchtigkeit zu schützen und die Leistungsstabilität zu gewährleisten. Das ist z.B. für den Einsatz bei normaler Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur wichtig, da sich durch die Kühlung Tauwasser bilden könnte, das die Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen würde.

Zusätzlich können sowohl bei kundenspezifischen als auch bei Standardelementen Kabel und Steckverbindungen konfektioniert werden, um einen unkomplizierten Einbau in die Geräte zu gewährleisten. Außerdem bietet das Unternehmen die individuelle Beschriftung der Elemente zum Beispiel mit Leistungsangaben oder Barcodes per Lasergravur an, so dass selbst bei ungewöhnlichen Konfigurationen jedes Bauteil exakt und dauerhaft identifiziert werden kann.

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