Peltier-Elemente

Durch definierte Umgebungsbedingungen die Qualität in der Analytik erhöhen

Für „coole“ Proben und eiskalte Messtechnik: Peltier-Elemente ermöglichen zuverlässige Kühlung und Temperierung von Messgeräten und Materialien. Analytische Sensoren und Messsysteme werden immer leistungsfähiger – aber auch immer anfälliger für äußere Einflüsse.

(Bild: Eureca Messtechnik)

Insbesondere Wärme, egal ob elektrische Verlustleistung oder Umgebungswärme, kann nicht nur die empfindlichen Systeme stören, sondern auch die Proben verändern und Messergebnisse verfälsch. Die Eureca Messtechnik GmbH entwickelt daher kundenspezifische Kühlsysteme, die sich speziell für den Einbau in enge und sensible Umgebungen wie Messgeräte 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 von Eureca entsprechend der jeweiligen Anwendung dimensioniert und konfektioniert. Ein eigens entwickeltes Simulationsprogramm hilft dabei, die passende Auslegung zu ermitteln.

Viele Probleme bei analytischen Prozessen resultieren zum einen aus der Temperaturabhängigkeit der Halbleiter in den Messgeräten selbst und zum anderen aus der Temperaturempfindlichkeit der Proben, die im Analyseprozess durch Erwärmung unerwünschte Veränderungen durchlaufen können. Wo hochpräzise Ergebnisse benötigt werden, ist daher eine gezielte Temperierung 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 Labortechnik. Peltier-Elemente stellen hier eine effiziente Alternative dar, da ihre Kühlwirkung auf einem thermoelektrischen Effekt beruht, der selbst weder Druck noch Kühlflüssigkeiten benötigt. Das Bauteil wirkt als Wärmepumpe, die für einen kontrollierten Wärmetransport sorgt.

Anzeige
(Bild: Eureca Messtechnik)

Individuelle Kühlelemente sparen Platz und Kosten
Im Wesentlichen bestehen Peltier-Elemente aus verschieden dotierten Bismuttellurid-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 unterschiedlichsten 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 1.000 Elementen“, erklärt Ina Sengebusch, Kundenberaterin für thermales Management bei Eureca.

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 Stabilität der Performance zu gewährleisten. „Das ist etwa für den Einsatz bei normaler Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur wichtig, da sich durch die Kühlung Tauwasser bilden könnte, das die Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen würde“, so Sengebusch. Zusätzlich dazu können sowohl bei kundenspezifischen als auch bei Standardelementen Kabel und Steckverbindungen konfektioniert werden, um einen unkomplizierten Einbau in Messgeräte zu gewährleisten. Außerdem bietet Eureca 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.

Wartungsfreie Kühlung auf engstem Raum: Peltier-Elemente ermöglichen eine definierte Temperierung empfindlicher Proben und Messgeräte, was die Qualität der Analysen erhöht. (Bild: Eureca Messtechnik)

Anpassung bis hin zur Spezialanfertigung auf Basis von Simulationen
Um zu bestimmen, wie das ideale Kühlelement für eine geforderte Kühlleistung und -temperatur passend zu den Umgebungsbedingungen dimensioniert werden muss, entwickelte Eureca eigens ein Simulationsprogramm, das die Wärmeströme bei unterschiedlichen Konfigurationen und Szenarien abbilden kann. Dies erlaubt eine physikalisch fundierte Auswahl geeigneter Komponenten und reduziert die sonst häufigen Trial-and-Error-Schleifen, mit denen man sich üblicherweise an eine geeignete Lösung herantastet. Entsprechend den Werten aus der Simulation werden die konkreten Anforderungen an das Peltier-Element ermittelt.

Auf dieser Basis kann entweder ein passendes Element aus der großen Bandbreite an Standardtypen ausgewählt werden oder die Entscheidung fällt zugunsten einer spezifischen Anfertigung, deren Lastenheft direkt aus dem Anforderungsprofil abgeleitet werden kann. Für die Herstellung arbeitet Eureca mit internationalen Spezialisten zusammen, die alle Leistungs- und Qualitätsabstufungen vom Low-Cost- bis zum High-End-Element abdecken können. Das mögliche Standardspektrum reicht von Mikro-Elementen ab 4,3 x 4,3 mm, wie sie zum Beispiel für einzelne Sensoren verwendet werden können, bis hin zu Hochleistungs-Peltier-Elementen in Größen bis zu 62 x 62 mm.

Das Verfahren basiert auf dem Peltier-Effekt, der sich bei wechselseitig verbundenen Halbleitern mit unterschiedlicher Thermokraft ergibt. Wird an den Aufbau Strom angelegt, müssen die Elektronen zur Wanderung in das energetisch höhere Leitungsband Wärmeenergie aufnehmen, was die Umgebung abkühlt. Auf der anderen Seite spielt sich der Prozess umgekehrt ab und Wärme wird freigesetzt.

Bei der Verwendung einzelner Elemente können Kühlleistungen von 450 Watt und mehr ermöglicht werden, zur Erzielung größerer Kühlleistungen ist die thermisch parallele Verwendung mehrerer Peltier-Elemente eine gängige Praxis. Darüber hinaus sind für Anwendungen, die sehr niedrige Temperaturen erfordern, auch mehrstufige Varianten mit bis zu fünf Stufen übereinander verfügbar, die eine Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite des Elements von über 130 K erzielen können.

Höhere Zuverlässigkeit durch Zusammenstellung kompletter Module
Neben der Auswahl beziehungsweise dem Design der Peltier-Elemente stimmt Eureca bei Bedarf auch die weiteren, für einen reibungslosen Betrieb notwendigen Komponenten, wie Kühlkörper, gegebenenfalls Lüfter oder Wasserkühlungen sowie die nötigen Wärmeleitprodukte in Form von Klebern, Pasten oder Pads, auf die entsprechenden Applikationen ab. Dadurch wird ein störungsfreier Wärmefluss von der Probe oder dem Sensor bis zum Kühlkörper oder einer Wasserkühlung sichergestellt. Um die Zieltemperatur optimal zu erreichen, wählen die Experten zusätzlich die passenden Regler, Netzteile sowie Temperatursensoren aus und übernehmen ebenfalls die fachgerechte Montage der Kühlmodule, vom Einzelmodul oder Prototypen bis hin zur Serienfertigung.

Die plattenförmigen Kühlelemente benötigen weder Kühlmittel noch komplexe, funktionale Konstruktionen, weshalb sie sehr stabil arbeiten und kaum Bauraum beanspruchen. Das Format kann passend zur Anforderung gewählt werden. (Bild: Eureca Messtechnik)

Wie die Ausgestaltung im konkreten Fall aussehen soll, wird jeweils in enger Absprache mit dem Kunden und im Abgleich mit den Ergebnissen aus den Simulationen entschieden, um sowohl die technische Machbarkeit, die qualitativen Ansprüche wie auch die wirtschaftliche Rentabilität zu berücksichtigen. Eureca kann hierzu auf die Erfahrungswerte von vielen Projekten aus unterschiedlichsten Bereichen zurückgreifen, so dass sich für praktisch jede Anwendung eine geeignete Lösung finden lässt.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Integriertes Datenmanagement

Ihre im Labor erzeugten Daten können Sie sicher und strukturiert in einem System sammeln. NEC und labfolder bieten ein Mittel für die effiziente Verwaltung großer wissenschaftlicher Datensätze an.

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

Integriertes Datenmanagement
Die Herausforderung bei der Digitalisierung des Laboralltags besteht im Wechsel von Papierlaborbüchern und Computerdateien zu einer Datenmanagementsoftware, die große Datensätze strukturiert innerhalb eines einzigen Systems sammelt.

Zum Highlight der Woche...