Fragebogen Auswahl Peltier-Element

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1 Fragebogen Auswahl Peltier-Element

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Anwendung / Anordnung / Konfiguration Abmessungen Umgebung Temperatur Kalte Seite Temperatur Kühlleistung / Wärmelast Aktive Last Passive Last Strahlung Konvektion Wärmeleitung Transienten Heisse Seite Temperatur Kühlmedium Lüfter Arbeitspunkt Vorgaben für die Stromversorgung Spannung Strom Leistung Optionen Anschlussdrähte Länge Serie-Schaltung Stecker Abdichtung Peltier_Fragebogen.doc Seite 2 von 10 V1.0

3 1 Einleitung Für die Auswahl eines geeigneten Peltier-Elements sind die benötigte Kühlleistung und die Temperaturen auf beiden Seiten des Peltier-Elements die wichtigsten Parameter. Dieses Dokument hilft Ihnen bei der Ermittlung der benötigen Angaben. Sie werden nicht alle Parameter kennen. Geben Sie die bekannten Werte an. Je mehr Informationen zur Verfügung stehen, desto besser können Ihre Anforderungen mit einem passenden Peltier- Element erfüllt werden. 2 Anwendung / Anordnung / Konfiguration Wo möchten Sie Peltier-Elemente einsetzen? Haben Sie bereits eine Vorstellung wie Ihre Peltier- Anwendung aussehen soll? Erstellen Sie eine Skizze Ihrer Anwendung. Geben Sie die bekannten Daten in Stichworten an. Peltier_Fragebogen.doc Seite 3 von 10 V1.0

4 3 Abmessungen Gibt es Einschränkungen bezüglich der Abmessungen? 4 Umgebung 4.1 Temperatur Die Umgebungstemperatur bestimmt die nötige Kühlleistung und die Temperatur auf der heissen Seite. Sie ist während dem Betrieb meist nicht konstant. Deshalb geben Sie den Temperaturbereich an, bei dem Ihre Anwendung betrieben werden soll. Kühleinheit in einem Analyse-Gerät: C Minimale Umgebungstemperatur:... Maximale Umgebungstemperatur:... 5 Kalte Seite 5.1 Temperatur Welche Temperatur möchten Sie mit Ihrer Kühlung erreichen? Beachten Sie, dass die Temperatur auf dem Peltier-Element kleiner sein wird, als ihre Zieltemperatur. Der Unterschied ist abhängig vom Wärmeübergang. Wird ein Temperaturregler eingesetzt, kann die Temperatur sehr genau eingehalten werden. Geben Sie deshalb auch die gewünschte Temperaturabweichung an. Kühltemperatur:... Maximale Abweichung: Kühlleistung / Wärmelast Die Wärmelast kann aus zwei Arten bestehen: aktiver und passiver Wärmelast oder einer Kombination davon. Die Aktive Wärme ist die Abwärme des zu kühlenden Bauteils. Sie entspricht in der Regel der Eingangsleistung des Bauteils. Die Passive Wärmelast ist eine zusätzliche Wärmelast, die aus Strahlung, Konvektion (Strömung) oder Konduktion (Wärmeleitung) bestehen kann. Peltier_Fragebogen.doc Seite 4 von 10 V1.0

5 5.2.1 Aktive Last Sie entspricht in der Regel der el. Eingangsleistung der Komponente oder der Baugruppe. P = U 2 / R = I 2 * R = U * I Variable Einheit Beschreibung P W Elektrische Leistung U V Spannung I A Strom R Ώ El. Widerstand Vorgaben Ein Chip nimmt bei einer Spannung von 5 V einen Strom von 1 ma auf. P = 1 V * 1 ma = 5 mw P = Passive Last Strahlung Wenn 2 Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen nahe beieinander sind, tauschen diese temperaturbedingt gegenseitig Wärme aus. Dies geschieht durch elektromagnetische Strahlung, abgegeben von einem Objekt, aufgenommen vom andern Objekt. Das heissere Objekt gibt in der Summe mehr Wärme ab als es aufnimmt, das kühlere Objekt nimmt mehr Wärme auf als es abgibt. Dies wird thermische Strahlung genannt. Die Strahlungswärme ist normalerweise unbedeutend in Systemen mit Gas-Umgebung (Luft-), weil die übrige passive Last typisch viel grösser ist. Strahlungswärme kommt zum Tragen in Systemen mit kleiner aktiver Last und grossen Temperaturdifferenzen, speziell beim Betrieb im Vacuum. Q St = F * e * s *A * (T Umg 4 - T c 4 ) Variable Einheit Beschreibung Q St W Strahlungsleistung F - Formfaktor (im schlechtesten Fall = 1) e - Emissionsgrad (im schlechtesten Fall = 1) s W/m 2 /K 4 Stefan-Boltznmann-Konstante (5.667*10-8 W/m 2 /K 4 ) A m 2 Oberfläche des zu kühlenden Objekts T Umg K Umgebungstemperatur T c K Temperatur der zu kühlenden Fläche Vorgaben Ein Detektor wird in einer Umgebung von 27 C auf 50 C gekühlt. Bekannte Parameter: Oberfläche des Detektors (Fläche + 4 Seiten ): 8.54*10-4 m 2 Faktoren: e = 1, F = 1 Q St = 1 * 1 * 5.667*10-8 W/m 2 /K 4 * 8.54*10-4 m 2 *((300K) 4 (223K) 4 ) = W Peltier_Fragebogen.doc Seite 5 von 10 V1.0

6 Q St = Konvektion Wenn ein Medium (meistens Gas) über ein Objekt strömt und dieses eine unterschiedliche Temperatur zum Objekt hat, entsteht ein Wärmeaustausch. Die Grösse des Wärmeaustausches ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Konvektive Wärmelast wird häufig durch natürliche (freie) Konvektion verursacht. Dies ist der Fall wenn die Strömung nur durch die Erwärmung des Gases und nicht durch einen Lüfter oder eine Pumpe angetrieben wird. Die Grösse der Konvektion in einem System ist eine Funktion der exponierten Oberfläche und der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und dem strömenden Fluids (Gas, Flüssigkeit). Die Konvektion kommt zum Tragen bei Systemen mit kleiner aktiver Last in Gas-Umgebung und grossen Temperatur-Differenzen. Q Konv = h * A * (T Luft T c ) Variable Einheit Beschreibung Q Konv W Konvektionsleistung h W/m 2 /K Konvektions-Koeffizient (Horizontale Platte in Luft 21.7 W/m 2 /K A m 2 Oberfläche des zu kühlenden Objekts T Luft C Temperatur der Umgebungsluft T c C Temperatur der zu kühlenden Fläche Vorgaben Kühlplatte 100 x 100 x 6 mm wird von 25 C auf 5 C gekühlt, Fläche und 4 Seiten haben Kontakt mit der Luft. Q Konv = 21.7 W/m 2 /K * ((0.1 m) * 0.1 m * m) * (25 C 5 C) = 5.4 W Q Konv = Wärmeleitung Die Wärmeleitung geschieht innerhalb eines Stoffes vom warmen zum kalten Bereich. Die Wärmeleitung in einem System entsteht in Anschlussdrähten, Schrauben usw. die eine Wärmebrücke bilden zwischen dem zu kühlenden Teil (kalten Seite) und dem Kühlkörper oder der Umgebung (heisse Seite). Q Cond = k A / L T Variable Einheit Beschreibung Q Kond W Wärmeleitung in Stoffen k W/m 2 Wärmeleit-Koeffizient /K (Siehe Tabelle) A m 2 Oberfläche des zu kühlenden Objekts L m Abstand zwischen den beiden Temperaturen T C Temperaturdifferenz Vorgaben Peltier_Fragebogen.doc Seite 6 von 10 V1.0

7 Material Wärmeleit-Koeffizient W / m / K Luft Polyurethan Aluminium 204 Kupfer 386 Stahl 48 Rostfreier Stahl 13.8 Wasser 0.61 Die Kalte Seite des Peltier-Elements soll eine Referenztemperatur von 20 C haben. Ein Temperatursensor ist darauf montiert. Er hat 2 Platin-Drähte mit einem Durchmesser von 0.25 mm und 12 mm Länge. Diese werden an Steckern auf dem Kühlkörper angeschlossen (Temperatur 30 C) k = 70.9 W/m/K A = Pi * d 2 / 4 = * (0.25*10-3 m) 2 / 4 = 9.82 * m 2 Q Konv = 70.9 W/m/K * 9.82 * m 2 / 0.012m * (30 C (-25 C)) = 0.32 mw Q Kond = Transienten Bis ein stationärer Zustand erreicht wird, muss zusätzliche Wärme abgeführt werden, damit die gewünschte Temperatur erreicht wird. Die Zeit bis ein stationärer Zustand erreicht wird, ist abhängig von der Kühlleistung. Muss der stationäre Zustand in einer bestimmten Zeit erreicht werden, so muss die Kühlleistung entsprechend gross sein. t = ρ * V * c p * (T 2 T 2 ) / Q Variable Einheit Beschreibung t s Zeit für Ausgleich ρ Kg/m 3 Spezifische Masse des Materials V m 3 Volumen des Materials C p J/kg/K Spezifische Wärmekapazität. T 1 T 2 K Temperaturänderung Vorgaben In einem Messgerät muss ein Aluminium Plättchen innerhalb von 10 s von 37 C auf 4 C abgekühlt werden. Plättchen: 40 x 20 x1 mm ρ Al = 2700 kg/m 3 ; c pal = 900 J/kg/K Q tr = 2700 kg/m 3 * 0.04 * 0.02 * m 3 *900 J/Kg/K * (37 C 4 C) / 10 s = 6.4 W t = Q tr =. Peltier_Fragebogen.doc Seite 7 von 10 V1.0

8 6 Heisse Seite Auf der heissen Seite muss die Wärme abgeführt werden. Bei der Kühlung mit Luft bestimmt der Kühlköper die Temperatur am Peltier-Element. 6.1 Temperatur Welche Temperatur darf die heisse Seite maximal haben? Luft-Kühlung mit Kühlkörper: T max = 50 C Maximale Temperatur: Kühlmedium Die auf der heissen Seite anfallende Wärme muss abgeführt werden. Über welches Medium soll die Wärme abgeführt werden? Luft (Kühlkörper), Wasser Kühlmedium: Lüfter Werden Kühlkörper mit Lüfter eingesetzt (erzwungene Konvektion), ist die Kühlung wesentlich besser als bei freier Konvektion (Strömung durch Thermik verursacht). Ist der Einsatz eines Lüfters möglich? Lüfter:... 7 Arbeitspunkt Das Peltier-Element kann wahlweise auf 2 Werte optimiert werden: Der effektive Arbeitspunkt wird zwischen den beiden Extrem-Werten liegen. Optimierung Beschreibung Vorteil Kühlleistung Maximal mögliche Kühlleistung Leistung des Peltier-Elements bei gegebener Temperatur- ausgenutzt Differenz kleinst mögliches Peltier-Element eingesetzt COP (Coefficient of Performance) Bestmögliches Verhältnis von Kühlleistung zu el. Leistung bei gegebener Temperatur-Differenz Günstigstes Element Bester Wirkungsgrad (optimiert auf minimalen Energie-Verbrauch) Peltier_Fragebogen.doc Seite 8 von 10 V1.0

9 Optimierung:... 8 Vorgaben für die Stromversorgung Ist die Stromversorgung gegeben, oder sind Sie in der Wahl noch frei? Falls Sie die Temperatur regeln möchten sollten Sie eine variable Stromquelle einsetzen. Eine Regelung mit der Spannung als Steuergrösse ist ebenfalls möglich. Häufig wird beim Einschalten eines Gerätes während einer kurzen Zeit eine erhöhte Kühlleistung benötigt. Dann muss auch die Speisung die entsprechende Leistung liefern können. 8.1 Spannung Spannung einstellbar?... Bereich:... Max Dauerspannung:... Kurzzeitig: Spannung:... Dauer: Strom Strom einstellbar?... Max Dauerstrom:.... Strompuls: Strom:... Pulsdauer: Leistung Ist die Leistung begrenzt (nicht durch max. Strom und max. Spannung)? Leistungsbegrenzung:... Peltier_Fragebogen.doc Seite 9 von 10 V1.0

10 9 Optionen 9.1 Anschlussdrähte Länge Die Standard-Länge beträgt 120 mm. Die Länge kann gewählt werden. Die Mindestlänge ist 20 mm. Länge Serie-Schaltung Mehrere Peltier-Elemente können ab Werk in Serie geschaltet geliefert werden. Die Litzenlängen können Sie bestimmen 9.2 Stecker Standardmässig werden die Peltier-Elemente ohne Anschluss-Stecker ausgeliefert. Auf Kundenwunsch können wir Ihnen Peltier-Elemente mit Anschluss-Stecker liefern. Typ:... Anzahl Pin: Abdichtung Standardmässig sind die Peltier-Elemente nicht abgedichtet. Wenn Gefahr von Kondenswasser- Bildung besteht, sollten sie abgedichtet sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Als Dichtmasse stehen Silikon und Epoxid zur Verfügung Abdicht-Material:... Peltier_Fragebogen.doc Seite 10 von 10 V1.0