Verwendung von Peltier-Elementen

[mlippert]

Hallo,

da es bei einigen Käufern der Peltier Elemente zu gewisser Verwirrung zwecks der Ansteuerung gekommen ist, und wohl auch das eine oder andere durchgebrannt ist, möchte ich hier kurz einige Dinge dazu sagen.
Ein Peltierelement ist wie ein PC-Prozessor: ohne Kühlkörper auf voller Leistung brennt es durch. Klar: wo sollen auch 130 Watt elektrische Leistung hin? Dabei ist zu beachten, dass neben der Wärme des Elements selbst, die transportierte Wärmemenge dazu kommt! Im schlimmsten Fall nochmal ca. 100 Watt. Das bedeutet, dass wenn man eine Seite unter 100 Grad halten möchte, empfiehlt sich eine Kühlung mit einem thermischen Widerstand von 0,5 Kelvin pro Watt oder weniger. Ein Ventilator am Kühlkörper wirkt da Wunder! Dann kann man bereits mit kleinen Leistungen Minusgrade erreichen. Aber dazu später mehr.
Die "Ansteuerung" an sich ist extrem einfach. Man benötigt nur ein stabilisiertes, regelbares Labornetzteil. Oder ein kleines Steckernetzteil mit Strombegrenzung. Die kann man bis ca. 2 A kaufen, für meist unter 10 Euro, und das sollte den Zweck erfüllen. Ich benutze mein Netzgerät was ich ohnehin im Labor stehen habe. Aber werfen wir einen kleinen Blick auf einen Testaufbau:

Hier das Netzgerät. Es liefert nur knapp über 10 Watt mit diesen Einstellungen:


Das Element (4) liegt auf einem alten Grafikkartenkühler (2) der von einem ebenso betagten Lüfter (1) gekühlt wird. Die thermische Anbindung geschieht durch einen Tropfen Immersionsöl (3). Eine vernünftige Wärmeleitpaste ist da vielleicht sogar noch besser ;-) Aber wie man sehen kann, hat sich ein Tropfen Wasser in einen Eistropfen verwandelt (5). Nach dem Auftropfen gefriert das Wasser in wenigen Sekunden. Das Element fühlt sich eiskalt an und der Kühlkörper hier wird kaum merklich warm.



Hier die Oberfläche mit Reif und dem Eistropfen:



Und die dazugehörige Temperatur (1 mV = 1 °C). Bei 11 Watt ergibt das eine Kühltemperatur von -4 Grad, oder einem Temperaturunterschied von ca. 30 Kelvin. Das ist für die gegeben Umstände sehr ordentlich.



Ich hoffe das hilft ein Bisschen bei der Verwendung der Elemente...

Viele Grüße,
Michael

[T. Ebbinghaus]

Hallo Herr Lippert,

vielen Dank für die Beschreibung. Sagen Sie, kann ich zwei Elemente koppen (vermutlich parallel) und aneinanderkoppeln, um so auf ca -20°C zu kommen?

Beste Grüsse
Thorsten Ebbinghaus

[mlippert]

Im Prinzip geht das, aber eventuell muss man die Leistung zum jeweiligen Element etwas skalieren, also das kältere läuft mit weniger als das wärmere. Aber um auf -10 zu kommen reicht bereits ein Element. Eventuell geht es auch noch weiter, das muss ich mal probieren...
Hier wird alles inklusive Theorie beschrieben:
http://www.geocities.com/haidarsajjad/AAPTHandout2.pdf

Grüße,
Michael

ps: Beim Stacken wird übrigens noch mehr Wärme frei! Da muss man wirklich gut kühlen! Das sollte für jede Anwendung sehr langsam und behutsam ausgetestet werden.

[K. Koch]

Hallo,

habe mal schnell ein Foto meines Versuchsaufbaus gemacht, -15 Grad waren da bei ordentlicher Stromstärke möglich: Wasserkühlung.



Schöner als das mit Heißkleber geklebte Alu-Teil ist natürlich etwas Professionelles aus dem PC-Wasserkühler-Sektor, aber da gab es nichts was zum Peltier-Element passt und klein genug ist für die Halterung des Mikrotoms.
Habe damit Gefrierschnitte mit Gelatineeinbettung versucht. Problem war dann das zu warme Messer...

Viele Grüße
K. Koch

[mlippert]

Wasserkühlung ist perfekt! Passen Sie aber mit ihrem Element auf, das sieht aus als wäre es nicht abgedichtet!! Das stirbt am Kondenswasser so.
Für Gefrierschnitte müsste man die Peltiers eine kleine Gefrierbox kühlen lassen wo Mikrotom und Messer drin sind. Dann müsste es gehen.

[T. Ebbinghaus]

Hallo Klaas,

das gleiche habe ich auch vor. Die Idee stammt von den alten Gefrierschlitzensystemen mit CO2 Flasche. Eine Kühlbox oder eine Gefierschrank sind zwar Ideal aber nicht zwingend erforderlich. Ich hab sogar noch solch ein Gefrierschlittenmikrotom von Satorius und müsste nur den Gefrierhalter auf mein Jung-Rotationsmikrotom umbauen. Laut Anleitung gibt es diese Halter sogar als Zubehör, aber das Handling mit der CO2 Flasche, ist mir zu umständlich, daher grübele ich an einer Peltier-Lösung, ich auf mein Rotationsmikrotom aufsetzten kann.

Übrigens mache ich mir beim Scheiden mehr sorgen über die mechanische Belastung, die auf die empfindlichen Halbleiter-Elemente wirken. Es müsste schon irgendwie ein Sandwich sein, bei dem das Peltier eine Trägerpatte kühlt. Dabei ist das Peltier mit Distanzhülzen so zwischen Trägerplatte und Kühlkörper montiert, dass die Verschiebungskräfte nur auf die Trägerplatte und die Montageschrauben wirkt. Hierzu gibt es Anleitungen im Internet, um den optimalen Wärmeübertrag bei gegebenen Anpressdruck zu gewährleisten.

http://www.quick-cool.de/bibliothek.html (Diverse Tipps zu Peltier-Elementen)
http://www.quick-cool.de/fragen-peltierelemente.html (hier insbesondere das Kondensatproblem, Frage 7)
http://www.quick-cool.de/download/Einbau-Montage-Peltier-Elemente.pdf (Einbauproblem / meachanische Belastung gegenüber Anpressdruck der Halteschrauben)

Hier ist übrigens eine kleine Anleitung für botanische Praktika (http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/pflanzenphysiologie/de/top/dl/44170/1Vorbereitungstag.pdf, Seite 9, Abschnitt B3); -20°C sollten reichen.

Vielleicht kann ich einen erstklassigen Mechaniker hier in der Schweiz dazu bewegen, beim Basteln zu helfen - er kann sowas sicher auch brauchen, da er kürzlich ein Tisch-Schlittenmikrotom von mir bekommen hat. Ich stubse Ihn mal auf den Tread, vielleicht hat er lust ..... 

Leider habe ich die Peltiers von Michael Lippert verpasst ....

Beste Grüsse
Thorsten

[Segu]

Hallo Thorsten,

ich hab ja schon blaue Flecken, so heftig, wie du mich verbal angeschubst hast. 

Mechanisch gesehen sehe ich da wenig Probleme. Was die Elektronik betrifft, bin ich die diesen Elementen nicht so bewandert. Netzteil muss wohl auch eher grösser sein. Wieviel Ampere und Volt zieht das Ding? Am besten wäre ein Kupferkühlkörper (wassergekühlt ) gibt es sich so nicht zu kaufen, also selber machen!

Hat mein hochkarätiger Chemie-Dozent am Samstagnachmittag Zeit für einen Chemie-Kursus?

[NicLi]

Hallo,
ich möchte hier auch mal was posten:
Geeignet sind PC-Netzteile (bei 5V auf alle Fälle).
Die liefern viel Ampère. so 20 bei meinem. Aber das wäre dann wieder zu viel...
Aber wieviel Ampère und Volt die Peltiers benötigen, kann man ja ausrechnen. Im Mikro-Markt stehen noch die technischen Daten.
An Kühlkörpern würde ich einfach auf die Elektroschrottsammelstelle gehen, und dort mal ein PC Netzteil schnorren. Da gibts nämlich tolle Alu-Kühlkörper drin. Muss man halt löten, aber dass dürfte nicht so das Problem sein.
@Michael:
Wie bekomme ich so eine Stromoberbegrenzung hin?
Dürfte bestimmt mehr Leute als nur mich interessiern, nicht jeder hat ein Labor-Netzteil (und dazu eins mit bis zu 8,5A Stromregelung) zuhause...
tschüß
Nicolas

[Segu]

Hallo Nicolas,

Wie bekomme ich so eine Stromoberbegrenzung hin

Das einfachste ist sicher eine Schmelzsicherung oder elektronische Sicherung. http://home.berg.net/opering/projekte/10/index.htm

Thermosicherung für Temperaturen.
Überspannung mit einem Varistor.

[NicLi]

Hallo Michael,
nein sowas meine ich nicht.
Ich meine eigentlich eine Stromregelung.
Also dass die Schaltung dann nur 8A durchlassen würde obwohl das Peltier-Element 15 anfordert.
Weil bei 15 würde es ja durchbrennen...
Die Sicherung geht ja einmal kaputt. Und dann ist das ja auch keine konstante Stromregelung.
Tschüß
Nicolas

[Segu]

Reicht dir da ein normaler Vorwiderstand nicht?

[NicLi]

Hallo Michael,
nein, ein normaler Vorwiderstand reicht mir nicht.
Stell dir vor, durch einen Widerstand fließen am Ende 8A, Allein wenn am Widerstand 1V abfallen würde, ich bräuchte einen 8W-Widerstand (gut, hätte ich schon...).
Aber: halt!
Ich hab doch noch eine Idee:
500W-Widerstand.
Ich habe zwei Heizstäbe aus einem Mini-Backofen ausgebaut.
Jeder 500W Leistung (230V).
Aber bei 12V dürften die auch noch einen gewissen widerstand darstellen.
Ist halt dann eine unheimlich unökonomische Hau-Drauf-Lösung.
Regeln lässt sie sich auch nicht 
Schon bei 5W-Power-LEDs wird sowas normalerweise schwierig...
bei 127W-Peltiers?
ciao
Nicoals

[Segu]

Hast du denn was das überhaupt 8A liefert?

[mlippert]

Also eine Strombegrenzung kann man auf viele Arten erreichen. In den meisten Fällen verheizt man entweder die Leistung an einem Transistor (lineare Reglung), oder man nimmt einen Step-Down Schaltwandler. Eine "Sicherung" reicht nicht, die brennt einfach durch und begrenzt dadurch den Strom auf Null ;-).
Was ich machen würde, wäre für einen Fall in dem ich nur maximal kühlen will, ein 12 V PC Netzteil nehmen  und direkt die 12 Volt bei entsprechender Kühlung (!!!) anlegen. Das wird kalt, keine Sorge. Genauso funktionieren die ganzen Auto-Kühlboxen. Das Peltier begrenzt dann den Strom durch seinen Widerstand selbst.
Das Regeln ist schon schwieriger. Da würde ich eine PWM-Lösung bei hoher Frequenz wählen. Aber ist eine Reglung wirklich notwendig?

[NicLi]

Hallo Michael,
danke für die Antwort. Also wenn ich gut kühle (wie K. Koch mit Wasser),
dann kann ich an die 12V-Anschlüsse des PC-Netzteils anschließen.
PWM ist mir zu hoch...
tschüß,
Nicolas