Autor Thema: FAQ - Peltierelemente  (Gelesen 21184 mal)

Offline Master Luke

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FAQ - Peltierelemente
« am: 07. August 2006, 21:29:05 »
Was ist ein Peltierelement?

Peltierelemente, auch liebevoll "Pelztiere" genannt, sind thermoelektrische Halbleiterbauteile, durch die ein Strom durch unterschiedliche Leiter fliesst,
was zum Effekt führt, dass eine Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen
erzeugt wird.

Einfach erklärt, kann man sich ein Peltierelement wie eine Wärmepumpe vorstellen,
welches Wärme von der einen Seite auf die andere Seite befördert/pumpt.



Dieser Effekt führt dazu, dass die eine Seite des Peltierelementes kalt wird,
die andere Seite warm.
Die kalte Seite kann somit zur Kühlung von bspw. CPUs verwendet werden,
wogegen die warme Seite wiederum selbst aktiv gekühlt werden muß,
um einen Wärmerückfluß innerhalb des Peltierelementes zu verhindern.


Leistung eines Peltierelement:

Die maximale Wärmeleistung (Pumpleistung) ist am entscheidensten für die Kühlung von CPUs.
Die Wärmeleistung ist immer niedriger als die elektrische Leistung!

Diese Wärmeleistung sollte mit der abgegeben Leistung der zu kühlenden CPU harmonieren!
D.h. das Peltierleistung sollte mindestens genauso, wenn nicht sogar noch viel grösser
dimensioniert sein, um eine überhitzte CPU mangels Kühlung vorzubeugen!

Bsp:
CPU normal: 60W
CPU OC'ed : 100W
-> Peltier: 120W

Man sollte also schon vorher wissen, wie hoch man seine CPU takten kann.
Mit Peltierelement kommt man erfahrungsgemäß höher als mit Luftkühlung!
Also sollte im Vorraus die zu erwartende Abwärme (in Watt) von der CPU ermittelt werden,
um später keine herben Rückschläge zu erzielen!


Gleichungen zum berechnen der Abwärme:

Die maximale thermische Leistung beträgt etwa 50 - 54 % der elektrischen Leistungsaufnahme:

P_thermisch_max = 0,5 * P_elektrisch = 0,5 * U * I

Das gilt aber nur dann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen kalter und warmer Seite 0 Grad beträgt, beide also gleich warm sind (Wozu man dann allerdings ein Peltier braucht, steht auf einem anderen Blatt)

Die allermeisten Peltierelemente erzeugen einen Temperaturunterschied von 60 Grad zwischen der kalten und warmen Seite, aber nur dann, wenn keine Wärmeleistung zwischen kalter und warmer Seite transportiert werden muß.

Dazwischen gilt ziemlich genau folgendes:

P_thermisch = (1 - (T_warm - T_kalt)/60 Grad) * 0.5 * U * I

Ein Beispiel: ein sicherlich schon großes Peltier saugt 10 A Strom bei 10 Volt, hat also 100 Watt elektrische Leistung. Wenn wir die kalte Seite 20 Grad unter der temperatur der warmen Seite haben wollen, setzen wir das in die etwas komplizierte Formel oben ein und bekommen diese Werte:

P_thermisch = (1 - 20/60) * 0,5 * 10 * 10 = (1 - 0,333) * 50 = 0,667 * 50 = 33,3 Watt

Da alle Peltierelemente in etwa gleich aufgebaut sind und sich vom Halbleitermaterial nur wenig unterscheiden, kann man die Formel von oben auf alle Peltiers jeder Größe anwenden, sobald man ihre elektrischen Werte (Spannung und Strom bei Vollast) kennt.

Wichtig hierbei ist, daß die Formel nur zwischen Leerlauf (= maximalem Temperaturunterschied) und Vollast (= kein Temperaturunterschied) gilt. Mutet man dem Peltier noch mehr Wärmepumpleistung zu, so kippt das Peltier und zerstört sich durch eigene Überhitzung in einer Art Kettenreaktion.

Der energetische Wirkungsgrad, also wieviel Wärme mit dem eingesetzten Strom gepumpt werden kann, ist bei Peltierelementen übrigens grottenschlecht. Der höchste Wirkungsgrad wird in etwa dann erreicht, wenn der Temperaturunterschied 30 Grad beträgt und laut der Formel damit etwa 0,25 mal der elektrischen Leistung gepumpt werden kann. Der thermodynamisch mögliche Wirkungsgrad, die sogenannte Leistungsziffer (T_kalt in Kelvin / Temperaturdifferenz) liegt aber dramatisch viel höher. Sie beträgt bei 20 Grad auf der warmen Seite und -10 Grad auf der kalten in etwa 8,76. Das bedeutet, unser Peltier schafft im allerbeste Fall 2,8 Prozent (0.25 / 8.76) der möglichen Wärmepumpleistung.


Kondensation, oder warum tropft es an der CPU?!

Bei CPU Temperaturen, welche 10° unterhalb der Umgebungstemperatur liegen, kann es zu Kondensatbildung an der CPU kommen; Es bildet sich somit "Tauwasser".
Warum? Weil die Luft hierzulande, je nach dem, ca. 60% Luftfeuchte enthält - die Luft
ist also um 60% mit Wasser gesättigt.
Besten Beispiel ist in diesem Falle der Kühlschrank:
Wenn man zu lange die Tür offen lässt, setzt sich Kondensat in Form von Eis/Wasser,
an der inneren Rückwand ab, weil der Kühlschrank tiefere Temperaturen erzeugt,
als bspw. die vorhanden 13°C. (deswegen wird das Kondensat auch gleich zu Eis).

Wenn also Euer Peltier vereist, dann habt ihr mit sicherheit sehr tiefe Temperaturen,
was daraus resultieren könnte, dass Euer Peltier ein Stück über die CPU drübergeht!
DAS sollte unbedingt vermieden werden!


Wie vermeide ich Kondensation?

Da hilft nur Isolierung! Also die Luft erst gar nicht "heranlasssen".
Auf der sicheren Seite ist man, wenn man den kompletten(!) CPU-Sockel "einpackt".
Eine Iso-Schicht kommt auf die Rückseite des Mainboards, eine Stück IN den CPU-Sockel
und eine um den Sockel (Peltier) drumherum.
Das Iso-Material wird meistens mit dem Peltier mitgeliefert.


Stromversorgung des Peltierelements:

Die gängigsten Peltierelemente benötigen zw. 16V und 24V Betriebsspannung.
Um die max. Leistung zu erreichen, sollte auch solch eine Spannung angelegt werden,
die vom Peltier gefordert wird.
Um es professionell zu machen, sollte man sich ein zweites (Labor-) Netzteil besorgen.
Alternativ kann man auch ein Peltier an 12V betreiben, man muss aber hierbei beachten,
dass die Leistung des Peltier sinkt!
Denn P = U * I !


Kühlung:

Es reicht definitiv NICHT bei modernen CPUs, mit einem Luftkühler zu Werke zu gehen!
Empfehlenswert ist auf jedenfall eine Wasserkühlung!


Coldplate:

Eine Coldplate ist eine Kupferplatte, die die Ausmasse des (gewählten) Peltiers hat und ca. 3-4mm dick ist.
Der Einsatz einer "Coldplate" ist zwingend notwendig, weil die Coldplate die enstehende Wärme des kleinen CPU-Cores an das Peltierelement verteilt, sodass dieses gleichmässig mit der Abwärme der CPU "bestrahlt" wird.
Ohne Coldplate kann sich Kondesat an den überstehenden Seiten am Peltier bilden!
Ausserdem würde dieses nicht effektiv arbeiten.


Edits:

Zitat Antiquark:
"Du solltest noch allgeein das Isolationsmaterial erwähnen, das Armaflex, und vielleicht die WLP-oder Vaselin-Methode wie bei den Kompressoren. "


Zitat IceCube:
"Nein, im Baumarkt gibt es kein Armaflex, erst recht kein buntes.

Das, was die diversen Baumärkte haben ist in der Regel sehr einfacher grobporiger und vor allem sehr steifer Schaumstoff. Für Heizungsrohre aus Metall oder Kunststoff sind die völlig ausreichend, aber sie sind nicht biegsam. Echtes Armaflex ist extrem weich, knickfrei biegsam (fast ohne Radius und sehr sehr feinporig. Schläuche kann man leider nur mit Armaflex isolieren, das geht mit dem stocksteifen bunten Schaumstoffgelumpe aus dem Baumarkt nicht.

Armaflex ist in der Regel dunkelgrau bis schwarz. "
« Letzte Änderung: 22. August 2006, 11:26:01 von Master Luke »