Wie wird ein thermoelektrischer Kühlschrank gekühlt?

Thermoelektrischer Kühlschrank – es ist ein elektrisches Gerät, das Objekte mit Vorder- und Rückwärtsheizen von Peltier kühlen oder erwärmen kann. Es besteht aus Halbleiterelementen, sogenannten p- und n- Elementen, die mit Hilfe von Metallleitern miteinander verbunden sind.

Wenn Strom durch die n- und n- Elemente fließt, erfolgt ein thermoelektrischer Effekt, der zur Übertragung von Wärme führt. Im Inneren des Kühlschranks wird Wärme von einer Seite zur anderen übertragen – von einer heißen zu einer kalten Platte. Dabei wird die heiße Platine erhitzt und die kalte Platte abgekühlt.

Kühlvorgang der thermoelektrische Kühlschrank basiert auf dem Prinzip der Wärmeabsorption und -ableitung. Zuerst wird die Wärme über eine heiße Platine absorbiert und dann wird sie über Metallleiter an die kalte Platine übertragen. Eine Kaltplatine hat eine niedrige Temperatur, da sie ihre Wärme entfernt, wodurch sie umgebende Gegenstände abkühlen kann.

Thermoelektrische Kühlschränke werden häufig in Automobilen, Haushalts- und Industriegeräten verwendet. Sie haben Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Im Vergleich zu Kompressorkühlschränken haben sie jedoch eine geringere Leistung und eine geringere Kühlgeschwindigkeit. Thermoelektrische Kühlschränke können auch als Heizungen funktionieren, indem sie einfach die Polarität ändern.

Wie funktioniert ein thermoelektrischer Kühlschrank?

Die Arbeit eines thermoelektrischen Kühlschranks basiert auf einem Phänomen, das als Peltier-thermoelektrischer Effekt bekannt ist. Wenn ein elektrischer Strom durch das Polleitermaterial geleitet wird, erwärmt sich eine Seite und die andere bleibt kalt.

Tatsächlich gibt es in einem thermoelektrischen Kühlschrank keine beweglichen Teile und kein Kältemittel wie in einem herkömmlichen Kompressor-Kühlschrank. Im Inneren des Kühlschranks befindet sich ein Halbleitermaterial, das an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.

Wenn ein elektrischer Strom durch ein Halbleitermaterial fließt, entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen seinen Paaren. Eine Seite heizt sich auf und die andere Seite bleibt kalt. Die Wärme, die von der kalten Seite entfernt wird, wird in die Umgebung übertragen und kühlt dadurch den Innenraum des Kühlschranks ab.

Aufgrund dieses teploelektrischen Kühlprozesses kann ein thermoelektrischer Kühlschrank kalte Temperaturen im Inneren erzeugen und gleichzeitig eine konstante Temperatur aufrechterhalten.

Solche Kühlschränke können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in Autos, Camping, medizinischen Geräten und anderen Bereichen, in denen eine Kühlung auf kleinem Maßstab oder ohne Verwendung eines Kompressors erforderlich ist.

Funktionsprinzip

Ein thermoelektrischer Kühlschrank arbeitet auf der Grundlage eines Phänomens, das als thermoelektrischer Effekt bezeichnet wird. Es basiert auf dem Peltier-Prinzip, das besagt, dass beim Durchlaufen von Strom durch sich schneidende Metallleiter, die an einem Ende erhitzt und am anderen Ende gekühlt werden, eine Wärmeübertragung von einem Ende zum anderen auftritt.

Ein thermoelektrischer Kühlschrank verwendet ein spezielles Gerät, das als Thermoelement bezeichnet wird. Ein Thermoelement besteht aus zwei heterogenen Halbleitern, normalerweise Bismut-Tellurid und Selen. Wenn ein elektrischer Strom durch ein Thermoelement geleitet wird, werden die Halbleiter an einem Ende erhitzt und am anderen Ende abgekühlt. Somit erscheint eine Temperaturdifferenz zwischen den Enden des Thermoelements.

Der thermische Effekt, der auftritt, wenn Strom durch das Thermoelement fließt, ermöglicht die Verwendung eines thermoelektrischen Kühlraums zum Kühlen. Wenn Strom durch das Thermoelement fließt, wird ein Ende erhitzt und das andere abgekühlt. Das kalte Ende des Kühlschranks befindet sich in einem Raum, der gekühlt werden muss, z. B. in einer Wasserflasche oder in einem Kühlraum. Dadurch wird Wärme vom Innenraum zum heißen Ende des Thermoelements übertragen, was zu einer Abkühlung des Innenraums führt.

Verwendete Materialien

Für den Betrieb eines thermoelektrischen Kühlschranks werden spezielle Materialien verwendet, die thermoelektrisch genannt werden. Das Prinzip des Kühlschrankes basiert auf dem Phänomen des thermoelektrischen Effekts, der in ihnen auftritt.

Thermoelektrische Materialien haben eine Eigenschaft, die thermoelektrische Effizienz genannt wird, die durch den thermoelektrischen Umwandlungskoeffizienten (CTP) bestimmt wird. CTP zeigt die Fähigkeit eines Materials an, Wärme oder Elektrizität zu erzeugen oder die Übertragung von Wärme und Elektrizität abhängig von der Temperaturdifferenz zu beeinflussen.

Die wichtigsten thermoelektrischen Materialien, die in Kühlschränken verwendet werden, sind Halbleiter. Beispiele für solche Materialien sind Bismut-Selenid (Bi2Se3) und Bismut-Tellur (Bi2Te3). Sie haben einen hohen CTP-Wert und gute thermoelektrische Eigenschaften, was sie ideal für den Einsatz in thermoelektrischen Geräten, einschließlich Kühlschränken, macht.

Um einen thermoelektrischen Effekt im Kühlschrank zu erzeugen, werden diese Materialien normalerweise in thermoelektrischen Modulen kombiniert. Solche Module bestehen aus einem Paar von Halbleiterwerkstoffplatten, die elektrisch parallel geschaltet sind. Ein Ende des Moduls wird erhitzt und das andere wird abgekühlt. Wenn eine elektrische Spannung im Modul vorhanden ist, wird Wärme von der kalten Platte auf die heiße Platte übertragen, wodurch eine Seite des Moduls abgekühlt und die andere erhitzt wird.

Kühlvorgang

Wenn Strom durch die Halbleiterelemente fließt, beginnen sie sich abhängig von der Stromrichtung zu erwärmen und abzukühlen. Wenn ein Strom durch ein P-Typ-Halbleiterelement fließt, wird Wärme absorbiert, und wenn ein Strom durch ein N–Typ-Halbleiterelement fließt, wird Wärme freigesetzt.

Auf diese Weise wird eine Seite im Kühlschrank erhitzt und die andere Seite gekühlt. Die heiße Seite wird durch Luft oder einen speziellen Heizkörper abgelassen, und die kalte Seite wird zum Kühlen von Objekten verwendet. Je mehr elektrischer Strom durch den Kühlschrank fließt, desto mehr kühlt es ab.

Der Kühlprozess wird durch Wärmeübertragung durchgeführt. Die Wärme von Objekten wird an die kalte Seite des Kühlschranks übertragen und gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Dieses Funktionsprinzip ermöglicht die Kühlung nicht nur von Lebensmitteln, sondern auch von Elektronik, Medikamenten und anderen Gegenständen, die eine niedrige Temperatur erfordern.