Het Peltier-element

Ook al is het Peltier-element tegenwoordig een vrij frequent toegepast technologisch snufje, voor de oorsprong van dit element moeten we even terug in de tijd. Ruim twee eeuwen geleden, werd Frankrijk verblijd met de geboorte van een toekomstige wetenschapper: Jean Peltier. In 1834 ontdekte Jean het volgende: wanneer je een gelijkstroom door twee verschillende metalen stuurt, treedt er een warmte-effect op. Dit effect houdt in dat de warmte wordt getransporteerd van de overgang tussen de metalen A en B naar de overgang tussen de metalen B en A. De stroombron I stuurt een stroom door metaal B. Op de overgang blauw (cooled surface) tussen metaal B en A wordt warmte uit de omgeving opgenomen en op de overgang rood (dissipated heat) tussen metaal A en B wordt deze warmte weer afgegeven.

De werking

De werking van het Peltier-element berust op het bovenstaande Peltier-effect en is haast hetzelfde als de werking van een warmtepomp. Het Peltier-element bestaat uit twee keramische plaatjes waartussen staafjes halfgeleidend metaal zijn geplaatst. Wanneer er een stroombron wordt aangesloten, gaat er natuurlijk een stroom lopen. De elektronen kunnen maar in één richting door het halfgeleidend materiaal gaan en ze kunnen dus maar in één richting energie meenemen. De kant van het element waar de elektronen vandaan komen, wordt koud. De kant van het element waar de elektronen naar toen bewegen, wordt warm. Heel eenvoudig gezegd worden er dus joules van de ene kant van het element naar de andere kant gepompt. Dit werkt een temperatuurverschil, van maximaal zo’n 70 graden Celsius, in de hand. Welke kant van het element warm en welke kant koud is, is geen algemeen gegeven, dit hangt namelijk van de stroomrichting af.

         

Belangrijk: koelen

De kant waar alle energie naartoe wordt gebracht, kan dus tamelijk heet worden. Als de ontstane warmte niet kan worden afgevoerd, kan het element oververhit raken. Er is dan een grote kans op kortsluiting. Aangezien men dit wil voorkomen, is een goede koeling van de warme kant noodzakelijk. Het koelen van het element kan op een tweetal manieren: met lucht of met water. Koeling met water is in het geval van de Peltier-elementen efficiënter dan koeling met lucht. Door een waterkoeler op het element te plaatsen wordt oververhitting voorkomen, en kan het element zorgen voor een, indien gewenst, betere koeling. Andersom is het natuurlijk ook mogelijk. Wanneer bepaalde componenten te veel zijn afgekoeld, kan er condensatie optreden. Ook dat kan kortsluiting in de hand werken.

Stroom opwekken

Naast het beschreven feit dat je met een Peltier-element kunt koelen en verwarmen, is het opwekken van een stroom ook een mogelijkheid van dit element. In dit geval wordt er in plaats van van een Peltier-element, vaak van een Seebeck-element gesproken. In wezen zijn deze twee precies hetzelfde. Deze keer sturen we er alleen geen stroom in, we willen een stroom hebben. Daarom doen we eigenlijk wat het element normaal doet: we verwarmen één kant van het element, de andere kant koelen we. Direct levert het element hierbij een spanning (V) en stroomsterkte (A) afhankelijk van het temperatuurverschil. Op deze manier wordt er zonder geluid en op een milieuvriendelijk manier een elektrische stroom opgewekt. Waarom is deze manier van stroomwinning helemaal niet bekend en waarom wordt deze vrijwel nooit toegepast? Hiervoor zijn een aantal redenen te noemen. Een reden is dat het rendement, de opgewekte stroom naar gelang het temperatuurverschil, erg laag is. Een tweede reden is dat de onderdelen tot nu toe erg duur zijn. Maar, er lopen onderzoeken die redenen geven tot hoop. Verwacht wordt dat er binnen afzienbare tijd wezenlijk betere Seebeck-elementen op de markt komen. Wellicht dat deze dan economisch erg interessant worden.

De voordelen van het Peltier-element

Peltier-elementen hebben een aantal voordelen ten opzichte van andere koelsystemen of verwarmingselementen. Een Peltier-element bevat geen bewegende delen. Het gebeurt dus zelden dat het element onderhoud nodig heeft. Een Peltier-element heeft, mede door de afwezigheid van bewegende delen, geen slijtage. Vervanging is dus niet nodig, tenzij het element niet meer werkt vanwege oververhitting of iets dergelijks. Een Peltier-element heeft een zeer eenvoudig constructie. Hierdoor is het makkelijk te verplaatsen of anderszins aan te sluiten.

Uitdagingen van TEC Technology (Thermo Electric Cooling)

Om thermo-elektrische koeling te kunnen toepassen in standaard server-kasten moet het regelbereik gevonden worden om de lucht die naar servers gaat te koelen tot ongeveer 21º C, die dan vervolgens door de servers opgewarmd wordt tot ongeveer 35-40º C. De eerste uitdaging is Peltier elementen te vinden die een ΔT kunnen handelen van ongeveer 15ºC of lager. Daarna moeten de regelbereiken van de aansturing van de Peltier elementen afgestemd worden aan de luchtstromen van de servers. Bovenstaande materie heeft geleidt tot diverse meetopstellingen met als uiteindelijk resultaat een opstelling van 20 Peltier elementen met een energieverbruik van 20x 20W=400W. De Peltier elementen zijn gekoppeld aan ultra high efficiency heat sinks die de warmte overdracht van de warme lucht naar Peltier en van Peltier naar de buitenlucht verzorgen.

Meetresultaten en afsluiting

Na diverse meetopstellingen zijn de meetgegevens in de opstelling met 20 peltierelementen (n+2) als definitieve opstelling gekozen. De servers zijn dusdanig ingesteld dat via de software bepaald wordt wat de richting en het vermogen van de ventilatoren (heatsinks) wordt.   

De testopstelling toont dat met TEC Technology een serverkast te koelen is.

Meer informatie ...