TEC

Ein Thermoelektrischer Kühler ist ein Halbleiterelement, das Wärme von einer Oberfläche zur anderen transportiert, wenn Gleichstrom hindurchfließt. Anders als kompressorgestützte Kälteanlagen hat er keine beweglichen Teile, kein Kältemittel und keine Vibrationen. Die physikalische Grundlage ist der Peltier-Effekt: Wenn Strom durch eine Verbindung zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien fließt, wird an einer Verbindung Wärme aufgenommen und an der anderen abgegeben. Kehrt man die Polarität um, tauschen die kalte und warme Seite ihre Rollen.

Ein typisches TEC-Modul enthält Dutzende von Wismut-Tellurid-Halbleiterpaaren (Bi2Te3), die in einem Gitter zwischen zwei Keramikplatten angeordnet sind. Die Paare sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Der Strom liegt typischerweise zwischen wenigen Ampere und 20 Ampere, die Spannung zwischen 5 und 15 Volt. Ein Modul von 40 Millimeter Kantenlänge kann 50 bis 100 Watt Wärme von der kalten Seite abführen, während es auf der heißen Seite ein Vielfaches davon abgibt, je nach der Temperaturdifferenz, die es aufrechterhalten muss.

TECs punkten dort, wo Ruhe, Kompaktheit und präzise Temperaturregelung entscheidend sind. Sie halten konstante Temperaturen in Präzisions-Analyseinstrumenten, stabilisieren Laserdioden, kühlen Infrarotdetektoren und regeln Halbleiter-Prüfkammern. In tragbaren Kühlgeräten und Weinkühlern entfällt der Platzbedarf eines Kompressors. Allerdings sind sie ineffizient: Ihre Leistungszahl sinkt steil mit zunehmender Temperaturdifferenz. Abkühlung um 20 Grad Celsius unter Umgebungstemperatur ist praktisch; 40 Grad werden unrentabel. Großtechnische Kältetechnik braucht Kompressorsysteme.

Wärmeabfuhr ist die übersehene Hälfte der Rechnung. Eine kalte Seite bei 0 Grad Celsius bringt nichts, wenn die heiße Seite 300 Watt nicht abladen kann. Effektive Wärmeleitung, oft mit Lüftern und Wärmeleitpaste, ist obligatorisch. Ohne sie bricht die Temperaturdifferenz zusammen und die Kühlung stoppt. Kondensation auf der kalten Seite ist ein weiteres Risiko: Wasser greift Kontakte und Halbleiterübergänge an. Feuchtigkeitssperren und Luftspalte sind oft notwendig.

Der Begriff umfasst eine breite Familie. Einstufige Module eignen sich für kleine Temperaturdifferenzen. Kaskadenmodulle (aufgestapelt) erreichen tiefere Kälte, die Effizienz sinkt aber weiter. Dünnschicht-TECs, die durch Sputtern auf Substraten aufgebracht werden, entstehen für Spezialanwendungen wie On-Chip-Kühlung, bleiben aber teuer. Die Zuverlässigkeit von Standardmodulen ist hoch bei Betrieb im Nennbereich, allerdings können Lotverbindungen unter Wärmewechselbeanspruchung ausfallen, wenn das Modul wiederholt erhitzt und abgekühlt wird.