Aufbau und Hintergründe zu Peltierkühlungen (Fortsetzung)
Was ist nun aber die physikalische Ursache für den Peltiereffekt? Ein Strom durchflossener Leiter bildet neben einem Magnetfeld gleichfalls das Phänomen eines Wärmestroms aus. So wie elektrische Energie über die Bewegung der Elektronen weitergeleitet wird, tritt ebenfalls ein Transport von Wärme auf. Im Normalfall ist dieses Verhalten kaum zu beobachten, da die am besten elektrisch leitenden Stoffe auch die besten Wärmeleiter sind, so dass die entstehende Temperaturdifferenz schnell ausgeglichen werden. Zudem überwiegt bei schlechteren Leitern die Erwärmung durch den ohmschen Widerstand.
Lötet man nun aber 2 Materialien mit einem unterschiedlichen Wärmestromverhalten, also mit verschiedenen Peltierkoeffizienten P zusammen, so entsteht an der Kontaktstelle entweder ein Wärmeüberschuss, wenn der Übergang vom Material mit hohem Peltierkoeffizienten auf das Material mit geringerem Koeffizienten erfolgt, bzw. ein Wärmedefizit, wenn der Strom in umgekehrter Richtung fließt. Entdeckt wurde der Effekt 1834 von Jean Peltier. Ein verwandter Effekt ist der Seebeck Effekt und wurde einige Jahr zuvor entdeckt. Er findet heutzutage Anwendung in Form von Temperatursensoren.
Die Materialien müssen nun spezielle Eigenschaften besitzen, damit ein optimaler Wärmetransport erfolgen kann. Sie müssen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit haben, dürfen aber nur schlecht Wärme leiten, da sonst der Wärmefluss aufgrund des Peltiereffekts sofort von der klassischen Wärmeleitung wieder zunichte gemacht würde. Damit fallen die sehr guten elektrischen Leiter wie Kupfer oder Silber weg. Es werden spezielle Halbleiter verwendet, wie Bismuttellurid (Bi2Te3), Antimontellurid (Sb2Te3) oder Bismutselenid (Bi2Se3).
Sie bieten eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit bei geringer thermischer Leitfähigkeit. Ein weiterer Vorteil der Halbleiter ist die Dotierbarkeit. Durch den gezielten Einbau von Fremdatomen lassen sich positive (p) oder negativ (n) geladene Halbleiter herstellen. Positiv dotierte Halbleiter besitzen ein dem elektrischen Strom gleichgerichtetes Wärmestromverhalten und negativ dotierte ein entgegengesetztes Verhalten. Damit lassen sich durch eine alternierende Anordnung optimal Peltierelemente herstellen.
Quelle: ActiveCool
Die Effizienz von Peltierelementen ist ein zweischneidiges Schwert. Deren optimaler Einsatzort ist die Kühlung oder Beheizung von kleinen Flächen. Zudem arbeiten sie absolut geräuschlos. Der Nachteil ist ein relativ großer Energieverbrauch und eine begrenzte Energiedichte. Typischerweise haben 40x40mm Peltier eine Leistung von etwa 40-70 Watt. Das klingt viel, ist aber im Vergleich zu heutigen Prozessoren, die ca. 70 Watt auf einer Fläche abgeben, die in etwa nur 1/16 so groß ist, wenig.
Daher kann ein Peltier auch nicht direkt auf der CPU eingesetzt werden. Die beste Wirkung wird erzielt, wenn eine gleichmäßige Wärmezufuhr auf der kalten Seite des Peltiers auftritt und eine ebenso gleichmäßige Kühlung auf der anderen. Um dies zu erreichen, wird eine dicke Metallplatte - die Coldplate - zwischen CPU und Peltier eingebracht, da sonst der Prozessorkern die kalte Seite nicht komplett abdeckt und an der offenen Fläche eine starke Vereisung eintreten würde und die CPU selber fast gar keine Kühlung erhält.
Die Abfuhr auf der anderen Seite, sei es mit per Luft- oder Wasserkühlung, ist bis auf die hohen Leistungen relativ problemlos, da die meisten Kühler mindestens eine 50 x 50 mm große Kontaktfläche haben. Ein Hauptproblem ist aber trotzdem der enorme Stromverbrauch. Um die Abwärme einer CPU abzuführen, ist mindestens ebenso viel elektrische Energie notwendig und selbst dann hat man bei optimalen Wirkungsgrad des Peltiers noch kein Grad Celcius gegenüber der identischen Kühlung ohne Peltier gewonnen.
Eine sinnvolle Peltierstärke liegt etwa beim 1,5 bis 2 fachen der erwarteten Abwärmeleistung. Bei starker Übertaktung entstehen CPU Abwärmen von über 100 Watt, was hier für entsprechende Peltierleistungen erforderlich sind, kann sich jeder selbst ausrechnen. Wie bei allen Dingen steigt der Preis in solchen Leistungsregionen dann auch überdurchschnittlich an. Ebenso sind solche Wärmeleistungen nicht mehr mit herkömmlichen Luftkühlern abzuführen.
Die exakte Berechnung der Peltiergröße (Leistungsdimensionierung) ist mit etwas Aufwand verbunden. Dazu muss man die Kennlinien des jeweiligen Peltierelements kennen, die Abwärme des Prozessors und die Temperatur, die auf der kalten Seite durch entsprechende Kühlung erreicht wird. Wir verzichten an dieser Stelle jedoch auf tiefere mathematische Ausführungen.
Der Strom muss natürlich auch irgendwo her kommen. Bei kleineren Peltier bis etwa 70 Watt kann man noch das interne Computernetzteil nutzen. Hierbei muss man die Absicherung der 12V Leitung des Netzteils berücksichtigen, die auf dem Typenschild des Netzteils angegeben ist. Im Normalfall liegt diese bei 12 bis 18 Ampere. Davon genehmigen sich Laufwerke jeweils etwa 20 W. Ein gewisser Teil wird von Mainboards in Anspruch genommen, wobei die 12V Schiene bei Intel Pentium 4 System deutlich stärker genutzt wird, als bei AMD Athlon Systemen. Im Regelfall ist sowieso einiges an Bastlergeschick für eine selbstgebaute Peltierkühlung erforderlich, so dass das zumeist erforderliche zusätzliche externe Netzteil zu den geringeren Problemen zählen sollte.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der unterschiedlich großen Wärme, die das Peltier abführen muss. Im Idlezustand kann die Leistungsabgabe einer aktuellen CPU unter 10 Watt sinken, so dass das Peltier die Coldplate deutlich unter Raumtemperatur, ja teilweise unter den Gefrierpunkt abkühlen kann, so dass zumindest Kondenswasser entsteht. Dies ist natürlich tödlich für viele Bauelemente auf dem Mainboard.
Eine Lösung wäre die ständige Auslastung der CPU mit Programmen wie SETI oder Prime95. Allerdings führt dies noch mal zu einem elektrischen Mehrverbrauch von 40-50 Watt. Die elegantere Lösung ist die Steuerung der Peltierleistung über einen Temperatursensor. So ist sichergestellt, dass die Temperatur niemals unter die Raumtemperatur fällt.
