Das Kühlen von Schaltschränken ist eine unabdingbare Notwendigkeit, da sich verwendete Bauteile durch fließende Ströme erwärmen. Eine naheliegende Möglichkeit für einen Schaltschrankkühler ist das Verwenden von Peltiermodulen. Doch was ist das überhaupt?

Der Peltier-Effekt in Hinsicht auf einen Schaltschrankkühler

Peltiermodule bestehen aus mehreren kleinen Quadern verschiedener Halbleitermaterialien, die miteinander in Kontakt stehen. Die Quader haben in den meisten Fällen eine Kantenlänge zwischen 20 mm und 90 mm. Sie basieren auf dem sogenannten Peltier-Effekt. Fließt ein Strom durch die Anordnung an Halbleitern, so wird an den Kontaktstellen je nach Art des Halbleiters Wärme aufgenommen oder abgegeben. Durch die Wärmeaufnahme an einer Kontaktstelle kühlt sich dessen Umgebung ab, wohingegen sich durch die Wärmeabgabe an einer anderen Kontaktstelle dessen Umgebung aufwärmen wird. Kehrt man die Stromrichtung um, so wärmen sich die Kontaktstellen auf, die sich vorher abgekühlt haben und umgekehrt.
Ein weiterer Effekt kann durch das Vertauschen von Ursache und Wirkung des Peltier-Effekts auftreten: Eine Temperaturdifferenz an den Kontaktstellen verursacht ebenso einen Stromfluss. Dieser Effekt ist als Seebeck-Effekt bekannt. Um Peltiermodule als Schaltschrankkühler zu verwenden, muss die Möglichkeit der Wärmeaufnahme an den Kontaktstellen realisiert werden.

Der Schaltschrankkühler aus Peltiermodulen

Um die Umgebung zu kühlen, muss also an einer Halbleiterkontaktstelle Wärme aufgenommen werden. Das passiert dadurch, dass die Elektronen zuerst durch einen Halbleiter mit einem energetisch niedrigen Leitungsband fließen und an der Kontaktstelle in ein energetisch höheres Leitungsband übergehen. Damit dieser Übergang möglich ist, muss Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden.

Technisch wird das realisiert durch einen Übergang von einem n-dotierten Halbleiter zu einem p-dotierten Halbleiter. Das heißt, dass ein Peltiermodul als Wärmepumpe verwendet werden kann, wobei die Elektronen als Kühlflüssigkeit dient. Durch eine Regelung der Stromstärke kann die Kühl- bzw. im umgekehrten Fall die Wärmeleistung reguliert werden, da bei wachsender Stromstärke die Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Kontaktstellen wächst.

Zusätzliche Kühlung der warmen Seite des Peltiermoduls, welche als Beispiel mittels Kühlkörper mit Ventilator erfolgen kann, resultiert in einer noch stärkeren Abkühlung der kalten Seite. Je nach verwendeten Halbleitern, Stromstärke und Stufenanzahl der Peltiermodule (Eine Stufe gilt hierbei als eine kühlende und eine wärmende Seite) kann die Temperaturdifferenz variieren. Wird ein Schaltschrankkühler mit größerer Kühlleistung benötigt, empfehlen sich mehrstufige Peltiermodule. Weitere Informationen zu Peltiermodulen und deren Funktion finden sich auf https://dr.neumann-peltier.de