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Laborkühler mit Peltiertechnik Temperieren ohne Kältemittel

Ein Gastbeitrag von Michael Sauer*

Klein, kalt, leise: Dank der Peltiertechnik lassen sich Temperieraufgaben im Forschungslabor auch ohne Kältemittel erledigen. Wo punktet die Technik und wann ist klassische Kompressorkühlung besser?

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Abb.1: Als kompaktes und leichtes Temperiergerät für die Arbeit im Forschungslabor arbeitet der Piccolo 280 OLÉ von Huber mit Peltiertechnik, d. h. kältemittelfrei, vibrationsarm, leise und energieeffizient.
Abb.1: Als kompaktes und leichtes Temperiergerät für die Arbeit im Forschungslabor arbeitet der Piccolo 280 OLÉ von Huber mit Peltiertechnik, d. h. kältemittelfrei, vibrationsarm, leise und energieeffizient.
(Bild: Huber)

Heizthermostate und Kühl­geräte sind in vielen Forschungslaboratorien un­verzichtbar. Das Einsatzspektrum reicht von der Probenvorbereitung bis zur Temperierung von Analysegeräten. Oftmals werden dabei unterschiedliche Geräte verwendet, z. B. Badthermostate zum Heizen und Umwälzkühler für anstehende Kühlaufgaben. Mit dem neuen Piccolo Peltierkühler bringt Huber jetzt ein Gerät auf den Markt, das sich gleichermaßen für Heiz- und Kühlaufgaben eignet. Dazu arbeiten die Modelle thermoelektrisch mit Peltiertechnik, d. h. kältemittelfrei und dadurch klimaschonend. Mit dem erstmaligen Einsatz von Peltierelementen zum Kühlen unterstreicht Huber sein Engagement im Bereich von ökologischem und nachhaltigem Temperieren.

Vorteile Peltiertechnologie

Der neue Piccolo passt mit seinen kompakten Abmessungen auf nahezu jeden Labortisch. Gleichzeitig wird das Handling im Laboralltag durch das geringe Gewicht erleichtert. Die deutlichsten Unterschiede gegenüber herkömmlichen Thermostaten und Kühlern ergeben sich allerdings durch die Peltiertechnologie. Mit den Peltierelementen im Innern ist das Gerät zum Kühlen genauso geeignet wie zum Heizen. Dazu wird einfach der Stromfluss in den thermoelektrischen Peltierelementen umgekehrt und schon wird aus dem Kühler ein Heizthermostat.

Bei der Entwicklung wurde die Arbeitsweise der Peltierelemente optimiert und Wirkungsgrad, Langlebigkeit und Dynamik des Temperierelements verbessert. Durch die neu entwickelte Peltiertechnik er­geben sich weitere Vorteile: So produziert das Temperiergerät selbst keinerlei Vibrationen, ist nahezu wartungsfrei und dank modernster Lüftertechnik äußerst leise im Betrieb.

Ergänzendes zum Thema
Wie funktioniert ein Peltier­element?

Kernstück eines Peltierelements sind Halbleiter in zwei Sorten: p-dotiert und n-dotiert. Die n-dotierten Halbleiter verfügen über ein geringeres Energieniveau als p-dotierte.

Abb.2: Schema zur Funktionsweise eines Peltierelements. Der Versatz von p- und n-Blöcken soll die unterschiedlich hohen Energieniveaus verdeutlichen.
Abb.2: Schema zur Funktionsweise eines Peltierelements. Der Versatz von p- und n-Blöcken soll die unterschiedlich hohen Energieniveaus verdeutlichen.
( Bild: LABORPRAXIS )

Im Peltierelement sind p- und n-Halbleiter über ein leitendes Metall miteinander verbunden. Auf welcher Seite das Element heizt oder kühlt hängt davon ab, in welche Richtung die Elektronen durch die Halbleiter geschickt werden. Damit Elektronen vom n-dotierten Halbleiter auf das höhere Energieniveau der p-dotierten gelangen, müssen sie Energie aus der Umgebung aufnehmen: das bewirkt den Kühl-Effekt. Wird die Richtung des Stromflusses umgedreht, bewegen Elektronen sich vom p-Halbleiter in den energetisch niedriger liegenden n-Halbleiter und geben dabei Energie in Form von Wärme frei.

Einsatzmöglichkeiten

Einsatzschwerpunkt des kompakten Peltierkühlers sind Anwendungen mit moderatem Leistungsbedarf und weitgehend konstanten Temperaturen. Dazu zählen beispielsweise die Kühlung von Mess- und Laborgeräten wie Refraktometern, Polarimetern und Elektrophorese-Kammern. Weitere Einsatzgebiete gibt es beim Kühlen von optischen Messinstrumenten, Lasern und Fotodioden, bei dem über die Betriebsdauer hinweg eine möglichst konstante Temperatur der Probenkammer beibehalten werden muss. Zudem eignet sich das Gerät für Temperieraufgaben bei Qualitätskontrollen, Materialtests und zur Probenvor­bereitung. Für kleinere Chemie-, Photo- und Bioreaktoren sowie Thermoblöcke und Kühlplatten ist der Piccolo ebenfalls eine platzsparende Alternative zu herkömmlichen Temperiergeräten.

Der Peltier-Kühler ist für den Betrieb mit nicht-brennbaren Flüssigkeiten wie Wasser oder Wasser-Glykol-Gemischen ausgelegt und eignet sich somit auch für zahlreiche Temperieraufgaben in Forschungs- und Prüflaboratorien sowie in der Analysentechnik. Um die Sicherheit im Betrieb zu gewährleisten, verfügt das Gerät über einen Überhitzungsschutz sowie einstellbare Temperaturlimits für den Sollwert. Hinzu kommt eine Netzausfallautomatik, welche wahlweise eine Abschaltung oder das automatische Fortsetzen der Temperierung nach einer Netzspannungsunterbrechung ermöglicht.

Peltier oder Kompressor?

Abb.3: In einer Fallstudie wurde eine simulierte biochemische Reaktion in einem Drei-Liter-Reaktor mit einer Temperaturkonstanz von ±0,05 °C geregelt.
Abb.3: In einer Fallstudie wurde eine simulierte biochemische Reaktion in einem Drei-Liter-Reaktor mit einer Temperaturkonstanz von ±0,05 °C geregelt.
(Bild: Huber)

Um das Regelverhalten des Temperiergerätes unter realen Bedingungen zu testen, führte der Hersteller eine Fallstudie durch, in der die Temperierung einer biochemischen Reaktion simuliert wurde. Hierzu befüllten die Experimentatoren einen Drei-Liter-Bioreaktor mit zwei Litern Wasser als Reaktionsmasse. Über einen elektrischen Heizer wurde eine Reaktionswärme von 100 Watt zugeführt, um die biochemische Reaktion zu simulieren, die normalerweise in einem Fermenter abläuft. Mit der kostenlosen Software Spy Control zeichneten die Tester den Verlauf der Temperaturwerte auf. Das Ergebnis der Fallstudie zeigt, dass Geräte mit Kompressorkühlung bei dynamischen Abkühlvorgängen weiterhin die Nase vorn haben. Für Anwendungen, bei denen es vorwiegend darum geht, die Arbeitstemperatur konstant zu halten, ist die Peltiertechnik jedoch eine zuverlässige Alternative. Die Regelgenauigkeit des Piccolo ist für solche Anwendungen bestens geeignet: In der Fallstudie war der kleine Kühler in der Lage, den Reaktorinhalt mit einer Temperaturkonstanz von ±0,05 °C zu regeln, wie der Graph-Ausschnitt in Abbildung 3 verdeutlicht.

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Fazit: Mit der Peltiertechnik ist wartungsarmes, kältemittelfreies und damit umweltverträgliches kühlen möglich. In der Praxis sind thermoelektrische Umwälzkühler wie der neue Piccolo von Huber vielseitig einsetzbar, beispielsweise in der Analysentechnik oder bei der Vorbereitung von Laborproben. Gerade bei temperaturkonstanten Prozessen ist Peltier eine gute Alternative zu klassischen Kompressorkühlern. Letztere bleiben für schnelle Abkühlvorgänge die Technik der Wahl.

* M. Sauer, Peter Huber Kältemaschinenbau AG, 77656 Offenburg

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