Sitzbelüftung mit Peltier: optimale Kälteleistung für jedes Watt

Sitzbelüftung mit Peltier-Elementen? Kaum eine Technologie scheint sich auf den ersten Blick weniger für modernes Automotive-En-gineering zu eignen als der elektrothermische Wandler mit bekanntermaßen geringem Wirkungsgrad. Doch der Eindruck täuscht: Bei optimaler Auslegung leisten Peltier-Elemente einen erheblichen Beitrag zum Passagier-komfort, denn sie können die Kühlung zum Aha-Erlebnis machen.

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Einleitung

Vermeintlich weiche Faktoren spielen im innovationsgetriebenen Automotive-Wettbewerb eine

immer größere Rolle. Zu den großen Trends, der Entwicklern neue Ansätze bietet, gehört der

Bereich Passagierkomfort. Peltier-Elemente für die Sitzbelüftung scheinen zunächst kaum dafür

geeignet zu sein. Warum also setzen Automobilhersteller in Nordamerika und Asien zuneh-

mend auf die thermoelektrischen Elemente?

Der Peltier-Effekt macht den Komfort einer unmittelbar spürbaren Kühlung zum Kundenerleb-

nis. Praktische Tests von Lüftern mit Peltier-Kühlkörpern belegen die Erzeugbarkeit eines stabi-

len Wohlfühlbereichs von 18 bis 23 °C bei einer relativen Luftfeuchte von 40 bis 60 Prozent in

Körpernähe und als angenehm empfundenen 32 °C an der Hautoberfläche. Zudem läuft eine

solche Peltier-Kühlung leiser als ein herkömmlicher Lüfter. In dieser Ausrichtung unterstützt die

Peltier-Technologie wirksam den Ansatz der Passagierklimatisierung gegenüber einer aufwen-

digen Klimatisierung des gesamten Fahrgastraums.

Eigenschaften von Peltier-ElementenPeltier-Elemente sind elektrothermische Wandler, die bei Energiezufuhr auf einer Seite kühlen

und auf der anderen Seite Wärme abgeben. Es erweist sich als anspruchsvoll, sie thermody-

namisch in eine Anwendung zu integrieren. Auch verfügen die Elemente über einen geringen

Wirkungsgrad. Allerdings erreicht die Peltier-Kühlung im Rahmen einer aktiven Sitzbelüftung

den Passagier direkt am Körper und reduziert sein Bedürfnis, die gesamte Fahrgastzelle zu

temperieren. Untersuchungen zeigen, dass Fahrzeuginsassen mit Peltier-Sitzbelüftung geneigt

sind, den Innenbereich des Fahrzeugs weniger zu kühlen als bei einer klassischen Klimaanlage.

Die Einsparung liegt damit bei bis zu 1.200 Watt.

Peltier-Elemente erzielen zudem eine schnelle, wahrnehmbare Kühlwirkung. Gegenüber ande-

ren Anwendungen wie z. B. Kompressorkühlungen erlauben diese Sitzbelüftungen eine exakte

Ansteuerbarkeit über die Spannung und verfügen über geringe Einbaumaße. Kältemittel sind

nicht erforderlich. Darüber hinaus kann der Wärmefluss durch Umpolung umgekehrt und als

Heizung genutzt werden – die Wirkung tritt nach 30 Sekunden ein. Der Anwender braucht

nicht permanent zu kühlen.

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GrundlagenDas Peltier-Element bewirkt die Umwandlung eines Stromflusses in Wärme. Das elektrothermi-

sche Gerät enthält mehrere hintereinander angeordnete Halbleiterelemente, die abwechselnd

p- oder n-leitend sind und von einem Strom aus externer Quelle durchflossen werden. Die Ober-

und Unterseite des Peltier-Elements bestehen jeweils

aus einer isolierenden Keramikschicht.

Hintergrund für den sogenannten Peltier-Effekt bil-

den Vorgänge in den Leitungsbändern der jeweils

beteiligten Metalle mit unterschiedlichen Energi-

eniveaus. An deren Kontaktstellen kommt es zum

Potentialausgleich. Sobald ein Strom durch zwei hin-

tereinanderliegende Halbleiterelemente fließt, wird

es an der einen Kontaktstelle notwendig, Energie in

Form von Wärme aufzunehmen: Diese versetzt die

Elektronen in den Zustand, um in das energetisch höhere Leitungsband des nächsten Halblei-

terelements zu gelangen. Als Folge tritt eine Abkühlung ein. An der anderen Kontaktstelle senkt

sich beim Verlassen des höheren Leitungsbands das Energieniveau der Elektronen wieder ab,

sodass Wärme freigesetzt wird.

P N N N N NP P P P

Kühle Seite (Hitze wird aufgenommen)

Kupferleiter

p- und n-leitende Halbleiter

Stromzufuhr

Keramikisolation

Warme Seite (Hitze wird abgegeben)

Aufbau eines Peltier-Elements im Querschnitt

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Die anwendungsorientierte AuslegungGrundlegend für die effektive Nutzung der Peltier-Technologie in der Automotive-Sitzbelüftung

ist die anwendungsorientierte Auslegung zentraler Faktoren. Durch gezieltes Eingreifen lässt

sich das Verhalten der Elemente prinzipiell beeinflussen und optimieren.

Einfluss durch Strom und Spannung

Um optimale Betriebsbereiche zu erzielen, empfehlen sich Messversuche, die das Verhalten

des Peltier-Elements bei definierten Umgebungszuständen (Raumtemperatur, Luftfeuchte) in

Abhängigkeit von Strom I und Spannung U analysieren.

Das Beispiel unten zeigt einen Messversuch bei einer Temperatur T= 25°C und f = 65% Luft-

feuchte. Als optimaler Betriebsbereich erweist sich hier das Intervall 2 - 7 Volt.

U-I-T Diagramm bei T= 25°C und f = 65%

Quelle: Elektrosil

Einfluss von Strom und Spannung auf die Kühlleistung

Durch Messreihen bei verschiedenen solcher Umgebungszustände ergibt sich eine Matrix mit

mehreren optimalen U-I-Wertebereichen in Abhängigkeit von den jeweiligen Umgebungspara-

metern. Diese Matrix bildet später die Basis für eine elektronische Steuerung des Peltiermoduls.

Insgesamt sind bei der Optimierung die folgenden fünf Parameter besonders zu beachten:

Luftfeuchte, Temperatur, Arbeitspunkt des Lüfters, zeitliche Steuerung sowie Luftstrom. Auf-

grund der Komplexität richtet sich der Fokus in besonderem Maße auf das Abstimmen von

Luftströmen, wobei analytische und experimentelle Methoden der Strömungsmechanik zum

Einsatz kommen.

Tem

pera

tur [

°C]

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Parameter-Test 1

Einfluss durch Belüftung

Für eine wirksame Integration der Peltier-Kühlung ist es erforderlich, deren effizienten Arbeits-

punkt optimal auszubalancieren. Zielgröße für den angestrebten Wohlfühlbereich ist ein de-

finiertes Delta zwischen Innenraum- und Austrittstemperatur – zum Beispiel 5 °C bei 26 °C

Raumtemperatur (vgl. Diagramm unten).

Verschiedene thermodynamische Überlegungen und Messversuche legen dabei eine Belüftung

nahe, die mit zwei getrennt erzeugten Luftströmen betrieben wird: Die resultierende Kühlleis-

tung lässt sich signifikant verbessern, wenn die beiden Seiten des Peltier-Elements mit je einem

Lüfter angeströmt werden.

Die Bestimmung des erforderlichen Volumenstroms erfolgt über die Ermittlung der Luftmasse,

weil diese vorgibt, wie viel Wärme abgenommen werden kann. Es empfiehlt sich die Nutzung

eines Luftmassenmesssystems.

Quelle: Elektrosil

Temperaturverläufe im Zweistrombetrieb bei unterschiedlichen BetriebsspannungenWarmstrom = 100% Lüfterleistung, Kaltstrom = variierend

Im oben dargestellten Diagramm zeigt sich das Verhalten bei 100% Lüfterleistung auf der

Warmseite (Warmstrom; 100% erweisen sich als dauerhaft optimal) und variierenden Lüfter-

leistungen auf der Kaltseite (Kaltstrom). Es wird deutlich sichtbar:

Die vorgegebene Zieltemperatur ist bei 6-V-Betrieb nur bis 65% Kaltstrom-Lüfterleistung er-

reichbar, bei 12-V-Betrieb sogar nur bis etwa 35% Lüfterleistung. Der 15-V-Betrieb erweist

sich bei keiner Lüftereinstellung als sinnvoll. Entsprechend durchgeführte Messreihen finden

ebenfalls Eingang in die später erfolgende elektronische Steuerung des Peltiermoduls.

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Gegenüber Singleblowern bietet die Lüfterausführung mit zwei Strömen den Vorteil eines hö-

heren Wirkungsgrads. Da sich beide Luftströme gegenseitig beeinflussen, sollten sie so einge-

richtet werden, dass sie harmonieren. Es ist darauf zu achten, dass der Lüfter möglichst viel

Druck erzeugt, während das System geringen Widerstand verursachen sollte. Auch mögliche

Einflüsse wie veränderte Impedanzen durch das Gewicht des Passagiers müssen berücksichtigt

werden.

KondensatvermeidungZu den wesentlichen Herausforderungen bei einer Kühlung gehört die Entstehung von Konden-

sat: Durch Kenntnis des Taupunkts und die gezielte Ansteuerung des Peltier-Elements lässt es

sich vermeiden. So darf etwa bei einer Umgebungstemperatur von 25°C und einer relativen

Luftfeuchte von 65% die Temperatur an der Oberfläche des Kühlmoduls nicht unter 18°C sin-

ken (vgl. Tabelle).

Bei der Peltier-Lösung wird der kalte Luftstrom daher optimalerweise so betrieben, dass der

Kühlkörper nie den Taupunkt der Umgebungstemperatur erreicht. Dieser Effekt stellt sich ein,

wenn der Lüfter mehr kalte Luft fördert, als tatsächlich notwendig ist. Das gelingt durch spe-

zifische Luftführung und eine kennfeldgeregelte, automatische Softwaresteuerung des Lüfters.

Parameter für die Programmierung sind variable Einflussfaktoren wie Volumenstrom und Tau-

punkt, der Zeitfaktor sowie der Verschmutzungsgrad des Lüfters durch Staub. Der optimale

Arbeitspunkt des Lüfters wird über Temperatur und Motordrehmoment ermittelt.

Quelle: DIN 4108, Wärmeschutz für Gebäude

Luft- temperatur

Taupunkttemperatur in °C bei einer relativen Luftfeuchte von

30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % 65 %

30 °C 10,5 12,9 14,9 16,8 18,4 20,0 21,4 22,7

29 °C 9,7 12,0 14,0 15,9 17,5 19,0 20,4 21,7

28 °C 8,8 11,1 13,1 15,0 16,6 18,1 19,5 20,8

27 °C 8,0 10,2 12,2 14,1 15,7 17,2 18,6 19,9

26 °C 7,1 9,4 11,4 13,2 14,8 16,3 17,6 18,9

25 °C 6,2 8,5 10,5 12,2 13,9 15,3 16,7 18,0

24 °C 5,4 7,6 9,6 11,3 12,9 14,4 15,8 17,0

23 °C 4,5 6,7 8,7 10,4 12,0 13,5 14,8 16,1

22 °C 3,6 5,9 7,8 9,5 11,1 12,5 13,9 15,1

21 °C 2,8 5,0 6,9 8,6 10,2 11,6 12,9 14,2

20 °C 1,9 4,1 6,0 7,7 9,3 10,7 12,0 13,2

19 °C 1,0 3,2 5,1 6,8 8,3 9,8 11,1 12,3

18 °C 0,2 2,3 4,2 5,9 7,4 8,8 10,1 11,3

Taupunkte bei verschiedenen Umgebungstemperaturen

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Weitere HerausforderungenBei der Integration einer Peltier-Kühlung erweist sich die Anpassung an den vorhandenen Bau-

raum als weitere Herausforderung. Hier bietet das Peltier-Element den Vorzug einer kompakten

Lösung. Außerdem sollte die Akustik des Lüfters anwendungsgerecht ausgeführt werden.

Die Autoren des Whitepapers stellen in der folgenden Übersicht die 12 wichtigsten Regeln

zusammen, denen ihrer Ansicht nach bei der Entwicklung von Peltierkühlungen die meiste

Beachtung zu schenken ist.

1. Die maximale Spannung pro Halbleiter-paar beträgt ca. 0,12 V. Eine hohe Anzahl an Halbleiterpaaren verursacht eine hohe Versorgungsspannung. Diese kann den Strom vermindern.

2. Hohe Ströme erweitern Mikrorisse im Halb-leitermaterial und wirken sich negativ auf die Lebensdauer des Moduls aus.

3. Hohe Ströme erhöhen die thermische Wärme-produktion und verringern somit die Effizienz.

4. Die Effizienz eines Peltier-Elements zeigt sich im Verhältnis Wärmepumpleistung vs. einge-setzte elektrische Energie.

5. Bei einem Betrieb unter ca. 50 Prozent des maximalen Stroms bzw. Spannungswertes erreicht eine Peltierkühlung optimale Effizienz.

6. Wird die Wärme auf der Warmseite gut abgegeben, wirkt sich dies positiv auf Pel-tier-Kühlleistung, Effizienz und das maximale DeltaT aus.

7. Die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers bestimmt auch, wie wirkungsvoll Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Eine höhere Wirkfläche des Kühlkörpers (Größe sowie An-zahl der Finnen) verbessert den thermischen Wärmewiderstand.

8. Dank ihres hohen Luftdurchsatzes verbessern große Lüfter den thermischen Wärmewider-stand des Kühlkörpers.

9. Damit der Wärmeübergangswiderstand mög-lichst klein bleibt, empfiehlt es sich, zwischen Peltier-Element und Kühlkörper ein wirksames thermisches Interface-Material zu verwenden.

10. Der Wärmeübergang zwischen Materialien lässt sich mit dünn aufgetragener Wärmeleit-paste optimieren, da diese mikroskopische Un-ebenheiten und Riefen am besten ausgleicht.

11. Ein hoher Anpressdruck optimiert den ther-mischen Übergangswiderstand. Wichtig ist jedoch, bei jeder Montage Scherkräfte am Peltier-Element zu vermeiden.

12. Durch häufige und große Temperaturänderun-gen hervorgerufene Thermospannungen inner-halb des Peltier-Elements (durch unterschied-liche Längenausdehnungen der Materialien) senken dessen Lebensdauer.

DIE 12 WICHTIGSTEN PELTIER-REGEL aus den „30 goldenen Regeln der Peltiertechnologie“

Quelle: „Die 30 goldenen Regeln der Peltiertechnologie”, PDF, uwe electronic GmbH, uweelectronic.de

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Ein System schaffen – dank InterdisziplinaritätDie optimale Funktion der Sitzkühlung mit Peltier-Elementen erfordert die spezifische Abstim-

mung von Kühlkörper und Lüfter auf die Anwendung. Für diese Aufgaben empfiehlt es sich, mit

einem erfahrenen Anbieter für Systemintegration zusammenzuarbeiten, der über fundiertes

Know-how bei Lüftern und Strömungslehre verfügt. Erforderlich sind Kompetenzen in Me-

chanik sowie Hard- und Software, inklusive der Entwicklung einer Kennfeldregelung. Ferner

verlangt die Abstimmung des Luftstroms zahlreiche Versuchsreihen im Rahmen von Laborar-

beit. Dieses Vorgehen ermöglicht eine individuelle Entwicklung, die den Anforderungen der

Anwendung voll Rechnung tragen. So werden vorhandene freie Bauräume genutzt, um die

Peltier-Belüftung im Sitz zu integrieren. Je nach Position ist ein Weiterleiten der Luftströme

durch angepasste Kanäle möglich.

Die Zusammenarbeit mit einem Spezialisten bietet den Vorteil, die Sitzkühlung optimal in vor-

handene Systeme integrieren zu können. In der Regel verfügen Systemintegratoren einerseits

über das fachliche Know-how und kennen andererseits die Anforderungen der Branche. Die

weitreichenden Möglichkeiten, spezifische Anforderungen zu realisieren, zeigt das Beispiel der

Neuentwicklung eines Belüftungssystems für einen führenden Automobilhersteller. Gewünsch-

te Luftleistung, Kühlung und Lautstärke sowie minimale Vibration wurden bei geringem Bau-

raum sichergestellt.1

Für die Entwicklung komplexer Produkte empfiehlt es sich zudem, die Anforderungsanalyse

des Systems Engineering anzuwenden. Mit der Definition der Systemanforderungen und den

gewünschten Eigenschaften des Produkts, lässt sich vorausschauend und kostenfreundlich pla-

nen.2

1 Vgl. dazu Success Story „Designed by Elektrosil: Intelli-gente Sitzkühlung fürs Auto“

2 Whitepaper „Exakte Systemanforderungen – die Basis für Lean Development“, PDF, September 2017

Quelle: Elektrosil

Entwicklungsschema kundenspezifische Kühllösungen

AnfrageAnforderungs-

analyseBauraum-

untersuchung

Aerodynamische und thermische

Simulation

Prototypenbau und -Versuch

Auslieferung an den Kunden

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Karim El-Jomaa, M.Sc., ist seit

Oktober 2016 Projektmanager Au-

tomotive bei Elektrosil. Zuvor war er

für die Volkswagen AG tätig. 2013

verfasste er seine Master-Abschluss-

arbeit bei der EDAG GmbH & Co.

KGaA. Seine Bachelorarbeit erstellte

er bei der Daimler AG im Bereich

Motorenentwicklung. Karim El-Jo-

maa hat ein Fahrzeugtechnik-Studi-

um (Bachelor, Master) an der HAW

Hamburg absolviert.

Dennis Mussin, M.Sc., arbeitet seit

Mai 2017 als Technischer Zeichner/

Konstrukteur bei Elektrosil. Er hat an

der HAW Hamburg die Studiengän-

ge Karosserieentwicklung (B. Eng.)

sowie Flugzeugbau (M.Sc.) studiert.

Ruhrstraße 53 · D-22761 Hamburg Tel. +49 (0)40 84 00 01-0info@elektrosil.com

Biografien der Autoren

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Fazit und AusblickThermoelektrische Elemente für die Sitzkühlung im Automobil zu nutzen, mag als zunächst

abwegig erscheinen, aber gegenüber herkömmlichen Technologien bieten sie tatsächlich einen

wesentlichen Vorzug: Der Passagier nimmt den Kühleffekt und damit den zusätzlichen Komfort

bewusst wahr. Diese demonstrative Eigenschaft macht die Sitzkühlung zum verkaufsfördern-

den Element.

Automobilhersteller, die auf die Sitzkühlung mit Peltier setzen, schließen die Lücken zum Wett-

bewerb. Darüber hinaus sind die Möglichkeiten der thermoelektrischen Wandler für Innovato-

ren in der Passagierklimatisierung noch nicht ausgereizt: So bestehen etwa Potenziale bei der

Entwicklung von Klima-Automatiken. Zudem können Peltier-Elemente auch für präzise steu-

erbares und spürbares Heizen eingesetzt werden. Es lohnt sich, eingefahrene Denkmuster zu

verlassen und für neue Ideen offen zu sein. Dies ist nicht nur attraktiv für den Bereich Automo-

tive, sondern für alle, die ein angenehmes Mikroklima für Passagiere (und andere Nutznießer)

schaffen wollen.