Kühlbrutschränke und Klimaprüfschränke mit Peltier-Technologie

Kälte ist per Definition keine eigene Energieform, sondern ein Ungleichgewichtszustand. Dem Ort, an dem Kälte erzeugt werden soll, muss Wärme entzogen werden. Die Wärme fließt also aus dem Energieüberschuss in der warmen Umgebung in Richtung Energiedefizit im zu kühlenden Raum. Technologisch gesehen ist dieser Prozess wesentlich komplexer als die Wärmeerzeugung, die die Menschen seit vielen hundert Jahren beherrschen.

Die erste funktionierende Kältemaschine der Welt wurde 1845 von dem amerikanischen Arzt John Gorrie gebaut, um damit Krankenzimmer zu kühlen (1). Sie war aber ein finanzieller Misserfolg. In den 1870er Jahren machte sich Carl von Linde das Prinzip der Kältemaschine zu Nutze. Er entwickelte Kompressionskälteanlagen für Brauereien, um die Lagerung des Bieres zu revolutionieren und zu vereinfachen. Auch im Labor ist Kälte unersetzlich. Neben Kühlschränken, Kühlbrutschränken und Klimaschränken, die wie zu Lindes Zeiten durch eine Kompressionskälteanlage gekühlt werden, hielten in den vergangenen Jahren Peltier-temperierte Geräte Einzug. Sie versprechen vor allem einen reduzierten Energieverbrauch im konstanten Teillastbetrieb. Ein Entscheidungskriterium, das in Zeiten von Klimawandel, knappen Ressourcen und steigenden Energiekosten immer wichtiger wird.

(1) Plank, Rudolf (Hrsg). Handbuch der Kältetechnik. Springer-Verlag, 1954

Funktionsprinzip eines Peltier-Element

Prinzipiell funktioniert das Peltier-Element wie eine Wärmepumpe. Es wird Energie von der kalten auf die heiße Seite gepumpt. Die Gesamtmenge der Abwärme, die auf der heißen Seite abgeführt werden muss, ergibt sich aus der zugeführten elektrischen Energie und der Kühlleistung. Durch Umpolen des Stroms können die Warm- und Kaltseiten vertauscht werden (3).

In einem Peltier-Element sind Thermopaare aus unterschiedlich leitenden Halbleitern elektrisch in Reihe geschaltet und über keramikisolierte Kupferbrücken verbunden. Fließt Gleichstrom durch das Element, baut sich eine Temperaturdifferenz auf (Peltier-Effekt). Die kalte Seite des Peltier-Elements entzieht der Umgebung Wärme und gibt sie an der gegenüberliegenden Seite ab. Gängige, einstufige Peltier-Elemente haben ihre physikalischen Grenzen bei einer Temperaturdifferenz von rund 70 Kelvin zwischen der warmen und der kalten Seite bei Nennleistung Imax (siehe Abb). Mit neuartigen, gut leitenden Materialien und/oder dem Einsatz mehrstufiger Peltier-Elemente können für Hightech-Anwendungen in der Elektronik auch Temperaturdifferenzen von mehr als 130 Kelvin erreicht werden.

(3) Dr. König, Jan, et al. Thermoelektrik: Strom aus Abwärme. BINE Informationsdienst, 2016

Aufbau einer Peltier-Kühleinheit

In einem Peltier-Kühlbrutschrank oder -Klimaprüfschrank sind Peltier-Elemente in Kühleinheiten integriert. Um ein Überhitzen der Peltier-Elemente zu vermeiden, die Effizienz zu optimieren und vor allem, um eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Heißseite zu ermöglichen, muss die Abwärme möglichst effizient abtransportiert werden. Dies geschieht mit einem (bedarfsabhängig geregelten) Außenlüfter und einem ausreichend dimensionierten Kühlkörper. Der Innenlüftermotor sollte idealerweise möglichst wenig Wärme in den Innenraum eintragen.

Kühlleistung im Gegensatz zum anliegenden Strom und der Temperaturdifferenz innerhalb des Peltier-Elementes (Meerstetter Engineering, 2016).


Die tatsächliche Kälteleistung wird gemindert

  • durch die Verlustwärme (steigt quadratisch mit der Stromstärke).
  • durch Wärmerückfluss zur kalten Seite (proportional zur Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Temperaturdifferenz).

Technologievergleich Peltier-Kühlelement und Kompressorkühlung

Wie ist der Aufbau?
Die konstruktiven Unterschiede der beiden Kühltechnologien bringen für den Anwender spezifische Vorteile mit sich. Ein Peltier-Gerät kann kompakter gebaut werden, da kein zusätzlicher Bauraum für eine Kältemaschine benötigt wird. Aufgrund einer geringen Anzahl mechanischer Bauteile, wie Pumpen, Filtern und Rohrleitungen, ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls geringer und die Wartung einfacher. Wartungen an Kühlkompressoren dürfen nur von Spezialisten mit spezieller Zertifizierung durchgeführt werden. Darüber hinaus arbeiten Peltier-Geräte annähernd vibrationsfrei sowie durch rehzahlgeregelten Lüfterbetrieb geräuscharm. Der Verzicht auf ein Kältemittel schlägt bei den laufenden Betriebskosten und der Klimafreundlichkeit zu Buche. Durch die Umkehr des Stromflusses werden Peltier-Elemente in vielen Geräten auch zum Heizen verwendet. Dies macht eine eigene Heizquelle im Kühlbrutschrank oder Klimaprüfschrank überflüssig. Darüber hinaus können Temperaturzyklen mit der gleichen Heiz-Kühl-Einheit gefahren werden.

Wie ist die Regelbarkeit?
In der Labortechnik bieten kompressorgekühlte ebenso wie Peltier-Geräte eine sehr hohe Regelgenauigkeit. Peltier-Elemente reagieren jedoch unmittelbar und ohne Kühlmedium, da alles elektrisch betrieben wird.

Peltier-Technologie zum Heizen und Kühlen in Kühlbrutschränken

Lange Jahre betrachtete man Peltier-gekühlte Geräte aufgrund des schlechten Wirkungsgrads von Peltier-Elementen nicht als echte Konkurrenz zu kompressorgekühlten Geräten. Mittlerweile ist eine Vielzahl an Peltier-gekühlten Laborgeräten auf dem Markt. Einige arbeiten mit einem einzigen Heiz-/Kühl-System, andere heizen mit einem elektrischen Widerstandsheizelement. Die Geräte haben ihre Stärken vor allem in der Nähe der Umgebungstemperatur, denn bei geringem Heiz- und Kühlbedarf benötigt die Peltier-Technologie auch nur geringe Energiemengen.

Es findet kein Luftaustausch zwischen Kammer und Umgebung statt. Die unvermeidliche Kondensation während des Abkühlvorgangs erfolgt nicht im Arbeitsraum, sondern außerhalb am Kühlkörper in der Kammer. Die in  den Peltier-Elementen integrierten Lüfter unterstützen einen schnellen Energietransport sowie eine optimale Temperaturverteilung.

Gerätevergleich zeigt enormes Potenzial für Energieeinsparungen

Energieverbrauch bei Langzeitprüfungen nach ICH-Q1A (R2) (12 Monate)

Was ist für mich das Richtige?

Bei der Entscheidung für und gegen die Kompressortechnologie oder Peltier-Technologie lässt sich keine allgemeingültige Aussage treffen. Es steht immer die spezifische Anwendung im Vordergrund und in der Regel sind die Geräte für definierte Prozesse ausgelegt.

Folgende Kriterien sind dabei zu berücksichtigen:

  • Energieeffizienz
  • Temperaturhomogenität und -konstanz
  • Aufheiz-, Abkühl-, und Erholzeiten
  • Laufruhe und Geräuschpegel
  • Umgebungstemperatur / Bedingungen am Aufstellort
  • Temperaturbereiche (Minusgrade)
  • Kältemittel
  • Service und Wartung

Technologievergleich Peltier-Kühlelement und Kompressorkühlung

Wie ist der Aufbau?
Die konstruktiven Unterschiede der beiden Kühltechnologien bringen für den Anwender spezifische Vorteile mit sich. Ein Peltier-Gerät kann kompakter gebaut werden, da kein zusätzlicher Bauraum für eine Kältemaschine benötigt wird. Aufgrund einer geringen Anzahl mechanischer Bauteile, wie Pumpen, Filtern und Rohrleitungen, ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls geringer und die Wartung einfacher. Wartungen an Kühlkompressoren dürfen nur von Spezialisten mit spezieller Zertifizierung durchgeführt werden. Darüber hinaus arbeiten Peltier-Geräte annähernd vibrationsfrei sowie durch rehzahlgeregelten Lüfterbetrieb geräuscharm. Der Verzicht auf ein Kältemittel schlägt bei den laufenden Betriebskosten und der Klimafreundlichkeit zu Buche. Durch die Umkehr des Stromflusses werden Peltier-Elemente in vielen Geräten auch zum Heizen verwendet. Dies macht eine eigene Heizquelle im Kühlbrutschrank oder Klimaschrank überflüssig. Darüber hinaus können Temperaturzyklen mit der gleichen Heiz-Kühl-Einheit gefahren werden.

Wie ist die Regelbarkeit?
In der Labortechnik bieten kompressorgekühlte ebenso wie Peltier-Geräte eine sehr hohe Regelgenauigkeit. Peltier-Elemente reagieren jedoch unmittelbar und ohne Kühlmedium, da alles elektrisch betrieben wird.

Anwendung in Klimalagerschränken mit Peltier-Technologie (Beispiele)

Hauptvorteile Kompressor-Klimaprüfschränke:
Hohe Flexibilität bei großem Anforderungsspektrum:

  • Temperaturbereiche von Minus bis Plus
  • Photostabilitätsprüfungen in Kombination mit vielen Temperatur-Feuchte-Kombinationen
  • schnelle Temperatur- /Klimawechselprüfungen
  • hohe Wärmekompensation

Hauptvorteile Peltier-Klimalagerschränke:

  • Bei konstantem Lagerklima hohe Energieeffizienz
  • geringere Ausfallwahrscheinlichkeit der Peltier-Elemente
  • leiser Betrieb
ICH-Guidelines Q1A und Q1B

Stabilitätstest im Klimaschrank nach ICH Guideline Q1A (R2)
Diese Richtlinie beschreibt die kontrollierten Lagerbedingungen (Temperatur und Feuchte) und die Lagerdauer für Stabilitätstests von Fertigarzneimitteln und Wirksubstanzen für die verschiedenen Klimazonen auf der Erde. Die chemisch-physikalische Stabilität nach dem Ende der Prüfungen ermöglicht Aussagen zur Haltbarkeitsdauer und zu den Lagerungsbedingungen.

Stabilitätstest im Klimaschrank nach ICH Guideline Q1B, Option 2 (Photostabilität)
Mit einer Beleuchtungseinheit, die Tageslichtleuchten und UV-Licht kombiniert, kann zusätzlich nach den ICH Guidelines Q1B, Option 2 (Photostabilität) geprüft werden. Die Richtlinie macht keine Vorgaben für Feuchtegehalt und Temperatur während der Prüfung. Dennoch kann man sich mit einem Klimaschrank mit regelbarer Temperatur, Feuchte und separat regelbarer Beleuchtungsstärke für Tageslicht und UV-Licht die Möglichkeit offenhalten, Photostabilität auch für definierte Luftfeuchtigkeiten zu prüfen. Neben der hohen Flexibilität bei den Prüfungen spricht für diese Geräte der geringe Wärmeeintrag durch die Beleuchtungseinheiten im Vergleich zu den Xenon-Lampen gemäß ICH Guideline Option 1.
 

Proteinkristallographie
Hauptvorteile Peltier-Kühlbrutschrank:

  • annähernd vibrationsfreier und geräuscharmer Betrieb
  • hochpräzise Regelung

Proteinkristalle sind äußerst empfindlich. Die kleinste Erschütterung kann das Wachstum negativ beeinflussen. Möglichst langsam und erschütterungsfrei wachsen die empfindlichen Kristallisationsansätze bei konstanten Temperaturen zwischen +4 °C und +20 °C über einen sehr langen Zeitraum im Kühlbrutschrank heran. Neben der Geräuscharmut und den minimalen Vibrationen spielt die hochpräzise Regelbarkeit des Kühlbrutschranks eine wesentliche Rolle bei der Kristallisation, denn Temperaturschwankungen, insbesondere während der Keimbildungsphase, beeinträchtigen die Reproduzierbarkeit der Kristalle.
 

Literaturhinweise
Memmert Whitepaper | 02/2021
Memmert GmbH + Co. KG | www.memmert.com