Kleinkühlschrank mit Peltier-Element

Vor einiger Zeit kaufte ich mal ein Peltier-Element, wird auch scherzhaft Pelztierelement genannt.
Damit machte ich ein paar Experimente wie Wirkungsgrad und gepumpte Wärmemenge.
Physikalisch ist ein Peltier-Element eine Wärmepumpe, nur halt ohne Kompressor.
Meine Idee, eher Spielerei, damit einen kleinen Bierflaschenkühler zu bauen.

Die Tage lächelte mich bei Aldi Süd für 80 Euro der Kleinkühlschrank im Bild an, wurde meiner.
Vorgesehen ist er sowohl für Netzbetrieb als auch Anschluss an 12 Volt.
Somit ist der Kühlschrank auch recht gut für Camping oder Wohnmobil geeignet.
Kühlschränke für Camping in der Größe liegen in der Gegend 500 Euro, somit recht günstig.
Viel darf man davon nicht erwarten, er macht das, was er laut angegebener Daten verspricht.

Damals wollte ich für meinen Experimentalaufbau ein Isoliertes Gehäuse bauen.
Das ist jetzt nicht mehr nötig, einiges an Arbeit erspart, Hauptgrund, warum ich ihn kaufte.
Vermutlich werde ich eine eigene Regelelektronik entwickeln, die effektiver sein wird.
Der Kühlschrank kann offensichtlich nur das Pelztierelement ein- und ausschalten.
Sehen wir später, eine echte Regelung ist effektiver, also möglichst im optimalen Arbeitspunkt.

Peltier-Elemente haben eine Warm- und eine Kaltseite.
Polt man die Betriebsspannung um, wird aus der Warmseite die Kaltseite und umgekehrt.
Das heißt den Kühlschrank kann man auch zum Warmhalten von Speisen benutzen.
In der Betriebsanleitung ist das erläutert, mit dem Gerät problemlos möglich.

Was kann der kleine Wunderkasten?
Groß ist das Ding nicht, Innenraum ca. 15 Liter.
Der reicht für ein paar Flaschen Bier, eine Packung Käse und Grillwürstchen für mehrere Personen.
Laut Hersteller ist der Kühlschrank (Kühlbetrieb) für eine Temperaturdifferenz bis 15 °C geeignet.
Probierte ich mit leerem Innenraum aus, ich kam sogar auf 19 °C, hält dann nur noch die Temperatur.
In der Praxis sollte man eine Temperaturdifferenz größer 10 °C vermeiden, zunehmend ineffizienter.

Später mehr,
Andreas

Wie ist so ein Kühlschrank aufgebaut?

Ich habe den aus Garantiegründen (noch) nicht auseinandergenommen.
Herzstück ist das Peltier-Element mit Warm- und Kaltseite.
Bei Kühlboxen ist die Kaltseite meist mit einen Alublech verbunden, deren Boden.
Ist hier ähnlich, jedoch wird im Kühlraum mit einem kleinen Lüfter ein Luftstrom erzeugt.
Die Warmseite hängt an einem ausgewachsenen Kühlkörper.
Ein eher nicht leiser Lüfter sorgt für ordentlich Luftstrom, Außenluft, über den Kühlkörper.
Leider etwas dusselig gelöst, seine Kühlrippen sind waagerecht, nicht senkrecht, angeordnet.

Für Netzbetrieb ist ein Schaltnetzteil eingebaut, was 12 V macht.
Laut Bedienungsanleitung nicht vorgesehen, die Spannung kann man am DC-Eingang abgreifen.
Das Netzteil wird merklich warm, könnte besser konstruiert sein.

An der Front, die Tür, wird die Innentemperatur angezeigt, siehe Bild zuvor.
Dort kann man auch die Solltemperatur einstellen, bei über 20 °C geht das Gerät in den Warmbetrieb.
Stellt man die Solltemperatur zu niedrig ein, z.B. 5 °C bei 25 °C Außentemperatur, läuft das Gerät durch.
Gestern stellte ich 10 °C ein, Trinktemperatur Bier, stellte auch eine Flasche hinein.
Es ergab sich eine Differenztemperatur von 16 °C, grenzwertig.
Der Kühlschrank schaltete sich noch ab, seine Pausen zwischendurch waren jedoch eher kurz.
Warmbetrieb probierte ich nicht aus, vermutlich interessant für Eltern mit sehr jungem Nachwuchs.
Ich denke da an mundwarme Fläschchen oder Babynahrung.

Andreas

Betrieb 12 Volt und Energiesparmodus

Wie im Bild ersichtlich, nahm ich für den Test eine Autobatterie.
Kleiner Tip, man sollte bei Experimenten mit Autobatterien eine Sicherung vorsehen.
Im Bild ist es die blaue Flachstecksicherung kurz hinter dem Pluspol.
Damals im jugendlichen Eifer schaffte ich es durchaus, dicke Adern zum Glühen zu bringen...
Weiß mein Messwiderstand für Strommessung, zweimal 0,1 Ω parallel.

Laut technischer Daten zieht der Kühlschrank im Betrieb 12 Volt 52 Watt.
Das kommt sehr gut hin, meine Messung ergab 50,5 Watt, ca. 4,2 A.
Läuft das Peltier-Element nicht, also nur Elektronik und Anzeige, ist der Strom unter 40 mA.

Gemäß Anleitung stellte ich auch mal den Ruhemodus ein.
Dort heißt es, der sei auch Energiesparmodus und die Geräuschentwicklung wird herabgesetzt.
Die Aussage ist grenzwertig, eher irreführend.
Ich vermutete, daß das Peltier-Element in dem Modus mit weniger elektrischer Leistung betrieben wird.
Dem ist offensichtlich nicht so!
Im aktiven Kühlbetrieb sank der Strom von 4,2 A auf 4,0 A, gerade mal 200 mA Differenz.
Lüftergeräusche waren kaum noch zu hören, das mit weniger Geräuschentwicklung stimmt.
Die 200 mA Differenz führe ich auf den Lüfter zurück, der kaum noch Strom bekommt.
Haken an der Sache, das Peltierelement wird dann weniger gekühlt, Kühlleistung sinkt.
Somit ist davon auszugehen, daß der Energieverbrauch in dem Modus insgesamt steigt.
Warum das so ist, zeige ich später mit Arbeitskurven aus dem Datenblatt eines Peltier-Elements.

Andreas

Wie wird ein Peltier-Element artgerecht gefüttert?

Im Bild ein Peltierelement, misst 40 x 40 mm, schon etwas größer.
Damit machte ich damals Versuche, wie ich zuvor schrieb.
Unten der Aluwinkel ist die Warmseite, mein Kühlkörper.
Oben das Kupferblech gehört nicht dazu, war Bestandteil bei meinen Versuchen.
Das im Kühlschrank dürfte bezüglich Leistung und Größe recht ähnlich sein.

So ein Element benötigt zwingend Gleichspannung, damit der Wärmepumpeneffekt funktioniert.
Würde man es an Wechselspannung anschließen, würde es sich einfach nur aufheizen.
Die Speisespannung sollte halbwegs sauber sein, nicht unnötig Brumm enthalten.
Ungesiebte Gleichspannung funktioniert, wirkt sich jedoch auf die Lebensdauer aus.
Ähnliches gilt auch bei Schaltnetzteilen, also auch entsprechend sieben.

Im Kühlschrank wird das Pelztierelement ständig ein- und ausgeschaltet, ungünstig.
Bei einer Differenz von z.B. 30 °C bilden sich im Element mechanische Spannungen.
Macht man das unnötig oft, ist der Effekt ähnlich wie Ermüdungsbruch bei Metallen.
Auch deswegen ist es wesentlich günstiger, mit einer langsamen Regelung zu arbeiten.
Anderer Effekt der Regelung, man kann auf jeweils günstigsten Arbeitspunkt optimieren.

Andreas

Michael, Du hast den richtigen Riecher!

Im Amateurfunkgesetz bzw. Verordnung ist von Notfunkbetrieb die Rede.
Der Funkamateur soll dazu in der Lage sein, ist aber nicht verpflichtend.

Ein praktisches Beispiel nennt sich Field Day, ein Funkwettbewerb.
Wie es der Name sagt, hinreichend entfernt von Infrastruktur wie Stromnetz.
Machte ich schon mit, wir nahmen uns ein Wohnmobil, hauptsächlich für die Funkausrüstung.
Die Stromversorgung (Pufferung) erfolgte u.a. durch ein Notstromaggregat.

Bei mir daheim im Shack (Funkbude) strebe ich Autarkie an, teilweise schon vorhanden.
Dafür habe ich mehrere nicht mehr ganz frische Autobatterien.
Die bieten sich an, da viele Funkgeräte für 12 Volt ausgelegt sind.
Ein ausgewachsenes Funkgerät benötigt beim Senden etwa 25 A und bei Empfang ca. 1 A.
Ohne Nachladen hält dann eine einzelne Batterie wenigstens mehrere Stunden.
Demnächst soll bei mir etwas Photovoltaik aufs Dach, vermutlich zwei Paneele.
Einen passenden Laderegler für Inselbetrieb Kleinspannung werde ich mir selbst bauen.

Kühlschränke mit Peltier sind nicht sonderlich effizient, eher für Nischenlösungen interessant.
Wie man gegenüber einfacher Kühlbox Camping noch was herausholt, werde ich demnächst zeigen.
COP größer 2 ist realistisch, wenn eher nur die Temperatur gehalten werden soll.

Andreas, DL2JAS

Wir tasten uns an den optimalen Arbeitspunkt!

Erst mal kurz was zu den Begrifflichkeiten.
Ein wichtiger Kennwert ist COP, coefficient of performance, auch Leistungs- oder Arbeitszahl genannt.
Dabei handelt es sich um eine Art Wirkungsgrad, jedoch gibt es keinen Wirkungsgrad größer 1.
Nehmen wir als Beispiel COP = 2.
Stecke ich eine Energieeinheit elektrisch hinein, werden zwei Energieeinheiten Wärme gepumpt.

Wichtig ist noch Delta T oder gern mit DT abgekürzt.
Das ist die erzielte Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite direkt am Peltier-Element.
Der Wert ist meist nicht identisch mit Innentemperatur des Kühlschranks und Abluft.
Man muss da noch z.B. den Wärmeübergangswiderstand beim/zum Kühlkörper einbeziehen.
Üblicherweise steigt COP mit kleiner werdendem Delta T.

Peltier-Elemente zeigen einen leichten Heißleiter PTC-Effekt. (Edit 26.06.2023)
Betrachtet man in gewissen Grenzen einen Arbeitsbereich, kann man den Effekt vernachlässigen.

Im Bild sieht man, daß sich COP stark mit der Differenztemperatur ändert.



Bei hier Nennspannung 12 V ist COP in allen Fällen unter 1.
Nehmen wir als Beispiel die blaue Kurve mit DT = 10 °C.
Bei 12 V ist COP ca. 0,8 und bei 6 V schon bei 2.
Somit ist es bezüglich Effizienz sinnvoll, solche Elemente weit unter Nennspannung zu betreiben.
Möglicherweise baue ich den Kühlschrank um, nehme zwei Peltier-Elemente elektrisch in Serie.
Peltiers sind nicht ganz billig, ein Element der Größe kostet etwa 30 Euro, je nach Anbieter.

Andreas

Gepumpte Wärmeleistung

Je nach gewünschter Kühlschrankinnentemperatur und Außentemperatur landet man bei DT 10 bis 20 °C.
Im eher kühlen Kellerraum ist DT = 10 °C möglich, bei Sommertemperaturen werden es wohl eher 20 °C.
Überschlagsmäßig setzte ich bei DT = 20 °C jeweils 3 °C für Peltier zur Umgebungsluft an.

Wir betrachten folgendes Diagramm:



Zuvor schrieb ich, daß ich in Erwägung ziehe, zwei Peltiers in Reihe zu verwenden.
Nehmen wir die blaue Kurve mit DT = 20 °C.
Im Arbeitspunkt 6 V beträgt die gepumpte Wärmeleistung Qc 22 Watt und bei 12 V 44 Watt.
Schaltet man zwei Elemente elektrisch hintereinander, fließt (leicht gerundet) jedoch nur der halbe Strom!
Das ist schon was, selbe gepumpte Wärmeleistung bei halbem Stromverbrauch.
Schauen wir in das Diagramm COP im Beitrag zuvor.
Da sieht man sofort den Grund, COP bei 12 V 0,8 und bei 6 Volt schon 1,6 laut Diagramm.

Kleine Anmerkung zum geplanten "Heizungsgesetz" mit Wärmepumpen.
Natürlich passen die Diagramme Peltier nicht 1:1 zu den Wärmepumpen mit Kompressor.
Was aber schon passt, ist die Tendenz bezüglich gepumpter Wärmeleistung und Differenztemperatur.
In der Übergangszeit wie Herbst oder Frühling ist so eine Wärmepumpe durchaus interessant.
Das deswegen, weil sowohl Temperaturdifferenz als auch benötigte Wärmeleistung eher klein ist.
Unschön wird es im Winter, beide groß, gerade bei Außentemperaturen unter 0 °C.
Dann wird COP so niedrig, daß man mehr oder minder voll elektrisch heizt.
Damit meine ich jetzt die Dinger für Umgebungsluft, bei Erdwärme sieht es natürlich anders aus.

Andreas

Zweiter Teil optimaler Arbeitspunkt

Zur Erinnerung, ich nehme hier beispielhaft Werte aus einem Datenblatt, vermutlich nicht Peltier-Element Kühlschrank, jedoch bezüglich Leistung ähnlich.
Es ist das Bild wie zuvor, jedoch zeichnete ich die grüne Kurve ein.
Das ist genau der interessante Bereich, wo COP maximal wird.
Auch ist eigentlich nur der Bereich DT 10 °C bis 20 °C interessant, typischer Arbeitsbereich.



Es ist somit naheliegend, einen Regler zu konstruieren, der bei etwa 3 Volt startet.
Nebenbei, ich stellte vor einiger Zeit die Experimente mit dem einfachen Schaltnetzteil vor.
Da hatte ich schon das Peltier-Element im Hinterkopf, um es für solche Zwecke zu nehmen.
Heute wird man vermutlich einen kleinen µP wie ATMEL nehmen, geht auch analog.
Man betrachte immer die Kühlwirkung in einem gewissen Zeitfenster, z.B. 20 Sekunden.
Ist die ausreichend, behält man den Arbeitspunkt möglichst bei.
Hat man gerade zwei zimmerwarme Safttüten nachgelegt, wird die nicht mehr ausreichen, eventuell wird sogar der Innenraum trotz Kühlung wärmer.
Dann muss die Spannung moderat hochgeregelt werden, was mehr Kühlleistung bei weniger COP bedeutet.

Irgendwann kommen wir in die Gegend, wo sich langsam ein Gleichgewicht einstellt.
Es muss immer gekühlt werden, da keine Kühlschrankisolation perfekt ist.
Bei guter Isolation werden wir auf den Kurven links vom Maximum landen.
Ziel des Reglers, das Peltier-Element sollte nie ausgeschaltet werden.
Eine Ausnahme wird es geben, wenn wir direkt nach dem Einkauf gut gekühlte Ware hineinpacken.

Andreas