AGENDA. Zwei Technologien zum Heizen und Kühlen, die in Klima-Kammern eingesetzt werden:

AGENDA

Zwei Technologien zum Heizen und Kühlen, die in Klima-Kammern eingesetzt werden:

PELTIER-TECHNOLOGIE KOMPRESSOR-TECHNOLOGIE

1. Unterschiede der beiden Technologien 2. Vor- und Nachteile

3. Ideales Kühlsystem für Laboranwendungen

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN | THERMOELEKTRISCHE EFFEKTE

Zur Stromerzeugung werden Energiewandler wie thermoelektrische Elemente (TEC – auch bezeichnet als Peltíer-Elemente) zur Stromerzeugung und Peltier-Elemente zum Heizen und Kühlen.

Dies basiert auf dem "Seebeck-Effekt", der von Thomas Johann Seebeck (deutscher Physiker) vor 200 Jahren beobachtet wurde.

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN | THERMOELEKTRISCHE EFFEKTE

Endpunkt eines Leiters aus zwei unterschiedlich leitenden Materialien wird erhitzt Elektronen diffundieren durch Thermodiffusion auf die kalte Seite

Temperaturgradient erzeugt thermoelektrische Spannung

Elektrischer Strom fließt, sobald der Stromkreis geschlossen wird

PELTIER-PRINZIPIEN | PELTIER-ELEMENT

1834 entdeckte Jean Peltier (französischer Physiker) den Peltier-Effekt, der auf dem Seebeck-Effekt basiert.

Arbeitsprinzip: In einem elektrischen Stromkreis wird an den Kontaktstellen zweier unterschiedlich leitender Materialien ein Temperaturunterschied erzeugt - eine Seite wird kalt, die andere Seite warm.

Kommerziell erfolgreiche, thermoelektrische Anwendungen entstanden aber erst mit der Entwicklung von Halbleitern. Ihr Widerstand sinkt bei steigender Temperatur und die Leitfähigkeit steigt. In

modernen Thermoelementen werden überwiegend unterschiedlich dotierte Halbleiter verwendet.

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN | FUNKTIONSPRINZIP

EINES PELTIER-ELEMENTS

Ein Peltier-Element funktioniert wie eine Wärmepumpe.

Energie wird von der kalten zur heißen Seite gepumpt.

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.

Fließt Gleichstrom durch das Element, baut sich eine Temperaturdifferenz auf.

Die kalte Seite des Peltier-Elements entzieht der Umgebung Wärme und gibt sie an der

gegenüberliegenden Seite ab.

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN | KÜHLLEISTUNG

EINES PELTIER-ELEMENTS

Die tatsächliche Kälteleistung wird gemindert

1. durch die Verlustwärme (steigt quadratisch mit der Stromstärke).

2. durch Wärmerückfluss zur kalten Seite (proportional zur Wärmeleitfähigkeit des Materials und der

Temperaturdifferenz).

Peltier-Elemente werden in Kühleinheiten integriert.

Die Abwärme muss so effizient wie möglich abtransportiert werden.

Dies geschieht mit einem bedarfsabhängig geregelten Innen-/Außenlüfter und einem ausreichend dimensionierten Kühlkörper.

Erreichte Ziele:

• Vermeidung einer Überhitzung der Peltier- Elemente

• Optimierung des Wirkungsgrads

• Größtmögliche Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN | KÜHLLEISTUNG EINES PELTIER-

ELEMENTS

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN | FUNKTIONSPRINZIP

EINER KÄLTEMASCHINE

• Thermische Energie, die beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand benötigt wird

• Kältemittel zirkuliert durch das Rohrsystem der Maschine

• Kältemittel nimmt Wärme von eingebrachten Proben oder Lebensmitteln im Verdampfer auf

• Kompressor verdichtet das Kältemittel unter hohem Druck

• Verflüssiger an der Außenseite des Geräts gibt Wärme an die Umgebung ab

• Kältemittel kühlt ab und geht in den flüssigen Zustand über

• Druck wird im Drosselventil wieder reduziert

• Der Siedepunkt sinkt und der Prozess beginnt von Neuem

PELTIERTECHNIK IM LABOREINSATZ

• Peltier zum Heizen und Kühlen in Kühlbrutschrank und Klima-Kammer

• Kein Luftaustausch zwischen Kammer und Umgebung

• Kondensation beim Kühlvorgang erfolgt an der Wärmesenke – nicht im Arbeitsraum

• Integrierte Lüfter in den Peltier-Elementen (innerhalb und außerhalb der Kammer) unterstützen einen schnellen Energietransport und optimale Temperaturverteilung

• HPPeco und IPPeco, eingeführt Anfang 2021, erweitern den

energieeffizienten Betrieb über den gesamten Temperaturbereich

PELTIERTECHNIK FÜR LABORANWENDUNGEN

Vergleich Energieverbrauch Memmert Konstantklima-Kammern HPPeco mit Advanced Peltier Technology (Einführung 2021) mit vergleichbaren marktüblichen Geräten

VORTEILE DER PELTIER-TECHNOLOGIE

Kompakt, da kein zusätzlicher Einbauraum für die Kältemaschine benötigt wird Nahezu vibrationsfrei und sehr geräuscharm

Durch den Verzicht auf Kältemittel wesentlich klimafreundlicher Keine eigene Heizquelle mehr nötig

Temperaturzyklen können mit der gleichen Heiz-Kühl-Einheit gefahren werden Reagiert unmittelbar und ohne Kühlmedium, und daher äußerst präzise regelbar

KOMPRESSOR-TECHNOLOGIE IM LABOREINSATZ

• Memmert Kühlbrutschrank ICP und Klimaschrank ICH verfügen über ein geschlossenes System.

• Die Anordnung von Kühlaggregat und Heizung in einem umlaufenden Luftmantel verhindert das Entstehen von „Hot und Cold Spots“ sowie eine Entfeuchtung des Arbeitsraums.

• Abtauzyklen wirken dem Zueisen des Verdampfers entgegen.

• Eine gezielte und geregelte Entfeuchtung geschieht im Klimaschrank über Peltier-Feuchtefallen an der

Rückwand. Luftmantel-Temperiersystem im Memmert

Kühlbrutschrank ICP und Klimaschrank ICH

LUFTMANTEL-TEMPERATURREGELSYSTEM | HEIZUNG

Geschlossener Luftmantel

Großflächige Rundumheizung Sehr gute Temperaturverteilung Vermeidung von Hot-/Cold-Spots

Kein Kontakt zwischen Medium und Heizung Einstellbares Umluftgebläse

Identische Bedingungen für alle Proben im gesamten Innenraum

LUFTMANTEL-TEMPERATURREGELSYSTEM | KÜHLUNG

Geschlossener Luftmantel

Großflächige Rundumkühlung Sehr gute Temperaturverteilung Vermeidung von Hot-/Cold-Spots

Kein Kontakt zwischen Medium und Heizung Einstellbares Umluftgebläse

Identische Bedingungen für alle Proben im gesamten Innenraum

VORTEILE DER KOMPRESSORTECHNIK

Höhere Wärmekompensation (speziell bei häufigem Öffnen der Tür, zusätzliche Wärmeabgabe der Last) im Gegensatz zum Peltier-gekühlten Gerät

Speziell für Anwendungen konzipiert, die Wärme in den Arbeitsraum einbringen, z. B. elektronische Baugruppen oder Halogenlampen

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN

Temperaturhomogenität und -konstanz Aufheiz- und Erholzeiten

Laufruhe und Geräuschpegel

Umgebungstemperatur und Temperaturbereich

Kältemittel und Berücksichtigung der globalen Erwärmung Service und Wartung

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN |

TEMPERATURHOMOGENITÄT UND -KONSTANZ

Temperaturkonstanz (zeitliche Temperaturabweichung):

Ausschlag des Messpunktes mit der größten zeitlichen Temperaturschwankung.

Temperaturhomogenität (räumliche Temperaturabweichung):

Differenz zwischen den zeitlichen Temperatur-Mittelwerten der zwei Messstellen, deren Ergebnisse am weitesten voneinander abweichen.

Messaufbau mit 27 Messpunkten für Geräte mit mehr als 50 Litern Arbeitsraum nach DIN 12880:2007

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN | AUFHEIZ- UND ERHOLZEITEN

Schnelle Aufheiz-, Abkühl- und Erholzeiten sind dann wichtig, wenn Kühlbrutschränke in der täglichen Praxis mehrmals

geöffnet werden und damit die Temperatur im Innenraum steigt.

Nach DIN 12880:2007 wird bis zum Erreichen von 100 % der Soll-Temperatur gemessen, wobei die Ist-Temperatur ab diesem Zeitpunkt definierte Grenzabweichungen nicht überschreiten darf.

Ermittlung der Aufheizzeit eines

Wärmeschranks beispielhaft für 180 °C nach DIN 12880:2007

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN | LAUFRUHE UND

GERÄUSCHPEGEL

• Der Schalldruckpegel, ausgedrückt in dB (A), wird nach DIN EN ISO 3743- 1:2010 ermittelt.

• Peltier-gekühlte Geräte bringen sowohl beim Punkt Geräuschentwicklung als auch beim Punkt Vibrationen Vorteile mit sich.

• Die Erschütterungen in einem Kompressor-Kühlbrutschrank sind vor allem auf den Verdichter zurückzuführen, die Geräusche auf Magnetventile und Verflüssigerlüfter.

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN | UMGEBUNGSTEMPERATUR

UND TEMPERATURBEREICH

• Bei Peltier-Geräten wird in der Regel die Abwärme mit einem Lüfter forciert vom Gerät abgeführt.

• Peltier-Geräte funktionieren immer noch zuverlässig bis zu einer

Temperaturdifferenz von circa 25 K (bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C werden sicher 0 °C im Inneren des Gerätes erreicht).

• Kompressorgeräte können auch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt sicher erreichen – mit der Einschränkung der zulässigen Umgebungstemperatur.

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN | KÄLTEMITTEL UND

GLOBALE ERWÄRMUNG

• Die Möglichkeit, ohne Kältemittel kühlen zu können, ist sicher einer der größten Vorteile der Peltier-Technologie.

• Bei Kompressorgeräten sind unterschiedliche Kältemittel im Einsatz, die bei Freisetzung mehr oder weniger stark zur Erderwärmung beitragen.

• Als Orientierung dient der GWP-Wert (Global Warming Potential). Er setzt Kältemittel ins Verhältnis zu klimaneutralem CO₂.

Beispiel: Das CO₂-Äquivalent des Kältemittels R134a ist 1430, auf einen

Zeitraum von 100 Jahren betrachtet. Ein Kilogramm R134a trägt also innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 1.430 Mal so stark zum

Treibhauseffekt bei wie ein Kilogramm CO₂.

ENTSCHEIDENDSKRITERIEN | SERVICE UND WARTUNG

Peltier-Geräte sind

• einfach konstruiert

• erfordern keinen Umgang mit den Kältemitteln

• weniger aufwendig in der Wartung

im Vergleich zu ihren kompressorgekühlten Pendants.

ANWENDUNGEN FÜR DIE KLIMA-KAMMER | RICHTLINIEN Q1A (R2) und Q1B

Q1A (R2)

Diese Richtlinie beschreibt die kontrollierten Lagerbedingungen (Temperatur und Feuchte) und die Lagerdauer für Stabilitätstests von Fertigarzneimitteln und Wirksubstanzen für die verschiedenen

Klimazonen für Langzeitstabilitätstests und deren Verpackung für Transport/Lagerung in verschiedenen Klimazonen der Erde.

Die chemisch-physikalische Stabilität nach dem Ende der Prüfungen ermöglicht Aussagen zur Haltbarkeitsdauer und zu den Lagerungsbedingungen.

Q1B

Mit einer Beleuchtungseinheit, die Tageslichtleuchten und UV-Licht kombiniert, kann zusätzlich nach den ICH Guidelines Q1B, Option 2 (Photostabilität) geprüft werden.

Eine Klimakammer mit regelbarer Temperatur, Feuchte und separat regelbarer Beleuchtung für

Tageslicht und UV-Licht hält die Möglichkeit offen, die Photostabilität auch bei definierten Feuchten zu testen. Die hohe Flexibilität bei der Prüfung und der geringe Wärmeeintrag durch die

Beleuchtungseinheiten im Vergleich zu den Xenon-Lampen gemäß Option 1 sprechen für diese Geräte.

ANWENDUNGEN FÜR KLIMA-KAMMER | STABILITÄTS- UND KLIMAPRÜFUNGEN

Hauptvorteile der Kompressor-Klima-Kammer:

Hohe Flexibilität bei großem Anforderungsspektrum:

• Temperaturbereiche von Minus bis Plus

• Photostabilitätsprüfungen in Kombination mit vielen Temperatur- Feuchte-Kombinationen

• Wechselprüfungen

• Wärmekompensation bei Q1B

Hauptvorteile der Peltier-Klima-Kammer:

Bei konstantem Lagerklima

• hohe Energieeffizienz

• geringere Ausfallwahrscheinlichkeit der Peltier-Elemente

• leiser Betrieb

ANWENDUNGEN FÜR DIE KLIMA-KAMMER | PROTEINKRISTALLOGRAPHIE

Hauptvorteile des Peltier-Kühlbrutschranks:

• annähernd vibrationsfreier und geräuscharmer Betrieb

• hochpräzise Regelung

ANWENDUNGEN FÜR KÜHLBRUTSCHRANK | MODELLORGANISMEN

Hauptvorteile des Peltier-Kühlbrutschranks bei Kultivierung von Zebrafischen:

• annähernd vibrationsfreier und geräuscharmer Betrieb

Hauptvorteile des Kompressor-Kühlbrutschranks bei Kultivierung von Drosophila:

• Zuverlässige Temperaturrampen

ANWENDUNGEN FÜR KÜHLBRUTSCHRANK | SCHAUKELTESTS

Hauptvorteile des Kompressor-Kühlbrutschranks:

• schnelle Aufheiz- und Abkühlzeiten

• schnelle und präzise Wechsel von Aufheiz- und Abkühlphasen

• sparsamer im Energieverbrauch

• geeignet für hohe Temperaturdifferenzen

ANWENDUNGEN FÜR KÜHLBRUTSCHRANK |

KULTIVIERUNG, MIKROBIOLOGISCHE TESTS, KEIMZAHLBESTIMMUNG

Hauptvorteile des Peltier-Kühlbrutschranks:

• kompakte Bauform

• geräuscharm

• sparsamer im Energieverbrauch

Hauptvorteile des Kompressor-Kühlbrutschranks:

• schnelle Aufheiz- und Abkühlzeiten

• schnelle Erholzeiten

DANKESCHÖN

Wir bedanken uns ganz herzlich für Ihre Teilnahme.

Teilen Sie uns gerne Ihr Feedback mit, damit wir alle gemeinsam wachsen können!