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Die
Erfindung betrifft ein automatisiertes Verfahren und eine angetriebene
Verbindungseinrichtung zur Verschaltung von Solarzellen für Solarmodule
mittels Verbindungselementen, wobei die Verbindung der Solarzellen
untereinander mit geformten Leitungsverbindern erfolgt und diese
Leitungsverbinder mit den Kontaktierungsstellen der Solarzellen kontaktiert
werden.
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Es
sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Verbindungseinrichtungen
und verschiedene Verfahren zur automatisierten Verschaltung von
einzelnen Solarzellen untereinander bekannt. Ein wesentliches Problem
bei der Herstellung von thermischen und zwar besonders auch bei
gelöteten
Leitungsverbindungen ist es, dass während des Abkühlungs-
und Erstarrungsprozesses, d. h. bis die Verbindungsstelle so weit
abgekühlt
und ausgehärtet
ist und das keine sogenannte kalte Lötstelle entsteht, eine bestimmte Kraft
(Anpressdruck) auf den Leitungsverbinder eine bestimmte Zeitdauer
ausgeübt
werden muss. Allerdings bedeutet dies, dass durch eine Anpresseinheit die
Verbindung sich zwangsläufig
langsamer abkühlt, was
zu einer verlängerten
Zeitdauer für
die Verbindungsherstellung führt.
Demgegenüber
steigt bei der Vielzahl der untereinander mittels Leitungsverbindungen
innerhalb eines Solarmoduls zu verbinden einzelnen Solarzellen,
die Fertigungszeit zur Verbindungsherstellung immer weiter, so dass
die für
die Verbindungsherstellung aufzuwendende Zeit einen erheblichen
Zeitanteil an der gesamten Montagezeit ausmacht. Hieraus entsteht
das Erfordernis diesen Fertigungszeitanteil möglichst zu minimieren. Ein weiteres
Problem ist es, die oftmals kleinteiligen Bauelemente, wie insbesondere
auch Leitungsverbinder sehr genau zu positionieren um eine elektrisch
wirksame und dauerhafte Verbindung herstellen zu können. Gegebenfalls
sind auch die beim Abkühlungsprozess
auftretenden Schrumpfungen der erhitzen Leitungsverbinder ebenfalls
zu berücksichtigen
um Leitungsunterbrechungen zuverlässig ausschließen zu können. Zur
Herstellung von thermisch hergestellten Verbindungen bei Leiterplatten
bzw. Solarzellen sind unterschiedliche technische Lösungen bekannt, die
vom bekannten üblichen
Lötverfahren über einen Energieeintrag
mittels Widerstandserwärmung,
Ultraschallerwärmung
oder Erwärmung
mittels Lichtstrahlung geeigneter Wellenlänge reichen.
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So
ist zum Beispiel aus der
DE
32 22 889 C2 eine Widerstandslötvorrichtung bekannt, bei der
auf einer Oberfläche
einer gedruckten Schaltung eine Leitungsverbindung mit kleinteiligen
Leitungsverbindern hergestellt wird, wobei mittels Aufdrücken eines Verbindungsdrahtes
auf die Verbindungsfläche
und anschließenden
Erwärmen
mit einer Heizeinrichtung mittels eines Lötmittels kontaktiert wird.
Dabei wird die Verbindungsstelle einschließlich Verbindungsdraht und
das Lötmittel
mit einer Widerstandsheizeinrichtung erwärmt wobei des weiteren die
Auflagekraft variabel in Abhängigkeit
von der herzustellenden Verbindung gestaltet werden kann. Diese
kleinteilige und leichte Ausführung
einer Aufschmelz-Widerstandslötvorrichtung
ist allerdings nicht für
einen Dauerbetrieb geeignet.
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In
der
DE 36 12 269 A1 ist
ein Verfahren zum Anbringen eines Verbindungsleiters am Anschlusskontakt
einer photovoltaischen Solarzelle mittels Weichlöten bekannt, wo der aufgelegte
Verbindungsleiter auf den Anschlusskontakt einer Solarzelle aufgelegt
wird und dann die Solarzelle und ihre lichtempfindliche Vorderleite
durch kurzzeitiges Einwirken von Licht geeigneter Wellenlänge auf
die Löttemperatur erwärmt und
dadurch der Verbindungsleiter mit dem Anschlusskontakt elektrisch
und mechanisch fest verbunden wird.
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Aus
der
DE 103 45 567
A1 ist eine automatisierte, durchlaufende Vorrichtung zum
Löten von
Solarzellen bekannt, wo sowohl eine Positionierung von relativ großflächigen Siliziumscheiben
mittels eines starr angeordneten Vakuumelements als auch ein Vorheizen
der Siliziumscheiben erfolgt. Dann werden die Siliziumscheiben einer
gesondert angeordneten Lötstation
zugeführt.
Das Vakuumelement zur Positionierung und die Einrichtung zur Vorheizung
sind hierbei körperlich
getrennte Einzeleinrichtungen. Zur Handhabung kleinteilige Leitungsverbinder
ist diese technische Lösung
nicht geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine neuartige angetriebene Verbindungseinrichtung
und einneues Verfahren zur Verschaltung von Solarzellen vor allem für Solarmodule
zu schaffen, die eine hohe Verschaltungsleistung pro Zeiteinheit
ermöglicht
für verschieden
geformte Verbindungselemente geeignet ist, wobei die Leitungsverbinder
besonders filigran und leicht ausgebildet sein können, die sich für verschieden
große
plattenförmige
Solarmodule einsetzen lässt
und das in einer einzigen kompakten konstruktiv vereinigten Einrichtung
alle Verfahrensschritte realisiert werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des ersten und zweiten Patentanspruchs gelöst. Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der weiteren rückbezüglichen Unteransprüche. Die
erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung
zur Verschaltung von Solarzellen für Solarmodule untereinander
mittels Verbindungselementen besteht aus einer Transporteinrichtung
und mindestens einem getakteten gesteuerten Zuführ- und Fügekopf, mit dem mindestens eine
Halteeinrichtung verbunden ist. Die Verbindung der Solarzellen erfolgt
bevorzugt mit Leitungsverbindern, die mittels thermisch fügbaren Verbindungsmaterial
die Kontaktierung herstellen. Der Antrieb und die Steuerung der
Verbindungseinrichtung erfolgt analog, wie allgemein bei automatischen
Handhabeeinrichtungen (Industrierobotern) üblich, rechnergesteuert mit
einer spezifischen Software. Die im getakteten gesteuerten Zuführ- und
Fügekopf 1 angeordnete
Halteeinrichtung 2 (bzw. Halteeinrichtungen) sind gleichfalls
wie mindestens eine Energiequelle 3 zum Erwärmen und
Fügen des
Leitungsverbinders 5 in den getaktet gesteuerten Zuführ- und
Fügekopf 1 so
integriert, dass vor allem kleinteilige und leichte Leitungsverbinder
gehandhabt werden können.
Erfindungsgemäß ist des
weiteren in Richtung zu der zu kontaktierenden Solarzelle hin, d.
h. bevorzugt unten am gesteuerten Zuführ- und Fügekopf 1 mindestens eine
Vertiefung 4 angeordnet, deren Form mit der Form des Leitungsverbinders 5 korrespondiert.
Dies bedeutet, dass der Verlauf der Kanten 7 der Vertiefung 4 genau
entlang der äußeren Abmessungen
d. h. der genauen Form des Leitungsverbinders 5 folgt. Dadurch
ist es möglich,
dass der Leitungsverbinder 5 bei der Entnahme aus einer
Bevorratungseinrichtung und Aufnahme in den Zuführ- und Fügekopf 1 mittels der
Halteeinrichtung 2 eine genau definierte Position einnimmt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verschaltung von Solarzellen für Solarmodule mittels Verbindungselementen,
wie insbesondere von thermisch fügbaren
Leitungsverbindern 5 wird der Zuführ- und Fügekopf 1 und die Halteeinrichtung 2 mittels
einer angetriebenen (gehandhabten) Verbindungseinrichtung getaktet
bewegt und gesteuert. Dabei wird im ersten Takt ein bzw. bei mehrfacher
Ausbildung des Zuführ-
und Fügekopfes 1 innerhalb
einer Verbindungseinrichtung mehrere Leitungsverbinder 5 aus
einer Bevorratungseinrichtung mittels einer Halteeinrichtung 2 bzw.
entsprechend mehrerer Halteeinrichtungen 2 innerhalb der
angetriebenen Verbindungseinrichtung entnommen und im Zuführ- und Fügekopf 1 in
einer festen Position oder mehreren definierten Positionen gehalten.
Entsprechend sind dann in jedem Zuführ- und Fügekopf 1 oder in einem komplexen
Zuführ-
und Fügekopf 1 die
erforderliche Anzahl von Vertiefungen 4 angeordnet. Im
zweiten Takt während
der Zuführung
des bzw. der Leitungsverbinder(s) 5 zur Verschaltungsposition
werden der bzw. die Leitungsverbinder 5 mittels einer oder
mehrerer angeordneten Energiequelle(n) 3 über den
gesteuerten Zuführ-
und Fügekopf 1 vorgeheizt.
Der bzw. die vorgeheizten Leitungsverbinder 5 werden während des
dritten Taktes so positioniert, dass die Kontaktstellen der Leitungsverbinder 5 genau über den
Kontaktstellen (Anschlussstellen) der zu verbindenden Solarzellen
liegen. Dabei erfolgt über
den Zuführ-
und Fügekopf 1 ein
Anpressen des/der Leitungsverbinder(s) 5 auf die Oberfläche der
Solarzellen. Gleichzeitig wird jetzt die Temperatur weiter erhöht, wobei
es zu einer thermisch bedingten Fügeverbindung der Leitungsverbinder 5 mit
den Kontaktflächen
der Solarzellen kommt. Durch das Vorheizen wird der Prozess der
Verbindung zeitlich erheblich reduziert. Nach dem Erreichen der
Fügetemperatur
erfolgt im vierten Takt ein Anpressen des bzw. der Leitungsverbinder(s) 5 mit
gleichzeitigem Kühlen des/der
Leitungsverbinder(s) 5. Der Anpressdruck wird solange aufrecht
erhalten, bis der Leitungsverbinder 5 in seiner endgültigen Verschaltungsposition gefügt und die
Verbindung mechanisch fest ausgehärtet ist. Durch das neuartige
Kühlen
wird auch die Zeit bis die Verbindung zwischen den zu kontaktierenden
Oberflächen
zweier benachbarter Solarzellen und dem bzw. den positionierten
Leitungsverbindern 5 mechanisch ausreichend fest ausgehärtet ist,
beträchtlich
verkürzt.
Im fünften
Takt wird die angetriebene Verbindungseinrichtung wieder bis in
die Ausgangslage, d. h ihre Startposition oder zur Bevorratungseinrichtung
bewegt. Danach kann ein neuer Fügezyklus
erfolgen.
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In
neuartiger erfindungsgemäßer Weise
fungiert der Zuführ-
und Fügekopf 1 zeitlich
unmittelbar aufeinanderfolgend sowohl als Heizelement als auch unmittelbar
anschließend
als Kühlelement.
Durch diese Funktionsweise im Zusammenhang mit der Vorwärmphase
während
der Zuführung
der Leitungsverbinder 5 wird der gesamte Prozess der Verbindungsherstellung
zeitlich sehr stark minimiert. Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung und
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Verschaltung von Solarzellen für Solarmodule ermöglicht deshalb
eine erhöhte
Verschaltungsleistung pro Zeiteinheit. Von weiterem Vorteil ist
die kompakte, konstruktiv vereinheitlichte bauliche Einheit aller
Funktionselemente, wobei alle Verfahrensschritte zur Verbindungsherstellung
mittels der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung
ausgeführt
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Vertiefung 4 in einer wechselbaren
Fügekopfplatte 6 in Richtung
der zu kontaktierenden Oberfläche
(in der Regel nach unten gerichtet) am gesteuerten Zuführ- und
Fügekopf 1 angeordnet
und ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass durch den Austausch
der Fügekopfplatte 6 ein
schnelles Umrüsten
der Verbindungseinrichtung für
anders geformte Leitungsverbinder 5 möglich ist. Die Fügekopfplatte 6 kann
z.B. mittels einer Schraubverbindung am Zuführ- und Fügekopf 1 befestigt
sein.
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In
einer speziellen Ausbildung der Vertiefung sind die Kanten 7 entlang
der Form der Vertiefung 4 innen durchgängig oder gestuft abgeschrägt ausgebildet.
Dadurch wird das Positionieren der Leitungsverbinder 5 bei
der Entnahme dieser aus der Bevorratungseinrichtung weiter verbessert,
bzw. die Bevorratungseinrichtung muss die Leitungsverbinder 5 nicht
millimetergenau vorpositioniert bereitstellen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Verbindungseinrichtung zur Verschaltung
von Solarzellen ist als Energiequelle 3 des gesteuerten
Zuführ-
und Fügekopfes 1 eine
Wirbelstromheizeinrichtung oder Widerstandsheizeinrichtung angeordnet.
Mittels dieser Heizeinrichtungen wird sowohl das Vorwärmen als
auch die Erwärmung
des Leitungsverbinders 5 auf Fügetemperatur durchgeführt.
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In
einer anderen Ausführung
der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung
V ist als Energiequelle 3 des gesteuerten Zuführ- und
Fügekopfes 1 eine
Laserlichtquelle angeordnet. Die Laserlichtquelle erfüllt die
gleiche Funktion wie die Wirbelstromheizeinrichtung.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der gesteuerte Zuführ- und Fügekopf 1 innen mit
geschlossenen Kanälen
versehen ist, die als eine Kühleinrichtung 11 unmittelbar
innen hinter der Fügekopfplatte 6 ausgebildet
sind. Diese Kühleinrichtung 11 wird
mit Wasser oder Gas beaufschlagt. Der erfindungsgemäße Zuführ- und
Fügekopf 1 ermöglicht damit
sowohl ein schnelleres Erwärmen
des Leitungsverbinders 5 als auch anschließend ein
schnelleres Abkühlen
der hergestellten Leitungsverbindung. Dadurch ist es möglich die
Zeit bis zum Erreichen der mechanisch haltbaren Verbindung zwischen
Leitungsverbinder 5 und zu kontaktierender Oberfläche erheblich
zu verringern, weshalb die Verbindungseinrichtung mit erheblich
kürzeren
Taktzeiten als bislang üblich
betrieben werden kann.
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Es
ist auch eine andere Ausbildung des gesteuerten Zuführ- und
Fügekopfes 1 möglich, bei dem
dieser mit auf den Leitungsverbinder 5 gerichteten offenen
Kanälen
versehen ist, die mit Gas beaufschlagbar ausgebildet sind und damit
die Fügestellen des
Leitungsverbinders 5 zielgerichtet und sehr schnell bis
in den mechanisch festen Bereich der Leitungsverbindung kühlen können.
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Der
gesteuerte Zuführ-
und Fügekopf 1 kann auch
so ausgebildet sein, dass er gleichzeitig mehrere Fügestellen
eines einzelnen Leitungsverbinders (in der Regel dann größeren) 5 gleichzeitig
kontaktiert, d. h. ein größer ausgebildeter
Leitungsverbinder 5 wird an mehreren Stellen gleichzeitig
kontaktiert.
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Es
ist auch möglich,
dass der gesteuerte Zuführ-
und Fügekopf 1 so
konstruiert ist, das er gleichzeitig mehrere Fügestellen mehrerer Leitungsverbinder 5 gleichzeitig
kontaktiert. Dabei sind dann innerhalb eines Zuführ- und Fügekopfes 1 mehrere
entsprechend geformte Vertiefungen 4 zur Aufnahme mehrerer
Leitungsverbinder 5 angeordnet. Es ist hierbei auch denkbar
gleichzeitig verschieden geformte Leitungsverbinder 5 zu
verwenden, wobei es in diesem Fall sinnvoll ist, unterschiedliche
Fügeplatten 6 mit
den entsprechenden Vertiefungen am Zuführ- und Fügekopf 1 einzusetzen.
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Die
erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung
zur Verschaltung von Solarzellen kann auch aus mehreren gleichzeitig
getakteten und angesteuerte Zuführ-
und Fügeköpfen 1 bestehen,
die konstruktiv zusammengefasst zu einer komplexen Transport- und
Verbindungseinheit zusammengebaut sein können.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Halteeinrichtung 2 innerhalb
des gesteuerten Zuführ- und Fügekopfes 1 als
eine Vakuumsaugeinrichtung ausgebildet ist. Die Leitungsverbinder 5 werden
dann aus der Bevorratungseinrichtung bei der Entnahme in die Vertiefung 4,
bevorzugt über
einen zentral in der Mitte des Zuführ- und Fügekopfes 1 angeordnete Öffnung angesaugt,
in dieser genau positioniert und gehalten. Die Vakuumsaugeinrichtung
bleibt in Betrieb bis der Leitungsverbinder 5 auf der Oberfläche der
Solarzelle durch die angetriebene Verbindungseinrichtung aufgelegt,
positioniert und angepresst ist.
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Es
ist auch eine Verbindungseinrichtung zur Verschaltung von Solarzellen
denkbar, bei der die Halteeinrichtung 2 des gesteuerten
Zuführ-
und Fügekopfes 1 als
eine mechanische Greifeinrichtung ausgebildet ist. Die Funktionsweise
ist die gleiche wie vorstehend beschrieben.
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Ebenfalls
kann die Halteeinrichtung 2 des gesteuerten Zuführ- und
Fügekopfes 1 als
magnetische Fixiereinrichtung ausgebildet sein, wobei Voraussetzung
ist, dass der Leitungsverbinder aus einem ferromagnetischen Material
besteht oder zumindest teilweise mit einem ferromagnetischen Material versehen
ist.
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Die
Erfindung soll nachstehen in einem Ausführungsbeispiel in zwei vorteilhaften
Ausbildungen an Hand der 1 und 2 näher beschrieben werden.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Zuführ- und
Fügekopf 1 mit
Ausführung
der Energiequelle 3 als Wirbelstromheizeinrichtung für die Verbindungseinrichtung
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Zuführ- und
Fügekopf 1 mit
Ausführung
der Energiequelle 3 als Laserlichtquelle für die Verbindungseinrichtung
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Im
Inneren des getaktet gesteuerten Zuführ- und Fügekopfes 1 gemäß 1 (Schnittdarstellung durch
den Zuführ-
und Fügekopf)
ist in der Mitte eine Öffnung
angeordnet in der die Halteeinrichtung 2 (zeichnerisch
nicht dargestellt) integriert ist. Unmittelbar am Zuführ- und
Fügekopf 1 befindet
sich auch die Energiequelle 3, hier eine elektrische Energiequelle von
der aus durch den Zuführ-
und Fügekopf 1 die Zuführung zu
einer Induktionsschleife 10 erfolgt. Die Induktionsschleife 10 einer
liegt dabei unterhalb der Fläche
an der die Fügekopfplatte 6 befestigt
ist. Damit erfolgt ein optimaler und vor allem schneller Wärmeeintrag
in die Fügekopfplatte 6,
von der ein direkter Wärmeübergang
auf den gehaltenen und in seiner Position fixierten Leitungsverbinder 5 erfolgt.
In der Fügekopfplatte 6 ist
eine Vertiefung 4 eingebracht, die so tief ausgebildet
ist, dass der Leitungsverbinder 5 in seiner Halteposition
im Zuführ-
und Fügekopf 1 über die
Oberfläche
der Fügekopfplatte 6 hervorsteht.
Die Kante 7 der Vertiefung 4 der Fügekopfplatte 6 besitzt
eine Form, die mit der Form des Leitungsverbinders 5 korrespondiert.
Dies bedeutet, dass der Verlauf der Kanten 7 der Vertiefung 4 genau
entlang der äußeren Abmessungen
d. h. der genauen Form des Leitungsverbinders 5 folgt.
Dadurch ist es möglich,
dass der Leitungsverbinder 5 bei der Entnahme aus einer
Bevorratungseinrichtung bevorzugt mittels einer Vakuumsaugeinrichtung
und Aufnahme in den Zuführ-
und Fügekopf 1 mittels
der Halteeinrichtung 2 eine genau definierte Position einnimmt.
Dabei beginnt das Vorwärmen
des Leitungsverbinders unmittelbar nach Entnahme des Leitungsverbinders 5 aus der
Bevorratungseinrichtung. Ebenfalls im Bereich der wechselbaren Fügekopfplatte 6 ist
in Richtung der zu kontaktierenden Oberfläche hier in 1 nach unten
gerichtet, im getaktet gesteuerten Zuführ- und Fügekopf 1 eine Kühleinrichtung 11 angeordnet
und ausgebildet. Diese Kühleinrichtung 11 kann
nach Erreichen der vorgegebenen Fügetemperatur den thermisch
fügbaren
Leitungsverbinder 5 schnell so weit kühlen, bis die Verbindung zwischen
Leitungsverbinder 5 und der Kontaktierungsstelle der Solarzelle
mechanisch fest gefügt
ist. Dadurch ist es möglich
die Zeit bis zum Erreichen der mechanisch haltbaren Verbindung zwischen
Leitungsverbinder 5 und zu kontaktierender Oberfläche der
Solarzelle erheblich zu verringern.
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Eine
andere bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Zuführ- und Fügekopfes 1 ist in 2 gezeigt.
Der Aufbau des Zuführ-
und Fügekopfes 1 gemäß 2 unterscheidet
sich gegenüber
der Ausführung
gemäß 1 dadurch,
dass anstelle einer Wirbelstromheizeinrichtung mit Induktionsschleife 10 eine
Laserlichtquelle als Energiequelle 3 angeordnet ist. Das
mit der Laserlichtquelle erzeugte Laserlicht wird mittels einer
innen angeordneten Fiberoptik 8 durch den Zuführ- und
Fügekopf 1 und
die Fügekopfplatte 6 hindurch
genau auf die Stellen des Leitungsverbinders 5 geleitet,
die mit der zu kontaktierenden Oberfläche der Solarzelle thermisch
verbunden werden sollen. Zur Temperaturüberwachung der hier in diesem
Ausführungsbeispiel
zu verbindenden zwei Kontaktstellen eines Leitungsverbinders 5 (links
und rechts) sind zwei Pyrometer 9 in den Zuführ- und
Fügekopf 1 integriert.
Die Kühleinrichtung 11 ist
analog angeordnet und wirkt in gleicher Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel.
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Die
wesentlichen Vorteile dieser Ausführungen sind die minimierte
kompakte und konstruktiv vereinheitlichte bauliche Einheit aller
Funktionselemente, wobei alle Verfahrensschritte zur Verbindungsherstellung
mittels der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung
in kürzerer
Zeit als bisher ausgeführt
werden können.
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- 1
- getakteter
gesteuerter Zuführ-
und Fügekopf
- 2
- Halteeinrichtung
- 3
- Energiequelle
- 4
- Vertiefung
- 5
- Leitungsverbinder
- 6
- Fügekopfplatte
- 7
- Kanten
der Vertiefung
- 8
- Fiberoptik
- 9
- Pyrometer
- 10
- Induktionsschleife
- 11
- Kühleinrichtung