DE1489282A1

DE1489282A1 - Thermoelektrische Anordnung mit einer Traegerplatte aus elektrolytisch oxydiertem Aluminium

Info

Publication number: DE1489282A1
Application number: DE19651489282
Authority: DE
Inventors: Hans Schering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-11-30
Filing date: 1965-11-30
Publication date: 1969-04-24
Also published as: FR1502409A; GB1095744A; NL6616782A

Description

SIEMENS

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE AKTIENGESELLSCHAFT

Berlin und Erlangen Patent- und Llzenzabtellun

Φ SERUN-SieMENSSTADT "J(J

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Thermoelektrische Anordnung mit einer Trägerplatte aus elektrolytisch oxydierten Aluminium.

Die Erfindung betrifft thermoelektrische Anordnungen (Thernogeneratoren, Peltier-Kühlelenente). Derartige Anordnungen 3ind im allgemeinen so aufgebaut, daß Schenkel aus geeigneten HaIbleiteratoffen mit n- bzw. p-leitfahigkeit nebeneinander angeordnet und paarweise an ihren Stirnflächen durch metallische Kontaktbrücken miteinander verbunden sind. Auf beiden Seiten der Anordnung sind die Kontaktbrücken durch Metallplatten ab-

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gedeckt, durch die die Warne zu- bzw. abgeführt wird. Zwischen den in folgenden als "Trägerplatten¹¹ bezeichneten Metallplatten und den Kontaktbrücken muß eine Isolierung vorgesehen sein. Aus der deutschen Auslegeschrift 1 141 692 ist es bekannt, als Trägerplatten elektrolytisch oxydierte Aluniniumplatten zu verwenden, wobei die Aluminiumoxydschicht die Isolierung der Kontaktbrücken gegen das Metall der Trägerplatten bildet. Die Aluminiumoxydschicht hat eine gute Wärmeleitfähigkeit; da sie auf dem Aluminium aufgewachsen ist, entsteht an der Grenzfläche Oxyd-Aluminium kein Tenperatursprung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Anordnung mit einer .Trägerplatte aus elektrolytisch oxydierten Aluminium, deren Oxydschicht die Isolierung zwischen den Metall der Trägerplatte und den metallischen Kontaktbrücken der thermoelektrisch wirksamen Halbleiterschenkel bildet. Sie besteht darin, daß auf die Oxydschicht eine Glasur aufgebracht ist. Durch die Erfindung wird eine wesentliche Verbessrung der bekannten Isolation erreicht. Es hat sich gezeigt, daß elektrolytisch hergestellte Aluminiumoxydschichten nicht unbedingt in sich geschlossen sind; sie können vielmehr Poren oder andere Fehlstellen aufweisen, die die Isolation beeinträchtigen. Diese Fehlstelle:! werden durch die Glasur abgedeckt. Für diesen Zweck genügt eine geringe Dicke der Glasur. Infolge der stoffschlüssigen Verbindung der Glasur mit der Oxydschicht bildet sich auch an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten kein Temperaturspruii£ aus. Die Wärmeleitfähigkeit der Glasur ist wesentlich besoer

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als die organischer Isolierstoffe. Der Temperaturabfall an der Isolierung wird daher durch die Glasur nur unwesentlich vergrößert.

Zur Heroteilung der Glasur könnt insbesondere Bleioxyd ait Zusatz von Borsäure, Phosphorsäure, Zinkoxyd, Arsenoxyd, Natriuaborat, Kieselsäure, Natriunsilikat oder Aluminiumsilikat in Frage. Die aus Bleioxyd unter Zusatz von Borsäure oder Phosphorsäure erschmolzenen Gläser {Bleiborat- bzr/. Bleiphosphatglas) haben eine Erweichungotenperatur von etwa 350° Co Durch die weiteren, vorstehend genannten Zusätze kann die Erweichungs- und damit Einbrenntemperatur bei Bedarf bis auf etwa 1000° C erhöht werden. Hohe Erweichtungoteraperaturen lassen sich insbesondere durch Kieselsäure- und Silikatzusätze erreichen, die außerdem die chemische Beständigkeit der Glasur erhöhen.

Die Verwendung einer Glasur macht es in besonders vorteilhafter Weise möglich, die metallischen Kontaktbrücken durch eine auf der Glasur eingebrannte Metallpaste, z.B. Silberpaote, zu bilden. Die Metalle derartiger Pasten benetzen die Glasur sehr gut; bein Einbrennen diffundieren sie in diese hinein, so daß sich eine ausgezeichnete, insbesondere temperaturwechselfeste Haftung ur.d ein guter Wärmeübergang ergeben. Die Erweichungstemperatur der Glasur muß in diesem Falle gleich oder höher sein als die Einbrenntemperatui· dor Metallpaste; je nach Art der verwendeten Metallpaste können insbesondere Glasuren ηίΰ Erweichungstemperaturen zwischen etwa 550° und 1000° C in Betracht, die sich, wie bereits angegeben, insbesondere durch Kieselsäure- und Silikatzusätze erzielen !«wen. 9 0 9 8 17/0427

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Die Zuverlässigkeit der Isolation zwischen dem Metall der Trägerplatte und den metallischen Kontaktbrücken ist naturgemäß von besonderer Bedeutung, wenn die Kontaktbrücken, z.B. in der geschilderten Weise durch Einbrennen einer Metallpaste, stoffschlüssig auf die Isolierschicht aufgebracht werden. Die Erfindung ist jedoch auch dann von Vorteil, wenn die Kontaktbrücken in bekannter Weise selbständige Bauelemente sind und lediglich unter Druck an der Isolierschicht anliegen*, Auch in diesem Falle können sich, falls die Aluminiumoxidschicht allein die Isolation bildet, Fehler der Isolation bemerkbar machen.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Peltier-Kühlblockes mit acht Schenkeln; die Figuren 2 und 3 zeigen Draufsichten auf die Trägerplatten entsprechend den Linien II-II bzw. ΙΙΪ-ΙΙΙ in Figur 1.

Die Trägerplatten des Pelli er-Kühlblockec sind mit 1 bzw. 2 bezeichnet. Sie bestehen aus Aluminium. Auf der Innenseite der Trägerplatten befinden sich Aluminiumoxydschichten 1a bzw. 2a, die durch elektrolytische Oxydation (nach dem sog. Eloxalverfahren) der Trägerplatten hergestellt sind. Die Trägerplatten 1 und 2 können je nach Größe des Kühlblockes eine Dicke von etwa 1 bis 5 mm, die Oxydschichten 1a und 2a eine Dicke von etwa 5 bis 30/u, vorzugsweise 15/u, haben.

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Auf die Oxydschichten 1a und 2a iot eine Glasur 1b bzw. 2b aufgebracht» Die Glasur bedeckt mindestens die Flächenteile, an denen später Kontaktbrücken aufgebracht werden, vorzugsweise jedoch die gesamte Fläche der Oxydschicht. Sie kann in der Weise hergestellt v/erden, daß ein Schlicker au3 pulverisiertem Bleiboratglas mit Silikatzusatz und Yiasser oder Alkohol auf die Oxydschicht aufgespritzt oder aufgestrichen und bei etwa 600° C eingebrannt wird. Die Glasur soll eine Dicke von etwa 5 bi3 30 /u, vorzugsweise 10/u, haben.

Zur elektrischen Verbindung der p- und η-leitenden Thermoelementschenkel, die mit 3 bzw. 4 bezeichnet sind, sind auf den Glasuren der Trägerplatten 1 und 2 metallische Kontaktbrücken angeordnet. Die Kontaktbrücken sind durch Einbrennen einer Silberpaste hergestellt. Die Paste \vird mit Hilfe einer Schablone aufgespritzt oder aufgestrichen oder durch ein Druckverfahren, z.B_n ein Siebdruckverfahren, in Form eines Rasters auf die Trägerplatten 1 und 2 aufgebracht. Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, ist der Haster so ausgebildet, daß eine mäanderfürnige Verbindung der Thermoelementschenkel 3 und 4 zustande könnt. Un einen Kontakt der Kontaktbrücken 5 nit dem Metall der Trägerplatte 1 zu verhüten, sind die Kontaktbrücken 5 etwas von Rand der Trägerplatte 1 abgesetzt. Die Silberpaate wird bei etwa 500° C auf die Glasur 1b bzw. 21) aufgebrannt. Die Dicke der so hergestellten Kontaktbrücken kann etwa 5) bis 200/u betragen; sie hängt naturgemäß von der vorgesehenen Strombelastung der Anordnung ab ο Bei Verv/endung von Silber soll der Querschnitt der Kontaktbrücken etwa 0,1 mm /Λ gewählt werden,

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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, bilden die Trägerplatten 1 bzw. 2 und die Kontaktbrücken 5 einschließlich der Isolation durch die Schichten 1a und 1b bzw» 2a und 2b eine zusammenhänge Einheit; dadurch ergibt sich eine einfache Montage de3 Peltier-Kühlblockec.

Zur Verbindung der Trägerplatten 1 und 2 mit den Schenkeln 3 und 4 werden die Trägerplatten in ein Lotbad getaucht, das aus einer Blei-Zinn-Wismut-Legierung mit einer Schmelztemperatur von etwa 120 bis 150° C bestehen kann. Dabei nehmen nur die Kontaktbrücken das lot an» Auch die Schenkel 3 und 4 werden an ihren Stirnflächen mit einen ähnlichen Lot oder nit reinen Wismut kontaktiert. Die lotschichten sind in Figur 1 nicht besonders dargestellt. Die Trägerplatten 1 und 2 und die Schenkel 3 und 4 v/erden nunmehr, ZoB. in einer geeigneten Lehre, zusammengesetzt und durch Erwärmung auf die Löttemperatur miteinander verbunden» In Anschluß daran können mit den am Ende der Reihenschaltung liegenden Kontaktbrücken 5 Anschlußdrähte 6 und 7 verleibt werden

Zur Herstellung der Kontaktbrücken 5 können 3tatt einer Silberpaste auch Pasten mit anderen Metallen, ζ. Β Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Palladium verwendet werden» Die Edelmetalle können in Luft eingebrannt werden, Kupfer und Nickel unter Schutzgas (Wasserstoff, Stickstoff, Argon) oder im Vakuun.

Die Glasur und die verwendete Metallpa3te sind in der Weise aufeinander abzustimmen, daß die Einbrenntemperatur der Metallpaote

groß
höchstens.so/ist wie die der Glasur. Fall3 erforderlich, kann die

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Einbrenntemperatur der Metallpa3te dadurch beträchtlich herabgesetzt Werden, daß den Metallen Zusätze bis zu etwa 30$ der Metalle Quecksilber, Indiun, Galliun, Zinn beigegeben werden.

Zur weiteren Verbeaserung der Haftung zwischen den Kontaktbrücken und der Glasur kann es vorteilhaft sein, der Glasur eine rauhe Oberfläche zu verleihen. Dies kann durch Zusatz von Aluainiunoxyd- oder Quarzpulver zu den Glasurschlicker erreicht werden, wobei die Körnung des Pulvera je nach der gewünschten fiauhigkeit gewählt wird ϊζ,Β. 10 bis 50/u).

In der Zeichnung ist der besseren Übersichtlichkeit halber ein Peltierblock mit nur acht Halbleiterschenkeln dargestellt; bei der praktischen Ausführung können wesentlich mehr Schenkel (z.B. 30 bis 150) vorhanden sein. Gerade bei thermoelektrisehen Anordnungen mit sehr vielen Schenkeln und entsprechend hohen Spannungen hat die Erfindung den Vorteil, daß sie neben einer zuverlässigen Isolation einen einfachen Aufbau ermöglicht.

3 Ansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1.)/Thermoelektrische Anordnung mit einer Trägerplatte aus ■ elektrolytisch exydierten Aluminium, deren Oxydschicht
die Isolierung zwischen dein Metall der Trägerplatte und
den metallischen Kontaktbrücken der thermoelektrisch wirksamen Halbleiterschenkel bildet, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oxydschicht eine Glasur aufgebracht ist.

2.) Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontaktbrücken durch
eine auf der Glasur eingebrannte Metallpaste gebildet
sind.

3.) Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasur einen Zusatz aus Aluniniunoxyd- oder Quarzpulver enthält.

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