DE1489287B2 - Thermoelektrische Anordnung und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit einem oder mehreren in Reihe verbundenen Thermoelementen, bei der prismatische Schenkel aus Halbleitermaterial des P- und N_:Leitfähigkeitstyps abwechselnd dicht nebeneinander angeordnet und durch angelötete Kpntaktbrücken verbunden sind.

Solche thermoelektrischen Anordnungen werden bisher aus Halbleiterschenkeln hergestellt, deren wesentliche Komponente Tellur in Zusammensetzungen wie z.B. Bi Te, Bi (Se,Te)3, (BiSb)2Te3 u.dgl. ist. Als Verbindungsmaterial dient ein elektrisch und thermisch gut leitendes Metall, z. B. Kupfer. Bei der Erzeugung des thermoelektrischen Schenkels wird das Halbleitermaterial z. B. in prismatische oder zylindrische Körper geformt und zu einfachen oder mehrfachen Thermoelementen zusammengelötet. Dieses Verfahren ist recht mühselig, aber die fertigen Produkte besitzen bessere thermoelektrische Eigenschaften als bei Anwendung anderer, weniger mühseliger Verfahren.

Eine Ausführungsform einer derartigen thermoelektrischen Anordnung ist in der britischen Patentschrift 941 487 gezeigt. Dort ist ein prismatisch geformter Schenkel auf zwei gegenüberliegenden Seiten durch Anlöten mit einem ebenfalls prismatischen Metailklotz verbunden. Nach der Arbeit des Anlötens wird dieses Grundelement der thermoelektrischen Anordnung isoliert. Und zwar wird die Isolierung im. Bereich des Halbleitermaterials auf allen vier Seiten vorgenommen, während die Isolierung im Bereich des Metallteiles nur auf drei Seiten vorgenommen wird. Danach werden diese einzelnen abwechselnd P- und N-Leitfähigkeitstyp aufweisenden Grundelemente in Reihen zusammengefügt und die Metallklötze an den nicht isolierten Stellen mit Zinn zusammengelötet. Dieses ist eine sehr aufwendige Arbeitsweise der Herstellung, die sich nicht mechanisieren läßt. Bei dieser thermoelektrischen An-

so Ordnung wird sehr viel Metall verbraucht. Das hat nicht nur den Nachteil hoher Kosten für die aufzuwendenden Metalle, sondern auch den Nachteil eines großen Wärmewiderstandes. . / Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, daß

as der wie im vorangehenden Falle geformte thermoelektrische Schenkel, der nicht mit einem eines elektrisch und thermisch gut leitenden Metalls verbunden ist, durch Eingießen eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt und dadurch auch mit kleiner elektrischer und thermischer Leitfähigkeit verbunden wird. Zu diesem Zweck wird meistens reines Zinn verwendet. Die einzelnen Schenkel sind gegeneinander durch übliche oder Glas-Textilien isoliert, die mit einem Silikonlack imprägniert sind. Die Zuführungsdrähte sind ebenfalls in ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt eingegossen und auf diese Weise mit den halbleitenden Schenkeln am Rand verbunden. Wird zum Eingießen Zinn verwendet, werden die halbleitenden Schenkel mit Nickel metallisiert, um ihre Benetzung zu erleichtern. Dieses Verfahren ist zwar weniger mühselig, aber die erzielten thermoelektrischen Eigenschaften der fertigen Produkte sind schlechter, da sich der Unterschied zwischen den höheren und niedrigeren Temperaturen der Enden des Schenkels verringert. Ursache dieser unerwünschten Erscheinung ist der Umstand, daß die Kontaktbrük- ' ken mit Rücksicht auf ihren elektrischen Widerstand mit einem genügenden Querschnitt und genügender Dicke hergestellt werden müssen, so daß ihr thermischer Widerstand ein Absinken der thermoelektrischen Eigenschaften des fertigen Thermoelements verursacht. Die Verringerung der thermoelektrischen Parameter des fertigen Thermoelements beträgt hier 15 bis 30 % im Vergleich mit den Parametern eines mit Hilfe von Kupfer-Kontaktbrücken hergestellten Thermoele-

ments. Bei Anwendung von Zinn entsteht außerdem im Betrieb der Kühlthermoelemente die Gefahr, daß sich das Zinn an den einzelnen Stellen in seine sogenannte graue Modifikation umwandelt, was sich mit der Zeit wie eine ansteckende Krankheit über die ganze Kontaktbrücke weiterverbreitet, und sich durch Zerfall in graues pulveriges Zinn äußert. Diese Umwandlung entsteht bereits bei Temperaturen, die niedriger als 12,2°C sind und erreicht ihr Maximum bei einer Temperatur von—4 (minus)⁰ C.

Die Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung der Herstellungstechnologie von thermoelektrischen An- : Ordnungen, die eine leichte Herstellung und eine lange Lebensdauer der Thermoelemente bei einer Verbesse-

rung der thermoelektrische!! Eigenschaften der hergestellten Thermoelemente gewährleistet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer thermoelektrische Anordnung der eingangs genannten Art dadurch, daß die prismatischen Schenkel dicht mit den Seiten ihrer jeweils größten Flächen nebeneinander angeordnet sind und daß das Verhältnis zwischen der senkrecht zu seiner Längsrichtung und senkrecht zur Verbindungsrichtung der Kontaktbrücken gemessenen Breite und der senkrecht zu seiner Längsrichtung und parallel zur Verbindungsrichtung der Kontaktbrücken gemessenen Dicke jedes prismatischen Schenkels größer als zwei ist.

Hierdurch ist eine thermoelektrische Anordnung sehr einfacher Bauweise geschaffen, die nur einen geringen Metallverbrauch aufweist, und die leicht herstellbar ist.

Die Erfindung beseitigt die Nachteile der bekannten Thermoelemente und ihrer Herstellungsverfahren. Die Herstellung der fertigen Produkte ist leicht und eine Mechanisierung und Automatisierung der einzelnen Herstellungsphasen und der Montage der Elemente ist möglich.

Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Kontaktbrücken aus Zinn und Kadmium oder Zinn, Kadmium und Blei oder Zink, Kadmium oder Zink, Kadmium und Zinn bestehen.

Die Herstellung dieser thermoelektrischen Anordnung wird sehr einfach, wenn man dabei so vorgeht, daß die Schenkel in einem Lot mit einem Schmelzmittel, das aus einer 10 bis 20 % igen Lösung von KoIIophonium in Aethylalkohol mit einer Beimischung von 2 bis 10 % Anilinhydrochlorid und 2 bis 10 % Methylzellulose besteht, metallisiert werden, daß die metallisierten prismatischen Schenkel in einer Vorrichtung derart angeordnet werden, daß in einer Reihe nebeneinanderliegende Thermoelemente entstehen und daß zwischen den einzelnen Schenkeln und den einzelnen zukünftigen Kontaktbrücken eine Einlage aus einem thermisch isolierenden Material zu liegen kommt, und daß dann zur Herstellung der Kontaktbrücken ein Lot aus Zinn mit einer Beimischung von 0,1 bis 1 % Wismut verwendet wird, worauf das fertige Produkt mit einem Harz oder Kunstharz imprägniert und nach Härtung die überschüssigen Kontaktbrückenteile aus dem Lot weggeschnitten werden. ■

Die vorliegende Erfindung ist an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen prismatischen Halbleiterschenkel, der in der thermoelektrischen Anordnung verwendet wird,

F i g. 2 eine aus mehreren solchen Schenkeln zusammengestellte thermoelektrische Anordnung,

F i g. 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Der in F i g. 1 dargestellte Schenkel wird aus ein Halbleitermaterial derart gestaltet, daß das Verhältnis zwischen seiner Breite b und seiner Dicke a größer ist als 2, d. h. b/a >2. Höhe c dieses Schenkels hängt ebenso wie bei den üblichen Ausführungen von den Wärmewiderständen zwischen dem Wärmetauscher und dem Schenkel ab.

Derart gestaltete Halbeiterschenkel 1 mit P- und N-Leitfähigkeitstyp werden, wie in F i g. 2 angedeutet, mit den Seiten der größten Oberfläche nebeneinander angeordnet, so daß sich die Länge d der Kontaktbrükken 2, deren Höhe mit e bezeichnet ist, auf ein Minimum verkürzt. Die thermischen Kontaktflächen der derart hergestellten thermoelektrischen Anordnungen werden nach der Zusammenstellung für den Anschluß der Wärmetauscher derart bearbeitet, daß die Wärmewiderstände der Übergänge so klein als möglich sind.

Die Form der Schenkel und der thermischen Kontaktflächen können auch anderen Formen der Wärmetauscher angepaßt werden.

Fig.3 zeigt eine kreisförmige Anordnung einer thermoelektrischen Anordnung für Wärmetauscher mit ίο kreisförmiger Oberfläche.

Die Herstellungstechnologie der Kontaktbrücken sichert eine lange, fast unbeschränkte Lebensdauer des fertigen Produktes. Die einzelnen prismatischen Halbleiterschenkel werden zuerst mit einem Lot metallisiert,

is welches die Diffusion der einzelnen Halbleiterkomponenten in das Lot und umgekehrt unterdrückt. Als Schmelzmittel wird eine 10 bis 20 °/oige Lösung von Kolophonium in Aethylalkohol mit einer Beimischung von 2 bis 10 % Anilinhydrochlorid und 2 bis 10 % Methylzellulose verwendet. Die derart metallisierten prismatischen Schenkel werden in einer geeigneten Vorrichtung derart angeordnet, daß die einzelnen Thermoelemente in einer Reihe nebeneinander liegen. In dieselbe Vorrichtung werden auch die geraden oder gebogenen Zuleitungsstreifen (s. 3 in Fig.2), hineingelegt. Um die Zwischenräume zwischen den einzelnen Schenkeln zu wahren und um die einzelnen benachbarten Schenkel voneinander elektrisch zu isolieren, wird zwischen die einzelnen Schenkel und die einzelnen zukünftigen Kontaktbrücken eine Einlage aus einem thermisch isolierenden Material, z. B. Asbestpapier, welches eventuell mit einem geeigneten Silikonlack, Wasserglas u. dgl. imprägniert wird, hineingelegt.
Zur Herstellung der Kontaktbrücken, welche die einzelnen prismatischen Schenkel aus einem Halbleitermaterial mit P- und N-Leitfähigkeitstyp zu einem Thermoelement verbinden, wird ein Lot aus Zinn mit einer Beimischung von 0,1 bis 1 % Wismut verwendet, wodurch die Entstehung der grauen Zinnmodifikation während des Betriebs des Thermoelementes verhindert wird. Es können auch Lote auf der Grundlage von Kadmium verwendet werden, z. B. eine Legierung von Zinn, Blei, Kadmium, oder Zinn, Kadmium, oder Zink, Kadmium od. dgl. verwendet werden. Das fertige Produkt wird mit einem Epoxylack oder Harz imprägniert und nach der Härtung werden die überschüssigen Brückenteile aus dem Lot weggeschnitten, wobei experimentell die Optimalhöhe der Brücke dadurch festgestellt wird, daß vor allem einige Thermoelemente mit verschiedener Brückenhöhe angefertigt und ihre Eigenschaften gemessen werden.

Bei den derart hergestellten Thermoelementen wird die Abhängigkeit der thermoelektrischen Parameter, z. B. des Arbeitsunterschiedes der Temperaturen an den wärmeren und kälteren Enden in Abhängigkeit von der Kontaktbrückenhöhe gemessen und laut der festgestellten Optimalhöhe der Kontaktbrücken wird dann bei der Herstellung der ganzen Reihe vorgegangen. Die erwähnte Kontaktbrückenhöhe kann annähernd berechnet werden. Die Berechnung wird durch Unkenntnis der Änderungen der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit des Lotes an den Berührungsstellen zwischen ihnen und den Halbleiterschenkeln erschwert. Die Höhe der Kontaktbrücke kann für zwei grundlegende Arten des Betriebes der thermoelektrischen Anordnung optimalisiert werden, und zwar entweder für die Maximalmenge der beförderten Wärme oder für die Erzielung des maximalen Wirkungsgrades, d. h. ge-

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maß den Anforderungen an das fertige Produkt. fer, Silber und dergleichen Metallen mit guter thermi-

Um eine großflächige thermoelektrische Anordnung scher und elektrischer Leitfähigkeit verbunden, wie aus

herzustellen, werden die einzelnen, mehrfach hinterein- F i g. 4 ersichtlich ist. Diese Verbindungsbrücken 5 wer-

ander angeordneten thermoelektrischen Anordnungen den gleichzeitig mit den Kontaktbrücken der einzelnen

4 untereinander durch Verbindungsbrücken 5 aus Kup- 5 Thermoelemente angelötet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Anordnung mit einem oder mehreren in Reihe verbundenen Thermoelementen, bei der prismatische Schenkel aus Halbleitermaterial des P- und N-Leitfähigkeitstyps abwechselnd dicht nebeneinander angeordnet und durch angelötete Kontaktbrücken verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die prismatischen Schenkel (1) dicht mit den Seiten ihrer jeweils größten Flächen nebeneinander angeordnet sind und daß das Verhältnis zwischen der senkrecht zu seiner Längsrichtung und senkrecht zur Verbindungsrichtung der Kontaktbrücken (2) gemessenen Breite (b) und der senkrecht zu seiner Längsrichtung und parallel zur Verbindungsrichtung der Kontaktbrücken (2) gemessenen Dicke (a) jedes prismatischen Schenkels (1) größer als zwei ist.

2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktbrücken (2) aus Zinn und Kadmium, oder Zinn, Kadmium und Blei, oder Zink, Kadmium, oder Zink, Kadmium und Zinn bestehen.

3. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Anordnung nach Anspruch 1 und 2 aus metallisierten prismatischen Schenkeln aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel in einem Lot mit einem Schmelzmittel, das aus einer 10 bis 20 %igen Lösung von Kolophonium in Aethylalkohol mit einer Beimischung von 2 bis 10 % Anilinhydrochlorid und 2 bis 10 % Methylzellulose besteht, metallisiert werden, daß die metallisierten prismatischen Schenkel in einer Vorrichtung derart angeordnet werden, daß in einer Reihe nebeneinanderliegende Thermoelemente entstehen und daß zwischen den einzelnen Schenkeln und den einzelnen zukünftigen Kontaktbrücken eine Einlage aus einem thermisch isolierenden Material zu liegen kommt und daß dann zur Herstellung der Kontaktbrücken ein Lot aus Zinn mit einer Beimischung von 0,1 bis 1 % Wismut verwendet wird, worauf das fertige Produkt mit einem Harz oder Kunstharz imprägniert und nach Härtung die überschüssigen Kontaktbrückenteile aus dem Lot weggeschnitten werden. ■