DE1539309A1 - Thermoelektrische Anordnung aus mehreren Thermoelement-Paaren und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung - Google Patents

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. W. Kemp 5 Köln-Lindenthal Stadtwaldgürtel 20-22

15393OS

28. August 1967

M 18 P 7

Anmelder: Mining & Chemical Products Limited SS=S=Sr= 86, Strand, London W.C. 2., England

Thermoelektrische Anordnung aus mehreren Thermoelement-Paaren und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit zwei oder mehr Paaren von Thermoelementen, wobei jedes Paar ein p-Thermoelement und ein η-Thermoelement aufweist, welche beiden Elemente zusammen ein Thermopaar bilden. Bei solchen Anordnungen sind die Thermoelemente isoliert voneinander angeordnet und die Thermoelemente eines Jeden Paares sind elektrisch miteinander verbunden, wobei nebeneinander angeordnete Paare ebenfalls elektrisch miteinander verbunden sind. Solche Anordnungen können unter Verwendung des Peltier-Effektes zum Kühlen oder unter Benutzung des Seebeck-Effektes zur Erzeugung elektrischer Ströme verwendet werden.

Derartige Thermoelemente dienen insbesondere als besondere Kühler unter Verwendung des Peltier-Effektes. üblicherweise bestehen solche Anordnungen aus einer matrizenartigen Anordnung, einem Block oder einem Modul von kleinen Würfeln aus

009810/0759

-2 - 28. August 1967

η- und p-Thermoelementen, die voneinander durch ein isolierendes Bindemittel oder durch Luftzwischenräume elektrisch isoliert sind. Dabei sind elektrische Verbindungen in Form von kleinen Stäbchen oder Brücken vorgesehen, die auf den Oberflächen der Thermoelemente aufgelötet sind. Das Herstellen dieser Verbindungen durch Löten 1st ein besonders zeitraubender Herstellungsvorgang und ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die beim Löten an den Oberflächen der Thermoelemente erzeugte Wärme eine Diffusion des Verbindungsmateriales, normalerweise Kupfer, in das Halbleitermaterial der Thermoelemente bewirkt, wodurch eine "Vergiftung" des Hal'bmateriales eintritt und der Wirkungsgrad der Anordnung kann erheblich herabgesetzt werden. Außerdem bestehen bei bekannten Anordnungen erhebliche Zwischenräume zwischen den Thermoelementen und der Wärmeverlust über der Anordnung durch das die Zwischenräume ausfüllende Isoliermaterial 1st groß. Beim Vorgehen nach der Erfindung wird die Notwendigkeit des Lötens vermieden und die Abstände zwischen den einzelnen Thermoelementen sind höchstens o,5 mm.

Bei thermoelektrischen Anordnungen, die unter Verwendung des Peltier-Effektes oder des Seebeck-Effektes arbeiten, ist es wünschenswert, den Wärmefluß über die Anordnung durch die Isolierungen zwischen den Thermoelementen so klein wie möglich zu halten, d. h. auf einen Wert von 5 % der gesamten durch thermoelektrische Wirkung geleiteten Wärme zu begrenzen. Besser 1st noch eine Absenkung dieses Anteils unter 2 % des Gesamtwärme-

009810/07.5.9 . ^: .;·,:■ ;_; BAD ORIGINAL

-3 - 28. August 1967

Stroms. Weiter ist es wünschenswert, die Anordnung in bezug auf Ihre Leistung möglichst klein zu bauen.

Die meisten thermoelektrischen Kühleinrichtungen arbeiten mit einem raitIv hohen Strom von etwa Io bis 2o A und dieser hohe Strom wird als nachteilig empfunden. Bei thermoelektrischen Stromgeneratoren (Seebeek-EfTekt) wird die relativ niedrige Ausgangsspannung als nachteilig empfunden. Diese Nachtelle der bekannten Anordnungen zu überwinden, hat sich die Erfindung unter anderem zum Ziel gesetzt.

In der vorliegenden Beschreibung wird als guter elektrischer Leiter ein Leiter mit einem spezifIschen Widerstand von weniger als Io Mikro-Ohm-cm bei Zimmertemperatur, unter hoher Wärmeleitfähigkeit eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 0,1 cal/cm/sek/°C verstanden. Niedriger Kontaktwiderstand bedeutet einen spezifischen Kontaktwiderstand in der Größe von lo"³ Ohm/cm . (Siehe hierzu auch die Vorveröffentlichung "Thermoelectric Materials and Devices" von Cadoff und Miller, herausgegeben von Reinhold Publishing Corporation und "Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling" von Ioffe₉ herausgegeben von Infosearch Ltd«)

In einem nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag gemäß der deutschen Patentanmeldung M 6o 525 VIIIc/21b wird ein Verfahren zum Herstellen von thermoelektrischen Anordnungen der

009810/0759 BAD ÖftlÖJNAL

- H- 28. August 1967

obigen Gattung beschrieben, bei welchem die elektrischen Verbindungen dadurch hergestellt werden, daß auf den Thermoelementen und den dazwischen liegenden Isolatorabschnitten eine Schicht aus Metall gelegt wird, aus welcher dann durch Ätzen Teile herausgenommen werden, wodurch die verbleibenden Teile die gewünschten-Verbindungen in Form von -Metallgliedern oder Brücken erhalten.

Die vorliegende Erfindung besteht in einer erheblich verbesserten Herstellungsweise für ,solche thermoelektrischen Anordnungen; nach der Erfindung wird dabei wie folgt vorgegangen:

Anordnen einer Anzahl von Thermoelementen derart, daß zwei große Flächen entstehen; Auflegen eines Musters von nicht durch Elektroplattierung belegbarem Material auf Jede dieser Hauptflächen;

Einbringen der Anordnung mit diesen beiden Schichtmustern in ein Galvanisierbad; und Ausbilden metallischer elektrisch leitender Verbindungen auf den großen Oberflächen durch galvanischen Niederschlag derart, daß die elektrischen Verbindungen der Glieder oder elektrischen Brücken auf jeder Hauptfläche dem Muster des nicht elektroplattierbaren Materials auf den beiden Flächen entsprechen.

009810/0759 BADOPfQiNAi

- 5 - 28. August 1967

Zweckmäßig werden dabei eine Anzahl von Stücken aus n- und p-leitendem Material vorbereitet und in Gestalt einer Matrize zueinander so durch ein Isolierendes Bindemittel angeordnet, daß immer n- und p-Stücke abwechseln, Dann werden auf die beiden gegenüberliegenden großen Flächen dieser Matrize netzartige Muster aus einem galvanisch nicht belegbaren Material aufgelegt, wobei die Öffnungen in diesem gitterartigen Material den gewünschten elektrischen Verbindungen aus niederzuschlagen- ti dem Metall entsprechen. Dann wird die Matrize an den nicht bedeckten Stellen elektroplattlert, wobei ein Metall aufgebracht wird, welches ein guter elektrischer Leiter ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zweckmäßig wird das durch Galvanisieren aufgebrachte Metall auf Jeder Oberfläche geschliffen bzw. geläppt, so daß die beiden gegenüberliegenden großen Flächen parallel zueinander sind und im übrigen im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der Matrize verlaufen,

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine der großen Flächen einer Matrize mit n- und p-Thermoelementen, wobei die andere, der .gezeigten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche genauso ausgebildet ist;

0 09810/07 5 9

- 6 - 28. August 1967

Pig, 2 und 3 schematisch Schnitte nach den Linien 2-2 bzw. 3-3 In Pig. Ij

Fig. ^l\ in Draufsicht die große Fläche wie Fig. 1 mit darauf angebrachtem, siebartigen Muster aus nicht durch Galvanisieren plattlerbarem Material;

Fig. 5 eine der Flg. ¹I entsprechende Darstellung der anderen großen Fläche mit dem darauf angebrachten siebartigen Muster aus nicht elektroplattlerbarem Material;

Fig. 6 eine der Fig. ^l\ ähnliche Darstellung zur Veranschaulichung der Anbringung der leitenden Verbindungen oder Brücken;

Flg. 7 eine der Flg. 6 entsprechende Darstellung zum Veranschaulichen eines vorhergehenden Plattler-Schrittes;

Flg. 8 eine der Fig. 7 ähnliche Darstellung zur Veranschaulichung des abschließenden Plattierschrittes; und

Flg. 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 der Fig. 8.

Zunächst wird eine Matrize hergestellt, wie es in der deutschen Patentanmeldung M 60 525 VIIIc/21b beschrieben 1st, und zwar Insbesondere entsprechend den dort mit 1 bi3 io bezeichneten

009810/0759

-■7 - 28. August 1967

Verfahrensschritten. (Im wesentlichen kommt es darauf an, daß die verschiedenen Bausteine entsprechend zusammengesetzt und verbunden werden. Wie dies jedenfalls erreichbar ist, ergibt sich auch aus der nun folgenden Beschreibung.)

Gemäß Fig. 1 besteht die Matrize 1 aus 96 Halbleiter-Thermoelementen, die 48 Thermopaare bilden, und zwar in 8 horizontalen Reihen von je l6 Paaren. In einigen Fällen ist angedeutet, an welchen Stellen η-Elemente sitzen und an welchen p-Elemente. Die Thermoelemente und die Paare sind dabei von einem isolierenden, die Teile gegebenenfalls auch mechanisch zur Bildung der Matrize zusammenhaltenden Masse zwischen den Elementen mechanisch und elektrisch getrennt. Diese Masse wird in Flg« 1 durch die Gradnetzeinteilung angedeuet. Die Με "ize 1 wird durch einen Rahmen 2 aus festem, isolierendem Kunststoffmaterial vervollständigt. Die Fig. 2 und 3 zeigen, wie in den waagerechten Reihen die einzelnen Elemente immer abwechselnd nebeneinander in Paaren liegen.

1 zeigt in Draufsicht die eine große Fläche der Anordnung; die andere gegenüberliegende Fläche ist dabei offensichtlich von gleicher Ausbildung. Weiter sind elektrische Anschlüsse 3 und gezeigt.

Nach Fig. 4 wird"die eine große Oberfläche mit einer ersten siebartigen Schablone 5 aus durch Elektroplattieren nicht beleg-

0 0 9810707 59 ^J BAD

- 8 - 28. August 1967

barem Material belegt. Gemäß Flg. 5 wird auf die andere große Oberfläche der Matrize eine zweite siebartige Matrize 6 aus solchem, durch Elektroplattieren nicht belegbarem Material gelegt. Offensichtlich unterscheiden sich die beiden Schablonen (siehe Fig. 4 und 5) durch verschiedene Anordnung der Reihen von öffnungen. Diese beiden verschieden angeordneten Reihen von öffnungen entsprechen den herzustellenden Verbindungen in Form elektrischer Brücken od. dgl. auf den beiden Oberflächen, wie weiter unten zu erläutern sein wird. Es stehen eine Reihe von durch Elektroplattieren nicht belegbaren Materialien zur Verfügung. Zweckmäßig verwendet man eine Tinte oder Druckfarbe, die entsprechend den gewünschten Schablonen 5 bzw. 6 durch Siebnetzdruck aufgedruckt werden. Dieses Verfahren 1st bekannt und muß deshalb nicht weiter beschrieben werden. Die Druckfarbe ist dabei ein zwei oder drei Komponenten aufweisendes Kunstharzsystem verwendbar, weiches nach dem Drucken getrocknet wird oder durch Aushärten einen fest anhaftenden Niederschlag gibt. Die Breite der von den Rastern in Fig. 1 dargestellten gedruckten Linien ist etwa o,o35 cm und die Dicke liegt bei etwa o,oo5 bis o,oo75 cm.

Ein Vergleich der Fig. ¹I und 5 mit der Fig. 1 zeigt, daß die Linien aus nicht durch Plattieren belegbarem Material oben auf einige aber nicht alle Linien aus dem isolierenden und die Bausteine verbindenden Material aufgedruckt sind.

009810/0759

- 9 -■'■"■ 28. August 1967

Weitere zur Verfügung stehende, nicht mit Elektroplattieren oder Galvanisieren belegbare Materialien sind fot©empfindliche, nicht belegbare Materialien, die üblichen Lacke, die auch zu ähnlichen Zwecken zur Herstellung von Schablonen beim Elektroplattieren verwendet worden sind und keramische Farben.

Die Anschlußleitungen 3 und 4 sind an dem oberen rechten p-Element bzw. dem unteren rechten η-Element angeschlossen, wie dies durch die gestrichelten kurzen Linien dargestellt ist. Diese elektrischen Verbindungen haben zweierlei Punktion: Parallelgeschaltet dienen sie zum Anlegen des Galvanisierstromes an die Matrize, wozu die beiden Leitungen 3 und 4 verbunden werden; in Reihe gelegt bilden sie die beiden Anschlüsse für das fertiggestellte thermoelektrische Gerät, wobei die beiden Anschlüsse 3 und 4 natürlich nicht miteinander verbunden werden.

Nach dem Aufdrucken der gitterartigen Schablonen besteht der nächste Verfahrensschritt gemäß Fig. 6 in der Bildung metallischer leitender Verbindungsbrücken 7 über diejenigen Linien des isolierenden Bindemittels zwischen den Elementen, die nicht mit dem nicht durch Elektroplattieren belegbaren Material bedruckt oder sonstwie belegt wurden· Fig. 6 zeigt die Anordnung der Brücken 7 für die eine große Fläche. Die Anordnung der Brücken auf der anderen Seite der Anordnung unterscheidet sich von öer Anordnung der Brücken nach FIg, 6 in der Weise, die leicht aus

00981070759

- Io - 28. August 1967

einem Vergleich der Pig, 4 und 5 ersichtlich ist, Es können eine Vielzahl von Verfahren zur Ausbildung der Brücken 7 angewendet werden, Z. B, kann man die Brücken 7 auf die Oberflächen der Matrize in Form kleiner Punkte aus Luft-trocknender Silber* suspension aufbringen. Damit bestehen dann die fertigen Brücken 7 aus Punkten von Silber,

Nach Herstellung dieser Brücken 7 auf den beiden Seiten der Anordnung besteht eine elektrische Serienschaltung aus der Leitung 3, den 96 Thermoelementen und der Leitung 4, Obwohl dieser Serienkreis einen relativ hohen Widerstand von etwa 5o bis 5oo Ohm verglichen mit dem Widerstand der fertigen Anordnung, welcher dann etwa 1 Ohm ist, aufweist, kann dieser Kreis dennoch die Kathode in einem galvanischen Bad bilden.

Der nächste Verfahrensschritt besteht in einer Verbindung der Leitungen 3 und k miteinander und diese Verbindung wird dann an die Versorgung eines Nickel-Plattlerbades derart angeschlossen, daß die ganze Matrize die Kathode bildet. In diesem Galvanisierbad werden auf den beiden Oberflächen der Matrize aus Nickel bestehende Verbindungsbrücken 8 (siehe Pig. 7) niedergeschlagen, die eine Dicke von etwa o,ooo25 bis o,ool25 cm haben. Wie Pig. 7 weiter zeigt, werden diese aus Nickel bestehenden Verbindungen 8 In den öffnungen der Schablonen hergestellt, (In Pig. 7 sind die von dem Isolierenden Material zwischen den Einzelelementen gebildeten Linien bei 9 gestrichelt dargestellt.)

009810707 59

- 11 - 28. August 1967

Der nächste Verfahrensschritt ist sehr ähnlich mit der Ausnahme, daß nunmehr ein Kupferplattierbad Anwendung findet, so daß also nunmehr Kupferverbindungsstücke Io (siehe Fig. 8) mit einer Dicke von etwa o_sol25 cm über die Nickelverbindungsbrücken gelegt werden.

Der abschließende Verfahrensschritt ist ein Schleifen oder Läppen der aufgalvanisierten Kupferverbindungsbrücken derart, daß die beiden Hauptflächen eben und zueinander parallel sind, wobei sie außerdem im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Matrize selbst verlaufen.

Wie bereits oben erwähnt wurde, haben die beiden Schablonen und 6 verschiedene Gestalt, so daß sie die gewünschten Verbindungen aus Kupferverbindungsstueken Io auf den beiden Hauptflächen herstellen. Dies wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 1 und 9 erläutert, wobei - wie bereits ausgeführt wurde die Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 in Fig. 8 darstellt.

In Fig. 9 ist die obere Fläche die in Fig. 8 in Draufsicht dargestellte und die untere Fläche ist die zweite große Fläche, deren Muster der Anordnung nach Fig. 5 entspricht. Dabei ist die Lage und Ausbildung der Kupferverbindungsbrücken Io der obersten waagerechten Reihe dargestellt, wobei sich "oben" auf die Fig. 1 und 8 bezieht. Der Kreis geht also durch die nun von der Leitung k getrennte Zuleitung 3 zum rechten p-Thermo-

009810/0759

- 12 - 28. August 1967

element, welches unter der niedergeschlagenen Verbindung loA liegt, zum Verbindungsstück loB, durch dieses Glied loB hindurch zum daneben liegenden η-Thermoelement, durch dieses nach oben zur Verbindung loC usw. bis zum Glied loD, welches (siehe Fig. 8) den Kreis auf der linken Seiteder Matrize an die darunter anschließende Horizontalreihe von Thermoelementen anschließt. Diese Art der Verbindung geht so weiter, bis sie zum Element loE führt (siehe Fig. 8), von wo der Kreis durch Verbindung mit dem Anschluß 4 vervollständigt wird.

009810/0759

Claims (1)

1. - 13 - 28. August 1967

   M 18 P 7

   P a t e η t a n s ρ r Ü c h e

   l.J Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Anordnung mit zwei oder mehr Thermopaaren, deren jedes aus einem p-Thermoelement und einem n-Thermoelement besteht, welche elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind, wobei die Thermoelemente eines Jeden Paares elektrisch verbunden werden und ferner die nebeneinander liegenden Thermopaare elektrisch verbunden werden, bei welchem Verfahren zunächst Paare von Thermoelementen flächenhaft nebeneinander zur Bildung zweier Hauptflächen angeordnet werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritter Aufbringen einer Schablone (5, 6) aus galvanisch nicht plattierbarem Material auf jeder der beiden Hauptflächen; Einbringen dieser Anordnung mit den Schablonen in ein galvanisches Bad; Niederschlagen elektrisch leitender Brücken (Io) auf den beiden Hauptflächen durch Elektroplattierung derartig, daß die Anordnung der niedergeschlagenen Verbindungsglieder (io) auf jeder der beiden Hauptflächen dem Muster der Schablone (5, 6) auf jeder Hauptfläche entspricht.

   2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schablone aus nicht galvanisch belegbarem Material die Gestalt eines Netsee mit öffnungen darin aufweist, welche öffnungen das Niederschlagen der Verbindungsstücke gestatten.

   009810/0759

   - Ik - 28. August 1967

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem galvanischen Niederschlagen leitende Brücken zur Verbindung der Thermoelemente eines Jeden Paares und zur Verbindung nebeneinanderliegender Paare von Thermoelementen aufgebracht werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zunächst aufgebrachten Verbindungen aus Punkten aus Silber be-

   Sk stehen.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Silber aus einer in Luft trocknenden Silhersuspension aufgedruckt wird.

   6 -

   6· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder in zwei Schritten hergestellt werden, und zwar zunächst durch Aufgalvanisieren von Nickel auf die Thermoelemente und dann durch Aufgalvanlsleren von Kupfer auf die bereits nie* ™ dergeechlagenen Nickelflächen·

   7· Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß
   nach Herstellung der Verbindungen die Eingangs- und Ausgangs»
   leitungen miteinander verbunden werden, die ganze Anordnung in
   das Elektrolysebad eingesenkt wird und die miteinander verbundenen Zuführungsleitungen gemeinsam derart an die Speisestromquelle für das Elektrolysebad angeschlossen werden, daß die Anordnung die Kathode des Elektrolysesysteras bildet·

   009810/0759
   BAD ORIGINAL

   L e e r s e ί t e