DE1539322A1 - Herstellungsverfahren fuer eine thermoelektrische Anordnung - Google Patents
Herstellungsverfahren fuer eine thermoelektrische AnordnungInfo
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-
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Description
SIEMENS-SCHUGKERTWERKE Erlangen, den we·
Aktieng.es eil schaft . . Werner-von-Siemens-Str. 50
PLA 66/1232
Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische Anordnung, bei dem n- und p- leitende Thermoelementschenkel
aus thermoelektrisch wirksamem Material so angeordnet werden, daß ihre warmen bzw. kalten Lötstellen in
einer Ebene liegen und bei dem die Lötstellen mit Wärmeaustauschern elektrisch isoliert und wärmeleitend verbunden werden.
Das Herstellungsverfahren ist für die Fertigung großer Stück-
- 1 - Schö/Kn
. 909838/06S2
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zahlen geeignet.
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Bei der Herstellung von thermoelektrischen Anordnungen besteht
das Problem, auf einen Wärmeaustauscher eine Schicht aus elektrisch isolierendem und wärmeleitendem Material aufzubringen.
Außerdem müssen mit dieser Schicht elektrisch leitende Kontaktbrücken gut wärmeleitend und haltbar verbunden werden.
Bei einem bekannten Herstellungsverfahren wird auf eine Metallplatte ein PiIm aus Ajluminiumoxyd durch Flammspritzen aufge- .-■
bracht und hierauf werden die Kontaktbrücken für die Halbleiterschenkel aufgespritzt. Die unter Anwendung dieses Verfahrens
erhaltenen thermoelektrischen Anordnungen sind nicht * beständig gegenüber einer Wasserdampf enthaltenden Atmosphäre.
a ■ ■
Der Wasserdampf tritt in die poröse Aluminiumoxydscnicht ein und macht diese leitend. Es entstehen Fehlerströme, die die
Thermobatterie untauglich machen. ■
Weiterhin ist es bekannt, auf die elektrisch isolierende und
thermisch leitende Schicht eine Metallscheibe zu kleben. Auf He Metallscheibe wird photoempfindlicher Lack aufgetragen
und dieser entsprechend dem gewünschten Muster der Kontaktbrücken belichtet. Danach wird die Metallscheibe geätzt.
Bei diesem Verfahren muß der Kleber beständig gegenüber der,
Ätzflüssigkeit und gegenüber der Atmosphäre sein, damit die poröse Isolierschicht abgedichtet wird. Besonders nachteilig
bei diesem Verfahren ist es jedoch, daß durch den Kleber ein zusätzlicher Wärmewiderstand zwischen den Wärmeaustauscher
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. PLA 66/1232 ■
und die Kontaktbrücken eingebracht wird, der den Wirkungsgrad
der Anordnung senkt, und daß außerdem viele verschiedene
Schritte bei der Pertigung durchgeführt werden müssen.
Ziel dieser Erfindung ist es, mit einem einfachen Herstellungsverfahren eine gut wärmeleitende und elektrisch isolierende
Schicht auf einen Wärmeaustauscher aufzubringen, mit dieser
schicht Kontaktbrücken auf einfachste Weise haltbar zu verbinden, und so eine thermoelektrische Anordnung mit gutem
V/irkungsgrad und langer Lebenszeit zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird'diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Wärmeaustauscher aus Aluminium hergestellt werden, daß
wenigstens auf den Flächen der Wärmeaustauscher, die mit Thermoelementsehenkeln
in Kontakt stehen, eine verdichtete Eloxalschicht von höchstens 100 /U Dicke erzeugt wird, und daß auf
dieser Eloxalsehicht elektrisch leitende Kontaktbrücken aufgedruckt
-und eingebrannt werden, mit denen die Thermoelementschenkel
kontaktiert werden.
..■■;. : ■ . '■ ' ■■■'■■ ■ ■ <
Die elektrisch isolierende Schicht muß für das Aufdrucken
rissfrei sein und eine hohe Durchschlagsfestigkeit haben.»Solche
Eloxal schichten kann man aus einem Oxalsäurebad erzeugen.
Die DurchRchlagfjfestigkeit der Eloxalschicht ist vor allem abhängig von der Schichtdicke und von der Nachbehandlung. Um eine
wenig poröse Schicht 'zu erhalten, werden die eloxierten Wärme-
- 3 - Schö/Kn
909838/0652 BADORfQlNAt
■ . Φ PLA 66/1232
austauscher ca. eine bis vier Stunden in destilliertem Wasser bei
100° C zur Verdichtung der Eloxalschicht behandelt. Dabei
kommt es zum Quellen der porösen Deckschicht, die auf die
Grundschicht von wasserfreiem Aluminiumoxyd folgt, die die
Metallbasis bedeckt. . ■ ' ·
Auf diese verdichtete Eloxalschicht können mit einer Silberpaste
Kontaktbrücken entsprechend dem gewünschten Muster aufgedruckt werden. Ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen ist jedoch
ein Einbrennen der Silberpaste in die Eloxalschicht nicht möglichi Bei Erhitzung der Eloxalschicht über ^00° G ist Rissbildung nicht zu vermeiden. Flüssige Silberpaste würde in diese
Risse einfließen und zu einem Kurzschluß führen. Außerdem müssen die Kontaktbrücken möglichst dick sein, damit der elektrische
Widerstand in den Lötstellen.der Thermoelemente möglichst gering
ist. Es ist daher anzustreben, daß die Silberpaste mehrmals aufgedruckt werden kann. Erfindungsgemäß wird dies dadurch . '
erreicht, daß das aufgedruckte Silber der Kontaktbrücken bei TOO0 C ca. fünf Minuten getrocknet, auf das getrocknete Silber
erneut Silberpaste aufgedruckt und dieser Vorgang mehrmals wiederholt
wird. Nach dem Trocknen bei 100° G können die so aufgedruckten
Kontaktbrücken aus Silber bei 500 bis 550° G eingebrannt werden. .
Die Haftfestigkeit der aufgedruckten und eingebrannten Kontaktbrücken aus Silber wird noch vergrößert, wenn die Oberfläche der
'Eloxalschicht nicht glatt ist, Eloxal'schichten mit solcher Ober-
..-ν" - 4 - · Schö/Kn
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. ' PLA 66/1232
fläche können auf aufgerauhten Oberflächen erzeugt werden.
Die Haftfestigkeit der Silberbrücken kann daher dadurch erhöht
werden, daß-'der Wärmeaustauscher aus Aluminium vor d^em
Eloxieren mit Sandstrahlen aufgerauht und gesäubert wird.
Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Brücken
oder zur Umgehung von Kontaktierungsschwierigkeiten können auf
die getrockneten Kontaktbrücken aus Silber, Gold oder Platin
in Pastenform aufgedruckt, getrocknet und bei 550° C eingebrannt werden. Oder es kann auf die eingebrannten Kontaktbrücken
Kupfer chemisch aufgebracht werden.
Zur weiteren Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit, die durch
die Rissbildung beim Einbrennen herabgesetzt wird, können die
Eloxalschicht auf den Wärmeaustauschern und die Kontakt- : brücken nach dem Einbrennen mit einem Gießharz, wie Arald.it,
vergossen und anschließend das Gießharz so weit abgeschliffen
werden, daß die Kontaktbrücken frei liegen. .
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische
Anordnung garantiert eine Fertigung in wenigen ' und einfachen Arbeitsgängen. Dabei erhält man eine thermo-
M-
elektrische Anordnung, in der die Thermoelement'schenkel gut
elektrisch isoliert von den Wärmeaustauschern angeordnet sind, da kein Silber der aufgedruckten Kontaktbrücken in die Risse
in der Eloxalschicht eindringen kann. Weiterhin ist der WärmeleiUrngsköntakt
zwischen den Kontaktbrücken und den Wärmeaustauschern außerOrdentlich gut und die Befestigung der Kontakt-
. .· 5 r · Schö/Kn
* ^ "c '" 909838/0652
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brücken an dem Wärmeaustauscher ist sehr haltbar."Schließlich
besitzen die Brücken eine gute elektrische leitfähigkeit.
Durch sie und durch den guten Wärmeleitungskontakt wird ein guter Wirkungsgrad der thermoelektrisohen Anordnung
erreicht. \ -"-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung wird im folgenden anhand eines Beispieles
erläutert.
In Figur 1 ist eine thermoelektrische Anordnung dargestellt. Zwischen zwei Wärmeaustauschern T aus Reinaluminium sind
p- und η-leitende Thermoelementschenkel 4 in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Auf die Wärmeaustauscher ist eine
elektrisch-isolierende und thermisch leitende Eloxalschicht
von 70 /U Dicke aufgebracht. :
Zur Herstellung der eloxierten Wärmeaustauscher werden die
Oberflächen entsprechender, plangeschliffener Aluminiumplatten durch Sandstrahlen aufgerauht. Anschließend werden die
Platten durch Beizen in einer 20^-igen Natronlauge bei 40° C und durch Tauchen in 33^-ige Salpetersäure gesäubert. Eine
rissfreie Eloxalschicht von 70 /u Dicke kann aus einem Oxalsäure-Elektrolyten
erzeugt werden. Für den Elektrolyten wurden 50 g/l Oxalsäure in Wasser gelöst. Schichten von ca,
70 λι Dicke erhält man bei folgenden Arbeitsbedingungen:
Stromdichte: 2 A/dm
Spannung: 60 V
Spannung: 60 V
• - 6 - Schö/Kn
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Temperaturr 2n bis 25° C
Zeit: 2 1/2 Stunden.
Zeit: 2 1/2 Stunden.
Die eloxierten '.Värmeaus tau scher werden in fließendem Wasser
ca. ein bin zwei Stunden gespült und anschließend zum Verdichten
in destilliertem oder vollentsalztem Wasser bei TOO C
'ί.ι.. eine bis vier Stunden gehalten. Zur Erzeugung der gewünschten
einseitiiren Eloxalschicht auf demWärmeaustauscher kann die
Gegenseite mit Lack abgedeckt werden.
Auf iie nach lern beschriebenen Verfahren erzeugte rissfreie
und auch weitgehend porenfreie Eloxalschicht können mit.Silberpaste
Kontaktbrücken 3 in einem gewünschten Muster aufgedruckt werden. Hierbei ist es möglich, alle Kontaktbrücken auf einem
.'/Trineaustauscher in einem Arbeitsgang aufzubringen. Als Silberpaste
kann z, B. ein Präparat verwendet werden, das im Handel unter dem Namen Polieri-ilber erhältlich ist.
Da sich in der Eloxalschicht bereits bei einer Erhitzung auf
>χ.Ά. 200° C Rissbildung nicht mehr vermeiden läßt, muß das aufgedruckte
Silber bei ca. 100° 0 ca. fünf min vorgetrocknet wer-
■'..-■'■ - V ■ ■ ■■'
den. Dadurch wird verhindert, daß flüssige Silberpaste in Risse
eindringt, die sich beim Einbrennen der Silberpaste bilden. Auf
die getrockneten Kontaktbrücken wird erneut Silberpaste aufgedruckt und anschließend wieder getrocknet. Dieser'Vorgang wird
sechsmal wiederholt und anschließend werden die Kontaktbrücken
- 7 - Schö/Kn '
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bei 550° C in die Eloxalschicht eingebrannt. Das Einbrennen
erfolgt unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums» Die genaue
Einbrenntemperatur richtet sich nach der Art der verwendeten Silberpaste.
In Figur 2 ist ein Schnitt längs der Linie H-II der Figur 1
durch die thermoelektrische Anordnung dargestellt. Die Figur zeigt die Eloxalschicht 2 und die im gewünschten Muster aufgedruckten
Kontaktbrücken 3. Auf den Kontaktbrücken werden mittels eines -entsprechenden Lotes die Thermoelementschenkel
kontaktiert.. Dabei sind die Kontaktbrücken so angeordnet, daß sämtliche Thermoelementschenkel elektrisch in Reihe liegen.
In den Figuren ist nicht gesondert hervorgehoben, daß nach dem
Einbrennen die Kontaktbrücken und die Eloxalschicht mit Araldit vergossen werden können. Das Araldit muß soweit abgeschliffen
werden, daß die Kontaktbrücken 3 frei liegen. Es wird damit
eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit erreicht. Ohne die Aralditschicht
liegt die Durchschlagsfestigkeit der 70 /U - dicken,
verdichteten Eloxalsehicht nach dem Einbrennen der Kontaktbrücken bei ca. 200 V, ■
10 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
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Claims (11)
1. Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische Anordnung, bei dem n- und p-leitende Thermoelementschenkel aus thermoelektrisch
wirksamem Material so angeordnet werden, daß ihre warmen bzw. kalten Lötstellen in einer Ebene liegen und bei
dem die Lötstellen mit Wärmeaustauschern elektrisch isoliert und wärmeleitend verbunden werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeaustauscher (1) aus Aluminium hergestellt werden, daß wenigstens auf den Flächen der Wärmeaustauscher, die
mit Thermoelementschenkeln (4) in Kontakt stehen, eine verdichtete Eloxalschicht (2) von höchstens "VOO /U Dicke erzeugt
wird und daß auf dieser Eloxalschicht elektrisch leitende Kontaktbrücken.aufgedruckt und eingebrannt werden, mit denen
die Thermoelementschenkel'kontaktiert werden.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eloxalschicht (2) auf-den Wärmeaustauschern (1) aus
einem Oxalsäure-Elektrolyten erzeugt wird.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die eloxierten Wärmeaustauscher (1) ca. eine bis vier stunden in oieatillier'tem Wasser bei 100° G
zur. Verdichtung der Eloxalschioht behandelt werden.
4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch ge-
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kennzeichnet, daß auf die verdichtete Eloxalschicht (2) mit
einer Silberpaste. Kontaktbrücken (3) entsprechend dem gewünschten Muster aufgedruckt werden.
5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das aufgedruckte Silber der Kontaktbrücken (3) bei TOO G
ca. fünf Minuten getrocknet, auf das getrocknete Silber erneut
Silberpaste aufgedruckt und dieser Vorgang mehrmals wiederholt wird. t
6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die aufgedruckten Kontaktbrücken (3) aus Silber bei 500 bis 5i>0.° C eingebrannt werden.
7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, daaurch
gekennzeichnet» dcß die Wärmeaustauscher aus Aluminium
vor dem Eloxieren mit Sandstrahlen aufgerauht und gesäubert werden. · ·
8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die getrockneten Kontaktbrücken aus Silber, Gold oder
Pj^^ ijrl"pastenform aufgedruckt, getrocknet und bei 550 G
eingebrannt wird. ·
9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die eingebrannten Kontaktbrücken (3)Kupfer chemisch
aufgebracht wird. '
« 10 - Schö/Kn
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. PLA 66/1232
10. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1,6, 8
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eloxalschicht §uf
den Wärmeaustauschern und die Kontaktbrücken nach dem Einbrennen mit einem Grießharz, wie Araldit, vergossen und anschließend das Gießharz soweit abgeschliffen wird, daß die
Kontaktbrücken frei liegen.
11 - . 3chö/Kn
909838/0652
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