DE1539322A1

DE1539322A1 - Herstellungsverfahren fuer eine thermoelektrische Anordnung

Info

Publication number: DE1539322A1
Application number: DE19661539322
Authority: DE
Inventors: Laub Dr-Ing Hans; Heinz Walz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-05-17
Filing date: 1966-05-17
Publication date: 1969-09-18
Also published as: GB1125036A

Description

SIEMENS-SCHUGKERTWERKE Erlangen, den ^we·

Aktieng.es eil schaft . . Werner-von-Siemens-Str. 50

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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-

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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.

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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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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.

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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-

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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-

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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-

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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-

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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

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Temperaturr 2n bis 25° C
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-

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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

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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

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Claims

PIA 66/1232 Patentansprüche

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. '

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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.

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