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Es ist bekannt, Thermoelemente unter Ausnutzung des Peltiereffekts
als Wärmepumpen zum Heizen oder Kühlen zu verwenden. Derartige- Peltier-Elemente
sind in der Regel in der Weise aufgebaut, daß parallel zueinander liegende Thermoelementschenkel
aus Halbleitermaterial, die abwechselnd p- bzw. n-leitend sind, mäanderförmig durch
metallische Kontaktbrücken verbunden sind. Die Anordnung hat als Ganzes die Form
eines flachen Blockes, der im folgenden als Peltier-Kühlblock bezeichnet wird. Man
kann die Kontaktbrücken als vorgefertigte metallische Bauelemente einzeln mit den
Thermoelementschenkeln verbinden, z. B. durch Verlöten. Aus der deutschen Patentschrift
1151820 ist es jedoch auch bekannt, die Thermoelementschenkel zunächst zwischen
zwei ungeteilten Metallplatten, vorzugsweise aus Kupfer, einzulöten und aus den
Metallplatten die Kontaktbrücken nachträglich durch Wegätzen der überschüssigen
Teile auszusparen. Hierzu werden die Metallplatten auf ihren Außenseiten mit einem
gegen das Ätzmittel widerstandsfähigen Lackraster in Form der zu bildenden Kontaktbrücken
bedeckt. Bei dem bekannten Verfahren muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß
das Ätzmittel nur von außen an die Metallplatten gelangt, da sonst auch die Kontaktbrücken
selbst mit weggeätzt werden. Durch die hierfür erforderlichen Vorkehrungen wird
der Herstellungsaufwand erhöht.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1149 762 ist es bekannt, die
Thermoelementschenkel zwischen zwei ungeteilten Aluminiumplatten einzulöten und
aus diesen Metallplatten die Kontaktbrücken auszuschneiden. Die dabei erforderliche
spanabhebende Bearbeitung ist nachteilig. Es werden zum einen die Thermoelementschenkel,
zum anderen die Lötstellen durch die Schneidkräfte mechanisch beansprucht, so daß
die Gefahr besteht, daß die gesamte Anordnung durch Bruchstellen unbrauchbar wird.
Darüber hinaus ergeben sich zumindest für eine der beiden Aluminiumplatten Schwierigkeiten
bei der Schnittführung.
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In der britischen Patentschrift 798 882 ist ein Peltier-Kühlblock
beschrieben, bei dem die Kontaktbrücken aus Aluminium bestehen. Die Kontaktbrücken
sind zur Verbesserung der Lötfähigkeit mit einer Nickelschicht versehen, die ihrerseits
mit den Thermoelementschenkeln verlötet wird.
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Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen einer Thermobatterie bekannt
(vgl. französische Patentschrift 1482 660), bei dem auf eine erste Metallplatte
unter Zwischenlage einer aufgespritzten, elektrisch ; isolierenden Schicht aus beispielsweise
Aluminiumoxyd, eine weitere Metallplatte aus Kupfer oder Aluminium aufgeklebt ist.
Diese weitere Metallplatte wird durch Ätzen in einzelne Teile unterteilt, die die
Kontaktbrücken bilden. Nach dem Ätzen werden die ; Thermoelementschenkel mit den
Kontaktbrücken verlötet. Mit diesem Verfahren sind Peltier-Blöcke herstellbar, deren
Warm- und Kaltseite von gegenüber den Kontaktbrücken elektrisch isolierten, durchgehenden
Metallplatten gebildet werden. Wegen der starren Verbindung zwischen den Kontaktbrücken
und den Metallplatten müssen bei derartigen Peltier-Kühlblöcken die bei Temperaturwechselbeanspruchungen
auftretenden Dehnungskräfte von den Thermoelementschenkeln bzw. von den Lötstellen
aufgenommen werden. Erfahrungsgemäß weisen derartige Peltier-Kühlblöcke deshalb
nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Außerdem haben die aufgespritzten Aluminiumoxydschichten
auf Grund ihrer Porosität eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit, was die ausnutzbare
Temperaturdifferenz der bekannten Thermobatterie verringert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand
des eingangs genannten Verfahrens zu verringern.
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Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herrstellung eines Thermoelementschenkel
aus Halbleitermaterial und metallische Kontaktbrücken aufweisenden Peltier-Kühlblocks,
bei dem die Thermoelementschenkel zunächst zwischen zwei Metallplatten gelötet werden
und bei dem danach zur Bildung der Kontaktbrücken die überschüssigen Teile der Metallplatten
durch Ätzen entfernt werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß als Metallplatten Aluminiumplatten
verwendet werden, die auf der einen Seite eloxiert und auf der anderen Seite vernickelt
sind, daß aus der Nickelschicht ein der Brückenform entsprechendes Raster ausgeätzt
und dieses anschließend mit einer Weichlotschicht versehen wird, daß dann die Thermoelementschenkel
zwischen die Aluminiumplatten gelötet werden und schließlich die überschüssigen
Teile der Aluminiumplatten durch Eintauchen der gesamten Anordnung in ein die Weichlotschicht
nicht angreifendes Ätzmittel entfernt werden.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden die überschüssigen Teile
der Aluminiumplatten von innen her weggeätzt. Die Außenseiten der Aluminiumplatten
sind durch eine nach dem Eloxalverfahren hergestellte dicke Oxydschicht geschützt.
Es ist daher nicht erforderlich, Teile der Anordnung gegen den Zutritt des Ätzmittels
abzuschließen.
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Die auf der Außenseite der Aluminiumplatten und damit auch der Kontaktbrücken
vorhandene starke Oxydschicht ermöglicht es ferrner, an der Warm-und/oder Kaltseite
des Peltier-Kühlblockes unmittelbar metallische Wärmeaustauscher anzubringen. Die
Oxydschicht isoliert elektrisch, hat jedoch ein gutes Wärmeleitvermögen.
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Für das Ansätzen der Nickelschicht wird mit Vorteil Salpetersäure
und für das Ansätzen der Aluminiumplatten Natronlauge oder Salzsäure verwendet,
die eine z. B. aus einer Zinn-Blei-Legierung bestehende Weichlotschicht praktisch
nicht angreifen. Zur Stabilisierung der Anordnung können die Aluminiumplatten vor
dem Ansätzen der Kontaktbrücken mit vom Ätzmittel nicht angreifbaren Verstärkungsplatten,
z. B. aus einem geeigneten Metall oder einem Kunststoff, beklebt werden, die nach
dem Ätzen wieder entfernt werden. Als Kleber hierfür ist z. B. Paraffin geeignet,
das sich leicht wieder lösen läßt. Nach dem Ansätzen der Kontaktbrücken kann die
Anordnung in an sich bekannter Weise (vgl. zum Beispiel die deutsche Auslegeschrift
1196 260) mit einem isolierenden Kunststoff, z. B. einem Schaumharz oder
einem mit Mikroballons gefüllten Epoxydharz, ausgegossen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird im folgenden an Hand der
F i g. 1 bis 7 erläutert.
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In F i g. 1 ist eine der Aluminiumplatten, aus denen später die Kontaktbrücken
hergestellt werden, im Schnitt dargestellt. Die Aluminiumplatte 1 ist auf
der Oberseite eloxiert (Oxydschicht 2) und auf der Unterseite vernickelt (Nickelschicht
3). Die Platte selbst kann z. B. 0,5 bis 5 mm, die Oxydschicht 5 bis 30 zxm, die
Nickelschicht 1 bis 10 (tm dick sein.
Auf die Nickelschicht 3 wird
gemäß F i g. 2 ein Lackraster in Form der später zu bildenden Kontaktbrücken aufgebracht;
die Teile des Lackrasters sind mit 4 bezeichnet. Das Lackraster kann z. B. mit Hilfe
einer Schablone aufgespritzt, aufgedruckt oder nach dem bekannten Photoresist-Verfahren
hergestellt werden. In F i g. 6 ist eine mögliche Form des Lackrasters in der Draufsicht
dargestellt. Die so vorbehandelte Aluminiumplatte wird nunmehr in 50%ige Salpetersäure
getaucht; die vom Lack nicht bedeckten Teile der Nickelschicht 3 werden dadurch
weggeätzt, während die Aluminiumplatte selbst nicht angegriffen wird.
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Nach Entfernung des Lackes wird die Platte in ein Lotbad getaucht,
wodurch die verbleibenden Nickelschichten 3 mit einer Lotschicht versehen werden.
Die übrigen Teile der Aluminiumplatte werden vom Lot nicht benetzt. In F i g. 3
sind die Lotschichten mit 5 bezeichnet. Das Lot kann z. B. 60% Zinn und 40% Blei,
eventuell auch Zusätze von Kadmium, Antimon, Wismut, Gold oder Silber enthalten.
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In gleicher Weise wird eine zweite Aluminiumplatte 6 hergestellt,
deren Kontaktbrückenraster in F i g. 7 in der Draufsicht dargestellt ist.
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Zwischen den Platten 1 und 6 werden nunmehr die Thermoelementschenkel
7 eingelötet. Die Thermoelementschenkel 7 können in bekannter Weise aus Wismut-Tellurid
bestehen; sie sind so dotiert, daß benachbarte Schenkel abwechselnd p- bzw. n-leitend
sind. Zur Vorbereitung der Lötung können sie an ihren Stirnflächen mit einer Wismutschicht
versehen werden.
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Nach der Lötung wird die gesamte Anordnung, die in F i g. 4 im Schnitt
dargestellt ist, in 10- bis 50%ige Natronlauge oder 50%ige Salzsäure getaucht. Durch
die Natronlauge werden die freien Teile der Aluminiumplatten 1 und 6, die nicht
von der Nickel-Lot-Doppelschicht bedeckt sind, von innen her weggeätzt. Die äußeren
Oberflächen der Aluminiumplatten 1 und 6 sind durch die Oxydschichten 2 und 8 gegen
den Angriff der Lauge geschützt. Nach Abschluß des Atzvorganges ergibt sich eine
mäanderförmige Anordnung gemäß F i g. 5 mit getrennten Kontaktbrücken 9. Diese Anordnung
ist mechanisch nur wenig stabil; es ist daher zweckmäßig, sie mit einem thermisch
schlecht leitenden härtbaren Kunststoff, z. B. einem Schaumharz oder einem mit Mikroballons
gefüllten Kunststoff, auszugießen.
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Falls erwünscht, können die Nickelschichten 3 durch eine Verkupferung
verstärkt werden; an der Durchführung des Verfahrens ändert sich dadurch nichts.