DE2104175B2 - Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Einheit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen EinheitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Einheit, bei dem
eine Vielzahl von Thermoelementschenkeln mit elektrisch isolierendem Material zusammengebaut wird,
welches zwischen benachbarten Schenkeln eingelegt wird, und bei dem ein aushärtbares Bindemittel die
Schenkel aneinander befestigt.
Ein solches Verfahren ist aus der GB-PS 10 31 565 bekannt.
Aus der GB-PS 11 30 334 ist ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Einheit bekannt,
bei dem zwischen benachbarten Thermoelementschenkeln ein Isoliermaterial in Form einer zunächst festen
Glasfritte, also eines zellartigen Materials eingelegt wird. Die Glasfritte wird durch Erwärmung unter Druck
zum Schmelzen gebracht und verbindet die Schenkel fest miteinander.
Wenn man diese Technik verwendet, um die Isolierung und Bindung zwischen benachbarten Thermoelementen
herzustellen, ist es unmöglich, Änderungen im Abstand zwischen den benachbarten Thermoelementen
zu vermeiden. Das gleiche gilt auch für das Verfahren nach der erstgenannten GB-PS 10 31 565, da
dort das Bindemittel geschmolzen wird, während beim Abbinden Druck angesetzt wird. Das Schmelzen des
Bindemittels führt zu einer gewissen Flüssigkeitsströmung, die sich vom einen Thermoelement zum anderen
ändert und damit Veränderungen der relativen Abstände mit sich bringt.
Die Anwendung dieser bekannten Verfahren für die Herstellung von thermoelektrischen Elementen kleiner
Abmessungen, wie sie für die Energieversorgung von Herzschrittmachern erforderlich sind, bereitet jedoch
Schwierigkeiten, da die für das Aufbringen der Kontaktbrücken erforderliche Maskierung eine sehr
genaue Ausrichtung des Maskenmusters zu den Thermoelementen erfordert. Die Trennfuge zwischen
benachbarten Thermoelementen ist nämlich notwendigerweise klein, so daß schon ein geringer Versatz der
Maske dazu führen kann, daß benachbarte Elemente durch Kontaktbrücken überbrückt werden, wo keine
Brücke erwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszubilden,
daß eine feste Verbindung der Thermoelementschenkel mit zwischen jeweils benachbarten Schenkeln
überall möglichst gleichgroßem Abstand erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadu-ch gelöst, daß als isolierendes Material ein zellartiges Material
verwendet wird, daß vor dem Aushärten des Bindemittels und während das Bindemittel in der Lage ist,
plastisch zu fließen, ein Druck von soieher Größe zur
ίο Einwirkung gebracht wird, daß der Abstand benachbarter
Schenke! durch das zwischen ihnen eingelegte zellartige Material unter Vermeidung der Bildung von
Zwischenfilmen des Bindemittels bestimmt ist, und daß der Druck aufrechterhalten wird, bis das Bindemittel
unter Ausfüllung der Poren des zellartigen Materials ausgehärtet ist
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Abstand zwischen benachbarten Thermoelementschenkeln
durch die Dicke des zellenartigen Materials genau festgelegt, wobei das bindende Epoxydharz die Poren
des zellenartigen Materials auffüllt und daher bei der Festlegung des Abstandes zwischen benachbarten
Schenkeln keine Rolle spielt. Auf diese Weise ist das
Muster der Enden der thermoelektrischen Schenkel bei der Fabrikation bis zu einem Gütegrad reproduzierbar,
der die erforderliche genaue Ausrichtung des maskierenden Musters für die Herstellung der Kontaktbrücken
durch lichtempfindliche Maskierung und Goldaufdampfen ermöglicht.
jo Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird anhand der Herstellung und Konstruktion
einer thermoelektrischen Batterie für einen Herzschrittmacher unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben, und zwar zeigt
F i g. 1 eine schematische perspektivische Ansicht der Batterie, teilweise aufgeschnitten, um deren Einzelteile
sichtbar zu machen, und die
Fig.2 bis 7 Verfahrensstufen bei der Herstellung
eines Teils der thermoelektrischen Batterie.
Nach Fig.! weist eine thermoelektrische Batterie 11
ein zylindrisches Außengehäuse 12 aus Edelstahl auf, welches mit einem Stopfen 13 hermetisch abgedichtet
ist, wobei das Innere unter Vakuum steht oder mit einem inerten Gas gefüllt ist. Die endgültige Abdichtung
erfolgt dadurch, daß der Stopfen 13 an Ort und Stelle verschweißt wird.
Im Behälter 12 befinden sich eine Wärmequelle 14, eine modulare thermoelektrische Einheit 15, eine
metallische Kühlscheibe 16 sowie elektrische Adern 17, 18, die sich über Dichtungen 19, 20 in einem
Aluminiumoxidstopfen 21 nach außen erstrecken.
Die Wärmequelle 14 weist eine Ladung 22 aus Plutonium-238 auf, welches in einer kleinen zylindrischen
Hülse 23 aus Stahl enthalten ist, die mit einer Innenauskleidung 24 dargestellt ist. Die Auskleidung 24
kann jedoch auch fehlen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wärmequelle 14 an die eine Endfläche der
thermoelektrischen Einheit 15 gebunden.
Das kalte Ende der thermoelektrischen Einheit 15 ist mit einein Klebemittel an die metallische Kühlscheibe 16 gebunden, welche die Wärme an den Behälter 12 weitergibt. Die Scheibe 16 sitzt fest an der Aluminiumoxid-Abdichtungsbauteilgruppe, die den Aluminiumoxidstopfen 21 sowie einen zusammengesetzten Metallzylin-
Das kalte Ende der thermoelektrischen Einheit 15 ist mit einein Klebemittel an die metallische Kühlscheibe 16 gebunden, welche die Wärme an den Behälter 12 weitergibt. Die Scheibe 16 sitzt fest an der Aluminiumoxid-Abdichtungsbauteilgruppe, die den Aluminiumoxidstopfen 21 sowie einen zusammengesetzten Metallzylin-
b5 der 26a/26i> aufweist. Der Aluminiumoxidstopfen 21
dient sowohl als elektrischer Isolator als auch als Vakuum-Abdichtungsstopfen und ist mit dem zusammengesetzten
Metallzylinder 26a/26Z) hartverlötet. Die
Abdichtung wird dadurch vervollständigt, daß bei 25 der
zusammengesetzte Metallzylinder 26a/26b mit dem Behälter 12 verschweißt wird. Die elektrischen Adern
17 und 18 werden ebenfalls in einer ähnlichen Weise abgedichtet und gegen die Metallsqheibe 16 durch
kleine Aluminiumoxid-Ringeinsätze (nicht dargestellt) isoliert.
Die Herstellung einer thermoelektrischen Einheit 15 beginnt mit zwei Blöcken, wie beispielsweise 26 in
F i g. 2, aus hinein Halbleitermaterial auf der Basis von Wismuttellurid. Im einen Block ist das Wismuttellurid so
dotiert, daß das Halbleitermaterial vom n-Leitfähigkeitstyp ist Im anderen Block ist das Wismuttellurid so
dotiert, daß das Halbleitermaterial vom p-Leitfähigkeitstyp ist Die Blöcke 26 werden anfänglich durch eine
Pulver-Preßtechnik gebildet bzw. geformt, wobei die eine Dimension, die in Fig.2 mit »D« markierte
Dimension, gleich der gewünschten Höhe der endgültigen thermoelektrischen Einheit 15 ist
Die Blöcke 26 werden dann in dünne rechteckige >o
Platten 27 zerschnitten bzw. aufgespalten, deren eine Seite der Dimension D entspricht Die schließlich
gebildete thermoelektrische Einheit 15 wird aus einer Vielzahl von Rechteckstäben aus thermoelektrischem
Material zusammengesetzt, welches einen Querschnitt von 3,8 mm im Quadrat hat Die Dicke der Scheiben 27
beträgt somit 3,8 mm. Acht Scheiben aus Halbleitermaterial, abwechselnd vom n-Leitfähigkeitstyp und p-Leitfähigkeitstyp, werden, wie in F i g. 3 gezeigt, aufgebaut
bzw. aufeinandergelegt wobei ein dünnes Blatt ?us jo zelligem Material 28 zwischen je zwei der Scheiben aus
Halbleitermaterial eingefügt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das zellige Material aus Zigarettenpapier. Die Papierblättchen 28 werden mit Epoxydharz imprägniert, und die Bauteilgruppe aus Scheiben
von Halbleitermaterial und Papierblättchen wird zusammengepreßt, um einen sandwichartigen Block 29
zu bilden, wie er in F i g. 4 angedeutet ist. Während das Epoxydharz noch plastisch zu fließen vermag, wird der
Druck auf den Block 29 zur Einwirkung gebracht wie durch die Pfeile 31, 32 angedeutet. Der angewandte
Druck reicht aus, um die Trennung benachbarter Scheiben aus Halbleitermaterial durch die zwischengelegten Papierblättchen zu bestimmen, und zwar ohne
Ungewisse bzw. unbestimmbare Änderung infolge der Bildung von dazwischen liegenden Filmen aus Epoxydharz. In der Praxis wird der erforderliche Druck dadurch
erzielt, daß der Druck erhöht wird, bis weitere Erhöhungen des Drucks die Dicke des Sandwich-Blokkes 29 nicht wesentlich reduziert. Im typischen Fall kann
bei diesem Ausführungsbeispiel ein derartiger Druck durch Einklemmen in einen kleinen Schraubstock bzw.
eine kleine Schraubzwinge erzielt werden. Unter diesen Bedingungen füllt das Epoxydharz die Poren im Papier,
so daß der Abstand zwischen benachbarten Halbleiterscheiben genau durch die Dicke der Papierblättchen 28
eingestellt wird. Der aufgebrachte Druck wird aufrechterhalten, bis das Epoxydharz ausgehärtet ist.
Der Block 29 wird dann entlang Ebenen senkrecht zu den Ebenen der Halbleiterscheiben, welche den Block
29 bilden, und parallel zur Dimension D zerschnitten. Schnittlinie und -richtung sind durch Pfeile 33 in F i g. 4
angedeutet.
Der Block 29 wird somit in eine Vielzahl von Scheiben zerschnitten, von denen zwei bei 34 und 35 in F i g. 5 t>5
dargestellt sind. Diese Scheiben 34 und 35 werden bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Dicke von 3,8 mm
Beschnitten und weisen somit eine Reihe von acht
Stäben aus Halbleitermaterial von abwechselnd n- und
p-Leitfähigkeitstyp auf, die aneinander befestigt sind,
aber durch isolierende Streifen aus Papier voneinander auf Abstand gehalten werden, die eine genaue und
gleichmäßige Trennung zwischen benachbarten Stäben bilden.
Acht Scheiben aus dem Block 29 werden mit zwischengelegten Blättchen aus Zigarettenpapier 36
zusammengebaut und zwar in der Weise, wie dies für zwei Scheiben in F i g. 5 veranschaulicht ist Benachbarte Scheiben werden so angeordnet daß ein Halbleiterstab des n-Leitfähigkeitstyps in der einen Scheibe einem
Halbleiterstab des p-Leitfähigkeitstyps in der angrenzenden Scheibe benachbart ist Die Papierblättchen 36
werden mit Epoxydharz imprägniert, die Bauteilgruppe wird in einen Block gepreßt wie in F i g. 6 dargestellt
und wiederum wird ein Druck zur Einwirkung gebracht, um sicherzustellen, daß die Trennung benachbarter
Scheiben, wie beispielsweise 34 und 35, durch das Papier bestimmt wird, und zwar ohne unbestimmle bzw.
unbestimmbare Änderung infolge der Bildung von dazwischen liegenden Filmen aus Epoxydharz.
Um eine elektrische Verbindung für die Thermosäule herzustellen, welche durch den in F i g. 6 dargestellten
Block gebildet werden soll, werden zwei Streifen aus Nickel an der einen Seite des Blocks befestigt, wobei
jeder Nickelstreifen eine Endfläche aufweist, die im wesentlichen mit der Endfläche des Blocks bündig
abschneidet, welche das kalte Ende der durch den Block zu bildenden Thermosäule sein soll. Diese Nickelstreifen
sind bei 37 und 38 in Fig.7 dargestellt, die eine Draufsicht auf den Block nach F i g. 6 ist. Zwischen den
Nickelstreifen 37 und 38 und dem Block befindet sich ein Papierblättchen, um die Nickelstreifen gegenüber dem
Block elektrisch zu isolieren. Das Papier wird mit Epoxydharz imprägniert, so daß die Befestigung der
Nickelstreifen am Block die gleiche ist wie die Befestigung der Scheiben des Blocks untereinander. Bei
diesem Ausführungsbeispiel werden die Nicke'.streifen in der gleichen Verfahrensstufe wie beim Zusammenbau
der Scheiben in den endgültigen Block nach F i g. 5 und Fig.6 befestigt. Durch dieses Vorgehen wird die
Anzahl von Druckanwendungen reduziert, doch können gegebenenfalls die Nickelstreifen 37 und 38 auch in
einem nachfolgenden Arbeitsgang an den Block gebunden werden.
Beide Enden des Blocks werden dann eben geläppt, wobei am kalten Ende darauf geachtet wird, daß die
Endflächen der Nickelstreifen 37 und 38 sicher und genau mit den Endflächen der thermoelektrischen Stäbe
bündig abschneiden.
F i g. 7 zeigt die Relativanordnungen der Halbleiterstäbe vom n- und p-Leitfähigkeitstyp im Block, und eine
Maske wird dann beiden Endflächen des Blocks durch eine Foto-Masken-Technik erzeugt. F i g. 7 zeigt das
kalte Ende, und die Maske ist so ausgebildet, daß die Bereiche innerhalb der gestrichelten Rechtecke 39
unbedeckt bleiben.
Diese unbedeckten Bereiche 39 markieren die Stelle und die Ausdehnung von elektrisch leitenden Brücken,
die herzustellen sind, um die thermoelektrischen Stäbe im Block so miteinander zu verbinden, daß eine
Reihenschaltung von Thermoelementen gebildet wird. Dazu sei darauf hingewiesen, daß das Muster von
unbedeckten Bereichen auf dem entgegengesetzten Ende des Blocks, d. h. dem Ende, welches im Betrieb das
heiße Ende sein soll, ähnlich demjenigen am kalten Ende ist, wie in Fig. 7 dargestellt, jedoch so versetzt, daß
beispielsweise der Stab 41 mit dem Stab 42 am heißen Ende und der Stab 43 mit dem Stab 44 verbunden ist
usw.
Der Block wird dann in einem Vakuumofen in der Nähe eines Schiffchens angeordnet, welches reines
Gold enthält, und nach dem Evakuieren wird das Gold erhitzt, so daß Gold verdampft und einen Niederschlag
in den unbedeckten Bereichen auf den Enden des Blockes bildet. Auf diese Weise werden dünne
Gold-Brücken gebildet, um die erforderliche elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterstäben herzustellen,
welche die thermoelektrischen Schenkel des Blocks bilden. Überraschenderweise haben die auf diese Weise
direkt auf der Wismuttellurid-Legierung gebildeten dünnen Goldbrücken eine zufriedenstellende Adhäsion,
verursachen kein ernsthaftes Einbrennen des Wismuttellurids und reichen aus,den elektrischen Strom in einer
Einheit der kleinen Abmessung dieses Ausführungsbeispiel zu führen. Die maximale Größeneinheit, bei
welcher diese Technik der Bildung der elektrisch leitenden Brücken angewandt wird, kann als ein
maximaler Brückenstrom spezifiziert werden, und
dieser wird als in der Größenordnung von 0,1 Ampere liegend veranschlagt.
Es sei darauf hingewiesen, daß die notwendige genaue Lokalisierung der Brücken, die abhängig ist von der
Bildung der Maske, durch das genaue und gleichmäßige Beabstanden der thermoelektrischen Stäbe erleichtert
wird, welches durch die oben beschriebene Technik zur Herstellung des Blocks erzielt wird. Es sei außerdem
darauf hingewiesen, daß die Verbindung der elektrischen Adern mit den beiden Enden der Reihenschaltung
von Thermoelementen weitgehend durch die Technik des Befestigens der Nickelstreifen an der Seite des
Blocks und Herstellens einer Goldbrückenverbindung von diesen nach den End-Thermoelementen zur
gleichen Zeit, wie die anderen leitenden Brücken gebildet werden, vereinfacht wird.
Das zwischen benachbarte thermoelektrische Schenkel eingelegte Isoliermaterial braucht nicht unbedingt
Papier zu sein, sondern kann beispielsweise auch aus gewebtem Stoff oder gewebter Glasfaser bestehen. Für
bestimmte Anwendungsarten eignet sich eine Glasfritte.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1
Patentanspruch:
Patentanspruch:
Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Einheit, bei dem eine Vielzahl von Thermoelementschenkeln
mit elektrisch isolierendem Material zusammengebaut wird, welches zwischen benachbarten
Schenkeln eingelegt wird, und bei dem ein aushärtbares Bindemittel die Schenkel aneinander
befestigt, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierendes Material (28, 36) ein zellartiges
Material verwendet wird, daß vor dem Aushärten des Bindemittels und während das Bindemittel in der
Lage ist, plastisch zu fließen, ein Druck von solcher Größe zur Einwirkung gebracht wird, daß der
Abstand benachbarter Schenkel (41,42,43,44) durch
das zwischen ihnen eingelegte zellartige Material (28, 36) unter Vermeidung der Bildung von
Zwischenfilmen des Bindemittels bestimmt ist, und daß der Druck aufrechterhalten wird, bis das
Bindemittel unter Ausfüllung der Poren des zellartigen Materials (28,36) ausgehärtet ist
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