DE3314160A1

DE3314160A1 - Verfahren zur herstellung eines thermoelektrischen bauelements

Info

Publication number: DE3314160A1
Application number: DE19833314160
Authority: DE
Inventors: Der-Jeou 48077 Sterling Heights Mich. Chou; Tetsuo Dr.-Ing. Musashino Tokyo Maruyama
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc 48084 Troy Mich; Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: ECD ANR Energy Conversion Co
Priority date: 1982-04-29
Filing date: 1983-04-19
Publication date: 1983-11-03
Also published as: JPS58199578A; GB8311176D0; NL8301434A; FR2530870A1; IT8320730A0; IL68389A0; CA1199431A; AU1369283A; GB2120455A; US4468854A; GB2120455B; BE896529A

Description

Patentanwälte

DipL-Ing. Hans-Jörgen Müller DipL-Chem. Dr. Gerhard Sdiupfcer Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger

Lucile-Grahn-Str. 38 - D BOOO Mönchen 80

ANS-2-

33U160

Energy '"onversion Devices, Ine 16?S West Maple Road

Troy, Michigan 48084 U.S.A.

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EIWES THERMOELEKTRISCHEN BAUELEMENTS

■ I f

ι « 0 I Φ I

€ I I (
t t i

I I

33U160

- 9

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung thermoelektrischer

Bauelemente

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues und verbessertes
Verfahren sowie eine Einrichtung zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente, die zur Erzeugung von Elektrizität aus Wärme eingesetzt werden.

Man hat erkannt, daß der Weltvorrat an fossilen Brennstoffen zur Energieerzeugung immer schneller ausgebeutet wird. Diese Erkenntnis hat zu einer Energiekrise geführt, die nicht nur
die Weltwirtschaft trifft, sondern den Frieden und die
Stabilität in der Welt gefährdet. Dii Lösung der Energiekrise liegt in der Entwicklung neuer Brennstoffe und wirksamerer Verfahren zu deren Nutzung. Zu diesem Zweck betrifft
die vorliegende Erfindung die Energiekonservierung, die
Stromerzeugung, die Umweltverschmutzung sowie die Bereitstellung neuer Verfahren und Einrichtungen zur industriellen Herstellung thermoelektrischer Bauelemente, die mehr Elektrizität liefern.

Ein wesentlicher Teil dieser Lösung im Hinblick auf die
Entwicklung einer dauerhaften wirtschaftlichen Energieumsetzung liegt auf dein Gebiet der Thermoelektrik, wobei elektrische Energie <3urcn Wärme erzeugt wird. Man hat geschätzt,
daß mehr als 2/3 aller Energie z. B. von Kraftfahrzeug-Auspuffanlagen oder Kraftwerken verlorengeht und an die Umwelt
abgegeben wird. Bisher resultieren aus dieser Wärmebelastung noch keine schwerwiegender, klimatischen Auswirkungen. Es
wurde jedoch vorhergesagt, daß mit steigendem Energieverbrauch in der Welt die Auswirkung der Wärmebelastung

• »II

I I

lit it

- 10 -

schließlich zu einem teilweisen Abschmelzen der Polareiskappen mit einem daraus resultierenden Anstieg der Meereshöhe führen wird.

Der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Systems hängt zum Teil von den Leistungskennlinien des bzw. der darin vorgesehenen thermoelektrischen Bauelemente ab. Die Leistung eines thermoelektrischen Bauelements kann wiederum in Form einer Güteklasse Z für das die Bauelemente bildende Material ausgedrückt werden, wobei Z wie folgt definiert ist:

I -

mit Z =

S =

K =

6 =

Einheiten χ 10 ,

der Seebeck-Koeffizient in V/°C, die Wärmeleitfähigkeit in mW/cm- C und die elektrische Leitfähigkeit in (JTL-cm)

-1

Daraus ist ersichtlich, daß ein Werkstoff, um für die thermoelektrische Energieumwandlung geeignet zu sein, einen hohen Wert für durch den Seebeck-Koeffizienten S gegebene thermoelektrische Energie, eine hohe elektrische Leitfähigkeit ei" sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen muß. Ferner hat die Wärmeleitfähigkeit K zwei Komponenten, und zwar die Gitterkomponente K, und die elektrische Komponente K_e. Bei Nichtmetallen dominiert K₁, und diese Komponente bestimmt in der Hauptsache den Wert von K.

- 11 -

Anders ausgedrückt, ist ein Material dann zur thermoelektrischen Energieumwandlung wirksam, wenn Träger ohne weiteres von der warmen zur kalten Kontaktstelle diffundieren können, während das Temperaturgefälle erhalten bleibt. Somit ist zusammen mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu fordern.

In der Vergangenheit wurde die Umwandlung von thermoelektriecher Energie nicht in großem Umfang angewandt. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, daß bekannte thermoelektrische Materialien, wenn sie überhaupt für industriellen Einsatz geeignet sind, kristallines Gefüge haben. Kristalline Feststoffe können keine hohen elektrischen Leitfähigkeitswerte erreichen und gleichzeitig eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten. Insbesondere kann aufgrund der Kristallsymmetrie die Wärmeleitfähigkeit nicht durch Modifikation gesteuert werden.

Bei der Anwendung der konventionellen polykristallinen Materialien bleiben die Probleme von Einkristall-Materialien immer noch bestehen. Außerdem treten jedoch neue Probleme infolge der polykristallinen Korngrenzen auf, die relativ niedrige elektrische Leitfähigkeiten dieser Materialien bewirken. Ferner ist die Herstellung dieser Materialien •chwierig zu kontrollieren aufgrund ihrer komplexeren kristallinen Struktur. Die chemische Modifikation oder Dotierung dieser Materialien ist wegen der vorgenannten Probleme besonders schwierig.

Einige der bekanntesten derzeitigen polykristallinen thermoelektrischen Materialien sind (Bi,Sb),Te₃, PbTe und

if · # ·

33U160

12 -

Si-Ge. Die (Bi,Sb) -Te^-Materialien sind für Anwendtingszwecke im Bereich von -10 ⁰C bis +150 ⁰C am besten I geeignet, wobei die beste Güteklasse Z um ca. 30 ⁰C

I erhalten wird. (Bi,Sb)2Te₃ stellt ein kontinuierliches

_t festes Lösungssystem dar, wobei die relativen Bi- und

I Sb-Mengen zwischen 0 und 100 % betragen. Das Si-Ge-Material

j eignet sich am besten fur Hochtemperatur-Anwendungen im

I Bereich von 600-1000 ⁰C, wobei eine zufriedenstellende

,] Güteklasse Z oberhalb 700 C erhalten wird. Das polykri-

I stalline PbTe-Material hat seine beste Güteklasse im Bereich

I große Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in Verbindung mit

I Abwärme vorhanden ist, z. B. mit geothermischer Abwärme

I sowie Abwärme aus Brennkraftmaschinen, die z. B. in Last-

I kraftwagen, Omnibusse und Personenkraftwagen eingebaut sind.

I Anwendungsmoglichkeiten dieser Art sind deshalb wesentlich,

I weil es sich hier um echte Abwärme handelt. Wärme in den

\ höheren Temperaturbereichen muß gewollt mit anderen

i Brennstoffen erzeugt werden und ist daher keine echte

\ Abwärme.

I Es wurden bereits neue und verbesserte thermoelektrische

,ί Legierungen zur Verwendung in den vorgenannten Temperaturbe-

I reichen gefunden. Diese Materialien sind in der üS-Patentan-

I meldung Ser.-Nr. 341 864 vom 22. Jan. 1982 angegeben.

Die dort angegebenen thermoelektrischen Materialien können in den thermoelektrischen Bauelementen eingesetzt werden, die mit dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfin-nng hergestellt werden. Diese Materialien sind keine kristallinen Einphasenmaterialien, sondern stattdessen ungeordnete Materialien. Ferner handelt es sich um Mehrphasenmaterialien,

r * *
• at

c « * c

C *

- 13 -

die sowohl amorphe als auch eine Vielzahl kristalline Phasen haben. Materialien dieser Art sind gute Wärmeisolatoren. Sie weisen Korngrenzen verschiedener Übergangsphasen auf, deren Zusammensetzung von derjenigen von Matrixkristalliten bis zu derjenigen der verschiedenen Phasen in den Korngrenzbereichen reicht. Die Korngrenzen haben einen hohen Fehlordnungsgrad, wobei die Übergangsphasen Phasen hoher Wärmebeständigkeit umfassen, so daß sich ein hoher Wärmeleitwiderstand ergibt. Im Gegensatz zu konventionellen Materialien ist das Material so ausgelegt, daß die Korngrenzen Zonen mit darin vorhandenen leitfähigen Phasen definieren, so daß eine Vielzahl von elektrischen Leitungsbahnen durch die Masse des Materials vorhanden ist, wodurch die elektrische Leitfähigkeit gesteigert wird, ohne daß gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit wesentlichen beeinträchtigt wird. Kurz gesagt, haben diese Materialien sämtliche Vorteile polykristalliner Materialien bezüglich erwünscht niedriger Wärmeleitfähigkeiten und der Seebeck-Eigenschaften kristalliner Massen. Im Gegensatz zu den konventionellen polykristallinen Materialien weisen diese ungeordneten Mehrphasenmaterialien jedoch auch erwünscht hohe elektrische Leitfähigkeiten auf. Somit kann, wie in der vorher genannten US-Patentanmeldung angegeben, das S 6 -Produkt für die Güteklasse dieser Materialien unabhängig mit erwünscht niedrigen Wärmeleitfähigkeiten für die thermoelektrische Energieerzeugung maximiert werden.

Es wurden bereits amorphe Materialien, die den höchsten Fehlordnungsgrad aufweisen, für thermoelektrische Anwenäungszwecke hergestellt. Die Materialien und verfahren zu ihrer Herstellung sind in den US-PS'en 4 177 473, 4 177 474 und 4 178 415 angegeben. Die dort genannten Materialien

33U160

- 14 -

werden in einer festen amorphen Wirtsmatrix gebildet, deren Gefügekonfigurationen einen eher lokalen als weitreichenden Ordnungsgrad aufweist und deren elektronische Konfiguration so ist, daß sie einen Bandabstand und elektrische Aktivierungsenergie aufweist. Der amorphen Wirtsmatrix ist ein Modifikationsmaterial zugefügt, das Orbitale aufweist, die mit der amorphen Wirtmatrix sowie mit sich selbst in Wechselwirkung treten unter Bildung elektronischer Zustände im Bandabstand. Diese Wechselwirkung modifiziert die elektronischen Konfigurationen der amorphen Wirtsmatrix erheblich, so daß die Aktivierungsenergie beträchtlich verringert und infolgedessen die elektrische Leitfähigkeit des Materials erheblich gesteigert wird. Die resultierende elektrische Leitfähigkeit kann durch die Menge des der Wirtsmatrix zugefügten Modifikationsmaterials gesteuert werden. Die amorphe Wirtsmatrix ist normalerweise eigenleitend, und das Modifikationsmaterial ändert die Wirtsmatrix dahingehend, daß sie störstellenleitend wird.

Ferner ist dort angegeben, daß die amorphe Wirtsmatrix Elektronenpaare mit Orbitalen aufweisen kann, wobei die Orbitale des Modifikationsmaterials damit in Wechselwirkung treten unter Bildung der neuen elektronischen Zustände im Bandabstand. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Wirtsmatrix primär eine Vierflächenbindung aufweisen, wobei der Modifikator primär nichtsubstitutionell zugegeben wird und seine Orbitale mit der Wirtsmatrix in Wechselwirkung treten. Sowohl D- als auch F-Absorptionsbande-Materialien sowie Bor und Kohlenstoff, durch die sich Muitiorbitai-wöglichkeiten ergeben, können als Modifikatoren zur Bildung der neuen elektronischen Zustände im Bandabstand eingesetzt werden.

j · ■ >

33 U160

- 15 -

Als Folge der vorstehenden Vorgänge weisen diese amorphen thermoelektrischen Materialien eine wesentlich gesteigerte elektrische Leitfähigkeit auf. Da sie jedoch nach der Modifizierung amorph bleiben, behalten sie ihre niedrigen Wärmeleitfähigkeiten, so daß sie für thermoelektrische Anwendungszwecke insbesondere in Hochtemperaturbereichen oberhalb 400 ⁰C gut geeignet sind,

Diese Materialien werden aut einem atomischen oder mikroskopischen Niveau modifiziert, wobei ihre Atomkonfigurationen erheblich geändert werden zur Schaffung der vorher erwähnten unabhängig gesteigerten elektrischen Leitfähigkeiten. Im Gegensatz dazu sind die in der eingangs genannten US-Patentanmeldung angegebenen Materialien nicht atomisch modifiziert, sondern sie werden in einer Weise hergestellt, die in das Material eine Fehlordnung auf einem makroskopischen Niveau einfuhrt. Diese Unordnung ermöglich es, daß verschiedene Phasen einschließlich leitfähiger Phasen in das Material eingeführt werden können, und zwar in ähnlicher Weise wie bei der atomischen Modifikation in Materialien mit rein amorpher Phase, so daß eine kontrollierte hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten wird, während gleichzeitig die Fehlordnung in den anderen Phasen für eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sorgt. Daher liegen diese Materialien hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit zwischen den. amorphen und den regulären polykristallinen Materialien.

Ein thermoelektrisches Bauelement erzeugt Elektrizität durch ■* *"v Λ *·* c Ι-νί 1 /ΐιιηΛ

enthaltenen Materialien. Die thermoelektrischen Bauelemente umfassen normalerweise Elemente aus p- und aus n-leitendem

• · ft

- 16 -

Material. Bei dem p-leitenden Material treibt die Temperaturdifferenz positv geladene Träger von der warmen zur kalten Seite der Bauelemente, wogegen bei dem n-leitenden Material die Temperaturdifferenz negativ geladene Träger von der warmen zur kalten oeite der Bauelemente treibt.

Die thermoelektrische umwandlung von Energie ist bisher nicht in giTJßem Umfang angewandt worden, und zwar nicht nur wegen der materialbedingten Einschränkungen, se «dem auch wegen der durch die Bauelemente gegebenen Beschrankungen. Eine schwerwiegende Einschränkung, die sich durch solche Bauelemente ergibt, resultiert aus dem Einsatz relativ dicker Keramiksubstrate. Aufgrund ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten biegen oder verziehen sich die Substrate während der Fertigung und des Gebrauchs. Dies hat Wärmeübertrs^un^sverluste zwischen den Bauelementen "nd ihrem sii^s— ordneten Wärmetauscher zur Folge, da durch das Verziehen ein großflächiger Kontakt zwischen beiden nicht möglich ist. Ferner tragen die Substrate in Reihe mit den thermoelekt*-ifcchen Einzelelementen der Bauelemente einen erheblichen Wärmedurchlaßwiderstand bei, wodurch Wärmeübertragungsverluste noch erhöht werden.

Ec- wurde ein neu^s und veroessertes thermoelektrisches Bauelement entwickelt, das die vorgenannten Einschränkungen überwindet. Dieses Bauelement und ein Herstellungsverfahren dafür sind in der US-Patentanmeldung Seriül-Nr. 372 688 vom 28. April 1982 angegeben.

Wie dort angegeben ist, wird ein Durchwölben oder Verziehen des Bauelements während der Fertigung und des Gebrauchs

, »ti

ι ι
> I 4 1

33U160

- 17 -

desselben verhindert. Durch diesen Aufbau des Bauelements entfallt nicht nur die Notwendigkeit für die Keramiksubstrate, sondern es werden auch die Auswirkungen der Wärmeausdehnung der übrigen Bauelement-Komponenten dadurch minimiert, daß die doch erfolgende geringe Ausdehnung durch das gesamte Bauelement sowohl gleichmäßig verteilt als auch absorbiert wird. Somit kann ein großflächiger Kontakt zwichen dem Bauelement und einem Wärmetauscher beim Einsatz in einem thermoelektrischen System ohne weiteres unterhalten werden. Da das dort angegebene Bauelement ohne Keramiksubstrate auskommt, wird der Wärmedurchlaßwiderstand in Serie mit den Einzelelementen des Bauelements ebenfalls verringert, so daß eine größere Temperaturdifferenz an cen thermoelektrischen Einzelelementen anliegen kann, wodruch die erzielbare elektrische Ausgangsleistung bei einer bestimmten Gesamttemperaturdifferenz gesteigert werden kann.

Das Kosten-Nutzenverhältnis der thermoelektrischen Energieumwandlung und deren Akzeptanz durch den Markt wird ferner nicht durch hochwirksame thermoelektrische Werkstoffe und Bauelemente beeinflußt*, sondern auch durch die Fähigkeit, die Bauelemente in kostengünstiger Weise industriell herzustellen. Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur kostengünstigen Massenfertigung thermoelektrischer Bauelemente in großtechnischem Umfang angegeben.

Durch die Erfindung werden ein neues und verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente berei-gestellt. Die Einrichtung umfaßt Werkstückaufspannvorrichtungen (kurz: Aufspannvorrichtungen) zur Aufnahme und Halterung einer Mehrzahl ebener leitender

33U160

- 18 -

Streifen und einer Mehrzahl thermoelektrischer Einzelelemente in richtiger Ausrichtung während der Herstellung des Bauelements. Die Aufspannvorrichtungen sind so angeordnet, daß die ebenen leitenden Streifen in einem solchen Muster angeordnet werden, daß die thermoelektrischen Einzelelemente damit thermisch parallel und elektrisch in Reihe verbindbar sind. Die neue Einrichtung trägt dazu bei, die Produktionszeit und -kosten zu verringern, während gleichzeitig ein hochwirksames thermoelektrisches Bauelement hoher Güte zur Elektrizitätserzeugung geschaffen wird. Die neue Einrichtung bzw. das Verfahren sind ferner ohne weiteres für die Massenfertigung thermoelektrischer Bauelemente in großtechnischem Maßstab geeignet.

Die Einrichtung nach der Erfindung umfaßt drei Aufspannvorrichtungen und ein ü-förmiges Rahmenteil. Zwei Aufspannvorrichtungen umfassen vertiefte Abschnitte zur Aufnahme von Kupferplattensegmenten. Diese Aufspannvorrichtungen haltern die Kupferplattensegmente in dem vertieften Abschnitt aufgrund eines Unterdrucks, der durch die Aufspannvorrichtungen eine Seite der Kupferplattensegmente, die momentan nicht bearbeitet wird, beaufschlagt. Die beiden Aufspannvorrichtungen weisen nach unten vorstehende Lippen auf ca. 3/4 ihres ümfangs auf.

Die dritte Aufspannvorrichtung ist während eines Teils des Fertigungsprozesses als Zusatz zu der ersten Aufspannvorrichtung vorgesehen. Die dritte Aufspannvorrichtung dient zum Halten der thermoelektrischen Einzelelemente in ihrer richtigen Lage während ihrer Verbindung mit den Kupferplattensegmenten in der ersten Aufspannvorrichtung, ζ. Β. durch

f Il ItC «···#*

ItI I ··· ·· ·

lit · · ·

- 19 -

Löten. Die einander ergänzende Anordnung der ersten und der dritten Aufspannvorrichtung wird erreicht durch Flansche an einem Teil des Umfangs der dritten Aufspannvorrichtung, die mit den nach unten vorspringenden Lippen der ersten Aufspannvorrichtung in Eingriff treten. Durch diese Anordnung werden die Elemente in bezug auf die Kupferplattensegmente der ersten Aufspannvorrichtung während des Lötvorgangs ausgerichtet. Wenn die thermoelektrischen Einzelelemente mit den Segmenten der ersten Aufspannvorrichtung verJötet sind, wird die dritte Aufspannvorrichtung entfernt.

Die erste und die zweite Aufspannvorrichtung sowie der ü-förmige Rahmenteil werden dann in richtiger Überdeckung zusammengefügt, um die Kopplung der Einzelelemente mit den Kupferplattensegmenten der zweiten Aufspannvorrichtung zu erleichtern. Die nach unten vorstehenden Lippen jeder der beiden Aufspannvorrichtungen stehen in einander jeweils ergänzender Anordnung mit dem U-förmigen Rahmenteil, wenn dieses sich zwischen beiden befindet. Der ü-förmige Rahmenteil dient der Ausrichtung einer Aufspannvorrichtung relativ zue anderen, so daß die freien Flächen der Kupferplattensegmente derart voneinander beabstandet sind, daß die thermoelektrischen Einzelelemente zwischen ihnen angeordnet sind. Die Kupferplattensegmente der zweiten Aufspannvorrichtung werden dann mit den thermoelektrischen Einzelelementen verlötet. Die beiden Aufspannvorrxchtungen und der ü-förmige Rahmenteil sind so angeordnet, daß die Kupferplattensegmente in einem solchen Muster vorgesehen sind, daß die thermoelektrischen Einzelelemente elektrisch in Reihe und thermisch parallel miteinander verbindbar sind.

" ·· ■' " " 33U160

- 20 -

Nach Beendigung des Lötvorgangs wird eine Keramikvergußmasse um die Segmente und Einzelelemente eingebracht. Dieser Vorgang wird durch die ordnungsgemäß ausgerichteten beiden Aufspannvorrichtungen und den ü-förmigen Rahmenteil erleichtert, die die Segmente und Elemente rahmenartig umschließen, so daß die Einführung der Masse möglich ist. Eine der beiden Aufspannvorrichtungen ist langer als die andere und als der U-förmige Rahmenteil, so daß ein Segmentpaar sich teilweise übf»r den Rahmen hinaus erstreckt. Durch diese Konfiguration werden elektrische Kontakte zum Anschluß des thermoelektrischen Bauelements gebildet. Nachdem die Vergußmasse trocken ist, ist das Bauelement fertiggestellt.

Die vorstehend angegebene Einrichtung kann zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente gemäß dem Verfahren nach der Erfindung eingesetzt werden. Bei dem Verfahren wird zuerst eine Mehrzahl Kupferplattensegmente in jede der beiden Aufspannvorrichtungen eingesetzt. Die freie Fläche jedes Kupferplattensegments wird dann mit einem Isolierstoff beschichtet, getrocknet und gebrannt. Die Kupferplattensegmente werden dann in den Aufspannvorrichtungen umgedreht, so daß die entgegengesetzten, unbeschichteten Seiten der Segmente freiliegen. Die nicht mit dem Isolierstoff beschichteten Flächen der Kupferplattensegmente werden dann mit Lötpaste beschichtet und getrocknet. Die Segmente in der einen Aufspannvorrichtung werden mit einer Lötpaste beschichtet, die bei höherer Temperatur schmilzt als die auf die Segmente in der anderen Aufspannvorrichtung aufgebrachte Lötpaste.

Eine dritte Aufspannvorrichtung wird in Deckung mit der ersten Aufspannvorrichtung gebracht, die die Kupferplatten-

33141

- 21 -

segiaente enthält, die mit der bei höherer Temperatur wieder schmelzbaren Lötpaste versehen sind. Die Elemente werden in die dritte Aufspannvorrichtung eingebracht und mit den Segmenten der ersten Aufspannvorrichtung gekoppelt, indem das höherschmelzende Lot zum Schmelzen gebracht wird. Die dritte Aufspannvorrichtung wird entfernt, so daß die mit den Kupferplattensegmenten der ersten Aufspannvorrichtung gekoppelten Elemente verbleiben.

Die beiden Aufspannvorrichtungen und der ü-förmige Rahmenteil werden dann richtig ausgerichtet zusammengefügt, um die thermoelektrischen Elemente relativ zu den Segmenten zu positionieren, die mit dem niedrigerschmelzenden Lot beschichtet sind. Das niedrigerschmelzende Lot wird erneut zum Schmelzen gebracht und verbindet die Elemente mit den Kupferplattensegisenten der ersten Aufspannvorrichtung* Das Ausrichten der beiden Aufspannvorrichtungen durch den ü—förmigen Rahmenteil ergibt ein fcuster, durch das die Kupferplattensegmente die thermoelektrischen Elemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe verbinden.

Nachdem die thermoelektrischen Elemente mit den Segmenten in der zweiten Aufspannvorrichtung gekoppelt sind, wird zwischen die Segmente und um die Elemente eine Keramikvergußmasse gespritzt. Das Einspritzen der Keramikvergußmasse wird durch den ü-förmigen Rahmenteil erleichtert, der zusammen mit den beiden Aufspannvorrichtungen einen dreiseitigen umschließenden Rahmen um die Elemente und die Segmente bildet. Dann wird die Keramikvergußmasse getrocknet. Die beiden Aufspannvorrichtungen und der ü-förmige Rahmenteil werden abgenommen, und das fertige thermoelektrische Bauelement ist zum Einsatz für die Erzeugung von Elektrizität aufgrund einer daran angelegten Temperaturdifferenz bereit*

33U160

- 22 -

Eine Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung eines thermoelektrischen Bauelements ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen erster und zweiter Sätze von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen, Bereitstellen von wenigstens zwei thermoelektrischen Einzelelementen, Anordnen der ersten und zweiten Sätze leitender Streifen in einem Muster und Verbringen der Einzelelemente zwischen die ersten und zweiten Sätze leitender Streifen, so daß die Elemente elektrisch in Reihe und thermisch parallel gekoppelt werden, Festlegen der Elemente an den Streifen, und Einspritzen eines Isoliermateriais zwischen die Elemente und die Streifen.

Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung eines thermoelektrischen Bauelements ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrens-schritte % Bereitstellen von wenigstens zwei Aufspannvorrichtungen, Bereitstellen einer Mehrzahl von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen, Verbringen der Mehrzahl von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen in jede der beiden Aufspannvorrichtungen, Beschichten der freien Oberfläche jedes leitenden Streifens mit einem Isoliermaterial, Umdrehen der Streifen in den Aufspannvorrichtungen zum Freilegen einer zu der beschichteten Oberfläche parallelen Oberfläche, Beschichten der parallelen Oberfläche mit einer Lötpaste, Bereitstellen einer Mehrzahl thermoelektrischer Einzelelemente, Ausrichten der Aufspannvorrichtungen übereinander und Verbringen der Einzelelemente zwischen die mit Lötpaste beschichten Oberflächen, Festlegen der Einzelelemente an den leitenden Streifen, und Einspritzen eines zweiten Isoliermaterials zwischen die Elemente und die Aufspannvorrichtungen.

33H160

- 23 -

Die Einrichtung nach der Erfindung zur Herstellung eines thermoelektrischen Bauelements ist gekennzeichnet durch Aufspaniworrichtungen, die eine Mehrzahl von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen aufnehmen, wobei die Aufspannvorrichtungen Mittel zum Halten der Streifen in ihrer Lage während der Verarbeitung aufweisen, die Aufspannvorrichtungen ferner eine Mehrzahl thermoelektrische Einzelelemente aufnehmen, und die Aufspannvorrichtungen so angeordnet sind, daß sie die leitenden Stre. en in einem solchen Muster anordnen, daß die thermoelektrischen Einzelelemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe gekoppelt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläut-ert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines thermoelektrischen Bauelements, das mit der Einrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung herstellbar ist;

Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf eine erste Aufspannvorrichtung der Einrichtung zur Aufnahme eines ersten Satzes Kupferplattensegmente in einein vorbestimmten Muster;

Fig. 3 eine Schnittansicht 3-3 nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht von oben auf eine zweite Aufspannvorrichtung der Einrichtung zur Aufnahme eines zweiten Satzes Kupferplattensegmente in einem vorbestimmten Muster;

Fig. 5 eine Schnittansicht 5-5 nach Fig. 4;

Fig. 6 eine Draufsicht von oben auf eine dritte Aufspannvorrichtung der Einrichtung zur Aufnahme

33H160

- 24 -

thermoelektrischer Einzelelemente in einem vorbestimmten Muster;

Fig. 7 eine Schnittansicht 7-7 nach Fig. 6;

Fig. 8 eine Sxplosionsansicht, die die Ausrichtung der ersten >αιΔ der zweiten Aufspannvorrichtung sowie eines U-förmigen Rahmenteils der Einrichtung ze^Tjt; und

Fig. 9 eine Seitenansicht der ersten und zweiten

Aufspannvorrichtung sowie des U-förmiger Rahmenteils, die in richtiger Überdeckung zusammengefügt sind.

Fig. 1 zeigt ein substratloses thermoelektrisches Bauelement 10 gemäß der genannten US-Patentanmeldung Serial-Nr. 372 688. Das Bauelement 10 erzeugt Elektrizität durch die Ausbildung einer Temperaturdifferenz daran. Die Temperaturdifferenz treibt einen Kraftfluß durch p- und n-leitende thermoelektrische Einzelelemente 12 und 14. Bei dem n-leitenden Einzelelement 14 treibt die Temperaturdifferenz negative Ladungsträger von der heißen zur kalten Seite. Bei dem p-leitenden Element 12 treibt die Temperaturdifferenz positive Ladungsträger von der heißen zur kalten Seite. Durch diese Bewegung der positiven und negativen Ladungsträger wird Elektrizität erzeugt.

Die p- und die η-leitenden thermoelektrischen Einzelelemente 12 und 14 sind in gleicher Anzahl und abwechselnd aufeinanderfolgend vorgesehen. Eine repräsentative Zusammensetzung der p-leitenden Einzelelemente 12 enthält ca. 10-20 % Wismut, ca. 20-30 % Antimon, ca. 60 % Tellur und weniger als

ff f I

- 25 -

1 % Silber. Dieses Material und weitere Materialien, aus
denen die p-leitenden Elemente herstellbar sind, sind in der
genannten US-Patentanmeldung Serial-Nr. 341 864 angegeben.
Die η-leitenden Elemente können ca, 40 % Wismut, ca. 54 %
Tellur und ca. 6 % Selen aufweisen.

Nach Fig. 1 sind die p- und die η-leitenden Elemente 12 und j

14 des substratlosen thermoelektrischen Bauelements 10 ^:

thermisch an Innenflächen von voneinander beabstandeten i ersten und zweiten Sätzen von Kupferplattensegmenten 22 und

18 befestigt. Die Innenflächen der Kupferplattensegmente 18 i

und 22 sind mit Lot 16 und 24 versehen, so daß die Elemente !

12 und 14 thermisch und elektrisch mit den Kupferplattenseg- :

menten 18 und 22 verbindbar sind. Die Kupferpl^ttensegraente ^j 18 und 22 definieren ein Leitermuster zum elektrischen

Reihenschalten und thermischen Parallelschalten der Einzel- j elemente 12 und 14.

Eine Keramikvergußmasse 30 {ζ. B. Aremco 554 od. dgl.) füllt ί die Leerräume zwischen den Elementen 12 und 14 und den <

Kupferplattensegmenten 19 und 22 aus. Die Keramikvergußmasse \ 30 hat hohen spezifischen Widerstand und hohe Wärmebestän- | digkeit, so daß sie die Elemente isoliert und vor Verschmut- % zung schützt. Ferner absorbiert die Vergußmasse 30 eine |

Wärmeausdehnung d^as Bauelements während des Betriebs. Die S Kupferplattensegmente 18 und 22 tragen ebenfalls einen
Keramikuickfilm 20 (z. B. ESL M4906 von Electro-Science
Laboratories, Inc., od. dgl.) auf den Außenflächen der
Segmente T8 und 22 entgegengesetzt zu den Lotpästen 16 und
24. Der Keramikdickfilm 20 hat hohen spezifischen Widerstand, so daß er die Kupferplattensegmente 18 und 22 elek-

«tit til·*·

·»· Ci ·

33U160

trisch gegenüber einem Wärmetauscher, mit dem zusammen sie verwendet werden, isoliert, und hat ferner eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um die Temperaturdifferenz durch die Elemente f 12 und 14 zu maximieren. Der Keramikdickfilm 20 hat somit & eine zweifache Funktion, nämlich die elektrische Isolierung | des thermoelektrischen Bauelements 10 und die thermische Kopplung des Bauelements 10 mit einem Wärmetauscher in einem thermoelektrischen System zur Elektrizitätserzeugung.

Das thermoelektrische Bauelement 10 wird gemäß dem neuen Verfahren hergestellt, indem relativ dünne und im wesentlichen ebene erste und zweite Sätze von Kupferplattensegmenten 18 und 22 bereitgestellt werden. Die Dicke der Kupferplattensegmente 18 und 22 beträgt ca. 0,508 mm.

Eine Dickfilm-Keramikpaste 20 wird durch Siebdrucken auf die entgegengesetzte Seite jedes Kupferplattensegments aufgebracht. Die Dickfilm-Keramikpaste 20 ist ein guter elektrischer Isolator und ein guter Wärmeleiter (sie kann z. B. ESL M4906 od. dgl. sein). Die Dickfilm-Keramik wird für 15 min bei 125 ⁰C getrocknet und dann für 30 min bei 900 ⁰C gebrannt. Nach dem Brennen des Dickfilms werden Lötpasten 16 und 24 durch Siebdrucken auf Kupferplattensegmente 18 und 22 aufgebracht. Die Kupferplattensegmente mit der darauf befindlichen Lötpaste werden dann während 15 min bei ca. 120 ⁰C getrocknet.

Die beiden Sätze von Kupferplattensegmenten werden in einem solchen Muster angeordnet, daß die mit Lötpaste beschichteten Oberflächen des ersten und des zweiten Satzes voneinander beabstandet sind. Die Kupferplattensegmente jedes Satzes

33H160

- 27 -

werden dann relativ zueinander in einem solchen Muster angeordnet, daß zwischen ihnen befindliche thermoelektrische Einzelelemente elektrisch in Reihe gekoppelt werden.

Die p- und die η-leitenden Elemente 12 und 14 werden in gleicher Anzahl und abwechselnd aufeinanderfolgend mit den Kupferplattensegmenten 22 durch erneutes Schmelzen der Lötpaste 24 in Anwesenheit einer reduzierenden Atmosphäre, z. B. Stickstoff, bei ca. 350 ⁰C verbunden. Die p- und die η-leitenden Elemente 12 und 14 mit den darauf befindlichen Kupferplattensegmenten 22 werden dann auf die Kupferplatteneegmente 18 so aufgebracht, daß die Lötpaste 16 die Elemente kontaktiert. Die Lötpaste 16 wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von ca. 300 ⁰C oder niedriger erneut zum Schmelzen gebracht, so daß die Elemente 12 und 14 mit den Kupferplattensegmenten 18 verbunden werden.

Die Lötpaste 16 ist so gewählt, daß sie bei niedrigerer Temperatur als die Lötpaste 24 schmilzt. Dadurch wird das lusammenfügen der Kupferplattensegmente 18 und 22 mit den thermoelektrischen Einzelelementen 12 und 14 ohne Schmelzen des bereits vorher zum Schmelzen gebrachten Lots 24 erleichtert.

Die Keramikvergußmasse 30 wird dann in den Raum zwischen den Kupferplattensegmenten 18 und 22 und den Elementen 12 und 14 injiziert. Sie hat hohe Wärmebeständigkeit und hohen spezifischen Widerstand (es handelt sich z. B. um Äremco 554 od. dgl.). Die Keramikvergußmasse 30 wird während 24 h bei 90 C getrocknet. Sie absorbiert eine während des Betriebs

I«* * · t I I I I I

33H160

- 28 -

I des Bauelements auftretende Wärmeausdehnung, so daß ein

I großflächiger Kontakt zwischen den Elementen und den Segmen-

* ten erhalten bleibt. Ferner schützt die Vergußmasse 30 die

\ Elemente 12 und 14 gegenüber der Umwelt sowie vor einer

eventuellen Verschmutzung.

y Die Einrichtung für die Durchführung des Herstellungsverfahrens ist in den Fig. 2-9 dargestellt. Sie umfaßt drei

» Aufspannvorrichtungen 32, 34 und 36 sowie einen U-förmigen

Ί Rahmenteil 37. Nach den Fig. 2 und 3 dient die Aufspannvor-

I richtung der Aufnahme eines Satzes von Kupferplattensegmen-

I ten in Vertiefungen 38. Die Vertiefungen 38 sind der Größe

I der Kupferplattensegmente angenähert und halten diese

I während der Bearbeitung in ihrer richtigen Lage. Die Segmen-

I te werden an einer Verschiebung in den Vertiefungen dadurch

gehindert, daß die Seiten der Segmente, die keiner Verarbei- » tung unterliegen, mit Unterdruck beaufschlagt werden. Der

Unterdruck wird an jedes Segment in jeder Vertiefung 38 durch Leitungen 40 angelegt. Die Leitungen 40 verbinden jede i Vertiefung 38 mit einem Unterdruckverteiler 42, der das

Anlegen eines Unterdrucks an die Aufspannvorrichtung 32 erleichtert. Die Aufspannvorrichtung 32 umfaßt ferner eine etwa 3/4 ihres Umfangsrandes umgebende vorspringende Lippt bzw. Schulter 50.

Nach den Fig. 4 und 5 dient die Aufspannvorrichtung 34 ebenfalls der Aufnahme eines Satzes von Kupferplattensegmenten in Vertiefungen 43. Die Segmente werden in ihrer Laae

I durch Beaufschlagung der keiner Verarbeitung unterliegenden

I Segmentseite mit Unterdruck durch Leitungen 44 gehalten,

I wobei die Leitungen die Vertiefungen 43 mit einem Unter-

- 29 -

druckverteiler 46 verbinden. Die Aufspannvorrichtung 34 weist ebenfalls eine etwa 3/4 ihres ümfangsrands umgebende vorstehende Lippe bzw- Schulter 48 auf.

Die Aufspannvorrichtung 32 ist etwas langer als die Aufspannvorrichtung 34 und der ü-förmige Rahmenteil 37. Wenn somit die Aufspannvorrichtungen 32 und 34 mit dem ü-förmigen Rahmenteil 37 richtig ausgerichtet sind, befinden sich zwei Vertiefungen 38 der Aufspannvorrichtung 32 nicht innerhalb des dadurch gebildeten Hohlraums. Dadurch können zwei Kupferplattensegmente aus der den Hohlraum ausfüllenden Keramikvergußmasse vorspringen und dienen als elektrische Kontakte zum Anschließen des thermoelektrischen Bauelements.

Die Einrichtung umfaßt ferner eine dritte Aufspannvorrichtung 36 gemäß den Fig* β und 7- Die dritte Aufspannvorrichtung 36 weist Ausschnitte oder Öffnungen 51 auf, die durchweg in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind. Es ist eine gerade Anzahl Ausschnitte 51 im Abstand voneinander über die gesamte Aufspannvorrichtung 36 vorgesehen. Die Ausschnitte dienen der Aufnahme und Halterung der gleichen Anzahl abwechselnd aufeinanderfolgender p- und n-leitender Einzelelemente in ihrer Lage während ihrer Verbindung irit einem Satz Kupferplattensegmente. Die dritte Aufspannvorrichtung 36 umfaßt ferner einen Flansch 52, der sich um einen Teil ihres ümfangs erstreckt. Der Flansch 52 wirkt mit jeder der vorstehenden Lippen oder Schultern 48 oder 50 zusammen, so daß die richtige Orientierung der thermoelektrischen Elemente relativ zu den Kupferplattensegmenten während der Verbindung der Elemente mit einem Segmentsatz erhalten wird.

- 30 -

Die Lippe 48 der Aufspannvorrichtung 34 dient dem Zusammenwirken mit dem U-förmigen Rahmenteil 37, das wiederum mit der vorstehenden Lippe der Aufspannvorrichtung 32 zusammenwirkt. Beide vorstehenden Lippen 4 8 und 50 bewirken eine ordnungsgemäße überdeckung oder Ausrichtung der Aufspannvorrichtungen 32 und 34, wenn diese mit dem U-förmigen Rahmenteil 37 zwischen sich zusammengesetzt werden, so daß die Kupferplattensegmente voneinander beabstandet angeordnet sind. Die vorstehenden Lippen 48, 50 und der ü-förmige Rahmenteil 37 sorgen ferner für die richtige Ausrichtung der Elemente mit den Kupferplattensegmenten zur Kopplung der thermoelektrischen Einzelelemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe miteinander. Schließlich haben die vorstehenden Lippen 48 und 50 zusammen mit dem U-förmigen Rahmenteil 37 die Funktion, gemeinsam einen Hohlr?jm um die Segmente und Einzelelemente zu bilden, um dadurch das Einspritzen einer Keramikvergußmasse zwischen diese zu vereinfachen.

Wie aus den Fig. 8 und 9 hervorgeht, ist die angegebene Einrichtung ohne weiteres mit dem angegebenen Verfahren einsetzbar. Kupferplattensegmente 22 werden in den Vertiefungen 38 der Aufspannvorrichtung 32 aufgenommen,? und Kupferplattensegmente 18 werden in Vertiefungen 43 der Aufspannvorrichtung 34 aufgenommen. An jede Aufspannvorrichtung wird durch die jeweiligen Unterdruckverteiler 42, und die Leitungen 40 und 44 ein Unterdruck angelegt, so daß die Segmente 18 und 22 während der Verarbeitung in ihrer Lage gehalten werden. Das Isoliermaterial 20 wird auf die dem Verarbeitungsvorgang ausgesetzte Seite der Segmente durch Siebdrucken aufgebracht, während ca. 15 min bei ca.

- 31 -

125 °C getrocknet und dann während ca. 3C min bei ca. 900 ⁰C gebrannt. Dann hört die ünterdruckbeaufschlagung auf, so daß die Segmente umgedreht werden können und die zu dem Isoliermaterial entgegengesetzte Segmentoberfläche für die weitere Verarbeitung freiliegt. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, daß die Aufspannvorrichtung mit den darin enthaltenen Segmenten auf eine gleiche Aufspannvorrichtung gelegt und der unterdruck weggenommen wird, so daß die Segmente so in die Vertief ''gen der gleich ausgebildeten Aufspannvorrichtung fallen, daß ihre nichtverarbeiteten Seiten freiliegen.

Dann wird an die Segmente ein unterdruck angelegt, und die freien Flächen der Segmente 22 und 18 werden durch Siebdrukken H'it Lötpasten 24 bzw. 16 bedruckt und während ca. 15 min bei ca. 120 ⁰C getrocknet. Die Lötpaste 24 hat eine höhere Rückschmelztemperatur als die Lötpaste 16, so daß die Kopplung der thermoelektrischen elemente 12 und 14 mit den Segmenten 22 und 18 vereinfacht wird.

Die Aufspannvorrichtung 36 wird dann in richtiger Ausrichtung über die Aufspannvorrichtung 32 bewegt. Die richtige Ausrichtung ergibt sich automatisch durch dan Flansch 52 der Aufspannvorrichtung 36, der mit der vorstehenden Lippe 50 der Aufspannvorrichtung 32 zusammenwirkt. Die p- und n-leitenden thermoelektrischen Einzelelemente werden in die Ausschnitte 51 der Aufspannvorrichtung 36 in gleicher Anzahl und durchweg abwechselnd aufeinanderfolgend eingesetzt. Die Elemente werden mit den Segmenten 22 in der Aufspannvorrichtung 32 gekoppelt, indem die Lötpaste 24 in einer reduzierenden Atmosphäre von ca. 350 ⁰C zum Schmelzen gebracht

• * r ι

33H160

- 32 -

wird. Nach dam Verbinden der Elemente mit den Segmenten 22 wird die Aufspannvorrichtung 36 entfernt.

Die Aufspannvorrichtung 32 mit den mit den Segmenten 22 verbundenen Einselej.^r-snten wird in richtige Ausrichtung mit der Aufspannvorrichtung 34 gebracht, wobei sich zwischen beiden der ü-fc-i.mige Rahmenteil 37 befindet. Die richtige Ausrichtung ergibt sich automatisch durch die vorstehenden Lippen 48 und 50 der Aufspannvorrichtungen 32 und 34, die mit dem ü-förmigen Rahmenteil 37 zusammenwirken. Durch diese Anordnung werden die Einzelelemente so mit den Segmenten verbunden, daß die Elemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe verbunden werden. Die Elemente werden dann mit den Segmenten 18 verbunden, indem die Lötpaste 16 in einer reduzierenden Atmosphäre von ca. 300 ⁰C zum Schmelzen gebracht wird.

Nach dem Koppeln der Elemente mit den Segmenten wird, während die Aufspannvorrichtungen 32, 34 und der ü-förmige Rahmenteil 37 noch miteinander ausgerichtet sind, eine Keramikvergußmasse 30 zwischen die Elemente und Segmente injiziert. Die Aufspannvorrichtungen 32, 34 und der ü-förmige Rahmenteil 37 erleichtern den Injektionsvorgang durch Bildung eines Hohlraums um die Elemente und Segmente. Nachdem die Vergußmasse 30 während 24 h bei 90 ⁰C getrocknet wurde, werden die Aufspannvorrichtungen 32, 34 und der ü-förrnige Rahmenteil 37 gelöst, so daß das fertige thermoelektrische Bauelement 10 entnommen werden kann.

Durch die Einricntung und das verfahren nach der Erfindung werden die Produktionszeit und -kosten für die Herstellung

¹ "' "' ' '"""' 33U160

33 -

thermoelektrischer Bauelemente verringert. Ferner ist die Erfindung ohne weiteres für die automatische Hochgeschwindigkeits-Mässenfertigüng thermoelektrischer Bauelemente in großtechnischem Umfang geeignet.

Claims

·· ■■■ ··

·■■·· it··-.. · ■

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen

Bauelements,

gekennzeichnet uurch folgende Verfahrensschritte:

Bereitsteilen erster und zweiter Sätze von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen; Bereitstellen von wenigstens zwei thermoelektrischen Einzelelementen;

- Anordnen der ersten und zweiten Sätze leitender Streifen in einem Muster und Verbringen der Einzelelemente zwischen die ersten und zweiten Sätze leitender Streifen, so daß die Elemente elektrisch in Reihe und thermisch parallel gekoppelt werden;

- Festlegen der Elemente an den Streifen; und

- Einspritzen eifj.es Isoiiermaterials zwischen die Elemente und die Streifen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Streifen zuerst mit einem zweiten Isoliermaterial beschichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Isoliermaterial hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Isoliermaterial eine Dickfiimkeramik isfc.

• ■-· : ·-··..· 33H160

ρ 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4,

* dadurch gekennzeichnet,,

; daß das Isoliermaterial eine Keramikvergußmasse ist.

I 6. Verfahren nach er^aiu der Ansprüche 1-5,

Ij dadurch gekennzeichnet,

I daß zusätzlich die Innenflächen der leitenden Streifen durch

1 Siebdrücken "-it einer Lötpaste versehen werden, bevor die

I Einzelelemente zwischen den ersten und zweiten Sätzi.m

I leitender Streifen angeordnet werden.

I 7. Verfahren nach Anspruch 6,

I dadurch gekennzeichnet,

I daß die Einzelelemente durch Rückschmelzen des Lots an den

1 Streifen befestigt werden.

i 8· Verfahren nach Anspruch 7,

I dadurch gekennzeichnet,

1 daß das zum Befestigen der Einzelelemente an dem ersten ^atz

- von Streifen eingesetzte Lot eine höhere Rückschmeiztempera-

j tür als das zum Befestigen der Einzelelemente an dem zweiten

I Satz von Streifen eingesetzte Lot hat.

9. Verfahren nacii Anspruch 7,

,^; dadurch gekennzeichnet,

daß das Lot in einer reduzierenden Atmosphäre zum Rück-

I schmelzen gebracht wird.

\ 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9.

; dadurch gekennzeichnet,

I der erste und der zweite Satz Streifen während der Verarbei-

• β t I t t

33U160

tung durch Aufspannvorrichtungen in ihrer Lage gehalten werden.

11. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen ? Bauelements, 1

gekennzeichnet durch |

folgende Verfahrensschritte: §

- Bereitstellen von wenigstens zwei Aufspannvorrichtungen; I Bereitstellen einer Mehrzahl von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen; '■

- Verbringen der Mehrzahl von im wesentlichen ebenen

leitenden Streifen in jede der beiden Aufspannvorrichtun- „ gen;

- Beschichten der freien Oberflache jedes leitenden Streifens mit einem Isoliermaterial; \

- Umdrehen der Streifen in den Aufspannvorrichtungen zum · Freilegen einer zu der beschichteten Oberfläche paralle- \ len Oberfläche; f

- Beschichten der parallelen Oberfläche mit einer Lötpaste; | Bereitstellen einer Mehrzahl thermoelektrischer Einzel- |

elemente; I

- Ausrichten der Aufspannvorrichtungen übereinander und |

Verbringen der Einzelelemente zwischen die mit Lötpaste | beschichteten Oberflächen; Festlegen der Einzelelemente p

I an den leitenden Streifen; und If

- Einspritzen eines zweiten Isoliermaterials zwischen die |

ψ Elemente und die Aufspannvorrichtungen. p

12. Verfahren nach Anspruch 11, |

gekennzeichnet durch |

Vorsehen von Aufnahmen für die ebenen Streifen in den i

till* * · · « · 4 §

33U160

Aufspannvorrichtungen, so daß die leitenden Streifen mit einem solchen Muster aufgenommen und angeordnet werden, daß die thermoelektrischen Elemente thermisch parallel und elektrisch reihengekoppelt werden, wenn die Aufspannvorrichtungen miteinander ausgerichtet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Streifen mit Unterdruck beaufschlagt werden, so daß sie während der Verarbeitung in ihrer Lage gehalten sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckbeaufschlagung durch die Aufspannvorrichtung hindurch erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Streifen in der einen Aufspannvorrichtung aufgebrachte Lötpaste bei höherer Temperatur als die auf die Streifen in der anderen Aufspannvorrichtung aufgebrachte Lötpaste zum Rückschmelzen gebracht wird»

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspannvorrichtungen so gedreht werden, daß die Aufspannvorrichtung mit den Streifen, die die bei höherer Temperatur rückschmelzende Lötpaste aufweisen, unter der anderen Aufspannvorrichtung liegt.

ι > ^M «2

— 5 —

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das bei höherer Temperatur rückschmelzbare Lot in reduzierender Atmosphäre zum Rückschmelzen gebracht wird, um die thermoelektrischen Einzelelemente daran zu befestigen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspannvorrichtungen so gedreht werden, daß die Aufspannvorrichtung mit den Streifen, die die bei niedrigerer Temperatur rückschmelzende Lötpaste aufweisen, unter der anderen Aufspannvorrichtung liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das bei niedrigerer Temperatur rückschmelzbare Lot in reduzierender Atmosphäre zum Rückschmelzen gebracht wird, um die thermoelektrischen Einzelelemente daran zu befestigen.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer der beiden Aufspannvorrichtungen ein Ausrichtorgan in Ausrichtung vorgesehen wird, um die thermoelektrischen Einzelelemente während des Rückschmelzens des bei höherer Temperatur rückschmelsbaren Lots in ihrer Lage zu halten.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 11, 12, 14 oder 20, gekennzeichnet durch ein hohlrsumbiIdendes Organ zum Führen der beiden Aufspannvorrichtungen in Ausrichtung miteinander und zur Bildung

• » I I I f

33U160

6 -

eines Hohlraums um die leitenden Streifen und die thermoelektrischen Einzelelemente, wodurch das Einspritzen des zweiten Isoliermaterials erleichtert wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-21, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige elektrische Leitfähigkeit hat.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial eine Dickfilmkeramik ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-23, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Isoliermaterial eine Keramikvergußmasse ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-24, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Streifen aus Kupfer bestehen.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-25, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Isoliermaterials auf die leitenden Streifen durch Siebdrucken desselben auf die Streifen erfolgt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-26, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Lötpasten durch Siebdrucken derselben auf die leitenden Streifen erfolgt.

33U160

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-27,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Mehrzahl thermoelektrische Einzelelemente in jeweils gleicher Anzahl von n- und p-leitenden Elementen vorgesehen

wird.

29. Verfahren nach Anspruch 27 , dadurch gekennzeichnet,

daß die ρ- und die η-leitenden Elemente abwechselnd aufeinanderfolgend durch das Bauelement vorgesehen werden.

30. Einrichtung zur Herstellung eines thermoelektrischen

Bauelements,

gekennzeichnet durch

- Aufspannvorrichtungen (32, 34), die eine Mehrzahl von im wesentlichen ebenen leitenden Streifen (18, 22) aufnehmen;

- wobei die Aufspannvorrichtungen Mittel (42, 46) zum Halten der Streifen in ihrer Lage während der Verarbeitung aufweisen,

- die Aufspannvorrichtungen ferner eine Mehrzahl thermoelektrische Einzelelemente (12, 14) aufnehmen, und

- die Aufspannvorrichtungen so angeordnet sind, daß sie die leitenden Streifen in einem solchen Muster anordnen, daß die thermoelektrischen Einzelelemente thermisch parallel und elektrisch in Reihe gekoppelt werden.

1> on

dadurch gekennzeichnet,

daß die Haltemittel (42, 46) Leitungen zum Anlegen eines

33U160

Unterdrucks an die keiner Verarbeitung unterliegende Seite der leitenden Streifen (18, 22) aufweisen.

32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet,

daß zwei Aufspannvorrichtungen (32, 34) vorgesehen sind;

daß jede Aufspannvorrichtung Ausrichtorgane (48, 50) zum Ausrichten der einen Aufspannvorrichtung gegenüber der anderen aufweist, so daß voneinander beabstandete Flächen der leitenden Streifen (18, 22) vorgesehen sind.

33. Einrichtung nach Anspruch 32,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Aufspannvorrichtungen ferner eine Ausrich'-Aufspannvorrichtung (36) umfassen, die von einer der beiden Aufspannvorrichtungen (32, 34) beabstandet ist und die Einzelelemente während eines Teils des Verarbeitungsvorgangs haltert.

34. Einrichtung nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet,

<3aß die Ausricht—Auf spannvorrichtung* (36) einen mit den Ausrichtorganen (48, 50) einer der beiden Aufspannvorrichtungen (32, 34) zusammenwirkenden Flansch (52) aufweist, so daß die Einzelelemente in bezug auf die leitenden Streifen (18, 22) in Ausrichtung gehalten werden.

35. Einrichtung nach einem der Ansprüche 32-34, dadurch gekennzeichnet,

daß die Aufspannvorrichtungen (32, 34) ferner ein Hohlraum-

- 8a -

bildungsteil (37) zur Bildung eines Rahmens mn die leitenden Streifen (18, 22) und die thermoelefctrischen Einzelelemente (12, 14) umfassen, wodurch das Einspritzen eines Isoliermaterials (30) zwischen die Elemente und die Streifen vereinfacht wird, wenn die beiden Anfspannvorrichtungen mit dem Hohlraumbildungsteil zwischen sich voneinander im Abstand liegen*

36. Einrichtung nach Anspruch 35_r

dadurch gekennzeichnet,

daß das Hohlraumbildungsteil (37) mit den Ausrichtorganen (48, 50) zusammenwirkt zum Ausrichten der beiden voneinander beabstandeten Aufspannvorrichtungen (32, 34).

37. Einrichtung nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden miteinander ausgerichteten Aufspannvorrichtungen (32, 34) einen dreiseitigen Rahmen um die leitenden Streifen (18, 22) und die thermoelektrischen Einzelelemente (12, 14) zum Einspritzen eines Isoliermaterials (30) zwischen die Elemente und die Streifen bilden.

38. Einrichtung nach einem der Ansprüche 35-37, dadurch gekennzeichnet,

daß die eine Aufspannvorrichtung (32) langer als die andere Aufspannvorrichtung (34) und das Hohlraumbildungsteil (37) ist.