DE1137875B

DE1137875B - Thermoelementanordnung mit einem oder mehreren Thermoelementen

Info

Publication number: DE1137875B
Application number: DEN18926A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Pieter Brouwer; Johannes Van Der Wal
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1959-09-22
Filing date: 1960-09-19
Publication date: 1962-10-11

Description

Thermoelementanordnung mit einem oder mehreren Thermoelementen Die Erfindung bezieht sich auf eine Thermoelementanordnung mit einem oder mehreren Thermoelementen in elektrischer Reihenschaltung zum Messen von thermischer Strahlungsenergie, deren Heißkontaktstellen der Wärmestrahlung ausgesetzt sind deren Schenkel als dünne Schichten ausgebildet sind, die auf der einen Seite einer dünnen elektrischen isolierenden Schicht aufgetragen sind, und deren Kaltkontaktstellen mit auf der anderen Seite der Isolierschicht angeordneten Metallblöcken hoher Wärmekapazität in bestem thermischen Kontakt stehen. Ein Beispiel eines solchen Thermoelemetes ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht.
In diesen Fig., die einen Schnitt bzw. eine Draufsicht zeigen, ist vorausgesetzt, daß drei Thermoelemente in Reihe geschaltet sind, obgleich es zu bevorzugen ist, eine größere Anzahl in Reihe zu schalten. Die Thermoelemente sind streifenförmig ausgebildet, so daß es insgesamt sechs Streifen 1 bis 6 gibt, deren Längsseiten paarweise zusammen geschweißt sind. Die Streifen 1, 3 und 5 bestehen unter sich aus demselben Material, ebenso die Streifen 2, 4 und 6. Eine gute thermoelektrische Spannung kann erzielt werden, wenn die zuerst genannten Streifen aus Tellur und die anderen aus Vismutantimonid (SbBi) bestehen. Die thermische Leitfähigkeit solcher Materialien ist verhältnismäßig niedrig im Vergleich zu Metallen. Die Abmessungen der Körper sind in den Fig. 1 und 2 deutlichkeitshalber in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Stärke der Streifen kann etwa 1 und die Breite jedes Streifens etwa 1 mm betragen. Die Gesamtbreite und die Länge sind so gering, daß das Ganze bequem derart in ein Strahlungsbündel eingeführt werden kann, daß die gesamte Oberfläche gleichmäßig bestrahlt wird.
Die miteinander verschweißten Längsseiten zwischen den Streifen 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 sind die Heißkontaktstellen, welche direkt der Strahlung ausgesetzt sind. Die anderen Verbindungsbauten sind mittels der Körper 15 abgeschirmt, so daß sie nicht durch die Strahlung erwärmt werden. Die zu messende Spannung wird den Klemmen 7 und 8 entnommen. Auf der unteren Seite der Reihenschaltung der Thermoelemente befindet sich eine sehr dünne Schicht 9 aus elektrisch isolierendem Material, deren Stärke auch von der Größenordnung von 1 ist, und darunter befindet sich ein Körper 10 aus Metall, der eine große Wärmekapazität besitzt. Die Wärme der kalten Lötstellen läßt sich leicht nach dem Körper ableiten, die der warmen Lötstellen weniger leicht, da der Körper an der Stelle der warmen Lötstellen mit rinnenförmigen Versenkungen 11 versehen ist.
Die Ausbildung gemäß der Erfindung beschränkt sich nicht auf die geschilderte Bauart der Thermoelementkette; statt streifenförmiger, an den Rändern zusammengeschweißter Elemente können Elemente verwendet werden, die an den Enden zusammengeschweißt und z. B. zickzackartig auf einer flachen oder nicht flachen Unterlage angebracht sind.
Eine thermoelektrische Vorrichtung eingangs erwähnter Art eignet sich zur Anwendung in Vereinigung mit einer entsprechenden Aufzeichenvorrichtung zum Feststellen von Änderungen der Intensität der auffallenden Strahlung. Von den Abmessungen der Thermoelemente ist die Geschwindigkeit der Intensitätsänderung, die noch wiedergegeben werden kann, abhängig. Für bestimmte Anwendungen kann die Zeitkonstante noch zu hoch sein, während eine Verkürzung der Zeitkonstante durch Verringerung der Abmessungen der Metallstreifen bedenklich ist.
Die Erfindung bezweckt, die Vorrichtung derart zu verbessern, daß sie bei den gleichen Abmessungen dennoch auf eine schnellere Intensitätsänderung ansprechen kann.
Die Erfindung besteht darin, daß auf dem thermichen Pfade zwischen der bzw. den Heißkontaktstellen und den Metallblöcken auf der den Metallblöcken zugewandten Seite der Isolierschicht eine Metallschicht angeordnet ist, deren spezifische Wärmeleitfähigkeit die der Thermoelementschenkel übertrifft.
Dazu kann z. B. Aluminium oder ein anderes Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit mit einer Stärke von etwa 0,5 L benutzt werden. Dieses Metall kann durch Aufdampfen angebracht werden.
Die Zeitkonstante der thermoelektrischen Vorrichtung ist proportional der Wärmekapazität und umgekehrt proportional der Wärmeabfuhr der heißen Schweiß stelle. Es ergibt sich, daß bei richtiger Wahl des Metalls und bei angemessener Bemessung in der Vorrichtung nach der Erfindung die Wärmekapazität des bestrahlten Teiles jedes Thermoelementes verhältnismäßig weniger zunimmt als die Wärmeabfuhr.
Die Zeitkonstante nimmt somit ab. Es ist möglich, eine Kürzung der Zeitkonstante von etwa 30°/o zu erzielen.
Im allgemeinen wird eine geringe Wärmeleitfähigkeit der Schenkel des Thermoelementes angestrebt und auch bei der Erfindung ist es günstig, Elemente mit solchen Schenkeln zu verwenden. Wenn jedoch lediglich Schenkel mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet würden, wäre die Empfindlichkeit zu gering.
Es hat sich nun herausgestellt, daß die Maßnahme nach der Erfindung eine außerordentlich günstige Lösung ist. Durch die Metallschicht nimmt zwar die Wärmekapazität zu, aber diese Zunahme ist nur gering gegenüber der Zunahme der Wärmeableitung.
Dies ist wahrscheinlich dadurch zu erklären, daß die Isolierschicht einen verhältnismäßig großen Beitrag zu der Wärmekapazität liefert, gegenüber dem der Anteil der Metallschicht gering ist. Diese Isolierschicht wird ohnehin erforderlich sein, aber gerade die Wärme der Isolierschicht wird in erster Linie durch die Metallschicht abgeführt.
Die Erfindung wird an Hand der Fig. 3 und 4 näher erläutert, die Ausführungsbeispiele veranschaulichen.
Die gleichen Einzelteile sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, wie in den Fig. 1 und 2.
Die Vorrichtung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 und 2 darin, daß zwischen der Schicht aus Isoliermaterial 9 und dem Metallkörper 10 eine Schicht 12 aus gut wärmeleitendem Material insbesondere Metall angebracht ist. Diese Schicht kann durch Aufdampfen auf der Isolierschicht 9 angebracht werden. Die Wärmeabschirmkörper 15 sind ähnlich wie in Fig. 1, jedoch einfachheitshalber nicht dargestellt. Die Wärme der heißen Lötstelle wird hier nicht nur durch die Teile des Thermoelementes, sondern auch über die Isolierschicht durch die zugesetzte Metallschicht abgeführt.
Die Vorrichtung nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 3 dadurch, daß der Metallkörper 10 durch ein gitterförmiges Gebilde ersetzt ist, das aus Metallstäben 13 besteht, die an dem Ort der kalten Lötstellen angebracht sind. Das Aufdampfen der dünnen Metallschicht erfolgt, nachdem die Isolierschicht 9 mit oder ohne Thermoelement auf dem gitterförmigen Gebilde angebracht worden ist. Beim Aufdampfen des Metalls entstehen in diesem Falle nichtzusammenhängende Schichten 14, deren Teile zwischen den Gitterstäben die vorstehend geschilderte Wärmeableitungswirkung haben.

Claims

PATENTANSPRUCHE: 1. Thermoelementanordnung mit einem oder mehreren Thermoelementen in elektrischer Reihenschaltung zum Messen von thermischer Strahlungsenergie, deren Heißkontaktstellen der Wärmestrahlung ausgesetzt sind, deren Schenkel als dünne Schichten ausgebildet sind, die auf der einen Seite einer dünnen elektrisch isolierenden Schicht aufgetragen sind, und deren Kaltkontaktstellen mit auf der anderen Seite der Isolierschicht angeordneten Metallblöcken hoher Wärmekapazität in bestem thermischem Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem thermischen Pfade zwischen der bzw. den Heißkontaktstellen und den Metallblöcken auf der den Metallblöcken zugewandten Seite der Isolierschicht eine Metallschicht angeordnet ist, deren spezifische Wärmeleitfähigkeit die der Thermoelementschenkel übertrifft.
2. Thermoelement bzw. Reihenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblöcke hoher Wärmeleitfähigkeit durch eine Metallplatte beträchtlicher Dicke gebildet werden, die im Bereich der Heißkontaktstellen Aussparungen aufweist.
3. Thermoelement bzw. Reihenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel aus dünnen Streifen bestehen, deren Länge groß gegen ihre Breite und und deren Breite groß gegen ihre Dicke ist.
4. Thermoelement bzw. Reihenschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen in dem Metallblock rinnenförmig gestaltet sind.
5. Thermoelement bzw. Reihenschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblöcke aus Metallstäben von der Länge der Thermoelementschenkel bestehen.
6. Thermoelement bzw. Reihenschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht hoher Wärmeleitfähigkeit die den Metallblöcken zugewandte Seite der Isolierschicht vollständig bedeckt.
7. Thermoelement bzw. Reihenschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht hoher Wärmeleitfähigkeit die den Metallblöcken zugewandte Seite der Isolierschicht nur zwischen den Metallblöcken bedeckt.