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Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler mit wenigstens einem elektronischen Temperatursensor.
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Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit derartiger Temperaturfühler werden verschiedene Konstruktionen und Materialien eingesetzt. Zum Beispiel werden Temperaturfühler sehr schlank gestaltet, ihre Wandung sehr dünn gehalten oder Mikrostrukturen auf ihrer Oberfläche aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich werden zur Verbesserung der inneren Wärmeleitungseigenschaften beispielsweise Wärmeleitpasten oder keramische Füllpulver verwendet.
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In der
DE 603 10 302 T2 wird ein Schutzrohr für ein Thermoelement beschrieben, welches einen zylinderförmigen Körper mit einem geschlossenen Ende aus pyrolytischem Bornitrid aufweist und der mit einer Beschichtungsschicht aus Kohlenstoff enthaltenem pyrolytischem Bornitrid umgeben ist, wobei die Sensorleitungen in eine Magnesiumoxidschicht eingebettet sind, welche sich zwischen den Sensorleitungen und dem zylinderförmigen Körper befindet.
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Aus der
DE 38 77 892 T2 ist ein Behälter für geschmolzenes Metall bekannt, bei dem eine Schutzklappe verwendet wird, die über ein Thermoelement angeordnet ist und die aus Bornitrid-Keramikmaterial besteht.
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Die
DE 31 48 993 A1 offenbart eine Anordnung mit einem äußeren Rohr aus Bornitrid, einem inneren Rohr aus Keramik und Thermoelementleitungen, die mit Aluminiumoxidröhren versehen sind.
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In der
DE 38 38 121 A1 ist ein Temperatursensor beschrieben, bei dem ein temperatursensitives Element von einer Wärmeleitpaste umgeben ist, welche aus Siliconöl als Bindemittel und aus Bornitrid besteht.
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In der
DE 10 2007 032 694 A1 ist eine Schutzhülle für ein Thermoelement offenbart, durch die das Thermoelement eingeführt werden kann, wobei die Schutzhülle einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere hinsichtlich der Ansprechempfindlichkeit und -geschwindigkeit verbesserten Temperaturfühler anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Temperaturfühler weist wenigstens einen elektronischen Temperatursensor auf, der elektrisch an Sensorleitungen angeschlossen ist und in ein keramisches Wärmeleitmaterial eingebettet ist, welches kubisch oder hexagonal kristallines Bornitrid enthält.
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Die Einbettung von Temperatursensoren in keramisches Wärmeleitmaterial ermöglicht dabei eine gute Wärmeleitung zu den Temperatursensoren bei gleichzeitiger elektrischer Isolation der Temperatursensoren gegen ihre Umgebung, die bei elektronischen Temperatursensoren unbedingt erforderlich ist.
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Die Verwendung von keramischem Wärmeleitmaterial, das Bornitrid enthält, ist dabei besonders vorteilhaft, da Bornitrid eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und sich dabei deutlich von dem Verhalten vieler Metalle unterscheidet, deren Wärmeleitfähigkeit näherungsweise nach dem Wiedemann-Franzschen Gesetz proportional zum Produkt aus Temperatur und elektrischer Leitfähigkeit ansteigt.
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Diese Eigenschaften des Bornitrid ermöglichen neben der elektrisch isolierenden punktuellen Temperaturmessung vorteilhaft auch eine flächenhafte oder räumliche Messung von Temperaturverteilungen mittels erfindungsgemäßer Temperaturfühler.
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Hexagonal kristallines Bornitrid hat dabei neben günstigen thermischen und elektrischen Eigenschaften auch ein besonders gutes Preis-Leistungsverhältnis, während kubisch kristallines Bornitrid eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Daher eignet sich hexagonal kristallines Bornitrid besonders vorteilhaft für die Herstellung leistungsfähiger, aber dennoch relativ preisgünstiger Temperaturfühler.
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Ein weiterer wichtiger Anwendervorteil ergibt sich aus der einfachen Bearbeitbarkeit von Formkörpern aus hexagonal kristallinem Bornitrid, da diese nach keramischen Formgebungsverfahren hergestellt werden können und damit eine kostengünstige Massenherstellung von Thermoelementfühlern in der Umgebung von Thermoelementverbindungsstellen wie Schweißperlen oder Lötkontakten ermöglichen.
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Kubisch kristallines Bornitrid ist demgegenüber vor allem für die Herstellung besonders hochwertiger Temperaturfühler vorgesehen.
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Erfindungsgemäße Temperaturfühler eignen sich beispielsweise zum Einsatz in Multisensoranordnungen in Nutenwiderstandsthermometern, als Temperaturfühler für die Gebäudeautomation oder in Hochleistungsthermoelementen beim Turboladereinsatz.
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Vorzugsweise sind die Sensorleitungen wenigstens teilweise in einen keramischen Isolationsmantel eingefasst. Dadurch können die Sensorleitungen wirksam in Umgebungsbereichen elektrisch isoliert werden, in denen dies erforderlich ist, und somit die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Temperaturfühlers erhöht werden.
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Ferner ist das Wärmeleitmaterial in den Füllbereichen vorzugsweise eine Suspension aus Bornitrid-Pulver und Epoxidharz. Derartige Suspensionen erleichtern die Verarbeitung von Bornitrid-Pulver wesentlich, da Bornitrid-Pulver sehr feinkörnig ist, und kombinieren die oben bereits genannten vorteilhaften thermischen und elektrischen Eigenschaften von Bornitrid mit den bekannten vorteilhaften Eigenschaften von Epoxidharz, insbesondere dessen guter chemischer Beständigkeit, hoher Festigkeit nach der Härtung und hoher Temperaturbeständigkeit. Dadurch werden die Festigkeit, Bruchzähigkeit und Thermoschockbeständigkeit und damit die Lebensdauer des Temperaturfühlers vorteilhaft erhöht.
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Dabei ist das Bornitrid-Pulver vorzugsweise ein Gemisch aus Partikeln wesentlich verschiedener Korngrößen. Dies ermöglicht eine hohe Packungsdichte der Partikel und somit vorteilhaft eine gegenüber einer geringeren Packungsdichte erhöhte Wärmeleitfähigkeit.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung weist der Temperaturfühler einen Formkörper auf, der aus einem vorwiegend Bornitrid enthaltenden keramischen Material besteht und eine Aushöhlung aufweist, in die das Wärmeleitmaterial und wenigstens ein in das Wärmeleitmaterial eingebetteter elektronischer Temperatursensor eingebracht sind.
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Der Fertigung des Formkörpers aus einem Bornitrid enthaltenden Material und seine Befüllung mit dem Wärmeleitmaterial, in das der Temperatursensor eingebracht ist, ermöglicht eine hohe Wärmeleitung von der Außenoberfläche des Formkörpers zu dem Temperatursensor. Dadurch eignet sich der Formkörper vorteilhaft als Temperaturmessspitze des Temperaturfühlers, die diesem eine kurze Ansprechzeit verleiht.
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Der Formkörper besteht dabei vorzugsweise aus Bornitrid oder einem vorwiegend Bornitrid enthaltenden Komposit, das neben Bornitrid z. B. ZrO2 oder SiC und ZnO2 oder eine Calcium-Bor-Sauerstoffverbindung wie CaB2O4 enthält. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung eines Bornitrid enthaltenden Formkörpers mit guten Wärmeleiteigenschaften.
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Ferner ist ein erster Endbereich des Formkörpers vorzugsweise in ein Schutzrohr eingeschraubt und/oder eingepresst und/oder eingeklebt. Dies verleiht dem Temperaturfühler eine erhöhte Stabilität und ermöglicht es, nur die Temperaturmessspitze des Temperaturfühlers als Bornitrid-Formkörper auszubilden.
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In einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung weist der Temperaturfühler einen Grundkörper mit wenigstens einer Ausnehmung auf, in die Wärmeleitmaterial und wenigstens ein in das Wärmeleitmaterial eingebetteter elektronischer Temperatursensor eingebracht sind. Dadurch eignet sich der Temperaturfühler insbesondere vorteilhaft zur Verwendung als Nutenwiderstandsthermometer für einen Transformator oder einen Filter oder eine Drossel, wobei statt einer Messspitze eine flache Oberfläche des Temperaturfühlers als temperatursensitive Messfläche dient.
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Der Grundkörper besteht dabei vorzugsweise aus einem Glasgewebe oder aus einem vorwiegend Bornitrid enthaltenden Komposit, das neben Bornitrid z. B. ZrO2 oder SiC und ZnO2 oder eine Calcium-Bor-Sauerstoffverbindung wie CaB2O4 enthält. Dabei ist die Verwendung von Glasgewebe kostengünstiger und daher zu bevorzugen, wenn eine Oberfläche des Wärmeleitmaterials als temperatursensitive Messfläche ausreicht. Die Verwendung der anderen genannten Materialien ermöglicht es aus bereits im Zusammenhang mit der Ausbildung des Formkörpers der ersten Ausgestaltung des Temperaturfühlers genannten Gründen, alternativ oder zusätzlich auch eine Oberfläche des Grundkörpers als temperatursensitive Messfläche einzusetzen.
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In einer Weitergestaltung der zweiten Ausgestaltung des Temperaturfühlers sind nicht aneinander grenzende Oberflächenbereiche des Grundkörpers und des Wärmeleitmaterials wenigstens teilweise mit einem Polymid beschichtet. Durch diese Beschichtung können die Oberflächenbereiche ohne wesentliche Einbußen der Wärmeleiteigenschaften vorteilhaft vor Umgebungseinflüssen geschützt werden.
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In einer dritten bevorzugten Ausgestaltung weist der Temperaturfühler ein Schutzrohr auf, das an einem temperatursensitiven Ende des Temperaturfühlers mit einem Boden verschlossen ist. Dabei sind das Wärmeleitmaterial und der wenigstens eine darin eingebettete elektronische Temperatursensor in einen von dem Boden begrenzten ersten Rohrabschnitt eingebracht. Ein sich daran anschließender zweiter Rohrabschnitt ist mit einem Füllstoff gefüllt. Ähnlich wie bei der ersten Ausgestaltung des Temperaturfühlers kann dabei Wärme gut und schnell durch das Wärmeleitmaterial von dem temperatursensitiven Ende des Temperaturfühlers zu dem Temperatursensor geleitet werden, was ebenfalls kurze Ansprechzeit des Temperaturfühlers ermöglicht.
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Der Füllstoff ist dabei vorzugsweise ein Füllpulver, das wenigstens überwiegend aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid besteht. Dies hat den Vorteil, dass derartige Pulver chemisch weitgehend inert und auch bei hohen Temperaturen elektrisch nicht-leitend sind. Zudem werden Lufteinschlüsse mit schlechter Wärmeleitung vermieden.
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Die dritte Ausgestaltung des Temperaturfühlers kann auf verschiedene Weise realisiert werden. So kann das Wärmeleitmaterial ein Bornitrid-Pulver sein, in das der Temperatursensor eingebettet ist. Alternativ kann der wenigstens eine elektronische Temperatursensor in einem topfförmigen Wärmeleitkörper, der vorzugsweise wenigstens vorwiegend aus Bornitrid besteht, angeordnet sein, wobei eine Bodenfläche des Wärmeleitkörpers an dem Boden anliegt. Dabei kann der Wärmeleitkörper selbst das Wärmeleitmaterial bilden oder wenigstens teilweise mit dem Wärmeleitmaterial gefüllt sein, in das der wenigstens eine elektronische Temperatursensor eingebettet ist. Im letzteren Fall ist das Wärmeleitmaterial vorzugsweise wiederum eine Suspension aus Bornitrid-Pulver und Epoxidharz.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 einen ersten Querschnitt durch einen in 2 dargestellten Temperaturfühler,
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4 einen zweiten Querschnitt durch einen in 2 dargestellten Temperaturfühler,
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5 eine perspektivische Darstellung eines Nutenaufnahmekörpers zur Aufnahme eines in 2 dargestellten Temperaturfühlers,
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6 einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
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7 einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Temperaturfühler weist einen Formkörper 1 und ein Schutzrohr 2 auf. Ein erster Endbereich 1.1 des Formkörpers 1 ist in das Schutzrohr 2 eingeschraubt, eingepresst und/oder eingeklebt und dadurch mit dem Schutzrohr 2 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Ein dem ersten Endbereich 1.1 gegenüberliegender zweiter Endbereich 1.2 des Formkörpers 1 ist abgerundet und bildet eine Temperaturmessspitze des Temperaturfühlers.
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Der Formkörper 1 besteht aus einem vorwiegend Bornitrid enthaltenden Komposit, das neben Bornitrid z. B. ZrO2 oder SiC und ZnO2 oder eine Calcium-Bor-Sauerstoffverbindung wie CaB2O4 enthält. Beispielsweise besteht das Komposit zu etwa 80% aus Bornitrid (BN) und zu etwa 20% aus Zirconiumdioxid (ZrO2) oder zu etwa 96% aus BN und zu etwa 4% aus einer Calcium-Bor-Sauerstoffverbindung, wobei letztere vorzugsweise einen Sauerstoffionenüberschuss zur Bildung von Oxiden zu Restverunreinigungen aufweist.
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Der Formkörper 1 weist eine Aushöhlung auf, in die eine Suspension 3 aus kubisch oder hexagonal kristallinem Bornitrid-Pulver und Epoxidharz sowie ein darin eingebetteter elektronischer Temperatursensor 5 eingebracht sind. Der elektronische Temperatursensor 5 ist an zwei Sensorleitungen 14 angeschlossen, die von dem elektronischen Temperatursensor 5 durch die Suspension 3 und aus dieser heraus geführt und außerhalb der Suspension 3 zur elektrischen Isolierung in einen keramischen Isolationsmantel 4 eingefasst sind.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die 3 und 4 zeigen jeweils einen Querschnitt durch den in 2 dargestellten Temperaturfühler, wobei die Querschnittsebenen jeweils senkrecht auf der Längsschnittebene der 2 stehen und im Falle der 3 die in 2 eingezeichnete erste Schnittlinie III und im Falle der 4 die in 2 eingezeichnete zweite Schnittlinie IV enthalten.
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Der Temperaturfühler weist einen Grundkörper 6 mit einer Ausnehmung auf, in die eine wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildete Suspension 3 sowie ein darin eingebetteter elektronischer Temperatursensor 5 und zwei an den elektronischen Temperatursensor 5 angeschlossene und durch die Suspension 3 und aus ihr heraus geführte Sensorleitungen 14 eingebracht sind.
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Die Ausnehmung in dem Grundkörper 6 besteht aus einem ersten Bereich mit annähernd quadratischer ersten Grundfläche 7.1, in dem der elektronische Temperatursensor 5 angeordnet ist, und zwei sich an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereichen mit jeweils länglichen zweiten Grundflächen 7.2, in denen die Sensorleitungen 14 geführt sind.
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In einer ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels besteht der Grundkörper 6 aus einem Hartglasgewebe, in einer zweiten Variante aus einem Bornitrid enthaltenden Komposit wie der Formkörper 1 im ersten Ausführungsbeispiel.
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Eine Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels sieht vor, dass die nicht aneinander grenzenden Oberflächenbereiche des Grundkörpers 6 aus Hartglasgewebe und der Suspension 3 mit einem Polymid oder mit einem Kaptonfilm beschichtet oder abgedeckt sind.
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In einer weiteren Variante des zweiten Ausführungsbeispiels weist der Grundkörper 6 eine Ausnehmung mit einem gegenüber der oben beschriebenen Ausführung verlängerten ersten Bereich mit einer rechteckigen ersten Grundfläche 7.1 auf, in der hintereinander mehrere in die Suspension 3 eingebettete elektronische Temperatursensoren 5 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Temperatur an mehreren Messpunkten erfasst werden. Dies ermöglicht insbesondere eine integrale Temperaturmessung entlang des mit elektronischen Temperatursensoren 5 bestückten Bereiches des Grundkörpers 6.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Nutenaufnahmekörpers 8 zur Aufnahme des in 2 dargestellten Temperaturfühlers zu dessen Verwendung als Nutenwiderstandsthermometer für einen Transformator, einen Filter, eine Drossel oder einen Generator.
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Der Nutenaufnahmekörper 8 besteht aus einem vorwiegend Bornitrid enthaltenden Komposit wie der Formkörper 1 im ersten Ausführungsbeispiel, und hat die Form einer Schublade, die an einer ersten Seite 8.1 offen und zu einer der ersten Seite 8.1 gegenüberliegenden zweiten Seite 8.2 hin abgeflacht ist. Dabei ist die Absenkung 9 keilförmig ausgebildet und ermöglicht dadurch vorteilhaft die Einführung von Abstandshaltern in die einzelnen Packungswicklungen des Transformators, Filters, Generators oder der Drossel zur Aufnahme des Nutenwiderstandsthermometers. Die Abmessungen des Nutenaufnahmekörpers 8 korrespondieren zu den Abmessungen des in 2 dargestellten Temperaturfühlers, so dass der Temperaturfühler passgenau in den Nutenaufnahmekörper 8 eingelegt werden kann.
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Bei der Verwendung des Temperaturfühlers als Nutenwiderstandsthermometer für einen Transformator, einen Filter oder eine Drossel wird der Nutenaufnahmekörper nach dem Einlegen des Temperaturfühlers in den Transformator, Filter, Generator oder die Drossel verbaut.
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6 zeigt einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Temperaturfühler weist ein Schutzrohr 2 auf, das an einem temperatursensitiven Ende des Temperaturfühlers mit einem Boden 10 verschlossen ist. Das Schutzrohr 2 und der Boden 10 bestehen aus Metall und sind miteinander verschweißt.
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In einen von dem Boden 10 begrenzten ersten Rohrabschnitt des Schutzrohres 2 ist ein kubisch oder hexagonal kristallines Bornitrid-Pulver 11 eingebracht, in das ein elektronischer Temperatursensor 5 eingebettet ist. Ein sich an den ersten Rohrabschnitt anschließender zweiter Rohrabschnitt ist mit einem Füllpulver 12 befüllt, das wenigstens überwiegend aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder Magnesiumoxid (MgO) besteht.
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Der Temperatursensor 5 ist an zwei Sensorleitungen 14 angeschlossen, die durch das Bornitrid-Pulver 11 und das Füllpulver 12 geführt sind, wobei sie innerhalb des Schutzrohres 2 außer in mit dem elektronischen Temperatursensor 5 verbundenen Abschnitten, die vollständig von Bornitrid-Pulver 11 umgeben sind, zur elektrischen Isolierung jeweils in einen keramischen Isolationsmantel 4 eingefasst sind.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass in dem ersten Rohrabschnitt des Schutzrohrs 2 anstelle des Bornitrid-Pulvers 11 ein topfförmiger Wärmeleitkörper 13 angeordnet ist, der mit einer wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Suspension 3 befüllt ist, in die der elektronische Temperatursensor 5 eingebettet ist. Dabei ist der Wärmeleitkörper 13 derart ausgebildet und in dem Schutzrohr 2 angeordnet, dass seine Bodenfläche an dem Boden 10 anliegt und seine Seitenwände an der Innenoberfläche des ersten Rohrabschnittes des Schutzrohres 2 anliegen.
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Die Sensorleitungen 14 sind von dem elektronischen Temperatursensor 5 durch die Suspension 3 und das Füllpulver 12 geführt, wobei sie innerhalb des Schutzrohres 2 außer in mit dem elektronischen Temperatursensor 5 verbundenen Abschnitten, die vollständig von Suspension 3 umgeben sind, jeweils in einen keramischen Isolationsmantel 4 eingefasst sind.
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Der Wärmeleitkörper 13 ist als Heiß-Presskörper oder als Extrusionskörper wenigstens vorwiegend aus BN, beispielsweise aus BN und ZrO2 oder aus BN und einer Calcium-Bor-Sauerstoffverbindung wie der Formkörper 1 im ersten Ausführungsbeispiel, gefertigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formkörper
- 1.1
- erster Endbereich
- 1.2
- zweiter Endbereich
- 2
- Schutzrohr
- 3
- Suspension
- 4
- keramischer Isolationsmantel
- 5
- elektronischer Temperatursensor
- 6
- Grundkörper
- 7.1
- erste Grundfläche
- 7.2
- zweite Grundfläche
- 8
- Nutenaufnahmekörper
- 8.1
- erste Seite
- 8.2
- zweite Seite
- 9
- keilförmige Absenkung
- 10
- Boden
- 11
- Bornitrid-Pulver
- 12
- Füllpulver
- 13
- Wärmeleitkörper
- III
- erste Schnittlinie
- IV
- zweite Schnittlinie
