DE102022103004A1 - Anordnung zur direkten Messung von Wärmeströmen - Google Patents

Abstract

Die vorgeschlagene Anordnung zur direkten Messung eines Temperaturgradienten und eines daraus resultierenden Wärmestromes umfasst einen starren Wärmestromsensor (im Folgenden auch Sensorkörper genannt) mit einem sensitiven Element (3) aus einem Material mit anisotropen thermoelektrischen Eigenschaften, der eine erste und eine zweite Kontaktfläche (4, 5) aufweist, wobei das sensitive Element (3) ein Schichtaufbau aus Materialien mit thermoelektrischen Eigenschaften ist und die mindestens eine erste Kontaktfläche (4) in ihrer Form, Größe und / oder Raumausrichtung verschieden von der mindestens einen zweiten Kontaktfläche (5) ist und die Kontaktflächen (4, 5) der Anordnung (11) derart ausgebildet sind, dass sie die jeweiligen Kontaktflächen der Prüfkörper (1, 2) vollflächig kontaktieren.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur direkten Messung eines Temperaturgradienten und eines daraus resultierenden Wärmestromes zwischen mindestens zwei Prüfkörpern.
• Der Wärmestrom stellt eine Form des Energieaustausches zweier gekoppelter Systeme bei Vorliegen eines Temperaturgradienten dar. Dabei kann es von elementarer Bedeutung sein, die Größe eines solchen Wärmestromes zu kennen - beispielsweise um Verlustprozesse richtig einordnen oder Prozessparameter stabil und reproduzierbar einrichten zu können. Die Messung eines Temperaturgradienten erfolgt am einfachsten durch zwei Thermometer, welche in einem definierten Abstand zueinander die lokale Temperatur messen. Die zugehörige Messung des Wärmestromes erfolgt mit Hilfe von Wärmestromsensoren.
• Die Messung eines Temperaturgradienten zur Bestimmung eines Wärmestromes, welche durch die Messung von Temperaturen entlang eines zu definierenden Raumbereiches realisiert wird, ist häufig fehlerbehaftet. So führen Messunsicherheiten, die sich in den individuellen Thermometern beispielsweise durch Kennlinienabweichungen, Unsicherheiten in der Elektronik und dem Isolationswiderstand unterschiedlich ausbilden, dazu, dass insbesondere kleine Temperaturgradienten falsch erfasst werden. Zusätzlich wird durch die Vielzahl der eingesetzten Materialien ein unvermeidlicher thermischer Widerstand erzeugt, der zusätzlich von der ungenauen Positionierung der Thermometer beeinflusst wird. Dieser thermische Widerstand schlägt sich in Unsicherheiten der Wärmestrommessungen nieder, welche zu einer Verringerung der Genauigkeit von Temperaturdifferenz- und Wärmestrombestimmung führt.
• In „Hohmann M. ‚Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen‘, Dissertation, 2016 TU Ilmenau“ wird ein Blockkalibrator zur Kalibrierung von Thermometern beschrieben. Dieser enthält einen dreiteiligen Ausgleichsblock zur Temperierung eines zu kalibrierenden Thermometers. Die Temperatur der einzelnen Ausgleichsblockteile wird dabei mittels zugehöriger Heizungen eingestellt. Eine homogene Einstellung der Temperatur der Ausgleichsblockteile wird erreicht, indem abweichend von vergleichbaren, aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen Thermometer zur Erfassung von Temperaturdifferenzen, sondern Wärmestromsensoren zur Bestimmung des Wärmestroms verwendet werden.
• Weiterhin wird in der DE 101 29 105 B4 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus:
• - einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, die auf unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind, wobei die Probe in wärmeleitenden Kontakt zwischen Wärmequelle und -senke einbringbar ist,
• - mindestens einem ersten Wärmestromsensor, der den Wärmestrom zwischen der Wärmequelle und der Probe misst,
• - mindestens einem zweiten Wärmestromsensor, der den Wärmestrom zwischen der Probe und der Wärmesenke misst,
• - mindestens einem Temperatursensor, der die Temperatur der Wärmequelle misst und
• - mindestens einem Temperatursensor, der die Temperatur der Wärmesenke misst. Dabei ist die Temperatur von wenigstens der Wärmequelle oder der Wärmesenke so einstellbar, dass der Wärmestrom zwischen Wärmequelle und Probe zumindest annähernd gleich dem Wärmestrom zwischen Wärmesenke und Probe ist. Damit wird der Wärmeaustausch zwischen der Probe und der Umgebung wirksam kompensiert, wodurch die Vermessung von relativ großen Proben mit geringem Aufwand zuverlässig möglich wird.
• Sowohl bei der in „Hohmann M.: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen, Dissertation, 2016, TU Ilmenau“, als auch der in DE 101 29 105 B4 offenbarten Lösung stellen Wärmetransportwiderstände, die an den Kontaktflächen der Wärmestromsensoren und den Kontaktflächen der Prüfkörper, also den Ausgleichsblockteilen bzw. den Kupferblöcken, bestehen, Fehlerquellen der Wärmestrommessung dar. Diese sind abhängig von der Anpresskraft, mit der Wärmestromsensor und Prüfkörper aneinandergepresst werden. Bei Änderung der Anpresskraft ändern sich die Wärmetransportwiderstände.
• In der DE 10 2012 217 535 A1 wird ein Wärmestromsensor zur Messung des Wärmestromes an der Oberfläche einer Gasturbinenschaufel offenbart. Dieser ist stoffschlüssig mit einer Isolierschicht verbunden, wodurch die Wärmetransportwiderstände an der Kontaktfläche des Wärmestromsensors und der Festkörper-Isolierschicht gering und reproduzierbar werden.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmestromsensoren umfassen jeweils Kontaktflächen, durch welche die Wärme in den Sensor hinein und aus dem Sensor heraus transportiert wird. Diese Kontaktflächen sind eben und parallel und haben die gleiche Form, die gleiche Geometrie und den gleichen Flächeninhalt. Sie können beispielsweise einen zylindrischen Querschnitt wie in Dissertation Hohmann oder rechteckigen Querschnitt wie in DE 198 04 487 A1 besitzen. Aufgrund dieser geometrischen Einschränkung können Messungen des Wärmestroms zwischen unterschiedlich großen oder unterschiedlich geformten Körpern nur sehr ungenau erfolgen.
• Wärmestromsensoren werden zumeist als thermoelektrische Sensoren ausgeführt. In US 6 821 015 B2 wird beispielsweise ein Wärmestromsensor offenbart, der für die Messung des durch ein festes Objekt fließenden Wärmestroms ausgelegt ist. Dieser besteht aus einer Dünnfilm-Thermosäule, dem sensitiven Element, die auf einem planaren Substrat aufgebracht ist und dessen thermische Eigenschaften denen des festen Objekts entsprechen. Die Thermosäule wird durch eine dünne rechteckige Platte geschützt, die aus dem gleichen Material wie das Substrat besteht. Der Sensor ist in das feste Objekt eingebettet und misst den Vektor des Wärmeflusses entlang der Achse der Thermosäule.
• Ebenso können Thermosäulen in planaren Substraten auch diskret aufgebaut sein. In „Hohmann M.: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen, Dissertation, 2016, TU Ilmenau“ ist ein aus einem keramischen Substrat gefertigter Wärmestromsensor beschrieben, in den zwei aus Thermoelementdrähten gefertigte Thermosäulen als zwei sensitive Elemente eingebettet sind.
• Wärmestromsensoren mit Thermosäulen weisen in der Regel einen heterogenen inneren Aufbau, bestehend aus thermoelektrischen Materialien, thermischen und elektrischen Isoliermaterialien und Wärmeleitmaterialien, auf, woraus im Inneren der Sensoren verschiedene lokale Wärmetransportwiderstände resultieren. Diese können insbesondere bei an den Kontaktflächen des Wärmestromsensors vorliegenden inhomogenen Wärmestromfeldern zu Messabweichungen führen. Daher sind Sensorkörper mit kompaktem, monolithischem Aufbau und daraus resultierenden geringen und im Querschnitt des Wärmestromsensors homogen verteilten inneren Wärmetransportwiderständen vorteilhaft. Solche kompakten Sensoren mit planaren Kontaktflächen sind aus „Hohmann M.: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen, Dissertation, 2016, TU Ilmenau“ und „Song, S. et al.: Highly sensitive heat flux sensor based on the transverse thermoelectric effect of YBa2Cu3O7- δ thin film, In: Applied Physics Letters, 2020, 117. Jg., Nr. 12, S. 123902“ bekannt. Sie enthalten einen Körper eines sensitiven Elements, dessen Materialien einen anisotropen thermoelektrischen Effekt aufweisen. In „Song, S. et al.: Highly sensitive heat flux sensor based on the transverse thermoelectric effect of YBa2Cu3O7- δ thin film, In: Applied Physics Letters, 2020, 117. Jg., Nr. 12, S. 123902“ ist der anisotrope thermoelektrische Effekt intrinsisch in einem kristallinen Material vorhanden. In „Hohmann M.: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen, Dissertation, 2016, TU Ilmenau“ wird eine künstliche Anisotropie durch geschichtete Anordnung mehrerer Materialien erzeugt. Dabei ermöglicht die geschichtete Ausführung eine flexiblere geometrische Gestaltung und Anpassung der Empfindlichkeit des sensitiven Elements,
• Wärmestromsensoren mit planaren Kontaktflächen eignen sich zur Messung von Wärmeströmen an Prüfkörpern mit planaren Oberflächen. Ist die Kontaktfläche eines Prüfkörpers jedoch nicht planar, beispielsweise konvex, konkav oder wellig, entsteht ein Spalt zwischen den Kontaktflächen, der einen unerwünschten Wärmetransportwiderstand hervorruft. Es wäre deshalb von Vorteil, wenn die Form der Kontaktflächen des Wärmestromsensors an die Form der Kontaktflächen der Prüfkörper angepasst ist.
• Dazu ist beispielsweise aus der WO 99/19702 A1 ein dünner Sensor zur Bestimmung des Wärmeflusses und der Temperatur bekannt, der zur Klebebefestigung an einer Oberfläche bestimmt und auf einem flexiblen elektrisch isolierten Metallsubstrat hergestellt ist. Aufgrund der Flexibilität des Substrats kann die Kontaktfläche des Sensors verformt und somit der Form der Kontaktfläche des Prüf- oder Festkörpers angepasst werden.
• Allerdings kann die Kontaktfläche des in der WO 99/19702 A1 beschriebenen Sensors keine beliebige Form annehmen. Beispielsweise ist es nicht möglich, dass sie eine sphärische Form annimmt. Zudem besitzt der Sensor aufgrund seiner Flexibilität eine im Vergleich zu starren Sensoren des Stands der Technik reduzierte mechanische Robustheit. Darüber hinaus wird die maximale Einsatztemperatur des Sensors durch die Verwendung eines Polymers zur elektrischen Isolation zwischen Metallsubstrat und Thermokette erheblich reduziert.
• Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die offensichtlichen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Anordnung bereitzustellen, mit der auch ein kleiner Temperaturgradient und ein daraus resultierender kleiner Wärmestrom direkt und reproduzierbar und nahezu fehlerfrei gemessen werden kann.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Die vorgeschlagene Anordnung zur direkten Messung eines Temperaturgradienten und eines daraus resultierenden Wärmestromes zwischen mindestens zwei Prüfkörpern umfasst einen starren Wärmestromsensor (im Folgenden auch Sensorkörper genannt) mit einem sensitiven Element aus einem Material mit anisotropen thermoelektrischen Eigenschaften, der eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweist, die in ihrer Form, Größe und Raumausrichtung voneinander verschieden und derart ausgebildet sind, dass ein vollflächiger Kontakt zu den jeweiligen Kontaktflächen der mindestens zwei Prüfkörper hergestellt wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste und / oder zweite Kontaktfläche des Sensorkörpers über eine stoffschlüssige Verbindung zwischen mindestens einem Grundkörper und dem sensitiven Element mit den Kontaktflächen der Prüfkörper in thermischen Kontakt.
• Mittels elektrischer Spannung wird an dem thermoelektrischen Material des sensitiven Elements eine thermoelektrische Spannung gemessen. Diese gemessene thermoelektrische Spannung ist direkt proportional zu dem Wärmestrom, welcher durch den Sensor strömt.
• Aufgrund der aus der Anpassung der Form, Größe und Ausrichtung der Kontaktflächen des Sensorkörpers an die Form, Größe und Ausrichtung der Kontaktflächen des Prüfkörpers resultierenden minimalen Kontaktwiderstände können sehr geringe Wärmeströme reproduzierbar erfasst werden.
• Unter stoffschlüssigen Verbindungen werden im Folgenden jene Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner durch Kräfte auf atomarer bzw. molekularer Ebene zusammengehalten werden. Derartige Verbindungen lassen sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen, d. h. die Verbindungspartner gehen eine nicht lösbare Verbindung ein.
• Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst ein sensitives Element aus einem geschichteten anisotropen thermoelektrischen Material. Durch die Anpassung der beiden Kontaktflächen des Sensorkörpers an die Geometrie der Kontaktflächen der Prüfkörper kann eine besonders gute thermische Kopplung zwischen den Prüfkörpern und eine geschickte Führung der Wärme realisiert werden. Damit werden die, die Messgenauigkeit begrenzenden, Kontaktwiderstände minimiert.
• Die Schichten des anisotropen thermoelektrischen Materials des sensitiven Elements können unterschiedliche Metalle und/oder Halbleiter sein. Durch die Kombination verschiedenster Materialien kann eine hohe Empfindlichkeit des thermoelektrischen Sensors erzielt werden. Die für das sensitive Element zu kombinierenden Materialien können aus der thermoelektrischen Spannungsreihe ausgewählt werden. Dabei kann durch Vergleich der thermoelektrischen Spannungen der zu verwendenden Materialien untereinander eine deutliche Verstärkung der Anisotropie und des resultierenden Ansprechverhaltes des Wärmestromsensors erzielt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das sensitive Element des Sensorkörpers mit mindestens einem Grundkörper stoffschlüssig verbunden, sodass der oder die Grundkörper die durch das sensitive Element fließende Wärme führen und zumindest eine Kontaktfläche zu zumindest einem Prüfkörper bereitstellen.
• In Ausführungsformen der Erfindung wird eine stoffschlüssige Verbindung der Materialien des mindestens einen Grundkörper und der thermoelektrischen Materialien des sensitiven Elements mittels eines Fügeverfahrens, wie beispielsweise Diffusionsschweißen, Sintern, Kleben, Löten und 3D-Druck in Mehrkomponentenverfahren, realisiert. Dies ist vorteilhaft, da ein derartiger stoffschlüssiger Aufbau des Grundkörpers mit dem sensitiven Element für verschiedenste Materialkombinationen denkbar ist. Beispielsweise, aber nicht ausschließlich, sind solche Materialkombinationen:
• • Metall - Metall
• • Keramik - Keramik
• • Metall - Keramik
• • Metall - Keramik - Verbund
• In Ausführungsformen der Erfindung wird eine gemeinsame Bearbeitung oder Formgebung des stoffschlüssigen Verbunds vorteilhaft ermöglicht. Auf diese Weise kann er anwendungsspezifisch gefertigt und bearbeitet werden. Beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, kann der Verbund gemeinsam, gleichzeitig und über die gleiche Zeit dauernd zerspanend mittels Drehmaschine oder Fräse in die gewünschte Form gebracht werden. Das sensitive Element und der Grundkörper verfügen über mindestens eine gemeinsame form- und größengleiche Kontaktfläche und bilden somit zusammen ein Werkstück, welches bearbeitet werden kann. So wird die geometrische Form des Verbundes aus Grundkörper und sensitivem Element nach den Anforderungen der Anwendung konstruiert und gefertigt. Dabei sind im Fertigungsprozess alle Fertigungsverfahren anwendbar, sofern dies durch die jeweils verwendeten Materialien gewährleistet ist.
• In Ausführungsformen kann auch ein Grundkörper stoffschlüssig mit zumindest zwei sensitiven Elementen verbunden werden. Der so verbundene Grundkörper leitet die Wärme zwischen den zumindest zwei sensitiven Elementen. Ebenso können mehrere Grundkörper so mit dem oder den sensitiven Elementen stoffschlüssig verbunden sein, dass sie mindestens eine gemeinsame Kontaktfläche zu einem Prüfkörper bereitstellen.
• Unter einem Prüfkörper wird im Folgenden der Begriff des Körpers im physikalischen Sinne verstanden. Ein Körper bzw. der Prüfkörper ist durch sein Volumen und durch seine Masse charakterisiert. Dabei ist der Aggregatzustand, wie bspw. fest, flüssig oder gasförmig, des jeweiligen Körpers nicht festgelegt. Der Prüfkörper kann somit jeden beliebigen Aggregatzustand einnehmen. Somit kann der Wärmestrom zwischen einem gasförmigen Körper und einem Festkörper methodisch und anordnungsgleich wie zwischen einem flüssigen Körper und einem festen Körper bzw. zwischen zwei Festkörpern gemessen werden.
• In Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest ein Prüfkörper ein fester Körper und ausgewählt aus einer der Klassen Metall, Halbmetall, Glas oder Keramik. Dies ist vorteilhaft, da so die Messung der Wärmeströme von gasförmigen oder flüssigen Prüfkörpern realisierbar ist.
• Unter dem Begriff des Wärmestroms wird im Folgenden der Energieausgleich zwischen mindestens zwei Körpern verstanden, welche jeweils eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik erfolgt bei einem derartigen System der Wärmeaustausch stets vom Körper höherer Temperatur zum Körper niedrigerer Temperatur in Form eines Wärmestroms. Der Körper höherer Temperatur stellt dabei eine Wärmequelle, der Körper tieferer Temperatur eine Senke dar.
• Die Transportmechanismen des Wärmestroms sind dabei Konduktion, Konvektion und/oder Strahlung. Das Hervorrufen einer elektrischen Spannung durch einen Wärmestrom wird Seebeck-Effekt genannt und durch den Seebeck-Koeffizienten beschrieben.
• Im Folgenden werden unter thermoelektrischen Materialien solche Materialien verstanden, welche eine von Null verschiedene temperaturabhängige Empfindlichkeit besitzen. Die temperaturabhängige Empfindlichkeit S_i(ΔT_i) entlang einer Raumrichtung i des Wärmestromsensors nach dem transversalen Seebeck-Koeffizienten ist durch die folgende Gleichung gegeben: $$S_i\left(\mathrm{\Delta }{T}_i\right)=U\text{/}\mathrm{\Delta }{T}_i,$$

  

  wobei U die elektrische Spannung des Wärmestromsensors und ΔT_i die Temperaturdifferenz entlang der Raumrichtung i über dem Wärmestromsensor an zwei unterschiedlichen Raumpunkten darstellt.
• Temperaturunterschiede entlang unterschiedlicher, orthogonaler Raumrichtungen lassen sich als Temperaturgradient, grad(7), ausdrücken.
• Nach der Fourierschen-Differentialgleichung der Wärmeleitung ist die Wärmestromdichte q̇ gleich zu: $$\dot{q}=-\lambda \text{ grad}\left(T\right),$$

  

  wobei λ den Wärmeleitfähigkeitstensor des Wärmestromsensors symbolisiert. Das daraus resultierende Messsignal d/dt U wird dem Zusammenhang: $$d\text{/}dtU=-\left(S\left(\mathrm{\Delta }T\right)\right)\text{/}\lambda \dot{q}$$

  

  entnommen.
• Detaillierte Ausführungen zur temperaturabhängigen Empfindlichkeit und den daraus abgeleiteten Größen befinden sich in „Hohmann M.: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen, Dissertation, 2016, TU Ilmenau“.
• Der Seebeck-Koeffizient hängt auch von der elektrischen Leitfähigkeit des thermoelektrischen Materials ab. Ist diese elektrische Leitfähigkeit des thermoelektrischen Materials anisotrop, wie entlang beispielsweise einer Raumachse bei geschichteten Materialien, so ist auch der Seebeck-Koeffizient entlang ebendieser Raumrichtung anisotrop.
• In Folge anisotroper Wärmeleiteigenschaften und anisotroper elektrischer Leitfähigkeit des sensitiven Elements ist es somit möglich, eine thermoelektrische Spannung zu messen, welche außerhalb der Flussrichtung des Wärmestromes erfasst wird.
• Um eine deutliche Erhöhung der zu messenden Signalstärke erzielen zu können, werden Materialien mit Anisotropie ihrer thermoelektrischen Eigenschaften als Materialien des sensitiven Elements des Wärmestromsensors verwendet. Die Anisotropie wird mathematisch/physikalisch durch die Eigenschaften des Wärmeleitfähigkeitstensors λ erklärt. Detaillierte Ausführungen zu den Anisotropieeigenschaften thermoelektrischer Materialien befinden sich in „Reitmaier, Ch..: Transversaler Seebeck- und Peltier-Effekt in verkippten Metall-Halbleiter-Multilagenstrukturen, Dissertation, 2011, Universität Regensburg“.
• In Ausführungsformen steht der Wärmestromsensor über zumindest eine erste Kontaktfläche mit einem ersten Prüfkörper in direkten thermischem Kontakt mit dem sensitiven Element, sodass die zu messende Komponente des Wärmestroms durch die zumindest erste Kontaktfläche des Wärmestromsensors tritt. Ein zweiter Prüfkörper steht mit zumindest einer zweiten Kontaktfläche des Wärmestromsensors über einen mit dem sensitiven Element stoffschlüssig verbundenen Grundkörper in mittelbarer Verbindung, sodass der mittels des Wärmestromsensors geleitete Wärmestrom zwischen dem ersten und zweiten Prüfkörper durch den Wärmestromsensor erfasst werden kann.
• Die Flussrichtung des Wärmestroms hängt von den Temperaturen der Prüfkörper ab. So kann der erste Prüfkörper eine Wärmequelle oder auch eine Wärmesenke sein. Sollte im vorliegenden Dokument eine die Wärmeflussrichtung einschränkende Formulierung gewählt sein, so gilt die Formulierung auch im umgekehrten Fall.
• Erfindungsgemäß ändert sich der Querschnitt des Sensorkörpers quer zur Wärmeflussrichtung, sodass die Form und / oder die Größe und / oder die Raumausrichtung seiner zumindest zwei Kontaktflächen unterschiedlich sind.
• In Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eine der Kontaktflächen des Sensorkörpers nicht eben ausgeführt. Unter nicht eben werden alle Ausführungsformen verstanden, bei denen eine zweidimensionale, den Sensorkörper begrenzende Kontaktfläche gekrümmt ist, so dass die Normalenvektoren an verschiedenen Punkten der Kontaktfläche nicht parallel verlaufen, die Kontaktfläche beispielsweise zylindrisch oder sphärisch geformt ist, eine Strukturierung oder Welligkeit aufweist oder abgeknickt ist. Die Dimension dieser Formabweichungen von der Ebene ist dabei signifikant größer als die Formtoleranzen oder Rauigkeiten der Kontaktfläche.
• In Ausführungsformen weist der Wärmestromsensor mehr als zwei zweite Kontaktflächen auf. Der den Sensorkörper durchströmende Wärmestrom wird somit auf mehr als zwei zweite Prüfkörper aufgeteilt, sodass eine Messung von Wärmeströmen zwischen dem ersten Prüfkörper und den mehreren zweiten Prüfkörpern erfolgen kann. Diese Ausführungsformen erlauben auch eine örtlich getrennte Auswertung der Wärmeströme durch einen einzelnen Prüfkörper.
• Zur Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.
• Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1 - Ausführungsformen des geschichteten anisotropen thermoelektrischen Materials des sensitiven Elements
• 2- funktionaler Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung
• 3- Schnittdarstellungen von Ausführungsformen der Kontaktflächen eines dünnen Wärmestromsensors
• 4- Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen von Wärmestromsensoren
• 5- eine hohlzylindrische Ausführungsform eines Wärmestromsensors
• 6- Schnittdarstellungen von radialsymmetrischen Wärmestromsensoren
• 7- Schnittdarstellungen von Wärmestromsensoren mit geteiltem sensitiven Element
• 8- Schnittdarstellungen von Wärmestromsensoren mit abgewinkeltem sensitivem Element
• 9- Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung für die Kühlung eines Mikroprozessors
• In 1 sind verschiedene Anordnungsformen des geschichteten anisotropen thermoelektrischen Materialien für das sensitive Element (3) schraffiert dargestellt. Die einzelnen Materialschichten können unter einem definierten Winkel und mit gleicher oder verschiedener Schichtdicke ausgeführt sein. Diese dargestellten exemplarischen Ausführungen schränken die individuelle Anordnung der thermoelektrischen Materialien zur Erzeugung eines geeigneten anisotropen thermoelektrischen Effekts nicht ein. Vielmehr sind beliebige Ausgestaltungen denkbar. So ist in 1a eine Teilansicht eines sensitiven Elements gezeigt, welches aus äquidistanten Schichten zweier unterschiedlicher thermoelektrischer Materialien (schwarz und weiß) aufgebaut ist. Diese Schichten sind dabei zur Ausbreitungsrichtung des Wärmestroms verkippt. In 1b sind der Kippwinkel und die Dicke der Schichten geändert. In 1c sind die Schichten parallel zur Ausbreitungsrichtung des Wärmstroms, aber nicht mit gleicher Dicke und gleichem Abstand angeordnet. In 1d ändert sich der Kippwinkel und damit auch die Dicke der Schichten. Durch Vorgabe des Kippwinkels und der Dicke der Schichten sowie der Geometrie des sensitiven Elements lässt sich seine Sensitivität verändern. Es können Varianten mit gleicher Sensitivität über dem Querschnitt des sensitiven Elements ( 1a - 1c) oder auch mit örtlich veränderlicher Sensitivität (1d) erzeugt werden.
• 2 zeigt schematisch und skizzenhaft den funktionalen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung (Wärmestromsensor (11)). Zu erkennen ist, dass ein rotationssymmetrisches sensitives Element (3) über eine erste Kontaktfläche (4) mit einem ersten Prüfkörper (1) und über eine zweite Kontaktfläche (5) mit einem zweiten Prüfkörper (2) in Verbindung gebracht ist. Die Kontaktfläche (4) ist eben ausgeführt. Die Kontaktfläche (5) ist konkav geformt und unterscheidet sich dadurch sowohl in der Form, als auch im Flächeninhalt von der Kontaktfläche (4). Der konduktiv vermittelte Wärmestrom fließt ausschließlich durch den Wärmestromsensor (11). In Abhängigkeit vom Temperaturgradienten zwischen dem ersten Prüfkörper (1) und dem zweiten Prüfkörper (2) - die Temperatur des ersten Prüfkörpers (1) ist entweder höher (7) oder niedriger (8) als die Temperatur des zweiten Prüfkörpers (2) - stellt sich eine unterschiedliche thermoelektrische Spannung entlang zweier Kontakte zur Spannungsmessung (6), welche sich an einer Außenfläche des sensitiven Elements (3) befinden, ein. Im Falle der absoluten Identität der Temperaturen der beiden Prüfkörper stellt sich eine thermoelektrische Spannung von exakt 0 V ein.
• In 3 sind Schnittbilder von Ausführungen von dünnen Wärmestromsensoren (11) dargestellt. In 3a besitzt der Wärmestromsensor (11) eine ebene erste Kontaktfläche (4) und eine nicht ebene zweite Kontaktfläche (5). In 3b sind beide Kontaktflächen (4) und (5) voneinander verschieden und nicht eben ausgeführt. Die Thermospannung wird jeweils seitlich an gegenüberliegenden Kontakten (6) abgegriffen. In 3c ist die erste Kontaktfläche (4) konkav und die zweite Kontaktfläche (5) konvex geformt. In 3d sind beide Kontaktflächen (4, 5) eben geformt und parallel angeordnet. Sie unterschieden sich in ihrem Flächeninhalt. In allen Ausführungen unterscheiden sich die Kontaktflächen in ihrer Form und / oder ihrem Flächeninhalt. Der Querschnitt der Wärmestromsensoren orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des Wärmestroms (7) und orthogonal zur Darstellungsebene verändert sich folglich in Richtung der Ausbreitung des Wärmestroms.
• In 4a ist ein trapezförmiges Schnittbild eines sensitiven Elements (3) dargestellt. Ein solches Schnittbild entsteht, wenn ein Wärmestromsensorkörper (11) in Form eines Kegelstumpfes, wie in 4b dargestellt, oder einer stumpfen Quadratpyramide ( 4c) geschnitten wird. Die beiden Kontaktflächen (4) und (5) des Sensorkörpers (11) sind jeweils parallel angeordnet und besitzen einen unterschiedlichen Flächeninhalt. In 4d sind die beiden Kontaktflächen (4, 5) des Sensorkörpers (11) nicht parallel angeordnet und besitzen nicht die gleiche Form. Dagegen unterscheiden sich die Formen der Kontaktflächen (4) und (5) bei der in gezeigten Ausführung des Sensorkörpers (11). In 4f ist ein Wärmestromsensor (11) dargestellt, der eine Bohrung aufweist. Seine beiden Kontaktflächen (4) und (5) sind dementsprechend kreisringförmig mit unterschiedlichem Flächeninhalt ausgeführt.
• 5 zeigt einen hohlzylindrischen Wärmestromsensor (11), bei dem der Wärmestrom (7) radial fließt und an den Stirnseiten des Hohlzylinders an den Kontakten (6) abgegriffen wird.
• In 6a ist ein Schnitt eines radialsymmetrischen Wärmestromsensors (11) schematisch aufgezeigt. Zu erkennen ist, dass ein Grundkörper (9) über eine stoffschlüssige Verbindung (10) mit einem sensitiven Element (3) in Verbindung gebracht ist. Der konduktiv vermittelte Wärmestrom fließt ausschließlich durch den Wärmestromsensor (11) zwischen seinen Kontaktflächen (4) und (5). Die Kontaktflächen haben dabei einen unterschiedlichen Flächeninhalt und sind in ihrer Form an die Form des ersten Prüfkörpers (1) und des zweiten Prüfkörpers (2) angepasst. Das sensitive Element (3) selbst ist stumpfkegelförmig ausgebildet und gewährleistet die Anpassung der Kontaktflächen des Wärmestromsensors an die Kontaktflächen des Grundkörpers (9) und des ersten Prüfkörpers (1). Der Grundkörper (9) ist zylindrisch geformt. Der Wärmewiderstand durch den Wärmestromsensor wird durch die stoffschlüssige Verbindung (10) und die Verwendung von gut wärmeleitfähigem Material für den Grundkörper (9) maximiert. Dieser Sensor kann beispielsweise im Haltewerkzeug einer Werkzeugmaschine eingesetzt werden um den bei der mechanischen Bearbeitung entstehenden Wärmestrom zu ermitteln.
• In 6b ist das sensitive Element (3) zylindrisch und über eine zweiseitige stoffschlüssige Verbindung (10a, 10b) mit zwei Grundkörpern (9a, 9b) verbunden. Die Prüfkörper (1, 2) werden über die Kontaktflächen (4, 5) kontaktiert. Die Grundkörper ermöglichen somit eine Anpassung des Wärmestromsensors an die Kontaktflächen (4, 5) zu den Prüfkörpern (1, 2).
• 6c zeigt ein sensitives Element (3), welches stoffschlüssig mit einem kegelförmigen Grundkörper (9) verbunden ist. Ein derart ausgeführter Wärmestromsensor kann beispielsweise zur Messung in Böden oder Flüssigkeiten verwendet werden, in die er mittels der kegeligen Spitze eingetaucht ist.
• In 7a ist ein Schnittbild eines sensitiven Elements (3) gezeigt, welches in zwei konzentrische Ringe aufgeteilt ist, die mit einem Grundkörper (9) stoffschlüssig (10) verbunden sind. Der Wärmestrom wird somit zwischen der ersten Kontaktfläche (4) und den jeweils zweiten Kontaktflächen (5a, 5b) aufgeteilt. Die getrennte Erfassung der jeweiligen Teil-Wärmeströme erfolgt über die zugehörigen Kontakte zur Spannungsmessungen (6a, 6b).
• In 7b ist das sensitive Element (3) und somit auch der Wärmestrom ebenfalls geteilt. Durch die Auftrennung des Wärmestroms auf zwei oder mehrere sensitive Elemente (3) kann eine ortsaufgelöste Erfassung des Wärmestroms realisiert werden. Diese kann beispielsweise bei der Entwicklung von Kühlkörpern oder Optimierung von Wärmetransportvorgängen Anwendung finden.
• Die Anzahl der verwendeten sensitiven Elemente oder auch der Grundkörper ist hierbei nicht begrenzt. So ist in 7c beispielsweise eine matrixförmige Anordnung von 3 x 3 quaderförmigen sensitiven Elementen (3) auf einem Grundkörper (9) mit quadratischer Kontaktfläche dargestellt. Die Anzahl und Anordnung und Form der sensitiven Elemente (3) als auch des Grundkörpers (9) sind dabei frei wählbar. So sind beispielsweise Anordnungen von Grundkörper mit rechteckiger Kontaktfläche und kreisförmiger Kontaktfläche möglich. Auch die sensitiven Elemente sind in der Form frei wählbar. So können sie beispielsweise zylinderförmig oder stumpfkegeliger Form sein.
• In 8a ist ein abgewinkeltes sensitives Element (3) mit gleichfalls abgewinkelten ersten und zweiten Kontaktflächen (4, 5) des Sensorkörpers dargestellt. Ein solcher Wärmestromsensor eignet sich zur Messung eines Wärmestroms an Ecken von Prüfkörpern. Schließlich zeigt 8b noch einen Wärmestromsensor (11) mit unregelmäßigen (freiform-) Konturen aufweisenden Kontaktflächen (4, 5). Dieser kann vorteilhaft zur Wärmestrommessung an Formkörpern mit unregelmäßigen Kontaktflächen, wie beispielsweise bei topologieoptimierten Festkörpern, verwendet werden.
• Die vorgeschlagene Anordnung zur direkten Messung eines Temperaturgradienten und eines daraus resultierenden Wärmestromes kann vorteilhafter Weise zur Messung des Wärmestroms zwischen zwei festen Körpern verwendet werden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann sie in Festkörpertemperiereinrichtungen, wie beispielsweise Temperaturblockkalibratoren oder Kalibrieröfen, zum Einsatz kommen. Überall da, wo Wärme über Festkörper definiert abgeführt oder zugeführt werden muss, kann die erfindungsgemäße Anordnung mit angepasster Gestaltung ihrer Kontaktflächen verwendet werden. Diese sind beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein:
• • Messeinrichtungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit,
• • Messeinrichtungen zur Bestimmung der Länge
• • Kühlkörper für CPU-Kühler,
• • Bearbeitungsmaschinen (Fräsmaschinen, Präzisionsbearbeitungsmaschinen, ...)
• • Probentemperierung,
• • Wärmetauscher und
• • Wärmemengenerfassung.
• Weiterhin finden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung Verwendung als sensorische Einrichtung innerhalb eines Regelkreises. Es können mit der Anordnung Temperaturgradienten entlang mehrerer verbundener thermischer Ausgleichskörper gemessen und durch geeignete Heizelemente deren Temperatur eingestellt. Dies ist z.B. für Kalibrierzwecke oder zur Untersuchung der Wärmeableitung von Thermometern vorteilhaft.
• Des Weiteren ist es mit Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, einen wärmetransportierenden Festkörper mit einem Sensorkörper in einer Einheit zu fertigen. Infolgedessen kann der Wärmestrom als Regelgröße benutzt werden. Der Wärmestrom zwischen mehreren Prüfkörpern kann nun aktiv auf den Wert Null geregelt werden, was einem Temperaturgradienten von 0 K/m entspricht. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Festkörper ein Kühlkörper ist.
• In 9 ist dazu schematisch die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Sensoreinheit zur Regelung der Kühlung eines Mikroprozessors dargestellt. Der auf einer Leiterplatine befindliche Mikroprozessor ist hier der erste Prüfkörper (1). Auf diesen wird das sensitive Element (3) angeordnet, welches mit einem als Kühlkörper ausgestalteten Grundkörper (9) verschmolzen ist. Das Verschmelzen von Grundköper (9) und sensitivem Element (3) resultiert in deren stoffschlüssiger Verbindung (10). Aufgrund dieser robusten, stoffschlüssigen Verbindung kann das sensitive Element (3) mit dem Grundkörper (9) gemeinsam mechanisch bearbeitet werden und somit in einer Einheit hergestellt werden. Die Regelgröße der Heizleistung (12) wird hier durch einen Lüfter übernommen. Dabei ist es vorteilhaft eine möglichst große Kühlung des ersten Prüfkörpers (1) (Mikroprozessor) zu erzielen. Dafür wird eine Maximierung des an den Kontakten zur Spannungsmessung (6) gemessenen Signals angestrebt, da dies mit einem maximalen Wärmestrom (7) vom ersten Prüfkörper (1) zum Grundkörper (9) einhergeht. Durch die Verwendung dieses Wärmestromsensors lässt sich der vom Prüfkörper (1) über die Kontaktfläche (4) in den Wärmestromsensor und über die Kontaktfläche (5) an den Prüfkörper (2), die Umgebung, übertragene Wärmestrom direkt erfassen. Es lässt sich somit eine direktere Regelung, als bei der Verwendung von Thermometern erreichen. Eine vorausschauende Regelung des Wärmestroms ist ebenso umsetzbar.
• Bezugszeichenliste

1

erster Prüfkörper

2

zweiter Prüfkörper

3

sensitives Element

4

erste Kontaktfläche des Wärmerstromsensors

5

zweite Kontaktfläche des Wärmestromsensors

6

Kontakte zur Spannungsmessung

7

Wärmestrom, wenn Temperatur des ersten Prüfkörpers größer als Temperatur des Wärmestromsensors

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Wärmestrom, wenn Temperatur des Wärmestromsensors größer als Temperatur des ersten Prüfkörpers

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Grundkörper

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stoffschlüssige Verbindung

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Wärmestromsensor (Sensorkörper oder Anordnung)

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Regelgröße Heizleistung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10129105 B4 [0005, 0006]
• DE 102012217535 A1 [0007]
• DE 19804487 A1 [0008]
• US 6821015 B2 [0009]
• WO 9919702 A1 [0013, 0014]

Claims (12)

1. Anordnung zur direkten Messung eines Temperaturgradienten und eines daraus resultierenden Wärmestromes zwischen zumindest einem ersten Prüfkörper (1) und zumindest einem zweiten Prüfkörper (2) umfassend zumindest ein sensitives Element (3), welches aus einem Material mit anisotropen thermoelektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Anordnung (11) mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kontaktfläche (4, 5) aufweist und wobei der mindestens eine erste Prüfkörper (1) über eine Kontaktfläche mit der mindestens einen ersten Kontaktfläche (4) und der mindestens eine zweite Prüfkörper (2) über eine Kontaktfläche mit der mindestens einen zweiten Kontaktfläche (5) thermisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element (3) ein Schichtaufbau aus Materialien mit thermoelektrischen Eigenschaften ist und die mindestens eine erste Kontaktfläche (4) in ihrer Form und / oder Größe und / oder Raumausrichtung verschieden von der mindestens einen zweiten Kontaktfläche (5) ist und die Kontaktflächen (4, 5) der Anordnung (11) derart ausgebildet sind, dass sie die jeweiligen Kontaktflächen der Prüfkörper (1, 2) vollflächig kontaktieren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element (3) aus geschichteten Materialien aus der thermoelektrischen Spannungsreihe ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element (3) aus geschichteten Materialien der Klassen Metall, Metalllegierung oder Halbleiter ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des sensitiven Elements (3) verschiedene Dicken und Raumausrichtungen aufweisen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine sensitive Element (3) stoffschlüssig mit mindestens einem Grundkörper (9) verbunden ist und mindestens eine Kontaktfläche des mindestens einen Grundkörpers (9) mindestens eine erste und / oder zweite Kontaktfläche (4, 5) der Anordnung (11) ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie monolithisch ist und als Verbund anwendungsspezifisch gefertigt und bearbeitet wird.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei sensitive Elemente (3) umfasst, die stoffschlüssig mit mindestens einem Grundkörper (9) verbunden sind.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine sensitive Element (3) mehrere erste Kontaktflächen (4) und / oder mehrere zweite Kontaktflächen (5) aufweist, die jeweils die Kontaktflächen von mehreren ersten Prüfkörpern (1) und / oder mehreren zweiten Prüfkörpern (2) vollflächig kontaktieren.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kontaktfläche der Anordnung (11) nicht eben ausgeführt ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Prüfkörper ein fester Körper und ausgewählt aus einer der Klassen Metall, Halbmetall, Glas oder Keramik ist.
11. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Festkörpertemperiereinheit zur direkten Messung des Wärmestroms zwischen zwei festen Prüfkörpern (1, 2).
12. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als sensorische Einheit innerhalb eines Regelkreises.

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