DE1059993B - Thermoelemente - Google Patents

Description

Das Hauptpatent betrifft ein Thermoelement mit einem gegen atmosphärische Einwirkungen abgeschlossenen halbmetallischen Leiter, bei dem an der heißen Verbindungsstelle zwischen den beiden Leitern ein gegenüber dem Halbleiter chemisch stabiles Zwischenstück angeordnet ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Thermoelemente anzugeben, die besonders für hohe Temperaturen geeignet sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden Schenkel im wesentlichen die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und ihre Länge so gewählt ist, daß beim Erhitzen der heißen Verbindungsstelle die Wärmeausdehnung der Schenkel gleich ist bzw. die des äußeren becherförmigen Schenkels nie größer ist als die des aus der halbmetallischen Legierung bestehenden inneren Schenkels.

Der becherförmige Schenkel ist nach außen durch im wesentlichen starre und gegen hohe Temperaturen unempfindliche Teile aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. aus Glas, abgeschlossen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert, wobei

Fig. 1 die Außenansicht einer Ausführungsform eines Thermoelements gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Stirnansicht des Aggregats nach den Figuren 1 und 2 darstellt.

Das thermoelektrische Element enthält zwei Bauteile 10 und 11. Der Teil 10 besteht vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl und ist nach der dargestellten Ausführungsform im allgemeinen becherförmig. Er setzt sich aus einem hohlen rohrförmigen muffenartigen Teil 10 b, der als äußere Hülle für das Element dient und einem Endteil 10a zusammen, der zweckmäßig an das eine Ende des rohrförmigen Teils 10 b angearbeitet ist, dieses Ende dicht verschließt und als Wärmefühler des Thermoelements dient. Die Teile 10 und 11 sind mechanisch und elektrisch an einem Ende lediglich durch die später beschriebene Kontaktelektrode 12 verbunden, um die heiße Verbindungsstelle für das Thermoelement zu bilden. Wenn der Thermoelementbauteil 10 aus nichtrostendem Stahl oder aus einer Eisenlegierung besteht, kann die Kontaktelektrode 12 gegebenenfalls mit dem Bauteil 10 in einem Stück hergestellt sein. In diesem Fall ist sie mit dem Bauteil 11 z. B. nach einem Anschmelzverfahren verbunden. Der Bauteil 11 ist der negative Leiter, während die Hülle 10 aus nichtrostendem Stahl, die den Teil 11 und die heiße Verbindungsstelle umschließt, als positiver Leiter dienen soll, wenn das Leiterpaar an der heißen Verbindungsstelle erhitzt wird. Die in den Bauteilen 10 und 11 erzeugten Thermospannungen sind gegenüber Platin entgegengesetzt im Hinblick auf . das Tem-

Thermo elemente

Zusatz zur Patentanmeldung M 23755 IVa/21b
(Auslegeschrift 1 049 452)

Anmelder:

Minnesota Mining and Manufacturing
Company,
St. Paul, Minn. (V.St.A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls
und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Ε. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Robert Washburn Fritts, Elm Grove, Wis.,
und Sebastian Karrer, Port Republic, Md. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

peraturgefälle. Sie addieren sich daher in einer Reihenschaltung, die durch einen kalten Verbindungsstift 14, der an der Kontaktelektrode 13 befestigt ist und einen Teil dieser Elektrode bildet, und das kalte Ende der Hülle zustande kommt. Die in der Hülle entwickelte Spannung ist gering im Vergleich zu der des Bauteils 11, weshalb dieses im folgenden als der »aktive« Bauteil bezeichnet wird. Der aktive Bauteil kann aus einer der im Hauptpatent erwähnten Legierungen bestehen.

Der mechanische und elektrische Kontakt zwischen dem Teil 10 und dem aktiven Teil 11 wird sowohl an der heißen Verbindungsstelle als auch an dem kalten Anschlußende des Bauteils 11 durch die Kontaktelektroden 12 und 13 hergestellt. Solche Kontaktelektroden ergeben Kontakte mit geringem thermischem und elektrischem Widerstand und sind gegenüber dem aktiven Teil 11 chemisch beständig. Eisen ist für solche Kontaktelektroden, bei denen der aktive Teil aus einer Blei-Selen- und/oder Tellurlegierung besteht, besonders geeignet.

Die Kontaktelektroden 12 und 13 können entweder durch Druck wirken oder eine feste, z. B. durch Zusammenschmelzen entstandene Verbindung darstellen. Im letztgenannten Falle soll die Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrode eine mechanische Festigkeit haben, die mindestens mit der der halbmetallischen Legierung des Elementes 11 vergleichbar ist.

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Claims (4)

Wie oben erwähnt, werden die Thermoelementteile 10 und 11 zwecks Bildung einer elektrischen Verbindung lediglich an der heißen Verbindungsstelle miteinander verbunden, wobei der Bauteil 11 im übrigen in einem geringen Abstand von der Hülle 10 gehalten wird. Der so entstehende Zwischenraum 15, der am besten in Fig. 2 dargestellt ist, dient dazu, die Bauteile elektrisch gegeneinander zu isolieren und ist vorzugsweise mit einer inerten Atmosphäre gefüllt, um eine Oxydation des aktiven Bauteils 11 zu verhindern. Die Hülle 10 ist mit einer Verlängerung in Form eines Halsteiles 16, vorzugsweise aus Messing, versehen, das hart angelötet ist oder anderweitig am offenen Ende der Hülle befestigt ist und eine äußere kalte Verbindungsstelle des Aggregates darstellt. Eine Haltevorrichtung 21, die den Halsteil 16 umgibt, ist vorgesehen für die Befestigung des Thermoelement-Aggregates und dient außerdem zum Ableiten von Wärme an den kalten Anschlußstellen des Aggregates. Um den Raum 15 von der umgebenden Atmosphäre abzuschließen, sind Verschlußteile in Form eines Glas- oder Metallverschlusses vorgesehen. Sie enthalten ein erstes Mantelglied 170 von der Form, wie sie am besten in Fig. 2 ersichtlich ist, das dicht an dem kalten Anschlußstift 14 befestigt ist, einen zweiten Mantelteil 17 b, der zweckmäßig mit dem Halsteil 16 verbunden ist und einen ringförmigen Glasverschluß 17c. der mit den Außen- und Innenflächen der Mantelteile 17a und 17?) fest verbunden ist, wodurch der Bauteil 11 innerhalb des Hüllengliedes 10 hermetisch abgeschlossen wird. Der vorbeschriebene Verschluß 17 bildet den dichtesten Verschluß, der möglich ist. Er kann sehr hohen Temperaturen widerstehen. Im Idealfall soll die Wärmeausdehnung des Bauteiles 11 und die der Hülle 10 aus nichtrostendem Stahl einander entsprechen. Dies kann nahezu erreicht werden, wenn man den Bauteil 11, die Hülle 10 und ihre Verlängerung 16 mit entsprechenden Abmessungen und aus geeigneten Stoffen herstellt. Es ist jedoch ein genaues Entsprechen der verschiedenen Wärmeausdehnung unter allen Betriebsbedingungen unmöglich und unnötig, da trotz der geringen Zugfestigkeit die halbmetallischen Legierungen einer mäßigen Druckbeanspruchung widerstehen können, wenn sie in der Größenordnung von etwa 70 at bei Raumtemperatur liegt. Ein Bauteil aus einer bestimmten Blei-Selen-Tellur-Legierung, deren Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr 18 · 10—6I0C beträgt, entspricht z. B. nahezu dem einer Hülle aus austenitischem nichtrostendem Stahl, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr 18 · IO-fV0 C beträgt. Die Hülle 10, ihre Verlängerung 16 und der erfindungsgemäße Verschluß ergeben eine Hülle für den inneren, oberen, halbmetallischen Thermoelementteil 11. Die Wärmeausdehnung der Hülle 10 und ihrer Verlängerung 16 einerseits und die des aktiven Bauteiles 11 andererseits, wird also so abgestimmt, daß beim Erhitzen der heißen Verbindungsstelle des Bauteiles die gesamte Wärmeausdehnung des aktiven Teiles 11 mindestens so groß ist wie die der Umhüllung. Ein geringer Unterschied in der Wärmeausdehnung des aktiven Bauteils 11 gegenüber seiner Umhüllung wird als Druck des aktiven Bauteils 11 auf die Hülle aufgefangen. Die dargestellte Ausführungsform umfaßt weiter ein trichterförmiges Klammerglied 18, das zweckmäßig mit dem äußeren Ende des Halsteiles 16 verbunden ist und eine elektrische Verbindung zum äußeren, positiven Teil 19 a eines Kabels 19 der allgemeinen Art, wie es in der USA.-Patentschrift 2 126 564 beschrieben ist, bilden soll. Der innere, negative Teil 19 b der Leitung 19 ist mit dem kalten Anschlußstift 14 und damit mit dem inneren Bauteil 11 über ein biegsames elektrisches Verbindungsstück 20, vorzugsweise aus Kupfer, mit niedrigem thermischem und elektrischem Widerstand von der Form, die am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, elektrisch leitend verbunden. Das biegsame elektrische Anschlußstück 20 erstreckt sich somit zwischen dem Leiter 19 b und dem kalten Anschlußstift 14 und bildet eine Schutzeinrichtung der Kontaktelektrode 13 und des aktiven Bauteiles 11 gegen äußere Kräfte, die auf den Leiter 19 einwirken. Das gesamte vorbeschriebene Aggregat ist vorzugsweise zylindrisch, um die Herstellung von Teilen auf automatischen Maschinen zu erleichtern. Der becherförmig ausgebildete Hüllenteil 10 wird, um ein Eindringen von Sauerstoff durch eine eventuell unvollständige Schweißnaht zu vermeiden, bevorzugt in der heißen Zone angeordnet. Da der elektrische und der thermische Widerstand des Thermoelements von dessen Gestalt sowie von den elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten der Bauteile 10 und 11 abhängig ist, kann eine Beziehung zwischen den Abmessungen eines jeden Bauteils gefunden werden, bei der die höchste thermische Umwandlungsleistung in einem solchen Aggregat erzielt wird. Für Materialien mit gegebenen elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten hängt die Umwandlungsleistung stark von dem Verhältnis der Dicke der Hülle 10 zum Radius des Bauteiles 11 ab. Daher ist es bei Thermoelementen der vorbeschriebenen Art, bei denen die Wärmeleitfähigkeit des halbmetallischen Legierungsbauteiles 11 gegenüber der der Metallhülle 10 niedrig ist, z. B. 0,02 Watt/cm/° C gegenüber 0,261 Watt/cm/° C wünschenswert, daß der Radius des Bauteils 11 gegenüber der Stärke der Hülle 10 groß ist und z. B. das Verhältnis 10 : 1 aufweist. Wie bereits erwähnt, können in Form von Halterungen 21 für das Thermoelement zusätzlich Mittel vorgesehen sein, um die Wärme an den kalten Verbindungsstellen abzuleiten. Was den inneren kalten Anschlußstift betrifft, wird die Wärme durch den Raum 15 zur Hülle 10 sowohl durch Strahlung als auch durch Leitung durch die kalte Anschlußelektrode 14, die biegsame Verbindung 20 und das Thermoelement-Kabel 19 & abgeleitet. So sind die elektrischen Anschlüsse zwischen den Bauteilen so angeordnet, daß ein wirksamer Wärmetransport und eine hohe Umwandlungsleistung erzielt wird. Die LTmwandlungsleistung des Thermoelementes ist angenähert proportional der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Verbindungsstelle. Im Interesse einer hohen Umwandlungsleistung ist es wünschenswert, ein Thermoelement bei einer möglichst großen Temperaturdifferenz zwischen den Anschlußstellen zu betreiben. Das Zusammenbauen der Teile des Thermoelements kann in der im Hauptpatent erwähnten Weise erfolgen. Patentansprüche:

1. Thermoelement nach Patentanmeldung M 23755 IVb/21b, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient besitzen und ihre Länge so gewählt ist, daß beim Erhitzen der heißen Verbindungsstelle die Wärmeausdehnung der Schenkel gleich ist bzw. die des äußeren becherförmigen Schenkels nie größer ist als die des aus der halbmetallischen Legierung bestehenden inneren Schenkels.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hermetische Verschluß der Höhlung des becherförmigen Schenkels (10) durch im wesentlichen starre und gegen hohe Temperatur unempfindliche Teile zwischen dem Anschlußstift (14) des inneren Schenkels und dem äußeren Ende des becherförmigen Schenkels erfolgt, wobei mindestens einer dieser Teile aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

3. Thermoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß Mantelteile (17 a und 17 δ) und eine dazwischen befindliche ringförmige Isoliermasse (17 c) umfaßt, wobei der eine Mantelteil am Anschlußstift und der andere an dem am äußeren becherförmigen Schenkel vorgesehenen Halsteil (16) befestigt ist.

4. Thermoelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermasse aus Glas besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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