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Zylindrische Thermosäule aus in Abständen aneinandergereihten ringförmig
ausgebildeten Thermoelementen Die Erfindung betrifft Thermosäulen, die für Wärmepumpen
oder elektrische Generatoren verwendet werden können.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Thermosäule, die aus einer Anzahl
von Thermoelementen mit Gliedern besteht, über die die Wärme zu bestimmten Verbindungsstellen
zwischen Thermoelementen hin- bzw. von anderen Verbindungsstellen zwischen den Thermoelementen
abgeleitet werden kann.
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Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau einer Thermosäule,
deren Fertigung einfach und wirtschaftlich ist, wobei das dazu verwendete thermoelektrische
Material zweckdienlich ausgenutzt wird.
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Es sind bereits Thermosäulen bekannt, die aus in Abständen aneinandergereihten
Thermoelementen bestehen, die abwechselnd aus Materialien mit verschiedenen thermoelektrischen
Eigenschaften hergestellt sind, ringförmig ausgebildet und längs einer gemeinsamen
Mittelachse angeordnet sind. Bierbei sind jeweils zwei aufeinanderfolgende Thermoelemente
durch ein ringförmiges Verbindungsglied aus Elektrizität und Wärme leitendem Material
längs der gemeinsamen Mittelachse verbunden, und die Verbindungsglieder bilden zur
gemeinsamen Mittelachse parallele Rohrabschnitte. Sie umgeben sowohl konzentrisch
eine erste Wärmeübertragungsvorrichtung und stehen mit ihr in wärmeleitender Verbindung
und stehen auch mit einer zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung in wärmeleitender
Verbindung.
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Bei diesen bekannten Thermosäulen sind aber die warmen und kalten
Verbindungsglieder derart an der Innenseite und der Außenseite der aneinandergereihten
Thermoelemente angeordnet, daß jedes Paar ungleichartiger Elemente ;durch eines
der Verbindungsglieder elektrisch verbunden ist und daß alle Elemente elektrisch
in Reihe geschaltet sind. Außerdem sind die einzelnen Thermoelemente voneinander
durch Isolierscheiben getrennt, die sich über die ganze radiale Breite der Elemente
erstrecken. Infolgedessen muß der elektrische Strom jedes Element in radialer Richtung
durchfließen, wodurch der effektive elektrische Widerstand der Thermosäule erhöht
wird und insbesondere übermäßige Joulesche Wärme entwickelt wird, die sich besonders
an Stellen starker Stromdichte bemerkbar macht. Hierbei ist zu beachten, daß die
Stromdichte aller Thermoelemente in der Nähe der inneren ringförmigen Verbindungsglieder
weit höher als in der Nähe der äußeren Verbindungsglieder ist. Ferner muß jedes
Verbindungsglied auf seiner ganzen Ausdehnung nicht nur Wärmeenergie, sondern auch
elektrischen Strom weiterleiten. Auch dies gibt Anlaß zu einer Verminderung der
Kälteentwicklung.
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Andererseits sind thermoelektrische Kühlvorrichtungen in Form einer
Thermosäule bekannt, die aus abwechselnd angeordneten ungleichartigen Thermoelementen
und Verbindungsgliedern bestehen, wobei die Verbindungsglieder jeweils zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Thermoelementen angeordnet sind. Die kalten und die warmen
Verbindungsglieder haben hierbei abwechselnd nach der einen oder anderen Seite der
Thermosäule weisende Fortsätze. Hierbei sind die Thermoelemente und die Verbindungsglieder
quaderförmig ausgebildet. Demgemäß ist diese Thermosäule nicht zum Betrieb von Wärmeübertragungsvorrichtungen
geeignet, die Rohrleitungen zur Durchströmung von wärmeübertragenden Flüssigkeiten
bilden.
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Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Die erfindungsgemäße
Thermosäule, die aus in Abständen aneinandergereihten Thermoelementen besteht, die
abwechselnd aus Materialien mit verschiedenen thermoelektrischen Eigenschaften hergestellt
sind, ringförmig ausgebildet und längs einer gemeinsamen Mittelachse verbunden sind
und wobei die Verbindungsglieder zur gemeinsamen Mittelachse parallele Rohrabschnitte
bilden und sowohl konzentrisch eine erste Wärmeübertragungsvorrichtung umgeben und
mit ihr in wärmeleitender Verbindung stehen als auch mit einer zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung
in
wärmeleitender Verbindung stehen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen
Verbindungsglieder in an sich bekannter Weise jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Thermoelementen angeordnet sind, so daß im Betrieb der elektrische Strom die in
Reihe geschalteten Thermoelemente in Axialrichtung durchfließt, und daß die Verbindungsglieder
in an sich bekannter Weise abwechselnd nach der einen oder anderen Seite weisende
Fortsätze haben, die von den Thermoelementen getrennte Rohrabschnitte bilden.
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Die Thermosäule ist also in bekannter Weise zwischen einem Innenrohr
und einem Mantelrohr angeordnet, durch die Flüssigkeiten zum Wärmetransport geleitet
werden können.
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Die Wirkung eines durch die Reihe der Thermoelemente fließenden elektrischen
Stroms besteht darin, daß Wärme von dem Innenrohr über die Verbindungsglieder zum
Mantelrohr geleitet wird.
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Wird die Thermosäule in einem Generator verwendet, dann wird ein zwischen
Innenrohr und Mantelrohr aufrechterhaltener Temperaturunterschied an die Thermoelemente
gelegt, wodurch in dem Stromkreis, in dem diese Thermoelemente liegen, ein elektrischer
Strom erzeugt wird.
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Die erfindungsgemäße Thermosäule besteht aus einer Vielzahl von Einzelteilen,
jedoch ist die Zahl der voneinander verschiedenen Teile so klein wie möglich gehalten;
sie sind außerdem so geformt, daß ihre Fertigung einfach und ihr Zusammenbau leicht
ist.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe bzw. einer
Kältemaschine, mit einer erfindungsgemäßen Thermosäule; Fig. 2 zeigt eine vergrößerte
Teilansicht der Thermosäule, teilweise im Schnitt, zur Darstellung ihres inneren
Aufbaus-, Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsgliedes und
eines Thermoelementgliedes, wie sie in der Thermosäule nach Fig. 2 .eingebaut sind;
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht entsprechend Fig. 3 eines anderen Verbindungsgliedes
und eines anderen Thermoelementgliedes, wie sie ebenfalls in der Thermosäule verwendet
werden.
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Fig. 1 zeigt das Prinzip einer Wärmepumpe mit einer erfindungsgemäßen
Thermosäule 10, wie sie in Haushaltkühlanlagen, Klimaanlagen oder ähnlichen
; Einrichtungen Verwendung findet. Die Anlage besteht aus zwei Wärmetauschern
11 und 12, die dazu dienen, die Wärme zu absorbieren bzw. abzuleiten.
Ein erstes Wärmeübertragungsmittel durchläuft den Wärmeabsorber 11, angetrieben
durch eine Pumpe 13, die ; die Flüssigkeit auch durch ein Rohr
14, das durch die Mitte der Thermosäule verläuft, treibt. Mit Hilfe der Thermosäule
10 wird die Wärme aus dem durch das Rohr 14 fließenden Strom m eine
zweite Wärmeäbertragungs$üssigkeit geleitet, die sich zwischen der Außenfläche der
Thermosäule und ihrer Umhüllung 15 befindet. Diese zweite Flüssigkeit wird
mit Hilfe der Pumpe 16 durch die Hülle 15 und den Wärmeibleiter
12 geleitet. Bei einer Haushaltskühlanlage )efindet sich im allgemeinen der
Wärmeabsorber 11
nnerhalb des zu kühlenden Raumes, und der Wärmeibleiter
12 ist so angebracht, daß er die Wärme in lie Umgebung des Kühlgehäuses ableitet.
Die Thermosäule 10 wird mit Strom über die Zuleitungen 17 und
18 betrieben.
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Die Einzelheiten des Aufbaus der Thermosäule sind in den Fig. 2,,
3 und 4 ausführlich dargestellt. Sie besitzt die Form eines gestreckten Hohlzylinders,
durch dessen Mitte das Rohr 14 führt. Dieses besteht vorzugsweise aus einem
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer.
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Die übrigen Bestandteile der Thermosäule sind hermetisch innerhalb
einer zylindrischen Verkleidung 19, die konzentrisch um die Röhre 14 angeordnet
ist, eingeschlossen. Der Raum zwischen dem Rohr 14
und Mantelrohr 19 ist mit
Hilfe von Wandmembranen 21 dicht verschlossen. Das Mantelrohr 19 besteht ebenfalls
aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit. Da zwischen dem Rohr
14 und dem Mantelrohr 19 eine Temperaturdifferenz aufrechterhalten wird,
bestehen die Membranen 21 vorzugsweise aus dünnem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit,
wie z. B. rostfreiem Stahl, um den Wärmeübergang von dem wärmeren zu dem kälteren
dieser Teile zu verringern. Die Membranen 21 können mit dem Mantelrohr 19
und dem Rohr 14 verschweißt, verlötet oder auf sonstige Weise flüssigkeitsdicht
verbunden sein.
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Innerhalb des ringförmigen Zwischenraumes zwischen Mantelrohr 19 und
Rohr 14 befindet sich eine Anzahl Therrnoelemente 22. Diese haben vorzugsweise
alle die gleiche Gestalt; im allgemeinen sind sie ringförmig, mit ebener Ober- und
Unterseite ausgeführt. Die Thermoelemente 22 bestehen jedoch abwechselnd
aus zwei verschiedenen thermoelektrischen Materialien, wie z. B. Antimon und Wismut.
Die Thermöelemente mit positiver Thermospannung sind in den Zeichnungen mit dem
Buchstaben P, diejenigen mit negativer Thermospannung mit dem Buchstaben N gekennzeichnet.
Ein elektrischer Strom, der durch eine Verbindungsstelle dieser Materialien in Richtung
von einem N-Material zu einem P-Material fließt, veranlaßt, daß an dieser Verbindungsstelle
Wärme absorbiert wird, d. h., daß an dieser Stelle Abkühlung eintritt. Fließt der
elektrische Strom in entgegengesetzter Richtung von einem P-Material zu einem N-Material,
so wird von der Verbindungsstelle Wärme abgeleitet. Da die Thermoelemente
22 abwechselnd aus N- und P-Material bestehen (Fig. 2), so verursacht ein
durch diese Thermoelemente fließender elektrischer Strom an den zwischen den Thermoelementen
befindlichen Verbindungsstellen abwechselnd Erwärmung und Abkühlung.
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Die elektrischen Verbindungen zwischen zwei benachbarten Thermoelementen
22 bestehen aus einer Anzahl ringförmiger Verbindungsglieder, die in zwei
verschiedenen Arten 23 und 24 vorliegen. Die Verbindungsglieder
23 und 24 leiten sowohl die Wärme als auch den elektrischen Strom
und sind daher aus Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit,
wie z. B. Kupfer oder Aluminium, gefertigt. Bei den größeren Verbindungsgliedern
sind sowohl der Innen als auch der Außendurchmesser größer als die entsprechenden
Abmessungen der kleineren Verbindungsglieder 24. Der Außendurchmesser der
kleineren Verbindungsglieder 24 ist jedoch größer als der Innendurchmesser
der größeren Verbindungsglieder 23, so daß die beiden Arten von Verbindungsgliedern
Teile haben, die sich konzentrisch zur Mittelachse des Rohres 14, die gleichzeitig
Mittelachse der Thermosäule ist, auf einer Ringfläche überdecken.
Diese
sich überdeckenden Teile der Verbindungsglieder 23 und 24 sind zwischen
zwei nebeneinanderliegenden Thermoelementen 22 angeordnet, so daß ein ununterbrochener
Leiter für den elektrischen Strom gebildet wird.
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Die kleineren Verbindungsglieder 24 weisen Teile auf, die an
den kalten Verbindungsstellen zwischen den Thermoelementen 22 angeordnet
sind. .Sie verlaufen durch das Innere dieser Elemente und haben an ihrem Innenrand
zylindrisch ausgebildete Flansche 26, die parallel zur Mittelachse des Rohres
14 verlaufen und dieses Rohr so umkleiden, daß sie in guter Wärmeleitung
mit ihm stehen. Die größeren Verbindungsglieder 23 bilden die wärmeren Verbindungsstellen
zwischen den Thermoelementen 22. Sie haben Teile, die längs des Außenrandes
der Thermoelemente verlaufen. Zylindrische Flansche 27, angebracht am Außenrand
der Verbindungsglieder, verlaufen parallel zur Mittelachse des Rohres
14 und stehen in guter wärmeleitender Verbindung mit dem Mantelrohr 19 der
Thermosäule. Die zylindrischen Flansche 26 und 27 der Verbindungsglieder
bilden vergrößerte Oberflächen zurWärmeübertragung zum Rohr 14 und dem Mantelrohr
19, so daß zwischen den Thermoelementen 22 und den einerseits durch das Rohr
14 und andererseits entlang des Mantelrohres 19 umlaufenden Wärmeübertragungsmitteln
eine gute Wärmeübertragung ermöglicht wird. Es muß jedoch betont werden, daß die
Flansche 26 und 27 jeweils einen geringen Abstand von dem nächsten
gleichartigen Verbindungsglied haben, so daß der durch die Thermoelemente fließende
Strom nicht kurzgeschlossen wird.
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Die Thermoelemente 22 und die ringförmigen Verbindungsglieder
23 und 24 sind von dem Rohr 14 und dem Mantelrohr 19 durch
dünne elektrisch isolierende überzüge 28, aufgebracht auf der Außenwand des
Rohres 14 und der Innenwand des Mantelrohres 19, elektrisch getrennt. Diese überzüge
28 bestehen vorzugsweise aus gutem Isolierlack oder ähnlichen Materialien.
Sie sind so dünn wie möglich aufgetragen, um eine Beeinträchtigung derWärmeübertragung
zwischen den Verbindungsgliedern 23 und 24 und dem Mantelrohr 19 und
dem Rohr 14 herabzusetzen. In der Zeichnung ist die Dicke der 1'Iberzugsschichten
28 absichtlich zur besseren Verdeutlichung übertrieben dargestellt. In Wirklichkeit
brauchen sie nur einige hundertstel Millimeter stark zu sein.
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Die Thermosäule 10 kann ganz leicht zusammengebaut werden. Am besten
werden die Thermoelemente 22 zunächst mit den Verbindungsgliedern 23 und 24 (Fig.
3 und 4) zusammengesetzt. Jedes Element aus dem einen Material, z. B. dem N-Material,
wird mit einem großen Verbindungsglied 23, und jedes Element aus dem P-Material
mit einem kleinen Verbindungsglied 24 verbunden. Diese Verbindung kann durch Weichlöten,
Hartlöten, Verschweißen oder andere Maßnahmen zur Herstellung eines guten elektrischen
Kontaktes zwischen den Elementen und den Verbindungsgliedern gefertigt werden. Eine
Anzahl der beiden in den Fig. 3 und 4 dargestellten Bauteile wird abwechselnd über
das Rohr 14 geschoben, bis die gewünschte Lage erreicht ist. Dann werden die aneinandergrenzenden
Oberflächen der Thermoelemente 22 und der Verbindungsglieder 23 und 24 ebenfalls,
sei es durch Verlöten oder Verschweißen oder ähnliche Verfahren miteinander verbunden.
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Die einzelnen Bauteile können auch mittels geeigneter Vorrichtungen
(nicht dargestellt) fest verklemmt werden, um zwischen jedem Thermoelement und seinen
anliegenden Verbindungsgliedern einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten.
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Danach wird das Mantelrohr 19 über die zylindrischen Flansche 27 der
größeren Verbindungsglieder 23 geschoben. Die elektrischen Zuleitungen 17 und 18
werden mit den letzten Verbindungsgliedern der beiden Rohrenden, vorzugsweise mit
biegsamen Kabeln 29 und 30 verbunden, und die Wandmembranen 21 werden abgedichtet.
Vorzugsweise werden die elektrischen Zuleitungen 17 und 18 mit Hilfe von Einschmelzungen,
z. B. aus Glas, durch die Wandmembranen 21 geführt und von diesen isoliert.
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Der zwischen dem Rohr 14 und dem Mantelrohr 19 befindliche Zwischenraum
wird vorzugsweise durch einen Quetschstutzen 31 nach dem Zusammenbau der Thermosäule
evakuiert, um Oxydation oder andere Verschlechterung der elektrischen Kontakte zwischen
den Thermoelementen 22 und den Verbindungsgliedern 23 und 24 zu vermindern und um
die Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen dem Rohr 14 und dem Mantelrohr 19
zu verringern. Jedes Verbindungsglied besitzt daher mindestens eine öf"inung 32,
um die Luft zwischen den Bauteilen während der Evakuierung durchzulassen.
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Aus der Zeichnung und der Beschreibung des Aufbaus der Thermosäule
10 geht hervor, daß sie eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmeübertragung von und
zu einer Anzahl von Thermoelementen 22 darstellt. Durch die Anordnung der Verbindungsglieder
23 und 24 quer zu den in einer Reihe liegenden Thermoelementen 22
und in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Thermoelementen wird eine Anzahl
von Verbesserungen erreicht.
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Im Gegensatz zu vielen bisher bekannten Thermosäulen befinden sich
die Thermoelemente 22 in räumlichem Abstand von den Wärmeleitern, d. h. dem Innenrohr
14 und dem Mantelrohr 19. Die Wärme wird über die Verbindungsglieder 23 und 24 zu
den Thermoelementen hin- bzw. abgeleitet. Auf Grund dessen wird der Raum zwischen
diesen Wärmeleitern nicht von den Abmessungen der Thermoelemente bestimmt. Vielmehr
kann die Größe der Thermoelemente auf Grund anderer Betrachtungen gewählt werden
und ist unabhängig von dem Abstand zwischen Wärmeabsorber und Wärmeableiter. Weiterhin
ist der elektrische Kreis der erfindungsgemäßen Thermosäule gegenüber dem der bisher
bekannten Thermosäulen dadurch verbessert, daß die Verbindungsglieder 23 und
24 quer zwischen den einzelnen Thermoelementen angeordnet sind. Dadurch wird
erreicht, daß der elektrische Strom nur durch einen kleinen Teil jedes Verbindungsgliedes
23 und 24 fließen muß. Da der elektrische Widerstand eines Körpers proportional
der Länge des Stromweges durch diesen Körper ist, wird er bei der vorliegenden Anordnung
durch den kurzen Stromweg im allgemeinen kleiner sein. Mit anderen Worten, nur die
Teile der Verbindungsglieder 23 und 24, die sich zwischen den Thermoelementen befinden,
leiten den elektrischen Strom, die übrigen Teile dienen nur der Wärmeleitung von
und zu den Elementen.
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Fließt ein elektrischer Strom durch die Thermosäule von der positiven
Klemme 17 zur negativen Klemme 18, dann wird aus dem Rohr 14 Wärme aufgenommen und
durch die Wände des Mantelrohres 19 geleitet. Kehrt man die Stromrichtung um, so
kann auch die Richtung des Wärmestromes umgekehrt verlaufen,
so
daß die Wärme aus dem Mantelrohr 19 absorbiert und in das Rohr 14 abgeleitet wird.
Daher kann die erfindungsgemäße Thermosäule 10 nicht nur als Kältemaschine
nach Fig. 1, sondern auch in ähnlichen Vorrichtungen, bei denen die Funktionen der
Wärmeabsorber 11 und Wärmeableiter 12 vertauscht sind, verwendet werden.
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Die Thermoelemente 22 können dadurch zur Erzeugung elektrischer Energie
angeregt werden, daß man das Rohr 14 und das Mantelrohr 19 auf verschiedenen Temperaturen
hält. Wird beispielsweise das Mantelrohr 19 auf einer höheren Temperatur als das
Rohr 14 gehalten, dann übertragen die Verbindungsglieder 23 und 24 diese Temperaturdiflerenz
auf die Thermoelemente 22. Dadurch entsteht ein elektrischer Strom, der von der
positiven Klemme 17 durch die Thermosäule zur negativen Klemme 18 und dann durch
einen Verbraucher, der an die Thermosäule angeschlossen ist, fließt. Wird das Rohr
14 auf einer höheren Temperatur gehalten als das Mantelrohr 19, dann entsteht durch
die Wirkung der Thermoelemente 22 ein Strom, der in entgegengesetzter Richtung fließt.
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Aus den genannten verschiedenen Anwendungsbeispielen geht daher die
vielseitige Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Thermosäule hervor.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in der
neuartigen Anordnung der einzelnen Bauteile der Thermosäule, die einen angemessenen
Schutz der Verbindungsstellen zwischen den Thermoelementen und den Verbindungsgliedern
gegen Korrosion und sonstige Beeinträchtigung bietet. Dies wird dadurch erreicht,
daß die Thermoelemente 22 in ein abgedichtetes Gehäuse eingebracht werden, so daß
eine unmittelbare Beeinträchtigung durch die die Wärme übertragende Flüssigkeit
oder die Atmosphäre vermieden wird. Trotzdem ist eine angemessene Wärmeübertragung
zwischen Flüssigkeit und Thermoelementen durch die erfindungsgemäße Anordnung der
Verbindungsglieder 23 und 24 gewährleistet.
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Diese Aufgaben werden durch einen wirtschaftlich und fertigungstechnisch
günstigen Aufbau gelöst.