DE1590679C - In ein Gefäß eingeschlossener Heißleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen in ein Gefäß eingeschlossenen Heißleiter mit einer Anordnung zur Beeinflussung seines Temperaturverhaltens.

Man hat bei solchen Heißleitern schon auf ver- as schiedene Weise das Temperaturverhalten beeinflußt, z. B. durch zusätzliche elektrische Beheizung des Heißleiters (vgl. die deutsche Patentschrift 838 337) oder andererseits durch zusätzlichen Wärmeentzug mit Hilfe besonderer Wärmeableitkörper (vgl. die deutsche Patentschrift 684 886).

Heißleiter — auch wenn sie mit einer der vorstehend erwähnten Anordnungen zur Beeinflussung des Temperaturverhaltens versehen sind — haben jedoch den Nachteil, von der Umgebungstemperatur abhängig zu sein. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem in ein Gefäß eingeschlossenen Heißleiter eine Anordnung zur Beeinflussung des Temperaturverhaltens von solcher Art zu wählen, daß die Strom-Spannungs-Kennlinien innerhalb eines bestimmten Widerstandsbereiches von der Umgebungstemperatür unabhängig sind.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß erfindungsgemäß das Gefäß ein Gemisch von Gasen mit einem Druck unterhalb des Atmo-Sphärendrucks enthält, von denen ein Gas im Bereich der Betriebstemperaturen des Gefäßes kondensierbar ist, das beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur an der Innenwand des Gefäßes teilweise kondensiert und beim Überschreiten dieser Temperatur wieder verdampft.

Die Abhängigkeit der gaskinetischen Kühlung eines Heißleiterelementes von der Dichte der ihn umgebenden Gasatmosphäre ist in anderem Zusammenhang ^l bekannt; sie ist beispielsweise schon benutzt worden, um in evakuierten Räumen den Restgasdruck zu bestimmen (vgl. die Firmendruckschrift »Technical Information Bulletin 'Matronics', Nr. 20, Oktober 1962, der N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, S. 400 ff.).

Vorteilhafterweise besteht das kondensierbare Gas aus Wasserdampf.

Der der Erfindung zugrunde liegende Wirkungs-. mechanismus soll im folgenden an Hand der Zeichnung genauer erläutert werden. In den Figuren der Zeichnung ist folgendes wiedergegeben:

F i g. 1 ist ein Schnittbild eines in ein Gefäß eingeschlossenen Heißleiters;

W= Ki-{Ta- T₀)

(Ta-T₀) + Kr-(Ta*-T₀*)

Hierin ist

W die elektrische Leistung die dem Heißleiterelement 1 zugeführt wird;

K₁ die Wärmeleitfähigkeit der Drahtelektrodenstücke 3 (eine Konstante, die durch das Material und die Abmessungen der Drahtelektrodenstücke gegeben ist);

Kg eine Konstante, die durch die Art des Gases in dem Gefäß 2 und die Abmessungen des Heißleiterelements 1 gegeben ist;

K_r der Wärmestrahlungskoeffizient ( eine Konstante, die durch die Größe der Oberfläche des Heißleiterelements gegeben ist);

N₀ die Anzahl der Gasmoleküle in dem Gefäß 2;

Ta die Temperatur des Heißleiterelements;

T₀ die Umgebungstemperatur.

Bei einer herkömmlichen Heißleiteranordnung dieser Art ist im allgemeinen ein gewisser Gasrest vorhanden, der nicht durch die Gefäßinnenwandung adsorbiert wird. Vielfach ist der Heißleiter auch in ein Gefäß eingeschmolzen, in dem ein besonders gutes Vakuum dadurch hergestellt worden ist, daß auch die an der Innenwandung des Gefäßes adsorbierten oder okkludierten Gasreste nach entsprechender Temperaturerhöhung abgesaugt wurden. Bei einer solchen Anordnung ändert sich, wie in F i g. 2 dargestellt ist, die zu einer bestimmten Stromstärke / gehörige Ausgangsspannung V ziemlich stark, wenn sich die Umgebungstemperatur T₀ ändert, da Ki und K_r in der oben angegebenen Gleichung Konstante sind, die durch den Aufbau bestimmt sind, während K_g und N₀ Konstante sind, die durch die Höhe des Vakuums und die Art der Restgase bestimmt sind und daher ebenfalls ungeändert bleiben, solange der das Heißleiterelement durchfließende Strom konstant ist. Auf diese Weise ergibt sich die in F i g. 2 wiedergegebene Kennlinienschar mit der Umgebungstemperatur als Parameter.

Dadurch, daß das in das Gefäß eingeschlossene kondensierbare Gas die Eigenschaft hat, an der Gefäßinnenwandung nach Maßgabe von deren Temperatur zu kondensieren, so daß es je nach der Umgebungstemperatur an der Gefäßinnenwand mehr

oder weniger adsorbiert bzw. desorbiert wird, wird eine erhebliche Verminderung der Kennlinienverlagerung bewirkt. Ändert sich die Anzahl N₀ der im Gefäß frei vorhandenen Gasmoleküle, so ändert sich praktisch die Höhe des Vakuums im Gefäß, und damit tritt eine entsprechende Änderung der Wärmebilanz im gewünschten Sinne ein.

Dieser Wirkungsmechanismus soll im folgenden an Hand der oben angegebenen Formel des Näheren erläutert werden:

Befindet sich das Heißleiterelement auf einer festen Temperatur T_a, während die Umgebungstemperatur T₀ steigt, dann wird das erste und ebenso das dritte Glied auf der rechten Seite der Gleichung kleiner, aber das Feuchtigkeit von 70 % bei einer Temperatur von 20° C eingeschlossen, und zwar bei F i g. 3 A unter einem Druck von 3 ■ 10~^z Torr, bei F i g. 3 B unter einem Druck von 4 · 10~² Torr und bei F i g. 3 C unter einem Druck von 5 · 10~² Torr. Der optimale Druck ist jeweils abhängig von der Art des einzuschließenden kondensierbaren adsorptiven Gases, bzw. bei Verwendung von H₂O vom Feuchtigkeitsgrad und der Temperatur der Luft zum Zeitpunkt ihrer Einführung, ίο Deshalb sind hier nur einige Beispiele gegeben. Wie

. aus der oben angegebenen Gleichung hervorgeht, entsprechen die Kennlinien der Fig. 3A, 3B und 3C speziellen Gegebenheiten bezüglich des Materials, der Länge und Dicke sowie der Wärmeleitfähigkeit

zweite Glied wird größer, da das an der Innenwand 15 der Elektrodendrähte, ferner des Strahlungskoeffi

des Gefäßes adsorbierte Gas freigegeben wird, womit sich die Zahl JV₀ der freien Gasmoleküle erhöht. Somit neigt die Summe der Glieder auf der rechten Gleichungsseite trotz der Erhöhung der Umgebungstemperatur T₀ dazu, konstant zu bleiben. Ist besondere die Abnahme des ersten und des dritten Gliedes insgesamt gleich der Zunahme des zweiten Gliedes, dann ist der Wert der Gleichung auch bei einer Änderung von T₀ völlig konstant.

Wenn dagegen die Umgebungstemperatur T₀ sinkt, dann wachsen das erste und das dritte Glied der Gleichung an, aber die adsorbierbaren Gasmoleküle werden durch Taupunktsunterschreitung an der Gefäßinnenwand adsorbiert. Die Zahl N₀ sinkt; es verringert sich das zweite Glied der Gleichung, und die Summe der auf der rechten Seite der Gleichung stehenden Glieder bleibt praktisch konstant ebenso wie im Falle eines Ansteigens der Umgebungstemperatur T₀.

zienten K_r (der von der Größe des Heißleiterelementes abhängt), der Anzahl N₀ der freien Gasmoleküle im Gefäß (die mit der Höhe des Vakuums und dem Gefäßvolumen im Zusammenhang steht), und des Grades ms- 20 der Adsorption des Gases (die von der Art und der Flächengröße der Gefäßinnenwandung und der Art des eingeschlossenen Gases abhängig ist).

Im einzelnen wurden bei den Heißleiteranordnungen, deren Kennlinien in den Fig. 3A, 3B und 3C wie oben beschrieben dargestellt sind, folgende apparative Bedingungen gewählt:

Material und Abmessungen des Heißleiterelementes: Vanadium-Glas; 0,7 bis 0,8 mm großer Durchmesser, 0,3 bis 0,4 mm kleiner Durchmesser.

Material und Abmessungen des Gefäßes:

Flintglas; 7 mm Außendurchmesser, 5,5 mm Innendurchmesser, 30 mm Länge.

Als kondensierbares adsorptives Gas ist besonders 35 Material und Abmessungen der Elektrodendrähte:

em solches geeignet, das bei normaler Umgebungstemperatur und den im Gefäß herrschenden Partialdruckverhältnissen flüssig ist und eine geeignete Oberflächenspannung aufweist, wie beispielsweise H₂O. Um eine solche Heißleiteranordnung herzustellen, Platin; 10 mm Länge, 0,05 mm Dicke; Widerstandswert bei 25° C 10 kO; B-Konstante 2800 °K.

wird das Gas in dem Gefäß zunächst mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt, wobei das Gefäß auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, um an der Gefäßinnenwand adsorbierte oder okkludierte Gasmoleküle auszutreiben. Dann wird ein

Wie die Fig. 3A und 3B zeigen, wird ein Kennlinienbereich von beträchtlicher Ausdehnung erreicht, in dem praktisch Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur besteht. Die Betriebsverhältnisse müssen dann so gewählt werden, daß in diesem Kennbei dem Mittelwert des 45 linienbereich gearbeitet wird.
Gefäßinnendruckes im Bereich der Betriebstempera- Wie man sieht, ist bei der Kennlinienschar der

türen des Gefäßes kondensierbares Gas (also beispiels- F i g. 3 C die aus der F i g. 2 ersichtliche, bei herweise H₂O-Dampf) in das Gefäß eingeführt, so daß es kömmlichen Heißleitern gegebene Abhängigkeit von an der Innenwandung adsorbiert wird. Sobald die der Umgebungstemperatur in einem bestimmten BeAdsorption beendigt ist, wird das Gefäß erneut teil- 5° reich so abgewandelt worden, daß die jeweils höheren evakuiert; die Höhe des Vakuums wird auf den Widerstandswerte — umgekehrt wie bei F i g. 2 — gewünschten Wert eingestellt, und dann wird das bei höheren Umgebungstemperaturen gegeben sind.

Gefäß von der Vakuumpumpe abgetrennt. Um H₂O-Moleküle einzuführen, kann auch Luft von geeigneter Feuchtigkeit eingeleitet werden.

Die F i g. 3 A, 3 B und 3 C zeigen Kennlinienscharen von Heißleiteranordnungen, die auf diese Weise hergestellt wurden. Es wurde jeweils Luft mit einer Auch eine solche Heißleiteranordnung bedeutet jedoch einen technischen Fortschritt; denn sie ermöglicht ihrerseits wieder spezielle Kompensationsschaltungen, insbesondere in Verbindung (z. B. in Reihenschaltung) mit einem nicht temperaturkompensierten herkömmlichen Heißleiterelement.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. In ein Gefäß eingeschlossener Heißleiter mit einer Anordnung zur Beeinflussung seines Temperaturverhaltens, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß ein Gemisch von Gasen mit einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks enthält, von denen ein Gas im Bereich der Betriebstemperaturen des Gefäßes kondensierbar ist und beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur an der Innenwand des Gefäßes teilweise kondensiert und beim Überschreiten dieser Temperatur wieder verdampft.

2. Heißleiteranordnung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kondensierbare Gas aus H₂O besteht.

F i g. 2 zeigt eine Schar von Strqm-Spannungs-Kennlinien einer herkömmlichen Heißleiteranordnung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen,

Fig. 3A, 3B und 3C zeigen Scharen von Strom-Spannungs-Kennlinien einer erfindungsgemäßen Heißleiteranordnung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen. ..

In F i g. 1 ist ein Heißleiterelement 1 aus Vanadiumglas zwischen den Enden zweier Drahtelektroden 3

ίο aus Platin angeschmolzen. Diese Drahtelektroden sind ihrerseits mit zwei aus einem Draht mit Kupfermantel bestehenden Zuführungsleitungen 4 verschweißt, die in ein Glasgefäß 2 vakuumdicht eingeschmolzen sind. Die Länge der Platindrahtelektroden 3 ist mit / bezeichnet.

Ein durch das Heißleiterelement 1 fließender Strom erhöht dessen Temperatur über die Ausgangstemperatur (Umgebungstemperatur) T₀, und es stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur T_a ein. Für diesen Gleichgewichtszustand gilt folgende Beziehung: