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Die
Erfindung betrifft eine Thermosäule,
insbesondere für
eine Spannungsversorgungseinrichtung oder einen Füllstandssensor.
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Ferner
betrifft die Erfindung einen kompletten Füllstandssensor sowie eine Spannungsversorgungseinrichtung
mit einer erfindungsgemäßen Thermosäule.
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Von
verschiedenen Herstellern sind Füllstandssensoren
auf Thermoelementbasis bekannt, die beispielsweise eingesetzt werden
können,
um den Füllstand
des Kraftstoffs in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs zu
messen. Diese bekannten Füllstandssensoren
auf Thermoelementbasis weisen eine Vielzahl von Thermoelementen
auf, die elektrisch hintereinander in Reihe geschaltet sind und eine
langgestreckte, streifenförmige
Thermosäule bilden,
wobei die heißen
Kontaktstellen in einer Reihe übereinander
auf der einen Seite der Thermosäule
angeordnet sind, während
die kalten Kontaktstellen der Thermoelemente ebenfalls in einer
Reihe auf der gegenüberliegenden
Seite der Thermosäule
angeordnet sind. Die einzelnen, jeweils parallel zur Flüssigkeitsoberfläche liegenden Thermoelemente sind
hierbei auf ein Trägermaterial
aufgebracht, wobei es sich beispielsweise um eine Kunststoff-Folie (z.B.
aus Kapton) handeln kann. Darüber
hinaus weisen die bekannten Füllstandssensoren
auf Thermoelementbasis einen Heizleiter auf, der sich neben oder über der
Reihe von heißen
Kontaktstellen der Thermoelemente erstreckt und eine elektrische
Erhitzung der heißen
Kontaktstellen ermöglicht.
Bei einer Bestromung des Heizleiters erwärmen sich die Thermoelemente
unterhalb und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
unterschiedlich.
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So
führt die
Erhitzung durch den Heizleiter bei den in die Flüssigkeit eingetauchten Thermoelementen
zu einer relativ geringen Temperaturdifferenz zwischen den heißen und
kalten Kontaktstellen, da die von dem Heizleiter erzeugte Wärme dort über die gut
wärmeleitfähige Flüssigkeit
weitestgehend abgeführt
wird.
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Bei
den Thermoelementen, die sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden,
wird dagegen nur ein geringer Teil der von dem Heizleiter erzeugten Wärme abgeführt, was
zu einer entsprechend größeren Temperaturdifferenz
zwischen den heißen
und kalten Kontaktstellen führt.
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Die
bekannten Füllstandssensoren
auf Thermoelementbasis erzeugen also im vollständig eingetauchten Zustand,
d.h. bei vollem Tank, eine minimale Thermospannung, wohingegen die
erzeugte Thermospannung bei leerem Tank maximal ist. Aus der von
dem Füllstandssensor
erzeugten elektrischen Spannung lässt sich deshalb in einfacher
Weise der Füllstand
berechnen.
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Besonders
vorteilhaft an diesen Füllstandssensoren
auf Thermoelementbasis ist die automatische Kompensation von Schwan kungen
der Umgebungstemperatur, da die einzelnen Thermoelemente jeweils
nur die Differenztemperatur zwischen kalter und warmer Kontaktstelle
messen, so dass eine Änderung
der Umgebungstemperatur in gleicher Weise auf die heißen und
kalten Kontaktstellen wirkt und deshalb messtechnisch keinen Einfluss
hat.
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Nachteilig
an den vorstehend beschriebenen bekannten Thermosäulen für Füllstandssensoren
ist der komplexe Aufbau und der damit verbundene vergleichsweise
hohe Preis.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen
bekannten Thermosäulen
entsprechend zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Thermosäule gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Die
Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass das Trägerelement
für die
einzelnen Thermoelemente die Form eines langgestreckten Strangs
aufweist. Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Strangs
ist allgemein zu verstehen und umfasst beispielsweise Drähte, Litzen,
Filamente, Fasern, Fäden
und ähnliche
langgestreckte Gebilde.
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Vorzugsweise
weist das strangförmige
Trägerelement
einen runden Querschnitt auf, der vorzugsweise kreisrund ist. Die
Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Querschnitts des Trägerelements
nicht auf runde Querschnitte beschränkt, sondern beispielsweise
auch mit mehreckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitten des
Trägerelements
realisierbar.
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Weiterhin
kann das Trägerelement
wahlweise aus einem Leitermaterial oder aus einem Isoliermaterial
bestehen.
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Ein
elektrisch leitfähiges
Trägerelement
ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der eine Schenkel der einzelnen
Thermoelemente jeweils ganz oder teilweise durch das Trägerelement
gebildet wird, während
der andere Schenkel der einzelnen Thermoelemente durch eine Kombination
(d.h. eine Parallelschaltung) aus dem Trägerelement und einer darauf
aufgebrachten partiellen Leiterschicht besteht.
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Das
Trägerelement
kann dann massiv aus einem Leitermaterial bestehen. Bei einer Fertigung des
Trägerelements
aus einem Isoliermaterial kann die elektrische Leitfähigkeit
jedoch auch dadurch erreicht werden, dass das Trägerelement an seiner Mantelfläche mit
einer Leiterschicht beschichtet ist.
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Ein
elektrisch isolierendes Trägerelement
ist dagegen sinnvoll, wenn das Trägerelement die Thermoelemente
lediglich mechanisch trägt,
ohne selbst Bestandteil der Thermoelemente zu sein. Die Schenkel
der einzelnen Thermoelemente werden dann jeweils durch partielle
Leiterschichten gebildet, die auf die Mantelfläche des Trägerelements aufgebracht sind
und in Axialrichtung unmittelbar aneinander angrenzen und dadurch
eine Reihenschaltung bilden.
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Das
Trägerelement
besteht dann vorzugsweise massiv aus einem Isoliermaterial. Bei
einer Fertigung des Trägerelements
aus einem Leitermaterial kann die elektrische Isolationswirkung
jedoch auch dadurch erreicht werden, dass das Trägerelement an seiner Mantelfläche mit
einer Isolierschicht beschichtet ist.
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Sowohl
bei einem elektrisch leitfähigen
Trägerelement
als auch bei einem elektrisch isolierenden Trägerelement kann das Trägerelement
also wahlweise massiv oder hohl sein. Beispielsweise kann das Trägerelement
ein Rohr oder eine Hohlfaser sein.
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Die
einzelnen Thermoelemente erstrecken sich bei der erfindungsgemäßen Thermosäule jeweils
in Längsrichtung
des Trägerelements,
wobei die beiden Schenkel der einzelnen Thermoelemente jeweils in
Längsrichtung
aufeinander folgen.
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In
einer Variante der Erfindung sind auf die leitfähige Mantelfläche des
Trägerelements
mehrere partielle Leiterschichten aufgebracht, die axial hintereinander
liegen und in Axialrichtung voneinander getrennt sind. Diese partiellen
Leiterschichten bestehen vorzugsweise aus einem anderen Leitermaterial
als das Trägerelement
selbst oder die auf das Trägerelement
aufgebrachte Leiterschicht. In dieser Variante wird also ein Schenkel
der einzelnen Thermoelemente jeweils durch das elektrisch leitfähige Trägerelement
bzw. durch die auf das Thermoelement aufgebrachte Leiterschicht
gebildet, während
der jeweils andere Schenkel der Thermoelemente durch die Kombination
aus der partiellen Leiterschicht und dem Trägerelement bzw. der darauf
aufgebrachten Leiterschicht gebildet wird. Die partielle Leiterschicht
auf dem Trägerelement
bildet hierbei also mit dem Trägerelement
eine Parallelschaltung, die jeweils einen Schenkel der Thermoelemente
bildet.
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In
einer anderen Variante der Erfindung sind auf die vorzugsweise isolierende
Mantelfläche
des Trägerelements
dagegen mehrere partielle Leiterschichten aufgebracht, die axial
hintereinander liegen und elektrisch miteinander verbunden sind,
so dass die einzelnen partiellen Leiterschichten eine Reihenschaltung
bilden. Vorzugsweise wird die elektrische Verbin dung zwischen den
aufeinander folgenden partiellen Leiterschichten dadurch erreicht,
dass diese unmittelbar aneinander angrenzen und einander berühren. In
dieser Variante der Erfindung bilden die einzelnen partiellen Leiterschichten
also jeweils einen Schenkel eines Thermoelements.
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In
beiden Varianten der Erfindung weist die erfindungsgemäße Thermosäule vorzugsweise
noch eine außenliegende
Isolierschicht auf, welche die einzelnen partiellen Leiterschichten
und ggf, die dazwischen liegenden unbedeckten Abschnitte des Trägerelements
abdeckt und dadurch elektrisch isoliert.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Thermosäule mit
den in Axialrichtung hintereinander angeordneten und voneinander
getrennten partiellen Leiterschichten kann wahlweise additiv oder
subtraktiv erfolgen, wie im Folgenden beschrieben wird.
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Bei
der subtraktiven Herstellung der erfindungsgemäßen Thermosäule wird ein Manteldraht bereit
gestellt, der aus einem innen liegenden Draht aus einem ersten Leitermaterial
und einer umgebenden Leiterschicht aus einem zweiten Leitermaterial besteht,
wobei die beiden Leitermaterialien unterschiedlich sind, um ein
Thermoelement bilden zu können.
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Anschließend werden
dann partiell Abschnitte aus der Leiterschicht entfernt, so dass
mehrere partielle Leiterschichten stehen bleiben, die in Axialrichtung
hintereinander angeordnet und voneinander getrennt sind, wie vorstehend
bereits beschrieben wurde.
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Die
partielle Entfernung der Leiterschicht von dem Manteldraht kann
bei dem subtraktiven Herstellungsverfahren beispielsweise durch
selektives chemisches Ätzen
erfolgen, je doch kann die Leiterschicht auch in anderer Weise partiell
entfernt werden.
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Bei
einer partiellen Entfernung der Leiterschicht im Rahmen der subtraktiven
Herstellungsmethode können
die zu erhaltenden Abschnitte der Leiterschicht beispielsweise durch
eine partielle Schutzschicht geschützt werden. Diese Schutzschicht
kann beispielsweise durch Bedrucken, Besprühen oder Rollen auf den Draht
bzw. die umgebende Leiterschicht aufgebracht werden. Alternativ
besteht die Möglichkeit,
dass die Schutzschicht eine galvanisch aufgebracht Schutzschicht
ist, die beispielsweise aus Zinn oder Gold bestehen kann. Die Erfindung
ist jedoch hinsichtlich der Verfahren zum Aufbringen der Schutzschicht
nicht auf die vorstehend genannten Verfahren beschränkt, sondern
auch in anderer Weise realisierbar.
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Darüber hinaus
wird bei auch bei dem subtraktiven Herstellungsverfahren vorzugsweise
im Rahmen eines abschließenden
Bearbeitungsschrittes eine äußere Isolierschicht
auf den Draht aufgebracht, wobei die Isolierschicht ggf. auch den
hohlzylinderförmigen
Leerraum zwischen den aufeinander folgenden partiellen Leiterschichten
und den darauf aufgebrachten Schutzschichten ausfüllt.
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Bei
der additiven Herstellung der erfindungsgemäßen Thermosäule wird die Leiterschicht
dagegen bereits partiell auf den Draht aufgebracht, wodurch der
zusätzliche
Arbeitsschritt der partiellen Entfernung der Leiterschicht wie bei
der subtraktiven Herstellung entfällt.
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Bei
dem additiven Herstellungsverfahren wird vorzugsweise zunächst ein
Strang (z.B. ein Draht, eine Litze, ein Filament, eine Faser oder
ein Faden) bereit gestellt, der eine vollständige Schutzschicht aufweist.
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Anschließend erfolgt
dann vorzugsweise eine partielle Entfernung der Schutzschicht in
mehreren axial hintereinander liegenden und voneinander getrennten
Abschnitten. Die partielle Entfernung der Schutzschicht kann beispielsweise
durch eine Laserbestrahlung, durch Abschleifen, durch Abbrennen oder
durch Entwickeln erfolgen. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich
der Entfernung der Schutzschicht nicht auf die vorstehend genannten
Verfahren beschränkt,
sondern auch mit anderen Verfahren realisierbar.
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In
den axialen Abschnitten, in denen die Schutzschicht partiell entfernt
worden ist, wird dann vorzugsweise eine partielle Leiterschicht
aufgebracht. Das Aufbringen der Leiterschicht kann beispielsweise
durch galvanische Verfahren, durch Bedrucken, Besprühen, Sputtern
oder durch PVD-Verfahren (PVD : Physical Vapour Deposition) oder CVD-Verfahren
(CVD Chemical Vapour Deposition) erfolgen. Die Erfindung ist jedoch
hinsichtlich der Aufbringung der Leiterschicht nicht auf die vorstehend genannten
Verfahren beschränkt,
sondern auch mit anderen Verfahren realisierbar.
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Nach
dem Aufbringen der partiellen Leiterschichten wird dann vorzugsweise
wieder eine äußere Isolierschicht
aufgebracht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Thermosäule kann
die Anzahl der Thermoelemente größer als
100, 250, 500, 750, 1000 oder sogar größer als 5000 sein, was durch
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
ermöglicht
wird.
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Weiterhin
ist zu erwähnen,
dass das Trägerelement
bei der erfindungsgemäßen Thermosäule vorzugsweise
wickelfähig
ist. Das Trägerelement
ist deshalb vorzugsweise plastisch oder elastisch verformbar. Auf
diese Weise ist es möglich,
das langge streckte, strangförmige
Trägerelement
mit den Thermoelementen auf einen Wicklungsträger aufzuwickeln, wobei der
Wicklungsträger
beispielsweise zylindrisch, trommelförmig oder kartenförmig sein
kann. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Form des Wicklungsträgers nicht
auf die vorstehend genannten Formen beschränkt, sondern auch mit anderen Formgebungen
realisierbar.
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Für eine Verwendung
der erfindungsgemäßen Thermosäule als
Spannungsversorgungseinrichtung sind der Wicklungsumfang und die
axiale Länge
der partiellen Leiterschichten vorzugsweise so aufeinander abgestimmt,
dass sich die partiellen Leiterschichten im aufgewickelten Zustand
abwechselnd auf gegenüberliegenden
Seiten des Wicklungsträgers
befinden. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die heißen Kontaktstellen
und die kalten Kontaktstellen der Thermoelemente jeweils auf gegenüber liegenden
Seiten des Wicklungsträgers
befinden und deshalb und deshalb gezielt unterschiedlichen Temperaturen
ausgesetzt werden können.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, wenn der Wicklungsumfang des Wicklungsträgers im
Wesentlichen doppelt so groß ist
wie die Schenkellänge
der einzelnen Thermoelemente bzw. die axiale Länge der einzelnen partiellen
Leiterschichten. Falls nun ein radialer Temperaturgradient zwischen
den gegenüberliegenden
Seiten des Wicklungsträgers
besteht, bewirkt dieser Temperaturgradient die Erzeugung einer Thermospannung
in den einzelnen Thermoelementen, wobei sich die Thermospannungen
der einzelnen Thermoelemente aufgrund der Reihenschaltung addieren,
was zu einer entsprechend großen
Ausgangsspannung führt.
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Bei
einer Verwendung der erfindungsgemäßen Thermosäule als Füllstandssensor ist diese Abstimmung
von Wicklungsumfang des Wicklungsträgers und Schenkellänge der
Thermoelemente dagegen nicht zwingend erforderlich. In diesem Fall
kann die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Kontaktstellen
der Thermoelemente nämlich auch
durch eine Bestromung der Thermosäule entsprechend dem Peltier-Effekt
erzielt werden, wobei die Bestromung entsprechend dem Seebeck-Effekt einen
thermischen Effekt hervorruft.
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Der
im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer partiellen Leiter-,
Schutz- bzw. Isolierschicht bedeutet lediglich, dass die jeweilige
Schicht in axialer Richtung des Trägerelements begrenzt ist. In
den bevorzugten Ausführungsbeispielen
entspricht die Länge
der einzelnen partiellen Schichten der Schenkellänge der einzelnen Thermoelemente.
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Der
ebenfalls verwendete Begriff einer kompletten oder vollständigen Leiter-,
Schutz- bzw. Isolierschicht bedeutet dagegen, dass sich die jeweilige Schicht
in Längsrichtung
des Trägerelements über mehrere
Thermoelemente hinweg erstreckt und vorzugsweise über die
gesamte Länge
der Thermosäule durchgeht.
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Weiterhin
ist zu erwähnen,
dass sich die einzelnen partiellen Schichten nicht notwendigerweise über den
gesamten Umfang des Trägerelements
erstrecken müssen.
Vielmehr ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass sich die partiellen
Schichten nur über
einen Teilbereich des Umfangs erstrecken.
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Darüber hinaus
können
die einzelnen partiellen Leiter-, Schutz- und Isolierschichten wahlweise unterschiedlich
lang sein oder die gleiche Länge
aufweisen. Ferner kann der axiale Abstand zwischen den partiellen
Leiter-, Isolier- oder Schutzschichten konstant oder unterschiedlich
sein.
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Ferner
umfasst die Erfindung einen Füllstandssensor
mit einer derartigen Thermosäule.
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor
kann beispielsweise eingesetzt werden, um einen Füllstand
einer Betriebsflüssigkeit
eines Kraftfahrzeugs zu messen. Beispielsweise kann mit dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor
der Füllstand
des Motoröls,
des Kraftstoffs, der Kühlflüssigkeit
oder der Bremsflüssigkeit
gemessen werden.
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Besonders
vorteilhaft ist jedoch die Verwendung der erfindungsgemäßen Thermosäule in einer Spannungsversorgungseinrichtung
als Spannungsquelle. Die Reihenschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen
ermöglicht
hierbei eine Ausgangsspannung von mehr als 1 V, 2 V, 5 V oder sogar
mehr als 10 V.
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Der
im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer Spannungsversorgungseinrichtung
ist hierbei nicht auf idealisierte Spannungsquellen beschränkt, deren
Innenwiderstand Null ist. Vielmehr umfasst dieser Begriff auch reale
Spannungs- und Stromquellen.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
teilweise Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Thermosäule ohne
eine äußere Isolierschicht,
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1b die
Darstellung aus 1a mit einer äußeren Isolierschicht,
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1c ein
einfaches additives Herstellungsverfahren für die Thermosäule gemäß den 1a und 1b als
Flussdiagramm,
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2a–2d teilweise
Querschnittsdarstellungen einer erfindungsgemäßen Thermosäule in verschiedenen Stadien
eines additiven Herstellungsverfahrens,
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2e ein
Ausführungsbeispiel
eines additiven Herstellungsverfahrens für die erfindungsgemäße Thermosäule gemäß den 2a–2d als Flussdiagramm,
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2f eine
Abwandlung des additiven Herstellungsverfahrens gemäß 2e in
Form eines Flussdiagramms,
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3a–3d teilweise
Querschnittsdarstellungen einer erfindungsgemäßen Thermosäule in verschiedenen Stadien
eines subtraktiven Herstellungsverfahrens,
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3e ein
subtraktives Herstellungsverfahren für die Thermosäule gemäß den 3a–3d in
Form eines Flussdiagramms,
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3f eine
Abwandlung des subtraktiven Herstellungsverfahrens gemäß 3e in
Form eines Flussdiagramms,
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4a eine
teilweise Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Thermosäule mit
einem Draht aus einem elektrisch isolierenden Material als Trägerelement,
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4b eine
Abwandlung der Querschnittsdarstellung aus 4a mit
einem elektrisch leitfähigen
Draht als Trägerelement,
der jedoch mit einer Isolierschicht bedeckt ist,
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5a, 5b verschiedene
Darstellungen einer erfindungsgemäßen Thermosäule, die auf einen Wicklungsträger aufgewickelt
ist,
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6a, 6b perspektivische
Darstellungen einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung,
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7, 8 Querschnittsdarstellungen
von Ausführungsbeispielen
einer erfindungsgemäßen Thermosäule mit
einem elektrisch isolierenden bzw. isolierend beschichteten Trägerelement,
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9, 10 Querschnittsdarstellungen von
Ausführungsbeispielen
einer erfindungsgemäßen Thermosäule mit
einem elektrisch leitenden Trägerelement,
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11 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung mit
einer Thermosäule
zur Spannungserzeugung.
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Die 1a und 1b zeigen
teilweise Querschnittsansichten einer erfindungsgemäßen Thermosäule 1,
die durch ein additives Herstellungsverfahren gemäß 1c hergestellt
wird, wobei 1a ein Zwischenstadium zeigt,
während 1b die
fertige Thermosäule 1 zeigt.
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In
den Zeichnungen werden Leitermaterialien durch einfache schräge Schraffuren
dargestellt, wobei unterschiedliche Leitermaterialien durch verschiedene
Schraffurrichtungen wiedergegeben werden. Isoliermaterialien werden
dagegen in den Zeichnungen durch gekreuzte Diagonalschraffuren dargestellt.
Schließlich
werden Schutzschichten (z.B. für ätztechnische
Verfahren) in den Zeichnungen durch gekreuzte waagerechte bzw. senkrechte
Schraffuren dargestellt.
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Die
Thermosäule 1 weist
ein Trägerelement 2 auf,
das als langgestreckter Draht aus einem Leitermaterial und mit einem
kreisrunden Querschnitt ausgebildet ist.
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Auf
die Mantelfläche
des Trägerelements 2 sind
mehrere partielle Leiterschichten 3, 4 aufgebracht,
die in Längsrichtung
des Trägerelements 2 hintereinander
angeordnet und voneinander getrennt sind. Zur Vereinfachung sind
hierbei nur die beiden partiellen Leiterschichten 3, 4 dargestellt,
jedoch schließen
sich in Längsrichtung
davor und dahinter weitere partielle Leiterschichten an.
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Bei
der weiteren Fertigung der Thermosäule 1 wird eine komplette
Isolierschicht 5 aufgebracht, welche die Thermosäule 1 nach
außen
elektrisch isoliert, wobei die Isolierschicht 5 auch einen
Zwischenraum 6 ausfüllt,
der jeweils axial zwischen den aufeinander folgenden partiellen
Leiterschichten 3, 4 liegt.
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Die
Thermosäule 1 weist
eine Vielzahl von Thermoelementen mit jeweils zwei Schenkeln auf. Der
eine Schenkel der einzelnen Thermoelemente wird hierbei jeweils
durch den Abschnitt des elektrisch leitfähigen Trägerelements 2 gebildet,
der axial zwischen den aufeinander folgenden partiellen Leiterschichten 3, 4 liegt.
Der andere Schenkel der einzelnen Thermoelemente wird dagegen jeweils
durch die Kombination aus der partiellen Leiterschicht 3 bzw. 4 und
dem darunter befindlichen elektrisch leitfähigen Trägerelement 2 gebildet.
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Die 2a bis 2d zeigen
verschiedene Stadien eines Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße Thermosäule 1,
wobei das zugehörige
additive Herstellungsverfahren in 2e in
Form eines Flussdiagramms dargestellt ist.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1a und 1b dargestellten
Ausführungsbeispiel überein,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende
Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile die
selben Bezugszeichen verwendet werden.
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In
dem in 2a dargestellten Stadium des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
wird zunächst
das Trägerelement 2 in
Form eines Drahts aus einem Leitermaterial bereit gestellt, wobei
das Trägerelement 2 vollständig mit
einer Schutzschicht 7 bedeckt ist.
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Anschließend erfolgt
dann eine partielle Entfernung der Schutzschicht 7 in mehreren
Abschnitten 8, 9, wobei die entfernten Abschnitte 8, 9 in
Längsrichtung
des Trägerelements 2 hintereinander
liegen und voneinander getrennt sind. Es bleibt deshalb lediglich
eine partielle Schutzschicht in mehreren Abschnitten 10, 11, 12 übrig, wobei
die stehen gebliebenen Abschnitte 10, 1, 12 der
Schutzschicht 7 in Längsrichtung
hintereinander angeordnet sind und durch die Abschnitte 8, 9 voneinander
getrennt sind. Die partielle Entfernung der Schutzschicht 7 in
den Abschnitten 8, 9 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel
wahlweise durch Laserbestrahlung, Abschleifen, Abbrennen oder Entwickeln.
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Nach
der partiellen Entfernung der Schutzschicht 7 in den Abschnitten 8, 9 werden
dann in den Abschnitten 8, 9 partielle Leiterschichten 13, 14 auf das
Trägerelement 2 aufgebracht,
wobei die Beschichtung des Trägerelements 2 mit
den partiellen Leiterschichten 13, 14 beispielsweise
durch ein galvanisches Verfahren, durch Bedrucken, durch Besprühen oder
durch Sputtern erfolgen kann. Die stehen gebliebenen Abschnitte 10, 11, 12 der
Schutzschicht 7 bewirken hierbei eine axiale Begrenzung der
partiellen Leiterschichten 13, 14.
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Schließlich wird
dann noch eine äußere Isolierschicht 15 aufgebracht,
welche die Thermosäule 1 nach
außen
elektrisch isoliert, wobei die Isolierschicht 15 beispielsweise
durch Besprühen
aufgebracht werden kann.
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2f zeigt
eine Abwandlung des Herstellungsverfahrens gemäß 2e, bei
dem die gestrichelt umrandeten Bearbeitungsschritte zusammen gefasst
sind, indem die Abschnitte 10, 11, 12 der Schutzschicht 7 sofort
partiell aufgebracht werden, so dass auf die anschließende partielle
Entfernung der Schutzschicht 7 in den Abschnitten 8, 9 verzichtet werden
kann. Ansonsten stimmt das Herstellungsverfahren gemäß 2f mit
dem Herstellungsverfahren gemäß 2e überein,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird.
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Die 3a–3d zeigen
verschiedene Stadien eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Thermosäule 1,
die entsprechend dem in 3e dargestellten
Herstellungsverfahren hergestellt wird.
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Zu
Beginn wird zunächst
das Trägerelement 2 in
Form eines Drahts aus einem Leitermaterial bereit gestellt, der
dann komplett mit einer Leiterschicht 16 beschichtet wird,
wobei das Trägerelement 2 und die
Leiterschicht 16 aus unterschiedlichen Leitermaterialien
bestehen, um die Bildung von Thermoelementen zu ermöglichen.
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Anschließend werden
dann auf den aus dem Trägerelement 2 und
der Leiterschicht 16 bestehenden Manteldraht partielle
Schutzschichten 17, 18 aufgebracht, was durch
Bedrucken, Besprühen
oder Rollen erfolgen kann. Die partiellen Schutzschichten 17, 18 sind
hierbei in Axialrichtung des Trägerelements 2 hintereinander
angeordnet und durch einen Zwischenraum 19 voneinander
getrennt, wie aus 3b ersichtlich ist.
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In
dem Zwischenraum 19 wird dann die Leiterschicht 16 partiell
entfernt, was beispielsweise durch Ätzen erfolgen kann. Auf diese
Weise erhält man
die in 3c dargestellte Anordnung.
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Schließlich wird
dann die äußere Isolierschicht 15 aufgebracht,
um die Thermosäule 1 außen elektrisch
zu isolieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel
bildet das Trägerelement 2 zwischen
den partiellen Leiterschichten 13, 14 einen Schenkel
eines Thermoelements, während
die Kombination aus den partiellen Leiterschichten 13, 14 und
dem darunter befindlichen Trägerelement 2 den
anderen Schenkel des jeweiligen Thermoelements bildet.
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3f zeigt
eine Abwandlung des Herstellungsverfahrens gemäß 3e, bei
dem die partiellen Schutzschichten 17, 18 im Rahmen
eines subtraktiven Herstellungsverfahrens aufgebracht werden.
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4a zeigt
eine andere Variante einer erfindungsgemäßen Thermosäule 1, die teilweise
mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen übereinstimmt,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird, wobei für
entsprechende Bauteile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet
werden.
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Eine
Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass das Trägerelement 2 hierbei
nicht aus einem Leitermaterial besteht, sondern aus einem Isoliermaterial.
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Eine
weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass auf die Leiterfläche des Trägerelements 2 axial
hintereinander mehrere partielle Leiterschichten 20, 21, 22 aufgebracht sind,
wobei die partiellen Leiterschichten 20, 21, 22 jeweils
unmittelbar aneinander angrenzen und eine Reihenschaltung bilden.
Darüber
hinaus bestehen die partiellen Leiterschichten 20, 21, 22 hierbei
abwechselnd aus unterschiedlichen Leitermaterialien, so dass zwei
aufeinander folgende partielle Leiterschichten jeweils ein Thermoelement
bilden.
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Das
in 4b dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt teilweise
mit dem vorstehend beschriebenen und in 4a dargestellten
Ausführungsbeispiel überein,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird, wobei für
entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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Eine
Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4a besteht
darin, dass das Trägerelement 2 hier wiederum
aus einem Draht aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Auf
die Mantelfläche
des Trägerelements 2 ist
hierbei eine komplette, in Längsrichtung
durchgehende Isolierschicht 23 aufgebracht. Auf die Mantelfläche der
Isolierschicht 23 sind dann die partiellen Leiterschichten 20, 21, 22 aufgebracht,
wie vorstehend beschrieben wurde.
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Die 5a und 5b zeigen
verschiedene Ansichten eines Wicklungskörpers 24, auf dessen Mantelfläche die
erfindungsgemäße drahtförmige Thermosäule 1 in
spiralförmigen
Bahnen aufgewickelt ist.
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Darüber hinaus
weist diese Anordnung zwei Spannungsabgriffe 25, 26 auf,
an denen eine Thermospannung UTH abgegriffen
werden kann.
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Aus
der Aufsichtsdarstellung in 5a ist weiterhin
ersichtlich, dass die Thermosäule 1 auf
der einen Seite des Wicklungskörpers 24 jeweils
eine partielle Leiterschicht 27 und auf der gegenüberliegenden
Seite des Wicklungskörpers
jeweils einen Zwischenraum 28 zwischen zwei aufeinanderfolgenden
partiellen Leiterschichten 27 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 4a und 4b entspricht
der Zwischenraum 28 dagegen jeweils dem anderen Leitermaterial.
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Der
Wicklungsumfang des Wicklungskörpers 24 ist
deshalb so auf die axiale Länge
der partiellen Leiterschichten 27 abgestimmt, dass die
partiellen Leiterschichten 27 jeweils auf derselben Seite
des Wicklungskörpers 24 liegen.
Dies ist der Fall, wenn der Wicklungsumfang des Wicklungskörpers 24 doppelt
so groß ist
wie die axiale Länge
der partiellen Leiterschichten 27.
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Bei
einem Temperaturgradienten ΔT
zwischen den gegenüberliegenden
Seiten des Wicklungskörpers 24 entsteht
dann in Abhängigkeit
von dem Temperaturgradienten ΔT
die Thermospannung UTH
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Die 6a und 6b zeigen
eine erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung 29 mit
einer erfindungsgemäßen Thermosäule 30, wobei
die Thermosäule 30 in 6b dargestellt
ist und in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt werden
kann.
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Die
Thermosäule 30 ist
hierbei in einem Gehäuse 31 angeordnet,
wobei die Thermosäule 30 in dem
Gehäuse 31 vergossen
sein kann.
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Die
elektrische Kontaktierung der Thermosäule 30 erfolgt durch
zwei Anschlüsse 32, 33,
die aus dem Gehäuse 31 herausgeführt sind
und durch die Enden der abgelängten
Thermosäule 30 gebildet werden.
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Die
Thermosäule 30 ist
hierbei in dem Gehäuse 31 mäanderförmig geführt, so
dass sich an der Oberseite jeweils heiße Kontaktstellen 34 und
an der Unterseite kalte Kontaktstellen 35 der Thermoelemente
befinden. Bei einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Oberseite und
der Unterseite der Spannungsversorgungseinrichtung 29 entsteht
dann zwischen den Anschlüssen 32, 33 eine
Thermospannung, die sich aus der Summe der Thermospannungen der
einzelnen Thermoelemente der Thermosäule 30 ergibt.
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Ferner
zeigen die 7 und 8 Querschnittsansichten
weiterer Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Thermosäule, bei
denen das Trägerelement
elektrisch isolierend (vgl. 8) oder zumindest
mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist (vgl. 7).
Das Trägerelement
bzw. dessen leitfähige
Beschichtung bildet hierbei also selbst keinen Schenkel der einzelnen
Thermoelemente.
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Weiterhin
zeigen die 9 und 10 Querschnittsansichten
weiterer Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Thermosäule, bei
denen das Trägerelement
elektrisch leitfähig
ist, so dass das Trägerelement
selbst einen Schenkel der einzelnen Thermoelemente bildet.
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Schließlich zeigt 11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung 36 mit
einer Thermosäule 37,
die in einem flachen Gehäuse 38 mäanderförmig angeordnet
ist, wobei sich die heißen
Kontaktstellen der einzelnen Thermoelemente auf der linken Seite befinden,
während
sich die kalten Kontaktstellen der Thermoelemente auf der rechten
Seite der Spannungsversorgungseinrichtung 36 befinden.
-
Zur
thermischen Kontaktierung der heißen bzw. kalten Kontaktstellen
weist die Spannungsversorgungseinrichtung 36 beidseitig
Gehäuseteile 39, 40 auf,
die über
eine gute thermische Leitfähigkeit verfügen.
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Das
Gehäuse 38 zwischen
den Gehäuseteilen 39, 40 besteht
dagegen aus einem thermisch isolierenden Material, um keinen thermischen
Kurzschluss zwischen den heißen
und kalten Kontaktstellen der Thermoelemente zu bewirken.
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Die
Enden der Thermosäule 37 sind über zwei
Anschlüsse 41, 42 aus
den Gehäuseteilen 39, 40 herausgeführt, wobei
zwischen den Anschlüssen 41, 42 eine
Thermospannung UTHERMO abfällt, die
von der Temperaturdifferenz ΔT
zwischen den Gehäuseteilen 39, 40 bzw.
zwischen den heißen
und kalten Kontaktstellen der Thermoelemente abhängt.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten von Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb
in den Schutzbereich fallen.
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- 1
- Thermosäule
- 2
- Trägerelement
- 3
- Partielle
Leiterschicht
- 4
- Partielle
Leiterschicht
- 5
- Isolierschicht
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Schutzschicht
- 8,9
- Entfernte
Abschnitte der Schutzschicht
- 10–12
- Stehen
gebliebene Abschnitte der Schutzschicht
- 13,14
- Partielle
Leiterschichten
- 15
- Isolierschicht
- 16
- Leiterschicht
- 17,18
- Partielle
Schutzschichten
- 19
- Zwischenraum
- 20–22
- Partielle
Leiterschichten
- 23
- Isolierschicht
- 24
- Wicklungskörper
- 25,26
- Spannungsabgriffe
- 27
- Partielle
Leiterschicht
- 28
- Zwischenraum
- 29
- Spannungsversorgungseinrichtung
- 30
- Thermosäule
- 31
- Gehäuse
- 32,33
- Anschlüsse
- 34
- heiße Kontaktstellen
- 35
- Kalte
Kontaktstellen
- 36
- Spannungsversorgungseinrichtung
- 37
- Thermosäule
- 38
- Gehäuse
- 39,40
- Gehäuseteile
- 41,42
- Anschlüsse