DE2128495C3 - Thermoelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement aus einem Arbeitskörper aus anisotropem einkristallinem Material, der die Form mindestens einer vollen Windung hat und in dem bei Einwirkung eines Temperaturgefälles thermoelektrische Wirbelströme erzeugbar sind.

Ein derartiges Thermoelement kann insbesondere in thermoelektrischen Generatoren sowie als Temperatur- 2s differenz- und Wärmefluß- sowie als Strahlungsenergie-Fühler verwendet werden.

Thermoelemente aus einem Arbeitskörper aus anisotropem einkristallinem Material sind bereits bekannt. Diese Thermoelemente bestehen aus einem rechteckigen Stab aus anisotropem einkristallinem Material, dessen Stirnflächen verschiedene Temperatur aufweisen. Die elektromotorische Kraft (EMK) derartiger Thermoelemente ist dem Verhältnis von Länge zu Dicke des Thermoelements direkt proportional.

Diese bekannten Thermoelemente haben jedoch den Nachteil, daß zur Erzeugung hoher Spannungen (einigen Kilovoll) die Länge des Thermoelement-Einkristalls einige Meter betragen muß, was beträchtlich die Abmessungen dieser Thermoelemente der sie anwendenden Einrichtungen erhöht und meisten? außerhalb der Möglichkeiten der Kristallzüchtungstechnologie liegt.

Es ist ferner ein Thermoelement der eingangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. GB-PS 10 88 764). Dieses bekannte Thermoelement besteht letztlich aus einer Reihenschaltung von einzelnen Thermoelementen zur Bildung einer Thermosäule, so daß verhältnismäßig hohe Spannungen erzielt werden können. Die einzelnen Thermoelemente werden dabei aus demselben anisotropen Einkristall herausgeschnitten und miteinander verbunden. Nachteilig ist jedoch, daß infolge der zahlreichen Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Thermoelementen nicht nur beträchtliche elektrische Leitungsverluste auftreten, ss sondern dieses Thermoelement auch zu einem instabilen Betrieb neigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Thermoelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das diese Nachteile nicht aufweist. (>o

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß der gesamte Arbeitskörper aus einem einzigen anisotropen Einkristall besteht.

Auf diese Weise ist das erfindungsgcniäüe Thermoelement mechanisch fest und betriebssicher. Gleichzei- <>> tig können auch bei kleinen Abmessungen verhältnismäßig hohe Spannungen von einigen Kilovolt erzeugt werden.

Zweckmäßigerweise sind die Windungen in einer Schraubenlinie angeordnet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Beschreibung von einigen Ausführungsbeispieien unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäUen Thermoelements, das in einem thermoelektrischen Generator angeordnet und an eine äußere Last, dargestellt durch einen elektrischen Widerstand, angeschlossen ist (in Gesamtansicht),

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermoelements (in Gesamtansicht),

F i g. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermoelements (in Gesamtansicht),

F i g. 4 eine Windung des Arbeitskörpers des in F i g. 1 wiedergegebenen Thermoelements mit schematischer Darstellung der Richtungslinien der im Thermoelement und durch die äußere Last fließenden thermoelektrischen Wirbelströme (in Draufsicht) und

F i g. 5 eine Windung des Arbeitskörpers der in F i g. 2 und 3 wiedergegebenen Thermoelemente.

Das Thermoelement besteht aus einem Arbeitskörper 1 (F i g. 1 - 3) aus einem anisotropen Einkristall und ist in Form von in einer Schraubenlinie angeordneten Windungen ausgeführt, in welchen unter der Einwirkung eines Temperaturgefälles thermoelektrische Wirbelströme erzeugt werden.

Nach dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die Windungen in einer zylindrischen Schraubenlinie angeordnet und haben eine Toroidform. In diesem Falle wird bei der Anordnung dieses Thermoelements in einem thermoelektrischen Generator, der gleichfalls in F i g. I gezeigt ist, das Temperaturgefälle im Arbeitskörper 1 mittels Heizelementen 2 und Kühlelementen 3 des thermoelektrischen Generators erzeugt. Die Heizelemente 2 und die Kühlelemente 3 sind an der Außenseite des Arbeitskörpers 1 derart angeordnet, daß ihre Symmetrieebenen jeweils auf zwei zueinander senkrechten Durchmessern liegen, die mit den Hauptkristallachsen X] und X2 des Arbeitskörpers I₁ die auf der Längsachse des Arbeitskörpers 1 senkrecht stehen und durch verschiedene Seebeck-Koeffizienten Λι und λ.2 charakterisiert sind, einen Winkel von 45° bilden.

Der Innenraum des Arbeitskörpers 1 ist mit einem elektrischen Isolator 4 aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit der des Arbeitskörpers 1 nahe kommt, gefüllt. Die Windungen des Arbeitskörpers 1, die Heizelemente 2 und die Kühlelemente 3 sind voneinander mittels eines elektrischen Isolators 5 isoliert.

Die thermoelektrischen Wirbelströme werden von dem Arbeitskörper 1 zur äußeren Last, die in der Zeichnung durch einen elektrischen Widerstand 6 dargestellt ist, über Kontakte 7 abgeleitet.

Zur Gewinnung höherer Spannungen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 hat jede Windung des Arbeitskörpers 1 in der zur Längsachse des Arbeitskörpers 1 senkrechten Querschnittfläche die Form eines Ftechteckes mit ungleichen Seiten /und m, wobei eint: (X\) der Hauptkristallachsen einen Winkel ψ mit der längeren Seite /des Rechteckes bildet.

Bei der Benutzung des Arbeitskörpers 1 gemäß F i g. 2 in einem thennoelektrischen Generator wird das Heizelement zur Erzeugung eines Temperaiurgefälles im Arbeitsi<örper I im Inneren und das Kühlelement an der Außenseite des Arbeitskörpers 1 angeorc-iet. ledoch ksnri im Bedarfsfall das Heizelement die Außet?fliUhe des Arbeitskömers I umfassen und das

Kühlelement im Innern desselben untergebracht werden.

Bei der Benutzung des Thermoelements als Strahlungsfühler nach dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 hat jede Windung des Arbeitskörpers 1 in der zur Längsachse des Arbeitskörpers 1 -!entrechten Querschnittsfläche die Form eines Rechteckes, wobei der Umfang dieser Rechtecke von Windung zu Windung abnimmt.

Die Innenfläche des Arbeitskörpers 1 ist in diesem Falle zur Absorption der Strahlungsenergie bestimmt, während die Außenfläche desselben zur Wärmeabführung dient. Der Übersichtlichkeit halber sind die Heizelemente und die Kühlelemente in Fig.2 und 3 nicht gezeigt.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Thermoelements nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist wie folgt:

Es sei eine in F i g. 4 gezeigte Windung des gemäß Fig. 1 ausgeführten Arbeitskörpers 1 betrachtet. Da der Seebeck-Koeffizient des Windungsmattrials anisotrop ist, können in einer ungleichmäßig erwärmten Windung thermoelektrische Wirbelströme entstehen. Ist das durch die Heizelemente 2 und die Kühlelementc 3 in der Windung erzeugte TemperaturgefäHe derart, daß die Temperaturverteilung der Formel

Γ(χ,,.χ₂) = -χ

(D

entspricht, mit

77*i. X2) = Temperatur im Windungspunkt mit den Koordinaten x, und xl die an den Hauplkristallachsen abgelesen werden. __1?

I 7' = maximale Tcmperauirdifferenz in der
Windung,

a = äußerer Windungsradius,

Tn = mittlere Windungstemperatur;

-10

so entstehen im Inneren der Windung thermoelektrische Kreiswirbelströme, deren Dichte mit der Entfernung von der Windungsmitte zunimmt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist, wo eine Richtungslinie 8 des thermoelektrischen Wirbelstromes in der zur Längsach- ^ se des Arbeitskörpers I senkrechten Querschnittsebene der Windung gezeigt ist. Die thermoelektrischen Wirbelströme können zur äußeren Last, die durch ihren elektrischen Widerstand 6 dargestellt ist, über die Kontakte 7 abgeleitet werden. Unter solchen Bedingun- _so gen wird die in einer Windung entstehende EMK E, durch die Formel

ITK -

In

(2)

bestimmt, mit b = innerer Windungsradius.

Ordnet man ^Windungen in einer Schraubenlinie an, so werden die elektromotorischen Kräfte der einzelnen Windungen zu einer Gesamt-EMK E des rhemioelc- i,₀ ments summiert, die der Windungszahl direkt proportional ist:

F. SI.,

I?)

wie dies in einem gewöhnlichen Wechselstromtransformator der Fall ist

Zur Gewinnung hoher Spannungen bei kleineren Abmessungen hat gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Thermoelements (Fig.2) die Windung des Arbeitskörpers 1 die Form eines Rechteckes mit ungleichen Seiten. F i g. 5 zeigt eine Windung solcher Form. Wird das Temperaturgefälle in der Windung von der Außenfläche zur innenfläche derselben (oder in umgekehrter Richtung) gerichtet, wobei die Innen- und Außenfläche zwei verschiedene Teimperaturwerte Ti und Γ2 aufweisen, so fließt in der Windung ein thermoelektrischer Wirbelstrom /, dessen Größe bei einem Winkel φ = 45° durch die Formel

Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Thermoelement nach dem ersten Ausführungsbeispiel die Steigerung der EMK durch Erhöhung der Windungszahl N,

^ ₍₇

Zo I + m

bestimmt wird, mit

d = Windungsbreite,

ρ = spezifischer Widerstand des Materials des Arbeitskörpers 1.

Hierbei ist die in einer Windung entstehende EMK E₁ gleich

-T₂)

mit h = Windungsdicke.

Ordnet man die N Windungen in einer Schraubenlinie an. wie dies Fig. 2 zeigt, so werden die EMK £"1 der einzelnen Windungen summiert, wobei die Gesamt- EMK E des Thermoelements, dessen Innen- und Außenfläche die Temperaturen 71 und7~2 aufweisen, beträgt:

I-m

N(T₁-T₂).

Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Thermoelement nach dem zweiten Ausführungsbeispiel die Steigerung der Spannung durch Erhöhung der Windungszahl N und Vergrößerung des Terms

/ m h '

Die Arbeitsweise des Thermoelements nach dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist die gleiche wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.

Das erfindungsgemäße Thermoelement gestattet es, beträchtliche Spannungen bei geringen Abmessungen zu erhalten. Zum Beispiel ermöglicht das Thermoelement nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, dessen Arbeitskörper I aus einem Material mit .■χι -*; = 320 μν/Grad ausgeführt ist und das die Abmessungen 23 χ 30 χ 3 mm' bei 200 Windungen hat, eine Spannung von über 150 V zu erhalten, die um mehrere hundert Mal höher als die EMK der bekannten eingangs an erster Stelle beschriebenen Thermoelemente mit einem Arbeitskörper aus Aniiiotropmaterial ist. Hierbei hat das erfindungsgemäße Thermoelement keine Lötstellen zwischen den Windungen, die zur gegenseitigen Diffusion, /um Kuivsehluß der Wärmcflüss«. und zur Entstehung von Fremdwirbelströmen in der Nähe der Kontakte führen, was beträchtlich den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der bekannten thermoelektrischen Geräte herabsetzt.

11ic:zn .' IiKm

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Thermoelement aus einem Arbekskörper aus anisotropem einkristallinem Material, der die Form mindestens einer vollen Windung hat und in dem bei. Einwirkung eines Temperaturgefälles thermoelektrische Wirbelströme erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Arbeitskörper (1) aus einem einzigen anisotropen Einkristall besteht

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen in einer Schraubenlinie angeordnet sind.