DE3237912C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Wärmestromsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Wärmeströme, z. B. durch Trennwände, lassen sich vorteilhaft mit thermoelektrischen Wärmestromsensoren folienartiger Bauform messen. Dabei müssen derartige Wärmestromsensoren im allgemeinen einen guten thermischen Kontakt mit der zu messenden Trennwand besitzen, was z. B. durch Aufkleben, Andrücken oder Einbetten erfolgen kann.

Ein beispielsweise aus "Arch. Wärmewirtschaft", 1924, Seite 9 (E. Schmidt: Die Messung von Wärmeverlusten im Betriebe) bekannter thermoelektrischer Wärmestromsensor 1 wird gemäß Fig. 1 der Zeichnung durch eine auch als Hilfswand bezeichnete wärmeleitende Trägerschicht sowie durch beidseitig auf dieser aufgebrachte Thermoelemente 4a und 4b zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen einer Vorderseite 5 und einer Rückwand 6 der Trägerschicht bzw. Hilfswand gebildet. Die Thermoelemente 4a und 4b sind in Differentialanordnung thermisch parallel und elektrisch in Serie geschaltet. Eine feuchtigkeitsundurchlässige Beschichtung, z. B. beidseitig überlappend geklebte Schutzfolien 7a und 7b, bildet einen äußeren Abschluß. Der thermoelektrische Wärmestromsensor ist dabei, wie bereits ausgeführt, an einer zu messenden Trennwand 2 angebracht.

Der im allgemeinen kalibrierte Wärmestromsensor liefert eine Meßspannung als Meßgröße eines ihn durchfließenden Wärmestromes, der in Fig. 1 durch einen mit q bezeichneten Pfeil angedeutet ist. Da ein einziges Differentialthermoelement nur eine sehr geringe Meßspannung liefert, ist es günstig, möglichst viele (z. B. einige 100) solcher Differentialthermoelemente in Serie anzuordnen, um eine ausreichend hohe Meßspannung zu erhalten und diese mit einem relativ einfachen und daher billigen, im übrigen leicht zu handhabenden und leicht zu transportierenden Meßgerät messen zu können.

Ein weiterer thermoelektrischer Wärmestromsensor mit ebenfalls nur einem einzigen Differentialthermoelement ist aus der US-PS 47 79 994 bekannt. Dieser Sensor ist durch Aufdampfen bzw. Epitaxie mehrerer Schichten auf ein festes Substrat gebildet. Hinsichtlich der Größe der von diesem Sensor abgegebenen Meßspannung gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend.

Zur Herstellung einer Vielzahl von in Serie geschalteten Differentialthermoelementen kann in vorteilhafter Weise ein galvanisches Verfahren zur Herstellung lötkopffreier Thermoelemente verwendet werden, wie es aus einer Arbeit von W. L. Lustig und J. S. Kammerer: Folien-Wärmestrom- Messer für technische und physiologische Untersuchungen in "Ges.-Ing.", 76 (1955), Seiten 289 bis 293 bekanntgeworden ist.

Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Thermoelemente nicht durch Kontaktieren zweier verschiedener, im folgenden mit A und B bezeichneten Thermomaterialien, sondern durch teilweisen galvanischen Auftrag des Materials B auf das Material A hergestellt, wobei die so entstandene Materialkombination im folgenden mit BA bezeichnet wird. Bei richtiger Auswahl und Dimensionierung hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstandes und des Querschnittes beider Thermomaterialien A und B erreichen die thermoelektrischen Eigenschaften des Materials BA nahezu die des Materials B. Als Material A kann beispielsweise Constantan und als Material B beispielsweise Kupfer Verwendung finden.

Zur Herstellung der Vielzahl von in Serie geschalteten Diifferentialthermoelementen mit Hilfe des vorstehend genannten Verfahrens sind zwei Herstellungsschritte erforderlich, die im folgenden an Hand von Fig. 2 der Zeichnung erläutert werden:

Gemäß Fig. 2 ist eine mäanderförmig eingeschnittene Trägerschicht bzw. eine Hilfswand 3 vorgesehen, bei der durch die mäanderförmigen Einschnitte Stege 8 entstehen.

Im ersten der beiden vorgenannten Herstellungsschritte wird das Material A so auf die Trägerschicht bzw. die Hilfswand 3 aufgebracht, daß es in Leiterrichtung abwechselnd die Vorder- und Rückseite der Trägerschicht bzw. Hilfswand tangiert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Stege 8 der Trägerschicht bzw. Hilfswand 3 mit Material A in Form eines Flachdrahtes 9 umwickelt werden.

Im zweiten Herstellungsschritt muß das Material A auf der Vorder- und Rückseite der Trägerschicht bzw. Hilfswand 3 partiell so mit Schutzlack 10 gegen unerwünschten galvanischen Auftrag des Materials B geschützt werden, daß nach dem Galvanisieren in Leiterrichtung abwechselnd durchgehende Leiterstücke aus Material A und solche aus Material BA von der Vorder- zur Rückseite der Hilfswand entstehen. Übergänge 11 zwischen Material A und Material BA müssen dabei eindeutig auf der Vorder- oder Rückseite der Trägerschicht bzw. der Hilfswand liegen.

Bisher wurde im ersten Herstellungsschritt eine Wickeltechnik angewandt, d. h., auf einen flachen oder zylindrischen Träger (der später die Funktion der Trägerschicht bzw. Hilfswand übernimmt) wurde ein Flach- oder Runddraht auf Thermomaterial gewickelt.

Eine solche Wickeltechnik hat den Nachteil, daß es mechanisch schwierig und aufwendig ist, bei einer flachen Trägerschicht bzw. Hilfswand 3 eine hohe Thermoelementdichte zu erzielen.

Wird gemäß Fig. 3 ein zylindrischer Träger 12 verwendet, so ergibt sich der Nachteil, daß die Dicke der Trägerschicht bzw. Hilfswand, zu der der zylindrische Träger 12 in die Form einer archimedischen Spirale 13 gebracht wird, größer als beim flachen Träger gemäß Fig. 2 wird. Dies ist meßtechnisch ungünstig.

Darüber hinaus ergeben sich bei der Wickeltechnik für beide Trägerformen nach den Fig. 2 und 3 Nachteile für die galvanische Behandlung. Da der aufzuwickelnde Draht aus Thermomaterial einen hohen spezifischen Widerstand haben soll, um ihn abschnittsweise durch galvanischen Auftrag eines anderen Thermomaterials thermoelektrisch verändern zu können, müssen Stromzuführungen beim Galvanisieren in kurzen räumlichen Abständen angebracht werden, was bei durchgehend gewickelten Wärmestromsensoren im Sinne der Fig. 2 und 3 zu erhöhtem Aufwand führt.

Schließlich ist noch aus der DE-OS 17 73 155 eine Serienschaltung von Thermoelementen bekannt, die in der dargestellten Konfiguration jedoch keine Messung eines Wärmestromes, sondern nur eine Temperaturmessung ermöglichen. Ein Gewebe, in das die Zuführungsleitungen zu den Thermoelementen eingewebt sind, dient demnach lediglich der elektrischen Isolation und mechanischen Stabilität, jedoch nicht als wärmeleitende Trägerschicht. Die Thermoelemente selbst liegen außerhalb des Gewebes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Wärmestromsensor der eingangs angegebenen Art mit hoher Thermoelementdichte, meßtechnisch günstiger Form der Trägerschicht bzw. Hilfswand und einer einfachen Möglichkeit der galvanischen Behandlung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen Wärmestromsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmestromsensors der vorstehend definierten Art ist in Ausgestaltung des Erfindungsgedankens durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 18 gekennzeichnet.

Weiterbildungen sowohl hinsichtlich des erfindungsgemäßen Wärmestromsensors als auch des Verfahrens zu seiner Herstellung sind in entsprechenden Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand von Fig. 4 näher erläutert. Fig. 4 zeigt dabei eine Aufsicht eines thermoelektrischen Wärmestromsensors in schematischer Darstellung (ohne äußere Schutzfolie):

Gemäß Fig. 4 wird eine Trägerschicht bzw. eine Hilfswand durch eine Vielzahl von parallelen dünnen Streifen 14 gebildet. Es kann sich dabei beispielsweise um beidseitig angeätzte PTFE-Streifen handeln. Diese Streifen 14 bilden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ketten eines Gewebes. Die Streifen werden mit Thermomaterial A in Form eines dünnen Drahtes 15 verwebt, wobei der Draht 15 im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Schuß im Gewebe bildet.

Es ist darauf hinzuweisen, daß Kette und Schuß im Gewebe auch vertauscht werden können, d. h., die Streifen 14 können den Schuß und der Draht 15 die Kette bilden.

Durch die Verwebung verläuft das Material A für die Thermoelemente in Form des Drahtes 15 abwechselnd an einer Vorderseite 5 und an einer Rückseite der Trägerschicht bzw. Hilfswand 6.

Der Draht 15 kann dabei sowohl als Flachdraht in Form eines Bandleiters als auch als Runddraht in Form eines zylindrischen Leiters ausgebildet sein. Als Material für diesen Draht kann Constantan (CUNi) oder NiCR Verwendung finden.

Um Thermoelemente zu erhalten, wird das vorstehend erläuterte Gewebe aus Streifen 14 der Trägerschicht bzw. Hilfswand und des die Materialkomponente A der Thermoelemente bildenden Drahtes 15 in vorgegebenen Bereichen, vorzugsweise beidseitig kongruent und abschnittsweise, durch eine Abdeckung 16, etwa in Form von Klebestreifen oder Photolack, abgedeckt. Anschließend wird Thermomaterial B, vorzugsweise durch galvanische Abscheidung, aufgebracht, wodurch in den nicht von den Abdeckungen 16 bedeckten, freigebliebenen Bereichen Thermomaterial BA entsteht.

Dadurch, daß der Leiter 15 aus Thermomaterial A beim Webvorgang nach jedem Schuß abwechselnd nach links und nach rechts führt, entstehen wie beabsichtigt Differentialthermoelemente, die elektrisch in Serie geschaltet sind. Es wird dabei eine hohe Thermoelementdichte von z. B. 1000 Differenzialthermoelementen pro 150 cm² Sensorfläche erreicht.

Beim Galvanisieren der in Webtechnik hergestellten Wärmestromsensoren kann die Stromzuführung vorteilhaft mit einer einzigen am Rand des Sensors angebrachten Stromklemme 17 erfolgen.

Kernstück eines Wärmestromsensors ist also ein aus vorzugsweise beidseitig angeätzten PTFE- Streifen 14 (Kette) und Flach- oder Runddraht 15 (Con­ stantan oder NiCr) gebildetes Gewebe bzw. eine gewebte Folie, die beispielsweise eine Fläche von 100 · 150 mm² besitzt. Die Streifen 14 haben vorzugsweise eine Dicke von 0,2 mm und eine Breite von 5 mm, während der Draht 15 bei Ausbildung als Flachdraht eine Dicke von 0,07 mm und eine Breite von 1 mm besitzt. Diese gewebte Folie wird mit den Abdeckungen 16 gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Muster in einer Folge Klebstreifen-Lücke-Klebstreifen- usw. beidseitig kongruent gegen unerwünschte galvanische Abscheidung geschützt und mit der Stromklemme 17 kontaktiert. Sodann erfolgt bei Verwendung von Kupfer als Thermomaterial B eine galvanische Abscheidung für ca. 10 min, wobei auf den nicht mit den Abdeckungen 16 versehenen freigebliebenen Bereichen des Gewebes 14, 15 eine Kupferschicht von etwa 10 bis 50 µm entsteht. Diese Kupferschichten sind aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 4 nicht dargestellt.

Nach Entfernung der Abdeckungen 16 wird das Gewebe bzw. die Folie beidseitig mit einer ebenfalls nicht dargestellten, 5 mm überlappenden Außenhaut aus PTFE-Folie von 0,1 mm Dicke versehen. Dies erfolgt beispielsweise durch Verkleben mit Zwei-Komponenten-Epoxidharz in einer beheizten Preßform.

Claims (18)

1. Thermoelektrischer Wärmestromsensor mit einer wärmeleitenden Trägerschicht und mit beidseitig auf der Trägerschicht aufgebrachten Thermoelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht durch eine Vielzahl von Streifen (14) eines wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Stoffes gebildet ist, daß als eine erste Materialkomponente der Thermoelemente ein Draht (15) dient, der mit den die Trägerschicht bildenden Streifen (14) verwoben ist, daß eine zweite Materialkomponente der Thermoelemente, die niederohmiger als die erste Materialkomponente ist, den die erste Materialkomponente bildenden Draht (15) abschnittsweise überdeckt, wobei die Grenzen der Abschnitte so festgelegt sind, daß abwechselnd überdeckte und nicht überdeckte Drahtabschnitte im Drahtverlauf entstehen, die sich stets von der Vorderseite (5) zur Rückseite (6) der Streifen (14) und umgekehrt erstrecken, derart daß Übergänge zwischen den überdeckten und den nicht überdeckten Drahtabschnitten jeweils eindeutig auf der Vorderseite (5) oder der Rückseite (6) der Streifen (14) liegen.

2. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) aus beidseitig angeätztem PTFE bestehen.

3. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) eine Dicke von 0,2 mm und eine Breite von 5 mm besitzen.

4. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (15) als Flachdraht ausgebildet ist.

5. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachdraht (15) eine Dicke von 0,07 mm und eine Breite von 1 mm besitzt.

6. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (15) als Runddraht ausgebildet ist.

7. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (15) aus Constantan (CuNi) oder aus Nickelchrom (NiCr) besteht.

8. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) die Ketten und der Draht (15) den Schuß eines Gewebes bilden.

9. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) den Schuß und der Draht (15) die Ketten eines Gewebes bilden.

10. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Materialkomponente Kupfer ist.

11. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die überdeckten Drahtabschnitte eine Schichtdicke von etwa 10 bis 50 µm der zweiten Materialkomponente tragen.

12. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe eine Abmessung von 100 · 150 mm² besitzt.

13. Thermoelektrischer Wärmestromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente thermisch parallel und elektrisch in Serie geschaltet sind.

14. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Wärmestromsensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Streifen (14) der Trägerschicht und der Draht (15) der ersten Materialkomponente miteinander verwoben werden, daß anschließend Bereiche auf beiden Seiten des entstandenen Gewebes zur Herstellung von nicht mit einer zweiten Materialkomponente überdeckten Drahtabschnitten mit jeweils einer Abdeckung (16) versehen werden und daß anschließend die zweite Materialkomponente auf die verbleibenden Drahtabschnitte aufgebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe in den vorgegebenden Bereichen beidseitig kongruent mit Klebestreifen (16) oder Fotolack abgedeckt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Materialkomponente galvanisch abgeschieden wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kupfer als zweiter Materialkomponente eine galvanische Abscheidung für etwa 10 Minuten erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebestreifen (16) nach dem Aufbringen der Materialkomponente entfernt und sodann beidseitig eine etwa 5 mm überlappende Außenhaut aus PTFE-Folie von 0,1 mm Dicke, vorzugsweise durch Verkleben mit einem 2-Komponenten-Epoxidharz in einer beheizten Preßform versehen wird.