DE3411332A1 - Verfahren zum herstellen eines oberflaechenthermoelementes - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines oberflaechenthermoelementes

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DE3411332A1
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/04Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples the object to be measured not forming one of the thermoelectric materials
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment

Description

  • Verfahren zum Herstellen eines Oberflächen-
  • thermoelementes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenthermoelementes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Zwar sind die im Gattungsteil von Anspruch 1 angesprochenen Oberflächenthermoelemente beispielsweise aus Firmenprospekten der Herstellerfirmen solcher Oberflächenthermoelemente bekannt, jedoch geht aus diesen das Herstellungsverfahren nicht als bekannt hervor. In jedem Fall handelt es sich um Oberflächenthermoelemente, bei denen die beiden elektrischen Leiter konzentrisch ineinander liegen und nur durch eine etwa 12 sm starke Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Im Bereich der Stirnfläche der beiden Leiter ist ein metallischer Belag von etwa 1 >im Stärke aufgebracht, der eine extrem geringe Wärmeträgheit beinhaltet und aufgrund dessen erlaubt, Oberflächentemperaturen bzw. ihre zeitliche Veränderung trägheitsfrei zu messen. Die Isolationsschicht ist nicht nur - wie gesagt - sehr dünn, sondern auch sehr spröde, so daß die beiden koaxial zueinander angeordneten Leiter nicht mehr gebogen#werden können bzw. dürfen, ohne daß eine Verletzungsgefahr für die Isolationsschicht besteht.
  • Die Sprödigkeit des Isolationsmaterials ist mit Rücksicht auf den Temperatureinsatz bei sehr hohen Temperaturen bedingt. Die bekannten Oberflächenthermoelemente sind daher nur als kleine nicht biegbare Stäbchen erhältlich, die für ihren Einbau am Meßort relativ viel Platz benötigen, der häufig aber nicht zur Verfügung steht. Aus diesem Grunde scheitern häufig an sich wünschenswerte Oberflächentemperaturmessungen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Oberflächenthermoelemente ist, daß diese sehr teuer sind, beispielsweise 1.000.-- DM pro Stück. Dieser extrem hohe Preis ist nur dadurch erklärbar, daß bei dem Herstellungsverfahren ein unverhältnismäßig hoher Ausschußanteil anfällt und nur ein sehr geringer Prozentsatz der Produktion brauchbar ist. Überdies sind die bekannten Oberflächenthermoelemente nach einmaligem Gebrauch häufig nicht wiederverwendbar, insbesondere, wenn sie - wie meist der Fall - während einer Oberflächentemperaturmessung verrußen oder sonst sich mit einem Belag oder einer Versrhmutznng überzogen haben. Bei dem Versuch, derartige die Messung beeinträchtigenden festhaftende Verschmutzungen zu beseitigen, wird meist auch der sehr dünne metallische Belag beschädigt. Eine Erneuerung des metallischen Belages selber ist meist illusorisch, weil durch dessen Abtragen Grate an den Rändern der elekrischen Leiter entstehen,die die sehr dünne Isolation überbrücken und dadurch die Meßempfindlichkeit des erneuerten Oberflächenthermoelementes beeinträchtigen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Oberflächenthermoelemente anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, mit welchem also Oberflächenthermoelemente mit geringer Ausschußquote ohne weiteres hergestellt werden können und welches zu Oberflächenthermoelementen führt, die biegsam sind und somit auch in beengten Einbauverhältnissen ohne weiteres verwendbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Das darin angesprochene Mantelthermomaterial ist das übliche Material, was für normale Thermoelemente verwendet wird und welches preiswert als quasi endloses Halbfabrikat in unterschiedlichen Abmessungen im Handel erhältlich ist. Wegen der Verwendung dieses Mantelthermomateriales zu Meßzwecken ist es auch genormt (DIN 43 721), um bei unterschiedlichen Messungen eine gemeinsame Basis zu haben. Dieses Mantelthermomaterial ist nicht nur in koaxialer Ausführung erhältlich, bei dem der eine Leiter koaxial im Innern des anderen röhrchenförmigen Leiters angebracht ist, sondern ist auch in Zweileiterausführung handelsüblich, bei dem die beiden Leiter isoliert zueinander und zu einem weiteren äußeren metallischen Schutzmantel angeordnet sind. Beide Ausführungsarten sind für die vorliegenden Zwecke geeignet. Aufgrund der Pulverisolation und einer relativ großen Isolationsschichtdicke von etwa gleicher Größenordnung wie der Durchmesser der Leiter selber ist ein solches Mantelthermomaterial ohne weiteres wie ein Draht biegbar, ohne daß die Isolation verletzt oder durchstoßen würde. Auch Mehrfachbiegungen sind ohne weiteres zulässig. Aus diesem Grunde ist ein daraus hergestelltes Oberflächenthermoelement auch in beengten Einbauver- hältnissen unterzubringen. Wegen des einfachen Herstellungsverfahrens des Mantelthermomaterials und seines hohen Verbreitungsgrades - es wird zur Herstellung üblicher Thermoelemente benutzt, die jedoch für die Oberflächentemperaturmessung noch zu träge sind - , ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Oberflächenthermoelemente sehr-preiswert, was sich auch auf den Endpreis des herzustellenden Oberflächenthermoelementes günstig auswirkt. Wegen der großen Isolationsstärke zwischen dem Leiter kann diese nicht durch Grate, die beim Planschleifen der Stirnfläche des Mantelthermomaterials entstehen, überbrückt werden. Es läßt sich also mit relativ einfachen Mitteln eine neue einwandfr#eie Stirnfläche anbringen, so daß ein verschmutzter Metallb#lag- auf relativ einfache Weise erneuert werden kann.
  • Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen Fig. 1 ein Mantelthermomaterial in stark vergrößerter Darstellung und den Vorgang des Tränkens der Pulverisolation mit einem Bindemittel, Fig. 2 das mit einer ebenen Stirnfläche versehene Mantelthermomaterial, dessen Isolation im Endbereich zu einem formstabilen Körper ausgehärtet ist und Fig. 3 das fertige Oberflächenthermoelement nach dem Aufbringen eines Metallbelages auf die Stirnseite.
  • In den Figuren ist ein Mantelthermomaterial 1 in Zweileiterausführung mit einem ersten Leiter 2 und einem zweiten Leiter 3 gezeigt, die paralle nebeneinander liegend im Innern eines Mantels 9 angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen den beiden Leitern und dem Mantel 9 ist durch eine Pulverisolation 4 aus Keramikpulver ausgefüllt. Dieses Pulver läßt sich bei Verbiegungen des Mantelthermomaterials zwar deformieren, ist jedoch im Ruhezustand fest genug gepreßt, um nicht frei an einer Trennstelle 10 des Mantelthermomaterials herauszurieseln. Derartige Mantelthermomaterialien sind mit Außendurchmessern D von 0,25 mm bis 2,0 mm und mehr handelsüblich. Die Isolationsstärken k betragen etwa 60% des Durchmessers d der beiden Leiter 2 und 3 bzw. der Wandstärke s des Mantels 9. Diese Relation gilt näherungsweise für alle Durchmesser des Mantelthermomaterials.
  • Zur Herstellung eines Oberflächenthermoelementes wird zunächst eine Trennstelle 10 im Bereich der herzustellenden Oberflächenmeßstelle angebracht, wobei darauf zu achten ist, daß die Deformation des Mantelthermomaterials möglichst gering bleibt und auch möglichst wenig Isolationspulver austritt. Die Pulverisolation wird nun mit einem dünnflüssigen und aushärtbaren Bindemittel getränkt, wobei das Bindemittel durch Kapillarwirkung eine Strecke weit (Maß 1) in das Innere des Mantelthermomaterials axial hineinkriecht. Durch Lufttrocknung, durch Erhitzung oder durch chemische Reaktion kann das Bindemittel aus gehärtet werden, so daß sich in dem durchtränkten Bereich eine formstabile Isolation 7 bildet. Das Bindemittel muß temperaturbeständig bis in den Bereich der Einsatztemperaturen sein; es muß im ausgehärteten Zustand den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie die elektrischen Leiter und der Mantel haben und es muß zumindest im ausgehärteten Zustand elektrisch isolierend wirken. Als ein brauchbares und preiswertes Bindemittel, welches die oben aufgezeigten Eigenschaften bis über 10000C aufweist, ist Wasserglas, eine wässrige Lösung von Natriumsilikat. Andere denkbare Bindemittel sind Kieselgel, organischer Kieselsäureester, z.B. Ethylsilikat, dünnes Kieselsäuregel oder auch eine Zirkonlösung, die anschließend mit einer Phosphatlösung ausgehärtet wird. In Fig. 1 ist das Bindemittel 8 in Form eines winzigen an der Trennstelle 10 hängenden Tropfens dargestellt, der nach kurzem Eintauchen des Mantelthermomaterials in einen Vorrat an flüssigem Bindemittel daran hängengeblieben ist.
  • Nach dem Aushärten des Bindemittels und Bildung einer formstabilen Isolation auf der Länge 1, die mindestens dem Durchmesser D des Mantelthermomaterials, vorzugsweise aber einem Mehrfachen davon entspricht, kännen die durch das Durchtrennen des" Mantelthermomaterials im Bereich der Trennstelle 10 entstandenen Formabweichungen durch Schleifen und ähnliche Feinbearbeitungsvorgänge abgetragen und eine ebene Stirnfläche 5 angebracht werden, in der die beiden Leiter 2 und 3 sowie der Mantel 9 einschließlich der dazwischenliegenden formstabilen Isolation 7 stumpf und zueinander bündig endigen. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Wegen der relativ großen Isolationsstärke k zwischen den beiden elektrischen Leitern 2 und 3 und dem Mantel 9 können die beim Schleifen sich bildenden Grate nicht diese Isolationsstärke überbrücken. Es können daher ohne weiteres feine Schleifmethoden angewandt werden, die eine relativ hohe Abtragsleistung haben.
  • Ausgehend von diesem Zustand wird nun ein metallischer Belag 6 aufgedampft, dessen Bedampfungsstärke b etwa in der Größenordnung von 1 Xum liegt und in Fig. 3 übertrieben stark dargestellt ist. Wegen dieser geringen Schichtdicke ist das Oberflächenthermoelement besonders trägheitsarm.
  • Wegen der leichten Anbringbarkeit der Stirnfläche 5 gemäß dem Zustand in Fig. 2 kann der Metallbelag auch leicht erneuert werden, wenn er einmal verrußt oder auf sonstige Art verschmutzt ist. Das erfindungsgemäße Oberflächenthermoelement kann also nicht nur leicht hergestellt werden, sondern es kann auch bei reproduzierbaren Meßergebnissen leicht erneuert werden.
  • Da die formstabile Isolation 7 nur auf einen kurzen Bereich unmittelbar hinter der Oberflächenmeßstelle beschränkt ist, ist die Flexibilität des Mantelthermomaterials im Bereich hinter dieser formstabilen Isolation wieder voll gegeben. Dadurch läßt sich das Oberflächenthermoelement auch in sehr beengten Platzverhältnissen, beispielsweise in einer dünnen Wandung verlegen, wobei das letzte Stück des Mantelthermomaterials rechtwinklig zur Oberfläche der Wandung abgekröpft werden kann, wobei die Oberflächenmeßstelle bündig zur Wandungsoberfläche liegt. Auf diese Weise lassen sich auch mehrere Oberflächenmeßpunkte mit unterschiedlichen Öberjlächenthermoelementen bestücken.
  • Wegen der hohen thermischen Beitastbarkeit der Isolation 4 bzw. 7 als auch wegen der hohen mechanischen Belastbarkeit können die Oberflächenthermoelemente druckdicht in.
  • die Oberfläche von Wandungen eingelassen werden. Beispielsweise wurden mit derartigen Oberflächenthermoelementen Temperaturmessungen in Brennräumen von Brennkraftmaschinen durchgeführt. Die Druckpulsationen konnten von den Oberflächenthermoelementen, insbesondere auch von der formstabilen Isolation 7 und dem dünnen sie überspannenden Metallbelag 6 ohne weiteres ertragen werden.

Claims (3)

  1. Patentansprüche Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenthermoelementes, bestehend aus zwei elektrisch zueinander isolierten, parallel bis zur Oberflächenmeßstelle verlaufenden elektrischen Leitern unterschiedlich legierten Werkstoffs, die beide einschließlich der Isolation an der Oberflächenmeßstelle stumpf und zueinander bündig unter Bildung einer ebenen Stirnfläche endigen, die mit einem gegenüber dem Durchmesser der Leiter wesentlich dünneren metallischen Belag versehen ist, der die beiden Leiter elektrisch leitend verbindet, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Ausgangsmaterial ein an sich bekanntes Mantelthermomaterial (1) mit keramischer Pulverisolation (4) der Leiter (2,3) verwendet wird, daß das Mantelthermomaterial (1) im Bereich der zu schaffenden Oberflächenmeßstelle durchgetrennt wird, daß die Pulverisolation (4) im Bereich der Trennstelle (10) auf einer wenigstens dem Durchmesser (D) des Mantelthermomaterials (1) entsprechenden Länge (Maß 1) zu einer formstabilen Isolation (7) verklebt wird und daß innerhalb des Bereiches der formstabilen Isolation (7) die ebene Stirnfläche (5) an dem Mantelthermomaterial (1) angebracht und diese mit dem metallischen Belag (6) versehen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, da d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verkleben der Pulverisolation (4) zu einer formstabilen Isolation (7) durch Tränken mit einem dünnflüssigen Bindemittel (8) und dessen anschließendem Aushärten erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß als dünnflüssige Bindemittel (8) Wasserglas verwendet wird.
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