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Thermoelement
Thermoelektrische Stromerzeuger sind in vielseitigen
Ausführungsformen, auch für die Messung von Temperaturen, bekannt. Zur Messung hoher
Temperaturen bis etwa I6000 benutzt man heute vorwiegend ein Thermoelement, bei
dem der eine Polschenkel aus Platin, der andere aus einer Platin-Rhodium-Legierung
besteht, und das eine elektromotorische Kraft von 0,54 Millivolt bei 1000 abgibt.
Praktisch werden mit diesem Platin-Rhodium-Element Temperaturen von 300 bis 16000
gemessen. Tliermoelemente aus Rhodlium und Rhodium-Rhenium ermöglichen die Messung
von Temperaturen bis 19000 und Thermoelemente aus Wolfram (gegen Molybdän oder Molybdän-Wolfram-Legierung)
Temperaturmessungen bis gegen 30000. Auch d;iese Thermoelemente liefern wie das
P!atin-Platin-Rhodium-Element bei niedrigen Temperaturen nur eine sehr geringe thermoelektrische
Energie. Die Folge davon ist, daß diese Elemente zur Messung niedriger Temperaturen,
beispielsweise um etwa I00°, die Benutzung hochempfindlicher Strommeßgeräte erforderlich
machen.
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Es ist wohl bekannt daß ein Eisen-Konstantan-Tllermoelement bei 1000
4,3 Millivolt Thermospannung abgibt, das ist etwa das Achtfache gegenüber der Tbermospannung
eines Platin-Platin-Rhodium-Elements. Auch diese thermoelektriscbe Kraft ist nur
mittels hochempfindlicher Strommeßgeräte zu messen.
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Diese Notwendikeit der Verwen dung teurer, hochempfindlicher elektri,scher
Strommeßgeräte, die dazu noch gegen Erschütterungen sehr empfindlich sind ist der
Grund dafür, daß die Thermoelektrizität in der Wärmemeßtechnik, insbesondere für
Temperatuven
um 100°, keine allgemeine Anwendung gefunden hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Thermoelement zu schaffen,
welches so viel.thermoelektrische Energie liefert, daß verhältnismäßig niedrige
Temperaturen mit billigen, unempfindlichen StrommeBgeräten gemessen werden können.
Erfindungsgemäß sind die Verbindungsstelle bzw. die Verbindungsstellen, z. B. Lötstellen,
des lvhermoelements von einem die Wärme leitenden, den Strom aber nichtleitenden
Stoff umgeben. Hierdurch werden Wärnieverluste vermieden, also nahezu die gesamte
verfügbare Wärme zur Erzeugung von Thermoelektrizität ausgenutzt. Der wärmeleitende
Stoff kann ein stromleitender Stoff sein, der von der Verbindungsstelle durch eine
lbsolierschicht getrennt ist. Letztere ist zweckmäßig auf den wärmeleitenden Stoff
aufgetragen; sie kann aber auch auf die Verbindungsstelle oder sowohl auf den wärmeleitenden
Stoff wie auf die Verbindungsstelle aufgetragen sein. Beispielsweise ist die Verbindungsstelle
von einem die Wärme gut leitenden Stoff, z. B. Kupfer, umgeben. Sie kann aber auch
von einem Metall, z. B. Aluminium, umgeben sein, das auf der Außenseite, vorzugsweise
auf chemischem oder elelctrochemilschem Weg, in eine elektrisch isolierende Schicht
übergeführt ist.
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Wird als wärmeleitender Stoff ein Metall, z. B.
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Aluminium, verwendet, so wird dessen Oberfläche, zumindest an den
der Verbindungsstelle zugekehrten Stellen, auf chemischem oder elektrochemischem
Weg in, eine elelçtri,sch isolierende Schicht übergeführt.
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Eine aus einer Mehrzahl von Einzelelementen bestehende Batterie der
erfindungsgemäßen Bauart besteht aus zwischen zwei Körpern aus wärmeleitendem Stoff
angeordneten Einzelelementen, deren mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehene
Verbindungsstellen in, zweckmäßig mit einer ebensolchen Schicht, ausgekleideten
Ausnehmungen dies er Körper eingesetzt sind. Die Einzelelemente können zwischen
den beiden Körpern auf einem Zytindermantel oder aber zwischen konzentrisch zueinanrder
liegenden Ringkörpern radial oder speichenartig angeordnet sein.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele, und zwar Fig. I, Ia und
Ib die einzelnen Bauteile einer thermoelektrischen Säule, Fig. in diese Säule zusammengebaut
im Achsschnitt, Fig III die Säule in Ansicht bei teilweise aufgebrochenem Gehäusemantel,
Fig; IV den Schnitt nach Linie a-b- zu Fig. III, Fig. V einen Ausschnitt aus der
Ausführungsform der Fig. III vergrößert im Schrägriß, Fig. VI eine zweite Ausführungsform
im Achsschnitt, Fig. VII eine -dritte Ausführungsform im Querschnitt, Fig. VIII
den Achsschnitt zu Fig. VII.
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In Fig. III stellen die dünnen Striche 1 die Piusschenkel, die dicken
Striche 2 die Minusschenkel der Thermoelemente dar, die an ihren Löts,tellen 3 mit
Kupferblättchen 4 oder auch Kupferröhrchen elektrisch gut leitend verbunden sind;
die Blättchen 4 sind in Schlitzen 13 (Fig. V) eines unteren Ringkörpers 5 bzw. eines
oberen Ringkörpers 6 fest eingepreßt und an den Sitzstellen - mit Stoffen umgeben,
welche den von den Thermoelementen gelieferten elektr,ischen Strom nach den Ringkörpern
5 und 6 nicht durchtreten lassen, wohl aber den Durchtritt der Wärme aus dem Unterteil
7 ohne Dämpfung zu den Lötstellen der Thermoelemente gestatten.
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Der Teil 7 trägt ein Gewinde 8 zum Einschrauben in Körper, deren
Temperatur gemessen werden soll.
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Die Schlitze I3, die beispielsweise rechteckig dargestellt sind,
können auch rund oder profiliert sein Der Teil 7 besitzt eine Verlängerung 9, welche
in das jeweilige Medium, beispielsweise Wasser, Öl oder Gase, hineinragt, um die
von dem Medium abgegebene Wärme noch besser und schneller den Thermoelementen zuzuführen.
Die Verlängerung 9 ist zwecks Oberflächenvergrößerung und besserer Wärmeaufnahme
hohl, wie dies in Fig. II bei 10 gezeigt.
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Der geschlitzte Ringkörper 6 führt die Wärme, die ihm über die Thermoelementschenkel
I und 2 von dem Gewindekörper 7 zufließt, ab; er trägt einen mit Kühlrippen versehenen
Kühlring II.
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Die Stromabnahme von den Thermoelementschenkeln I und 2 erfolgt an
Schraubenklemmen I2, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Stromabnahme sowie die Schraubenklemmen
12 sind elektrisch gut isoliert.
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Die Kupferoblättcßhen 4, an Stelle von Kupfer können auch andere,
Wärme gut leitende Stoffe, wie Sidber, Verwendung finden, bilden die die Wärme zu-
und ableitenden Elektroden der Verbindungsstellen der Thermoelementschenkel.
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Zur elektrischen Isolation gegen dieRingkörper 5 und 6 sind die Elektroden
der Thermoelemente mit einer Oxydhaut versehen, die elektrisch nichtleitend ist
und' die auf chemischem oder elektrochemischem Wege hergestellt wird und trotz ihrer
hohen isolieren den Eigenschaft eine -sehr geringe Dicke besitzt, was den übertritt
der Wärme aus dem Ringkörper 5 über die Thermoelemente in den Ringkörper 6 -mit
äußerst geringem Verlust und somit die Erzeugung einer hohenelektromotorisdien Kraft
ermöglicht. Die Schlitze 13 sind ebenfalls mit einer den elektrischen Strom nichtleitenden
Oxydhaut versehen. Statt aus Oxydschicht, die in den Schlitzen I3 und auf die Kupferblättdien
4 aufoxydiert ist, kann die Isolierung auch aus GlLimmer oder anderen geeigneten
Stoffen, bei spielsweis e wärmebeständigen Lacken, bestehen, allerdings unter Inkaufnahme
einer Herabsetzung des thermoelektrischen-Wirkungsgrades.
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Gemäß den Fig. 1 a und 1 b ist das Gerät in einen gegen Strom und
Wärme isolierenden Mantel 14 eingeschlossen.
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Bei der Ausführungsform der Fig. VI sind die Thermoelemente in einem
Isolierkörper 15 ge-
halten; der Wärmezufluß findet bei r6 und der
Wärmeabfluß bei I7 an den Kopfenden der Thermoelemente statt. In dem Tubus 15 ist
durch Verwendung einer Oxydhaut als Isolierschicht eine große Zahl von Thermoelementen
untergebracht.
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Das Gerät liefert bei kleinerRauminanspruchnahme eine verhältnismäßig
hohe elektromotorische Kraft.
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Gemäß den Fig. VII und VIII sitzen die Thermoelemente radial auf einem
Rohr I8, das seinerseits auf ein Rohr 19 aufgeschoben ist. Die Temperatur eines
in dem Rohr 19 ruhenden oder fließenden Mediums wind gemessen. Das Rohr 18 trägt
den Ringkörper 5a; konzentrisch zu letzterem liegt der Rinlg II, der innenseitig
Schlitze zur Aufnahme der Kupfer- od. dgl. Plättchen der Kaltlötstellen besitzt.
Die Thermoelemente, die in gleicher Weise isoliert und befestigt sind, wie in Fig.
III gezeigt, verlaufen im wesentl,ichen radial.
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Fig. VIII zeigt im Achsschnitt mehrere dieser Thermoelementringe
der Fig. VII auf einem Rohr in axialer Anordnung, die durch Isolierscheiben 20 gegeneinander
gegen Stromschluß geschützt sind. Diese Ausführungsform ermöglicht die Erzeugung
hoher elektrothermischer Energien, wie sie beispielsweisfe für Temperaturmessungen,
Schaltvorgänge usw. gefordert werden.