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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der von einer Wärmequelle abgegebenen thermischen Leistung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die von einer Wärmequelle abgegebene thermische Leistung ist in vielen technischen Fachbereichen von Interesse. So wird z. B. im Bereich der Halbleitertechnik die von einem Halbleiter-Bauelement abgegebene Wärme untersucht, um die vom Bauelement verbrauchte Verlustleistung zu bestimmen. Im Bereich der Lasertechnik wird z. B. die Strahlungsleistung eines Lasers durch thermische Messungen ermittelt.
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Zur Bestimmung der von einer Wärmequelle abgegebenen thermischen Leistung sind diverse Vorrichtungen und Verfahren bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, durch Messung von Temperaturdifferenzen in einem Kühlmittel, mit dem z. B.: eine Leistungselektronik oder ein Laserleistungsmesskopf gekühlt wird, unter Berücksichtigung der Kühlmittel-Durchflussrate die abgegebene Leistung zu bestimmen. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass insbesondere die Bestimmung der Kühlmittel-Durchflussrate sehr aufwendig oder ungenau ist. Bei der Verwendung von relativ kostengünstigen Turbinendurchflussmessern muss mit Verschleiß derselben gerechnet werden; zusätzlich leidet auch die Genauigkeit des Verfahrens bei Verschmutzungen des Kühlmittels.
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Eine weitere bekannte Methode zur Bestimmung der von einem Material abgegeben thermischen Leistung besteht darin, eine Mäanderstruktur aus Halbleitern oder Thermoelementen auf das Material aufzudampfen und anschließend Messungen an der Mäanderstruktur vorzunehmen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Technik besteht darin, dass das Anbringen einer solchen Struktur am Material sehr aufwendig ist.
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Aus der Druckschrift
JP 120 6508 A1 ist es bekannt, den Temperaturabfall einer Wärmequelle zu bestimmen, indem sie mit einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteter Draht-Thermoelemente in thermischen Kontakt gebracht wird. Mittels der Draht-Thermoelemente wird dann eine Temperaturdifferenz erfasst und aus der Temperaturdifferenz die abgegebene thermische Leistung bestimmt. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass das Anbringen einer Vielzahl von Draht-Thermoelementen sehr aufwendig ist. Außerdem erlaubt es diese Methode nicht, die Ungenauigkeiten die durch eine ungleichmäßige Ausbreitung der Wärme in einem nicht exakt linearen Medium zu erkennen und zu berücksichtigen. Auch dieses Verfahren ist daher hinsichtlich der Genauigkeit noch verbesserungsbedürftig.
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Verschiedene andere Vorrichtungen zum Messen der von einer Wärmequelle abgegebenen Leistung sind ferner aus der
US 2007/0 176 768 A1 , der
GB 592 119 A , der
US 2005/0 279 398 A1 oder der
US 2004/0 227 522 A1 bekannt.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer von einer Wärmequelle abgegebenen thermischen Leistung zu schaffen, mit der die abgegebene thermische Leistung genauer bestimmt werden kann und die mit einem geringeren technischen Aufwand verbunden ist. Gleichzeitig sollen die Messergebnisse weitgehend unabhängig vom Ort der Einkopplung und der Verteilung des Wäremeflusses sein, sowie der durch die Messvorrichtung zwangsläufig verursachte Temperaturabfall möglichst gering ausfallen.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den Patentansprüchen 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der von einer Wärmequelle abgegebenen thermischen Leistung vorgeschlagen, die eine Wärmeleiteinrichtung aufweist, welche wenigstens einen Teil der von der Wärmequelle abgegebenen Wärmeenergie aufnimmt, wobei die Wärmeenergie von einer wärmeren Seite zu einer kühleren Seite der Wärmeleiteinrichtung durch diese hindurch geleitet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem wenigstens eine elektrische Einrichtung auf, die wenigstens eine erste Wicklung, die mit einem wärmeren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt steht, und wenigstens eine zweite Wicklung, die mit einem kühleren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt steht, umfasst. Die Wicklungen können je nach Ausführungsform Bestandteil eines oder mehrerer Stromkreise sein. Gemäß der Erfindung sind die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Wicklung derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Tangentialen quer zur Wärmeflussrichtung zeigen. Dies gilt für wenigstens einen Teilabschnitt des Umfangs, bevorzugt aber für den gesamten Umfang der Wicklungen. Eine solche Messvorrichtung hat den Vorteil, dass sie sehr einfach herstellbar ist und genaue Messergebnisse liefert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Wicklung in parallelen Ebenen angeordnet.
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Eine Wicklung kann eine einzige oder mehrere Windungen aufweisen. Eine Windung kann z. B. eine beliebig geformte Schleife sein, die sich über einen im Wesentlichen geschlossenen Weg erstreckt. Eine spezielle Form einer Windung kann z. B. kreisförmig sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise auch eine Messeinrichtung zum Messen wenigstens einer elektrischen Größe in dem bzw. den Stromkreisen. Aus der bzw. den gemessenen elektrischen Größen, wie z. B. Strom oder Spannung, lässt sich schließlich in bekannter Weise mittels einer Elektronik, wie beispielsweise eines Mikrocomputers, die von der Wärmequelle abgegebene elektrische Leistung ermitteln.
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Die Wärmeleiteinrichtung ist zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet. Sie kann z. B. aus einem metallischen Material bestehen. Die Wärmeleiteinrichtung kann beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Keramik ausgebildet sein. Sie kann auch unterschiedliche Materialien umfassen.
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Bei einer Messung wird die Wärmeleiteinrichtung vorzugsweise so angeordnet, dass die von der Wärmequelle abgegebene Wärmeleistung von einer Seite in die Wärmeleiteinrichtung eingekoppelt wird. Die Wärmeenergie breitet sich dann mit einem materialspezifischen Gradienten in der Wärmeleiteinrichtung aus und wird schließlich an eine kalte Wärmesenke weitergegeben. Der von der Wärmequelle direkt aufgeheizte Bereich ist dabei wärmer als ein anderer Bereich, wie z. B. ein auf der gegenüberliegenden Seite liegender Bereich oder ein seitlicher Bereich der Wärmeleiteinrichtung.
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Die elektrische Einrichtung weist gemäß einer ersten Ausführungsform zwei Stromkreise auf, von denen einer wenigstens eine erste Wicklung, die mit einem wärmeren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt steht, und der andere wenigstens eine zweite Wicklung aufweist, die mit einem kühleren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt steht. Dabei umfassen die beiden Stromkreise jeweils einen elektrischen Leiter, dessen elektrischer Widerstand eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Da die Stromkreise mit Bereichen unterschiedlicher Temperatur in Kontakt stehen, ergibt sich zwischen den beiden Stromkreisen eine Strom- oder Spannungsdifferenz, aus der sich eine Temperaturdifferenz ermitteln lässt, die wiederum ein Maß für die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann auch ein Stromkreis vorgesehen sein, der sowohl wenigstens eine erste Wicklung, die mit einem wärmeren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt steht, als auch wenigstens eine zweite Wicklung aufweist, die mit einem kühleren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt steht, wodurch ein Warm-Kalt-Übergang gebildet wird. Der Stromkreis kann auch mehrere solcher Warm-Kalt-Übergänge aufweisen. Jeder Warm-Kalt-Übergang erzeugt aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine Spannung, aus der sich eine Temperaturdifferenz und daraus wiederum die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung bestimmen lässt.
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Wie vorstehend erwähnt, sind wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Wicklung in parallelen Ebenen angeordnet. Der Abstand der Ebenen kann größer Null sein, er kann aber auch Null sein. Im letzteren Fall liegen die erste und in die zweite Wicklung in derselben Ebene, wobei sie z. B. als konzentrische Kreise ausgebildet sind.
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Die erste und zweite Wicklung sind vorzugsweise konzentrisch angeordnet. D. h., sie haben eine gemeinsame, zentrale Flächennormale.
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Die von der ersten und zweiten Wicklung aufgespannten Flächen haben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Flächennormale, die in Richtung der Wärmequelle zeigt. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Flächennormale auch quer zur Wärmequelle zeigen. Die Flächennormale kann außerdem entweder in Richtung des Wärmeflusses oder quer zum Wärmefluss durch die Wärmeleiteinrichtung zeigen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung mehrere erste Wicklungen, die jeweils mit einem wärmeren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt stehen, und mehrere zweite Wicklungen, die jeweils mit einem kühleren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt stehen, wobei die ersten und zweiten Wicklungen jeweils paarweise angeordnet sind. Die Wicklungen der einzelnen Wicklungspaare haben dabei vorzugsweise jeweils den gleichen Abstand zueinander.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Wicklung, die entlang koaxial verlaufender Kreisbahnen mit unterschiedlichem Radius angeordnet sind. Die koaxial verlaufenden Kreisbahnen liegen vorzugsweise in derselben Ebene.
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Die elektrische Einrichtung kann z. B. einen stromleitenden Draht oder eine Leiterbahn umfassen, der bzw. die vorzugsweise um einen Teilbereich der Wärmeleiteinrichtung gewickelt ist.
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Die Wärmeleiteinrichtung kann auch Nuten, Einkerbungen oder Bohrungen aufweisen, in bzw. durch die der Draht bzw. die Leiterbahn hindurch geführt ist.
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Die Wicklungen sind vorzugsweise so an der Wärmeleiteinrichtung angeordnet, dass sie entweder einzeln oder in Summe den gesamten wärmeleitenden Querschnitt der Wärmeleiteinrichtung umschließen.
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Der minimale Abstand zwischen einer ersten und einer zweiten Wicklung ist vorzugsweise möglichst klein und insbesondere kleiner als z. B. 2 cm oder 1 cm.
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Die elektrische Einrichtung kann auch mehr als zwei Stromkreise aufweisen, die vorzugsweise mit unterschiedlichen Bereichen der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt stehen. Eine größere Anzahl von Stromkreisen hat den Vorteil, dass die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung, insbesondere bei einer inhomogenen Wärmeverteilung innerhalb der Wärmeleiteinrichtung verbunden mit nichtlinearem Verhalten der Wärmeleiteinrichtung und des Wickeldrahtes, genauer bestimmt werden kann. Die unterschiedlichen Stromkreise können beispielsweise eine einzelne Drahtwicklung oder Gruppen von Drahtwicklungen um bestimmte Teilbereiche der Wärmeleiteinrichtung umfassen. Bei mehreren Stromkreisen ist die Messeinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die elektrische Größe in allen Stromkreisen jeweils einzeln gemessen werden kann. Dadurch ist es möglich, neben der Temperaturdifferenz zwischen einer Vielzahl unterschiedlicher Bereiche der Wärmeleiteinrichtung auch die absolute Temperatur an diesen Stellen zu bestimmen. Die so gewonnene Temperaturwerte können dann zu Korrektur von möglichen Nichtlinearitäten genutzt werden.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Einrichtung wenigstens zwei elektrische Leiter, die jeweils entlang einer Kreisbahn angeordnet sind, deren Flächennormale im Wesentlichen in Richtung der Wärmequelle zeigt. Die Kreisbahnen verlaufen vorzugsweise konzentrisch um einen Abschnitt der Wärmeleiteinrichtung herum, an dem die thermische Leistung der Wärmequelle eingekoppelt wird, wobei eine erste Kreisbahn einen kleineren Durchmesser aufweist als eine andere Kreisbahn. Wenn die thermische Leistung der Wärmequelle in einem zentralen Bereich der Wärmeleiteinrichtung eingekoppelt wird, breitet sich die Wärme u. a. radial nach außen aus. Die Stromkreise stehen somit wiederum mit einem wärmeren bzw. einem kühleren Bereich der Wärmeleiteinrichtung in thermischem Kontakt.
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Entlang der Kreisbahnen können beispielsweise Nuten vorgesehen sein, in denen jeweils ein elektrischer Leiter eingebracht ist. Alternativ dazu können entlang der Kreisbahnen auch Bohrungen vorgesehen sein, durch die ein oder mehrere elektrische Leiter geführt sind. Die Leiter bzw. Drähte können sich z. B. jeweils über einen Teilabschnitt oder im Wesentlichen über die gesamte Kreisbahn erstrecken. Sie können dabei um speziell ausgebildete Teilbereiche der Wärmeleiteinrichtung gewickelt sein.
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Die Wärmeleiteinrichtung kann z. B. plattenförmig ausgebildet sein und z. B. die Form einer runden Scheibe aufweisen. Eine plattenförmige Wärmeleiteinrichtung mit weitgehend kreisförmig angeordneten Leitern ist z. B. besonders gut geeignet, um die von einem Laser abgegebene thermische Leistung zu bestimmen. Ein mittlerer Abschnitt wird hierzu mit dem Laser angestrahlt. Die Wärme verteilt sich dann vom Mittelpunkt aus radial nach außen, so dass die beiden Kreisbahnen bzw. die Leiter mit unterschiedlich warmen Bereichen der Wärmeleiteinrichtung in Kontakt stehen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Wärmeleiteinrichtung zwei Platten auf, wovon eine mit der Wärmequelle in thermischem Kontakt gebracht wird. Die andere Platte ist vorzugsweise mit einem Kühlelement verbunden. Zwischen den Platten können beispielsweise wärmeleitfähige Bereiche, wie z. B. Stäbe oder ein anderer thermisch leitfähiger Kern vorgesehen sein. Im Fall von Stäben sind diese vorzugsweise jeweils mit einem oder mehreren Drähten der elektrischen Einrichtung umwickelt. Die elektrische Einrichtung befindet sich also weitgehend zwischen den Platten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Wärmeleiteinrichtung einen zentralen, scheibenförmigen Abschnitt, der von der Wärmequelle aufgeheizt wird. Am Umfang der Scheibe sind mehrere wärmeleitfähige Elemente, wie z. B. Stäbe oder Stege angeordnet, die z. B. radial nach außen wegstehen. Die wärmeleitfähigen Elemente sind jeweils mit einem oder mehreren Drähten der elektrischen Einrichtung umwickelt. Am äußeren Ende der Elemente ist ein ringförmiger Körper vorgesehen, der als Wärmesenke dient. Wenn der zentrale Bereich der Messvorrichtung von der Wärmequelle bestrahlt wird, verteilt sich die Wärme vom Mittelpunkt der Scheibe über die wärmeleitfähigen Elemente radial nach außen. Der ringförmige Körper kann mit einem weiteren Kühlkörper in Verbindung stehen. Jedes der wärmeleitfähigen Elemente ist vorzugsweise mit einer Drahtwicklung versehen, so dass insgesamt der gesamte wärmeleitende Querschnitt der Wärmeleiteinrichtung umwickelt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die elektrische Einrichtung auch Metallleitbahnen umfassen, die mittels eines Ätzprozesses im Kern der Wärmeleiteinrichtung hergestellt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung aus einer Strom- oder Spannungsdifferenz ermittelt, die sich aus der Strom- bzw. Spannungsmessung an verschiedenen Stromkreisen ergibt. Aus den gemessenen Strom- oder Spannungswerten wird vorzugsweise eine Temperaturdifferenz berechnet und daraus die abgegebene thermische Leistung bestimmt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird in einem Stromkreis mit wenigstens einem Warm-Kalt-Übergang eine infolge des thermoelektrischen Effekts erzeugte Spannung gemessen, und die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung aus der gemessenen Spannung ermittelt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1a eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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1b eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a eine Querschnittsansicht einer plattenförmigen, dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2b eine Aufsicht der plattenförmigen, dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3a eine Querschnittsansicht einer plattenförmigen, vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3b eine Aufsicht der plattenförmigen, vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine Querschnittsansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine Querschnittsansicht einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auf der Basis des thermoelektrischen Effekts arbeitet; und
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6 eine weitere Ausführungsform einer plattenförmigen Messvorrichtung mit einem zentralen, scheibenförmigen Bereich.
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1a zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung der von einer nicht näher dargestellten Wärmequelle abgegebenen thermischen Leistung P.
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Die Vorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen eine Wärmeleiteinrichtung 2, eine elektrische Einrichtung 3 und eine Messeinrichtung (nicht dargestellt). Die Wärmeleiteinrichtung 2 nimmt auf der in der Figur oben liegenden Seite wenigstens einen Teil der von der Wärmequelle abgegebenen thermischen Wärmeenergie auf. Die aufgenommene Wärme breitet sich dann in der Wärmeleiteinrichtung aus und wird durch diese hindurch geleitet, wobei sich ein Temperaturgradient in der Wärmeeinrichtung 2 einstellt.
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Die aufgenommene Wärmeenergie wird bei der in 1 dargestellten Ausführungsform von der Platte 8 auf mehrere mit der Platte 8 verbundene, wärmeleitfähige Stäbe 9 übertragen. Die Wärmeausbreitung findet dabei in der Figurenebene von oben nach unten in Einstrahlrichtung statt, wobei sich ein Wärmegradient einstellt, so dass oben liegende Bereiche 4 der Stäbe 9 wärmer sind als unten liegende Bereiche 5. Die Steilheit des Temperaturgradienten ist insbesondere davon abhängig, wie viel Wärmeenergie in die Wärmeleiteinrichtung 2 eingekoppelt wird. Daher ist der Temperaturgradient bzw. die Temperaturdifferenz in unterschiedlichen Bereich der Wärmeleiteinrichtung 2 ein Maß für die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung. Am unteren Ende der Stäbe 9 wird die Wärmeenergie auf eine weitere Platte 10 übertragen, die mit einem nicht näher dargestellten Kühlelement in thermischem Kontakt steht.
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Die vorstehend erwähnte elektrische Einrichtung 3 umfasst zwei Stromkreise, von denen einer mit einem wärmeren Bereich 4 und der andere mit einem kühleren Bereich 5 der Wärmeleiteinrichtung 2 in thermischem Kontakt steht. Wie in 1a zu erkennen ist, sind die Drähte 6, 7 jeweils ein oder mehrere Male um die Stäbe 9 gewickelt. Die Wicklungen des ersten Stromkreises sind dabei mit dem Bezugszeichen 20 und die Wicklungen des zweiten Stromkreises mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet. Die ersten Wicklungen 20 und die zweiten Wicklungen 21 sind jeweils paarweise vorzugsweise im gleichen Abstand angeordnet. Die ersten und zweiten Wicklungen 20, 21 befinden sich dabei in parallelen Ebenen, wobei die Flächennormale der Wicklungen 20, 21 jeweils in Richtung der Wärmequelle zeigt. Die Wicklungen 20, 21 sind außerdem derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Tangentialen quer zur Wärmeflussrichtung zeigen.
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Aufgrund der thermischen Abhängigkeit der Widerstände fließen in den elektrischen Leitern bzw. Drähten 6, 7 unterschiedlich hohe Ströme, bzw. bei gleichem Stromfluss fällt eine unterschiedliche Spannung ab. Eine nicht dargestellte Elektronik kann aus den Stromstärken oder Spannungen bzw. aus der Differenz der Stromstärken oder Spannungen eine Temperaturdifferenz ΔT und daraus wiederum die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung p berechnen.
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Um die Genauigkeit der Leistungsmessung zu verbessern, kann die Vorrichtung 1 beispielsweise mittels einer oder mehrerer Wärmequellen, deren abgegebene thermische Leistung genau bekannt ist, geeicht werden.
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1b zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung der von einer Wärmequelle abgegebenen thermischen Leistung. Diese umfasst wiederum eine Wärmeleiteinrichtung 2, eine elektrische Einrichtung 3 mit zwei Stromkreisen, von denen einer mit einem wärmeren Bereich 4 und der andere mit einem kühleren Bereich 5 der Wärmeleiteinrichtung 2 in thermischem Kontakt steht, und eine nicht näher dargestellte Messeinrichtung. Im Unterschied zur Ausführungsform von 1a ist der zwischen den Platten 8, 10 angeordnete wärmeleitfähige Kern 11 einstückig ausgebildet. Der blockförmige Kern 11 hat eine Vielzahl von Längsnuten 12, in denen die Drähte 6, 7 der beiden Stromkreise angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Fertigung einfacher und effizienter ist, da weniger Einzelteile hergestellt werden müssen und die Verbindung der diversen Bauteile leichter herzustellen ist.
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2a zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. In 2b ist eine Aufsicht derselben Ausführungsform dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine plattenförmige Wärmeleiteinrichtung 2, die insbesondere dazu geeignet ist, die von einem Laser abgegebene thermische Leistung zu bestimmen. Die Wärmeleiteinrichtung 2 hat einen zentralen Bereich 13, in den die thermische Energie der Wärmequelle eingekoppelt wird. Die Oberfläche der Wärmeleiteinrichtung 2 kann z. B. im Bereich 13 geschwärzt sein, damit möglichst keine Reflexionsverluste auftreten.
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Die Wärmeenergie breitet sich dann vom zentralen Bereich 13 ausgehend radial nach außen aus, wie mit den Pfeilen d angedeutet ist. Damit entsteht in radialer Richtung ein Temperaturgradient. Die Wärmeenergie wird schließlich an ein nicht näher dargestelltes Kühlelement abgegeben, wie mit einem Pfeil m angedeutet ist.
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Die elektrische Einrichtung 3 weist bei dieser Ausführungsform zwei elektrisch leitende Drähte 6, 7 auf, die entlang zweier, den zentralen Bereich 13 konzentrisch umgebenden Kreisbahnen verlaufen. Der innere Draht 6 bildet dabei eine erste Wicklung 20, und der äußere Draht 7 eine zweite Wicklung 21. Somit steht der erste Draht 6 mit einem wärmeren Bereich 4 und der zweite Draht 7 mit einem kühleren Bereich 5 der Wärmeleiteinrichtung 2 in thermischem Kontakt. Auch hier sind die Wicklungen 20, 21 wiederum derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Tangentialen quer zur Wärmeflussrichtung zeigen. Eine nicht näher dargestellte Messeinrichtung misst wiederum einen Strom oder eine Spannung, woraus die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung berechnet werden kann.
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In den 3a bzw. 3b ist eine Querschnittsansicht bzw. eine Aufsicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Diese entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform von 2a bzw. 2b und umfasst eine plattenförmige Wärmeleiteinrichtung 2, deren zentraler Bereich 13 von einer Wärmequelle bestrahlt wird. Die elektrische Einrichtung 3 weist ebenfalls zwei oder mehr Drähte 6, 7 auf, die im Unterschied zur dritten Ausführungsform durch Bohrungen 15, die auf Kreisbahnen angeordnet sind, abwechselnd von einer Seite auf die andere Seite der Platte und wieder zurück geführt sind. Ein Leiter 6, 7 kann sich dabei über einen gesamten Kreisumfang oder nur über ein Kreissegment von z. B. über 15° erstrecken. Im letzteren Fall kann die zu einem Segment gehörige Temperatur ermittelt und somit die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung genauer bestimmt werden.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese umfasst eine Wärmeleiteinrichtung 2 mit zwei Platten 8, 10, wobei die Platte 8 einen wärmeren Bereich 4 und die Platte 10 einen kühleren Bereich 5 der Wärmeleiteinrichtung 2 bildet. Zwischen den beiden Platten 8, 10 ist ein elektrisch isolierendes Substrat 16 mit mehreren Platten 19 angeordnet, in das mittels eines Ätzprozesses Kupferleiterbahnen 17, 18 in einer oder mehreren Wicklungen angebracht wurden. Die Platten 8, 10 sind z. B. aus Kupfer und das Substrat aus Kapton-Folie oder Keramik hergestellt. Die Platten 19 dienen zur elektrischen Isolation der Messdrähte, sind aber thermisch leitend und können z. B.: aus Keramik oder aus einer dünnen Kaptonfolie bestehen. Die Funktionsweise der Vorrichtung 1 ist im Weiteren analog zur Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 1.
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In 5 ist eine Querschnittsansicht einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Ähnlich wie die in den 1a–2b gezeigten Ausführungsformen weist diese eine Wärmeleiteinrichtung 2 mit zwei Platten 8, 10 auf, zwischen denen eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Stäben 9 angeordnet sind. Die zu dieser Ausführungsform zugehörige elektrische Einrichtung 3 umfasst allerdings nur einen einzigen Stromkreis 3 mit einem elektrisch leitfähigen Draht 6. Der Draht 6 ist dabei so angeordnet, dass er mehrere Male abwechselnd mit einem wärmeren und einem kühleren Bereich der Stäbe 9 in thermischem und elektrischem Kontakt steht. Es bestehen also mehrere Warm-Kalt-Übergänge, die infolge des thermoelektrischen Effekts jeweils eine Spannung erzeugen. Im Gegensatz zur Ausführung von 1 müssen hier die Platten 8 und 10 elektrisch isolierend wirken. Die Drähte und die Stäbe müssen aus unterschiedlichen Metallen sein damit die thermoelektrische Spannung generiert wird. Die Gesamtspannung U wird mittels einer Messeinrichtung 14 erfasst. Aus der Spannung U lässt sich wiederum eine Temperaturdifferenz ΔT und daraus wiederum die von der Wärmequelle abgegebene thermische Leistung p bestimmen.
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6 zeigt schließlich noch eine weitere Ausführungsform einer plattenförmigen Messvorrichtung 1 mit einem zentralen, scheibenförmigen Bereich 13, der von der Wärmequelle aufgeheizt wird. Am Umfang des zentralen Bereichs 13 sind mehrere wärmeleitfähige Elemente 9, die hier als radial nach außen wegstehende Stäbe oder Stege ausgebildet sind, im Abstand zueinander angeordnet. Die wärmeleitfähigen Elemente 9 sind jeweils von mehreren Drähten der elektrischen Messeinrichtung 14 umwickelt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Messeinrichtung 14 zwei Stromkreise mit Drähten 6 bzw. 7. Der Draht 6 des ersten Stromkreises ist an einem radial weiter innen liegenden Ort um die wärmeleitfähigen Elemente 9 gewickelt und steht somit mit einem wärmeren Bereich 4 der Wärmeleiteinrichtung 2 in thermischem Kontakt. Der Draht 7 des zweiten Stromkreises ist an einem radial weiter außen liegenden Ort um die wärmeleitfähigen Elemente 9 gewickelt und steht somit mit einem kühleren Bereich 4 der Wärmeleiteinrichtung 2 in thermischem Kontakt. Jedes der wärmeleitfähigen Elemente 9 ist mit zwei Drahtwicklungen 20, 21 versehen, so dass insgesamt der gesamte wärmeleitende Querschnitt der Wärmeleiteinrichtung umwickelt ist. Der Abstand der Wicklungen 20, 21 der einzelnen Wicklungspaare ist vorzugsweise immer gleich groß.
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Am äußeren Ende der Elemente ist ein ringförmiger Körper 22 vorgesehen, der als Wärmesenke dient. Wenn der zentrale Bereich 13 der Messvorrichtung 1 von der Wärmequelle bestrahlt wird, verteilt sich die Wärme vom Mittelpunkt der Scheibe über die wärmeleitfähigen Elemente 9 radial nach außen. Der ringförmige Körper 22 kann mit einem weiteren Kühlkörper in Verbindung stehen.
