DE2319487A1

DE2319487A1 - Thermoelement mit warmverbindungsstelle aus feuerfestem metall

Info

Publication number: DE2319487A1
Application number: DE2319487A
Authority: DE
Inventors: Robert Schley
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-04-20
Filing date: 1973-04-17
Publication date: 1973-10-31
Also published as: DE2319487C2; IT980878B; US3867205A; GB1415780A; FR2181175A5

Description

Patentanwälte Dlpl.-lng. RBSETZ DIpl-in2. K. LAMP.2SCHT

Dr.-Ing. R. OUCTZ Jr. • MlRch*n 22, Steiiwdorfctr. H

410-20.568P 17. 4. 1973

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Thermoelement mit Warmverbindungsstelle aus feuerfestem Metall

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement mit Warmverbindungsstelle aus feuerfestem Metall.

Es ist bekannt, daß ein Thermoelement einerseits aus einer Warmverbindung genannten Schweißstelle von zwei Drähten aus verschiedenen Metallen, die am Meßpunkt angeordnet sind, und andererseits aus zwei Kaltverbindungsstellen genannten, am anderen Ende dieser Drähte angeordneten Schweißstellen besteht, die in einer Bezügetemperaturumgebung angeordnet sind.

kk66.3)-Tp-r (8)

3098U/0927

Diese beiden Verbindungsstellen sind der Sitz einer elektromotorischen Kraft, deren Unterschied dem der Temperatur zwischen den betrachteten Punkten proportional ist (Seebeck-Effekt).

Bei den bekannten Thermoelementen fertigt man die Warmverbindungsstelle: Eisen-Konstantan, Kupfer-Konstantan, Chrom-Alumel, Platin-Platinrhodium, usw. durch einfaches Autogenverschweißen der beiden Drähte, z. B. mittels Bogenschweißung oder auch durch eine Kondensatorentladung usw. Die Schweißstellen dieser Metalle haben ausreichende Duktilitätseigenschaften, damit die Thermoelemente unter guten Bedingungen die mechanischen und thermischen Belastungen aushalten, denen sie im Betrieb ausgesetzt sind.

Dies gilt Jedoch nicht für Thermoelemente aus feuerfesten Metallen, insbesondere Volframrhenxumdrähten mit 5 bzw. 26 io Rhenium, deren Schweißstelle bei einer Temperatur nahe 3000 C erzeugt wird, wobei derartige Kristallisationseffekte auftreten, daß diese Schweißstelle praktisch keine mechanische Festigkeit aufweist.

Man hat versucht, die Thermoelemente aus Wolframrheniumdrähten in dieser Weise mit einem Schweißpunkt am Ende der beiden Drähte zu schweißen, doch sind sie unmöglich zu handhaben, und im Fall von ummantelten Drähten tritt der Bruch am sprödesten Draht bereits bei sehr geringster thermischer Spannung auf.

Man hat ebenfalls versucht, diese Spannungsbelastungen durch Einfügung eines Drahtes mit geringerem Durchmesser zwischen den Thermoelementdrähten zu eliminieren. Ein

309844/0927

anderes Mittel besteht darin, die mechanische Haltbarkeit der Drähte durch eine Verdrallung zu sichern, wobei die Verschweißung dann nur die Rolle des elektrischen Kontakts spielt. Die erste Maßnahme ist nur von Nutzen, falls die beiden Drähte gegenseitig festgehalten sind, was bei blanken Drahtpaaren nicht gesichert ist, und außerdem ist eine solche Verbindung bei ummantelten Thermoelementen nicht möglich. Die zweite Maßnahme liefert gute Resultate, wenn man sicherstellen kann, daß die Verbindungsstelle keiner Belastung ausgesetzt wird. Man hat nämlich festgestellt, daß bei den vertikal montierten ummantelten Thermoelementen, was fast immer der Fall ist, sich die Keramikperlen weniger als die Ummantelung ausdehnten und daher die Verbindungsstelle belasteten, wodurch ein Bruch eines Thermoelementdrahtes auf Höhe seines Ausgangs aus einer Isolierperle auftrat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung dieser Nachteile eine verbesserte Technologie für die Verbindungsstellen anzugeben, damit die Thermoelementdrähte aus feuerfestem' Metall bei normalen Belastungen nicht brechen.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Thermoelement mit verdrallter Wareverbindungsstelle aus feuerfesten Leiterdrähten, die mit Keramikperlen isoliert und durch eine Metallummantelung geschützt sind, mit dem Kennzeichen, daß ein Fassungselement aus edlem Metall auf die Verdrallungsstelle der Varraverbindungsstelle aufgesetzt und in der Metallummantelung festgelegt ist.

309844/0927

Nach einer Ausführungsart der Erfindung ist das Fassungselement nicht direkt in der Met al !.ummantelung, sondern in einer feuerfesten Buchse festgelegt, die in der Metal!ummantelung angeordnet ist. Venn das Thermoelement einen Punkt an der Masse aufweisen soll, wird das Fassungeelement an einem Ende mit der MetaI!ummantelung verschweißt.

Die am besten für das Fassungselement geeigneten Stoffe sind Niob und Rhenium, d. h. feuerfeste Metalle, deren Schmelzpunkt höher als die Betriebstemperatur des Thermoelements liegt. Sie bilden mit den Leiterdrähten unterhalb dieser Betriebetemperatur keine Eutektika und weisen gleichzeitig eine große Duktilität auf, die den EinfassungsVorgang im Kalten und eine ausreichende Warmduktilität zuläßt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Aueführungebeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Teillängsschnitt eines

bekannten Thermoelements zur Erläuterung des üblichen Bruchs der Warmverbindungsstelle;

Fig. 2 einen schematischen Teillängsschnitt eines Thermoelemente gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Thermoelement in Fig. 2;

Fig. k einen schematischen Längsschnitt ein·· an-

309844/0927

deren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5 einen Gesamtlängeschnitt eines auf einem Rohrstück montierten Thermoelements; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Eichkurve von Thermoelementdrähten.

Fig. 1 zeigt ein ummanteltes Thermoelement 1, das normalerweise vertikal verwendet wird, mit einer Yarmverbindungss teile 2. Die Keramikperlen 3 dehnen sich weniger als die metallische Ummantelung U aus, gleiten darin und beanspruchen die Varmverbindungsstelle 2, die häufig am Punkt 5 bricht.

Xn Fig. 2 hat das Thermoelement 1 gemäß der Erfindung eine verdrallte Varmverbindungsstelle 2, auf die ein Fassungselement 6 aus feuerfestem edlem Metall aufgesetzt ist, das als Verstrebung zwischen der letzten Keramikperle 3 und dem die metallische Ummantelung h abschließenden verschweißten Ende 7 bildet. So ist die Varmverbindungsstelle 2 den Möglicherweise infolge der Auedehnungsunterschiede zwischen den Perlen 3 und der Ummantelung 4 existierenden Spannungen entzogen. Venn das Thermoelement mit einem Anschluß an die Hasse der Ummantelung k verwendet wird (Fig. 2), erfüllt die Verschweißung des Faasungselements 6 mit dem Ummantelungsende 7 sehr gut diese Bedingung.

Fig. 3 ist ein Querschnitt des Thermoelements 1 nach Fig. 2 durch die Perlen 3* Sie zeigt die übliche Anordnung der beiden Leiterdrähte 8 und 9·

309844/0927

Fig. 4 erläutert ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Thermoelement 1 von der Metallummantelung h isoliert sein muß. Hierbei ist die Warmverbindungsstelle 2 von einem Fassungselement 6 geringeren Querschnitts eingefaßt, das in eine Keramikmuffe 10 eingeschoben ist, die dem Innendurchmesser der Metal!ummantelung k angepaßt ist. Die Muffe 10 dient als Abstützung zwischen den Perlen 3 und dem die Abdichtung des Thermoelements sichernden verschweißten Ende 7· So entziehen das Fassungselement 6 und die Muffe 10 die Warmverbindungsstelle 2 jeder Beanspruchung, und die Muffe schafft die Bedingung der erforderlichen Isola- tion, Die zur Herstellung des Fassungselements 6 verwendeten Metalle sind in diesem Beispiel: Niob und Rhenium. Diese Metalle weisen den Vorteil auf, einen Schmelzpunkt über der Betriebstemperatur des Thermoelements zu haben und unterhalb dieser Temperatur keine Eutektika mit den Leiterdrähten zu bilden. Sie haben eine große Duktilität, wodurch gleichzeitig das Aufsetzen in den Preßsitz bei Kälte und eine ausreichende Warraduktilität gesichert sind: Niob ermöglicht Betriebstemperaturen bis zu 2000 ⁰C und Rhenium bis zu 3000 °C.

Um nicht eine Metallummantelung k aus feuerfestem edlem Metall großer Länge zu benötigen, ist in Weiterbildung der Erfindung auch ein Anschluß dieser Ummantelung an eine Zwischenkapsel 12 in fester Verbindung mit einem Rohr 14, z. B. aus rostfreiem Stahl, vorgesehen (Fig. 5).

Die rohrförmige Ummantelung k und das Rohr 14 werden mit Halbelementen 12a bzw. 12b der Kapsel 12 an Hartlötpunkten 12c bzw. 12d verschweißt. Aussparungen wie 13,

3Q98U/Q927

die mit einem Antibenetzstoff gefüllt sind, hindern in bekannter Weise ein evtl. Kriechen des Hartlötmittels bei hohen Temperaturen.

Die Verbindung 15 zwischen den Drähten 8, 9 des Thermoelements und den Meßkompensationsdrähten 16, 18 erfolgt in der Kapsel 12. Keramikperlen 17 und 19 isolieren und halten die Drähte sowie die Verbindungsstelle.

Die Halbelemente 12a und 12b sind an ihren Flanschschul tern 12e bzw. 12f verschweißt. Nach dieser Versehweißung ist die Kapsel 12 dicht und wird unter Heliumdruck gesetzt.

Die Tabelle I führt beispielsweise die Reaktionsbeginntemperaturen zwischen einigen feuerfesten Metallen, die für die Drähte, die Fassungselernente oder die Netallummantertragen verwendbar sind, und den feuerfesten Oxyden der Isolationsperlen auf.

Die Tabelle II zeigt beispielsweise das chemische Verhalten der feuerfesten Netalle in Luft, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Kohlenoxyd und Kohlendioxyd.

In dieser Tabelle bedeuten:

T₁ = Reaktionsbeginntemperatur T₂ = Oxydationsverstärkungstemperatur T- = Maximalabsorptionstemperatur P = gebildeter Stoff.

Di· Tabelle III gibt beispielsweise di· Möglichkeiten der Thermoelement· gemäß der Erfindung als Funktion

309844/0927

der Umgebungsatmosphäre einerseits und der Verträglichkeiten zwischen feuerfesten Metallen und feuerfesten Oxiden andererseits an. Die Drähte 8 und 9 des im Beispiel" verwendeten Thermoelements sind WRe 5 Ί° und WRe 25 %.

Fig. 6 zeigt eine Eichkurve, die für Temperaturen bis 2250 °C die elektromotorische Kraft in mV an den Anschlüssen von Thermoelementen mit Drähten aus WRe 5 $ und WRe 26 # umgibt.

Die Tabelle IV führt beispielsweise die Einfangsquerschnitte einiger feuerfester Metalle in barn/at als Funktion einer Neutronengeschwindigkeit von 2200 m/s auf.

Die Tabelle V zeigt beispielsweise die Einfangsquerschnitte für thermische Neutronen einiger feuerfester Oxyde. Die Querschnitte sind in barn angegeben.

Tabelle I

	^A12°3	Th O₂	Zr O₂	Be 0	Mg 0	Hf 0-
W W Re 5$ WfRe 26$	2000°C	2300°C	2100°C	21OO°C	2000°C	23OO°C
Re	18OO°C	23OO°C				23OO°C
Ta	1900°C	1900°C	16oo°c	16oo°c	1800°C

309844/0927

Tabelle II

Re

^T1 O₂ Air T₂ P	400 °C 700 wo₃	300 °C 600 Re₂ O₇	200 °C 500 Ta₂ O₅
^Τ3	keine Reaktion	keine Reaktion	400 Ta H + 1 01 101
^Τ1 Ng P	2.500 ⁰C W Ng	keine Reaktion bis 2000 °C	1.100 ⁰C Ta N₂
C T₁ CO COg P	800 ⁰C Wg C WC	keine Reaktion	1.200 ⁰C Ta C

309844/0927

Tabelle III

ο co

ItO

Thermoelement- Kombination "•^.^^ Draht, Is o- ^\^lierstoff, ^^^.Mantel Um- ^'^s«_>^^ ge bungs-** ^s_x milieu	¥ Al₂O₃ Nb	W Al₂O₃ Ta	W BeO * Ta	¥, BeO, Mo, oder ¥, BeO, Ho, Re	W, ThO Re oder V, ThO W Re
ITO₂ (He, Vakuum)	1700 °C	1900 °c	1600 °c	1900 °c	2300 °c
C (He, Vakuum, CO₂₁N₂)	1200 °C	1200 °C	1200 °C	1900 °c	2300 ?c
°2	500 °C	500 °c	500 °c	600 °C	600 °C
^C°2	1200 °C	1200 °C	1200 °C	1900 °c	2300 °c
^N2	600 °C	1100 °C	1100 °C	1900 °c	2300 °c
^H2	36O°C	400 °C	400 °C	1900 °c	2300 °c
Neutronen	, Ja	nein	nein	ja	ja

O I

KJ

—^ CO

OQ

Tabelle IV

Elemente	Rh	Ta	19,2	Re	Ir	Pt
Einfang quer schnitt (barn/at)	14'9,O	21 21,3	8k 86	440,0	8,8

Tabelle V

Feuerfeste Oxide	Al₂O₃	BeO	MgO	ThO₂	^Z2°3
Einfangquerschnitt für thermische Neutronen (barns)	0,01	0,0007	0,0033	0,132	0,01

309844/0927

Claims

Patentansprüche

(ij/ Thermoelement mit verdrallter Warmverbindungsstelle aus feuerfesten Leiterdrähten, die mit Keramikperlen isoliert und durch eine Metal!ummantelung geschützt sind, dadurch gekennzeichnet , daß ein Fassungselement (6) aus edlem Metall auf die Verdrallungsstelle der Warmverbindungsstelle (2) aufgesetzt und in der Metallummantelung (4) festgelegt ist.
2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) in der Metallummantelung (4) mittels einer feuerfesten Muffe (1O) festgelegt ist.
3. Thermoelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) mit einem Ende mit der Metallummantelung (4) verschweißt ist·
4. Thermoelement nach den Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) aus Niob besteht.
5« Thermoelement nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) aus Rhenium besteht.
6. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallummantelung (4) mit einer Zwischen-

309844/0927

kapsel (12) fest verbunden ist, die zum Schutz der Verbindungsstelle (1.5) zwischen den Leiterdrähten (8, 9) der Warmverbindungsstelle (2) und den Kompensationsdrähten (16, 18) dient.

7* Anschlußkapsel für ein Thermoelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (12) abgedichtet und unter Heliumdruck gesetzt ist.

3Q98U/Q927