CH429860A - Thermoelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

  
 



  Thermoelement und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement zur Messung hoher Temperaturen, wie z. B.   2000"C,    und auf ein Verfahren zum Herstellen desselben.



   Die gegenwärtig gebräuchlichen Thermoelemente zur Messung hoher Temperaturen gehören zwei verschiedenen Arten an. Bei der einen wird der thermoelektrische Flächenkontakt entweder zwischen zwei ungleichartigen hitzebeständigen Metallen oder zwei ungleichartigen keramischen Materialien gebildet. Beide Arten weisen in ihrer Wirkung gewisse Mängel auf.



   Die für die Thermoelemente zum Messen hoher Temperaturen gewöhnlich verwendeten hitzebeständigen Metalle, wie z. B. Wolfram, sind mit dem Nachteil behaftet, dass ihr Korn bei hohen Temperaturen, denen sie bei Gebrauch oder beim Zusammenschweissen zur Bildung eines thermoelektrischen Flächenkontaktes ausgesetzt werden, grob wird, was zur Folge hat, dass sie leicht brüchig werden. Keramische Thermoelemente, wie diejenigen, bei denen der thermoelektrische Flächenkontakt zwischen Graphit und Siliziumkarbid oder Graphit und Kohle gebildet ist, sind ihrer Natur nach zerbrechlich, und es ist nicht einfach, sie mit kleinen Abmessungen herzustellen. Es ist insbesondere unmöglich, den thermoelektrischen Kontaktflächen einen kleinen Durchmesser zu geben, was für viele Anwendungsgebiete von grösster Wichtigkeit wäre.



   Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der thermoelektrische Flächenkontakt eines Thermoelementes für hohe Temperaturen zwischen zwei hitzebeständigen Materialien vorhanden, von denen mindestens das eine aus einem Pyrolytniederschlag auf der Oberfläche eines Gliedes aus hitzebeständigem und mit dem Pyrolytniederschlag verträglichem Material besteht. In einer der möglichen Ausführungen wird der thermoelektrische Flächenkontakt durch pyrolytischen Niederschlag von Kohlenstoff oder kohlenhaltigem Material auf einem verträglichen, hitzebeständigen Metall gebildet, während bei anderen Ausführungsformen der thermoelektrische Flächenkontakt zwischen zwei pyrolytisch abgelagerten Schichten, z. B. aus Kohlenstoff und Siliziumkarbid, vorhanden ist.



   Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes nach der Erfindung besteht darin, dass das eine der beiden Materialien, die den thermoelektrischen Flächenkontakt bilden, durch Pyrolyse aus der Gasphase auf das hitzebeständige Glied niedergeschlagen wird.



   Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden drei Ausführungsformen von Thermoelementen und eine Variante wie auch deren Herstellungsverfahren unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Fig. 1 bis 4 sind die Thermoelemente im Längsschnitt dargestellt.



   Fig. 1 zeigt ein Thermoelement, in dessen Mitte sich ein hitzebeständiger Metalldraht 1, z. B. aus Rhenium oder Ruthenium, befindet, der in einem elektrisch isolierenden Rohr 2 aus Keramik, z. B. aus Berylliumoxyd (Gluzinerde), steckt. Ein Teil la des Drahtes 1 ragt aus dem Ende des Rohres 2 hervor. Auf diesem freien Teil la ist eine thermoelektrische Kontaktfläche 3 gebildet durch Niederschlagen einer Schicht 4 aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Temperatur, die höher ist als das voraussichtliche Maximum der Betriebstemperatur des Thermoelementes. Die Schicht 4 überdeckt auch die ganze äussere Oberfläche des Rohres 2. An den von der Kontaktfläche 3 entfernten Enden der Schicht 4 und des Drahtes 1 sind Anschlussleitungen angebracht (nicht dargestellt).



   Zum Aufbringen der pyrolytischen Kohlenstoffschicht wird zuerst der Draht 1 in seinem äusseren hitzebeständigen Rohr 2 durch elektrische Widerstands- oder Induktionsheizung in einem geeigneten Ofen erhitzt, in den kohlenstoffhaltiges Gas oder kohlenstoffhaltige Gase zusammen mit einem geeigneten Trägergas eingeführt werden. Das Trägergas kann je nach der Beschaffenheit der niederzuschlagenden pyrolytischen Kohlenstoffschicht ein inertes oder ein reduzierendes Gas oder eine Mischung beider Gase sein. Das auf diese Weise entstandene Thermoelement  kann unmittelbar verwendet oder mit einer weiteren äusseren Schicht aus isolierendem keramischem Stoff (wie z. B. Berylliumoxyd) versehen werden. Das ganze Gebilde kann dann aussen von einem hitzebeständigen Mantel, z.

   B. aus Niobium, Molybdän oder einer Molyb  dän-Rhenium-oder    Molybdän-Ruthenium-Legierung, umgeben werden. Dieser äussere Mantel kann in Form eines Rohres über das Element gezogen werden oder aber durch Verdampfen aus der Dampfphase, durch Pyrolyse, auf galvanischem Wege oder nach jedem anderen geeigneten, eine zusammenhängende Schicht mit vorausbestimmbarer Dicke gewährleistendem Verfahren erzeugt werden.



   Das in Fig. 2 dargestellte Thermoelement weist eine auch als Tragkörper dienende äussere Ummantelung 5 aus hitzebeständigem Metall auf, deren eines Ende 5a geschlossen ist und deren innere Oberfläche mit einer Schicht 6 aus Siliziumkarbid bedeckt ist, wobei diese Schicht durch pyrolytische Ablagerung bei einer die Betriebstemperatur übersteigenden Temperatur nach einem der erwähnten Heizverfahren gebildet wurde.



   Ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 7, das beispielsweise aus Berylliumoxyd (Gluzinerde) besteht, ist dann in die innen mit einem Belag überzogene Hülse 5 eingeführt worden, wonach eine Schicht Pyrolytkohlenstoff 8 auf die innere Oberfläche des Keramikrohres 7 und auf die noch freie, innere Oberfläche 9 der Schicht 6 jenseits des Endes des Rohres 7 niedergeschlagen wurde. Auf diese Weise ist ein thermoelektrischer Flächenkontakt 9 an Ort und Stelle durch die direkte Ablagerung von Kohlenstoff 8 auf Siliziumkarbid 6 entstanden. In den vom inneren Pyrolytbelag 8 umschlossenen leeren   Mittelraum    ist ein Draht 10 aus hitzebeständigem Metall eingeführt.

   Die erste Ablagerung auf der inneren Oberfläche des Rohres 5 kann   gewünschteufalls    erfolgen, wenn beide Enden des Rohres 5 offen sind, wonach das eine Ende des Rohres 5 durch Elektronenstrahlschweissung verschlossen wird.



     Fig.    3 zeigt eine Ausführungsvariante des in Fig. 2 dargestellten Thermoelementes. Bei dieser Ausführung wird eine Schicht 11 pyrolytischen Kohlenstoffs auf die äussere Oberfläche und auf ein Ende eines Trägerdrahtes 12 aus hitzebeständigem Metall niedergeschlagen.



  Der überzogene Draht wird hierauf in eine elektrisch isolierende Keramikhülse 13 gesteckt, derart, dass das eine Ende des Drahtes aus ihr herausragt. Das Ganze wird dann in einen Ofen gebracht und mit einem Siliziumkarbidbelag 14 versehen. Dabei entsteht ein ther  moelektrischer    Flächenkontakt 15 zwischen der Siliziumkarbidschicht 11 und der Pyrolytkohlenstoffschicht 14.



   Thermoelemente, die in der beschriebenen Weise gebaut sind, bezwecken in erster Linie das Messen von Temperaturen in Gegenwart von Helium, das Spuren von Verunreinigungen enthält, wie es z. B. in gasgekühlten und mit Graphit moderierten Kernreaktoren der Fall ist, bei denen die Temperatur der   Brenustoffele-    mente   1500C    C überschreiten kann. Für solche Anwendungszwecke muss die Temperatur bei der Ablagerung von Pyrolytkohlenstoff oder Siliziumkarbid mindestens   2000 C    höher sein, also   1700-1800  C    betragen. Für die Thermoelemente stehen jedoch auch andere Anwendungsgebiete offen, die ähnliche Anforderungen stellen.



   In Fig. 4 ist ein Thermoelement mit mehreren thermoelektrischen Flächenkontakten gezeigt, das einen äusseren Graphitmantel 16 aufweist, der einen der Bestandteile zweier getrennter   thermoelektrischer    Flächenkontakte 17 und 18 bildet. Ein Rohr aus Aluminiumoxyd 19 weist auf seiner inneren Oberfläche einen Belag 20 aus Pyrolytkohlenstoff und einen zweiten solchen Belag 21 an seiner äusseren Oberfläche auf. Der Belag 21 steht mit einem inneren Ringvorsprung 22 an der Innenseite des Mantels 16 in Berührung, wodurch der eine thermoelektrische Flächenkontakt 18 entsteht.



   Ein Stab 23 aus Graphit weist an seinem Ende einen Belag 23a von Pyrolytkohlenstoff auf, der sich über ein genügend langes Stück erstreckt, um nach Einführung des Stabes in das Keramikrohr 19 aus diesem herauszuragen und gegen das geschlossene Ende des Mantels 16 anzuliegen, wobei zwei thermoelektrische Flächenkontakte 17 und 24 gebildet werden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Thermoelement zur Messung hoher Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoelektrischer Flächenkontakt zwischen zwei hitzebeständigen Materialien vorhanden ist, von denen mindestens das eine aus einem Pyrolymiederschlag auf der Oberfläche eines Gliedes aus hitzebeständigem und mit dem Pyrolytniederschlag verträglichem Material besteht.

   UNTERANS PRÜCHE 1. Thermoelement nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Glied elektrisch leitend ist und das ihn bildende hitzebeständige Material das andere der beiden hitzebeständigen Materialien ist.

   2. Thermoelement nach Patentanspruch I oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussleiter zur Pyrolytniederschlagsseite des thermoelektrischen Flächenkontaktes teilweise aus dem Pyrolytniederschlag besteht.

   3. Thermoelement nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolytniederschlag aus Kohlenstoff besteht.

   4. Thermoelement nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von thermoelektrischen Flächenkontakten zwischen zwei hitzebeständigen Materialien vorhanden sind, dass ein einziges Glied den einen Bestandteil jedes der Flächenkontakte bildet, und dass eine Anzahl Pyrolytniederschläge die anderen Be standteile der Flächenkontakte bilden und mit dem erwähnten Glied in Berührung stehen.

   PATENTANSPRUCH II Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das eine der beiden Materialien, die den thermoelektrischen Flächenkontakt bilden, durch Pyrolyse aus der Gasphase auf das hitzebeständige Glied niedergeschlagen wird.

   UNTERANSPRÜCHE 5. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Glied elektrisch leitend ist und aus einem Material gebildet wird, das eines der beiden erwähnten Materialien ist, dass dieses Glied mit Ausnahme eines freien Teiles mit einer elektrisch isolierenden keramischen Ummantelung umgeben wird, und dass der Pyrolytniederschlag auf dem freien Teil des Gliedes und auf der Aussenoberfläche der Ummantelung angebracht wird, wobei der freie Teil des Gliedes und der darauf entstandene Niederschlag den thermoelektrischen Flächenkontakt bilden und der die Ummantelung bedeckende Niederschlag einen Anschluss leiter bildet, um eine Verbindung zum Pyrolytniederschlag an einer vom thermoelektrischen Flächenkontakt entfernten Stelle zu ermöglichen.

   6. Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Glied zuerst als Pyrolytniederschlag auf einem hitzebeständigen Tragkörper gebildet wird.

   7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Pyrolytniederschlag aus Kohle und der andere aus Siliziumkarbid gebildet wird.

   8. Verfahren nach Patentanspruch II oder einem der Unteransprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, bei welcher der Pyrolytniederschlag gebildet wird, um mindestens 200"C höher ist, als die zu erwartende Höchsttemperatur bei Benutzung des Thermoelementes sein wird.