FR1465758A - Thermocouple - Google Patents

Description

Thermocouple.

La présente invention se rapporte à des thermocouples destinés à être utilisés à des températures élevées de l'ordre de 2 000 OC.

Les thermocouples disponibles actuellement pour la mesure des températures élevées se répartissent en deux groupes. Dans l'un de ces groupes, le couple thermoélectrique est produit entre deux métaux réfractaires différents, tandis que dans l'autre groupe il est produit entre deux matières céramiques différentes. Ces deux systèmes sont considérablement limités dans leurs applications.

Les métaux réfractaires utilisés communément dans les thermocouples pour la mesure des températures élevées, le tungstène par exemple, subissent un grossissement du grain de leur texture aux températures élevées auxquelles ils sont soumis, soit en cours d'utilisation, soit lorsqu'on les soude pour constituer un couple thermoélectrique, et le risque de rupture est donc élevé. Les thermocouples céramiques tels que ceux qui comprennent un couple thermoélectrique formé entre du graphite et du carbure de silicium, ou du graphite et du carbone, sont fragiles de nature et ne peuvent pas être réalisés facilement dans de petites dimensions, et en particulier, le couple thermoélectrique ne peut pas être réalisé de manière à avoir un diamètre faible tel qu'exigé impérativement dans de nombreuses applications.

Suivant la présente invention, un thermocouple destiné à être utilisé à des températures élevées comprend un couple thermoélectrique formé entre deux matières réfractaires, l'une d'entre elles au moins étant constituée par un revêtement pyrolytique déposé en phase gazeuse sur la surface d'un élément en une matière réfractaire compatible avec le revêtement pyrolytique. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le couple thermoélectrique est formé par un revêtement pyrolytique de carbone ou d'une matière contenant du carbone sur un métal réfractaire convenable, et dans d'autres modes de réalisation, le couple thermoélectrique est formé par deux couches de revêtement pyrolytique, par exemple du carbone et du carbure de silicium.

Pour permettre une meilleure compréhension de l'invention, on décrit à titre d'exemples trois thermocouples concrétisant l'invention, en regard des dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 4, sont des coupes longitudinales, des thermocouples conformes à l'invention.

En se référant d'abord à la figure 1, le thermocouple comprend un fil centrai 1 en un métal réfractaire qui peut être du rhénium ou du ruthénium, sur lequel est adapté un tube en céramique 2 en matière céramique qui est un isolant électrique, de l'oxyde de beryllium par exemple. Une partie la du fil 1 dépasse de l'extrémité du tube 2 et un couple thermoélectrique 3 est formé à cet endroit par une couche 4 de pyrocarbone déposée à une température qui est plus élevée que la température de travail maximale envisagée pour le couple. La couche 4 est prolongée sur la surface extérieure du tube ! 2. Les conducteurs du thermocouple (non représentés) sont fixés aux extrémités de la couche 4 et du fil 1 à l'écart du couple.

On réalise le revêtement de carbone pyrolytique en chauffant d'abord le fil 1 dans son tube extérieur de métal réfractaire au moyen d'une résistance électrique ou par chauffage à induction dans un four convenable dans lequel on introduit du carbone contenant un ou plusieurs gaz ainsi qu'un gaz porteur convenable. Le gaz porteur peut être un gaz inerte, un gaz réducteur ou un mélange de gaz inerte et de gaz réducteur, suivant la nature de la couche pyrolytique à déposer. Le thermocouple ainsi obtenu peut être utilisé directement ou il peut être revêtu d'une couche extérieure de matière isolante céramique (telle que de l'oxyde de berryllium) et peut finalement être enfermé dans une gaine extérieure de métal réfractaire qui peut être en niobium, en molybdène, en alliage de molybdène et de rhénium ou de molybdène et de ruthénium
La gaine extérieure peut être mise en place sous forme d'un tube étiré, elle peut être déposée par évaporation à partir de la phase de vapeur, par dépôt électrolytique de pyrolyse ou par tout autre procédé convenable qui donne un dépôt homogène d'une épaisseur prédéterminée.

Le thermocouple représenté sur la figure 2 comprend une gaine extérieure 5 de support, en métal réfractaire, ayant une extrémité fermée 5a et dont la surface intérieure a été munie d'une couche 6 de carbure de silicium appliquée par pyrolyse à l'aide de l'un ou l'autre des procédés de revêtement thermique mentionnés ci-dessus permettant d'obtenir un dépôt pyrolytique à une température déposé sant la température de travail du thermocouple.

Un tube en céramique 7, en oxyde de béryllium par exemple, est inséré alors dans la gaine 5 revêtue intérieurement, et une couche pyrolytique 8 de carbone est déposée dans l'alésage du tube en céramique 7 et sur la surface du bout de la couche 6 située au-delà de l'extrémité du tube. Un couple thermoélectrique 9 est donc formé à cet endroit par dépôt direct de carbone 8 sur Ie carbure de silicium 6. Le vide central délimité par le dépôt pyrolytique intérieur est rempli par introduction d'un fil 10 de métal réfractaire. Le dépôt initial effectué sur la face intérieure du tube peut être appliqué alors que les deux extrémités du tube 5 sont ouvertes, si on le désire, et une extrémité du tube est fermée ultérieurement par soudage, par exemple au faisceau électrouique.

La figure 3 montre une forme modifiée du thermocouple représenté sur la figure 2. Dans cette réali- sation, une couche Il de carbone pyrolytique est déposée sur la périphérie et sur une face en bout d'un tronçon de fil 12 de support en métal réfractaire. Le fil est ensuite recouvert d'un enrobage isolant en céramique 13 de manière qu'une extrémité du fil fasse saillie vers l'extérieur cet ensemble est alors placé dans un four et il est recouvert d'une couche 14 de carbure de silicium. Un couple thermoélectrique 15 est formé à l'interface compris entre le carbure de silicium et le pyrocarbone.

Les thermocouples réalisés comme décrit cidessus sont conçus en principe pour convenir à la mesure de températures en présence d'hélium contenant des impuretés en quantités microscopiques, par exemple dans un réacteur nucléaire modéré au graphite refroidi au gaz dans lequel la température de l'élément combustible peut dépasser 1 500 OC. Dans des applications de ce genre, la température à laquelle le revêtement de carbone pyrolytique ou de carbure de silicium est déposé de 1700 à 1800 OC.

Cependant, d'autres applications du thermocouple sont possibles pour satisfaire à des exigences simdaires.

Sur la figure 4, un thermocouple à plusieurs jonctions comprend un boîtier extérieur 16 de graphite qui forme une partie constitutive de deux couples thermoélectriques séparés 17, 18. Un tube en alumine 19 comporte une couche 20 de carbone pyrolytique qui est déposée le long de son alésage intérieur, et une deuxième couche 21 similaire, séparée, qui est appliquée sur sa surface extérieure.

La couche 21 est en contact avec un épaulement interne 22 ménagé dans la surface intérieure du boîtier 16 pour constituer un couple thermoélectrique 18.

Une partie de l'extrémité 23a d'un barreau 23 de graphite est revêtue de pyrocarbone sur sa face en bout et sur une longueur suffisante de manière à former deux couples thermoélectriques 17, 24 quand le barreau est introduit dans le tube en céramique 19 et dépasse de l'extrémité de celui-ci pour prendre appui contre l'extrémité fermée du boîtier 16.

RÉSUhIÉ
La présente invention a pour objets
I. Un thermocouple destiné à être utilisé aux températures élevées, caractérisé par les points suivants pris isolément ou en combinaisons diverses.

1. Un couple thermoélectrique est formé entre deux matières réfractaires dont l'une au moins est constituée par un revêtement pyrolytique déposé en phase gazeuse sur la surface d'un élément d'une matière réfractaire compatible avec ce revêtement pyrolytique.

2. Ledit élément est conducteur de l'électricité et la matière réfractaire dont il est constitué est l'autre desdites deux matières réfractaires.

3. Le conducteur de thermocouple raccordé au revêtement pyrolytique du couple thermoélectrique est constitué par une partie du revêtement pyrolytique lui-m8me.

4. Le revêtement pyrolytique est en carbone.

5. Plusieurs couples thermoélectriques sont formés entre deux matières réfractaires et un élément unique constitue l'un des constituants de chacun des couples thermoélectriques, plusieurs revêtements pyrolytiques, formant les autres constituants des couples thermoélectriques, étant supportés par ledit élément unique.

11. Un procédé de réalisation d'un thermocouple tel que spécifié sous I, caractérisé par les points suivants pris isolément ou en combinaisons diverses.

1. L'une des deux matières constituant le couple

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (5)

**ATTENTION** debut du champ CLMS peut contenir fin de DESC **. peut être revêtu d'une couche extérieure de matière isolante céramique (telle que de l'oxyde de berryllium) et peut finalement être enfermé dans une gaine extérieure de métal réfractaire qui peut être en niobium, en molybdène, en alliage de molybdène et de rhénium ou de molybdène et de ruthénium La gaine extérieure peut être mise en place sous forme d'un tube étiré, elle peut être déposée par évaporation à partir de la phase de vapeur, par dépôt électrolytique de pyrolyse ou par tout autre procédé convenable qui donne un dépôt homogène d'une épaisseur prédéterminée. Le thermocouple représenté sur la figure 2 comprend une gaine extérieure 5 de support, en métal réfractaire, ayant une extrémité fermée 5a et dont la surface intérieure a été munie d'une couche 6 de carbure de silicium appliquée par pyrolyse à l'aide de l'un ou l'autre des procédés de revêtement thermique mentionnés ci-dessus permettant d'obtenir un dépôt pyrolytique à une température déposé sant la température de travail du thermocouple. Un tube en céramique 7, en oxyde de béryllium par exemple, est inséré alors dans la gaine 5 revêtue intérieurement, et une couche pyrolytique 8 de carbone est déposée dans l'alésage du tube en céramique 7 et sur la surface du bout de la couche 6 située au-delà de l'extrémité du tube. Un couple thermoélectrique 9 est donc formé à cet endroit par dépôt direct de carbone 8 sur Ie carbure de silicium 6. Le vide central délimité par le dépôt pyrolytique intérieur est rempli par introduction d'un fil 10 de métal réfractaire. Le dépôt initial effectué sur la face intérieure du tube peut être appliqué alors que les deux extrémités du tube 5 sont ouvertes, si on le désire, et une extrémité du tube est fermée ultérieurement par soudage, par exemple au faisceau électrouique. La figure 3 montre une forme modifiée du thermocouple représenté sur la figure 2. Dans cette réali- sation, une couche Il de carbone pyrolytique est déposée sur la périphérie et sur une face en bout d'un tronçon de fil 12 de support en métal réfractaire. Le fil est ensuite recouvert d'un enrobage isolant en céramique 13 de manière qu'une extrémité du fil fasse saillie vers l'extérieur cet ensemble est alors placé dans un four et il est recouvert d'une couche 14 de carbure de silicium. Un couple thermoélectrique 15 est formé à l'interface compris entre le carbure de silicium et le pyrocarbone. Les thermocouples réalisés comme décrit cidessus sont conçus en principe pour convenir à la mesure de températures en présence d'hélium contenant des impuretés en quantités microscopiques, par exemple dans un réacteur nucléaire modéré au graphite refroidi au gaz dans lequel la température de l'élément combustible peut dépasser 1 500 OC. Dans des applications de ce genre, la température à laquelle le revêtement de carbone pyrolytique ou de carbure de silicium est déposé de 1700 à 1800 OC. Cependant, d'autres applications du thermocouple sont possibles pour satisfaire à des exigences simdaires. Sur la figure 4, un thermocouple à plusieurs jonctions comprend un boîtier extérieur 16 de graphite qui forme une partie constitutive de deux couples thermoélectriques séparés 17, 18. Un tube en alumine 19 comporte une couche 20 de carbone pyrolytique qui est déposée le long de son alésage intérieur, et une deuxième couche 21 similaire, séparée, qui est appliquée sur sa surface extérieure. La couche 21 est en contact avec un épaulement interne 22 ménagé dans la surface intérieure du boîtier 16 pour constituer un couple thermoélectrique 18. Une partie de l'extrémité 23a d'un barreau 23 de graphite est revêtue de pyrocarbone sur sa face en bout et sur une longueur suffisante de manière à former deux couples thermoélectriques 17, 24 quand le barreau est introduit dans le tube en céramique 19 et dépasse de l'extrémité de celui-ci pour prendre appui contre l'extrémité fermée du boîtier 16. RÉSUhIÉ La présente invention a pour objets I. Un thermocouple destiné à être utilisé aux températures élevées, caractérisé par les points suivants pris isolément ou en combinaisons diverses. 1. Un couple thermoélectrique est formé entre deux matières réfractaires dont l'une au moins est constituée par un revêtement pyrolytique déposé en phase gazeuse sur la surface d'un élément d'une matière réfractaire compatible avec ce revêtement pyrolytique. 2. Ledit élément est conducteur de l'électricité et la matière réfractaire dont il est constitué est l'autre desdites deux matières réfractaires. 3. Le conducteur de thermocouple raccordé au revêtement pyrolytique du couple thermoélectrique est constitué par une partie du revêtement pyrolytique lui-m8me. 4. Le revêtement pyrolytique est en carbone. 5. Plusieurs couples thermoélectriques sont formés entre deux matières réfractaires et un élément unique constitue l'un des constituants de chacun des couples thermoélectriques, plusieurs revêtements pyrolytiques, formant les autres constituants des couples thermoélectriques, étant supportés par ledit élément unique. 11. Un procédé de réalisation d'un thermocouple tel que spécifié sous I, caractérisé par les points suivants pris isolément ou en combinaisons diverses.

1. L'une des deux matières constituant le couple thermoélectrique est déposée par pyrolyse sur un élément réfractaire.

2. Ledit élément est conducteur de l'électricité et constitue l'autre desdites deux matières, cet élément étant enrobé d'un isolant électrique en céramique, sauf sur un tronçon de sa longueur, et le revêtement pyrolytique recouvrant ce tronçon qui devient donc le couple thermoélectrique, ainsi que la surface extérieure de cet isolant, de manière à former un prolongement du conducteur pour permettre d'établir une connexion avec la partie du revêtement pyrolytique éloignée du couple thermoélectrique.

3. Ledit élément constitue essentiellement un revêtement pyrolytique sur un support réfractaire.

4. Le revêtement pyrolytique est en carbone et l'autre est en carbone de silicium.

5. La température à laquelle le revêtement est déposé dépasse au moins de 200 CC la température de travail maximale prévue.