CH421214A

CH421214A - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Thermoelementes

Info

Publication number: CH421214A
Application number: CH1006163A
Authority: CH
Inventors: Pugh Harold; Gauterin George
Original assignee: Atomic Energy Authority Uk
Priority date: 1962-08-14
Filing date: 1963-08-14
Publication date: 1966-09-30
Also published as: US3314129A; GB1051146A; BE636187A; DE1295041B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Thermoelementes Die Erfindung bezieht sich ,auf fein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eineis Thermo- elementes aus einem Thermokabel,

das in feiner röh- renfönmigen Ummantelung aus Metall mindestens einen von einem elektrischen Isoliermaterial umgebe nen Leiter enthält.

Zum Aneinanderschweissen zweier Thermodrähte wird in einer vorgeschlagenen Methode ein in einem Plasmagenerator erzeugtes Gasplasma verwendet. Hierzu ist der Generator in dem einen Endteil eines Vakuumgefässes montiert, und die Drähte .befinden sich mit innerhalb des Gefässes .aneinanderstossenden Enden im anderen Endteil und sind in :

bezug auf ,den Generator .als Anode geschaltet. Das Gefäss wind auf einen niedrigen Druck @ausgepumpt, .der Genera tor erregt und an die Drähte eine Spannung an gelegt, so dass die zusammenstossenden Enden durch das Plasma erhitzt werden.

Auf diese Weise wird an den zusammenstossenden Enden der beiden Drähteeine Fusions-Schweissstelle erzeugt.

Der Vorgang des Erhitzers eines Werkstückes mittels eines von einem Plasmagenerator erzeugten Gasplasmas in einer verdünnten .Atmosphäre, wobei ,das Werkstück in .bezug,auf den Plasmagenerator als Anode geschaltet ist und der Generator das Gas plasma, Idas z.

B. mittels Elektroden oder durch radiofrequente Induktionsheizung innen ionisiert ist, wie eine Fackel .ausstösst, soll ,im folgenden mit Odem Ausdruck Gasplasma-Heizprozess bezeichnet wer den.

Der vorliegenden Erfindung entsprechend wirrt ein vorgeformtes Kabelende einem Gasplasma- Heizprozess .unterworfen, der darin besteht,

dass das in bezug auf einen Plasmagenerator als Anode ge- .schalttete Kabelende durch ein von dem Plasmagene- rator in einer verdünnten Atmosphäre erzeugtes Plasma erhitzt wird, wobei mindestens die Umman- telung allein zu einem dichten Kabelverschluss zu sammengeschmolzen wird.

Hierbei können zunächst die Mittehester als Anode .geschaltet und die an- einandenstossenden Leiterenden zu einer Thermo- schweissstelle verschmolzen werden und anschliessend die Ummantelung als Anode geschaltet und ihr Ende zu einem dichten, durch das Isoliermaterial von der Thermo-Schweissstelle isolierten Endverschluss .zu sammengeschmolzen werden.

Hierzu wird das Ende des Thermokab.els vor zugsweise so .ausgebildet, dass in das Isoliermaterial ,eine im wesentlichen konische Einsenkung ,eingelas- sen wird, :und zwar so, @dass die Leiter aus dem Boden der Einsenkung herausragen.

Diese weitere Ausbildung d er .Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass der Endverschluss direkt nach dem Zusammenschweissen oder Drähte vor genommen werden kann, ohne dass das Werkstück in :seiner Lage gestört werden .russ, oder mit ianderen Worten, es ist hier nichterforderlich, das Kabel zwi schen dem Schweissen der Drähte und dem Ver schmelzen des Endverschlusses Baus der verdünnten Atmosphäre zu entfernen.

Erfindungsgemässe Thermoelementie zeit einem von der Schweissstelle isoliert ebgesohmolzenem End- verschluss finden vor allem Anwendung zur Messung hoher Temperaturen in reaktionsfähiger und korro siver Umgebung.

Der von der Schweissstelle isoliert abgeschmolzene Endverschlussermöglicht feine leichte Prüfung des Thermoelementes und verhütet einten Verlust an korrasivem und reaktionsfähigem Mate rial durch das Isollermaterialhindurch.

Erfindungsgemäss enthält eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Thermoelementes der genannten Art ein evakuier- bares Gefäss zur Unterbringung einer Werkstück- Zusammenstellung, ddie eine Mehrzahl von vorberei- teten Thermokabelenden umfasst;

einen Plasmagene rator, der zur Erzeugung von Gasplasma innerhalb des Gefässes geeignet ist; Mittel zum .Abdichten einer ,durch das Gefäss geführten, zu voneinander isolier- ten Teilen der Zusammenstellung gehörenden Mehr zahl elektrischer Leiter;

und einen dem Gefäss -an- geschlossenen äusseren elektrischen Stromkreis, der selektive Schaltmittel enthält, um mittels ider Leiter nacheinander jeden Teil der Zusammenstellung in bezug auf den Plasmagenerator als Anode zu schal ten.

Anhand eines Ausführungsbeispiel.es soll nun ,die Erfindung beschrieben werden, und zwar in oder An wendung zur Herstellung von Thermoelementen aus Thermokabeln, ,die aus je deinem Chromel - und Alumel -(Handelsmarken)Draht bestehen, welche in einem festen, widerstandsfähigen, elektrisch iso- lierenden,

von einer röhrenförmigen Ummantelung ,aus rostfreiem. Stahl umgebenen Material (z. B. Magnesia) eingebettet sind.

In ,den Zeichnungen zeigen die Fig. la bis 1f (in vergrössertem Massstab) verschiedene Produk tionsstufen der Herstellung eines Thermoelementes aus einem Thermokahel,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung und- Fig. 3 eine geeignete elektri- sche Schaltung für diese Herstellung.

Die Fig. la bis 1f zeigen ein Thermokabel 10, bei welchem die Drähte 11, 12 in von einer röhren- förmigen Ummantelung 14 ,aus rostfreiem Stahl um gebenem Magnesia 13 eingebettetem,.

Das Kabel 10 wird zunächst :auf Länge ab geschnitten und dann leichtabgefeilt, so ddass einte flache Stirnfläche 15 (Fig. la) mit kreisförmigem Querschnitt erhalten wird.

Hierauf wird mittels eines Bohrers 16 (Fig. 1b) das Ende mit einer konischen Einsenkung versehen, die in das Isolationsmaterial 13 bis zu einer Tiefe von einem Kabeldurchmesser reicht,

und das Isolationsmaterial wird zwischen id'en Drähten bis auf Tiefe eines weiteren halben Kabel durchmessers ,daraus entfernt, wie ,dies durch die Einsenkung 18 (Fig. 1c) dargestellt ist,

so idass idie Drähte aus dem Boden dieser Eiusienkung heraus- ragen. Dabei wird Sorge igetragen, dass dddas Isolations material über die blossgelegten Drahtenden hinaus nicht beschädigt wird. Die ,blossgelegten Enden ,der Thermodrähte werden dann,

wie in Fig. 1d dar- gestellt, zueinander gebogen. Hierauf wird dein idicht passendes Keramikrohr (z.

B. .aus Aluminiumoxyd) "über die Kabelummantelung geschoben, so dass ,das baarbeitete Kabelende ungefähr einen Kabeldurch messer darüber hinausragt.

Das andere Kabelendt ist auf ein kurzes Stück von seiner Ummantelung und ,dem Isoliermaterial .befreit, um die Drähte freizule gen, ,die für .den elektrischen Anschluss passend zu- sammen verbunden sind.

Fig. 2 zeigt eine Vorrich- tung, um ,an einem Werkstück einen Gasplasma- Heizprozess ,durchzuführen. Die Vorrichtung enthält einen Plasmagenerator, oder laus einer in einem solde- renden Gehäuse 21 dicht eingesetzten Wolframka- thode 21 besteht,

wobei der .Kathode .eine wasser gekühlte Kupferanode 22 mit einer Öffnung 23 zu geordnet isst. Das Gehäuse 21 äst auf einer Messing- platte 24 dicht aufgesetzt, in welcher auch die Anode 22 montiert ist.

Die ,Platte 24 hat einen Rohransiatz 25 zum Ansehluss einer Vakuumpumpe P und ,das Gehäuse ein Einlassrahr 26 zum Einbringen von Argon aus einer Gasflasche C. Die Platte 24 ist einem zylindrischen Vakuumgefäss 27 aus Glas dicht -aufgesetzt, dessen unteres Ende von einer Messing platte 28 abgeschlossen ist.

Auf :der Platte 28 ist .gegenüber der Öffnung 23 ein Reflektorstab 29 aus rostfreiem Stahl mit rundem Querschnitt und kon kaver Stirnfläche 30 montiert.

In das Gefäss können nun ein oder mehr Thermo- kabel mit auf vorbeschriebener Weise ausgebildeten Enden eingesetzt wenden.

Der Übersicht halbier sind in Fig. 2 nur zwei solcher Kabel 31, 32 eingezeich net, die mittels Stopfbüchsendiehtungen 32a durch .die Platte 28 hindurchführend in diese eingesetzt sind;

es wird jedoch bemerkt, @dass ,die Vorrichtung nicht,auf nur zwei Theravokabel beschränkt ist. Tat- ;sächfich enthält eine, typische Einrichtung sechs in gleichem Abstand voneinander dem Umfang eines Kreises mit dem Durchmesser von 38 mm angeord nete Kabel.

Wie dargestellt, ragen die zwei von ,den Keramikröhren 33 umgebenen Kabel 31, 32 mit ihren bearbeiteten Enden im Gefäss in das Haupt gebiet der Reflexionszone 45d der Oberfläche 30 des Reflektors 29 hinein. Ausserhalb des Gefässes sind für die jeweiligen Ummantelungen 38, 39 und ,die verbundenen Leiter 40, 41 .der Kabel 31, 32 ab- nehmbare :

elektrische Anschlüsse 34, 35, 36 und 37 vorgesehen. Diese Anschlüsse führen über einen Ver- teilerschafter zu einer Anordnung von Widerständen 42, deren Werte jeweils ,durch Länge und Durch messer der irr Gefäss :montierten Kabel bestimmt werden. Diese Widerstände sind mit oder positiven Seite ,eines Stromversorgungsgerätes 44 verbunden, .dessen negative Seite .an .die Anode 22 angeschlos sen ist.

Die Anode 22 :und .Kathode 20 sind an ,einem Schweissaggregat mit HF-Anreger :angeschlos sen.

Es muss beachtet werden, dass der der Vorrich- tung in Fig. 2 beigeordnete elektrische Stromkreis zur Versorgung der .maximalen Anzahl Bier ixn Ge fäss montierbaren Thermokabel mit ausreichenden Schalteinrichtungen versehen ist, und auch,

dass die Schaltung eine Reihe von Komponenten .mit selekti ven Werten enthält, mit welchen ein ganzer Bereich an Kabelstärken und Kabellängen versorgt werden kann. So kann .die Vorrichtung Kabel mit einem Aussendurchmesser im Bereich von 0,25 mm bis 3,1 mim und einer Länge bis zu 30 m beliefern.

So zeigt ;der elektrische Schaltkreis der Fig. 3 selektive Schaltmittel, die für zwei Th@ermokabel 31, 32 passend sind, und Werte der elektrischen Kom ponenten für Kabeldimensionen von 6 in Länge Bund 1 mm Aussendurchmesser mit einer Manteldicke von 0,1 mm,

wobei jeder der beiden Drähte einen Durchmesser von 0,16 mm halt. Die Wählschalter und Schalter 1 rund 2 werden über eine Nockenwelle betätigt, die über ein Getriebe von einem Elektro motor angetrieben wind, und der Motorstromkrems enthält Druckknopf- und Nockensteuerungen, um die erwünschte Arbeitsfolge zu liefern.

Beim Betrieb wird das Gefäss 27 mittels einer Vakuumpumpe auf :einen Druck von rund 100 Mikron I-Ig ausgepumpt, wobei :zum Ausgasen der bearbeiteten Kabelenden und des Gefässes eine kurze Zeitspanne berücksichtigt werden muss.

Hier auf wird dem Plasmagenerator über die Röhre 26 :so lange Argon zugeführt, bis der Druck im Gefäss -auf rund 10 mm Hg .ansteigt (welcher Druck .bei an dauerndem Pumpen aufrechterhalten wind), wenn ,der Generator über Aden Schweiss-Netzteil mit :

dem HF-Zünder gezündet ist und zwischen Kathode 20 und Anode 22 ein Bogen brennt rund dabei eine hohe Temperatur entwickelt, wobei hochionisiertes Gasplasma durch die COffnung 23 in das Gefäss ein strömt.

Hierauf wird der elektrische Stromkreis der Fig. 3 iso angeregt, dass folgende Arbeitsgänge .statt finden: 1.

Es wird der Vorheiz-Zeitschalter eingeschaltet, so dass beide über ein Relais angeschlossenen Um mantelungen 38, 39 seiner Widerstands-Vorheizung (typisch 30 sec) unterworfen werden, in welcher die beiden Kabel 31, 32 bis lauf 200 C erhitzt werden, wobei jede Feuchtigkeit aus ihnen bearbeiteten Enden entzogen wird.

2. Es wird die Plasma-Leitfähigkeit gemessen, indem mit einer Drucktaste an eine Leitfähngkeits- sonde (welche eine der beiden Kabelummantelungen sein kann) ein festes niedriges Potential gelegt und der Strom gemessen wird. Die Leitfähigkeit kann durch Regulierung des Druckes im Gefäss eingestellt werden.

Typisch ist für eine verwendete Gleichspan- nung von 15 Volt eine Stromstärke von 50-60 mA.

3. Zum Einleitendes nachfolgenden Arbeitsgan ges wird durch Drücken der Starttaste ,der Motor eingeschaltet.

4. Bei der dargestellten Stellung des Wählschal- ters wind der .Schalter 1 für eine Sekunde geschlos sen, während welcher sich der 500-pF-Kondensator über die verbundenen Leiter 41 ides Kabels 32 ent lädt.

Auf diese Weise wird mit den in bezug auf Iden Plasmagenerator als Anode .geschalteten Leitern des Kabels32 eine Plasmakonzentration bewirkt, rund die Leiter werden einem Gasplasma-Heizprozess un- terworfen, so dass ,

sie im bearbeiteten Ende des Ka bels 32 zusammenschmelzen und eine Thermoele- ment-Schweissstellebilden. Solch seine Verbindung ist in Fig. 1 c unter der Bezugsziffer 47 wiedergegeben. 5. 0,5 sec Wartezeit.

6. Schalter 2 wind für die Dauer von 6 sec geschlossen, wodurch über den 66-S2 Widerstand die Ummantelung 35 gegenüber dem Generator als Anode geschaltet wird. 7. Wie 5. B. Wie 6. 9. Wie 5.

10. Wie 6. Auf diese Weise wird die Ummante lung 35 stufenweise einem Gasplasma-Heizprozess unterworfen, so dass ;die Ummantelung am bearbei- teten Ende des Kabels 32 verschmolzen und ein dichter Endabsahluss gebildet wird', der von der Thermostelle durch das Isolationsmaterial isoliert ist.

Solch eindichter Endversohluss äst unter :der Bezugs- ziffer 48 in Fig. l f dargestellt.

11. Es wird der Wählschalter betätigt, so dass in Fig. 3 die Verbindung in iseiner unteren Stellung erfolgt und die Arbeitsgänge 4 bis 10 nunmehr auf ,das Kabel 31 angewendet werden können.

Der Stromkreis wird dann blockiert, damit sicher gestellt :ist, dass immer der Vorheizzyldus ausgeführt wird, bevor die Schmelzzyklen eingeleitet werden.

Es muss .beachtet werden, dass idie Anode 22 stets gegen über der Kathode 20 auf positivem Potential liegt (der Schweiss-Netzteil mit HF-Zündung ist so aus- gelegt, dass er 100-V Leerlaufspannung und 20 V bei 10 Amp. unter Arbeitsbedingungen :aufweist); hingegen wird das Werkstück (das z.

B. durch die Kabel 31, 32i dargestellt ist) :gegenüber der Anode .des Plasmagenerators auf positivem Potential gehal- ,ten"so dass das Plasma angezogen wird.

Es muss besonders bemerkt werden, dass die eben ,beschriebene Vorrichtung eine vollautomatische Folge von Arbeitsschritten liefert, die :

auf jedes ein zelne einer Anzahl vorbearbeiteter T1her mokabel ein- wirkt und diese zu Thermoelementen mit einem voll- ständig dichten Endverschluss umformt, der von ider Thermo-Verbindungsstelle :durch im Kabel überall vorhandenes Isolationsmaterial isoliert ist.

Dies. stellt einen bedeutsamen Erfolg auf dem Gebiet der Thermoelement-Entwicklung idar, wenn manb> ,denkt, dass es bisher erforderlich war, zunächst (die Leiter zusammenzuschweissen, dann Isolationsmate- rial zuzugeben und :

schliesslich eine separate Ver- schlusskappe aufzusetzen und diese an der Ummante lung anzuschweissen. Im Gegensatz hierzu sorgt die vorliegende Erfindung dafür, dass, sobald nur @die vorbehandelten Thermokabel im Gefäss 27 montiert sind, diese nicht mehr entfernt werden müssen,

bis sie :in ihrer endgültigen Form vollständig mit Schweissstelle und dichtemRTI ID="0003.0229" WI="22" HE="4" LX="1443" LY="2083"> Endverschluss, und zwar ohne Verwendung einer separaten Abschlusskappe, vorliegen.

Dies bedeutet leine beachtliche Zeiterspar- nis, wie dies durch die oben beschriebene Arbeits folge bewiesen ist, .aus welcher ersichtlich ist,

dass die Gesamtzeit für idie Arbeitsschritte 4 bis 10 weni ger als eine halbe Minute beträgt und dass die Ar- beitsschritte 1 bis 10 ein weniger als einer Minute. rausgeführt werden können.

Die konische Einsenkung im Ende ides Thermo- kabels bewirkt, dass ;das über die Thermo-Schweiss- stelle nach oben hinausragende Isolationsmaterial zur Isolation des Endverschlusses. von der Schweissstelle verwendet werden kann.

Es isst !beachtenswert, dass die Erfindung so feine Plasmakonzentrationen er- möglicht, wie sie bei Thermokabeln von extrem klei ner Grösse angewendet wenden müssen.

Obwohl die in den Fg. 2 und 3 gezeigte Vorrichtung in beson derem Hinblick auf Th@ermokabel mit 1 man Aussen durchmesser beschneben wurde, ist die Erfindung gleichermassen ,auf mit Mineral isolierte,

mit Metall ummantelte Thermokabel mit einem. Aussendurch messer von nur 0,25 mm ;anwendbar. Obgleich ,die Bereitstellung eines Reflektors 29 mit seiner Ober- fläche 30 nicht wesentlich ist, ist er dennoch .günstig, ,

da die Zone 45 ein Gebiet maximaler Elektronen- dichte definiert, die die Schweissvorgänge erleichtert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung eines Thermoele- mentes .aus einem Thermokabel, das in einer röhren förmigen Ummantelung ;

aus Metall mindestens einen von einem elektrischen Isoliermaterial umgebenen Leiter enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein vor geformtes Kabelende einem Gasplasma-Heizprozess unterworfen wind, der ,darin besteht,

dass das in #bezug auf einen Plasmagenerator Aals Anode geschal- tete Kabelende durch ein von dem Plasmagenerator in einer verdünnten Atmosphäre erzeugtes Plasma erhitzt wird, wobei mindestens,

die Ummantelung allein zu einem dichten Kabelverschluss zusammen- geschmolzen wird. II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- rens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein evakuierbanes Gefäss (24, 27, 28)

'zur Unterbrin gung einer Werkstück Zusammenstellung, die einte Mehrzahl von vorbereiteten Thermokabelenden (38, 39 bzw. 40, 41) umfasst; leinen Plasmagenerator (20... 23), der zur Erzeugung von Gasplasma in nenhalb des :Gefässes :

(24, 27, 28) geeignet ist; Mittel zum Abdichten einer durch das Gefäss geführten, zu voneinander isolierten Teilen ,der Zusammenstellung gehörenden Mehrzahl elektrischer Leiter;

und leinen ,dem Gefäss angeschlossenen äusseren elektrischen Stromkreis, der selektive Schaltmittel enthält, um mittels der Leiter nacheinander jeden Teil der Zu- sammenstellung in bezug auf Aden Plasmagenerator (20... 23) als Anode zu schalten. III. Thermoelement mit einer ,

dächten und von der Thermo-Schweissstelle isolierten Hülle, das nach Odem Verfahren .gemäss Patentanspruch I hergestellt ,ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, idadurch gekennzeichnet, @dass :

die Enden der Mittelleiter zu- isammen mit der Ummantelung,als Anode geschaltet und zu einem dichten, idie Thermoelement-Schweäss- stelle bildenden Kabielendverschluss im Gasplasma zusammengeAschweisst werden.

2. Verfahren nach ;Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, idass zunächst idie Mittelleiter (40, 41 bzw. 11, 12) als Anode geschaltet und die an- einanderstossenden Leiterenden zu einer Thermo- Schweiss:

stelle (47) verschmolzen werden und an schliessend die Ummantelung (14 bzw. 31, 32) als Anode geschaltet wird und ihr Ende zu einem dich ten, durch das Isoliermaterial (13) von der Thermo- Schweissstelle (47) isolierten Endverschluss (48) zu- sammengeschmolzen wird. 3.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unter anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, idass ,ein Ende des Kabels (10) ,mit einer einen koniächen Teil aufweisenden Einsenkung (17, 18) im Isolier- :

material (13) versehen wird, die @so geformt ist, dass die Leiter (11, 12) laus .dem Boden der Einsenkung (18) herausragen. 4. Vorrichtung nach Batentansprnich II, ,dadurch gekennzeichnet, @dass das Gefäss (24, 27, 28) Refle- xionsmittel enthält, die das Plasma (46) in Zonen aufteilen. 5.

Vorrichtung nach Patentanspruch II :und Un- teranspruch 4, dadurch igekennzeichnet, dass die Re flexionsmittel aus einem Reflektorstab (29) bestehen, der mit ,der Plasma-Austrittsöffnung (23) im GeneDa- tor (20... 23) in .gerader Linie liegt und :

dessen Stirnfläche (30) zur Generatoröffnung (23) hin kon kav ausgebildet ist. 6. Thermoelement nach Patentanspruch III, das nach demRTI ID="0004.0246" WI="16" HE="4" LX="1310" LY="1860"> Verfahren gemäss Unteranspruch 3 .her gestellt ist.