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Die Erfindung betrifft ein Thermoelement zum Erfassen von Temperaturen im Hochtemperaturbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements, das für Temperaturen im Hochtemperaturbereich vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
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Es sind Thermoelemente für den Hochtemperaturbereich, der üblicherweise Temperaturen von 500°C bis 1400°C umfasst, bekannt, die aus Rohren hergestellt sind, die einen Rohrmantel aus Stahl aufweisen. Im Inneren des Rohrmantels befinden sich elektrische Leiter, die voneinander beabstandet sind. Meist befinden sich zwei elektrische Leiter im Rohrmantel. Dabei sind diese elektrischen Leiter in einem Keramikmaterial eingebettet, das sich innerhalb des Rohrmantels befindet. Bei dem Keramikmaterial handelt es sich beispielsweise um Al2O3.
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Für die Herstellung des Thermoelements wird der Rohrmantel mit dem Keramikmaterial und den elektrischen Leitern zunächst abgelängt. An einem Ende wird das Keramikmaterial ein Stück weit herausgenommen, so dass die Enden der elektrischen Leiter freigelegt werden. Anschließend werden die elektrischen Leiter galvanisch miteinander verbundenen, so ein Thermokontakt entsteht. Der verbliebene Hohlraum um den Thermokontakt herum wird wieder mit dem Keramikmaterial, beispielsweise mit Al2O3, aufgefüllt.
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Am anderen Ende wird die elektrische Anschlussseite zum Anschließen des Thermoelements an eine Spannungsquelle und Messeinrichtung gebildet. Dabei wird von dem abgelängten Rohrmantel ein Teil abgeschnitten, so dass die elektrischen Leiter aus dem Rohrmantel herausragen. Vorzugsweise ragen die elektrischen Leiter mit unterschiedlichen Längen aus dem Rohrmantel heraus, damit diese unterscheidbar sind. Anschließend wird an diesem Ende von dem Keramikmaterial ein Stück entfernt. Der entstandene Hohlraum wird danach mit einem Epoxidharz aufgefüllt. Das Epoxidharz verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit in das Keramikmaterial, was die elektrische Leitfähigkeit des Keramikmaterials verändern und Messsignale verfälschen würde.
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Aus der
DE 196 54 464 C2 ist eine Mantelleitung für Thermoelemente beschrieben. Die Mantelleitung weist einen äußeren metallischen Schutzmantel auf. In Inneren der Mantelleitung befinden sich mehrere elektrische Leiter mit Isolationsmitteln. Die Isolationsmittel sind zur Isolierung der elektrischen Leiter untereinander und gegenüber dem Schutzmantel vorgesehen. An der elektrischen Anschlussseite ragen die Enden der elektrischen Leiter aus dem Schutzmantel heraus. Darin ist ein Verschlusselement eingebracht oder eingeschmolzen, das aus Glaskeramik besteht. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verschlusselements ist etwa gleich dem der verwendeten Metalle oder Metalllegierungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Thermoelement zum Erfassen von Temperaturen im Hochtemperaturbereich sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit zu stellen, wobei die Dichtigkeit des Thermoelements an der Anschlussseite verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Thermoelements durch den Gegenstand des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verschlusselement aus Glas hergestellt ist, wobei das Glas in Pulverform oder als pastöses Material in das Mantelelement eingebracht, darin geschmolzen und ausgehärtet ist.
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Die Hauptidee der Erfindung besteht darin, dass einerseits das Material für das Verschlusselement pulverisiertes oder pastöses Glas ist und andererseits durch das Schmelzen und anschließende Aushärten des Glases die Form des Verschlusselements an den Innenraum des offenen Endbereichs angepasst ist. Auf diese Weise ist die Dichtigkeit des Thermoelements an der Anschlussseite gewährleistet und das Verschlusselement ist an eine beliebige Form des Innenraums im offenen Endbereich des Mantelelements angepasst. Es sind keine weiteren Abdichtmaßnahmen zwischen Verschlusselement und Mantelelement erforderlich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verschließt das Verschlusselement vollständig den Querschnitt des offenen Endbereichs des Mantelelements. Somit sind keine weiteren Verschlusselemente erforderlich.
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Bei einer alternativen Ausführungsform umschließt eine Hülse den offenen Endbereich des Mantelelements, die Hülse steht über den offenen Endbereich hinaus hervor, und das Verschlusselement verschließt vollständig den inneren Querschnitt der Hülse. Durch die Hülse werden der Innendurchmesser und der Außendurchmesser erhöht, so dass das Verschlusselement leichter eingefügt werden kann.
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Weiterhin kann der innere Querschnitt der Hülse gleich groß wie oder geringfügig größer als der äußere Querschnitt des Mantelelements im offenen Endbereich sein. Dies gewährleistet eine hinreichende Dichtigkeit.
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Vorzugsweise ist das Füllmaterial ein Keramikmaterial, beispielsweise Al2O3.
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Bei einer speziellen Ausführungsform ist der Thermokontakt von einem weiteren Füllmaterial umgeben, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Füllmaterial im übrigen inneren Bereich des Mantelelements. Dadurch werden die Wärmeleitfähigkeit und das Ansprechverhalten des Thermoelements verbessert. Das Mantelelement kann eine höhere Wanddicke aufweisen, was eine erhöhte Stabilität bedeutet und einer Abrasion entgegenwirkt.
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Dabei kann das weitere Füllmaterial AlN oder ein anderes Keramikmaterial mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit sein.
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Beispielsweise kann das Mantelelement als Rohrabschnitt ausgebildet sein und am geschlossenen Endbereich ein Abdeckelement aufweisen. Dies bewirkt einen verhältnismäßig niedrigen konstruktiven Aufwand.
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Weiterhin kann die Hülse als Rohrabschnitt ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind das Mantelelement, das Abdeckelement und/oder die Hülse aus Metall, insbesondere aus Stahl hergestellt. Als Stahl für eines oder auch alle dieser Elemente kommen Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen in Betracht, die insbesondere aluminiumhaltig ausgebildet sein können. Ein hoher Anteil an Chrom und der Zusatz von Aluminium führen unter oxidierenden Bedingungen bei hohen Temperaturen zur Ausbildung einer dichten, fest haftenden Oxidschicht. Dies ermöglicht und erleichtert den Einsatz an Orten, an denen Beständigkeit gegen aggressive Gase und hohe Temperaturen in oxidierender Atmosphäre erforderlich ist. Gut geeignet ist die Legierung Alloy 601, die auch unter der geschützten Bezeichnung Inconel 601 bekannt ist. Alternativ kommen jedoch auch andere Stahlarten in Betracht.
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Bevorzugt weist der Stahl einen Schmelzbereich von etwa 1.300°C bis 1.370°C und/oder eine Dichte von etwa 8.100 kg/m3 und/oder eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 16,3 W/(m × K) auf.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Thermoelements durch den Gegenstand des Patentanspruches 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verschlusselement aus Glas hergestellt ist, wobei das Glas in Pulverform oder als pastöses Material in das Mantelelement eingebracht wird, anschließend darin geschmolzen wird und schließlich aushärtet.
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Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass einerseits als Material für das Verschlusselement pulverisiertes oder pastöses Glas verwendet wird und andererseits durch das Schmelzen und anschließende Aushärten des Glases die Form des Verschlusselements an den Innenraum des offenen Endbereichs angepasst wird. Auf diese Weise wird die Dichtigkeit des Thermoelements an der Anschlussseite gewährleistet. Das Verschlusselement wird an eine beliebige Form des Innenraums im offenen Endbereich des Mantelelements angepasst. Es sind keine weiteren Abdichtmaßnahmen zwischen Verschlusselement und Mantelelement erforderlich.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Einfügen des Verschlusselements in den zweiten Endbereich eine Hülse aufgebracht, so dass die Hülse den offenen Endbereich des Mantelelements umschließt und über den offenen Endbereich hinaus hervorsteht, und das Verschlusselement so eingefügt wird, dass es den inneren Querschnitt der Hülse vollständig ausfüllt.
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Weiterhin kann nach dem Herstellen des Thermokontakts der Bereich um den Thermokontakt herum mit einem weiteren Füllmaterial aufgefüllt werden, wobei dieses Füllmaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Füllmaterial im übrigen Innenbereich des Mantelelements.
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Schließlich kann das Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Thermoelements vorgesehen sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Absaugvorrichtung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Thermoelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
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2 eine schematische Schnittansicht eines Thermoelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Thermoelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Das Thermoelement umfasst ein lang gestrecktes Mantelelement 10 mit einem ersten Endbereich 12 und einem zweiten Endbereich 14. Das Mantelelement 10 ist als Rohrabschnitt ausgebildet und hat die Form eines Zylindermantels. In diesem Beispiel ist das Mantelelement 10 aus Stahl hergestellt.
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Für das Mantelelement 10 werden im Ausführungsbeispiel vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen als Stahl verwendet. Diese Legierungen sind in der Regel aluminiumhaltig ausgebildet. Ein in diesen Legierungen üblicherweise enthaltener hoher Anteil an Chrom sowie der Zusatz von Aluminium führen unter oxidierenden Bedingungen beim Mantelelement 10 bei hohen Temperaturen zur Ausbildung einer dichten, fest haftenden Oxidschicht. Auf diese Weise lässt sich das Mantelelement 10 an Orten einsetzen, an denen Beständigkeit gegen aggressive Gase und hohe Temperaturen in oxidierender Atmosphäre erforderlich ist.
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Verwendet wird für das Mantelelement 10 häufig die Legierung Alloy 601, die insbesondere unter der geschützten Bezeichnung Inconel 601 bekannt ist. Im Ausführungsbeispiel weist der Stahl des Mantelelements 10 einen Schmelzbereich von etwa 1.300°C bis 1.370°C, eine Dichte von etwa 8.100 kg/m3 und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 16,3 W/(m × K) auf.
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Alternativ kommen für das Mantelelement 10 auch andere Stahlarten in Betracht. Im Allgemeinen ist das Mantelelement 10 aus einem Material herstellt, das für die vorgesehene Anwendung hinreichend temperaturbeständig ist.
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Weiterhin umfasst das Thermoelement zwei lang gestreckte elektrische Leiter 16 und 18, die sich im Mantelelement 10 parallel zu dessen Längsachse erstrecken. Die beiden elektrischen Leiter 16 und 18 bestehen aus verschieden Materialien. Im ersten Endbereich 12 befinden sich die entsprechen Enden der elektrischen Leiter 16 und 18 innerhalb des Mantelelements 10. Dagegen erstrecken sich die elektrischen Leiter 16 und 18 im Mantelelement 10 über den zweiten Endbereich 14 hinaus. Die hinaus stehenden Abschnitte der elektrischen Leiter 16 und 18 sind zum Anschließen einer Schaltung und/oder elektrischer Leiter vorgesehen.
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Das Mantelelement 10 ist mit einem Füllmaterial gefüllt, in dem die elektrischen Leiter 16 und 18 eingebettet sind. Bei dem Füllmaterial handelt es sich um ein Keramikmaterial, beispielsweise Al2O3.
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Im ersten Endbereich 12 sind die elektrischen Leiter 16 und 18 mittels eines Thermokontakts 22 galvanisch gekoppelt. In dem Bereich um den Thermokontakt 22 herum ist das Mantelelement 10 mit einem weiteren Füllmaterial 30 gefüllt, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als jenes Füllmaterial 20, das sich im übrigen inneren Bereich des Mantelelements 10 befindet.
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Das weitere Füllmaterial 30 kann insbesondere AlN sein oder ein anderes Keramikmaterial mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit. Durch das weitere Füllmaterial 30 werden die Wärmeleitfähigkeit und das Ansprechverhalten des Thermoelements verbessert. Das Mantelelement 10 kann eine höhere Wanddicke aufweisen. Dies bewirkt eine erhöhte Stabilität und wirkt einer Abrasion entgegen.
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Am ersten Endbereich 12 ist das Mantelelement 10 mit einem Abdeckelement 24 verschlossen. Das Abdeckelement 24 ist in diesem Beispiel aus Stahl hergestellt.
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Für den Stahl des Abdeckelements 24 werden im Ausführungsbeispiel vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, wiederum die oben für das Mantelelement 10 beschriebenen Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen verwendet. Alternativ kommen jedoch auch andere Stahlarten in Betracht. Im Allgemeinen kann das Abdeckelement 24 aus einem Material herstellt sein, das für die vorgesehene Anwendung hinreichend temperaturbeständig ist. Je nach Temperaturbereich kann das Abdeckelement 24 mittels Löten, Hartlöten oder Schweißen am Mantelelement 10 befestigt sein.
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Am zweiten Endbereich 14 ragen die elektrischen Leiter 16 und 18 aus dem Mantelelement 10 heraus. Im zweiten Endbereich 14 befindet sich ein Verschlusselement 26 innerhalb des Mantelelements 10. Das Verschlusselement 26 verschließt den gesamten inneren Querschnitt des Mantelelements 10. Das Verschlusselement 26 ist aus Glas hergestellt. Dabei wird das Glas in Pulverform oder als pastöses Material in das Mantelelement 10 eingebracht und darin geschmolzen. Durch das anschließende Aushärten wird das Verschlusselement 26 an die Form des Innenraums im Mantelelement angepasst.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Thermoelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform des Thermoelements unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich durch eine alternative Ausgestaltung des zweiten Endbereichs 14 des Mantelelements 10.
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Das Thermoelement gemäß der zweiten Ausführungsform weist zusätzlich eine Hülse 28 auf, die als Rohrabschnitt ausgebildet ist. Die Hülse 28 umschließt den zweiten Endbereich 14 des Mantelelements 10 und steht über den zweiten Endbereich 14 des Mantelelements 10 hinaus.
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Der Innendurchmesser der Hülse 28 ist entweder gleich groß wie oder geringfügig größer als der Außendurchmesser des Mantelelements 10 im zweiten Endbereich 14. Die Hülse 28 ist in diesem Beispiel aus Stahl hergestellt.
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Für den Stahl der Hülse 28 werden im Ausführungsbeispiel vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, wiederum die oben für das Mantelelement 10 beschriebenen Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen verwendet. Alternativ kommen jedoch auch andere Stahlarten in Betracht.
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Im Allgemeinen kann die Hülse 28 aus einem Material herstellt sein, das für die vorgesehene Anwendung hinreichend temperaturbeständig ist. Die Hülse 28 kann mittels Löten, Hartlöten oder Schweißen am Mantelelement 10 befestigt sein, je nach dem, für welchen Temperaturbereich das Thermoelement vorgesehen ist.
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Die Hülse 28 erhöht den Innendurchmesser und den Außendurchmesser im zweiten Endbereich 14, so dass das Verschlusselement 26 leichter eingefügt werden kann. Das Verschlusselement 26 ist in dieser Ausführungsform im zweiten Endbereich 14 innerhalb der Hülse 28 eingebracht und verschließt den gesamten inneren Querschnitt der Hülse 28. Weiterhin liegt das Verschlusselement 26 an der Stirnseite des Mantelelements 10 im zweiten Endbereich 14 an.
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Bei der Herstellung des Thermoelements wird zunächst ein Rohrmantel aus einem temperaturbeständigen Material bereitgestellt, der im Inneren zum Rohrmantel parallele elektrische Leiter 16 und 18 und ein Füllmaterial 20 aufweist, so dass die elektrischen Leiter 16 und 18 im Füllmaterial 20 eingebettet sind. Aus dem Rohrmantel wird ein lang gestrecktes Mantelelement 10 mit samt den elektrischen Leitern 16 und 18 und dem Füllmaterial 20 in Inneren des Mantelelements 10 abgelängt, so dass das Mantelelement 10 einen ersten Endbereich 12 und einen zweiten Endbereich 14 aufweist. Anschließend wird der zweite Endbereich 14 des Mantelelements 10 so abgelängt, dass sich die elektrischen Leiter 16 und 18 über den zweiten Endbereich 14 hinaus erstrecken.
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Im ersten Endbereich 12 wird der Thermokontakt 22 zwischen den elektrischen Leitern 16 und 18 hergestellt, nachdem etwas Füllmaterial 20 im ersten Endbereich 12 entfernt worden ist. Anschließend wird der Bereich um den Thermokontakt 22 herum mit einem anderen Füllmaterial 30 als dem ursprünglichen Füllmaterial aufgefüllt, so dass der Thermokontakt 22 in einem neuen Füllmaterial 30 eingebettet ist. Das neue Füllmaterial 30 hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das ursprüngliche Füllmaterial bzw. jenes Füllmaterial 20, das sich im übrigen inneren Bereich des Mantelelements 10 befindet. Als neues Füllmaterial 30 wird beispielsweise AlN oder ein anderes Keramikmaterial mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit verwendet. Der erste Endbereich 12 wird mit dem Abdeckelement 24 verschlossen.
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Im zweiten Endbereich 14 wird ein Verschlusselement 26 in das Mantelelement 10 bzw. in die Hülse 28 eingefügt. Das Verschlusselement 26 ist aus Glas hergestellt. Dabei wird das Glas in Pulverform oder als pastöses Material in das Mantelelement 10 bzw. in die Hülse eingebracht. Anschließend wird das Glas darin geschmolzen und härtet danach aus. Die Form des Verschlusselements kann an eine beliebige Form des Innenraums im offenen Endbereich des Mantelelements angepasst werden. Auf diese Weise ist die Dichtigkeit des Thermoelements an der Anschlussseite gewährleistet. Es sind keine weiteren Abdichtmaßnahmen zwischen Verschlusselement und Mantelelement erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mantelelement
- 12
- erster Endbereich, geschlossener Endbereich
- 14
- zweiter Endbereich, offener Endbereich
- 16
- erster elektrischer Leiter
- 18
- zweiter elektrischer Leiter
- 20
- Füllmaterial
- 22
- Thermokontakt
- 24
- Abdeckelement
- 26
- Verschlusselement
- 28
- Hülse
- 30
- weiteres Füllmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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