DE1164526B - Thermoelement sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol m

Deutsche KL: 21b-27/01

Nummer: 1 164 526

Aktenzeichen: E 19834 VIII c / 21 b

Anmeldetag: 25. August 1960

Auslegetag: 5. März 1964

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement, bei dem die beiden Schenkel fest miteinander verbunden sind, von denen der eine — negative — Schenkel aus einem Metall der Platingruppe und der andere — positive — Schenkel aus einer Legierung von Metallen der Platingruppe besteht.

Es sind bereits Thermoelemente der erwähnten Art bekannt, bei denen unter der Einwirkung hoher Temperaturen oder korrosionsfördernder Bedingungen ein Kornwachstum auftritt, welches zu einer Versprödung und demgemäß vorzeitiger Zerstörung des Materials durch Bruch führt. Hiervon ist insbesondere der negative Schenkel betroffen.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Thermoelements, welches unter Vermeidung der Nachteile bei bekannten Thermoelementen eine wesentlich verlängerte Lebensdauer besitzt. Erreicht wird dies dadurch, daß der negative Schenkel kabelartigen Aufbau aufweist, indem er aufgebaut ist aus einem Metallmantel und einem von diesem Mantel eng umfaßten Metallkern, der aus einem Bündel paralleler, auf das engste miteinander in Kontakt stehender Drähte besteht, wobei Mantel und Drähte aus demselben Metall bestehen.

Es sind auch vieladrige Kabel bekannt, bei denen eine zentrale Ader aus einer ersten Metallegierung von isolierten Adern einer anderen Metallegierung umgeben ist. In bestimmten beliebig wählbaren Abständen ist jeweils eine der äußeren Adern mit der zentralen Ader verlötet und bildet dort ein Thermoelement. Derartige Kabel können beispielsweise zur Feuerüberwachung mehrerer Räume dienen, wobei in jedem zu überwachenden Raum eine Lötstelle zwischen einer äußeren und der zentralen Ader angebracht wird. Die bekannten Kabel arbeiten lediglich unter normalen Raumtemperaturen; sie würden beim Betrieb mittels hoher Temperaturen zerstört werden, da als Isolationsmaterial zwischen den einzelnen Adern ein Kunststoff, beispielsweise Nylon, verwendet wird. Wegen des Betriebes bei normalen Raumtemperaturen tritt bei den bekannten Kabeln auch keine Versprödung als Folge eines Kornwachstums auf.

Schließlich ist es auch bekannt, die Schenkel von aus Metallegierungen höheren spezifischen Widerstandes, insbesondere Eisen, bestehender Thermoelemente fast bis unmittelbar zu der Verbindungsstelle der Schenkel hin mit einem dünnen Überzug aus gutleitendem Material, insbesondere Kupfer, zu versehen. Ein schädliches Kornwachstum ist jedoch durch eine derartige Maßnahme nicht zu verhindern. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Thermoelement sowie Verfahren zu seiner
Herstellung

Anmelder:

Engelhard Industries, Inc., Newark, N. J.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

James S. Hill, Cranford, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. August 1959

(Nr. 836 776)

Thermoelements kann erreicht werden, daß der negative Schenkel die gleiche Lebensdauer wie der positive Schenkel besitzt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Thermoelements in Seitenansicht,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von

F ig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 1.

Das in der Zeichnung dargestellte Thermoelement besteht aus einem negativen Schenkel 1, einem positiven Schenkel 2, welcher beispielsweise aus einer Platin-Rhodium-Legierung bestehen kann, sowie einer Verbindungsstelle 3 beider Schenkel.

Der negative Schenkel 1 hat, wie in Fig. 3 dargestellt, kabelartigen Aufbau und weist einen rohrförmigen Platinmantel bzw. ein Platinrohr 6 auf, in dem sich ein Kern 4 aus zusammengefritteten Platindrähten 5 befindet. Die Kerndrähte 5 in Fig. 3 sind mit im wesentlichen regelmäßigen Querschnitten dargestellt; infolge der vor der Bildung des Thermoelements erfolgenden, wie nachstehend beschriebenen Bearbeitung des kabelartigen Körpers verlieren die Drähte ihren ursprünglichen kreisförmigen Querschnitt und kommen teilweise zur Verschmelzung, wobei die Längsbegrenzungen zwischen den verform-

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ten Drähten mikrografisch erkennbar sind. Die Längsbegrenzungen verhindern nicht nur das Kornwachstum über den ganzen Querschnitt des zusammengesetzten Drahtes, sondern wirken auch als wirksame Sperren, um zu verhindern, daß sich kontinuierliche Korngrenzen über den ganzen Drahtquerschnitt bilden. Der Kern 4 ist daher ein durch eine Vielzahl von Drähten gebildeter Sperrschichtkern, in dem das Kornwachstum wirksam verhindert wird; die Folge des Aufbaues des Kerns ist es, daß die Korn- ίο grenzen der einzelnen verformten Drähte unregelmäßig sind und der zusammengesetzte Draht eine wesentlich größere Zugfestigkeit aufweist als die üblichen Drähte mit homogenem Querschnitt.

Das folgende Beispiel zeigt das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Drahtes.

Beispiel

Es wurde eine Stange aus chemisch reinem Platinmetallschwamm gegossen. Die Stange wurde durch Gesenkdrücken auf einen Durchmesser von 12,7 mm [¹Ii Zoll) bearbeitet und in zwei Stäbe von je 15,24 cm (6 Zoll) Länge zerschnitten. Einer der Stäbe wurde durch Gesenkdrücken auf einen Durchmesser von 5,08 mm (0,200 Zoll) gebracht und gewickelt. Der gewickelte Draht wurde durch Eintauchen in ein Bad aus Königswasser chemisch gereinigt, wodurch etwa 0,0762 mm (0,003 Zoll) der Oberfläche weggenommen wurde. Der Draht wurde dann auf einen Durchmesser von 1,778 mm (0,070 Zoll) gezogen und wie vor chemisch gereinigt. Hierauf wurde der Draht wiederum auf einen Durchmesser von 0,508 mm (0,020 Zoll) gezogen und ebenfalls wie vor gereinigt. Bei einem Durchmesser von 0,508 mm wurde der Draht durch Messung seiner Thermospannung gegenüber einem geeichten Thermoelementdraht geprüft, wobei eine Spannung zwischen 0 bis 10 Mikrovolt festgestellt wurde. Der Draht wurde hinsichtlich des Koeffizienten des elektrischen Widerstandes von 0° bis 100° C gemessen und innerhalb dieses Temperaturbereiches mit einem Widerstandskoeffizienten von 0,0039 gemessen. Das Ergebnis der spektrographischen Prüfung des Drahtes ergab 99,96 Reinheit. Hierauf wurde der Draht in Längen von 165,1 mm geschnitten. Der zweite Stab wurde zur Bildung eines Rohres mit einer Axialbohrung von 6,35 mm (¹A Zoll) ausgebohrt. Die Drähte und das Rohr wurden chemisch gereinigt und etwa 100 Drähte gebündelt und in die Rohrbohrung zur Bildung eines Drahtbündelkerns gepackt. Das zusammengesetzte, in seinem Kern gefüllte Rohr wurde durch Kaltgesenkdrücken auf einen um 10% verringerten Durchmesser gebracht, während die aus dem Rohr herausragenden Drahtenden auf die Rohrlänge zugeschnitten wurden. Das zusammengesetzte Rohr wurde dann chemisch gereinigt und dann 16 Stunden lang bei 1400° C in Wasserstoff einer Wärmebehandlung unterzogen. Das wärmebehandelte Rohr wurde dann durch Warmgesenkdrücken von einem Durchmesser von 11,43 mm (0,450ZoIl) auf einen Durchmesser von 7,62 mm (0,300 Zoll) gebracht, durch Kaltgesenkdrücken auf einen Durchmesser von 1,778 mm (0,070 Zoll) und auf einen Durchmesser von 0,508 mm (0,020 Zoll) mit zwischenliegenden Säurereinigungen bei 7,62 mm (0,300 Zoll), 5,08 mm (0,200 Zoll) und 1,778 mm (0,070 Zoll) gezogen. Sodann wurde eine weitere Prüfung des Drahtes hinsichtlich der Thermospannung, des Koeffizienten des elektrischen Widerstandes und der Reinheit, wie vorangehend beschrieben, vorgenommen. Das eine Ende des zusammengesetzten Platindrahtes war mit dem einen Ende eines Drahtes aus Platin und lO°/o Rhodium zur Bildung des Thermoelements verschweißt.

Bei dem vorangehend beschriebenen Thermoelement wurde festgestellt, daß der zusammengesetzte negative Schenkel bei hohen Temperaturen eine Lebensdauer hat, welche derjenigen des legierten positiven Schenkels entspricht. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß reines Platin einen Schmelzpunkt von 1769° C hat, während eine Legierung aus Platin und lO°/o Rhodium einen Schmelzpunkt von 1830^: C hat. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Lebensdauer des Thermoelements dadurch verlängert werden kann, daß der Schenkel aus dem Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt aus einem zusammengesetzten Draht, wie vorangehend beschrieben, gebildet wird.

Obwohl im vorangehenden Beispiel bestimmte Abmessungen u. dgl. angegeben wurden, können innerhalb des Rahmens der Erfindung auch andere geeignete Abmessungen und andere Wärmebehandlungstemperaturen, beispielsweise von etwa 1400° bis etwa 2000° C je nach dem Schmelzpunkt des im zusammengesetzten Thermoelementglied verwendeten Materials vorgesehen werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Thermoelement, bei dem die beiden Schenkel fest miteinander verbunden sind, von denen der eine — negative — Schenkel aus einem Metall der Platingruppe und der andere — positive — Schenkel aus einer Legierung von Metallen der Platingruppe besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Schenkel kabelartigen Aufbau aufweist, indem er aufgebaut ist aus einem Metallmantel und einem von diesem Mantel eng umfaßten Metallkern, der aus einem Bündel paralleler, auf das engste miteinander in Kontakt stehender Drähte besteht, wobei Mantel und Drähte aus demselben Metall bestehen.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte des Bündels miteinander verschmolzen oder zusammengefrittet sind.

3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des positiven Schenkels so gewählt ist, daß es höheren Schmelzpunkt als das des negativen Schenkels aufweist.

4. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schenkel aus zylindrischen Körpern gleichen Querschnittes bestehen.

5. Thermoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Schenkel in bei Thermoelementen anderer Ausführung bekannter Weise aus Platin besteht.

6. Thermoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Schenkel in bei Thermoelementen anderer Aus-

führung bekannter Weise aus Platinrhodium besteht.

7. Verfahren zur Herstellung von Thermoelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Metalldrähten gebildet, ein Metallrohr geformt, dieses Rohr mit den Drähten gefüllt, das drahtgefüllte Rohr durch Gesenkdrücken in seinem Durchmesser verringert sowie einer Wärmebehandlung unterzogen wird und die Drähte zusammengefrittet werden, das gefrittete drahtgefüllte Rohr durch Ziehen in die Form eines vergleichsweise dünnen Drahtes gebracht und dieser mit einem anderen Metalldraht durch eine Thermoelement-Verbindungsstelle verbunden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen etwa 1400 und etwa 2000° C durchgeführt wird.

9. Herstellung von Schenkeln negativer Art für Thermoelemente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel in benötigten Längen aus einem Körper »unendlicher« Länge geschnitten werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 616 623;
USA.-Patentschriften Nr. 2490196, 2 665 322;
Peters, »Thermoelemente und Thermosäulen«
(1908), S. 128 und 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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