DE1927147C3 - Verfahren zum wärmeschlüssigen Anbringen eines Meßfühlers in einer mit einem wärmeleitenden Werkstoff versehenen Ausnehmung eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum wärmeschlüssigen Anbringen eines Meßfühlers in einer mit einem wärmeleitenden Werkstoff versehenen Ausnehmung eines Werkstückes, insbesondere der druck- 3» festen Wandung eines Feuerraunies.

Beim Verwenden von Meßfühlern, beispielsweise der Sonden temperaturanzeigender Meßgeräte, an einem Werkstück (Prüfstück) wird gefordert, daß ihre Fixierung am Ort der Messung gegen mechanische Beanspruchungen weitgehend unempfindlich ist. Fs müssen jedoch trotz der dazu notwendigen Befestigungselemente die zu messenden Daten, also etwa die Wärmebelastungen des Werkstückes, unverfälscht an das Meßgerät weitergegeben werden. +o

Durch örtliche mechanische oder thermische Überbeanspruchungen beim Einbau und Fixieren des Meßfühlers können Veränderungen im Gefüge der Werkstoffe, sowohl des Meßfühlers als auch des Prüflings, verursacht werden, die fehlerhafte Messungen « zur Folge haben. Sie müssen deshalb vermieden werden.

Die Befestigung derartiger Meßfühler erfolgt jedoch fast stets durch Schweißen. leiten. Kleben oder Verschrauben. Dabei wird die Art ihrer Fixierung dem so jeweiligen Ort ihrer Verwendung, an dem Messungen vorzunehmen sind, anzupassen sein.

Soweit es sich hierbei um Befestigungsverfahren handelt, bei welchen eine örtliche Wärmezufuhr (Schweißen, Löten) erfolgt, ist eine /.weckgerechte Befestigung nur dann möglich, wenn später beim Betrieb wärmetechnisch keine Schwierigkeiten auftreten. Das ist jedoch beispielsweise dann der Fall, wenn es sich um Feuerraumwände oder Brennkammerwände mit komplizierten Kühlsystemen handelt, wie sie etwa bei Raketentriebwerken üblich sind. Hier besteht die Gefahr, daß sich das Volumen der verwendeten verschiedenen Metalle bzw. Metallegierungen entsprechend ihren unterschiedlichen Dehnungskoeffizienten verschieden verändert; eine Verschlechterung des Strom- und/oder Wärme- und/oder Kraftschlusses ist die Folge. Dabei ist unter »Schluß« eine einen guten Übergang zwischen Werkstoffen bewir

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65 kende, direkte oder indirekte flächenhafte Berührung derselben untereinander zu verstehen, ohne daß deren Wärmeleitfähigkeit dabei verschlechtert wird.

Geklebte Verbindungen zwischen Meßfühlern und Werkstück sind in der Regel nicht genügend homogen, insbesondere wenn die Klebestelle wechselnden Temperaturen ausgesetzt werden muß. Der Strom-, Wärme-, Kraftschluß ist daher also auch hier nicht immer einwandfrei. Ähnliches gilt für Verschraubun-

Aber auch die Größe der Meßfühler sowie die Zugänglichkeit des Ortes ihrer Anbringung im Werkstück sind von Bedeutung. Sie beeinträchtigen oder behindern unter Umständen ihre einwandfreie Befestigung. Handelt es sich um kleine oder kleinste Meßsonden, welche definiert in den Wandungen der Werkstücke befestigt werden müssen, dann können sie nicht örtlich erhitzt werden, ohne daß unerwünschte Gefügeveränderungen und Spannungen im Werkstoff die Folge sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, unter Vermeidung der bisherigen Fehlerquellen eine Anordnung aufzuzeigen, mittels welcher Meßfühler, auch solche kleiner und kleinster Abmessungen, definiert in Ausnehmungen so befestigt werden, daß Beschädigungen sowie unerwünschte Änderungen des Gefüges der Metalle des Meßgerätes und des Werkstückes mit Sicherheit ausgeschaltet sind. Außer einem guten Strom-, Wärme-, Kraftschluß soll die Anordnung ggfs. auch noch völlige Dichtheit und hohe Festigkeit gewährteisttii. damit sie auch hohen Drücken standhalten, also nicht bereits durch relativ geringe Kräfte aus ihrer Lage herausgepreßt werden kann.

Die Erfindung ist beim Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler zunächst von einer aus vergleichsweise weicherem wärmeleitenden Werkstoff bestehenden Manschette umgeben und danach mittels plastischer Verformung der Manschette und ohne Würme/ufuhr in der als Durchlaß ausgebildeten Ausnehmung druckdicht festgelegt wird, so daß er schließlich über seine Manschette in der Ausnehmung des Werkstükkes anliegt.

Von V orteil ist es, wenn die Wärmeleitzahl des weicheren Werkstoffes mindestens ebenso groß ist wie die des Meßfühlers und des Werkstückes. In Weiterbildung der Erfindung wird als Werkstoff für die Manschette weich geglühtes Silber verwendet.

Es ist zwar schon bekannt, Meßsonden in einer Gehäusewand mittels einer gegenüber dieser isolierten Hülse anzuordnen (österreichische Patentschrift 248 148). Ein unverfälschter Wärmeübergang wird aber in diesem Falle nur auf eng begrenzter Fläche im Bereich der Stirnfläche der Meßsonde erzielt. Im übrigen ist der Sitz des Meßgerätes in der Gehäusewand nur wenig belastbar und hält hohem Innendruck nicht stand.

Bei anderen bekannten Einrichtungen zur Messung der Temperatur von heißen Metallschmelzen ist das Thermoelement von einem metallkeramischen Verschlußstück umgeben, das zwar wärmeleitend ist aber ebenfalls keinen mechanisch festen Sitz verbürgt (österreichische Patentschrift 259901).

Es ist schließlich schon eine formschlüssige und druckfeste Verbindung (deutsches Gebrauchsmuster 1 965 489) bekanntgeworden, bei welcher die Führungsbuchse für ein Düsenverschlußglied mittels eines

Hohlstopfens befestigt und gesichert wird. Hierbei wird der Hohlstopfen in eine innere Abstufung des umgebenden Gehäuses eingepreßt und durch Druck in axialer Richtung verfonnt, derart, daß der Werkstoff des Hohlstopfens in eine Ringnut des Gehäuses verdrängt wird. Ein Formscaluß wird aber hier nur zwischen dem Außenumfang des Hohlstopfens und dem umgebenden Gehäuse angestiebt, nicht aber zugleich auch radial nach innen in Richtung zu dem darin geführten Dusenverschlußglied. Demzufolge fehlt hiei der Strom-, Wärme-, Kraftschluß, der durch die Erfindung herbeigeführt wird.

Nach einem weiteren bekannten Vorschlage (Rocketdyne) hat man den Außenmantel eines Meßfühlers mit Spezialweichlot beschichtet und in ein«; ¹S entsprechende Ausnehmung einer Feuerraumwand eingelötet.

Die hierbei entwickelte Methode ist nber infolge des dabei erforderlichen Aufwatides an Arbeitszeil unwirtschaftlich und schon deshalb nicht immer reali- ^ao sierbar. Außerdem weisen Lötungen einen nicht behen sch baren, unterschiedlichen »FüHgrad« auf, d. h. das zum Fließen gebrachte Lötmetall füllt unter Umständen nur Teile des zwischen dem Meßfühler und dem Prüfling bestehenden Ringspaltes aus. Im übrigen »5 kann bei einer lokalen Aufheizung der Einbaustelle, wie bereits beschrieben, die Gefahr von Verformungen und Gefügeveränderungen am Werkstück und am Meßfühler niemals ausgeschlossen werden. Jede noch so geringe Verformung während der Erhitzung beim Löten stellt aber die Brauchbarkeit der Meßstelle in Frage. Auch weitere Instrumentationen können durch örtliche oder einseitige Aufheizung Schaden nehmen. Eine Vorwärmung des gesamten Werkstückes in einem genügend großen Vorwärmofen, sofern überhaupt ohne Gefügeveränderung statthaft, kann aus wirtschaftlichen Gründen im allgemeinen nicht in Erwägung gezogen werden. Auch bedingt die verwendete Lötsorte oft eine Lötung in Schutzgasatmosphäre. *o

Nachfolgend ist die Erfindung an Hand mehrerer in Schnittzeichnungen dargestellter Beispiele von wärmeschlüssigen Anordnungen eines Meßfühlers erläutert:

F i g. I ist eine Schemaskizze, aus der das der Erf indung zugrundeliegende Prinzip zu ersehen Lt;

Fi g. 2 zeigt die Anordnung eines Meßfühlers in einer Rohrwandung;

Fig. 3 zeigt die Halterungeines Meßfühlen» in einer Bohrung in der Wand einer Raketenbrennkammer.

Gemäß Fig. 1 ist in die Bohrung 2 des Werksiükkes 1 der Meßfühler 3 zentrisch eingeführt Den Zwischenraum zwischen seinem Außenmantel und der Wand der Bohrung 2 füllt eine Manschette 4 aus, die aus weicherem Werkstoff besteht als der Meßfühler 3 und das Werkstück J. Der Werkstoff der Manschette 4 wird durch Pressen in Richtung der Pfeile 6 bei entsprechender Gegenfaaltung mittels des Stabes 5 plastisch verformt und legt sich sowohl an die Wandung der Bohrung 2 als auch an den Außenmantel des Meßfühlers 3 eng an, wobei er alle Unebenheiten beider Flächen satt ausfüllt. Der Meßfühler 3 ist somit unverrückbar, elektrisch leitend und wärmeschlüssig in der Bohrung 2 festgelegt. Der Durchmesser des Stabes 5 übersteigt den der Bohrung 2, so daß beim Gegenhalten des Stabes 5 dessen Außenrand auf dem Werkstück 1 aufsitzt. Dadurch fluchtet die Endfläche des in der beschriebenen Weise festgelegten Meßfühlers 3 mit der Begrenzungsfläche des Werkstükkesl.

Fig. 2 zeigt in etwa fünffacher Vergrößerung ein Anwendungsbeispiel, bei welchem in einer Bohrung 8 einer Rohrwandung 7 ein Meßfühler 3 mittels einer Manschette 4 in der vorbeschriebenen Weise festgelegt ist. Das im Inneren 9 des Rohres strömende Medium streicht unmittelbar und ohne Druckverlust am Meßfühler 3 vorbei, wodurch ein unverfälschtes Meßergebnis gewährleistet ist.

F i g. 3 zeigt in der Bohrung 10 einer von Kühlkanälen 11, 12 durchzogenen Wandung 13 eine Raketenbrennkammer. Hier ist ein als Meßfühler ausgebildeter Temperaturfühler 14 zentrisch in die Bohrung eingesetzt. Er wird von einer Manschette 15 aus weichem Werkstoff umgeben, deren Außenwandung an der Wandung der Bohrung 10 anliegt. Auf der Stirnfläche der Manschen»: 15 ist eine Büchse 16 aufgesetzt,die in ihrer zentrischen Bohrung 17 den Temperaturfühler 14 aufnimmt. Durch deren Belastung in der Pfeilrichtung 18 wird das weiche Metall der Manschette 15 in die Oberflächenunebenheiten sowohl des Temperaturfühlers 14 als auch der Bohrung 10 gepreßt. In dieser Weist: wird auf kaltem Wege, also ohne Anwendung von Wärme, eine kraftschlüssige, elektrisch leitende und den Wärmefluß von der Wandung der Brennkammer zum Temperaturfühler nicht beeinträchtigende Verbindung zwischen diesen Bauteilen hergestellt. Durch eine Rille 19 oder ähnliche formschlüssige Mittel an der zylindrischen Bohrung 10 kann der Kraftschluß der Verbindung erhöht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum wärmeschlüssigen Anbringen eines Meßfühlers in einer mit einem wänmeleitenden Werkstoff versehenen Ausnehmung eines Werkstückes, insbesondere der druckfesten Wandung eines Feuerraumes, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (3, 4) zunächst von einer aus vergleichsweise weicherem wärme- "> leitenden Werkstoff bestehenden Manschette (4, 15) umgeben und danach mittels plastischer Verformung der Manschette und ohne Wärmezufuhr in der als Durchlaß ausgebildeten Ausnehmung (2,8) druckdicht festgelegt wird, so daß »5 er schließlich über seine Manschette in der Ausnehmung des Werkstücks (1, 7, 13) anliegt.

2. Ausbildung eines nach dem Verfahren nach Anspruch 1 angeordneten Meßfühlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Man- »° schette (4, 15) weich geglühtes Silber ist.