DE3513441C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler für einen Hochtemperatur- und Hochdruckofen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, z. B. für unter Druck arbeitende Sinteröfen oder isostatische Heißpreßvorrichtungen, nachstehend auch kurz als HIP-Vorrichtung bezeichnet. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Thermoelement-Temperaturfühler mit verbesserter Konstruktion zum Halten der Thermoelementdrähte.

In jüngster Zeit sind große Investitionen bei der Untersuchung und Entwicklung von oxidfreien Keramiken, wie z. B. Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Siliziumcarbid (SiC) gemacht worden, die als Materialien hoher Festigkeit angesehen werden und die zur Anwendung bei sehr effizienten Gasturbinen und Dieselmotoren ausgelegt sind. Bei den Herstellungsverfahren für beispielsweise Si₃N₄ verwendet man dabei einen Sinterofen mit N₂- Atmosphäre unter einem Druck von 10⁶ bis 10⁷ Pa bei 1800°C bis 2100°C oder eine unter einem Druck von 10⁸ bis 2 · 10⁸ Pa stehende HIP-Vorrichtung mit einer N₂-Atmosphäre von 1700°C bis 1800°C.

Als Temperaturmesser in derartigen unter Druck stehenden Sinteröfen und HIP-Vorrichtungen werden zweckmäßig optische Temperaturfühler verwendet, und zwar im Hinblick auf den Betrieb in einem hohen Temperaturbereich, der in einigen Fällen 1700°C überschreitet. Dabei ist es jedoch erforderlich, das Strahlungslicht aus einem Ofen direkt zu einem Sensorbereich des Meßfühlers zu leiten. Beispielsweise müssen bei einer HIP-Vorrichtung gemäß Fig. 7 Öffnungen (28) und (29) durch einen Druckbehälter (20) mit oberem und unterem Deckel (21) bzw. (22) und durch eine Hitze-Abschirmwand (24) ausgebildet werden, die sich zwischen der Innenwandfläche des Druckbehälters (20) und einer beheizbaren Behandlungskammer (23) befindet.

Das Anbringen einer derartigen Öffnung (28) beeinträchtigt jedoch die Festigkeit des Druckbehälters (20), während die Öffnung (29) eine Zirkulation des Druckgasmediums durch sie hindurch einleitet, so daß die Innenwandflächen des Behälters einer hohen Temperatur ausgesetzt und große Hitzeverluste hervorgerufen werden. Die Anwendung eines optischen Temperaturfühlers ist somit sehr schwierig und läßt sich derzeit in unter Druck arbeitenden Sinteröfen von bis zu etwa 10⁶ PA Überdruck zu finden.

Als Temperaturfühler für unter Druck stehende Sinteröfen und HIP- Vorrichtungen, die bei höheren Druckwerten als 10⁶ Pa Überdruck arbeiten, gibt es auf dem Markt kaum geeignete Temperaturfühler. Dementsprechend hat man im Falle einer HIP-Vorrichtung Versuche unternommen, in die Hitze- Abschirmwand des Druckbehälters ein handelsübliches Thermoelement einzubauen, das in ein Isolierrohr eingesetzt und an dessen oberem Ende gehalten wird, wobei das Thermoelement und das Isolierrohr von einem an seinem Vorderende geschlossenen Schutzgehäuse aufgenommen werden. Dabei erweist es sich in der Praxis als schwierig, aufgrund der durch die hohen Temperaturen nachlassenden elektrischen Isolierung des Rohres Nebenschlußfehler zu vermeiden.

Kommerziell erhältliche Thermoelemente auf W-Re-Basis haben normalerweise einen Drahtdurchmesser von nur ungefähr 0,5 mm, so daß bei der Verwendung in einer HIP-Vorrichtung mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 500 mm und einem Temperaturbereich von bis zu 2000°C oftmals ein Bruch der freien Thermoelementdrähte auftritt, und zwar wegen der Vergrößerung der Kristallkörner. Infolgedessen hat ein solches Thermoelement eine sehr kurze Betriebslebensdauer von nur etwa einem Betriebsablauf. Dies behindert die industrielle Anwendung von HIP- Vorrichtungen im 2000°C-Bereich.

Die DE-AS 10 08 931 offenbart ein nichtmetallisches Thermoelement für hohe Temperaturen, dessen beide Teile aus einem Rohr und einem im Inneren dieses Rohres angeordneten Stab großen Durchmessers besteht, die über ein Verschlußstück miteinander verbunden sind, das in das vordere Ende des Rohres eingeschraubt ist und in das der Stab seinerseits eingeschraubt ist. Es ist dementsprechend zwar ein rohrförmiges Gehäuse vorgesehen, jedoch kann dies nicht als Schutzgehäuse für das Thermoelement aufgefaßt werden, weil dieses Gehäuse Teil des Thermoelementes selbst ist. Daher liegt der eine Teil des vorbekannten Thermoelementes offen im Ofen und wird dementsprechend direkt von der im Ofen herrschenden Hitze beaufschlagt. Ein derartiges Thermoelement ist deshalb für Öfen wie HIP- Öfen ungeeignet, weil trotz der verhältnismäßig stabilen Ausführung der Teile des Thermoelementes diese durch unmittelbare Hitzeeinwirkung stark beansprucht werden und schon nach kurzer Zeit keine genaue Temperaturmessung mehr ermöglichen.

In F. Lieneweg, "Handbuch der technischen Temperaturmessung", Vieweg 1976, S. 75 ff sind elektrische Hochtemperaturthermometer beschrieben. Diese sind weitgehend für horizontalen Einbau bestimmt. Soweit eine vertikale Anordnung vorgesehen ist, ist das Thermometer von oben in den Meßraum zu hängen, so daß sich die Teile des Thermometers nicht beliebig längen können, ohne sich zu verwerfen, weil das Thermoelement nicht nach unten frei hängt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Genauigkeit und Lebensdauer von Thermoelementen auf Basis von Wolfram und/oder Wolfram-Rhenium zu erhöhen und einen Temperaturfühler für Hochtemperatur- und Hochdrucköfen wie HIP- Öfen zu schaffen, der den Betriebsbedingungen in diesen Öfen optimal angepaßt ist.

Die Aufgabe wird von einem Temperaturfühler der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Kennzeichen der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Temperaturfühler sind beide Schenkel des Thermoelementes biegesteife Stangen, die an der Meßstelle über ein Verbindungsstück verbunden sind, wobei das Verbindungsstück an einem am Schutzrohr befindlichen Halter hängend angeordnet ist.

Die Stangen sind so angeordnet, daß sie mit Ausnahme eines Temperaturmeßpunktes außer Kontakt sind und daß sie mit dem Schutzgehäuse nur in einem anderen Bereich als dem Hochtemperaturbereich des Ofens in Kontakt stehen.

Das Thermoelement besteht im wesentlichen aus W- und/oder W-Re- Grundmaterial. Das Material des Schutzrohres, welches das Thermoelement aufnimmt, ist zumindest im Hochtemperaturbereich vorzugsweise BN, und zwar wegen dessen Stabilität bei 2000°C, der Bearbeitbarkeit und auch aus Kostengründen. Es kann auch ein metallisches Material auf Mo- oder W-Basis mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden, da hierbei die Thermoelemente vor Verunreinigungen bewahrt werden, die aus der Wand des Schutzgehäuses ins Ofengas entweichen können. Gleichzeitig wird gegen elektrisches Rauschen abgeschirmt. Auf der Auflagefläche des Halters des Schutzrohres und/oder der Unterseite des Verbindungsstückes des Thermoelementes kann ein Material aufgebracht werden, das einen niedrigeren Schmelzpunkt hat, beispielsweise Al₂O₃ in einem Bereich, wo die Temperatur unter 1800°C liegt. Aber auch BeO, ThO₂, HfO₂, Y₂O₃ und ZrO₂ können verwendet werden.

Das Thermoelement kann von unten in das Schutzrohr einsteckbar und lösbar einzuhängen sein.

Der Halter für das Verbindungsstück kann aus einem Isolierrohr, beispielsweise aus BN mit den schon obenerwähnten Vorteilen, bestehen, das sich innerhalb des Schutzrohres erstreckt.

Die Schenkel des Thermoelementes haben bevorzugt einen Durchmesser, der größer oder gleich 3 mm ist. Gegenüber den herkömmlichen Schenkeln mit einem Durchmesser von 0,5 mm ist dadurch die Festigkeit erhöht.

Diese Schenkel sind mit Schraubenbereichen an ihren gegenüberliegenden Enden ausgestattet, welche entweder in Gewindeeingriff mit einem Befestigungssockel stehen oder durch Schrumpfsitz oder mit anderen mechanischen Mitteln verbunden oder zusammengeschweißt sind, um so ein Thermoelementpaar zu bilden.

Obwohl der Befestigungssockel aus einem der Materialien der Schenkel der positiven oder negativen Seite des Thermoelements bestehen kann, wird im Hinblick auf die Bearbeitung und Festigkeit bevorzugt, wenn dieses Teil aus dem Material der negativen Seite besteht, das eine höhere Duktilität besitzt. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, das Thermoelement zusammenzubauen, indem man ein anderes Material als das des positiven oder negativen Stabes verwendet oder indem man ein legiertes Material benutzt.

Es ist auch bevorzugt, Befestigungsmuttern zu verwenden, welche den Gewindeeingriff der Schenkel mit dem Befestigungssockel stärken. In einem solchen Falle bestehen die Muttern auf der positiven und der negativen Seite zweckmäßigerweise aus den Materialien der positiven bzw. negativen Schenkel, um eine Lockerung aufgrund einer Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verhindern, und um in stabiler Weise eine thermoelektromotorische Kraft zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Thermoelement hat Schenkel mit großem Durchmesser, die kaum einem Bruch unterliegen, der durch eine Vergrößerung der Kristallkörner hervorgerufen wird, aber sie sind weniger flexibel im Vergleich mit herkömmlichen Thermoelementen. Wenn somit die Schenkel, die an ihren einen Enden verbunden sind, mit Isolierteilen an ihren anderen Enden oder an geeigneten Zwischenbereichen der Stäbe fixiert werden, kann wegen der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine ähnliche Deformation wie bei einem Bimetall auftreten, welche die Schenkel im ungünstigen Falle durch thermische Beanspruchung beschädigt. Beispielsweise hat eine W-5% Re-Legierung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 5 × 10^-5/°C, und eine W-26% Re- Legierung hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 8 × 10^-5/°C, so daß beispielsweise bei 1 m langen Stäben eine Längendifferenz von etwa 6 mm bei 2000°C resultiert. Um dieses Problem auszuschließen, ist es wünschenswert, die entfernt liegenden Enden der Schenkel in freiem Zustand zu lassen.

Wenn kein Isolierrohr verwendet wird, wird das Thermoelement im Schutzrohr von einem Halter getragen, der in einem oberen Bereich des Schutzrohres vorgesehen ist, wobei der Halter das Thermoelement vertikal im Schutzrohr aufhängt, ohne die Schenkel zumindest in einem Hochtemperaturbereich zu berühren, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die beiden Schenkel in jedem Bereich, ausgenommen am Temperaturmeßpunkt, außer Kontakt gehalten sind.

Falls ein Isolierrohr verwendet wird, wird das Thermoelement mit dem oben beschriebenen Aufbau in ein Isolierrohr mit einer Reihe von Aufnahmelöchern für die Schenkel eingesetzt, und zwar so, daß die Schenkel von dem oberen Ende des Isolierrohres vertikal aufgehängt sind. Das Isolierrohr kann aus einem einzigen länglichen Rohrkörper bestehen, aber auch aus einem Stapel oder einer zusammengesteckten Anordnung kurzer Rohrabschnitte, die mit Mitteln zum Zentrieren der aufeinander gestapelten Rohrabschnitte versehen sind und die zwei Durchgangslöcher in jedem Rohrabschnitt und in die Durchgangslöcher eingesetzte Zentrierstangen aufweisen. Die Zentrierstangen bestehen vorzugsweise aus einem Material auf Grundlage von W und/oder W-Re.

Außerdem können die Durchgangslöcher zum Prüfen von Eigenschaften der elektromotorischen Kraft des Thermoelementes verwendet werden, indem man darin den Draht eines handelsüblichen Thermoelementes mit bekannten Eigenschaften einsetzt.

Es ist erforderlich, das Thermoelement aufzuhängen, ohne daß der positive und der negative Schenkel miteinander in Berührung kommen, mit Ausnahme des Temperaturmeßpunktes. Da die Schenkel einen größeren Durchmesser als 3 mm sowie ausreichende Festigkeit besitzen, kann dieses Erfordernis leicht erfüllt werden, indem man die vertikale Anordnung in den Aufhängungshaltern kontrolliert. In gleicher Weise kann der Kontakt der Stäbe mit dem Schutzrohr oder dem Isolierrohr, mit Ausnahme des Aufhängungshalters, leicht vermieden werden.

Bei einer Konstruktion ohne Isolierrohr wird bevorzugt eine stabilere Anordnung einschließlich eines Abstandshalters verwendet, um den Abstand zwischen den Schenkeln beizubehalten, obwohl die positiven und negativen Stäbe leicht außer Kontakt miteinander und mit dem Schutzrohr gehalten werden, indem man ihre vertikale Lage in dem Aufhängungshalter aufrechterhält. Der Abstandshalter ist in einem Niedrigtemperaturbereich unterhalb des oberen Endes eines Werkstücktragblockes vorgesehen, der als Wärmeisolator an der Unterseite der Behandlungskammer der HIP-Vorrichtung dient. Die Schenkel werden so mit Ausnahme des Aufhängungshalters außer Kontakt mit anderen Komponenten in Hochtemperaturbereichen der Behandlungskammer gehalten, um Nebenschlußfehler auszuschließen, die durch nachlassende elektrische Isolierung des Abstandshalters bei hohen Temperaturen hervorgerufen werden. Das gleiche gilt für die Konstruktion, bei der das Isolierrohr oder -rohre eingebaut werden, wobei der gleiche Effekt erhalten werden kann, indem man die Schenkelaufnahmelöcher von mindestens einem Isolierrohr mit gleichem Durchmesser wie den Schenkel des Thermoelementes ausbildet.

Somit wird in einem Falle, wo das Isolierrohr nicht verwendet wird, der Temperaturfühler von einer Schutzgehäuseeinheit, in der die Stäbe des Thermoelementes in vertikal aufgehängtem Zustand angeordnet sind, und einer oberen Einheit gebildet, die an einem Ende geschlossen und an der Oberseite der Gehäuseeinheit montiert ist, um die Atmosphäre zu schützen, und der gesamte Körper des Detektors oder Meßfühlers befindet sich vertikal innerhalb einer Ofenkammer. Bei einer derartigen Konstruktion ist zum Halten der Schenkel des Thermoelementes in aufgehängtem Zustand im Schutzrohr dessen oberer Bereich geeignet ausgebildet, oder es ist ein Aufhängungshalter geeigneter Form beispielsweise ein nach innen vorstehender, ringförmiger Vorsprung, vorgesehen. Es können auch Vorsprünge an der Innenseite des Schutzgehäuses vorgesehen sein, die mit dem Stabbefestigungssockel in vorspringender Weise in Eingriff stehen.

Dabei ist es jedoch schwierig, den Kontakt des Aufhängungsteiles mit dem Thermoelement zu vermeiden, so daß die Materialien des Thermoelements und des Schutzrohres einen Abfall der thermoelektromotorischen Kraft durch Diffusion hervorrufen können. Außerdem wird das Ersetzen eines gebrauchten Thermoelementes schwierig, weil es sich in einem langen metallischen Schutzrohr festfressen kann.

Daher sollte ein geeignetes Material verwendet werden, welches möglichst nicht mit dem Aufhängungsteil reagiert. Vor allem kann dieses Einsatzteil durch Verwendung einer geeigneten Konstruktion sehr klein gemacht werden, so daß es möglich ist, ein Material ohne Rücksicht auf die maschinelle Bearbeitbarkeit und die Kosten zu wählen. Beispielsweise ist es möglich, BeO und ThO₂ zu verwenden, die ausgezeichnet in der elektrischen Isolierung, aber problematisch hinsichtlich der Toxizität oder Strahlung sind, oder kostspielige Materialien wie HfO₂, Y₂O₃ oder dergleichen. Je nach Temperatur können auch Al₂O₃ oder ZrO₂ verwendet werden. Ein Material dieser Art kann in Form eines Ringes oder Sockels geformt und am Schenkelhalter oder an der Unterseite des Befestigungssockels angeordnet werden; alternativ kann daraus eine Beschichtung auf dem Schenkelhalter oder auf der Unterseite des Befestigungssockels ausgebildet werden. Geeignete Beschichtungsverfahren sind z. B. Dampfabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühverfahren oder dergleichen, wie PVD- und CVD- Verfahren.

Wenn ein gebrauchtes Thermoelement nach dem Betrieb aus einem Schutzrohr entfernt werden soll, kann es sein, daß Komponenten des Rohres aneinander festhalten und sich nicht lösen. Somit ist es wünschenswert, eine Konstruktion zu verwenden, die das Einsetzen des Thermoelementes in das Schutzrohr von unten und seine Aufhängung durch Einhaken an einem Oberteil des Rohres ermöglicht.

Wird bei einer Thermoelementeinheit ein langes metallisches Schutzrohr verwendet, kann das Gehäuse zum Vermeiden von elektrischem Rauschen beim Thermoelement geerdet werden. Alle vorgenannten Maßnahmen sind auch bei einer Konstruktion mit Isolierrohr anwendbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1(a) einen schematischen Längsschnitt eines Temperaturfühlers gemäß der Erfindung, wobei einige Teile zur Verdeutlichung weggelassen sind;

Fig. 1(b) einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 1(a);

Fig. 2-4 Teillängsschnitte von weiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung;

Fig. 5(a) einen Teillängsschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5(b) einen schematischen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 5(a);

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt einer isostatischen Heißpreßvorrichtung mit einem Temperaturfühler gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Darstellung zur Erläuterung eines herkömmlichen Temperaturmeßverfahrens;

Fig. 8(a) einen schematischen Längsschnitt einer modifizierten Konstruktion eines Temperaturfühlers gemäß der Erfindung;

Fig. 8(b) einen schematischen Querschnitt des Fühlers gemäß Fig. 8(a);

Fig. 9 einen Teillängsschnitt, der Thermoelementschenkel zeigt, die in Aufnahmelöcher eines Isolierrohres eingesetzt sind;

Fig. 10(a) und 10(b) eine Draufsicht bzw. einen Teilschnitt des Isolierrohres längs der Linie Y-Y in Fig. 10(a);

Fig. 11(a) und 11(b) sowie Fig. 12(a) und 12(b) Draufsichten und Teilquerschnitte zur Erläuterung von Beispielen zur konzentrischen Ausfluchtung von Aufnahmelöchern des Isolierrohres;

Fig. 13 einen schematischen Längsschnitt zur Erläuterung einer anderen Modifikation des Temperaturfühlers gemäß der Erfindung;

Fig. 14(a) einen schematischen Schnitt einer isostatischen Heißpreßvorrichtung mit einem Temperaturfühler gemäß Fig. 8; und in

Fig. 14(b) einen Teilschnitt, der die oberen und unteren Teile des Fühlers zeigt.

In Fig. 1 ist mit T ein Temperaturfühler mit einem Thermoelement (1) in Gewindebauweise bezeichnet; es weist einen Schenkel (2) auf der positiven Seite und einen Schenkel (3) auf der negativen Seite des Thermoelementes auf. Diese Schenkel (2) und (3) sind mit Gewindebereichen an ihren oberen und unteren Enden versehen, mit den oberen Bereichen in einen Befestigungssockel (4) eingeschraubt und daran mit Muttern (5) und (6) befestigt. Die Schenkel (2) und (3) im Sockel (4) sind an einem Halter (13) vertikal aufgehängt, der im oberen Bereich eines Schutzrohres (12) vorgesehen ist, welches die Stäbe aufnimmt. Ein Abstandshalter (14) aus Isoliermaterial, der einen Abstand zwischen den beiden Schenkeln (2) und (3) aufrechterhält, befindet sich unten im Niedrigtemperaturbereich, wo der Abstandshalter ausreichende Isolierung gewährleisten kann. Muttern (7) und (8), aus gleichem Material und mit gleicher Form wie die Muttern (5) und (6), sind fest auf die unteren Gewindeteile der unteren Enden der Schenkel aufgeschraubt, die nach unten durch den Abstandshalter (14) vorstehen, wobei Leitungsdrähte (9) und (10) an den Muttern angebracht sind, um den Anschluß an ein nicht dargestelltes Temperatur- Aufzeichnungsgerät zu erleichtern.

Ein oberes Schutzgehäuse (11), das am oberen Ende verschlossen ist, sitzt kappenartig auf dem Schutzrohr (12), um die Atmosphäre abzuschirmen. Der Schenkel (2) der positiven Seite besteht aus einem W- oder W-Re- Basismaterial, wie z. B. W-3%-Re oder W-5%-Re, der Schenkel (3) der negativen Seite aus einem Material, das dem Material des Schenkels (2) entspricht, beispielsweise aus W-26%-Re für einen positiven Schenkel aus W- oder W-5%-Re oder aus W-25%-Re für einen positiven Schenkel aus W-3%-Re. Der Stabdurchmesser ist vorzugsweise größer als 3 mm und gewährleistet eine ausreichende Festigkeit und Stabilität der Stäbe und des Schraubengewindes, insbesondere des Innengewindes, und dies unter Berücksichtigung der erwarteten Betriebslebensdauer bei Anwendung in industriellen Einrichtungen.

Der Befestigungssockel (4), in den die Schenkel eingeschraubt werden, ist mit Innengewindebereichen an zwei im Abstand voneinander angeordneten Positionen versehen, wie es insbesondere in Fig. 1(b) dargestellt ist. Normalerweise besteht der Befestigungssockel (4) aus dem gleichen Material wie der positive oder der negative Schenkel oder einem in der Zusammensetzung dazwischenliegenden Material. Von den Muttern (5) bis (8) sind diejenigen auf der positiven Seite aus demselben Material wie der Schenkel (2) und diejenigen auf der negativen Seite aus demselben Material wie der Schenkel (3). Die Leitungsdrähte (9) und (10), welche den Anschluß der Schenkel (2) und (3) mit großem Durchmesser erleichtern, bestehen beispielsweise aus 0,5 mm-Kompensations-Leitungsdrähten für W-Re.

In den Fig. 2 bis 5 sind weitere Ausführungsformen gemäß der Erfindung dargestellt, die den gleichen Grundaufbau wie die oben beschriebene Ausführungsform haben und bei denen gleiche oder entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Ausführungsform nach Fig. 2 verwendet ein Schutzrohr, das aus einem Oberteil (12 a) mit einem Halter (13) und einem Unterteil (12 b) ohne einen derartigen Halter besteht, um die (maschinelle) Bearbeitung des Halters (13) zu erleichtern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein oberer Abstandshalterring (14′) aus anderem Material als das Schutzrohr zwischen den Halter (13) und den Befestigungssockel (4) eingesetzt, um Beeinträchtigungen der thermoelektromotorischen Kraft durch Diffusion von Metallen zu verhindern, die durch den Kontakt der Schenkel mit dem Halter hervorgerufen werden können, wenn der Halter aus Metall besteht, oder um ein Festfressen eines verwendeten oder gebrauchten Thermoelementes in anderen Metallteilen zu verhindern, was ein Ersetzen oder Austauschen des Thermoelementes schwierig macht.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein knopfförmiger oder sockelförmiger oberer Abstandshalter (14′) auf der Seite des Thermoelementes montiert ist, um ähnliche Wirkungen zu erzielen wie mit dem Abstandshalter (14′) gemäß Fig. 3. Ein Abstandshalter aus heterogenem Material kann entweder als separates Teil eingesetzt werden, wie es Fig. 3 und 4 zeigen, oder an der Oberseite oder der seitlichen Seite des Halters (13) oder an der Unterseite an der Seite des Sockels (4) mit einem Beschichtungsverfahren oder dergleichen angebracht oder aufgebracht werden, auch in einem Falle der Thermoelementkonstruktion, wie sie Fig. 1 zeigt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Halter (13) und der Sockel (4) in der Draufsicht eine Gestalt gemäß Fig. 5(b) haben, wobei das Thermoelement auf den Halter (13) gehängt wird, indem man den Sockel (4) nach dem Einsetzen des Thermoelementes von unten in das Schutzgehäuse um einen Winkel von 90° dreht. Diese Konstruktion ist anwendbar auf die Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und 4 und erleichtert das Austauschen bzw. Ersetzen von gebrauchten Thermoelementen auch dann, wenn das Auseinandernehmen des Schutzgehäuses nach dem Betrieb bei hohen Temperaturen schwierig wird, so daß die laufenden Kosten reduziert werden.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Anwendung des Temperaturfühlers in einer HIP-Vorrichtung, wobei das Thermoelement mit einem Träger (27) auf der Innenseite der Hitze-Abschirmwand (24) angebracht ist. Bei diesem speziellen Beispiel besteht der Träger (27) aus metallischem Material und kann mit dem unteren Deckel des Hochdruckbehälters elektrisch kurzgeschlossen sein, um den elektrischen Abschirmeffekt des Schutzgehäuses zu verwenden, so daß ein stabiler Temperaturfühler zur Verfügung steht, der frei von den Einflüssen des elektrischen Rauschens beim Einschalten eines Schalters ist.

In den Fig. 8(a) und 8(b) ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die weitgehend der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 gleicht, wobei aber die Schenkel (2) und (3), die mit dem Sockel (4) verbunden sind, an ihren oberen Enden in Aufnahmelöchern (33) und (33′) eines Isolierrohres (31) aufgenommen und aufgehängt sind, das aus einer Anzahl von konzentrisch aufeinander gestapelten oder -gesteckten kurzen Rohrabschnitten besteht und in ein Schutzrohr (12) eingesetzt ist. Die Löcher (33) und (33′) des Isolierrohres (31) haben einen Durchmesser, der deutlich größer ist als der Schenkel (2) und (3) des Thermoelementes, und es ist in diesem Falle wichtig, daß die Löcher (33) und (33′) der jeweiligen Rohrabschnitte in axialer Richtung in konzentrischer Ausfluchtung miteinander gestapelt bzw. aufeinander angeordnet sind, wie es Fig. 9 zeigt. Als Material für das Isolierrohr (31) kann BN bei einer Temperatur von 2000°C sowie Al₂O₃ bei Temperaturen unterhalb von 1800°C eingesetzt werden.

In Fig. 10 bis 12 sind modifizierte Ausführungsformen und Konstruktionen mit Einrichtungen zum konzentrischen Ausfluchten der rohrförmigen Abschnitte des Isolierrohres (31) dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 sind die Rohrabschnitte des Isolierrohres (31) mit einem Paar von Durchgangslöchern (34) und (35) in axialer Richtung in Ausfluchtung zusätzlich zu den Löchern (33) und (33′) versehen, und Zentrierstangen aus W- und/oder W-Re-Material ähnlich den Schenkeln (2) und (3) des Thermoelementes sind in diese Durchgangslöcher über deren gesamte Länge eingesetzt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 ist das Isolierrohr (31) mit solchen Einrichtungen versehen, daß die Möglichkeit der Untersuchung mit einem bewährten handelsüblichen Thermoelement besteht, zusätzlich zu der konzentrischen Ausfluchtung der Löcher (33) und (33′). Das Isolierrohr weist Löcher (37) und (38) zur Aufnahme der Drähte eines bekannten Thermoelementes versehen, wobei ein eingelassener Bereich (39) an der oberen Stirnfläche der Rohrabschnitte zu den Löchern (37) und (38) vorgesehen ist, um das vordere Ende des bewährten Thermoelementes T′ aufzunehmen.

Fig. 13 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers, wobei ein Abstandshalter (16) aus einem anderen Material als das Isolierrohr (31) und mit einer Reihe von Löchern zwischen dem obersten Ende des Isolierrohres (31) und dem Sockel (4) dazwischengeschaltet ist, um die Genauigkeit der Messung zu steigern, indem man den Abfall der thermoelektromotorischen Kraft aufgrund eines Kontaktes zwischen Thermoelement und Isolierrohr während der Benutzung über eine lange Zeitspanne verhindert.

In ähnlicher Weise wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen befindet sich der Temperaturfühler der oben beschriebenen modifizierten Konstruktion beispielsweise in einem Hochtemperatur- und Hochdruckbehälter einer HIP-Vorrichtung, und zwar unter Verwendung eines Trägers (25) auf der Innenseite einer Heizung (26), die innerhalb einer Hitze-Abschirmwand (24) angeordnet ist. In diesem Falle hängen die Schenkel (2) und (3) innerhalb der Löcher (33) und (33′) des Isolierrohres (31), wobei ein Spaltabstand um die Schenkel (2) und (3) verbleibt, da sie einen kleineren Durchmesser haben als die Löcher (33) und (33′). Im Falle des Thermoelementes gemäß Fig. 8 sind die Schenkel (2) und (3) fast außer Eingriff mit dem Isolierrohr angeordnet, wobei sie mit letzterem nur an einem oberen Punkt B in Kontakt stehen, vergleiche den oberen rohrförmigen Abschnitt in Fig. 14(b).

Die Löcher (33) und (33′) in mindestens einem rohrförmigen Abschnitt (31 a) unterhalb des oberen Endes A des Werkstück-Tragteiles (25), das auch zur Hitzeisolierung an der Unterseite der Ofenkammer (23) dient, sind mit im wesentlichen gleichem Durchmesser ausgebildet wie die Schenkel (2) und (3), vergleiche den unteren rohrförmigen Abschnitt in Fig. 14(b). Auch wenn sie in diesem rohrförmigen Bereich miteinander in Kontakt stehen, stehen die steifen Schenkel (2) und (3) mit dem Isolierrohr (31) oder seinen rohrförmigen Abschnitten (31 a) nur am Punkt B in Fig. 8 in Hochtemperaturbereichen in Kontakt, so daß Nebenschlußfehler ausgeschlossen werden, die sonst Einbrüche oder den Abfall der elektrischen Isoliereigenschaften des Isoliermaterials hervorrufen könnten. Bei der Verwendung einer Kombination eines Thermoelementes aus W-Re und einem Isolierrohr aus BN befinden sich die Rohrabschnitte (31 a) mit engeren Löchern (33 a) und (33 a′) vorzugsweise in einem Temperaturbereich von weniger als 1600°C unter Berücksichtigung der elektrischen Isolierwiderstandsfähigkeit des Isolierrohres aus BN, die bei höheren Temperaturen als 1600°C abfällt.

Obwohl das Ziel gemäß der Erfindung in der oben beschriebenen Weise trotz des Kontaktes der Thermoelementschenkel mit dem Isolierrohr am Punkt B gemäß Fig. 8 erreicht werden kann, wird bevorzugt, den Kontakt auch dann zu vermeiden, wenn die Aufnahmelöcher am Punkt B des obersten Isolierabschnittes mit kleinerem Durchmesser ausgebildet sind, um Nebenschlußfehler zu verhindern. Die beabsichtigten Wirkungen können in ausreichendem Maße erreicht werden, wenn der Kontakt nicht in einem anderen Bereich als dem obersten Bereich stattfindet.

Nachstehend sind Versuchsergebnisse für den Temperaturfühler gemäß der Erfindung angegeben.

Testbeispiel 1

Als Thermoelementschenkel wurden experimentell W-5%-Re- und W-26%-Re-Stäbe mit 3 mm Durchmesser und 800 mm Länge mit Schraubengewinden M3 × 0,5 an ihren gegenüberliegenden Enden hergestellt. Ferner wurden Befestigungssockel aus W-26%-Re, Muttern aus W-5%-Re und W-26%-Re aus denselben Chargen als Komponenten zur Montage der Thermoelementschenkel hergestellt.

Ferner wurden Schutzrohre zum Halten und Aufhängen der Schenkel in abgeschirmtem Zustand aus Wolfram hergestellt. Jeder Temperaturfühler wurde zusammengebaut, indem man ein Thermoelement in einem Schutzrohr aufhängte und einen Isolier-Abstandshalter in einem unteren Bereich des Schutzrohres derart einsetzte, daß ein Abstand zwischen den Schenkeln des Thermoelementes beibehalten wird. Dementsprechend war der Kontakt zwischen den Schenkeln und dem Schutzrohr auf den Aufhängungshalter beschränkt. Der Thermofühler wurde in einer HIP-Vorrichtung montiert und einem wiederholten Dauertest von Ar bei 10⁹ Pa und einer Temperatur von 2000°C für 1 Stunde ausgesetzt.

Zu Vergleichszwecken wurde bekannte W-Re5/26-Thermoelemente mit Drahtdurchmessern von 0,5 mm und 1,0 mm in Isolierrohre eingesetzt, wobei jedes Thermoelement an einem Oberteil des Isolierrohres aufgehängt wurde. Diese Isolierrohre mit jeweils einem darin angeordneten Thermoelement wurden in Schutzgehäuse eingesetzt, die an den jeweiligen Vorderenden verschlossen waren, um Temperaturfühler als Teststücke in dem gleichen Dauertest zu erhalten. Es ergab sich, daß die Thermoelemente mit 0,5 mm und 1,0 mm Drahtdurchmesser eine kurze Betriebslebensdauer besaßen, die nur einem bzw. zwei bis drei Betriebszyklen entsprechen, im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen Temperaturfühlern, die zumindest 23 Betriebszyklen mit einer Genauigkeitsgarantie von ±1% aushalten konnten.

Testbeispiel 2

Es wurden Abstandshalter aus BeO, ThO₂, HfO₂ bzw. Y₂O₃ in die Thermoelemente der oben beschriebenen Bauart für Dauerversuche eingesetzt. Als Ergebnis des wiederholten Dauerversuches von Ar bei 10⁹ Pa, einer Temperatur von 2000°C und einer Dauer von 1 Stunde, ergab sich, daß jede der oben beschriebenen Kombinationen eine Betriebslebensdauer von 25 Betriebszyklen mit einer Genauigkeitsgarantie von ±1% entspricht, wobei die Thermoelemente nach dem Gebrauch leicht herausgenommen werden konnten.

Die Austauschhäufigkeit von Thermoelementen wird reduziert, wobei die maximale Leistungsfähigkeit des Temperaturfühlers unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen beibehalten wird, was die industriellen Anwendungen in Öfen hoher Temperatur und hohen Druckes, wie z. B. in einer HIP-Vorrichtung, begünstigt. Da die Konstruktion des Temperaturfühlers gemäß der Erfindung den Kontakt zwischen den Thermoelementstäben und dem Isolierrohr auf einen extrem kleinen Bereich am oberen Ende des Isolierrohres begrenzt oder das Isolierrohr vollständig wegläßt, können Nebenschlußfehler, die sonst durch Abfall des elektrischen Isoliervermögens des Isolierrohres auftreten, verhindert werden. So wird eine Temperaturmessung mit hoher Genauigkeit gewährleistet.

Die Schenkel des Thermoelementes, die an einem Halter am oberen Ende des Isolierrohres oder des Schutzrohres hängen, sind mit ihrem jeweiligen unteren Bereich fast in einem freien Zustand oder vollständig frei vom Kontakt mit dem Isolierrohr, so daß thermische Ausdehnung der jeweiligen Schenkel von den unteren Bereichen absorbiert werden können, ohne Beschädigungen hervorzurufen, die sonst bei herkömmlichen Thermoelementen dieser Art auftreten.

Obwohl BN-Schutzrohre geeignet sind, insbesondere zur Verwendung in einer N₂-Gasatmosphäre, sind metallische Schutzrohre unter dem Gesichtspunkt der verbesserten Festigkeit, Beibehalten einer sauberen Atmosphäre im Rohr und Vermeiden elektrischen Rauschens beim Thermoelement bevorzugt.

Das Einsetzen oder Beschichten von heterogenen Materialien auf den Schenkelaufhängungsteilen verhindert Beeinträchtigungen der Qualität beim Leistungsvermögen des Thermoelementes aufgrund der Diffusion von Substanzen zwischen Thermoelement und Aufhängungsteil, sowie das Festfressen des Thermoelementes, das sonst seinen Austausch schwierig macht.

Claims (12)

1. Temperaturfühler für einen Hochtemperatur- und Hochdruckofen, mit einem Thermoelement in einem Schutzrohr, das stehend eingebaut in seinem oberen, geschlossenen Ende die Meßverbindungsstelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schenkel (2, 3) des Thermoelementes (1) biegesteife Stangen sind, die an der Meßstelle über ein Verbindungsstück (4) verbunden sind und daß das Verbindungsstück (4) an einem am Schutzrohr (12) befindlichen Halter (13) hängend angeordnet ist.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (2, 3) des Thermoelementes (1) aus Material auf der Grundlage von W und/oder W-Re bestehen und daß das Schutzrohr (12) zumindest im Hochtemperaturbereich aus BN oder einem metallischen Material auf Grundlage von Mo oder einem metallischen Material auf Grundlage von W hohen Schmelzpunktes besteht.

3. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Auflagefläche des Halters (13) des Schutzrohres (12) und/oder der Unterseite des Verbindungsstückes (4) des Thermoelementes (1) ein Material aufgebracht ist, das aus zumindest einer Verbindung besteht, die aus der Gruppe gewählt ist, die BeO, ThO₂, HfO₂, Y₂O₃, Al₂O₃ und ZrO₂ umfaßt.

4. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (1) von unten in das Schutzrohr (12) einsteckbar und lösbar einzuhängen ist (Fig. 5).

5. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter für das Verbindungsstück (4) aus einem Isolierrohr (31) besteht, das sich innerhalb des Schutzrohres (12) erstreckt.

6. Temperaturfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr (31) aus BN besteht.

7. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (2, 3) einen Durchmesser haben, der größer oder gleich 3 mm ist.

8. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines (33 a, 33 a′) der Löcher (33, 33′) des Isolierrohres (31) einen Durchmesser aufweist, der im wesentliche gleich dem der Schenkel (2, 3) im Tieftemperaturbereich ist.

9. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr (31) aus einem Stapel oder einer zuammengesteckten Anordnung kurzer Rohrabschnitte besteht, die mit Mitteln (34, 35; 37, 38, 39) zum Zentrieren der aufeinander gestapelten Rohrabschnitte versehen sind und die zwei Durchgangslöcher (34, 35; 37, 38) in jedem Rohrabschnitt und in die Durchgangslöcher eingesetzte Zentrierstangen aufweisen.

10. Temperaturfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierstangen aus einem Material auf Grundlage von W und/oder W-Re bestehen.

11. Temperaturfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (4) auf dem oberen Ende des Isolierrohres (31) über einen Abstandshalter (14′), der aus anderem Material wie das Isolierrohr (31) besteht, oder über eine Beschichtung aus einem anderen Material wie das Isolierrohr, die an der Unterseite des Verbindungsstückes (4) ausgebildet ist, aufliegt.

12. Temperaturfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Material aus zumindest einer Verbindung besteht, die aus der Gruppe gewählt ist, die BeO, ThO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, HfO₂ und ZrO₂ umfaßt.