JP3014093U - 熱電対と保護管が一体となった測温センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電温度計において、熱電対と絶縁管と保護
管が一体化した測温センサーの構造を提供する。 【構成】 別々に製作された保護管、絶縁管、熱電対よ
り成る従来の測温センサーでは、組み立てに際して裸の
熱電対の汚染など取扱に細心の注意を要し、保護管と絶
縁管との間の隙間は高温長時間測定では汚染物質の介在
を招きやすく、またサイズ的にも小径長尺のものは製作
困難である。本考案では、シース熱電対における金属保
護管や絶縁粉末にあたる部材が２つ穴の絶縁性セラミッ
ク保護管である。従って、従来のシース熱電対では不可
能な高温域の測温ができる。 【効果】 熱電対素線の劣化が小さいので耐用が長く取
扱い簡便で応答性が良い。特に、汚染環境下での高温測
定に有効である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、熱電対と保護管が一体となった測温センサーの構造に係わり、更に 詳しくは２つの穴を有して絶縁管の役割を兼ね備えた保護管の中に熱電対が組み 込まれて一体となった測温センサーの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

熱電温度計の測温センサーは、一般に、温度を熱起電力の差で検知する熱電対 と熱電対の素線を電気的に絶縁する絶縁体と必要に応じてこれらを収納し外側か ら保護する保護管から構成されている。熱電対には予めテフロンやガラス系編組 等で絶縁した被覆熱電対があるが、これは概ね５００℃以下の低温領域での測温 に限られており、高温領域での測温は一般に裸熱電対を２つ孔の磁性絶縁管に通 しこれを上記の保護管に挿入して行われている。また、熱電対の材質は白金やロ ジウムを用いた貴金属系とそれ以外の金属又は合金を用いた卑金属系に分けられ るが、卑金属系は耐熱性に劣るため１０００℃以上の高温測定では主に貴金属熱 電対が使用されている。この貴金属熱電対は還元性ガス、金属性ガスや不純物の 環境にさらされると、熱起電力の低下を招き温度誤差が大きくなる。例えば、高 温で白金素線がシリカを含む耐火物に接触しているときＣＯガスが存在すると、 シリカは還元されて白金に珪素が吸収され非常に脆い合金を作り断線することが ある 。また、銅、鉄、鉛、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、錫などの殆どの金属と 低融点の合金もしくは化合物を作り、いずれも熱起電力が低下して温度精度を悪 くしたり、融点降下による溶断や脆性亀裂で測温不能になる。このように不純物 が付着したり汚染ガスにさらされることから熱電対を保護し劣化を防ぐ為に保護 管を用いるが、測温に際し、特に高温測定は過酷な汚染環境のもとで行われるこ とが多く、保護管と絶縁管との僅かな隙間にも汚染物質が入り込んで、熱電対の 感熱部や絶縁管の継目部分を侵すことが多い。溶鋼の連続測温の場合などは、熱 電対を保護する上記の保護管の外側に更に耐溶損性保護管を用いるが、これはＢ Ｎ系やＡＬＮ系のような高耐食性の非酸化物セラミックス、ＭｏやＺｒ系サーメ ット、アルミナグラファイトなどの炭素含有耐火物で作られており、それぞれ高 温において還元ガスや金属蒸気、ガラスなどを発生し前述のような汚染環境を作 る。１５００℃〜１６００℃の溶鋼測温のレベルでは一般に材料強度の低下、変 形、熱衝撃、部材間の膨張差など様々な要因で、熱電対を保護する保護管はしば しば折損し、熱電対は直接汚染環境に晒されることになる。この点からも溶鋼な どの連続測温では従来の方式は問題が多く、スポット的測温を除いて余り普及し ていない。

【０００３】 次に、取扱いに際して、保管時あるいは組み立て時の熱電対、絶縁管及び保護 管の内部の汚染も、高温において同様に熱電対の劣化を招く。従って、絶縁管へ の熱電対の挿入などは、汚れの無い部屋で、手で触れないように手袋をして、細 心の注意を払って行われている。更に、この挿入作業は、素線が未使用のもので は手間を要しないが、一度使用したものでは変形歪みや表面荒れを起こしている ことが多く、これを絶縁管の細い孔に長尺にわたって通すことは極めて困難で大 変な作業である。

【０００４】 温度計としての性能上の観点からは、温度精度の他に温度応答性に優れている ことが重要である。測温対象と熱電対の感熱部との間には保護管、空隙、絶縁管 があり、これを通して熱の移動が行われるが、サイズ面では出来るだけ空気層の 無い薄肉、小径の管の場合がその分だけ応答速度が早くなる。ところが、従来の 測温センサーでは、余り細いものは作られていない。最も細い絶縁管の外径でも ２つ孔のものはφ３ｍｍ程度であり、保護管の肉厚を１ｍｍ、空隙を０．５ｍｍ としても保護管の外径（測温センサーの外径）はφ６ｍｍとなる。１つ孔のもの は外径φ１ｍｍ程度まであるので、熱電対素線の１本をこれに入れ他の１本を入 れない場合、外径φ３ｍｍの測温センサーが作れるが、強度的に弱く、高温長時 間測定では熱電対素線の劣化が２本の素線を入れたものより著しく速く、また長 尺のものは製作が難しく製造コストが高くなる。

【０００５】 熱電対と絶縁体と保護管が一体構造となっているものにシース熱電対がある。 これは、絶縁体に主に酸化マグネシウムの粉末、保護管に相当する外被（シース ）にステンレスやインコネルなどの耐熱金属が用いられ、曲げ伸ばしが可能であ る。従って、折損の危険性が小さく又気密性も良いので、外部から汚染されるこ とがなく取扱いも簡便である。サイズも細くかつ非常に長尺のものが得られ、価 格も安い。ただし、使用温度は概ね１０００℃程度迄であり、高温側での長時間 測定は外被金属による熱電対汚染の恐れがある。

【０００６】 以上述べてきたように、従来の測温センサーは、低温域では余り問題ないが１ ０００℃以上の高温域では主に汚染物質により熱電対が劣化し、また、取扱いが 面倒で汚染原因も生じやすい。性能面やサイズ面からは、更に細くて長尺のもの が求められている。これらは、シース熱電対の様に熱電対と絶縁体と保護管が一 体となってはじめて可能で、１０００℃以上の使用温度での高温用一体構造測温 センサーが要望されている。つまり、外被がセラミックスのシース熱電対が要望 されているのである。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

本考案はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは取扱 い簡便で、温度応答性に優れ、雰囲気ガスによる劣化が防止できる新しい構造の 測温センサーを提供せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案者は、上記問題点は次の手段によって解決できることを見いだした。 すなわち、

【０００９】 １．２つの穴を有する絶縁性セラミック保護管と、該２つの穴の各々の中をのび るとともに先端部で接合されて測温接点を成形する２本の異種の金属線からなる 熱電対とからなり、かつ該絶縁性セラミック保護管の該測温接点側が閉じた構造 を有することを特徴とする熱電対と保護管が一体となった測温センサーによって 解決できる。 ２．測温接点部において、熱電対とセラミック素地との間に隙間が設けられてい ることを特徴とする上記１に記載の測温センサーによって解決できる。

【００１０】

【作用】

本考案の構造及び作用を図面によって詳細に説明する。

【００１１】 図１は、測温接点がセラミックス素地中に埋め込まれた構造の、熱電対と保護 管が一体となった測温センサーの断面図である。２本の熱電対素線２は２つの穴 の中をのびていて、熱電対の測温接点３は２つ穴保護管１の一端を封止された側 の素地中に閉じ込められ、外部の汚染物質や還元性雰囲気から保護される。熱電 対をセラミック素地へ組み込むには多くの方法があるが、十分な機密性が得られ るものであればどの様な方法でもよい。この方法によっては、熱電対の測温接点 部分が素地中に埋め込まれて熱電対と素地間に空隙を有するものと有しないもの とがあるが、それぞれに一長一短がある。即ち、空隙を有しない場合は一般に製 作容易であり、また素地と測温接点間の直接伝熱により非常に応答性の優れたも のが得られるが、高温使用時に熱電対が素地との熱膨張差により損傷されやすい 。 一方、空隙を有するものは熱電対が素地と別個に伸縮自在であるので損傷を招 くことがなく、高温での多数回の繰り返し使用に適している。

【００１２】 図２と図３はこれを説明したもので、空隙を形成する手段によって種々の形状 をとることができる。即ち、図２は、仕切り蓋によって測温接点と素地との間に 空隙が設けられた構造の、熱電対と保護管が一体となった測温センサーの断面図 である。これは、裸の熱電対素線の測温接点が生素地中に埋め込まれる前に、平 蓋５で熱電対と生素地との間を仕切ることによって空隙４の部分を形成したもの である。図２中の点線で囲われた部分が平蓋５であるが、これはセラミック素地 と同組成の材料で作られて、本焼成後はセラミック素地と一体化している。図３ は、加熱消失性被覆が用いられて空隙が設けられた構造の、熱電対と保護管が一 体となった測温センサーの断面図である。これは、予め熱電対素線の測温接点部 分に加熱消失性被覆を施しておき、これがセラミック素地中に埋め込まれた後、 焼成時に被覆部分が消失し空隙４を形成したものである。空隙を設けることは、 ２つの穴が空隙によって連結させられ、熱電対素線がセラミック素地に固定され ずにその連結穴の中を通っていることであり、空隙が大きくなればなるほど測温 接点の位置が保護管の先端位置からずれて測温誤差を招き易くなるので、できる だけ小さくすることが好ましい。図３の場合は、測温接点の形状に沿って薄い空 隙が形成されて測温接点が殆ど動けない様になっているので、測温接点がずれる 心配は全く無い。

【００１３】 ２つ穴保護管の材質は、熱電対を劣化させず高温での絶縁性に優れたセラミッ クスであれば何でも使用できる。例えば、還元性雰囲気に弱い白金系のＲ熱電対 の場合等はＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ等の酸化物が適しており、また使用目的に応じて 適宜変えることも自由である。

【００１４】 測温接点の位置は、前述の如く測温精度の観点から保護管の先端付近になけれ ばならないが、更に、応答性の観点から測温接点と保護管最先端までの厚さを出 来るだけ薄く制御するのが良い。これはセラミックスの材質や使用目的にもよる が、概ね１〜４ｍｍ程度が好ましく、これ以上では耐熱衝撃性の観点からも好ま しくない。

【００１５】 以下、本考案の効果を実施例によって説明する。

【００１６】

【実施例】

熱電対の測温接点が素地中に埋め込められた構造（図１）と両者の間に空隙が 設けられた構造（図２及び図３）のものについて、外径φ４ｍｍ、穴径φ１ｍｍ 、保護管長さ５００ｍｍでＲタイプの熱電対が組み込まれた試料（一体型測温セ ンサー）を作製した。これを現在実際に行われている製鋼タンディッシュの溶鋼 測温に使用した。即ち、タンディッシュの横壁にセットされた外部保護管（ＡＬ Ｎ系耐溶鋼用保護管）の中に、この一体型測温センサーを挿入し溶鋼温度を連続 的に測定した。測温時間は１回当たり連続８時間とし、同じセンサーを１０回（ ８０時間 ）繰り返し使用した後、簡易な方法で熱電対精度を検定した。この検定は、電気 炉で１２００℃における標準熱電対に対する温度誤差を調べたもので、±３℃の 誤差範囲（電気炉自体の誤差±１℃を含む。）のものを合格とする。

【００１７】 上記試験に供した一体型測温センサー（図１、図２、図３の構造のもの各４本 ）は、いずれも保護管破損や熱電対断線を生じず、検定結果も合格であった。

【００１８】 尚、上記のタンディッシュで実際に用いられている従来型連続測温センサー（ 熱電対、保護管、絶縁管により組み立てられている。）の耐用に関する実情とこ の一体型測温センサーとの比較を表１に示す。

【００１９】

【表１】 （注） ・サンプル数は、従来型測温センサー１４４本、一体型測温センサー１２本で ある。 ※・保護管が破損した場合、破損した保護管のみ新しく取り替えて、熱電対が断 線する迄あるいは１０回（８０時間）に達する迄、テストを継続した。

【００２０】 表１によると、上記従来型測温センサーの場合は保護管が破損（クラック）さ れやすく、保護管内部に汚染ガスが入り込み急速に熱電対を劣化させ、断線を招 く傾向を示している。保護管を小サイズ（外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ）にして も改善されなかった（保護管破損時期；平均２．５回(２０時間)）。これに対し て、一体型測温センサーの場合は、上記測温条件のもとでは全く問題無く、安定 して多数回長時間耐用が達成され、更に応答性の面でも小サイズであるが故に急 峻性が得られることがわかった。

【００２１】 尚、本考案が本実施例のみに限定されるものでないことは言うまでもないこと である。 例えば、本例のＲ熱電対は他の種類の熱電対に変更することができるし、外部 形状も丸形をはじめ角形や楕円形とすることもできるし、封止された保護管先端 部分を丸みをもたせたものとしてもよいしフラットにしてもよい。

【００２２】

【考案の効果】

本考案によれば、従来の熱電対と絶縁管と保護管の組立式測温センサーに較べ て、以下の様な点が優れている。

【００２３】 １．絶縁管と保護管を兼ねており、他の保護管が必要無く直接測温できる。 ２．保護管が必要無く外径を小さくできるので、温度応答性に優れている。 ３．シース熱電対のように一体構造であるので、組立てに際し熱電対汚染の恐れ が無い。 ４．シース熱電対のように一体構造で熱電対素線の露出部分が無いので、汚染環 境での測温で熱電対劣化が小さく寿命が長くなる。 ５．シース熱電対のように一体構造であるので、取扱が容易である。 ６．細いものが得られるので、測定困難な場所の高温測定ができる。

【００２４】 具体的な例では、特に、溶鋼温度測定の様な汚染環境の著しい場合はその差は 大きく、従来の組立式測温センサーでは高価な貴金属熱電対の劣化消耗が激しく ランニングコストと測温精度両面に問題があるが、本考案の測温センサーでは長 時間高精度に測温できるので、その実用的、経済的効果は極めて大きい。 また、従来は困難であった鍋底や炉底などの様な危険を伴う箇所の測温に際し 、測温孔を最小限に留めることができるので安全に行えるなど、適用範囲が広い 。 すなわち、高温用のシース熱電対とも言えるものである。

【提出日】平成７年１月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】 図１は、測温接点がセラミックス素地中に埋め 込まれた構造の、熱電対と保護管が一体となった測温センサーの断面図である。 ２本の熱電対素線２は２つの穴の中をのびていて、熱電対の測温接点３は２つ穴 保護管１の一端を封止された側の素地中に閉じ込められ、外部の汚染物質や還元 性雰囲気から保護される。熱電対をセラミック素地へ組み込むには多くの方法が あるが、十分な気密性が得られるものであればどの様な方法でもよい。この方法 によっては、熱電対の測温接点部分が素地中に埋め込まれて熱電対と素地間に空 隙を有するものと有しないものとがあるが、それぞれに一長一短がある。即ち、 空隙を有しない場合は一般に製作容易であり、また素地と測温接点間の直接伝熱 により非常に応答性の優れたものが得られるが、高温使用時に熱電対が素地との 熱膨張差により損傷されやすい。一方、空隙を有するものは熱電対が素地と別個 に伸縮自在であるので損傷を招くことがなく、高温での多数回の繰り返し使用に 適している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】 尚、上記のタンディッシュで実際に用いられて いる従来型連続測温センサー（熱電対、保護管、絶縁管により組み立てられてい る。）の耐用に関する実状とこの一体型測温センサーとの比較を表１に示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】測温接点がセラミックス素地中に埋め込まれた
構造の、熱電対と保護管が一体となった測温センサーの
断面図。

【図２】仕切り蓋によって測温接点と素地との間に空隙
が設けられた構造の、熱電対と保護管が一体となった測
温センサーの断面図。

【図３】加熱消失性被覆が用いられて空隙が設けられた
構造の、熱電対と保護管が一体となった測温センサーの
断面図。

【符号の説明】

１ 絶縁性セラミックス素地の２つ穴保護管 ２ 熱電対素線 ３ 熱電対の測温接点 ４ 熱電対と絶縁性セラミックス素地との間の空隙 ５ 仕切り蓋（平蓋）

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの穴を有する絶縁性セラミック保護
   管と、該２つの穴の各々の中をのびるとともに先端部で
   接合されて測温接点を成形する２本の異種の金属線から
   なる熱電対とからなり、かつ該絶縁性セラミック保護管
   の該測温接点側が閉じた構造を有することを特徴とする
   熱電対と保護管が一体となった測温センサー。
2. 【請求項２】 測温接点部において、熱電対とセラミッ
   ク素地との間に隙間が設けられていることを特徴とする
   上記請求項１に記載の測温センサー。