JP3645439B2 - 熱電対装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測温用の熱電対装置に関する。本発明は、例えば、金属溶湯（鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯、銅溶湯、アルミ溶湯、亜鉛溶湯など）やガスの温度を測定する際に使用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、測温用の熱電対装置が提供されている。この熱電対装置は、先端が閉鎖された挿入孔を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管と、外側保護管の挿入孔に挿入され電気絶縁性をもつ材料で形成された絶縁管と、絶縁管の熱電対挿入孔に挿入され先端側に測温接点を備えた熱電対とをもつ。
【０００３】
熱電対の測温接点により、金属溶湯等の測温対象物の温度を測定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この熱電対装置においては、熱電対をもつ絶縁管の外壁面と外側保護管の挿入孔の内壁面との間の隙間がかなり大きく存在する。そのため測温の際の時定数は大きく、測温の応答性は必ずしも満足できるものできるものではなかった。
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、測温応答性を改善するのに有利な熱電対装置を提供することを課題とするにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電対装置は、先端が閉鎖された挿入孔を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管と、外側保護管の挿入孔に挿入され熱電対挿入孔を備え電気絶縁性をもつ材料で形成された絶縁管と、熱電対挿入孔に挿入され先端側に測温接点を備えた熱電対と、通孔をもつ中間保護管とをもつ熱電対装置であって、
外側保護管は、金属相と耐火物相とを有するサーメット材料で形成されており、
外側保護管の挿入孔は、外側保護管の先端側の内径が外側保護管の基端側の内径よりも小さくされた径小孔と、径小孔に連通すると共に径小孔の内径よりも大きな内径をもつ主孔と、前記径小孔に向かうにつれて内径が収縮する円錐壁面とを備えており、
測温接点をもつ熱電対を備えた絶縁管は、中間保護管の通孔に挿通されており、且つ、中間保護管と共に外側保護管の挿入孔に挿入されており、更に、
絶縁管の先端部が中間保護管の一端開口から突出し、外側保護管の挿入孔の径小孔に挿入されていることを特徴とするものである。
【０００６】
本発明装置によれば、前述したように、外側保護管の挿入孔は、外側保護管の先端側の内径が外側保護管の基端側の内径よりも小さくされた径小孔と、径小孔に連通すると共に径小孔の内径よりも大きな内径をもつ主孔とを備えている。
そして、測温接点をもつ熱電対を備えた絶縁管の先端部が外側保護管の挿入孔の先端側の径小孔に挿入されている。
【０００７】
本発明装置によれば、外側保護管の挿入孔の先端側は径小孔であるため、従来技術に比較して、径小孔の内壁面と絶縁管との外壁面との隙間幅を小さくできる。そのため、測温接点への熱伝達性が向上する。故に、測温の際の時定数が小さくなり、熱電対の測温接点の応答性の改善に有利となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明装置によれば、外側保護管の挿入孔は、外側保護管の先端側の内径が外側保護管の基端側の内径よりも小さくされた径小孔と、径小孔に連通すると共に径小孔の内径よりも大きな内径をもつ主孔とを備えている。主孔の平均内径を１００として相対表示したとき、径小孔の平均内径を３０〜９０程度、特に４０〜６０程度として相対表示できるが、これに限定されるものではない。
【０００９】
外側保護管は、耐熱性をもつ材料で形成されている。外側保護管を構成する材料としては、サーメット材料を採用する。サーメット材料は、金属相に粒子状の耐火物相を分散させて構成されている。
本発明装置によれば、測温接点をもつ熱電対を備えた絶縁管の先端部が挿入孔の先端側の径小孔に挿入されている。
【００１０】
本発明装置の好ましい態様によれば、外側保護管は、外側保護管の先端側の外径が外側保護管の基端側の外径よりも小さくされた径小筒部を備えている。この場合には、外側保護管の先端の周壁の肉厚が薄くなるため、熱電対による測温の応答性を高めるのに有利となる。
本発明装置の好ましい態様によれば、挿入孔の径小孔の内壁面と絶縁管の外壁面との間には、熱伝導性が良好な金属で形成されまたは金属を主要成分とする伝熱金属キャップが配置されている構成を採用することができる。
【００１１】
この場合には、伝熱金属キャップが配置されているため、熱電対による測温の応答性を高めるのに有利となる。
使用の際の熱などによって、外側保護管の構成材料と熱電対とが反応するおそれがある場合がある。あるいは、外側保護管の構成材料から発生するガスと熱電対とが反応するおそれがある場合がある。これらの場合には、伝熱金属キャップが、熱電対、特に熱電対の測温接点を包囲して保護する役割を果たすことを期待できる。
【００１２】
上記した伝熱金属キャップを構成する金属としては、熱伝導率、耐高温性、ガスバリヤ性、耐破損性等の性質の確保を考慮し、熱電対装置の使用環境などに応じて選択でき、例えば、白金系、金系等の貴な金属系を採用でき、あるいは場合によっては、鉄系、ニッケル系、銅系、アルミ系等も採用できる。伝熱金属キャップを構成する金属は、純度が高い金属であっても良いし、合金であっても良い。
伝熱金属キャップは薄肉の筒形状が好ましいが、厚肉の筒形状であっても良い。
【００１３】
熱電対としては、測温できるものであれば良く、使用条件によって選択でき、白金-白金ロジウム系であっても、アルメル-クロメル系であっても、クロメル-コンスタンタン系であっても、鉄-コンスタンタン系であっても、銅-コンスタンタン系であっても良い。
本発明装置は、使用の際には、測温対象物に外側保護管の先端部を接触させ、測温対象物の温度を測定する。測温対象物としては、金属溶湯などの液体、雰囲気ガスなどの気体、金属物や耐火物等の固体などを採用できる。
【００１４】
金属溶湯等の液体を本発明装置によって測温する場合には、金属溶湯等の液体の液面に上方から、本発明装置の先端を浸漬させても良い。あるいは、金属溶湯などの液体を貯留している容器の壁部（例えば底部や側壁部）から、本発明装置の先端を浸漬させても良い。
【００１５】
【実施例】
（第１実施例）
以下、図１，図２を参照して第１実施例を説明する。
本実施例に係る熱電対装置においては、円筒パイプ状の外側保護管１が軸長方向に延設されて設けられている。外側保護管１は、耐熱性をもつ材料の１種であるサーメット材料により形成されている。サーメット材料は、金属相に粒子状の耐火物相を分散させて構成されている。本実施例では、モリブデン相に粒子状のジルコニア相を分散させて構成されている。つまりＭｏ相−ＺｒＯ₂相の混合材料で構成されている。これは耐溶損性、耐高温性、熱伝導性等の特性の確保を考慮したものである。外側保護管１は外壁面１ａをもつ。
【００１６】
外側保護管１の内部には、横断面円形状の挿入孔２が軸長方向に沿って延設されて形成されている。外側保護管１の挿入孔２の先端は、閉鎖部１０により閉鎖されている。閉鎖部１０は、ほぼ球状面をもつ外壁面１０ａと、ほぼ球状面をもつ内壁面１０ｃとを備えている。外側保護管１の先端の肉厚ｔ１は、外側保護管１の閉鎖部１０の肉厚ｔ２とほぼ相応し、肉厚変動を抑制している。
【００１７】
外側保護管１の挿入孔２は、外側保護管１の先端側に設けられた径小孔２０と、径小孔２０に連通する主孔２５とで構成されている。径小孔２０と主孔２５とは同軸的に形成されている。径小孔２０の内径をＤ１として示す。主孔２５の内径をＤ２として示す。図２に示すように径小孔２０の内径Ｄ１は、主孔２５の内径Ｄ２よりも小さい。径小孔２０の長さをＬ１として示す。Ｌ１にわたり、径小孔２０の内径は実質的に同一とされているが、場合によっては、先端から離れるにつれて内径が僅かに拡径するように僅かに傾斜していても良い。
【００１８】
主孔２５のうち径小孔２０に連続する側には、径小孔２０に向かうにつれて内径が次第に縮径する円錐壁面２７が形成されている。円錐壁面２７は、後述する絶縁管６の先端６ｋを径小孔２０に挿入する際のガイド作用を期待できる。
外側保護管１の先端を除いた外周面には、キャスタブル材料（例えばアルミナ耐火材料）を外側保護管１に鋳包んで成形した円筒状の保護スリーブ３が被覆されている。保護スリーブ３は内周面３ａと外周面３ｂと端面３ｃとをもつ。
【００１９】
保護スリーブ３から突出している外側保護管１の軸長は、Ｌ２として示されている。外側保護管１の先端の外径をＥ１として示す。保護スリーブ３の外径をＥ２として示す。なお、外側保護管１の外径Ｅ１は外側保護管１の全長にわたりほぼ同一にできる。保護スリーブ３の外径Ｅ２は保護スリーブ３の全長にわたりほぼ同一にできる。
【００２０】
保護スリーブ３の基端３ｍ側には筒状の固定金具４が同軸的に被覆されている。固定金具４は、耐高温性に優れた金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。固定金具４の周壁に形成した通孔４ａに挿入したビス４ｃを保護スリーブ３に係止している。固定金具４には、中央孔５ａをもつ金属パイプ５が同軸的に連設されている。金属パイプ５は、耐高温性に優れた金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。金属パイプ５には電気コネクタ５２が保持されている。
【００２１】
絶縁管６は電気絶縁性をもつ材料（例えばアルミナ耐火材料）で形成されている。絶縁管６には、互いに独立して軸長方向に沿って並走された２個の熱電対挿入孔６０が形成されている。絶縁管６の外径をＤ４として示す。
絶縁管６の熱電対挿入孔６０にはワイヤ状の熱電対７１，７２が個々に挿入されており、熱電対７１，７２は互いに短絡することが防止されている。熱電対７１，７２の先端側には、両者を接合した測温接点７３が設けられている。熱電対７１，７２の基端は電気コネクタ５２に接続されている。
【００２２】
熱電対７１，７２を備えた絶縁管６は、アルミナ製の中間保護管９の通孔９ａに挿通されている。この結果、絶縁管６の先端６ｋは中間保護管９の一端開口９ｃから突出している。中間保護管９の外径をＤ３として示す。
本実施例においては、前記したように、測温接点７３をもつ熱電対７１，７２を備えた絶縁管６が中間保護管９と共に外側保護管１の挿入孔２に挿入されている。ここで図２に示すように、絶縁管６の先端６ｋは、外側保護管１の先端側の径小孔２０に挿入されて配置されている。
【００２３】
本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の外壁面との間には、貴な金属である白金を用いて形成された円筒パイプ形状の伝熱金属キャップ８が配置されている。白金は薄肉形状への塑性変形が容易であり、耐高温性に優れており、且つ熱伝導率も高い。更にガスバリヤ性も高い。例えば、伝熱金属キャップ８の外径は約３．６ｍｍ、内径は約３．２ｍｍ、軸長は径小孔２０の軸長に対応するように約３０ｍｍ〜６０ｍｍにできる。
【００２４】
伝熱金属キャップ８の先端は閉鎖部８０で閉鎖されている。伝熱金属キャップ８の閉鎖部８０の近傍に、熱電対７１，７２の測温接点７３が位置している。従って熱電対７１，７２の測温接点７３が外側保護管１に直接的に接触することは抑えられている。
なお本実施例では、上記した径小孔２０の内径Ｄ１は約４ｍｍ、主孔２５の内径Ｄ２は約１０ｍｍ、径小孔２０の長さＬ１は約５０ｍｍ、外側保護管１の先端の突出長Ｌ２は約７０ｍｍ、中間保護管９の外径Ｄ３は約６ｍｍ、外側保護管１の外径Ｅ１は約２４ｍｍ、保護スリーブ３の外径Ｅ２は約４０ｍｍにできる。
【００２５】
以上の説明から理解できるように本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２の先端側は、内径が大きい主孔２５ではなく、内径が小さい径小孔２０であるため、径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との隙間幅を小さくすることができる。
そのため、熱電対７１，７２の測温接点７３への熱伝達性を向上させ得る。例えば、外側保護管１の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋとの外壁面との間に詰める装填物（例えば耐火材料の粉末）を低減または廃止することができる。故に、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性の改善に有利となる。つまり測温における時定数の短縮を図るのに有利となる。
【００２６】
ところで、外側保護管１の挿入孔２の内径を挿入孔２の全長にわたりＤ１としつつ、挿入孔２を真っ直ぐに形成しようとすることは、製造工程上容易ではない。外側保護管１の製造工程における歪、反りなどの影響があるからである。この場合には、全長にわたり内径がＤ１と小さい挿入孔は高精度では真っ直ぐとなりにくい。この結果、歪みや反りが発生した挿入孔に絶縁管６を挿入する操作が困難となる。
【００２７】
この点本実施例においては、図２に示すように、外側保護管１の挿入孔２を先端側の径小孔２０と主孔２５とに分け、主孔２５の内径をＤ２と大きくしつつ、径小孔２０の内径Ｄ１のみを小さくしている方式が採用されている。そのため、上記したような絶縁管６の挿入が困難となる不具合を回避するのに有利となる。また本実施例においては外側保護管１の挿入孔２の先端側は、内径がＤ１と小さな径小孔２０であるため、外側保護管１の周壁のうち、挿入孔２に対応する周壁部分の肉厚ｔ１を他の周壁部分の肉厚ｔ２よりも厚く確保することができる。故に、外力負荷が作用し易い外側保護管１の先端の側の強度を確保する面において有利となる。また径小孔２０の内壁面の損耗に対する寿命も確保される。
【００２８】
更に本実施例においては、前述したように、外側保護管１の挿入孔２の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の外壁面との間には、貴な金属である白金を用いて形成された円筒パイプ形状の伝熱金属キャップ８が配置されている。伝熱金属キャップ８内に熱電対７１，７２の測温接点７３が位置している。故に、熱電対７１，７２による測温応答性を高めるのに有利となる。つまり測温における時定数の短縮を図るのに有利となる。
【００２９】
更に、伝熱金属キャップ８は金属である白金で形成されているため、耐火物材料とは異なり、脆くなく、薄肉であっても容易に破損することはない。故に測温接点７３の保護を効果的に図ることができ、測温接点７３の耐久性向上を図るのに有利である。
使用の際の熱などによって、外側保護管１の構成材料と熱電対７１，７２とが反応するおそれがある場合がある。あるいは、外側保護管１の構成材料から発生するガスと熱電対７１，７２とが反応するおそれがある場合がある。これらの場合には、熱電対７１，７２の先端やこの測温接点７３を伝熱金属キャップ８が包囲して保護しているため、伝熱金属キャップ８が熱電対７１，７２の劣化を抑える役割を果たすことも期待できる。
【００３０】
（第２実施例）
以下、第２実施例を図３,図４参照して説明する。
第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成である。従って同一機能を奏する部位には同一の符号を付する。本実施例においても、前記した実施例の場合と同様に、外側保護管１の挿入孔２は、先端側の径小孔２０とこれに続く主孔２５とで構成されている。このように外側保護管１の挿入孔２の先端側は、内径が小さな径小孔２０であるため、径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との隙間幅を小さくすることができる。故に熱電対７１，７２による測温応答性の改善に有利となる。
【００３１】
更に本実施例においては、外側保護管１の先端部には、円錐外壁面１４を介して径小筒部１５が同軸的に形成されている。径小筒部１５の軸長はＬ４として示されている。径小筒部１５の外径はＥ４として示されている。外側保護管１の基端側の外径はＥ１ｃとして示されている。
径小筒部１５の外径Ｅ４は、外側保護管１の基端側の外径Ｅ１ｃよりも小さくされている。この結果、外側保護管１の先端１ｋの周壁の肉厚が薄くなるため、外側保護管１の先端１ｋの熱容量が低減される。そのため、外側保護管１の先端１ｋを介しての熱電対７１，７２の測温接点７３への熱伝達が速く行われる。故に、熱電対７１，７２による測温応答性を一層高めるのに有利となる。つまり測温における時定数の短縮を図るのに有利となる。
【００３２】
本実施例においては、径小筒部１５の外径Ｅ４は約１２ｍｍ、径小孔２０の内径Ｄ１は約４ｍｍ、主孔２５の内径Ｄ２は約１０ｍｍ、中間保護管９の外径Ｄ３は約６ｍｍ、径小孔２０の長さＬ１は約６０ｍｍ、外側保護管１の突出長Ｌ２は約７０ｍｍ、径小筒部１５の軸長Ｌ４は約５０ｍｍにできる。
更に本実施例においては金属パイプ５には、高さ合わせ用のストッパリング５５が設けられている。
【００３３】
（他の例）
その他、本発明装置は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で必要に応じて適宜変更して実施できるものである。例えば、上記したＬ１をＬ２以上とすることもできる。また上記した寸法サイズは上記した値、範囲に限定されるものではなく、また各部品の材料は上記した材料に限定されるものではなく、使用状況に応じて適宜選択できることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明装置によれば、外側保護管の挿入孔の先端側は径小孔であるため、挿入孔の内径が大径である場合に比較して、挿入孔の径小孔の内壁面と絶縁管の先端との外壁面との隙間幅を小さくできる。そのため測温接点への熱伝達性が向上し、測温応答性の改善に有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る熱電対装置を示す構成図である。
【図２】第１実施例に係る熱電対装置の要部を示す構成図である。
【図３】第２実施例に係る熱電対装置を示す構成図である。
【図４】第２実施例に係る熱電対装置の要部を示す構成図である。
【符号の説明】
図中、１は外側保護管、１０は閉鎖部、２は挿入孔、２０は径小孔、２５は主孔、６は絶縁管、６０は熱電対挿入孔、７１，７２は熱電対、７３は測温接点、８は伝熱金属キャップを示す。

Claims (3)

1. 先端が閉鎖された挿入孔を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管と、前記外側保護管の挿入孔に挿入され熱電対挿入孔を備え電気絶縁性をもつ材料で形成された絶縁管と、前記熱電対挿入孔に挿入され先端側に測温接点を備えた熱電対と、通孔をもつ中間保護管とをもつ熱電対装置であって、
   前記外側保護管は、金属相と耐火物相とを有するサーメット材料で形成されており、
   前記外側保護管の挿入孔は、前記外側保護管の先端側の内径が前記外側保護管の基端側の内径よりも小さくされた径小孔と、前記径小孔に連通すると共に前記径小孔の内径よりも大きな内径をもつ主孔と、前記径小孔に向かうにつれて内径が収縮する円錐壁面とを備えており、
   前記測温接点をもつ熱電対を備えた前記絶縁管は、前記中間保護管の通孔に挿通されており、且つ、前記中間保護管と共に前記外側保護管の挿入孔に挿入されており、更に、
   前記絶縁管の先端部が前記中間保護管の一端開口から突出し、前記外側保護管の前記挿入孔の前記径小孔に挿入されていることを特徴とする熱電対装置。
2. 請求項１において、前記外側保護管は、前記外側保護管の先端側の外径が前記外側保護管の基端側の外径よりも小さくされた径小筒部を備えていることを特徴とする熱電対装置。
3. 請求項１または２において、前記外側保護管の外周面にはキャスタブル材料で成形された保護スリーブが被覆されていることを特徴とする熱電対装置。

Images