JPH034099B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は温度測定装置、特に、応答の非常に敏
感な熱電対装置に関するものである。

熱電対は温度の指示を得なければならない様様
の分野で使用されている。その一般的な使用法
は、作動流体を利用する工業プロセスにおける以
後の制御に対するパフオーマンスを評価すること
である。この作動流体は圧力及び温度が高いかも
知れないので、熱電対は、該作動流体と熱伝達関
係にあるだけでなく、工業プロセスの系統におけ
る苛酷な条件に耐えることができる保護用の熱電
対容器に入れられている。

上述した従来の熱電対装置は、応答時間が問題
にならない程遅くそのため温度測定値が不正確に
なり、しかも、その結果、温度変化に対して必要
な制御の応答が緩慢であるという点で、大抵の工
業プロセスにおいて問題になつている。本発明が
提供する熱電対装置はこのような工業プロセスに
おいて使用可能であり、そして応答時間がもつと
速く、プロセス制御の安定性を更に良好にする。

本発明によれば、熱電対装置は、中央の軸心を
囲むと共に内部に空間を画定する第１金属からな
る壁を有する細長い熱電対容器と、前記壁の端部
にろう付けされて同端部を閉塞する異種の第２金
属からなる端蓋と、前記壁及び前記端蓋にそれぞ
れ接続された電気導体とを備え、前記第１、第２
金属間の境界が、前記中央の軸心に対して垂直な
面に配置されると共に前記熱電対容器の入る流体
の温度変化に迅速に応答するようになつている、
大きな面積の環状の異種金属熱電対接合部を形成
している。

上述のように第１、第２金属を配設すると、熱
電対接合部は、温度検知すべき流体に露出してい
る熱電対容器の外面から始まつて中央の軸心に向
かい半径方向に延びる環状になるため、また、熱
電対接合部を画成する端蓋が熱電対容器の入つて
いる流体と緊密に接触するため、応答時間の速い
熱電対装置が提供される。

別の実施例においては、異種金属で形成した第
１、第２端蓋を使用し、これ等の端蓋を互いに接
合して熱電対接合部を画定すると共に、これらの
端蓋に適当な電気接続を行なつて内部の空間を通
つて上方へ導出する。

本発明を添付図面を参考にして以下に説明す
る。

第１図は、蒸気タービン発電所に見られる流体
輸送導管１０のような工業プロセスの構成要素を
示している。導管１０の内部は高温高圧であり、
作動流体、即ち蒸気の温度指示を得るために、温
度測定用熱電対の入つている熱電対容器１２が設
けられ流体の流れ内に挿入されている。熱電対の
出力電圧は中央制御装置１４に供給され、該制御
装置は、別の熱電対指示を含む他のセンサー指示
１５と協働して、蒸気タービン発電所のパフオー
マンスを評価したり、その諸構成要素を制御した
りする。代表的な熱電対容器は第２図に詳細に示
されている。

第２図において、熱電対容器１２は導管１０に
ある穴から挿入され、溶接等によつてボス１８に
取着される。このボスは圧力の健全性を維持する
ように構成要素、即ち導管１０に溶接されてい
る。

熱電対容器は、作動流体にさらされるその壁が
運転圧力に十分耐えるような寸法の中空内部空間
２０をそれ自身が有する。

引出し線２４及び２５の端に形成された小さい
熱電対接合部２２は内部空間２０の下端に位置し
ており、この下端に絶縁材料を詰める場合があ
る。作動流体の温度は、熱電対容器１２の比較的
に厚い壁を通り、そして内部空間２０内の絶縁材
料を通つて熱電対接合部に伝達される。大抵の利
用分野について、熱電対接合部が温度変化に応答
するのにかかる時間は非常に長く、その結果、あ
る構成要素の制御が不安定になる。

第３図〜第５図は、比較的に低圧の種々の利用
分野において直接使用可能であるか、或は比較的
に高圧での温度測定のため第２図に示すような熱
電対容器内に自身を置きうる先行技術の熱電対容
器を示している。

第３図において、ステンレス鋼製でよい収納
体、即ちさや３０はその内部に第１熱電対線３２
及び第２熱電対線３４を有し、該第１、第２熱電
対線がさや３０の下端に熱電対接合部３６を形成
する。普通の慣行に従つて、内部には、例えば酸
化マグネシウム、窒化ホウ素又は酸化アルミニウ
ムのような絶縁材料３８を充填しうる。

第４図において、円筒形さや４０は、接合部が
接地された熱電対をさや４０の下端４６と共に形
成する第１熱電対線４２及び第２熱電対線４４を
含む。内部は第３図の場合のように絶縁材料４８
で満たされている。

第５図に示す別の熱電対装置においては、熱電
対の一方の構成要素である外側の円筒形さや５０
が他方の構成要素である内側の棒５２と協働し
て、熱電対装置の下端に熱電対接合部５４を形成
する。

一般に、比較的に速い応答時間を有する先行技
術の熱電対装置は、圧力に対する構成要素の健全
性を維持しなければならない高圧運転のためには
適当ではない。保護用の容器にこの熱電対装置を
入れてもよいが、応答時間が大巾に且つ認容し得
ないほど低下する。本発明は高圧状態の下で使用
しうるように改良した応答の迅速な熱電対装置を
提供するものであり、このために第６Ａ図〜第６
Ｄ図を引用する。

第６Ａ図は、中央の軸心Ａを囲む側壁６２と一
体の端６４とを有する代表的な熱電対容器６０を
示しており、該容器は内部に空間６６を画定して
いる。

本発明によれば、既知の加工技術によつて一体
の端６４を取り除くことにより、第６Ｂ図に示す
ように上記容器を改造する。

第６Ｃ図に示すように、次の組立作業のステツ
プでは側壁６２とは別の材料からなる新しい交換
デイスク、即ち端蓋６８を用意する。この蓋は、
そこに例えば螺着され、同種の材料から形成され
るのが好ましい強力ワイヤー、即ち棒７０を含ん
でいる。次に、例えば高温炉内ろう付けによつて
端蓋６８を側壁６２の端に取着し、両者間に第６
Ｄ図に示すように熱電対接合部７２を形成する。
端蓋６８（熱電対要素）の厚さは、ろう付け作業
の協力の下に容器の圧力健全性が維持されるよう
に選択されている。内部の空間６６には絶縁材料
又は媒体７４を満たし、そして、引出し線（電気
導体）７６及び７７で代表されるような適当な電
気接続をステンレス鋼のような金属からなる側壁
６２（熱電対要素）とニツケルのような異種の金
属からなる棒７０に対して行なう。

別の構造として、ある種の金属からなる端蓋で
別種の金属からなる管の端と共に熱電対接合部を
形成するようにしてもよい。この場合、管及び端
蓋は運転中に受ける高圧に十分耐える厚さのもの
である。管の使用によつて第６Ｂ図の加工ステツ
プが省略される。

熱電対容器６０の底と端蓋６８との間に形成さ
れた熱電対接合部７２は第７図の分解斜視図に最
も良く図示されている。この接合部７２は、側壁
６２の外面から内方へ内部の空間６６までほぼ半
径方向に延びると共に、点点を付けた環状領域を
画定している。該環状領域は、中央の軸心Ａを囲
むと共に、該軸心に対し垂直な平面上にある。こ
の構造の特徴は、半径方向の配列であること及び
熱電対容器６０が入つている流体と緊密に接触す
ることのために、接合部７２が流体の温度変化に
非常に迅速に応答することである。各熱電対要
素、即ち側壁６２及び端蓋６８が比較的に大きい
サイズであるため、引出し線７６及び７７（第６
Ｄ図）に出る出力信号は非常に安定している。

第８図に切込み部８０で示すように側壁６２の
端を切り下げ、その後残つている端部８２を端蓋
６８にろう付けして、第７図に示した接合部に比
較して半径方向の寸法を減じた熱電対接合部８４
とすることによつて、更に迅速な応答時間を持つ
熱電対接合部が得られる。半径方向の寸法を小さ
くするほど、応答時間が速くなるであろうが、切
込み量、従つて残つている端部８２の寸法は維持
すべき圧力健全性に左右される。極端に高圧で使
用するには、ろう付け作業及び熱電対接合部形成
の際に、側壁６２の端全体を使用することが必要
であろう。

上述した例においては、例えばステンレス鋼
（容器６０）及びニツケル（端蓋６８）によつて
形成される二つの異種熱電対要素の使用により、
熱電対は温度指示電圧を発生する。例えば、通常
の熱電対の大きさの標準emf出力と考えられるも
のを発生するために、クロメル−アルメル、鉄−
コンスタンタンのような異種熱電対材料を使用す
ることによつて、同一温度測定値に対して異なる
電圧出力が与えられる。通常のステンレス鋼製熱
電対容器を使つてこの標準emfを得るために、第
９図及び第１０図に示した装置を使用しうる。

第９図において、例えばステンレス鋼製の通常
の熱電対容器９０はその下端に、異種の熱電対材
料からなる第１端蓋９２及び第２端蓋９４を有す
る。例えば、第１端蓋９２はクロメルであり、一
方、第２端蓋９４はアルメルであつて、アルメル
をクロメルにろう付けして、前述したように半径
方向に活性化される熱電対接合部９６を形成す
る。端蓋を２重に持つこの組体は例えばろう付け
部９８によつて熱電対容器９０の下端に取着され
る。

焼石（lava）管のような絶縁管１００及び１０
２が設けられていて、クロメル製端蓋９２に取着
されたクロメル棒１０４とアルメル製端蓋９４に
接続されたアルメル棒１０６とを電気的に絶縁す
る。第９図及び第１０図に示したように、絶縁管
１０２は端蓋９２にある開口１０８を貫通する。
熱電対出力信号は、クロメル棒１０４及びアルメ
ル棒１０６にそれぞれ接続された引出し線（電気
導体）１１０及び１１１から導出される。

第９図及び第１０図はクロメル棒１０４及びア
ルメル棒１０６の並置配列を示しているが、他の
配列、例えばアルメル棒をクロメル管内に絶縁し
て同心に入れ、アルメル棒及びクロメル管をそれ
ぞれ端蓋９４及び９２に接触させる配列も可能で
ある。

第９図の組体において、端蓋９２及び９４は金
属製の熱電対容器９０と電気的に接触して、接地
熱電対装置を構成する。しかし、この構造は、第
９図のものと同様の部分には符号にダツシユを付
けて示す第１１図のような非接地熱電対装置にも
適用できる。

端蓋９２′及び９４′は熱電対容器９０′の下端
にある。容器９０′は他の部分よりも小径である
として例示されている。しかし、容器９２′及び
９４′はアルミナ製でよい絶縁ワツシヤ１１３に
よつて金属製容器９０′の下端から電気的に絶縁
されている。ワツシヤ１１３は容器９０′の底部
及び端蓋９２′の頂部に適当に金属化されてろう
付けされ、熱電対を金属製容器から電気的に絶縁
する。

第１２図に示した装置は、第６Ｄ図に図示した
ような改良熱電対装置に通常の熱電対１２０のよ
うな温度検知装置を設けたものである。この熱電
対１２０は温度変化に対する応答は遅いが、安定
状態における温度指示に安全性があり、多重測定
に有効である。この機能は通常の抵抗温度検出器
（RTD）によつても得ることができる。

本発明の熱電対装置を適性環境で使用すれば、
半径方向の熱電対接合部における最も外側の露出
部に腐食の発生する可能性がある。この腐食によ
る動作の悪化を防止するために、第１３図に示す
ように、熱電対容器１２５の下端にある点線１２
３で示す半径方向の熱電対接合部の外表面には、
数マイクロインチの厚さにスプレーした例えばセ
ラミツク又は金属コーテイングフレームでよい保
護被膜１２８を設けることができる。こうして、
迅速な応答は阻害されるが、接合部の腐食を防止
することができる。保護被膜の概念は第９図及び
第１１図の熱電対装置にも適用しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は工業プロセスにおける熱電対の代表的
な使用法を説明する図、第２図は第１図の熱電対
容器を一部破断して示す図、第３図、第４図及び
第５図は種々の先行技術の熱電対を示す断面図、
第６Ａ図、第６Ｂ図、第６Ｃ図及び第６Ｄ図は熱
電対の製造ステツプを示す断面図、第７図は第６
Ａ〜６Ｄ図に従つて製造した装置の熱電対接合部
を示す分解断面図、第８図は接合部寸法を小さく
した熱電対の分解断面図、第９図及び第１０図は
別の実施例を示す断面図と分解斜視図、第１１図
は非接地熱電対装置を一部破断して示す図、第１
２図は通常の熱電対と組み合つた本発明の熱電対
の断面図、第１３図は熱電対装置に利用しうる保
護被膜を示す図である。 図中、Ａは中央の軸心、６２は壁（側壁）、６
６は内部の空間、６０，９０，９０′及び１２５
は熱電対容器、６８，９２，９４，９２′及び９
４′は端蓋、７２，８４，９６及び１２３は接続
手段（電気導体）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中央の軸心を囲むと共に内部に空間を画定す
   る第１金属からなる壁を有する細長い熱電対容器
   と、前記壁の端部にろう付けされて同端部を閉塞
   する異種の第２金属からなる端蓋と、前記壁及び
   前記端蓋にそれぞれ接続された電気導体とを備
   え、前記第１、第２金属間の境界が、前記中央の
   軸心に対して垂直な面に配置されると共に前記熱
   電対容器の入る流体の温度変化に迅速に応答する
   ようになつている、大きな面積の環状の異種金属
   熱電対接合部を形成する、熱電対装置。