CN101675327A - 高速流体用高速响应热电偶 - Google Patents

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Abstract

一种高速流体用高速响应热电偶，在高速流体值使用也不会受到折断或弯曲等机械性损伤，响应速度快。所述高速流体用高速响应热电偶是，将外径细的套管热电偶以前端露出的方式插入到外径粗的保护管内，所述套管热电偶是使无机绝缘材料粉末夹装在金属套管内来收容+侧热电偶芯线和－侧热电偶芯线，将+侧热电偶芯线和－侧热电偶芯线的前端彼此接合形成了测温点，其特征在于，将来自保护管的套管热电偶的露出部插入到具有多个贯通窗和在前端侧设置了套管热电偶插通的孔的底盖的保护筒内，使套管热电偶的前端从保护筒底盖较短地露出，对保护筒底盖和套管热电偶、及保护筒和保护管下部进行了焊接。

Description

高速流体用高速响应热电偶
技术领域
本发明涉及高速流体用高速响应热电偶，尤其是涉及以迅速的响应速度测定像涡轮机内的流体的那样以高速流动的流体的温度的热电偶。
背景技术
套管热电偶是将氧化镁、氧化铝等无机绝缘材料粉末夹装在金属套管内而收容热电偶芯线的热电偶。
图1表示套管热电偶的代表性的形状。
套管热电偶，是将无机绝缘材料粉末102填充在金属套管101内，以热电偶的+脚(+侧热电偶芯线103)和-脚(-侧热电偶芯线104)这两个脚作为芯线，将芯线的前端接合作为测温点105。虽然没有图示，但是为了防止无机绝缘材料粉末102的吸湿，由环氧树脂等密封材料对和前端相反侧的端末实施了密封。
套管热电偶，在腐蚀性氛围气体或氧化氛围气体等严酷的环境中使用的情况下，因为热电偶芯线从氛围气体被隔离，所以与裸线的情况相比，具有寿命长这样的优点，另外，因为有绝缘层，所以还具有不需要考虑与设置对象物之间的绝缘这样的优点，已被广泛使用。
图2是表示与本发明相关联的现有的套管热电偶的前端部的制法的图。
首先，将前端部的无机绝缘材料粉末102掏出，将热电偶芯线103、104的前端切断(图2(b))。
其次，通过焊接等将+侧热电偶芯线103的前端和-侧热电偶芯线104的前端接合，形成测温点105(图2(c))，在最初掏出无机绝缘材料粉末102而空出的部分的前端留下空间来填充相同的无机绝缘材料粉末(图2(d))，最后通过焊接106将金属套管101的前端密封来完成(图2(e))。
此套管热电偶，因为外径越小热容量越少，所以响应速度越快，如果对涡轮机内的那样的高速流体直接使用外径小的套管热电偶，则由于受到来自流体的力，会产生折断或弯曲等机械性损伤。因此，作为即使在高速流体中也不会受到机械性损伤、且能够获得高速响应的热电偶，考虑了在图3的现有的高速流体用高速响应热电偶(1)(日本特开平7-174637号)、图4的现有的高速流体用高速响应热电偶(2)、图5的现有的高速流体用高速响应热电偶(3)(日本特开2006-78305号)中表示的结构。
图3是将由+侧热电偶芯线103、-侧热电偶芯线104、无机绝缘材料粉末102(1)及金属套管101等构成的套管热电偶收容于粗的保护外管107中，由无机绝缘材料粉末102(2)进行了固定的图。
套管热电偶，由于收容了前端的测温点105的部分从保护外管107较短地露出，所以即使在高速流体中，套管热电偶的露出部分也不会因受到来自流体的力而受到机械性损伤。
但是，保护外管107及无机绝缘材料粉末102(2)，由于直径越粗热容量越大，所以其对于被测定流体的温度变化而言的温度追随越迟缓，因为套管热电偶的测温点105因热传导而受其影响，所以与套管热电偶单体的响应速度相比，温度输出的响应速度迟缓。
图4是图3的变形，是对保护外管107附加了底板108，将底板108和套管热电偶进行了焊接的图。和图3的套管热电偶同样，不会受到机械性损伤，但仍然受保护外管107及无机绝缘材料粉末102(2)的大的热容量的影响，与套管热电偶单体的响应速度相比，温度输出的响应速度迟缓。
图5是将套管热电偶收容于金属的保护筒109中，和图3、图4同样使套管热电偶的前端的测温点收容部从保护筒109较短地露出的图。为了应对因高速流体中的套管热电偶的振动而导致的金属套管101的磨耗，对金属套管101表面涂敷了碳化铬。因为套管热电偶的前端的露出短，所以即使在高速流体中，套管热电偶也不会受到机械性损伤。但是，在此情况下，保护筒109的对于被测定流体的温度变化而言的温度追随也因为热容量大而迟缓，由于保护筒109和套管热电偶接触，所以，因热传导受其影响，导致响应速度被限制。
专利文献1：日本特开平7-174637号公报
专利文献2：日本特开2006-078305号公报
发明内容
发明所要解决的课题
因此，在测定像涡轮机内流体的那样的高速流体的温度的温度计中，为了提高安装的装置的性能，要求响应速度尽可能快的温度计。本发明的目的在于提供一种在高速流体中使用也不会受到折断或弯曲等机械性损伤，且响应速度快的热电偶。
为了解决课题的手段
本发明鉴于上述的情况，为了提供在高速流体中使用也不会受到折断或弯曲的机械性损伤，响应速度快的热电偶，做成了如下的高速流体用高速响应热电偶，将外径细的套管热电偶以前端露出的方式插入到外径粗的保护管内，所述套管热电偶是使无机绝缘材料粉末夹装在金属套管内来收容+侧热电偶芯线和-侧热电偶芯线，将+侧热电偶芯线和-侧热电偶芯线的前端彼此接合形成了测温点，其特征在于，将来自保护管的套管热电偶的露出部插入到具有多个贯通窗和在前端侧设置了套管热电偶插通的孔的底盖的保护筒内，使套管热电偶的前端从保护筒底盖较短地露出，对保护筒底盖和套管热电偶、及保护筒和保护管下部进行了焊接。
另外，本发明的高速流体用高速响应热电偶，为了防止因热膨胀差而导致的损伤，由相同的材质构成了保护筒和套管热电偶的金属套管。
此外，本发明的高速流体用高速响应热电偶，为了提高热传导性，向套管热电偶的具有测温点的前端部填充的无机绝缘材料粉末为氮化硼或氧化铍。
此外，在此基础上，本发明的高速流体用高速响应热电偶，为了以在金属套管内不动的方式固定无机绝缘材料粉末，以便其在进行焊接密封时不飞散，在向套管热电偶的具有测温点的前端部填充了氮化硼或氧化铍的无机绝缘材料粉末的更前端部，填充了氧化镁或氧化铝的无机绝缘材料粉末。
发明的效果
本发明的高速流体用高速响应热电偶，将外径细的套管热电偶以前端露出的方式插入到外径粗的保护管内，所述套管热电偶是使无机绝缘材料粉末夹装在金属套管内来收容+侧热电偶芯线和-侧热电偶芯线，将+侧热电偶芯线和-侧热电偶芯线的前端彼此接合形成了测温点，其特征在于，将来自保护管的套管热电偶的露出部插入到具有多个贯通窗和在前端侧设置了套管热电偶插通的孔的底盖的保护筒内，使套管热电偶的前端从保护筒底盖较短地露出，对保护筒底盖和套管热电偶、及保护筒和保护管下部进行了焊接，所以，虽然在使用细径的套管热电偶这一点上与现有情况是相同的，但根据新的结构，得到了在高速流体中也不会受到机械性损伤，且高速响应的热电偶。
另外，本发明的高速流体用高速响应热电偶，由于由相同的材质构成了保护筒和套管热电偶的金属套管，所以能够防止因热膨胀差而导致的损伤。
此外，本发明的高速流体用高速响应热电偶，由于向套管热电偶的具有测温点的前端部填充的无机绝缘材料粉末为热传导性好的氮化硼或氧化铍，所以能够提高使用的套管热电偶自身的响应性。
而且，本发明的高速流体用高速响应热电偶，由于在向套管热电偶的具有测温点的前端部填充了氮化硼或氧化铍的无机绝缘材料粉末的更前端部，填充了氧化镁或氧化铝的无机绝缘材料粉末，所以能够以在金属套管内不动的方式固定无机绝缘材料粉末，以便其在进行焊接密封时不飞散。
附图说明
图1是现有的套管热电偶的长度方向剖面和径向剖面的两面图；
图2是说明套管热电偶的现有的前端加工的图；
图3是现有的高速流体用高速响应热电偶(1)的轴向剖面和A向剖面的两面图；
图4是现有的高速流体用高速响应热电偶(2)的轴向剖面和B向剖面的两面图；
图5是现有的高速流体用高速响应热电偶(3)的轴向剖面和C向剖面的两面图；
图6是本发明的高速流体用高速响应热电偶的轴向剖面和D向剖面的两面图；
图7是本发明的高速流体用高速响应热电偶的外形图；
图8是表示本发明的高速流体用高速响应热电偶的套管热电偶前端部加工顺序(1)的图；
图9是表示本发明的高速流体用高速响应热电偶的套管热电偶前端部加工顺序(2)的图。
符号说明
1：金属套管
2：无机绝缘材料粉末
3：+侧热电偶芯线
4：-侧热电偶芯线
5：测温点
11：保护管
13：贯通窗
12：底盖
14：保护筒
具体实施方式
为了实施发明的最好的方式
图6～图9表示本发明的热电偶的结构和使用的套管热电偶的前端部的制法。
首先，对结构进行说明。
图6是本发明的热电偶的剖面图，图7是其外形图。套管热电偶，在金属套管1内填充有无机绝缘材料粉末2，将热电偶的+脚(+侧热电偶芯线3)和-脚(-侧热电偶芯线4)这两个脚作为芯线，将芯线的前端接合作为测温点5。
空心且具有底盖12和多个贯通窗13的保护筒14被焊接在直径粗的保护管11上，外形细的套管热电偶被收容在其中，收容了测温点5的前端部较短地从保护筒14露出。保护筒14的材质由与套管热电偶的金属套管1相同的材料制作。
套管热电偶与保护筒14的底盖12焊接在一起，与保护管11在保护管11下部也焊接在一起。保护筒14和底盖12被焊接在一起，但也可以是作为一体物切削出来的。
另外，保护管11例如既可以是如图4的上部的那样的内部结构，也可以是将图4的无机绝缘材料粉末102(2)去除，而将保护管11加厚直到金属套管1的表面，不论内部结构怎样均可。
根据如上所述的结构可以得到下面的效果。
1.高速响应
在保护筒14及与保护筒14内套管热电偶的保护管11接近的部分中，因为来自热容量大、温度响应迟缓的保护管11的热传导的影响，所以对被测定流体的温度变化的追随比套管热电偶单体迟缓。
但是，本发明的结构中，被测定流体通过设置在保护筒14上的多个贯通窗13也在保护筒14内流过，保护筒14及底盖12的内外面都受到从被测定流体传来的热。
另外，由于被测定流体流过保护筒14内的套筒热电偶的表面，所以保护筒14内的套筒热电偶也受到从被测定流体传来的热。
因此，在保护筒14及保护筒14内套管热电偶的远离保护管11的部分中，来自被测定流体的传热处于支配地位，而来自保护管11的影响仅限于局部性的影响。
此外，由于保护管14为空心且底盖12也是板状，所以热容量小，另外，因为保护筒14内的套管热电偶也是细径，热容量小，所以，在没有受到来自保护筒14部的热传导的影响的保护筒14的下部、底盖12及保护筒14内套管热电偶的下部，因为来自被测定流体的传热，所以迅速地追随被测定流体的温度变化。
在现有的图3～图5的结构中，测温点105因热传导而受到由于保护外管107(图3、图4)、无机绝缘材料粉末102(2)(图3、图4)及保护筒109(图5)的热容量大而导致的响应迟缓的影响，与套管热电偶单体相比，响应速度迟缓。
在本发明的结构中，因为进行焊接连接于套管热电偶的前端的测温点105的收容部上的底盖12、与底盖12连接着的保护筒14的下部、及与测温点收容部连接的保护筒109内的套管热电偶下部，如上所述，都迅速地追随被测定流体的温度变化，所以，因它们的影响而导致的响应速度的降低极少。因此，能够得到与将细径的套管热电偶以单体的形式使用的情况具有同等的响应速度的高速响应的热电偶。
2、机械性损伤的避免
由于保护筒14通过焊接固定在保护管11上，且是具有底盖12的圆筒，所以，依靠结构的所谓的立体效果，即使不是厚的壁厚也能够避免在高速流体中的折断、弯曲、压曲等机械性损伤。不需要厚的壁厚，这能够减小保护筒14和底盖12的热容量，也有助于前述的响应速度提高。
另外，由于不具有如图5的结构的那样的可动部，所以也不会受到因磨耗而导致的损伤。
此外，由于套管热电偶的前端部和现有的套管热电偶同样仅是从保护筒14较短地露出，所以，此部分也不会因从高速流体受到的力而受到机械性损伤。
关于因在高温下的使用中的热膨胀而导致的损伤，因为保护筒14和金属套管1为相同的材质，所以能够防止因热膨胀差而导致的损伤。
即，保护筒14和套管热电偶分别与保护管11的下部通过焊接固定，保护筒14和套管热电偶由保护筒底盖12通过焊接固定。因此，如果保护筒14和套管热电偶的热膨胀存在差，则在高温下的使用中，在保护管11下部和底盖12之间有发生因热膨胀差而导致的损伤的可能性，但通过使保护筒14和金属套管1为相同的材质，能够防止因热膨胀差而导致的损伤。
接着，对提高套管热电偶自身的响应性进行说明。
套管热电偶的前端部按照图2所示的那样制作。作为绝缘材料粉末，主要因为经济性的原因，使用了氧化镁粉末或氧化铝粉末。
由于在图2(a)所示的金属套管101内收容了热电偶芯线103、104和无机绝缘材料粉末102，这样的结构，是在制作的最终工序中通过使用旋转式镦锻机和锻模的冷拔来对已制作得粗的结构进行了缩径加工的结构，所以，高密度且紧实地填充了无机绝缘材料粉末102，因此，热传导性好。但是，在图2(d)中，对于被填充在前端部的测温点105周边的无机绝缘材料粉末102，因为没有实施上述那样的缩径加工，所以填充密度低、热传导性差。因此，成为金属套管101的温度传到测温点105的时间长、套管热电偶的响应速度受限的主要原因。
在本发明中，通过使向该套管热电偶的前端部填充的无机绝缘材料粉末成为热传导好的材料，加快了套管热电偶自身的响应速度。
图8表示其加工顺序。在直到形成测温点105之前，和图2的现有顺序相同，使用的无机绝缘材料粉末也是氧化镁粉末或氧化铝粉末。
然后，将向前端部的测温点5周边填充的无机绝缘材料粉末15的材质作为热传导性好的氮化硼粉末或氧化铍粉末。通过这样做，使高价的氮化硼、氧化铍的使用量控制成为最小限，不会损害经济性，使套管热电偶的响应高速化。
另外，在图8的加工顺序(a)中，在向前端填充的无机绝缘材料粉末因表面摩擦系数等特性而是具有松散流动的性质的粉末的情况下，不能将无机绝缘材料粉末固定性地填充到金属套管1内，在进行图8(b)的前端密封焊接16之际，伴随处于粒子的间隙内的空气的热膨胀，发生已填充的无机绝缘材料粉末15向金属套管1外飞散的现象。根据经验，特别是在氮化硼中这样的粉末多。
图9表示用于应对无机绝缘材料粉末的飞散的加工顺序。
在直到要向前端的测温点5周围填充热传导性好的机绝缘材料粉末时之前，和图8是一样的。
此后，向其更前端填充与现有相同的氧化镁或氧化铝的粉末17，通过前端密封焊接16将前端密封。一般所使用的氧化镁或氧化铝的粉末能够以不动的方式固定在金属套管1内，在进行焊接密封时不飞散，这已通过现有的加工被证实，实际上，在此加工顺序中，在按照图8的顺序将飞散的氮化硼粉末作为热传导好的无机绝缘材料粉末使用的情况下，也不发生飞散。
[实施例1]
首先，对套管热电偶自身的响应速度提高的实施例进行说明。
以图9所示的加工方法制作了以下的套管热电偶。
热电偶芯线类型：JISC1602表示的K热电偶芯线
套外径：3.2mm
套材质：NCF600
无机绝缘材料粉末：氧化镁
填充到测温点周边的热传导好的无机绝缘材料粉末的材质：氮化硼
为了防止飞散，前端填充的无机绝缘材料粉末的材质：氧化镁
通过使此套管热电偶从室温的空气中下落到流速1m/秒的水中，测定了响应速度，结果，响应时间常数(输出变化达到全变化量的63.2％所需要的时间)为0.46秒。
另一方面，图2所示的通过现有的加工方法加工的相同的热电偶芯线类型、套外径、套材质及无机绝缘材料粉末材质的套管热电偶的响应时间常数，以相同的测定方法测定为0.56秒，根据本发明，响应速度按响应时间常数提高了18％。
接着，对使用通过上述的发明形成的套管热电偶来作成本发明的高速响应热电偶的例子进行说明。
形状如图6及图7所示，主要的尺寸和材质如下。
保护筒外径：
Figure G2008800148321D00101
8mm
保护筒壁厚：1mm
保护筒长度：22mm
保护筒及底盖材质：NCF600
保护筒贯通窗：
Figure G2008800148321D00102
2.3mm的圆形窗×10(窗配置如图7所示)
保护筒底盖厚度：3mm
套管热电偶的前端露出长度：9mm
和套管热电偶单体的试验同样，通过使此热电偶从室温的空气中下落到流速1m/秒的水中，测定了响应速度。响应时间常数为0.50～0.55秒。与使用的套管热电偶为单体的响应时间常数0.46秒之间的差很微小，证明了本发明的结构使因设置保护筒而导致的响应速度降低极少。
已作成的上述高速响应热电偶，为了涡轮机内的流体温度测定，已确定了套管热电偶及保护筒的形状、材质，以便即使在使用对象场所的最大流速下也不产生机械性损伤。
以往，在相同的对象场所使用的热电偶是前端为图4所示的形状的热电偶。该热电偶虽然也是以在使用对象场所的最大流速下也不产生机械性损伤的方式设计的，但是，通过从室温的空气中下落到流速1m/秒的水中测定的响应时间常数约为2秒。
这样，本发明的高速响应热电偶与现有的热电偶相比，按响应时间常数高速化约1/4。
产业上的利用可能性
本发明能够以高速响应测定高速流体的温度，还能够计测含有小的粒状物的高速流体的温度。

Claims (4)

1.一种高速流体用高速响应热电偶，将外径细的套管热电偶以前端露出的方式插入到外径粗的保护管内，所述套管热电偶是使无机绝缘材料粉末夹装在金属套管内来收容+侧热电偶芯线和-侧热电偶芯线，将+侧热电偶芯线和-侧热电偶芯线的前端彼此接合形成了测温点，
其特征在于，将来自保护管的套管热电偶的露出部插入到具有多个贯通窗和在前端侧设置了套管热电偶插通的孔的底盖的保护筒内，使套管热电偶的前端从保护筒底盖较短地露出，对保护筒底盖和套管热电偶、及保护筒和保护管下部进行了焊接。
2.如权利要求1所述的高速流体用高速响应热电偶，其中，由相同的材质构成了保护筒和套管热电偶的金属套管。
3.如权利要求1或权利要求2所述的高速流体用高速响应热电偶，其中，向套管热电偶的具有测温点的前端部填充的无机绝缘材料粉末为氮化硼或氧化铍。
4.如权利要求3所述的高速流体用高速响应热电偶，其中，在向套管热电偶的具有测温点的前端部填充了氮化硼或氧化铍的无机绝缘材料粉末的更前端部，填充了氧化镁或氧化铝的无机绝缘材料粉末。
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