-
Technisches Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Temperatursensor, in welchem ein Platinwiderstands-Thermometerelement in einem äußeren Metallrahmen untergebracht ist, zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Es ist möglich, eine Temperatur unter Verwendung von Platinwiderstands-Thermometerelementen genauer zu messen, als unter Verwendung anderer Temperatursensoren, wie etwa Thermoelemente. Somit sind Platinwiderstands-Thermometerelemente für den Fall weit verbreitet, dass eine genaue Temperaturmessung erforderlich ist.
-
Beispiele von herkömmlich verwendeten Platinwiderstands-Thermometerelementen umfassen ein Element, in welchem ein gespulter Platinwiderstandsdraht in einem Keramikisolator untergebracht ist (
1 von
JP S57-126035U ), sowie ein Element, in welchem ein Platinwiderstandsdraht, der um eine Glasspule gewickelt ist, mit Glas bedeckt ist (
4 von
JP S44-29830B ), und umfassen ferner ein Element, in welchem ein dünner Platinfilm in der Form eines mäandernden Drahts auf einem aus Keramik oder dergleichen gemachten dünnen Film ausgebildet ist, um einen Platinwiderstandsdraht auszubilden, und die Oberfläche desselben durch eine Bedeckung isoliert ist (
JP2003-179276A ). Da sich der elektrische Widerstand eines Platinwiderstandsdrahts gemäß der Temperatur ändert, wird eine Temperaturmessung unter Verwendung eines Platinwiderstands-Thermometerelements durchgeführt, indem der elektrische Widerstand eines Platinwiderstandsdrahts gemessen und der erhaltene Wert in die Temperatur umgewandelt wird.
-
In einem Platinwiderstands-Thermometerelement ist ein Platinwiderstandsdraht durch ein Element geschützt, das aus einem fragilen Material wie etwa Keramik oder Glas gemacht ist, wie vorstehend beschrieben ist. Somit kann eine externe Kraft, wie etwa Vibrationen, das schützende Element beschädigen, was zu einem Bruch oder Kurzschluss in dem Platinwiderstandsdraht führt.
-
Somit wird ein Platinwiderstands-Thermometerelement selten allein als Temperatursensor verwendet, und das Platinwiderstands-Thermometerelement wird normalerweise als Temperatursensor in der Form verwendet, in welcher das Widerstandsthermometerelement z. B. in einem äußeren Rahmen, der aus Metall oder dergleichen gemacht ist, untergebracht ist, wie in Patentschrift 1 gezeigt wird.
-
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur zeigt, die in einem Temperatursensor weit verbreitet ist, der ein Platinwiderstands-Thermometerelement verwendet. Ein Temperatursensor 10 ist derart konfiguriert, dass ein Platinwiderstands-Thermometerelement 4 über einen isolierenden Füllstoff 90 in einem äußeren Metallrahmen 70 fixiert ist. Ungeachtet des Typs des Platinwiderstands-Thermometerelements 4 sind Platinzuleitungsdrähte 6, die mit einem Platinwiderstandsdraht verbunden sind, normalerweise von einem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 freigelegt, der den Platinwiderstandsdraht enthält, und Enden der Platinzuleitungsdrähte 6 und Enden 160 der drei elektrisch leitenden Drähte 140 eines dreidrahtigen Kabels 30 zum Messen des elektrischen Widerstands des Platinwiderstandsdrahts sind durch Schweißen verbunden.
-
Obwohl 4 eine Querschnittsansicht ist, werden das Platinwiderstands-Thermometerelement 4 und eine Bedeckung 130 des Kabels 30 in den äußeren Formen derselben zur Vereinfachung einer Visualisierung gezeigt. Wie bekannt ist, umfassen Typen der Temperaturmessung, die ein Platinwiderstands-Thermometerelement verwenden, eine Zweidrahtmessung, eine Dreidrahtmessung und eine Vierdrahtmessung, unter welchen die Dreidrahtmessung auf dem industriellen Gebiet am weitesten verbreitet ist. 4 zeigt den Fall einer Dreidrahtmessung, bei welcher die drei elektrisch leitenden Drähte 140 des Kabels 30 mit den Platinzuleitungsdrähten 6 verbunden sind, die von dem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 freigelegt sind.
-
In der nachstehenden Beschreibung bezieht sich ein „Temperatursensor für hohe Temperaturen” auf einen Temperatursensor für hohe Temperaturen, der ein Platinwiderstands-Thermometerelement verwendet.
-
Hinsichtlich des isolierenden Füllstoffs 90 wird ein Keramik-Haftmittel oder ein Keramikpulver, das mit einer hohen Dichte dicht gefüllt ist, als der isolierende Füllstoff 90 in einem Temperatursensor für hohe Temperaturen verwendet, der in einem Hochtemperaturbereich über 200°C verwendet wird, da ein Keramik-Haftmittel einen exzellenten thermischen Widerstand aufweist und dasselbe auf ein Keramikpulver auch zutrifft. Ein Keramikpulver ist mit einer hohen Dichte dicht gefüllt, um eine gute thermische Leitung zu erzielen, so dass die Antwortgeschwindigkeit bei der Temperaturmessung nicht beeinträchtigt wird. Außerdem ist das Kabel 30 für den Fall des Temperatursensors für hohe Temperaturen ein sogenanntes MI-Kabel, in welchem drei elektrisch leitende Drähte 140 über ein Keramikpulver in der Bedeckung 130 untergebracht sind, die durch einen Metallmantel konfiguriert ist, um einen guten thermischen Widerstand zu erzielen. Es ist zu beachten, dass die maximale Temperatur eines Platinwiderstands-Thermometerelements, wie durch den IEC-Standard und den JIS-Standard definiert ist, 850°C beträgt.
-
Außerdem bezieht sich ein „Keramik-Haftmittel” auf ein keramikbasiertes Haftmittel, das hauptsächlich aus Keramik gemacht ist.
-
Wenn ein mit einer hohen Dichte dicht gefülltes Keramikpulver als der isolierende Füllstoff 90 verwendet wird, kann das Keramikpulver eine Feuchtigkeit absorbieren und den Isolationswiderstand verschlechtern, wodurch Fehler bei der Temperaturmessung verursacht werden, und somit ist der äußere Metallrahmen 70 normalerweise mit einem Deckel versehen, und der Deckel ist an dem äußeren Rahmen 70 und dem Metallmantel des Kabels 30 geschweißt oder gelötet, so dass das im Inneren untergebrachte Keramikpulver von der Außenluft abgeschirmt ist, wodurch Fehler bei der Temperaturmessung verhindert werden.
-
Stand-der-Technik-Dokument
-
- Patentschrift 1: JP H06-347339A
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
-
Temperatursensoren für hohe Temperaturen mit der in 4 gezeigten herkömmlichen Struktur sind dahingehend problematisch, dass Fälle vorliegen, in welchen die Platinzuleitungsdrähte 6 kaputt gehen, wenn sie bei hohen Temperaturen verwendet werden. Zusätzlich sind diese Temperatursensoren auch dahingehend problematisch, dass die Drähte häufiger kaputt gehen, wenn sie in einer Umgebung verwendet werden, in welcher die Temperatur wiederholt und signifikant zwischen einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur wechselt.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperatursensor für hohe Temperaturen bereitzustellen, bei welchem die Drähte sehr viel weniger häufig kaputt gehen als bei herkömmlichen Beispielen, sogar wenn er in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird, insbesondere wenn er in einer Umgebung verwendet wird, in welcher die Temperatur wiederholt und signifikant zwischen einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur wechselt.
-
Mittel zum Lösen des Problems
-
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, wird der folgende Temperatursensor für hohe Temperaturen bereitgestellt.
-
(Erster Aspekt)
-
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf einen Temperatursensor für hohe Temperaturen gerichtet, der an einem Ende eines MI-Kabels vorgesehen ist, in welchem elektrisch leitende Drähte über ein anorganisch isolierendes Pulver in einem Metallmantel untergebracht sind, umfassend:
einen äußeren Rahmen, der aus Metall gemacht ist und eine Boden-Röhrenform aufweist,
einen inneren Rahmen, der aus Keramik gemacht ist, eine Boden- oder Nicht-Boden-Röhrenform aufweist, und innerhalb des äußeren Rahmens in einem Zustand angebracht ist, in welchem der innere Rahmen an einer äußeren Seitenfläche desselben kaum in Kontakt mit einer inneren Seitenfläche des äußeren Rahmens ist, an einer unteren Endfläche desselben kaum in Kontakt mit einer inneren Fläche eines Bodens des äußeren Rahmens ist, und an einem oberen Endabschnitt desselben an dem äußeren Rahmen fixiert ist,
ein Platinwiderstands-Thermometerelement, das innerhalb des inneren Rahmens angeordnet ist, durch einen Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper konfiguriert ist, der einen Platinwiderstandsdraht enthält, sowie Platinzuleitungsdrähte, die mit dem Platinwiderstandsdraht verbunden sind und teilweise von dem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper freigelegt sind, wobei Enden der Platinzuleitungsdrähte, die von dem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper freigelegt sind, mit den elektrisch leitenden Drähten des MI-Kabels verbunden sind, und
einen isolierenden Füllstoff, der aus einem Keramik-Haftmittel oder einem Keramikpulver gemacht ist, das mit einer hohen Dichte dicht gefüllt ist, und innerhalb des inneren Rahmens und eines Abschnitts innerhalb des äußeren Rahmens, an welchem der innere Rahmen nicht vorliegt, gefüllt ist.
-
Es ist zu beachten, dass sich, wie vorstehend beschrieben ist, ein „Keramik-Haftmittel” auf ein keramikbasiertes Haftmittel bezieht, dass hauptsächlich aus Keramik gemacht ist.
-
Im Zuge der Forschung und einer Studie, die zu Gründen eines Kaputtgehens der Platinzuleitungsdrähte, die von einem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper bei herkömmlichen Temperatursensoren für hohe Temperaturen freigelegt sind, durchgeführt worden ist, wurde herausgefunden, dass ein solches Kaputtgehen hauptsächlich durch eine Differenz zwischen Koeffizienten einer thermischen Expansion eines äußeren Metallrahmens und Platin bewirkt wird.
-
Die äußeren Rahmen von Temperatursensoren für hohe Temperaturen als industrielle Produkte sind für gewöhnlich aus Edelstahl und manchmal aus einer Nickelverbindung gemacht, wie etwa eine korrosionsbeständige und hitzebeständige Superverbindung NCF. Alle diese Metalle weisen einen Koeffizienten einer thermischen Expansion auf, der größer als der von Platin ist. Außerdem weist ein Keramik-Haftmittel oder ein Keramikpulver, das als der isolierende Füllstoff verwendet wird, einen Koeffizienten einer thermischen Expansion auf, der kleiner als der des äußeren Rahmenmaterials ist und annähernd dem von Platin entspricht. Die Tabelle 1 zeigt angenäherte Koeffizienten einer thermischen Expansion von typischerweise verwendeten Materialien.
-
-
Gemäß der Beziehung zwischen den Koeffizienten einer thermischen Expansion dieser Bestandteilmaterialien wird, wenn ein herkömmlicher Temperatursensor für hohe Temperaturen bei einer hohen Temperatur verwendet wird, der äußere Rahmen durch Wärme ausgedehnt und der isolierende Füllstoff mit einem kleinen Koeffizienten einer thermischen Expansion auseinandergezogen, und manchmal geht der isolierende Füllstoff kaputt. Wenn der isolierende Füllstoff auseinander gezogen wird und kaputt geht, werden die Platinzuleitungsdrähte mit einem Koeffizienten einer thermischen Expansion, der kleiner als der des äußeren Rahmens ist, auseinander gezogen, und in den Drähten wird eine Zugspannung erzeugt. Die Platinzuleitungsdrähte gehen hauptsächlich aufgrund dieser Spannung kaputt. Wenn er außerdem in einer Umgebung verwendet wird, in welcher die Temperatur wiederholt und signifikant zwischen einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur wechselt, wird die vorstehend beschriebene Zugspannung wiederholt erzeugt und eine zyklische Ermüdung wird hinzugefügt, und somit gehen die Platinzuleitungsdrähte häufiger kaputt.
-
Der Temperatursensor für hohe Temperaturen der vorliegenden Erfindung ist mit einem keramischen inneren Rahmen vorgesehen, und somit wird die Häufigkeit eines Kaputtgehens der Platinzuleitungsdrähte verglichen zu der herkömmlicher Beispiele signifikant verringert. Der Grund dafür liegt darin, dass der innere Rahmen und der isolierende Füllstoff innerhalb des inneren Rahmens nicht durch eine signifikante thermische Expansion des äußeren Rahmens auseinander gezogen werden, weil der innere Rahmen lediglich an dem oberen Endabschnitt desselben an dem oberen Rahmen fixiert ist, und dass eine in den Platinzuleitungsdrähten erzeugte Spannung reduziert wird, weil Keramik, aus welcher der innere Rahmen und der isolierende Füllstoff gemacht oder hauptsächlich gemacht sind, einen Koeffizienten einer thermischen Expansion aufweist, der nahe an dem von Platin ist, wie in Tabelle 1 gezeigt ist.
-
(Zweiter Aspekt)
-
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß dem ersten Aspekt gerichtet, wobei ein Material, das den inneren Rahmen ausbildet, und ein Hauptmaterial, das das Keramik-Haftmittel des isolierenden Füllstoffs ausbildet, oder ein Material, das das Keramikpulver des isolierenden Füllstoffs ausbildet, irgendeines aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, und einer Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist.
-
Es besteht nicht nur keine Spannung von dem äußeren Rahmen zu den Platinzuleitungsdrähten, weil der innere Rahmen wie in dem ersten Aspekt vorgesehen ist, sondern es besteht gemäß dem zweiten Aspekt beinahe keine Spannung von dem isolierenden Füllstoff, weil Aluminiumoxid und Zirkonoxid, die beide unter Keramikmaterialien einen Koeffizienten einer thermischen Expansion aufweisen, der besonders nahe zu dem von Platin ist, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Somit kann im Wesentlichen verhindert werden, dass die Platinzuleitungsdrähte kaputt gehen, sogar wenn sie in einer Hochtemperaturumgebung oder in einer Umgebung verwendet werden, in welcher die Temperatur wiederholt und signifikant zwischen einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur wechselt.
-
Es ist zu beachten, dass die elektrisch leitenden Drähte selten kaputt gehen, da die elektrisch leitenden Drähte des verwendeten MI-Kabels dick sind und einen relativ großen Koeffizienten einer thermischen Expansion aufweisen. Dasselbe wird für herkömmliche Temperatursensoren für hohe Temperaturen angewendet. Außerdem wird eine externe Kraft einfach absorbiert und die Häufigkeit, dass diese Drähte kaputt gehen, ist geringer als die der Platinzuleitungsdrähte, da der Platinwiderstandsdraht in dem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper gespult ist oder mäandert.
-
(Dritter Aspekt)
-
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß dem zweiten Aspekt gerichtet, wobei eine Position in einer axialen Richtung des oberen Endabschnitts des inneren Rahmens, der an dem äußeren Rahmen fixiert ist, im Wesentlichen mit einer Position übereinstimmt, an welcher die Enden der Platinzuleitungsdrähte und der elektrisch leitenden Drähte des MI-Kabels miteinander verbunden sind.
-
Gemäß dem dritten Aspekt stimmt eine Position in einer axialen Richtung des oberen Endabschnitts des inneren Rahmens, der an dem äußeren Rahmen fixiert ist, im Wesentlichen mit einer Position überein, an welcher die Enden der Platinzuleitungsdrähte und die elektrisch leitenden Drähte des MI-Kabels miteinander verbunden sind. Somit kann die Häufigkeit eines Kaputtgehens der elektrisch leitenden Drähte des MI-Kabels, welches nur selten auftritt, weiter verringert werden. Der Grund dafür besteht darin, dass in den elektrisch leitenden Drähten des MI-Kabels für hohe Temperaturen erzeugte Spannung reduziert wird, wenn sie sich außerhalb des inneren Rahmens befinden, wobei die Spannung erzeugt wird, weil die elektrisch leitenden Drähte normalerweise aus Nickel oder einer Nickelverbindung ausgebildet sind, welche beide einen Koeffizienten einer thermischen Expansion aufweisen, der näher an dem des Metalls, das den äußeren Rahmen ausbildet, als an Keramik ist, wie etwa Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.
-
(Vierter Aspekt)
-
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem des ersten bis dritten Aspekts gerichtet, ferner umfassend:
ein Innerer-Rahmen-Fixierungselement, das aus Metall gemacht ist und eine obere Fläche des inneren Rahmens drücken kann,
wobei der innere Rahmen an einer äußeren Fläche des oberen Endabschnitts desselben mit einem Flansch vorgesehen ist,
der äußere Rahmen an einer inneren Fläche eines oberen Abschnitts desselben mit einer Stufe vorgesehen ist, indem eine Wanddicke des oberen Abschnitts reduziert ist, und
der obere Endabschnitt des inneren Rahmens an dem äußeren Rahmen durch Schweißen oder Löten des Innerer-Rahmen-Fixierungselements und des äußeren Rahmens aneinander in einem Zustand fixiert ist, in welchem der Flansch an dem inneren Rahmen an der Stufe an dem äußeren Rahmen hängen bleibt und der innere Rahmen an dem äußeren Rahmen hängt, und eine obere Fläche des Flansches an dem inneren Rahmen durch das Innerer-Rahmen-Fixierungselement gedrückt wird.
-
Gemäß diesem Aspekt kann der obere Endabschnitt des inneren Rahmens einfach an dem äußeren Rahmen fixiert werden.
-
(Fünfter Aspekt)
-
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem des ersten bis dritten Aspekts gerichtet, ferner umfassend:
einen Deckel, der aus Metall gemacht ist und an einer Öffnung an einem oberen Abschnitt des äußeren Rahmens angebracht werden kann,
wobei das Innere des äußeren Rahmens von der Außenluft abgeschirmt wird, indem der Deckel an dem äußeren Rahmen und dem Metallmantel des MI-Kabels geschweißt oder gelötet wird.
-
Da ein an einer Öffnung an einem oberen Abschnitt des äußeren Rahmens angebrachter Metalldeckel an dem äußeren Rahmen und dem Metallmantel des MI-Kabels geschweißt oder gelötet ist, wird das Innere des äußeren Rahmens von der Außenluft abgeschirmt. Somit besteht keine Möglichkeit, dass, sogar wenn ein Keramikpulver, das Feuchtigkeit absorbiert, als der isolierende Füllstoff verwendet wird, Feuchtigkeit absorbiert und die Isolierungsleistung verringert wird, wodurch Fehler bei der Temperaturmessung bewirkt werden.
-
(Sechster Aspekt)
-
Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem des ersten bis dritten Aspekts gerichtet, ferner umfassend:
ein Innerer-Rahmen-Fixierungselement, das aus Metall gemacht ist und eine obere Fläche des inneren Rahmens drücken kann, und
einen Deckel, der aus Metall gemacht ist und an einer Öffnung an einem oberen Abschnitt des äußeren Rahmens angebracht werden kann,
wobei der innere Rahmen an einer äußeren Fläche des oberen Endabschnitts desselben mit einem Flansch vorgesehen ist,
der äußere Rahmen an einer inneren Fläche eines oberen Abschnitts desselben mit einer Stufe vorgesehen ist, indem eine Wanddicke des oberen Abschnitts reduziert wird, und
der obere Endabschnitt des inneren Rahmens an dem äußeren Rahmen fixiert ist, und das Innere des äußeren Rahmens von der Außenluft abgeschirmt wird, indem der Deckel an dem äußeren Rahmen und dem Metallmantel des MI-Kabels in einem Zustand geschweißt oder gelötet wird, in welchem der Flansch an dem inneren Rahmen an der Stufe an dem äußeren Rahmen hängen bleibt und der innere Rahmen an dem äußeren Rahmen hängt, das Innerer-Rahmen-Fixierungselement an einer oberen Fläche des Flansches an dem inneren Rahmen angeordnet ist, der Deckel an einer oberen Fläche des Innerer-Rahmen-Fixierungselements angebracht ist, und die obere Fläche des Innerer-Rahmen-Fixierungselements durch den Deckel gedrückt wird.
-
Gemäß diesem Aspekt kann ein Vorteil erzielt werden, so dass der Prozess, welcher das Innerer-Rahmen-Fixierungselement an den äußeren Rahmen schweißt oder lötet, nicht mehr notwendig ist.
-
(Siebter Aspekt)
-
Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß dem sechsten Aspekt gerichtet, wobei das Innerer-Rahmen-Fixierungselement mit dem inneren Rahmen in einem Stück ausgebildet ist.
-
Es ist nicht nur der Prozess, welcher das Innerer-Rahmen-Fixierungselement an den äußeren Rahmen schweißt oder lötet, nicht mehr notwendig, sondern gemäß diesem Aspekt kann die Konfiguration ökonomisch vorteilhaft gemacht sein, weil die Anzahl von Bestandteilelementen reduziert wird, indem das Innerer-Rahmen-Fixierungselement mit dem inneren Rahmen in einem Stück ausgebildet wird.
-
(Achter Aspekt)
-
Ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem des ersten bis dritten Aspekts gerichtet, wobei das Platinwiderstands-Thermometerelement, das innerhalb des inneren Rahmens angeordnet ist, durch eine Vielzahl von Platinwiderstands-Thermometerelementen konfiguriert ist, die durch einen Platindraht in Reihe miteinander verbunden sind.
-
Effekte der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung stellt einen Temperatursensor für hohe Temperaturen bereit, bei welchem die Häufigkeit eines Kaputtgehens der Platinzuleitungsdrähte sehr viel kleiner als bei herkömmlichen Beispielen ist, wenn er bei einer hohen Temperatur verwendet wird, und ferner bei welchem die Häufigkeit eines Kaputtgehens der Platinzuleitungsdrähte sehr viel kleiner als bei herkömmlichen Beispielen ist, sogar wenn er in einer Umgebung verwendet wird, in welcher die Temperatur wiederholt und signifikant zwischen einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur wechselt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
2 ist eine Querschnittsansicht, die den Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
-
3 ist eine Querschnittsansicht in der radialen Richtung eines MI-Kabels, das mit dem Temperatursensor für hohe Temperaturen verbunden ist.
-
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen herkömmlichen Temperatursensor zeigt, der ein Platinwiderstands-Thermometerelement verwendet.
-
Betriebsarten zum Ausführen der Erfindung
-
(Erstes Ausführungsbeispiel)
-
1 zeigt einen Temperatursensor für hohe Temperaturen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Obwohl 1 eine Querschnittsansicht ist, wird ein Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 in der äußeren Form desselben gezeigt. Ferner zeigt 3 eine Querschnittsansicht in der radialen Richtung eines MI-Kabels 3, das mit einem Temperatursensor 1 für hohe Temperaturen verbunden ist. Nachstehend wird das erste Ausführungsbeispiel mit Bezug auf 1 und 3 beschrieben.
-
Der Temperatursensor 1 für hohe Temperaturen ist durch ein Platinwiderstands-Thermometerelement 4, einen inneren Rahmen 8, einen äußeren Rahmen 7 und ein Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 konfiguriert, und ist an einem Ende des MI-Kabels 3 vorgesehen.
-
Der äußere Rahmen 7 ist aus Metall gemacht und weist eine Boden-Zylinderform auf, innerhalb welcher der innere Rahmen 8 vorgesehen ist. Die Außenseitenfläche des inneren Rahmens 8 ist kaum in Kontakt mit der inneren Seitenfläche des äußeren Rahmens 7, und die untere Endfläche des inneren Rahmens 8 ist kaum in Kontakt mit der inneren Fläche des Bodens des äußeren Rahmens 7.
-
Das Platinwiderstands-Thermometerelement 4, in welchem Platinzuleitungsdrähte 6 von dem Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 freigelegt sind, ist innerhalb des inneren Rahmens 8 positioniert. Der Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 ist ein Abschnitt, der einen Platinwiderstandsdraht zum Messen der Temperatur enthält. In der Zeichnung sind freigelegte Abschnitte der Platinzuleitungsdrähte 6 gezeigt, die mit dem Platinwiderstandsdraht verbunden sind.
-
Ein ringartiger Flansch steht von dem oberen Ende des inneren Rahmens 8 hervor, und eine Stufe ist an der inneren Seite des äußeren Rahmens 7 ausgebildet, indem die Wanddicke des oberen Abschnitts des äußeren Rahmens 7 reduziert ist. In einem Zustand, in welchem der Flansch an dem inneren Rahmen 8 an der Stufe an der inneren Seite des äußeren Rahmens 7 hängen bleibt und der innere Rahmen 8 an dem äußeren Rahmen 7 hängt, wird die obere Seite des Flansches durch das Innerer-Rahmen-Fixierungsmetallelement 11 in der Form eines Zylinders gedrückt, so dass der obere Endabschnitt des inneren Rahmens 8 an dem äußeren Rahmen 7 fixiert ist. Das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 ist durch Schweißen an dem äußeren Rahmen 7 fixiert. Das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 kann durch Löten an dem äußeren Rahmen 7 fixiert sein.
-
Enden der Platinzuleitungsdrähte 6 sind verbunden, indem sie an Enden 16 von drei elektrisch leitenden Drähten 14 geschweißt werden, die aus einem Metallmantel 13 des MI-Kabels 3 ragen, in welchem die drei elektrisch leitenden Drähte 14 über ein anorganisch isolierendes Pulver 15 in dem Metallmantel 13 aufgenommen sind. Die Temperatur wird durch das Platinwiderstands-Thermometerelement 4 unter Verwendung einer Dreidrahtmessung gemessen, und somit beträgt die Anzahl von elektrisch leitenden Drähten 14 des MI-Kabels 3 drei.
-
Das Innere des inneren Rahmens 8 und ein Abschnitt innerhalb des äußeren Rahmens 7, an welchem der innere Rahmen 8 nicht vorliegt, sind mit einem isolierenden Füllstoff 9 gefüllt.
-
In dem ersten Ausführungsbeispiel weist sowohl der äußere Rahmen 7 als auch der innere Rahmen 8 eine zylindrische Form auf. Allerdings können sie auch eine Röhrenform mit einem viereckigen oder einem anderen Querschnitt aufweisen, und der innere Rahmen 8 kann eine Bodenform aufweisen. Die Form des Innerer-Rahmen-Fixierungselements 11 ist nicht auf eine zylindrische Form beschränkt, solange der Flansch an dem inneren Rahmen 8 fixiert werden kann. Außerdem kann der Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 von irgendeinem Typ sein, wie etwa ein Element, in welchem ein gespulter Platinwiderstandsdraht in einem Keramikisolator aufgenommen ist, ein Element, in welchem ein Platinwiderstandsdraht, der um eine Glasspule gewickelt ist, durch Glas bedeckt ist, oder ein Element, in welchem ein dünner Platinfilm in der Form eines mäanderten Drahts auf einem Dünnfilm ausgebildet ist, der aus Keramik oder dergleichen gemacht ist, um einen Platinwiderstandsdraht auszubilden, und die Oberfläche desselben durch eine Bedeckung isoliert ist.
-
Außerdem ist die Anzahl von Platinwiderstands-Thermometerelementen 4 nicht auf eins beschränkt, und eine Vielzahl von Platinwiderstands-Thermometerelementen kann durch einen Platindraht in Reihe miteinander elektrisch verbunden sein. Fünf 100 Ω-Platinwiderstands-Thermometerelemente, die in Reihe miteinander verbunden sind, korrespondieren zu einem 500 Ω-Platinwiderstands-Thermometerelement.
-
Im Folgenden werden die in einem Herstellungsbeispiel dieses Ausführungsbeispiels verwendeten Materialien beschrieben. Der äußere Rahmen 7, das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 und der Metallmantel 13 sind aus NCF600 ausgebildet, aber können auch aus einem anderen Metall, wie etwa SUS304- oder SUS316-Edelstahl ausgebildet sein. Die elektrisch leitenden Drähte 14 sind aus einer Nickelverbindung ausgebildet, die eine Spurenmenge eines anderen Metalls enthält, können aber auch aus anderen Metallen wie etwa NCF600 ausgebildet sein.
-
Der isolierende Füllstoff 9 ist aus einem Keramik-Haftmittel ausgebildet, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid gemacht ist, und der innere Rahmen 8 ist aus Keramik ausgebildet, das aus Aluminiumoxid gemacht ist. Da Aluminiumoxid einen Koeffizienten einer thermischen Expansion nahe an dem von Platin aufweist, kann effektiv verhindert werden, dass die Platinzuleitungsdrähte 6 kaputt gehen.
-
Der isolierende Füllstoff 9 kann aus einem Keramik-Haftmittel ausgebildet sein, das hauptsächlich aus Zirkonoxid oder einer Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid gemacht ist, von welchen beide wie Aluminiumoxid einen Koeffizienten einer thermischen Expansion nahe an dem von Platin aufweisen. Alternativ kann ein Keramikpulver, das aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder einer Mischung von Aluminiumoxid und Zirkonoxid gemacht ist und mit einer hohen Dichte dicht gefüllt ist, als der isolierende Füllstoff 9 verwendet werden. Allerdings kann ein solches Keramikpulver eine Feuchtigkeit absorbieren und eine Verschlechterung des Isolationswiderstands aufweisen, wodurch Fehler bei der Temperaturmessung verursacht werden. Somit ist wünschenswert, wenn das Keramikpulver als der isolierende Füllstoff 9 verwendet wird, dass eine Öffnung an dem oberen Abschnitt des äußeren Rahmens 7 mit einem Metalldeckel vorgesehen ist, und der Deckel an dem äußeren Rahmen 7 und dem Metallmantel 13 des MI-Kabels 3 geschweißt oder gelötet ist, so dass das Innere des äußeren Rahmens 7 von der Außenluft abgeschirmt ist.
-
Zudem kann der innere Rahmen 8 aus Keramik ausgebildet sein, das aus Zirkonoxid oder einer Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid gemacht ist, von welchen beide einen Koeffizienten einer thermischen Expansion nahe an dem von Platin aufweisen.
-
Das anorganische isolierende Pulver 15 des MI-Kabels 3 ist aus Magnesiumoxid gemacht, kann aber aus einem anderen Material wie etwa Aluminiumoxid gemacht sein.
-
In dem Temperatursensor 1 für hohe Temperaturen dieses Ausführungsbeispiels ist der innere Rahmen 8 nur an dem oberen Endabschnitt desselben an dem äußeren Rahmen 7 fixiert. Somit rutscht, wenn der äußere Rahmen 7 und der innere Rahmen 8 erhitzt werden und sich mit unterschiedlichen Graden ausdehnen, der innere Rahmen 8 um den fixierten Abschnitt desselben, der als Fulkrum dient, relativ zu dem äußeren Rahmen 7. Demgemäß wird der innere Rahmen 8 nicht durch eine signifikante thermische Expansion des äußeren Rahmens 7 auseinander gezogen. D. h., im Gegensatz zu herkömmlichen Beispielen, in welchen eine Spannung in den Platinzuleitungsdrähten 6 durch den Einfluss einer thermischen Expansion des äußeren Rahmens 7 erzeugt wird, wird eine solche Spannung in den Platinzuleitungsdrähten 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht erzeugt. Ferner liegt beinahe keine Spannung von dem isolierenden Füllstoff 9 zu den Platinzuleitungsdrähten 6 vor, weil der innere Rahmen 8 und der isolierende Füllstoff 9 aus oder hauptsächlich aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid gemacht sind, von welchen beide unter keramischen Materialien einen Koeffizienten einer thermischen Expansion sehr nahe an dem von Platin aufweisen. Somit kann im Wesentlichen verhindert werden, dass Platinzuleitungsdrähte 6 kaputt gehen, sogar wenn sie in einer Hochtemperaturumgebung oder in einer Umgebung verwendet werden, in welcher die Temperatur wiederholt und signifikant zwischen einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur wechselt. Außerdem kann auch für den Fall, dass das Platinwiderstands-Thermometerelement 4 durch eine Vielzahl von Platinwiderstands-Thermometerelementen konfiguriert ist, die durch einen Platindraht in Reihe elektrisch miteinander verbunden sind, im Wesentlichen verhindert werden, dass dieser Platindraht auf eine ähnliche Weise kaputt geht.
-
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der größte Abschnitt der aus dem Metallmantel 13 des MI-Kabels 3 herausragenden elektrisch leitenden Drähte 14 innerhalb des inneren Rahmens 8. Die elektrisch leitenden Drähte 14 sind normalerweise aus Nickel oder einer Nickelverbindung ausgebildet, von welchen beide einen Koeffizienten einer thermischen Expansion nahe an dem von NCF600 oder Edelstahl aufweisen, das den äußeren Rahmen 7 ausbildet. Allerdings weisen diese Materialien, welche die elektrisch leitenden Drähte 14 ausbilden, einen Koeffizienten einer thermischen Expansion auf, der größer als der von Materialien ist, aus welchen der innere Rahmen 8 und der isolierende Füllstoff 9 gemacht oder hauptsächlich gemacht sind, und eine Zugspannung wird kaum erzeugt, und außerdem sind die verwendeten elektrisch leitenden Drähte 14 dicker als die Platinzuleitungsdrähte 6, so dass die elektrisch leitenden Drähte 14 kaum kaputt gehen, sogar wenn sie sich innerhalb des inneren Rahmens 8 befinden, der einen kleinen Koeffizienten einer thermischen Expansion aufweist.
-
In Anbetracht des thermischen Widerstands liegen Platinwiderstands-Thermometerelemente 4 vor, die bei einer hohen Temperatur von ungefähr 1000°C verwendet werden können, falls eine Fehlererhöhung bis zu einem gewissen Grad erlaubt ist, und alle Materialien, welche die Bestandteilelemente ausbilden, außer dem Platinwiderstands-Thermometerelement 4 in dem Temperatursensor 1 für hohe Temperaturen, sind hitzebeständig bei einer Temperatur von ungefähr 1000°C, und somit kann der Temperatursensor 1 für hohe Temperaturen in einem Hochtemperaturbereich bis zu ungefähr 1000°C verwendet werden. Zusätzlich kann, da das Platinwiderstands-Thermometerelement 4, das fragil ist, durch den äußeren Metallrahmen 7 geschützt wird, der Temperatursensor 1 für hohe Temperaturen in einer Umgebung verwendet werden, in welcher eine externe Kraft, wie etwa Vibrationen, wirkt.
-
(Zweites Ausführungsbeispiel)
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Temperatursensors für hohe Temperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung. Obwohl 2 eine Querschnittsansicht ist, wird der Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper 5 in der äußeren Form desselben gezeigt. Außerdem zeigt 3 eine Querschnittsansicht in der radialen Richtung des MI-Kabels 3, das mit einem Temperatursensor 2 für hohe Temperaturen verbunden ist. Nachstehend wird das zweite Ausführungsbeispiel mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
-
Nachstehend wird eine Beschreibung gemacht, die sich auf Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel fokussiert. Merkmale, Effekte und dergleichen des zweiten Ausführungsbeispiels, die sich von den Unterschieden unterscheiden, sind zu denen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
-
Wie in 2 gezeigt ist, unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Metalldeckel 12 als ein Bestandteilelement zusätzlich vorgesehen ist, und darin, dass eine Position in der axialen Richtung, an welcher der obere Endabschnitt des inneren Rahmens 8 an dem äußeren Rahmen 7 fixiert ist, im Wesentlichen mit einer Position übereinstimmt, an welcher die Enden der Platinzuleitungsdrähte 6 und der elektrisch leitenden Drähte 14 des MI-Kabels 3 miteinander verbunden sind.
-
Der Deckel 12 ist durch Schweißen um den gesamten Umfang desselben an dem äußeren Rahmen 7 und dem Metallmantel 13 des MI-Kabels 13 angebracht, so dass das Innere des äußeren Rahmens 7 von der Außenluft abgeschirmt wird. Das Anbringen kann nicht nur durch Schweißen um den gesamten Umfang sondern auch durch Löten um den gesamten Umfang durchgeführt werden.
-
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Innere des äußeren Rahmens 7 von der Außenluft abgeschirmt. Somit besteht im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel keine Möglichkeit, dass eine Feuchtigkeit absorbiert wird und sich die Isolierungsleistung verringert, sogar wenn ein Keramikpulver als der isolierende Füllstoff 9 verwendet wird.
-
Außerdem ist es im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel nicht unbedingt notwendig, das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 an den äußeren Rahmen 7 zu schweißen oder zu löten, um den oberen Endabschnitt des inneren Rahmens 8 an dem äußeren Rahmen 7 zu fixieren. In einem Herstellungsbeispiel dieses Ausführungsbeispiels wird in einem Zustand, in welchem das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 durch den Deckel 12 von oben gedrückt wird, der Deckel 12 an den äußeren Rahmen 7 und den Metallmantel 13 des MI-Kabels 3 geschweißt, so dass der obere Endabschnitt des inneren Rahmens 8 an dem äußeren Rahmen 7 fixiert wird. Ein spezifisches Schweißverfahren ist derart, dass der Deckel 12 zunächst an den Metallmantel 13 geschweißt wird, wonach in einem Zustand, in welchem das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 durch den Deckel 12 von oben gedrückt wird, der Deckel 12 an dem äußeren Rahmen 7 geschweißt wird. Das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 wird nicht an dem äußeren Rahmen 7 geschweißt oder gelötet.
-
Der Deckel 12 ist aus NCF600 ausgebildet, welches dasselbe Material wie für den äußeren Rahmen 7 ist, aber er kann auch aus einem anderen Metall, wie etwa SUS304- oder SUS316-Edelstahl, ausgebildet sein. Außerdem muss das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 nicht notwendigerweise aus Metall gemacht sein und kann aus Keramik gemacht sein, für den Fall, dass ein Schweißen oder Löten an dem äußeren Rahmen 7 nicht durchgeführt wird.
-
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass eine Position in der axialen Richtung, an welcher der obere Endabschnitt des inneren Rahmens 8 an dem äußeren Rahmen 7 fixiert ist, im Wesentlichen mit einer Position übereinstimmt, an welcher die Enden der Platinzuleitungsdrähte 6 und die elektrisch leitenden Drähte 14 des MI-Kabels 3 miteinander verbunden sind.
-
Die elektrisch leitenden Drähte 14 des MI-Kabels 3 für hohe Temperaturen sind normalerweise aus Nickel oder einer Nickelverbindung ausgebildet, und gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind sie aus einer Nickelverbindung, wie vorstehend beschrieben ist, ausgebildet. Diese Materialien weisen einen Koeffizienten einer thermischen Expansion auf, der näher zu dem des Metalls, das den äußeren Rahmen 7 ausbildet, als zu Keramik ist, wie etwa Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, aus welchen der innere Rahmen 8 und der isolierende Füllstoff 9 gemacht oder hauptsächlich gemacht sind, und somit wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine in den elektrisch leitenden Drähten 14, die aus dem Metallmantel 13 des MI-Kabels 3 herausragen, erzeugte Spannung reduziert, und ein Kaputtgehen der elektrisch leitenden Drähte 14, welches nur selten auftritt, kann verhindert werden.
-
Dieses Merkmal ist auch auf das erste Ausführungsbeispiel anwendbar. D. h., in 1, welche das erste Ausführungsbeispiel zeigt, kann ein Kaputtgehen der elektrisch leitenden Drähte 14, welches nur selten auftritt, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel verhindert werden, falls eine Position in der axialen Richtung des oberen Endabschnitts des inneren Rahmens 8 im Wesentlichen mit einer Position übereinstimmt, an welcher die Enden der Platinzuleitungsdrähte 6 und der elektrisch leitenden Drähte 14 des MI-Kabels 3 miteinander verbunden sind.
-
Es ist zu beachten, dass in der in 2 gezeigten Struktur des Ausführungsbeispiels das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 mit dem inneren Rahmen 8 in einem Stück ausgebildet sein kann. In diesem Fall sind die elektrisch leitenden Drähte 14, die aus dem Metallmantel 13 des MI-Kabels 3 herausragen, innerhalb des inneren Rahmens 8 angeordnet, der aus Keramik gemacht ist, das einen kleinen Koeffizienten einer thermischen Expansion aufweist, und somit kann der Effekt einer Verhinderung eines Kaputtgehens der elektrisch leitenden Drähte 14 nicht erhalten werden. Allerdings ist diese Konfiguration ökonomisch vorteilhaft, weil die Anzahl von Bestandteilelementen reduziert wird.
-
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel gehen die Platinzuleitungsdrähte 6 wie in dem ersten Ausführungsbeispiel nicht kaputt. Außerdem geht auch für den Fall, dass das Platinwiderstands-Thermometerelement 4 durch eine Vielzahl von Platinwiderstands-Thermometerelementen konfiguriert ist, die durch einen Platindraht in Reihe elektrisch miteinander verbunden sind, dieser Platindraht wie in dem ersten Ausführungsbeispiel nicht kaputt.
-
(Temperaturwechselprüfung)
-
Um die Effekte der vorliegenden Erfindung zu prüfen, wird der in 2 gezeigte Temperatursensor 2 für hohe Temperaturen des zweiten Ausführungsbeispiels einer Temperaturwechselprüfung unterzogen.
-
Das Platinwiderstands-Thermometerelement 4 des Temperatursensors 2 für hohe Temperaturen, der dem Test unterzogen ist, ist wie folgt ausgebildet.
-
D. h., fünf 100 Ω-Platinwiderstands-Thermometerelemente, wobei in jedem ein dünner Platinfilm in der Form eines mäanderten Drahts auf einem Dünnfilm ausgebildet ist, der aus Keramik oder dergleichen gemacht ist, um einen Platinwiderstandsdraht auszubilden, und die Oberfläche desselben durch Bedecken isoliert wird, sind durch einen Platindraht in Reihe elektrisch miteinander verbunden, wodurch das Platinwiderstands-Thermometerelement 4 ausgebildet wird. Der äußere Rahmen 7 weist einen äußeren Durchmesser von ungefähr 6 mm und eine Länge in der axialen Richtung von ungefähr 16 mm auf.
-
Die Materialien, welche die Bestandteilelemente ausbilden, sind wie vorstehend beschrieben. Zusammenfassend sind der äußere Rahmen 7, das Innerer-Rahmen-Fixierungselement 11 und der Deckel 12 aus NCF600 ausgebildet, der innere Rahmen 8 ist aus Keramik ausgebildet, das aus Aluminiumoxid gemacht ist, und der isolierende Füllstoff 9 ist aus einem Keramik-Haftmittel ausgebildet, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid gemacht ist.
-
Sechs Temperatursensoren 2 für hohe Temperaturen werden vorbereitet, und jeder wird 2000 Temperaturwechseln ausgesetzt, in welchen die Temperatur wiederholt zwischen Raumtemperatur und 930°C erhöht und verringert wird. Mit diesen Temperaturwechseln sind die Platinzuleitungsdrähte 6 herkömmlicher Beispiele kaputt gegangen, wohingegen in den sechs Temperatursensoren 2 keiner der Platinzuleitungsdrähte 6 kaputt gegangen ist und kein anderer Abschnitt kaputt gegangen oder beschädigt ist. Mit diesem Ergebnis ist bestätigt worden, dass die vorliegende Erfindung wirksam ist.
-
Die hier offenbarten Ausführungsbeispiele sind in jeglicher Hinsicht als darstellend und nicht beschränkend zu betrachten. Der Umfang der Erfindung wird eher durch die angehängten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angezeigt. Alle Änderungen, welche innerhalb der Bedeutung und des Bereichs einer Äquivalenz der Ansprüche liegen, sind hiervon umfasst.
-
Industrielle Anwendbarkeit
-
Der Temperatursensor für hohe Temperaturen der vorliegenden Erfindung ist als Sensor zum Messen der Temperatur eines Objekts geeignet, bei welchem die Temperatur hoch ist und häufig wechselt. Insbesondere dieser Temperatursensor kann als Temperatursensor zum Überwachen der Temperatur eines Katalysatortanks einer Schubdüsenantriebsmaschine, die an einem Satelliten vorgesehen ist, als Temperatursensor zum Steuern der Temperatur eines kleinen Elektroofens, bei welchem die Temperatur signifikant wechselt, und dergleichen vorzugsweise verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Temperatursensor für hohe Temperaturen (erstes Ausführungsbeispiel)
- 2
- Temperatursensor für hohe Temperaturen (zweites Ausführungsbeispiel)
- 3
- MI-Kabel
- 4
- Platinwiderstands-Thermometerelement
- 5
- Platinwiderstands-Thermometerelement-Hauptkörper
- 6
- Platinzuleitungsdraht
- 7
- Äußerer Rahmen
- 8
- Innerer Rahmen
- 9
- Isolierender Füllstoff
- 11
- Innerer-Rahmen-Fixierungselement
- 12
- Deckel
- 13
- Metallmantel
- 14
- Elektrisch leitender Draht
- 15
- Anorganisch isolierendes Pulver
