DE60310302T2

DE60310302T2 - Schutzrohr für Thermoelement

Info

Publication number: DE60310302T2
Application number: DE60310302T
Authority: DE
Inventors: Gunma Complex Takuma Annaka-shi Kushihashi; c/o Gunma Complex Akira Annaka-shi Satoh; c/o Gunma Complex Kazuhiro Annaka-shi Yamaguchi
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: EP1365219A3; JP2003344169A; DE60310302D1; US20030217767A1; EP1365219B1; EP1365219A2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Schutzrohr für ein Thermoelement, das in einer oxidierenden oder korrosiven Atmosphäre zur Messung hoher Temperatur verwendet wird.
Verwandte Technik
Ein Thermoelement ist als ein praktisches Mittel zur Messung hoher Temperatur weit verbreitet. Als ein Draht(bestandteil) des Thermoelements wird ein angemessenes Material ausgewählt und gemäß einem Temperaturbereich und einem Objekt, der/das gemessen werden soll, oder einer Umgebung, in der das Thermoelement installiert werden soll, verwendet.
Unter einer harten Bedingung wie etwa einer korrosiven Atmosphäre oder einem stark vibrierenden Ort wird, wie in 2 gezeigt, ein so genanntes mantelartiges Thermoelement 10 verwendet, wobei ein Thermoelementdraht 9 mit einem Isolator 8 ohne Luftspalt in einem aus Metall oder Keramik hergestellten Schutzrohr 7 für ein Thermoelement kompakt versiegelt ist. Als ein Material für das Schutzrohr 7 für ein Thermoelement wird aufgrund seines hohen Schmelzpunktes, seiner hohen Oxidationsbeständigkeit und so weiter SUS oder Inconel (Handelsmarke) verwendet. Als Isolator 8, der mit dem Draht 9 versiegelt werden soll, wird aufgrund ihrer Stabilität selbst bei hoher Temperatur und ihrer großen Wärmeleitfähigkeit gebrannte Magnesia (Magnesiumoxid) verwendet.
Wenn ein Material für ein Schutzrohr SUS oder Inconel ist, beträgt zum Beispiel die kritische Temperatur in der Atmosphäre, bei der das Rohr fortlaufend verwendet werden kann, in etwa 1100 °C. Falls die Bedingung noch härter ist, so dass diese Materialien nicht länger widerstehen können, wird für das Schutzrohr ein anderes Material wie etwa Hastelloy, Aluminiumoxid oder Molybdän verwendet, um eine höhere Oxidationsbeständigkeit, Verkohlungsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit zu erhalten.
In der Keramikindustrie, bei der Herstellung von Glas, beim Einkristallwachstum, bei Wafern in Halbleiterfertigungsprozessen und bei der Trockenreinigung einer Prozesskammer wird die Temperaturmessung oftmals bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre durchgeführt. Bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder korrosiven Atmosphäre wie oben, vor allem in einer Atmosphäre, die Fluorgas enthält, kann das aus den oben erwähnten Materialien hergestellte Schutzrohr oxidiert oder korrodiert werden, so dass ein Thermoelement, das ein derartiges Schutzrohr verwendet, nicht über einen langen Zeitraum verwendet werden kann.
Falls ein Draht innerhalb eines Schutzrohrs während des Verlaufs eines Prozesses Schaden nimmt, kann die Temperatur nicht gemessen werden und der Prozess muss dann unterbrochen werden, was eine Produktivitätsverminderung zur Folge hat. Unterdessen wird, falls das Schutzrohr mit einer großen Dicke hergestellt ist, um eine lange Lebensdauer zu erhalten, die Wärmekapazität des Schutzrohrs groß, da die oben erwähnten herkömmlichen Materialien eine hohe Dichte und eine große spezifische Wärme aufweisen, was das Problem zur Folge hat, dass die Reaktion auf einen Temperaturwechsel schlechter wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Schutzrohr für ein Thermoelement bereitzustellen, das selbst bei einer hoher Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre vortreffliche Beständigkeiten über einen langen Zeitraum aufweist und eine hohe Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweist.
Um das oben erwähnte Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schutzrohr für ein Thermoelement zum Schutz eines Thermoelementdrahts bereitgestellt, das einen hohlen zylinderförmigen Körper, welcher ein Ende aufweist, das geschlossen ist, und aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, und eine Beschichtungsschicht, die auf einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet ist und aus mindestens einem Material, das aus pyrolytischem Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid ausgewählt wird, zusammengesetzt ist, beinhaltet.
Pyrolytisches Bornitrid, das den zylinderförmigen Körper ausmacht, weist bei einer hohen Temperatur eine vortreffliche Beständigkeit und ebenso eine gute Reaktion auf einen Temperaturwechsel auf. Des Weiteren weisen pyrolytischer Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltendes pyrolytisches Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Aluminiumnitrid, welche die Beschichtungsschicht ausmachen, bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre und so weiter eine vortrefflichere Beständigkeit als pyrolytisches Bornitrid auf. Falls ein Schutzrohr für ein Thermoelement einen zylinderförmigen Körper, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, und eine Beschichtungsschicht, die auf einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet ist und aus einem Material, das gemäß der Atmosphäre ausgewählt wird, zusammengesetzt ist, beinhaltet, wird demgemäß das Rohr bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre nicht oxidiert oder korrodiert. Zum Beispiel ermöglicht ein Thermoelement, das ein Schutzrohr für ein Thermoelement verwendet, wobei eine Beschichtungsschicht, welche aus pyrolytischem Kohlenstoff zusammengesetzt ist, auf einer äußeren Oberfläche eines zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, gebildet ist, selbst in einer Fluorgas enthaltenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur eine stabile Messung der Temperatur über einen langen Zeitraum.
In diesem Fall kann die Beschichtungsschicht durch chemische Aufdampfung auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet werden.
Gemäß chemischer Aufdampfung, wie oben beschrieben, kann eine dünne Beschichtungsschicht, welche eine gewünschte Komponente beinhaltet und eine gewünschte Dicke aufweist, auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet werden.
Es wird bevorzugt, dass eine Dicke des zylinderförmigen Körpers in dem Bereich von 0,3–1,5 mm liegt und eine Dicke der Beschichtungsschicht in dem Bereich von 5–50 μm liegt.
In einem Fall, dass eine Dicke des zylinderförmigen Körpers in dem oben beschriebenen Bereich liegt, kann der zylinderförmige Körper eine vortreffliche Festigkeit und Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweisen.
In einem Fall, dass eine Dicke der Beschichtungsschicht in dem oben beschriebenen Bereich liegt, kann, selbst wenn das Rohr bei hoher Temperatur einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre ausgesetzt ist, die Beschichtungsschicht eine vortreffliche Beständigkeit vorweisen und die Möglichkeit des Abblätterns ist gering.
Mit Bezug auf eine Oberflächenrauheit des zylinderförmigen Körpers wird es bevorzugt, dass Ra nicht weniger als 0,5 μm und Rmax nicht weniger als 5 μm beträgt.
In einem Fall, dass eine Oberflächenrauheit des zylinderförmigen Körpers so groß wie der oben beschriebene Wert ist, wird die physikalische Bindungsfestigkeit zwischen dem zylindrischen Körper und der Beschichtungsschicht höher, so dass die Beschichtungsschicht schwer abzublättern ist.
Es wird ebenso bevorzugt, dass ein Unterschied der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht nicht mehr als 2,5 × 10^–6/°C beträgt.
In einem Fall, dass ein Unterschied der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht so klein wie der oben beschriebene Wert ist, ist die Möglichkeit des Abblätterns der Beschichtungsschicht sehr gering, selbst wenn die Temperatur wiederholt oder schnell erhöht und vermindert wird.
Ferner wird es bevorzugt, dass eine Dichte des zylinderförmigen Körpers nicht weniger als 1,9 g/cm³ und nicht mehr als 2,1 g/cm³ beträgt.
In einem Fall, dass eine Dichte des zylinderförmigen Körpers in dem oben beschriebenen Bereich liegt, kann der zylinderförmige Körper eine vortreffliche Festigkeit und Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweisen und kann durch chemische Aufdampfung auch einfach produziert werden.
Ein äußerer Durchmesser des zylinderförmigen Körpers beträgt vorzugsweise nicht weniger als 3 mm und nicht mehr als 15 mm.
Obwohl die Ausmaße des zylinderförmigen Körpers und dergleichen angemessen bestimmt werden können, kann der zylinderförmige Körper in einem Fall, dass er ein Ausmaß wie oben beschrieben aufweist, eine gute Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweisen, einfach zu handhaben sein und auch einfach produziert werden.
Falls ein mantelartiges Thermoelement unter Verwendung des Schutzrohrs für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben zusammengesetzt ist, kann das Thermoelement selbst bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre stabil über einen langen Zeitraum verwendet werden. Folglich kann die Unterbrechung eines Prozesses, welche durch Schwierigkeiten eines Temperaturmessungssystems verursacht wird, verhindert werden, was zur Produktivitätsverbesserung beiträgt.
Falls ein Schutzrohr für ein Thermoelement einen hohlen zylinderförmigen Körper, welcher ein Ende aufweist, das geschlossen ist, und aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, und eine Beschichtungsschicht, die aus mindestens einem Material, das gemäß seinem Verwendungszweck aus pyrolytischem Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid ausgewählt wird, zusammengesetzt ist und auf einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet ist, beinhaltet, kann, wie oben beschrieben, das Schutzrohr für ein Thermoelement selbst bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre stabil über einen langen Zeitraum verwendet werden und kann eine gute Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweisen. Demgemäß kann, in einem Fall des Messens der Temperatur mittels eines mantelartigen Thermoelements unter Verwendung des Schutzrohrs, ein Draht des Thermoelements in dem Inneren des Schutzrohrs nicht beschädigt werden und so weiter und folglich kann eine Unterbrechung des Prozesses aufgrund jedweden Schwierigkeiten eines Temperaturmessungssystems verhindert werden, was zur Produktivitätsverbesserung beitragen kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Schutzrohrs für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt eines herkömmlichen mantelartigen Thermoelements zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genau erklärt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Schutzrohrs 3 für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt, wobei auf einer äußeren Oberfläche eines hohlen zylinderförmigen Körpers 1, welcher aus pyrolytischem Bornitrid hergestellt ist und ein Ende aufweist, das geschlossen ist, eine Beschichtungsschicht 2 gebildet ist.
Pyrolytisches Bornitrid, aus dem der zylinderförmige Körper 1 zusammengesetzt ist, ist ein Material, das bei hoher Temperatur eine vortreffliche Beständigkeit aufweist und in einer inerten Atmosphäre bei bis ungefähr 2200 °C verwendet werden kann. Der zylinderförmige Körper, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, kann vorzugsweise zum Beispiel durch chemische Aufdampfung produziert werden. Insbesondere das durch chemische Aufdampfung erhaltene pyrolytische Bornitrid weist eine derart feine Struktur auf, dass Gas nicht dahindurchdringen kann, und weist dank einer geringeren Dichte und einer kleineren spezifischen Wärme als Metall eine sehr gute Reaktion auf einen Temperaturwechsel auf.
In einem Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Beschichtungsschicht, die aus mindestens einem, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus pyrolytischem Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid, zusammengesetzt ist, auf einer äußeren Oberfläche des oben erwähnten zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, gebildet. Da diese Beschichtungsschicht als eine Wärme absorbierende Schicht wirkt und folglich die Strahlungswärme von einer Wärmequelle wirksam absorbiert, wandert die Strahlungswärme kaum durch die Schicht durch. Somit kann ein Schutzrohr für ein Thermoelement, welches eine bessere Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweist, bereitgestellt werden.
Pyrolytischer Kohlenstoff kann zum Beispiel in einer inerten Atmosphäre bei bis zu ungefähr 2500 °C verwendet werden. Und Kohlenstoff ist schwer zu korrodieren, selbst wenn er Fluorgas ausgesetzt ist, da ein Unterschied der Elektronegativität zwischen Kohlenstoff und Fluor klein ist. Falls ein Schutzrohr für ein Thermoelement durch Beschichten einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, mit pyrolytischem Kohlenstoff gefertigt wird, kann demgemäß selbst in einer Fluorgas enthaltenden Atmosphäre hoher Temperatur ein Thermoelementdraht in dem Schutzrohr geschützt werden. Somit kann das Schutzrohr für ein Thermoelement über einen langen Verwendungszeitraum dauerhaft sein.
Obwohl pyrolytisches Bornitrid, aus dem ein zylinderförmiger Körper zusammengesetzt ist, bei bis zu 800 °C in einer oxidierenden Atmosphäre verwendet werden kann, ist andererseits die Wirkung der Oxidation bei hoher Temperatur nicht unbedeutend. Unterdessen kann zum Beispiel Siliziumkarbid selbst in einer oxidierenden Atmosphäre bei bis ungefähr 1600 °C verwendet werden. Falls ein Schutzrohr für ein Thermoelement durch Beschichten einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, mit Siliziumkarbid gefertigt wird, kann folglich das Schutzrohr für ein Thermoelement selbst bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden Atmosphäre über einen langen Zeitraum verwendet werden.
Materialien, die gegen die Atmosphäre, die verwendet werden soll, eine Oxidationsbeständigkeit oder Korrosionsbeständigkeit aufweisen, können für eine Beschichtungsschicht angemessen ausgewählt werden. Zusätzlich zu obigem pyrolytischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid kann die Beschichtungsschicht abhängig von dem Atmosphärengas aus beliebigem von Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid zusammengesetzt sein, oder sie kann durch Laminieren einer Vielzahl von Schichten, welche aus jedem Material zusammengesetzt sind, gebildet sein. Die Beschichtungsschicht, welche aus diesen Materialien zusammengesetzt ist, weist bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre ebenfalls eine vortreffliche Beständigkeit auf. Zum Beispiel weist eine Beschichtungsschicht, welche aus Siliziumnitrid zusammengesetzt ist, eine vortreffliche Beständigkeit gegen eine oxidierende Atmosphäre auf.
Bei einem Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das den zylinderförmigen Körper und die Beschichtungsschicht wie oben erwähnt beinhaltet, kann seine Dicke, Dichte oder dergleichen mit Blick auf die Wärmebeständigkeit, Festigkeit, Reaktion auf einen Temperaturwechsel und so weiter bestimmt werden. Als eine Folge gewissenhafter Studien von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist Folgendes festgestellt worden.
Erstens in Bezug auf die Dicke des zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, kann er, falls seine Dicke weniger als 0,3 mm beträgt, zum Zeitpunkt der Handhabung beschädigt werden. Andererseits wird, falls die Dicke mehr als 1,5 mm beträgt, die Wärmekapazität des Schutzrohrs groß, was eine schlechtere Reaktion auf einen Temperaturwechsel zur Folge haben kann. Folglich wird es bevorzugt, dass die Dicke des zylinderförmigen Körpers 0,3–1,5 mm beträgt. In einem Fall, dass die Dicke des zylinderförmigen Körpers in diesem Bereich liegt, kann der zylinderförmige Körper eine vortreffliche Festigkeit und Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweisen.
In Bezug auf die Dicke der Beschichtungsschicht kann, falls ihre Dicke nicht mehr als 5 μm beträgt, die Beschichtungsschicht weniger wirksam sein. Andererseits kann, falls die Dicke nicht weniger als 50 μm beträgt, die Beschichtungsschicht bei der Verwendung abblättern. Folglich wird es bevorzugt, dass eine Dicke der Beschichtungsschicht 5–50 μm beträgt. In einem Fall, dass eine Dicke der Beschichtungsschicht in diesem Bereich liegt, kann die Beschichtungsschicht selbst bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre eine vortreffliche Beständigkeit aufweisen und die Möglichkeit des Abblätterns ist gering.
Ferner in Bezug auf die Dichte des zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, wird es bevorzugt, dass seine Dichte so bestimmt wird, dass er genügend Festigkeit als ein Schutzrohr für ein Thermoelement aufweist, sowie dass er eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine vortreffliche Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweist. Insbesondere wird es bevorzugt, dass seine Dichte nicht weniger als 1,9 g/cm³ und nicht mehr als 2,1 g/cm³ beträgt. Falls die Dichte des zylinderförmigen Körpers mehr als 2,1 g/cm³ beträgt, bedeutet dies, dass pyrolytisches Bornitrid gut kristallisiert wird. Wenn sich die Dichte jedoch erhöht, vermindert sich die Wärmeleitfähigkeit hinsichtlich der Dickenrichtung des zylinderförmigen Körpers, was eine schlechtere Reaktion auf einen Temperaturwechsel zur Folge haben kann. Der Grund dafür basiert auf der Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit von pyrolytischem Bornitrid, d. h., da die Kristallinität von pyrolytischem Bornitrid höher ist, wird der Unterschied der Wärmeleitfähigkeit zwischen der Dickenrichtung und der Seitenrichtung größer.
Unterdessen kann er in einem Fall, dass die Dichte des pyrolytischen Bornitrids 1,9 g/cm³–2,1 g/cm³ beträgt, eine vortreffliche Festigkeit und Reaktion auf einen Temperaturwechsel und auch einen Vorteil des Ermöglichens einfacher Produktion durch chemische Aufdampfung aufweisen.
Obwohl die Ausmaße eines zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, angemessen bestimmt werden können, wenn die Handhabung oder dergleichen berücksichtigt wird, wird es bevorzugt, dass ein äußerer Durchmesser des zylinderförmigen Körpers nicht weniger als 3 mm und nicht mehr als 15 mm beträgt. In einem Fall, dass der zylinderförmige Körper ein derartiges Ausmaß aufweist, weist er ausreichend Festigkeit als ein Schutzrohr und ausreichend Reaktion auf einen Temperaturwechsel auf. Des Weiteren kann ein Thermoelement unter Verwendung des zylinderförmigen Körpers einfach gehandhabt werden und auch einfach produziert werden. Unterdessen kann der zylinderförmige Körper zum Zeitpunkt der Handhabung beschädigt werden, falls sein äußerer Durchmesser weniger als 3 mm beträgt. Andererseits wird, falls der äußere Durchmesser des zylinderförmigen Körpers mehr als 15 mm beträgt, die Wärmekapazität des Schutzrohrs selbst groß. Zusätzlich erhöht sich auch die Menge eines Isolators, der in dem Schutzrohr mit einem Thermoelementdraht versiegelt ist, so dass die Wärmekapazität des Isolators ebenfalls groß wird, was eine schlechtere Reaktion auf einen Temperaturwechsel zur Folge haben kann.
Um die Abblätterung einer Beschichtungsschicht zu verhindern, wenn die Temperatur wiederholt erhöht und vermindert wird, wird es des Weiteren in einem Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass eine Oberfläche des zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, relativ rau hergestellt wird und der Unterschied der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht klein ist.
Insbesondere in Bezug auf die Oberflächenrauheit des zylinderförmigen Körpers wird, in einem Fall, dass Ra nicht weniger als 0,5 μm und Rmax nicht weniger als 5 μm beträgt, die physikalische Bindungsfestigkeit der Beschichtungsschicht, die auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet ist, durch die Ankerwirkung hoch gemacht. Folglich ist die Beschichtungsschicht schwer abzublättern.
Unterdessen kann, falls der Unterschied der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht zu groß ist, die Beschichtungsschicht durch wiederholtes Erhöhen und Vermindern der Temperatur abblättern. In einem Fall, dass der Unterschied nicht mehr als 2,5 × 10^–6/°C beträgt, entsprechen sich in etwa die Ausdehnungskoeffizienten des zylinderförmigen Körpers und der Beschichtungsschicht, so dass die Beschichtungsschicht selbst bei der Messung hoher Temperatur schwer abzublättern ist. Das heißt, wird der Unterschied der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht nicht mehr als 2,5 × 10^–6/°C gemacht, ist es möglich, eine gute Haftung zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht zu erhalten. Die Möglichkeit der Abblätterung der Beschichtungsschicht ist sehr klein, selbst wenn die Temperatur wiederholt oder schnell erhöht und vermindert wird. Demzufolge kann ein äußerst betriebssicheres Schutzrohr für ein Thermoelement bereitgestellt werden.
Obwohl ein Verfahren zum Produzieren des oben erwähnten Schutzrohrs für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt ist, können sowohl der zylinderförmige Körper als auch eine Beschichtungsschicht, aus der ein Schutzrohr für ein Thermoelement zusammengesetzt ist, durch chemische Aufdampfung produziert werden. Das somit durch chemische Aufdampfung produzierte Schutzrohr für ein Thermoelement weist auch die Vorteile auf, dass es hoch rein ist, Entgasung generiert und somit nicht zu einer Quelle der Verunreinigung von Produkten (zu messende Ziele) wird. Durch das Anpassen der Bedingungen der chemischen Aufdampfung, wie etwa der Zusammensetzung der Materialgase, des Drucks der Atmosphäre und der Temperatur, kann zudem die Oberflächenrauheit, die Dicke, die Dichte oder dergleichen des zylinderförmigen Körpers und der Beschichtungsschicht auf gewünschte Werte festgesetzt werden.
Gemäß einem wohl bekannten Verfahren, das Bortrichlorid und Ammoniak als Ausgangsmaterial verwendet, wird durch chemische Aufdampfung ein hohler zylinderförmiger Körper, welcher ein Ende aufweist, das geschlossen ist, und aus einem pyrolytischen Bornitrid zusammengesetzt ist, auf einem Graphit-Suszeptor gebildet. Als nächstes wird auf einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers eine Beschichtungsschicht als eine Wärme absorbierende Schicht oder eine schützende Schicht gebildet, welche aus mindestens einem Bestandteil, der aus pyrolytischem Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid ausgewählt wird, zusammengesetzt ist. Die Beschichtungsschicht kann auf dieselbe Art und Weise wie der zylinderförmige Körper ebenso durch chemische Aufdampfung gebildet werden. Auf diese Art kann eine Beschichtungsschicht, welche aus gewünschten Komponenten zusammengesetzt ist und eine gewünschte Dicke aufweist, eng auf einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet werden.
Die chemische Aufdampfung wird zum Beispiel durch Verwendung von Kohlenwasserstoffgas wie etwa Methan als Ausgangsmaterial zum Bilden von pyrolytischem Kohlenstoff oder durch Verwendung von Bortrichlorid, Ammoniak und Kohlenwasserstoffgas als Ausgangsmaterial für Kohlenstoff enthaltendes pyrolytisches Bornitrid durchgeführt. Auf diese Weise wird auf einer äußeren Oberfläche eines zylinderförmigen Körpers eine Beschichtungsschicht gebildet, und dann kann ein Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung produziert werden.
Ein mantelartiges Thermoelement, welches das so produzierte Schutzrohr für ein Thermoelement verwendet, kann eine gute Reaktion auf einen Temperaturwechsel aufweisen und das Schutzrohr kann, selbst wenn das Thermoelement über einen langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur und in einer oxidierenden oder anderen korrosiven Atmosphäre verwendet wird, nicht oxidiert oder korrodiert werden. Demzufolge kann die Temperatur fortlaufend und akkurat gemessen werden.
BEISPIELE
Hiernach wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Beispiele der vorliegenden Erfindung und mit Bezug auf Vergleichsbeispiele erklärt.
(Beispiel 1)
Ammoniak 5 slm und Bortrichlorid 2 slm wurden unter dem Druck von 10 Torr und bei der Temperatur von 1800 °C zur Reaktion gebracht, um durch chemische Aufdampfung auf einem Graphit-Suszeptor einen zylinderförmigen Körper zu produzieren, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt war und ein Ende aufwies, das geschlossen war, und welcher einen inneren Durchmesser von 5 mm, einen äußeren Durchmesser von 7 mm und eine Länge von 250 mm aufwies. Dann wurde durch chemisches Zersetzen von Methan 4 slm unter dem Druck von 5 Torr und bei der Temperatur von 1750 °C eine Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff, welche eine Dicke von 25 μm aufwies, auf einer äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet.
Ein R-artiger Thermoelementdraht wurde ohne Luftspalt in dem so erhaltenen Schutzrohr mit gebrannter Magnesia, welche als Isolator dient, versiegelt, um ein mantelartiges Thermoelement zu konfigurieren. Dieses mantelartige Thermoelement wurde im Inneren einer Kammer angebracht und 1 % NF₃/N₂ wurde in die Kammer einströmen gelassen. Danach wurde ein im Inneren der Kammer installiertes Heizgerät elektrisch betrieben, um die Temperatur in der Kammer auf 1300 °C zu erhöhen. Obwohl 150 Stunden vergangen waren, gab es keine Veränderung beim äußeren Erscheinungsbild des Schutzrohrs und es wurde kein Zerbrechen des Thermoelements generiert.
(Vergleichsbeispiel 1)
Auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 1 wurde unter Verwendung eines dünnen Rohrs, welches aus Aluminiumoxid zusammengesetzt war und ein Ende aufwies, das geschlossen war, und welches einen inneren Durchmesser von 5 mm, einen äußeren Durchmesser von 7 mm und eine Länge von 250 mm aufwies, ein mantelartiges Thermoelement konfiguriert. Dieses mantelartige Thermoelement wurde im Inneren einer Kammer angebracht und 1 % NF₃/N₂ wurde in die Kammer einströmen gelassen. Danach wurde ein im Inneren der Kammer installiertes Heizgerät elektrisch betrieben, um die Temperatur in der Kammer auf 1300 °C zu erhöhen. Als 34 Stunden vergangen waren, war das Thermoelement zerbrochen und die Messung der Temperatur konnte nicht fortgeführt werden. Auf einer Oberfläche des Schutzrohrs wurde durch NF₃-Gas verursachte Korrosion beobachtet.
(Vergleichsbeispiel 2)
Auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 1 wurde unter Verwendung eines dünnen Rohrs, welches aus Molybdän zusammengesetzt war und ein Ende aufwies, das geschlossen war, und welches einen inneren Durchmesser von 5 mm, einen äußeren Durchmesser von 7 mm und eine Länge von 250 mm aufwies, ein mantelartiges Thermoelement konfiguriert. Dieses mantelartige Thermoelement wurde im Inneren einer Kammer angebracht und 1 % NF₃/N₂ wurde in die Kammer einströmen gelassen. Danach wurde ein im Inneren der Kammer installiertes Heizgerät elektrisch betrieben, um die Temperatur in der Kammer auf 1300 °C zu erhöhen. Als 62 Stunden vergangen waren, war das Thermoelement zerbrochen und die Messung der Temperatur konnte nicht fortgeführt werden. Auf einer Oberfläche des Schutzrohrs wurde durch NF₃-Gas verursachte Korrosion beobachtet.
(Beispiel 2)
Auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 1 wurde ein zylinderförmiger Körper, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt war, produziert. Danach wurde eine äußere Oberfläche des zylinderförmigen Körpers einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die Oberflächenrauheit von Ra = 1,1 μm und Rmax = 11,7 μm zu erhalten. Des Weiteren wurde durch die Reaktion von Ammoniak 5 slm, Bortrichlorid 2 slm und Methan 1 slm unter dem Druck von 10 Torr und bei der Temperatur von 1800 °C auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers eine Beschichtungsschicht, welche aus Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt war und eine Dicke von 25 μm aufwies, gebildet.
An dem so erhaltenen Schutzrohr wurde auf solche Weise ein Thermoschockbeständigkeitstest ausgeführt, dass das Schutzrohr auf 700 °C erwärmt und dann in Wasser geworfen wurde. Die Kohlenstoff enthaltende pyrolytische Bornitridschicht, welche als die Beschichtungsschicht diente, blätterte nicht ab, selbst nachdem das Erwärmen und Ins-Wasser-Werfen 10 mal wiederholt worden war.
(Beispiel 3)
Auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 1 wurde ein zylinderförmiger Körper, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, produziert. Danach wurde eine äußere Oberfläche des zylinderförmigen Körpers einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die Oberflächenrauheit von Ra = 1,3 μm und Rmax = 10,4 μm zu erhalten. Als nächstes wurde auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 1 eine Beschichtungsschicht, welche aus pyrolytischem Kohlenstoff zusammengesetzt war und eine Dicke von 25 μm aufwies, gebildet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des zylinderförmigen Körpers, welcher aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt war, betrug 3,5 × 10^–6/°C und der der Beschichtungsschicht, welche aus pyrolytischem Kohlenstoff zusammengesetzt war, betrug 1,7 × 10^–6/°C, so dass der Unterschied zwischen den zweien 1,8 × 10^–6/°C betrug.
An dem so erhaltenen Schutzrohr wurde auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 2 ein Thermoschockbeständigkeitstest ausgeführt. Die pyrolytische Kohlenstoffschicht, welche als die Beschichtungsschicht diente, blätterte nicht ab, selbst nachdem das Erwärmen und Ins-Wasser-Werfen 10 mal wiederholt worden war.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, und diejenigen, die im Wesentlichen dieselbe Struktur wie die in den beigelegten Ansprüchen beschriebene aufweisen und die die ähnliche Funktionswirkung haben, sind in dem Bereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.

Claims

Ein Schutzrohr für ein Thermoelement (3) zum Schutz eines Thermoelementdrahts, das einen hohlen zylinderförmigen Körper (1), welcher ein Ende aufweist, das geschlossen ist, und aus pyrolytischem Bornitrid zusammengesetzt ist, und eine Beschichtungsschicht (2), die auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet ist und aus mindestens einem Material, das aus pyrolytischem Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltendem pyrolytischem Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid ausgewählt wird, zusammengesetzt ist, beinhaltet.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht durch chemische Aufdampfung auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Körpers gebildet ist.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des zylinderförmigen Körpers in dem Bereich von 0,3–1,5 mm liegt.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Dicke der Beschichtungsschicht in dem Bereich von 5–50 μm liegt.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Oberflächenrauheit des zylinderförmigen Körpers hinsichtlich Ra nicht weniger als 0,5 μm und hinsichtlich Rmax nicht weniger als 5 μm beträgt.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zylinderförmigen Körper und der Beschichtungsschicht nicht mehr als 2,5 × 10^–6/°C beträgt.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des zylinderförmigen Körpers nicht weniger als 1,9 g/cm³ und nicht mehr als 2,1 g/cm³ beträgt.
Schutzrohr für ein Thermoelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Durchmesser des zylinderförmigen Körpers nicht weniger als 3 mm und nicht mehr als 15 mm beträgt.