JP2000097779A

JP2000097779A - 熱電対保護管

Info

Publication number: JP2000097779A
Application number: JP10264928A
Authority: JP
Inventors: Satoru Maejima; 悟前島
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の熱電対保護管に比べて強度を大幅に向
上させることができ、また熱電対の温度応答性が良好な
熱電対保護管を提供する。【解決手段】パイプ１ａを塑性加工して成る一端封じ
の先端部１ｂを有し、先端部１ｂはパイプ１ａ本体より
細径で、かつ、内部に熱電対３の先端を収容可能な空間
を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電対保護管に関
する。

【０００２】

【従来の技術】各種炉の温度管理は、通常は熱電対を用
いて行われているが、熱電対を炉内の高温・腐食雰囲気
から保護するために、当該熱電対を耐熱・耐食性材料か
ら成る保護管の中に収容して温度管理が実施されてい
る。熱電対保護管は、その内部に保持した熱電対を周囲
の雰囲気から保護するためにその一端が封じられた構造
になっている。そして、保護管の基部は炉壁に取り付け
られていて、先端部が炉内に向かって延びている。

【０００３】このような保護管は、通常１ｍ以上の長さ
を有しており、摩擦溶接等によってパイプと蓋材とを互
いの端面で同軸的に接合して、パイプの一端を封じて製
造されている。摩擦溶接は、まず、固定された蓋材の端
面にパイプの端面を回転させながら接触させ、端面同士
を摩擦により加熱・軟化させる。そして、適当な温度と
なったところで回転を止めてパイプを軸方向に加圧し、
両者の金属組織を一体化させて圧接部を形成し、接合を
完了させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
接部が材料表面のスケール等から成る不純物を巻き込ん
だり、接合時の空隙や亀裂が消滅せずに圧接部に残って
いる場合がある。そして、この場合には圧接部の接合強
度が低下して、熱電対保護管の破壊起点となる可能性が
ある。

【０００５】このような場合であっても、融点が低い通
常の金属材料を用いる限りは、保護管の接合強度の低下
にまで至ることは少なかった。しかしながら、材料の融
点が高い耐熱材料を用いる場合には接合条件がより厳し
くなるので、圧接不良は直ちに接合強度の低下につなが
り、接合部から蓋材が取れて内部の熱電対が破壊される
という問題が生じてくる。

【０００６】従って、摩擦溶接によって製造した保護管
では、接合部の信頼性は高いものであるとはいえなかっ
た。さらに、たとえ接合が完全であったとしても、保護
管の先端には中実で重い蓋材が取付けられていることに
なるため、炉内でのガスの燃焼や流体の移動に伴って保
護管が振動した場合には、長尺な保護管の取付け基部に
極めて高い応力が負荷され、当該基部から保護管が破壊
されるおそれもある。

【０００７】一方で、上記蓋材が中実であることから、
保護管の先端では熱容量が大きくなってしまい、炉の温
度変化に応じて保護管の先端の温度が直ちに変化するこ
とができず、熱電対の応答性が悪くなるという問題も生
じている。本発明は、上記した問題が解決された強度の
高い熱電対保護管の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１記載の本発明においては、パイプを塑
性加工して成る一端封じの先端部を有し、前記先端部は
パイプ本体より細径で、かつ、内部に熱電対の先端を収
容可能な空間を有していることを特徴とする熱電対保護
管が提供される。

【０００９】また、請求項２記載の本発明においては、
前記塑性加工が鍛造または転造加工である熱電対保護管
が提供される。さらに好ましくは、Ｃｒ：１０〜４０重
量％，Ａｌ：１０重量％以下，Ｔｉ：５重量％以下、高
融点金属酸化物：０．１〜２重量％、残部：Ｆｅ、を必
須成分とする酸化物分散強化型Ｆｅ基耐熱合金で製造さ
れている熱電対保護管が提供される（請求項３）。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の熱電対保護管の
実施の形態を示す断面図である。図１において、パイプ
１ａを塑性加工することによって先端部１ｂが形成され
ている。この先端部１ｂはパイプ１ａと一体となってい
て、両者の間に継ぎ目は存在しない。そして、先端部１
ｂの外径２ｂはパイプ本体の外径２ａより細径になって
いて、その最先端は封じられて封止端１ｃを形成してい
る。さらに、先端部１ｂの内部には熱電対３の先端を収
容可能な空間が形成されている。

【００１１】次に、上記保護管を製造する方法について
説明する。図２は、本発明の熱電対保護管を製造する工
程を示している。図２（ａ）の工程において、パイプ１
ａの外壁に塑性加工機５が当接し、パイプ１ａを絞り加
工して、先端が開口している先端部１ｂが形成される。
次に、図２（ｂ）の工程において、先端部１ｂの開口端
１ｄに塑性加工機５が当接し、開口端１ｄの材料同士を
流動・一体化させることによって、管端が封じられる。

【００１２】このようにして、本発明においては、塑性
加工によって先端部１ｂがパイプ１ａと継ぎ目なく一体
として形成されているために、従来の溶接パイプのよう
に接合部から破壊が生じることがなく、接合部の信頼性
が大幅に向上する。次に、先端部１ｂがパイプ１ａの本
体より細径となっている理由について説明する。

【００１３】パイプ１ａを細径化せずそのまま管端を封
じた場合には、開口端１ｄの外径が大きいために、開口
端１ｄの材料同士の距離が離れすぎてしまい、材料同士
を一体化することが困難である。その結果、パイプ１ａ
の管端封じが不完全になり、封止端１ｃに空隙が生じて
しまう。一方、パイプ１ａに細径の先端部１ｂを形成さ
せてからその開口端１ｄを封じた場合には、開口端１ｄ
の外径が小さくなっているために、材料同士が容易に流
動して一体化することができるので、管端封じが確実に
行われ、封止端１ｃに空隙が生じることがない。

【００１４】さらに、熱電対保護管全体として見ると、
保護管１の先端部１ｂが細径になっているため、保護管
１の先端は軽量化されている。その結果、長尺な保護管
１が振動しても、その取付け基部に負荷される応力は、
前記した従来の熱電対保護管に比べて大きくならず、当
該基部から保護管が破壊されるおそれが少なくなる。ま
た、先端部１ｂが細径になっていると、先端部１ｂを構
成する材料の量も少なくて済み、保護管１の先端の熱容
量が小さくなる。その結果、保護管の先端が炉の温度変
化に直ちに追随して、内蔵された熱電対の応答性を向上
させることができる。

【００１５】次に、先端部１ｂの内部に熱電対３の先端
を収容可能な空間を形成している理由について説明す
る。このようにすると、熱電対と保護管の内壁が直接接
触するようになり、両者の間に断熱層となる空気が介在
することがない。その結果、炉の温度が保護管から直ち
に熱電対に伝わるので、熱電対の応答性がさらに向上す
ることになる。

【００１６】なお、上記の効果を発現するため、先端部
１ｂの外径はパイプ１ａの外径の１／２〜１／３とする
のが好ましい。また、先端部１ｂの軸方向の長さは、熱
電対３の先端を収容できるものであれば特に制限はない
が、１〜１．２ｍｍの長さとするのが好ましい。ここ
で、上記パイプ１ａを塑性加工する方法としては、例え
ば、６００〜９００℃の加工温度で鍛造（スエージン
グ）を行うことが好ましい。また、パイプを回転させて
工具を押し当てる転造加工（スピニング）を行ってもよ
い。

【００１７】ところで、熱電対保護管の素材として、従
来から一般的な耐熱鋼やステンレス鋼が用いられてお
り、これらの材質も本発明の対象である。しかし、これ
らの材料の耐熱性は必ずしも満足すべきものとはいえ
ず、また、高温腐食として問題となるサルファアタック
にも十分耐えるものとはいえないので、高温での使用や
耐食性が特に必要である場合には、熱電対保護管の素材
として、Ｃｒ：１０〜４０重量％，Ａｌ：１０重量％以
下，Ｔｉ：５重量％以下、高融点金属酸化物：０．１〜
２重量％、残部：Ｆｅを必須成分とする酸化物分散強化
型Ｆｅ基耐熱合金を用いることが好ましい。上記材料に
おける高融点金属酸化物としてはＹ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，Ａ
ｌ₂Ｏ₃から選ばれる１種以上を用いることができ、上記
高融点金属酸化物はフェライトマトリックス中に微細に
分散した状態で存在させればよく、これらは高温で材料
を安定化させて耐熱性を向上させる。その結果、このＦ
ｅ基耐熱合金は高温におけるクリープ強度が向上し、さ
らにサルファアタックも生じないので、この材料を用い
た熱電対保護管は、耐熱性、耐脆化性、耐酸化性のいず
れにおいても優れたものになる。

【００１８】上記材料において、Ｃｒ含有量を１０〜４
０重量％にするのは、１０重量％未満である場合は所望
の耐酸化性が得られず、また４０重量％を超えるとσ相
の生成によりいわゆるσ脆化が生じるようになるからで
ある。好ましいＣｒ含有量は２０〜４０重量％、さらに
好ましくは２０〜３５重量％である。また、Ａｌ含有量
を１０重量％以下とするのは、１０重量％を超えると有
害な大型介在物の生成を引き起こすからである。好まし
くは５重量％以下とする。

【００１９】Ｔｉ含有量を５重量％以下とするのは、５
重量％を超えると、Ａｌ同様有害な大型介在物の生成を
引き起こすからである。高融点金属酸化物は合金を高温
で安定化するために０．１〜２重量％含有させる。その
含有量が０．１重量％未満である場合は安定化効果がな
く、２重量％以上であると合金が脆化するからである。

【００２０】この合金の製造方法としては、各成分の粉
末を高運動エネルギーボールミルに入れて粉砕、混合さ
せ、均一な混合物を作製するＭＡ（メカニカルアロイン
グ）法が好適である。さらに、この混合物を熱間押出し
や焼結によりパイプや蓋材に成形すればよい。パイプの
寸法・形状は、収容する熱電対の寸法・形状との関係で
適宜決められ、特に制限されるものではないが、外径２
２．０〜２５．５ｍｍ、肉厚２．０〜２．５ｍｍのもの
が好適に使用できる。

【００２１】

【実施例】実施例１，比較例１〜３１．熱電対保護管用パイプの作製Ｃｒ：１９．７５重量％，Ａｌ：４．６９重量％，Ｔ
ｉ：０．３９重量％、Ｙ ₂Ｏ₃：０．５２重量％、残部Ｆ
ｅ、を必須成分とする酸化物分散強化型耐熱合金をＭＡ
法で製造し、これを熱間押出ししてパイプ（外径２２ｍ
ｍ、肉厚２．５ｍｍ、長さ１ｍ）を成形した。

【００２２】２．熱電対保護管の製造以下の条件でパイプに８００℃の加工温度でスエージン
グを行って先端部を形成し、さらにその開口端を封じて
本発明の保護管を製造した。比較例１として、先端部を
形成せずにパイプの開口端を封じて保護管を製造した。

【００２３】比較例２として、パイプの開口端面にパイ
プと同一径で厚さ５ｍｍの蓋材を摩擦溶接（回転数：１
２００ｒｐｍ、最終加圧力：２５ｋｇ／ｃｍ²、摩擦圧
力２０ｋｇ／ｃｍ²）して保護管を製造した。比較例３
として、パイプの開口端面にパイプと同一径で厚さ５ｍ
ｍの蓋材を螺合して保護管を製造した。

【００２４】３．強度特性の評価本発明の保護管では先端部の胴部を、比較例の保護管の
場合は接合部をそれぞれ破断して破面を肉眼で観察し
た。破面が繊維状で光沢があまりないものは延性破壊が
生じたものと判断し、強度特性を「○」とした。破面に
顕著な光沢が見られるものはぜい性破壊が生じたものと
判断し、強度特性を「×」とした。

【００２５】４．封止状態の評価熱電対保護管の内部に圧縮空気により５気圧の圧力をか
けて、３０分経過後に圧力が低下したものを「×」とし
た。５．振動耐久性の評価各保護管を先端が上向きになるよう振動台と垂直な向き
に並べ、保護管の基部を振動台に取り付けて、振動数２
００Ｈｚ、振動加速度１９６ｍ／ｓ²、３時間の振動試
験を左右方向に対して行い、上記取り付け基部から保護
管が破壊したものを「×」とした。

【００２６】６．温度応答性の評価炉の温度を１１００℃から１２００℃に変化させ、炉内
に装入した保護管に収容された熱電対の温度の時間変化
を測定して熱電対の応答性を調査し、１２００℃に到達
するまでに時間（到達時間）を求めた。到達時間の短い
ものを応答性が良好と判定した。

【００２７】以上の結果を表１に示した。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１から次のことが明らかである。 (1)本発明の熱電対保護管は、接合部がないために強度
特性が良好である。また、振動試験を行っても保護管の
取付け基部が破壊されることはなく、さらに保護管先端
が対象物の温度に到達するまでの時間が短く熱電対の応
答性が良好である。以上のことから、塑性加工によって
先端部を形成させた保護管の優位性が明らかである。 (2)先端部を形成させずにパイプの開口端をそのまま封
じた比較例１の場合は、保護管の先端の封止状態が完全
でなく漏れが生じた。 (3)パイプの開口端面に蓋材を摩擦溶接によって接合し
た比較例２の場合は、接合部の強度が低いものとなっ
た。 (4)パイプの開口端面に蓋材を螺合した比較例３の場合
は、接合部の強度は良好となったものの、振動試験を行
った場合に振幅が大きくなって保護管の取付け基部が破
壊された。さらに保護管先端の熱容量が大きいために、
熱電対が対象物の温度に到達するまでの到達時間は従来
の熱電対と同様であり、熱電対の応答性も通常の熱電対
と同様なものにとどまった。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、従来の熱電対保護管に比べて強度を大幅に向上
させることができる。また、保護管の先端部が軽量化さ
れているため、振動によって保護管の取付け基部が破壊
されることがない。さらに、保護管の先端部の熱容量が
小さいとともに、その内壁に熱電対の先端が直接接触し
ているため、熱電対の応答性が良好となり、例えば、鍛
造加熱炉等の温度変化の激しい炉においても好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電対保護管の一例を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の熱電対保護管の製造工程の一例を示す
工程図である。

【符号の説明】

１熱電対保護管１ａパイプ１ｂ先端部１ｃ封止端１ｄ開口端２ａパイプの外径２ｂ先端部の外径３熱電対５塑性加工機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パイプを塑性加工して成る一端封じの先
端部を有し、前記先端部はパイプ本体より細径で、か
つ、内部に熱電対の先端を収容可能な空間を有している
ことを特徴とする熱電対保護管。
【請求項２】前記塑性加工が鍛造または転造加工であ
る請求項１記載の熱電対保護管。
【請求項３】Ｃｒ：１０〜４０重量％，Ａｌ：１０重
量％以下，Ｔｉ：５重量％以下、高融点金属酸化物：
０．１〜２重量％、残部：Ｆｅ、を必須成分とする酸化
物分散強化型Ｆｅ基耐熱合金から成る、請求項１または
２記載の熱電対保護管。