JP2002372462A - シース型金属溶湯用熱電対 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シース型金属溶湯用熱電対の金属素線の測温
接点と、保護管の先端部の内面との接触部を改善し、金
属素線の断線を極力抑え、応答性を高める。 【解決手段】 金属素線１，２の先端を互いに接合した
測温接点３を、セラミックからなる保護管４の先端部４
ｃの内面に固定剤５により接着固定する。金属素線１，
２の他の部分は、保護管４の基端部４ａの金属素線１，
２も含めて、固定しないで自由の状態にする。保護管４
の先端部４ｃの内面には、アルミナ，チタニアを主成分
とする被膜４ｂを施す。固定剤５には無機系接着剤であ
つて、珪素を含まないマグネシア，ジルコニア，アルミ
ナなどの絶縁材料を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属溶湯の温度測定
に好適な耐久性に優れた、シース型金属溶湯用熱電対に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、２本の金属素線の一端部を接合し
て測温接点とする熱電対を保護管の内部へ挿入しうえ金
属素線を保護管に固定し、保護管の先端部の内面と測温
接点との間には、熱膨張による金属素線の伸びに相当す
る間隔を設け、金属素線の熱膨張を吸収して支障のない
ようにした金属溶湯用熱電対が知られている。しかしな
がら、上述の金属溶湯用熱電対は保護管の先端部の内面
と金属素線の測温接点とが直接接触していないので、熱
伝導が劣り、応答性が悪いのが実情である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は上述の
問題に鑑み、保護管の先端部の内面と金属素線の測温接
点との接触部を改善し、金属素線の断線を極力抑え、応
答性を高めたシース型金属溶湯用熱電対を提供すること
にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成は先端が閉鎖されたセラミックまたは
サーメットからなる保護管の内部に、熱電対を構成する
１対の金属素線の測温接点を前記保護管の先端部に位置
するように挿入し、前記保護管の先端部の内面に前記金
属素線の測温接点または測温接点の周辺のみを固定し、
前記金属素線の他の部分を固定しないようにしたことを
特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明ではシース型金属溶湯用熱
電対の保護管を、窒化珪素Si₃N₄ ，サイアロン，アルミ
ナAl₂O₃ ，シリカSiO₂，ジルコニアZrO₂，マグネシアMg
O または石英ガラス系材料から作成する。好ましくは、
金属溶湯用熱電対の金属素線の表面には、セラミック粉
末を溶射によりコーテイングするか、または無機系被覆
材料などをコーテイングする。また、金属溶湯用熱電対
の金属素線が白金Ptまたは白金Pt系合金から形成される
場合は、金属溶湯用熱電対の保護管は窒化珪素Si₃N₄ ，
サイアロン，シリカSiO₂，ガラス系材料などの珪素を含
む材料から形成され、保護管は窒化珪素Si₃N₄ ，サイア
ロン，シリカSiO₂，ガラス系材料などの珪素を含む材料
から形成され、保護管の内面はアルミナAl₂O₃ ，ジルコ
ニアZrO₂，マグネシアMgO ，チタニアTiO ，窒化硼素B
N，チタン酸アルミニウムAl₂TiO₅ などの珪素を含まな
い材料を被覆される。

【０００６】保護管と金属素線の測温接点とを固定する
固定剤には、マグネシアMgO ，ジルコニアZrO₂，アルミ
ナAl₂O₃ などの珪素を含まない絶縁材料を用いる。金属
溶湯用熱電対の保護管の基端部には、フッ素樹脂，窒化
硼素BNなどの低摩擦性材料から作製したリングを嵌合す
るか、または２つの孔を有する絶縁管を嵌合する。保護
管の内部の金属素線は、リングまたは絶縁管から外部へ
引き出す。金属溶湯用熱電対の保護管の外径は８ｍｍ以
下とする。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の第１実施例によるシース型金
属溶湯用熱電対の側面図である。金属溶湯用熱電対を構
成する金属素線１，２は、それぞれ白金Pt―ロジウムRh
系（JIS Ｒ型）またはアルメル−クロメル系（JIS Ｋ
型）の対からなり、両端を互いに結合される。金属素線
１，２の先端は互いに溶接により接合されて測温接点３
とされ、金属素線１，２の基端（図示せず）は互いに溶
接により接合されて基準接点とされる。基準接点は所定
の温度（例えば０℃）に保たれ、両端の電位差から測定
接点３の温度が求められる。金属溶湯用熱電対の保護管
４は、窒化珪素系のセラミックから作成され、基端部４
ａが開放され、先端部４ｃが閉鎖される。保護管４の寸
法は例えば外径が８ｍｍ、内径が６ｍｍ、長さ４００ｍ
ｍｍのものである。固定剤５を充填した注射器の長針を
先端部４ｃの外部から内部へ突き刺すか、基端部４ａか
ら内部へ挿入して、固定剤５であるアルミナ系接着剤を
約１ｍｌ注入した。次いで、金属素線１，２の先端を互
いに接合してなる測温接点３を保護管４の先端部４ｃの
内面まで挿入し、固定剤５により先端部４ｃの内面に測
温接点３を接着固定した。固定剤５には無機系接着剤、
特に珪素を含まないマグネシアMgO ，ジルコニアZrO₂，
アルミナAl₂O₃ などの珪素を含まない絶縁材料を用い
た。Ｒ型金属溶湯用熱電対の場合には、金属素線１，２
の表面に絶縁のためのアルミナの被膜を予めゾルゲル法
により形成した。金属素線１，２の表面の被膜は、セラ
ミック粉末を溶射によりコーテイングするか、無機系被
覆材料などをコーテイングすることにより形成してもよ
い。

【０００８】上述のようにして作製された本発明による
金属溶湯用熱電対は、金属素線１，２の互いに接合され
た測温接点３が、保護管４の先端部４ｃの内面に接着固
定されているので、従来のものに比べて熱伝導が改善さ
れ、応答性が向上される。さらに、保護管４の先端部４
ｃの内面に、金属素線１，２の測温接点３が接着固定さ
れるだけで、金属素線１，２の後方部分（基端側部分）
は固定されない自由な状態にあるので、金属素線１，２
の熱膨張による伸びが抑えられることなく吸収され、繰
返し使用による金属素線１，２の断線が防止される。

【０００９】次に、本発明によるＲ型金属溶湯用熱電対
とＫ型金属溶湯用熱電対とに対する従来のＲ型金属溶湯
用熱電対とＫ型金属溶湯用熱電対との比較試験を行うた
めに、各金属素線１，２にそれぞれアルミナ製の絶縁管
を外挿したうえ、窒化珪素製の保護管４の内部へ挿入
し、金属素線１，２の先端の測温接点３が保護管４の先
端部４ｃの内面に接触するようにし、保護管４の基端部
４ａでは金属素線１，２を絶縁管に絶縁性接着剤により
固定し、絶縁管を保護管４に絶縁性接着剤により固定し
てなる、比較用のＲ型金属溶湯用熱電対とＫ型金属溶湯
用熱電対とを作製した。

【００１０】本発明によるＲ型金属溶湯用熱電対とＫ型
金属溶湯用熱電対と比較用のＲ型金属溶湯用熱電対と比
較用のＫ型金属溶湯用熱電対とを用いて、応答性と耐久
性についての金属溶湯の測温試験を繰り返し行い、図
４，５に示すような試験結果を得た。本発明によるＲ型
金属溶湯用熱電対と比較用Ｒ型金属溶湯用熱電対とを用
いて、温度１４５０℃の鋳鉄溶湯の測温試験を行つたと
ころ、図４に示すように、本発明によるＲ型金属溶湯用
熱電対の溶湯温度の測定値が所定の値に落ち着くまでの
時間は、比較用のＲ型金属溶湯用熱電対のそれの約１／
２であり、応答性に優れることが確認された。

【００１１】この応答試験で分かつたことは、本発明に
よるＲ型金属溶湯用熱電対では、金属素線１，２の先端
を互いに接合された測温接点３が、保護管４の先端部４
ｃの内面に接着固定されているので、鋳鉄溶湯の熱が迅
速かつ円滑に測温接点３へ伝わることである。これに対
し、比較用のＲ型金属溶湯用熱電対の応答性が劣るの
は、金属素線１，２の測温接点３が保護管４の先端部４
ｃの内面に単に接触するだけで、測温中に金属素線１，
２の熱膨張などにより、測温接点３と保護管４の先端部
４ｃの内面との間に接触不良が生じることによるものと
考えられる。

【００１２】図５に示すように、耐久試験の結果では、
比較用のＲ型金属溶湯用熱電対（従来品）が、１００〜
１５０回程度の測温回数で金属素線１，２が断線したの
に対し、本発明によるＲ型金属溶湯用熱電対は、２００
〜３００回の測温回数まで使用に耐え、比較用のＲ型金
属溶湯用熱電対のほぼ２〜３倍の耐久性があることが判
明した。耐久試験で断線した金属素線１，２の断面を観
察してみると、比較用のＲ型金属溶湯用熱電対は、熱応
力（引張荷重）により金属素線１，２が切断されている
ことが確認された。金属素線１，２の後方部分と保護管
４の基端部４ａでは、金属素線１，２が絶縁管に、絶縁
管が保護管４にそれぞれが絶縁性接着剤により固定さ
れ、金属素線１，２の伸縮が規制されているので、熱に
よる伸縮の繰返しが断線の原因と考えられる。

【００１３】一方、本発明によるＲ型金属溶湯用熱電対
は、保護管４の先端部４ｃの内面に測温接点３だけが接
着固定され、金属素線１，２の他の部分ないし後方部分
は固定されていないので、金属素線１，２の熱膨張によ
る伸びが妨げられることはなく、伸縮の繰返しによる影
響を受けない。そして、断線した金属素線１，２の破断
面を観察してみると、金属素線１，２は破断面の凹凸で
粗く、溶損による断線の形跡がみられ、元素分析の結
果、白金と珪素との低融点化合物の生成が認められた。
これは、窒化珪素製の保護管４を構成する珪素と金属素
線１，２を構成する白金とが反応したことによるものと
考えられる。

【００１４】次に、本発明によるＫ型金属溶湯用熱電対
と比較用のＫ型金属溶湯用熱電対とを用いて温度７００
℃のアルミニウム溶湯の測温試験を行つたところ、本発
明によるＲ型金属溶湯用熱電対と比較用のＲ型金属溶湯
用熱電対とを用いて温度１４５０℃の鋳鉄溶湯の測温試
験を行つた場合と同様に、本発明によるＫ型金属溶湯用
熱電対の方が、比較用のＫ型金属溶湯用熱電対よりも応
答性と耐久性が優れていることが確認された。

【００１５】また、保護管４の材料として窒化珪素以外
の材料、例えばサイアロン，Mo−ZrO₂系サーメット，ア
ルミナAl₂O₃ ，シリカSiO₂，ジルコニアZrO₂，マグネシ
アMgO ，石英ガラスなどを用いて作製した金属溶湯用熱
電対について、温度１４５０℃の鋳鉄溶湯の測温試験
と、温度７００℃のアルミニウム溶湯の測温試験とを繰
り返し行つた。同測温試験の結果は、前述の窒化珪素製
の保護管４を用いたＲ型金属溶湯用熱電対についての測
温試験と同様に、応答性と耐久性についての有効性が認
められた。ただし、サイアロンやシリカSiO₂のように珪
素を含む材料から作成した保護管４を用いたＲ型金属溶
湯用熱電対についての測温試験では、窒化珪素Si₃N₄ 以
外の材料から作成した保護管４を用いたものに比べて、
保護管４の珪素Siと金属素線１，２の白金Ptとの反応が
原因で金属素線１，２が断線し易いことが確認された。
上述の理由から、保護管４の先端部４ｃの内面に金属素
線１，２の測温接点３を接着固定する固定剤５について
も、マグネシアMgO ，ジルコニアZrO₂，アルミナAl₂O₃
などの珪素を含まない絶縁材料からなるものを用いるの
がよい。

【００１６】図２は本発明の第２実施例であり、珪素を
含む材料から作成した保護管４と、白金−ロジウム系金
属素線１，２とからなるＲ型金属溶湯用熱電対におい
て、保護管４の成分である珪素と、金属素線１，２の成
分である白金とが反応するのを防止するために、保護管
４の内面にアルミナAl₂O₃ とチタニアTiO₂を主成分とす
る被膜４ｂを形成したものである。金属素線１，２の表
面にも、絶縁のためのアルミナAl₂O₃ の被膜が予めゾル
ゲル法により形成されるのが好ましい。金属素線１，２
の表面の被膜は、セラミック粉末を溶射によりコーテイ
ングするか、無機系被覆材料などをコーテイングするこ
とにより形成してもよい。他の構成は、図１の実施例の
ものと同じである。第２実施例に係る金属溶湯用熱電対
について、第１実施例と同様の金属溶湯の測温試験を行
つた結果、保護管４の内面に被膜４ｂのないものでは珪
素と白金が反応したことが考えられ、２００〜３００回
の測温回数で断線したのに対し、保護管４の内面に被膜
４ｂを施したものでは、図５に示すように、測温回数で
４００回ほどの耐久性が得られ、被膜４ｂにより珪素と
白金の反応が抑制されることが確認された。

【００１７】図３は本発明の第３実施例であり、保護管
４の基端部４ａの内面に、窒化硼素BNなどの低摩擦性を
有する材料から作製したリング７を取り付けたものであ
る。他の構成は図１または図２の実施例のものと同じで
ある。第３実施例に係る金属溶湯用熱電対について、第
１実施例と同様の金属溶湯の測温試験を行つた結果、保
護管４の基端部４ａから金属素線１，２が突出する部分
に、窒化硼素などのリング７を取り付けたことにより、
熱膨張と収縮からくる金属素線１，２の伸縮が円滑に行
われるようになり、断線が抑制され、耐久性がさらに向
上された。つまり、図５に示すように、測温回数で４５
０回ほどの耐久性が得られた。

【００１８】第３実施例において、リング７を取り付け
る代りに、保護管４の基端部４ａの内部に、２つの孔を
有する絶縁管に嵌合し、金属素線１，２を絶縁管の孔へ
挿通して保護管４の外部へ引き出すようにしてもよい。

【００１９】次に、本発明による金属溶湯用熱電対の、
保護管４の外径の違いによる応答性試験を行つた。外径
が３．２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍ，８ｍｍ，１０ｍｍの保
護管４を用いたＲ型金属溶湯用熱電対により、温度１４
５０℃の鋳鉄溶湯の測温を実施し、応答性の評価を行つ
た。図６に示すように、外径が３．２〜８ｍｍの保護管
４を用いたＲ型金属溶湯用熱電対では、各測定値が所定
の値に落ち着くまでの時間は６〜８秒とあまり変わらな
いのに対し、外径が１０ｍｍの保護管４を用いたもので
は、測定値が所定の値に落ち着くまでの時間は１３秒と
長く、極端に応答性が悪くなることが確認された。

【００２０】

【発明の効果】本発明は上述のように、先端が閉鎖され
たセラミックまたはサーメットからなる保護管の内部
に、熱電対を構成する１対の金属素線の測温接点を前記
保護管の先端部に位置するように挿入し、前記保護管の
先端部の内面に前記金属素線の測温接点または測温接点
の周辺のみを固定し、前記金属素線の他の部分を固定し
ないので、測温の際に金属溶湯の熱が迅速かつ円滑に測
温接点に伝わり、応答性が向上される。

【００２１】保護管の先端部の内面に金属素線の測温接
点またはその周辺が固定され、金属素線の他の部分ない
し後方部分は自由の状態にあるので、金属素線の熱膨張
による伸びが抑えられることなく吸収され、繰返し使用
により生じる金属素線の断線が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るシース型金属溶湯用
熱電対の側面断面図である。

【図２】本発明の第２実施例に係るシース型金属溶湯用
熱電対の側面断面図である。

【図３】本発明の第３実施例に係るシース型金属溶湯用
熱電対の側面断面図である。

【図４】本発明によるシース型金属溶湯用熱電対と従来
型の比較用の金属溶湯用熱電対との測温試験の結果を表
す線図である。

【図５】本発明の第１〜第３の実施例に係るシース型金
属溶湯用熱電対と従来型の比較用の金属溶湯用熱電対と
の測温試験の結果を表す線図である。

【図６】本発明によるシース型金属溶湯用熱電対におけ
る保護管の外径と応答性との関係を表す線図である。

【符号の説明】

１：金属素線 ２：金属素線 ３：測温接点 ４：保護
管 ４ａ：基端部 ４ｂ：被膜 ４ｃ：先端部 ５：固
定剤 ７：リング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北 英紀 神奈川県藤沢市土棚８番地 株式会社い すゞセラミックス研究所内 (72)発明者 大角 和生 神奈川県藤沢市土棚８番地 株式会社い すゞセラミックス研究所内 Ｆターム(参考） 2F056 BP01 BP06 BP07 KC06 KC11 KC12

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端が閉鎖されたセラミックまたはサーメ
   ットからなる保護管の内部に、熱電対を構成する１対の
   金属素線の測温接点を前記保護管の先端部に位置するよ
   うに挿入し、前記保護管の先端部の内面に前記金属素線
   の測温接点または測温接点の周辺のみを固定し、前記金
   属素線の他の部分を固定しないようにしたことを特徴と
   するシース型金属溶湯用熱電対。
2. 【請求項２】前記保護管は窒化珪素，サイアロン，アル
   ミナ，シリカ，ジルコニア，マグネシアまたはガラス系
   材料から作成した、請求項１に記載のシース型金属溶湯
   用熱電対。
3. 【請求項３】前記金属素線の表面にセラミック粉末を溶
   射によりコーテイングするか、無機系被覆材料などをコ
   ーテイングした、請求項１に記載のシース型金属溶湯用
   熱電対。
4. 【請求項４】前記金属素線は白金または白金系合金から
   形成され、前記保護管は窒化珪素，サイアロン，シリカ
   SiO₂，ガラス系材料などの珪素を含む材料から形成さ
   れ、前記保護管の内面はアルミナAl₂O₃ ，ジルコニアZr
   O₂，マグネシアMgO ，チタニアTiO ，窒化硼素BN，チタ
   ン酸アルミニウムAl₂TiO₅ などの珪素を含まない材料を
   被覆されている、請求項１に記載のシース型金属溶湯用
   熱電対。
5. 【請求項５】前記保護管と前記金属素線の測温接点とを
   固定する固定剤が、マグネシアMgO，ジルコニアZrO₂，
   アルミナAl₂O₃ などの珪素を含まない絶縁材料からな
   る、請求項１に記載のシース型金属溶湯用熱電対。
6. 【請求項６】前記保護管の基端部の内部に、フッ素樹
   脂，窒化硼素などの低摩擦性材料から作製したリングを
   嵌合するか、２つの孔を有する絶縁管を嵌合し、前記金
   属素線をリングまたは絶縁管を経て前記保護管の外部へ
   引き出した、請求項１に記載のシース型金属溶湯用熱電
   対。
7. 【請求項７】前記保護管の外径は８ｍｍ以下である、請
   求項１に記載のシース型金属溶湯用熱電対。