JP2004125643A - 温度測定素子及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺の温度測定素子を用いて高温度の炉内の温度測定を行う。
【解決手段】温度測定素子１０は、シース付きの熱電対１２と、先端のセラミックス部分２０及び後端の金属部分２２から成り、熱電対１２を保護する保護管１４と、冷却水が導入されて、熱電対１２の接合部を含む保護管１４の先端部を除いて保護管１４を冷却する冷却筒１６とを有する。保護管１４のセラミックス部分２０と金属部分２２とは、継ぎ手２４によって結合される。長尺の温度測定素子１０について、保護管１４の金属部分２２で機械的強度を保ち、セラミックス部分２０で耐熱性を保つと共に、セラミックス部分２０が破損したときには、その部分のみを取り替えることで、維持費用を低減する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度測定素子及び温度測定方法に関し、特に、最高温度が１５００℃以上の高温度の測定に適した温度測定素子及び温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、製鉄用のコークス炉やカーボンブラックの製造炉などでは、炉内の温度測定のために、熱電対や抵抗温度素子が利用される。熱電対を利用した温度測定では、一般に、熱電対の素線材料及び素線の保護管材料を適切に選定することにより、最高温度として１０００℃以上の温度測定が可能である。このような高温度を測定する熱電対では、その素線を保護するために、セラミックスの保護管が使用される。
【０００３】
熱電対の最高測定温度を、１５００℃程度にまで上げるためには、保護管として、高純度アルミナセラミックスが利用される。高純度アルミナセラミックス材料では、２０００℃程度までの温度に耐えるものが実用化されている。
【０００４】
例えばカーボンブラックの製造炉では、その直径が３ｍを越えるものがあり、炉の中央部分の温度測定には、熱電対として、１５００ｍｍ以上の長さが必要となる。ここで、カーボンブラックの製造炉で、１５００℃程度の温度を計測するために、長さが１５００ｍｍ以上の高純度アルミナセラミックスの保護管を使用することを考えると、このような長尺の保護管は、きわめて高価であり、また、容易に亀裂等の破損が生ずるため、その製作、維持運用に多額のコストが掛かるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、例えば１５００℃程度までの高温度の測定が可能であり、且つ、保護管として１５００ｍｍ以上の長さの実現が可能な温度測定素子及び温度測定方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の温度測定素子は、先端に接合点を形成する熱電対と、前記接合点を除いて熱電対の素線を囲み、冷却流体が流れる管路を有する冷却筒とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の温度測定素子は、熱電対の接合点を除いて熱電対の素線を囲み、冷却流体が流れる管路を有する冷却筒を配設したことにより、露出した接合点で温度を正確に計測する一方、冷却筒によって熱電対の素線部分を冷却するので、熱電対の素線部分を保護する保護管として、より耐熱性の低い材料が使用できる。
【０００８】
本発明の好ましい態様の温度測定素子では、上記熱電対は、接合点を有する先端部分を保護するセラミック管と、素線部分を保護する金属管とを接続した保護管によって、冷却筒よりも半径方向内側で保護される。保護管の一部を金属管で構成することにより、保護管の価格を低減すると共に、その機械的強度を向上させる。
【０００９】
熱電対としては、金属管から発生する金属蒸気に起因する劣化から素線を保護し、正常な温度測定を可能とするために、素線と一体に形成されたセラミックシースを有する熱電対が好適に使用される。このような熱電対として、仕上がり外径が４ｍｍ又は５ｍｍのもので、その長さが１００ｍｍから１９００ｍｍ程度のものが実現できる。
【００１０】
また、前記保護管が、エアーパージ用の吸気口を有することも、本発明の好ましい態様である。この場合、外部から侵入する汚染物質を防止し、熱電対の素線を有効に保護できる。
【００１１】
冷却筒の構造として、半径方向外側に配設される外壁と、半径方向内側に配設される内壁と、前記外壁と内壁との間に配設されて前記管路を内周側管路と外周側管路とに区画する隔壁とを有し、前記内周側管路及び外周側管路が、冷却流体の流入口及び流出口の一方及び他方にそれぞれ接続されると共に、前記隔壁に形成された連通路を介して相互に連通する構造が採用できる。この場合、簡素な構造の冷却筒によって、保護管の有効な冷却が可能となる。
【００１２】
本発明の温度測定方法は、冷却流体が流れる管路を有する冷却筒で、熱電対の先端の接合点を除いて熱電対の素線を囲んで冷却することを特徴とする。
【００１３】
熱電対を、その先端の接合点を除いて、冷却流体が内部を流れる冷却筒で囲むことにより、熱電対の保護管の高温度による損傷を防ぐ一方、先端の接合点で正確な温度の測定が可能となる。
【００１４】
上記温度測定にあたっては、接合点を形成する先端部分を保護するセラミック管と、該セラミック管に接続され前記先端部分以外の素線部分を保護する金属管とを有する保護管によって、冷却筒よりも半径方向内側で熱電対を保護することが好ましい。この場合、例えば、熱電対の取り付け位置から１０００ｍｍ以上離れた測定点で、最高温度が１５００℃以上の温度を有効に計測することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の温度測定素子の構成を示す縦断面図である。本実施形態例の温度測定素子１０は、セラミックシースを有する熱電対１２と、熱電対１２の端子部３２を除いて素線全体を保護する保護管１４と、熱電対１２の先端の接合点及びその近傍を除いて、熱電対１２及び保護管１４をその外側から囲んで冷却する冷却筒１６とから構成される。
【００１６】
熱電対１２は、先端に接合点を有する一対の白金−白金ロジウム素線から成り、素線全体がセラミックシース１８内に収納される。セラミックシース１８の外径は、約３〜５ｍｍであり、その全長は例えば約１９００ｍｍである。
【００１７】
保護管１４は、先端部の高純度アルミナセラミックス（商品名：ジェムランロッド）からなるセラミックス保護管部分２０と、後端部の金属保護管部分２２とからなり、中央部でセラミックス保護管部分２０と金属保護管部分２２とが、継ぎ手２４でカップリングされる。金属保護管部分２２は、その後端部分のフランジ２６で冷却筒１６のフランジ２８とボルト結合される。保護管１４の外径は約１５ｍｍで、その全長は約１９００ｍｍである。金属保護管部分２２の長さと、セラミックス保護管部分２４の長さとを適当に選定することにより、所望の強度及び長さの保護管１４を有する温度測定素子１０が得られる。
【００１８】
熱電対１２は、セラミックシース１８の後端部が、金属保護管部分２２の後端の内ねじ部分にねじ結合されて、保護管１４に取り付けられる。金属保護管部分２２には、そのフランジ２６に隣接して、エアーパージの吸気口３０が形成される。金属保護管部分２２の後端には外ねじが形成され、熱電対１２の端子箱３２がこれにねじ結合される。端子箱３２内で、熱電対１２のリード線と、外部配線とが接続される。
【００１９】
図２は、冷却筒１６の構造を示す縦断面図である。冷却筒１６は、筒壁３４が外壁３４Ａ及び内壁３４Ｂから成る中空構造を有し、その外壁３４Ａと内壁３４Ｂとの間に隔壁３６が形成されている。つまり、冷却筒１６の筒壁３４の内部は、隔壁３６によって、外側流路３８と内側流路４０とに区分される冷却水流路を形成している。冷却筒１６の基端部（取り付け部）の近傍で、外側流路３８には、冷却水の流入管４２が接続され、内側流路４０には、冷却水の流出管４４が接続される。隔壁３６には、冷却筒１６の先端部に連通路４６が形成されており、その連通路４６によって外側流路３８と内側流路４０とが連通する。
【００２０】
冷却水流入管４２によって、冷却筒１６の外側流路３８に供給された冷却水は、外側流路３８内で冷却筒１６の先端部に向かって流れ、冷却筒１６の先端部で内側流路４０に移り、内側流路内で基端部に向かって流れ、次いで、冷却水流出管４４から流出する。冷却筒１６の外径は約４２ｍｍ、内径は約２３ｍｍで、全長は、約１７００ｍｍ程度である。また、冷却筒１６の各部の肉厚は約３ｍｍである。冷却筒１６の存在に起因する熱電対１２の温度測定誤差を小さくするために、保護管１４の外径（１５ｍｍ）の１０倍以上の長さ（約２００ｍｍ）の保護管部分が、冷却筒１６から露出している。
【００２１】
図３は、上記実施形態例の温度測定素子１０を、カーボンブラックの製造炉４８に取り付けた状態で示している。製造炉４８は、酸化還元雰囲気で、その内圧が最大でほぼ１００ｍｍＨ_２Ｏとなる円筒形状を有している。炉４８の外壁には、温度測定素子１０の取付架台５０が取り付けられる。取付架台５０には、冷却筒１６を軸方向に移動可能に支持するフランジ部材５８が取り付けられ、温度測定素子１０の先端は、炉内に延びている。
【００２２】
冷却筒１６と保護管１４とは、双方のフランジ２６、２８によって相互に結合される。冷却筒１６の冷却水流入管４２及び流出管４４にはそれぞれ、冷却水チューブ５２、５４が接続される。また、保護管１４の金属保護管部分２２の後端部には、エアーパージ用のエアーチューブ５６が接続される。保護管１４は、冷却筒１６の内部を延びて、冷却筒１６の先端からその先端部分が約２００ｍｍ露出している。上記構造を採用することにより、温度測定素子１０の炉壁への取付は容易となり、また、温度測定素子１０は、その軸方向の任意の位置で、つまり、炉内の任意の半径方向位置で、温度測定が可能となる。
【００２３】
炉内は、約１６００℃の温度に達するものであり、また、その直径も３ｍ以上あるため、従来の高純度アルミナセラミックスの保護管では、その長さに比して機械的強度が不十分であり、亀裂や破損が生じ易かった。しかし、保護管１４を、セラミックス保護管部分２０と、金属保護管部分２２との接続構造で形成したことにより、その機械的強度が向上する一方、セラミックス保護管部分２０に亀裂や破損が生じても、その部分のみの取り替えで足りるので、温度測定素子１０の維持運用に要する費用の削減が可能となった。
【００２４】
保護管１４の内部をエアーパージすることにより、外部からの汚染物質の侵入が防止できる。また、熱電対の素線をセラミックシースで保護する構造としたことにより、高温環境下で金属保護管部分２２から発生しがちな金属蒸気による劣化から熱電対１２の素線が保護できる。熱電対１２の素線は、接合点と後端部分とで同じ材質を使用しているので、熱電対１２の起電力は、接合点の温度と、素線後端部の温度とによって一義的に決まり、素線途中の温度勾配には原理的に影響を受けない。従って、素線の途中を冷却しても温度測定結果に影響を及ぼすことはない。
【００２５】
上記実施形態例では、例えば、熱電対の素線材料として白金−白金ロジウム、熱電対のシース材料として高純度アルミナセラミックス、セラミックス保護管部分の材料として高純度アルミナセラミックスが使用される。高純度アルミナセラミックスとしては、香蘭社から供給される、９９．９５％純度のアルミナを有するジェムランが好適に使用可能である。
【００２６】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の温度測定素子及び温度測定方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の温度測定素子及び温度測定方法によると、長尺の温度測定素子を用いて高温度を測定する際に、温度測定素子の機械的強度を維持しつつ、良好な温度測定結果が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る温度測定素子の断面図。
【図２】図１に示した冷却筒の断面図。
【図３】図１の温度測定素子を炉に取り付けた状態で示す、炉の水平方向断面図。
【符号の説明】
１０：温度測定素子
１２：熱電対
１４：保護管
１６：冷却筒
１８：シース（さや管）
２０：セラミック保護管部分
２２：金属保護管部分
２４：継ぎ手
２６、２８：フランジ
３０：エアー供給口
３２：端子箱
３４：筒壁
３６：隔壁
３８：外側流路
４０：内側流路
４２：冷却水流入管
４４：冷却水流出管
４６：連通路
４８：製造炉
５０：架台
５２、５４：冷却水チューブ
５６：エアーチューブ
５８：取付フランジ

Claims (7)

1. 先端に接合点を形成する熱電対と、前記接合点を除いて熱電対の素線を囲み、冷却流体が流れる管路を有する冷却筒とを備えることを特徴とする温度測定素子。
2. 前記熱電対は、前記接合点を形成する先端部分を保護するセラミック管と、前記接合点以外の素線を保護する金属管とを接続した保護管によって、前記冷却筒よりも半径方向内側で保護される、請求項１に記載の温度測定素子。
3. 前記保護管は、エアーパージ用の吸気口を有する、請求項２に記載の温度測定素子。
4. 前記冷却筒は、半径方向外側に配設される外壁と、半径方向内側に配設される内壁と、前記外壁と内壁との間に配設されて前記管路を内周側管路と外周側管路とに区画する隔壁とを有し、前記内周側管路及び外周側管路が、冷却流体の流入口及び流出口の一方及び他方にそれぞれ接続されると共に、前記隔壁に形成された連通路を介して相互に連通する、請求項１〜３の何れかに記載の温度測定素子。
5. 冷却流体が流れる管路を有する冷却筒で、熱電対の先端の接合点を除いて熱電対の素線を囲んで冷却することを特徴とする温度測定方法。
6. 前記接合点を形成する先端部分を保護するセラミック管と、該セラミック管に接続され前記先端部分以外の素線部分を保護する金属管とを有する保護管によって、前記冷却筒よりも半径方向内側で前記熱電対を保護する、請求項５に記載の温度測定方法。
7. 熱電対の取り付け位置から１０００ｍｍ以上離れた測定点で、最高温度が１５００℃以上の温度を計測する、請求項６に記載の温度測定方法。

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