JP2006017556A

JP2006017556A - シース熱電対

Info

Publication number: JP2006017556A
Application number: JP2004194885A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kimura; 秀雄木村; Hiroo Hiura; 寛雄日浦; Yuji Tomita; 勇二冨田; Etsuji Sakino; 悦司崎野
Original assignee: Yamari Industries Ltd
Current assignee: Yamari Industries Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】高温・高速流体の温度測定においても高い応答性と支持強度が維持できる高応答・高耐力型シース熱電対を提供せんとする。
【解決手段】金属シース２内に、端部３１ａ、３２ａ同士を接続してなる温接点３３が前記シースの軸方向途中部２０に位置し且つ該温接点よりシース両端２１、２２に向けて互いに反対の側に延びる熱電対素線３１、３２を、単又は複数対内挿し、これら熱電対素線３１（３２）と金属シース２の隙間に無機絶縁物を充填し、前記金属シース２の両端側をそれぞれ支持した。
【選択図】図１

Description

本発明は、シース熱電対に係わり、特にガスタービンや蒸気タービン、石油化学プラント等の高温・高速流体の温度測定に好適なシース熱電対に関する。

熱電対は、種類の異なる二本の素線を接続し、この接続部（温接点）間に温度差が生じたとき閉回路に熱起電力が発生し、回路に電流が流れるゼーペック効果を利用して温度を測定するものである。シース熱電対は、熱電対素線を金属シース内に納め、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の無機絶縁物で充填密封して一体化したものである。

従来のシース熱電対は、先端が互いに接続された二本の熱電対素線を当該接続部で折り返した形に平行に配し、棒状の金属シース基端から挿入して、温接点をシース先端部分に位置させるとともに、シース基端側を片持ち状に支持することで先端側を被測定流体中に突出させ、当該温接点が位置するシース先端の部分で温度測定するものである（例えば、特許文献１〜３参照。）。

このようなシース熱電対には、高温や様々な雰囲気の中での耐久力や高い応答性が使用環境に応じ要求されており、耐久力を持たせるためには、雰囲気に適したシースの材質選定とともに同肉厚を増すことが好ましく、また、応答性を向上するためには、熱容量の点からシース外径は細く、受熱表面積の点から被測定流体中へのシース挿入長は長くする必要があった。

しかしながら、このようにシース外径を細くし且つシース挿入長を長くすればするほど、流体から受ける曲げモーメントにより強度的な問題が生じやすく、高速流体であれば尚更であり、応答性の向上には限界があった。
高速流体や高圧流体に用いるものとして、強度を維持すべくシース全体を保護管で覆ってしまうことも為されているが、シースとの間に空気層が存在するため、同じく応答性の低下は避けられない。

実開平４−１０６７３４号公報特開平８−８２５５７号公報特開２００１−１６５７８０号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、高温・高速流体の温度測定においても高い応答性と支持強度が維持できる高応答・高耐力型シース熱電対を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、金属シース内に、端部同士を接続してなる温接点が前記シースの軸方向途中部に位置し且つ該温接点よりシース両端に向けて互いに反対の側に延びる熱電対素線を、単又は複数対内挿し、これら熱電対素線と金属シースの隙間に無機絶縁物を充填し、前記金属シースの両端側をそれぞれ支持してなることを特徴とするシース熱電対を構成した。

特に、端部同士を接続してなる温接点に対し、互いに反対の側に延びる熱電対素線を単又は複数対設け、これら熱電対素線を金属シース内に挿通することにより、前記温接点を当該シースの軸方向途中部に位置させ且つシース両端部から前記反対側に延びる各熱電対素線を延出させ、これら熱電対素線と金属シースの隙間に無機絶縁物を充填した後、当該金属シースを所定形状に曲成し、両端側をそれぞれ支持させてなるものが好ましい。

また、前記金属シースを略Ｕ字形状に構成し、両端側をそれぞれ支持部材に固定して突設される当該金属シースの突出方向頂部又はその近傍に、前記熱電対素線の温接点を位置させてなるものが好ましい。

さらに、前記金属シースの肉厚を、シース外径の２０％以上の寸法に設定してなるものが好ましい。

以上にしてなる本願発明に係るシース熱電対によれば、金属シース内部では熱電対素線間及び各素線とシース間に所定の絶縁距離を維持する必要があるが、シース断面を通過する一対あたりの素線の数は、従来のシース熱電対の１／２となるため、シース外径に対するシース肉厚の比率をより大きく設定でき、これにより流体応力への耐力が向上する。また、シース外径をより細く設定し、応答性の向上を図ることができる。さらに、温接点で折り返した熱電対素線が挿着される従来のものに比べ、構造が簡単化され熱電対素線の絶縁性や耐久性も向上する。

また、金属シースの両端側をそれぞれ支持させたので、一端側のみ支持した従来のものに比べ、流体から支持箇所に作用する曲げモーメントがほぼ半減し、耐力が著しく向上するとともに、その分シース外径をさらに細く設定して応答性の向上を図ることが可能である。

また、端部同士を接続してなる温接点に対し、互いに反対の側に延びる熱電対素線を単又は複数対設け、これら熱電対素線を金属シース内に挿通することにより、前記温接点を当該シースの軸方向途中部に位置させ且つシース両端部から前記反対側に延びる各熱電対素線を延出させ、これら熱電対素線と金属シースの隙間に無機絶縁物を充填した後、当該金属シースを所定形状に曲成し、両端側をそれぞれ支持させたので、上述の効果に加え、温接点で折り返した熱電対素線を挿着していた従来のものに比べて作業性も向上し、製作コストも低減できる。

また、金属シースを略Ｕ字形状に構成し、両端側をそれぞれ支持部材に固定して突設される当該金属シースの突出方向頂部又はその近傍に、前記熱電対素線の温接点を位置させたので、上述の効果に加え、流体中へのシース挿入長を維持しつつ流体から受ける応力や流体への影響も少なくでき、したがって、シース挿入長をより長く設定して受熱表面積を大きくし、応答性の向上を図ることも可能である。
また、略Ｕ字形状の金属シースを支持する支持部材は大きくなるが、シース熱電対全体として強度が大きくなる。

また、金属シースの肉厚を、シース外径の２０％以上の寸法に設定したので、流体応力への耐力が著しく向上し、シース外径をより細く設定して応答性の向上を図ることができる。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明に係るシース熱電対の構成を示す断面図であり、図１〜３は代表的実施形態を示し、図中符号１はシース熱電対、２は金属シース、３１、３２は熱電対素線、４は無機絶縁物、５は保護管、６は取付金具、７は端子箱、８は補償導線、９は測定器をそれぞれ示している。

シース熱電対１は、図１に示すように、金属シース２内に熱電対素線３１、３２が内挿され、これら熱電対素線３１（３２）と金属シース２の隙間に無機絶縁物４を充填したものである。熱電対素線の端部３１ａ、３２ａ同士を接続してなる温接点３３は、前記シース２の軸方向途中部（２０）に位置しており、該温接点３３よりシース両端部２１、２２に向けて、熱電対素線３１、３２が互いに反対の側に延び、金属シース２の両端側が、支持部材１１にそれぞれ支持されている。

本例では、熱電対素線３１、３２を一対のみ内挿したシース熱電対を示しているが、複数対内挿しても良い。また、以下の説明では、金属シース２をスリーブ状の保護管５で支持し、端子箱から延出した補償導線８で測定器９に接続される耐圧防爆型シース熱電対として構成した例について説明するが、本発明はこのような構造に何ら限定されず、端子箱を介することなく補償導線を直接つないだものや脱着コネクタを設けたものなど、従来と同様の種々の型のシース熱電対として構成することができる。

金属シース２は略Ｕ字形状に構成されており、その両端側が支持部材１１により固定されている。具体的には、支持部材１１としてスリーブ状のステンレス製保護管５が設けられ、金属シース２の両端側が前記保護管５に内挿され、その隙間にＭｇＯ等が充填された後、保護管先端の金属シース２が突出している部分を蓋５０で塞ぎ、金属シース２に溶接することで、金属シース２両端側をそれぞれ支持する支持部１２、１３が形成されている。尚、溶接は必ずしも必要ではなく、他の支持手段を用いることも勿論可能である。

金属シース２のうち保護管５の先端から突出した略Ｕ字状部分が感温部１０であり、突出方向頂部２０に前記熱電対素線の温接点３３が位置されている。尚、本発明の「略Ｕ字形状」は、例えば図４に示すように突出方向先端が外側に膨出した略Ω形状のものや、先端に向かって互いに寄り合うように傾斜した略Ｖ字形状に近いもの等も含み、突出した感温部１０が両端支持されている限り保護管５内を延びる一方の端側が短い鉤状のもの等をも含まれる。特に、図４の略Ω形状としたものは、流体中心寄りの突出方向先端位置における接触表面積が大きくなり、応答性に優れるといったメリットを有する。

金属シース２は、従来と同様、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１４、ＳＵＳ３１６等）やニッケルクローム系耐熱合金（インコネル等）からなるものが用いられ、また、シース内に充填される無機絶縁物４も、従来と同様、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等が用いられ、これらに何ら限定されるものでもない。

本実施形態に係るシース熱電対１の作製は、まず、図２（ａ）に示すように、熱電対素線の端部３１ａ、３２ａを突合せ溶接することで温接点を形成し、該温接点３３に対して互いに反対側に延びる熱電対素線３１、３２を一直線状に構成し、これら熱電対素線３１（３２）を金属シース２の内部に挿通し、中間の温接点３３を当該シースの軸方向途中部に位置させてシース両端部２１、２２からは各熱電対素線３１、３２の他端側をそれぞれ延出させる。

次に、図２（ｂ）に示すように、熱電対素線３１（３２）と金属シース２の隙間に、無機絶縁物４を充填し、シース外周から加圧成形することにより、両端から熱電対素線３１、３２を延出させた一本の金属シースが構成される。

次に、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、当該金属シース２を所定形状、本例では頂部２０に温接点３３が位置するように略Ｕ字形状に曲げ加工した後、両端側をそれぞれ支持部材１１に支持させることでシースが略Ｕ字形状に突設されたシース熱電対１が構成される。

このような手順により本発明のシース熱電対は容易に作製することができるが、その他、あらかじめ略Ｕ字形状に曲げ加工された金属シース内部に、上述と同様に一直線状に接続された熱電対素線３１、３２を挿通し、隙間に無機絶縁物を充填し、加圧成形することで同様のシース熱電対を構成することも可能である。

また、各熱電対素線３１、３２をそれぞれ両端から延出した状態に内装した一対の分割シースを構成し、それぞれの分割シースの一端側から延出している熱電対素線の端部同士を接続して温接点とするとともに、当該端部に臨む分割シースの端部同士を直接又は別部材を介して接続することにより本発明に係るシースを構成してなるものも可能である。

本発明のシース熱電対１では、図３に示すように、シース断面を通過する一対あたりの素線が１本のみとなるため、シース外径Ｄに対するシース肉厚ｔの比率を大きく設定でき、従来１０〜１５％程度であったものを２０％以上に設定できるため、流体応力への耐力は著しく向上し、シース外径をより細くして温度変化に敏感に反応するシース熱電対を構成することが可能となる。

また、熱電対素線を２対以上内装する場合であっても、本発明の熱電対素線は特に接続部分の構造が簡単であるので従来型の同径シースとの対比において同径乃至より細い素線を使用でき、このような素線を使用して上記比率を２０％以上に設定でき、これにより同じく高い耐力を実現できるとともに応答性も向上できるのである。
シース外径Ｄは、従来よく用いられている０．５〜８ｍｍのものに何ら限定されず、それよりも細いものや太いものも同様に採用できる。

図５は、本発明に係るシース熱電対の変形例を示しており、例えば図５（ａ）に示すように、略Ｕ字形状に構成した金属シースを更に曲げることで、流体から受ける応力を低減しつつ接触表面積を大きくすることができ、また、図５（ｂ）に示すように突出方向に沿ってスパイラル状に捻ったものも、同様に接触表面積を大きくでき、応答性をより向上させることが可能であり、また、略Ｕ字形状以外に、図示しないが略Ｗ形状など複数の頂部を有するものとしたり、先端側を流体の流通方向に沿ってスパイラル状（コイル状）に捻ったものも好ましい。

また、以上の実施形態では金属シースの両端側を同一の支持部材で支持させているが、本発明はこれに限らず、両端側をそれぞれ別の支持部材で支持させたものも好ましく、例えば両端の支持部材で流体の流通路を横切るように金属シースを架設し、中央部付近に位置した温接点で温度測定を行うものも好ましい実施例である。

次に、本発明に係るシース熱電対と従来タイプのシース熱電対の応答特性の測定結果について説明する。

図６は各シース熱電対の応答特性を表すグラフである。
実施例１は、外径３．２ｍｍのＵ字形状のシースを突設した本発明に係るシース熱電対、比較例１は、同じく外径３．２ｍｍの棒状のシースを突設した従来タイプのシース熱電対、比較例２は、外径６．４ｍｍの同じく従来タイプのシース熱電対であり、突出距離や素材等、他の条件は同じとし、それぞれ室温から約１００℃の沸騰水に浸漬した時の温度変化量を測定した。

図６のグラフから分かるように、シース外径が同じ比較例１の時定数が約１．３であるのに対し、実施例１の時定数は約０．９となっており、応答性が向上している。時定数とは温度変化量６３．２％に至るまでの所要時間であり、この時定数が小さいほど応答性が良いと判断される。

また、温度変化量１００％に至るまでの所要時間も、比較例２では約５秒必要であったのに対し、実施例１では約３．９秒となり、明らかに応答性が向上している。実施例１と比較例１は外径が同じであるため、この結果は、Ｕ字形状のシースの流体との接触面積増大による効果と考えられる。

また、シース外径６．４ｍｍの比較例２では、比較例１と比べても時定数が倍以上となっており、応答性が非常に低く、シース外径が応答性に影響することが分かる。

本発明の実施形態に係るシース熱電対を示す断面図。（ａ）〜（ｄ）は同じくシース熱電対の作製手順を示す説明図。熱電対素線を内装したシースの断面図。略Ω形状のシースとした変形例を示す断面図。（ａ）及び（ｂ）は、シース熱電対の変形例を示す斜視図。各シース熱電対の応答特性を表すグラフ。

符号の説明

１シース熱電対
２金属シース
４無機絶縁物
５保護管
６取付金具
７端子箱
８補償導線
９測定器
１０感温部
１１支持部材
１２、１３支持部
２０頂部
２１、２２シース両端部
３１、３２熱電対素線
３１ａ、３２ａ端部
３３温接点
５０蓋

Claims

金属シース内に、端部同士を接続してなる温接点が前記シースの軸方向途中部に位置し且つ該温接点よりシース両端に向けて互いに反対の側に延びる熱電対素線を、単又は複数対内挿し、これら熱電対素線と金属シースの隙間に無機絶縁物を充填し、前記金属シースの両端側をそれぞれ支持してなることを特徴とするシース熱電対。
端部同士を接続してなる温接点に対し、互いに反対の側に延びる熱電対素線を単又は複数対設け、これら熱電対素線を金属シース内に挿通することにより、前記温接点を当該シースの軸方向途中部に位置させ且つシース両端部から前記反対側に延びる各熱電対素線を延出させ、これら熱電対素線と金属シースの隙間に無機絶縁物を充填した後、当該金属シースを所定形状に曲成し、両端側をそれぞれ支持させてなる請求項１記載のシース熱電対。
前記金属シースを略Ｕ字形状に構成し、両端側をそれぞれ支持部材に固定して突設される当該金属シースの突出方向頂部又はその近傍に、前記熱電対素線の温接点を位置させてなる請求項１又は２記載のシース熱電対。
前記金属シースの肉厚を、シース外径の２０％以上の寸法に設定してなる請求項１〜３の何れか１項に記載のシース熱電対。