JP2015059918A - 温度計測プローブ、及び高温流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑えつつ高精度の流体温度計測が可能な温度計測プローブ、及び高温流体機械を提供する。【解決手段】第一の金属１１ａと第二の金属１１ｂとからなる熱電対１１を備える温度計測プローブ１０であって、第一の金属１１ａから形成された第一壁面部１２ａと、第二の金属１１ｂから形成され、第一壁面部１２ａとともに、ガスＧの流通方向に沿って延びる筒状をなす流通空間Ｓを画成し、第一壁面部１２ａと接続される境界が温接点２０とされた第二壁面部１２ｂとを備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、高温流体機械内で高温流体の温度を計測する温度計測プローブと、これを備えた高温流体機械に関するものである。

従来から、高炉やガスタービンなどの高温流体機械の内部を流通する流体の温度を計測する温度計測装置が知られている。温度計測装置には、高温流体機械の内部に挿入可能な棒状のプローブが一般に用いられている。具体的には、特許文献１に記載されているように、サポート（熱電対保護筒）の先端部にガスを導入する筒状のガス流路（整流部）が形成されて、このガス流路内に設けられた熱電対の感温部によって、ガス流路に流入したガスの温度を計測するようになっている。

特開平９−２９７０６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている構造では、ガス流路の壁面と熱電対との間での輻射伝熱、熱伝導の影響を受けて熱電対で計測する温度が実際のガス温度と異なってしまう可能性がある。特にガスが高温である場合には、ガス流路の損傷を抑制するため、温度計測中にガス流路を冷却することもあるが、この場合には熱電対での輻射伝熱、熱伝導の影響が顕著となり、熱電対で計測する温度が実際のガス温度よりも低くなってしまい、ガス温度を正確に計測することは難しくなってしまう。ここで、ガス流路やサポートに耐熱性材料を用いることでこれらを冷却せずに温度計測を実施することは可能になるが、材料が高価であり、コストアップとなってしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、コストを抑えつつ高精度の流体温度計測が可能な温度計測プローブ、及び高温流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る温度計測プローブは、第一の金属と第二の金属とからなる熱電対を備え、前記第一の金属から形成された第一壁面部と、前記第二の金属から形成され、前記第一壁面部とともに流体の流通方向に沿って延びる筒状をなす流通空間を画成し、前記第一壁面部と接続される境界が温接点とされた第二壁面部と、を備えることを特徴とする。

このような温度計測プローブによれば、第一の金属と第二の金属とによって流体の流通空間を画成している。即ち、熱電対そのものによって流通空間を画成しているため、流通空間の壁面から放射された熱は再び流通空間の壁面に入熱され、熱電対自身の間で入放熱が行われることになる。このため、熱電対と、その周囲の部品との間での輻射伝熱、熱伝導の影響を低下でき、より流体の温度に近い温度を計測することが可能となる。

また、前記第一壁面部は、前記流通空間の壁面のうち、前記流通空間の周方向の一部の領域を形成し、前記第二壁面部は、前記流通空間の壁面のうち、前記第一壁面部以外の前記周方向の領域を形成し、前記温接点が前記流通空間の延在方向に沿って延びていてもよい。

このように流通空間の延在方向に沿って温接点が延びていることで、流体の流通空間内で流通方向に温度分布が生じるような流れ場であっても、流通空間内の平均的な流体温度を計測することができる。従って、流体温度の計測精度をさらに向上させることができる。

さらに、前記第一壁面部は、前記流通空間の壁面のうち、前記流通空間の延在方向の一部の領域を形成し、前記第二壁面は、前記流通空間の壁面のうち、前記第一壁面以外の前記延在方向の領域を形成し、前記温接点が前記流通空間の周方向に沿って延びていてもよい。

このように流通空間の周方向に沿って温接点が延びていることで、流通空間内で周方向に温度分布が生じるような流れ場であっても、流通空間内の平均的な流体温度を計測することができる。従って、流体温度の計測精度をさらに向上させることができる。

また、本発明に係る温度計測プローブは、前記熱電対を外側から覆う断熱部材をさらに備えていてもよい。

このような断熱部材を備えることで、熱電対と外界との間の入放熱量を低減でき、流体温度の計測精度をさらに向上させることができる。

さらに、前記断熱部材は、前記熱電対から離間する方向に層状に設けられ、各層同士の間には、間隙が形成されていてもよい。

このように、多層に断熱部材が設けられていることで、熱電対と外界との間の入放熱量をさらに低減でき、流体温度の計測精度をさらに向上させることができる。

本発明に係る高温流体機械は、上記の温度計測プローブと、流体が流通する流路を画成し、前記温度計測プローブが抜き差しされる挿入孔が形成された外壁部と、を備えることを特徴とする。

このような高温流体機械によれば、温度計測プローブの熱電対での輻射伝熱、熱伝導の影響を低下でき、より流体の温度に近い温度を計測することが可能となる。

本発明の温度計測プローブ、及び高温流体機械によると、熱電対によって流体の流通空間を画成したことで、コストを抑えつつ高精度の流体温度計測が可能となる。

本発明の第一実施形態に係る高温流体機械の要部を示す図であって、温度計測プローブの挿入中の状態を示すものである。 本発明の第一実施形態に係る高温流体機械の温度計測プローブを示す全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図であり、（ｂ）は軸線の径方向から見た図であって（ａ）のＡ−Ａ断面を示すものである。 本発明の第一実施形態に係る高温流体機械の温度計測プローブの絶縁管及び断熱部材を示す断面図であって、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面を示すものである。 本発明の第二実施形態に係る高温流体機械の温度計測プローブを示す全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図であり、（ｂ）は軸線の径方向から見た図であって（ａ）のＣ−Ｃ断面を示すものである。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係る高温流体機械１について説明する。
高温流体機械１は、例えば、ガスタービン、ボイラ、熱処理炉等、内部に高温の流体が流通するものである。
図１に示すように、高温流体機械１は、ガスＧ（流体）が流通する主流路ＦＣを画成する外壁部２と、この主流路ＦＣ内でガスＧの温度を計測する温度計測プローブ１０とを備えている。

外壁部２には、外壁部２の内外を連通する挿入孔Ｈが形成されている。

温度計測プローブ１０は、外壁部２の挿入孔Ｈを通じて主流路ＦＣ内に、不図示の移動装置等によって抜き差しされる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、この温度計測プローブ１０は、第一の金属１１ａ及び第二の金属１１ｂの二種の金属からなる熱電対１１と、熱電対１１を支持する絶縁管３０と、これら熱電対１１及び絶縁管３０を覆う断熱部材３１とを備えている。

熱電対１１は、例えば白金系やイリジウム系の材料を用いたものである。具体的には例えば、白金系の場合には、第一の金属１１ａとして白金を用い、第二の金属１１ｂとして白金ロジウム合金を用いる。また、イリジウム系の場合には、第一の金属１１ａとしてイリジウムロジウム合金を用い、第二の金属１１ｂとしてイリジウムを用いる。

また、この熱電対１１は、温度計測プローブ１０が主流路ＦＣ内に挿入された状態で、先端１０ａに位置する筒状部１２と、筒状部１２に接続されて外壁部２の外部に向かって延びる線状部１３とを有している。

筒状部１２は、本実施形態では軸線Ｏを中心として軸線Ｏの方向に延びる円筒状をなしている。筒状部１２の内部は、温度計測プローブ１０が主流路ＦＣ内に挿入された状態で、主流路ＦＣのガスＧを軸線Ｏ方向に流通させる流通空間Ｓとなっている。

そしてこの筒状部１２は、軸線Ｏの周方向の一方側（図２（ａ）の紙面に向かって左側）の領域を形成する第一壁面部１２ａと、周方向における第一壁面部１２ａ以外の領域を形成する第二壁面部１２ｂとを備えている。

第一壁面部１２ａは、第一の金属１１ａにより形成され、筒状部１２全体のうち、周方向の一方側の半周分を軸線Ｏ方向にわたって形成している。

第二壁面部１２ｂは、第二の金属１１ｂにより形成され、筒状部１２全体のうち、周方向の他方側の半周分を軸線Ｏ方向にわたって形成している。そして、温度計測プローブ１０の先端１０ａ側となる周方向の位置で第一壁面部１２ａと接続されており、この接続部分、即ち、第一壁面部１２ａとの境界が軸線Ｏの方向に延びる温接点２０となっている。
このようにして、熱電対１１を構成する第一の金属１１ａと第二の金属１１ｂとによって流通空間Ｓが画成されている。

線状部１３は、温接点２０が形成された位置に対して、軸線Ｏ回りに１８０度反対側の周方向の位置で、第一壁面部１２ａ及び第二壁面部１２ｂに接続された熱電対１１の素線である。この線状部１３は、第一の金属１１ａよりなるとともに第一壁面部１２ａに接続された第一素線１３ａと、第二の金属１１ｂよりなるとともに第二壁面部１２ｂに接続された第二素線１３ｂとを備えている。

図３に示すように、絶縁管３０は、熱電対１１の第一素線１３ａと第二素線１３ｂとを絶縁した状態でこれら第一素線１３ａ及び第二素線１３ｂを覆っており、温度計測プローブ１０が主流路ＦＣ内に挿入された状態で外壁部２の外部に向かって延びている。

断熱部材３１は、熱電対１１及び絶縁管３０を外側から覆う断熱材料によって構成された部材である。断熱材料としては、例えば、セラミックス、イリジウム、白金等の低放射率材料が好適である。

このような高温流体機械１によると、温度計測プローブ１０では、熱電対１１における第一の金属１１ａと第二の金属１１ｂとによってガスＧの流通空間Ｓが画成されている。即ち、熱電対１１そのものによって流通空間Ｓが画成されている。このため、流通空間Ｓの壁面となる第一壁面部１２ａ及び第二壁面部１２ｂから放射された熱は、再び流通空間Ｓの壁面に入熱され、熱電対１１自身の間で入放熱が行われることになる。

よって、熱電対１１が、周囲の部品との間での輻射伝熱、熱伝導の影響を低減でき、よりガスＧの真の温度に近い温度を熱電対１１で計測することが可能となる。そして、流通空間Ｓを形成する部材を別途設けていないため、計測するガスＧが高温であっても、この流通空間Ｓを形成する部材を冷却したり、高価な材料を使用したりする必要がなくなる。

また、流通空間Ｓの延在方向となる軸線Ｏ方向に沿って、温接点２０が延びている。このため、流通空間Ｓ内でガスＧの流通方向に温度分布が生じるような流れ場であっても、流通空間Ｓ内の平均的なガスＧの温度を計測することができる。

さらに、断熱部材３１が設けられていることで、熱電対１１と外界との間の入放熱量を低減でき、ガスＧの温度の計測精度をさらに向上させることができる。

本実施形態の高温流体機械１によると、熱電対１１によって流体の流通空間Ｓを画成したことで、コストを抑えつつ高精度の流体温度計測が可能となる。また、軸線Ｏ方向に沿って延びる温接点２０によって、流体温度の計測精度をさらに向上させることができる。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る高温流体機械１Ａについて説明する。
本実施形態の高温流体機械１Ａでは、熱電対１１における筒状部１２Ａが、第一実施形態とは異なっている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、筒状部１２Ａは、第一実施形態と同様に軸線Ｏの方向に延びる円筒状をなしている。
そして筒状部１２Ａは、軸線Ｏの方向の一方側（図４（ｂ）の紙面に向かって左側）の領域を形成する第一壁面部１２ａＡと、軸線Ｏの方向における第一壁面部１２ａＡ以外の領域を形成する第二壁面部１２ｂＡとを備えている。

第一壁面部１２ａＡは、第一の金属１１ａからなり、筒状部１２Ａ全体のうち、軸線Ｏ方向の一方側の半分を周方向にわたって形成している。

第二壁面部１２ｂＡは、第二の金属１１ｂからなり、筒状部１２Ａ全体のうち、軸線Ｏ方向の他方側の半分を周方向にわたって形成している。そして、筒状部１２Ａにおける軸線Ｏの方向の中央位置で、第一壁面部１２ａＡと接続されており、この接続部分、即ち第一壁面部１２ａＡとの境界が軸線Ｏの周方向に延びる温接点２０Ａとなっている。
このようにして、熱電対１１を構成する第一の金属１１ａと第二の金属１１ｂとによって流通空間Ｓが画成されている。

本実施形態の高温流体機械１Ａによると、流通空間Ｓの周方向に沿って温接点２０Ａが延びていることで、流通空間Ｓ内で周方向に温度分布が生じるような流れ場であっても、流通空間Ｓ内の平均的な流体温度を計測することができる。従って、流体温度の計測精度をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、温接点２０Ａが流通空間Ｓにおける軸線Ｏ方向の中央に位置しているため、温接点２０Ａから周囲への視野が減少し、熱電対１１での輻射伝熱の影響をさらに低減できる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、断熱部材３１は、熱電対１１及び絶縁管３０から離間する方向に層状に設けられていてもよい。さらに各層同士の間には間隙が形成されていることがさらに好ましい。このような構成によって、熱電対１１と外界との間の入放熱量のさらなる低減が可能となり、計測精度のさらなる向上が可能となる。

また、断熱部材３１及び絶縁管３０は、必ずしも設けなくてもよい。即ち、少なくとも熱電対１１を構成する第一の金属１１ａと第二の金属１１ｂとによって流通空間Ｓが画成されていればよい。そして、このように断熱部材３１及び絶縁管３０を備えていないことで、ガスＧが高温である場合でも、例えばこれらの部材を冷却したり、耐熱性高い高価な材料を使用したりする必要がなくなる。

上記した温度計測プローブ、及び高温流体機械によれば、熱電対によって流体の流通空間を画成したことで、コストを抑えつつ高精度の流体温度計測が可能となる。

１…高温流体機械 ２…外壁部 １０…温度計測プローブ １０ａ…先端 １１…熱電対 １１ａ…第一の金属 １１ｂ…第二の金属 １２、１２Ａ…筒状部 １２ａ、１２ａＡ…第一壁面部 １２ｂ、１２ｂＡ…第二壁面部 １３…線状部 １３ａ…第一素線 １３ｂ…第二素線 ２０、２０Ａ…温接点 ３０…絶縁管 ３１…断熱部材 Ｈ…挿入孔 Ｇ…ガス Ｓ…流通空間 Ｏ…軸線 ＦＣ…主流路

Claims (6)

1. 第一の金属と第二の金属とからなる熱電対を備え、
   前記第一の金属から形成された第一壁面部と、
   前記第二の金属から形成され、前記第一壁面部とともに、流体の流通方向に沿って延びる筒状をなす流通空間を画成し、前記第一壁面部と接続される境界が温接点とされた第二壁面部と、
   を備えることを特徴とする温度計測プローブ。
2. 前記第一壁面部は、前記流通空間の壁面のうち、前記流通空間の周方向の一部の領域を形成し、
   前記第二壁面部は、前記流通空間の壁面のうち、前記第一壁面部以外の前記周方向の領域を形成し、
   前記温接点が前記流通空間の延在方向に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の温度計測プローブ。
3. 前記第一壁面部は、前記流通空間の壁面のうち、前記流通空間の延在方向の一部の領域を形成し、
   前記第二壁面は、前記流通空間の壁面のうち、前記第一壁面以外の前記延在方向の領域を形成し、
   前記温接点が前記流通空間の周方向に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の温度計測プローブ。
4. 前記熱電対を外側から覆う断熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の温度計測プローブ。
5. 前記断熱部材は、前記熱電対から離間する方向に層状に設けられ、各層同士の間には、間隙が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の温度計測プローブ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の温度計測プローブと、
   流体が流通する流路を画成し、前記温度計測プローブが抜き差しされる挿入孔が形成された外壁部と、
   を備えることを特徴とする高温流体機械。

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