JP2023008276A - 温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、機械的強度を維持しつつ、周辺温度の影響を低減するとともに、混錬設備と緊密に取り付けられる温度測定装置を提供することにある。【解決手段】本発明に係る温度測定装置は、円筒形状に形成された保護管と、先端に感温部を有し、前記保護管に挿入される熱電対と、を備え、前記熱電対の感温部が、前記保護管の先端部に固定され、前記保護管の外周面上に、全周にわたる凹溝が設けられ、前記凹溝内に、熱伝導率が前記保護管より低い低熱伝導材からなる低熱伝導部が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、温度測定装置に関し、特に、混錬装置に設置されて混錬材料の温度を測定するのに好適に用いられる温度測定装置に関する。

この種の混錬装置用の温度測定装置としては、粘度のある混錬材料から受ける応力（衝撃や曲げの力）に耐えるため、耐久性を有する金属製の保護管をその先端が一部混錬室内部に突出した状態で取り付け、その内部にシース型熱電対を挿着したものが従来提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、混錬装置で高粘度の混錬材料を混錬する際に、設定温度を超過すると、混錬材料が焼けて不良品となってしまう。したがって、混錬装置に設置される温度測定装置の応答性は非常に重要であるが、従来の保護管は同一材質で構成され、その形状や材質の熱伝導率等により応答性が決定され、応答性の改善が見込めなかった。

特開２００４－３７３８１号

本発明は、耐久性を有しつつ、応答性を向上させることが容易な温度測定装置を提供することを目的としている。

本発明者はかかる現況に鑑み、鋭意検討した結果、応答性の低下が保護管を通じて基端側、とくに取り付け部から設備側に熱が逃げてしまうことが原因の一つであると考え、保護管の基端側の厚みを薄くすることで熱の逃げを防止することを着想し、さらに薄くした箇所に熱伝導率が前記保護管より低い低熱伝導材からなる低熱伝導部を設けることで、測定対象から受ける衝撃や曲げの力に対する機械的強度も維持することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る温度測定装置は、円筒形状に形成された保護管と、先端に感温部を有し、前記保護管に挿入される熱電対と、を備え、前記熱電対の感温部が、前記保護管の先端部に固定され、前記保護管の外周面上に、少なくとも一つの凹溝が設けられ、前記凹溝内に、熱伝導率が前記保護管より低い低熱伝導材からなる低熱伝導部が設けられている。

この構成によれば、保護管の先端部と、その先端部に固定された感温部とは、測定対象から熱エネルギーが伝導され、それぞれ基端に向かって伝熱される。保護管は、低熱伝導材からなる低熱伝導部により、基端方向への伝熱が抑えられ、感温部に熱エネルギーが集中しやすくなることから、測定温度が測定対象の温度に達する時間が短縮される。さらに、低熱伝導部が凹溝内に設けられることで肉薄になった保護管の機械的強度が補強される。

また、前記凹溝は、前記保護管の外周面全周にわたって設けられることが好ましい。

この構成によれば、全周に設けられた凹溝及びその凹溝に設けられた低熱伝導部が保護管の先端部から伝熱を著しく抑えられ、感温部に熱エネルギーがより集中されるとともに低熱伝導部の設置面積が低減されことで、材料コストの削減が図れる。

また、前記低熱伝導部の外周面は、前記保護管の外周面と略面一に、または前記保護管の外周面より凹んで構成されることが好ましい。

この構成によれば、低熱伝導部は、凹溝内に設けられることで肉薄になった保護管の機械的強度が補強されただけでなく、低熱伝導部の外周面と保護管の外周面とが略面一に、または低熱伝導部の外周面が保護管の外周面より凹んで構成される。このため、温度測定が必要な設備に取り付ける際、保護管の外形に合わせた孔を開孔することで低熱伝導部が孔の内壁などに接触することが低減され、容易且つ円滑に取り付けられる。

また、前記低熱伝導部は、ジルコニア或いは二酸化ジルコニウムを含むセラミック材料を用いて構成されることが好ましい。

この構成によれば、ジルコニア或いは二酸化ジルコニウムを含むセラミック材料は、保護管として用いることが多い金属材料よりも熱伝導率が低く、熱エネルギーが基端に伝熱することを抑えることができる。また、凹溝内に設けられることで肉薄になった保護管の機械的強度が補強される。

また、前記保護管は、前記保護管の先端部と前記低熱伝導部との間に介在し、前記保護管の外周面の一部からなる取付面が設けられることが好ましい。

この構成によれば、温度測定が必要な設備に取り付ける際、取付面を用いて温度測定装置の取り付けを容易にし、特に、保護管の外形に合わせて開孔された孔などに取り付けられる際は、孔の内壁とで隙間なく密接することができる。

また、前記先端部は、テーパ状であることが好ましい。

この構成によれば、保護管の先端部の体積が小さくなり、熱容量が低減されて熱エネルギーが先端部により集中しやすくなり、測定温度が測定対象の温度に達する時間がさらに短縮される。

また、前記先端部は、耐摩耗性を向上させる表面処理が施されることが好ましい。

この構成によれば、耐摩耗性が向上したことにより、混錬室内に突出した先端部は損傷し難くなる。

このような構成の温度測定装置は、熱電対の強度を高めつつ、応答性を向上させることが容易となる。

本発明の一実施形態に係る温度測定装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る温度測定装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る温度測定装置が混錬機に取り付けられた状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る温度測定装置が混錬設備と接する部分を示す局部拡大図である。 本発明の一実施形態の第一の変形例に係る温度測定装置が混錬設備と接する部分を示す局部拡大図である。 本発明の一実施形態の第二の変形例に係る温度測定装置が混錬設備と接する部分を示す局部拡大図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る温度測定装置を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る温度測定装置の構成を示す断面図である。図２に示す温度測定装置１は、シース熱電対２０と、保護管４０とを備えている。

シース熱電対２０は、シース２１と、補償導線２３と、シース２１及び補償導線２３を接続するスリーブ２２とを有する接地型シース熱電対である。そのうち、シース２１は一対の熱電対素線（図示されていない）が内設され、シース２１の先端には一対の熱電対素線が直接溶接された測温接点である感温部２１１が備えられている。

保護管４０は、テーパ状の先端部４０１が設けられ、外周面上には凹溝４１が全周にわたり設けられ、それら以外の部分は外径が同じ円筒状の金属保護管である。

先端部４０１は、内部外形ともにテーパ状に形成され、一定の肉厚を確保している。なお、先端部４０１はテーパ状が好ましいが、この限りではない。また、先端部４０１の表面には耐摩耗性を向上させるため、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理といった表面処理を実施してもよい。

凹溝４１は、保護管４０の外周面に同じ深さで設けられている。好ましくは、先端部４０１側の保護管４０の外周面に設けられるが、この限りではない。また、凹溝４１は、保護管４０より熱伝導率が低い低熱伝導部４２が設けられている。

保護管４０は、先端部４０１の基端と低熱伝導部４２との間に介在し、保護管４０の外周面の一部からなる取付面４３が設けられている。なお、取付面４３は、先端部４０１の基端と低熱伝導部４２との間に介在しなくてもよい。さらにいうと、保護管４０の外周面に取付面４３を設けず、低熱伝導部４２で取付面４３´を設けてもよい。

感温部２１１は、先端部４０１の頂点に溶接によって固定されている。なお、感温部２１１が測定対象の温度を測定し易い箇所に固定されるのであれば、この限りではない。

低熱伝導部４２の外周面は、保護管４０の外周面と略面一に構成されている。なお、低熱伝導部４２の外周面は、保護管４０の外周面よりやや凹んで構成されてもよく、この限りではない。

保護管４０は、全長が２００ｍｍ、外径が１９．９ｍｍで、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５を用いており、先端から長さ２５ｍｍの先端部４０１と、先端から３３ｍｍの位置から後端側に向かって長さ３４ｍｍ、厚み２ｍｍの低熱伝導部４２と、先端部４０１の基端から低熱伝導部４２まで介在する長さ８ｍｍの取付面４３とが備えられている。

低熱伝導部４２は、保護管４０に用いられたインコネル６２５より熱伝導率が低いジルコニアを溶射加工によって凹溝４１に内設されることで構成されている。

なお、低熱伝導部４２は、保護管４０に用いられた材質より熱伝導率が低い材質であればよく、この限りではない。また、凹溝４１及び凹溝４１内に設けられた低熱伝導部４２は、保護管４０の外周面全周にわたって設けられているが、機械的強度を損なわず且つ熱エネルギーの保持が可能な構成であれば、この限りではない。

図３は、本発明の一実施形態に係る温度測定装置が混錬機に取り付けられた状態を示す模式図である。図３に示す温度測定装置１は、混錬機９０の取付孔９１に嵌入して取り付けられている。

混錬機９０の構造は、周知であるため、その説明を省略する。取付孔９１は、温度測定装置１を取り付ける際に保護管４０との間に間隙が生じないように、保護管４０の外径に合わせて開孔されている。

低熱伝導部４２の外周面は、溶射加工によって構成される際、保護管４０の外周面と略面一に形成されており、取付孔９１に引っかかることなく、温度測定装置１が嵌入されることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る温度測定装置が混錬機と接する部分を示す局部拡大図である。図４で示す温度測定装置１は、保護管４０の外径に合わせて開孔した取付孔９１に嵌入され、先端部４０１の基端と低熱伝導部４２との間に介在する取付面４３が、取付孔９１の内壁９１１と密着するようになっている。

低熱伝導部４２は、金属加工によって形成された保護管４０の外周面に溶射などの加工によって凹溝４１内に形成される。つまり、製造工程上、金属加工により形成される保護管４０の外周面と比べ、低熱伝導部４２は加工精度が低下する。このため、低熱伝導部４２を保護管４０と面一に形成しようとしても、製造にばらつきが生じ、保護管４０の外周面より盛り上がったり、凹んだりしてしまう恐れがある。

保護管４０の外周面と一致するように低熱伝導部４２の外周面を形成すると、保護管の形成が繁雑化し、コスト面で好ましくない。

これに対して、低熱伝導部４２の外周面が保護管４０の外周面より盛り上がって形成すると、保護管４０の外径に合わせて開孔した取付孔９１の開口に接触し、嵌入が難しくなる。

保護管４０の外周面より盛り上がって形成した低熱伝導部４２の外径に合わせて取付孔９１を開孔したとしても、温度測定装置１を取り付けると、保護管の先端部４０１より後端側にある低熱伝導部４２で支持されることとなり、温度測定装置１の強度が脆弱化してしまう恐れがある。

このため、製造時のばらつきを考慮して保護管４０の外周面から低熱伝導部４２が凸出しないように予め幾らか凹ませておくことが考えられる。この場合、図４に示す通り、先端部４０１の基端と低熱伝導部４２との間に介在する取付面４３が、取付孔９１の内壁９１１と密着するように、低熱伝導部４２を保護管４０の外周面より幾らか凹んで構成させることが好ましい。

また、凹溝４１及び凹溝４１内に設けられる低熱伝導部４２は、保護管４０の軸方向に間隔をおいて複数設けたり、保護管４０の全周方向に間隔をあけたりすることもできる。図５及び図６は、本発明の一実施形態の変形例に係る温度測定装置が混錬設備と接する部分を示す局部拡大図である。

図５のように軸方向の幅が小さい低熱伝導部４２が間隔をあけて分割構成されたり、図６のように凹溝４１がローレット加工により綾目状に設けられて低熱伝導部４２がその凹溝４１に設けられたりすることにより、低熱伝導部４２のトータルの設置面積が上述した実施形態より小さくなるものの、材料コストの削減が図れる。また、図５では低熱伝導部４２間が取付面４３として機能し、図６では先端部と、凹溝４１及び凹溝４１内に設けられる低熱伝導部４２との間に取付面４３が設けられるだけでなく、保護管外周面と面一である綾目状の凸部分も取付面４３（図示されていない）となるため、混錬機内での保持姿勢がより安定する。

次に、接地型シース熱電対と、材質としてインコネル６２５が用いられテーパ状の先端部が設けられた円筒状の金属保護管とを備えた温度測定装置である比較例ａと、インコネル６２５の代わりにＳＵＳ３０４を用いたこと以外、比較例ａと同じ規格の温度測定装置である比較例ｂとを、同じ試験条件でそれぞれ時定数の測定を行った結果について説明する。なお、比較例ａ及び比較例ｂはいずれも、本実施形態のような凹溝及び低熱伝導部を備えていない。

当該試験は、各温度測定装置をオイルバスに１５０ｍｍ挿入し、オイルバスの温度を測定時の室温から１５０℃に加熱して時定数を測定することを５回（Ｎ＝１～５）に分けて行うものであって、測定時の湿度はいずれも同じ湿度に維持しており、その結果が表１のとおりである。

表１で示すように、インコネル６２５を用いた比較例ａは、ＳＵＳ３０４を用いた比較例ｂより温度上昇の時定数が大きいことが分かり、材質上、ＳＵＳ３０４はインコネル６２５より熱伝導率が良く、温度の応答性が速いことが分かる。

そこで、新たに、比較例ａと同じインコネル６２５が用いられた実施例ａ１を準備した。

実施例ａ１は、本実施形態と同じく、接地型シース熱電対と、テーパ状の先端部を設け、先端部より後端側に凹溝及びその凹溝内に内設した低熱伝導部を設けた円筒状の金属保護管とを備えた温度測定装置である。また、実施例ａ１に係る低熱伝導部は、材質としてインコネル６２５より熱伝導率が低いジルコニアが用いられ、溶射加工によって保護管に内設されている。

この実施例ａ１と、先ほどの試験で温度の応答性が速かった比較例ｂとを上述した実験と同じ試験条件で再度時定数の測定を行ったところ、表２のような結果となった。

この表２の結果からわかるとおり、インコネル６２５を用いた金属保護管に、インコネル６２５より熱伝導率が低いジルコニアを保護管の先端部に設けた実施例ａ１が、比較例ｂより温度の応答性が速くなったことが分かる。

材質上、熱伝導率でＳＵＳ３０４を用いた金属保護管より劣るインコネル６２５を用いた金属保護管が、同じ条件下で温度の応答性がＳＵＳ３０４より速くなることはない。

しかし、金属保護管の先端部より後端側に凹溝を設け、金属保護管より熱伝導率が低い材料で構成された低熱伝導部を凹溝に内設することで、同じ試験条件下において、応答性で材質的劣位な金属保護管が応答性で材質的優位な金属保護管より温度の応答性が速くなったことが確認できた。

つまり、保護管上に凹設された凹溝に、保護管より熱伝導率が低い材質で構成された低熱伝導部を内設することで、単一の材質のみで形成された保護管より応答性が向上されることを推知することができる。

１ 温度測定装置
２０ シース熱電対
２１ シース
２１１ 感温部
４０ 保護管
４０１ 先端部
４１ 凹溝
４２ 低熱伝導部
４３ 取付面
９０ 混錬機
９１ 取付孔
９１１ 内壁

Claims (7)

1. 円筒形状に形成された保護管と、
   先端に感温部を有し、前記保護管に挿入される熱電対と、を備え、
   前記熱電対の感温部が、前記保護管の先端部に固定され、
   前記保護管の外周面上に、少なくとも１つの凹溝が設けられ、
   前記凹溝内に、熱伝導率が前記保護管より低い低熱伝導材からなる低熱伝導部が設けられた、温度測定装置。
2. 前記凹溝は、前記保護管の外周面全周にわたって設けられた、請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記低熱伝導部の外周面は、前記保護管の外周面と略面一に、または前記保護管の外周面より凹んで構成された、請求項１又は２に記載の温度測定装置。
4. 前記低熱伝導部は、ジルコニア或いは二酸化ジルコニウムを含むセラミック材料を用いて構成された、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度測定装置。
5. 前記保護管は、前記保護管の先端と前記低熱伝導部との間に介在し、前記保護管の外周面の一部からなる取付面が設けられた、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
6. 前記先端部は、テーパ状である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度測定装置。
7. 前記先端部は、耐摩耗性を向上させる表面処理が施された、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度測定装置。
   
   

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