JP3014444U - セラミックシース熱電対を用いた測温センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶融金属、溶融ガラス用の保護管とセラミッ
クシース熱電対とから構成される応答性に優れた熱電対
測温センサーを提供する。 【構成】 従来の測温センサーでは、溶融金属や溶融ガ
ラス浸漬用の保護管に熱電対を挿入する場合、汚染物質
から熱電対を保護するために酸化物セラミック保護管を
使用しなければならない。本考案では熱電対の露出部分
が無いセラミックシース熱電対を用いて、酸化物セラミ
ック保護管を使用しないで浸漬用保護管に直接挿入し
て、応答性に優れた測温センサーを説明している。 【効果】 温度応答性に優れ、保護管の折損トラブルが
少なく、危険箇所の測温も安全に行うことができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、窯炉内部の様な汚染環境や溶融金属の様な過酷な対象物の温度測定 に使用される測温センサーの構造に係わり、更に詳しくは熱電対金属素線の露出 部分がないセラミックシース熱電対を、直接的に非酸化物セラミックス、炭素含 有耐火物、サーメットおよび金属材質の保護管に組み込んだ構造の測温センサー の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

熱電温度計の測温センサーは、一般に、温度を熱起電力の差で検知する熱電対 と熱電対の素線を電気的に絶縁する絶縁体と必要に応じてこれらを収納し外側か ら保護する保護管から構成されている。熱電対には予めテフロンやガラス系編組 等で絶縁した被覆熱電対があるが、これは概ね５００℃以下の低温領域での測温 に限られており、高温領域での測温は一般に裸熱電対を２つ孔の磁性絶縁管に通 しこれを上記の保護管に挿入して行われている。また、熱電対の材質は白金やロ ジウムを用いた貴金属系とそれ以外の金属又は合金を用いた卑金属系に分けられ るが、卑金属系は耐熱性に劣るため１０００℃以上の高温測定では主に貴金属熱 電対が使用されている。この貴金属熱電対は還元性ガス、金属性ガスや不純物の 環境にさらされると、熱起電力の低下を招き温度誤差が大きくなる。例えば、高 温で白金素線がシリカを含む耐火物に接触しているときＣＯガスが存在すると、 シリカは還元されて白金に珪素が吸収され非常に脆い合金を作り断線することが ある。また、銅、鉄、鉛、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、錫などの殆どの金 属と低融点の合金もしくは化合物を作り、いずれも熱起電力が低下して温度精度 を悪くしたり、融点降下による溶断や脆性亀裂で測温不能になる。このように不 純物が付着したり汚染ガスにさらされることから熱電対を保護し劣化を防ぐ為に 保護管を用いるが、測温に際し、特に高温測定は過酷な汚染環境のもとで行われ ることが多く、保護管と絶縁管との僅かな隙間にも汚染物質が入り込んで、熱電 対の感熱部や絶縁管の継目部分を冒すことが多い。

【０００３】 温度計としての性能上の観点からは、温度精度の他に温度応答性に優れている ことが重要である。測温対象と熱電対の感熱部との間には保護管、空隙、絶縁管 があり、これを通して熱の移動が行われるが、サイズ面では出来るだけ空気層の 無い薄肉、小径の管の場合がその分だけ応答速度が早くなる。ところが、従来の 測温センサーでは、余り細いものは作られていない。最も細い絶縁管の外径でも ２つ孔のものはφ３ｍｍ程度であり、保護管の肉厚を１ｍｍ、空隙を０．５ｍｍ としても保護管の外径（測温センサーの外径）はφ６ｍｍとなる。

【０００４】 熱電対と絶縁体と保護管が一体構造となっているものにシース熱電対がある。 これは、絶縁体に主に酸化マグネシウムの粉末、保護管に相当する外被（シース ）にステンレスやインコネルなどの耐熱金属が用いられ、曲げ伸ばしが可能であ る。従って、折損の危険性が小さく又気密性も良いので、外部から汚染されるこ とがなく取扱いも簡便である。サイズも細くかつ非常に長尺のものが得られ、価 格も安い。ただし、使用温度は概ね１０００℃程度迄であり、高温側での長時間 測定は外被金属による熱電対汚染の恐れがある。

【０００５】 以上述べてきたように、従来の測温センサーは、低温域では余り問題ないが１ ０００℃以上の高温域では主に汚染物質により熱電対が劣化しやすく、また性能 面やサイズ面からは、更に細くて長尺のものが求められている。これらは、シー ス熱電対の様に熱電対と絶縁体と保護管が一体となってはじめて可能で、１００ ０℃以上の使用温度での高温用一体構造測温センサーが要望されている。このよ うな経緯から本考案者は、先に「平成６年実用新案登録願 第１５９２０号」を 提出した。これは従来の金属外被に替わるセラミック外被のシース熱電対である 。

【０００６】 窯炉、雰囲気炉等の様に測温対象が気体の場合、酸化物保護管を用いるだけで 測温可能であるが、溶融金属やガラスの測温の場合、保護管には耐食性、耐熱衝 撃性、難濡れ性などの特性が優れた材質のものが要求される。即ち、ＢＮ系やＡ ＬＮ系のような高耐食性の非酸化物セラミックス、ＭｏやＺｒ系サーメット、ア ルミナグラファイトなどの炭素含有耐火物で作られることが多く、それぞれ高温 において還元ガスや金属蒸気、ガラスなどを発生し熱電対を汚染劣化させる。そ の為、熱電対をこのような保護管から発生する汚染物質から保護する目的で、酸 化物保護管（主にアルミナセラミックス）を熱電対および絶縁管と特殊材質保護 管との間に使用しなければならない。従って２層以上の保護管部分、その間の空 気層が熱電対測温接点と測温対象物との間に存在し、急峻な応答性が得られない 。また、多層に伴うサイズ大型化、保護管同士の熱膨張差による保護管折損を招 き易い。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

本考案はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは取扱 い簡便で、温度応答性に優れ、雰囲気ガスによる劣化が防止できる新しい構造の 測温センサーを提供せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案者は、上記問題点は次の手段によって解決できることを見いだした。 すなわち、 １．２つの穴の絶縁管の一端が閉じていて熱電対の測温接点が露出しない構造を 有する絶縁管兼用の内部保護管と熱電対が一体となったセラミックシース熱電対 と、該セラミックシース熱電対を内側に組み込んで外界から遮断する外部保護管 とからなることを特徴とするセラミックシース熱電対を用いた測温センサーによ って解決できる。 ２．上記外部保護管の材質が、非酸化物セラミックス、炭素含有耐火物、サーメ ットおよび金属であることを特徴とする上記１に記載のセラミックシース熱電対 を用いた測温センサーによって解決できる。

【０００９】

【実施例】

本考案の構造及び効果を溶鋼測温の実施例によって詳細に説明する。

【００１０】 図１は、外被（シース）がセラミックスであるセラミックシース熱電対と溶融 金属浸漬用保護管とが組み合わされた測温センサーの断面図である。２本の熱電 対素線２はセラミックシース１の２つ穴の中をのびていて、熱電対の測温接点３ はセラミックシース内部に完全に封じ込められ、外部の汚染物質や還元性雰囲気 から保護されている。その外側に溶鋼に対する耐溶損性と耐熱衝撃性を有する溶 融金属浸漬用保護管４が設けられている。これに端子ボックス５を接続し測温セ ンサーを構成している。

【００１１】 上記測温センサーを溶鋼中に浸漬すると、溶鋼と溶融金属浸漬用保護管４の表 面との間の熱伝達、溶融金属浸漬用保護管４と空隙６とセラミックシース１の間 の熱伝導により、熱電対の測温接点３に測温対象である溶鋼から伝熱が行われる 。その際、溶融金属浸漬用保護管から熱電対を汚染劣化させる還元ガス、ガラス 、金属蒸気等が発生する。これは溶融金属浸漬用保護管としては耐溶損性、耐熱 衝撃性に優れた材料特性が第１に要求されるので、一般にＢＮ、ＡＬＮ、ＺｒＢ ₂ のような非酸化物セラミックス、Ａｌ₂Ｏ₃−Ｃ、ＺｒＯ₂−Ｃのような炭素含有 耐火物、Ｍｏ系、Ｚｒ系サーメットなどの材料が用いられるからである。そのた め従来の方式ではＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物セラミックスを溶融金属浸漬用保護管の内 側に用いて、絶縁管から露出した熱電対素線を上記の様な汚染物質から遮断しな ければならないが、本考案の測温センサーでは熱電対素線はセラミックシースの 中に完全封止されているので、酸化物セラミックス保護管を必要とせず溶融金属 浸漬用保護管の内側にセラミックシース熱電対を直接挿入して使用することがで きる。従って、従来の多層構造の測温方式に較べて急峻な応答性が得られる。

【００１２】 表１に溶鋼に於ける従来測温方式と本考案測温方式との応答性比較例を示す。 従来方式は絶縁管を外径φ３ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃、この外側に外径φ６ｍｍ、内径φ ４ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃保護管を用いた。本考案方式はセラミックシースを外径φ３ｍ ｍのＡｌ₂Ｏ₃とした。各々の方式について同一材質、同一サイズの溶融金属浸漬 用保護管を用いて、溶解炉中で１５５０℃に等温保持された溶鋼の中に、１００ ０℃の一定余熱温度から急速に浸漬し、応答時間を測定した。これは浸漬直前の 室温あるいは一定余熱温度と溶鋼温度１５５０℃との温度差の６３．２％に相当 する表示温度に達するまでの浸漬開始からの時間（時定数τ）を測定し、５τを 応答時間とした。

【００１３】

【表１】 溶鋼測温における従来方式と本考案方式との応答時間（５τ）比較例

【００１４】 表１によると、本考案測温方式の応答時間は従来方式の６０〜８０％に短縮さ れている。更に薄肉の溶融金属用保護管を用いた場合には５０％程度にまで短縮 する事ができる。

【００１５】 尚、本考案が本実施例のみに限定されるものでないことは言うまでもないこと である。例えば、測温対象は溶鋼に限らず他の溶融金属や溶融ガラスでもよいし 、溶融金属用保護管の材質は非酸化物、炭素含有耐火物、サーメット、金属であ れば何でもよい。

【００１６】

【考案の効果】

本考案の測温センサーは、溶融金属、溶融ガラスの測温に際して以下の様な点 が特に優れている。

【００１７】 １．急峻な温度応答性を有する。 ２．多層構造でないので保護管同士の熱膨張差による折損や、折損による熱電対 劣化の危険性が少ない。 ３．金属シース熱電対のような小径サイズのセンサーが得られるので、危険箇所 や測定困難な場所の高温測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、外被（シース）がセラミックスである
セラミックシース熱電対と溶融金属浸漬用保護管とが組
み合わされた測温センサーの断面図。

【符号の説明】

１ セラミックシース ２ 熱電対素線 ３ 熱電対の測温接点 ４ 溶融金属浸漬用保護管 ５ 端子ボックス ６ 空隙

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの穴の絶縁管の一端が閉じていて熱電
   対の測温接点が露出しない構造を有する絶縁管兼用の内
   部保護管と熱電対が一体となったセラミックシース熱電
   対と、該セラミックシース熱電対を内側に組み込んで外
   界から遮断する外部保護管とからなることを特徴とする
   セラミックシース熱電対を用いた測温センサー。
2. 【請求項２】上記外部保護管の材質が、非酸化物セラミ
   ックス、炭素含有耐火物、サーメットおよび金属である
   ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックシース熱
   電対を用いた測温センサー。