JP3572312B2

JP3572312B2 - セラミックシース型熱電対

Info

Publication number: JP3572312B2
Application number: JP20101496A
Authority: JP
Inventors: 英紀北; 英男河村; 和夫宮島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Isuzu Motors Ltd; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: JPH1030967A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、セラミックスから成る保護管を持つセラミックシース型熱電対に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シース型熱電対は、金属製グロープラグや高温で使用されるＳＵＳシース型部品の保護管として使用され、ＳＵＳ等の金属で作製されたものがある。また、ＳＵＳシース型熱電対は、１０００℃以上の雰囲気で使用されるものがあり、その場合には、インコネル等の特殊耐熱合金で作製されている。熱電対は、３００℃〜１４００℃の温度範囲の温度を計測するため、各種の測定材を適合させている。また、熱電対の素線は、酸化性又は還元性の雰囲気に対して弱い場合が多いので、一般的には保護パイプ内に入れて使用されている。また、従来のセラミックシース型熱電対として、通気用の孔を側面に形成した窒化珪素製保護管内に、Ｗ−Ｒｅ素線を内包し、それらの空間をＴｉＮが分散した反応焼結窒化珪素を充填した構造のものが知られている。
【０００３】
また、特開平６−１６０２００号公報には、気密端子付シース型熱電対が開示されている。該熱電対は、過渡的な温度変化等により、端子部に温度勾配が生じても測定誤差を生じさせないものであり、アルメル線とクロメル線の異種金属線からなる熱電対素線をステンレス製シース内に無機絶縁材と共に、相互に絶縁して収納し、シースの基端側を気密端子部により気密に封止する。気密端子部のセラミック端板に取り付けられた２本のコパール製の貫通パイプの内部に絶縁スリーブが挿入され、各熱電対素線はその内部を通って貫通パイプと直接接触せずに外部に引き出されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の保護管をＳＵＳで作製した場合には、保護管は、その耐熱使用限界温度が９００℃程度と低い耐熱温度である上、硫黄ガス中での使用では保護管の金属が硫黄ガスに侵されるので、硫黄ガス中での使用が困難である。また、保護管をインコネル等の特殊耐熱合金で作製した場合には、その保護管はＳＵＳの保護管に比較して耐熱温度が高くなるが、コストが約２倍とアップすることになる。
【０００５】
また、上記セラミックシース型熱電対は、高温大気中で使用した場合に、保護管に形成した通気孔から内部への酸素の侵入によってＷ−Ｒｅ素線が劣化するという問題がある。更に、Ｗ−Ｒｅ素線の熱膨張係数は４．８×１０^{− ６} ／℃であり、Ｗ線の熱膨張係数より更に大きく、繰り返しの使用によって周囲を形成する材料との熱膨張係数差に起因する応力により劣化する可能性がある。また、上記セラミックシース型熱電対は、保護管内にＷ−Ｒｅ素線を内包し、保護管の空間をＴｉＮ分散反応焼結Ｓｉ_３Ｎ_４を充填した構造では、測温の応答性が良好でなく、更に応答性を向上させる必要があった。
【０００６】
また、前掲特開平６−１６０２００号公報に開示された気密端子付シース型熱電対は、保護管としてステンレス製シースを用いているが、該ステンレス製シースは外部雰囲気中に直接晒された状態であり、例えば、雰囲気中に硫黄ガス等のガスが存在する場合には、シース自体に腐食が発生し、耐久性が低下するという問題を有している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、セラミックスから成る保護管内に配置したＷ−Ｒｅ素線と該Ｗ−Ｒｅ素線を充填材中に内包し、測温点の先端部に充填された第１充填材の熱伝導率を大きく、先端部以外の後方部に充填された第２充填材の熱伝導率を小さく構成し、また、先端部の保護管の厚みを薄く構成し、測温の応答性を向上させたセラミックシース型熱電対を提供することである。
【０００８】
この発明は、窒化珪素、サイアロン及び炭化珪素から選択されるセラミックスによって作製され且つ測温点となる先端部の端面が閉鎖されている保護管、前記保護管の内部に配置され且つ前記保護管の前記先端部の領域で互いに結合された異なる組成の一対のＷ−Ｒｅ素線、前記Ｗ−Ｒｅ素線を内包するように前記保護管の前記先端部内に充填された反応焼結Ｓｉ_３Ｎ_４系セラミックスを主成分とする第１充填材、及び前記保護管の前記先端部以外の内部に充填され且つ前記第１充填材よりも熱伝導率が小さい材料から成る第２充填材、から成るセラミックシース型熱電対に関する。
【０００９】
また、前記第１充填材はＴｉを含んでいる複合セラミックスである。
【００１０】
また、前記第２充填材はセラミック繊維又は反応焼結セラミックスから成る材料である。
【００１１】
また、前記保護管の前記内部にＮ_２やＡｒの不活性ガスが導入されていると共に、前記保護管の前記内部に不活性ガスを封入するため、前記保護管の開口端部を密閉する封止部材が設けられている。
【００１２】
また、前記第１充填材には５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する粒子が含まれている。
【００１３】
また、前記第１充填材に含まれている前記粒子はＡｌＮ、ＳｉＣ又はＳｉ_３Ｎ_４である。
【００１４】
また、前記保護管の前記先端部の外径が前記先端部以外の部分の前記保護管の外径よりも小さく、前記先端部が薄く形成されている。
【００１５】
このセラミックシース型熱電対は、上記のように、保護管の先端部内には焼結体時に膨張する特性を持つ反応焼結材が充填されるので、反応焼結材と保護管とが密着し、熱の通過面積を大きくすることができ、前記測温点の近傍が測温雰囲気に対して熱伝導性が良好になって応答性を向上できる。特に、保護管内の後方部に充填された第２充填材は、先端部の第１充填材よりも熱伝導率が小さいので、先端部の熱が後方部へ伝達され難くなって後方部への熱の逃げをできるだけ小さくすることができ、先端部に熱量を集中させ、先端部（測温点）の温度が測温物体の温度にまで短時間に直ちに上昇させることができ、測温物体の温度を直ちに正確に測定でき、測温応答性を向上させることができる。
【００１６】
更に、このセラミックシース型熱電対は、保護管の先端部の厚みを薄く形成して先端部の熱容量を小さくし、先端部の温度を測温物体の温度まで直ちに変動させることができる。また、前記保護管内には不活性ガスが封入されているので、Ｗ−Ｒｅ素線の劣化を防止できる。また、保護管内に充填される複合セラミックスにＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４を添加して分散させることによって、熱伝導率を大きくできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、この発明によるセラミックシース型熱電対の実施例を説明する。図１はこのセラミックシース型熱電対の第１実施例を示す断面図、図２はこのセラミックシース型熱電対の第２実施例を示す断面図、図３はこのセラミックシース型熱電対の第３実施例を示す断面図、図４はこのセラミックシース型熱電対の第４実施例を示す断面図、及び図５はセラミックシース型熱電対の端部を示す部分拡大断面図である。
【００１８】
図１〜図４に示すように、このセラミックシース型熱電対は、保護管１の内部に充填する材料及び保護管１の形状に特徴を有するものである。保護管１の測温領域の先端部４の内部には熱伝導率の大きい材料を充填し、後方部１６の内部には熱伝導率の小さい材料を充填している。また、図３及び図４に示すように、保護管１の先端部４の径を小さくして熱容量を小さくし、測温の対象物の温度に直ちに上昇できる構造に構成されている。更に、保護管１の内部に内包されるＷ−Ｒｅ素線６，７の酸化腐食による断線を阻止するためＡｒやＮ_２の不活性ガスを保護管１の内部に封入し、封止部材８で保護管１内を密封している。
【００１９】
このセラミックシース型熱電対は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）及び炭化珪素（ＳｉＣ）から選択されるセラミックスによって作製された保護管１、保護管１の内部に配置された測温点５となる先端部４の領域で結合部を有するＷ−Ｒｅ素線６，７、及びＷ−Ｒｅ素線６，７を内包するように保護管１の測温点を構成する先端部４に充填された反応焼結Ｓｉ_３Ｎ_４系セラミックスを主成分とする複合セラミックスの充填材２、及び保護管１の先端部４以外の後方部１６の内部に充填され且つ充填材２よりも熱伝導率が小さいセラミックス等の材料から成る充填材３から構成されている。
【００２０】
このセラミックシース型熱電対において、充填材２は、Ｔｉを含んでいる複合セラミックスで構成されており、Ｔｉを含有させたスラリーを保護管１に充填して反応焼結した場合に、Ｔｉを含有することで焼結膨張し、充填材２が保護管１の内壁面に密着し、保護管１から充填材２への熱伝達が良好になる。また、充填材２には、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の粒子が含まれており、充填材２の熱伝導率を上昇させることができる。
【００２１】
また、充填材３は、ＳｉＣウィスカー等のセラミック繊維（図１、図３）、或いはＳｉ_３Ｎ_４系反応焼結セラミックス（図２、図４）から成る材料で構成されている。保護管１の内部には、Ｎ_２やＡｒの不活性ガスが封入されていると共に、保護管１の内部に前記不活性ガスを封入するため、保護管１の開口端部１７にはポリイミド樹脂や鉛ガラス等の封止部材８が嵌合して密閉されている。充填材３をセラミック繊維で構成した場合には、不活性ガスを保護管１の後方部１６に導入する。また、充填材３を反応焼結セラミックスから構成した場合には、保護管１に充填されたスラリーをＮ_２雰囲気で反応焼結することによって、必然的にＮ_２が封入されることになる。
【００２２】
また、保護管１の先端部４は、図３及び図４に示すように、先端部４の外径が先端部４より後方の後方部１６の保護管１の外径よりも小さいサイズに形成され、両者の内径を同一に形成することにより、先端部４がそれ以外の部分より薄く形成される。保護管１の先端部４の厚さが薄く形成されることにより、先端部４の熱容量が小さくなり、先端部４の測温点５の領域の熱容量が小さくなり、先端部４が測温領域の温度に直ちに昇温することができ、測温応答性を一層向上させることができる。
【００２３】
〔実施例１〕
第１実施例のセラミックシース型熱電対は、図１に示すように作製されているものである。まず、保護管１を、内径φ５ｍｍ、外径φ８ｍｍ及び長さ３００ｍｍのサイズにサイアロン材によって作製し、保護管１の形状として、先端部４の一端部１１を密閉し、後方部１６の他端１７を開口する。Ｗ−Ｒｅ素線６，７として、一方の線材がＷ−５％Ｒｅ（＋）から構成されたφ０．５ｍｍのＷ−Ｒｅ素線６と、他方の線材がＷ−２６％Ｒｅ（−）から構成されたφ０．５ｍｍのＷ−Ｒｅ素線７との二種類の素線を一端で互いに直列に結線する。結線した結合部を保護管１の測温点５の領域に位置するように、保護管１内に非接触状態に配設した。次いで、保護管１の端部１１から１５ｍｍの部分までの先端部４に、Ｓｉ粉末を４０ｗｔ％、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０ｗｔ％及びＴｉを１０ｗｔ％の配合割合で混合した混合粉を含むスラリー（充填材２に転化する）を充填すると共に、保護管１の後方部１６に、ＳｉＣウィスカー（充填材３になる）を充填し、Ｗ−Ｒｅ素線６，７を充填材２，３で内包するように保護管１内に固定した。そこで、これを０．９３ＭＰａの窒素雰囲気中で反応焼結した。保護管１の先端部４内に充填された充填材２は、スラリーがＳｉ_３Ｎ_４系反応焼結セラミックスに転化し、その熱伝導率λは３．５Ｗ／ｍ・Ｋの複合セラミックスとなった。これに対して、充填材３は、ＳｉＣウィスカーであり、その熱伝導率λは０．１Ｗ／ｍ・Ｋである。次いで、Ｗ−Ｒｅ素線６，７のそれぞれリード線１２を接続した後、保護管１の内部にＮ_２ガス（不活性ガス）を導入し、保護管１の端部１７をポリイミド樹脂から成る封止部材８で封止し、封止部材８に端子９を形成した。これを本発明品１とする。
【００２４】
〔実施例２〕
第２実施例のセラミックシース型熱電対は、図２に示すように作製されているものである。第２実施例は、第１実施例と同様の保護管１及びＷ−Ｒｅ素線６，７を使用し、保護管１の端部１１から１５ｍｍの部分までの先端部４に、Ｓｉ粉末を４０ｗｔ％、ＡｌＮを５０ｗｔ％及びＴｉを１０ｗｔ％の配合割合で混合した混合粉を含むスラリー（充填材１０に転化する）を充填すると共に、保護管１の後方部１６に、Ｓｉ粉末を４０ｗｔ％、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０ｗｔ％及びＴｉを１０ｗｔ％の配合割合で混合した混合粉を含むスラリー（充填材２に転化する）を充填した。以下、第２実施例は、第１実施例と同様の工程によって作製した。保護管１の先端部４内に充填された充填材１０は、スラリーがＳｉ_３Ｎ_４系反応焼結セラミックスに転化し、その熱伝導率λは１５Ｗ／ｍ・Ｋの複合セラミックスとなり、１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率λを有する添加剤ＡｌＮによって熱伝導率が大きいものとなった。また、保護管１の後方部１６内に充填された充填材２は、スラリーがＳｉ_３Ｎ_４系反応焼結セラミックスに転化し、その熱伝導率λは３．５Ｗ／ｍ・Ｋの複合セラミックスとなった。これを本発明品２とする。
【００２５】
〔実施例３〕
第３実施例のセラミックシース型熱電対は、図３に示すように作製されているものである。第３実施例は、第１実施例と同様のＷ−Ｒｅ素線６，７及び充填材２，３を使用し、保護管１として、先端部４から１５ｍｍまでの部分を外径φ６ｍｍから成る薄い管厚部分１Ａに形成し、内径φ５ｍｍ及び長さ３００ｍｍを第１実施例の保護管１と同様のサイズにサイアロン材によって作製した。第３実施例は、以下、第１実施例と同様の工程によって作製した。第３実施例は、保護管１の先端部４の充填材２及び後方部１６の充填材３は第１実施例と同一材料であるので、第１実施例と第３実施例とは保護管１の先端部４の厚さが異なるのみである。これを本発明品３とする。
【００２６】
〔実施例４〕
第４実施例のセラミックシース型熱電対は、図４に示すように作製されているものである。第４実施例は、第３実施例と同様の保護管１を使用し、保護管１の先端部４の充填材１０及び後方部１６の充填材２は第２実施例と同様のものに構成した。第４実施例は、他の作製工程については第２実施例と同様に行った。第４実施例は、保護管１の先端部４の充填材１０及び後方部１６の充填材３は第２実施例と同一材料であるので、第２実施例と第４実施例とは保護管１の先端部４の厚さが異なるのみである。これを本発明品４とする。
【００２７】
このセラミックシース型熱電対の応答性を調べるため、セラミックシース型熱電対の比較例として、比較例１と比較例２のものを作製した。
〔比較例１〕
比較例１では、第１実施例で使用した保護管１を使用し、保護管１内に二個の貫通孔１５が形成されたＳｉ_３Ｎ_４から成る絶縁管１４を配置し、絶縁管１４の貫通孔１５に第１実施例で使用したＷ−Ｒｅ素線６，７を挿通し、保護管１の先端部４に空気溜まり１３を形成した。空気溜まり１３中にＷ−Ｒｅ素線６，７の端部を結線した結合部を位置させて測温点５を形成し、また、Ｗ−Ｒｅ素線６，７の他端にリード線１２を結線した。これを比較例１とする。
【００２８】
〔比較例２〕
比較例２では、第１実施例で使用した保護管１を使用し、保護管１内に第１実施例で使用したＷ−Ｒｅ素線６，７を挿通した。次いで、保護管１内に、Ｓｉ粉末を４０ｗｔ％、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０ｗｔ％及びＴｉを１０ｗｔ％の配合割合で混合した混合粉を含むスラリー（充填材２に転化する）を充填し、Ｗ−Ｒｅ素線６，７を充填材２で内包するように保護管１内に固定した。以下、比較例２は、第１実施例と同様の工程によって作製した。これを比較例２とする。
【００２９】
上記の各実施例及び各比較例で作製したセラミックシース型熱電対を、温度を７３０℃としたアルミ溶湯中に浸し、その時間経過に伴って各セラミックシース型熱電対の起電力変化から温度を測定した。それらの結果を、図６のグラフに示す。図６から分かるように、本発明品４が最も応答性が良く、本発明品３が２番目に応答性が良く、本発明品２が３番目に応答性が良く、また、本発明品１が４番目に応答性が良いことが分かる。これに対して、比較例２は本発明品１よりも応答性が悪く、比較例１は応答性が最低であることが分かる。このことから、セラミックシース型熱電対において、保護管１内の後方部１６に充填した材料の熱伝導率が、保護管１の先端部４に充填した材料の熱伝導率より小さいことが応答性を向上させ、また、保護管１の先端部４に充填した材料の熱伝導率を高くすることが応答性を向上させ、更に、保護管１の先端部４の厚みを薄くして熱容量を小さくすることが応答性を一層向上させることが分かった。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によるセラミックシース型熱電対は、上記のように、保護管の先端部の充填材を保護管の後方部の充填材より熱伝導率を大きく形成し、保護管の後方部の充填材より熱伝導率をできるだけ小さく構成することによって、先端部では温度測定対象の温度にまで直ちに上昇させ、その温度が保護管を通じて後方へ熱が逃げ難くなり、応答性を向上させることができる。また、保護管の先端部を薄く形成することによって、一層応答性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】このセラミックシース型熱電対の第１実施例を示す断面図である。
【図２】このセラミックシース型熱電対の第２実施例を示す断面図である。
【図３】このセラミックシース型熱電対の第３実施例を示す断面図である。
【図４】このセラミックシース型熱電対の第４実施例を示す断面図である。
【図５】セラミックシース型熱電対の端部を示す部分拡大断面図である。
【図６】セラミックシース型熱電対の応答性を示すグラフである。
【図７】セラミックシース型熱電対の第１比較例を示す断面図である。
【図８】セラミックシース型熱電対の第２比較例を示す断面図である。
【符号の説明】
１保護管
１Ａ薄い管部分
２，３，１０充填材
４先端部
５測温点
６，７Ｗ−Ｒｅ素線
８封止部材
９端子
１１，１７端部
１２リード線
１６後方部

Claims

窒化珪素、サイアロン及び炭化珪素から選択されるセラミックスによって作製され且つ測温点となる先端部の端面が閉鎖されている保護管、前記保護管の内部に配置され且つ前記保護管の前記先端部の領域で互いに結合された異なる組成の一対のＷ−Ｒｅ素線、前記Ｗ−Ｒｅ素線を内包するように前記保護管の前記先端部内に充填された反応焼結Ｓｉ_３Ｎ_４系セラミックスを主成分とする第１充填材、及び前記保護管の前記先端部以外の内部に充填され且つ前記第１充填材よりも熱伝導率が小さい材料から成る第２充填材、から成るセラミックシース型熱電対。
前記第１充填材はＴｉを含んでいる複合セラミックスである請求項１に記載のセラミックシース型熱電対。
前記第２充填材はセラミック繊維又は反応焼結セラミックスから成る材料である請求項１又は２に記載のセラミックシース型熱電対。
前記保護管の前記内部にＮ_２やＡｒの不活性ガスが導入されていると共に、前記保護管の前記内部に不活性ガスを封入するため、前記保護管の開口端部を密閉する封止部材が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックシース型熱電対。
前記第１充填材には５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する粒子が含まれている請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックシース型熱電対。
前記第１充填材に含まれている前記粒子はＡｌＮ、ＳｉＣ又はＳｉ_３Ｎ_４である請求項５に記載のセラミックシース型熱電対。
前記保護管の前記先端部の外径が前記先端部以外の部分の前記保護管の外径よりも小さく、前記先端部が薄く形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックシース型熱電対。