JP3641759B2 - 熱電対と保護管が一体となった測温センサーの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱電対と保護管が一体となった測温センサーの製造方法に係わり、更に詳しくは２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体に熱電対を挿入し端面封止し一体焼成して得る測温センサーの製造方法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。溶鋼の連続測温の場合などは、熱電対を保護する上記の保護管の外側に更に耐溶損性保護管を用いるが、これはＢＮ系やＡＬＮ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ており、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前述のような汚染環境を作る。１５００℃〜１６００℃の溶鋼測温のレベルでは、一般に材料強度の低下、変形、熱衝撃、部材間の膨張差など様々な要因で、熱電対を保護する保護管はしばしば折損し、熱電対は直接汚染環境に曝されることになる。この点からも溶鋼などの連続測温では、従来の方式は問題が多く、スポット的測温を除いて余り普及していない。
【０００３】
次に、取扱いに際して、保管時あるいは組み立て時の熱電対、絶縁管及び保護管の内部の汚染も、高温において同様に熱電対の劣化を招く。従って、絶縁管への熱電対の挿入などは、汚れの無い部屋で、直接手で触れないように手袋をして、細心の注意を払って行われている。更に、この挿入作業は、素線が未使用のものでは手間を要しないが、一度使用したものでは変形歪みや表面荒れを起していることが多く、これを絶縁管の細い孔に長尺にわたって通すことは極めて困難で大変な作業である。
【０００４】
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速くなる。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。また１つ孔のものは外径φ１ｍｍ程度まであるので、熱電対素線の１本をこれに入れ他の１本を入れない場合、外径φ３ｍｍの測温センサーが作れるが、強度的に弱く、高温長時間測定では熱電対素線の劣化が２本の素線を入れたものより著しく速く、また長尺のものは製作が難しく製造コストが高くなる。
【０００５】
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。
【０００６】
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１０００℃以上の高温域では主に汚染物質により熱電対が劣化し、また、取扱いが面倒で汚染原因も生じやすい。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、１０００℃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。つまり、外被がセラミックスであるシース熱電対が要望されているのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明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の製造方法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】
本発明者は、上記問題点は次の手段によって解決できることを見出した。
すなわち、
【０００９】
２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体の一方の開孔から熱電対を挿入し、該パイプの熱電対感熱部側の一端を湿潤軟化させて、２つ割り鋳型を該軟化した一端の外側から嵌め込んで、該一端を２方向から圧着して、該熱電対感熱部側の生素地成形体の端面を封止して一体的に本焼成することを特徴とする熱電対と保護管が一体となった測温センサーの製造方法。
【００１０】
【作用】
・セラミック原料
請求項１の製造方法に記載のセラミック原料について。
本発明は熱電対と一体的に焼成する工程を伴うので、熱電対損傷防止の為できるだけ低温で焼結する材料が望ましいが、基本的には絶縁性材料であり熱電対素線と反応しないものであれば何でもよい。
【００１１】
・端面の封止
請求項１の製造方法に記載の端面封止について。
本明細書の中で使用されている嵌着、被嵌、被着及び圧着は次のようなことを意味する。
嵌着：熱電対と一体成形されたセラミック生素地成形体やその仮焼体に蓋を嵌め込むこと、あるいは熱電対が挿入された２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体やその仮焼体に蓋を嵌め込むことを意味する。（蓋が内側）
被嵌：熱電対と一体成形されたセラミック生素地成形体やその仮焼体に蓋を被せること、あるいは熱電対が挿入された２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体やその仮焼体に蓋を被せることを意味する。（蓋が外側）
被着：熱電対と一体成形されたセラミック生素地成形体やその仮焼体にスラリーのような不定形のものを塗布すること、あるいは熱電対が挿入された２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体やその仮焼体にスラリーのような不定形のものを塗布すること又は単にスラリーを接着剤として蓋を接合することを意味する。
圧着：熱電対と一体成形されたセラミック生素地成形体あるいは熱電対が挿入された２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体の一端（熱電対感熱部）を吸水させて湿潤軟化してから、２つ割り鋳型を外側から嵌め込み２方向から圧着封止することを意味する。
【００１２】
生素地体の封止は、同じ材料かあるいは熱膨張特性の近似した生素地体を封止面に被着するか該生素地体で形成した蓋を嵌着もしくは被着もしくは被嵌する。このように予め別に用意したものを嵌着、被嵌、被着するようにしてもよいが、水や溶剤などで生素地成形体の熱電対感熱部周辺素地を湿潤化して成形体自体を溶着あるいは圧着して、端面封止をしてもよい。圧着の場合、極めて良好な気密性封止が達成される。
【００１３】
・ 本焼成
ＪＩＳ Ｃ １６０２で規定されている熱電対の常用限度は、ＲタイプとＳタイプの場合１４００℃、Ｂタイプの場合１５００℃である。常用限度以上の温度で焼成すると熱電対素線に表面荒れが生じ易い。従って出来るだけ１４００℃以下の低温域で焼成することが望ましいが、高温強度を要求される場合や高温クリープを改善するために焼成温度を高くせざるを得ない原料組成とした場合等は更に高い温度域で焼成される。焼成炉内は大気あるいは不活性ガス雰囲気に保つ必要がある。貴金属熱電対は還元性ガスに非常に弱く、劣化して測温に際して断線や温度表示誤差を生じるからである。また熱電対の常用限度以上の高い温度域で焼成せざるを得ない場合は、熱電対素線の酸化による表面荒れを防止するために不活性ガス雰囲気にて焼成する。
【００１４】
【実施例】
実施例によって本発明を説明する。
【００１５】
下記の▲１▼〜▲５▼にセラミックパイプの生素地成形体もしくは仮焼体に熱電対を挿入する製造方法の実施例を説明する。
【００１６】
▲１▼ 図１は端面封止を仮焼体の状態で行う場合の代表的事例の工程説明図である。セラミックパイプ仮焼体４の一端をグラインダー５で加工する。熱電対２の測温．接点３がパイプ端面の位置６より内側に引っ込むように、熱電対２を仮焼体４の２つ孔に挿入する。次に、グラインダー５と同じ勾配を持つ円錐形の仮焼体蓋７を仮焼体４に嵌着せしめた。これに際しては、仮焼体４の接合面に予め水を含ませて吸水性を下げてから、嵌着面にスラリー８を塗布し嵌着せしめた。仮焼体４、仮焼体蓋７及びスラリー８はいずれも同じ純度９９．９９容量％、粒度０．２３μｍの低温焼結性Ａｌ_２Ｏ_３粉末を用いた。仮焼は、仮焼体４が８００℃×６０ｍｉｎ，仮焼体蓋１４が９００℃×６０ｍｉｎにて行った。本焼成は、酸化雰囲気（大気）中で１３５０℃×１２０ｍｉｎにて行った。
【００１７】
▲２▼ 図２は、端面封止を生素地の状態で行う場合の、蓋を被着した場合の工程説明図である。セラミックパイプ生素地成形体９の一端の中心部をグラインダー５などで少し除去した。熱電対２の測温接点３がパイプ端面の位置６かあるいはそれより少し引っ込む様に、熱電対２を成形体９の２つ孔に挿入した。次に、円板形の生素地蓋１０を成形体９に被着せしめた。これに際しては、成形体の接合面付近を吸水湿潤化させ、更に蓋にもスラリーを塗布して良好な接合が得られるようにした。生素地体９、生素地蓋１０及びスラリー８の原料粉末は上記▲１▼と同じもの、仮焼条件は８００℃×６０ｍｉｎ、本焼成は▲１▼と同じ条件とした。
【００１８】
▲３▼ 図３は、端面封止を生素地の状態で行う場合の、不定形物を被着した事例の工程説明図である。上記▲２▼と同じようにして熱電対２を成形体９に挿入した。次に、上記▲１▼、▲２▼のスラリーよりも高濃度でペースト状の不定形物１１を成形体９に被着し成形した。これに際しては、上記▲２▼同様に湿潤化させておこなった。生素地成形体９と不定形物１１の原料粉末、仮焼、本焼は上記▲２▼と同じ条件とした。
【００１９】
▲４▼ 図４は、端面封止を生素地の状態で行う場合の、成形体の先端自体が溶着もしくは圧着されて封止される事例の工程説明図である。セラミックパイプ生素地成形体９の一端の孔と孔の間の部分を除去し楕円形の窪みを形成した。熱電対２の測温接点３が窪みの奥に来る様に、熱電対２を成形体９の２つ孔に挿入した。次に、この窪みを形成している生素地部分を吸水湿潤化し、十分に可塑性を付与してから窪みを封止した。生素地成形体９の原料、仮焼、本焼成は上記▲２▼、▲３▼と同じ条件とした。
【００２０】
尚、上記▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼の測温センサーのサイズは外径φ３ｍｍ、全長１０００ｍｍである。
【００２１】
▲５▼ 下表に、上記▲１▼〜▲４▼の方法で製作した測温センサーのパラジウム検定結果を示す。検定の接続方法はワイヤー法とし、測定方式はＪＩＳ Ｚ ８７０４で規定されたＡ級、ｂ結線方式とした。
【００２２】
【表１】

【００２３】
実施例▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼のいずれも規準熱起電力値との差異は僅少であり、温度に換算して誤差１℃以下の精度である。これはＪＩＳ Ｃ １６０２で定められたＲ熱電対の偏差範囲（測定温度の±０．２５％）よりも優れており、上記製造過程で全く劣化が無かったことを示している。また、端面封止の接合面の気密性は極めて良好で、染色浸透探傷法による貫通孔の存在はいずれも全く確認されず、接合面の外周部に浅い表面欠陥が存在するに留まった。
【００２４】
尚、本発明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、本例のＡｌ_２Ｏ_３原料粉末は他の低温焼結性セラミック粉末に変更することができるし、端面封止の蓋の形状や仮焼温度、焼成温度も適宜選択することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の熱電対と絶縁管と保護管の組立式測温センサーに較べて、以下の様な効果が顕著である。
【００２６】
１． 絶縁管と保護管を兼ねており、他に保護管が必要無く直接測温できる。
２． 保護管が必要無く外形を小さくできるので、温度応答性に優れている。
３． シース熱電対のように一体構造であるので組み立てに際し熱電対汚染の恐れが無い。
４． シース熱電対のように一体構造で熱電対素線の露出部分が無いので、汚染環境での測温で熱電対劣化が小さい。
５． 細いものが作れるので、測定困難な場所の高温測定ができる。
【００２７】
具体的な例では、特に、溶鋼温度測定の様な汚染環境の著しい場合はその差は大きく、従来の組立式測温センサーでは高価な貴金属熱電対の劣化消耗が激しくランニングコストと測温精度両面に問題があるが、本発明の測温センサーでは長時間高精度に測温できるので、その実用的、経済的効果は極めて大きい。
また、従来はできなかった鍋底や炉底などの様な危険を伴う箇所の測温も安全に行うことができるなど、使用に際し広範囲に利用できる。
すなわち、高温用のシース熱電対とも言えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】端面封止を仮焼体状態で行う場合の代表的事例の工程説明図
【図２】端面封止を生素地の状態で行う場合の、蓋を被着した事例の工程説明図
【図３】端面封止を生素地の状態で行う場合の、不定形物を被着した事例の工程説明図
【図４】端面封止を生素地の状態で行う場合の、成形体の先端の先端自体が溶着もしくは圧着されて封止される事例の工程説明図
【符号の説明】
１ 生素地成形体
２ 熱電対素線
３ 測温接点
４ セラミックパイプ仮焼体
５ グラインダー
６ セラミックパイプ仮焼体の端面の位置
７ 円錐形の仮焼体蓋
８ スラリー
９ セラミックパイプ生素地成形体
１０ 円板形の生素地蓋
１１ ペースト状の不定形物

Claims (1)

1. ２つ孔のセラミックパイプの生素地成形体の一方の開孔から熱電対を挿入し、該パイプの熱電対感熱部側の一端を湿潤軟化させて、２つ割り．鋳型を該軟化した一端の外側から嵌め込んで、該一端を２方向から圧着して、該熱電対感熱部側の生素地成形体の端面を封止して一体的に本焼成することを特徴とする熱電対と保護管が一体となった測温センサーの製造方法。

Images