JP4747145B2

JP4747145B2 - シース熱電対

Info

Publication number: JP4747145B2
Application number: JP2007245780A
Authority: JP
Inventors: 勝山名
Original assignee: Okazaki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Okazaki Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP2009075003A

Description

本発明は、熱電対素線の断線を防止することができるシース熱電対に関するものである。

シース熱電対は、シース（金属保護管）内に熱電対素線を挿入し、マグネシア、アルミナ等の無機絶縁材の粉末で充填密封したものであり、その代表的な構造を図３に示す。

同図(ａ)はシース熱電対の長手方向断面を示し、同図(ｂ)は図３(ａ)のＣ−Ｃ矢視断面を拡大して示している。

両図において、シース５０ａ内に、＋側熱電対素線５０ｂと−側熱電対素線５０ｃからなる熱電対素線５０ｄが挿入され、各素線５０ｂ，５０ｃの先端は接合されて測温点５０ｅを構成している。

熱電対素線５０ｄの後端部は、エポキシ樹脂等のシール材５０ｆによってシールされ、シース５０ａ内に充填された無機絶縁材粉末（絶縁材層）５０ｇの吸湿を防ぐようになっている。

また、熱電対素線５０ｄの後端部には、補償導線（または延長熱電対素線）５０ｈ，５０ｉとの接合部を収納するためのスリーブ５０ｊを設ける場合が多いが、補償導線５０ｈ，５０ｉとの接続のための端子台を収容した端子（図示しない）を設ける場合もある。

なお、図中、５０ｋは＋側熱電対素線５０ｂと補償導線５０ｈとの接続箇所を、５０ｌは−側熱電対素線５０ｃと補償導線５０ｉとの接続箇所をそれぞれ示している。また、５０ｍは絶縁被覆である。

上記シース熱電対５０は、熱電対素線５０ｄがシース５０ａによって保護されているため、腐食性雰囲気や酸化雰囲気等の過酷な環境で使用しても、裸線の熱電対に比べると長寿命であるという長所があり、また、絶縁材層があることから、設置対象物との絶縁を考慮する必要がないという利点もある。

しかしながら、上記シース熱電対５０は、以下に説明するように、シース５０ａから熱電対素線５０ｄに対して引張力が加わると、素線が断線しやすいという問題もある。

詳しくは、シース熱電対を高温の測定雰囲気で使用する場合、熱電対素線の線膨張率よりも大きい線膨張率を持つ金属がシースとして使用されていると、両者の線膨張差によって熱電対素線に引張力が加わることになる。例えば、JIS C 1602に規定されているＫ熱電対素線とSUS304からなるシースの組み合わせが上記の場合に相当する。

通常、上記引張力だけで熱電対素線が断線することは希であるが、シース熱電対に対して加熱と冷却が繰返し作用すると、サイクル疲労が加わることになり、熱電対素線の断線が生じやすくなる。

特に、シース熱電対に対し急激に加熱を与えた場合には、シースが高温になる一方で、熱電対素線は未だ低温の状態が過渡的に生じ、この時、熱電対素線に大きな引張力が加わる。この状態が繰り返してシース熱電対に作用すると、熱電対素線の断線がさらに生じやすくなる。

なお、シースの線膨張率が熱電対素線のそれよりも小さい場合には、熱電対素線は加熱時に圧縮力を受けることになるが、圧縮により熱電対素線が断線することはない。

本発明は以上のような従来のシース熱電対における課題を考慮してなされたものであり、線膨張率が異なる熱電対素線とシース（シースの線膨張率が熱電対素線の線膨張率よりも大きい）を組み合わせても、熱電対素線の断線を防止することができるシース熱電対を提供するものである。

本発明は、シース金属の線膨張率が熱電対素線の線膨張率よりも大きいシース熱電対において、
上記熱電対素線の線膨張率よりも小さい線膨張率を有し、上記熱電対素線よりも耐断線性の強い金属線が、上記熱電対素線と平行にシース内に収容されるとともに、上記金属線の直径が上記熱電対素線の直径よりも太く形成され、上記シース内に高密度で充填された無機絶縁材粉末との間に発生する摩擦力によって固定されているシース熱電対である。

本発明において、上記金属線の直径を、上記熱電対素線の径よりも太く形成することにより、上記金属線の引張り強さが、上記熱電対素線の引張り強さを上回るように構成することができる。

本発明において、上記シース熱電対の径方向断面において、一対の上記熱電対素線を結ぶ線分と直交する直径上で且つ上記シースの内壁寄りに、対向する状態で二本の上記金属線を配置することができる。

本発明のシース熱電対によれば、線膨張率が異なる熱電対素線とシースを、シースの線膨張率が熱電対素線の線膨張率よりも大きい条件で組み合わせても、熱電対素線の断線を防止することができる。

以下、図１および図２に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係るシース熱電対１の径方向断面を示したものである。

同図において、２はシース、３は、＋側熱電対素線４および−側熱電対素線５からなる熱電対素線、６は無機絶縁材粉末である。ただし、シース２の線膨張率は、熱電対素線３の線膨張率よりも大きい。

本発明のシース熱電対１が、従来のシース熱電対と異なるところは、シース２内に、断線防止素線（金属線）７を追加している（本実施形態では２本）ことである。

これら二本の断線防止素線７は、一対の熱電対素線３を結ぶ線分と直交する直径上で且つシース２の内壁寄りの位置において、対向する状態で配設されている。

これらの断線防止素線７の材料は、＋側熱電対素線４と−側熱電対素線５のうちの小さい方の線膨張率よりも小さい線膨張率を持つ金属から構成されている。

また、各断線防止素線７の径は、熱電対素線３と同等もしくは熱電対素線よりも太い径から構成されている。

上記無機絶縁材粉末６はマグネシア、アルミナ等からなり、シース２内に高密度に充填されており、シース２内に配置した熱電対素線３および断線防止素線７を固定している。

図２(ａ)は図１のＡ−Ａ矢視断面を示したものであり、図２(ｂ)は同じくＢ−Ｂ矢視断面を示したものである。なお、図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図２において、熱電対素線３の先端に測温点８を有し、熱電対素線３の後端部は、エポキシ樹脂等のシール材９によってシールされている。

また、＋側熱電対素線４の後端には、＋側延長熱電対素線（または補償導線）１０が接続され、−側熱電対素線５の後端には、−側延長熱電対素線（または補償導線）１１が接続され、接合部はスリーブ１２内に収容されている。なお、図中、１３は絶縁被覆である。

断線防止素線７は、＋側熱電対素線４と平行に、その両側（図２(ｂ)参照）に配置されており、先端は上記測温点８の近傍まで、後端はシール材９近くまで延設されている。なお、後端についてはシール材９に固定してもよい。

従来のシース熱電対では、高温に加熱されたシースがその長手方向に熱膨張すると、シースと無機絶縁材粉末との摩擦により、シースとともに無機絶縁材粉末も長手方向（シース伸び方向）に移動しようとする。

一方、無機絶縁材粉末と熱電対素線との間にも摩擦があるため、熱電対素線の線膨張率がシース２のそれよりも小さい場合には、熱電対素線に生じる長手方向の引張力とシース２に生じる長手方向の圧縮力（熱膨張に抗する方向に発生する）とが摩擦力を介してバランスする状態になる。

このとき、熱電対素線３の断面積は、シース２の断面積に比べて非常に小さいため、シース２が破断することはないものの、熱電対素線３が断線することは起こり得る。

本発明のシース熱電対１では上記したように、シース２内に断線防止素線７を備えており、この断線防止素線７の線膨張率は、熱電対素線３の線膨張率よりも小さい金属を使用しているため、シース熱電対１が加熱されても、熱電対素線３の断線を防止することができる。

詳しくは、シース熱電対１を加熱した場合、シース２の熱膨張による長手方向の伸びに伴って発生する、無機絶縁材粉末６の長手方向に移動しようとする力は、主として、最も熱膨張の小さい断線防止素線７に対し摩擦力を介して加えられる。

それにより、熱電対素線３に加わる引張力は、断線防止素線７を備えていない場合に比べ、大きく減少する。場合によっては、熱電対素線３は、熱膨張の少ない断線防止素線７から無機絶縁材粉末６を介して圧縮力を受けることになることもある。

熱電対素線３が圧縮力を受けても、圧縮によって断線することはないことは先に説明した通りである。

したがって、断線防止素線７をシース熱電対１の構成として追加することにより、加熱や繰り返し加熱時に、シース２と熱電対素線３との線膨張差によって生じる引張応力を原因とした熱電対素線３の断線を防止することができる。

また、シース熱電対１に対し加熱が急激に加えられて、シース２が高温になる一方で熱電対素線３は未だ低温のままであるような状態が過渡的に生じても、断線防止素線７も未だ低温のままであるため、上述した断線防止効果が働く。したがって、急激な加熱が繰り返されても、熱電対素線３を断線から保護することができる。

なお、図１において、断線防止素線７とシース２とは、溶接等により固定されていなければ、接触した状態であっても熱電対素線３の断線防止効果は変わりない。

また、断線防止素線７は、シース２の熱膨張によって引張力を受けるため、引張力に対して強い金属素材、すなわち、断線に対して強い金属線を選択する必要がある。

断線防止素線７として十分な強さを持つ金属を使用する場合、その断線防止素線７は熱電対素線３と同等の径とすることができるが、同等の径で十分な強度を確保することができなければ、図１に示したように、断線防止素線７の径を熱電対素線３の径よりも太くする必要がある。

ａ．熱電対素線：JIS C 1602に規定されているＫ熱電対素線を使用。

Ｋ熱電対素線の線膨張率は、−側熱電対素線の方が＋側熱電対素線よりも小さく、その値α_１は約１２．０×１０^−６／℃であり、径はφ１．３ｍｍである。

ｂ．シース：高温用熱電対として、線膨張率α_２が約１４．４×１０^−６／℃の高温用耐熱金属、例えばＮＣＦ６００を使用。シースの外径はφ８．０ｍｍである。

ｃ．無機絶縁材：粉末マグネシア。

ｄ．断線防止素線：耐熱鋼棒ＳＵＨ−４４６を使用。線膨張率α_３は約１０．４×１０^−６／℃である。断線防止素線の径はφ１．８ｍｍである。

以上のように、シースの線膨張率α_２が熱電対素線の線膨張率α_１よりも大きいシース熱電対に対し、本発明による断線防止素線を適用し、その材質をＳＵＨ−４４６とした。このＳＵＨ−４４６の線膨張率α_３は、熱電対素線の線膨張率α_１よりも十分に小さいため、熱電対素線の断線を防止する効果を奏することができる。

また、ＳＵＨ−４４６の引張り強さは５１０Ｎ／ｍｍ^２以上あり、これに上記断線防止素線の径φ１．８ｍｍに基づく断面積を乗じると、１本当り約１３００Ｎ、合計約２６００Ｎである。

一方、熱電対素線の引張り強さは、測定によると約４５０Ｎ／ｍｍ^２であり、これに断面積を乗じると、１素線について約６００Ｎ、合計約１２００Ｎとなる。

このように、従来の熱電対素線のみのシース熱電対に比べ、本発明のシース熱電対は、断線防止素線を備えることによって２倍以上の引張り強さに耐え得る強度を有しており、断線防止素線は、熱電対素線の断線を防止するのに有効に機能することが確認できた。

なお、上記実施例において、シースの外径は、φ８．０ｍｍに限らず、φ３．２ｍｍ、φ６．０ｍｍ、φ６．４ｍｍ等の径のものを使用することもできる。また、熱電対素線は、JIS C 1602に規定されているＲ熱電対、Ｎ熱電対等の他のタイプの熱電対であってもよい。さらにまた、無機絶縁材は、粉末アルミナを使用することもできる。

また、上記実施形態では断線防止素線を二本、対向する状態で配設したが、断線防止素線における、引張り力に対する強度が十分ある場合は、一本で構成することもできる。

なお、マイクロヒータも図３と同様の構造をしており、同図の熱電対素線に代えてニクロム線等の発熱素線としたものがマイクロヒータである。したがって、本発明の断線防止素線７は、シース熱電対１と同様にマイクロヒータにも適用することができる。

本発明に係るシース熱電対の径方向断面図である。 (ａ)は図１のＡ−Ａ矢視縦断面図、(ｂ)は図１のＢ−Ｂ矢視横断面図である。 (ａ)は従来のシース熱電対の構成を示す縦断面図、(ｂ)は図３(ａ)のＣ−Ｃ矢視断面図である。

符号の説明

１シース熱電対
２シース
３熱電対素線
４＋側熱電対素線
５ −側熱電対素線
６無機絶縁材粉末（無機絶縁材）
７断線防止素線（金属線）
８測温点
９シール材
１０＋側延長熱電対素線
１１ −側延長熱電対素線
１２スリーブ
１３絶縁被覆

Claims

シース金属の線膨張率が熱電対素線の線膨張率よりも大きいシース熱電対において、
上記熱電対素線の線膨張率よりも小さい線膨張率を有し、上記熱電対素線よりも耐断線性の強い金属線が、上記熱電対素線と平行にシース内に収容されるとともに、上記金属線の直径が上記熱電対素線の直径よりも太く形成され、上記シース内に高密度で充填された無機絶縁材粉末との間に発生する摩擦力によって固定されていることを特徴とするシース熱電対。
上記シース熱電対の径方向断面において、一対の上記熱電対素線を結ぶ線分と直交する直径上で且つ上記シースの内壁寄りに、対向する状態で二本の上記金属線が配置されている請求項１に記載のシース熱電対。