JP4751492B2 - 熱電対 - Google Patents

Description

本発明は熱電対に関し、特に、タービン内の流体のように高速で流れる流体の温度を、速い応答速度で測定する熱電対に関するものである。

シース熱電対は、金属シース内に、マグネシア、アルミナ等の無機絶縁材粉末を介在させて熱電対素線を収容したものである。

シース熱電対の代表的な形状を図１に示す。

シース熱電対は、金属シース１０１内に無機絶縁材粉末１０２を充填し、熱電対の＋脚（＋側熱電対素線１０３）と−脚（−側熱電対素線１０４）の２本を素線とし、素線の先端を接合して測温点１０５とする。図示していないが、先端と反対側の端末は無機絶縁材粉末１０２の吸湿を防ぐためエポキシ等のシール材によりシールが施されている。

シース熱電対は、腐食性雰囲気や酸化雰囲気などの過酷な環境で用いた場合に、熱電対素線が雰囲気から隔離されているために裸線のものに比べて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り、広く用いられている。

図２は、本発明に関係する従来のシース熱電対の先端部の製法を示したものである。

まず、先端部の無機絶縁材粉末１０２を掻き出し、熱電対素線１０３・１０４の先端を切断する（図２(b))。

次に、＋側熱電対素線１０３の先端と−側熱電対素線１０４の先端を溶接等により接合して測温点１０５を形成し (図２(c))、最初に無機絶縁材粉末１０２を掻き出して空いた部分の先端に空間を残して同じ無機絶縁材粉末１０２を充填した後 (図２(d))、最後に金属シース１０１の先端を溶接１０６により封止して完成する (図２(e))。

このシース熱電対は、外径が小さいものほど熱容量が少ないために応答速度が速いが、外径の小さいものを、そのままタービン内のような高速流体に対して使用すると、流体から受ける力によって、折れや曲がりなどの機械的損傷を生じる。このため、高速流体中でも機械的損傷を受けず、かつ高速応答が得られる熱電対として、図３の従来の高速流体用高速応答熱電対(1)(特開平７−１７４６３７号)、図４の従来の高速流体用高速応答熱電対(2)、図５の従来の高速流体用高速応答熱電対(3)(特開２００６−７８３０５号) に示す構造のものが考えられている。

図３は、＋側熱電対素線１０３、−側熱電対素線１０４、無機絶縁材粉末１０２(1) 及び金属シース１０１等から成るシース熱電対を、太い保護外管１０７の中に収容して無機絶縁材粉末１０２(2) により固定したものである。

シース熱電対は、先端の測温点１０５を収容している部分が保護外管１０７より短く出ているだけであるので、高速流体中でもシース熱電対の露出部が流れから受ける力によって機械的損傷を受けることがない。

しかし、保護外管１０７及び無機絶縁材粉末１０２(2) は、径が太く熱容量が大きいので、被測定流体の温度変化に対する温度追従が遅く、この影響をシース熱電対の測温点１０５が熱伝導によって受けるため、温度出力の応答速度はシース熱電対単体の応答速度に比べて遅いものとなっていた。

図４は図３の変形で、保護外管１０７に底板１０８を付けて、底板１０８とシース熱電対を溶接したものである。図３のものと同様に、機械的損傷を受けることがないが、やはり、保護外管１０７及び無機絶縁材粉末１０２(2) の大きな熱容量の影響で、温度出力の応答速度はシース熱電対単体の応答速度に比べて遅いものとなっていた。

図５は、シース熱電対を金属の保護筒１０９の中に収容し、図３、図４と同様にシース熱電対の先端の測温点収容部を短く保護筒１０９から出したものである。高速流体中でのシース熱電対の振動による金属シース１０１の磨耗に対処するため、金属シース１０１表面にクロムカーバイトがコーティングされている。シース熱電対の先端の露出が短いため、高速流体中でもシース熱電対が機械的損傷を受けることがない。しかし、この場合も、保護筒１０９の被測定流体の温度変化に対する温度追従が、熱容量が大きいために遅く、保護筒１０９とシース熱電対は接触するので、この影響を熱伝導により受けて応答速度が制限されていた。
特開平７−１７４６３７号公報 特開２００６−０７８３０５号公報

タービン内流体のような高速流体の温度を測定する温度計において、取付ける装置の性能向上のために、できるだけ応答速度の速い温度計が求められている。本発明は、高速流体中で使用しても折れや曲がりなどの機械的損傷を受けることがなく、かつ、速い応答速度の熱電対を提供することを目的とする。

本発明は、上記の事情に鑑み、高速流体中で使用しても折れや曲がりなどの機械的損傷
を受けず、速い応答速度の熱電対を提供すべく、外径の細いシース熱電対を、外径が太く内部に無機絶縁材粉末が充填された保護管に先端が露出するようにして挿入した熱電対において、保護管から露出したシース熱電対の露出部を、保護管の下部に設けられた中空の保護筒に挿入し、保護筒は、側面に設けられ、外部から流れてきた被測定流体が保護筒内のシース熱電対の表面を流れるように開口した複数の貫通窓と、先端側の底面に設けられ、保護管から露出したシース熱電対の露出部が挿通する孔を設けた底蓋と、を有し、保護筒内に挿入されたシース熱電対の測温点が収納されているシース熱電対の先端部を保護筒の底蓋から短く露出させたものである。

また、本発明は、熱膨張差による損傷を防止すべく、保護筒とシース熱電対の金属シースを同じ材質で構成した熱電対である。

さらに、本発明は、熱伝導性を向上すべく、シース熱電対の測温点のある先端部に無機絶縁材粉末として窒化ボロン又はベリリアを充填し、先端部以外はマグネシア又はアルミナ粉末を充填した熱電対である。

さらにその上に、本発明は、無機絶縁材粉末が金属シース内を動かぬように固定し、溶接封止時に飛散しないようにすべく、シース熱電対の測温点のある先端部に充填した窒化ボロン又はベリリアの無機絶縁材粉末のさらに先端部にマグネシア又はアルミナの無機絶縁材粉末を充填した熱電対とした。

本発明は、外径の細いシース熱電対を、外径の太い保護管に先端が露出するようにして挿入した熱電対において、保護管からのシース熱電対の露出部を、保護筒内のシース熱電対の表面を被測定流体が流れるように開口した複数の貫通窓と先端側にシース熱電対が挿通する孔を設けた底蓋を有する保護筒に挿入し、測温点の収容されているシース熱電対の先端部を保護筒底蓋から短く露出させた熱電対であるので、細径のシース熱電対を使用している点では従来と同じであるが、新たな構造により、高速流体中でも機械的損傷を受けることがなく、かつ、高速に応答する熱電対を得た。

また、本発明は、保護筒とシース熱電対の金属シースを同じ材質で構成した熱電対であるので、熱膨張差による損傷を防止できる。

さらに、本発明は、シース熱電対の測温点のある先端部に無機絶縁材粉末として窒化ボロン又はベリリアを充填し、先端部以外はマグネシア又はアルミナ粉末を充填した熱電対であるので、少ない価格増で使用するシース熱電対自体の応答性を向上することができる。

加えて、本発明は、シース熱電対の測温点のある先端部に充填した窒化ボロン又はベリリアの無機絶縁材粉末のさらに先端部にマグネシア又はアルミナの無機絶縁材粉末を充填した熱電対としたので、無機絶縁材粉末が金属シース内を動かぬように固定し、溶接封止時に飛散しないようにできる。

本発明による熱電対の構造と、使用するシース熱電対の先端部の製法を、図６〜図９に示す。

まず、構造について説明する。

図６は、本発明の熱電対の断面図であり、図７は外形図である。シース熱電対は、金属シース１内に無機絶縁材粉末２を充填し、熱電対の＋脚（＋側熱電対素線３）と−脚（−側熱電対素線４）の２本を素線とし、素線の先端を接合して先端部を測温点５とする。

径の太い保護管１１に中空で底蓋１２と複数の貫通窓１３を持つ保護筒１４が溶接されており、外形の細いシース熱電対がその中に収容されて、測温点５の収容されている先端部が短く保護筒１４から出ている。保護筒１４の材質は、シース熱電対の金属シース１と同じ材料で作られている。

シース熱電対は、保護筒１４の底蓋１２と溶接されており、保護管１１とも保護管１１下部において溶接されている。保護筒１４と底蓋１２は溶接されているが、一体物として削り出したものでもよい。

なお、保護管１１は、例えば図４の上部のような内部構造であってもよいし、図４の無機絶縁材粉末１０２(2) を無くして金属シース１の表面まで保護管１１を厚くしたものでもよく、内部構造は問わない。

以上のような構造にすることにより、以下の効果が得られる。
１. 高速応答
保護筒１４及び保護筒１４内シース熱電対の保護管１１に近接する部分では、熱容量が大きく温度応答の遅い保護管１１部からの熱伝導の影響により、被測定流体の温度変化への追従がシース熱電対単体に比べて遅い。

しかし、本発明の構造では、被測定流体は保護筒１４に設けられた複数の貫通窓１３を通って保護筒１４内をも流れ、保護筒１４及び底蓋１２は内外面が被測定流体から伝熱を受ける。

また、保護筒１４内のシース熱電対も表面を被測定流体が流れるので、被測定流体から伝熱を受ける。

このため、保護筒１４及び保護筒１４内シース熱電対の保護管１１部から離れた部分では、被測定流体からの伝熱が支配的になり、保護管１１部からの影響は局所的なものに止まる。

加えて、保護筒１４は中空で、かつ底蓋１２も板状であるので熱容量が小さく、また、保護筒１４内のシース熱電対も細径で熱容量が小さいために、保護管１１部からの熱伝導の影響がなくなる保護筒１４の下部、底蓋１２及び保護筒１４内シース熱電対の下部では、被測定流体からの伝熱により被測定流体の温度変化に速く追随する。

従来の図３〜図５の構造では、測温点１０５が保護外管１０７ (図３、図４) 、無機絶縁材粉末１０２(2)(図３、図４) 及び保護筒１０９ (図５) の熱容量の大きいことによる応答の遅さの影響を熱伝導により受けて、応答速度がシース熱電対単体に比べて遅いものとなっていた。

本発明の構造では、シース熱電対の先端の測温点５の収容部に溶接接続されている底蓋１２、底蓋１２と繋がっている保護筒１４の下部、及び測温点収容部と繋がる保護筒１４内のシース熱電対下部は、ともに上述の如く被測定流体の温度変化に速く追随するため、これらの影響による応答速度の低下が極めて少ない。このため、細径のシース熱電対を単体で使用した場合と同等の応答速度を持つ熱電対が得られる。
２．機械的損傷の回避
保護筒１４は、保護管１１に溶接で固定され、かつ底蓋１２を持つ円筒であるので、構造のいわゆる立体効果により、厚い肉厚でなくても高速流体中での折れや曲がり、座屈などの機械的損傷が回避可能である。厚い肉厚を必要としないことは、保護筒１４や底蓋１２の熱容量を小さくできることであり、前述の応答速度向上にも寄与している。

また、図５の構造のような可動部を持たないので磨耗による損傷を受けることもない。

さらに、シース熱電対の先端部は、従来のものと同様に保護筒１４より短く出ているだけであるので、この部分も高速流体から受ける力によって機械的損傷を受けることがない。

高温での使用における熱膨張による損傷に関しては、保護筒１４と金属シース１は同じ材質とすることにより、熱膨張差による損傷を防止することができる。

すなわち、保護筒１４とシース熱電対は、それぞれの保護管１１下部と溶接により固定されており、保護筒１４とシース熱電対は保護筒底蓋１２で溶接により固定されている。このため、保護筒１４とシース熱電対の熱膨張に差があると、高温での使用において、保護管１１下部と底蓋１２間で熱膨張差による損傷が発生する可能性があるが、保護筒１４と金属シース１を同じ材質にすることにより、熱膨張差による損傷を防止できる。

次に、シース熱電対自体の応答性向上について説明する。

シース熱電対の先端部は、図２に示したように作られる。絶縁材粉末としては、主として経済性の理由から、マグネシア粉末又はアルミナ粉末が使用されている。

図２の(a) に示す金属シース１０１に熱電対素線１０３・１０４と無機絶縁材粉末１０２を収容したものは、太く作ったものを、製作の最終工程においてスエージングマシンやダイスを用いた冷間引抜により縮径加工したものであるので、無機絶縁材粉末１０２は高密度で固く充填されており、そのため熱伝導性は良い。しかし、図２の(d) で先端部の測温点１０５周辺に充填される無機絶縁材粉末１０２には、そのような縮径加工が施されないため、充填密度が低く、熱伝導性が悪い。そのため、金属シース１０１の温度が測温点１０５に伝わる時間が長く、シース熱電対の応答速度の限界要因となっている。

本発明では、このシース熱電対の先端部に充填する無機絶縁材粉末を熱伝導の良いものにすることにより、シース熱電対自体の応答速度を速めた。

図８にその加工手順を示す。測温点５形成までは図２の従来手順と同じで、使用している無機絶縁材粉末もマグネシア粉末又はアルミナ粉末である。

その後に先端部の測温点５周辺に充填する無機絶縁材粉末１５の材質を、熱伝導性の良い窒化ホウ素粉末又はベリリア粉末とする。こうすることにより、高価な窒化ホウ素、ベリリアの使用量を最小限として経済性を損なうことなく、シース熱電対の応答を高速化した。

なお、図８の加工手順(a) おいて、先端に充填する無機絶縁材粉末が、表面摩擦係数等の特性により、さらさらと流動する性質を持つものである場合には、無機絶縁材粉末を金属シース１内に固定的に充填することができず、図８(b) の先端封止溶接１６を行う際に、粒子の隙間にある空気の熱膨張に伴って、充填した無機絶縁材粉末１５が金属シース１外に飛散する現象が発生する。経験上、特に窒化ホウ素にこのような粉末が多い。

無機絶縁材粉末の飛散に対処するための加工手順を図９に示す。

先端の測温点５周囲に熱伝導性の良い無機絶縁材粉末の充填するところまでは図８と同様である。

この後、そのさらに先端に、従来と同じマグネシア又はアルミナの粉末１７を充填し、先端封止溶接１６により先端を封止する。一般に使用されているマグネシアやアルミナの粉末は金属シース１内に動かぬように固定することができ、溶接封止時に飛散しないことは、従来の加工によって実証されており、実際にもこの加工手順で、図８の手順では飛散する窒化ホウ素粉末を熱伝導の良い無機絶縁材として使用した場合にも飛散は発生しなかった。

まず、シース熱電対自体の応答速度向上の実施例について説明する。

図９に示す加工法で以下のシース熱電対を作成した。

熱電対素線タイプ ： ＪＩＳＣ１６０２に示されるＫ熱電対素線
シース外径 ： ψ３．２ｍｍ
シース材質 ： ＮＣＦ６００
無機絶縁材粉末材質 ： マグネシア
測温点周辺に充填した熱伝導の良い無機絶縁材粉末の材質 ： 窒化ボロン
飛散防止のために先端の充填した無機絶縁材粉末の材質 ： マグネシア
このシース熱電対を、室温の空気中から流速１ｍ／秒の水中に落下させることにより、応答速度を測定した結果、応答時定数（出力変化が全変化分の６３．２％に達するのに要する時間）は、０．４６秒であった。

一方、図２に示す従来の加工法による同じ熱電対素線タイプ、シース外径、シース材質及び無機絶縁材粉末材質のシース熱電対の応答時定数は、同じ測定方法で０．５６秒であり、本発明によっては応答速度は、応答時定数で約１８％向上した。

次に、上記の発明によるシース熱電対を用いて、本発明による熱電対を作成した例について説明する。

形状は図６及び図７に示す通りで、主な寸法と材質は以下のとおりである。

保護筒外径 ： ψ８ｍｍ
保護筒肉厚 ： １ｍｍ
保護筒長さ ： ２２ｍｍ
保護筒及び底蓋材質 ： ＮＣＦ６００
保護筒貫通窓 ： ψ２．３ｍｍの円形窓×１０（窓配置は図７に示す通り）
保護筒底 蓋厚さ ： ３ｍｍ
シース熱電対の先端露出長 ： ９ｍｍ
この熱電対をシース熱電対単体の試験と同様に、室温の空気中から流速１ｍ／秒の水中に落下させることにより、応答速度を測定した。応答時定数は、０．５０乃至０．５５秒であった。使用したシース熱電対の単体での応答時定数０．４６秒との差は微少で、本発明による構造は、保護筒を設けることによる応答速度低下を極めて少なくするものであることを証明している。

作成した上述の熱電対は、タービン内の流体温度測定向けに、使用対象場所における最大流速においても機械的損傷が生じないように、シース熱電対及び保護筒の形状、材質を決めたものである。

従来、同じ対象箇所に使用していた熱電対は、先端が図４に示す形状のものであった。その熱電対も使用対象場所における最大流速において機械的損傷が生じないように設計されたものであったが、室温の空気中から流速１ｍ／秒の水中に落下させることにより測定した応答時定数は約２秒であった。

このように、本発明による熱電対は、従来のものと比べて応答時定数で約１／４に高速化されている。

本発明は、高速流体の温度を高速応答で測定できるが、小さい粒状物が含まれる高速流体の温度の計測もできる。

従来のシース熱電対の長手方向断面と径方向断面の２面図である。 シース熱電対の従来の先端加工を説明する図である。 従来の高速流体用高速応答熱電対(1) の軸方向断面とＡ矢視断面の２面図である。 従来の高速流体用高速応答熱電対(2) の軸方向断面とＢ矢視断面の２面図である。 従来の高速流体用高速応答熱電対(3) の軸方向断面とＣ矢視断面の２面図である。 本発明による熱電対の軸方向断面とＤ矢視断面の２面図である。 本発明による熱電対の外形図である。 本発明による熱電対のシース熱電対先端部加工手順(1) を示す図である。 本発明による熱電対のシース熱電対先端部加工手順(2) を示す図である。

１…金属シース
２…無機絶縁材粉末
３…＋側熱電対素線
４…−側熱電対素線
５…測温点
１１…保護管
１３…貫通窓
１２…底蓋
１４…保護筒

Claims (5)

1. 外径の細いシース熱電対を、外径が太く内部に無機絶縁材粉末が充填された保護管に先端が露出するようにして挿入した熱電対において、
   前記保護管から露出した前記シース熱電対の露出部を、前記保護管の下部に設けられた中空の保護筒に挿入し、
   前記保護筒は、
   側面に設けられ、外部から流れてきた被測定流体が前記保護筒内の前記シース熱電対の表面を流れるように開口した複数の貫通窓と、
   先端側の底面に設けられ、前記保護管から露出した前記シース熱電対の露出部が挿通する孔を設けた底蓋と、を有し、
   前記保護筒内に挿入された前記シース熱電対の測温点が収納されているシース熱電対の先端部を前記保護筒の底蓋から短く露出させた熱電対。
2. 前記保護筒と前記シース熱電対の金属シースを同じ材質で構成した請求項１記載の熱電対。
3. 前記シース熱電対の測温点のある先端部に無機絶縁材粉末として窒化ボロン又はベリリアを充填し、前記先端部以外はマグネシア又はアルミナ粉末を充填した請求項１あるいは請求項２記載の熱電対。
4. 前記シース熱電対の測温点のある先端部に充填した窒化ボロン又はベリリアの無機絶縁材粉末のさらに先端部にマグネシア又はアルミナの無機絶縁材粉末を充填した請求項３記載の熱電対。
5. 前記複数の貫通窓は、前記保護筒の側面であって前記シース熱電対の測温点に至る途中に対向した位置に設けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱電対。
   
   

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