JP4807201B2 - シース熱電対及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シース熱電対に係わり、特にガスタービンや蒸気タービン、石油化学プラント等の高温・高速流体の温度測定に好適な単軸型のシース熱電対に関する。

熱電対は、種類の異なる二本の素線を接続し、この接続部（温接点）間に温度差が生じたとき閉回路に熱起電力が発生し、回路に電流が流れるゼーペック効果を利用して温度を測定するものである。シース熱電対は、熱電対素線を金属シース内に納め、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の無機絶縁物で充填密封して一体化したものである。

本出願人は、すでに特許文献１において、端部同士を接続してなる温接点に対し、互いに反対の側に延びる熱電対素線を単又は複数対設け、これら熱電対素線を金属シース内に挿通することにより、前記温接点を当該シースの軸方向途中部に位置させ且つシース両端部から前記反対側に延びる各熱電対素線を延出させ、これら熱電対素線と金属シースの隙間に無機絶縁物を充填した後、当該金属シースを所定形状に曲成し、両端側をそれぞれ支持させたものを提案している。

これによれば、一般的な温接点で折り返した熱電対素線を挿着していたシース熱電対に対して、シース断面を通過する一対あたりの素線の数が１／２となるため、シース外径に対するシース肉厚の比率をより大きく設定でき、これにより流体応力への耐力が向上する。また、シース外径をより細く設定し、応答性の向上を図ることができる。さらに、温接点で折り返した熱電対素線が挿着される従来のものに比べ、構造が簡単化され熱電対素線の絶縁性や耐久性も向上する。

このような単軸型のシース熱電対の製造は、一般的な折返し型のものと同様、金属シース内に熱電対素線と無機絶縁物を充填したのち、ドローイングして所定の外径寸法に調整して作製されるが、この際、金属シース、熱電対素線と無機絶縁物相互間に空間が残っており、この状態でドローイングすることにより熱電対素線の温接点の位置が長手方向或いは径方向に大きくズレてしまうといった問題や金属シースの肉厚が不均一になってしまうといった問題があった。

温接点のズレが生じることにより、金属シースを曲げ加工する際に温接点の位置をＸ線で確認することが必須となり、同径の素線を溶接した温接点はＸ線でも確認しにくいといった問題もあって、コスト上昇の原因となるとともに、温接点近傍にて破断あるいは窪み等の弱部が発生する原因となる。また、金属シースの肉厚が不均一であると、引張り強度などの品質に大きく影響する。また、とくに熱電対素線を複数対設けた場合には、互いの温接点の位置がズレることにより測定精度に大きな影響を及ぼすこととなる。

特開２００６−１７５５６号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、熱電対素線の温接点の位置がドローイング時に大きくズレることがなく、Ｘ線による確認を省略することも可能となり、コストを大幅に削減できるとともに、破断や弱部発生を未然に防止でき、高品質を維持できるシース熱電対を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、金属シース内に、プラス側素線およびマイナス側素線の端部同士を接続してなる温接点が前記シースの軸方向途中部に位置し且つ該温接点より前記プラス側およびマイナス側の各素線がシース両端に向けて互いに反対の側に延びる単軸型熱電対素線を、単又は複数対設けるとともに、これら熱電対素線と金属シースの隙間を埋めるための無機絶縁物を設け、前記金属シースの両端側をそれぞれ支持してなるシース熱電対であって、前記温接点外周面を一方の素線の端部外周から他方の素線の端部外周に向けてなだらかに連続する形状とし、前記単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態でドローイング加工により所定径に縮径させて構成したことを特徴とするシース熱電対を構成した。なだらかに連続するとは、双方の素線が同径の場合はふくらみや凹みを殆ど生じることなく直線的に繋がる形状であり、異径の場合には小径側よりも小さな径にならず、大径側よりも大きな径にならないようになめらかに連続する形状である。

ここで、単軸型熱電対素線を構成するプラス側素線とマイナス側素線を、外径差５〜１５％の異径のもので構成したものが好ましい。

また、小径側の素線端部に溶融玉を作成し、該溶融玉を大径側の素線端面に当着させることで、小径側の端部外周から大径側の端部外周に向けてなだらかに連続する外周形状を有する温接点を構成できる。

また本発明は、金属シース内に、プラス側素線およびマイナス側素線の端部同士を接続してなる温接点が前記シースの軸方向途中部に位置し且つ該温接点より前記プラス側およびマイナス側の各素線がシース両端に向けて互いに反対の側に延びる単軸型熱電対素線を、単又は複数対設けるとともに、これら熱電対素線と金属シースの隙間を埋めるための無機絶縁物を設け、前記金属シースの両端側をそれぞれ支持してなるシース熱電対の製造方法であって、前記温接点外周面を一方の素線の端部外周から他方の素線の端部外周に向けてなだらかに連続する形状とし、前記単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態で、ドローイング加工により所定径に縮径させることを特徴とする製造方法をも提供する。

ここで、前記単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態でシース長手方向にわたり径方向に加圧した後、前記ドローイング加工により所定径に縮径させることが好ましい。

また、前記無機絶縁物を、予め長手方向に前記単軸型熱電対素線が挿着される単又は複数の貫通孔を有し、前記金属シース内に装入される略円柱状に粒子を固めて成形し、該無機絶縁物とその貫通孔に挿通された単軸型熱電対素線とを前記金属シース内に組み込み、その状態でシース長手方向にわたり径方向に加圧して隙間を無くすことで仮固定した後、前記ドローイング加工により所定径に縮径させてもよい。

さらに、前記単軸型熱電対素線を構成するプラス側素線とマイナス側素線が、外径差５〜１５％の異径のものであり、小径側の素線端部に溶融玉を作成し、該溶融玉を大径側の素線端面に当着させることで、小径側の端部外周から大径側の端部外周に向けてなだらかに連続する外周形状を有する温接点を構成することが好ましい。

前記金属シースに対し、該金属シースが小径側の素線から大径側の素線に向かう方向に引っ張られるようにドローイング加工すればよい。

以上にしてなる本願発明に係るシース熱電対およびその製造方法によれば、温接点外周面を一方の素線の端部外周から他方の素線の端部外周に向けてなだらかに連続する形状としたので、ドローイングの際、温接点がスムーズに移動し、無機絶縁物との相対移動で金属シースや熱電対素線の延びが大きくズレたり、これにより温接点の断線または断線のきっかけが生じにくい。とくに、複数対設けた場合でも、互いに温接点の位置が大きくズレてしまうことを防止できる。

また、熱電対素線を構成するプラス側素線とマイナス側素線を、外径差５〜１５％の異径のもので構成したので、Ｘ線の確認作業も容易となる。

また、小径側の素線端部に溶融玉を作成し、該溶融玉を大径側の素線端面に当着させることで、小径側の端部外周から大径側の端部外周に向けてなだらかに連続する外周形状を有する温接点を容易に形成でき、ヤスリ仕上げ等の手間を省くことが可能となる。

また、単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態でシース長手方向にわたり径方向に加圧した後、前記ドローイング加工により所定径に縮径させたので、空間をなくした状態でドローすることから、ドローイング時の延びが均一となり、狙いどおりの均一なシース肉厚が得られ、温接点の長手方向および径方向へのズレも最小限に抑え、高品質を維持できる。

また、前記無機絶縁物を、予め長手方向に前記単軸型熱電対素線が挿着される単又は複数の貫通孔を有し、前記金属シース内に装入される略円柱状に粒子を固めて成形し、該無機絶縁物とその貫通孔に挿通された単軸型熱電対素線とを前記金属シース内に組み込み、その状態でシース長手方向にわたり径方向に加圧して隙間を無くすことで仮固定した後、前記ドローイング加工により所定径に縮径させたので、効率よく高品質なシース熱電対を得ることができる。

また、金属シースに対し、該金属シースが小径側の素線から大径側の素線に向かう方向に引っ張られるようにドローイング加工したので、ドローイングの際、温接点が無機絶縁物に押されて断線するといった問題を回避できる。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明に係るシース熱電対の構成を示す縦断面図であり、図１〜３は代表的実施形態を示し、図中符号１はシース熱電対、２は金属シース、３１、３２は熱電対素線、４は無機絶縁物、５は保護管、６は取付金具、７は端子箱、８は補償導線、９は測定器をそれぞれ示している。

シース熱電対１は、図１に示すように、金属シース２内に単軸型熱電対素線３が内挿され、熱電対素線３と金属シース２の隙間に無機絶縁物４を充填したものである。熱電対素線３のプラス側素線３１およびマイナス側素線３２の端部３１ａ、３２ａ同士を接続してなる温接点３３は、前記シース２の軸方向途中部（２０）に位置しており、該温接点３３よりシース両端部２１、２２に向けて、プラス側素線３１およびマイナス側素線３２が互いに反対の側に延び、金属シース２の両端側が、支持部材１１にそれぞれ支持されている。

本例では、プラス側素線３１およびマイナス側素線３２の一対のみ内挿したシース熱電対を示しているが、複数対内挿しても良い。また、本実施形態では金属シース２をスリーブ状の保護管５で支持し、端子箱から延出した補償導線８で測定器９に接続される耐圧防爆型シース熱電対として構成した例について説明するが、本発明はこのような構造に何ら限定されず、端子箱を介することなく補償導線を直接つないだものや脱着コネクタを設けたものなど、従来と同様の種々の型のシース熱電対として構成することができる。

さらに、金属シース両端をそれぞれ別の支持部材で支持させたものも好ましく、例えば両端の支持部材で流体の流通路を横切るように金属シースを架設し、中央部付近に位置した温接点で温度測定を行うものとしてもよい。シース外径は、従来よく用いられている０．５〜８ｍｍのものに何ら限定されず、それよりも細いものや太いものも同様に採用できる。

金属シース２は略Ｕ字形状に構成されており、その両端側が支持部材１１により固定されている。具体的には、支持部材１１としてスリーブ状のステンレス製保護管５が設けられ、金属シース２の両端側が前記保護管５に内挿され、その隙間にＭｇＯ等が充填された後、保護管先端の金属シース２が突出している部分を蓋５０で塞ぎ、金属シース２に溶接することで、金属シース２両端側をそれぞれ支持する支持部１２、１３が形成されている。

金属シース２のうち保護管５の先端から突出した略Ｕ字状部分が感温部１０であり、突出方向頂部２０に前記熱電対素線３の温接点３３が位置されている。金属シース２はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１４、ＳＵＳ３１６等）やニッケルクローム系耐熱合金（インコネル等）からなる従来と同様のものを用いることができ、シース内に充填される無機絶縁物４は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等が用いられるが、これらに何ら限定されるものではない。熱電対素線は、たとえばプラス側素線にニッケル−クロム合金、マイナス側素線にニッケル合金が用いられる。

本実施形態に係るシース熱電対１の作製は、まず、図２に示すように、熱電対素線の端部３１ａ、３２ａを突合せ溶接することで温接点を形成し、該温接点３３に対して互いに反対側に延びるプラス側素線３１、マイナス側素線３２を一直線状に構成する。本実施形態では、マイナス側素線３２がプラス側素線３１よりも外径が太いものとされている。ニッケル合金のマイナス側素線３２は高温での劣化が大きく、とくに１０００℃を越える高温雰囲気の測定には、このようにマイナス側素線３２を比較的太くすることが好ましい。好ましくは外径差は細径側の５〜１５％ほど、すなわちマイナス側素線の外径ｄ２はプラス側素線の外径ｄ１の１．０５〜１．１５倍に設定される。なお、シャントエラー低減のため、逆にプラス側素線を太くしてもよい。

そして、突合せ溶接の際には、図２(ａ)に示すように、小径側のプラス側素線３１の端部３１aに溶融玉３４を作成し、該溶融玉３４を大径側の素線端面（好ましくは該端面を多少溶融させておく）に当着させることで、図２（ｂ）に示すように、小径側の端部３１ａ外周から大径側の端部３２ａ外周に向けてなだらかに連続する外周形状を有する温接点３３が構成される。

本例では、プラス側素線３１にのみ溶融玉３４を作成したが、双方に形成して突き合わせてもよい。ただし、本例のように細径側に溶融玉を形成して当接させることにより、温接点３３が太径側の素線端部よりも外周側に突出してしまうことを回避しやすい。細径側であるプラス側素線３１に形成される溶融玉３４の外径寸法ｄ３は、太径側であるマイナス側素線３２の外径ｄ２の１．０５〜１．２程に設定することが好ましい。

次に、このように作製された熱電対素線３を、無機絶縁物とともに金属シース２内に挿着し、中間の温接点３３を当該シースの軸方向途中部に位置させてシース両端部からはプラス側素線とマイナス側素線をそれぞれ延出させる。

具体的には、図３（ａ）に示すように、長手方向に熱電対素線３が挿着される貫通孔４１を備え、金属シース２内に装入される略円柱状に構成された無機絶縁物の成形体４０をあらかじめ作製しておき、該無機絶縁物の成形体４０とその貫通孔４１に挿通された熱電対素線３とが金属シース２内に組み込まれる。なお、成形体４０を作製することなく、金属シース内部に熱電対素線３を挿通した後、隙間に粒子状の無機絶縁物を加圧充填したものでもよい。

次に、図３（ｂ）に示すようにシース長手方向にわたり径方向に加圧して、シース内部の隙間を無して仮固定した後、図３（ｃ）に示すようにドローイング加工により全体を引き伸ばして所定径に縮径させる。

径方向への加圧は、好ましくはスエージング加工により行われる。また、ドローイング加工は、金属シース２が熱電対素線の小径側、すなわちプラス側素線３１から大径側、すなわちマイナス側素線３２に向かう方向（図中左方向）に引っ張られる方向にドローして行われる。

なお、本例ではプラス側素線とマイナス側素線を異径としたが、同径であってもよい。この場合も、図４に示すように一方の素線端部３１ａに同様に溶融玉３４を形成し、他方の素線端部３２ａに当接するようにして温接点３３を形成すれば、なめらかに連続した温接点３３を得ることが可能となる。

次に、図３（ｅ）に示すように、当該金属シース２を所定形状、本例では頂部２０に温接点３３が位置するように略Ｕ字形状に曲げ加工した後、両端側をそれぞれ支持部材１１に支持させることで、シースが略Ｕ字形状に突設された図１に示すシース熱電対１が構成される。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るシース熱電対を示す断面図。 （ａ），（ｂ）は、同じくシース熱電対の熱電対素線における温接点作製の手順を示す説明図。 （ａ）〜（ｅ）は、同じくシース熱電対の製造手順を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は、変形例における温接点作製の手順を示す説明図。

符号の説明

１ シース熱電対
２ 金属シース
３ 熱電対素線
４ 無機絶縁物
５ 保護管
８ 補償導線
９ 測定器
１０ 感温部
１１ 支持部材
１２，１３ 支持部
２０ 頂部
２１，２２ シース両端部
３１ プラス側素線
３１ａ 端部
３２ マイナス側素線
３２ａ 端部
３３ 温接点
３４ 溶融玉
４０ 成形体
４１ 貫通孔
５０ 蓋
Ａ ドローイング加工用ダイス

Claims (5)

1. 金属シース内に、プラス側素線およびマイナス側素線の端部同士を接続してなる温接点が前記シースの軸方向途中部に位置し且つ該温接点より前記プラス側およびマイナス側の各素線がシース両端に向けて互いに反対の側に延びる単軸型熱電対素線を、単又は複数対設けるとともに、これら熱電対素線と金属シースの隙間を埋めるための無機絶縁物を設け、前記金属シースの両端側をそれぞれ支持してなるシース熱電対であって、
   前記単軸型熱電対素線を構成するプラス側素線とマイナス側素線を、外径差５〜１５％の異径のもので構成するとともに、
   前記温接点を、小径側の素線端部に溶融玉を作成し、該溶融玉を大径側の素線端面に当着させることで、小径側の端部外周から大径側の端部外周に向けてなだらかに連続する外周形状を有するものとし、
   前記単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態でドローイング加工により所定径に縮径させて構成したことを特徴とするシース熱電対。
2. 金属シース内に、プラス側素線およびマイナス側素線の端部同士を接続してなる温接点が前記シースの軸方向途中部に位置し且つ該温接点より前記プラス側およびマイナス側の各素線がシース両端に向けて互いに反対の側に延びる単軸型熱電対素線を、単又は複数対設けるとともに、これら熱電対素線と金属シースの隙間を埋めるための無機絶縁物を設け、前記金属シースの両端側をそれぞれ支持してなるシース熱電対の製造方法であって、
   前記単軸型熱電対素線を構成するプラス側素線とマイナス側素線が、外径差５〜１５％の異径のものであり、
   小径側の素線端部に溶融玉を作成し、該溶融玉を大径側の素線端面に当着させることで、小径側の端部外周から大径側の端部外周に向けてなだらかに連続する外周形状を有する温接点を構成し、
   前記単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態で、ドローイング加工により所定径に縮径させることを特徴とする製造方法。
3. 前記単軸型熱電対素線と無機絶縁物を前記金属シース内に組み込んだ状態でシース長手方向にわたり径方向に加圧した後、前記ドローイング加工により所定径に縮径させる請求項２記載のシース熱電対の製造方法。
4. 前記無機絶縁物を、予め長手方向に前記単軸型熱電対素線が挿着される単又は複数の貫通孔を有し、前記金属シース内に装入される略円柱状に粒子を固めて成形し、該無機絶縁物とその貫通孔に挿通された単軸型熱電対素線とを前記金属シース内に組み込み、その状態でシース長手方向にわたり径方向に加圧して隙間を無くすことで仮固定した後、前記ドローイング加工により所定径に縮径させてなる請求項３記載のシース熱電対の製造方法。
5. 前記金属シースに対し、該金属シースが小径側の素線から大径側の素線に向かう方向に引っ張られるようにドローイング加工してなる請求項２記載のシース熱電対の製造方法。
   

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