JP5399291B2

JP5399291B2 - 測温プローブ

Info

Publication number: JP5399291B2
Application number: JP2010034778A
Authority: JP
Inventors: 克清古川
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP2011169798A

Description

本発明は測温対象物の温度を測定する測温プローブに関する。

特許文献１，２等には、測温対象物の温度を測定する測温プローブが提供されている。更に、図４に示すような従来形態に係る測温プローブが提供されている。図４に示すように、測温プローブは、モリブデンとジルコニアとを含有する伝熱材料で形成されたサーメット管３Ｘと、サーメット管３Ｘの中空室３０Ｘに挿入され測温接点４４Ｘをもつ熱電対要素４Ｘと、サーメット管３Ｘのうち筒部３３Ｘの外周壁面を被覆する保護スリーブ５Ｘとを有する。保護スリーブ５Ｘは、アルミナにカーボンを混合した混合材料で形成されている。サーメット管３Ｘの外周壁面と保護スリーブ５Ｘの内周壁面との境界には、目地層５０Ｘが介在している。

特開２００５−２４１３９４号公報特開２００３−３４４１７０号公報

サーメット管３Ｘの外周壁面と保護スリーブ５Ｘの内周壁面との境界を目地層５０Ｘで埋めることができるものの、測定対象物Ｗである溶鋼の温度が高温であるときには、溶鋼が目地層５０Ｘを劣化させる。このため測温プローブの長寿命化には限界があった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域における接合性を高め、長寿命化に有利な測温プローブを提供することを課題とする。

本発明に係る測温スリーブは、加熱状態の測温対象物に接触する有底状の先端部と先端部に連設され軸状の中空室を形成する筒部とをもち金属とセラミックスとを含有する伝熱材料で形成されたサーメット管と、サーメット管の中空室に挿入され測温対象物の温度を測定する測温接点をもつ熱電対要素と、サーメット管のうち筒部の外周壁面を被覆すると共にカーボンを含有するセラミックス系の保護材料で形成された保護スリーブとを具備しており、前記保護材料は焼結体であり、かつサーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界には目地層が介在しておらず、サーメット管の外周壁面および保護スリーブの内周壁面は互いに対面していることを特徴とする。

使用時には、サーメット管の有底状の先端部は、加熱状態の測温対象物に接触する。測温対象物の温度は熱電対要素の測温接点に伝熱され、測温接点により測定される。測温対象物としては炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、アルミ合金、チタン合金、銅合金、亜鉛合金等の金属溶湯、あるいは、空気、アルゴンガス、窒素、酸素等の気体が挙げられる。

測定時には、測温プローブの保護スリーブが測定対象物の温度またはそれ付近に加熱される。このため、測定が長期にわたり継続されたり、測定回数が多数回繰り返されたりすると、保護スリーブを構成する保護材料に含有されているカーボンがサーメット管の外周壁面側に拡散する。この場合、サーメット管の外周壁面側において、サーメット管に含有されている金属がカーボンと反応して金属炭化物を形成する。このように保護スリーブを構成する成分と、サーメット管を構成する成分とが化合物（金属炭化物）を形成する。このため、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域が強化され、境界域における接合性が向上される。よって、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域に測定対象物が進入することが抑制される。このため、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域における劣化が抑制される。

以上説明したように本発明によれば、測定時には保護スリーブが測定対象物の温度またはそれ付近に加熱される。このため、測定が長期にわたり継続されたり、測定時間が長期にわたり継続されたり、測定回数が多数回繰り返されたりすると、保護スリーブを構成する保護材料に含有されているカーボンがサーメット管の外周壁面側に拡散する。この場合、サーメット管の外周壁面側において、サーメット管に含有されている金属がカーボンと反応して金属炭化物を形成する。このため、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域における接合性が向上される。よって、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域に測定対象物が進入することが抑制される。このため、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域における劣化が抑制される。

実施形態１に係り、測温プローブを示す図である。実施形態１に係り、測温プローブの先端付近を示す断面図である。実施形態２に係り、測温プローブの先端付近を示す断面図である。従来形態に係り、測温プローブの先端付近を示す断面図である。

本発明によれば、次の形態が採用できる。
・サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界には目地層が介在しておらず、サーメット管の外周壁面および保護スリーブの内周壁面は互いに対面して接触している。
・保護スリーブを形成する保護材料におけるセラミックスはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化珪素のうちの少なくとも１種で形成されている。サーメット管を形成する伝熱材料における金属は、モリブデンおよびタングステンのうちの少なくとも１種で形成されており、サーメット管のセラミックスはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化珪素、イットリアのうちの少なくとも１種で形成されている。他のセラミックスとしても良い。

（実施形態１）
図１および図２は実施形態１の概念を示す。本実施形態に係る測温プローブは、本体１と、本体１の先端部に設けられたプローブ部２とをもつ。測温プローブのプローブ部２は、軸状の中空室３０を形成するサーメット管３と、サーメット管３の中空室３０に挿入され測温接点４４をもつ熱電対要素４と、サーメット管３のうち筒部３３の外周壁面３ｐを被覆する保護スリーブ５とを有する。サーメット管３は、高温状態の測温対象物Ｗに接触する有底状の先端部３２と、先端部３２に連設された筒部３３とを有する。

サーメット管３は、金属であるモリブデンとセラミックスであるジルコニアとで形成されている伝熱材料（サーメット材）で構成されており、有底状をなしている。サーメット材では、質量比で、モリブデンは６５〜９０％、特に７０〜８５％とされ、ジルコニアは３５〜１０％とされ、特に３０〜１５％とされている。サーメット管３のサーメット材は高融点を示すため、サーメット管３は高融点管である。サーメット管３は緻密体が好ましく、気孔率は例えば０〜５％、０〜４％、０．１〜３％の範囲内とされている。サーメット管３は保護スリーブ５よりも緻密体である。

保護スリーブ５は、セラミックスであるアルミナとカーボンとを混合させた混合材料である保護材料で形成されている。ここで、カーボンは、保護スリーブ５の伝熱性を高めて測温応答性を高めると共に、耐熱衝撃性を高める。保護スリーブ５を構成する混合材料では、質量比で、アルミナは６５〜９０％、特に６５〜８０％、カーボンは１０〜３５％、特に２０〜３５％とされている。カーボンとしては、黒鉛、カーボンブラックなどを例示できる。保護スリーブ５は複数の細孔をもち、気孔率は１〜２０％程度、２〜１０％程度、３〜８％程度にできる。一般的には、保護スリーブ５の気孔率はサーメット管３の気孔率よりも高い。

サーメット管３の中空室３０には、アルミナ等のセラミックスで形成された有底状の保護管６が挿入されている。保護管６の中空室６０には熱電対要素４が挿入されている。熱電対要素４は、挿入孔４１をもつアルミナ等の絶縁材料で形成された絶縁管４２と、挿入孔４１に挿入された熱電対本体４３と、熱電対要素４の先端に設けられ測定対象物Ｗの温度を測定する測温接点４４とを有する。測温接点４４は、保護管６の底部６１に対面しており、サーメット管３の先端部３２付近に配置されている。なお、サーメット管３と保護管６との間には、セラミックス粉末粒子３８（アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト等の粉末粒子）が挿入されている。この場合、熱電対要素４を保持する保護管６の保持の安定性を高めると共に、サーメット管３と保護管６との間における酸素ガスの低減に貢献できる。

本実施形態によれば、図２に示すように、サーメット管３の外周壁面３ｐおよび保護スリーブ５の内周壁面５ｉは、軸芯Ｐ１回りの全周にわたり、互いに直接対面して接触している。従って、サーメット管３の円筒形状をなす外周壁面３ｐと、保護スリーブ５の円筒形状をなす内周壁面５ｉとの境界には、目地層が介在されていない。

なお本実施形態によれば、サーメット管３を構成する材料を成形型のキャビティに装填すると共に、保護スリーブ５を構成する材料を成形型のキャビティに装填した圧縮体を形成し、圧縮体を所定温度の焼成温度に加熱して焼成させることにより、保護スリーブ５およびサーメット管３を一体的に形成しても良い。これに限らず、予め形成したサーメット管３の周囲に、保護スリーブ５を構成する材料を装填し、焼成させることにしても良い。更に、焼成された保護スリーブ５と焼成されたサーメット管３とを用い、外周側の保護スリーブ５および内周側のサーメット管３の焼き嵌め、あるいは、冷やし嵌め等を利用して取り付けることにしても良い。上記した製造方法に限定されるものではない。

さて測温対象物Ｗの温度を測定するときには、測温プローブのサーメット管３の先端部３２は、測定対象物Ｗに接触する。この場合、測温プローブの保護スリーブ５が測定対象物Ｗの温度またはそれ付近に加熱される。測定対象物Ｗの種類によっては相違するものの、例えば、５００〜１７００℃、８００〜１６００℃に加熱される。このように測温プローブが高温雰囲気に晒されるため、測定時間が長期にわたり継続されたり、測定回数が多数回繰り返されたりすると、保護スリーブ５を構成する保護材料に含有されているカーボンがサーメット管３の外周壁面３ｐ側に拡散する。拡散速度は基本的には温度に比例する。この場合、サーメット管３の外周壁面３ｐ側において、サーメット管３に含有されている金属がカーボンと反応して金属炭化物を形成する。このように保護スリーブ５を構成する成分（カーボン）とサーメット管３を構成する成分（モリブデン）とが化合物である炭化モリブデンを、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７において形成するため、当該境界域３７における接合性が向上される。

よって、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７に、測定対象物Ｗ（例えば、溶鋼、アルミニウム合金等の金属溶湯、あるいは、空気等のガス）が進入することが抑制される。このため、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７における劣化が抑制される。

仮に、保護スリーブ５の熱膨張係数がサーメット管３の熱膨張係数よりも大きいときであっても、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７における隙間の生成が抑制され、測定対象物Ｗ（例えば、溶鋼、アルミニウム合金等の金属溶湯、あるいは、空気等のガス）が当該境界域３７に進入することが抑制される。このため、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７における劣化の進行が抑制される。従って、測温プローブの長寿命化を図るのに貢献できる。

図３に示す従来形態に係る測温プローブと、図２に示す従来形態に係る測温プローブとについて、溶鋼の温度を測定する試験を実施した。従来形態に係る測温プローブでは、１５５０℃の溶鋼の場合、測定時間が１０時間あたりから、目地層の劣化が確認され、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７における劣化が進行していた。これに対して本実施形態に係る測温プローブでは、同じ測定回数、同じ測定時間であっても、サーメット管３の外周壁面３ｐと保護スリーブ５の内周壁面５ｉとの境界域３７における劣化が抑制されていた。

（実施形態２）
図３は実施形態２の概念を示す。保護スリーブ５は、相対的に内側に位置する筒形状の内層５Ｆと、相対的に外側に位置する筒形状の外層５Ｓとを同軸的に有する。内層５Ｆは、アルミナとカーボンとを混合させた混合材料である保護材料で形成されている。外層５Ｓは、アルミナとカーボンとを混合させた混合材料である保護材料で形成されている。内層５Ｆにおけるカーボン含有％（質量比）は、外層５Ｓにおけるカーボン含有％（質量比）よりも多く設定されている。このため、保護スリーブ５の内層５Ｆを構成する保護材料に含有されているカーボンがサーメット管３の外周壁面３ｐ側に拡散する拡散量の増加を期待できる。故に、サーメット管３の外周壁面３ｐ側において、サーメット管３に含有されている金属がカーボンと反応して金属炭化物（炭化モリブデン）を形成し易くなり、当該境界域３７における接合性が良好に確保される。

（その他）
上記した実施形態によれば、サーメット管３は、モリブデンとジルコニアとで形成されているが、これに限らず、モリブデンとアルミナとで形成されていても良いし、あるいは、モリブデンとマグネシアとで形成されていても良いし、あるいは、タングステンとジルコニアとで形成されていても良い。要するにサーメット材は金属およびセラミックスを含有していれば良い。保護スリーブ５はアルミナとカーボンとを混合させた混合材料で形成されているが、これに限らず、マグネシアとカーボンとを混合させた混合材料で形成されていても良いし、あるいは、ジルコニアとカーボンとを混合させた混合材料で形成されていても良いし。あるいは、スピネルとカーボンとを混合させた混合材料で形成されていても良い。または保護スリーブ５は炭化珪素で形成されていても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

３はサーメット管、３０は中空室、３２は先端部、３３は筒部、３７は境界域、４は熱電対要素、４２は絶縁管、４３は熱電対本体、４４は測温接点、５は保護スリーブ、６は保護管、６０は中空室、６１は底部を示す。

Claims

加熱状態の測温対象物に接触する有底状の先端部と前記先端部に連設され軸状の中空室を形成する筒部とをもち金属とセラミックスとを含有する伝熱材料で形成されたサーメット管と、
前記サーメット管の前記中空室に挿入され前記測温対象物の温度を測定する測温接点をもつ熱電対要素と、
前記サーメット管のうち前記筒部の外周壁面を被覆すると共にカーボンを含有するセラミックス系の保護材料で形成された保護スリーブとを具備しており、
前記保護材料は焼結体であり、かつ
前記サーメット管の外周壁面と前記保護スリーブの内周壁面との境界には目地層が介在しておらず、前記サーメット管の外周壁面および前記保護スリーブの内周壁面は互いに対面して接触していることを特徴とする測温プローブ。
請求項１において、前記保護材料におけるセラミックスはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化珪素のうちの少なくとも１種で形成されており、前記伝熱材料における金属は、モリブデンおよびタングステンのうちの少なくとも１種で形成されており、前記伝熱材料におけるセラミックスはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化珪素のうちの少なくとも１種で形成されていることを特徴とする測温プローブ。