JP5556575B2 - 温度測定用熱電対及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測温体の表面温度を検出するための温度測定用熱電対及びその製造方法に関する。

従来から、被測温体表面の温度を長時間測定するための熱電対として、異種金属からなる熱電対素線を先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装した当該金属シースを、３〜５ｍｍ程度の肉厚の金属板に埋め込んで、これを被測温体表面に電気又はガス溶接により装着したものが使用されていた。しかし、このような形態の熱電対では、感温部の体積が大きくなり、熱容量も大きくなるため時間遅れが発生し、被測温体の温度が変動する場合には正確な温度が測定できない。

この問題を解決するものとして、金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着し、これにより感温部の熱容量を小さくし、熱の伝導性を向上させて被測温体の温度が短時間に変動していてもこれに追従することができる熱電対がすでに提案されている。具体的には、金属薄板として、金属シースの被測温体表面に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板と、金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ前記ベース薄板に接合一体化させるカバー薄板とを設けたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、このようにベース薄板とカバー薄板よりなる熱電対においても、金属シース外周面にこれらベース薄板やカバー薄板を溶接する際、そのパワーを小さく制御しないと肉薄のシースを容易にパンク（熱破壊）させてしまう虞がある。そこで、実際の製造においては、金属シースにできるだけ近い位置でベース薄板とカバー薄板とを互いに溶接し、金属シースには直接溶接せずに２枚の薄板で挟み込んだ構造としている。しかし、このような挟み込んだだけの構造においては、シースに直接溶接する構造に比べて熱破壊はある程度防止できるものの、各薄板と金属シースの間に実際には隙間が生じてしまうため、熱の伝導性が損なわれて時間遅れが生じるとともに、温度分布の乱れが生じて温度計測精度が低下するといった課題があった。

特開平１−１４５５３７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、薄板を用いた熱電対において、金属シースの熱破壊を防止しつつ、薄板と金属シース間の隙間に起因する時間遅れや温度分布の乱れを回避して温度計測精度の向上を図ることができる温度測定用熱電対及びその製造方法を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、異種金属からなる熱電対素線を、先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装し、該金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着してなる温度測定用熱電対において、前記金属薄板として、前記金属シースの被測温体表面に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板と、前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ前記ベース薄板に接合一体化させるカバー薄板とを設け、前記カバー薄板を、少なくとも前記金属シースの先端部の外面に溶接される主接合部、及び同じく金属シースの先端封止部より基端側の外周面に溶接される単又は複数の副接合部により前記金属シースに固着してなり、前記主接合部及び副接合部の溶接が電気抵抗溶接であり、前記主接合部の溶接に比べ、前記副接合部の溶接のパワーを小さく設定してなる温度測定用熱電対を構成した。ここに金属シースの先端部とは、先端封止部又はその近傍の部位をいう。

また本発明は、異種金属からなる熱電対素線を、先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装し、該金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着してなる温度測定用熱電対において、前記金属薄板として、前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ被測温体表面に取り付けられるカバー薄板を設け、前記カバー薄板を、少なくとも前記金属シースの先端部の外面に溶接される主接合部、及び同じく金属シースの先端封止部より基端側の外周面に溶接される単又は複数の副接合部により前記金属シースに固着してなり、前記主接合部及び副接合部の溶接が電気抵抗溶接であり、前記主接合部の溶接に比べ、前記副接合部の溶接のパワーを小さく設定してなる温度測定用熱電対をも構成した。

また本発明は、異種金属からなる熱電対素線を、先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装し、該金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着してなる温度測定用熱電対の製造方法であって、前記金属薄板が、前記金属シースの被測温体表面に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板と、前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ前記ベース薄板に接合一体化させるカバー薄板とよりなり、前記カバー薄板を金属シース先端部の外面に溶接した後、同じくカバー薄板を、前記金属シースの先端部よりも基端側の外周面に対し、さらに単又は複数箇所溶接し、その後、前記カバー薄板を前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に沿って圧接させるとともに、両側端部をベース薄板上に延びた状態で面接触させ、前記圧接状態を維持したまま、前記両側端部をベース薄板に溶接することで、前記カバー薄板を前記ベース薄板に接合一体化してなり、前記カバー薄板の金属シースに対する溶接を電気抵抗溶接とし、金属シース先端部への溶接の主接合部の溶接に比べ、前記基端側の副接合部の溶接のパワーを小さく設定してなることを特徴とする温度測定用熱電対の製造方法をも提供する。

また、前記カバー薄板を金属シース先端部外面に溶接する前に、前記ベース薄板を金属シース先端部の被測温体表面に対向する側の外面に溶接することが好ましい。

以上にしてなる本願発明に係る温度測定用熱電対は、金属薄板として、金属シースの被測温体表面に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板と、金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つベース薄板に接合一体化させるカバー薄板とを設け、カバー薄板を、少なくとも金属シースの先端部の外面に溶接することにより固着して構成されるので、カバー薄板と金属シースとの間の隙間を無くすことができ、且つカバー薄板と金属シースを溶接一体化した状態で当該カバー薄板をベース薄板に溶接等で一体化することができるので、当該一体化の際に金属シースとの間に隙間ができることが容易に回避され、作業性が著しく向上し、各薄板と金属シースとの間に隙間がなく、時間遅れや温度分布の乱れを回避して温度計測精度の向上を図ることができる。本発明では、カバー薄板を金属シースの先端部の外面に溶接している。つまり本発明は、金属シースの先端封止部あたりが厚肉となり、溶接による熱破壊が生じにくことに着眼し、当該先端部にカバー薄板を溶接することで上記隙間を無くすことのできる作用効果を奏することを可能としたのである。

また、金属薄板として、金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ被測温体表面に取り付けられるカバー薄板を設け、カバー薄板を、少なくとも前記金属シースの先端部の外面に溶接することにより固着してなる温度測定用熱電対も、同じくカバー薄板と金属シースとの間の隙間を無くすことができ、時間遅れや温度分布の乱れを回避して温度計測精度の向上を図ることができる。

また、カバー薄板を、少なくとも金属シースの先端部の外面に溶接される主接合部、及び同じく金属シースの先端封止部より基端側の外周面に溶接される単又は複数の副接合部により前記金属シースに固着したものでは、金属シースのカバー薄板との間の隙間をより確実に無くすことができる。

特に、主接合部及び副接合部の溶接が電気抵抗溶接であり、主接合部の溶接に比べ、前記副接合部の溶接のパワーを小さく設定したので、薄肉の金属シースに対して上記副接合部の溶接を行い、熱破壊を防止しながら金属シースとカバー薄板との密着性を維持できる。

また、本発明に係る温度測定用熱電対の製造方法によれば、カバー薄板を、前記金属シースの先端部の外面に溶接した後、該カバー薄板を前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に沿って圧接させるとともに、両側端部をベース薄板上に延びた状態で面接触させ、前記圧接状態を維持したまま、前記両側端部をベース薄板に溶接することで、前記カバー薄板を前記ベース薄板に接合一体化することとしたので、熱破壊が生じにくい金属シース先端部を利用してカバー薄板を溶接固定した状態で、該カバー薄板を金属シース外面に沿って容易に圧接し、且つ両側端部をベース薄板上に延びた状態に容易に面接触させることができ、しかも当該圧接、面接触の作業中にカバー薄板が動いてずれてしまうことが回避できるので、溶接固定していない場合に比べてより密着した隙間の無い状態にすることができる。また、その密着した圧接状態を維持したまま両側端部をベース薄板に容易に接合一体化することができ、製品として隙間がなく時間遅れや温度分布の乱れを回避して温度計測精度の向上を図ることができるとともに、製造作業効率も著しく向上させることができる。

また、カバー薄板を金属シース先端部の外面に溶接した後、同じくカバー薄板を、金属シースの先端部よりも基端側の外周面に対し、さらに単又は複数箇所溶接したので、カバー薄板と金属シースとの位置関係が先端部で固定された安定した状態で前記基端側の溶接パワーを制御して熱破壊を防止しつつ精度のよい溶接を行なうことが可能である。

具体的には、カバー薄板の金属シースに対する溶接を電気抵抗溶接とし、金属シース先端部への溶接の主接合部の溶接に比べ、基端側の副接合部の溶接のパワーを小さく設定したので、基端側の薄肉の金属シース外面に対して熱破壊を生じることなくカバー薄板を隙間なく密着するように溶接することができる。

また、カバー薄板を金属シース先端部外面に溶接する前に、予めベース薄板を金属シース先端部の被測温体表面に対向する側の外面に溶接するので、カバー薄板の溶接や該カバー薄板の金属シース外面への圧接等の際にベース薄板がずれてしまうことが防止でき、ベース薄板とカバー薄板との位置あわせもより確実に行なうことができ、作業性が著しく向上する。

本発明の第１実施形態に係る温度測定用熱電対の全体構成を示す斜視図。 同じく温度測定用熱電対を被測温体表面に取り付けた状態を示す斜視図。 （ａ）は同じく温度測定用熱電対の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ横断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 （ａ）〜（ｄ）は同じく温度測定用熱電対の製造手順を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は同じく温度測定用熱電対の変形例の製造手順を示す説明図。 本発明の第２実施形態に係る温度測定用熱電対を示す断面図であり、（ａ）は金属シース先端側の横断面図、（ｂ）は基端側の断面図。

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〜図５は第１実施形態、図６は第２実施形態を示し、図中符号１は温度測定用熱電対、２は金属シース、３は熱電対素線、４は金属薄板をそれぞれ示している。

先ず、図１〜図５に基づき、本発明の第１実施形態を説明する。

本実施形態の温度測定用熱電対１は、図１〜図３に示すように、異種金属からなる熱電対素線３、３を、先端封止される金属シース２に電気絶縁材５とともに内装し、該金属シース２の外面に、被測温体表面９に取り付けるための金属薄板４を固着したものである。

金属シース２は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）やニッケルクローム系耐熱合金（インコネル）等を用いることができる。内装される熱電対素線３は、例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ることができるが、とくに限定されるものではない。また、シース内に充填する電気絶縁材は、ＭｇＯやＡｌ₂Ｏ₃等を用いることができる。熱電対先端の温接点３０は、本例では金属シースに非接触のものとしているが、被測温体側の金属シース２下部の管壁に溶接して形成したものや、先端封止時に先端部２０と一体化したものでもよい。

これら金属シースのサイズも特に限定されず、例えば、０．６ｍｍφの熱電対素線３、３を、厚さ０．５ｍｍ、直径３．２ｍｍφの金属シース２にＭｇＯ等を介在して固定したもの等であり、金属シース２の形状は被測温体に密着させるなどのために例えば本例では蒲鉾形状に成形されているが、円形、楕円形その他の形状でもよい。また、本例では、熱電対素線３，３を一対のみ収容したものを例示しているが、複数対内挿したものでも勿論よい。

金属シース２を被測温体表面９に取り付けるための金属薄板４は、金属シース２の被測温体表面９に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板４０と、金属シース２の被測温体表面９に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つベース薄板４０に接合一体化させるカバー薄板４１とより構成されている。これらベース薄板４０やカバー薄板４１の素材は、熱伝導率の違いによる温度分布の乱れを避けるべく、被測温体と同材質が好ましいが、他の材質を採用することも可能である。本例では例えば厚さ０．１ｍｍ程の薄いステンレス板が用いられるが、使用場所及び目的に応じて各種の金属材料が使用可能で、またその厚さも適宜調整することができる。互いに溶接固着されるベース薄板４０やカバー薄板４１、金属シース２は、同一素材にすることで互いの溶接時の固着性が向上し、溶接パワーを絞って熱破壊を防止しつつ、しっかりとした溶接固着強度を保つことができるメリットがある。

カバー薄板４１は、少なくとも金属シース２の先端部２０の外面２１に溶接することにより固着され、本例では、先端部２０の外面２１に溶接される主接合部６１、及び同じく金属シース２の先端封止部より基端側の外周面２２に溶接される複数の副接合部６２、…により金属シース２に固着されている。主接合部６１及び副接合部６２の溶接は、薄板の溶接に適した電気抵抗溶接である。ここで、主接合部６１の溶接に比べ、副接合部６２の溶接のパワーは小さく設定されている。具体的には、溶接電源電圧をより小さく設定している。

被測温体としては、例えば内部に水が存在するボイラチューブであり、図２に示すようにその表面９にベース薄板４０をスポット溶接等による溶接接合部６４によって取り付けることにより、このベース薄板４０はカバー薄板４１とともにボイラチューブの曲面に沿って密着することとなる。溶接以外の他の取付手段でベース薄板４０を被測温体表面９に固着することもできる。被測温体表面へのベース薄板４０の溶接は、電気抵抗溶接以外に種々の溶接を用いることができ、Ｔｉｇ溶接やレーザ溶接も好適に用いられる。

以下、図４の製造手順に基づき、温度測定用熱電対１を更に説明する。

まず、図中（ａ）に示すように、予めベース薄板４０を金属シース先端部２０の被測温体表面に対向する側の外面２３に溶接しておく（溶接接合部６０）。次に、同じく（ａ）に示すように、その上から予め断面Ω形状に曲げ加工したカバー薄板４１を金属シース２の被測温体表面９に対向しない側の外面２４に被せ、図中（ｂ）に示すように金属シース２の先端部２０の外面２１（頂上位置）に溶接する。これらベース薄板４０及びカバー薄板４１の金属シース先端部２０への溶接は電気抵抗溶接が好適に利用できる。

カバー薄板４１をこのように予め金属シース２の形状に沿って変形させておくことで取付作業が容易となり、密着性もより容易に実現することができるが、本発明はこれに何ら限定されず、例えば図５の変形例に示すように、カバー薄板４１を予め変形させる代りに、金属シース２の被測温体表面９に対向しない側の外面２４に沿って圧接する際に変形させるようにしてもよい。

次に、カバー薄板４１を、金属シース２の先端部２０よりも基端側の外周面２２（同じく頂上位置）に対し、さらに単又は複数箇所溶接する。これら基端側の副接合部６２，…の溶接も電気抵抗溶接が好適であるが、そのパワーは、上記の金属シース先端部２０への溶接である主接合部６１の溶接に比べて小さく設定される。

このように金属シース２の頂上位置に沿って主接合部６１、副接合部６２によりカバー薄板４１が溶接された状態で、次に図（ｄ）に示すように、カバー薄板４１を金属シース２の被測温体表面９に対向しない側の外面に沿って圧接させるとともに、その両側端部４１ａ、４１ａをベース薄板４０上に延びた状態で面接触させ、この圧接状態を維持しつつ、両側端部４１ａ、４１ａをそれぞれベース薄板４０に溶接して、当該溶接接合部６３によりカバー薄板４１をベース薄板４０に接合一体化する。尚、ベース薄板４０についても、金属シース先端部２０の外面２３に溶接される溶接接合部６０のほかに、これよりも基端側の外周面に同じく比較的小さいパワーで単又は複数箇所溶接した副接合部を設けておくことが好ましい実施例である。

次に、図６に基づき、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態では、金属薄板４として、金属シース２の被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ被測温体表面に取り付けられるカバー薄板４１を設けたものであり、上記第１実施形態でのベース薄板を省略したものである。本例でも、カバー薄板４１は、少なくとも金属シース先端部２０の外面２１に溶接することにより固着され、第１実施形態と同様、先端部２０の外面２１に溶接される主接合部６１、及び同じく金属シース２の先端封止部より基端側の外周面２２に溶接される複数の副接合部６２、…により金属シース２に固着されている。本例によれば、ボイラチューブ等の表面９にカバー薄板４１をスポット溶接等によって取り付けることになる。その他の構造については、上記第１実施形態と基本的には同じであるため、同一構造については同一符号を付して、その説明を省略する。

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形態の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。

１ 温度測定用熱電対
２ 金属シース
３ 熱電対素線
４ 金属薄板
５ 電気絶縁材
９ 被測温体表面
２０ 金属シース先端部
２１ 外面
２２ 外周面
２３ 外面
２４ 外面
３０ 温接点
４０ ベース薄板
４１ カバー薄板
４１ａ 側端部
６０ 溶接接合部
６１ 主接合部
６２ 副接合部
６３ 溶接接合部
６４ 溶接接合部

Claims (4)

1. 異種金属からなる熱電対素線を、先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装し、該金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着してなる温度測定用熱電対において、
   前記金属薄板として、前記金属シースの被測温体表面に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板と、前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ前記ベース薄板に接合一体化させるカバー薄板とを設け、
   前記カバー薄板を、少なくとも前記金属シースの先端部の外面に溶接される主接合部、及び同じく金属シースの先端封止部より基端側の外周面に溶接される単又は複数の副接合部により前記金属シースに固着してなり、
   前記主接合部及び副接合部の溶接が電気抵抗溶接であり、前記主接合部の溶接に比べ、前記副接合部の溶接のパワーを小さく設定してなる温度測定用熱電対。
2. 異種金属からなる熱電対素線を、先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装し、該金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着してなる温度測定用熱電対において、
   前記金属薄板として、前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ被測温体表面に取り付けられるカバー薄板を設け、
   前記カバー薄板を、少なくとも前記金属シースの先端部の外面に溶接される主接合部、及び同じく金属シースの先端封止部より基端側の外周面に溶接される単又は複数の副接合部により前記金属シースに固着してなり、
   前記主接合部及び副接合部の溶接が電気抵抗溶接であり、前記主接合部の溶接に比べ、前記副接合部の溶接のパワーを小さく設定してなる温度測定用熱電対。
3. 異種金属からなる熱電対素線を、先端封止される金属シースに電気絶縁材とともに内装し、該金属シースの外面に、被測温体表面に取り付けるための金属薄板を固着してなる温度測定用熱電対の製造方法であって、
   前記金属薄板が、前記金属シースの被測温体表面に対向する側の外面に接触状態で配されるベース薄板と、前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に接触状態で被着され、且つ前記ベース薄板に接合一体化させるカバー薄板とよりなり、
   前記カバー薄板を金属シース先端部の外面に溶接した後、同じくカバー薄板を、前記金属シースの先端部よりも基端側の外周面に対し、さらに単又は複数箇所溶接し、その後、
   前記カバー薄板を前記金属シースの被測温体表面に対向しない側の外面に沿って圧接させるとともに、両側端部をベース薄板上に延びた状態で面接触させ、
   前記圧接状態を維持したまま、前記両側端部をベース薄板に溶接することで、前記カバー薄板を前記ベース薄板に接合一体化してなり、
   前記カバー薄板の金属シースに対する溶接を電気抵抗溶接とし、金属シース先端部への溶接の主接合部の溶接に比べ、前記基端側の副接合部の溶接のパワーを小さく設定してなることを特徴とする温度測定用熱電対の製造方法。
4. 前記カバー薄板を金属シース先端部外面に溶接する前に、前記ベース薄板を金属シース先端部の被測温体表面に対向する側の外面に溶接する請求項３記載の温度測定用熱電対の製造方法。

Images