JP5872582B2 - 温度センサおよび機器 - Google Patents
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Description
この被覆付き耐熱線を用意し、それをリード線に接続する構成は、高耐熱のリード線に、耐熱性は劣るが安価なリード線を接続して後端側まで延出させるとともに、その安価なリード線を多数のセラミック製の遮蔽体で覆い、高熱から保護する構成に比較してもコストを要しない。
その上、封止端から接続部までが保護材によって覆われることにより、リード線および被覆付き耐熱線の高温雰囲気下での絶縁をより良好に確保できる。リード線および被覆付き耐熱線に最低限求められる絶縁性は、高温雰囲気下、所定時間(例えば、数千〜数十万時間)継続して、絶縁を維持することである。
加えて、封止端から接続部までが保護材によって覆われることにより、被覆付き耐熱線の耐熱性を向上させることができる。本明細書において、「耐熱性」は、耐熱劣化強度を意味する。
さらに、被覆付き耐熱線の長さや材料を適宜選択することによって、温度センサの長さや使用温度域の自由度が向上するので、様々な機器の仕様に合わせて温度センサを提供できる。
保護材を構成するセラミック材は、乾燥硬化前は、溶媒を含んで流動性があり、この流動性のある状態のセラミック材に温度センサの前端部を浸せば、封止端を含めた封止材全体、および封止端から接続部までを覆うように保護材が設けられる。こうすることで、封止端から接続部までのみに保護材を設ける場合よりも、保護材を容易に設けることができる。
あるいは、保護材が、セラミック粒子、およびセラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材と、セラミック材が内側に充填されるキャップと、を有するものとされることも好ましい。これにより、キャップの形状によって保護材の形状が定まるので、保護材の形状安定性に優れ、歩留まりが良くなる。保護材が所定の形状とされることによって、所定の耐熱・絶縁性能が得られる。
本発明の温度センサでは、感温体が配置される側の前端が塞がれるとともに、後端からセンサ素子が挿入される金属製保護管を備える。
金属製保護管により、振動や外力、高熱、燃焼ガスからセンサ素子が保護されるので、温度センサの経時的な耐久性を向上させることができる。
本発明の温度センサにおいて、保護材は、金属保護管に挿入される前に形成されていることが好ましい。
本発明の温度センサにおいて、接続部では、リード線の端部と、被覆付き耐熱線が有する芯線の端部とが互いに突き当てられて溶接されることが好ましい。
長尺な温度センサでは金属製保護管も長尺となるため、板材をダイおよびパンチを用いて底部(前端)が塞がれた管状に成形する深絞りによって金属製保護管を製作することが困難である。もし製作できたとしても、金属製保護管の前端では所望の厚みが得られないおそれがある。
そこで、金属製保護管を筒体と板材とで構成するとともに、筒体の周縁部に所望の厚みの板材を溶接することで金属製保護管の前端をなせば、長尺の金属製保護管(前端が塞がれた有底管材)を容易に製作できるとともに、その前端の厚みに応じた金属製保護管の耐久性を確保できる。
あるいは、上記のように板材を用いる代わりに、両端が開口した筒体の端部を溶融および凝固させることで、前端が塞がれた金属製保護管を得てもよい。
本発明によれば、長尺な温度センサが組み込まれる機器をコストアップを抑えながら提供できる。また、温度センサの被覆付き耐熱線の長さ、材料に応じて、種々の機器仕様に対応することができる。さらに、温度センサの絶縁性および耐熱性確保により、機器の信頼性を向上させることができる。
図1に示すように、本実施形態の温度センサ1は、燃焼機器に組み込まれており、センサ素子10と、センサ素子10を収容する金属製保護管15とを備えている。
センサ素子10は、センサ素子本体20と、センサ素子本体20の一対のリード線4に接続される一対の被覆付き耐熱線7と、を備えている。
なお、センサ素子本体20の断面を示す各図において、感温体2および封止材5のハッチングを省略した。
芯線71、絶縁チューブ72は、それぞれが温度センサ1の使用温度に応じた耐熱温度を有する。また、芯線71が絶縁チューブ72に覆われることにより、芯線71,71の高温雰囲気下での絶縁を確保、すなわち、金属製保護管15から絶縁できるとともに、線間の短絡を防止できる。
芯線71としては、例えば、Ni、ステンレス合金、Ni基超合金、その他の耐熱合金等を用いることができる。これら合金は、耐熱性を向上させるために、Ni、Crを多く含んでいる。例えば、Ni基超合金の1例であるJIS NCF600は、Niを75wt%、Crを16wt%程度含んでいる。材料別の芯線71のおおよその常用耐熱温度を例示すると、Ni:約500℃、ステンレス合金:約600℃、JIS NCF600:約800℃となる。
絶縁チューブ72としては、例えば、ガラスファイバーあるいはセラミックファイバーの編組チューブ等を用いることができる。その主成分としては、SiO2、Al2O3、Si3N4等を例示できる。材料別の絶縁チューブ72のおおよその耐熱温度を例示すると、ガラスファイバー編組:約500℃、シリカガラスファイバー編組:約1000℃、セラミックファイバー編組:約1300℃となる。
なお、被覆付き耐熱線7の高温での絶縁性を向上させる目的で、芯線71と絶縁チューブ72との間に、ガラスファイバーやセラミックファイバーが介装されていたり、マイカペーパーと裏打ち材からなるテープが介装されていてもよい。
被覆付き耐熱線7は、一端側でリード線4に接続されている。被覆付き耐熱線7は、金属製保護管15の軸線方向に沿って延びており、金属製保護管15の外側に引き出された他端側が、図示しない計測回路へと接続されている。なお、被覆付き耐熱線7と計測回路とが他の電線を介して接続されていてもよい。
本実施形態では、リード線4の先端部4Aと芯線71の先端部71Aとは、その境界部である接続部8で互いに突き当てられ、かつレーザーを用いて溶接されている。ただし、リード線4の先端部4Aと芯線71の先端部71Aとが互いの外周面が接触するように重ねられていてもよいし、接続はレーザー溶接に限らず、電気抵抗加熱方式を含む各種の溶接方式を採用することができる。リード線4と芯線71とが突き当てられる場合には、接続部8の断面径を小径にできる利点がある。一方、リード線4と芯線71とが互いの外周面が接触するように重ねられる場合には、接続部8を電極で挟み込み易くなるため、電気抵抗加熱方式による溶接が容易となる。
このようなセラミック材9は、接続部8を含めてセンサ素子本体20全体に設けられており、封止端6から接続部8までと、封止材5の外周部とを覆っている。このセラミック材9は、絶縁チューブ72から露出した芯線71も覆っている。
セラミック材9は、センサ素子本体20に設けられる前は、溶媒(例えば、水)を含んで流動性があり、センサ素子本体20に設けられた後、加熱により乾燥硬化されることによって形成される。例えば、コーティング材、接着剤、シール材として使用されるものをこのセラミック材9として用いることができる。
ここで、リード線4は、高価な白金又は白金合金が用いられることで、高い耐熱性を有する。また、被覆付き耐熱線7の芯線71には、リード線4には劣るものの、高い耐熱性を有する材料が使用される。ところで、接続部8においては、リード線4と被覆付き耐熱線7の芯線71との界面に合金層が形成されるが、その合金層の耐熱性は、その周囲の耐熱性に比べて劣る。このため接続部8が高熱によって酸化劣化してしまうと、感温体2からの信号が接続部8で寸断されてしまうので、正しい温度信号が得られなかったり、断線と判断されることで温度センサ1の交換が必要となる。
つまり、リード線4と被覆付き耐熱線7の芯線71との接続にあたり、その接続部8に必然的に生じる界面合金層での耐熱性低下がセラミック材9によって十分に補われることで、界面合金層を含めたリード線4および芯線71の耐熱性を向上させることができるとともに、温度センサ1を長寿命化できる。
封止端6から接続部8までの長さは、約2mmとされている。本実施形態では、リード線4と芯線71とが突き当てられて接続されるため、封止端6から引き出されたリード線4の長さが封止端6から接続部8の長さに相当する。一方、リード線4と芯線71とが互いの外周面が重ねられるように接続されている場合には、封止端6から、接続部8における芯線71の前端までの長さが封止端6から接続部8の長さに相当する。
そして、封止端6から、芯線71が露出する絶縁チューブ72の端部までの長さは、20mm以下であることが好ましい。この長さが20mmを超えると、封止端6から接続部8までをセラミック材9によって所定の厚みで覆うことが難しいので、セラミック材9による耐熱性や絶縁性が損なわれるおそれがあるためである。
金属製保護管15の材料としては、例えば、ステンレス合金、Ni基超合金、その他の耐熱合金等を用いることができる。例えば、Ni基超合金の1例であるJIS NCF600は、Niを75wt%、Crを16wt%程度含んでいる。
燃焼機器は、その構成の一例を示すと、温度センサ1による測定対象であって機器内で最も高温となる燃焼反応部Hを内蔵する反応室筐体17と、反応室筐体17の外側に設けられ、温度センサ1のフランジ16が取り付けられるセンサ取付け板14と、反応室筐体17とセンサ取付け板14との間に設けられる断熱材18と、図示を省略するが、センサ取付け板14の外側に設けられ、機器内蔵の装置や部材(反応室筐体17や温度センサ1、センサ取り付け板14を含む)を収容する機器筐体とを備えている。断熱材18は、人が触る可能性のあるセンサ取付け板14が高温となることで人的害が生じないように、燃焼反応部Hから発せられた熱の伝搬を抑制するものであり、例えば20〜50mm程度の厚みとされることで高い断熱性能を有している。この断熱材18は、図1に示した位置に限らず、機器の構造に応じて、反応室筐体17外の任意の位置に設けられる。
先ず、製作した感温体2の電極3にリード線4を接合する。次に、例えば、封止材5を構成するガラス材料を公知の方法により、感温体2の周りに溶融した状態に設け、冷却して硬化させる。このガラス材料が硬化したものが、感温体2とリード線4の所定範囲とを覆う封止材5となる(図3(A))。これにより、センサ素子本体20が製作される。
さらに、封止端6から接続部8、そして、絶縁チューブ72から露出した芯線71までを耐熱性のセラミック材9で覆うことにより、高温雰囲気下での絶縁性をより良好に確保できるとともに、リード線4および被覆付き耐熱線7の芯線71の腐食を抑制することでリード線4および被覆付き耐熱線7の耐熱性を向上させることができる。このセラミック材9は、上述したように、リード線4と被覆付き耐熱線7との接続部8に必然的に生じる界面合金層での耐熱性低下を十分に補い、界面合金層を含めたリード線4および芯線71の耐熱性を向上させる意義を有する。
ところで、測定位置からセンサ取付け板14にかけて、温度が下がり難い場合がある。例えば、強制冷却のためのファンが機器に内蔵されていない場合が該当する。また、断熱材18が設けられていることも温度が下がり難い一因となりうる。このような場合には、人が触る可能性のあるセンサ取付け板14付近の温度センサ1の温度を十分に下げるために、さらなる長尺化が要求されるため、本発明の効果を大きくできる。
その他にも、温度センサ1は、燃焼機器に限らず、種々の機器に組み込むことができ、例えば、図4(C)に示すように電気式ヒーターに組み込むこともできる。電気式ヒーターの具体例としては、オーブン、ラジアントヒーター、排気ガス浄化装置(DPF:Diesel particulate filter)のフィルタ再生ヒーター等が挙げられる。
この保護材19を製作する際には、開放された後端192Bからキャップ192の内側にセラミック材191を流動性のある状態で入れておく。そして、キャップ192内に挿入した温度センサ1の前端をキャップ192の前端192Aの内側に突き当てたまま、セラミック材191を硬化させ、キャップ192、セラミック材191、およびセンサ素子10の前端部を一体化させる。このようにすれば、キャップ192の形状によって保護材19の形状が定まるので、保護材19は、上記実施形態のセラミック材9よりも形状安定性に優れ、歩留まりが良くなる。保護材19が所定の形状とされることによって、所定の耐熱・絶縁性能が得られる。
図6の金属製保護管25は、塞がれた前端25Aに連なる筒状の部分をなす筒体27と、筒体27の周縁部271に溶接されて前端25Aをなす板材28とを有している、板材28は、高温により腐食し易い前端25Aの耐熱性を確保するのに十分な厚みとされている。
2 感温体
3 電極
4 リード線
4A 先端部
5 封止材
6 封止端
7 被覆付き耐熱線
8 接続部
9 セラミック材
10 センサ素子
14 センサ取り付板
15,25 金属製保護管
15A 前端
15B 後端
15C 内壁頂部
15D 内壁側面部
16 フランジ
17 反応室筐体
18 断熱材
19 保護材
20 センサ素子本体
25A 前端
27 筒体
28 板材
71 芯線
71A 先端部
72 絶縁チューブ
191 セラミック材
192 キャップ
192A 前端
192B 後端
H 燃焼反応部
Claims (9)
- 温度によって電気抵抗が変化する感温体と、
前記感温体に電気的に接続された一対のリード線と、
前記感温体と、前記感温体に接続された部分から所定範囲内の前記リード線とを封止する封止材と、
前記封止材の封止端から引き出された一対の前記リード線にそれぞれ接続される被覆付き耐熱線と、
前記封止端から、前記リード線と前記被覆付き耐熱線の芯線とが接続された接続部、および前記被覆付き耐熱線の被覆の端部までを覆う保護材と、を有するセンサ素子と、
前記感温体が配置される側の前端が塞がれるとともに、後端から前記センサ素子が挿入される金属製保護管と、を備え、
前記保護材および前記被覆付き耐熱線は、500℃以上となる使用環境に供することが可能であり、
前記金属保護管の径方向の内周部とそれに対向する前記保護材の外周部との間には空隙が存在することを特徴とする温度センサ。 - 前記保護材は、セラミック粒子、および前記セラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材であり、前記封止材の全体をも覆う、請求項1に記載の温度センサ。
- 前記保護材は、セラミック粒子、および前記セラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材と、前記セラミック材が内側に充填されるキャップと、を有する、請求項1に記載の温度センサ。
- 前記封止材と、前記保護材とは、異なる材料を用いてそれぞれ構成される、請求項1から3のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記保護材は、前記金属保護管に挿入される前に形成されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記接続部では、
前記リード線の端部と、前記被覆付き耐熱線が有する芯線の端部とが互いに突き当てられて溶接される、請求項1から5のいずれか一項に記載の温度センサ。 - 前記金属製保護管は、前記前端に連なる筒状の部分をなす筒体と、前記筒体の周縁部に溶接されて前記前端をなす板材とを有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 前記金属製保護管の前記前端は、両端が開口した筒体の端部を溶融および凝固させることで塞がれている、請求項1から6のいずれか一項に記載の温度センサ。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の温度センサが組み込まれることを特徴とする機器。
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