JP5888216B2 - 温度計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度計測装置の技術に関する。

従来、鋼の表面処理の一つとして低温窒化処理が公知である。低温窒化処理とは、鋼をアンモニアガス中で約４００〜６００℃に加熱して表面に窒素を浸透させて窒化鉄の硬化層を生成させる処理方法である。

また、低温窒化処理が行われる雰囲気炉において、炉内温度を計測する温度計測装置は公知である。また、このような高温環境に曝される温度計測装置では、温度計測データを処理する温度計測装置本体（データロガー）を耐熱容器に収納して高温環境から保護する構成が公知である（例えば、特許文献１）。

特許文献１に開示される温度計測装置は、計測データを処理する温度計測装置本体と、温度計測装置本体を収納する内側容器と、内側容器を収納し、水分を含んだ断熱材が充填される外側容器と、を備えている。特許文献１に開示される温度計測装置の外側容器は、水分等を通過させずに、断熱材を完全に密閉している。

しかし、特許文献１に開示される温度計測装置では、使用により高温環境に長時間曝され続けると、断熱材に含まれる水分が気化する。断熱材に含まれる水分が気化し続けることによって、外側容器の内部圧力が上昇する。外側容器の内部圧力が上昇し続けることによって、外側容器の内部温度も上昇する。外側容器の内部温度が上昇することによって、温度計測装置本体が正確に温度計測を行うことが困難となる。

そこで、本願の発明者らは、外側容器の内部と外部とを連通する圧抜き穴を形成した温度計測装置を考案した。外側容器に圧抜き穴を形成した温度計測装置によれば、断熱材に含まれる水分が気化することにより生じた蒸気を圧抜き穴から外側容器の外部、すなわち炉内へ放出することができる。しかし、外側容器に圧抜き穴を形成した温度計測装置では、この圧抜き穴から断熱材に含まれる異物等も蒸気と共に炉内へ放出されるため、雰囲気炉内の雰囲気に悪影響を及ぼすおそれがある。

特開２０１１−０４３３７６号公報

本発明の解決しようとする課題は、雰囲気炉内の雰囲気に悪影響を与えることなく外側容器内の蒸気を雰囲気炉内に放出することができる温度計測装置を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、計測データを処理する温度計測装置本体と、前記温度計測装置本体を収納する内側容器と、前記内側容器を収納し、水分を含む断熱材が充填される外側容器と、前記温度計測装置本体から前記内側容器に形成される貫通孔と前記外側容器に形成される貫通孔とを貫通して外部に引き出される熱電対と、を備える温度計測装置であって、前記外側容器の貫通孔内に配置された前記熱電対は、耐熱性の絶縁体の多孔質で覆われており、前記外側容器の貫通孔と前記多孔質とは、密着しているものである。

請求項２においては、請求項１記載の温度計測装置であって、前記熱電対が貫通する外側容器の貫通孔は、複数形成され、少なくとも一つの前記外側容器の貫通孔内に配置された前記熱電対は、耐熱性の絶縁体の多孔質で覆われているものである。

請求項３においては、請求項１又は２記載の温度計測装置であって、炉内でワークの表面をガス窒化により硬化させる際に用いられるものである。

本発明の温度計測装置によれば、炉内の雰囲気に悪影響を与えることなく外側容器内の蒸気を放出することができる。

雰囲気炉を示す模式図。 同じく温度計測装置の模式断面図。

図１を用いて、雰囲気炉１００について説明する。
なお、図１では、雰囲気炉１００を模式的に表している。

雰囲気炉１００は、本発明の温度計測装置に係る実施形態である。雰囲気炉１００は、ワークＷを直接加熱せず、充填した処理ガスを加熱することによってワークＷの熱処理を行う装置である。

なお、本実施形態のワークＷは、鋼とされている。また、本実施形態の雰囲気炉１００は、ワークＷの低温窒化処理を行う処理室の一つとされている。雰囲気炉１００では、ワークＷがアンモニアガス中で約４００〜６００℃に加熱され、ワークＷの表面に窒素を浸透させて窒化鉄の硬化層を生成させている。

雰囲気炉１００は、ヒータ１１０と、ガス供給装置１２０と、ガス排気装置１３０と、支持部材１５０と、温度計測装置１０と、を具備している。ヒータ１１０は、雰囲気炉１００内の充填されたガスを加熱する装置である。ガス供給装置１２０は、雰囲気炉１００内にガスを充填する装置である。ガス排気装置１３０は、雰囲気炉１００内に充填されたガスを排気する装置である。支持部材１５０は、雰囲気炉１００内にて、ワークＷを支持して固定するものである。

温度計測装置１０は、耐熱容器としての外側容器２０と、温度計測装置本体５０と、熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃと、接触端子部５２Ａ・５２Ｂ・５２Ｃと、を備えている。

外側容器２０は、略円柱形状に構成されている。外側容器２０の内部には、温度計測装置本体５０が収納されている。外側容器２０について、詳しくは後述する。

温度計測装置本体５０は、いわゆるデータロガーと称される履歴データ記録装置によって構成される。温度計測装置本体５０には、複数の熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃが電気的に接続されている。各熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃの先端部には、雰囲気炉１００に配置されたワークＷの温度を検出する接触端子部５２Ａ・５２Ｂ・５２Ｃが接続される。接触端子部５２Ａ・５２Ｂ・５２Ｃは、ワークＷに接触した状態で設けられている。

接触端子部５２Ａ・５２Ｂ・５２Ｃによって検出されたワークＷの温度は、電気信号に変換されて温度計測装置本体５０に送信され、履歴データ（計測データ）として温度計測装置本体５０によって処理され保存される。

図２を用いて、温度計測装置１０の構成についてさらに詳しく説明する。
なお、図２では、温度計測装置１０を断面視にて模式的に表している。また、図２の下方では、外側容器２０の貫通孔２１Ａを貫通する熱電対５１Ａを拡大して表している。

温度計測装置１０は、上述の外側容器２０、温度計測装置本体５０、熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃおよび接触端子部５２Ａ・５２Ｂ・５２Ｃに加えて、さらに、内側容器３０と、断熱材としての石膏Ｇと、を備えている。

温度計測装置本体５０は、内側容器３０に収納されている。温度計測装置本体５０は、上述したように、いわゆるデータロガーと称される履歴データ記録装置によって構成される。

内側容器３０は、中空の略円柱形状に構成されている。内側容器３０の内部の略中央部には、温度計測装置本体５０が配置されている。内側容器３０は、外側容器２０に収納されている。内側容器３０から外側容器２０に延出する熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃは、内側容器３０の貫通孔３１を貫通して外側容器２０の内部へ延出している。

外側容器２０は、中空の略円柱形状に構成されている。外側容器２０の内部の略中央部には内側容器３０が配置され、外側容器２０の内部における内側容器３０の周囲には石膏Ｇが充填されている。外側容器２０から外部に延出する熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃは、外側容器２０の一側に形成される貫通孔２１Ａ・２１Ｂ・２１Ｃを貫通して外部へ延出している。

石膏Ｇは、内側容器３０と外側容器２０との間に形成される空間に充填されている。石膏Ｇには、水分が含まれている。石膏Ｇは、温度上昇時に、含有する水分が気化することによって周囲の熱を吸収して断熱効果を奏する断熱材である。

熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃは、熱起電力を利用して温度測定に用いるため、２種類の金属線Ｍ１・Ｍ２を一端で接合した温度センサーである。熱電対５１Ａ・５１Ｂ・５１Ｃの金属線Ｍ１・Ｍ２のそれぞれは、全体が絶縁体５５に被覆されて構成されている。

ここで、特記事項として、本実施形態の熱電対５１Ａは、全体が耐熱性の絶縁体の多孔質としてガラス繊維６０でさらに被覆されている。ガラス繊維６０は、２本の熱電対５１Ａの外周に密着して被覆されている。また、ガラス繊維６０は、貫通孔２１Ａの内壁と密着して配置されている。

なお、本実施形態の熱電対５１Ａはガラス繊維６０で被覆される構成としたが、これに限定されない。例えば、多孔質セラミックで被覆される等、多孔質の絶縁体で被覆される構成であれば良い。なお、本実施形態において、多孔質の絶縁体とは、多くの細孔を有する絶縁体のことをいい、多孔質セラミック等の多孔質部材のみならず、ガラス繊維等の繊維状部材も含むものである。

また、本実施形態の熱電対５１Ａのみがガラス繊維で被覆される構成としたが、これに限定されない。例えば、熱電対５１Ｂ又は熱電対５１Ｃがガラス繊維で被覆される構成としても良い。

なお、本実施形態の熱電対５１Ａはガラス繊維６０で被覆される構成としたが、これに限定されない。例えば、シース熱電対の外側容器２０の貫通孔２１Ａに配置される部分のみをガラス繊維６０で被覆される構成としても良い。なお、シース熱電対とは、金属保護管（シース）の内部に２種類の金属線Ｍ１・Ｍ２を挿入し、前記金属保護管（シース）内に絶縁体（本実施形態では、高純度酸化マグネシウム）の粉末を充填して密封している熱電対である。

温度計測装置１０の作用について説明する。
温度計測装置１０が雰囲気炉１００で長時間使用される場合を想定する。温度計測装置１０が高温環境に曝され続けることによって、外側容器２０に充填された石膏Ｇに含まれる水分が気化する。石膏Ｇに含まれる水分が気化し続けることによって、外側容器２０の内部は水蒸気で満たされて内部圧力が上昇する。

このとき、外側容器２０の貫通孔２１Ａを貫通する熱電対５１Ａではガラス繊維６０が被覆されているため、外側容器２０の内部に満たされた水蒸気は、ガラス繊維６０の隙間を通過して外部へ放出される。

言い換えれば、外側容器２０の内部には、石膏Ｇ由来の異物、石膏Ｇに付着した異物、並びに水蒸気が存在するものの、貫通孔２１Ａに配置される多孔質であるガラス繊維がフィルタの機能を有することによって異物は捕捉され、水蒸気のみが外部に放出されることになる。

温度計測装置１０の効果について説明する。
温度計測装置１０によれば、高温での使用時に外側容器２０から水蒸気のみを放出することができるため、雰囲気炉１００の雰囲気に悪影響を与えることなく外側容器２０の内部の蒸気を放出することができる。

従来、低温窒化処理は、表面反応律速であって、炉内雰囲気ガスに汚れたガスが混入した、或いは、ガス成分が変動した場合には、窒化ムラが生じる、或いは、全く窒化されないことがあった。このように、炉内が酸化又は汚染された場合には、通常処理をすべく、炉内雰囲気を調整する必要があるものの、調整時間がかかり、作業性が悪かった。

例えば、外側容器２０に圧抜き穴を形成した温度計測装置では、外側容器２０の内部の石膏Ｇに含まれる水分が気化することにより生じた水蒸気を圧抜き穴から放出する際に、水蒸気と共に、石膏Ｇに含まれる異物等も外側容器２０の内部から雰囲気炉１００に放出されていたため、雰囲気炉１００の雰囲気に悪影響を及ぼしていた。

これに対し、温度計測装置１０によれば、熱電対５１Ａの貫通孔２１Ａに配置される部分が多孔質の絶縁体であるガラス繊維６０で被覆されているため、外側容器２０の内部に満たされた水蒸気のみがガラス繊維６０の隙間を通過して外部へ放出される。そのため、雰囲気炉１００の雰囲気に悪影響を与えることなく、外側容器２０の内部の蒸気を放出することができる。

本実施形態の温度計測装置１０は、低温窒化処理に用いられるものとしたがこれに限定されない、例えば、浸炭焼入れ又は焼き戻し等の他の熱処理にでも用いることができる。

１０ 温度計測装置
２０ 外側容器
２１Ａ 貫通孔
３０ 内側容器
５０ 温度計測装置本体
５１Ａ 熱電対
５５ 絶縁体
６０ ガラス繊維
Ｇ 石膏（断熱材）

Claims (3)

1. 計測データを処理する温度計測装置本体と、
   前記温度計測装置本体を収納する内側容器と、
   前記内側容器を収納し、水分を含む断熱材が充填される外側容器と、
   前記温度計測装置本体から前記内側容器に形成される貫通孔と前記外側容器に形成される貫通孔とを貫通して外部に引き出される熱電対と、を備える温度計測装置であって、
   前記外側容器の貫通孔内に配置された前記熱電対は、耐熱性の絶縁体の多孔質で覆われており、
   前記外側容器の貫通孔と前記多孔質とは、密着しており、
   前記多孔質は、水蒸気が通過する隙間を有する、
   温度計測装置。
2. 請求項１記載の温度計測装置であって、
   前記熱電対が貫通する外側容器の貫通孔は、複数形成され、
   少なくとも一つの前記外側容器の貫通孔内に配置された前記熱電対は、耐熱性の絶縁体の多孔質で覆われている、
   温度計測装置。
3. 請求項１又は２記載の温度計測装置であって、
   炉内でワークの表面をガス窒化により硬化させる際に用いられる、
   温度計測装置。

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