JP6317292B2 - シース熱電対およびその先端部の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業用温度計として広く用いられているシース熱電対に関するもので、より具体的には、激しい振動のある場所に設置されるシース熱電対に関するものである。

シース熱電対は、特許文献１の図４ならびに図５、特許文献２の図６などに示されているとおり、金属シース内にマグネシア、アルミナ等を材質とする無機絶縁材粉末が充填され、その中に一対または複数対の金属を材質とする熱電対素線が収容されている温度センサである。

各対の熱電対素線の先端は接合されて測温接点が形成されており、測温接点の温度がシース熱電対の出力温度となる。また、金属シースの先端は溶接により、先端と反対側の端末は、エポキシ等のシール材により、気密封止されていて、熱電対素線はこの端末のシールを通って外部に出ている。金属シースの内部は、この先端の溶接封止部と端末のシールとによって外部から遮断されており、この遮断は、無機絶縁材粉末の吸湿による絶縁低下や、高温で使用した際に内部の熱電対素線が酸化することによる温度測定誤差の発生等を防ぐために、シース熱電対には必須である。

次に、従来のシース熱電対において一般的に採られている先端部の製作手順を図３に沿って説明する。図３（ａ１）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は縦断面図、図３(ａ２)は図３（ａ１）のＢ−Ｂ断面図で、部品の符号は基本的に最初に現れる箇所にのみ付している。また、見易いように、図３（ｂ）乃至（ｄ）は先端部を拡大して描いている。

図３は一対の熱電対素線を収容したシース熱電対について示しているが、複数対の熱電対素線が収容されたものについても同様の手順で作られる。

シース熱電対２は、図３（ａ１）、（ａ２）に示す、金属シース４に無機絶縁材粉末６を介在して一対の熱電対素線５を収容したＭＩケーブル３より作られる。ＭＩケーブルは、Ｍｉｎｅｒａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ケーブルの一般に用いられている略称である。

先ず、図３（ｂ）のように、ＭＩケーブル３の先端部の無機絶縁粉末６をサンドブラスト等で除去し、金属シース４内に露出した一対の熱電対素線５の先端部を切断除去した後、図３（ｃ）のように一対の熱電対素線５の残った露出部を中央に寄せて溶接し、測温接点を形成する。符号７で示す部分が溶接部であり測温接点である。

続いて、追加の無機絶縁材粉末８を、図３（ｄ）のとおり先端部に詰め、図３（ｅ）に示すように金属シース４の先端を金属シース４と同材質の金属で封止溶接してシース熱電対２の先端部が完成する。符号９が封止溶接をした箇所である。溶接で生じた余盛はベルター等を用いた研磨により取り除かれるのは、特許文献１の図６に示されるとおりである。

特開２０１４−１７８１２７号公報 特開２０１０−２３０５０５号公報

ＭＩケーブルは、太く作った金属シースに無機絶縁材粉末を介在させて熱電対素線を収容したものを、ドローイングやスエージングにより縮径して作られるのが通常である。したがって図３に示すＭＩケーブル３の無機絶縁材粉末６は圧縮されて高密度に固く充填された状態にあり、そのため、シース熱電対２を強い振動のある場所で用いたとしても無機絶縁材粉末６が振動によって動くことはない。

一方、図３に示す追加の無機絶縁材粉末８は、上記縮径が行われないので充填密度が低く、シース熱電対２を強い振動のある場所で用いると、振動によって追加の無機絶縁材粉末８が動くことにより、これと接触する熱電対素線５と測温接点７の表面および金属シース４と封止溶接部９の内面が磨耗し、磨耗により発生した金属粉が追加の無機絶縁粉末８の中に混入する。

シース熱電対２を強い振動のある場所で長期に使用すると、この金属粉の濃度が上昇し、本来絶縁されている、金属シース４ならびに封止溶接部９と熱電対素線５との間、測温接点７以外の２本の熱電対素線５間、また複数対の熱電対素線を収容したシース熱電対の場合には各対の熱電対素線間の絶縁抵抗が低下して温度測定誤差が増加し、終にはこれらの間が短絡状態となって温度センサとしての機能を失うという問題が、従来のシース熱電対にはあった。

追加の無機絶縁材粉末８の密度を上げるために、図３(ｄ)の状態で、振動を加えることや、上部から圧縮する外力を加えることがなされる場合が多いが、このようにしても強い振動に対しても動かない密度に充填することはできず、程度の差はあれ、絶縁抵抗の低下、短絡という問題は生じる。

強い振動でシース熱電対２に生じる応力による損傷を防止することは、金属シース４の厚いものを使用する等の対策が可能であるので、上に説明した絶縁抵抗の低下及び短絡が、強い振動のある場所で使用されるシース熱電対２の寿命の制限となることがある。

本発明は、シース熱電対の先端部の製作過程において追加される無機絶縁材粉末の充填密度が低いことによって、強い振動のある場所で用いた場合に生じる磨耗に起因する絶縁抵抗の低下及び短絡の問題を軽減し、同場所での使用寿命を延長することを課題としてなされたものである。

上述の課題を解決するために、以下のシース型熱電対とした。

（第１の態様）
第１の態様は、金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線を収容したものを縮径して作られた、金属シース内に高密度に固く充填された無機絶縁材粉末を介在して一対または複数対の熱電対素線が収容されたＭＩケーブルを用い、
ＭＩケーブルの先端部の無機絶縁材粉末を除去して金属シース内に露出させた熱電対素線の先端部を切断除去し、金属シース内に残った各対の熱電対素線の露出部先端を中央に寄せて溶接して測温接点を形成した後、放電被覆加工によって、熱電対素線の露出部と測温接点の表面を高硬度の導電性物質でコーティングし、続いて金属シースの先端部の無機絶縁材粉末が除去された箇所に、追加の無機絶縁材粉末を測温接点より先の、金属シースの先端近傍まで充填し、金属シース先端を封止溶接して先端部が作られることにより、
追加の無機絶縁材粉末内の熱電対素線と測温接点の表面が、高硬度の導電性物質でコーティングされていることを特徴とするシース型熱電対である。

本態様のシース熱電対は、強い振動のある場所で用いられて追加の無機絶縁材粉末が動いても、熱電対素線と測温接点の表面が高硬度の物質でコーティングされているので、これらの磨耗による金属粉の発生が従来のシース熱電対より少なく、強い振動のある場所で用いた場合の使用寿命が長くなる。

放電被覆加工は、周知のとおり、火花放電により導電性の電極棒の材質をワーク表面にコーティングする加工で、ワークへの熱入力がほとんどない特徴、及び、大気中において電極棒とワークの近接部を選択的にコーティングできる特徴を持っている。

本態様での放電被覆加工の採用により、シース熱電対の製作中の段階で、熱電対素線と測温接点の表面へ選択的にコーティングを行うことができ、また、コーティング時の熱電対素線への熱入力が少ないために、熱電対素線の測温特性つまり熱起電力特性を変化させて新たな温度測定誤差を生じさせることがなく、歪み、変形を生じさせることもない。加えて、細い電極棒の使用によって、ある程度細径までのシース熱電対の熱電対素線と測温接点の表面をコーティングすることが可能である。

（第２の態様）
第２の態様は、第１の態様のシース熱電対において、
放電加工によって、熱電対素線の露出部と測温接点の表面に加えて、ＭＩケーブルの先端部の無機絶縁材粉末の除去によって露出した金属シースの内面も、高硬度の導電性物質でコーティングすることにより、
追加の無機絶縁材粉末内の熱電対素線と測温接点の表面、および、追加の無機絶縁材粉末に接する金属シースの内面が高硬度の導電性物質でコーティングされていることを特徴とするものである。

強い振動のある場所で追加の無機絶縁材粉末が動くことによる金属シース内面の磨耗は、金属シースの材質を硬度の高い金属とすることで避けることができるが、追加の無機絶縁材粉末内の熱電対素線と測温接点の表面に加えて、追加の無機絶縁材粉末内の金属シース内面も放電被覆加工により高硬度の導電性物質でコーティングすることにより、金属シースの材質が高硬度でなくても、長寿命化を図ることができる。

（第３の態様）
第３の態様は、第１の態様または第２の態様のシース熱電対において、
高硬度の導電性物質は、タングステンカーバイトであることを特徴とするものである。

タングステンカーバイトは高硬度の導電性材料で、放電被覆加工の電極材として広く使用されている実績があり、かつ、経済的にも優れている。第３の態様は、第１の態様と第２の態様のシース熱電対において、実績がありかつ経済的なコーティングができるという効果がある。

（第４の態様）
次に、第４の態様は、本発明によるシース熱電対の先端部の製作方法である。
つまり、本態様は、金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線を収容したものを縮径して作られた、金属シース内に高密度に硬く充填された無機絶縁材粉末を介在して一対または複数対の熱電対素線が収容されたＭＩケーブルを用いたシース熱電対先端部の製作方法であって、
ＭＩケーブルの先端部の無機絶縁粉末を除去して金属シース内に露出させた熱電対素線の先端部を切断除去し、金属シース内に残った各対の熱電対素線の露出部先端を中央に寄せて溶接して測温接点を形成する測温接点形成工程と、
続いて、放電被覆加工により、熱電対素線の露出部と測温接点の表面を高硬度の導電性物質でコーティングするコーティング工程と、
続いて、測温接点形成工程において金属シースの先端部の無機絶縁材粉末が除去された箇所に、測温接点より先の、金属シースの先端部近傍まで追加の無絶縁材粉末を充填する無絶縁材粉末追加工程と、
最後に、金属シースの先端を封止溶接する金属シース先端封止溶接工程と、を有するものである。

本態様の製作方法でシース熱電対の先端部を作ることにより、強い振動のある場所で使用して追加の無機絶縁材粉末が動いても、磨耗による金属粉の発生が従来のシース熱電対より少ないために、従来の熱電対より使用寿命の長いシース熱電対が得られる。

（第５の態様）
第５の態様は、第４の態様のシース熱電対先端部の製作方法において、
コーティング工程は、放電被覆加工によって、熱電対素線の露出部と測温接点の表面に加え、測温接点形成工程において無機絶縁粉末を除去して露出した金属シースの内面も、高硬度の導電性物質でコーティングすることを特徴とするものである。

本態様の製作方法とすることで、金属シースの材質が高硬度でなくても、強い振動のある場所での使用において使用寿命の長いシース熱電対が得られる。

（第６の態様）
第６の態様は、第４の態様または第５の態様のシース熱電対先端部の製作方法において、
無絶縁材粉末追加工程後に、追加の無機絶縁材粉末の充填密度を高めるために、金属シースの先端部を加振すること、または追加の無機絶縁材粉末に金属シースの上端開口から圧縮力を加えることの少なくとも１つを行うものである。

本態様の製作方法とすることで追加の無機絶縁材粉末の充填密度を高め、強い振動のある場所で使用した場合の追加の無機絶縁材粉末の動きを軽減して磨耗速度を落とすことにより、同使用における寿命が延ばされたシース熱電対が得られる。

従来のシース熱電対は、強い振動のある場所で用いた場合に、磨耗により生じる金属粉に起因する絶縁抵抗の低下と短絡が、使用寿命を短くすることがあったのに対し、本発明によるシース熱電対とその製造方法は、このような短い使用短寿を長くする効果を持つ。

本発明によるシース熱電対の第１の実施形態における先端部の製作手順と仕上がり形状を示す断面図である。 本発明によるシース熱電対の第２の実施形態における先端部の形状を示す断面図である。 従来のシース熱電対の一般的な先端部の製作手順を示す断面図である。

本発明のシース熱電対の第１の実施形態を図１に沿って説明する。図１は本発明によるシース熱電対の第１の実施形態における先端部の製作手順と仕上がり形状を示す断面図である。図１（ａ１）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は縦断面図、図１(ａ２)は図１（ａ１）のＡ−Ａ断面図で、図１（ｆ）が先端部の仕上がり形状である。部品の符号は基本的に最初に現れる箇所にのみ付しており、見易いように、図１（ｂ）乃至（ｅ）は先端部を拡大して描いている。

本実施形態のシース熱電対１は、図１（ａ１）、（ａ２）に示す、金属シース４に無機絶縁材粉末６を介在して一対の熱電対素線５を収容したＭＩケーブル３より作られる。このＭＩケーブル３は、太い金属シース４に無機絶縁材粉末６を介在させて一対または複数対の熱電対素線５を収容したものを、ドローイングやスエージング等により縮径して作られたもので、縮径によって無機絶縁材粉末６は金属シース４内に高密度に固く充填されている。

先ず、図１（ｂ）のように、ＭＩケーブル３の先端部の無機絶縁粉末６をサンドブラスト等で除去し、金属シース４内に露出した一対の熱電対素線５の先端部を切断除去した後、一対の熱電対素線５の残った露出部を中央に寄せて溶接し、測温接点を形成する（測温接点形成工程）。図１（ｃ）に符号７で示す部分が溶接部であり測温接点である。

続いて、図１（ｃ）の如く、放電被覆加工により熱電対素線５の露出部と測温接点７の表面を高硬度の導電性物質でコーティングする（コーティング工程）。放電被覆加工によるコーティングは、コーティング材で作られた電極棒１０とワークである熱電対素線５の露出部と測温接点７との間で火花放電を発生させることにより、電極棒１０の材質をワーク表面にコーティングするもので、放電被覆加工したコーティング１１を図１（ｄ）に示している。なお、図１（ｃ）には３本の放電加工の電極棒１０の先端外形を点線で示しているが、これは当電極棒１０の放電被覆加工中の位置を３例示しているもので、３本の電極棒を使って加工する意味の図示でない。放電被覆加工は１本の電極棒で行われる。

続いて図１（ｅ）に示すように、追加の無機絶縁材粉末８を測温接点７より先の、金属シース４の先端近傍まで詰めた（無絶縁材粉末追加工程）後、金属シース４の先端を封止溶接（金属シース先端封止溶接工程）し、その封止溶接部９により金属シース４の先端開口を封止する。封止溶接の際、溶融した溶接金属によって金属シース４の先端の追加の無機絶縁材粉末８の無い空間が埋められる。なお、封止溶接で余盛が生じた場合は、ベルター等を用いた研磨により取り除いて、図１（ｆ）に示す先端形状に仕上げる。

第１の実施形態のシース熱電対１の先端部の製作方法は以上のとおりであり、その形状は図１（ｆ)に示すとおりで、追加の無機絶縁材粉末８内の熱電対素線５と測温接点７の表面に高硬度の導電性物質でコーティング１１が施されているのが特徴である。

放電被覆加工は、ワークへの熱入力がほとんどないこと、大気中において電極棒とワークの近接部を選択的にコーティングできることなどの特徴を持っており、この放電被覆加工を使用することによって、シース熱電対１の製作中の段階で、熱電対素線５と測温接点７の表面へ選択的にコーティングを行うことができ、また、放電被覆加工時の熱電対素線５への熱入力が少ないために、熱電対素線５の測温特性つまり熱起電力特性を変化させて新たな温度測定誤差を生じさせることがなく、歪み、変形を生じさせることもない。加えて、細い電極棒１０の使用によって、ある程度細径までのシース熱電対１の熱電対素線５と測温接点７の表面をコーティングすることが可能である。

本実施形態の１つの具体例として、金属シース４と封止溶接部９の材質がハステロイＸ（；米国ヘインズ社の登録商標）で外径が４．６ｍｍ、無機絶縁材粉末６及び追加の無機絶縁材粉末８の材質がマグネシア、熱電対素線５がニッケルを主成分である一対のＫ熱電対素線、そしてコーティング１１の材質をタングステンカーバイトとしたものが挙げられる。タングステンカーバイトは高硬度の導電性材料で、放電被覆加工の電極材として広く使用されている実績があり、かつ、経済的にも優れているために採用した。

シース熱電対１は、強い振動のある場所で用いられて追加の無機絶縁材粉末８が動いても、熱電対素線５と測温接点７の表面が高硬度の物質でコーティングされているので、これらの磨耗による金属粉の発生が従来のシース熱電対より少なく、このため、強い振動のある場所で用いられた場合の使用寿命が長い。

また、上述の具体例のように、熱電対素線５と比較して硬度の高いハステロイＸなどが金属シース４と封止溶接部９の材質である場合、コーティング１１がなければ金属粉の多くは熱電対素線５と測温接点７から発生するので、これらの表面にタングステンカーバイトなどの高硬度の導電性物質でコーティング１１を施すことは使用寿命延長への効果が大きい。

次に、本発明のシース熱電対の第２の実施形態を説明する。説明は第１の実施形態と異なる点について行う。

第２の実施形態の製作方法の第１の実施形態との違いは、図１（ｃ）、（ｄ）に示した第１の実施形態のコーティング工程における放電被覆加工の際に、熱電対素線５と測温接点７の表面に加えて、露出している金属シース４内面も放電被覆加工により高硬度の導電性物質でコーティングするところにある。

図２は、このように製作された本発明によるシース熱電対１の第２の実施形態における先端部の形状を示す断面図である。追加の無機絶縁材粉末８内の熱電対素線５と測温接点７の表面に加えて、同粉末８に接する金属シース４の内面にも高硬度の導電性物質でコーティング１１が施されているのが第１の実施形態と異なる。

第１の実施形態の１つの具体例として先に挙げたシース熱電対１のうち、金属シース４と封止溶接部９の材質をハステロイＸから硬度の低いＳＵＳ３０４等に替えた場合でも、第２の実施形態では、金属シース４の追加の無機絶縁材粉末８に接する箇所は高硬度のタングステンカーバイトでコーティングされているので、強い振動のある場所で用いられて追加の無機絶縁材粉末８が動くことによる金属シース４内面の磨耗は生じ難く、金属粉の発生は少ないために、強い振動のある場所での使用における長寿命化が図れる。

なお、第１及び第２の実施形態のシース熱電対１の先端部の製作方法において、追加の無機絶縁材粉末８を金属シース４の先端近傍まで詰めた後、金属シース４の先端部を加振すること、追加の無機絶縁材粉末８を圧縮する外力を金属シース４の上端開口より加えることの両方、もしくは片方を行うことで追加の無機絶縁材粉末８の充填密度を高めることができ、強い振動のある場所で用いた際の使用寿命を延ばす効果が得られる。しかしながら、これらを実施しても、経験上、追加の無機絶縁材粉末８の動きをなくすことはできず、熱電対素線５と測温接点７の表面、場合によっては金属シース４内面へのコーティング１１が、長い使用寿命とするために必要である。

以上、本発明を実施するための形態を示したが、本発明は、もとより上記実施形態によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。

本発明は、ポンプ、ブロア、タービンなどの強い振動のある場所に取り付けられるシース熱電対に用いることで効果を発揮する。

また、シース熱電対の先端部に限らず、金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて発熱線を収容したマイクロヒータやシースヒータの先端部に適用することにより、これらが強い振動のある場所に取り付けられて用いられた際の使用寿命を延長する効果がある。

１ 本発明によるシース熱電対
２ 従来のシース熱電対
３ ＭＩケーブル
４ 金属シース
５ 熱電対素線
６ 無機絶縁材粉末
７ 測温接点
８ 追加の無機絶縁材粉末
９ 封止溶接部
１０ 電極棒
１１ コーティング

Claims (6)

1. 金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線を収容したものを縮径して作られた、該金属シース内に高密度に固く充填された該無機絶縁材粉末を介在して一対または複数対の該熱電対素線が収容されたＭＩケーブルを用い、
   該ＭＩケーブルの先端部の前記無機絶縁材粉末を除去して前記金属シース内に露出させた前記熱電対素線の先端部を切断除去し、前記金属シース内に残った各対の前記熱電対素線の露出部先端を中央に寄せて溶接して測温接点を形成した後、放電被覆加工によって、前記熱電対素線の露出部と前記測温接点の表面を高硬度の導電性物質でコーティングし、続いて前記金属シースの先端部の前記無機絶縁材粉末が除去された箇所に、追加の無機絶縁材粉末を前記測温接点より先の、前記金属シースの先端近傍まで充填し、該金属シース先端を封止溶接して先端部が作られることにより、
   前記追加の無機絶縁材粉末内の前記熱電対素線と前記測温接点の表面が、前記高硬度の導電性物質でコーティングされていることを特徴とするシース熱電対
2. 放電加工によって、前記熱電対素線の露出部と前記測温接点の表面に加えて、前記ＭＩケーブルの先端部の前記無機絶縁材粉末の除去によって露出した前記金属シースの内面も、前記高硬度の導電性物質でコーティングすることにより、
   前記追加の無機絶縁材粉末内の前記熱電対素線と前記測温接点の表面、および、前記追加の無機絶縁材粉末に接する前記金属シースの内面が前記高硬度の導電性物質でコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載のシース熱電対
3. 前記高硬度の導電性物質は、タングステンカーバイトであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシース熱電対
4. 金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線を収容したものを縮径して作られた、該金属シース内に高密度に硬く充填された該無機絶縁材粉末を介在して一対または複数対の該熱電対素線が収容されたＭＩケーブルを用いたシース熱電対先端部の製作方法であって、
   前記ＭＩケーブルの先端部の前記無機絶縁粉末を除去して前記金属シース内に露出させた前記熱電対素線の先端部を切断除去し、前記金属シース内に残った各対の前記熱電対素線の露出部先端を中央に寄せて溶接して測温接点を形成する測温接点形成工程と、
   続いて、放電被覆加工により、前記熱電対素線の露出部と前記測温接点の表面を高硬度の導電性物質でコーティングするコーティング工程と、
   続いて、前記測温接点形成工程において前記金属シースの先端部の前記無機絶縁材粉末が除去された箇所に、前記測温接点より先の、前記金属シースの先端部近傍まで追加の無絶縁材粉末を充填する無絶縁材粉末追加工程と、
   最後に、前記金属シースの先端を封止溶接する金属シース先端封止溶接工程と、を有するシース熱電対先端部の製作方法
5. 前記コーティング工程は、放電被覆加工によって、前記熱電対素線の露出部と前記測温接点の表面に加え、前記測温接点形成工程において前記無機絶縁粉末を除去して露出した前記金属シースの内面も、前記高硬度の導電性物質でコーティングすることを特徴とする請求項４に記載のシース熱電対先端部の製作方法。
6. 前記無絶縁材粉末追加工程後に、前記追加の無機絶縁材粉末の充填密度を高めるために、前記金属シースの先端部を加振すること、または前記追加の無機絶縁材粉末に金属シースの上端開口から圧縮力を加えることの少なくとも１つを行う請求項４または請求項５に記載のシース熱電対先端部の製作方法
   
   

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