JP6495143B2 - 熱電対の固定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハニカム構造体に備えられた熱電対の固定方法に関する。

エンジンの燃焼排ガス等の高温気体からの熱回収技術が求められている。この熱回収技術において、耐熱性、耐熱衝撃性、耐腐食性に優れたセラミック製のハニカム構造の熱交換体が用いられている。また、化学、電力、鉄鋼等の様々な分野において、環境対策や特定物資の回収等のために使用される触媒装置用の担体として、セラミック製のハニカム構造体が採用されている。さらに、セラミック製のハニカム構造体は、排ガス浄化用のフィルタとしても用いられている。このように、セラミック製のハニカム構造体は種々の用途に採用されている。

こうした種々の用途では、高温気体や低温気体がハニカム構造体内に流れることがあるため、ハニカム構造体を製造する過程において、耐熱性試験や耐熱衝撃性試験等を行う必要がある。

従来、ハニカム構造体の内部温度を測定する際には、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、ハニカム構造体内に熱電対を備えていた。

具体的には、特許文献１には、予め排ガス浄化用の触媒を担持させたハニカム構造体をアルミナマットで巻いた状態で排気管内に設置することにより触媒コンバータを構成し、そのハニカム構造体には、軸方向の中間位置に２つの熱電対を設置し、次いで、その触媒コンバータをエンジンに搭載し、ＷＯＴ（Ｗｉｄｅ ｏｐｅｎ ｔｈｒｏｔｔｌｅ）で走行する方法が記載されている。

また、特許文献２には、熱電対をハニカム構造体の流出端面側から内部に備え、流入端面側から試験流体を流すことによってハニカム構造体内の温度上昇を測定する方法が記載されている。

特開２０１３−１７３１３４号公報 特開２００９−９０２０６号公報

このような従来の方法は、測定時にハニカム構造体の流入端面から流入される試験流体の圧力によって熱電対が流出端面側に押されて移動してしまうことがあった。このために熱電対の測温部がハニカム構造体の温度測定位置からずれる可能性があった。

ハニカム構造体の温度測定位置がずれると、所定の位置の内部温度を測定することが困難であるため、耐熱衝撃性試験等の精度に支障をきたす恐れがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、熱電対がずれることなくハニカム構造体の所定の温度測定位置で測温可能にするための熱電対の固定方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明によれば、ハニカム構造体のセルの温度測定位置に１本以上の熱電対を配置する熱電対配置工程と、ハニカム構造体の流出端面側の外部にて、留め具を取り付ける留め具取付工程と、ハニカム構造体の流入端面から留め具までの距離よりも長い熱電対固定用針金をセル内に備え、その熱電対固定用針金の鉤状に曲げた第一端を、隔壁の流入端面に引っ掛ける熱電対引掛工程と、を含む。そしてさらに、そのハニカム構造体の流出端面から外部に配された熱電対固定用針金を留め具に固定することにより上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱電対の固定方法が提供される。

［１］ 流入端面から流出端面まで延びる、流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、最外周に位置する外周壁とを有する柱状のハニカム構造体の、前記セルの温度測定位置に１本以上の熱電対を配置する熱電対配置工程と、前記ハニカム構造体の前記流出端面側の外部にて、留め具を前記熱電対に取り付ける留め具取付工程と、前記ハニカム構造体の前記流入端面から前記留め具までの距離よりも長い熱電対固定用針金を前記セル内に備え、その熱電対固定用針金の鉤状に曲げた第一端を、前記隔壁の前記流入端面に引っ掛ける熱電対固定用針金引掛工程と、を含み、さらに、前記流出端面から外部に配された前記熱電対固定用針金を前記留め具に固定することにより、前記熱電対の測温部を前記ハニカム構造体の前記温度測定位置に固定する熱電対固定工程を含む熱電対の固定方法。

［２］ 前記熱電対固定工程は、前記熱電対配置工程、前記留め具取付工程、及び前記熱電対固定用針金引掛工程の後に、前記流出端面から外部に配された前記熱電対固定用針金を曲げて、前記留め具に固定することにより、前記熱電対の前記測温部を前記ハニカム構造体の前記温度測定位置に固定する前記［１］に記載の熱電対の固定方法。

［３］ 前記熱電対固定工程は、前記留め具取付工程において、前記留め具を、前記流出端面から外部に配される前記熱電対固定用針金と前記熱電対にこれらを一緒にした状態で取り付けることにより、前記熱電対の前記測温部を前記ハニカム構造体の前記温度測定位置に固定する前記［１］に記載の熱電対の固定方法。

［４］ 少なくとも１つの前記熱電対に熱電対ストッパーを備え、前記熱電対ストッパーは前記ハニカム構造体の前記流出端面に接することにより、前記熱電対の前記流出端面側から流入端面方向への移動を制限する前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱電対の固定方法。

［５］ 前記熱電対固定用針金の前記第一端を、コ型の鉤状に曲げる前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱電対の固定方法。

本発明の熱電対の固定方法は、熱電対固定用針金をセル内に備え、その熱電対固定用針金の鉤状に曲げた第一端を隔壁の流入端面に引っ掛け、流出端面から外部に配された熱電対固定用針金を留め具に固定することにより、温度測定時において、流入ガスの圧力による熱電対のずれを防止することができる。これにより、セル内の温度測定位置での測温が可能となり、信頼性のある測定結果を得ることができる。

熱電対の固定方法を示す斜視図である。 ハニカム構造体の断面を示し、熱電対の固定方法を示す説明図である。 ハニカム構造体の断面を示し、熱電対の他の固定方法を示す説明図である。 ハニカム構造体の断面を示し、熱電対ストッパーを備えた状態を示す説明図である。 熱電対固定用針金の第一端を引っ掛けた、ハニカム構造体の流入端面側を示す部分拡大図である。 ハニカム構造体の断面を示し、Ｔ字形の熱電対ストッパーを備えた状態を示す説明図である。 Ｔ字形の熱電対ストッパーの使用方法を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃに本発明の熱電対２の固定方法を示す。熱電対２の固定方法は、柱状のハニカム構造体１０の、セル１４の温度測定位置１６に１本以上の熱電対２を配置する熱電対配置工程と、ハニカム構造体１０の流出端面１２側の外部にて、留め具５を熱電対２に取り付ける留め具取付工程と、ハニカム構造体１０の流入端面１１から留め具５までの距離よりも長い熱電対固定用針金１をセル１４内に備え、その熱電対固定用針金１の鉤状に曲げた第一端を隔壁１３の流入端面１１に引っ掛ける熱電対固定用針金引掛工程と、を含む。これらの熱電対配置工程、留め具取付工程、及び熱電対固定用針金引掛工程は、どの順番で行っても良い。

そして、熱電対２の固定方法は、さらに、流出端面１２から外部に配された熱電対固定用針金１を留め具５に固定することにより、熱電対２の測温部３をハニカム構造体１０の温度測定位置１６に固定する熱電対固定工程を含む。

本発明の熱電対２の固定方法を使用するハニカム構造体１０は、流入端面１１から流出端面１２まで延びる、流体の流路となる複数のセル１４を区画形成する隔壁１３と、最外周に位置する外周壁１５とを有する柱状のものである。ハニカム構造体１０の隔壁１３は、セラミックを主成分とすることが好ましく、具体的には、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材料、リチウムアルミニウムシリケート、ゼオライト、バナジウム及びアルミニウムチタネートからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。これらの中でも、熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性に優れたコージェライトが好ましい。また、「セラミックを主成分とする」というときは、セラミックを全体の５０質量％以上含有することをいう。

また、ハニカム構造体１０は、セグメント構造のハニカム構造体１０であってもよい。具体的には、複数個のハニカムセグメントが、互いの側面同士が対向するように隣接して配置された状態で接合されたハニカム構造体１０を挙げることができる。ハニカムセグメントは、流入端面１１から流出端面１２まで延びる流体の流路となる複数のセル１４を区画形成する多孔質の隔壁１３及び隔壁１３を取り囲むように配設された外壁を有するものである。ハニカムセグメントの外壁が、上記ハニカムセグメントの側面となる。複数個のハニカムセグメントを接合した接合体の最外周に、外周壁１５が配置される。また、複数個のハニカムセグメントを接合した接合体の外周部を研削等によって加工しセル１４の延びる方向に垂直な断面の形状を円形等にした後、最外周にセラミック材料を塗工することによって外周壁１５を配置してもよい。

さらに、ハニカム構造体１０としては、その全体形状が円柱形（円筒形）であり、セル１４の形状（セル１４の連通方向に垂直な面でハニカム構造体１０の径方向に切断した断面の形状）が四角形であるものに制限されず、例えば、全体形状は、楕円柱形、長円柱形、あるいは四角柱形、三角柱形、その他の多角柱形であってもよい。また、ハニカム構造体１０のセル１４形状は、六角形、三角形等であってもよい。さらに、ハニカム構造体１０の所定のセル１４の端面の開口部が目封止されていたり、ハニカム構造体１０の隔壁１３上や隔壁１３の細孔内に触媒が担持されていてもよい。

熱電対配置工程では、上記のハニカム構造体１０の流出端面１２から１本以上の熱電対２を挿入して、セル１４の温度測定位置１６にその測温部３を備える。熱電対２はハニカム構造体１０のセル１４の所定の位置の温度を測定できるような長さである。流出端面１２から熱電対２を挿入することにより、流入端面１１からのガス流れの妨げを防止することができる。

また、図２及び図４Ａに示すように、熱電対２をセル１４内に備える際には、少なくとも１つの熱電対２に熱電対ストッパー８を備え、ハニカム構造体１０の流出端面１２にハニカム構造体１０の外側から接することにより、熱電対２の流出端面１２側から流入端面１１方向への移動を制限することが好ましい。

図２に示すように、熱電対ストッパー８としては、例えば金属製の筒状のスリーブを熱電対２にかしめて備えることが好ましい。または、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、熱電対ストッパー８としてＴ字形の部材を用い、後の留め具取付工程にて、熱電対２と供に留め具５に取り付けられて備えられることが好ましい。また、熱電対ストッパー８は、流出する高温ガスに晒されるために、耐熱性のある材料から成ることが好ましく、例えばステンレス製のものを使用することができる。熱電対ストッパー８を備えると、後述する熱電対固定工程において、熱電対２がハニカム構造体１０の流出端面１２側から流入端面１１側に移動し、その測温部３が所定の温度測定位置１６からずれることを防止できる。熱電対ストッパー８は、ハニカム構造体１０の流出端面１２との当接面８ａが１つのセル１４よりも大きいため、流出端面１２で止まり、セル１４内に入ることはない。具体的には、熱電対ストッパー８の当接面８ａの幅は、セル１４の開口部の２倍の大きさを上限とし、最低でも開口部より２ｍｍ以上大きい幅であることが好ましい。なお、図２に示す熱電対ストッパー８は熱電対２上に強固に備えられているために、熱電対２が熱電対ストッパー８内を滑って移動することは少ない。

留め具取付工程では、ハニカム構造体１０の流出端面１２側の外部にて、留め具５を熱電対２に取り付ける。留め具５は流出する高温ガスに晒されるために、耐熱性のある材料から成ることが好ましい。また、留め具５は、熱電対２をまとめて熱電対２に取り付け可能なものであれば、特に限定されず、スリーブやクランプを利用することができる。スリーブとしては、例えばステンレス等の金属製の筒状のスリーブが好ましく、かしめて留めることができる。なお、スリーブの径は１．５〜２．０ｍｍが好ましい。また、クランプとしては、公知のＣ型クランプ、Ｆ型クランプ、バネクランプ等を利用することができる。このような留め具５を取り付けることによって、熱電対２が固定されて一体となり、それぞれの熱電対２の測温部３から留め具５までの距離を制御し、且つ隣り合う熱電対２と熱電対２の間隔を制御することができる。さらに、熱電対２が１本の場合でも、後述するように、この留め具５を熱電対固定用針金１の固定に使用するため、留め具５を取り付ける。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、熱電対ストッパー８としてＴ字形の部材を使用する際には、熱電対ストッパー８の当接面８ａに略垂直な軸部８ｂを熱電対２に添わせた状態で留め具５を取り付けることが好ましい。Ｔ字形の熱電対ストッパー８は、同一のセル１４内に備えられた少なくとも１本の熱電対２を固定する際に使用することができる。

また、同一のセル１４内に備えられた１本の熱電対２を固定する際には、第２の熱電対固定用針金９も熱電対２及びＴ字形の熱電対ストッパー８の当接面８ａに略垂直な軸部８ｂに添わせた状態で、留め具５を取り付けることが好ましい。第２の熱電対固定用針金９としては、耐熱性、耐腐食性に優れた針金であり、例えば、熱電対２と径が同一である使い古した熱電対や、インコネル（登録商標）等を用いることができる。第２の熱電対固定用針金９は、熱電対２や熱電対固定用針金１よりも短いものが好ましい。このような第２の熱電対固定用針金９を熱電対２とＴ字形の熱電対ストッパー８と併せて留める際には、第２の熱電対固定用針金９の一端が留め具５からハニカム構造体１０が備えられている側と反対側の外部に延びている状態で留める。これにより、後の熱電対固定工程で熱電対２及び第２の熱電対固定用針金９との間に熱電対固定用針金１を固定することができる。

熱電対固定用針金引掛工程では、まず、ハニカム構造体１０の流入端面１１から留め具５までの距離よりも長い熱電対固定用針金１をセル１４内に備える。熱電対固定用針金１としては、小さいセル１４に通すことが可能な径の針金であり、加工が容易で、且つ流入ガスの風圧に耐える強度を有し、耐熱性、耐腐食性に優れた針金を用いることが好ましい。例えば、熱電対２と径が同一である使い古した熱電対や、インコネル（登録商標）等を用いることができる。

熱電対固定用針金１は、セル１４内を軸方向に沿って備えることが好ましい。軸方向に沿って備えることで、流入端面１１及び流出端面１２の隔壁１３の破損を防止できる。また、熱電対固定用針金１は、熱電対２を備えているセル１４を避けて備えることが好ましい。熱電対２を備えていないセル１４に備えることで、試験時の流入端面１１からのガス流れの妨げを防止することができる。したがって、熱電対固定用針金１は、１つの熱電対２を備えたセルの１セル〜５セル隣りのセル１４に備えることが好ましい。

次に、熱電対固定用針金１の鉤状に曲げた第一端を、隔壁１３の流入端面１１に引っ掛ける。図３に示すように、この第一端をコ型の鉤状に曲げることが好ましい。コ型の鉤状とは、好ましくは、点Ａについては熱電対固定用針金１の長手方向を備えたセル１４と流入端面１１とが成す角に倣った角度に、点Ｂについては流入端面１１と熱電対固定用針金１における最端部を備えたセル１４とが成す角度に倣って曲げられたものである。

具体的には、図３に示すように、熱電対固定用針金１を備えたセル１４と流入端面１１とが成す角が直角、且つ流入端面１１と熱電対固定用針金１の最端部を備えたセル１４とが成す角が直角の場合は、点Ａ，Ｂは略直角又は直角から±１°〜±５°ずれた角度に曲げられたものが好ましい。また、その角は丸まっていても良いが、角が立っている方が好ましい。角が立っている方が、流入端面１１の隔壁１３にしっかりと固定することができる。

また、コ型の前記２点Ａ−Ｂの間の距離は、少なくとも一つの隔壁１３を跨ぐ長さで良いが、１０セル〜２５セルを跨ぐ長さがより好ましく、１０セル〜１５セルを跨ぐ長さがさらに好ましい。なお、言い換えると、この２点Ａ−Ｂの間の距離は１１〜３０ｍｍの長さが好ましく、１１〜１８ｍｍがさらに好ましい。ここで、図１Ｂ、図１Ｃ及び図２の２点Ａ−Ｂ間の距離は、１セル分を跨ぐ長さを示し、図３の２点Ａ−Ｂ間の距離は、２セル分を跨ぐ長さを示している。熱電対固定用針金１の第一端面はこのようなコ型の鉤状であるために、熱電対固定用針金１を流入端面１１の隔壁１３に容易に引っ掛けることができ、且つ引っ掛ける際に隔壁１３を傷つけることを防止できる。

本発明に係る熱電対の固定方法は、熱電対配置工程、留め具取付工程、及び熱電対固定用針金引掛工程に加えて、さらに熱電対固定工程を含む。

熱電対固定工程では、流出端面１２から外部に配された熱電対固定用針金１を留め具５に固定することにより、熱電対２の測温部３をハニカム構造体１０の温度測定位置１６に固定する。

熱電対固定工程は、熱電対配置工程、留め具取付工程、及び熱電対固定用針金引掛工程の後に、流出端面１２から外部に配された熱電対固定用針金１を曲げて、留め具５に固定することにより、熱電対２の測温部３をハニカム構造体１０の温度測定位置１６に固定することが好ましい。図１Ｂ、図２及び図４Ａに示すように、熱電対２を備えたセル１４の近傍のセル１４に熱電対固定用針金１を備えた場合には、熱電対固定用針金１を１度折り曲げて、留め具５に引っ掛けて留めればよいので、容易に固定することができる。留め具５としては、スリーブやクランプ等を用いることができる。

また、熱電対固定用針金１を曲げて留め具５に固定する位置は、留め具５に取り付けた熱電対２と熱電対２の間か、または熱電対２と第２の熱電対固定用針金９の間が好ましい。これにより、熱電対固定用針金１が、留め具５から外れることを防止できる。なお、熱電対固定用針金１を留め具５に固定する方法は、熱電対固定用針金１を曲げて引っ掛けることに限らず、熱電対固定用針金１を留め具５に巻きつけて留めても良い。

なお、熱電対固定工程は、留め具取付工程において、図１Ｃに示すように留め具５を、流出端面１２から外部に配される熱電対固定用針金１と熱電対２にこれらを一緒にした状態で取り付けることにより、熱電対２の測温部３をハニカム構造体１０の温度測定位置１６に固定することも好ましい。図１Ｃでは、熱電対固定用針金１と熱電対２を一緒にして留め具５で固定している。この固定方法は、留め具取付工程で熱電対固定用針金１と熱電対２を一緒に留め具５にて取り付けるために、留め具取付工程と熱電対固定工程を同時に行うことができ、手順を簡素化することができる。留め具５としては、スリーブやクランプ等を用いることができる。

また、本発明の熱電対固定用針金１は、ハニカム構造体１０の内部温度測定後に、容易にハニカム構造体１０から取り外すことができる。熱電対固定用針金１の任意の点を切断し、一方をハニカム構造体１０の流入端面１１側、及び他方を流出端面１２側から引き抜けば良い。

（実施例１）
セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、焼成することによって、材質はコージェライト、本体サイズが直径１０６ｍｍ、軸方向の長さが１５２．４ｍｍの円柱状であって、隔壁厚さ０．１ｍｍ、セル密度が６２個／ｃｍ^２のハニカム構造体１０を製造した。次に、ハニカム構造体１０内の、３点の温度測定位置１６に直径０．５ｍｍの熱電対２を１本ずつ備え、ハニカム構造体１０の流出端面１２側の外部にて、直径１．８ｍｍのステンレス製のスリーブである留め具５を熱電対２にかしめることによって取り付けた。そして、直径０．５ｍｍのインコネル（登録商標）製の熱電対固定用針金１を、熱電対２を備えたセル１４の隣のセル１４内に備え、その熱電対固定用針金１のコ型の鉤状に曲げた第一端を、隔壁１３の流入端面１１に引っ掛けた。なお、コ型の２点Ａ、Ｂはいずれも直角で、Ａ−Ｂ間の距離は１５ｍｍである。次に、流出端面１２から外部に配された熱電対固定用針金１を１度曲げて、留め具５に留めることにより、熱電対２の測温部３をハニカム構造体１０の温度測定位置１６に固定した（図１Ｂ参照）。その後、液化石油ガス（ＬＰＧ）と空気を混合させ燃焼させた高温ガスをハニカム構造体１０の流入端面１１の中心側から、上流側５ｍｍの位置において、９５０℃になるように２．０Ｎｍ^３／ｍｉｎで３分間流入し（排気圧力１．７ｋＰａ）、熱電対２の位置を観察した。

（実施例２）
流出端面１２から外部に配された熱電対固定用針金１を熱電対２と一緒に留め具５に取り付けて固定した（図１Ｃ参照）こと以外は、実施例１と同様である。

（比較例１）
熱電対固定用針金１を備えなかった（熱電対引掛工程及び熱電対固定工程を行わなかった）こと以外は、実施例１と同様である。

（結果）
熱電対固定用針金引掛工程及び熱電対固定工程を行った実施例１と実施例２は、全ての熱電対２の測温部３がセル１４の温度測定位置１６から流出端面１２方向に流体の風圧によってずれることはなかった。その一方で、熱電対固定用針金引掛工程及び熱電対固定工程を行わなかった比較例１は、熱電対２の測温部３が風圧によって流出端面１２側に約８ｍｍずれてしまった。

本発明の熱電対の固定方法は、耐熱性試験や耐熱衝撃性試験といった、ハニカム構造体の流入端面側から内部にガスを流し、熱電対を用いてその内部温度を測定する試験に利用することができる。

１：熱電対固定用針金、２：熱電対、３：測温部、５：留め具、８：熱電対ストッパー、８ａ：当接面、８ｂ：軸部、９：第２の熱電対固定用針金、１０：ハニカム構造体、１１：流入端面、１２：流出端面、１３：隔壁、１４：セル、１５：外周壁、１６：温度測定位置。

Claims (5)

1. 流入端面から流出端面まで延びる、流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、最外周に位置する外周壁とを有する柱状のハニカム構造体の、前記セルの温度測定位置に１本以上の熱電対を配置する熱電対配置工程と、
   前記ハニカム構造体の前記流出端面側の外部にて、留め具を前記熱電対に取り付ける留め具取付工程と、
   前記ハニカム構造体の前記流入端面から前記留め具までの距離よりも長い熱電対固定用針金を前記セル内に備え、その熱電対固定用針金の鉤状に曲げた第一端を、前記隔壁の前記流入端面に引っ掛ける熱電対固定用針金引掛工程と、を含み
   さらに、前記流出端面から外部に配された前記熱電対固定用針金を前記留め具に固定することにより、前記熱電対の測温部を前記ハニカム構造体の前記温度測定位置に固定する熱電対固定工程を含む熱電対の固定方法。
2. 前記熱電対固定工程は、前記熱電対配置工程、前記留め具取付工程、及び前記熱電対固定用針金引掛工程の後に、前記流出端面から外部に配された前記熱電対固定用針金を曲げて、前記留め具に固定することにより、前記熱電対の前記測温部を前記ハニカム構造体の前記温度測定位置に固定する請求項１に記載の熱電対の固定方法。
3. 前記熱電対固定工程は、前記留め具取付工程において、前記留め具を、前記流出端面から外部に配される前記熱電対固定用針金と前記熱電対にこれらを一緒にした状態で取り付けることにより、前記熱電対の測温部を前記ハニカム構造体の前記温度測定位置に固定する請求項１に記載の熱電対の固定方法。
4. 少なくとも１つの前記熱電対に熱電対ストッパーを備え、前記熱電対ストッパーは前記ハニカム構造体の前記流出端面に接することにより、前記熱電対の前記流出端面側から流入端面方向への移動を制限する請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電対の固定方法。
5. 前記熱電対固定用針金の前記第一端を、コ型の鉤状に曲げる請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電対の固定方法。

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