JP6701678B2 - 温度測定用熱電対および温度測定用熱電対の取り付け構造 - Google Patents

Description

本発明は、測温対象面に溶接固定される板状のパッドと、該パッドに固定されるシース熱電対とを備える温度測定用熱電対に関する。

この種の温度測定用熱電対としては、従来より、３〜５ｍｍ程度の肉厚の金属板（パッド）に凹溝を形成し、該凹溝にシース熱電対の先端感温部を嵌めこんで溶接固定したパッド付きの温度測定用熱電対を用意し、これを測温対象面まで引き込んで、先端のパッドを測温対象面に溶接することで取り付けてなる構造が採用されている（例えば、特許文献１の第５図参照。）。

シース熱電対のシース管は薄肉であるため、パッドに固定する際の溶接工程には細心の注意を要している。シース管がパンクして破損すると吸湿し、測定誤差に繋がるためである。このようにパッドが先端側に固定された温度測定用熱電対を測温対象面へ取り付ける場合、長く延びる熱電対を測温対象面まで引き込み、シース熱電対に沿って基端側から手を伸ばして、図６に示すように先端側のパッド３の両側端部３ｂ、３ｂ及び先端部３ａを測温対象面に溶接する（溶接部４１）。

この取り付け作業は、長い熱電対２が邪魔になり作業性がわるく、特に測温対象面が入り組んだ設備（ボイラーチューブなど）の場合には、作業がより難しく、思い通りに溶接することが難しい。シース熱電対は、上記のとおり溶接の熱でシース管がパンクしたり熱電対に熱ダメージを与える虞がある。したがって、従来のパッド３は、図６に示すように取り付けの溶接作業の際にシース熱電対２が邪魔にならないように、またシース熱電対２をパンク等してしまわないように、左右の幅寸法を十分にとり、溶接されるパッド側端部３ｂからシース２までの距離Ｄを十分に確保している。

しかしながら、このように左右の幅寸法を十分にとったパッドを溶接する際、先端部と左右側端部の三辺を溶接する必要があり、溶接距離が長くなる。また、基端側から手を伸ばして溶接するため特に先端部３ａは溶接がしにくく、作業者によっては溶接時間が長くなってしまう。溶接時間が長いと距離を確保してもシース熱電対への熱の影響が大きくなる。また、同じく溶接時間が長いとパッドが熱で撓み、パッドと測温対象面との密着性が低下してしまい、温度測定の応答性に悪影響を与えるという問題もある。

シースまでの距離をより大きく取ることも考えられるが、距離を取りすぎるとパッドと測温対象面との間の固定されていない隙間面積が大きくなり、寸法の誤差や熱膨張率の差により密着性が低下し、同じく温度測定の応答性に悪影響を与えるという問題が生じる。また、パッドの厚みを厚くすることも考えられるが、パッドを厚くすると熱伝導に時間がかかり、同じく温度測定の応答性に悪影響を与えるという問題が生じる。

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、測温対象面にパッドを溶接する際の作業性が向上し、シース熱電対への熱による悪影響や応答性の低下を防止できる温度測定用熱電対を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、シース熱電対の感温部となるシース先端側に固定され、測温対象面に下面側の当接面を当接した状態で溶接固定される板状のパッドを備える温度測定用熱電対であって、前記パッドの平面視形状を、前記固定されたシース熱電対が延び出ている基端側よりも対する先端側の方が左右の幅が狭くなる先細形状としてなることを特徴とする温度測定用熱電対を提供する。

ここで、前記パッドの前記基端側の端部のシース熱電対の延出位置を挟む左右所定の位置に、切り込み溝を形成してなるものが好ましい。

以上にしてなる本願発明によれば、パッドの平面視形状を前記先細形状とすることで、パッド基端側の左右の幅寸法が確保され、これにより溶接作業時のシース熱電対への手の干渉等がある程度避けられ、シース熱電対が作業の邪魔にならないようにすることができ、また、溶接が難しいパッド先端部については、溶接距離が短くなるため作業効率が向上し、側端部も合せた全体の溶接距離についても短くなって溶接時間を短縮でき、シース熱電対への熱の悪影響や熱によるパッドの撓み、これによる密着性の低下、温度測定の応答性への悪影響を防止することができる。

また、従来の平面視矩形のパッドに比べて熱容量が小さくなり、温度測定の応答性はより向上し、外気温度にも影響されにくく、測定精度を高めることができる。溶接時間の短縮、効率化はコストダウンにも貢献する。

また、パッドの基端側の端部のシース熱電対の延出位置を挟む左右所定の位置に切り込み溝を形成したので、溶接されないパッド基端側の溶接熱による撓みを切り込み溝により吸収することができ、密着性の低下、温度測定の応答性への悪影響をより確実に防止することができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る温度測定用熱電対をボイラーチューブの外周面に取り付けた状態を示す説明図、（ｂ）は断面図。 （ａ）は同じく温度測定用熱電対の変形例を示す要部の説明図、（ｂ）は同じく温度測定用熱電対の他の変形例を示す要部の説明図。 本発明の第２実施形態に係る温度測定用熱電対をボイラーチューブの外周面に取り付けた状態を示す説明図。 本発明の第３実施形態に係る温度測定用熱電対をボイラーチューブの外周面に取り付けた状態を示す説明図。 同じく温度測定用熱電対の要部を示す斜視図。 従来の温度測定用熱電対を示す要部の説明図。

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。

まず、図１及び図２に基づき、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の温度測定用熱電対１は、図１に示すように、シース熱電対２と、該シース熱電対２の感温部２０となるシース先端側に固定され、測温対象面９に下面側の当接面３０を当接した状態で溶接固定される板状のパッド３とを備えたパッド型熱電対である。

そして、本発明では特に、パッド３の平面視形状が、固定されたシース熱電対２が延び出ている基端側（基端部３ｃの側）よりも対する先端側（先端部３ａの側）の方が左右の幅が狭くなる先細形状とされている。

測温対象面９としては、本例ではボイラーチューブＴの外壁面とした例を示しており、パッド３の当接面３０は、該外壁面に密着する平行な凹曲面に構成されている。パッド３の測温対象面９への固定は、シース熱電対が延び出ている基端側の辺（基端部３ｃ）を除く先端部３ａ，両側端部３ｂ、３ｂを測温対象面９に溶接することにより固定されている（溶接部４１）。

シース熱電対２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た従来から公知の熱電対を広く用いることができる。例えば、金属シースは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。シース内に充填する電気絶縁材は、例えばＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３等を用いることができる。

また、先端側の感温部２０はシース内部に熱電対素線の温接点が設けられているが、この温接点は金属シースに非接触のものや、金属シースに溶接して形成したもの、先端封止時にシース先端部と一体化したもの等、種々のタイプを用いることができる。金属シースの形状は、円形以外に蒲鉾形状、楕円形その他の形状でもよい。また、本例では、熱電対素線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。

パッド３は、下面が当接面３０となる略平行な上下面を有する板状の金属材であり、本例では上述のとおり下面が凹曲面に構成され、上面がこれに平行な凸曲面に構成されている。このようなパッド本体は平らな板材を屈曲させて構成することができるが、これに限定されない。また、平らな板材の下面側を凹曲面に切削加工し、上面は平面のままに構成してものもよい。

パッド３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、測温対象面９、本例ではボイラーチューブＴ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。本例では例えばステンレス材が用いられるが、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。

パッド３の基端部３ｃには、当該基端部３ｃに開口する凹溝３１が形成され、該凹溝３１にシース熱電対２の先端側の感温部２０が嵌め込まれた状態に固定される。固定は、シースをパンクしないように慎重に凹溝３１に沿ってシース管を溶接固定することで為される。これは従来と同様であり、その他の公知の固定方法を採用できる。本例では、溶接工程を容易化するべくシース管の感温部２０を含む外周部分に補強用の金属管２１を被せ、該金属管２１とパッド３とを溶接しているが、勿論直接固定したものでもよい。

パッド３の平面視形状は、本例では両側端部３ｂが同じ長さで先端部３ａを頂点とする二等辺三角形とされている。基端部３ｃの長さは従来のパッドとほぼ同じとされている。そして、このようなパッド３の測温対象面９への溶接は、測温対象面９に下面側の当接面３０を当接させた状態で両側端部３ｂ、３ｂ及び先端部３ａを測温対象面に溶接する。

本例のパッド３は、上記のとおり平面視三角形状であり、先端部３ａはほぼ点状の領域となり、両側端部３ｂ、３ｂが連続的につながる本例の場合は存在しないこととなる。先端部にＲ形状を設けたものであれば、そのＲ部分を先端部３ａとして溶接してもよい。

いずれにしても図６の従来の構造に比べ、作業が難しい先端部３ａの溶接距離は短くなり、側端部３ｂを合せたトータルの溶接距離も短くなり、溶接作業を容易化、効率化、ひいてはシース熱電対への熱の悪影響や熱によるパッドの撓み、これによる密着性の低下、温度測定の応答性への悪影響を防止することができるのである。特に三角形状は側端部３ｂ、３ｂのみの２辺の溶接で終了するので効率がよい。

本例では平面視三角形状としたが、本発明はこれに限定されず、先端ほど先細な形状であれば先端部及びトータルの溶接距離が短くなり、同様の作用効果を奏する。例えば、図２（ａ）に示すように側端部３ｂ、３ｂを短くして半円形状の先端部３ａで繋いだ形状である砲弾形状としたものや、図２（ｂ）に示すように短い先端部３ａを設けた台形形状など種々の形態が可能である。これら図２の例によれば、図１のものに比べて溶接距離は延びるが、側端部３ｂとシースとの距離が大きく維持されるので、シースへの熱の影響を回避することができる。

次に、図３に基づき、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態の温度測定用熱電対１Ａは、パッド３の基端側の端部（基端部３ｃ）のシース熱電対２の延出位置、本例では凹溝３１の開口部を挟む左右所定の位置に切り込み溝３２，３２が形成されている。この切り込み溝３２は、溶接されないパッド基端部３ｃ側が溶接の熱により撓んでしまうその撓みを吸収し、下面側の当接面３０の測温対象面９との密着性の低下を未然に防止するために設けられている。その他の構成、変形例等については上記第１実施形態と同様であるので、同一構造には同一符号を付し、それらの説明は省略する。

次に、図４及び図５に基づき、本発明の第３実施形態を説明する。

本実施形態の温度測定用熱電対１Ｂは、第１、第２実施形態のようにシース先端側がパッド３に溶接固定されるものではなく、着脱可能に固定されるものである。より詳しくは、図４、図５に示すように、パッド３にシース熱電対２の先端側感温部２０を受け入れる挿着溝５を形成し、且つ該挿着溝５のシース熱電対を受け入れる基端部３ｃの口部５０の外側に、シース熱電対２を着脱可能に把持する把持部６を設けたものである。

シース熱電対２は、図４に示すように、挿着溝５に感温部２０が挿着され、且つ把持部６によって口部外側に出ている部位を把持された状態に取り付けられる。このようにシース熱電対２をパッド３に対して着脱可能に固定する構造とすれば、パッド３のみ先に測温対象面９に固定しておき、後から該パッド３にシース熱電対２を取り付けることができ、また、交換の際には、パッド３が測温対象面９に固定された状態のままシース熱電対２のみを取り外し、新たなものに交換することが可能となる。

挿着溝５の内壁面は、シース熱電対２の感温部２０のシース外周面に当接する寸法に設定されている。これにより測温対象面９からパッド本体３に伝わった熱を感温部２０に滞りなく伝えることができ、応答性を高めることができる。

把持部６は、図５にも示すように、パッド３の口部５０から同軸状に突設され、軸方向途中部の側壁に貫通溝６０ａを有する筒状体６０と、筒状体６０の外周部に設けられ、該貫通溝６０ａから筒状体内に突出する挟持片６１ａにより筒状体内に挿入されたシース熱電対２のシース外周面を押圧し、これによりシース熱電対２を筒状体６０内に挟持する挟持部材６１とより構成されている。このように挟持部材６１を設けるのではなく、カシメ加工でシース外周面を圧着したものでもよい。

挟持部材６１は、挟持片６１ａの弾性復元力によりシース熱電対２のシース外周面を押圧するばね材より構成されている。本例では一対の貫通溝６０ａを筒状体６０の軸を挟んで１８０度対向する位置に設けるとともに、挟持部材６１として一対の挟持片６１ａ，６１ａを有する略コ字状のステンレス製挟持金具を用意し、これを筒状体６０の側方から貫通溝６０ａを有する外周部を挟み込むように装着することで、両挟持片６１ａが各々対応する貫通溝６０ａに嵌まり込み、筒状体６０内部のシース熱電対２のシース外周面を押圧することになる。

シース外周面の挟持片６１ａに押圧される軸方向位置には、挟持片６１ａが軸方向に掛止される図示しない段差部が設けられている。段差部は、軸方向に所定長さの範囲、具体的には貫通溝６０ａと同じ範囲だけシース外径を縮径させた全周にわたる凹溝よりなり、シース熱電対２を所定の位置まで挿入できていることの確認になる位置決め用の溝としても機能する。

その他の構成・変形例など、特に平面視形状などについては、上記した第１実施形態、第２実施形態と基本的には同じであり、同一構造には同一符号を付し、それらの説明は省略する。

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。

次に、本発明に係る温度測定用熱電対のサンプルである実施例１、２、従来の温度測定用熱電対のサンプルである比較例１、２について、パッドに熱を与えたときに熱電対の応答時間を測定した結果について説明する。

（実施例１）
実施例１は、基本的に上記第２実施形態の構造、すなわち図３で示した構造である。パッドは縦幅（軸方向の長さ）２４ｍｍ、基端部の横幅２０ｍｍ、先端のＲが１ｍｍ、厚み４ｍｍの平面視二等辺三角形状の平板状ＳＵＳ３０４ステンレス製とし、基端部の左右角部からそれぞれ５ｍｍの位置に、幅１ｍｍ深さ５ｍｍの切り込み溝が上下貫通して形成した。シース先端側を受け入れる凹溝は深さ（軸方向長さ）１５ｍｍとし、外径３．２ｍｍのシース熱電対の先端側に被せた補強用の金属管（ＳＵＳ３０４ステンレス製、外径４．５ｍｍ）が嵌まり込む横幅４．０ｍｍの溝とした。シース熱電対は、外径３．２ｍｍの山里産業株式会社製Ｅ型シース熱電対（シース材ＡＳＴＭ３１６Ｌ シングル（１対）型）を用い、先端の金属管をパットの凹溝の縁部に全周溶接した。

（実施例２）
実施例２は、パッドの厚みを５ｍｍ、凹溝の横幅を５．５ｍｍ、シース熱電対を、外径４．８ｍｍの山里産業株式会社製Ｅ型シース熱電対（シース材ＡＳＴＭ３１６Ｌシングル（１対）型）を用い、先端側の補強用の金属管の外径を６．０ｍｍとした点が実施例１と異なり、他は同じである。

（比較例１）
比較例１は、パッドが平面視矩形の従来型のサンプルであり、パッドは縦幅２５ｍｍ、横幅２０ｍｍ、厚み４ｍｍの平板形状ＳＵＳ３０４ステンレス製とし、切り込み溝はなく、シース先端側を受け入れる深さ１５ｍｍ、横幅４．０ｍｍの凹溝を基端部に開口して形成した。この凹溝は実施例１と同じである。シース熱電対及び先端側の金属管についても実施例１と同一である。

（比較例２）
比較例２は、比較例１と同様、従来型のサンプルであり、パッドは、縦幅２５ｍｍ、横幅２０ｍｍ、厚み５ｍｍの平板形状ＳＵＳ３０４ステンレス製とし、切り込み溝はなく、シース先端側を受け入れる深さ１５ｍｍ、横幅５．５ｍｍの凹溝を基端部に開口して形成した。この凹溝は実施例２と同じである。シース熱電対及び先端側の金属管についても実施例２と同一である。

（測定方法）
各サンプルについて、それぞれパッド部分を室温水中から沸騰水中に全没（浸漬長さ２００ｍｍ）させたときの熱電対出力の変化幅の６３．２%に達するまでの時間（応答時間）を測定した。結果を表１に示す。

表１から分かるように、本発明に係るサンプルは従来型のサンプルに比べて応答時間が短く、溶接距離や溶接作業時間の短縮、これによるシース熱電対への熱の悪影響やパッドの撓みを防止できる等の効果以外に、応答性がそもそも優れていることがわかる。

１，１Ａ，１Ｂ 温度測定用熱電対
２ シース熱電対
３ パッド
３ａ 先端部
３ｂ 側端部
３ｃ 基端部
５ 挿着溝
６ 把持部
９ 測温対象面
２０ 感温部
２１ 金属管
３０ 当接面
３１ 凹溝
３２ 切り込み溝溝
４１ 溶接部
５０ 口部
６０ 筒状体
６０ａ 貫通溝
６１ 挟持部材
６１ａ 挟持片
Ｄ 距離
Ｔ ボイラーチューブ

Claims (2)

1. シース熱電対の感温部となるシース先端側に固定され、測温対象面に下面側の当接面を当接した状態で溶接固定される板状のパッドを備える温度測定用熱電対であって、
   前記パッドの平面視形状を、前記固定されたシース熱電対が延び出ている基端側よりも対する先端側の方が左右の幅が狭くなる先細形状とし、
   且つ前記パッドの溶接されない基端部のシース熱電対の延出位置を挟む左右所定の位置に、切り込み溝を形成してなることを特徴とする温度測定用熱電対。
2. シース熱電対の感温部となるシース先端側に固定され、測温対象面に下面側の当接面を当接した状態で溶接固定される板状のパッドを備える温度測定用熱電対を、測温対象面に取り付けてなる、温度測定用熱電対の取り付け構造であって、
   前記パッドの平面視形状を、前記固定されたシース熱電対が延び出ている基端側よりも対する先端側の方が左右の幅が狭くなる先細形状とし、且つ前記パッドの溶接されない基端部のシース熱電対の延出位置を挟む左右所定の位置に、切り込み溝を形成してなり、
   前記測温対象面に対して、前記パッドの前記当接面が当接した状態で、前記パッドの両側端部及び先端部が測温対象面に溶接されていることを特徴とする温度測定用熱電対の取り付け構造。

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