JP6774213B2 - 熱電対装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、保護管を具備する熱電対装置に関する。

一般に、熱電対装置は温度センサーとして、産業分野において広く使用されている。熱電
対装置は温度を検出する熱電対素子を有し、その熱電対素子を保護するために、保護管を
具備しており、その保護管に絶縁物を充填して挿入されている。(例えば、特許文献１参
照。)

熱電対装置は、前記の通り温度を検出することから、温度の計測などの目的で使用されて
いる。そのため、温度が５００℃以上と高温になる熱処理炉や焼却炉などの用途でも広く
使用されている。

特に、近年では、家庭ごみや産業廃棄物などの焼却炉でも数多く使用されている。しかし
ながら、ごみや産業廃棄物の焼却炉は、主に８００℃以上の高温であり、かつ焼却時に発
生する硫化物系や塩化物系の生成物およびその蒸気により腐食性が強い雰囲気となってい
る。そのような過酷な条件で熱電対装置が使用されると、保護管が金属製の場合、その金
属保護管が腐食されてしまい、熱電対素子の機能を果たすことができなくなり、正確な温
度センサーの機能を果たさなくなり、交換の頻度が増加してしまうなどという不具合が生
じ易い。さらに、温度センサー機能が正常でも、焼却炉のメンテナンスなどで交換しよう
とする場合に、高温で金属保護管の高温クリープ強さが低下して、たわみによる曲りなど
の変形を起こし、最悪の場合、設備からの取り外しができなくなるという不具合も生じ易
い。

金属保護管の材質は使用温度、使用雰囲気により耐久性のあるものを選定し使用されてい
るが、温度が５００℃以上、特に、８００℃以上の高温で、かつ、腐食しやすい環境で使
用される場合において、単一材料では耐腐食性、強度（特に高温におけるクリープ強さ）
の両面を確保することは非常に困難である。

例えば、８００℃以上の場合の金属保護管の材料として、ステンレスなどを使用している
が、８００℃以上の高温では高温クリープ強さが低下（室温における引張強さが約４５０
ＭＰａに対して、８００℃において１００００時間で破断する強度が約５ＭＰａしかない
）してしまい、前記のように保護管にたわみによる曲りなどの変形が生じる場合がある。
たわみによる曲りなどの変形が生じてしまうと設備より取外しが困難となる場合がある。
設備のメンテナンス時において、熱電対装置として機能上の問題は無くても、保護管の曲
りにより取外しができないために保護管を切除し取り外した後、新品に置き換える場合が
あり、そのような無駄をなくすためにも、耐食性と高い高温クリープ強さ(耐クリープ性)
を兼ねそろえた金属保護管が望まれている。

セラミックス製の保護管、あるいは金属保護管の表面にセラミックス膜を形成したもの（
例えば、特許文献２参照）の使用も考えられる。しかしながら、そのような保護管は、耐
食性については金属保護管より優れているが、設備への挿入時の温度差による熱衝撃で保
護管にクラックや割れ、欠けなどの欠陥が生じ易く、実用においては使用が困難である。
また、セラミックスで保護管を形成すると金属保護管と比較して価格が大幅に高価となっ
てしまい、実用には適さない。

特許第２９７７３５１号公報 公開昭５８−５２５３３号公報

本発明の実施形態の目的は、高温で腐食性雰囲気でも腐食されにくく、高温でのたわみに
よる曲りなどの変形が少ない保護管を具備する熱電対装置を提供することである。

本発明の実施形態は、保護管と、この保護管内に絶縁物および少なくとも一対の熱電対素
子とを具備する熱電対装置であり、腐食性雰囲気で５００℃以上の温度にさらされた時に
、前記保護管が耐食性を有すると共に高い高温クリープ強さ（耐クリープ性）を有するこ
とを特徴とする熱電対装置である。

保護管付熱電装置の一例を示す。熱電対装置１はフランジ部（固定端）２で装置壁面（炉壁）３に固定されており、金属保護管４が熱影響部５に挿入される。高温で高温クリープ強さが弱いと１２の方向にたわみによる曲りなどの変形が生じ易くなる。 本発明の実施形態の一例として、図１と同様の構成の保護管付熱電対装置に本発明の実施形態を適用した場合のＡ−Ａ‘断面での金属保護管４の断面構成例を示す。金属保護管４は、セラミック絶縁管７で覆われた熱電対素子８とともに補強板６を具備している。（Ａ−Ａ’断面矢視） 従来の保護管の断面形状の一例として、図１と同様の構成の保護管付熱電対装置でのＡ−Ａ‘断面での断面形状例を示す。外径Ｄ９の円形状である。（Ａ−Ａ’断面矢視） 本発明の実施形態の別の一例として、図１と同様の構成の保護管付熱電対装置に本発明の実施形態を適用した場合のＡ−Ａ‘断面での断面形状例を示す。長径ａ１０と短径ｂ１１の比率がａ／ｂ＝１．３以上の楕円形状である。（Ａ−Ａ’断面矢視）

本発明の実施形態について、以下に詳細に説明する。

本発明の実施形態の一つは、前記熱電対装置において、前記保護管内に５００℃以上、好
ましくは８００℃以上の温度で高い高温クリープ強さ（耐クリープ性）を有する材料から
なる補強板が前記保護管の長さ方向に延在することを特徴とする熱電対装置である。保護
管形状としては、一般的に円筒状(丸パイプ)のものが使用されている。内部には、熱電対
素子の絶縁を目的とした絶縁管(絶縁碍子)とともに熱電対素子線が挿入されているが、保
護管のたわみによる曲りなどの変形に影響するような部材は設置されていなかった。保護
管のたわみによる曲りなどの変形が生じ易い方向の剛性を上げて高い高温クリープ強さを
得るために、図２に示すように、内部に板状の補強板を設置した。

前記の補強板の材質としては少なくとも金属保護管に使用している材質と同等以上の耐熱
性、強度を有するものを使用する。５００℃以上、好ましくは８００℃以上の温度で高い
高温クリープ強さ（耐クリープ性）を有する材料で形成されていることが好ましい。高温
クリープ強さとしては、８００℃において１００００時間で破断する強度（耐クリープ破
断強度）が、２０ＭＰａ以上である材料が好ましい。さらには、５０ＭＰａ以上である材
料がより好ましい。特に、８００℃以上の高温で使用する場合には、耐熱性および耐クリ
ープ破断強度の高い、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ系合金であるヘインズ
社HR-120（８１５℃において１００００時間で破断する強度が約５４ＭＰａ）、またはＮ
ｉ−Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金であるHR-160（７６０℃において１００００時間で破
断する強度が約５８ＭＰａ）を使用することがより好ましい。

前記熱電対装置において、前記保護管内の補強板の長さ方向に垂直な面の断面形状が長方
形または楕円形であり、前記の長方形または楕円形の長辺または長径がたわみによる曲り
などの変形が生じ易い方向１２に平行な方向であることが好ましい。

本発明の実施形態の別の例について説明する。前記の保護管形状としては、一般的に円筒
状(丸パイプ)のものが使用されている。前記熱電対装置において、本発明の実施形態の別
の例としては、前記保護管の断面形状が円筒形状に対して１．２倍以上の断面二次モーメ
ントを有する形状であることを特徴とする熱電対装置である。図４は、図３で示す円筒形
状で外径Ｄ９の保護管に対し、偏平加工を行い楕円形状とした例を示す。楕円形状を長径
ａ１０と短径ｂ１１の比率ａ／ｂ＝１．３以上とすることにより、梁の曲り（たわみ）に
反比例で影響する断面二次モーメントを円筒形状に対して楕円形状では１．２以上とする
ことができ、たわみによる曲りなどの変形を低減することが可能となる。上記の例では、
図３，４には肉厚ｔを記入していないが保護管の肉厚ｔは一定の場合であり、肉厚ｔを増
加することにより、より断面二次モーメントを増大させることが可能となり、より剛性を
向上させることによりたわみによる曲りなどの変形を低減させることが可能となる。尚、
本例では加工しやすい楕円状の形状としたが、長方形断面、三角形断面、台形断面、逆半
円断面などの断面形状としても同様の効果が期待できる。

前記熱電対装置において、前記保護管が腐食性雰囲気で５００℃以上、好ましくは８００
℃以上の温度にさらされた時に耐食性を有する材料で形成されている、または耐食性を有
する層が形成されていることを特徴とする熱電対装置である。前記の耐食性を有する層は
、高温クリープ強さが高い（耐クリープ性）基材に、溶射法、コールドスプレー法、衝撃
焼結法などの成膜法により形成することが好ましい。または、高温クリープ強さが高い（
耐クリープ性）基材と耐食性を有する金属とを接合したいわゆるクラッド材を使用しても
よい。

前記熱電対装置において、前記の腐食性雰囲気で５００℃以上、好ましくは８００℃以上
の温度にさらされた時に、耐食性を有する材料または層がＦｅ−Ｃｒ−Ｎ系合金であるこ
とを特徴とする熱電対装置である。前記の耐食性を有する材料または層の材質としては、
耐酸化性に優れ、ＳやＣｌを含む高温ガスやバナジウム（Ｖ）アタックに対しても優れて
いる高Ｃｒフェライト系ステンレスSUH446などが好ましい。

前記熱電対装置において、前記の保護管の長さが５００ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明の実施形態によれば、高温で腐食性雰囲気でも腐食されにくく、高温クリープ強さ
が高くて高温でのたわみによる曲りなどの変形が少ない、耐久性に優れた保護管を具備す
る熱電対装置を提供することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示し
たものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、
その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範
囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含ま
れる。

１．熱電対装置
２．フランジ部（固定端）
３．装置壁面（炉壁）
４．金属保護管
５．熱影響部
６．補強板
７．セラミック絶縁管
８．熱電対素子
９．外径Ｄ
１０．長径ａ
１１．短径ｂ
１２．たわみによる曲りなどの変形が生じ易い方向

Claims (6)

1. 保護管と、この保護管内に絶縁物および少なくとも一対の熱電対素子とを具備する熱電対装置であり、腐食性雰囲気で５００℃以上の温度にさらされた時に、前記保護管が耐食性を有すると共に、８００℃において１００００時間で破断する強度が２０ＭＰａ以上である耐クリープ性を有し、
   前記保護管内に８００℃において１００００時間で破断する強度が２０ＭＰａ以上である耐クリープ性を有する材料からなる補強板が前記保護管の長さ方向に延在することを特徴とする熱電対装置。
2. 前記熱電対装置において、前記保護管内の補強板の長さ方向に垂直な面の断面形状が長方形または楕円形であり、前記の長方形または楕円系の長辺または長径がたわみが生じやすい方向に平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の熱電対装置。
3. 前記熱電対装置において、前記保護管の断面形状が円に対して１．２倍以上の断面２次モーメントを有する形状であることを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１項に記載の熱電対装置。
4. 前記熱電対装置において、前記保護管の断面形状が長径／短径＝１．３以上の楕円形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱電対装置。
5. 前記熱電対装置において、前記耐クリープ性を有する材料がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ系合金またはＮｉ−Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱電対装置。
6. 前記熱電対装置において、前記の保護管の長さが５００ｍｍ以上であることを特徴とする
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱電対装置。

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