JP6934252B2 - 極低温用温度センサー - Google Patents

Description

本発明は、極低温下で使用される温度センサーに関するものである。

近年、超伝導や水素エネルギーなどの次世代技術の発展により極低温の温度測定ニーズが増加しつつある。一般に物質が超伝導となる温度は極めて低く（例えばＨｇは４．２Ｋ（＝−２６９℃）、Ｐｂは７．２Ｋ（＝−２６６℃））、超伝導現象の研究や実用にはこのような極低温での温度測定が不可欠である。

また、水素エネルギーの利活用においては燃料となる水素の運搬には気体よりも大量に輸送が可能な液体水素での運搬が検討されているが、水素の液化温度は２０Ｋ（＝−２５３℃）であり液体水素の供給においてはこのような極低温における温度管理が要求されることになる。

現状でも様々な種類の温度センサーが極低温用温度センサーとして流通している。しかしながら、いずれの温度センサーも精度や価格、供給力等の面で課題を抱えている。現状の温度センサーは何れも前述した課題を技術的に解決しているとは言い難く、極低温用温度センサーは未だ発展途上の分野であると言える。超伝導や水素エネルギーの利活用などの次世代技術の発展とともに、より高性能でより高付加価値な極低温用温度センサーが求められている。

従来から使用されている一般的な温度センサーは、一端が封止され他端側に開口を有する金属製枠体に感温素子を収容し枠体内部に無機絶縁粉末を充填した構造（特許文献１）や、絶縁粉末の代わりにエポキシ樹脂を充填した構造（特許文献２）などが知られている。また、標準用の測温抵抗体として、ガラス製枠体にコイル状の感温素線を収容し、枠体内部にヘリウムガスなどの希ガスを充填して末端を封止した構造（特許文献３）などが知られている。

特開２０１５−２１９１０２号公報 特開２０１８−９１６４２号公報 特開２０１７−２２７６０１号公報

前述した従来技術によって、−１９６℃を下回るような極低温を測定する場合、測定精度や安定性、耐振動、耐衝撃といった信頼性の面で課題がある。以下、各従来技術について具体的に説明する。

枠体内部に無機絶縁粉末を充填した構造のものは、枠体内部の無機絶縁粉末の隙間に空気が存在し、周囲環境と感温素子の間の伝熱媒体として熱を移動させる役割を果たしている。しかしながら、−１９６℃（窒素の沸点）を下回る温度範囲では、空気が液化し、更に低温になると固化してしまうため、枠体内部はほぼ真空中に絶縁粉末が存在している状態になる。こうなると、感温素子と周囲環境における熱の移動が無機絶縁粉末のみで行われることとなり、感温素子と周囲環境の間の熱伝導率が極端に低下する。温度を測定する際には温度センサーに測定電流を流す必要があり、それにより感温素子からジュール熱が発生するが、感温素子と周囲環境の間の熱伝導率が低いと感温素子から発生したジュール熱が外部に適切に排出されず温度センサー内部に熱がこもってしまい、大きな温度測定誤差を生じてしまう問題が生じる。

また、枠体内部にエポキシ樹脂を充填したものは、周囲温度を常温（２５℃）から極低温（−２６９℃）へと移行させる時に３００℃近くの大きな温度変化が生じるが、この時に感温素子とエポキシ樹脂の熱膨張係数の違いにより感温素子に熱応力が加わり感温素子の抵抗値が変化する。測温抵抗体は抵抗値を温度に換算することで温度を測定しているため、抵抗値が変化してしまうと温度測定誤差の要因となる。一般に、感温素子の抵抗値変化が大きいことを安定性が悪いといい、抵抗値変化が小さいことを安定性が良いという。

その他、枠体にヘリウムガスなどの希ガスを封入したものは、前述した空気の液化による熱伝導の低下もなく、感温素子の周囲はヘリウムガスで満たされているのみなので温度変化の際に熱応力を受けることもなく温度測定誤差は非常に小さいという長所がある。その一方で、コイル状の感温素線は中空容器内の空間に物理的に固定されていない状態（ストレインフリー）で保持されているという構造上、振動や衝撃に極端に弱く慎重な取り扱いが必要になる。また、非常に高価であるために標準用としては使用出来ても一般工業向けとしては使用できないという問題がある。

本発明は、このような事情に対処することを課題としている。すなわち、極低温を測定する際にも熱伝導が良く、常温と極低温の間の大きな温度変化に対して良好な安定性を得ることができ、且つ安価で耐振動性や耐衝撃性を有することで一般工業向けの温度センサーとして使用することができる極低温用温度センサーを提供すること、などが本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明による極低温用温度センサーは、以下の構成を具備するものである。

一端側が封止され他端側に開口を有する中空状の保護管と、前記保護管内に配置される感温素子と、前記感温素子に接続され前記開口から前記保護管の外に引き出されるリード線とを備え、前記保護管内に、常温（２５℃）から極低温（−２６９℃）までの温度範囲で柔軟性を有し且つ極低温でもひび割れなどが発生せず安定であり且つ電気的絶縁性を有する炭化水素系の高真空グリースを充填していることを特徴とする極低温用温度センサー。

このような特徴を有する本発明の極低温用温度センサーは、感温素子が配置される保護管の内部に極低温（−２６９℃）で柔軟性を有し且つ極低温でもひび割れなどが発生せず安定であり且つ電気的絶縁性を有する炭化水素系の高真空グリース材が充填されていることで、測定対象温度である極低温（−２６９℃）でも熱伝導が良いため温度測定誤差が小さく、極低温（−２６９℃）から常温（２５℃）の間の温度変化に対して感温素子に熱応力が掛かりにくいため安定性が良く、且つ耐振動性と耐衝撃性を有する安価な極低温用の温度センサーを提供することができる。

本発明の実施形態に係る極低温用温度センサーの一構成例を示した説明図（部分断面図）である。 表１をグラフにした説明図である。 実施例と比較例における試験方法を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１に示すように、極低温用温度センサー１は、保護管２と、保護管２内に配置される感温素子３と、感温素子３に接続され保護管２の開口２Ａから外に引き出されるリード線４を備えており、保護管２内には充填材５が充填され、保護管２の開口２Ａは、接着剤６で封止されている。

保護管２は、熱伝導性が高く、低温においても優れた強度を有するオーステナイト系ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）の金属管などで構成することができる。保護管２の形態は、図示の例では、一端が封止され他端側に開口２Ａを有する中空状に構成されている。

感温素子３は、絶縁基板上に金属抵抗回路を配置した薄膜型測温抵抗体素子や、ガラス棒に金属素線をコイル状に巻き付けその上からガラスをコーティングした巻線型測温抵抗体素子などを採用することができる。感温素子３には、両端にそれぞれリード線４の一端が接続されており、リード線４は、他端側が開口２Ａから保護管２の外に引き出されている。

充填材５は、極低温（−２６９℃）で熱伝導率が高く柔軟性（チクソトロピー性）を有し且つ極低温でひび割れなどが発生せず安定で且つ電気的絶縁性を有する炭化水素系の高真空グリースを用い、これを保護管２内で感温素子３とリード線４を保持するように充填している。充填材５は、具体例として、「Ａｐｉｅｚｏｎ（登録商標：M & I Materials Limited）グリース Ｎ」（融点４３℃，使用温度範囲−２７３〜＋３０℃，推定蒸気圧20℃で10⁻⁸ 〜10⁻⁹ mm Hg）を用いることができる。充填材５が充填された保護管２の開口２Ａを封止する接着材６は、エポキシ系接着剤（例えば、低温用接着剤として一般に用いられる「スタイキャスト」（登録商標：Henkel）など）を用いることが好ましい。

このような充填材５が充填された極低温用温度センサー１は、充填材５が極低温（−２６９℃）から常温（２５℃）の範囲で熱サイクルを加えてもひび割れなどを生じることなく保護管２内部の隙間をしっかり埋めるために熱伝導が良く温度測定誤差は小さい。また、上記のような広い温度範囲で柔軟性を有するので感温素子に熱応力が加わりにくく、感温素子の抵抗値変化が少ないため温度測定誤差は小さい。さらに、広い温度範囲で柔軟性を有し感温素子を保護するので耐衝撃性や耐振動性などの機械的強度を有する。

なお、極低温用温度センサー１における感温素子３として薄膜型測温抵抗体を用いた場合には、その抵抗回路を構成する金属は温度に対する抵抗値変化が大きく、化学的に安定であり耐食性に優れ経年変化が少ない白金であることが好ましい。また、薄膜型測温抵抗体の０℃における抵抗値は、１０００Ω〜１００００Ωであることが好ましい。抵抗値が大きいほど温度に対する抵抗値変化が大きい（高感度である）ため精密な温度測定に有利に働くという面をもつが、一方で抵抗値が大きいと発熱量も大きくなるため精密な温度測定に不利に働くという面もあり、本発明の極低温用温度センサーにおいては上記の抵抗値範囲が最もバランスが良いためである。

［実施例と比較例］
以下に、本発明の極低温用温度センサー１の実施例において、極低温における測定温度誤差と、温度変化に対する安定性を評価した試験結果を示す。ここで前述した充填材５を用いた極低温用温度センサーを実施例とし、充填材５の換わりに無機絶縁粉末（酸化マグネシウム）を充填したものを比較例１、極低温においてひび割れなど発生せず安定であり熱膨張係数が小さいエポキシ樹脂を充填したものを比較例２、常温用グリース（「Ａｐｉｅｚｏｎ（登録商標：M & I Materials Limited）グリース Ｍ」を充填した例を比較例３とする。なお、実施例、比較例１〜３の感温素子はいずれも薄膜型測温抵抗体素子を用い、サンプル数は３とした。

［試験方法と結果］
＜極低温における温度測定誤差＞
一般的に温度を測定する際は、温度センサーに定電流を流しその両端の電圧降下を測定する電圧降下法を用いて抵抗値を測定して温度に換算されるが、温度センサーに電流を流すという手法上、感温素子からは電流の大きさに応じたジュール熱が発生し、測定電流が大きいほど真の温度からプラス側に誤差が生じる。この時、温度センサーの熱伝導率が高ければ発生したジュール熱は適切に外部に排出され、温度測定誤差は小さくなる。しかし、温度センサーの熱伝導率が低ければ発生したジュール熱は適切に外部に排出されず温度センサー内部に籠もり、大きな温度測定誤差が生じる。極低温においても高い熱伝導率を有し、温度測定誤差が小さいほど温度センサーとして優秀であると言える。また、熱伝導率が高いことは測定対象の温度変化に対する追従性も良く、温度測定の応答速度が早いという副次的な効果もある。

前述した実施例と比較例１〜３に対して、極低温（−２６９℃）における温度測定時の温度測定誤差を評価した。抵抗値の測定は前述の電圧降下法で行い、導線接続は精密測定が可能な４導線式とした。測定電流を標準的な０．５ｍＡと１ｍＡとした場合の抵抗値を測定し、その値から測定電流が０ｍＡの時の抵抗値（温度測定誤差を補正した値）を算出し、測定電流が０ｍＡの時の抵抗値を基準に測定電流が０．５ｍＡ、１ｍＡの時の温度測定誤差を算出した。

測定結果を表１に示す。また、表１に記載する実施例、比較例１〜３の温度測定誤差の平均値をグラフにしたものを図２に示す。

上記の表１から明らかなように、実施例は比較例１〜３に対して、温度測定誤差が小さい。実施例は、保護管２内部の充填材５が極低温においてもひび割れなどを生じることなく保護管２内部の隙間をしっかり埋めているために熱伝導が良いことを示している。

絶縁粉末を充填している比較例１は、前述のように絶縁粉末の隙間の空気が液化、固化することにより真空状態となるため、極低温では熱伝導が極端に低くなる。そのため、測定温度誤差が非常に大きい。エポキシ樹脂を充填している比較例２は、実施例同様に保護管２内部の充填材５が極低温においてもひび割れなどを生じることなく保護管２内部の隙間をしっかり埋めているために熱伝導が良いことを示している。実施例よりも温度測定誤差がやや大きく、充填材自体の極低温における熱伝導率が実施例で充填したものよりも若干低いものと予想される。常温用グリースを充填している比較例３は、極低温においては微小なひび割れを生じ熱伝導率が低くなるため、温度測定誤差が大きい。また、ひび割れの多少によりサンプル間の個体差が大きい。

＜温度変化に対する安定性＞
極低温用温度センサーは、例えばクライオスタットの温度管理に使用される場合、運転時には極低温に晒され、運転停止時には常温付近に戻るというような使い方をされる。そのため、極低温用温度センサーは常温（２５℃）から極低温（−２６９℃）という３００℃に近い大きな温度変化に繰り返し晒されることになる。この時、感温素子は充填材との熱膨張係数の違いによる熱応力を受けるなどして抵抗値が変化してしまう場合があり、この抵抗値の変化は温度測定誤差の要因となる。つまり、大きな温度変化に晒されても感温素子の抵抗値の変化が小さい（安定している）ほど、温度センサーとしてより優秀であると言える。

前述した実施例と比較例１〜３に対して、図３に示すような熱サイクル（時系列的な温度変化）を与え、各測定時点（測定１、測定２、測定３、測定４）での抵抗値の変化量を求めた。抵抗値の測定は前述の電圧降下法で行い、導線接続は精密測定が可能な４導線式とした。測定電流を標準的な０．５ｍＡと１ｍＡとした場合の抵抗値を測定し、その値から測定電流が０ｍＡの時の抵抗値（温度測定誤差を補正した値）を算出し、測定電流が０ｍＡの時の抵抗値の変化量を温度に換算して算出した。

測定結果を表２に示す。

上記の表２から明らかなように、実施例は比較例１〜３に対して、抵抗値変化量が小さい。保護管２内部の充填材５が常温から極低温までの温度範囲で柔軟性を有するので、感温素子に熱応力が掛かりにくいことを示している。

絶縁粉末を充填している比較例１は、絶縁粉末と感温素子の熱膨張係数が近いため抵抗値変化量は小さい部類ではあるが、実施例よりは抵抗値変化量は大きい。エポキシ樹脂を充填している比較例２は、エポキシ樹脂と感温素子の熱膨張係数が大きく異なるため抵抗値変化量が大きい（特に測定3-測定1）。常温用グリースを充填している比較例３は、常温から極低温までの温度範囲で柔軟性を有するため、抵抗値変化量が小さい。

［試験結果の評価］
以上の２つの試験結果において、実施例は極低温における測定温度誤差と温度変化に対する安定性ともに比較例１〜比較例３よりも優れた特性を有していることが示された。

具体的には、実施例は極低温でもひび割れなど発生することのなく安定であり常温から極低温までの温度範囲で柔軟性を有する極低温用グリースを充填しているため、極低温においても熱伝導が良いため温度測定誤差が小さく（極低温における温度測定誤差の評価結果）、常温から極低温までの温度範囲において極低温用グリースは柔軟性を有するため感温素子は熱応力を受けにくく抵抗値の変化量が小さく安定している（温度変化に対する安定性の評価結果）。

比較例１は感温素子と熱膨張係数が同程度の絶縁粉末を充填していることにより、大きな温度変化に晒されたときに感温素子は熱応力を受けにくく感温素子の抵抗値変化が小さく安定している（温度変化に対する安定性の評価結果）。一方で、極低温における温度測定の際は、−１９６℃（窒素の沸点）を下回る温度に温度センサーを晒すと絶縁粉末の隙間の空気が液化・固化するため枠内内部が真空状態になり、熱伝導が極端に低下するために極低温における温度測定誤差が大きい（極低温における温度測定誤差の評価結果）。

比較例２は極低温においても割れなどが発生せず安定しているエポキシ樹脂を充填していることにより、極低温においても熱伝導率の低下が発生せず温度測定誤差が比較的小さい（極低温における温度測定誤差の評価結果）。一方で、比較例２に充填しているエポキシ樹脂は熱膨張係数の比較的小さい物を選定しているがそれでも感温素子とは熱膨張係数に大きな違いがあり、実施例や他の比較例よりも大きな熱応力を受けるため抵抗値の変化量が大きい（温度変化に対する安定性の評価結果）。

比較例３は常温から極低温までの温度範囲において柔軟性を有する常温用グリースを充填しているので、感温素子は熱応力を受けにくく抵抗値の変化量が小さく安定している（温度変化に対する安定性の評価結果）。一方で、極低温においてはグリースに微細なひび割れが発生するため、熱伝導率が低下し温度測定誤差が大きくなる。また、ひび割れ具合のバラつきにより熱伝導率の低下も異なるため、温度測定誤差の個体差も大きい。

以上説明したように、本発明の極低温用温度センサーは、極低温においても温度測定誤差が小さく、測定対象温度である極低温（−２６９℃）から常温（２５℃）の間の温度変化に対して安定性を有する。また、本発明の極低温用温度センサーは、保護管内の感温素子３が充填材５で保持されていることで、耐振動性と耐衝撃性を有している。

１：極低温用温度センサー，２：保護管，２Ａ：開口，
３：感温素子，４：リード線，５：充填材，６：接着剤

Claims (5)

1. 一端側が封止され他端側に開口を有する中空状の保護管と、前記保護管内に配置される感温素子と、前記感温素子に接続され前記開口から前記保護管の外に引き出されるリード線とを備え、前記保護管内に、−２６９℃（４Ｋ）で柔軟性を有し且つ電気的絶縁性を有する炭化水素系の高真空グリースを充填していることを特徴とする極低温用温度センサー。
2. 前記開口をエポキシ系接着剤で封止することを特徴とする請求項１記載の極低温用温度センサー。
3. 前記感温素子が薄膜型測温抵抗体であることを特徴とする請求項１又は２記載の極低温用温度センサー。
4. 前記薄膜型測温抵抗体の抵抗回路を構成する金属が白金であることを特徴とする請求項３記載の極低温用温度センサー。
5. 前記薄膜型測温抵抗体の０℃における抵抗値が１０００Ω〜１００００Ωであることを特徴とする請求項４記載の極低温用温度センサー。

Images