JP6952972B2

JP6952972B2 - ニッケルシース熱電対

Info

Publication number: JP6952972B2
Application number: JP2016252221A
Authority: JP
Inventors: 三浦　邦明; 邦明三浦; 理小瀧; 忍岡田; 孝和久保木
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018107286A

Description

本発明は、高純度ニッケルシースの白金ロジウム熱電対に関する。

熱電対は、二種類の金属線の先端を接合して回路を作り、二つの接点に温度差を与えると起電力が発生するゼーベック効果を利用した温度測定手段である。熱電対は、寿命の長さ、耐熱性、機械的強度などに利点があり、鋳造装置の溶解保持炉などの温度センサーとして広く用いられている。熱電対には複数の種類があり、例えば、Ｒ型熱電対の場合、ロジウムを１３％含む白金ロジウム合金（＋脚）と白金（−脚）により構成され、０〜１４００℃の範囲で使用される。特許文献１に記載されているように、Ｎ型熱電対又はＲ型熱電対を用いた温度測定用センサーの発明も開示されている。

シース熱電対は、金属シース内に熱電対素線が絶縁物（マグネシア粉末）によりエアギャップなく封入されたものであり、高絶縁性と高耐圧性を有する。シース材としては、ステンレス鋼やニッケル（Ｎｉ）合金などが用いられるが、シース材にクロム（Ｃｒ）やマンガン（Ｍｎ）が含まれていると、高温時にドリフトを引き起こし、熱電対の起電力を変化させてしまうおそれがある。特許文献２に記載されているように、外部シースからクロムやマンガンの拡散を防止するために１０ｗｔ％未満のクロムを含むニッケルベースの内部シースを備えた熱電対装置の発明も開示されている。

特許第４６９８７９１号公報特表２０１３−５２７６００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、クロムが１０％以上でニッケルが０．６％以下のフェライト鋼をシース材としたＮ型熱電対やＲ型熱電対を使用しているが、Ｎ型熱電対の場合、１００時間を超える長時間で使用するにはシース材にクロムを１８％以上含まないと直ぐにボロボロになって使い物にならない。また、Ｒ型熱電対の場合、シース材にクロムが入っていると８００℃以上になると熱電対の熱起電力がドリフトしてしまい使用に耐えられない。

特許文献２に記載の発明では、シース材に含まれるクロムやマンガンがドリフトをもたらすので、二重シースにして内側のシース材のみ高純度ニッケルを用いてドリフト時間を遅らせているが、１０００℃になると接触している金属間では直ぐに外側のシース材のクロムが拡散して数時間で内側のシース材に到達してしまう。なお、高純度ニッケルでも炭素（Ｃ）が０．０２％以上あると、３１５℃以上で高温脆化してシース割れを起こしてしまう。

そこで、本発明は、高温でもドリフトを起こさずシース割れも生じない高純度ニッケルシースの白金ロジウム熱電対を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明であるニッケルシース熱電対は、熱電対素線として白金ロジウム合金と白金又は白金ロジウム合金とを使用し、前記熱電対素線を金属シース内に封入した熱電対であって、前記金属シースは、高純度ニッケルを用いた一重シースであり、クロムが含まれず、マンガンの含有量が０．００３％以下、炭素の含有量が０．０２％以下である、ことを特徴とする。

前記金属シースは、マンガンが含まれない、ことを特徴とする。

前記金属シースは、炭素の含有量が０．０１％以下である、ことを特徴とする。

前記熱電対素線は、ロジウムを１３％含む白金ロジウム合金と白金とが使用される、ことを特徴とする。

本発明によれば、高温でもドリフトを起こさずシース割れも生じない高純度ニッケルシースの白金ロジウム熱電対を提供することができる。

本発明であるニッケルシース熱電対の構造を示す図である。本発明であるニッケルシース熱電対で使用するシース型熱電対の種類を示す図である。本発明であるニッケルシース熱電対で使用する高純度ニッケルシースの化学組成の例を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明であるニッケルシース熱電対について説明する。図１は、ニッケルシース熱電対の構造を示す図であり、（ａ）は横断面図であり、（ｂ）は縦断面図である。図２は、ニッケルシース熱電対で使用するシース型熱電対の種類を示す図である。図３は、ニッケルシース熱電対で使用する高純度ニッケルシースの化学組成の例を示す図である。

ニッケルシース熱電対１００は、シース型熱電対のうち、熱電対素線２００、２１０として白金ロジウム合金と白金又は白金ロジウム合金とを使用し、金属シース３００として高純度ニッケルを用いたものである。

図１に示すように、シース型熱電対において、＋脚を白金ロジウム合金の熱電対素線２００とし、−脚を白金又は白金ロジウム合金の熱電対素線２１０として、絶縁物４００を介して金属シース３００内に封入したＭＩ（無機絶縁）ケーブルタイプにすれば良い。なお、絶縁物４００としては、マグネシア（ＭｇＯ）粉末などを用いる。

図２に示すように、シース型熱電対には複数の種類があるが、例えば、約１０００℃で使用する場合に、＋脚の熱電対素線２００がロジウムを１３％含む白金ロジウム合金であり、−脚の熱電対素線２１０が白金であるＲ型熱電対を使用するとする。Ｒ型熱電対は、酸化雰囲気には強いが、還元性雰囲気、水素、金属蒸気には弱く、また、安定性は良いが熱起電力は小さいといった特徴がある。なお、短時間であればＮ型熱電対を使用することも考えられるが、１００時間を超えて長時間で使用するにはクロムを１８％以上含んでいないとすぐにボロボロになって使い物にならない。

また、金属シース３００としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などのようにクロムが含まれているとドリフトを起こすので約１０００℃での使用には適さない。例えば、シース型熱電対を約６００℃で約６時間使用すると、クロムはＳＵＳ表面に移動する。Ｒ型熱電対を使用する場合、コンタミネーションに弱いことから、金属シース３００として白金を用いることも考えられるが、コストが高くなるため、高純度ニッケルを用いるのが良い。

図３に示すように、高純度ニッケルは、ニッケルが９９％以上（９９．５％以上が好ましく、９９．９％以上がより好ましい）であり、ニッケル以外の物質も含まれている。ここで、蒸気圧が高いマンガン、銅、クロムなどは、熱電対の熱起電力に大きく影響を及ぼす。ただし、抵抗の低い銅については、熱起電力にあまり影響がない。そのため、蒸気圧が高く、抵抗の高いマンガンとクロムの含有量をできるだけ少なくする。

図３に示す高純度ニッケル（ニッケル２００、ニッケル２１０、ニッケル２７０）にクロムは含まれていないが、マンガンは含まれている（ニッケル２００、２１０で０．３５％以下、ニッケル２７０で０．０３％以下）ので、マンガンの含有量は０．００３％以下とし、好ましくは０．００１５％以下、より好ましくは含まれないものとする。

なお、クロムを含む外シースと高純度ニッケルの内シースの二重シースも考えられるが、約１０００℃になると接触している金属間ですぐに外シースのクロムが拡散して、数時間遅れで内シースに到達するので、クロムの影響を出さないためには高純度ニッケルの一重シースとすれば良い。

また、炭素が０．０２％以上含まれている（ニッケル２００で０．１５％以下、ニッケル２１０、２７０で０．０２％以下）と、３１５〜７６０℃の高温で脆化し、シース割れを起こすおそれがある。そのため、炭素の含有量は０．０２％以下とし、好ましくは０．０１％以下、より好ましくは０．００５％以下とする。なお、二重シースでも一旦割れが入ると二重にした効果が無くなるので、この点からも一重シースが好ましい。

シース型熱電対の寸法としては、例えば、シース外径φを１．０ｍｍとしたとき、熱電対素線径を０．１５ｍｍ、シース肉厚を０．１ｍｍなどとすれば良い。なお、高純度ニッケルシースを用いて約１０００℃においてシース型熱電対を使用したとき、大気中で酸化して生じる酸化ニッケル（ＮｉＯ）の厚さは、約１５日間でも約０．００７ｍｍに過ぎない。

このように、高温でもドリフトを起こさずシース割れも生じない高純度ニッケルシースの白金ロジウム熱電対を提供することができる。特に、１０００℃でも長時間ドリフトを抑えたＲ型熱電対を提供することができる。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、Ｒ型熱電対以外の熱電対にも適用することができる。さらに、ＪＩＳ規格外の４０％ロジウム白金と２０％ロジウム白金の白金ロジウム系熱電対や白金パラジウム熱電対にも適用することができる。

１００：ニッケルシース熱電対
２００：熱電対素線
２１０：熱電対素線
３００：金属シース
４００：絶縁物

Claims

熱電対素線として白金ロジウム合金と白金又は白金ロジウム合金とを使用し、前記熱電対素線を金属シース内に封入した熱電対であって、
前記金属シースは、高純度ニッケルを用いた一重シースであり、クロムが含まれず、マンガンの含有量が０．００３％以下であり、
前記高純度ニッケルを用いた前記一重シースである前記金属シースの割れを防止するために、前記金属シースは炭素の含有量が０．０２％以下であり、
前記金属シースは、その外径が１ｍｍで、その肉厚が０．１ｍｍである、
ことを特徴とするニッケルシース熱電対。
前記高純度ニッケルを用いた前記一重シースである前記金属シースの割れを防止するために、前記金属シースは炭素の含有量が０．０１％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のニッケルシース熱電対。
前記高純度ニッケルを用いた前記一重シースである前記金属シースの割れを防止するために、前記金属シースは炭素の含有量が０．００５％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のニッケルシース熱電対。