JP7354057B2

JP7354057B2 - 熱電対取り付け構造および熱電対取り付け方法

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Publication number: JP7354057B2
Application number: JP2020093954A
Authority: JP
Inventors: 誠齋藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: JP2021189018A; US20210372857A1; US11982577B2

Description

本発明は、熱電対取り付け構造および熱電対取り付け方法に係り、例えば、金属間化合物の基材への熱電対の取り付けに好適に利用できるものである。

温度の計測に熱電対を用いる手法が知られている。熱電対は、摂氏数百度乃至摂氏数千度程度の高温を計測する温度センサとして優れている。温度計測の対象に熱電対を固定する手法として、対象の表面に箔をスポット溶接して熱電対を挟持する手法が知られている。

摂氏数百度程度の高温に耐える素材として、ＴｉＡｌ（チタン・アルミニウム合金）などの金属間化合物が知られている。ＴｉＡｌなどの金属間化合物は、強度が高く、かつ、軽量であるという優れた特徴を有している。

ＴｉＡｌなどの金属間化合物の温度を、熱電対を用いて計測するためには、熱電対をＴｉＡｌなどの金属間化合物に固定する必要がある。しかし、ＴｉＡｌなどの金属間化合物には、スポット溶接を行うとクラック（割れ）が発生するという課題がある。

上記に関連して、特許文献１（特許第３４５３３０２号）には、ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法に係る発明が開示されている。この接合方法は、中間材としてＴｉＡｌ合金と同等の熱膨張率を有する合金を使用し、かつ、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合面の一方の面に凸部を、他方の面に凹部を形成し、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合を前記凸部が形成された面と前記凹部が形成された面とを突き合わせた状態で摩擦溶接により行うことを特徴とする。

特許第３４５３３０２号公報

クラックの発生を抑制しながら、ＴｉＡｌなどの金属間化合物に熱電対を取り付ける構造およびその方法を提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

一実施の形態によれば、熱電対取り付け構造（１）は、基材（１１）と、基材（１１）の上に形成された被膜（２１、２２、２３）と、被膜（２１、２２、２３）の上に接合された箔（３１）とを具備し、熱電対（１２、１３）を基材（１１）および箔（３１）で挟持する。

一実施の形態によれば、熱電対取り付け方法は、基材（１１）の上に被膜（２１、２２、２３）を形成すること（Ｓ２）と、被膜（２１、２２、２３）の上に箔（３１）を溶接すること（Ｓ４、Ｓ５）とを具備し、溶接すること（Ｓ４、Ｓ５）は、熱電対（１２、１３）を基材（１１）および箔（３１）で挟持するように、熱電対（１２、１３）を配置すること（Ｓ４）を具備する。

前記一実施の形態によれば、基材および箔の間に溶射被膜を設けることで、金属間化合物で形成された基材のクラック発生を抑制することが出来る。

図１Ａは、一実施形態による熱電対取り付け構造の一構成例を示す平面図である。図１Ｂは、一実施形態による熱電対取り付け構造の一構成例を示す、図１Ａの断面線Ｂ－Ｂによる断面図である。図１Ｃは、図１Ｂの断面図のうち、領域Ｃの拡大図である。図１Ｄは、図１Ｃの拡大図のうち、溶射被膜の表面について説明する図である。図２は、一実施形態による熱電対取り付け方法の各工程の一例を示すフローチャートである。図３Ａは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第１ステップにおける熱電対取り付け構造の一構成例を示す断面図である。図３Ｂは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第２ステップにおける熱電対取り付け構造の一構成例を示す断面図である。図３Ｃは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第３ステップにおける熱電対取り付け構造の一構成例を示す断面図である。図３Ｄは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第４ステップにおける熱電対取り付け構造の一構成例を示す断面図である。

添付図面を参照して、本発明による熱電対取り付け構造および熱電対取り付け方法を実施するための形態を以下に説明する。

（実施形態）
図１Ａ～図１Ｄを参照して、一実施形態による熱電対取り付け構造１の一構成例について説明する。図１Ａは、一実施形態による熱電対取り付け構造の一構成例を示す平面図である。図１Ｂは、一実施形態による熱電対取り付け構造の一構成例を示す、図１Ａの断面線Ｂ－Ｂによる断面図である。図１Ｃは、図１Ｂの断面図のうち、領域Ｃの拡大図である。図１Ｄは、図１Ｃの拡大図のうち、溶射被膜の表面について説明する図である。

図１Ａおよび図１Ｂに示された熱電対取り付け構造１の構成要素について説明する。熱電対取り付け構造１は、基材１１と、溶射被膜２１、２２、２３と、箔３１とを備えている。箔３１の表面には、無数のスポット溶接跡３２がある。

図１Ａおよび図１Ｂに示された構成要素の位置関係および接続関係について説明する。溶射被膜２１、２２、２３は、基材１１の表面上に形成されている。溶射被膜２１および溶射被膜２２は、熱電対１２を配置するに十分な幅だけ離間している。熱電対１２は、基材１１の表面に沿って配置されており、かつ、溶射被膜２１および溶射被膜２２の間に配置されている。同様に、溶射被膜２２および溶射被膜２３は、熱電対１３を配置するに十分な幅だけ離間している。また、熱電対１３は、基材１１の表面に沿って配置されており、かつ、溶射被膜２２および溶射被膜２３の間に配置されている。

箔３１は、溶射被膜２１、２２、２３の、基材１１とは反対側の表面上に接合されている。この接合は、例えば、スポット溶接で実現されても良い。箔３１をスポット溶接で接合する場合は、溶射被膜２１、２２、２３のそれぞれについて、複数の場所で行うことが好ましい。図１Ａでは、スポット溶接が行われた場所をスポット溶接跡３２として示している。図１Ｃに示されるように、熱電対１２は、基材１１および箔３１の間に挟持されている。同様に、熱電対１３も、基材１１および箔３１の間に挟持されている。したがって、溶射被膜２１、２２、２３の厚さは、熱電対１２、１３の直径よりも小さいことが好ましい。

溶射被膜２１の、熱電対１２に接する表面の形状について説明する。図１Ｄに示されたとおり、溶射被膜２１の表面のうち、箔３１に接する部分を表面２１Ａと呼び、基材１１に接する部分を表面２１Ｂと呼び、熱電対１２に接する部分を表面２１Ｃと呼ぶ。ここで、表面２１Ｃは、熱電対１２の側面の形状に相補的な形状を有する曲面であることが好ましい。言い換えれば、熱電対１２のうち、溶射被膜２１に接する部分が、円柱の形状を有している場合は、溶射被膜２１の表面のうち、熱電対１２に接する部分である表面２１Ｃは、熱電対１２に外接する円筒の内側の側面の形状を有する曲面であることが好ましい。溶射被膜２２の表面のうち、熱電対１２に接する部分も、表面２１Ｃと同様の形状を有することで、熱電対１２を、溶射被膜２１、２２の間に、安定して配置することが可能となる。言い換えれば、熱電対１２の座りが良くなる。ただし、実際には、熱電対１２と、溶射被膜２１、２２との間には、適度な余裕があっても良い。言い換えれば、表面２１Ｃの曲率半径は、熱電対１２の半径よりも、適度に大きくても良い。

溶射被膜２２、２３の表面のうち、熱電対１３に接する部分についても、表面２１Ｃの場合と同様に、熱電対１３の側面に対して相補的な形状を有する曲面であることが好ましい。

図２を参照して、一実施形態による熱電対取り付け構造１の製造方法、すなわち、一実施形態による熱電対取り付け方法について説明する。図２は、一実施形態による熱電対取り付け方法の各工程の一例を示すフローチャートである。図２のフローチャートは、第０ステップＳ０～第６ステップＳ６の、合計７つの工程を備えている。図２のフローチャートは、第０ステップＳ０から開始する。第０ステップＳ０の次には、第１ステップＳ１が実行される。

第１ステップＳ１において、基材１１の表面の、熱電対１２、１３を配置する予定の場所に、線材４１、４２を配置する。ここで、線材４１、４２は、溶射被膜２１、２２、２３の形成におけるマスクとして作用し、熱電対１２、１３が温度計測対象としての基材１１に直接密着できる場所を確保する。したがって、線材４１は、熱電対１２と同じ直径または熱電対１２よりも適度に大きい直径を有することが好ましい。同様に、線材４２は、熱電対１３と同じ直径または熱電対１３よりも適度に大きい直径を有することが好ましい。

また、線材４１、４２は、溶射工程で発生する高温に耐える素材で形成されていることが好ましい。線材４１、４２に適する素材としては、例えば、ピアノ線が考えられる。

なお、第１ステップＳ１において、基材１１の表面を、溶射被膜の形成に適した状態にするために、線材４１、４２を配置する前または後にブラスト加工を行っても良い。

図３Ａは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第１ステップＳ１における熱電対取り付け構造１の一構成例を示す断面図である。第１ステップＳ１の次には、第２ステップＳ２が実行される。

第２ステップＳ２において、線材４１、４２の上から、基材１１の表面に、溶射被膜２１、２２、２３を形成する。溶射被膜の材質は、基材１１の材質、箔３１の材質、基材１１との密着性、耐熱性などの条件に応じて、適宜に選定することが好ましい。一例として、基材１１の材質がＴｉＡｌであり、箔３１の材質がＮｉ（ニッケル）である場合には、溶射被膜の材質として、Ｎｉ基合金およびＣｏ（コバルト）基合金が適していることを、発明者らは確認した。

このようなＮｉ基合金としては、ＮｉＡｌ（ニッケル・アルミニウム合金）、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ（ニッケル・コバルト・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）およびＮｉＣｒＡｌＹ（ニッケル・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）が知られている。また、このようなＣｏ基合金としては、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（コバルト・ニッケル・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＣｏＣｒＡｌＹ（コバルト・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）またはＣｏＣｒＡｌＷ（コバルト・クローム・アルミニウム・タングステン合金）が知られている。

言い換えれば、基材１１の材質がＴｉＡｌであり、箔の材質がＮｉである場合は、溶射被膜の材質は、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹまたはＣｏＣｒＡｌＷのいずれかを少なくとも含むことが好ましい。

溶射被膜２１、２２、２３を形成する工法としては、フレーム溶射法、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、コールドスプレー法、などが知られている。

溶射被膜２１、２２、２３の厚さは、その上に箔３１をスポット溶接により接合することへの影響、箔３１で固定する予定の熱電対１２、１３の直径、溶射後の残留応力による剥離の可能性、などを勘案して、適宜に調節することが好ましい。一例として、熱電対１２、１３の直径が０．５ｍｍである場合に、厚さが１００μｍ（マイクロメートル）より大きく、かつ、３００μｍよりも小さい溶射被膜２１、２２、２３が適していることを、発明者らは確認した。

図３Ｂは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第２ステップＳ２における熱電対取り付け構造１の一構成例を示す断面図である。第２ステップＳ２の次には、第３ステップＳ３が実行される。

第３ステップＳ３において、線材４１、４２を基材１１から取り除く。このとき、線材４１の上に形成された溶射被膜２４も、線材４２の上に形成された溶射被膜２５も、基材１１から取り除かれる。その結果、溶射被膜２１および溶射被膜２２の間には、線材４１の直径にほぼ等しい幅の隙間が形成される。同様に、溶射被膜２２および溶射被膜２３の間には、線材４２の直径にほぼ等しい幅の隙間が形成される。

また、溶射被膜２１の表面のうち、線材４１に接していた部分は、図１Ｄに示されたように、線材４１の側面に対して相補的な曲面を有する表面２１Ｃが形成されている。同様に、溶射被膜２２の表面のうち、線材４１に接していた部分も、線材４１の側面に対して相補的な曲面を有する。また、溶射被膜２２および２３のそれぞれの表面のうち、線材４２に接していた部分は、線材４２の側面に対して相補的な曲面を有する。

図３Ｃは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第３ステップＳ３における熱電対取り付け構造１の一構成例を示す断面図である。第３ステップＳ３の次には、第４ステップＳ４が実行される。

第４ステップＳ４において、基材１１の表面の、線材４１、４２によって溶射被膜２１、２２、２３がマスクされた場所に、熱電対１２、１３を配置する。このとき、溶射被膜２１、２２、２３の表面のうち、線材４１、４２に接していた部分に、熱電対１２、１３を配置することになるので、熱電対１２、１３は安定する。言い換えれば、線材４１、４２を取り除いた場所に配置されることで、熱電対１２、１３の座りが良い。

図３Ｄは、一実施形態による熱電対取り付け方法の第４ステップＳ４における熱電対取り付け構造１の一構成例を示す断面図である。第４ステップＳ４の次には、第５ステップＳ５が実行される。

第５ステップＳ５において、溶射被膜２１、２２、２３の表面上に箔３１を溶接する。こうすることで、熱電対１２、１３は、基材１１および箔３１の間に挟持される。

箔３１の溶接は、例えば、スポット溶接により行われる。溶射被膜２１、２２、２３のそれぞれにおいて、スポット溶接が行われる回数は、箔３１が重なる面積に応じて適宜に設定されることが好ましい。その一方で、熱電対１２、１３を十分な強度で固定するために、一例として、数十回ずつのスポット溶接を行っても良い。

第５ステップＳ５の次に、第６ステップＳ６が実行されて、図１Ａ、図１Ｂに示した熱電対取り付け構造が完成し、本実施形態による熱電対取り付け方法は終了する。

本実施形態の熱電対取り付け構造および熱電対取り付け方法によれば、溶射被膜２１、２２、２３が緩衝材として作用し、箔３１のスポット溶接に伴う基材１１のクラック発生を抑制することが出来る。

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

１熱電対取り付け構造
１１基材
１２、１３熱電対
２１、２２、２３、２４、２５溶射被膜
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ表面
３１箔
３２スポット溶接跡
４１、４２線材

Claims

基材と、
前記基材の上に形成された被膜と、
前記被膜の上に接合された箔と
を具備し、
熱電対を前記基材および前記箔で挟持する
熱電対取り付け構造。
請求項１に記載の熱電対取り付け構造において、
前記基材の材質は、ＴｉＡｌ（チタン・アルミニウム合金）を含み、
前記箔の材質は、Ｎｉ（ニッケル）を含み、
前記被膜の材質は、ＮｉＡｌ（ニッケル・アルミニウム合金）、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ（ニッケル・コバルト・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＮｉＣｒＡｌＹ（ニッケル・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（コバルト・ニッケル・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＣｏＣｒＡｌＹ（コバルト・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）またはＣｏＣｒＡｌＷ（コバルト・クローム・アルミニウム・タングステン合金）のいずれかを少なくとも含む
熱電対取り付け構造。
請求項１または２に記載の熱電対取り付け構造において、
前記被膜は、
前記基材および前記箔の間に設けられた第１被膜部と、
前記基材および前記箔の間に設けられ、かつ、前記第１被膜部との間に前記熱電対が配置された第２被膜部と
を具備し、
前記第１被膜部および前記第２被膜部のそれぞれは、
前記基材に接する第１表面と、
前記箔に接する第２表面と、
前記熱電対に接する第３表面と
を具備する
熱電対取り付け構造。
請求項３に記載の熱電対取り付け構造において、
前記第１被膜部および前記第２被膜部のそれぞれの前記第３表面は、
前記熱電対の、前記被膜に接する表面の形状に対して、相補的な曲面
を具備する
熱電対取り付け構造。
基材の上に被膜を形成することと、
前記被膜の上に箔を溶接することと
を具備し、
前記溶接することは、
熱電対を前記基材および前記箔で挟持するように、前記熱電対を配置すること
を具備する
熱電対取り付け方法。
請求項５に記載の熱電対取り付け方法において、
前記基材の材質は、ＴｉＡｌ（チタン・アルミニウム合金）を含み、
前記箔の材質は、Ｎｉ（ニッケル）を含み、
前記被膜の材質は、ＮｉＡｌ（ニッケル・アルミニウム合金）、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ（ニッケル・コバルト・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＮｉＣｒＡｌＹ（ニッケル・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（コバルト・ニッケル・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）、ＣｏＣｒＡｌＹ（コバルト・クローム・アルミニウム・イットリウム合金）またはＣｏＣｒＡｌＷ（コバルト・クローム・アルミニウム・タングステン合金）のいずれかを少なくとも含む
熱電対取り付け方法。
請求項５または６に記載の熱電対取り付け方法において、
前記形成することは、
前記基材の表面上の、前記熱電対を配置する予定の場所に、線材を配置することと、
配置された前記線材の上から、前記基材の表面に、溶射で前記被膜を形成することと、
前記被膜が形成された前記基材の表面から、前記線材を取り除くことと
を具備する
熱電対取り付け方法。