JPH04500275A - 温度センサのプローブ及び応答時間を改善するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 温度センサのプローブ及び応答時間を改善するための方法ｘ哩□□□宣量 本発明は感温装置に関し、特に感知しようとする流体の温度変化に対応する応答 時間を減少させた温度センサのプローブに関する。また、温度センサのプローブ の応答時間を減少させる方法を含むものである。

感温装置は一般に、保護外装、即ちハウジングに収容された感温素子を有する温 度センサのプローブと、適当な測定装置とを有する。プローブは、感知しようと する媒体に挿入して、感温素子を含むプローブを媒体の温度に加熱又は冷却する ようになっている。感温素子は温度に対して一価関数で変化する特性を呈してお り、この特性は測定装置で測定され、感温素子の温度、即ち感温素子が浸漬され た媒体の温度を表示する。保護ハウジングは、感知しようとする媒体の腐食効果 から感温素子を隔離するのに役立ち、また、感温素子自体が欠いている強度や耐 久性を提供するのにも役立つ。

導電性ワイヤのコイルが温度センサのプローブ内の感温素子として一般に使用さ れる。コイルが呈する電気抵抗はコイルの温度とともに変化し、従って、適当な 抵抗測定口路でコイルの抵抗を測定することにより、コイルの温度表示が得られ る。感温コイルは一般に、円筒形保護外装、即ちハウジング内に収容されており 、コイルは、ハウジングとの間に最大の熱伝達を容易に行うために円筒形ハウジ ング内に配置されている。

温度センサのプローブの性能の重要な因子の１つは応答時間である。温度センサ のプローブの応答時間とは、その感温素子が温度ステップ入力の最終値の成るパ ーセントを示す温度に達するのに要する時間である。すなわち、応答時間は、プ ローブの感温素子が感知しようとする媒体の温度の成るパーセントに達するのに 要する時間である。温度センサのプローブ及びその感温素子が感知しようとする 媒体の温度に達するのに長時間かかればかかるほど、温度センサのプローブの応 答時間が悪いことになる。

応答時間を改善する１つの方法は、プローブの質量を減少させることである。ウ ェーナーの米国特許第３，２３７，１３９号、ヌドソンの米国特許第２，５８８ ，０１４号及びディノイアの米国特許第３．４３６，７１３号は、温度センサの プローブの質量を減少させることによって応答時間を減少させる種々の方法を開 示している。応答時間はプローブの質量を減少させることによって改善されるが 、温度センサのプローブの質量を減少させる程度は、特定の感温用途に要するプ ローブの強度によって制限される。

多くの感温用途は、極めて耐久性のある丈夫なプローブを必要としている。例え ば、高速流内で流れる流体の温度を感知するには、流体が作用する力に抗するこ とのできる温度センサのプローブを必要とする。

温度センサのプローブの応答時間を改善する他の解決策は、プローブの対流伝熱 係数を増大させることである。プローブの対流伝熱係数が増大すればするほど、 感知しようとする温度をもつ媒体とプローブとの間で熱が一層急速に伝達され、 プローブの応答時間が一層早くなる。

感温コイルが一般に円筒形に巻かれるので、感温センサのプローブは一般にやは り円筒形である。また、円筒形プローブは一般に、流れている流体を感知するの に使用するとき、流体の流れ方方向又は平行な方向に平らなく凹凸のない）円筒 形プローブのそばを通って流れるとき、プローブに対して好ましくない対流伝熱 係数ｉＲ生させる５流れがプローブと垂直な場合、好ましくない伝熱係数により プローブの面からの流体の流れの分離が生し、カルマン渦列とし、で知られるｋ きな渦の形成又は発散がプローブの下流側で生ずる。流れが円筒形プローブと平 行な場合、即ち、プローブの長さ方向軸線が流れ方向と一致している場合、流体 の流れは再循環領域内でプローブの面から分離しプローブの長さの成る部分に向 かって延びる。

ブステルの米国特許第４，４６７．１３４号は、平らな円筒形センサのプローブ の対流伝熱係数を増大させて応答時間を減少させ、それによってプローブのそば を通る流体の温度を感知する際のプローブの性能を改善する１つの方法を示して いる。ブステルの特許は、流体の流れ方向に対して横方向の共通位置内で延びる ようになった細長い円筒形ハウジングをもつプローブを開示している。ブステル の特許によると、プローブは流体の流れ方向に対して特定の方向に孔をもつ円筒 形囲い板内に同心的に取付けられている。孔付き囲い板は円筒形プローブのそば を通って流れる流体の速度を増大し、流体速度の増大により、プローブからの流 体の分離を減らし、それによって、流体とプローブとの間の伝熱を増大させる。

流体とプローブとの間の伝熱速度の増大により、プローブの応答時間が増大する 。

ブステルの特許に開示された孔付き囲い板は温度センサのプローブの応答時間を 確かに減少させるのが、このように囲い板の使用に伴う幾つかの問題がある。第 １に、別個の囲い板は、材料及び製造工程に関してプローブの製造コストを増大 させる。また、して特定の方向に配置しなければならない。特定の方向からの実 質的な偏差が囲い板から得られる利益を損なうばかりでなく、プローブの応答時 間を増大させる。

ローズマウント・エンジニアリング・インコーホレーテッドによって製造された モデルへ１．〜−１は流体の流れ方向と軸線方向に一致して、即ち平行に配置さ れた温度センサのプローブの応答時間を改善する方法を示している。このプロー ブは、センサのコイルが内部チューブのまわりに巻かれた、２つの同心的なプラ チナチューブを有する。プローブにより感知しようとする流体が内部チューブを 通ることができ、内部チューブでは、渦の形成はなく流体は内部チューブにほぼ 接触したままであり、それによって伝熱係数を増大させる。しかし、同心的な間 隔を隔てたチューブの構造によりプローブの製造コストがかなり増大する。

主服ｎ！豹 本発明の目的は、温度センサのプローブの応答時間を減少させることに伴って上 述の問題を解消できる温度センサのプローブを提供し、かつ、温度センサのプロ ーブの応答時間を減少させる方法を提供することにある。

特に、本発明の目的は、強度及び耐久性を実質的に減少させることなしに、応答 時間の改善を示す、流れている流体の温度を感知する温度センサのプローブを提 供することにある。

本発明の他の目的は、長さ方向軸線に対して任意の角度方向で応答時間の改善を 示す、長さ方向軸線と垂直な又は平行な方向に流れる流体の温度を感知する細長 い温度センサのプローブを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、流れている流体の温度を感知するのに使用する温度 センサのプローブの応答時間を減少させる方法を提供することにある。

これらの目的を達成するために、流れている流体の温度を感知する温度センサの プローブには、プローブの面に一連の流路溝が形成されている。流路溝はプロー ブの面からの流れの分離を減少させ、これによって、温度センサのプローブの対 流伝熱係数を増大させる。好適な温度センサのプローブは、適当な感温素子を収 容する細長い略円筒形のハウジングを有する。流路溝は、好適には円筒形ハウジ ングの円周に延びる螺旋形状をなして円筒形ノｚｒｊンンクの外面に形成され、 ハウジングの全長にわたって螺旋形状を形成する。

温度センサのプローブのハウジングは、感知しようとする媒体から感温素子を保 護するために、プローブの感温素子を収容するようになっている。従って、円筒 形ハウジングは、好適には適当な金属合金のような適当な耐蝕性、耐久性を有す る材料で作られ、感温素子を収容する内部キャビティを有する。

感温素子は、温度と一価関数で変化する測定容易な特性を呈する任意の適当な感 温素子がよい。本発明の好適な形態の１つでは、感温素子は導電性「７１′ヤの コイルである。コイルの感温素子の電気抵抗力＜　１ｆｌｌｌ定されてコイル自 体の温度を指示し、また温度センサのプローブを囲む媒体の温度を指示する。ま た、好適には、コイルは、ｌ＼ウジングとの間の熱伝達を容易にするために、ハ ウジングのキャビティの内面に接近して配置される。

本発明によると、センサのプローブの外面には一連の流路溝が設けられている。

流路溝は、流体がハウジングのそばを通って流れるとき形成される渦を破り捕捉 するように、ハウジングに沿って流体の流れを偏向し、即ち分離するためにハウ ジングの表面を横切って延びている。分離した流れは、／％ｌ’７ジングの表面 全体の大部分にわたってハウジングに付着する積層パターンのままであり、プロ ーブの対流伝熱係数を増大させ、流体の温度変化に対するプローブの応答時間を 改善する。所望の流れの偏向を発生させるために、流路溝は、プローブを流れス トリーム内に適当に位置決めするとき、流体の流れ方向に対して鋭角をなして延 びるようにプローブのハウジングに形成される。例えば、好適な円筒形ハウジン グは、その長さ方向軸線が流体の流れ方向と垂直又は平行である状態で、流体の 流れに対して横方向に又は軸線方向に延びるようになっている。流路溝は、ハウ ジングの長さ方向軸線と直交する面と鋭角をなして延びるようにハウジングに形 成される。

本発明の好適な形態では、細長い円筒形ハウジングをもつプローブは、流路溝が 連続してハウジングの全周に巻かれており、円筒形ハウジングの全長に亘って螺 旋状に延びている。かくして、好適な流路溝はほぼ螺旋形状もつ単一の連続した 溝、即ちチャンネルで形成され、隣接したチャンネルが連続したチャンネルの螺 旋部に隣接している。

流路溝は一連の出っ張り又は突起をハウジングに加えることによって形成しても 良く、流路溝は隣接する出っ張り又は突起の間に形成される。しかし、所望の流 路溝を形成する好適な方法は、平らな表面のハウジングの外面を切削するか或い は外面にチャンネルを機械加工することである。平らな円筒形センサのプローブ は、単にねじ山を機械加工するのと同様に、円筒体に螺旋チャンネルを機械加工 することによって所望の流路溝を後で備えてもよい。

本発明の流路溝を備えた円筒形温度センサのプローブは、感知しようとする流体 の温度変化に対して応答時間の著しい減少を示す。また、プローブの好適な連続 した螺旋の流路溝の実施例は、所望の流路形成効果を生じさせるために、流体方 向に対してその長さ方向軸線のまわりに任意の特定の角度方向を必要としない。

流体の流れ方向に対し、て横方向又は軸線方向に延びるプローブでは、チャンネ ルは、プロ・−ブの角度方向とは無関係に適当な偏向角度で維持される。さらに 、ある場合には、連続した螺旋チャンネル及び突起は、温度センサのプローブに 剛性と強度を与える。

これらの目的及び他の目的並びに本発明の特徴は、添付図面に沿った以下の好適 な実施例の説明から明らかになるであろう。

久厘食国単五説囚 第１図は、部分的に切断して温度センサのプローブの感温素子を示した、本発明 の原理を具体化した温度センサのプローブの斜視図である。

第２図は、第１図で示した温度センサのプローブの側面図である。

第３図は、温度センサのプローブの周囲の流体の流れを示した先行技術の温度の プローブの概略端面図である。

第４図は、温度センサのプローブの周囲の流体の流れを示した第３図に示した先 行技術の温度センサのプローブの概略端面図である。

第５図は、温度センサのプローブの表面の周囲の流体の流れを示した、第１図の 温度センサのプローブの概略斜視図である。

第６図は、温度センサのプローブの周囲の流体の流れを示した流体の流れ方向と 軸線方向に一致して配置された先行技術の温度センサのプローブの概略端面図で ある。

第７図は、プローブを流体の流れ方向と軸線方向に一致して配置したときのプロ ーブの周囲の流体の流れを示した、本発明の原理を具体化したプローブの概略側 面図である。

吐濫呈亙亘餞９脱酉 第１図及び第２図は、本発明の原理を具体化した、全体を参照符号１０で示す温 度センサのプローブを示す。プローブ１ｏは、基部１４に取付けられ且つ感温素 子を収容する略円筒形のハウジング１２を有する。本発明によれば、温度センサ のプローブ１゜は又、円筒形ハウジング１２の外面に形成された一連の流路溝１ ８を有する。

円筒形ハウジング１２は、感温素子１６を受け入れるための内部キャビティ２０ を有する。ハウジング１２は、感知しようとする流体から感温素子＋６を隔離し 、且つ多数の感温用途において必要とする強度と耐久性をプローブ１０に与える のに役立一つ。本発明の好適な形態では、円筒形ハウジング１２は、適当な鋼合 金のような剛性で耐久性のある適当な材料で作られる。ステンレス鋼合金、チタ ン合金、ニッケル合金及び銅合金の全てが適当なハウジング材料の例であるが、 他の材料も使用できる。

本発明の図示した好適な形態では、感温素子１６は、適当な絶縁材料２２によっ てハウジング１２から絶縁された導電線のコイルである。電流に対するコイルの 抵抗はコイルの温度と一価関数関係をなして変化し、このため、コイルで示され る電流に対する抵抗を測定してコイル温度を表示することができる。円筒形ハウ ジング１２は一般に導電性金属で作られ、絶縁材料２２は感温コイルをハウジン グから隔離するために設けられている。

感温素子１６を導電性コイルとして示しているが、本発明の原理を実施する温度 センサのプローブは、任意の他の適当な形態の感温素子を有していてもよい。例 えば、本発明の温度センサのプローブとしては、２つの非類似の金属の接合をも っ熱電対型の感温素子、或いは膨張収縮して圧力の読みで温度を指示するガス球 がある。

温度センサのプローブ１０は、円筒形ハウジング１２の外面に形成した一連の流 路溝１８を有する。流路溝１８は、流れ方向に対して横方向又は軸線方向のいず れかで、感知しようとする流体内にプローブを適切に配置するとき、流体の流れ 方向に対して鋭角をなして延びるようにハウジング１２上に形成されている。第 １図及び第２図に示すものである。細長い円筒形プローブは特に、例えば第２図 の方向Ｆで、プローブ１０の長さ方向軸線と垂直に流れる流体の温度を感知する ようになっている。第２図を参照すると、角度Ａは、方向Ｆの流体の流れに対す る流路溝１８の角度を示す。本発明の温度センサのプローブは、００〜９０°の 角度Ａ、即ち任意の鋭角に対して応答時間が改善される。特定の用途に対する最 適角度Ａは、感知しようとする流体の物理的特性と流速によって決まる。流路溝 １８の好適な深さｄは、出っ張りのない円筒体の直径りの０〜１倍の間にあり（ 第２図）、即ち、０〈ｄ＞Ｄであるが、この流路溝の深さは、特殊な用途に対し てはさらに大きくともよい。

本発明の図示した形態の流路溝１８は、螺旋形状を形成するように円筒形ハウジ ング１２の周囲全体にハウジングの長さ全体にわたって連続的に形成されている 。出っ張り又は突起２４が、螺旋形状の流路溝Ｉ８の隣接する螺旋部の間に形成 されている。

本発明の好適な形態では、流路溝１８は、適当な方法で切削され又は機械加工さ れて円筒形ハウジング１２に形成される。第１図及び第２図に示した連続した螺 旋形状の流路溝が、適当なダイで、コネクタ形式のねじ山を機械加工するのと同 様に、平らな円筒形ハウジングに機械加工されてもよい。しかし、チャンネルを 形成するのに、任意の適当な方法を使用してもよい。例えば、出っ張り又は突起 を平らな円筒形ハウジングの面に形成し、所望の流路溝を隣接する出っ張り間に 形成する。

第３図及び第４図は、先行技術の温度センサのプローブ２８で感知しようとする 流体の流れを概略的に示し、矢印Ｐで示す流れ方向は、細長い円筒形プローブの 長さ方向軸線と垂直である。感知しようとする流体が先行技術の円筒形プローブ ２８のそばを通って流れるとき、流体は円筒体のほぼ前半分にわたってほぼ付着 したままである。しかし、円筒形プローブ２８の流体が当たらない部分、即ち下 流側では、流体は、分離点を通る逆圧力勾配により点３２のところで円筒体から 分離する。分離点３２を通った後、流体は平らな円筒体プローブ２８に付着した まま留まるのに充分な運動量を持たない。分離した流体は、カルマン渦列として 知られる現象の大きな対称的な渦３４を、プローブ２８の流体が当たらない部分 、即ち下流側に形成する。分離した流体の流れ及び渦発散により、プローブ２８ に対して好ましくない伝熱係数が生ずる。

本発明の原理を実施する温度センサのプローブの作動を、第１図及び第２図の温 度センサのプローブ１０で感知しようとする流体の流れを概略的に示した第５図 を参照して説明する。温度センサのプローブ１０は、第５図で矢印Ｆで示した流 体の流れ方向に対して横方向に、即ち垂直に延びている。出っ張り又は突起２４ の隣接する螺旋部の間に形成された流路溝１８は、カルマン渦列内で発散しよう とする渦を壊して捕捉するように作用する。流路溝内の流れは温度センサのプロ ーブｌＯの面に付着して留まり、プローブの圧力、即ち抗力を減少させ、伝熱係 数を増大させる。

プローブの抗力の減少及び伝熱係数の増大の効果は、細長いプローブと直交する 流体の流れ方向とは無関係である。何故ならば、プローブ１０が長さ方向軸線に 対しては対称であるからである１、かくして、プローブ１０は、流体の流れに対 する特定の角度方向に向いていることを必要とすることなしに、伝熱係数が増大 し応答時間が減少する。

第６図は、平らな円筒状形プローブが流れ方向（流れ方向はＡで示す）と軸線方 向に一致して配置されているとき、即ち平行であるきき、先行技術の温度センサ のプローブ２Ｂで感知しようとする流体の流れを概略的に示す。感知しようする 流体がプローブ２８のそばを流れるとき、再循環領域４０がプローブのほぼ全長 にわたって形成される。第６図に示すように、流れは再循環領域４０内でプロー ブの表面から分離される。この流れの分離によりプローブに好ましくない伝熱係 数が与えられ、応答時間が増大する。

＠７図は、矢印Ａで示す流れ方向と軸線方向に一致した、即ち平行な７ｇ度セン サのプローブ１０を示す。出っ張り２４の隣接する螺旋部の間に形成された流路 溝１８は、流れをプローブのまわりに旋回させるように作用し、再循環領域（第 ６図の４０）を破り、プローブの伝熱係数を増大させる。

はぼ円筒形のハウシングを有する温度センサのプローブに関連して本発明を説明 してきたが、非円筒形プローブも上述の角度付き流路溝から利益を得ることがで きる。一般に、円筒体の抗力係数（プローブの長さ方向軸線と交差する流れに対 して１．０）よりも大きな抗力係数Ｃ６を有するプローブの形状、即ち又はプロ ーブのハウジングの形状は、円筒形プローブよりも角度付き流路溝から一層の利 益を受け、より小さな抗力係数を有するプローブの形状はより少ない利益を受け る。

上述の好適な実施例は、本発明の原理を示そうとするものであり、本発明の範囲 を限定し、ようとするものではない。種々の他の実施例に対する変形が、請求の 範囲から逸脱することなしに、当業者によってなされ得る。

（従来の技術　） （従来の技術　）

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．流れている流体の温度を感知する温度センサのプローブであって、 Ａ．感温素子と、 Ｂ．感温素子を感知しようとする流体と直接接触することから隔離するように感 温素子を収容する温度センサのプローブのハウジング手段と、 Ｃ．流体がハウジング手段の外面のそばを通って流れるとき、流体の流れがハウ ジングの外面から分離するのを減少させてハウジング手段の対流伝熱係数を増大 させるように、流体をハウジング手段の外面に向けて偏向するためにハウジング 手段の外面に形成された流路形成手段と、を有することを特徴とする温度センサ のプローブ。
2. ２．流路形成手段は、ハウジング手段の外面に形成された一連の流路溝を有する ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の温度センサのプローブ。
3. ３．ハウジング手段は、細長いほぼ円筒形のハウジング部材であり、流路溝は、 円筒形ハウジング部材に形成されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の 温度センサのプローブ。
4. ４．流路溝は、螺旋状に円筒形ハウジング部材に形成され、ハウジング部材の全 周に延びてハウジング部材のほぼ全長に沿って螺旋形状を形成することを特徴と する請求の範囲第３項に記載の温度センサのプローブ。
5. ５．流路溝は、円筒形ハウジングの長さ方向軸線と直交する面と鋭角をなして延 びていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の温度センサのプローブ。
6. ６．流路溝は、出っ張りのない円筒形ハウジングの直径の０〜１倍の均一な深さ をハウジング部材の外面に有することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の温 度センサのプローブ。
7. ７．ハウジング部材は内部キャビティを有し、感温素子がキャビティ内に収容さ れていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の温度センサのプローブ。
8. ８．感温素子は導電性材料のコイルであり、導電性材料の電流に対する抵抗は、 その温度に対して略一価関数関係で変化することを特徴とする請求の範囲第７項 に記載の温度センサのプローブ。
9. ９．ハウジング部材と電気コイルとの間に介在された絶縁材料を有することを特 徴とする請求の範囲第８項に記載の温度センサのプローブ。
10. １０．流れている流体の温度を感知する温度センサのプローブの感温素子を収容 するハウジングであって、Ａ．感温素子を収容するようになった内部キャビティ を有する略円筒形の細長いハウジング部材と、 Ｂ．流体がハウジング手段の外面のそばを通って流れるとき、流体の流れがハウ ジングの外面から分離するのを減少させてハウジング手段の対流伝熱係数を増大 させるように流体をハウジング手段の外面に向けて偏向するためにハウジング手 段の外面に形成された流路形成手段と、 を有することを特徴とするハウジング。
11. １１．流路形成手段は、ハウジング手段の外面に形成された一連の流路溝を有す ることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の湿度センサのプローブ。
12. １２．流路溝は、螺旋状に円筒形ハウジング部材に形成され、ハウジング部材の 全周に延びてハウジング部材のほぼ全長に沿って螺旋形状を形成することを特徴 とする請求の範囲第１１項に記載の温度センサのプローブ。
13. １３．流路溝は、円筒形ハウジングの長さ方同軸線と直交する面に略鋭角をなし て延びていることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の温度センサのプロー ブ。
14. １４．流路溝は、出っ張りのない円筒形ハウジングの直径の０〜１倍の均一の深 さをハウジングの外面に有することを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の温 度センサのプローブ。
15. １５．ハウジング部材は適当な金属合金で作られていることを特徴とする請求の 範囲第１４項に記載のハウジング。
16. １６．温度センサのプローブのそばを通って流れる流体の温度変化に対する温度 センサのプローブの応答時間を減少させる方法であって、 Ａ．流体がプローブの外面を通って流れるときプローブの外面からの流体の分離 を減少させてプローブの対流伝熱係数を増大させるように流体をプローブの外面 にけて偏向する段階を含むことを特徴とする方法。
17. １７．流体の流れを偏向する工程は、温度センサのプローブの外面に形成された 一連の流路溝によって感知しようとする流体を分離することを含むことを特徴と する請求の範囲第１６項に記載の方法。
18. １８．温度センサのプローブは、形状が略円筒形であり且つ流路溝が円筒形プロ ーブの全周に形成されて温度センサのプローブのほぼ全長に沿って螺旋状を形成 することを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の方法。
19. １９．偏向される流体の流れはプローブの長さ方向軸線と直交することを特徴と する請求の範囲第１８項に記載の方法。
20. ２０．偏向される流体の流れはプローブの長さ方向軸線と平行であることを特徴 とする請求の範囲第１８項に記載の方法。