JPH07146185A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シース型熱電対であっても温度上昇に対する
追従性が良く応答速度が速いものを提供する。 【構成】 有底の金属製シース２と、このシース２の底
面に温接点を固着し、互いに離れて設置された一対の熱
電対素線３と、シースの外周を保持しシースよりも熱容
量の大きな保護部材４とからなり、シース２と保護部材
４との間に空気層９を設けた。空気層があることによっ
て、シースから保護部材に伝達して逃げる熱を遮断して
昇温特性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質の温度変化を測定
する温度センサに関し、特に熱電対を用いた温度センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱電対を用いた温度センサはあら
ゆる分野で広く利用されてきた。例えば特開昭63−1113
94号公報で開示された電気融着式プラスチック管継手に
おいても利用されており、以下、この電気融着式プラス
チック管継手（以下単に管継手ということがある。）で
用いられる温度センサ（以下熱電対ということがあ
る。）を例にとって説明する。

【０００３】先ず、上記特開昭63−111394号にある電気
融着式プラスチック管継手は、本体の内周面に埋設した
電熱線と、電熱線の両端に接続したコネクターピンと、
電熱線の近くまで達する熱電対装着用の凹穴とからな
り、通電と共に発熱する融着部の温度を凹穴に装着した
熱電対によって連続的に測定し、これが予め設定した温
度に達したとき通電を停止するというものであった。

【０００４】そして、この熱電対の詳細については、特
公平５−39177号公報によって開示されている。熱電対
は、一対の熱電対素線をジルコニアセラミックスなど熱
伝導率の低い電気絶縁性の保護管の中に配置し、保護管
の最下端部に熱電対素線の温接点を配置し、この接点を
含んで銀ろうなどの熱伝導率の高い金属によって最下端
面を形成している。即ち、保護管が熱伝導率の低いセラ
ミックス製としたので、融着部の熱量が保護管に伝わっ
て逃げることが少ない。また温接点は熱伝導率の高い金
属表面の中に設けるようにしたというものである。これ
によって、 ａ）急激な温度変化に対しても追従して応答速度が速
い。 ｂ）よって低目の温度を測定することなく正確な温度測
定ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在、電気融着式プラ
スチック管継手は、主にガス埋設配管用として普及しつ
つある。これらは埋設作業のもと寒暖を問わず行われる
ので、現場での熱電対等の器具の取扱いは必ずしも良い
とは言えず、曲げたりぶつけたりの衝撃力を加えること
も多い。また融着作業後、管継手から熱電対を取外すと
き無理矢理こじり取るような扱いを受けることがある。
ジルコニアセラミックスは比較的靭性の高い方ではある
が衝撃にはもろく、上記のような場合保護管が破損しや
すく、特に先端が欠けて温接点がずれ正常に機能しなく
なるという問題が生じてきた。

【０００６】そこで、このような強度上の問題を解決す
るには金属製の保護管を用いた、いわゆるシース型の熱
電対にすればよいことが容易に考えられる。しかし、こ
うした場合問題点は原点にかえり上記した（ａ），
（ｂ）の効果を得ることはできない。特にシース型の熱
電対は緩やかな温度変化に適しているが、上記した管継
手のように常温から200°Ｃ前後までの急激な温度変化
を遅れなく測定するには温度追従性が悪く不向きであ
る。しかもシースは径が細く囲りに保護部材を設けるの
で、これに伝わって逃げる熱伝導が大きく影響して接点
の温度上昇が遅くなる。例えばジルコニアセラミックス
の場合と比べて昇温特性は５〜６倍遅くなってしまう。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決するもので、
シース型とすることによって強度上の問題を解決すると
共に、応答速度が速く、正確な温度測定ができる熱電対
温度センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、有底の金属製
シースと、このシースの底面に温接点を固定し、互いに
離れて設置された一対の熱電対素線と、前記シースの外
周を保持し、このシースよりも熱容量の大きな保護部材
とからなり、前記シースと保護部材との間に空気層を介
在させた温度センサである。

【０００９】上記において、空気層はシースと保護部材
とが対向する面のうち半分以上の面積を占めていること
が望ましい。また、熱電対素線の線径は0.15mm以下とす
ること、温接点を固定、例えばろう材で固着するときシ
ースの底面は一様に一定肉厚に形成すること、シースと
保護部材との間に接着剤を使用する場合４〜５×10^-4ca
l／cm²・°Ｃ程度の熱伝導率の低いものを用いること、
以上の手段を講じることが望ましい。

【００１０】

【作用】本発明の熱電対は、金属製シースを用いたから
強度が十分に高くなった。一方で金属製シースと保護部
材との間に空気層を介在させたから、空気層はシースの
外表面から保護部材に伝わって逃げようとする熱を遮断
して断熱層の働きをする。また、シース内部には従来の
ように酸化マグネシウム等が充填されることなく空洞に
なっているのでここでも熱の移動が抑えられている。よ
って、シース壁面から伝わる熱は外部に逃げることな
く、失ず熱電対の接点に集中的に伝わるので急激な温度
上昇に対する追従性が改善され応答速度が速くなる。

【００１１】また、空気層はシースと保護部材とが対向
する面積のうち半分以上を占めると応答速度が顕著に速
くなる。逆に空気層を小さくすると応答速度は遅くな
る。即ち、見方を変えると空気層の大きさを操作するこ
とにより熱電対自身の昇温特性のレスポンスを変化させ
ることが可能になった。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１に示す熱電対１の基本構成は、有底で金属
製のシース２と、銅線3aとコンスタンタン線3bとを接続
した熱電対３と、前記シースより熱容量の大きな保護部
材４とからなっており、シース２と保護部材４との間に
空気層９が設けられている。

【００１３】シース２は、底のあるステンレス製（SUS3
16等）の細いパイプ（φ3.0mm）からなり、長さは極力
短く（19mm）し、その肉厚も薄く（0.2mm）した。こう
することによってシース全体の熱容量を小さくしシース
に伝わる熱量を抑えている。一方シースの底面21には、
後述する熱電対の接点が銀ろう付けによって固着され
る。このとき底面と銀ろう付部分の厚さは一様で壁面の
厚さより若干厚く形成することによって熱容量を大きく
している。こうすることによって、発熱（融着）部分か
らの熱が直接底面に伝わると共に壁面に伝わって逃げる
熱よりも優先的に底面に熱が蓄えられて測温が正確とな
る。尚、底面21はパイプと一体的に形成したものであっ
てもよいし、パイプの一端にふた状の部材や溶融金属を
溶接して形成するなどしてもよい。

【００１４】熱電対３は、シース２の底面21に孔を明
け、ここから挿入してシース内に収納して、温接点は底
面21の端面に合わせ、銀ろう付けで固着する。このと
き、上記した通りこの部分の肉厚が均一になるように最
後は下端面は平坦に仕上げられている。また、熱電対素
線のうち銅線3aの線径は例えば0.14mm，コンスタンタン
線の線径は0.15mmとし極力細いものを使用し、素線を伝
わって放出される熱量を少なくして、ここでも昇温特性
を向上させるのに寄与している。そして素線3a,3bは、
シース２の中で樹脂チューブ５が被覆され、互いに離し
て配置し上部のコネクター６に半田付けされている。

【００１５】次に保護部材４は、ガラス繊維入りエポキ
シ樹脂製でシース２の外周を覆うように、外周の２ヵ所
に設けた押しねじ7a,7bで押し付け固定している。さら
に接着剤８を用いて固定を助けている。そして、押しね
じの下方に軸方向に長い凹部を形成しこれによって空気
層９を形成している。空気は良質な断熱層として効果的
であるので、シース２の壁面から保護部材４に伝わろう
とする熱を効率的に遮断することができる。空気層９は
上述したように応答速度を速く、即ち昇温特性を上げよ
うとする場合は対向する面積のうち半分以上を占めるよ
うにするとよい。ちなみに本例の場合空気層は全体の約
60％となっている。しかしながら、空気層９で遮断され
た熱がその上部にある接着剤層８を介して保護部材４に
伝達されては空気層の効果が落ちるので、本例の接着剤
は熱伝導率の低い、４〜５×10^-4cal／cm²・°Ｃと通常
の1/4〜1/6程度のものを使用し熱を伝達することがない
ようにしている。

【００１６】次に図２は、上記した熱電対を電気融着式
プラスチック管継手に用いた場合の断面図を示してい
る。図において、管継手本体10の内周面には電熱線20が
螺旋状に埋設されており、両端にはコネクタピン30（片
側のみ図示）が接続されている。電熱線20の上部近傍に
は２段になった凹穴40が明けられており、ここに上記し
た熱電対１を挿入装着し、シース２の底面21を凹穴40の
最下底面45に隙間なく接触するように位置決めさせる。
熱電対１と電流を供給するコネクタ部分50は、取外し可
能に組立てられ融着プラグ60を構成している。融着作業
を簡単に説明すると、融着プラグ60をそれぞれコネクタ
ピン30と凹穴40に装着した後、先ず管継手の凹穴底面45
の温度を熱電対によって測定し、この温度に基づいて予
め定められた融着完了温度を設定し、その後通電開始と
共に融着部、即ち凹穴最下底面45の温度を連続的に測定
し、前記完了温度になったとき通電を停止する。その後
一定時間冷却して融着プラグを取外すというものであ
る。その他詳細については、上記した従来技術や特開平
４−366088号等と同様であるのでここでの説明は省略す
る。以上において、融着部の温度は、常温から急激に立
ち上がり、また完了温度まで到達する時間を左右し、同
時にこれは融着性能の良否に大きく影響する。従って、
本発明の熱電対のように強度もあり昇温特性に優れて正
確な測温ができるものはこのような電気融着式プラスチ
ック管継手用として適している。

【００１７】次に本発明の熱電対を用いて比較試験を行
った。その結果を表１及び図３〜図７に示す。試験は、
120〜125°Ｃに加温した板に熱電対の温接点を一定圧力
で加圧した状態とし、常温（約22〜23°Ｃ）から＋30°
Ｃ温度上昇するのに要した昇温時間を測定し、これを比
較対象とした。共試品は、従来例として上述したジルコ
ニアセラミックス製の保護管を用いたもの。比較例とし
てステンレスシースを用いたが空気層のないもの。そし
て、本発明例としてシースの回りに空気層を設け、かつ
この空気層がシース全体に占める占有率（（空気層部分
の面積／シースと保護部材が対向する全面積）×100と
する）を変化させたもの３例について行った。尚、この
ときの保護管、及び保護部材の材質、熱電対素線径（コ
ンスタンタン線）、用いた接着剤の熱伝導率も下表に併
記する。

【００１８】

【表１】

【００１９】以上のように本発明品は、ステンレスシー
スを用いたのにもかかわらず従来例よりも昇温時間が速
く、ひいては応答速度の速い熱電対となった。これは空
気層を設けたこと、また熱電対素線径と接着剤をそれぞ
れ選定したことが大きく影響している。その内空気層の
有無が最も効果的に作用し、比較例のように空気層がな
いものはシースに伝導した熱が保護部材等を通じて外部
に発散され、昇温カーブも立ち上がり後はなだらかなカ
ーブを描いている。また、空気層の占有率を変えること
で応答速度を操作することができることもわかった。従
って、この熱電対は電気融着式プラスチック管継手用だ
けに限定されることなく上記のような特徴を利用し、非
定常状態での温度測定等の用途に利用することもでき
る。

【発明の効果】本発明の温度センサによれば、十分な強
度がありしかも昇温特性が優れたものとなったので、電
気融着式プラスチック管継手用の熱電対に用いても、融
着部の温度を正確に測定でき、しかも急激な温度上昇に
対しても追従性が良いので応答速度が速くなる。また、
昇温特性は主に空気層の大小によって操作可能になった
ので、上記分野以外にも使用できる範囲が広がった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の熱電対を示す断面図である。

【図２】 本発明の熱電対を電気融着式プラスチック管
継手に用いた場合の状況を示す断面図である。

【図３】 比較試験における昇温特性を示し、本発明１
の昇温カーブである。

【図４】 比較試験における昇温特性を示し、本発明２
の昇温カーブである。

【図５】 比較試験における昇温特性を示し、本発明３
の昇温カーブである。

【図６】 比較試験における昇温特性を示し、比較例の
昇温カーブである。

【図７】 比較試験における昇温特性を示し、従来例の
昇温カーブである。

【符号の説明】

１…温度センサ（熱電対） ２…ステンレス製シース ３…熱電対素線 ４…保護部材 ５…樹脂チューブ ６…コネクタ ７…押しねじ ８…接着剤層 ９…空気層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 峰 直毅 三重県桑名市大福２番地 日立金属株式会 社桑名工場内 (72)発明者 今村 友亮 埼玉県入間郡三芳町上富2079−７ 株式会 社ネツシン内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有底の金属製シースと、このシースの底
   面に温接点を固定し、互いに離れて設置された一対の熱
   電対素線と、前記シースの外周を保持し、このシースよ
   りも熱容量の大きな保護部材とからなり、前記シースと
   保護部材との間に空気層を介在させたことを特徴とする
   温度センサ。