JPH10132666A - 高温測温用セラミック熱電対 - Google Patents
高温測温用セラミック熱電対Info
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- JPH10132666A JPH10132666A JP8299820A JP29982096A JPH10132666A JP H10132666 A JPH10132666 A JP H10132666A JP 8299820 A JP8299820 A JP 8299820A JP 29982096 A JP29982096 A JP 29982096A JP H10132666 A JPH10132666 A JP H10132666A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、測温応答性及び測温精度を向上さ
せ、反復使用可能な長寿命の高温測温用セラミック熱電
対を提供する。 【解決手段】 この高温測温用セラミック熱電対は、耐
熱性のセラミックスによって作製された保護管１の内部
に異なる組成の一対のＷ−Ｒｅ素線６，７を配置し、Ｗ
−Ｒｅ素線６，７の端部を互いに接合した結合部分９を
保護管１の先端部４から露出させて測温部を構成する。
また、保護管１から露出したＷ−Ｒｅ素線６，７の結合
部分９と保護管１との表面には、耐熱性で耐腐食性に優
れている炭化ケイ素、窒化ケイ素又はそれらの複合材料
から成る皮膜８，１７を設ける。保護管１の内部には焼
結時に寸法変化の小さい耐熱性充填材３を充填する。
せ、反復使用可能な長寿命の高温測温用セラミック熱電
対を提供する。 【解決手段】 この高温測温用セラミック熱電対は、耐
熱性のセラミックスによって作製された保護管１の内部
に異なる組成の一対のＷ−Ｒｅ素線６，７を配置し、Ｗ
−Ｒｅ素線６，７の端部を互いに接合した結合部分９を
保護管１の先端部４から露出させて測温部を構成する。
また、保護管１から露出したＷ−Ｒｅ素線６，７の結合
部分９と保護管１との表面には、耐熱性で耐腐食性に優
れている炭化ケイ素、窒化ケイ素又はそれらの複合材料
から成る皮膜８，１７を設ける。保護管１の内部には焼
結時に寸法変化の小さい耐熱性充填材３を充填する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、セラミックスか
ら成る保護管を持つ高温測温用セラミック熱電対に関す
る。
ら成る保護管を持つ高温測温用セラミック熱電対に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、約１５００℃の鋳鉄溶湯を測温す
るための熱電対は、材料として比較的に融点が高く、大
気中で安定であるＰｔ−Ｒｈを素線とし、該Ｐｔ−Ｒｈ
素線をアルミナシリカファイバー製のパイプに固定して
作製したものが使用されている。このような熱電対は、
鋳鉄溶湯の測温を約２回程度行った後に、正確な温度の
測定が不能となり、廃棄しているのが現状であり、熱電
対を多回数利用できずに熱電対そのものが極めて高価な
ものになっている。また、一般的に、シース型熱電対
は、Ｗ−Ｒｅを素線とし、高温で使用されるＳＵＳシー
ス型部品の保護管として使用され、ＳＵＳ等の金属で作
製されたものが知られている。ＳＵＳシース型熱電対
は、１０００℃以上の雰囲気で使用されるものがあり、
その場合には、インコネル等の特殊耐熱合金で作製され
ている。通常、熱電対は、３００℃〜１４００℃の温度
範囲の温度を計測するため、各種の測定材を適合させて
いる。
るための熱電対は、材料として比較的に融点が高く、大
気中で安定であるＰｔ−Ｒｈを素線とし、該Ｐｔ−Ｒｈ
素線をアルミナシリカファイバー製のパイプに固定して
作製したものが使用されている。このような熱電対は、
鋳鉄溶湯の測温を約２回程度行った後に、正確な温度の
測定が不能となり、廃棄しているのが現状であり、熱電
対を多回数利用できずに熱電対そのものが極めて高価な
ものになっている。また、一般的に、シース型熱電対
は、Ｗ−Ｒｅを素線とし、高温で使用されるＳＵＳシー
ス型部品の保護管として使用され、ＳＵＳ等の金属で作
製されたものが知られている。ＳＵＳシース型熱電対
は、１０００℃以上の雰囲気で使用されるものがあり、
その場合には、インコネル等の特殊耐熱合金で作製され
ている。通常、熱電対は、３００℃〜１４００℃の温度
範囲の温度を計測するため、各種の測定材を適合させて
いる。
【０００３】また、熱電対の素線は、酸化性又は還元性
の雰囲気に対して弱い場合が多いので、一般的には保護
パイプ内に入れて使用されている。また、従来の高温測
温用セラミック熱電対として、通気用の孔を側面に形成
した窒化珪素製保護管内に、Ｗ−Ｒｅ素線を内包し、そ
れらの空間をＴｉＮが分散した反応焼結窒化珪素を充填
した構造のものが知られている。
の雰囲気に対して弱い場合が多いので、一般的には保護
パイプ内に入れて使用されている。また、従来の高温測
温用セラミック熱電対として、通気用の孔を側面に形成
した窒化珪素製保護管内に、Ｗ−Ｒｅ素線を内包し、そ
れらの空間をＴｉＮが分散した反応焼結窒化珪素を充填
した構造のものが知られている。
【０００４】また、特開平６−１６０２００号公報に
は、気密端子付シース型熱電対が開示されている。該熱
電対は、過渡的な温度変化等により、端子部に温度勾配
が生じても測定誤差を生じさせないものであり、アルメ
ル線とクロメル線の異種金属線からなる熱電対素線をス
テンレス製シース内に無機絶縁材と共に、相互に絶縁し
て収納し、シースの基端側を気密端子部により気密に封
止する。気密端子部のセラミック端板に取り付けられた
２本のコパール製の貫通パイプの内部に絶縁スリーブが
挿入され、各熱電対素線はその内部を通って貫通パイプ
と直接接触せずに外部に引き出されている。
は、気密端子付シース型熱電対が開示されている。該熱
電対は、過渡的な温度変化等により、端子部に温度勾配
が生じても測定誤差を生じさせないものであり、アルメ
ル線とクロメル線の異種金属線からなる熱電対素線をス
テンレス製シース内に無機絶縁材と共に、相互に絶縁し
て収納し、シースの基端側を気密端子部により気密に封
止する。気密端子部のセラミック端板に取り付けられた
２本のコパール製の貫通パイプの内部に絶縁スリーブが
挿入され、各熱電対素線はその内部を通って貫通パイプ
と直接接触せずに外部に引き出されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、熱電対はそ
の種類に応じて、熱起電力は、次のようになっている。
ＰＲ（Ｐｔ−Ｒｈ）熱電対の熱起電力は、５００℃で
１．２４１ｍＶであり、１０００℃で４．８３３ｍＶで
ある。また、ＣＡ（クロメル−アルメル）熱電対の熱起
電力は、５００℃で２０．６４ｍＶであり、１０００℃
で４１．２６９ｍＶである。更に、Ｗ−Ｒｅ熱電対の熱
起電力は、５００℃で８．６５５ｍＶであり、１０００
℃で１８．２５７ｍＶである。
の種類に応じて、熱起電力は、次のようになっている。
ＰＲ（Ｐｔ−Ｒｈ）熱電対の熱起電力は、５００℃で
１．２４１ｍＶであり、１０００℃で４．８３３ｍＶで
ある。また、ＣＡ（クロメル−アルメル）熱電対の熱起
電力は、５００℃で２０．６４ｍＶであり、１０００℃
で４１．２６９ｍＶである。更に、Ｗ−Ｒｅ熱電対の熱
起電力は、５００℃で８．６５５ｍＶであり、１０００
℃で１８．２５７ｍＶである。
【０００６】また、これらの熱電対の使用可能温度及び
使用雰囲気は、図４に示すとおりである。Ｐｔ−Ｒｈ熱
電対は、不活性ガス雰囲気での使用はできず、大気中で
の使用可能温度は１５００℃が限界温度である。ＣＡ熱
電対は、大気中及び不活性ガス雰囲気中での使用が可能
であり、両者での使用可能温度は８００℃が限界温度で
ある。更に、Ｗ−Ｒｅ熱電対は、大気中及び不活性ガス
雰囲気中での使用が可能であり、大気中での使用可能温
度は４００℃が限界温度であり、不活性ガス雰囲気中で
の使用可能温度は２３００℃が限界温度である。
使用雰囲気は、図４に示すとおりである。Ｐｔ−Ｒｈ熱
電対は、不活性ガス雰囲気での使用はできず、大気中で
の使用可能温度は１５００℃が限界温度である。ＣＡ熱
電対は、大気中及び不活性ガス雰囲気中での使用が可能
であり、両者での使用可能温度は８００℃が限界温度で
ある。更に、Ｗ−Ｒｅ熱電対は、大気中及び不活性ガス
雰囲気中での使用が可能であり、大気中での使用可能温
度は４００℃が限界温度であり、不活性ガス雰囲気中で
の使用可能温度は２３００℃が限界温度である。
【０００７】Ｐｔ−Ｒｈ素線を用いたＰＲ熱電対につい
て、上記のように、ＰＲ熱電対の熱起電力は、ＣＡ熱電
対の約１／１５であり、Ｗ−Ｒｅ熱電対の約１／７と小
さいため、それらの熱電対に比較して測温の精度が劣
り、応答性が悪いという問題を有している。そのため、
現場においては、溶鉱炉の溶湯を測温するため、溶解炉
の近傍で作業者が温度が安定するまでの約８秒間、その
測定場所に居ることを余儀なくされる。また、熱電対に
よる溶湯の測温に際して、熱電対のＰｔ−Ｒｈ素線に鋳
鉄が付着し、それを除去するための工程は煩雑になり、
しかも現行品は寿命が２回程度の測温であり、熱電対の
交換作業も手間がかかるという問題がある。また、熱電
対におけるＷ−Ｒｅ素線は、大気中では酸化し易く、鋳
鉄溶湯の温度測定には使用できないものである。
て、上記のように、ＰＲ熱電対の熱起電力は、ＣＡ熱電
対の約１／１５であり、Ｗ−Ｒｅ熱電対の約１／７と小
さいため、それらの熱電対に比較して測温の精度が劣
り、応答性が悪いという問題を有している。そのため、
現場においては、溶鉱炉の溶湯を測温するため、溶解炉
の近傍で作業者が温度が安定するまでの約８秒間、その
測定場所に居ることを余儀なくされる。また、熱電対に
よる溶湯の測温に際して、熱電対のＰｔ−Ｒｈ素線に鋳
鉄が付着し、それを除去するための工程は煩雑になり、
しかも現行品は寿命が２回程度の測温であり、熱電対の
交換作業も手間がかかるという問題がある。また、熱電
対におけるＷ−Ｒｅ素線は、大気中では酸化し易く、鋳
鉄溶湯の温度測定には使用できないものである。
【０００８】従来の保護管をＳＵＳで作製した場合に
は、保護管は、その耐熱使用限界温度が９００℃程度と
低い耐熱温度である上、硫黄ガス中での使用では保護管
の金属が硫黄ガスに侵されるので、硫黄ガス中での使用
が困難である。また、保護管をインコネル等の特殊耐熱
合金で作製した場合には、その保護管はＳＵＳの保護管
に比較して耐熱温度が高くなるが、コストが約２倍とア
ップすることになる。
は、保護管は、その耐熱使用限界温度が９００℃程度と
低い耐熱温度である上、硫黄ガス中での使用では保護管
の金属が硫黄ガスに侵されるので、硫黄ガス中での使用
が困難である。また、保護管をインコネル等の特殊耐熱
合金で作製した場合には、その保護管はＳＵＳの保護管
に比較して耐熱温度が高くなるが、コストが約２倍とア
ップすることになる。
【０００９】また、上記高温測温用セラミック熱電対
は、高温大気中で使用した場合に、保護管に形成した通
気孔から内部への酸素の侵入によってＷ−Ｒｅ素線が劣
化するという問題がある。更に、Ｗ−Ｒｅ素線の熱膨張
係数は４．８×１０- 6 ／℃であり、Ｗ線の熱膨張係数
より更に大きく、繰り返しの使用によって周囲を形成す
る材料との熱膨張係数差に起因する応力により劣化する
可能性がある。また、上記高温測温用セラミック熱電対
は、保護管内にＷ−Ｒｅ素線を内包し、保護管の空間を
ＴｉＮ分散反応焼結Ｓｉ3 Ｎ4 を充填した構造では、測
温の応答性が良好でなく、更に応答性を向上させる必要
があった。
は、高温大気中で使用した場合に、保護管に形成した通
気孔から内部への酸素の侵入によってＷ−Ｒｅ素線が劣
化するという問題がある。更に、Ｗ−Ｒｅ素線の熱膨張
係数は４．８×１０- 6 ／℃であり、Ｗ線の熱膨張係数
より更に大きく、繰り返しの使用によって周囲を形成す
る材料との熱膨張係数差に起因する応力により劣化する
可能性がある。また、上記高温測温用セラミック熱電対
は、保護管内にＷ−Ｒｅ素線を内包し、保護管の空間を
ＴｉＮ分散反応焼結Ｓｉ3 Ｎ4 を充填した構造では、測
温の応答性が良好でなく、更に応答性を向上させる必要
があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は、上記
の課題を解決することであり、Ｗ−Ｒｅ線をその先端部
を保護管から露出させた状態で、露出したＷ−Ｒｅ線の
表面にＣＶＤ法による緻密な炭化ケイ素や窒化ケイ素の
皮膜を形成し、保護管のうち注湯部分には炭化ケイ素フ
ァイバー製の着脱自在なソケットを装着し、保護管が直
接溶湯に触れない構造に構成し、耐熱性及び耐腐食性を
向上させると共に、測温応答性を向上させると共に、反
復使用を可能にして熱電対を長寿命に向上させた高温測
温用セラミック熱電対を提供することである。
の課題を解決することであり、Ｗ−Ｒｅ線をその先端部
を保護管から露出させた状態で、露出したＷ−Ｒｅ線の
表面にＣＶＤ法による緻密な炭化ケイ素や窒化ケイ素の
皮膜を形成し、保護管のうち注湯部分には炭化ケイ素フ
ァイバー製の着脱自在なソケットを装着し、保護管が直
接溶湯に触れない構造に構成し、耐熱性及び耐腐食性を
向上させると共に、測温応答性を向上させると共に、反
復使用を可能にして熱電対を長寿命に向上させた高温測
温用セラミック熱電対を提供することである。
【００１１】この発明は、窒化珪素、サイアロン及び炭
化珪素から選択されるセラミックスによって作製された
保護管、前記保護管の内部に配置された異なる組成の一
対のＷ−Ｒｅ素線、前記Ｗ−Ｒｅ素線の端部が互いに接
合され且つ前記保護管から露出している測温部を構成す
る結合部分、前記保護管から露出した前記Ｗ−Ｒｅ素線
の前記結合部分に形成された炭化ケイ素、及び窒化ケイ
素又はそれらの複合材料から成る皮膜、前記保護管の内
部に充填された焼結時に寸法変化の小さい耐熱性充填
材、から成る高温測温用セラミック熱電対に関する。
化珪素から選択されるセラミックスによって作製された
保護管、前記保護管の内部に配置された異なる組成の一
対のＷ−Ｒｅ素線、前記Ｗ−Ｒｅ素線の端部が互いに接
合され且つ前記保護管から露出している測温部を構成す
る結合部分、前記保護管から露出した前記Ｗ−Ｒｅ素線
の前記結合部分に形成された炭化ケイ素、及び窒化ケイ
素又はそれらの複合材料から成る皮膜、前記保護管の内
部に充填された焼結時に寸法変化の小さい耐熱性充填
材、から成る高温測温用セラミック熱電対に関する。
【００１２】また、前記耐熱性充填材はＴｉを含む反応
焼結セラミックスであるので、前記保護管と前記耐熱性
充填材との間の境界には隙間が発生ぜず、ガタが発生す
ることなく、Ｎ2 ガスが良好に封入され、Ｗ−Ｒｅ線の
酸化を防止でき、熱電対の耐久性を向上させると共に、
反応焼結セラミックスが遮熱機能を発揮し、先端部の結
合部分の測温領域の熱容量を確実に小さするように狭い
領域に限定することができ、溶湯等の被測温物体の温度
測定にあたって熱電対の測温領域のみの温度上昇で済
み、迅速に且つ正確に温度測定が可能になる。
焼結セラミックスであるので、前記保護管と前記耐熱性
充填材との間の境界には隙間が発生ぜず、ガタが発生す
ることなく、Ｎ2 ガスが良好に封入され、Ｗ−Ｒｅ線の
酸化を防止でき、熱電対の耐久性を向上させると共に、
反応焼結セラミックスが遮熱機能を発揮し、先端部の結
合部分の測温領域の熱容量を確実に小さするように狭い
領域に限定することができ、溶湯等の被測温物体の温度
測定にあたって熱電対の測温領域のみの温度上昇で済
み、迅速に且つ正確に温度測定が可能になる。
【００１３】この高温測温用セラミック熱電対は、上記
のように構成したので、Ｗ−Ｒｅ線の熱起電力が比較的
に大きく、また、測温部となる先端部は露出した構造で
あって熱容量が最小限に構成でき、温度への応答性が良
好になり、しかもＷ−Ｒｅ線の融点が３０００℃であ
り、鋳鉄溶湯中で溶けることはない。また、Ｗ−Ｒｅ線
の表面に対してＷ−Ｒｅ線の熱膨張係数に近い材料の緻
密なＣＶＤ法による窒化ケイ素又は炭化ケイ素の皮膜を
形成することによって、Ｗ−Ｒｅ線の測温部での酸化を
防止できる。また、反応焼結材の耐熱性充填材と保護管
とが密着し、両者間の境界部に隙間が形成されず、熱の
通過面積を大きくすることができ、また、前記測温部の
近傍が皮膜で覆われて熱容量が小さく構成されているの
で、測温雰囲気に対して熱伝導性が良好になって応答性
を向上できる。
のように構成したので、Ｗ−Ｒｅ線の熱起電力が比較的
に大きく、また、測温部となる先端部は露出した構造で
あって熱容量が最小限に構成でき、温度への応答性が良
好になり、しかもＷ−Ｒｅ線の融点が３０００℃であ
り、鋳鉄溶湯中で溶けることはない。また、Ｗ−Ｒｅ線
の表面に対してＷ−Ｒｅ線の熱膨張係数に近い材料の緻
密なＣＶＤ法による窒化ケイ素又は炭化ケイ素の皮膜を
形成することによって、Ｗ−Ｒｅ線の測温部での酸化を
防止できる。また、反応焼結材の耐熱性充填材と保護管
とが密着し、両者間の境界部に隙間が形成されず、熱の
通過面積を大きくすることができ、また、前記測温部の
近傍が皮膜で覆われて熱容量が小さく構成されているの
で、測温雰囲気に対して熱伝導性が良好になって応答性
を向上できる。
【００１４】また、前記保護管のうち測温部側の端部に
は炭化ケイ素製ファイバーから成るソケットが設けられ
ている。前記ソケットは耐酸化性に優れているので、前
記ソケットを熱電対に嵌装することによって、前記保護
管の注湯領域の熱衝撃による破損を防止することがで
き、前記保護管の寿命を向上させることができる。
は炭化ケイ素製ファイバーから成るソケットが設けられ
ている。前記ソケットは耐酸化性に優れているので、前
記ソケットを熱電対に嵌装することによって、前記保護
管の注湯領域の熱衝撃による破損を防止することがで
き、前記保護管の寿命を向上させることができる。
【００１５】また、前記皮膜はＣＶＤ法で合成して形成
されている。更に、前記皮膜は、前記保護管の全表面に
設けられている。ＣＶＤ法による窒化ケイ素又は炭化ケ
イ素の皮膜は、結晶粒子が大きく、不純物をほとんど含
まないために、フォノン散乱が小さく、熱伝導率が大き
い。そのために、上記皮膜を備えた熱電対は、耐熱性、
耐衝撃性に対しても優れている。また、鋳鉄溶湯は、上
記皮膜には濡れ難いため、熱電対の表面にＦｅ金属が付
着し難く、作業性が良好であり、また、測温精度も向上
する。
されている。更に、前記皮膜は、前記保護管の全表面に
設けられている。ＣＶＤ法による窒化ケイ素又は炭化ケ
イ素の皮膜は、結晶粒子が大きく、不純物をほとんど含
まないために、フォノン散乱が小さく、熱伝導率が大き
い。そのために、上記皮膜を備えた熱電対は、耐熱性、
耐衝撃性に対しても優れている。また、鋳鉄溶湯は、上
記皮膜には濡れ難いため、熱電対の表面にＦｅ金属が付
着し難く、作業性が良好であり、また、測温精度も向上
する。
【００１６】ここで、耐熱衝撃温度をＴｃとした場合
に、熱伝導率をλ、皮膜の厚さをｄ、熱伝達率をｈ、ポ
アソン比をν、強度をσt 、ヤング率Ｅ及び線膨張係数
をαとすると、次の式が成り立つ。 Ｔｃ＝〔１．５＋３．２５λ／（ｄ×ｈ）〕×（１−
ν）×σt ／Ｅ×α 皮膜が窒化ケイ素である場合には、各因子は次のとおり
である。 λ＝４０Ｗ／ｍ・ｋ ｄ＝０．１×１０- 3 ｍ ｈ＝１００，０００Ｗ／ｍ2 ・Ｋ ν＝０．２９ σt ＝４００ＭＰａ Ｅ＝３００×１０3 ＭＰａ α＝３．２×１０- 6 ／℃ 従って、〔１．５＋３．２５λ／（ｄ×ｈ）〕をＸとす
ると、 Ｘ＝〔１．５＋３．２５×４０／０．１×１０- 3 ×１００，０００〕 ＝１．５＋３．２５×４＝１４．５ Ｔｃ＝Ｘ（１−０．２９）×４００／（３００×１０3 ×３．２×１０- 6 ） ＝１４．５×０．７１×４００／０．９６ ＝４２９０ 従って、この高温測温用セラミック熱電対は、窒化ケイ
素の皮膜を設けることによって、鋳鉄溶湯の測温時の１
５００℃にも耐えることができる。
に、熱伝導率をλ、皮膜の厚さをｄ、熱伝達率をｈ、ポ
アソン比をν、強度をσt 、ヤング率Ｅ及び線膨張係数
をαとすると、次の式が成り立つ。 Ｔｃ＝〔１．５＋３．２５λ／（ｄ×ｈ）〕×（１−
ν）×σt ／Ｅ×α 皮膜が窒化ケイ素である場合には、各因子は次のとおり
である。 λ＝４０Ｗ／ｍ・ｋ ｄ＝０．１×１０- 3 ｍ ｈ＝１００，０００Ｗ／ｍ2 ・Ｋ ν＝０．２９ σt ＝４００ＭＰａ Ｅ＝３００×１０3 ＭＰａ α＝３．２×１０- 6 ／℃ 従って、〔１．５＋３．２５λ／（ｄ×ｈ）〕をＸとす
ると、 Ｘ＝〔１．５＋３．２５×４０／０．１×１０- 3 ×１００，０００〕 ＝１．５＋３．２５×４＝１４．５ Ｔｃ＝Ｘ（１−０．２９）×４００／（３００×１０3 ×３．２×１０- 6 ） ＝１４．５×０．７１×４００／０．９６ ＝４２９０ 従って、この高温測温用セラミック熱電対は、窒化ケイ
素の皮膜を設けることによって、鋳鉄溶湯の測温時の１
５００℃にも耐えることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図１を参照して、この発明
による高温測温用セラミック熱電対の実施例を説明す
る。図１はこの高温測温用セラミック熱電対の実施例を
示す断面図、図２は図１の高温測温用セラミック熱電対
の先端部を示す拡大断面図、及び図３は図１の高温測温
用セラミック熱電対を注湯後の経過時間に対する熱電対
の温度上昇状態を示すグラフである。
による高温測温用セラミック熱電対の実施例を説明す
る。図１はこの高温測温用セラミック熱電対の実施例を
示す断面図、図２は図１の高温測温用セラミック熱電対
の先端部を示す拡大断面図、及び図３は図１の高温測温
用セラミック熱電対を注湯後の経過時間に対する熱電対
の温度上昇状態を示すグラフである。
【００１８】図１に示すように、この高温測温用セラミ
ック熱電対は、保護管１の内部に充填する充填材料及び
保護管１の先端の測温部２の構造に特徴を有するもので
ある。測温部２を保護管１の先端部４から突出させ、測
温部２の熱容量を小さく構成し、測温の対象物の温度に
直ちに上昇できる構造に構成されている。更に、保護管
１の内部に内包されるＷ−Ｒｅ素線６，７の酸化腐食に
よる断線を阻止するため、反応焼結セラミックスから成
る充填材３が保護管１の内部に充填され、ガラスから成
る封止部材１２で保護管１内が密封されている。
ック熱電対は、保護管１の内部に充填する充填材料及び
保護管１の先端の測温部２の構造に特徴を有するもので
ある。測温部２を保護管１の先端部４から突出させ、測
温部２の熱容量を小さく構成し、測温の対象物の温度に
直ちに上昇できる構造に構成されている。更に、保護管
１の内部に内包されるＷ−Ｒｅ素線６，７の酸化腐食に
よる断線を阻止するため、反応焼結セラミックスから成
る充填材３が保護管１の内部に充填され、ガラスから成
る封止部材１２で保護管１内が密封されている。
【００１９】この高温測温用セラミック熱電対は、窒化
ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）及
び炭化ケイ素（ＳｉＣ）から選択されるセラミックスに
よって作製された保護管１、保護管１の内部に配置され
た異なる組成の一対のＷ−Ｒｅ素線６，７、Ｗ−Ｒｅ素
線６，７の端部を互いに接合し且つ保護管１の先端部４
から露出している結合部分９、保護管１から露出した結
合部分９に設けられ且つ炭化ケイ素、窒化ケイ素又はそ
れらの複合材料から成る皮膜８、保護管１の内部に充填
された焼結時に寸法変化の小さい耐熱性充填材３から構
成されている。また、耐熱性充填材３は、Ｔｉを含む反
応焼結セラミックスで作製されている。保護管１のうち
測温部側の端部には、炭化ケイ素製ファイバーから成る
ソケット５が設けられている。更に、皮膜８は、ＣＶＤ
法で合成して形成されているものであり、保護管１の表
面にも全面に設けられ、それによって、熱電対の耐熱性
を向上させている。
ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）及
び炭化ケイ素（ＳｉＣ）から選択されるセラミックスに
よって作製された保護管１、保護管１の内部に配置され
た異なる組成の一対のＷ−Ｒｅ素線６，７、Ｗ−Ｒｅ素
線６，７の端部を互いに接合し且つ保護管１の先端部４
から露出している結合部分９、保護管１から露出した結
合部分９に設けられ且つ炭化ケイ素、窒化ケイ素又はそ
れらの複合材料から成る皮膜８、保護管１の内部に充填
された焼結時に寸法変化の小さい耐熱性充填材３から構
成されている。また、耐熱性充填材３は、Ｔｉを含む反
応焼結セラミックスで作製されている。保護管１のうち
測温部側の端部には、炭化ケイ素製ファイバーから成る
ソケット５が設けられている。更に、皮膜８は、ＣＶＤ
法で合成して形成されているものであり、保護管１の表
面にも全面に設けられ、それによって、熱電対の耐熱性
を向上させている。
【００２０】この高温測温用セラミック熱電対におい
て、充填材３は、Ｔｉを含有させたスラリーを保護管１
に充填して反応焼結した場合に、Ｔｉを含有することで
焼結膨張し、充填材３が保護管１の内壁面に密着し、保
護管１と充填材３との境界に隙間等が形成されることが
ない。充填材３は、ＳｉＣウィスカー等のセラミック繊
維、或いはＳｉ3 Ｎ4 系反応焼結セラミックスから成る
材料で構成されている。保護管１の内部には、Ｎ2 やＡ
ｒの不活性ガスが封入されていると共に、保護管１の内
部に前記不活性ガスを封入するため、保護管１の開口端
部にはポリイミド樹脂や鉛ガラス等の封止部材１２が嵌
合して密閉されている。充填材３を反応焼結セラミック
スから構成した場合には、保護管１に充填されたスラリ
ーをＮ2 雰囲気で反応焼結することによって必然的にＮ
2 が封入されることになる。
て、充填材３は、Ｔｉを含有させたスラリーを保護管１
に充填して反応焼結した場合に、Ｔｉを含有することで
焼結膨張し、充填材３が保護管１の内壁面に密着し、保
護管１と充填材３との境界に隙間等が形成されることが
ない。充填材３は、ＳｉＣウィスカー等のセラミック繊
維、或いはＳｉ3 Ｎ4 系反応焼結セラミックスから成る
材料で構成されている。保護管１の内部には、Ｎ2 やＡ
ｒの不活性ガスが封入されていると共に、保護管１の内
部に前記不活性ガスを封入するため、保護管１の開口端
部にはポリイミド樹脂や鉛ガラス等の封止部材１２が嵌
合して密閉されている。充填材３を反応焼結セラミック
スから構成した場合には、保護管１に充填されたスラリ
ーをＮ2 雰囲気で反応焼結することによって必然的にＮ
2 が封入されることになる。
【００２１】〔実施例１〕第１実施例の高温測温用セラ
ミック熱電対は、図１に示すように作製されているもの
である。Ｗ−Ｒｅ線６，７は、異なる組成を有するＷ−
５Ｒｅと、Ｗ−２６Ｒｅからそれぞれ構成され、それぞ
れ線径が０．５ｍｍであり、長さが３００ｍｍであり、
先端部が互いに結合されている結合部分９を備えてい
る。また、保護管１を、外径がφ８ｍｍの窒化ケイ素か
ら作製した。保護管１内にＷ−Ｒｅ線６，７を配置し、
その時、結合部分９を保護管１の端部から露出させて配
置した。次いで、保護管１の空間部にＷ−Ｒｅ線６，７
を包み込むようにＴｉ，Ｓｉを含む原料粉末を充填し、
これを１４００℃の窒素雰囲気中で反応焼結し、反応焼
結の熱電対を作製した。次いで、四塩化ケイ素とアンモ
ニアガスを原料ガスとし、また、水素ガスと窒素ガスを
キャリヤガスとして、反応焼結の熱電対を１５００℃中
の炉内に導入し、それらを反応させ、それによって熱電
対の測温部となる先端部を含む熱電対の保護管１の全表
面に厚さ約１００ミクロンの窒化ケイ素製の皮膜８，１
７を設けた。
ミック熱電対は、図１に示すように作製されているもの
である。Ｗ−Ｒｅ線６，７は、異なる組成を有するＷ−
５Ｒｅと、Ｗ−２６Ｒｅからそれぞれ構成され、それぞ
れ線径が０．５ｍｍであり、長さが３００ｍｍであり、
先端部が互いに結合されている結合部分９を備えてい
る。また、保護管１を、外径がφ８ｍｍの窒化ケイ素か
ら作製した。保護管１内にＷ−Ｒｅ線６，７を配置し、
その時、結合部分９を保護管１の端部から露出させて配
置した。次いで、保護管１の空間部にＷ−Ｒｅ線６，７
を包み込むようにＴｉ，Ｓｉを含む原料粉末を充填し、
これを１４００℃の窒素雰囲気中で反応焼結し、反応焼
結の熱電対を作製した。次いで、四塩化ケイ素とアンモ
ニアガスを原料ガスとし、また、水素ガスと窒素ガスを
キャリヤガスとして、反応焼結の熱電対を１５００℃中
の炉内に導入し、それらを反応させ、それによって熱電
対の測温部となる先端部を含む熱電対の保護管１の全表
面に厚さ約１００ミクロンの窒化ケイ素製の皮膜８，１
７を設けた。
【００２２】また、上記と同様の工程によって、原料ガ
スをアンモニアガスに代えて、メタンガスを用い、反応
焼結の熱電対を１５００℃中の炉内に導入し、それらを
反応させ、それによって熱電対の測温部となる先端部を
含む熱電対の保護管１の全表面に厚さ約１００ミクロン
の炭化ケイ素製の皮膜８，１７を設けた。
スをアンモニアガスに代えて、メタンガスを用い、反応
焼結の熱電対を１５００℃中の炉内に導入し、それらを
反応させ、それによって熱電対の測温部となる先端部を
含む熱電対の保護管１の全表面に厚さ約１００ミクロン
の炭化ケイ素製の皮膜８，１７を設けた。
【００２３】次いで、保護管１の開口端部をケイ素系の
ガラス１２で封止し、Ｗ−Ｒｅ線６，７の端部にニッケ
ル製の導線１９をそれぞれ銀蝋２０で結線した。また、
注湯領域１８に位置する保護管１の先端部４には、炭化
ケイ素ファイバーを編んで作製したソケット５が取り付
けられている。更に、熱電対を用いて溶湯の測温を行う
場合の作業性を容易にするため、保護管１の端部には、
ねじ１６を備えたＳＵＳ製連結具１１を介して長さ約
１．５ｍの中空部１５を備えたＳＵＳ製パイプ１０が接
続されている。パイプ１０の端部には端子封止部材１３
が設けられ、端子封止部材１３から導線１９の端子１４
が延び出している。
ガラス１２で封止し、Ｗ−Ｒｅ線６，７の端部にニッケ
ル製の導線１９をそれぞれ銀蝋２０で結線した。また、
注湯領域１８に位置する保護管１の先端部４には、炭化
ケイ素ファイバーを編んで作製したソケット５が取り付
けられている。更に、熱電対を用いて溶湯の測温を行う
場合の作業性を容易にするため、保護管１の端部には、
ねじ１６を備えたＳＵＳ製連結具１１を介して長さ約
１．５ｍの中空部１５を備えたＳＵＳ製パイプ１０が接
続されている。パイプ１０の端部には端子封止部材１３
が設けられ、端子封止部材１３から導線１９の端子１４
が延び出している。
【００２４】上記のように作製された高温測温用セラミ
ック熱電対（本発明品）を用いて、その注湯領域１８を
１４５０℃の鋳鉄溶湯に注入し、その時の測温応答性を
試験した。また、この高温測温用セラミック熱電対の比
較のため、従来の熱電対（従来品）を用いて同様に測温
応答性を試験した。本発明品と従来品との測温応答性の
比較結果を図３に示す。図３のグラフから分かるよう
に、本発明品は鋳鉄溶湯の温度１４５０℃を２秒程度で
測温できるのに対し、従来品は鋳鉄溶湯の温度１４５０
℃を７秒程度で測温時間を必要とした。即ち、本発明品
は、従来品に比較して測温応答性が極めて良好であるこ
とが分かる。また、本発明品は、鋳鉄溶湯を１５００回
以上の測温したが、損傷等が発生しなかった。これに対
して、従来品は、２回程度で測温部へのＦｅの付着或い
は測温部での化学変化が発生し、鋳鉄溶湯の測温の精度
が発揮できず、損傷したことが分かった。
ック熱電対（本発明品）を用いて、その注湯領域１８を
１４５０℃の鋳鉄溶湯に注入し、その時の測温応答性を
試験した。また、この高温測温用セラミック熱電対の比
較のため、従来の熱電対（従来品）を用いて同様に測温
応答性を試験した。本発明品と従来品との測温応答性の
比較結果を図３に示す。図３のグラフから分かるよう
に、本発明品は鋳鉄溶湯の温度１４５０℃を２秒程度で
測温できるのに対し、従来品は鋳鉄溶湯の温度１４５０
℃を７秒程度で測温時間を必要とした。即ち、本発明品
は、従来品に比較して測温応答性が極めて良好であるこ
とが分かる。また、本発明品は、鋳鉄溶湯を１５００回
以上の測温したが、損傷等が発生しなかった。これに対
して、従来品は、２回程度で測温部へのＦｅの付着或い
は測温部での化学変化が発生し、鋳鉄溶湯の測温の精度
が発揮できず、損傷したことが分かった。
【００２５】
【発明の効果】この発明による高温測温用セラミック熱
電対は、上記のように、測温部を形成するＷ−Ｒｅ線の
結合部分を保護管から露出させ、その露出したＷ−Ｒｅ
線の表面に窒化ケイ素又は炭化ケイ素の皮膜を設けたの
で、測温部での熱容量が可及的に小さく構成され、熱電
対の測温部が被測温物体の温度にまで直ちに上昇し、測
温応答性が良好になり、鋳鉄溶湯等の被測温物体の温度
を短時間で高精度に測定できる。また、前記保護管は前
記皮膜で被覆され、しかも注湯領域に炭化ケイ素ファイ
バーから成るソケットが嵌装されているので、耐熱性及
び耐酸化性に優れ、しかも、窒化ケイ素や炭化ケイ素は
鋳鉄溶湯に対して濡れ難いので、熱電対の注湯領域に金
属が付着することがなく、熱電対を多数回にわたって反
復使用しても、溶湯等の被測温物体の温度を高精度に且
つ迅速に測定でき、その寿命を向上させることができ
る。また、測温領域の温度は、保護管内の充填材によっ
て遮熱され、保護管を通じて後方へ熱が逃げ難くなり、
測温領域の熱電対の熱容量が小さいこととの作用によっ
て、熱電対の測温応答性を向上させることができる。
電対は、上記のように、測温部を形成するＷ−Ｒｅ線の
結合部分を保護管から露出させ、その露出したＷ−Ｒｅ
線の表面に窒化ケイ素又は炭化ケイ素の皮膜を設けたの
で、測温部での熱容量が可及的に小さく構成され、熱電
対の測温部が被測温物体の温度にまで直ちに上昇し、測
温応答性が良好になり、鋳鉄溶湯等の被測温物体の温度
を短時間で高精度に測定できる。また、前記保護管は前
記皮膜で被覆され、しかも注湯領域に炭化ケイ素ファイ
バーから成るソケットが嵌装されているので、耐熱性及
び耐酸化性に優れ、しかも、窒化ケイ素や炭化ケイ素は
鋳鉄溶湯に対して濡れ難いので、熱電対の注湯領域に金
属が付着することがなく、熱電対を多数回にわたって反
復使用しても、溶湯等の被測温物体の温度を高精度に且
つ迅速に測定でき、その寿命を向上させることができ
る。また、測温領域の温度は、保護管内の充填材によっ
て遮熱され、保護管を通じて後方へ熱が逃げ難くなり、
測温領域の熱電対の熱容量が小さいこととの作用によっ
て、熱電対の測温応答性を向上させることができる。
【図１】この高温測温用セラミック熱電対の一実施例を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】図１の高温測温用セラミック熱電対の先端部を
示す拡大断面図である。
示す拡大断面図である。
【図３】図１の高温測温用セラミック熱電対を注湯後の
経過時間に対する熱電対の温度上昇状態を示すグラフで
ある。
経過時間に対する熱電対の温度上昇状態を示すグラフで
ある。
【図４】熱電対を構成する材料による使用可能温度を示
すグラフである。
すグラフである。
１ 保護管 ２ 測温部 ３ 充填材 ４ 先端部 ５ ソケット ６，７ Ｗ−Ｒｅ素線 ８ 測温部の皮膜 ９ 結合部分 １８ 注湯領域
Claims (5)
- 【請求項１】 窒化珪素、サイアロン及び炭化珪素から
選択されるセラミックスによって作製された保護管、前
記保護管の内部に配置された異なる組成の一対のＷ−Ｒ
ｅ素線、前記Ｗ−Ｒｅ素線の端部が互いに接合され且つ
前記保護管から露出している測温部を構成する結合部
分、少なくとも前記保護管から露出した前記Ｗ−Ｒｅ素
線の前記結合部分に形成された炭化ケイ素、窒化ケイ素
又はそれらの複合材料から成る皮膜、前記保護管の内部
に充填された焼結時に寸法変化の小さい耐熱性充填材、
から成る高温測温用セラミック熱電対。 - 【請求項２】 前記耐熱性充填材はＴｉを含む反応焼結
セラミックスである請求項１に記載の高温測温用セラミ
ック熱電対。 - 【請求項３】 前記保護管のうち前記測温部側の端部に
は炭化ケイ素製ファイバーから成るソケットが設けられ
ている請求項１又は２に記載の高温測温用セラミック熱
電対。 - 【請求項４】 前記皮膜はＣＶＤ法で合成して形成され
ている請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温測温用
セラミック熱電対。 - 【請求項５】 前記皮膜は前記保護管の全表面に設けら
れている請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温測温
用セラミック熱電対。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29982096A JP3550915B2 (ja) | 1996-10-25 | 1996-10-25 | 高温測温用セラミック熱電対 |
| EP97304858A EP0818671A3 (en) | 1996-07-12 | 1997-07-03 | A ceramic sheath type thermocouple |
| US08/890,427 US6102565A (en) | 1996-07-12 | 1997-07-09 | Ceramic sheath type thermocouple |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29982096A JP3550915B2 (ja) | 1996-10-25 | 1996-10-25 | 高温測温用セラミック熱電対 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10132666A true JPH10132666A (ja) | 1998-05-22 |
| JP3550915B2 JP3550915B2 (ja) | 2004-08-04 |
Family
ID=17877323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29982096A Expired - Fee Related JP3550915B2 (ja) | 1996-07-12 | 1996-10-25 | 高温測温用セラミック熱電対 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3550915B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000088668A (ja) * | 1998-09-16 | 2000-03-31 | Isuzu Ceramics Res Inst Co Ltd | 熱電対 |
| JP2001091365A (ja) * | 1999-09-14 | 2001-04-06 | General Electric Co <Ge> | 熱電対アセンブリ |
| WO2014054213A1 (ja) * | 2012-10-04 | 2014-04-10 | ヤンマー株式会社 | 消耗型熱電対 |
| CN109974879A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-07-05 | 上海电仪仪器仪表有限公司 | 一种热电偶温度计结构 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS62170656U (ja) * | 1986-04-17 | 1987-10-29 | ||
| JPS6311574A (ja) * | 1986-03-18 | 1988-01-19 | 日立金属株式会社 | 熱電対保護管及びその製造方法 |
| JPH01202634A (ja) * | 1988-02-08 | 1989-08-15 | Paloma Ind Ltd | 熱電対 |
| JPH0238391A (ja) * | 1988-07-29 | 1990-02-07 | Hitachi Metals Ltd | 溶湯浸漬部材及びその製造方法 |
| JPH02217361A (ja) * | 1988-12-21 | 1990-08-30 | Bayer Ag | 反応―焼結された窒化ケイ素セラミックの製造方法、このようにして得られた窒化ケイ素セラミック、およびそれらの使用 |
| JPH0755586A (ja) * | 1993-08-17 | 1995-03-03 | Meidensha Corp | シース熱電対 |
| JPH09105677A (ja) * | 1995-10-12 | 1997-04-22 | Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk | セラミックシース型部品及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-10-25 JP JP29982096A patent/JP3550915B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
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| JPH09105677A (ja) * | 1995-10-12 | 1997-04-22 | Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk | セラミックシース型部品及びその製造方法 |
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| WO2014054213A1 (ja) * | 2012-10-04 | 2014-04-10 | ヤンマー株式会社 | 消耗型熱電対 |
| CN109974879A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-07-05 | 上海电仪仪器仪表有限公司 | 一种热电偶温度计结构 |
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|---|---|
| JP3550915B2 (ja) | 2004-08-04 |
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