JPH11258061A - 試料カートリッジの熱電対取付方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 試料カートリッジの内部に熱電対を挿入する
ことができ、温度の測定精度を向上することができる試
料カートリッジの熱電対取付方法及び装置を提供する。 【解決手段】 試料カートリッジの熱電対挿着方法は、
熱電対４を真っ直ぐに通すための貫通孔５，５を両フラ
ンジ部３ａ，３ｂに設ける第一工程と、カートリッジ外
筒側フランジ部３ｂの試料カートリッジの周壁を形成す
る表面に、箔状のロー材６を添付する第二工程と、その
上に、熱電対４を通す貫通孔７ａを有し、少なくとも二
分割された押さえ板７を、カートリッジ外筒１側フラン
ジ部３ｂの貫通孔５と一致させて取り付ける第三工程
と、熱電対４をカートリッジボス内から各貫通孔５，７
ａ，５に通す第四工程と、ロー材６を加熱・溶融して熱
電対４の貫通部を密封する第五工程と、からなるもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気抵抗加熱炉に
設置して金属材料の加熱実験を行う試料カートリッジの
熱電対取付方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属材料の物性等を知るために地球上で
実験した場合、重力により発生する対流等の影響によ
り、正確に測定できないものもある。そこで、最近で
は、有人宇宙実験棟等での微小重力下における金属材料
実験が盛んに行われるようになってきている。かかる金
属材料実験では、図５に示すような試料カートリッジが
使用されている。この試料カートリッジは、試料となる
金属材料を封入するルツボ１ｒを収容するカートリッジ
外筒１と、電気抵抗加熱炉内に固定されるカートリッジ
ボス２と、それらを連結する両端にフランジ部３ａ，３
ｂを有するカートリッジサポート３と、を備えたもので
ある。そして、試料カートリッジ内部の温度分布を測定
するために複数の熱電対４が設けられている。この熱電
対４には、タンタルやインコネル等からなる熱電対４の
保護管の中にマグネシアやアルミナを入れて固めた、い
わゆるシース熱電対が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図５に示すよ
うに、従来の試料カートリッジでは、試料カートリッジ
の内部に熱電対を挿入し密封する手段がなく、試料カー
トリッジの外側から試料カートリッジ内部の温度分布を
測定していた。そのため、測定精度が悪く、微小重力下
で実験を行う利益を損ねていた。

【０００４】本発明は、上述した課題を解決するために
創案されたものである。すなわち、試料カートリッジの
内部に熱電対を挿入することができ、温度の測定精度を
向上することができる試料カートリッジの熱電対取付方
法及び装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した本発
明によれば、試料となる金属材料を封入するルツボを収
容するカートリッジ外筒と、電気抵抗加熱炉内に固定さ
れるカートリッジボスと、それらを連結する両端にフラ
ンジ部を有するカートリッジサポートと、を備えた試料
カートリッジの熱電対取付方法であって、熱電対を通す
ための貫通孔を上記両フランジ部に設ける第一工程と、
カートリッジ外筒側フランジ部の試料カートリッジの周
壁を形成する表面に、箔状のロー材を添付する第二工程
と、その上に、熱電対を通す貫通孔を有し、少なくとも
二分割された押さえ板を、カートリッジ外筒側フランジ
部の貫通孔と一致させて取り付ける第三工程と、熱電対
をカートリッジボス内から各貫通孔に通す第四工程と、
ロー材を加熱・溶融して熱電対の貫通部を密封する第五
工程と、を有することを特徴とする試料カートリッジの
熱電対取付方法が提供される。

【０００６】上述した本発明は、熱電対をカートリッジ
サポートに貫通させ、その隙間をロー材で密封すること
により、試料カートリッジの内部に熱電対を気密に挿入
できるようにしたものである。すなわち、試料カートリ
ッジの熱電対貫通部において、ロー材と押さえ板を用意
してから熱電対を貫通させ、その熱電対貫通部を加熱す
ることによりロー材を溶融し、熱電対と貫通孔の隙間を
ロー材で充填するとともに、熱電対，カートリッジサポ
ート及び押さえ板の各間を拡散接合させるようにしたも
のである。かかる方法により、試料カートリッジの内部
に熱電対を気密に挿入することができ、温度の測定精度
を向上することができる。

【０００７】請求項２に記載した本発明によれば、試料
となる金属材料を封入するルツボを収容するカートリッ
ジ外筒と、電気抵抗加熱炉内に固定されるカートリッジ
ボスと、それらを連結する両端にフランジ部を有するカ
ートリッジサポートと、を備えた試料カートリッジの熱
電対取付装置であって、カートリッジ外筒側フランジ部
の試料カートリッジの周壁を形成する表面に、箔状のロ
ー材及び押さえ板が取り付けられ、両フランジ部に熱電
対が貫通されたカートリッジサポートの、カートリッジ
ボス側フランジ部を支持する支持ジャケットと、カート
リッジ外筒側フランジ部に接触してカートリッジサポー
トの位置決めをする固定ジャケットと、カートリッジ外
筒側フランジ部の熱電対貫通部の周囲を囲むように設け
られた加熱コイルと、支持ジャケットの上に設けられ、
熱電対のスリーブを冷却するための冷却ジャケットと、
これらを内包する真空炉と、を備え、カートリッジ外筒
側フランジ部の熱電対貫通部を加熱する一方で熱電対の
スリーブを冷却し、スリーブを保護しつつロー材を溶融
し、熱電対貫通部を密封することを特徴とする試料カー
トリッジの熱電対取付装置が提供される。

【０００８】上述した本発明は、カートリッジサポート
に取り付けられたロー材を加熱・溶融するための装置で
ある。この試料カートリッジの熱電対取付装置は、ロー
材を加熱・溶融するときに、熱電対のスリーブに影響を
与えないように構成されている。すなわち、ロー材を局
所的に加熱・溶融する加熱コイルと、熱電対のスリーブ
を冷却する冷却ジャケットを備えたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を図１から図４を参照して説明する。図１は本発明の
試料カートリッジの熱電対取付方法の第一工程から第四
工程を示す図であり、図２は本発明の第五工程を示す図
である。また、図３は熱電対取付部の拡大図であり、図
４は本発明の試料カートリッジの熱電対取付方法により
熱電対を取り付けた試料カートリッジを示す全体図であ
る。

【００１０】本発明による試料カートリッジの熱電対取
付方法は、図１に示すように、熱電対４を真っ直ぐに通
すための貫通孔５，５を両フランジ部３ａ，３ｂに設け
る第一工程と、カートリッジ外筒１側フランジ部３ｂの
試料カートリッジの周壁を形成する表面に、箔状のロー
材６を添付する第二工程と、その上に、熱電対４を通す
貫通孔７ａを有し、少なくとも二分割された押さえ板７
を、カートリッジ外筒１側フランジ部３ｂの貫通孔５と
一致させて取り付ける第三工程と、熱電対４をカートリ
ッジボス２内から各貫通孔５，７ａ，５に通す第四工程
と、図２に示すように、ロー材６を加熱・溶融して熱電
対４の貫通部を密封する第五工程と、からなるものであ
る。なお、図１は第四工程の終了時を示し、図２は第五
工程の開始時を示している。

【００１１】図１に示すように、カートリッジサポート
３のフランジ部３ａ，３ｂには、熱電対４と所定の隙間
をなすように貫通孔５，５が穿孔され、熱電対４は、カ
ートリッジボス２内からカートリッジボス２側フランジ
部３ａの貫通孔５を通され、一端試料カートリッジの外
に出され、カートリッジ外筒１側フランジ部３ｂの貫通
孔５を通され、試料カートリッジの内部に挿入される。
本発明は、このカートリッジ外筒１側フランジ部３ｂの
貫通孔５、すなわち熱電対貫通部を完全に密封しようと
するものである。そこで、まず、カートリッジ外筒１側
フランジ部３ｂの試料カートリッジの周壁を形成する表
面に箔状のロー材６を添付し、その上に押さえ板７を取
り付けている。このロー材６を加熱・溶融することによ
り、熱電対貫通部を充填し密封し、さらに、押さえ板７
とフランジ部３ｂとの間、熱電対４と押さえ板７との間
及び熱電対４とフランジ部３ｂとの間において拡散接合
を促すようにしている。拡散接合とは、隣接する部材の
表面の組織を拡散させることにより、隣接する部材の金
属的性質を融合させる接合をいう。したがって、上述し
た各部材間で拡散接合することができれば、強度的に優
れた接合をすることができ、カートリッジサポート３内
部の圧力に対して十分に耐えることができるように熱電
対貫通部を密封することができる。かかる拡散接合を促
進させるために、例えば、タンタルのシース熱電対４
と、タングステンカーバイトのカートリッジサポート３
及び押さえ板７と、ニッケル基のロー材６を使用するこ
とが好ましい。なお、ロー材６や押さえ板７は、周方向
に複数に分割されており、フランジ部３ｂ上に置くだけ
で取り付けられるようになっている。

【００１２】上述の第一工程から第四工程が終了した
ら、ロー材６を加熱・溶融する第五工程へと移る。ここ
で、図２に示すような試料カートリッジの熱電対取付装
置を使用する。この装置は、カートリッジ外筒１側フラ
ンジ部３ｂの試料カートリッジの周壁を形成する表面
に、箔状のロー材６及び押さえ板７が取り付けられ、両
フランジ部３ａ，３ｂに熱電対４が貫通されたカートリ
ッジサポート３の、カートリッジボス２側フランジ部３
ａを支持する支持ジャケット８と、カートリッジ外筒１
側フランジ部３ｂに接触してカートリッジサポート３の
位置決めをする固定ジャケット９と、カートリッジ外筒
１側フランジ部３ｂの熱電対貫通部の周囲を囲むように
設けられた加熱コイル１０と、支持ジャケット８の上に
設けられ、熱電対４のスリーブ４ｓを冷却するための冷
却ジャケット１１と、これらを内包する真空炉（図示せ
ず）と、を備えたものであり、支持ジャケット８，固定
ジャケット９，加熱コイル１０及び冷却ジャケット１１
は、それぞれ二分割されており、図の紙面の表裏方向に
アクチュエータ等によりスライドできるようになってい
る。

【００１３】上述の第一工程から第四工程を終えたカー
トリッジサポート３は、炉内に運ばれ、支持ジャケット
８により両側から挟まれるようにして支持される。ここ
では、支持ジャケット８と冷却ジャケット１１が一体化
されているため、同時に冷却ジャケット１１も熱電対４
を覆うようにセットされる。次に固定ジャケット９をス
ライドさせ、カートリッジサポート３が水平になるよう
に位置決めを行う。カートリッジサポート３が傾いてい
ると、貫通孔５における熱電対４のクリアランスを一定
に維持することができず、ロー材６を一様に充填するこ
とができなくなってしまうからである。また、この固定
ジャケット９とフランジ部３ｂとの接触により、真空炉
の気密性を維持できるようにしている。この真空炉で
は、炉床１２に貫通孔１２ａが形成され、熱電対４が鉛
直に垂れるようにして貫通孔５における熱電対４のクリ
アランスを一定に維持するようにしているからである。
また、支持ジャケット８，固定ジャケット９及び冷却ジ
ャケット１１には、それぞれ冷却水流路８ｒ，９ｒ，１
１ｒが形成されており、カートリッジサポート３及び熱
電対４を冷却するようにしている。ロー材６を溶融する
ためには、加熱コイル１０により、熱電対貫通部を１０
００℃以上に加熱しなければならないが、熱電対４のス
リーブ４ｓは２００℃程度までしか耐えられないからで
ある。なお、このスリーブ４ｓは、外部のコネクタと熱
電対４とを結合するための補助導線等が挿入され、絶縁
樹脂により充填されているものである。

【００１４】上述した熱電対取付装置によれば、スリー
ブ４ｓを冷却しつつ、熱電対貫通部を局所的に加熱する
ことができ、スリーブ４ｓを破損することなく熱電対貫
通部を密封することができる。ここで、図３は熱電対貫
通部の拡大図であり、（Ａ）は加熱前、（Ｂ）は加熱後
を示している。図３（Ａ）に示すように、フランジ部３
ｂ上には、ロー材６及び押さえ板７が取り付けられてお
り、その貫通孔７ａ，５には熱電対４が貫通している。
この熱電対４のクリアランスｄは、熱電対４のシース，
カートリッジサポート３，ロー材６及び押さえ板７の材
質や貫通孔５，７ａの寸法等により異なるが、図２に示
す固定ジャケット９により一定に維持されている。ロー
材６の溶融時の濡れ性を一様に保ち、熱電対貫通部に均
一に充填するためである。そして、上述した熱電対取付
装置をセットし、炉内を真空引きした後、図２に示す加
熱コイル１０により熱電対貫通部を所定の温度まで加熱
し、ロー材６を溶融させる。このときの加熱温度や加熱
時間等の条件は、熱電対４のシース，カートリッジサポ
ート３，ロー材６及び押さえ板７の材質やクリアランス
ｄ等により異なるが、各部材間において拡散接合が促進
され、十分な強度を得ることができるように設定され
る。例えば、図３（Ｂ）に示す密封された熱電対貫通部
は、直径１ｍｍのタンタルシース熱電対４と、クリアラ
ンスｄが０．０５ｍｍとなるように穿孔された貫通孔
５，７ａを有するタングステンカーバイト性のカートリ
ッジサポート３及び押さえ板７で略同厚のものと、直径
１ｍｍの孔を開けたニッケル基ロー材６を使用し、１１
００℃で３０分間加熱したものである。かかる条件の下
では、熱電対貫通部におけるロー材６の濡れ状態が全体
に渡って良好であり、各部材も十分に拡散しており、熱
電対貫通部が完全に密封され、強度にも優れている。な
お、一般に、拡散接合は加熱時間の増加とともに進行す
るため、加熱時間を延長すれば強度を高めることが容易
にできる。

【００１５】図４は第一工程から第二工程を終えたカー
トリッジサポート３が組み込まれた試料カートリッジで
ある。上述の工程により熱電対４が取付されたカートリ
ッジサポート３には、図４に示すように、試料を封入す
るルツボ１ｒ，ルツボ１ｒの位置決めを行うスペーサ１
ｓ，ルツボ１ｒ内の圧力を一定に保持するグラファイト
スプリング１ｇ，蓋１ｃ等を備えたカートリッジ外筒
１、及び、熱電対４のスリーブ４ｓを固定しコネクタ
（図示せず）に接続されるカートリッジボス２が螺合さ
れて接続される。このとき、熱電対４の先端は、カート
リッジ外筒１を通り、ルツボ１ｒの表面に固着される。
したがって、試料に近接した試料カートリッジ内の温度
分布を正確に測定することができ、温度制御を正確に行
うことができ、目的とする温度条件による金属材料実験
を行うことができる。

【００１６】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。

【００１７】

【発明の効果】上述した本発明の試料カートリッジの熱
電対取付方法及び装置によれば、試料カートリッジの内
部に熱電対を気密に挿入することができ、温度の測定精
度を向上することができ、目的とする温度条件による金
属材料実験を行うことができ、微小重力下で実験を行う
利益を十分に享受することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の試料カートリッジの熱電対取付方法の
第一工程から第四工程を示す図である。

【図２】本発明の第五工程を示す図である。

【図３】熱電対取付部の拡大図であり、（Ａ）は加熱
前、（Ｂ）は加熱後を示している。

【図４】本発明の試料カートリッジの熱電対取付方法に
より熱電対を取り付けた試料カートリッジを示す全体図
である。

【図５】従来の試料カートリッジの構成図である。

【符号の説明】

１ カートリッジ外筒 １ｒ ルツボ １ｓ スペーサ １ｇ グラファイトスプリング １ｃ 蓋 ２ カートリッジボス ３ カートリッジサポート ３ａ カートリッジボス側フランジ部 ３ｂ カートリッジ外筒側フランジ部 ４ 熱電対 ５，７ａ 貫通孔 ６ ロー材 ７ 押さえ板 ８ 支持ジャケット ８ａ，９ａ，１１ａ 冷却水流路 ９ 固定ジャケット １０ 加熱コイル １１ 冷却ジャケット １２ 炉床 １２ａ 貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000000099 石川島播磨重工業株式会社 東京都千代田区大手町２丁目２番１号 (72)発明者 中村 憲和 福岡県中間市大字上底井野176番地の94 (72)発明者 西尾 一政 福岡県北九州市八幡西区鷹の巣２丁目４− 38−703 (72)発明者 石橋 利幸 福岡県北九州市戸畑区中原新町２番１号 北九州テクノセンタービル702号 アドバ ンストスペーステクノロジー株式会社内 (72)発明者 東野 和幸 東京都西多摩郡瑞穂町殿ケ谷229 石川島 播磨重工業株式会社瑞穂工場内 (72)発明者 深澤 潔 東京都西多摩郡瑞穂町殿ケ谷229 石川島 播磨重工業株式会社瑞穂工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料となる金属材料を封入するルツボを
   収容するカートリッジ外筒と、電気抵抗加熱炉内に固定
   されるカートリッジボスと、それらを連結する両端にフ
   ランジ部を有するカートリッジサポートと、を備えた試
   料カートリッジの熱電対取付方法であって、 熱電対を通すための貫通孔を上記両フランジ部に設ける
   第一工程と、 カートリッジ外筒側フランジ部の試料カートリッジの周
   壁を形成する表面に、箔状のロー材を添付する第二工程
   と、 その上に、熱電対を通す貫通孔を有し、少なくとも二分
   割された押さえ板を、カートリッジ外筒側フランジ部の
   貫通孔と一致させて取り付ける第三工程と、 熱電対をカートリッジボス内から各貫通孔に通す第四工
   程と、 ロー材を加熱・溶融して熱電対の貫通部を密封する第五
   工程と、を有することを特徴とする試料カートリッジの
   熱電対取付方法。
2. 【請求項２】 試料となる金属材料を封入するルツボを
   収容するカートリッジ外筒と、電気抵抗加熱炉内に固定
   されるカートリッジボスと、それらを連結する両端にフ
   ランジ部を有するカートリッジサポートと、を備えた試
   料カートリッジの熱電対取付装置であって、 カートリッジ外筒側フランジ部の試料カートリッジの周
   壁を形成する表面に、箔状のロー材及び押さえ板が取り
   付けられ、両フランジ部に熱電対が貫通されたカートリ
   ッジサポートの、カートリッジボス側フランジ部を支持
   する支持ジャケットと、 カートリッジ外筒側フランジ部に接触してカートリッジ
   サポートの位置決めをする固定ジャケットと、 カートリッジ外筒側フランジ部の熱電対貫通部の周囲を
   囲むように設けられた加熱コイルと、 支持ジャケットの上に設けられ、熱電対のスリーブを冷
   却するための冷却ジャケットと、 これらを内包する真空炉と、 を備え、カートリッジ外筒側フランジ部の熱電対貫通部
   を加熱する一方で熱電対のスリーブを冷却し、スリーブ
   を保護しつつロー材を溶融し、熱電対貫通部を密封する
   ことを特徴とする試料カートリッジの熱電対取付装置。