WO2013072961A1 - 温度センサおよび機器 - Google Patents

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WO2013072961A1
WO2013072961A1 PCT/JP2011/006372 JP2011006372W WO2013072961A1 WO 2013072961 A1 WO2013072961 A1 WO 2013072961A1 JP 2011006372 W JP2011006372 W JP 2011006372W WO 2013072961 A1 WO2013072961 A1 WO 2013072961A1
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WO
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temperature
temperature sensor
heat
wire
lead wire
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Application number
PCT/JP2011/006372
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English (en)
French (fr)
Inventor
守富 濱田
中村　和正
葉子 谷口
Original Assignee
株式会社芝浦電子
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor

Definitions

  • the present invention relates to a long temperature sensor capable of measuring a high temperature of, for example, 500 ° C. or higher.
  • Temperature sensitivity of thermistors, etc. whose electrical resistance varies with temperature to measure the internal temperature of equipment such as electric ovens (radiant heaters), radiant heaters, water heaters, combustion appliances, exhaust gas purifiers, boilers, burners, stoves, etc.
  • a temperature sensor using a body is widely used.
  • a sensor element used for such a temperature sensor includes a temperature sensor, a pair of lead wires connected to electrodes of the temperature sensor, and a sealing material made of heat-resistant glass that seals the temperature sensor. It is housed in a metal protective tube that protects the sensor element from vibration, external force, combustion gas, and the like.
  • the present applicant has proposed a temperature sensor that can withstand use in a high temperature atmosphere of, for example, 500 to 1000 ° C. in Patent Document 1.
  • the temperature sensor of Patent Document 1 generates a leak current generated between lead wires when a conductive substance (a constituent element of the metal) evaporates from the metal protective tube that houses the temperature sensing element and fills between the lead wires. The purpose is to prevent.
  • the temperature sensor of Patent Document 1 covers a lead wire with a ceramic shield.
  • the temperature sensor of Patent Document 1 assumes a case where the length from a portion (rear end) attached to the device to the temperature sensing body (front end) facing the measurement object is as short as about 50 mm, for example. However, depending on the device in which the temperature sensor is used, the length from the rear end to the front end may exceed 300 mm.
  • the ceramic shielding body of Patent Document 1 When applying the ceramic shielding body of Patent Document 1 to such a long temperature sensor, there are the following problems. First, it is not easy to sinter and manufacture a long ceramic shielding body that is 100 times or more with respect to a diameter of several mm (approximately 2 to 3 mm), and the cost is significantly increased. The upper limit for easy and accurate fabrication is at most several tens of millimeters. If a large number of short ceramic shields of several tens of millimeters are connected, the overall length becomes long. However, since it is necessary to pass the lead wires through each of the many shields, the cost is still extremely high. It will be
  • the present invention has been made based on such a technical problem, and an object thereof is to provide a temperature sensor that can be lengthened while suppressing an increase in cost, and a device in which the temperature sensor is incorporated.
  • the temperature sensor of the present invention includes a temperature sensing element whose electrical resistance varies with temperature, a pair of lead wires electrically connected to the temperature sensing element, and the temperature sensing element and the temperature sensing element.
  • a protective material that covers up to the connection portion where the lead wire and the heat-resistant wire with covering are connected.
  • a long temperature sensor corresponding to the length of the coated heat-resistant wire can be manufactured by connecting the coated heat-resistant wire to the lead wire of the sensor element.
  • lead wires with high heat resistance such as platinum and platinum alloys that are connected to a temperature sensitive body that is exposed to high temperature are expensive. Therefore, if the lead wires are extended to the rear end side of the temperature sensor, the cost is reduced. Directly connected to the increase, the total cost including the coating for insulating the lead wire increases. Therefore, by shortening the length of the expensive lead wire and suppressing the cost, this lead wire has a high temperature atmosphere by connecting a heat resistant wire with a coating having heat resistance and insulation at a high temperature by coating. The lower insulation can be ensured at low cost.
  • This sheathed heat-resistant wire is prepared and connected to the lead wire.
  • the heat-resistant lead wire is connected to a heat-resistant lead wire that is inferior in heat resistance, but is extended to the rear end side. Compared to a configuration in which a simple lead wire is covered with a large number of ceramic shields and protected from high heat, no cost is required.
  • the insulation from the sealing end to the connection portion is covered with the protective material, so that the insulation of the lead wire and the heat-resistant wire with the coating in a high temperature atmosphere can be ensured better.
  • the minimum insulation required for the lead wire and the coated heat-resistant wire is to maintain insulation in a high temperature atmosphere for a predetermined time (for example, several thousand to several hundred thousand hours).
  • the heat resistance of the coated heat-resistant wire can be improved by covering from the sealing end to the connection portion with the protective material.
  • heat resistance means heat resistance deterioration strength.
  • a temperature sensor can be provided according to the specification of various apparatuses.
  • the temperature sensor of the present invention can make the lengthening effect stand out when the temperature gradient with respect to the length is small.
  • the protective material is a ceramic material including ceramic particles and a binding material that bonds the ceramic particles, and preferably covers the entire sealing material.
  • the ceramic material constituting the protective material is fluid including solvent before drying and curing. If the front end of the temperature sensor is immersed in this fluid ceramic material, the sealing material including the sealing end is sealed.
  • a protective material is provided so as to cover the entire material and from the sealing end to the connection portion.
  • a protective material can be provided easily rather than the case where a protective material is provided only from a sealing end to a connection part.
  • a protective material shall have a ceramic material containing the ceramic particle and the binder which couple
  • the protective material has a predetermined shape, predetermined heat resistance and insulation performance can be obtained.
  • the front end on the side where the temperature sensing element is disposed is closed and a metal protective tube into which the sensor element is inserted from the rear end is provided. Since the sensor element is protected from vibration, external force, high heat, and combustion gas by the metal protective tube, it is possible to improve the durability of the temperature sensor over time.
  • the metal protective tube has a cylindrical body that forms a cylindrical portion connected to the front end, and a plate member that is welded to the peripheral portion of the cylindrical body and forms the front end. Since a metal protective tube is also long with a long temperature sensor, it is possible to manufacture a metal protective tube by deep drawing that forms the plate material into a tube with the bottom (front end) closed using a die and a punch. Have difficulty. Even if it can be manufactured, there is a possibility that a desired thickness cannot be obtained at the front end of the metal protective tube.
  • the metal protective tube is composed of a cylindrical body and a plate material, and the front end of the metal protective tube is formed by welding a plate material of a desired thickness to the peripheral portion of the cylindrical body, a long metal protective tube (A bottomed tube with the front end blocked) can be easily manufactured, and the durability of the metal protective tube according to the thickness of the front end can be ensured.
  • a metal protective tube whose front end is blocked may be obtained by melting and solidifying the end of the cylinder body having both ends opened.
  • the above-described temperature sensor is incorporated in the device of the present invention.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the apparatus in which a long temperature sensor is integrated can be provided, suppressing a cost increase. Moreover, it can respond to various apparatus specifications according to the length and material of the heat-resistant wire with a temperature sensor covering. Furthermore, the reliability of the device can be improved by ensuring the insulation and heat resistance of the temperature sensor.
  • the temperature sensor and the device of the present invention can be lengthened while suppressing an increase in cost according to the length of the heat-resistant coated wire connected to the lead wire.
  • insulation and heat resistance can be improved by covering from the sealing end to the connecting portion with a protective material.
  • FIG. 1 It is a longitudinal cross-sectional view of the temperature sensor which concerns on embodiment of this invention.
  • FIG. 1 enlarged view which shows the connection part of a lead wire and a heat-resistant wire with a covering.
  • FIG. 1 shows the manufacture procedure of a temperature sensor.
  • FIG. 1 shows schematic structure of the apparatus in which the temperature sensor of this embodiment is integrated.
  • FIG. 1 shows the modification of this invention.
  • FIG. 1 shows the modification of this invention.
  • the temperature sensor 1 of this embodiment is incorporated in a combustion device, and includes a sensor element 10 and a metal protective tube 15 that houses the sensor element 10.
  • the sensor element 10 includes a sensor element body 20 and a pair of heat-resistant wires 7 with a sheath connected to the pair of lead wires 4 of the sensor element body 20.
  • the sensor element body 20 includes a temperature sensing element 2 whose electrical resistance varies with temperature, a pair of lead wires 4 electrically connected to the temperature sensing element 2 via an electrode 3, and the temperature sensing element 2 and the electrode 3. It has the sealing material 5 which seals the lead wire 4 within a predetermined range.
  • the lead wire 4 is drawn from the sealing end 6 of the sealing material 5. In each drawing showing the cross section of the sensor element body 20, hatching of the temperature sensing element 2 and the sealing material 5 is omitted.
  • the temperature sensing element 2 it is preferable to use a thermistor, but a material whose electric resistance varies with temperature can be widely applied.
  • the thermistor includes, for example, Y, Cr, Mn, Ca and O, and the molar ratio of Y: Cr: Mn: Ca is 75 to 85: 7 to 10: It is preferable to use a metal oxide of 7 to 10: 1 to 5.
  • the temperature sensing element 2 composed of this metal oxide can measure the temperature up to a high temperature of 1000 ° C. or higher. However, this is only an example, and it goes without saying that other thermistors can be used.
  • platinum or a platinum alloy can be used as the lead wire 4.
  • a platinum alloy containing 1 to 20 wt% iridium is preferable from the viewpoint of heat resistance.
  • the sealing material 5 is made of amorphous glass or crystalline glass. They can be used alone, but it is also possible to use a mixture of amorphous glass and crystalline glass so as to have a desired thermal expansion coefficient.
  • the crystalline glass for example, those composed of silicon oxide, calcium oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide are preferable. More specifically, SiO 2 : 30 to 60 wt%, CaO: 10 to 30 wt%, MgO: 5 Those having a composition of ⁇ 25 wt% and Al 2 O 3 : 0 to 15 wt% can be used in the present invention. Moreover, you may comprise using what added inorganic material powder to glass.
  • Examples of the inorganic material powder added to glass include aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and the like.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • MgO magnesium oxide
  • Y 2 O 3 yttrium oxide
  • Cr 2 O 3 chromium oxide
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • a core wire 71 having heat resistance is covered with an insulating tube (coating) 72 having higher heat resistance than that of the core wire 71, and insulation of the core wire 71 is performed even in a high temperature atmosphere of, for example, 500 ° C. or more. Those having sufficiently high insulation sufficient to ensure can be used.
  • Each of the core wire 71 and the insulating tube 72 has a heat resistant temperature corresponding to the operating temperature of the temperature sensor 1. Further, since the core wire 71 is covered with the insulating tube 72, the insulation of the core wires 71, 71 in a high temperature atmosphere can be ensured, that is, the metal protection tube 15 can be insulated and a short circuit between the wires can be prevented.
  • the core wire 71 for example, Ni, a stainless alloy, a Ni-base superalloy, other heat resistant alloys, or the like can be used. These alloys contain a large amount of Ni and Cr in order to improve heat resistance.
  • JIS NCF600 which is an example of a Ni-base superalloy, contains about 75 wt% Ni and about 16 wt% Cr.
  • Examples of the approximate normal heat resistance temperature of the core wire 71 by material are Ni: about 500 ° C., stainless alloy: about 600 ° C., and JIS NCF 600: about 800 ° C.
  • the insulating tube 72 for example, a braided tube of glass fiber or ceramic fiber can be used.
  • the main component can be exemplified by SiO 2, Al 2 O 3, Si 3 N 4 or the like.
  • Examples of the approximate heat resistance temperature of the insulating tube 72 by material are glass fiber braid: about 500 ° C., silica glass fiber braid: about 1000 ° C., ceramic fiber braid: about 1300 ° C.
  • a glass fiber or ceramic fiber is interposed between the core wire 71 and the insulating tube 72, or a tape made of mica paper and a backing material. May be interposed.
  • the heat-resistant wire 7 with coating is connected to the lead wire 4 at one end side.
  • the covered heat-resistant wire 7 extends along the axial direction of the metal protective tube 15, and the other end drawn out of the metal protective tube 15 is connected to a measurement circuit (not shown).
  • cover and the measurement circuit may be connected via the other electric wire.
  • the core wire 71 is exposed from the insulating tube 72 on one end side of the heat-resistant wire 7 with coating.
  • the exposed end portion 71A of the core wire 71 is connected to the end portion 4A of the lead wire 4 drawn out from the sealing end 6, thereby providing a connection portion 8 between the lead wire 4 and the coated heat-resistant wire 7. ing.
  • the distal end portion 4A of the lead wire 4 and the distal end portion 71A of the core wire 71 are abutted against each other at the connecting portion 8 that is the boundary portion, and are welded using a laser.
  • the distal end portion 4A of the lead wire 4 and the distal end portion 71A of the core wire 71 may be overlapped so that their outer peripheral surfaces are in contact with each other, and the connection is not limited to laser welding, but various types including an electric resistance heating method.
  • the welding method can be adopted.
  • the lead wire 4 and the core wire 71 are abutted, there is an advantage that the cross-sectional diameter of the connecting portion 8 can be reduced.
  • the connection portion 8 is easily sandwiched between the electrodes, so that welding by an electric resistance heating method is facilitated.
  • the connecting portion 8 is covered with a ceramic material 9 as a protective material.
  • the ceramic material 9 includes ceramic particles and an inorganic binder that bonds the ceramic particles to each other, and has high heat resistance of 1000 ° C. or higher and insulating properties.
  • the ceramic particles for example, one having at least one of Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , ZrSiO 4 , MgO, Y 2 O 3 , and AlN as a main component can be used.
  • the inorganic binder ceramic, glass, metal alkoxide, or the like can be used.
  • Such a ceramic material 9 is provided on the entire sensor element body 20 including the connection portion 8, and covers from the sealing end 6 to the connection portion 8 and the outer peripheral portion of the sealing material 5.
  • the ceramic material 9 also covers the core wire 71 exposed from the insulating tube 72.
  • the ceramic material 9 has fluidity including a solvent (for example, water) before being provided on the sensor element body 20, and is formed by being dried and cured by heating after being provided on the sensor element body 20.
  • a solvent for example, water
  • an adhesive, or a sealing material can be used as the ceramic material 9.
  • the ceramic material 9 it is sufficient that at least the range from the sealing end 6 to the connection portion 8 is covered with the ceramic material 9. That is, the outer peripheral portion of the sealing material 5 may not be covered with the ceramic material 9. Further, when the core wire 71 is exposed at the end portion of the coated heat resistant wire 7, the exposed portion of the core wire 71 needs to be covered with the ceramic material 9. By being covered with the ceramic material 9 in this way, insulation of the lead wires 4 and 4 and the core wires 71 and 71 in a high temperature atmosphere is ensured, that is, insulated from the metal protective tube 15 and a short circuit between the wires is prevented.
  • the lead wire 4 has high heat resistance by using expensive platinum or a platinum alloy.
  • the material which has high heat resistance is used for the core wire 71 of the heat resistant wire 7 with a coating
  • the connection part 8 although an alloy layer is formed in the interface of the lead wire 4 and the core wire 71 of the heat-resistant wire 7 with a coating, the heat resistance of the alloy layer is inferior compared with the heat resistance of the circumference
  • connection portion 8 is oxidized and deteriorated due to high heat, the signal from the temperature sensing element 2 is cut off at the connection portion 8, so that a correct temperature signal cannot be obtained or it is determined that the wire is disconnected.
  • the sensor 1 needs to be replaced. That is, when the lead wire 4 and the core wire 71 of the heat-resistant wire 7 with the coating are connected, the heat resistance deterioration in the interface alloy layer inevitably generated in the connection portion 8 is sufficiently compensated by the ceramic material 9, thereby interfacial alloy The heat resistance of the lead wire 4 and the core wire 71 including the layers can be improved, and the life of the temperature sensor 1 can be extended.
  • the ceramic material 9 is provided up to a position that hangs on the end of the insulating tube 72 as shown in FIG. Thereby, the insulation and heat resistance of the core wire 71 inside the insulating tube 72 are further improved.
  • the length from the sealing end 6 to the connection portion 8 is about 2 mm.
  • the length of the lead wire 4 drawn out from the sealing end 6 corresponds to the length of the connecting portion 8 from the sealing end 6.
  • the lead wire 4 and the core wire 71 are connected so that their outer peripheral surfaces overlap each other, the length from the sealing end 6 to the front end of the core wire 71 in the connecting portion 8 is the sealing end 6.
  • the connecting portion 8 corresponds to the length of the connecting portion 8.
  • the sealing material 5 is deformed by heat when the lead wire 4 and the heat-resistant wire 7 with coating are connected by welding. Since there exists a possibility, it is preferable that it is 0.5 mm or more. Further, if the length of the lead wire 4 drawn out from the sealing end 6 is as short as less than 0.5 mm, it is sealed by mechanical stress such as when the lead wire 4 is trimmed as necessary. Since there is a risk of cracks in the stopper 5, it is preferably 0.5 mm or more. And it is preferable that the length from the sealing end 6 to the edge part of the insulating tube 72 where the core wire 71 is exposed is 20 mm or less. If this length exceeds 20 mm, it is difficult to cover the sealing end 6 to the connection portion 8 with the ceramic material 9 with a predetermined thickness, so that the heat resistance and insulation by the ceramic material 9 may be impaired. is there.
  • the metal protective tube 15 is closed at the front end 15A on the side where the temperature sensing element 2 is disposed, and the rear end 15B is opened, so that the sensor element 10 housed therein is subjected to vibration, external force, high heat, combustion gas. Protect from.
  • This metal protective tube 15 has a flange 16 as a mounting portion to the sensor mounting plate 14 on the rear end 15B side, and a length from the front end 15A (also referred to as the front end of the temperature sensor 1) to the flange 16.
  • L is arbitrary, but is 400 mm as an example.
  • a material of the metal protective tube 15 for example, a stainless alloy, a Ni-base superalloy, other heat resistant alloys, or the like can be used.
  • JIS NCF600 which is an example of a Ni-base superalloy, contains about 75 wt% Ni and about 16 wt% Cr.
  • the reaction chamber casing 17 containing the combustion reaction section H that is the measurement target of the temperature sensor 1 and is the highest temperature in the device, and outside the reaction chamber casing 17.
  • the heat insulating material 18 suppresses the propagation of heat generated from the combustion reaction part H so that human harm does not occur due to the high temperature of the sensor mounting plate 14 that may be touched by a person. By having a thickness of about 20 to 50 mm, it has high heat insulation performance.
  • the heat insulating material 18 is not limited to the position shown in FIG. 1, and is provided at an arbitrary position outside the reaction chamber casing 17 according to the structure of the device.
  • the lead wire 4 is joined to the electrode 3 of the manufactured temperature sensor 2.
  • a glass material constituting the sealing material 5 is provided in a melted state around the temperature sensing element 2 by a known method, and is cooled and cured. What hardened
  • cured this glass material turns into the sealing material 5 which covers the thermosensitive body 2 and the predetermined range of the lead wire 4 (FIG. 3 (A)).
  • the sensor element body 20 is manufactured.
  • the core wire 71 of the heat-resistant wire 7 with coating is welded and connected to the lead wire 4 (FIG. 3B).
  • the lead wire 4 is cut to about 2 mm, and then the core wire 71 is welded.
  • the connecting portion 8 is reheated due to the influence of melting of the glass material (heat conduction from the molten glass material to the lead wire 4), This may cause oxidative degradation of the connecting portion 8, and therefore, it is preferable to weld the lead wire 4 after forming the sealing material 5.
  • the temperature sensor 1 is pulled up from the container. Thereafter, in the process of heating and drying and hardening the ceramic material 9, the solvent is released and the ceramic particles 9 are provided by bonding the ceramic particles with the molten inorganic binder (FIG. 3C). ).
  • the sensor element 10 manufactured in this way is inserted into the metal protective tube 15 from the side where the temperature sensing element 2 is disposed (FIG. 3D)
  • the coated heat-resistant wire 7 is formed from the rear end 15B of the metal protective tube 15. Withdrawn, the temperature sensor 1 is completed (FIG. 1).
  • the temperature sensor 1 may be fixed to the metal protective tube 15 by, for example, caulking the metal protective tube 15 near the rear end 15B.
  • the sensor element 10 is made of metal so that almost the same amount of heat as the front end 15A is conducted to the temperature sensing body 2 by abutting the sealing material 5 against the inner wall of the metal protective tube 15 on the front end 15A side. It is preferable that the protective tube 15 is assembled. However, when the temperature gradient of the temperature drop from the front end 15A to the rear end 15B is small, the temperature gradient in the vicinity of the front end 15A is small, so that a gap between the inner wall of the front end 15A and the sealing material 5 can be allowed. This is because the difference in the detected temperature of the temperature sensing element 2 that can occur depending on the presence or absence of the gap is small, so that the effect on the accuracy of temperature measurement is small.
  • the flange 16 of the completed temperature sensor 1 is attached to the sensor mounting plate 14 and incorporated in the device (FIG. 1).
  • the temperature sensor 1 may be supported by a supporting means (for example, a cylinder) provided between the sensor mounting plate 14 and the reaction chamber casing 17.
  • the front end 15A of the temperature sensor 1 is disposed at or near the combustion reaction portion H.
  • the temperature of the front end 15A is, for example, 800 ° C. or higher. This high heat is conducted through the metal protective tube 15, the lead wire 4, and the core wire 71 toward the rear end 15 ⁇ / b> B of the temperature sensor 1.
  • the temperature distribution of the temperature sensor 1 of the present embodiment is 800 ° C. at the front end 15A, from the front end 15A, for example, from a position exceeding 1/2 of the length L to the rear end 15B.
  • the temperature gradually decreases to 600 ° C, 500 ° C, and 400 ° C. This is merely an example, and the temperature in each part of the temperature sensor 1 from the front end 15A to the rear end 15B varies depending on the configuration of the temperature sensor 1 and the configuration of the device to be incorporated.
  • the distance from the sensor mounting plate 14 to the measurement position where the temperature sensing body 2 is disposed is long. For this reason, even if a conventional temperature sensor is incorporated in a device, the front end portion of the temperature sensor on which the temperature sensing element is arranged does not reach the measurement position, so that the temperature sensor needs to be elongated. If an attempt is made to manufacture such a long temperature sensor, the conventional structure in which the lead wire 4 is covered with a ceramic shield significantly increases the cost. Therefore, in the temperature sensor 1 of the present embodiment, insulation at high temperatures is possible. And the structure which connects the heat-resistant wire 7 with a heat
  • High heat-resistant noble metal materials such as platinum and platinum alloy used for the lead wire 4 directly connected to the temperature sensing element 2 for detecting a high temperature are expensive, so the lead wire 4 is connected to the rear end 15B side of the temperature sensor 1. If it is extended, the cost is directly increased, and the total cost including the coating for insulating the lead wire is increased. For this reason, the insulation required for the range exposed to the high temperature from the vicinity of the front end 15A to the rear end 15B side by connecting the heat-resistant wire 7 with the sheath to the lead wire 4 while shortening the lead wire 4 to reduce the cost. And heat resistance.
  • the sealing end 6 to the connecting portion 8 and the core wire 71 exposed from the insulating tube 72 with the heat-resistant ceramic material 9, it is possible to ensure better insulation in a high temperature atmosphere and lead.
  • the heat resistance of the lead wire 4 and the heat-resistant wire 7 with coating can be improved.
  • the ceramic material 9 sufficiently compensates for the decrease in heat resistance in the interface alloy layer that inevitably occurs in the connection portion 8 between the lead wire 4 and the heat-resistant wire 7 with coating, and includes the interface alloy layer. It has the significance of improving the heat resistance of the wire 4 and the core wire 71.
  • a thick heat insulating material 18 is provided between the sensor mounting plate 14 and the measurement position, for example, as in this embodiment.
  • the temperature sensor 1 may be provided so as to penetrate the heat insulating material 18.
  • this also applies to the case where it is necessary to keep the distance between the sensor mounting plate 14 and the measurement position sufficiently large in order to maintain the measurement object at a high temperature without being affected by outside air, as in the fuel cell described later. .
  • the temperature may not easily decrease from the measurement position to the sensor mounting plate 14. For example, a case where a fan for forced cooling is not built in the device is applicable.
  • the provision of the heat insulating material 18 may be one of the factors that make it difficult to lower the temperature. In such a case, in order to sufficiently lower the temperature of the temperature sensor 1 in the vicinity of the sensor mounting plate 14 that may be touched by a person, further lengthening is required, so the effect of the present invention can be increased.
  • the corrosion of the lead wire 4 and the core wire 71 includes electrolytic corrosion due to a leak current between the lead wires 4 and 4 and between the core wires 71 and 71.
  • This electrolytic corrosion is described in detail in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-261860).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2010-261860.
  • the conductive material evaporates from the metal protective tube 15 in a high temperature atmosphere, the conductive material is covered with the ceramic material 9, so that it is conductive between the lead wires 4 and 4 and between the core wires 71 and 71. Since no substance adheres and no leak current occurs through the conductive substance, electrolytic corrosion of the lead wire 4 and the core wire 71 can be prevented.
  • the temperature sensor 1 of the present embodiment detects the temperature by the temperature sensing body 2 at the front end 15A disposed at or near the high temperature combustion reaction portion H of 800 ° C. or more, and human harm occurs from the front end 15A.
  • the detection signal outside the sensor mounting plate 14 that is set to a non-temperature it is necessary to increase the length from the front end 15A to the rear end 15B. This lengthening requirement can be easily met by lengthening the coated heat resistant wire 7.
  • the coated heat-resistant wire 7 has flexibility, it can be relaxed by bending stress due to a difference in thermal expansion that may occur between the front end portion of the sensor element 10 and the metal protective tube 15. For this reason, damage to the sensor element 10 can be prevented.
  • a flame burner shown in FIG. 4 (A) and a fuel cell shown in FIG. 4 (B) are shown. Any of these controls the combustion reaction based on the temperature measured by the temperature sensor 1. Then, the temperature detected by the temperature sensor 1 and the set temperature are compared in a control circuit including an energization circuit, and the flame burner (A) controls the fuel and air to be input based on the comparison result, and (B ), The hydrogen and oxygen to be input are controlled based on the comparison result.
  • Examples of flame burners include gas burners and petroleum burners, and types of fuel cells include solid oxide (SOFC), molten carbonate (MCFC), phosphoric acid (PAFC), solid high A molecular form (PEFC) can be illustrated.
  • SOFC solid oxide
  • MCFC molten carbonate
  • PAFC phosphoric acid
  • PEFC solid high A molecular form
  • the temperature sensor 1 is not limited to a combustion device, and can be incorporated into various devices.
  • the temperature sensor 1 can be incorporated into an electric heater as shown in FIG. Specific examples of the electric heater include an oven, a radiant heater, a filter regeneration heater of an exhaust gas purification device (DPF: Diesel particulate filter), and the like.
  • DPF Diesel particulate filter
  • the protective material in the present invention is not limited to the ceramic material 9 in the above embodiment, but includes a ceramic material 191 and a cap 192 filled with the ceramic material 191 as in the protective material 19 of FIG. May be.
  • the ceramic material 191 a material containing the same ceramic particles and binder as the above-described ceramic material 9 can be used.
  • the ceramic material 191 is put in a fluid state inside the cap 192 from the opened rear end 192B. Then, the ceramic material 191 is cured while the front end of the temperature sensor 1 inserted into the cap 192 is abutted on the inside of the front end 192A of the cap 192, and the cap 192, the ceramic material 191 and the front end portion of the sensor element 10 are integrated.
  • the protective material 19 since the shape of the protective material 19 is determined by the shape of the cap 192, the protective material 19 has better shape stability and better yield than the ceramic material 9 of the above embodiment. By making the protective material 19 into a predetermined shape, predetermined heat resistance and insulation performance can be obtained.
  • the metal protective tube in the present invention is not limited to the metal protective tube 15 described above, and may be configured as a metal protective tube described below.
  • the metal protective tube described below can be easily manufactured even if it is long, and the thickness of the front end thereof is sufficient to ensure the durability of the metal protective tube.
  • the metal protective tube 25 in FIG. 6 has a cylindrical body 27 that forms a cylindrical portion that is continuous with the closed front end 25A, and a plate member 28 that is welded to the peripheral portion 271 of the cylindrical body 27 to form the front end 25A.
  • the plate material 28 has a thickness sufficient to ensure the heat resistance of the front end 25A that is easily corroded by a high temperature.
  • the front end 25A made of the plate material 28 is formed flat. For this reason, when the sensor element 10 is assembled to the metal protective tube 25, if the sealing material 5 is abutted against the inner wall of the front end 25 ⁇ / b> A, the detection points of the temperature sensor 2 when the temperature sensor 1 is incorporated into the device are The position is always constant without variation in direction.
  • the metal protective tube 15 of the above-described embodiment when the sealing material 5 hits the inner wall side surface portion 15D before being abutted against the inner wall top portion 15C of the front end 15A, the detection point by the temperature sensing element 2 is shifted to the rear end side. Therefore, there is a possibility that the accuracy of temperature measurement may vary, but according to the metal protective tube 25 of FIG. 6, the accuracy of temperature measurement is stabilized.
  • the metal protective tube in this invention is abbreviate
  • the metal protective tube shown in FIG. 2 is melt
  • the front end 15 ⁇ / b> A may be closed.
  • the front end of the metal protective tube is formed to have a desired thickness by collecting a material that has flowed by melting a part of the side wall of the cylindrical body. Note that when the temperature gradient of the temperature drop from the front end to the rear end of the metal protective tube is small, the temperature gradient in the vicinity of the front end is slight, and therefore the thickness of the front end may vary. This is because the difference in the detected temperature of the temperature sensing element 2 that can be caused by the difference in the thickness of the front end is slight, so the influence on the accuracy of temperature measurement is small.

Abstract

　コストアップを抑えながら長尺化できる温度センサ、および温度センサを備えた機器を提供すること。　温度センサ１は、温度によって電気抵抗が変化する感温体２と、感温体２に電気的に接続された一対のリード線４と、感温体２と感温体２に接続された部分から所定範囲内のリード線４とを封止する封止材５と、封止材５の封止端６から引き出された一対のリード線４にそれぞれ接続された被覆付き耐熱線７と、封止端６から、リード線４と被覆付き耐熱線７とが接続された接続部８までを覆うセラミック材９と、を有するセンサ素子１０を備えている。

Description

温度センサおよび機器
　本発明は、例えば５００℃以上の高温の測定が可能でかつ長尺な温度センサに関する。
　電気オーブン（電気ヒーター）、ラジアントヒーター、給湯器、燃焼器具、排気ガス浄化装置、ボイラー、バーナー、ストーブ等の機器内部の温度を測定するために、温度によって電気抵抗が変化するサーミスタ等の感温体を用いた温度センサが広く利用されている。かかる温度センサに用いられるセンサ素子は、感温体と、感温体の電極に接続された一対のリード線と、感温体を封止する耐熱性ガラスからなる封止材と、から構成されており、振動や外力、燃焼ガス等からセンサ素子を保護する金属製保護管に収容されている。
　本出願人は、例えば５００～１０００℃の高温雰囲気下での使用に耐えうる温度センサを特許文献１で提案している。特許文献１の温度センサは、感温体を収容する金属製保護管から導電性物質（当該金属の構成元素）が蒸発してリード線間を埋めることによって、リード線間に生じるリーク電流の発生を防止することを目的とする。この目的達成のために、特許文献１の温度センサは、セラミック製の遮蔽体によってリード線を覆う。
特開２０１０－２６１８６０号公報
　特許文献１の温度センサは、機器に取り付けられる部分（後端）から測定対象に対向する感温体（前端）までの長さが、例えば５０ｍｍ前後と短い場合を想定していた。ところが、温度センサが使用される機器によっては、後端から前端までの長さが３００ｍｍを超える場合がある。このような長尺な温度センサに、特許文献１のセラミック製の遮蔽体を適用する場合に、次のような課題がある。まず、数ｍｍ(およそ２～３ｍｍ)の径に対して１００倍以上となる長尺なセラミック製遮蔽体を一体で精度良く焼結して製作することは容易ではなく、著しくコストアップする。精度良く容易に製作できる上限は、せいぜい数十ｍｍである。この数十ｍｍの短尺のセラミック製遮蔽体を多数連結すれば全体として長尺となるが、多数の遮蔽体の一つ一つにリード線を通す作業が必要となるために、やはり、著しくコストアップしてしまう。
　本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、コストアップを抑えながら長尺化できる温度センサ、および温度センサが組み込まれる機器を提供することを目的とする。
　かかる目的のもと、本発明の温度センサは、温度によって電気抵抗が変化する感温体と、感温体に電気的に接続された一対のリード線と、感温体と感温体に接続された部分から所定範囲内のリード線とを封止する封止材と、封止材の封止端から引き出された一対のリード線にそれぞれ接続された被覆付き耐熱線と、封止端から、リード線と被覆付き耐熱線とが接続された接続部までを覆う保護材と、を有するセンサ素子を備える。
　本発明の温度センサによれば、センサ素子のリード線に被覆付き耐熱線を接続することにより、被覆付き耐熱線の長さに応じた長尺な温度センサを製造することができる。ここで、高温に晒される感温体に接続される例えば白金や白金合金等の耐熱性の高いリード線は高価であるため、そのリード線を温度センサの後端側まで延出させればコスト上昇に直結し、そのリード線を絶縁するための被覆の分を含めた合計のコストが高騰する。そこで、高価なリード線の長さを短くしてコストを抑えつつ、このリード線に、耐熱性を備えるとともに、被覆によって高温での絶縁性を備える被覆付き耐熱線を接続することにより、高温雰囲気下での絶縁の確保を低コストで実現できる。
　この被覆付き耐熱線を用意し、それをリード線に接続する構成は、高耐熱のリード線に、耐熱性は劣るが安価なリード線を接続して後端側まで延出させるとともに、その安価なリード線を多数のセラミック製の遮蔽体で覆い、高熱から保護する構成に比較してもコストを要しない。
　その上、封止端から接続部までが保護材によって覆われることにより、リード線および被覆付き耐熱線の高温雰囲気下での絶縁をより良好に確保できる。リード線および被覆付き耐熱線に最低限求められる絶縁性は、高温雰囲気下、所定時間（例えば、数千～数十万時間）継続して、絶縁を維持することである。
　加えて、封止端から接続部までが保護材によって覆われることにより、被覆付き耐熱線の耐熱性を向上させることができる。本明細書において、「耐熱性」は、耐熱劣化強度を意味する。
　さらに、被覆付き耐熱線の長さや材料を適宜選択することによって、温度センサの長さや使用温度域の自由度が向上するので、様々な機器の仕様に合わせて温度センサを提供できる。
　ところで、温度センサの前端から後端までの長さに対する使用時温度勾配が小さいとき、人が触る可能性のある後端での温度を十分に下げるためには、後端が前端から相応の長さで離れていることが必要となる。つまり、温度センサの長尺化が要求されるので、本発明の温度センサは、長さに対する温度勾配が小さいとき、その長尺化の効果を際立たせることができる。
　本発明の温度センサでは、保護材は、セラミック粒子、およびセラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材であり、封止材の全体をも覆うことが好ましい。
　保護材を構成するセラミック材は、乾燥硬化前は、溶媒を含んで流動性があり、この流動性のある状態のセラミック材に温度センサの前端部を浸せば、封止端を含めた封止材全体、および封止端から接続部までを覆うように保護材が設けられる。こうすることで、封止端から接続部までのみに保護材を設ける場合よりも、保護材を容易に設けることができる。
　あるいは、保護材が、セラミック粒子、およびセラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材と、セラミック材が内側に充填されるキャップと、を有するものとされることも好ましい。これにより、キャップの形状によって保護材の形状が定まるので、保護材の形状安定性に優れ、歩留まりが良くなる。保護材が所定の形状とされることによって、所定の耐熱・絶縁性能が得られる。
　本発明の温度センサでは、感温体が配置される側の前端が塞がれるとともに、後端からセンサ素子が挿入される金属製保護管を備えることが好ましい。
　金属製保護管により、振動や外力、高熱、燃焼ガスからセンサ素子が保護されるので、温度センサの経時的な耐久性を向上させることができる。
　本発明の温度センサでは、金属製保護管は、前端に連なる筒状の部分をなす筒体と、筒体の周縁部に溶接されて前端をなす板材とを有することが好ましい。
　長尺な温度センサでは金属製保護管も長尺となるため、板材をダイおよびパンチを用いて底部（前端）が塞がれた管状に成形する深絞りによって金属製保護管を製作することが困難である。もし製作できたとしても、金属製保護管の前端では所望の厚みが得られないおそれがある。
　そこで、金属製保護管を筒体と板材とで構成するとともに、筒体の周縁部に所望の厚みの板材を溶接することで金属製保護管の前端をなせば、長尺の金属製保護管（前端が塞がれた有底管材）を容易に製作できるとともに、その前端の厚みに応じた金属製保護管の耐久性を確保できる。
　あるいは、上記のように板材を用いる代わりに、両端が開口した筒体の端部を溶融し、凝固させることで、前端が塞がれた金属製保護管を得てもよい。
　本発明の機器には、上述の温度センサが組み込まれる。
　本発明によれば、長尺な温度センサが組み込まれる機器をコストアップを抑えながら提供できる。また、温度センサの被覆付き耐熱線の長さ、材料に応じて、種々の機器仕様に対応することができる。さらに、温度センサの絶縁性および耐熱性確保により、機器の信頼性を向上させることができる。
　本発明の温度センサおよび機器は、リード線に接続される被覆付き耐熱線の長さに応じて、コストアップを抑えながら長尺化できる。その上、封止端から接続部までが保護材で覆われることによって、絶縁性および耐熱性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る温度センサの縦断面図である。 リード線と被覆付き耐熱線との接続部を示す図１拡大図である。 温度センサの製造手順を示す図である。 本実施形態の温度センサが組み込まれる機器の概略構成を示す図である。 本発明の変形例を示す拡大図である。 本発明の変形例を示す拡大図である。
　以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態の温度センサ１は、燃焼機器に組み込まれており、センサ素子１０と、センサ素子１０を収容する金属製保護管１５とを備えている。
　センサ素子１０は、センサ素子本体２０と、センサ素子本体２０の一対のリード線４に接続される一対の被覆付き耐熱線７と、を備えている。
　センサ素子本体２０は、温度によって電気抵抗が変化する感温体２と、感温体２に電極３を介して電気的に接続される一対のリード線４と、感温体２と電極３から所定範囲内のリード線４とを封止する封止材５とを有している。リード線４は、封止材５の封止端６から引き出されている。
　なお、センサ素子本体２０の断面を示す各図において、感温体２および封止材５のハッチングを省略した。
　感温体２としては、サーミスタを用いることが好ましいが、温度によって電気抵抗が変化するものを広く適用できる。５００～１０００℃の高温域で使用される場合、サーミスタとしては、例えば、Ｙ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＣａおよびＯを含み、Ｙ：Ｃｒ：Ｍｎ：Ｃａのモル比が７５～８５：７～１０：７～１０：１～５である金属酸化物を用いることが好ましい。この金属酸化物から構成される感温体２は、１０００℃以上の高温まで温度測定が可能である。ただし、これはあくまで例示であり、他のサーミスタを用いることもできることは言うまでもない。
　リード線４としては、白金又は白金合金を用いることができる。白金合金としては、イリジウムを１～２０ｗｔ％含有するものが耐熱性の観点から好ましい。
　封止材５は、非晶質ガラスまたは結晶質ガラスから構成される。それらを単独で用いることもできるが、所望の熱膨張係数を有するように非晶質ガラスと結晶質ガラスとを混合して用いることもできる。結晶質ガラスとしては、例えば、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムから構成されるものが好ましく、より具体的にはＳｉＯ２：３０～６０ｗｔ％、ＣａＯ：１０～３０ｗｔ％、ＭｇＯ：５～２５ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：０～１５ｗｔ％の組成を有するものを本発明に用いることができる。また、ガラスに無機材料粉末を添加したもの等を用いて構成してもよい。ガラスに添加する無機材料粉末としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等、感温体２を構成する金属酸化物等が挙げられる。
　被覆付き耐熱線７としては、例えば、耐熱性を有する芯線７１をその芯線７１よりも耐熱性の高い絶縁チューブ（被覆）７２で被覆し、例えば５００℃以上の高温雰囲気下でも芯線７１の絶縁を確保するのに足りる十分に高い絶縁性を備えるものを用いることができる。
　芯線７１、絶縁チューブ７２は、それぞれが温度センサ１の使用温度に応じた耐熱温度を有する。また、芯線７１が絶縁チューブ７２に覆われることにより、芯線７１，７１の高温雰囲気下での絶縁を確保、すなわち、金属製保護管１５から絶縁できるとともに、線間の短絡を防止できる。
　芯線７１としては、例えば、Ｎｉ、ステンレス合金、Ｎｉ基超合金、その他の耐熱合金等を用いることができる。これら合金は、耐熱性を向上させるために、Ｎｉ、Ｃｒを多く含んでいる。例えば、Ｎｉ基超合金の１例であるＪＩＳ ＮＣＦ６００は、Ｎｉを７５ｗｔ％、Ｃｒを１６ｗｔ％程度含んでいる。材料別の芯線７１のおおよその常用耐熱温度を例示すると、Ｎｉ：約５００℃、ステンレス合金：約６００℃、ＪＩＳ ＮＣＦ６００：約８００℃となる。
　絶縁チューブ７２としては、例えば、ガラスファイバーあるいはセラミックファイバーの編組チューブ等を用いることができる。その主成分としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等を例示できる。材料別の絶縁チューブ７２のおおよその耐熱温度を例示すると、ガラスファイバー編組：約５００℃、シリカガラスファイバー編組：約１０００℃、セラミックファイバー編組：約１３００℃となる。
　なお、被覆付き耐熱線７の高温での絶縁性を向上させる目的で、芯線７１と絶縁チューブ７２との間に、ガラスファイバーやセラミックファイバーが介装されていたり、マイカペーパーと裏打ち材からなるテープが介装されていてもよい。
　被覆付き耐熱線７は、一端側でリード線４に接続されている。被覆付き耐熱線７は、金属製保護管１５の軸線方向に沿って延びており、金属製保護管１５の外側に引き出された他端側が、図示しない計測回路へと接続されている。なお、被覆付き耐熱線７と計測回路とが他の電線を介して接続されていてもよい。
　図２に示すように、被覆付き耐熱線７の一端側で絶縁チューブ７２から芯線７１が露出している。その露出した芯線７１の先端部７１Ａが、封止端６から引き出されたリード線４の先端部４Ａに接続されることにより、リード線４と被覆付き耐熱線７との接続部８が設けられている。
　本実施形態では、リード線４の先端部４Ａと芯線７１の先端部７１Ａとは、その境界部である接続部８で互いに突き当てられ、かつレーザーを用いて溶接されている。ただし、リード線４の先端部４Ａと芯線７１の先端部７１Ａとが互いの外周面が接触するように重ねられていてもよいし、接続はレーザー溶接に限らず、電気抵抗加熱方式を含む各種の溶接方式を採用することができる。リード線４と芯線７１とが突き当てられる場合には、接続部８の断面径を小径にできる利点がある。一方、リード線４と芯線７１とが互いの外周面が接触するように重ねられる場合には、接続部８を電極で挟み込み易くなるため、電気抵抗加熱方式による溶接が容易となる。
　接続部８は、保護材としてのセラミック材９によって覆われている。このセラミック材９は、セラミック粒子と、セラミック粒子同士を結合する無機結合材とを含んでおり、１０００℃以上の高耐熱性と、絶縁性とを有している。セラミック粒子としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＳｉＯ４、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、およびＡｌＮのうち１つ以上を主成分とするものを用いることができる。無機結合材としては、セラミック、ガラス、および金属アルコキシド等を用いることができる。
　このようなセラミック材９は、接続部８を含めてセンサ素子本体２０全体に設けられており、封止端６から接続部８までと、封止材５の外周部とを覆っている。このセラミック材９は、絶縁チューブ７２から露出した芯線７１も覆っている。
　セラミック材９は、センサ素子本体２０に設けられる前は、溶媒（例えば、水）を含んで流動性があり、センサ素子本体２０に設けられた後、加熱により乾燥硬化されることによって形成される。例えば、コーティング材、接着剤、シール材として使用されるものをこのセラミック材９として用いることができる。
　ここで、少なくとも、封止端６から接続部８までの範囲がセラミック材９により覆われていれば足りる。つまり、封止材５の外周部はセラミック材９により覆われていなくてもよい。また、被覆付き耐熱線７の端部に芯線７１が露出する場合には、その露出した芯線７１の部分がセラミック材９により覆われている必要がある。このようにセラミック材９で覆われることにより、リード線４，４および芯線７１，７１の高温雰囲気下での絶縁を確保、すなわち、金属製保護管１５から絶縁されるとともに、線間の短絡が防止され、その上、高温雰囲気下でのリード線４、接続部８および被覆付き耐熱線７の芯線７１の腐食が抑制されるので耐熱性を向上させることができる。
　ここで、リード線４は、高価な白金又は白金合金が用いられることで、高い耐熱性を有する。また、被覆付き耐熱線７の芯線７１には、リード線４には劣るものの、高い耐熱性を有する材料が使用される。ところで、接続部８においては、リード線４と被覆付き耐熱線７の芯線７１との界面に合金層が形成されるが、その合金層の耐熱性は、その周囲の耐熱性に比べて劣る。このため接続部８が高熱によって酸化劣化してしまうと、感温体２からの信号が接続部８で寸断されてしまうので、正しい温度信号が得られなかったり、断線と判断されることで温度センサ１の交換が必要となる。
　つまり、リード線４と被覆付き耐熱線７の芯線７１との接続にあたり、その接続部８に必然的に生じる界面合金層での耐熱性低下がセラミック材９によって十分に補われることで、界面合金層を含めたリード線４および芯線７１の耐熱性を向上させることができるとともに、温度センサ１を長寿命化できる。
　なお、セラミック材９は、図２のように、絶縁チューブ７２の端部に掛かる位置まで設けられることが好ましい。これにより、絶縁チューブ７２の内側の芯線７１の絶縁性および耐熱性がさらに向上する。
　封止端６から接続部８までの長さは、約２ｍｍとされている。本実施形態では、リード線４と芯線７１とが突き当てられて接続されるため、封止端６から引き出されたリード線４の長さが封止端６から接続部８の長さに相当する。一方、リード線４と芯線７１とが互いの外周面が重ねられるように接続されている場合には、封止端６から、接続部８における芯線７１の前端までの長さが封止端６から接続部８の長さに相当する。
　封止端６から接続部８までの長さは、仮に０．５ｍｍ未満と短い場合にはリード線４と被覆付き耐熱線７とを溶接で接続する際の熱によって封止材５が変形するおそれがあるので、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。また、封止端６から引き出されたリード線４の長さは、仮に０．５ｍｍ未満と短い場合には、必要に応じてリード線４の長さを切り揃える際などの機械的応力によって封止材５にクラックが入るおそれがあるので、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
　そして、封止端６から、芯線７１が露出する絶縁チューブ７２の端部までの長さは、２０ｍｍ以下であることが好ましい。この長さが２０ｍｍを超えると、封止端６から接続部８までをセラミック材９によって所定の厚みで覆うことが難しいので、セラミック材９による耐熱性や絶縁性が損なわれるおそれがあるためである。
　金属製保護管１５は、感温体２が配置される側の前端１５Ａが塞がれ、後端１５Ｂが開放されており、内部に収容されたセンサ素子１０を振動や外力、高熱、燃焼ガスから保護する。この金属製保護管１５は、後端１５Ｂ側に、センサ取付け板１４への取付部としてのフランジ１６を有しており、前端１５Ａ（温度センサ１の前端とも言う）からフランジ１６までの長さＬは、任意だが、一例として、４００ｍｍとされている。
　金属製保護管１５の材料としては、例えば、ステンレス合金、Ｎｉ基超合金、その他の耐熱合金等を用いることができる。例えば、Ｎｉ基超合金の１例であるＪＩＳ ＮＣＦ６００は、Ｎｉを７５ｗｔ％、Ｃｒを１６ｗｔ％程度含んでいる。
　次に、温度センサ１が組み込まれる燃焼機器の構成について説明する。
　燃焼機器は、その構成の一例を示すと、温度センサ１による測定対象であって機器内で最も高温となる燃焼反応部Ｈを内蔵する反応室筐体１７と、反応室筐体１７の外側に設けられ、温度センサ１のフランジ１６が取り付けられるセンサ取付け板１４と、反応室筐体１７とセンサ取付け板１４との間に設けられる断熱材１８と、図示を省略するが、センサ取付け板１４の外側に設けられ、機器内蔵の装置や部材（反応室筐体１７や温度センサ１、センサ取り付け板１４を含む）を収容する機器筐体とを備えている。断熱材１８は、人が触る可能性のあるセンサ取付け板１４が高温となることで人的害が生じないように、燃焼反応部Ｈから発せられた熱の伝搬を抑制するものであり、例えば２０～５０ｍｍ程度の厚みとされることで高い断熱性能を有している。この断熱材１８は、図１に示した位置に限らず、機器の構造に応じて、反応室筐体１７外の任意の位置に設けられる。
　図３を参照し、温度センサ１を製造する手順を説明する。
　先ず、製作した感温体２の電極３にリード線４を接合する。次に、例えば、封止材５を構成するガラス材料を公知の方法により、感温体２の周りに溶融した状態に設け、冷却して硬化させる。このガラス材料が硬化したものが、感温体２とリード線４の所定範囲とを覆う封止材５となる（図３（Ａ））。これにより、センサ素子本体２０が製作される。
　次いで、リード線４に被覆付き耐熱線７の芯線７１を溶接して接続する（図３（Ｂ））。なお、リード線４が、封止端６からの長さが当初から約２ｍｍよりも長く形成されている場合には、約２ｍｍに切り揃えてから、芯線７１を溶接する。このとき切り離されたリード線４を回収して再使用することで、コスト削減に寄与できる。なお、リード線４に芯線７１を溶接した後に封止材５を形成すると、ガラス材料の溶融の影響（溶融したガラス材料からリード線４への熱伝導等）によって接続部８が再加熱され、これによって接続部８の酸化劣化が生じるおそれがあるため、封止材５を形成した後にリード線４への溶接を行うことが好ましい。
　さらに、容器に入れられた乾燥硬化前のセラミック材９に、封止材５の前端から接続部８の後端までを浸した後、温度センサ１を容器から引き上げる。その後、加熱してセラミック材９を乾燥硬化させる過程で、溶媒が放出されるとともに、溶融した無機結合材によりセラミック粒子同士が結合されることにより、セラミック材９が設けられる（図３（Ｃ））。こうして製作されたセンサ素子１０を感温体２が配置された側から金属製保護管１５に挿入すると（図３（Ｄ））、金属製保護管１５の後端１５Ｂから被覆付き耐熱線７が引き出され、温度センサ１が完成する（図１）。この温度センサ１は、例えば、後端１５Ｂ付近で金属製保護管１５がかしめられることによって金属製保護管１５に固定されていてもよい。
　ここで、金属製保護管１５の前端１５Ａ側の内壁に封止材５を突き当てることによって、前端１５Ａとほぼ等量の熱が感温体２に伝導するように、センサ素子１０を金属製保護管１５に組み付けることが好ましい。ただし、前端１５Ａから後端１５Ｂまでの温度低下の温度勾配が小さいときには、前端１５Ａ近傍における温度勾配は僅かとなるので、前端１５Ａの内壁と封止材５との間の隙間を許容できる。これは、その隙間の有無によって生じうる感温体２の検知温度の違いが僅かなので、温度測定の精度に与える影響が小さいためである。
　完成した温度センサ１のフランジ１６をセンサ取付け板１４に取り付け、機器に組み込む（図１）。なお、温度センサ１は、センサ取付け板１４と反応室筐体１７との間に設けられた支持手段（例えば、筒体）によって支持されていてもよい。
　温度センサ１がセンサ取付け板１４に取り付けられると、温度センサ１の前端１５Ａは、燃焼反応部Ｈあるいはその近傍に配置される。前端１５Ａの温度は、例えば、８００℃以上である。この高熱は、温度センサ１の後端１５Ｂに向けて、金属製保護管１５や、リード線４および芯線７１を伝導する。本実施形態の温度センサ１の温度分布は、図１に一例を示すように、前端１５Ａで８００℃、前端１５Ａから、例えば長さＬの１／２を超えた位置から後端１５Ｂに向けて６００℃、５００℃、４００℃のように漸次低下する状態となる。これはあくまで一例であって、前端１５Ａから後端１５Ｂまでの温度センサ１の各部位における温度は、温度センサ１の構成と、組み込まれる機器の構成とに応じて様々である。
　本実施形態では、センサ取付け板１４から、感温体２が配置される測定位置までの距離が長い。このため、従来の温度センサを機器に組み込んでも、感温体が配置された温度センサの前端部が測定位置にまで届かないので、温度センサの長尺化が要求される。このような長尺な温度センサを製造しようとすると、リード線４をセラミック製の遮蔽体で覆う従来構造では著しくコストアップしてしまうため、本実施形態の温度センサ１では、高温での絶縁性および耐熱性を備えた被覆付き耐熱線７をリード線４に接続する構成が採られている。高い温度を検知する感温体２に直接接続されるリード線４に用いられる白金や白金合金等の高耐熱性の貴金属材料は高価であるため、リード線４を温度センサ１の後端１５Ｂ側まで延出させるとコスト上昇に直結し、そのリード線を絶縁するための被覆の分を含めた合計のコストが高騰してしまう。このため、リード線４を短くしてコストを抑えつつ、このリード線４に被覆付き耐熱線７を接続することにより、前端１５Ａ近傍から後端１５Ｂ側にかけての高温に晒される範囲に必要な絶縁性および耐熱性を得る。
　さらに、封止端６から接続部８、そして、絶縁チューブ７２から露出した芯線７１までを耐熱性のセラミック材９で覆うことにより、高温雰囲気下での絶縁性をより良好に確保できるとともに、リード線４および被覆付き耐熱線７の芯線７１の腐食を抑制することでリード線４および被覆付き耐熱線７の耐熱性を向上させることができる。このセラミック材９は、上述したように、リード線４と被覆付き耐熱線７との接続部８に必然的に生じる界面合金層での耐熱性低下を十分に補い、界面合金層を含めたリード線４および芯線７１の耐熱性を向上させる意義を有する。
　センサ取付け板１４から、感温体２が配置される測定位置までの距離が長い場合としては、例えば本実施形態のように、センサ取付け板１４と測定位置との間に厚い断熱材１８が配備されており、その断熱材１８を貫通するように温度センサ１が設けられる場合がある。また、後述する燃料電池のように、外気の影響を受けずに測定対象を高温に保つ必要上、センサ取付け板１４から測定位置までの距離を十分に大きくとることが必要な場合も勿論該当する。
　ところで、測定位置からセンサ取付け板１４にかけて、温度が下がり難い場合がある。例えば、強制冷却のためのファンが機器に内蔵されていない場合が該当する。また、断熱材１８が設けられていることも温度が下がり難い一因となりうる。このような場合には、人が触る可能性のあるセンサ取付け板１４付近の温度センサ１の温度を十分に下げるために、さらなる長尺化が要求されるため、本発明の効果を大きくできる。
　なお、リード線４および芯線７１の腐食には、リード線４，４間や芯線７１，７１間のリーク電流による電解腐食がある。この電解腐食については、特許文献１（特開２０１０－２６１８６０号）に詳しく説明されている。本実施形態では、高温雰囲気下で金属製保護管１５から導電性物質が蒸発しても、セラミック材９に覆われていることによってリード線４，４間、および芯線７１，７１間に導電性物質が付着せず、その導電性物質を介したリーク電流が生じないので、リード線４および芯線７１の電解腐食を防止できる。
　本実施形態の温度センサ１は、８００℃以上ともなる高温の燃焼反応部Ｈあるいはその近傍に配置される前端１５Ａで感温体２によって温度を検知し、その前端１５Ａから、人的害が出ない温度とされるセンサ取付け板１４よりも外側に検知信号を取り出すために、前端１５Ａから後端１５Ｂまでの長尺化が要求される。この長尺化の要求には、被覆付き耐熱線７を長くすることによって容易に応えることができる。
　その上、被覆付き耐熱線７は、柔軟性を有するため、センサ素子１０の前端部と金属製保護管１５との間に生じうる熱膨張差による応力を撓むことで緩和できる。このため、センサ素子１０の破損を防止できる。
　温度センサ１が組み込まれる燃焼機器の一例として、図４（Ａ）に示す火炎バーナーと、図４（Ｂ）に示す燃料電池を示す。これらのいずれも、温度センサ１で測定された温度に基づいて、燃焼反応の制御を行うものである。そして、温度センサ１による検知温度と設定温度とを通電回路を含む制御回路内において比較し、（Ａ）の火炎バーナーでは、その比較結果に基づいて、投入する燃料、空気を制御し、（Ｂ）の燃料電池では、その比較結果に基づいて、投入する水素、酸素を制御する。なお、火炎バーナーの種類としては、ガスバーナー、石油バーナーを例示でき、燃料電池の種類としては、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）を例示できる。特に、固体酸化物形の燃料電池では、測定対象が高温であり、かつ、機器の性格上、冷却ファンを内蔵せず、厚い断熱材が設けられているので、測定対象からセンサ取付け板表面までの距離が長い上に、その長さに対する温度勾配が小さいことが多い。したがって、長尺化の要求が高いので、本発明の温度センサを好適に使用できる。
　その他にも、温度センサ１は、燃焼機器に限らず、種々の機器に組み込むことができ、例えば、図４（Ｃ）に示すように電気式ヒーターに組み込むこともできる。電気式ヒーターの具体例としては、オーブン、ラジアントヒーター、排気ガス浄化装置（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）のフィルタ再生ヒーター等が挙げられる。
　本発明における保護材は、上記実施形態におけるセラミック材９に限らず、図５の保護材１９のように、セラミック材１９１と、セラミック材１９１が内側に充填されるキャップ１９２とを有するものであってもよい。セラミック材１９１には、上述のセラミック材９と同様のセラミック粒子、結合材等を含むものを用いることができる。
　この保護材１９を製作する際には、開放された後端１９２Ｂからキャップ１９２の内側にセラミック材１９１を流動性のある状態で入れておく。そして、キャップ１９２内に挿入した温度センサ１の前端をキャップ１９２の前端１９２Ａの内側に突き当てたまま、セラミック材１９１を硬化させ、キャップ１９２、セラミック材１９１、およびセンサ素子１０の前端部を一体化させる。このようにすれば、キャップ１９２の形状によって保護材１９の形状が定まるので、保護材１９は、上記実施形態のセラミック材９よりも形状安定性に優れ、歩留まりが良くなる。保護材１９が所定の形状とされることによって、所定の耐熱・絶縁性能が得られる。
　また、本発明における金属製保護管は、上述した金属製保護管１５に限らず、以下に述べる金属製保護管のように構成されていてもよい。以下に述べる金属製保護管は、長尺であっても容易に製作できるとともに、その前端の厚みが金属製保護管の耐久性を確保するのに十分なものとなる。
　図６の金属製保護管２５は、塞がれた前端２５Ａに連なる筒状の部分をなす筒体２７と、筒体２７の周縁部２７１に溶接されて前端２５Ａをなす板材２８とを有している、板材２８は、高温により腐食し易い前端２５Ａの耐熱性を確保するのに十分な厚みとされている。
　板材２８からなる前端２５Ａは、平坦に形成されている。このため、センサ素子１０を金属製保護管２５に組み付ける際に、前端２５Ａの内壁に封止材５を突き当てれば、温度センサ１を機器に組み込んだ際の感温体２による検知点が前後方向にばらつくことなく常に一定の位置となる。上記実施形態の金属製保護管１５では、封止材５が前端１５Ａの内壁頂部１５Ｃに突き当てられるよりも先に内壁側面部１５Ｄに当たると、感温体２による検知点が後端側にずれるので、温度測定の精度にばらつきが出るおそれがあるが、図６の金属製保護管２５によれば、温度測定の精度が安定する。
　さらに、本発明における金属製保護管は、図示を省略するが、両端が開口した筒体の一方の端部を溶接手段を用いて溶融し、凝固させることで、図２に示す金属製保護管１５と同様に前端１５Ａを塞いでもよい。その金属製保護管の前端は、筒体の側壁の一部が溶融して流れた材料が溜まることによって、所望の厚みに形成されている。なお、金属製保護管の前端から後端までの温度低下の温度勾配が小さいときには、前端近傍における温度勾配は僅かとなるので、その前端の厚みにバラツキが生じていても構わない。これは、前端の厚みの差によって生じうる感温体２の検知温度の違いが僅かなので、温度測定の精度に与える影響が小さいためである。
　上記で述べた以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
１     温度センサ
２     感温体
３     電極
４     リード線
４Ａ   先端部
５     封止材
６     封止端
７     被覆付き耐熱線
８     接続部
９     セラミック材
１０   センサ素子
１４   センサ取り付板
１５，２５    金属製保護管
１５Ａ 前端
１５Ｂ 後端
１５Ｃ 内壁頂部
１５Ｄ 内壁側面部
１６   フランジ
１７   反応室筐体
１８   断熱材
１９   保護材
２０   センサ素子本体
２５Ａ 前端
２７   筒体
２８   板材
７１   芯線
７１Ａ 先端部
７２   絶縁チューブ
１９１ セラミック材
１９２ キャップ
１９２Ａ      前端
１９２Ｂ      後端
Ｈ     燃焼反応部

Claims (7)

  1. 　温度によって電気抵抗が変化する感温体と、
    　前記感温体に電気的に接続された一対のリード線と、
    　前記感温体と、前記感温体に接続された部分から所定範囲内の前記リード線とを封止する封止材と、
    　前記封止材の封止端から引き出された一対の前記リード線にそれぞれ接続された被覆付き耐熱線と、
    　前記封止端から、前記リード線と前記被覆付き耐熱線とが接続された接続部までを覆う保護材と、を有するセンサ素子を備える、ことを特徴とする温度センサ。
  2. 　前記保護材は、セラミック粒子、および前記セラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材であり、前記封止材の全体をも覆う、請求項１に記載の温度センサ。
  3. 　前記保護材は、セラミック粒子、および前記セラミック粒子を結合する結合材を含むセラミック材と、前記セラミック材が内側に充填されるキャップと、を有する、請求項１に記載の温度センサ。
  4. 　前記感温体が配置される側の前端が塞がれるとともに、後端から前記センサ素子が挿入される金属製保護管を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の温度センサ。
  5. 　前記金属製保護管は、前記前端に連なる筒状の部分をなす筒体と、前記筒体の周縁部に溶接されて前記前端をなす板材とを有する、請求項４に記載の温度センサ。
  6. 　前記金属製保護管の前記前端は、両端が開口した筒体の端部を溶融し、凝固させることで塞がれている、請求項４に記載の温度センサ。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の温度センサが組み込まれることを特徴とする機器。
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