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【発明の名称】 熱電対装置
【発明者】 【氏名】大江 憲保

【氏名】田辺 博司

【氏名】堀口 幹夫

【氏名】古城 靖彦

【氏名】高山 定和

【氏名】梶田 慎道
【要約】 【課題】測温応答性を改善するのに有利な熱電対装置を提供すること。

【解決手段】熱電対装置は、先端が閉鎖された挿入孔２を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管１と、外側保護管１の挿入孔２に挿入され熱電対挿入孔６０を備え電気絶縁性をもつ材料で形成され絶縁管６と、熱電対挿入孔６０に挿入され先端側に測温接点７３を備えた熱電対７１，７２とをもつ。外側保護管１の挿入孔２の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との間には、伝熱保護層８が配置されている。伝熱保護層８は、熱伝導性が良好な金属で形成されるか、または金属を主要成分とする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】先端が閉鎖された挿入孔を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管と、前記外側保護管の挿入孔に挿入され熱電対挿入孔を備え電気絶縁性をもつ材料で形成され絶縁管と、前記絶縁管の熱電対挿入孔に挿入され先端側に測温接点を備えた熱電対とをもつ熱電対装置であって、前記外側保護管の挿入孔の内壁面と前記絶縁管の先端の外壁面との間には、熱伝導性が良好な金属で形成されまたは金属を主要成分とする伝熱保護層が配置されていることを特徴とする熱電対装置。
【請求項２】請求項１において前記伝熱保護層は有底円筒状をなすキャップ形状であることを特徴とする熱電対装置。
【請求項３】請求項１または２において前記伝熱保護層は白金で形成されていることを特徴とする熱電対装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は測温用の熱電対装置に関する。本発明は、例えば、金属溶湯（鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯、銅溶湯、アルミ溶湯、亜鉛溶湯など）やガスの温度を測定する際に使用できる。
【０００２】
【従来の技術】従来より、測温用の熱電対装置が提供されている（特開昭６０−１９８４２３号公報など）。この熱電対装置は、先端が閉鎖された挿入孔を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管と、外側保護管の挿入孔に挿入され熱電対挿入孔を備え電気絶縁性をもつ材料で形成され絶縁管と、絶縁管の熱電対挿入孔に挿入され先端側に測温接点を備えた熱電対とをもつ。
【０００３】熱電対の測温接点により、金属溶湯などの測温対象物の温度を測定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この熱電対装置においては、測温の際の時定数は大きく、測温応答性は必ずしも満足できるものではなかった。本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、測温応答性を改善するのに有利な熱電対装置を提供することを課題とするにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電対装置は、先端が閉鎖された挿入孔を備え耐熱性をもつ材料で形成された外側保護管と、外側保護管の挿入孔に挿入され熱電対挿入孔を備え電気絶縁性をもつ材料で形成され絶縁管と、絶縁管の熱電対挿入孔に挿入され先端側に測温接点を備えた熱電対とをもつ熱電対装置であって、外側保護管の挿入孔の内壁面と絶縁管の先端の外壁面との間には、熱伝導性が良好な金属で形成されまたは金属を主要成分とする伝熱保護層が配置されていることを特徴とするものである。
【０００６】本発明装置によれば、外側保護管の挿入孔の内壁面と絶縁管の先端の外壁面との間には、伝熱保護層が配置されている。伝熱保護層は、熱伝導性が良好な金属で形成されまたは金属を主要成分とするため、熱伝導性が良好でないアルミナなどのセラミックス材料とは異なり、熱伝導性が良く、熱電対の測温点による測温応答性が改善される。
【０００７】更に、伝熱保護層は、熱電対、特に熱電対の測温接点を包囲しているため、測温接点をもつ熱電対を保護する。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明装置によれば、挿入孔の内壁面と絶縁管の先端の外壁面との間には、熱伝導性が良好な金属で形成されまたは金属を主要成分とする伝熱保護層が配置されている。伝熱保護層は熱伝導性が良いため、前記したように、熱電対による測温応答性を高めるのに有利となる。伝熱保護層は、熱電対の先端や測温接点を包囲するキャップ形状に形成できる。伝熱保護層は薄肉の有底円筒キャップ形状が好ましいが、厚肉の有底円筒キャップ形状であっても良い。
【０００９】使用の際の熱などによって、外側保護管の構成材料と熱電対とが反応するおそれがある場合がある。あるいは、外側保護管の構成材料から発生するガスと熱電対とが反応するおそれがある場合がある。これらの場合には、前記したように、伝熱保護層が、熱電対、特に熱電対の測温接点を包囲して保護する役割を果たすことも期待できる。
【００１０】上記した伝熱保護層を構成する金属としては、熱伝導率、耐高温性、ガスバリヤ性、耐破損性等の性質の確保を考慮し、熱電対装置の使用環境などに応じて選択でき、例えば、白金系、金系等の貴な金属系を採用できる。あるいは場合によっては、鉄系、ニッケル系、ステンレス鋼系、チタン系、銅系、アルミ系、モリブデン系、コバルト系等も採用できる。伝熱保護層を構成する金属は、純度が高い金属であっても良いし、合金であっても良い。
【００１１】本発明装置で用いる熱電対としては、測温できるものであれば良く、使用条件によって選択でき、白金-白金ロジウム系であっても、アルメル-クロメル系であっても、クロメル-コンスタンタン系であっても、鉄-コンスタンタン系であっても、銅-コンスタンタン系であっても良い。本発明装置においては、伝熱保護層と外側保護管とは接触していても良い。あるいは、伝熱保護層と外側保護管との間に隙間が形成されていても良い。伝熱保護層と絶縁管とは接触していても良い。あるいは、伝熱保護層と絶縁管との間には隙間が形成されていても良い。
【００１２】外側保護管は、耐熱性をもつ材料で形成されている。外側保護管を構成する材料としては、サーメット材料、セラミックス材料などを採用できる。サーメット材料は、金属相に粒子状の耐火物相を分散させて構成されている。本発明装置によれば、測温接点をもつ熱電対を備えた絶縁管の先端部が外側保護管の挿入孔の先端側に挿入されている。
【００１３】本発明装置の好ましい態様によれば、外側保護管は、外側保護管の先端側の外径が外側保護管の基端側の外径よりも小さくされた径小筒部を備えている構成を採用できる。この場合には、外側保護管の先端の周壁の肉厚が薄くなるため、熱電対による測温応答性を高めるのに一層有利となる。本発明装置は、測温対象物に外側保護管の先端部を接触させ、測温対象物の温度を測定する。測温対象物としては、金属溶湯などの液体、雰囲気ガスなどの気体、金属物や耐火物等の固体などを採用できる。
【００１４】金属溶湯等の液体を本発明装置によって測温する場合には、金属溶湯等の液体の液面に上方から、本発明装置の先端を浸漬させても良い。あるいは、金属溶湯などの液体を貯留している容器の壁部（例えば底部や側壁部）から、本発明装置の先端を浸漬させても良い。
【００１５】
【実施例】（第１実施例）以下、図１，図２を参照して第１実施例を説明する。本実施例に係る熱電対装置においては、有底円筒パイプ状をなす外側保護管１が軸長方向に延設されて設けられている。外側保護管１は、耐熱性をもつ材料の１種であるサーメット材料により形成されている。サーメット材料は、金属相に粒子状の耐火物相を分散させて構成されている。本実施例では、モリブデン相に粒子状のジルコニア相を分散させて構成されている。つまりＭｏ相−ＺｒＯ2相の混合材料で構成されている。これは耐溶損性、耐高温性、熱伝導性等の特性の確保を考慮したものである。外側保護管１は外壁面１ａをもつ。
【００１６】外側保護管１の内部には、横断面円形状の挿入孔２が軸長方向に沿って延設されて形成されている。外側保護管１の挿入孔２の先端は、閉鎖部１０により閉鎖されている。閉鎖部１０は、ほぼ球状面をもつ外壁面１０ａと、ほぼ球状面をもつ内壁面１０ｃとを備えている。外側保護管１の肉厚ｔ１は、外側保護管１の閉鎖部１０の肉厚ｔ２とほぼ相応しており、外側保護管１における肉厚変動を抑制している。
【００１７】外側保護管１の挿入孔２は、外側保護管１の先端１ｋ側に設けられた径小孔２０と、径小孔２０に連通する主孔２５とで構成されている。径小孔２０と主孔２５とは同軸的に形成されている。径小孔２０の内径をＤ１として示す。主孔２５の内径をＤ２として示す。径小孔２０の内径Ｄ１は、主孔２５の内径Ｄ２よりも小さい。径小孔２０の長さをＬ１として示す。Ｌ１にわたり、径小孔２０の内径は実質的に同一とされているが、場合によっては、先端から離れるにつれて内径が僅かに拡径するように僅かに傾斜していても良い。
【００１８】主孔２５のうち径小孔２０に連続する側には、径小孔２０に向かうにつれて内径が次第に縮径する円錐壁面２７が形成されている。円錐壁面２７は、後述する絶縁管６の先端６ｋを径小孔２０に挿入する際のガイド作用を期待できる。円錐壁面２７に中間保護管９の軸端が当接すれば、中間保護管９を挿入孔２内にそれ以上進入させることができず、中間保護管９の進入量が規制される。
【００１９】外側保護管１の先端１ｋを除いた外周面には、流動性をもつキャスタブル材料（例えばアルミナ耐火材料）を外側保護管１に鋳包んで固化成形した円筒状の保護スリーブ３が被覆されている。保護スリーブ３は内周面３ａと外周面３ｂと端面３ｃとをもつ。保護スリーブ３から突出している外側保護管１の軸長は、Ｌ２として示されている。外側保護管１の先端１ｋの外径をＥ１として示す。保護スリーブ３の外径をＥ２として示す。なお、外側保護管１の外径Ｅ１は外側保護管１の全長にわたりほぼ同一にできる。保護スリーブ３の外径Ｅ２は保護スリーブ３の全長にわたりほぼ同一にできる。
【００２０】図１に示すように、保護スリーブ３の基端３ｍ側には、円筒状の固定金具４が同軸的に被覆されている。固定金具４は、耐高温性に優れた金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。固定金具４の周壁に形成した通孔４ａに挿入したビス４ｃを保護スリーブ３に係止している。固定金具４には、中央孔５ａをもつ金属パイプ５が同軸的に連設されている。金属パイプ５は、耐高温性に優れた金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。金属パイプ５には電気コネクタ５２が保持されている。
【００２１】絶縁管６は電気絶縁性をもつ材料（例えばアルミナ耐火材料）で形成されている。図２において絶縁管６の外径をＤ４として示す。絶縁管６には、互いに独立して軸長方向に沿って並走された２個の熱電対挿入孔６０が形成されている。絶縁管６の熱電対挿入孔６０にはワイヤ状の熱電対７１，７２（白金-白金ロジウム）が個々に挿入されており、熱電対７１，７２の途中部が互いに短絡することは防止されている。熱電対７１，７２の先端側には、両者を接合した測温接点７３が設けられている。熱電対７１，７２の基端は電気コネクタ５２に接続されている。
【００２２】本実施例においては、図２に示すように、測温接点７３をもつ熱電対７１，７２を備えた絶縁管６は、中間保護管９の中央孔９ａ内に挿入されている。そして絶縁管６は中間保護管９と共に外側保護管１の挿入孔２内に挿入されている。図２に示すように、絶縁管６の先端６ｋは、中間保護管９の一端開口９ｃから先方に突き出しており、外側保護管１の先端１ｋ側の径小孔２０に挿入されて配置されている。
【００２３】本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との間には、伝熱保護層として機能する伝熱金属キャップ８が配置されている。伝熱金属キャップ８は、貴な金属である白金を用いて、有底の円筒パイプ形状をなすように形成されている。白金は薄肉形状への塑性変形が容易であり、更に、セラミックス材料と異なり、機械的性質が脆くなく、耐高温性に優れており、熱伝導率も高い。更にガスバリヤ性も高い。
【００２４】伝熱金属キャップ８の外径は軸長にわたりほぼ同一にでき、内径も軸長にわたりほぼ同一にできる。例えば、伝熱金属キャップ８の外径は約３．６ｍｍ、内径は約３．２ｍｍ、従って伝熱金属キャップ８の周壁の肉厚は薄く、伝熱金属キャップ８の軸長は径小孔２０の軸長に対応するように約３０ｍｍ〜６０ｍｍにできる。
【００２５】図２に示すように、伝熱金属キャップ８の先端は閉鎖部８０で閉鎖されている。伝熱金属キャップ８の閉鎖部８０の近傍に、熱電対７１，７２の測温接点７３が位置している。従って、熱電対７１，７２の測温接点７３が外側保護管１に直接的に接触することは抑えられている。本実施例では、上記した外側保護管１の挿入孔２の径小孔２０の内径Ｄ１は約４ｍｍ、主孔２５の内径Ｄ２は約１０ｍｍ、径小孔２０の長さＬ１は約５０ｍｍ、外側保護管１の突出長Ｌ２は約７０ｍｍ、外側保護管１の先端１ｋの外径Ｅ１は約２４ｍｍ、保護スリーブ３の外径Ｅ２は約４０ｍｍにできる。
【００２６】本実施例装置は、使用の際には、外側保護管１の先端１ｋを測温対象物に接触させ、測温対象物の温度を測定する。測温対象物としては、金属溶湯などの液体、雰囲気ガスなどの気体がある。金属溶湯等の液体を本実施例装置によって測温する場合には、金属溶湯等の液体の液面に上方から、本実施例装置の外側保護管１の先端１ｋを浸漬させても良い。あるいは、金属溶湯などの液体を貯留している容器（溶解炉、取鍋、タンデッシュなど）の底部に本実施例装置を取付け、本実施例装置の外側保護管１の先端１ｋを金属溶湯などの液体に浸漬させても良い。
【００２７】以上の説明から理解できるように本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との間には、金属製で熱伝導性が良好な円筒パイプ形状の伝熱金属キャップ８が配置されている。故に、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性を高めるのに有利となる。つまり測温における時定数の短縮を図るのに有利となる。
【００２８】更に、伝熱金属キャップ８は金属である白金で形成されているため、セラミックス材料とは異なり、脆くなく、薄肉であっても容易に破損することはない。故に測温接点７３の耐久性向上に有利である。使用の際の熱などによって、外側保護管１の構成材料と熱電対７１，７２とが反応するおそれがある。あるいは、外側保護管１の構成材料から発生するガスと熱電対７１，７２とが反応するおそれがある。これらの場合には、熱電対７１，７２の先端や測温接点７３を伝熱金属キャップ８が包囲して保護しているため、伝熱金属キャップ８が熱電対７１，７２、測温接点７３の劣化を抑える役割を果たすことも期待できる。そのため熱電対７１，７２、測温接点７３の耐久性向上、長寿命化を図り得る。
【００２９】本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２の先端側は、内径が大きい主孔２５ではなく、内径が小さい径小孔２０であるため、径小孔２０の内壁面と絶縁管６との外壁面との隙間幅を小さくすることができる。そのため、余分な隙間空間が低減または消失する。よって、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性を向上させるのに貢献できる。つまり測温における時定数の短縮を図るのに有利となる。例えば、外側保護管１の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との間に詰める装填物（例えば耐火材料の粉末）を低減または廃止することもできる。
【００３０】ところで、外側保護管１の挿入孔２の内径を挿入孔２の全長にわたりＤ１としつつ、挿入孔２を真っ直ぐに形成しようとすることは、製造工程上容易ではない。外側保護管１の製造工程における歪、反りなどの影響があるからである。この場合には、全長にわたり内径がＤ１と小さい挿入孔は、高精度では真っ直ぐとなりにくい。このような歪みや反りが発生した挿入孔に絶縁管６を挿入する操作が困難となる。
【００３１】この点本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２を先端側の径小孔２０と主孔２５とに分け、主孔２５の内径をＤ２と大きくしつつ、径小孔２０の内径Ｄ１のみを小さくしている方式が採用されている。そのため、上記したような絶縁管６の挿入が困難となる不具合を回避するのに有利となる。
（第２実施例）以下、第２実施例を図３,図４参照して説明する。
【００３２】第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成である。従って同一機能を奏する部位には同一の符号を付する。本実施例においても、前記した実施例の場合と同様に、外側保護管１の挿入孔２の径小孔２０の内壁面と絶縁管６の先端６ｋの外壁面との間には、貴な金属である白金を用いて形成された円筒パイプ形状をなす伝熱保護層として機能する伝熱金属キャップ８が配置されている。故に熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性を高めるのに有利となる。
【００３３】更に本実施例においても、伝熱金属キャップ８は白金製であり、耐高温性に優れており、熱伝導率も高く、ガスバリヤ性も高い。この伝熱金属キャップ８が熱電対７１，７２の先端や測温接点７３を包囲して保護しているため、伝熱金属キャップ８が熱電対７１，７２の劣化を抑える役割を果たすことを期待できる。加えて本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２の先端側は、内径が小さな径小孔２０であるため、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性を高めるのに一層有利となる。
【００３４】また本実施例においては図４に示すように、外側保護管１の先端１ｋには、円錐外壁面１４を介して径小筒部１５が同軸的に形成されている。径小筒部１５の軸長はＬ４として示されている。径小筒部１５の外径はＥ４として示されている。外側保護管１の基端側の外径はＥ１ｃとして示されている。径小筒部１５の外径Ｅ４は、外側保護管１の基端側の外径Ｅ１ｃよりも小さくされている。この結果、外側保護管１の先端１ｋの周壁の肉厚が薄くなるため、外側保護管１の先端１ｋの熱容量が低減される。そのため、外側保護管１の先端１ｋを介しての熱電対７１，７２の測温接点７３への熱伝達が早く行われる。故に、熱電対７１，７２による測温応答性を一層高めるのに有利となる。つまり測温における時定数の短縮を図るのに有利となる。
【００３５】更に本実施例においては、図３に示すように金属パイプ５には高さ合わせ用のストッパリング５５が設けられている。本実施例においては、図４において、外側保護管１の径小筒部１５の外径Ｅ４は約１２ｍｍ、径小筒部１５の軸長Ｌ４は約５０ｍｍ、径小孔２０の内径Ｄ１は約４ｍｍ、主孔２５の内径Ｄ２は約１０ｍｍ、径小孔２０の長さＬ１は約５０ｍｍ、外側保護管１の突出長Ｌ２は約７０ｍｍにできる。
【００３６】（他の例）伝熱保護キャップ８と絶縁管６との間の隙間、外側保護管１と伝熱保護キャップ８との間の隙間の少なくとも一方に、アルミナ粉末粒子を収容しても良い。アルミナ粉末粒子は熱伝導性が良好であるため、測温応答性の向上に貢献できる。アルミナ粉末粒子の純度が高い方が、熱電対を劣化させる性質をもつシリコンなどの不純物が低減されるため、好ましく、例えば、重量比で９９．７％にできる。上記したアルミナ粉末粒子の平均粒径は適宜選択でき、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下にできる。なお不純物があると、低融点化したり、高温で組織が変質したりし易くなり、周りの材料に固着し易くなる傾向がある。
【００３７】上記した伝熱保護キャップ８は白金を用いて形成されているが、これに限らず、使用環境に応じて、炭素鋼系、合金鋼系、ステンレス鋼系、ニッケル系、銅系、アルミ系等の他の金属で形成されていても良いものである。上記した伝熱保護キャップ８は有底形状キャップ形状であるが、これに限らず、上記した白金などの金属で形成したテープや箔などの帯状物を用い、帯状物を絶縁管６の先端、あるいは、測温接点７３等に巻回し、これにより伝熱保護層を構成しても良いものである。
【００３８】その他、本発明装置は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で必要に応じて適宜変更して実施できるものである。例えば、前記したＬ１はＬ２よりも大きくすることもできる。上記した寸法サイズは上記した値や範囲に限定されるものではなく、また上記した材料に限定されるものではなく、使用状況に応じて適宜選択できることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】本発明装置によれば、外側保護管の挿入孔の内壁面と絶縁管の先端との間には、熱伝導率が良好である伝熱保護層が配置されているため、熱電対による測温応答性の向上を図ることができる。本発明装置によれば、使用の際の熱などによって、外側保護管の構成材料と熱電対とが反応して熱電対が劣化するおそれがある場合、あるいは、外側保護管の構成材料から発生するガスと熱電対とが反応して熱電対が劣化するおそれがある場合であっても、熱電対の先端や測温接点を伝熱保護層が包囲して保護しているため、熱電対が劣化することを抑える役割を果たす。
【出願人】 【識別番号】５９９００９８４６
【氏名又は名称】社団法人日本強靭鋳鉄協会
【識別番号】００００００１０３
【氏名又は名称】株式会社池貝
【識別番号】５９９００８３６６
【氏名又は名称】株式会社堀口鋳工所
【識別番号】０００００５２３４
【氏名又は名称】富士電機株式会社
【識別番号】０００２２０７６７
【氏名又は名称】東京窯業株式会社
【出願日】 平成１１年１月２０日（１９９９．１．２０）
【代理人】 【識別番号】１０００８１７７６
【弁理士】
【氏名又は名称】大川 宏
【公開番号】 特開２０００−２１３９９４（Ｐ２０００−２１３９９４Ａ）
【公開日】 平成１２年８月４日（２０００．８．４）
【出願番号】 特願平１１−１２５２２