JP2016186432A - 測温プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】酸化等による劣化が抑えられた測温プローブを提供すること。【解決手段】本発明の測温プローブ１は、軸状の中空室４０を区画する筒部４２と、筒部の先端を閉塞する先端部４３と、を備えた有底筒状を有し、金属とセラミックスとを含有する伝熱材料で形成されたサーメット管４と、サーメット管４の中空室に挿入され、測温対象物Ｗの温度を測定する測温接点５４をもつ熱電対５と、サーメット管４の外周壁面を露出することなく被覆する、カーボンを含有するセラミックス系の保護材料で形成された保護スリーブ６，８と、を有し、サーメット管４の外周壁面と保護スリーブ６，８の内周壁面との境界には目地層が介在しておらず、サーメット管４の外周壁面４ａ及び保護スリーブ６，８の内周壁面６ｂは互いに対面して接触していることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、測温対象物の温度を測定する測温プローブに関する。

溶鋼（金属溶湯）のような高温となっている測温対象物の温度は、測温プローブで測定される。
測温プローブは、例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の測温プローブは、加熱状態の測温対象物に接触する有底状の先端部と接続され軸状の中空室を形成する筒部とをもつサーメット管と、中空室に挿入され溶鋼等の測温対象物の温度を測定する熱電対要素と、筒部の外周壁面を被覆する保護スリーブとを有し、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域には、目地層が介在せず、外周壁面と内周壁面とが互いに対面している。この測温プローブは、溶鋼等の測温対象物に先端部を接触（挿入・浸漬）し、サーメット管の先端部を測温対象物に接触させて温度を測定する。

そして、この測温プローブは、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界域における劣化が抑制され、長寿命化した測温プローブとなっている。

特開２０１１−１６９７９８号公報

従来の測温プローブは、サーメット管の先端部を測温対象物（溶鋼等）に接触させて温度を測定することから、先端部においてサーメット管が露出している。そして、サーメット管がＭｏ−ＺｒＯ_２系の伝熱材料により形成される場合には、サーメット管の伝熱材料が酸化して劣化するという問題があった。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、酸化等による劣化が抑えられた測温プローブを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明者は測温プローブの構成について検討を重ねた結果、本発明を完成させた。

本発明の測温プローブは、軸状の中空室を区画する筒部と、筒部の先端を閉塞する先端部と、を備えた有底筒状を有し、金属とセラミックスとを含有する伝熱材料で形成されたサーメット管と、サーメット管の中空室に挿入され、測温対象物の温度を測定する測温接点をもつ熱電対と、サーメット管の外周壁面を露出することなく被覆する、カーボンを含有するセラミックス系の保護材料で形成された保護スリーブと、を有し、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界には目地層が介在しておらず、サーメット管の外周壁面及び保護スリーブの内周壁面は互いに対面して接触していることを特徴とする。

本発明の測温プローブは、伝熱材料よりなるサーメット管が保護材料よりなる保護スリーブで露出することなく被覆されている。サーメット管が表面に露出しなくなっている。サーメット管が酸化等の劣化を生じることが抑えられる。この結果、本発明の測温プローブは、長期間にわたって温度の測定が可能となる、すなわち、長寿命化の効果を発揮する。

また、本発明の測温プローブは、サーメット管の外周壁面と保護スリーブの内周壁面との境界には目地層が介在していないことで、目地層による伝熱性の低下が生じなくなっている。つまり、本発明の測温プローブは、測温対象物の温度を、より精度に優れた状態で測定できる。

保護スリーブは、サーメット管の筒部の外周壁面を被覆する筒部被覆部と、サーメット管の先端部の外周壁面を被覆する先端部被覆部と、を備え、先端部被覆部の厚さが筒部被覆部の厚さよりも薄く形成されていることが好ましい。

先端部被覆部の厚さが、筒部被覆部の厚さよりも薄く形成されていることで、測温時にサーメット管の伝わる熱は、先端部への伝熱が筒部の伝熱よりも素速く、かつ熱損失が抑えられた状態で行われる。つまり、測温対象物の温度を、より精度に優れた状態で測定できる。

実施形態１の測温プローブを示す図である。 実施形態１の測温プローブの先端部近傍における構成を示す断面図である。 実施形態１の測温プローブの筒部での断面における構成を示す断面図である。 実施形態１の測温プローブで溶鋼の温度を測定するときの様子を示す図である。 実施形態２の測温プローブの先端部近傍における構成を示す断面図である。 実施形態３の測温プローブの先端部近傍における構成を示す断面図である。 実施形態４の測温プローブの先端部近傍における構成を示す断面図である。 実施形態４の変形形態の測温プローブの先端部近傍における構成を示す断面図である。 実施形態４の変形形態の測温プローブの先端部近傍における構成を示す断面図である。

以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。
［実施形態１］
本形態の測温プローブ１は、本体２と、本体２の先端部に設けられたプローブ部３とをもつ。本形態の測温プローブ１を、図１に側面図で、図２に先端部近傍の断面図で、図３に筒部の軸方向に垂直な断面図でそれぞれ示した。なお、図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面を示した。

プローブ部３は、軸状の中空室４０を区画するサーメット管４と、サーメット管４の中空室４０に挿入され測温接点５４をもつ熱電対５と、サーメット管４の外周壁面４ａを被覆する保護スリーブ６と、を有する。

サーメット管４は、軸状の中空室４０を区画する筒部４２と、筒部４２の先端を閉塞する先端部４３と、を備えた有底筒状を有する。サーメット管４は、先端部４３がなめらかに湾曲した略半球状をなした有底円筒状を有する。
サーメット管４は、金属であるモリブデンとセラミックスであるジルコニアとで形成されている伝熱材料（サーメット材）で形成される。

サーメット材は、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、モリブデン（Ｍｏ）が６５〜９０％、ジルコニア（ＺｒＯ_２）が３５〜１０％の割合で含まれるものであることが好ましい。より好ましくは、Ｍｏが７０〜８５％、ＺｒＯ_２が３０〜１５％で含まれるものである。

サーメット管４を形成するサーメット材は、高融点を備えることから、サーメット管４は、高い融点をもつ部材となる。サーメット管４は、緻密体であることが好ましく、気孔率が、０〜５％（５％以下）が好ましく、０〜４％（４％以下）であることがより好ましく、０〜３％（３％以下）であることが更に好ましい。
サーメット管４は、保護スリーブ６よりも緻密体（高密度）である。

保護スリーブ６は、サーメット管４の外周壁面４ａを露出することなく被覆する。保護スリーブ６は、サーメット管４の外周壁面４ａのうち、温度の測定時に測温対象物Ｗの高温が伝熱する（高温にさらされる）部分を被覆する。保護スリーブ６は、サーメット管４の筒部４２の外周壁面４２ａを被覆する筒部被覆部６２と、サーメット管４の先端部４３の外周壁面４３ａを被覆する先端部被覆部６３と、を備える。本形態での保護スリーブ６は、円柱状の筒部被覆部６２の先端面の軸心の位置に、略半球状の先端部被覆部６３が突出した外形形状をなすように形成される。
筒部被覆部６２は、筒部４２を軸心に配した円柱状の外形をなすように形成される。

先端部被覆部６３は、サーメット管４の先端部４３の外周形状に沿った形状に形成される。先端部被覆部６３の厚さ（径方向の厚さ）は、筒部被覆部６２の厚さよりも薄く形成されている。

一般的に、保護スリーブ６を形成する保護材料は、サーメット管４を形成する伝熱材料（サーメット材）よりも熱伝導性が低い。先端部被覆部６３が筒部被覆部６２よりも薄く形成されることで、サーメット管４の先端部４２には、筒部４３よりも素早く、かつ損失が抑えられた状態で熱が伝導する。この結果、測温プローブ１が温度の測定をできる。
筒部被覆部６２の厚さ（径方向の厚さ）は、限定されるものではない。従来の測温プローブでの保護スリーブの厚さと同等とすることができる。

先端部被覆部６３の厚さ（径方向の厚さ）は、筒部被覆部６２より薄ければ限定されるものではないが、１ｍｍ以上であることが好ましい。１〜４ｍｍ程度がより好ましく、２〜４ｍｍ程度がさらに好ましい。

保護スリーブ６は、セラミックスであるアルミナとカーボンとを混合させた混合材料である保護材料で形成されている。カーボンは、保護スリーブ６の伝熱性を高めて測温応答性を高めるとともに、耐熱衝撃性を高める。カーボンとしては、黒鉛、カーボンブラックなどを例示できる。

保護スリーブ６を構成する混合材料では、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、アルミナが６５〜９０％、カーボンが１０〜３５％の割合で含まれるものであることが好ましい。より好ましくは、アルミナが６５〜８０％、カーボンが２０〜３５％で含まれるものである。

保護スリーブ６は、複数の細孔をもつ多孔質体であることが好ましく、その気孔率が１〜３０％程度であることが好ましい。気孔率は、２〜２５％程度が好ましく、５〜２０％程度がより好ましい。一般的には、保護スリーブ６の気孔率は、サーメット管４の気孔率よりも高いことが好ましい。

サーメット管４の中空室４０には、アルミナ等のセラミックスで形成された有底状の保護管７が挿入される。保護管７の中空室７０には、熱電対５が挿入される。

熱電対５は、挿入孔５１をもつアルミナ等の絶縁材料で形成された絶縁管５２と、挿入孔５１に挿入された熱電対本体５３と、熱電対５の先端に設けられ測定対象物Ｗの温度を測定する測温接点５４と、を有する。

測温接点５４は、保護管７の先端部７３に対面しており、サーメット管４の先端部４３付近に配置されている。なお、サーメット管４と保護管７との間には、セラミックス粉末粒子４５（アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト等の粉末粒子）が挿入（配置・充填）されている。このセラミックス粉末粒子４５は、熱電対５を保持する保護管７の保持の安定性を高めるとともに、サーメット管４と保護管７との間における酸素ガスを低減する。
熱電対５は、例えば、白金ロジウム型の熱電対とすることができる。熱電対５は、本体２を介して指示計（図示せず）に接続されている。
本形態の測温プローブ１は、その製造方法が限定されるものではなく、例えば以下の方法で製造できる。

本形態の測温プローブ１（プローブ部３）は、サーメット管４を構成する材料を成形型のキャビティに装填するとともに、保護スリーブ６を構成する材料を成形型のキャビティに装填した圧縮体を形成し、所定温度に加熱することにより、保護スリーブ６及びサーメット管４を一体的に形成することができる。

更に、焼成された保護スリーブ６と焼成されたサーメット管４とを用い、外周側の保護スリーブ６及び内周側のサーメット管４の焼き嵌め、あるいは、冷やし嵌め等を利用して取り付けることにしても良い。

（作用効果）
本形態の測温プローブ１は、プローブ部３の先端（保護スリーブ６の先端部被覆部６３）を測定対象物Ｗに接触させて測温対象物Ｗの温度を測定する。例えば、図４に示したように、測温対象物Ｗが溶鋼（金属溶湯）である場合には、溶鋼（金属溶湯）にプローブ部３の先端を挿入・浸漬して温度を測定する。

測温プローブ１のプローブ部３の先端（保護スリーブ６の先端部被覆部６３）が測定対象物Ｗに接触して測温対象物Ｗの温度（高温）にさらされると、保護スリーブ６（先端部被覆部６３），サーメット管４（先端部４３）を介して熱電対５の測温接点５４に測温対象物Ｗの温度（高温）が伝わる。そして、測温接点５４で温度の測定が行われ本体２を介して出力する。

本形態の測温プローブ１は、プローブ部３のサーメット管４が保護スリーブ６で全面にわたって被覆されている。サーメット管４の表面（特に、高温にさらされる先端部４３の表面）が露出しなくなっている。サーメット管４（先端部４３）が雰囲気や測温対象物Ｗと直接接触しなくなり、サーメット管４（先端部４３）が酸化等の劣化を生じることが抑えられる。この結果、測温プローブ１は、プローブ部３の劣化が抑えられ、長期間にわたって温度の測定が可能となる。

本形態の測温プローブ１は、サーメット管４の外周壁面４ａと保護スリーブ６の内周壁面６ｂとの境界（界面）には目地層が介在していない。つまり、目地層による伝熱性の低下が生じなくなっている。本形態の測温プローブ１は、測温対象物Ｗの温度が熱電対５の測温接点５４にロスが抑えられた状態で伝わることとなり、より精度に優れた測定が可能となる。

本形態の測温プローブ１は、保護スリーブ６の筒部被覆部６２の厚さ（径方向の厚さ）が、先端部被覆部６３の厚さよりも薄く形成されている。この構成では、測温時にサーメット管４に伝導する測温対象物Ｗからの熱が、先端部４３への伝熱が筒部４２への伝熱よりも素速く、かつ熱損失が抑えられた状態で行われる。つまり、測温対象物Ｗの温度を、より精度に優れた状態で測定できる。

本形態の測温プローブ１では、プローブ部３の先端（保護スリーブ６）が測定対象物Ｗの高温にさらされると、保護スリーブ６を構成する保護材料に含有されているカーボンがサーメット管４の外周壁面４ａ側に拡散する。サーメット管４の外周壁面４ａ側において、サーメット管４に含有されている金属（モリブデン）がカーボンと反応して金属炭化物（炭化モリブデン）を形成する。炭化モリブデンは、サーメット管４の外周壁面４ａと保護スリーブ６の内周壁面６ｂとの界面において形成され、当該界面における接合性を向上させる。つまり、本形態の測温プローブ１では、サーメット管４と保護スリーブ６とが強固に接合される。

この場合、保護スリーブ６に亀裂等の損傷が生じても、サーメット管４と保護スリーブ６とが強固に接合されていることで、損傷の進展が抑えられる。また、仮に保護スリーブ６に亀裂等の損傷が生じて亀裂に測温対象物Ｗが侵入しても、サーメット管４と保護スリーブ６の界面が強固に接合されている場合には、この界面の剥離が抑えられる。
サーメット管４と保護スリーブ６の熱膨張係数が大きく異なる場合に、一方が他方の熱膨張を規制することとなり、プローブ部３が損傷することが抑えられる。

［実施形態２］
本形態は、プローブ部３の保護スリーブ６の外形が異なること以外は実施形態１と同様な測温プローブ１である。本形態の測温プローブ１の構成を、図５に断面図で示した。サーメット管４の内部構造（熱電対５や保護管７の内部構造）は実施形態１の時と同様であり、図５においては、サーメット管４及び保護スリーブ６のみを示した。
保護スリーブ６は、サーメット管４の外周壁面を被覆し、全体の外形が円柱状をなしている。

保護スリーブ６のうち、筒部４２の外方に位置する部分が筒部被覆部６２となる。保護スリーブ６のうち、サーメット管４の先端部４３の先端側の外方に位置する部分が、先端部被覆部６４となる。先端被覆部６４は、軸心からの径方向距離により厚さが異なる（徐々に厚くなる）が、最も薄い部分（軸心）における厚さが筒部被覆部６２よりも薄く形成されている。

先端被覆部６４は、最も厚い部分（先端部４３の径方向の外周）における厚さが筒部被覆部６２よりも薄く形成されていることがより好ましい。このとき、先端被覆部６４の最も薄い部分（軸心）における厚さは１ｍｍ以上であることが好ましい。
本形態においても、実施形態１の時と同様な効果を発揮できる。

［実施形態３］
本形態は、プローブ部３のサーメット管４の外形が異なること以外は実施形態２と同様な測温プローブ１である。本形態の測温プローブ１を、図６に断面図で示した。なお、図６は、図５と同様にサーメット管４及び保護スリーブ６のみを示した。

サーメット管４は、全体の外形が円柱状をなしている。すなわち、サーメット管４は、円筒状の筒部４２と、円筒状の筒部４２の先端を閉塞する円盤状の先端部４３と、を有する。先端部４３は、軸方向に垂直な平面をなす。

保護スリーブ６のうち、筒部４２の外方に位置する部分が筒部被覆部６２となる。保護スリーブ６のうち、サーメット管４の先端部４３の先端側の外方に位置する部分が、先端部被覆部６４となる。先端被覆部６４は、図６に示したように、その厚さが均一となるように形成されている。先端被覆部６４の厚さは１ｍｍ以上であることが好ましい。
本形態においても、実施形態２の時と同様な効果を発揮できる。

［実施形態４］
本形態は、プローブ部３の保護スリーブ８の構成が異なること以外は実施形態３と同様な測温プローブ１である。本形態の測温プローブ１を、図７に断面図で示した。なお、図７は、図５〜図６と同様にサーメット管４及び保護スリーブ８のみを示した。
本形態の保護スリーブ８は、径方向でサーメット管４に近接する内層８０と、内層８０の外形側に位置する外層８１と、の２層（複数層）を同軸的に有する。

内層８０は、アルミナとカーボンとを混合させた混合材料である保護材料で形成されている。外層８１は、アルミナとカーボンとを混合させた混合材料である保護材料で形成されている。内層８０におけるカーボン含有％（質量比）は、外層８１におけるカーボン含有％（質量比）よりも多く設定されている。このため、保護スリーブ８の内層８０を構成する保護材料に含有されているカーボンがサーメット管４の外周壁面側に拡散する拡散量の増加を期待できる。結果、サーメット管４の外周壁面側において、サーメット管４に含有されている金属がカーボンと反応して金属炭化物（炭化モリブデン）を形成し易くなり、当該界面における接合性が良好に確保される。
本形態においても、実施形態３の時と同様な効果を発揮できる。
更に、本形態では、サーメット管４と保護スリーブ８とがより強固に接合する。

［実施形態４の変形形態］
実施形態４は、実施形態１の先端部被覆部６３と同様に機能する（相当する）保護スリーブ８が２層で形成されていたが、内層８０のみ（図８），外層８１のみ（図９）で形成されていても良い。

［その他の構成］
上記した各形態によれば、サーメット管４は、モリブデンとジルコニアとからなる伝熱材料（サーメット材）で形成されているが、これに限定されるものではない。

サーメット管４は、金属とセラミックスとを含有する伝熱材料で形成されていればよく、金属が、モリブデン及びタングステンのうちの少なくとも１種で形成され、セラミックスが、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化ケイ素のうちの少なくとも１種で形成されていることが好ましい。伝熱材料（サーメット材）としては、例えば、モリブデンとアルミナとで形成しても、モリブデンとマグネシアとで形成しても、タングステンとジルコニアとで形成しても、いずれでも良い。
また、保護スリーブ６，８は、アルミナとカーボンとを混合させた混合材料で形成されているが、これに限定されるものではない。

保護スリーブ６，８は、カーボンを含有するセラミックス系の保護材料で形成されていればよく、保護材料におけるセラミックスが、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化ケイ素のうちの少なくとも１種で形成されていることが好ましい。保護材料としては、例えば、マグネシアとカーボンとを混合させた混合材料で形成しても、ジルコニアとカーボンとを混合させた混合材料で形成していても、いずれでも良い。あるいは、スピネルとカーボンとを混合させた混合材料で形成しても良い。さらには、炭化ケイ素で形成されていても良い。

１：測温プローブ
２：本体
３：プローブ部
４：サーメット管
５：熱電対
６，８：スリーブ部
７：保護管

Claims (3)

1. 軸状の中空室（４０）を区画する筒部（４２）と、該筒部の先端を閉塞する先端部（４３）と、を備えた有底筒状を有し、金属とセラミックスとを含有する伝熱材料で形成されたサーメット管（４）と、
   該サーメット管の該中空室に挿入され、測温対象物の温度を測定する測温接点（５４）をもつ熱電対（５）と、
   該サーメット管の外周壁面を露出することなく被覆する、カーボンを含有するセラミックス系の保護材料で形成された保護スリーブ（６，８）と、
   を有し、
   該サーメット管の該外周壁面（４ａ）と該保護スリーブの内周壁面（６ｂ）との境界には目地層が介在しておらず、該サーメット管の該外周壁面及び該保護スリーブの該内周壁面は互いに対面して接触していることを特徴とする測温プローブ。
2. 前記保護スリーブ（６，８）は、前記サーメット管の前記筒部の前記外周壁面を被覆する筒部被覆部（６２）と、該サーメット管の前記先端部の該外周壁面を被覆する先端部被覆部（６３）と、を備え、
   該先端部被覆部の厚さが、該筒部被覆部の厚さよりも薄く形成されている請求項１記載の測温プローブ。
3. 前記保護材料におけるセラミックスは、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化ケイ素のうちの少なくとも１種で形成されており、
   前記伝熱材料における金属は、モリブデン及びタングステンのうちの少なくとも１種で形成されており、
   前記伝熱材料におけるセラミックスは、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライト、炭化ケイ素のうちの少なくとも１種で形成されている請求項１〜２のいずれか１項に記載の測温プローブ。

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