JP5838864B2 - 熱電対取り付け方法及び被覆熱電対 - Google Patents

Description

本発明は熱電対取り付け方法及び被覆熱電対に関する。

熱電対は、異種金属からなる２本の素線の端部同士を接合して２つの接合部を形成し、この２つの接合部間の温度差による熱起電力を利用した温度センサである。接合する素線の特性によって測定可能な温度範囲が異なり、低温領域から高温領域まで様々な環境での温度測定に幅広く使用されている。特に高温領域用熱電対には、長期間使用すると金属の酸化、劣化が生じるため、保護膜を設けたものが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１には、２本の素線の表面上に、被覆用の金属酸化物膜を形成する被覆熱電対の製造方法が記載されている。特許文献１の製造方法によれば、高温でも安定している金属酸化物膜で２本の素線が被覆されているため、酸化による劣化が低減され、被覆熱電対は長い耐用寿命を有している。

特開平６−２２９８３７号公報

熱電対は使用時、２本の素線の端部の接合部を測定対象物と接触させて測定対象物の温度を測定する。しかしながら、特許文献１に記載の被覆熱電対は、素線のみならず接合部も金属酸化物膜で被覆されている。このため、使用する際、接合部と測定対象物との間に金属酸化物膜が介在し、熱の伝導が阻まれることとなり、被覆熱電対の応答性が低減してしまう。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、応答性を損なうことなく、耐用寿命を向上できる熱電対取り付け方法及び被覆熱電対を提供することにある。

本発明の熱電対取り付け方法は、被着物に熱電対を取り付ける熱電対取り付け方法であって、それぞれの一端が互いに接合して接合部を構成した２本の素線を有する熱電対を用意する用意工程と、前記接合部を前記被着物に固定する固定工程と、前記固定工程の後に行われ、前記被着物の一部及び前記２本の素線を金属酸化物膜で被覆する被覆工程とを包含する。

ある実施形態において、本発明の熱電対取り付け方法は、前記被着物を測定対象物に装着する装着工程を更に包含し、前記装着工程において、前記被着物の前記一部とは異なる他の一部が前記測定対象物に装着される。

ある実施形態において、前記被着物が、前記接合部と前記測定対象物との接触を補強する補強部材である。

ある実施形態において、前記補強部材はプレート形状を有している。

ある実施形態において、前記補強部材は白金、ロジウム、イリジウム及びパラジウムのうちの少なくとも１つを含む。

ある実施形態において、前記被着物が測定対象物である。

ある実施形態において、前記金属酸化物膜はジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア、マグネシア及びシリカのうちの少なくとも１つを含む。

ある実施形態では、前記被覆工程において、前記金属酸化物膜の被覆は、溶射、塗布、蒸着、スパッタリング及び化学気相成長のうちの少なくとも１つによって行われる。

本発明の被覆熱電対は、測定対象物の温度を測定する被覆熱電対であって、それぞれの一端が互いに接合して接合部を構成した２本の素線を有する熱電対と、前記接合部に直接接触している被着物と、前記被着物の一部と前記熱電対のうちの前記被着物に接触した部分を除いた部分とを被覆する金属酸化物膜とを備え、前記被着物が、前記２本の素線の前記接合部と前記測定対象物との接触を補強する補強部材である。

ある実施形態において、前記補強部材はプレート形状を有している。

ある実施形態において、前記補強部材は白金、ロジウム、イリジウム及びパラジウムのうちの少なくとも１つを含む。

ある実施形態において、前記金属酸化物膜はジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア、マグネシア及びシリカのうちの少なくとも１つを含む。

本発明の熱電対取り付け方法によれば、応答性を損なうことなく、耐用寿命を向上させた被覆熱電対を提供することができる。

本発明の実施形態に係る被覆熱電対を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る被覆熱電対の取り付け方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る被覆熱電対を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係る被覆熱電対の取り付け方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る熱電対取り付け方法及び被覆熱電対の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１は本発明の実施形態に係る被覆熱電対１０Ａを示す模式図である。図１を用いて、測定対象物２０に取り付けられた被覆熱電対１０Ａを説明する。被覆熱電対１０Ａは、熱電対１と金属酸化物膜１３とを備えている。測定対象物２０は、説明のために白金からなるパイプを例として挙げるが、他の素材や構造であってもよい。

熱電対１は、２本の素線１１を有している。２本の素線１１は、それぞれの一端が互いに接合して温度測定用の接合部１１１を構成し、それぞれの他の一端が温度測定装置(図示せず)に接続される。接合部１１１は、被着物１２と接触するように配置される。本実施形態において、被着物１２は測定対象物２０である。このように、温度測定装置によって測定対象物２０（被着物１２）としての白金パイプの温度を測定できる。２本の素線１１は、プラス脚とマイナス脚に分けられて成分が互いに異なり、測定する温度領域、測定精度などによって適切にその種類を選択することができる。本発明は２本の素線１１の種類を限定せず、ＪＩＳ Ｃ１６０２（１９９５）のＢ、Ｒ、Ｓ、Ｋ、Ｅ、Ｊ、Ｔ、Ｎに規定されたものであってもよく、ＪＩＳ規格外のものであってもよい。例えば、高温領域での温度測定には、白金を含む素線１１が用いられる。

被着物１２の一部と、接合部１１１が被着物１２と接触する接触部位１１２を除いた２本の素線１１とは、金属酸化物膜１３で被覆されている。本実施形態において、２本の素線１１は、接合部１１１が測定対象物２０と接触する接触部位１１２を除いて、金属酸化物膜１３で被覆されている。金属酸化物膜１３としては、高温での安定性に優れたものが用いられるが、靱性があって容易に折れず、且つ素線１１と近い熱膨張率を有して熱を受けても素線１１から剥がれにくい観点から、特にジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア、マグネシア及びシリカのうちの少なくとも１つを含むものが好ましい。

図１を参照して説明したように、本実施形態の被覆熱電対１０Ａにおいて、熱電対１の２本の素線１１は、接合部１１１が測定対象物２０（被着物１２）と接触する接触部位１１２を除いて、金属酸化物膜１３で被覆されている。このため、酸化による素線１１の劣化が防止される。更に、接合部１１１の一部が金属酸化物膜１３を介さずに測定対象物２０（被着物１２）と直接接触していることから、熱は金属酸化物膜１３によって阻まれることなく接合部１１１と測定対象物２０（被着物１２）との間を伝導することができる。このような構成により、被覆熱電対１０Ａでは、応答性を損なうことなく、耐用寿命を向上できる。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る被覆熱電対１０Ａの取り付け方法を説明するための図である。以下、図２を参照して、被覆熱電対１０Ａを好適に取り付けるための熱電対取り付け方法を説明する。本実施形態の熱電対取り付け方法は、以下の工程によって行われる。

（１）図２（ａ）に示すように、それぞれの一端が互いに接合して接合部１１１を構成した２本の素線１１を有する熱電対１を用意する。上述したように、素線１１の材質は、必要に応じて適切に選択することができる。

（２）図２（ｂ）に示すように、接合部１１１を被着物１２に固定する。本実施形態において、被着物１２は、温度測定の対象となる測定対象物２０である。具体的には、測定対象物２０は例えば白金からなるパイプであり、その表面に、２本の素線１１の接合部１１１が固定される。接合部１１１の固定は、例えば溶接によって行われるが、本発明はこれに限定されない。接合部１１１は、溶接以外の手段（例えば接着、機械的固定）で測定対象物２０（被着物１２）に固定されてもよい。

（３）図２（ｃ）に示すように、前記固定工程の後、測定対象物２０（被着物１２）の一部及び熱電対１を金属酸化物膜１３で被覆する。被覆手段としては、例えば溶射であり得る。具体的には、接合部１１１が測定対象物２０（被着物１２）としての白金パイプと接触する接触部位１１２を除いて、接合部１１１を含めた２本の素線１１の表面上を、金属酸化物膜１３で被覆する。

金属酸化物膜１３としては、上述したようにジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア、マグネシア及びシリカのうちの少なくとも１つを含むものが用いられる。なお、ここでは、溶射によって測定対象物２０（被着物１２）の一部及び熱電対１を金属酸化物膜１３で被覆していたが、本発明はこれに限定されない。金属酸化物膜１３の被覆は、例えば、溶射、塗布、蒸着、スパッタリング及び化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）のうちの少なくとも１つによって行われる。

図２を参照して説明したように、金属酸化物膜１３の被覆は、接合部１１１を測定対象物２０（被着物１２）に固定した後に行われたため、接合部１１１の一部は金属酸化物膜１３を介さずに測定対象物２０と直接接触している。このように、本実施形態の熱電対取り付け方法によれば、上述した被覆熱電対１０Ａを好適に取り付けることができる。

上述した実施形態の被覆熱電対１０Ａにおいて、２本の素線１１の接合部１１１は、他の部材を介することなく測定対象物２０に直接接触していたが、本発明はこれに限定されない。２本の素線１１の接合部１１１は、他の部材を介して測定対象物２０と接触してもよい。

図３は、本発明の実施形態に係る被覆熱電対１０Ｂを示す模式図である。以下、図３を参照して、本実施形態の被覆熱電対１０Ｂを説明する。被覆熱電対１０Ｂは、２本の素線１１と、被着物１２と、金属酸化物膜１３とを備えている。

本実施形態の被覆熱電対１０Ｂは、測定対象物２０とは異なる被着物１２を更に備えた点を除いて、図１を参照して上述した被覆熱電対１０Ａと同様な構成を有しているため、重複する説明について省略する。被覆熱電対１０Ｂにおいて、被着物１２は、２本の素線１１の接合部１１１と測定対象物２０との接触を補強する補強部材１２１であり、接合部１１１は、補強部材１２１を介して測定対象物２０と接触している。補強部材１２１はプレート形状を有しており、その一部は、接合部１１１と直接接触して接合部１１１に固定され、他の一部は、測定対象物２０としての白金パイプと接触して測定対象物２０に装着される。

被着物１２の一部と、接合部１１１が被着物１２と接触する接触部位１１２を除いた２本の素線１１とは、金属酸化物膜１３で被覆されている。本実施形態において、被着物１２としての補強部材１２１及び２本の素線１１は、補強部材１２１が測定対象物２０に接触する接触部位１２２と接合部１１１が補強部材１２１に接触する接触部位１１２とを除いて、金属酸化物膜１３で被覆されている。

本実施形態において、補強部材１２１はプレート形状を有しており、比較的広い面積で測定対象物２０と接触し得る。このため、接合部１１１を測定対象物２０に直接接触させる場合と比べて、補強部材１２１を介して接合部１１１と測定対象物２０とを接触させることで、熱変形などに起因する接合部１１１の脱落を好適に防止することができる。なお、ここでは、補強部材１２１はプレート形状を有していたが、本発明はこれに限定されない。接合部１１１と測定対象物２０との接続を補強できれば、補強部材１２１はプレート形状以外の形状（例えば棒形状）を有してもよい。

例えば、補強部材１２１としては白金が用いられる。ただし、本発明はこれに限定されない。補強部材１２１は、素線１１又は測定対象物２０の素材や、温度測定を行う環境によって適切に選択することができる。好ましくは、補強部材１２１は、素線１１又は測定対象物２０に溶接される場合、良好な溶接が得られるように、測定対象物２０と類似又は同一の素材である。また、好ましくは、補強部材１２１は、酸化による劣化を防止するために、高い化学的安定性を有する素材である。例えば、補強部材１２１は、白金、ロジウム、イリジウム及びパラジウム等の白金族金属のうちの少なくとも１つを含むものであってもよい。

図３を参照して説明したように、本実施形態の被覆熱電対１０Ｂにおいて、２本の素線１１は、接合部１１１が被着物１２と接触する接触部位１１２を除いて、金属酸化物膜１３で被覆されている。このため、温度測定時に、酸化による素線１１の劣化が防止される。更に、接合部１１１の一部が金属酸化物膜１３を介さずに被着物１２と直接接触しており、被着物１２の一部が金属酸化物膜１３を介さずに測定対象物２０と直接接触していることから、熱は金属酸化物膜１３によって阻まれることなく接合部１１１と測定対象物２０との間を伝導することができる。このような構成により、被覆熱電対１０Ｂでは、応答性を損なうことなく、耐用寿命を向上できる。

図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係る被覆熱電対１０Ｂの取り付け方法を説明するための図である。以下、図４を参照して、被覆熱電対１０Ｂを好適に取り付けるための熱電対取り付け方法を説明する。本実施形態の熱電対取り付け方法は、以下の工程によって行われる。

（１）図４（ａ）に示すように、２本の素線１１を有する熱電対１を用意する。２本の素線１１は、それぞれの一端が互いに接合して接合部１１１を含む。上述したように、素線１１は、必要に応じて適切に種類を選択することができる。

（２）図４（ｂ）に示すように、接合部１１１を被着物１２に固定する。本実施形態において、被着物１２は、２本の素線１１の接合部１１１と測定対象物２０との接触を補強する補強部材１２１である。具体的には、被着物１２は例えば白金からなり、プレート形状を有しており、その一部に、接合部１１１が固定される。

補強部材１２１と接合部１１１との固定手段としては特に限定せず、例えばかしめ、溶接又は接着であってよい。かしめによる固定の場合、接合部１１１は、補強部材１２１と図示しない圧着部材との間に挟持される。接合部１１１は、圧着部材によって補強部材１２１に圧着される。なお、図４（ｂ）では、接合部１１１は補強部材１２１の周縁部付近に固定されていたが、本発明はこれに限定されない。接合部１１１は補強部材１２１の主面の中央付近に固定されてもよい。

（３）図４（ｃ）に示すように、前記固定工程の後、被着物１２の一部及び熱電対１を金属酸化物膜１３で被覆する。被覆手段としては、例えば溶射であり得る。具体的には、接合部１１１が被着物１２としての補強部材１２１に接触する接触部位１１２を除いて、接合部１１１を含めた２本の素線１１の表面と補強部材１２１の表面の一部とを金属酸化物膜１３で被覆する。金属酸化物膜１３で被覆しない補強部材１２１の表面の他の一部は後述する装着工程において装着に用いられるため、装着する際に必要に応じてその領域の広さを調節する。

金属酸化物膜１３の種類については、図１を参照して上述した実施形態と同様、ジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア、マグネシア及びシリカのうちの少なくとも１つを含むものが用いられる。また、ここでは、金属酸化物膜１３の被覆は溶射によって行われていたが、溶射の他に例えば、塗布、蒸着、スパッタリング及びＣＶＤなどの成膜手段のうちの少なくとも１つによって行い得る。

（４）図４（ｄ）に示すように、被着物１２としての補強部材１２１を測定対象物２０に装着する。具体的には、上記被覆工程において、補強部材１２１の金属酸化物膜１３で被覆された前記一部とは異なる他の一部を、装着部材３０によって測定対象物２０に装着する。ここでは、装着手段として溶接が用いられ、被着物１２は溶接材である装着部材３０によって測定対象物２０へ装着される。しかし、本発明はこれに限定されない。被着物１２の装着手段としては、溶接の他に接着、機械的固定などが挙げられ、必要に応じて被着物１２を着脱不可又は着脱自在に測定対象物２０へ装着し得る。例えば装着部材３０として取り外し可能な固定具を使用する場合、被着物１２は着脱自在となる。但し、被着物１２全体の酸化による劣化を防止する観点から、被着物１２は、金属酸化物膜１３で被覆された前記一部とは異なる他の一部を密封できる手段（例えば上述した溶接）によって測定対象物２０に装着されることが好ましい。

図４を参照して説明したように、金属酸化物膜１３の被覆は、接合部１１１に被着物１２としての補強部材１２１を固定した後に行われたため、接合部１１１の一部は金属酸化物膜１３を介さずに補強部材１２１と直接接触している。また、補強部材１２１が測定対象物２０と接触する接触部位１２２には金属酸化物膜１３が被覆されていないため、補強部材１２１の一部は金属酸化物膜１３を介さずに測定対象物２０と直接接触している。このように、本実施形態の熱電対取り付け方法によれば、上述した被覆熱電対１０Ｂを好適に取り付けることができる。

本発明は測定対象物の温度を測定する熱電対利用できる。

１ 熱電対
１０Ａ、１０Ｂ 被覆熱電対
１１ 素線
１１１ 接合部
１１２ 接触部位
１２ 被着物
１２１ 補強部材
１２２ 接触部位
１３ 金属酸化物膜
２０ 測定対象物
３０ 装着部材

Claims (6)

1. 被着物に熱電対を取り付ける熱電対取り付け方法であって、
   それぞれの一端が互いに接合して接合部を構成した２本の素線を有する熱電対を用意する用意工程と、
   前記接合部を前記被着物に固定する固定工程と、
   前記固定工程の後に行われ、前記被着物の一部及び前記２本の素線を金属酸化物膜で被覆する被覆工程と、
   前記被着物を測定対象物に装着する装着工程と
   を包含し、
   前記装着工程において、前記被着物の前記一部とは異なる他の一部が前記測定対象物に装着される、熱電対取り付け方法。
2. 前記被着物が、前記接合部と前記測定対象物との接触を補強する補強部材である、請求項１に記載の熱電対取り付け方法。
3. 前記補強部材はプレート形状を有している、請求項２に記載の熱電対取り付け方法。
4. 前記補強部材は白金、ロジウム、イリジウム及びパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項２又は３に記載の熱電対取り付け方法。
5. 前記金属酸化物膜はジルコニア、イットリア、アルミナ、チタニア、マグネシア及びシリカのうちの少なくとも１つを含む、請求項１から４の何れか一項に記載の熱電対取り付け方法。
6. 前記被覆工程において、前記金属酸化物膜の被覆は、溶射、塗布、蒸着、スパッタリング及び化学気相成長のうちの少なくとも１つによって行われる、請求項１から５の何れか一項に記載の熱電対取り付け方法。

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