シース熱電対およびその製造方法
【課題】工数を減らし生産速度を向上できるとともに、低コスト化することができ、しかも自動化するのに適し、耐久性および測定精度に優れたシース熱電対の製造方法、およびそれにより製造されたシース熱電対を提供せんとする。
【解決手段】金属シース１０先端側の気密封止として無機絶縁物３の埋設表面３１から所定長さＬだけ延出させたシース先端部位１１を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部４を形成してなる。先端部位１１の溶融は、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、又は所定形状にかしめたうえで溶融され、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることで略半球形状に形成される。
【解決手段】金属シース１０先端側の気密封止として無機絶縁物３の埋設表面３１から所定長さＬだけ延出させたシース先端部位１１を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部４を形成してなる。先端部位１１の溶融は、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、又は所定形状にかしめたうえで溶融され、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることで略半球形状に形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シース熱電対およびその製造方法に係わり、より詳しくは、特にガスタービンや蒸気タービン、石油化学プラント等の高温・高速流体の温度測定に好適なシース熱電対の製造方法およびそれにより製造されたシース熱電対に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電対は、種類の異なる二本の素線を接続し、この接続部（温接点）間に温度差が生じたとき閉回路に熱起電力が発生し、回路に電流が流れるゼーペック効果を利用して温度を測定するものである。シース熱電対は、熱電対素線を金属シース内に納め、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の無機絶縁物で充填密封して一体化したものである。従来のシース熱電対は、先端が互いに接続された二本の熱電対素線を当該接続部で折り返した形に平行に配し、棒状の金属シース基端から挿入して、温接点をシース先端部分に位置させるとともに、シース基端側を片持ち状に支持することで先端側を被測定流体中に突出させ、当該温接点が位置するシース先端の部分で温度測定するものである（例えば、特許文献１および２参照。）。
【０００３】
このようなシース熱電対の先端部の形成方法として、図１３（ａ）のシース熱電対１０１に示すように、熱電対２０２を収容した金属シース１１０の先端開口部１１０ａを封止する際、溶接棒をアーク電極により溶融し溶かし込むことにより先端封止部１０４を形成し、絶縁物が飛び出さないよう蓋をする手法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、このような手法では、溶接棒に金属シースと同材質のものを用いる必要があるため、毎回溶接棒と金属シースの材質の確認作業が必要となるとともに、金属シースの材質が変わる度に合わせて溶接棒の材質を変更する必要があり、材質の異なる溶接棒の在庫が増え、低コスト化が困難であり、それにより商品価格が高くなる問題があった。また、溶接する際に、溶接棒と金属シースとを正確に位置合わせする必要があるため、このような溶接工程を含むシース熱電対の製造を自動化することは困難であった。更に、実際に用いられている専用溶接棒は金属シースの組成と微妙に異なり、その異成分を原因として耐酸化性等の耐久性を低下させる原因となっていた。
【０００４】
また、図１３（ｂ）のシース熱電対２０１に示すように、熱電対２０２を収容した金属シース２１０の先端開口部に封止部材２４０を嵌入させ、溶接により開口縁部２１０ａに固定して先端封止部２０４を形成する手法も行われているが、この方法では金属シースの内径に合致した封止部材２４０を別途用意する必要があり、部品点数および工数の増加などコスト増大の原因となる。また、先端封止部にシース内壁や無機絶縁物の埋設表面との間に空間が生じると温度測定精度に悪影響を与えるところ、このような封止部材２４０を用いる方法では、封止部材２４０自体の精度や封止部材２４０の熱膨張／収縮を原因として空間が生じやすく、精度低下の懸念がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−８２５５７号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５７８０号公報
【特許文献３】特公昭５９−３７７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、工数を減らし生産速度を向上できるとともに、低コスト化することができ、しかも自動化するのに適し、耐久性および測定精度に優れたシース熱電対の製造方法、およびそれにより製造されたシース熱電対を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述の課題解決のために、金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対において、前記金属シース先端側の気密封止として、前記無機絶縁物の埋設表面から所定長さ延出させたシース先端部位を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部を形成してなることを特徴とするシース熱電対を構成した。ここに、「所定長さ」とは、狙いとする容量の先端封止部を形成するために設定される長さであり、金属シースの厚み、径などの寸法に基づいて適宜設定される。
【０００８】
ここで、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、又は所定形状にかしめたうえで溶融させたものが好ましい。
【０００９】
また、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成したものが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対の製造方法において、前記金属シース先端側の気密封止に際し、前記無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、これにより前記埋設表面から所定長さ延出されたシース先端部位を溶融して、当該金属シース材からなる先端封止部を形成することを特徴とするシース熱電対の製造方法をも提供する。
【００１１】
ここでも、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融させることが好ましい。
【００１２】
また、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成することが好ましい。
【００１３】
さらに詳しくは、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、突出した熱電対素線を結線して温接点を形成して、無機絶縁物を埋め戻し、該無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、該埋設表面から所定長さ延出しているシース先端部位を、そのまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融して前記先端封止部を形成することが好ましい。ここに、「長尺な」とは、例えば１０ｍ程度をいい、複数の長さに切り分けて効率よく生産できる長さが設定されるが、とくにその寸法は限定されない。
【００１４】
また、前記温接点を形成する手法は、前記金属シース一端側に内嵌する外周面とその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部を設けた冶具を、前記無機絶縁物を除去した空所に挿入し、金属シース端部の内壁に付着した無機絶縁物を前記冶具の外周面でかき落とすと同時に、温接点を形成する一対の熱電対素線を前記切り欠き部の略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して前記熱電対素線端部を結線することが好ましい。
【００１５】
また、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、前記シース先端部位を溶融して、前記突出した熱電対素線を当該金属シース材からなる先端封止部に埋入させることが好ましく、たとえば、突出した熱電対素線を挟み込むように、前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させる。
【００１６】
さらに、前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させる方法では、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部のシース長手方向に沿った長さを前記シース外径の１〜３倍とすることが好ましく、また、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部の横断面形状を、シース軸心に対して対称形とすること、特に前記かしめ部がシース軸心から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片より構成されることが好ましい。
【００１７】
そして、前記シース先端部位は、好ましくは溶接により溶融される。
【発明の効果】
【００１８】
以上にしてなる本願発明によれば、溶接棒を用いる必要がないため、溶接棒とシースとの材質確認作業が不要となり工数を減らし生産速度を向上できるとともに、材質の異なる溶接棒の在庫を保有する必要もなくなり低コスト化することができ、しかも溶接棒と金属シースとを正確に位置合わせして溶接する必要がないため製造工程を自動化するのに適したものとなる。また、溶接棒の異成分が耐酸化性を低下させるといった問題も解消され、耐久性及び測定精度に優れたシース熱電対を低コストに提供できる。
【００１９】
また、シース先端部位を筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融させることで、シース径や厚さ等に応じて適切な方法でシース先端部位を確実にかつ略半円形となるように溶融させることができる。
【００２０】
また、熱電対素線と無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、突出した熱電対素線を結線して温接点を形成して、無機絶縁物を埋め戻し、該無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、延出しているシース先端部位を溶融するので、大量生産への対応にも優れたものとなり、生産効率を向上することができるものとなる。
【００２１】
また、温接点を形成する手法として、前記金属シース一端側に内嵌する外周面とその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部を設けた冶具を、前記無機絶縁物を除去した空所に挿入し、金属シース端部の内壁に付着した無機絶縁物を前記冶具の外周面でかき落とすと同時に、温接点を形成する一対の熱電対素線を前記切り欠き部の略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して前記熱電対素線端部を結線するので、付着物の除去と温接点の形成とを同時に行うことができ、工数を増やすことなく、安定的に高い気密性で封止できる。
【００２２】
また、熱電対素線と無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、前記シース先端部位を溶融して、前記突出した熱電対素線を当該金属シース材からなる先端封止部に埋入させることにより、応答が速い接触型のシース熱電対を低コストで提供できる。
【００２３】
また、かしめ部のシース長手方向に沿った長さを、金属シース外径の１〜３倍とすることにより、かしめ片の大きさが溶融させるのに最適なものとなり、溶融させた後のシース熱電対先端形状を良好なものとし高い気密性で封止することが容易となる。
【００２４】
さらに、前記かしめ部の横断面形状を、シース軸心に対して対称形とすることにより、溶融させた後のシース先端形状を、肉厚に偏りのない略半球状に形成することが容易となる。
【００２５】
また、かしめ部が、シース軸心から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片より構成されることにより、かしめ部の強度が向上し、かしめ片が折れ曲がることによる不良品の発生を低減することができる。
【００２６】
また、シース先端部位は溶接により溶融することにより、容易かつ確実に気密封止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明に係るシース熱電対を示す説明図であり、図１〜５は第１実施形態、図６は第２実施形態、図７〜１１は第３実施形態、図１２は第４実施形態を示し、図中符号１はシース熱電対、２は熱電対、３は無機絶縁物、４は先端封止部、１０は金属シースをそれぞれ示している。
【００２９】
シース熱電対１は、図１に示すように、金属シース１０内部に、一対の熱電対素線２１，２１よりなる熱電対２、およびこれら熱電対２と金属シース１０の隙間を埋める無機絶縁物３を収容し、先端側を気密封止したものであり、当該気密封止した一端側が温度測定する際に被測定流体中に突出させる先端側となる。本発明はとくに、金属シース１０先端側の気密封止として、図３に示すように、無機絶縁物３の埋設表面３１から所定長さＬだけ延出させたシース先端部位１１を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部４を形成してなることを特徴とする。
【００３０】
なお、先端封止部４を除いて、金属シース１０や熱電対２、無機絶縁物３などの素材や各部の構造については、従来のシース熱電対と同様のものを採用できる。金属シース１０は、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）やニッケルクローム系耐熱合金（インコネル）等を用いることができ、シース内に充填する無機絶縁物３として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を用いることができるが、これらに何ら限定されるものでもない。また、熱電対２を構成する熱電対素線２１は、たとえばプラス側素線にニッケル−クロム合金、マイナス側素線にニッケル合金が用いることができるが、とくに限定されるものではない。また、本例では、熱電対素線２１，２１を一対のみ収容したもの例示しているが、複数対内挿したものでも勿論よい。また、シース熱電対１の基端側において、熱電対が接続部５内の補償導線を介してリード線６に接続されているが、このような構造に何ら限定されず、たとえばスリーブ状の保護管で支持し、端子箱から延出した補償導線で測定器に接続される耐圧防爆型や、端子箱を介することなく脱着コネクタを設けたものなど、従来と同様の種々の接続構造を採用できる。
【００３１】
先ず、図１〜５に基づき、本発明の第１実施形態を説明する。
【００３２】
本実施形態のシース熱電対１は、非接触型シース熱電対であり、図３に示すように、金属シース１０先端側の気密封止として、前記無機絶縁物の埋設表面３１を金属シース先端縁１０ａから所定深さＬの位置に設定し、これにより無機絶縁物の埋設表面３１から所定長さ延出されたシース先端部位１１を、筒状のまま先端縁１０ａから全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状の先端封止部４を形成したものである。
【００３３】
シース先端部位１１を構成するまでの工程は、図２に示す通りである。すなわち、まず一対の熱電対素線２１，２１およびこれら熱電対素線２１と金属シース１０の隙間を埋める無機絶縁物３を収容した長尺な金属シース１０を所定長さに切断し（Ｓ１０１）、切断された金属シース１０の一端側から無機絶縁物を除去するとともに所定長さに設定された一対の熱電対素線２１、２１を突出させ（Ｓ１０２）、該熱電対素線２１、２１を先端部で結線して温接点２２を形成する（Ｓ１０３）。ここで、温接点２２の形成は、後述の第３実施形態と同様、図９に示すような冶具９を用いてシース内壁２５に付着した無機絶縁物３をかき落とすと同時に温接点２２を形成する一対の熱電対素線２１，２１を互いにもたれ合うように折曲させた上で、各熱電対素線の先端部を互いに結線して形成してもよい。
【００３４】
そして、無機絶縁物３を埋め戻して前記温接点２２を埋没させた後（Ｓ１０４）、該無機絶縁物３を除去して埋設表面３１が金属シース先端縁から所定深さＬの位置となるように設定する（Ｓ１０５）。ここで、無機絶縁物を除去するには、好ましくはエンドミルやドリルなどが用いられ、このとき発生する削りカスを吸引或いはエアーの吹き付けにより除去しながら行うことがより好ましい。これによりシース先端部位１１を溶融する際に無機絶縁物が含まれてしまうことを防止できる。
【００３５】
なお、シース先端部位１１を形成するその他の方法としては、図４に示すように、金属シース１０を所定長さに切断し（Ｓ３０１）、該金属シース１０に予め温接点２２を形成した一対の熱電対素線２１を挿入した後（Ｓ３０２）、該温接点２２を無機絶縁物３により埋没させて所定深さＬに設定する方法を採用することも勿論可能である。
【００３６】
次に、シース先端部位１１を溶融して先端封止部４を構成する工程は、図３のＳ２０１〜２０３に示すように、シース先端部位１１の先端縁１０ａから全周にわたって略均一に溶融させることにより、略半球形状の先端封止部４を形成する（Ｓ２０４）。溶融手法としては、特に制限されるものではないが、容易かつ確実に気密封止できることから溶接が用いられる。具体的には、溶接棒は用いずにアーク溶接またはＴＩＧ溶接によりシース先端部位１１を溶融させる。このようにシース先端部位１１を溶融することにより、シース熱電対先端部における余分な気泡の噛み込みが殆どなく気密性が高いシース熱電対を作製することが容易となり、また溶接棒と金属シースとを正確に位置合わせして溶接する必要がないため製造工程を自動化するのに適したものとなる。なお、溶融の際には、図示しない金属シースの他端側から真空ポンプなどで吸引し、シース内部を減圧した状態としておくことが、内部に空気が残存することなく確実に気密封止することができるため好ましい。
【００３７】
このようにして製造したシース熱電対は、先端形状が肉厚に偏りのない略半球状で、余分な気泡の噛み込みや、前記気泡がシース熱電対先端部を溶融する際に熱膨張しはじけることによる表面の凹凸や歪みの発生が殆どなく、気密性も高いものとなり、かつ低コスト化できるものとなる。また非接触型であるため、長時間の使用にも耐え得る耐久性の高いものとなる。
【００３８】
なお、以上の例ではシース先端部位１１を筒状のまま溶融させていたが、図５に示すように、先端を縮径させたうえで、先端縁１０ａから全周にわたって略均一に溶融させることも好ましい実施例である。これによれば金属シース１０の径が大きい場合でも溶接をスムーズに行うことができる。
【００３９】
次に、図６に基づき、本発明の第２実施形態を説明する。
【００４０】
本実施形態は、接触型のシース熱電対を構成したものであり、図６に示すように、一対の熱電対素線２１，２１を収容し、これら熱電対素線間に無機絶縁物３を充填した長尺な金属シース１０を所定の長さに切断し（Ｓ４０１）、切断された金属シース１０一端側から無機絶縁物３を除去するとともに所定長さに設定された熱電対素線２１，２１を突出させ、無機絶縁物３の埋設表面３１は所定深さＬに設定される（Ｓ４０２）。そして、埋設表面３１より突出するシース先端部位１１を溶融して、同じく突出している熱電対素線２１，２１を当該金属シース材からなる先端封止部４に埋入させたものである（Ｓ４０３）。
【００４１】
このようにして製造したシース熱電対は、先端形状が肉厚に偏りのない略半球状で、余分な気泡の噛み込みが殆どなく気密性が高いものとなり、かつ低コスト化に対応したものとなる。また接触型であるため、温度測定時の応答が速いものとなる。その他については上記第１実施形態と同様であり説明を省略する。
【００４２】
次に、図７〜１１に基づき、本発明の第３実施形態を説明する。
【００４３】
本実施形態に係るシース熱電対１は、非接触型のものであり、所定長さＬだけ延出されたシース先端部位１１を所定形状にかしめてかしめ部１３を形成した上で、該かしめ部１３を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部４を形成したものである。尚、本発明において「かしめ」は、目的とするかしめ部１３の形状を得るために、図示しない種々の形状よりなる冶具又は型を用いて、従来のかしめ方法と同様に行われるものであり特に限定されないが、所望のかしめ形状を得るために、数段階の荷重負荷工程を経て徐々に目的とするかしめ部１３形状を形成していくことが、金属シース１０への負荷が分散されるため好ましい。
【００４４】
具体的には、図８に示すように、一対の熱電対素線２１，２１を収容し、これら熱電対素線間に無機絶縁物３を充填した長尺な金属シース１０を所定の長さに切断し（Ｓ５０１）、切断された金属シース１０一端側の無機絶縁物３を除去するとともに所定長さに設定された一対の熱電対素線２１，２１を突出させ（Ｓ５０２）、これら熱電対素線２１，２１を結線して温接点を形成する（Ｓ５０３）。そして、無機絶縁物３を埋め戻して温接点２２を埋没した埋設表面３１を所定深さＬに設定した後（Ｓ５０４）、該埋設表面３１から所定長さ延出しているシース先端部位１１を所定形状にかしめ（Ｓ５０５）、当該かしめ部１３を溶融させて先端封止部４を形成する（Ｓ５０６）。
【００４５】
より詳しくは、前記温接点２２を形成する際には、図９に示すように前記金属シース１０一端側に内嵌する外周面９ｂとその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部９ａを設けた冶具９を、前記無機絶縁物３を除去した空所に挿入し（図中（ａ））、金属シース１０端部の内壁２５に付着した無機絶縁物３を前記冶具９の外周面９ｂでかき落とすと同時に、温接点２２を形成する一対の熱電対素線２１を前記切り欠き部９ａの略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して（図中（ｂ））、前記熱電対素線端部を結線する（図中（ｃ））。
【００４６】
この冶具９の形状としては、切り欠き部が円錐形状となっているものがより好ましく、このような冶具９を、無機絶縁物３を除去した空所に回転させながら挿入することがさらに好ましい。尚、温接点２２を形成する工程と、金属シース１０端部の内壁２５に付着した無機絶縁物３をかき落とす工程とを、別々に備えてもよいことは勿論であり、内壁２５に付着した無機絶縁物３を除去する手法としては、前記の手法以外にも、例えば超音波により除去する手法を採用することもできる。
【００４７】
なお、上記第１実施形態と同様、シース先端部位１１を構成するその他の方法として、図１０に示すように、金属シース１０を所定長さに切断し（Ｓ６０１）、該金属シース１０に予め温接点２２を形成した一対の熱電対素線２１を挿入した後（Ｓ６０２）、該温接点２２を無機絶縁物３により埋没させて所定深さＬに設定する（Ｓ６０３、Ｓ６０４）方法を採用することも可能である。
【００４８】
前記かしめ部１３の横断面形状は、例えば図１１（ａ）〜（ｅ）に示すように、シース軸心２３に対して対称形とすることにより、溶融させた後のシース先端形状を、肉厚に偏りのない略半球状に形成することが容易となるため好ましい。さらに、前記かしめ部１３を、シース軸心２３から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片１２より構成することにより、かしめ部の強度が向上し、かしめ片が折れ曲がることによる不良品の発生を低減することができるため、より好ましい。例えば、図１１（ｂ）、（ｄ）に示すかしめ部は、シース軸心２３に対して対称形で、かつ３方向へ伸びるかしめ片１２より構成されたものであり、図１１（ｃ）に示すかしめ部は、シース軸心２３に対して対称形で、かつ４方向へ伸びるかしめ片１２より構成されたものである。また、前記かしめ部１３のシース長手方向に沿った長さＡを、前記シース外径Ｂの１〜３倍とすることにより、かしめ片１２の大きさが溶融させるのに最適なものとなり、高い気密性で封止することが容易となる。
【００４９】
かしめ部１３の溶融は、上記第１実施形態と同様、溶接によること、特に金属シースの他端２４を例えば真空ポンプなどを用いて吸引して金属シース１０内部を減圧した状態で溶接することが好ましい。このようにかしめ部１３を形成してこれを溶融することで、金属シースが大径であっても溶接をスムーズに行うことができ、先端封止部４が肉厚に偏りのない略半球状のものとすることができる。その他については基本的には上記第１実施形態と同様であり、同一構造には同一符合を付してその説明を省略する。
【００５０】
次に、図１２に基づき、本発明の第４実施形態を説明する。
【００５１】
本実施形態のシース熱電対１は、第３実施形態のようにかしめ部を形成して溶融するケースにおいて、シース熱電対を接触型とするものであり、図１２に示すように、一対の熱電対素線２１，２１を収容し、これら熱電対素線間に無機絶縁物３を充填した長尺な金属シース１０を所定の長さに切断し、切断された金属シース１０一端側から無機絶縁物３を除去し、所定長さに設定された熱電対素線２１，２１を突出させて埋設表面３１を所定深さＬに設定するとともに、各熱電対素線２１を適切な長さに切断し（Ｓ７０１）、熱電対素線２１，２１を挟み込むように、当該シース先端部位１１を所定形状にかしめた後（Ｓ７０２）、当該かしめ部１３を溶融することにより、金属シース材からなる先端封止部４に熱電対素線２１，２１埋入させたものである。
【００５２】
この場合、一対の熱電対素線２１をかしめ片１２内に挟み込むようにかしめる必要があるため、かしめ部１３の形状としては、図１１（ａ）、（ｃ）及び（ｅ）に示すように、シース軸心２３に対して対称形で、かつ偶数の方向へ伸びるかしめ片１２より構成される形状とすることが好ましい。
【００５３】
以上、本発明の実施形態についてそれぞれ説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、例えば金属シースが細径（例えば、外径０．２５〜１．６ｍｍ）の場合、シース内の空間容積が少ないことから無機絶縁物３により該温接点２２を埋没させずに内部に空間を有するタイプのシース熱電対としても特に支障はなく、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【実施例】
【００５４】
図１３（ａ）に示した従来からの製法により、ＪＩＳ規格で定められたインコネル用溶接棒を用いて先端を封じ溶接した３．２ｍｍ、２．３ｍｍ、１．６ｍｍのインコネルシース型Ｋ熱電対について、１１５０℃、１１００℃、１０５０℃などの加速試験温度で加熱並びにＥＭＦの経時変化を測定する試験を実施した結果、ＥＭＦ値はクラスIIの範囲内に
ありながら、予測されたインコネルの耐久時間よりも短時間でシースに破損が生じた。以下、その考察について説明する。
【００５５】
図１４は、破損品の破損部断面の光学顕微鏡による観察結果を示し、下記表１は、破損品の溶接部近傍のＳＥＭ／ＥＤＸ元素定量分析比較結果を示している。この図１４および表１から、次のことが考察される。破損品の先端封止部近傍のシース母材部分は、表面に緻密な酸化クロムを主成分とした酸化物で覆われている（箇所Ｂ）が、母材（箇所Ｃ）は残存している。母材の結晶粒界には構成元素のＣｒ，Ｆｅ，Ｎｉの粒界酸化物が析出しているものの、母材を貫通する程には粒界酸化は及んでいない。一方、シース先端封止部は、酸化しきらずに金属組織が一部残留している。残留組織の特徴は粒界に大量に酸化物が析出している。また、残留組織の成分は、表１から分かるように本来のインコネルシース母材とは異なり、溶接直後の先端溶接部の成分（溶接棒成分）から、恐らく酸化により消失した成分を示している。
【００５６】
【表１】
【００５７】
次に、破損品先端封止部近傍の約１ｍｍ長さ範囲の酸化損耗の原因を調べるべく、破損品と同じくＪＩＳ規格で定められたインコネル用溶接棒を用いて先端を封じ溶接したインコネルシース型Ｋ熱電対（比較例１）と、本発明の上記第１実施形態の方法により、溶接棒を用いずにシース先端部位を溶融させて先端封止したインコネルシース型Ｋ熱電対（実施例１）の比較観察を実施した。図１５（ａ）は、比較例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡観察結果を示し、図１５（ｂ）は、実施例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡観察結果を示し、表２は比較例１、実施例１の溶接部近傍のＳＥＭ／ＥＤＸ元素定量分析比較結果を示している。図１５の走査型電子顕微鏡写真での両者の差は明瞭で、実施例１は当然ながら母材と先端封止部は均質であったが、溶接棒を用いて封止した比較例１では溶接境界面に不均質の兆候が見られる。そして、表２の分析結果から、比較例１では本来シース母材に含まれないＭｎ，Ｎｂを含有し、その他の元素に関しても微妙に母材とは異なっている。
【００５８】
【表２】
【００５９】
以上の破損品、比較例１、実施例１の観察結果から、次のことが想定される。まずインコネル用溶接棒はインコネルそのものより耐酸化性が劣る。また、シース母材では表面に緻密な酸化クロム膜を形成し、その酸化膜がある程度の表面からの一様な酸化に対して抑制する機能を果たしているが、先端封止部に残留した金属組織の特徴から、溶接棒で形成された部分は溶接後の結晶組織の粒度は母材よりも大きく、その粒界にＭｎ，Ｎｂなどの酸化しやすい添加元素が析出し、表面からの一様な酸化に加えて、粒界酸化が生じたと考えらえる。そのため、酸化の耐久性が母材に劣る結果となったと考えられる。このことから、溶接棒を用いずに母材自体を溶融させて先端封止した本発明は優れた耐酸化性を有することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシース熱電対を示す説明図。
【図２】シース先端部位を構成するまでの工程を示す説明図。
【図３】シース先端部位を溶融して先端封止部を構成する工程を示す説明図。
【図４】シース先端部位を形成する他の方法を示す説明図。
【図５】シース先端部位を縮径させて溶融する変形例を示す説明図。
【図６】本発明の第２実施形態に係るシース熱電対の製作手順を示す説明図。
【図７】本発明の第３実施形態に係るシース熱電対の製作工程におけるかしめ部の代表的形状を示す斜視図。
【図８】同じく第３実施形態に係るシース熱電対の製作手順を示す説明図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は熱電対の温接点を形成する方法を示す説明図。
【図１０】シース先端部位を形成する他の方法を示す説明図。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれかしめ部形状の変形例を示す説明図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係るシース熱電対の製作手順を示す説明図。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、従来のシース熱電対を示す説明図。
【図１４】破損品の破損部断面の光学顕微鏡写真。
【図１５】（ａ）は比較例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）は実施例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００６１】
１ シース熱電対
２ 熱電対
３ 無機絶縁物
４ 先端封止部
５ 接続部
６ リード線
９ 冶具
９ａ 切り欠き部
９ｂ 外周面
１０ 金属シース
１０ａ 先端縁
１１ シース先端部位
１２ かしめ片
１３ かしめ部
２１ 熱電対素線
２２ 温接点
２３ 軸心
２４ 他端
２５ 内壁
３１ 埋設表面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シース熱電対およびその製造方法に係わり、より詳しくは、特にガスタービンや蒸気タービン、石油化学プラント等の高温・高速流体の温度測定に好適なシース熱電対の製造方法およびそれにより製造されたシース熱電対に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電対は、種類の異なる二本の素線を接続し、この接続部（温接点）間に温度差が生じたとき閉回路に熱起電力が発生し、回路に電流が流れるゼーペック効果を利用して温度を測定するものである。シース熱電対は、熱電対素線を金属シース内に納め、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の無機絶縁物で充填密封して一体化したものである。従来のシース熱電対は、先端が互いに接続された二本の熱電対素線を当該接続部で折り返した形に平行に配し、棒状の金属シース基端から挿入して、温接点をシース先端部分に位置させるとともに、シース基端側を片持ち状に支持することで先端側を被測定流体中に突出させ、当該温接点が位置するシース先端の部分で温度測定するものである（例えば、特許文献１および２参照。）。
【０００３】
このようなシース熱電対の先端部の形成方法として、図１３（ａ）のシース熱電対１０１に示すように、熱電対２０２を収容した金属シース１１０の先端開口部１１０ａを封止する際、溶接棒をアーク電極により溶融し溶かし込むことにより先端封止部１０４を形成し、絶縁物が飛び出さないよう蓋をする手法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、このような手法では、溶接棒に金属シースと同材質のものを用いる必要があるため、毎回溶接棒と金属シースの材質の確認作業が必要となるとともに、金属シースの材質が変わる度に合わせて溶接棒の材質を変更する必要があり、材質の異なる溶接棒の在庫が増え、低コスト化が困難であり、それにより商品価格が高くなる問題があった。また、溶接する際に、溶接棒と金属シースとを正確に位置合わせする必要があるため、このような溶接工程を含むシース熱電対の製造を自動化することは困難であった。更に、実際に用いられている専用溶接棒は金属シースの組成と微妙に異なり、その異成分を原因として耐酸化性等の耐久性を低下させる原因となっていた。
【０００４】
また、図１３（ｂ）のシース熱電対２０１に示すように、熱電対２０２を収容した金属シース２１０の先端開口部に封止部材２４０を嵌入させ、溶接により開口縁部２１０ａに固定して先端封止部２０４を形成する手法も行われているが、この方法では金属シースの内径に合致した封止部材２４０を別途用意する必要があり、部品点数および工数の増加などコスト増大の原因となる。また、先端封止部にシース内壁や無機絶縁物の埋設表面との間に空間が生じると温度測定精度に悪影響を与えるところ、このような封止部材２４０を用いる方法では、封止部材２４０自体の精度や封止部材２４０の熱膨張／収縮を原因として空間が生じやすく、精度低下の懸念がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−８２５５７号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５７８０号公報
【特許文献３】特公昭５９−３７７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、工数を減らし生産速度を向上できるとともに、低コスト化することができ、しかも自動化するのに適し、耐久性および測定精度に優れたシース熱電対の製造方法、およびそれにより製造されたシース熱電対を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述の課題解決のために、金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対において、前記金属シース先端側の気密封止として、前記無機絶縁物の埋設表面から所定長さ延出させたシース先端部位を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部を形成してなることを特徴とするシース熱電対を構成した。ここに、「所定長さ」とは、狙いとする容量の先端封止部を形成するために設定される長さであり、金属シースの厚み、径などの寸法に基づいて適宜設定される。
【０００８】
ここで、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、又は所定形状にかしめたうえで溶融させたものが好ましい。
【０００９】
また、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成したものが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対の製造方法において、前記金属シース先端側の気密封止に際し、前記無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、これにより前記埋設表面から所定長さ延出されたシース先端部位を溶融して、当該金属シース材からなる先端封止部を形成することを特徴とするシース熱電対の製造方法をも提供する。
【００１１】
ここでも、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融させることが好ましい。
【００１２】
また、前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成することが好ましい。
【００１３】
さらに詳しくは、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、突出した熱電対素線を結線して温接点を形成して、無機絶縁物を埋め戻し、該無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、該埋設表面から所定長さ延出しているシース先端部位を、そのまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融して前記先端封止部を形成することが好ましい。ここに、「長尺な」とは、例えば１０ｍ程度をいい、複数の長さに切り分けて効率よく生産できる長さが設定されるが、とくにその寸法は限定されない。
【００１４】
また、前記温接点を形成する手法は、前記金属シース一端側に内嵌する外周面とその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部を設けた冶具を、前記無機絶縁物を除去した空所に挿入し、金属シース端部の内壁に付着した無機絶縁物を前記冶具の外周面でかき落とすと同時に、温接点を形成する一対の熱電対素線を前記切り欠き部の略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して前記熱電対素線端部を結線することが好ましい。
【００１５】
また、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、前記シース先端部位を溶融して、前記突出した熱電対素線を当該金属シース材からなる先端封止部に埋入させることが好ましく、たとえば、突出した熱電対素線を挟み込むように、前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させる。
【００１６】
さらに、前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させる方法では、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部のシース長手方向に沿った長さを前記シース外径の１〜３倍とすることが好ましく、また、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部の横断面形状を、シース軸心に対して対称形とすること、特に前記かしめ部がシース軸心から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片より構成されることが好ましい。
【００１７】
そして、前記シース先端部位は、好ましくは溶接により溶融される。
【発明の効果】
【００１８】
以上にしてなる本願発明によれば、溶接棒を用いる必要がないため、溶接棒とシースとの材質確認作業が不要となり工数を減らし生産速度を向上できるとともに、材質の異なる溶接棒の在庫を保有する必要もなくなり低コスト化することができ、しかも溶接棒と金属シースとを正確に位置合わせして溶接する必要がないため製造工程を自動化するのに適したものとなる。また、溶接棒の異成分が耐酸化性を低下させるといった問題も解消され、耐久性及び測定精度に優れたシース熱電対を低コストに提供できる。
【００１９】
また、シース先端部位を筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融させることで、シース径や厚さ等に応じて適切な方法でシース先端部位を確実にかつ略半円形となるように溶融させることができる。
【００２０】
また、熱電対素線と無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、突出した熱電対素線を結線して温接点を形成して、無機絶縁物を埋め戻し、該無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、延出しているシース先端部位を溶融するので、大量生産への対応にも優れたものとなり、生産効率を向上することができるものとなる。
【００２１】
また、温接点を形成する手法として、前記金属シース一端側に内嵌する外周面とその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部を設けた冶具を、前記無機絶縁物を除去した空所に挿入し、金属シース端部の内壁に付着した無機絶縁物を前記冶具の外周面でかき落とすと同時に、温接点を形成する一対の熱電対素線を前記切り欠き部の略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して前記熱電対素線端部を結線するので、付着物の除去と温接点の形成とを同時に行うことができ、工数を増やすことなく、安定的に高い気密性で封止できる。
【００２２】
また、熱電対素線と無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、前記シース先端部位を溶融して、前記突出した熱電対素線を当該金属シース材からなる先端封止部に埋入させることにより、応答が速い接触型のシース熱電対を低コストで提供できる。
【００２３】
また、かしめ部のシース長手方向に沿った長さを、金属シース外径の１〜３倍とすることにより、かしめ片の大きさが溶融させるのに最適なものとなり、溶融させた後のシース熱電対先端形状を良好なものとし高い気密性で封止することが容易となる。
【００２４】
さらに、前記かしめ部の横断面形状を、シース軸心に対して対称形とすることにより、溶融させた後のシース先端形状を、肉厚に偏りのない略半球状に形成することが容易となる。
【００２５】
また、かしめ部が、シース軸心から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片より構成されることにより、かしめ部の強度が向上し、かしめ片が折れ曲がることによる不良品の発生を低減することができる。
【００２６】
また、シース先端部位は溶接により溶融することにより、容易かつ確実に気密封止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明に係るシース熱電対を示す説明図であり、図１〜５は第１実施形態、図６は第２実施形態、図７〜１１は第３実施形態、図１２は第４実施形態を示し、図中符号１はシース熱電対、２は熱電対、３は無機絶縁物、４は先端封止部、１０は金属シースをそれぞれ示している。
【００２９】
シース熱電対１は、図１に示すように、金属シース１０内部に、一対の熱電対素線２１，２１よりなる熱電対２、およびこれら熱電対２と金属シース１０の隙間を埋める無機絶縁物３を収容し、先端側を気密封止したものであり、当該気密封止した一端側が温度測定する際に被測定流体中に突出させる先端側となる。本発明はとくに、金属シース１０先端側の気密封止として、図３に示すように、無機絶縁物３の埋設表面３１から所定長さＬだけ延出させたシース先端部位１１を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部４を形成してなることを特徴とする。
【００３０】
なお、先端封止部４を除いて、金属シース１０や熱電対２、無機絶縁物３などの素材や各部の構造については、従来のシース熱電対と同様のものを採用できる。金属シース１０は、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）やニッケルクローム系耐熱合金（インコネル）等を用いることができ、シース内に充填する無機絶縁物３として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を用いることができるが、これらに何ら限定されるものでもない。また、熱電対２を構成する熱電対素線２１は、たとえばプラス側素線にニッケル−クロム合金、マイナス側素線にニッケル合金が用いることができるが、とくに限定されるものではない。また、本例では、熱電対素線２１，２１を一対のみ収容したもの例示しているが、複数対内挿したものでも勿論よい。また、シース熱電対１の基端側において、熱電対が接続部５内の補償導線を介してリード線６に接続されているが、このような構造に何ら限定されず、たとえばスリーブ状の保護管で支持し、端子箱から延出した補償導線で測定器に接続される耐圧防爆型や、端子箱を介することなく脱着コネクタを設けたものなど、従来と同様の種々の接続構造を採用できる。
【００３１】
先ず、図１〜５に基づき、本発明の第１実施形態を説明する。
【００３２】
本実施形態のシース熱電対１は、非接触型シース熱電対であり、図３に示すように、金属シース１０先端側の気密封止として、前記無機絶縁物の埋設表面３１を金属シース先端縁１０ａから所定深さＬの位置に設定し、これにより無機絶縁物の埋設表面３１から所定長さ延出されたシース先端部位１１を、筒状のまま先端縁１０ａから全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状の先端封止部４を形成したものである。
【００３３】
シース先端部位１１を構成するまでの工程は、図２に示す通りである。すなわち、まず一対の熱電対素線２１，２１およびこれら熱電対素線２１と金属シース１０の隙間を埋める無機絶縁物３を収容した長尺な金属シース１０を所定長さに切断し（Ｓ１０１）、切断された金属シース１０の一端側から無機絶縁物を除去するとともに所定長さに設定された一対の熱電対素線２１、２１を突出させ（Ｓ１０２）、該熱電対素線２１、２１を先端部で結線して温接点２２を形成する（Ｓ１０３）。ここで、温接点２２の形成は、後述の第３実施形態と同様、図９に示すような冶具９を用いてシース内壁２５に付着した無機絶縁物３をかき落とすと同時に温接点２２を形成する一対の熱電対素線２１，２１を互いにもたれ合うように折曲させた上で、各熱電対素線の先端部を互いに結線して形成してもよい。
【００３４】
そして、無機絶縁物３を埋め戻して前記温接点２２を埋没させた後（Ｓ１０４）、該無機絶縁物３を除去して埋設表面３１が金属シース先端縁から所定深さＬの位置となるように設定する（Ｓ１０５）。ここで、無機絶縁物を除去するには、好ましくはエンドミルやドリルなどが用いられ、このとき発生する削りカスを吸引或いはエアーの吹き付けにより除去しながら行うことがより好ましい。これによりシース先端部位１１を溶融する際に無機絶縁物が含まれてしまうことを防止できる。
【００３５】
なお、シース先端部位１１を形成するその他の方法としては、図４に示すように、金属シース１０を所定長さに切断し（Ｓ３０１）、該金属シース１０に予め温接点２２を形成した一対の熱電対素線２１を挿入した後（Ｓ３０２）、該温接点２２を無機絶縁物３により埋没させて所定深さＬに設定する方法を採用することも勿論可能である。
【００３６】
次に、シース先端部位１１を溶融して先端封止部４を構成する工程は、図３のＳ２０１〜２０３に示すように、シース先端部位１１の先端縁１０ａから全周にわたって略均一に溶融させることにより、略半球形状の先端封止部４を形成する（Ｓ２０４）。溶融手法としては、特に制限されるものではないが、容易かつ確実に気密封止できることから溶接が用いられる。具体的には、溶接棒は用いずにアーク溶接またはＴＩＧ溶接によりシース先端部位１１を溶融させる。このようにシース先端部位１１を溶融することにより、シース熱電対先端部における余分な気泡の噛み込みが殆どなく気密性が高いシース熱電対を作製することが容易となり、また溶接棒と金属シースとを正確に位置合わせして溶接する必要がないため製造工程を自動化するのに適したものとなる。なお、溶融の際には、図示しない金属シースの他端側から真空ポンプなどで吸引し、シース内部を減圧した状態としておくことが、内部に空気が残存することなく確実に気密封止することができるため好ましい。
【００３７】
このようにして製造したシース熱電対は、先端形状が肉厚に偏りのない略半球状で、余分な気泡の噛み込みや、前記気泡がシース熱電対先端部を溶融する際に熱膨張しはじけることによる表面の凹凸や歪みの発生が殆どなく、気密性も高いものとなり、かつ低コスト化できるものとなる。また非接触型であるため、長時間の使用にも耐え得る耐久性の高いものとなる。
【００３８】
なお、以上の例ではシース先端部位１１を筒状のまま溶融させていたが、図５に示すように、先端を縮径させたうえで、先端縁１０ａから全周にわたって略均一に溶融させることも好ましい実施例である。これによれば金属シース１０の径が大きい場合でも溶接をスムーズに行うことができる。
【００３９】
次に、図６に基づき、本発明の第２実施形態を説明する。
【００４０】
本実施形態は、接触型のシース熱電対を構成したものであり、図６に示すように、一対の熱電対素線２１，２１を収容し、これら熱電対素線間に無機絶縁物３を充填した長尺な金属シース１０を所定の長さに切断し（Ｓ４０１）、切断された金属シース１０一端側から無機絶縁物３を除去するとともに所定長さに設定された熱電対素線２１，２１を突出させ、無機絶縁物３の埋設表面３１は所定深さＬに設定される（Ｓ４０２）。そして、埋設表面３１より突出するシース先端部位１１を溶融して、同じく突出している熱電対素線２１，２１を当該金属シース材からなる先端封止部４に埋入させたものである（Ｓ４０３）。
【００４１】
このようにして製造したシース熱電対は、先端形状が肉厚に偏りのない略半球状で、余分な気泡の噛み込みが殆どなく気密性が高いものとなり、かつ低コスト化に対応したものとなる。また接触型であるため、温度測定時の応答が速いものとなる。その他については上記第１実施形態と同様であり説明を省略する。
【００４２】
次に、図７〜１１に基づき、本発明の第３実施形態を説明する。
【００４３】
本実施形態に係るシース熱電対１は、非接触型のものであり、所定長さＬだけ延出されたシース先端部位１１を所定形状にかしめてかしめ部１３を形成した上で、該かしめ部１３を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部４を形成したものである。尚、本発明において「かしめ」は、目的とするかしめ部１３の形状を得るために、図示しない種々の形状よりなる冶具又は型を用いて、従来のかしめ方法と同様に行われるものであり特に限定されないが、所望のかしめ形状を得るために、数段階の荷重負荷工程を経て徐々に目的とするかしめ部１３形状を形成していくことが、金属シース１０への負荷が分散されるため好ましい。
【００４４】
具体的には、図８に示すように、一対の熱電対素線２１，２１を収容し、これら熱電対素線間に無機絶縁物３を充填した長尺な金属シース１０を所定の長さに切断し（Ｓ５０１）、切断された金属シース１０一端側の無機絶縁物３を除去するとともに所定長さに設定された一対の熱電対素線２１，２１を突出させ（Ｓ５０２）、これら熱電対素線２１，２１を結線して温接点を形成する（Ｓ５０３）。そして、無機絶縁物３を埋め戻して温接点２２を埋没した埋設表面３１を所定深さＬに設定した後（Ｓ５０４）、該埋設表面３１から所定長さ延出しているシース先端部位１１を所定形状にかしめ（Ｓ５０５）、当該かしめ部１３を溶融させて先端封止部４を形成する（Ｓ５０６）。
【００４５】
より詳しくは、前記温接点２２を形成する際には、図９に示すように前記金属シース１０一端側に内嵌する外周面９ｂとその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部９ａを設けた冶具９を、前記無機絶縁物３を除去した空所に挿入し（図中（ａ））、金属シース１０端部の内壁２５に付着した無機絶縁物３を前記冶具９の外周面９ｂでかき落とすと同時に、温接点２２を形成する一対の熱電対素線２１を前記切り欠き部９ａの略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して（図中（ｂ））、前記熱電対素線端部を結線する（図中（ｃ））。
【００４６】
この冶具９の形状としては、切り欠き部が円錐形状となっているものがより好ましく、このような冶具９を、無機絶縁物３を除去した空所に回転させながら挿入することがさらに好ましい。尚、温接点２２を形成する工程と、金属シース１０端部の内壁２５に付着した無機絶縁物３をかき落とす工程とを、別々に備えてもよいことは勿論であり、内壁２５に付着した無機絶縁物３を除去する手法としては、前記の手法以外にも、例えば超音波により除去する手法を採用することもできる。
【００４７】
なお、上記第１実施形態と同様、シース先端部位１１を構成するその他の方法として、図１０に示すように、金属シース１０を所定長さに切断し（Ｓ６０１）、該金属シース１０に予め温接点２２を形成した一対の熱電対素線２１を挿入した後（Ｓ６０２）、該温接点２２を無機絶縁物３により埋没させて所定深さＬに設定する（Ｓ６０３、Ｓ６０４）方法を採用することも可能である。
【００４８】
前記かしめ部１３の横断面形状は、例えば図１１（ａ）〜（ｅ）に示すように、シース軸心２３に対して対称形とすることにより、溶融させた後のシース先端形状を、肉厚に偏りのない略半球状に形成することが容易となるため好ましい。さらに、前記かしめ部１３を、シース軸心２３から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片１２より構成することにより、かしめ部の強度が向上し、かしめ片が折れ曲がることによる不良品の発生を低減することができるため、より好ましい。例えば、図１１（ｂ）、（ｄ）に示すかしめ部は、シース軸心２３に対して対称形で、かつ３方向へ伸びるかしめ片１２より構成されたものであり、図１１（ｃ）に示すかしめ部は、シース軸心２３に対して対称形で、かつ４方向へ伸びるかしめ片１２より構成されたものである。また、前記かしめ部１３のシース長手方向に沿った長さＡを、前記シース外径Ｂの１〜３倍とすることにより、かしめ片１２の大きさが溶融させるのに最適なものとなり、高い気密性で封止することが容易となる。
【００４９】
かしめ部１３の溶融は、上記第１実施形態と同様、溶接によること、特に金属シースの他端２４を例えば真空ポンプなどを用いて吸引して金属シース１０内部を減圧した状態で溶接することが好ましい。このようにかしめ部１３を形成してこれを溶融することで、金属シースが大径であっても溶接をスムーズに行うことができ、先端封止部４が肉厚に偏りのない略半球状のものとすることができる。その他については基本的には上記第１実施形態と同様であり、同一構造には同一符合を付してその説明を省略する。
【００５０】
次に、図１２に基づき、本発明の第４実施形態を説明する。
【００５１】
本実施形態のシース熱電対１は、第３実施形態のようにかしめ部を形成して溶融するケースにおいて、シース熱電対を接触型とするものであり、図１２に示すように、一対の熱電対素線２１，２１を収容し、これら熱電対素線間に無機絶縁物３を充填した長尺な金属シース１０を所定の長さに切断し、切断された金属シース１０一端側から無機絶縁物３を除去し、所定長さに設定された熱電対素線２１，２１を突出させて埋設表面３１を所定深さＬに設定するとともに、各熱電対素線２１を適切な長さに切断し（Ｓ７０１）、熱電対素線２１，２１を挟み込むように、当該シース先端部位１１を所定形状にかしめた後（Ｓ７０２）、当該かしめ部１３を溶融することにより、金属シース材からなる先端封止部４に熱電対素線２１，２１埋入させたものである。
【００５２】
この場合、一対の熱電対素線２１をかしめ片１２内に挟み込むようにかしめる必要があるため、かしめ部１３の形状としては、図１１（ａ）、（ｃ）及び（ｅ）に示すように、シース軸心２３に対して対称形で、かつ偶数の方向へ伸びるかしめ片１２より構成される形状とすることが好ましい。
【００５３】
以上、本発明の実施形態についてそれぞれ説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、例えば金属シースが細径（例えば、外径０．２５〜１．６ｍｍ）の場合、シース内の空間容積が少ないことから無機絶縁物３により該温接点２２を埋没させずに内部に空間を有するタイプのシース熱電対としても特に支障はなく、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【実施例】
【００５４】
図１３（ａ）に示した従来からの製法により、ＪＩＳ規格で定められたインコネル用溶接棒を用いて先端を封じ溶接した３．２ｍｍ、２．３ｍｍ、１．６ｍｍのインコネルシース型Ｋ熱電対について、１１５０℃、１１００℃、１０５０℃などの加速試験温度で加熱並びにＥＭＦの経時変化を測定する試験を実施した結果、ＥＭＦ値はクラスIIの範囲内に
ありながら、予測されたインコネルの耐久時間よりも短時間でシースに破損が生じた。以下、その考察について説明する。
【００５５】
図１４は、破損品の破損部断面の光学顕微鏡による観察結果を示し、下記表１は、破損品の溶接部近傍のＳＥＭ／ＥＤＸ元素定量分析比較結果を示している。この図１４および表１から、次のことが考察される。破損品の先端封止部近傍のシース母材部分は、表面に緻密な酸化クロムを主成分とした酸化物で覆われている（箇所Ｂ）が、母材（箇所Ｃ）は残存している。母材の結晶粒界には構成元素のＣｒ，Ｆｅ，Ｎｉの粒界酸化物が析出しているものの、母材を貫通する程には粒界酸化は及んでいない。一方、シース先端封止部は、酸化しきらずに金属組織が一部残留している。残留組織の特徴は粒界に大量に酸化物が析出している。また、残留組織の成分は、表１から分かるように本来のインコネルシース母材とは異なり、溶接直後の先端溶接部の成分（溶接棒成分）から、恐らく酸化により消失した成分を示している。
【００５６】
【表１】
【００５７】
次に、破損品先端封止部近傍の約１ｍｍ長さ範囲の酸化損耗の原因を調べるべく、破損品と同じくＪＩＳ規格で定められたインコネル用溶接棒を用いて先端を封じ溶接したインコネルシース型Ｋ熱電対（比較例１）と、本発明の上記第１実施形態の方法により、溶接棒を用いずにシース先端部位を溶融させて先端封止したインコネルシース型Ｋ熱電対（実施例１）の比較観察を実施した。図１５（ａ）は、比較例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡観察結果を示し、図１５（ｂ）は、実施例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡観察結果を示し、表２は比較例１、実施例１の溶接部近傍のＳＥＭ／ＥＤＸ元素定量分析比較結果を示している。図１５の走査型電子顕微鏡写真での両者の差は明瞭で、実施例１は当然ながら母材と先端封止部は均質であったが、溶接棒を用いて封止した比較例１では溶接境界面に不均質の兆候が見られる。そして、表２の分析結果から、比較例１では本来シース母材に含まれないＭｎ，Ｎｂを含有し、その他の元素に関しても微妙に母材とは異なっている。
【００５８】
【表２】
【００５９】
以上の破損品、比較例１、実施例１の観察結果から、次のことが想定される。まずインコネル用溶接棒はインコネルそのものより耐酸化性が劣る。また、シース母材では表面に緻密な酸化クロム膜を形成し、その酸化膜がある程度の表面からの一様な酸化に対して抑制する機能を果たしているが、先端封止部に残留した金属組織の特徴から、溶接棒で形成された部分は溶接後の結晶組織の粒度は母材よりも大きく、その粒界にＭｎ，Ｎｂなどの酸化しやすい添加元素が析出し、表面からの一様な酸化に加えて、粒界酸化が生じたと考えらえる。そのため、酸化の耐久性が母材に劣る結果となったと考えられる。このことから、溶接棒を用いずに母材自体を溶融させて先端封止した本発明は優れた耐酸化性を有することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシース熱電対を示す説明図。
【図２】シース先端部位を構成するまでの工程を示す説明図。
【図３】シース先端部位を溶融して先端封止部を構成する工程を示す説明図。
【図４】シース先端部位を形成する他の方法を示す説明図。
【図５】シース先端部位を縮径させて溶融する変形例を示す説明図。
【図６】本発明の第２実施形態に係るシース熱電対の製作手順を示す説明図。
【図７】本発明の第３実施形態に係るシース熱電対の製作工程におけるかしめ部の代表的形状を示す斜視図。
【図８】同じく第３実施形態に係るシース熱電対の製作手順を示す説明図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は熱電対の温接点を形成する方法を示す説明図。
【図１０】シース先端部位を形成する他の方法を示す説明図。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれかしめ部形状の変形例を示す説明図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係るシース熱電対の製作手順を示す説明図。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、従来のシース熱電対を示す説明図。
【図１４】破損品の破損部断面の光学顕微鏡写真。
【図１５】（ａ）は比較例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）は実施例１の先端封止部近傍断面の走査型電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００６１】
１ シース熱電対
２ 熱電対
３ 無機絶縁物
４ 先端封止部
５ 接続部
６ リード線
９ 冶具
９ａ 切り欠き部
９ｂ 外周面
１０ 金属シース
１０ａ 先端縁
１１ シース先端部位
１２ かしめ片
１３ かしめ部
２１ 熱電対素線
２２ 温接点
２３ 軸心
２４ 他端
２５ 内壁
３１ 埋設表面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対において、前記金属シース先端側の気密封止として、前記無機絶縁物の埋設表面から所定長さ延出させたシース先端部位を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部を形成してなることを特徴とするシース熱電対。
【請求項２】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、又は所定形状にかしめたうえで溶融させてなる請求項１記載のシース熱電対。
【請求項３】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成してなる請求項２記載のシース熱電対。
【請求項４】
金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対の製造方法において、
前記金属シース先端側の気密封止に際し、前記無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、
これにより前記埋設表面から所定長さ延出されたシース先端部位を溶融して、当該金属シース材からなる先端封止部を形成することを特徴とするシース熱電対の製造方法。
【請求項５】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項６】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成してなる請求項５記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項７】
少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、突出した熱電対素線を結線して温接点を形成して、無機絶縁物を埋め戻し、該無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、該埋設表面から所定長さ延出しているシース先端部位を、そのまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融して前記先端封止部を形成する請求項４〜６の何れか１項に記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項８】
前記温接点を形成する手法が、前記金属シース一端側に内嵌する外周面とその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部を設けた冶具を、前記無機絶縁物を除去した空所に挿入し、金属シース端部の内壁に付着した無機絶縁物を前記冶具の外周面でかき落とすと同時に、温接点を形成する一対の熱電対素線を前記切り欠き部の略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して前記熱電対素線端部を結線する請求項７記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項９】
少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、前記シース先端部位を溶融して、前記突出した熱電対素線を当該金属シース材からなる先端封止部に埋入させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１０】
突出した熱電対素線を挟み込むように、前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項９記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１１】
前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法であって、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部のシース長手方向に沿った長さを、前記シース外径の１〜３倍とした製造方法。
【請求項１２】
前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法であって、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部の横断面形状を、シース軸心に対して対称形としたシース熱電対の製造方法。
【請求項１３】
前記かしめ部が、シース軸心から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片より構成される請求項１２記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１４】
前記シース先端部位を、溶接により溶融してなる請求項４〜１３の何れか１項に記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１】
金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対において、前記金属シース先端側の気密封止として、前記無機絶縁物の埋設表面から所定長さ延出させたシース先端部位を溶融させ、当該金属シース材からなる先端封止部を形成してなることを特徴とするシース熱電対。
【請求項２】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、又は所定形状にかしめたうえで溶融させてなる請求項１記載のシース熱電対。
【請求項３】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させたうえで、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成してなる請求項２記載のシース熱電対。
【請求項４】
金属シース内部に、少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容し、先端側を気密封止してなるシース熱電対の製造方法において、
前記金属シース先端側の気密封止に際し、前記無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、
これにより前記埋設表面から所定長さ延出されたシース先端部位を溶融して、当該金属シース材からなる先端封止部を形成することを特徴とするシース熱電対の製造方法。
【請求項５】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項６】
前記シース先端部位を、筒状のまま若しくは先端を縮径させた後に、先端縁から全周にわたって略均一に溶融させることにより略半球形状に形成してなる請求項５記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項７】
少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、突出した熱電対素線を結線して温接点を形成して、無機絶縁物を埋め戻し、該無機絶縁物の埋設表面を金属シース先端縁から所定深さの位置に設定し、該埋設表面から所定長さ延出しているシース先端部位を、そのまま若しくは先端を縮径させた後に、又は所定形状にかしめた後に溶融して前記先端封止部を形成する請求項４〜６の何れか１項に記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項８】
前記温接点を形成する手法が、前記金属シース一端側に内嵌する外周面とその先端面に縦断面略Ｖ字状の切り欠き部を設けた冶具を、前記無機絶縁物を除去した空所に挿入し、金属シース端部の内壁に付着した無機絶縁物を前記冶具の外周面でかき落とすと同時に、温接点を形成する一対の熱電対素線を前記切り欠き部の略Ｖ字面に案内させて互いにもたれ合うように折曲して前記熱電対素線端部を結線する請求項７記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項９】
少なくとも一対の熱電対素線およびこれら熱電対素線と金属シースの隙間を埋める無機絶縁物を収容した長尺な金属シースを、所定の長さに切断し、切断された金属シースの一端側から無機絶縁物を除去し、一対の熱電対素線を突出させ、前記シース先端部位を溶融して、前記突出した熱電対素線を当該金属シース材からなる先端封止部に埋入させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１０】
突出した熱電対素線を挟み込むように、前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項９記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１１】
前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法であって、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部のシース長手方向に沿った長さを、前記シース外径の１〜３倍とした製造方法。
【請求項１２】
前記シース先端部位を所定形状にかしめた後に溶融させてなる請求項４記載のシース熱電対の製造方法であって、前記シース先端部位を所定形状にかしめたかしめ部の横断面形状を、シース軸心に対して対称形としたシース熱電対の製造方法。
【請求項１３】
前記かしめ部が、シース軸心から少なくとも３方向へ伸びるかしめ片より構成される請求項１２記載のシース熱電対の製造方法。
【請求項１４】
前記シース先端部位を、溶接により溶融してなる請求項４〜１３の何れか１項に記載のシース熱電対の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−１８７６５４（Ｐ２００７−１８７６５４Ａ）
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３５６０１（Ｐ２００６−３３５６０１）
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（３９０００７７４４）山里産業株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（３９０００７７４４）山里産業株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
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