(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が閉鎖部で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前記絶縁管の先端側に測温接点を備えた熱電対と、前記外側保護管の軸長方向の後方に実質的に同軸的に設けられた金属製の保持金具と、前記保持金具と前記外側保護管との間に介在すると共に前記外側保護管に軸長方向に作用する外部負荷を受ける耐火材料で形成された焼成れんが部とをもつことを特徴とする熱電対装置。
【請求項２】
請求項１において前記外側保護管及び前記焼成れんが部は、前記外側保護管及び前記焼成れんが部の外周を鋳包んだキャスタブル材を固化させて形成され且つ前記保持金具に接合された保護スリーブで包囲されてい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において前記焼成れんが部は、厚肉リング形状をなしており、前記外側保護管の軸長方向の基端を嵌合すると共に前記保持金具の軸長方向の軸端を嵌合する環状嵌合部をもつ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。この熱電対装置は、先端が閉鎖部で閉鎖された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絶縁管の先端側に測温接点を備えた熱電対と、外側保護管の後方に実質的に同軸的に設けられた金属製の保持金具とをもつ。
【０００３】
この熱電対装置では、外側保護管の外周は、これを鋳包んだキャスタブル材を固化させて形成された保護スリーブで包囲されている。
この熱電対装置では、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、測温の際に、測温対象物の熱の影響で、外側保護管の先端が高温に加熱される。そのため外側保護管の熱が金属製の保持金具に伝達され、金属製の保持金具が高温となってしまう不具合があった。そのため、測温対象物のエネルギロスを発生する。また保持金具には各種部品が装備されている場合には、これらの部品にも多量の熱が伝達されてしまい、部品の劣化が生じ易い。
【０００５】
更に、溶鋼などの金属溶湯を貯留した容器（加熱炉、取鍋、タンディッシュなど）の底に上記した熱電対装置を装備する場合には、金属溶湯の重量などの外部負荷が外側保護管の先端に作用するため、外側保護管の軸長方向の基端側が正規の位置から軸長方向へ変位し、外側保護管の取付性が低下するおそれがあった。本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、保持金具への伝熱を抑制して測温対象物のエネルギロスを抑制するとともに、外側保護管の軸長方向の基端側の変位を抑制し、外側保護管の基端側の取付性の低下を抑制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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電対装置は、先端が閉鎖部で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絶縁管の先端側に測温接点を備えた熱電対と、外側保護管の軸長方向の後方に実質的に同軸的に設けられた金属製の保持金具と、保持金具と外側保護管との間に介在すると共に外側保護管に軸長方向に作用する外部負荷を受ける耐火材料で形成された焼成れんが部とをもつことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明装置によれば、耐火材料で形成された焼成れんが部が保持金具と外側保護管との間に介在しているため、外側保護管の熱が保持金具に伝達されることは、抑制される。
更に金属溶湯の重量などの外部負荷が外側保護管の先端に軸長方向に沿って作用する場合であっても、外部負荷が焼成れんが部によって受け止められるため、外側保護管の基端側の取付性が低下するおそれが抑えられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明装置の好ましい態様によれば、外側保護管及び焼成れんが部は、外側保護管及び焼成れんが部の外周を鋳包んだキャスタブル材を固化させて形成され且つ保持金具に接合された保護スリーブで包囲されている構成を採用できる。
本発明装置の好ましい態様によれば、焼成れんが部は、厚肉リング形状をなしており、外側保護管の軸長方向の基端を嵌合すると共に保持金具の軸長方向の軸端を嵌合する環状嵌合部をもつ構成を採用できる。
【０００９】
本発明装置によれば、保持金具には各種部品が装備されることが多い。各種部品としては、例えば付勢手段や電気コネクタがあげられる。
付勢手段は、熱電対をもつ絶縁管の先端側を外側保護管の閉鎖部に向けて付勢するためのものである。付勢手段としてはバネを採用できる。バネとしてはコイルバネ、板バネ、皿バネ等の公知のバネを適宜選択できる。バネの材質としては金属でも良いし、セラミックスでも良い。
【００１０】
本発明装置で使用する熱電対としては、測温対象物の温度を測温できるものであれば良く、使用条件によって適宜選択でき、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。
外側保護管は、金属溶湯や雰囲気ガスなどの測温対象物に先端が接触するものであり、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。
【００１１】
本発明装置は、測温対象物に外側保護管の先端を接触させ、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。
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、本発明装置の外側保護管の先端を金属溶湯等の液体に浸漬させても良い。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）に本発明装置を取付け、本発明装置の外側保護管の先端を金属溶湯等の液体に浸漬させても良い。
【００１２】
【実施例】
（第１実施例）
以下、図１〜図３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、円筒有底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及び内壁面１ｃをもつ。
【００１３】
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（上端）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、外側保護管１の肉厚変動を抑制している。
【００１４】
本実施例では挿入孔２の全長にわたり、挿入孔２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２ｋ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。
外側保護管１の挿入孔２には、軸長方向に延設された絶縁管６が中間保護管９とともに挿入されて配置されている。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。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。
【００１５】
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の途中部は互いに短絡することが防止されている。図２に示すように、熱電対７１，７２の先端側（上端側）には、両者を接合した測温接点７３が設けられている。
図２に示すように、外側保護管１と中間保護管９との間の隙間９ｘには、耐火物粉末としてのアルミナ粉末粒子９ｙが装填されている。このアルミナ粉末粒子９ｙ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。更に外側保護管１と中間保護管９との間のガタを抑え得る。更にアルミナ粉末粒子９ｙは湯漏れ対策にもなる。
【００１６】
アルミナ粉末粒子９ｙの純度が高い方が、熱電対７１，７２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、重量比で９５％以上、例えば９９．７％にできる。シリコンの量が増すと、低融点化、組織の不安定化を誘発し易い。
上記したアルミナ粉末粒子９ｙ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。
【００１７】
図１に示すように、外側保護管１の軸長方向の基端１ｅ側には、つまり後方側には保持金具３が設けられている。保持金具３は、外側保持管１の軸長方向の後方に同軸的に延設された通孔３０をもつ金属製の主筒部３１と、主筒部３１の半径方向外方に延設された金属製のフランジ部３２と、フランジ部３２の外周に設けられたリング状をなす金属製の係合部３３と、フランジ部３２の後方に配置された螺孔３４をもつ金属製の径小筒部３５と、主筒部３１の軸長方向の後方に同軸的に連結された金属製の保護筒体３６とを備えている。
【００１８】
保護筒体３６は収容室３６ａをもつとともに、その周壁３６ｂに開口する開口窓３６ｃと、凹状の第２バネ着座部３７ｅをもつ固定部として機能する固定蓋部３７ともつ。
図３に示すように、前記した絶縁管６の軸長方向の基端６ｅには保持部６７が取着されている。保持部６７は、絶縁管６の基端６ｅに嵌合されて被着されたキャップ形状の被着筒部６７ａと、被着筒部６７ａに形成された凹状の第１バネ着座部６７ｃとをもつ。被着筒部６７ａは、絶縁管６の基端６ｅに嵌合された円筒部６７ｍと、半径方向外方に延設されたフランジ部６７ｎと、熱電対７１，７２を導出する透孔６７ｓとをもつ。被着筒部６７ａの構成材料は炭素鋼であるが、これに限定されるものではない。
【００１９】
図３に示すように、保持部６７と固定蓋部３７とは互いに対面している。故におり、保持部６７の第１バネ着座部６７ｃと固定蓋部３７の第２バネ着座部３７ｅとは互いに対面している。保持部６７の第１バネ着座部６７ｃと固定蓋部３７の第２バネ着座部３７ｅとの間には、付勢手段としての圧縮コイル状をなすバネ３９が介在している。バネ３９は所要のバネ定数をもち、絶縁管６の基端６ｅを矢印Ｘ１方向に付勢する。
【００２０】
図３に示すようにバネ３９は保持筒体３６の収容室３６ａに収容されている。開口窓３６ｃは冷却窓機能をもつ通気窓を兼ねるものであり、バネ３９の近傍に設けられており、バネ３９に対面している。
図１に示すように、保持金具３の主筒部３１の通孔３０の基端３１ｅ側には、アルミナ繊維などで形成されたシール材４７が装填されている。更に、主筒部３１の基端３１ｅ側には蓋板４８が当てがわれ、蓋板４８が基端３１ｅ側に取付具４９で取付られている。これによりアルミナ粉末粒子９ｙの脱落が防止されている。
【００２１】
図１に示すように、軸長方向において、外側保護管１の基端１ｅと保持金具３との間には、アルミナリング４が設けられている。アルミナリング４は厚肉リング形状をなしており、外側保護管１や保持金具３とに同軸的に設けられている。アルミナリング４は、焼成れんが部として機能するものであり、圧縮成形工程及び焼成工程を経た緻密で高強度をもつ焼成れんがである定形れんがで構成されているものである。
【００２２】
アルミナリング４は、外側保護管１の基端１ｅに対面するリング状の第１軸端面４１と、保持金具３の主筒部３１の軸端面３１ｐに対面するリング状の第２軸端面４２と、軸長方向の一方及び他方に突出する環状嵌合部４３とをもつ。環状嵌合部４３は、外側保護管１の基端１ｅ及び保持金具３の主筒部３１の軸端を同軸的に嵌合しており、位置決め機能を奏している。
【００２３】
本実施例においては、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５が被覆されている。保護スリーブ５は、外側保護管１等を包囲する内周面５ａと、円錐面形状の外周面５ｂと、端面５ｃとをもつ。
【００２４】
保護スリーブ５から突出している外側保護管１の先端１ｋは、金属溶湯Ｍなどの測温対象物に接触する。
本実施例装置を使用する際には、金属溶湯Ｍを保持した貯留容器Ｗ（溶解炉、タンデッシュ、取鍋など）の底部Ｗ１の取付孔Ｗ２に嵌合して取り付ける。外側保護管１の先端部である閉鎖部１０の側は、測温対象物である金属溶湯Ｍに触れる。これにより測温対象物である金属溶湯Ｍの温度が熱電対７１，７２により測定される。
【００２５】
以上の説明から理解できるように本実施例においては、耐火材料で形成された焼成れんが部であるアルミナリング４が保持金具３と外側保護管１との間に介在している。そのため、外側保護管１の先端１ｋが高温に加熱された場合であっても、外側保護管１の熱が保持金具３に多量に伝達されることは、抑制される。よって、測温対象物のエネルギロスを低減できる。更に、保持金具３に装備されている金属部品の熱変形、熱損傷、熱劣化等を抑えるのに貢献できる。
【００２６】
更に本実施例においては、金属溶湯Ｍの重量などの外部負荷が外側保護管１の先端１ｋに作用する場合であっても、その外部負荷が焼成れんが部であるアルミナリング４によって受け止められる。そのため、外側保護管１の基端１ｅ側の軸長方向の変位が抑えられる。よって外側保護管１の基端側の取付性が低下するおそれが抑えられる。
【００２７】
加えて本実施例においては、付勢手段であるバネ３９の付勢力により、絶縁管６の基端６ｅを矢印Ｘ１方向に付勢する。従って、絶縁管６の先端６ｋ側は外側保護管１の閉鎖部１０に向けて付勢される。そのため熱電対７１，７２の測温接点７３と外側保護管１の閉鎖部１０との間の間隔が小さくなり、あるいは、消失する。この結果、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性が改善される。更に本実施例によれば、熱電対７１，７２の測温接点７３と外側保護管１の閉鎖部１０との間の間隔が安定化し、この間隔のバラツキは低減される。この結果、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温精度が改善され、測温精度が安定化される。
【００２８】
（第２実施例）
以下、第２実施例を図４参照して説明する。
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、前記した第１実施例の場合と同様に、外側保護管１の基端１ｅと保持金具３との間にはアルミナリング４が設けられている。アルミナリング４は厚肉リング形状をなしており、外側保護管１や保持金具３とに同軸的に設けられている。アルミナリング４は、緻密で高強度をもつ焼成れんが部として機能するものであり、圧縮成形工程及び焼成工程を経た焼成れんがである定形れんがで構成されているものである。本実施例においても、アルミナリング４は、外側保護管１の基端１ｅに対面する第１軸端面４１と、保持金具３の主筒部３１の軸端面３１ｐに対面する第２軸端面４２と、軸長方向の一方及び他方に突出する環状嵌合部４３とをもつ。環状嵌合部４３は、外側保護管１の基端１ｅ及び保持金具３の主筒部３１の軸端を同軸的に嵌合しており、位置決め機能を奏している。
【００２９】
更に本実施例においては、保持部６７の第１バネ着座部６７ｃと固定蓋部３７の第２バネ着座部３７ｅとの間には、所要のバネ定数をもつ付勢手段としての圧縮コイル状をなすバネ３９が介在している。従って、前記した第１実施例の場合と同様に、バネ３９は絶縁管６の基端６ｅを矢印Ｘ１方向に付勢している。このバネ３９は保持筒体３６の収容室３６ａに収容されている。開口窓３６ｃは通気窓を兼ねるものであり、バネ３９の近傍に設けられており、バネ３９に対面している。
【００３０】
更に本実施例においては、外側保護管１の挿入孔２は、外側保護管１の先端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。図４において径小孔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、挿入孔２の先端２ｋ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。
【００３１】
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。
本実施例においては、前記したように、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、外側保護管１の径小孔２０の内壁面と中間保護管９の先端９ｋの外壁面との間の隙間を低減または消失化できる。故に余分な隙間空間が低減または消失し、熱電対７１，７２の測温接点７３による測温応答性の改善、測温精度の改善に有利となる。
【００３２】
（第３実施例）
以下、図５を参照して第３実施例を説明する。
第３実施例は第２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、前記した第１実施例の場合と同様に、外側保護管１の基端１ｅと保持金具（図示せず）との間にはアルミナリング（図示せず）が設けられている。アルミナリングは厚肉リング形状をなしており、外側保護管１や保持金具とに同軸的に設けられている。アルミナリングは、焼成れんが部として機能するものである。外側保護管１の挿入孔２は、外側保護管１の先端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。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、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。
【００３３】
更に本実施例においては、外側保護管１の先端１ｋには、外径Ｅ４が小さい径小筒部１５が実質的に同軸的に形成されている。外側保護管１の先端１ｋである径小筒部１５の外径は径小であるため、径小筒部１５の熱容量は小さくて済む。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有利となる。
【００３４】
本実施例においては、図５に示すように、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、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、伝熱保護層として機能するものであり、金属製つまり白金製の円筒パイプ形状をなす。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。
【００３５】
伝熱金属キャップ８は熱伝導率が高いため、熱電対７１，７２による測温応答性の向上を図り得る。更に伝熱金属キャップ８は耐高温性に優れており、ガスバリヤ性も高いため、熱電対７１，７２の先端や測温接点７３を伝熱金属キャップ８を効果的に保護できる。そのため、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。
【００３６】
本実施例においても、図示はしないものの、保持部の第１バネ着座部と固定蓋部の第２バネ着座部との間には、所要のバネ定数をもつ付勢手段としてのコイル状をなすバネが介在している。バネは保持筒体の収容室に収容されている。開口窓は通気窓を兼ねるものであり、バネの近傍に設けられており、バネに対面している。
【００３７】
（他の実施例）
焼成れんが部はアルミナリング４に限定されるものでなく、ジルコニア系、マグネシア系、窒化珪素系等の公知の耐火材料で形成されたれんが部でも良い。
また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。
【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、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、耐火材料で形成された焼成れんが部が保持金具と外側保護管との間に介在している。そのため、外側保護管の先端が高温に加熱された場合であっても、外側保護管の熱が保持金具に多量に伝達されることは、抑制される。よって、測温対象物のエネルギロスを低減できる。更に、保持金具に装備されている金属部品の熱変形、熱損傷、熱劣化等を抑えるのに貢献できる。
【００４０】
更に本発明装置によれば、金属溶湯の重量などの外部負荷が外側保護管の先端に作用する場合であっても、その外部負荷が焼成れんが部によって受け止められるため、外側保護管の基端側の変位が抑えられる。よって外側保護管の基端側の取付性が低下するおそれが抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る熱電対装置を示す構成図である。
【図２】第１実施例に係る熱電対装置の外側保護管の先端付近を示す構成図である。
【図３】第１実施例に係る熱電対装置のバネ付近を示す構成図である。
【図４】第２実施例に係る熱電対装置を示す構成図である。
【図５】第３実施例に係る熱電対装置の要部を示す構成図である。
【符号の説明】
図中、１は外側保護管、２は挿入孔、３は保持金具、４はアルミナリング（焼成れんが部）、６は絶縁管、６０は熱電対挿入孔、７１，７２は熱電対、７３は測温接点を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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