(57)【要約】【課題】高温における耐久性に優れ、長時間使用することができ、かつ、低コストである保護管を備えており、焼成炉の測温に好適に用いることができる熱電対を提供する。【解決手段】中空筒形状の保護管２内に、２本の素線がそれぞれ筒状の磁製管３により被覆されて配置されている焼成炉用熱電対１において、前記保護管２および磁製管３を、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスにより構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空筒形状の保護管内に、２本の素線がそれぞれ筒状の磁製管により被覆されて配置されている焼成炉用熱電対であって、前記保護管および磁製管が、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスからなることを特徴とする熱電対。
【請求項２】
中空筒形状の保護管内に、２本の素線がそれぞれ筒状の磁製管により被覆されて配置されている焼成炉用熱電対であって、前記保護管の少なくとも炉内に露出している部分が、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスからなり、その内側に位置する部分の磁製管が、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスからなることを特徴とする熱電対。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の焼成炉において用いられる測温用の熱電対に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス等の焼成は、電気炉、雰囲気加熱炉、真空焼成炉等において、熱電対での測温による温度管理の下で行われる。このような焼成炉において１０００℃以上の高温の測温に用いられる熱電対は、その素線や熱接点を炉内雰囲気から保護するために、保護管に収容されて用いられる。
【０００３】
従来、上記のような焼成炉における測温用の熱電対の保護管の材質としては、高強度で、絶縁性に優れ、比較的安価であることから、主に、アルミナや窒化ケイ素等のセラミックスが用いられていた。また、保護管内で２本の熱電対素線を被覆絶縁するための磁製管にも、同様の材質のセラミックスが用いられていた（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１８０７７５号公報
【特許文献２】特開２００３−３４４１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のアルミナセラミックスからなる保護管は、１８００℃以上でクリープ変形を生じたり、炉内雰囲気によっては腐食や蒸発が進行し、閉鎖されている保護管の先端部に穴が開いたり、熱電対素線が剥き出しの状態になり、短絡する場合もあった。
【０００５】
このため、高温で使用される熱電対においては、ジルコニアセラミックス等が用いられる場合もあったが、重量が嵩むため、これは、耐荷重性の点で課題を有していた。
また、酸素イオン伝導性等の観点から、ジルコニアを用いた保護管は使用に適さない場合も多かった。このような場合は、ジルコニアに代えて、ハフニアセラミックスを用いる場合もあったが、これは高価であるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、熱電対の保護管等の保護部材に、アルミナセラミックスよりも高融点であるイットリアセラミックスを用いることにより、高温における耐久性に優れ、長時間使用することができ、かつ、低コストであり、焼成炉の測温に好適に用いることができる熱電対を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る熱電対は、中空筒形状の保護管内に、２本の素線がそれぞれ筒状の磁製管により被覆されて配置されている焼成炉用熱電対であって、前記保護管および磁製管が、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスからなることを特徴とする。
このように、熱電対の保護管およびその内部の磁製管のいずれもが、イットリアセラミックスにより構成されることにより、高温においても、熱電対の短絡が防止され、長時間の繰り返し使用にも耐え得るものとなる。
【０００８】
また、本発明に係る他の態様の熱電対は、中空筒形状の保護管内に、２本の素線がそれぞれ筒状の磁製管により被覆されて配置されている焼成炉用熱電対であって、前記保護管の少なくとも炉内に露出している部分が、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスからなり、その内側に位置する部分の磁製管が、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックスからなることを特徴とする。
炉を構成する耐火物がアルミナ系である場合においては、このように、炉内に露出し、高温となる保護管および磁製管の先端部分のみ、イットリアセラミックスにより構成することが有効である。
【発明の効果】
【０００９】
上述したとおり、本発明に係る熱電対によれば、従来、アルミナセラミックスが用いられていた保護管等の保護部材において、アルミナセラミックスよりも高融点であるイットリアセラミックスを採用することにより、高温でも、短絡が抑制され、耐久性に優れ、長時間の使用が可能となる。
また、本発明に係る熱電対は、低コストで得られ、特に、高温での焼成炉の測温に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１〜３に、本発明に係る熱電対の一例を示す。
図１に示す熱電対は、先端が閉鎖された中空筒形状のイットリアセラミックス製保護管２内に、熱電対１の２本の素線がそれぞれ筒状のイットリアセラミックス製磁製管３により被覆されて配置された構造からなる。
このような構造の熱電対は、焼成炉の測温においては、熱電対の保護管内は、保護管先端が閉塞しているため、炉内と遮断され、熱電対は炉内雰囲気に曝されない状態で用いることができる。
【００１１】
前記磁製管３は、２本の素線同士の接触による短絡を防止するためのものであり、保護管２と同様の材質であるイットリアセラミックスにより構成する。
これにより、従来、短絡しやすかった熱電対が、長時間の繰り返し使用にも耐えられるものとなる。
【００１２】
従来のようなアルミナセラミックス製の保護管では、１８００℃以上の高温では、保護管がクリープ変形を生じたり、蒸発によって保護管先端部に穴が開き、熱電対が剥き出しになり、短絡する場合があった。
また、保護管のみをイットリアセラミックス製とし、磁製管はアルミナセラミックス製である場合は、１８００℃以上の高温での測温の際、アルミナとイットリアとが反応し、イットリアが溶融して、ＹＡＧ（イットリア・アルミニウム・ガーネット）を形成し、変形したり、溶融したりする場合もあり、寿命が短かった。
したがって、本発明に係る熱電対においては、保護管およびその内部の磁製管のいずれも、アルミナセラミックスよりも高融点であるイットリアセラミックスにより構成する。
なお、本発明において用いられるイットリアセラミックスは、上記のような短絡の防止や耐久性の向上の効果を得る観点から、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下とする。
【００１３】
図２は、本発明に係る他の態様の熱電対であり、先端が閉鎖された中空筒形状の保護管において、少なくとも炉内に露出している部分２がイットリアセラミックスからなり、その内側に位置する部分の磁製管３がイットリアセラミックスからなるように構成されたものである。
すなわち、従来のアルミナセラミックス製の保護管４および磁製管５の先端部分のみイットリアセラミックスを適用したものである。
【００１４】
このように、イットリアセラミックスにより構成する部分は、必ずしも、熱電対の保護管および磁製管の全体である必要はなく、焼成炉の炉内に露出する部分のみであってもよい。
特に、炉を構成する耐火物がアルミナ系である場合、このように、保護管のアルミナ系耐火物に接する部分はアルミナセラミックスとし、炉内に露出し、高温となる保護管および磁製管の先端部分のみ、イットリアセラミックスを適用することが好ましい。
これにより、炉を構成するアルミナ系耐火物と、図１に示したようなイットリアセラミックス製の保護管との接触によって、ＹＡＧを生じ、溶融しやすくなることを防止することができる。
【００１５】
なお、この場合も、保護管の先端部分のみをイットリアセラミックス製とすると、上記の場合と同様に、１８００℃以上の高温で、磁製管を構成するアルミナセラミックスとイットリアとの反応によりイットリアが溶融し、ＹＡＧを形成し、変形したり、溶融したりするおそれがあることから、イットリアセラミックス製の保護管の先端部分の内側に位置する部分の磁製管もイットリアセラミックス製とする。
【００１６】
前記熱電対においては、保護管のアルミナセラミックス部５とイットリアセラミックス部２との接合方法は、熱電対の使用時に炉内と保護管内とが遮断される状態とすることができる限り、特に限定されるものではなく、はめ込みによるものでも、あるいはまた、ねじ切りによるものであってもよい。
【００１７】
さらに、図３は、本発明に係る他の態様の熱電対であり、水素焼成炉等において、ガスを流通させて使用される熱電対の一例である。この熱電対は、保護管２の先端部が開口しており、また、該保護管の後端部にガス導入口を備えており、保護管内に反応性ガスが流入しないように、水素や不活性ガス等を供給し、図中の矢印方向に流通させて用いられるものである。
【００１８】
この場合も、保護管２および磁製管３は、図１の場合と同様に、イットリアセラミックスにより構成される。このように、イットリアセラミックス製による保護管および磁製管は、先端部が開口した開放系で用いられる熱電対にも、好適に適用することができる。
【００１９】
また、図３に示すような保護管の先端部が開口している構造の熱電対においても、図２に示した熱電対と同様に、アルミナセラミックス部とイットリアセラミックス部とを接合させた構成とすることもできる。
【００２０】
上記のような本発明に係る熱電対のイットリアセラミックス製の保護管は、例えば、以下に示すような製造方法により得ることができる。なお、磁製管も同様の方法により、製造することができる。
まず、純度９９．９％以上、平均粒径１μｍ以下のイットリア粉末を純水中に添加して撹拌し、スラリーを調製し、これをスプレードライヤにて造粒し、造粒粉を作製する。
この造粒粉を、金型とゴム型との隙間に粉詰めし、ＣＩＰ成形法にて１ｔ／ｃｍ2以上の加圧により、保護管形状の成形体を得る。
なお、成型方法は、保護管形状の成形体が得られる方法であれば、特に限定されるものではなく、押出し成形、射出成形、鋳込み成形等の方法を用いることもできる。
【００２１】
上記により得られた成形体は、焼成収縮を考慮して加工し、脱脂後、１７５０〜１９００℃の温度で焼成し、必要に応じて、切断、面出し加工、円筒加工等を施すことにより、純度９９．９％以上、平均結晶粒径４０μｍ以上５０μｍ以下のイットリアセラミックス製の保護管が得られる。
前記焼成雰囲気は、アルゴン等の不活性ガス、水素等の還元性ガス、あるいはまた、真空焼成とすることが好ましい。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
純度９９．９％、平均粒径１μｍ以下のイットリア原料粉末を純水中に添加して撹拌し、スラリーを調製し、これをスプレードライヤにて造粒した。
得られた造粒粉を、金型とゴム型との隙間に粉詰めし、ＣＩＰ成形法にて１．５ｔ／ｃｍ2で加圧成形し、保護管形状の成形体を得た。得られた成形体を焼成収縮を考慮して加工し、脱脂後、水素雰囲気下で１８００℃で焼成し、平均結晶粒径４０μｍのイットリアセラミックス製の保護管を作製した。
同様にして、イットリアセラミックス製の磁製管も作製し、図１に示すような構成の熱電対を作製した。
【００２３】
この熱電対について、昇温速度４０℃／ｈｒ、保持時間６ｈｒ、降温速度４０℃／ｈｒで、１８５０℃までの昇降温を繰り返し、熱電対保護管の耐久性の評価を行った。
その結果、１２０回までは、変化なく繰り返し使用可能であり、その後、先端が破損した。
【００２４】
［実施例２］
実施例１と同様にして、イットリアセラミックス製の保護管および磁製管を作製し、図２に示すような従来のアルミナ製の保護管の先端部にのみ、イットリアセラミックス製の保護管および磁製管を適用した熱電対を作製した。
この熱電対について、実施例１と同様にして、耐久性評価を行ったところ、１２０回までは、変化なく繰り返し使用可能であり、その後、先端が破損した。
【００２５】
［実施例３］
実施例１と同様にして、イットリアセラミックス製の保護管および磁製管を作製し、図３に示すような先端部が開口している熱電対を作製した。
この熱電対について、実施例１と同様にして、耐久性評価を行ったところ、１００回までは、変化なく繰り返し使用可能であり、その後、先端が破損した。
【００２６】
［比較例１］
従来のアルミナ製の保護管および磁製管を備えた熱電対について、実施例１と同様にして、耐久性評価を行ったところ、３０回までは、変化なく繰り返し使用可能であったが、その後、先端が溶融し、蒸発し始めた。
【００２７】
［比較例２］
従来のアルミナ製の保護管および磁製管を備えており、図３に示すような先端部が開口している熱電対について、実施例１と同様にして、耐久性評価を行ったところ、２５回までは、変化なく繰り返し使用可能であったが、その後、先端が溶融し、蒸発し始めた。
【００２８】
上記実施例および比較例の評価結果から、本発明に係るイットリアセラミックス製の熱電対保護管は、従来のアルミナ製のものに比べて、高温においても、長時間繰り返し使用に耐え得るものであることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る熱電対の構成を示した概略断面図である。
【図２】本発明に係る熱電対の構成の他の一態様を示した概略断面図である。
【図３】本発明に係る熱電対の構成の他の一態様を示した概略断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  熱電対
２  保護管
３  磁製管
４  アルミナセラミックス製保護管
５  アルミナセラミックス製磁製管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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