(57)【要約】【課題】本発明は、超高温下における異種炭素材料の接点に生じる熱起電力の値および電気抵抗の値を利用して超高温下における温度測定装置をおよびガスセンサー提供することを目的とする。【解決手段】本発明の超高温度測定装置は、超高温度雰囲気中に炭素材料からなる試験片を配置し、電気抵抗を正確に測定する抵抗計を設け、測定された抵抗値から温度を測定することを特徴とする。また、本発明の超高温度用ガスセンサーは、超高温度雰囲気中に炭素材料からなる試験片を配置し、該試験片の両端に試験片と異なる炭素材料からなる端子を固定するとともに試験片に発生する熱起電力による電圧および抵抗を測定する電圧・抵抗計を前記端子間に設け、測定された抵抗値および電圧から雰囲気ガスの圧力・濃度を測定することを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高温度雰囲気中に炭素材料からなる試験片を配置し、該試験片の両端に試験片と異なる炭素材料からなる端子を固定するとともに試験片の電気抵抗を正確に測定する抵抗計を前記端子間に設け、測定された抵抗値から温度を測定することを特徴とする超高温度測定装置。
【請求項２】
超高温度雰囲気中に炭素材料からなる試験片を配置し、該試験片の両端に試験片と異なる炭素材料からなる端子を固定するとともに試験片に発生する熱起電力による電圧および抵抗を測定する電圧・抵抗計を前記端子間に設け、測定された抵抗値および電圧から雰囲気ガスの圧力・濃度を測定することを特徴とする超高温度用ガスセンサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、核融合などのエネルギー変換システムおよび航空宇宙材料の分野に利用できるところの、２０００℃を超える超高温下においてその温度および雰囲気ガスの種類等を測定可能な温度測定装置およびガスセンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２０００℃を超える超高温度の炭素材料の電気抵抗については１９７０年代に米国および旧ソ連の研究者によって初めて報告されている（例えば、非特許文献１ないし３参照。）。これらの報告では詳細な測定手法などが記載されていないが、おそらく、炭素材料に直接大きな電流を与えて発熱させて高温に昇温させたときの電圧変化から抵抗値を求めたものと推定される。また、２６００℃までの炭素材料の電気抵抗を筒状発熱体炉（タンマン炉）中で間接加熱し、四端子法で測定することが知られている（例えば、非特許文献４参照）。さらに、異種炭素材料、例えば、等方性黒鉛材料とガラス状炭素材料を接触させて高温にしたとき熱起電力が生じ、その効果を利用した熱電対の発明が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｌｕｔｃｏｖ，Ａ．Ｉ．，Ｖｏｌｇａ，Ｖ．Ｉ．，ａｎｄ  Ｄｙｍｏｖ，Ｂ．Ｋ．，Ｃａｒｂｏｎ，１９７０；８：７５３−７６０
【非特許文献２】
Ｂａｐｔａ，Ｓ．Ｇ．，ａｎｄ  Ｎｉｃｋｅｌ，Ｈ．，Ｃａｒｂｏｎ，１９７３；１１：３２３−３２７
【非特許文献３】
Ｂａｐｔａ，Ｓ．Ｇ．，Ｃａｒｂｏｎ，１９７３；１１：５１１−５１４
【非特許文献４】
炭素，１９９１［Ｎｏ．１４６］，３３−３６
【特許文献１】
特開平７−２３４１６４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２０００℃を超える超高温下においてその温度を測定するには光温度計が知られているが、光温度計が使用できない状況において超高温を測定する困難であった。また、２０００℃を超える超高温度下でのガス雰囲気の濃度および圧力を直接測定することは非常に困難であった。
【０００５】
本発明者は、超高温下における異種炭素材料の接点に熱起電力が生じること、およびその際生じる熱起電力が雰囲気ガスの種類および圧力に影響されることを発見した。
本発明は、超高温下における炭素材料の電気抵抗の値は、ガス雰囲気に影響されないことから、超高温下における電気抵抗の値を利用してガス雰囲気に影響されない温度測定装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、超高温下で異種炭素材料の接点に生じる熱電的挙動が雰囲気ガスの濃度および圧力に影響されることを利用して、異種炭素材料の接点における熱起電力から超高温度のガス雰囲気の濃度および圧力の測定を可能にするガスセンサーを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の超高温度測定装置は、超高温度雰囲気中に炭素材料からなる試験片を配置し、該試験片の両端に試験片と異なる炭素材料からなる端子を固定するとともに試験片に発生する熱起電力による抵抗を測定する抵抗計を前記端子間に設け、測定された抵抗値から温度を測定することを特徴とする。
また、本発明の超高温度用ガスセンサーは、超高温度雰囲気中に炭素材料からなる試験片を配置し、該試験片の両端に試験片と異なる炭素材料からなる端子を固定するとともに試験片に発生する熱起電力による電圧および抵抗を測定する電圧・抵抗計を前記端子間に設け、測定された抵抗値および電圧から雰囲気ガスの圧力・濃度を測定することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を実施例に基づき説明する。
図１は、電気抵抗の値を利用してガス雰囲気に影響されない温度計測を行う超高温度測定装置を説明した全体概略図である。
抵抗発熱式電気炉１は、加熱・発熱部２および冷却水ジャケット３を備えている。この抵抗発熱式電気炉１中に、黒鉛製のジグによって炭素材料Ａからなる試験片角棒４を固定する。実施例における試験片角棒４の寸法は、１０×１０×１２０ｍｍである。試験片角棒４の両端には、電圧を測定するため炭素材料Ｂからなる端子５、５を黒鉛製のネジ６、６で固定する。端子にある黒鉛製のネジ６、６間の距離は、実施例において約５７ｍｍである。端子のリード棒の基部７は、冷却水ジャケット３に覆われた部分に位置して図示しない絶縁材で支持されている。電圧および抵抗の測定のため、電圧・抵抗測定器８を端子のリード棒の基部７、７間に導通して設けておく。９は、電圧・抵抗測定器８で得られた抵抗値から温度を得るための温度変換器であり、電圧・抵抗測定器８に接続されている。
【０００８】
電圧・抵抗測定器８での電気抵抗は、熱起電力が発生するために正確に測定する必要がある。実施例においては以下に記す方法を採用した。炭素材料Ｂからなる端子５、５を使用して炭素材料Ａからなる試験片角棒４の両端に電流を流してその間の電圧を計測することにより行う。例えば図２に示すように、電流の向きを正Ｉ＋と負Ｉ−と逆転させ、そのとき発生する正負電圧の差△ＶからＲ＝△Ｖ／２／Ｉの計算式から求める。
抵抗発熱式電気炉内の温度の測定は、発熱体２の温度を図示しない光温度計（パイロスコープ）で計測した。加熱・冷却速度は、プログラム制御し、２０℃／分とした。目的の温度または最高温度２７００℃で１０分間保持するように調節した。
このようにして測定された電気抵抗と温度とから、炭素材料Ａからなる試験片角棒４については、抵抗と温度との関係は既知となり、この値を上記温度変換器９に入力しておくことにより、炭素材料Ａからなる試験片角棒４を用いて加熱されたとき電気抵抗を測定すればそのときの温度を得ることができる。
【０００９】
図３は、等方性黒鉛材料を試験片角棒４とし、アルゴン雰囲気（圧力およそ１気圧）のときの電気抵抗、熱起電力および電気炉内温度の時間依存性を示したものである。光温度計では計測できない室温から１０００℃までの間、電気抵抗は６．２ｍΩから４．５ｍΩまでいっきに減少している。
１０００℃以上の温度では、抵抗値は温度の上昇とともに増加する傾向が見られる。一方、熱起電力は１０００℃に到達したときおよそ０．４ｍＶを示し、その後の温度上昇に対してほぼ直線的に増加する傾向が観察される。
【００１０】
図４は、図３に示した電気抵抗および熱起電力の温度依存性を示したものである。
【００１１】
図５は、真空、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの各雰囲気下における電気抵抗の温度依存性を示したものである。この図から、電気抵抗の温度変化においては雰囲気ガスの種類にはまったく影響されないことが分かる。
【００１２】
図６は、真空、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの各雰囲気下における熱起電力の温度依存性を示したものである。この図から、熱起電力は雰囲気ガスの種類により相違しているのが分かる。最も高い熱起電力を示すのが真空中における値である。窒素、ヘリウム、およびアルゴン等の不活性ガスの雰囲気中では、ガス種類に対して顕著な差異は見出せないものの、ガスの種類を特定することは充分に可能である。特に、温度上昇とともに熱起電力が上昇するとき１２００℃付近において観察される上昇が鈍る挙動がヘリウムにおいて最も顕著であることが特徴的である。このような熱起電力のガス種に対する変化およびガス圧力に対する変化の原因についてはまったく不明である。
【００１３】
図７は、炭素材料の違いによる熱電的性質の変化を調べるため、等方性黒鉛材料および結晶性の極端に悪いガラス状炭素（ＧＬ２２０）を用いてアルゴン雰囲気中における超高温下の熱起電力の温度依存性を測定した結果を示したものである。同じ条件にもかかわらず、熱起電力は、低結晶性のガラス状炭素の方が高い結果が得られた。これらの二つのサンプルにおいては電気抵抗値および熱拡散率が異なることから（等方性黒鉛材料の熱拡散率はガラス状炭素の２．５倍、電気抵抗においては１／１０である。）、超高温下における熱起電力の差異が生じたものと推察される。
【００１４】
他の材料の比較をするため、炭化ケイ素を用いて同じく熱起電力を測定した結果を図８に示す。炭化ケイ素の場合、電気抵抗は等方性黒鉛材料のそれより５０倍も大きい材料であるので、電気炉内の温度分布の影響を受けやすいものと考えられる。実際に、１０００℃まで電気炉を加熱する際に炭化ケイ素は、電気炉内の温度分布の影響を受けて負の熱起電力が生じた。この熱起電力は温度の上昇とともに小さくなり、目的温度である１６００℃に到達し、この温度に保持すると電圧は生じなくなった。その後、冷却過程では、正の電圧が生じ、１０００℃付近では昇温過程とは逆の正の熱起電力が顕著に観察されるようになる。このような現象は、サンプル自体に温度勾配が生じたために発生した熱電効果（ゼーベック効果）であることを意味する。
【００１５】
以上の説明から、超高温下において炭素材料は、異種材料の接点によって熱起電力が生じること、および電気抵抗の温度変化には雰囲気ガスの種類による影響がまったく見られないことが分かる。したがって、超高温下における炭素材料の電気抵抗を測定することにより、超高温下における温度を雰囲気ガスの種類による影響を受けることなく測定することが可能となる。
【００１６】
また、上記熱起電力は雰囲気ガスの圧力、種類によって異なり、また炭素材料の種類にも影響を受けることが分かる。
図９は、炭素材料の熱起電力（電圧値）および抵抗値から雰囲気ガスの圧力・濃度を測定する原理を示したものである。この装置は、図１に示した温度測定の装置に、熱起電力（電圧）と温度とから雰囲気ガスの圧力・濃度に変換する圧力・濃度変換器１０を付加したものである。電圧・抵抗計８で測定された抵抗値を温度変換器９に入力して温度変換器９から出力される温度および電圧・抵抗計８で測定された電圧値を圧力・濃度変換器１０に入力すると、圧力・濃度変換器１０は雰囲気ガスの圧力・濃度を出力するようになっている。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）超高温下において炭素材料は、電気抵抗の温度変化には雰囲気ガスの種類による影響がまったく見られないという知見に基づき、２０００℃を超えるような超高温度下における正確な温度測定を可能にする。
（２）また、超高温下において異種炭素材料の接点において生じる熱起電力は雰囲気ガスの圧力、種類によって異なり、また炭素材料の種類にも影響を受けるという知見に基づき、超高温度下における雰囲気ガスの圧力・濃度の測定を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る超高温度測定装置の概略を示す図である。
【図２】電圧・抵抗測定器における電気抵抗測定の原理の一例を示す図である。
【図３】等方性黒鉛材料を試験片角棒とし、アルゴン雰囲気（圧力およそ１気圧）のときの電気抵抗、熱起電力および電気炉内温度の時間依存性を示した図である。
【図４】図３に示した電気抵抗および熱起電力の温度依存性を示した図である。
【図５】真空、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの各雰囲気下における電気抵抗の温度依存性を示した図である。
【図６】真空、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの各雰囲気下における熱起電力の温度依存性を示した図である。
【図７】等方性黒鉛材料および結晶性の極端に悪いガラス状炭素を用いてアルゴン雰囲気中における超高温下の熱起電力の温度依存性を測定した結果を示した図である。
【図８】炭化ケイ素を用いて熱起電力を測定した結果を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る超高温度用ガスセンサーの概略を示す図である。
【符号の説明】
１  抵抗発熱式電気炉
２  加熱・発熱部
３  冷却水ジャケット
４  炭素材料Ａからなる試験片角棒
５  炭素材料Ｂからなる端子
６  黒鉛製のネジ
７  黒鉛製ネジの基部
８  電圧・抵抗測定器
９  温度変換器
１０  圧力・濃度変換器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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