(57)【要約】【課題】  炉内容積が大きく炉の構造上横方向から炉心部に向かって熱電対を挿入しなければならない場合に、機械的強度が十分な熱電対の取付構造を提供する。【解決手段】  熱電対保護管をジャケットで包み、ジャケット内に冷媒を流して冷却する熱電対の取付構造を採用した。すなわち、炉壁から炉心部に向かって金属管スリーブを挿入し、該スリーブ内に熱電対を装填した保護管を通し、該保護管と前記スリーブとの間に冷媒を流すか、あるいは保護管の外側に二重管構造のスリーブを被せ、該二重管スリーブの中空部に冷媒を流す取付構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉壁から炉心部に向かって金属管スリーブを挿入し、該スリーブ内に熱電対を装填した保護管を通し、該保護管と前記スリーブとの間に冷媒を流すことを特徴とする熱電対の取付構造。
【請求項２】
前記冷媒が空気もしくは窒素ガスの気体冷媒であることを特徴とする請求項１に記載の熱電対の取付構造。
【請求項３】
金属製二重管の両端を封止した中空管からなり、該中空管の一方の端部近傍に冷媒流入口と冷媒流出口とを設けてなるスリーブを炉壁から炉心部に向かって挿入し、該スリーブ内に熱電対を装填した保護管を通すとともに、該スリーブの中空部に冷媒を流すことを特徴とする熱電対の取付構造。
【請求項４】
前記冷媒が空気、窒素ガスもしくは水であることを特徴とする請求項３に記載の熱電対の取付構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、高温炉内深部の温度を測定するための、熱電対の取付構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  通常、高温炉内の温度を測定するためには、保護管内に挿入した熱電対を炉内に挿入して、熱起電力により温度を測定する方法が採用されている。熱電対は異種の金属材料を接続し温度差を与えると起電力が発生し、この起電力は温度差にほぼ比例することを利用したものである。一般に熱電対をなす金属は高温雰囲気中で酸化されて劣化し易いので、耐熱性の保護管内に埋設され、この時２本の熱電対素線の接触による短絡を防ぐため、磁器製の絶縁管に通して使用されている。最近では金属管中に２本の素線を埋め込み、その廻りを酸化マグネシウムや酸化アルミニウムの無機絶縁物を硬く充填して一体構造とした、シース型熱電対も使用されるようになっている。【０００３】  高温炉内の温度の温度が高くなったり炉内雰囲気に腐食性ガスが含まれるようになると、熱電対保護管の耐久性が問題となってくる。特に炉内容積が大きくなり、炉壁から炉内の測定点までの距離が大きくなると、耐久性のある熱電対保護管の取付が難しくなり各種の工夫が必要となってくる。
例えば、製造誤差があっても所定範囲で取付調整が可能な半導体ウエハを加熱する縦型炉における熱電対装置の取付構造として、熱電対装置の横管部がポートの一端側を支点として他端側でフランジ及びオー（Ｏ）リングによって上下に移動可能になるように支持し、取付位置が上下に調整可能にすることにより縦管部との角度誤差を吸収し要求精度誤差を緩和する取付構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この提案では、熱電対装置は熱電対を石英保護管に収めたもので、ウエハを加熱するプロセスチューブの内壁に沿って垂直に配置される縦管部と、この縦管部の下端から水平方向へＬ字状に形成された横管部とを備えている。縦管部の長さは、例えば１０００〜１３３５ｍｍ程度、また横管部の長さは例えば１００ｍｍ程度である。横管部はプロセスチューブ３の支持部材に取り付けられている。つまり、縦型炉では熱電対を縦方向に取り付ければ、１５００ｍｍ程度深部にある高温部の測温に於いても自重による保護管の軟化は回避できることになる。【０００４】  また、例えばマイクロ波がマイクロ波高温炉外に漏出することなく、より正確かつ極めて低廉に焼成体など測定対象の温度を計測可能なマイクロ波高温炉用保護管型熱電対の取付構造として、熱電対を有するセンサー部とセンサー部を密閉状態にて被覆すると共に、少なくとも１０００℃に耐え得る耐熱性を備え、かつマイクロ波の透過を許容しない二珪化モリブデンとガラス質酸化物からなる緻密なサーメットからなるマイクロ波不透過材料にて形成された保護管とを有し、保護管の基端側部位には導電部が形成されており、導電部にはマイクロ波高温炉のハウジングに装着するための装着用部材が取り付けられている熱電対取付構造も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
この方法によれば、１０００℃以上の高温測定に耐え、炉外にマイクロ波が漏出することなく、正確かつ低廉に測温できるとされている。
【特許文献１】  特開２００１−２９１６７５号公報
【特許文献２】  特開２００３−２６２５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  炉内容積が大きくなると炉内の温度分布も拡大してくる傾向にあり、炉心部の温度を正確に測温する必要が増してくる。炉壁から炉心部までの距離が大きくなってくると、耐久性のある熱電対素子の取付が難しくなる。特に、炉の構造上横方向から炉心部に向かって熱電対を挿入しなければならない場合には、全長が２メートルを越えるような長さになると熱的な負担が掛かり、機械的に十分な強度を有す取り付けは困難となってくる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、熱電対保護管をジャケットで包み、ジャケット内に冷媒を流して冷却する熱電対の取付構造を採用した。すなわち本発明の一つは、炉壁から炉心部に向かって金属管スリーブを挿入し、該スリーブ内に熱電対を装填した保護管を通し、該保護管と前記スリーブとの間に冷媒を流した熱電対の取付構造とした。
本発明においては、冷媒として空気もしくは窒素ガスなどの気体冷媒を使用することができる。【０００７】  本発明の他の一つは、金属製二重管の両端を封止した中空管からなり、該中空管の一方の端部近傍に冷媒流入口と冷媒流出口とを設けてなるスリーブを炉壁から炉心部に向かって挿入し、該スリーブ内に熱電対を装填した保護管を通すとともに、該スリーブの中空部に冷媒を流す熱電対の取付構造とした。
本発明においては、冷媒として空気もしくは窒素ガスなどの気体冷媒の他に、水などの液体冷媒を使用することができる。
【発明の効果】
【０００８】  本発明の熱電対の取付構造によれば、熱電対保護管とそれを取り巻くスリーブとの間、もしくはスリーブの中空部に冷媒を流して炉壁に近い部分を冷却するので、炉内の高温度に曝されても保護管やスリーブの材料強度が低下することがなく、寿命の長い熱電対の取付構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態に係わる熱電対の取付構造の断面図を示す。
第１の実施形態に係わる熱電対の取付構造は、炉壁１７から炉内１８に向かって金属管からなるスリーブ３を挿入し、該スリーブ３の内側に熱電対保護管２を配置してある。熱電対保護管２の内部には、図示省略の磁器製絶縁管で被覆した熱電対１が装填してある。熱電対１はターミナル１５を介して図示省略の計測器に接続される。
熱電対保護管２の先端部２ａは、測温誤差を生じない程度に熱電対保護管２の直径の１０倍程度の長さにわたってスリーブ３の先端から飛び出して炉内に露出している。スリブ３の先端部３ａには、耐熱材料からなる枕を挿入して熱電対保護管を支持すると良い。スリーブ３の炉外側先端部近傍には冷媒流入孔１３が設けられており、空気や窒素ガスなどの冷媒気体を流入させて、熱電対保護管２及びスリーブ３を冷却して、炉内の高温から保護するようになっている。
第１の実施形態では、炉内１８に露出する熱電対保護管２の長さは、熱電対保護管２の直径の１０〜２０倍とするのが適当である。【００１０】  図の実施形態では、スリーブ３の先端部３ａは炉内１８に解放されていて、冷媒気体が炉内１８に流出するようになっている。スリーブ３の炉外側の先端近傍には冷媒流入孔１３が設けてあり、要求される炉内雰囲気の性質に従って圧縮空気や窒素ガス等の冷却媒体を流入させて、炉内の高温部に曝されている熱電対保護管とスリーブの根本部分を冷却するようにしてある。流入させる冷媒量は炉内温度やスリーブの材質によって、適宜選択すればよい。【００１１】  本発明で使用するスリーブの材質としては、炉内温度や雰囲気に耐えるものであれば特に制限はなく、例えば炭素鋼管、ステンレス鋼管、ニッケル管、モリブデン管等の金属管が利用できる。スリーブの肉厚は高温の炉内でスリーブの重量を支えられるように選択し、スリーブの内径は、内部に熱電対保護管を挿入した場合に周囲に気体が通過するのに要する適当な空間が生じるように適宜選択する。【００１２】  本発明で使用する熱電対保護管の材質も特に制限はなく、炉内雰囲気や測定すべき炉内温度に従って、例えばムライト管、アルミナ管、溶融アルミナ管等のセラミックス管や、ステンレス管やニッケル管、モリブデン管等の金属管が利用できる。【００１３】  本発明で使用する熱電対は、測定すべき炉内温度に従って、例えば１，６００℃まで使用できる白金−白金／ロジウム合金（Ｒｈ１０％）、１，０００℃まで使用できるアルメル（Ｎｉ９４％−Ｍｎ３％−Ａｌ２％−Ｓｉ１％）−クロメル（Ｎｉ９０％−Ｃｒ１０％）、８００℃まで使用できる鉄−コンスタンタン（Ｃｕ６０％−Ｎｉ４０％）等が利用できる。【００１４】（第２の実施形態）
図２に本発明の第２の実施形態に係わる熱電対の取付構造の断面図を示す。
第２の実施形態に係わる熱電対の取付構造は、スリーブ３が金属製外管３−１と内管３−２の二重管で構成されており、該二重管の両端３ａ、３ｂは環状部材を溶接することにより封止されて中空管をなしており、二重管の一方の端部近傍には冷媒流入孔１３と冷媒流出孔１４が設けてあり、圧縮空気や窒素ガスさらには冷却水等の冷却媒体を還流させて、炉内の高温部に曝されている熱電対保護管とスリーブを冷却するようにしてある。
スリーブ３の中心部には熱電対保護管２に挿入された熱電対（図示省略）が装填されている。熱電対はターミナル１５を介して図示省略の計測器に接続される。
熱電対保護管２の先端部２ａは、測温誤差を生じない程度に熱電対保護管２の直径の１０倍程度の長さにわたってスリーブ３の先端から飛び出して炉内に露出している。
このような構造にすれば、スリーブの制作も容易であり、熱電対保護管２の先端部２ａの位置を任意の長さにスリーブ３の先端から飛び出させることができる。しかもスリーブの内部から冷却されているので、熱電対保護管やスリーブも高温に耐えて長期間の使用に耐えるものとすることができる。【００１５】  図３にスリーブ３の冷媒流入孔１３と冷媒流出孔１４を通る断面を示す。
第２の実施形態における熱電対の取付構造においては、図３に示すようにスリーブ３の先端のやや手前まで二重管３−１，３−２の間に仕切り板４が挿入されており、冷媒流入孔１３から流入した冷却媒体がスリーブ３の先端部まで流れた後、還流して冷媒流出孔１４から炉外に排出されるようになっている。
このような熱電対の取付構造によれば、炉内に冷媒が流入することがないので、水のような液体冷媒も使用することが可能となり、炉内雰囲気を一定に保つことも可能となる。
【実施例】
【００１６】  図２に示す熱電対取付構造により白金−白金／ロジウム熱電対を使用して、最高温度１２００℃の加熱炉中心部の温度を測定した。
使用したスリーブは、中空の二重管であって長さ２，５００ｍｍ、外径６５ｍｍ、内径４５ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼管である。熱電対保護管には外径１５ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼管を使用し、熱電対保護管の先端から４５ｍｍのところまでスリーブ先端部から露出させ、熱電対保護管とスリーブの間に耐火物製の小片を挿入して固定した。また、スリーブの内面には、長さ２，４００ｍｍで厚さ１ｍｍのステンレス板を挿入し、炉外側の位置でスリーブに点溶接して固定した。【００１７】  このようにして構成した熱電対装置を炉壁から炉心部に向かって水平に挿入し、冷媒流入孔から毎分２００リットルの圧縮空気を注入して冷却しながら炉内温度を測定した。
炉内温度を長時間１，２００℃に保っていても熱電対装置の損傷はなく、長期間にわたって測温することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係わる熱電対取付構造を示す断面図である。
【図２】  本発明の第２の実施形態に係わる熱電対取付構造を示す断面図である。
【図３】  図２の線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００１９】  １‥‥‥熱電対、２‥‥‥熱電対保護管、３‥‥‥スリーブ、４‥‥‥仕切り板、１３‥‥‥冷媒流入孔、１４‥‥‥冷媒流出孔、１５‥‥‥ターミナル、１６‥‥‥取付フランジ、１７‥‥‥炉壁、１８‥‥‥炉内
【図１】
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【図２】
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【図３】
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