(57)【要約】【課題】導電性基板が基板を通して電流を流すことによって加熱されている状況において導電性基板の一領域の温度を決定するための方法及び装置を提供する。【解決手段】温度を決定するための方法は、電流の流れる方向を横切る軸に沿って相互に間隔をおいて配置された第１のタブ素子２０３及び第２のタブ素子２０５を有する熱電対２０１を用いる。装置は導電性基板２０７及び、基板２０７を通って流れる電流により基板を加熱するように構成された、直接加熱装置２０９を備える。装置は、電流の流れる方向２１３を横切る軸に沿って相互に間隔をおいて配置された、熱電対の第１の結合位置及び第２の結合位置を有する。【選択図】  図２
2012093359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板の一領域の温度を決定するための方法において、
第１の熱電気材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する第１の熱電気素子、及び、第２の熱電気材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する第２の熱電気素子を有する熱電対を提供する工程、
前記第１の熱電気素子及び前記第２の熱電気素子のそれぞれの前記近端を、第１の中間タブ素子及び第２の中間タブ素子をそれぞれ介して、前記導電性基板の一領域に結合させることによって熱電対回路を形成する工程であって、前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子はそれぞれ前記第１の熱電気材料及び前記第２の熱電気材料と実質的に同じ組成を有し、前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子は、前記第１の近端と前記第２の近端が物理的に相互接触しないように、間隔をおいて配置されるものである工程、
前記導電性基板を通して電流を流すことによって前記導電性基板を加熱する工程であって、前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子は前記電流が流れる方向を横断する軸に沿って相互に間隔をおいて配置されるものである工程、及び
前記形成された熱電対回路によって与えられる電圧を定量する工程であって、前記電圧は前記導電性基板の前記領域内の温度を示すものである工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記横断軸が、前記電流が流れる前記方向に実質的に直交することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電流が流れる前記方向を横断する前記軸に沿う前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子の前記配置により過剰ＥＭＦ雑音が低減されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の熱電気材料及び前記第２の熱電気材料が貴金属または貴金属合金から選ばれることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記熱電対がＢ熱電対またはＳ熱電対であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子のそれぞれと前記導電性基板の前記領域の間に絶縁材が配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記導電性基板の前記領域を前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子の周縁においてのみ前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子に結合させることにより、前記導電性基板と前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子のそれぞれの間の化学種の拡散を低減する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
装置において、
導電性基板、
前記基板を通って流れる電流によって前記基板を加熱するように構成された直接加熱装置、
第１の熱電気材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する第１の熱電気素子であって、前記第１の近端は、第１の結合位置において前記第１の熱電気材料で形成された第１の中間タブ素子を介して前記導電性基板に結合されるものである第１の熱電気素子、
第２の熱電気材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する第２の熱電気素子であって、前記第２の近端は、第２の結合位置において前記第２の熱電気材料で形成された第２の中間タブ素子を介して前記導電性基板に結合され、前記第１の結合位置と前記第２の結合位置は物理的に合同されず、前記電流が流れる方向を横断する軸に沿って相互に間隔をおいて配置されるものである第２の熱電気素子、及び
前記第１の遠端及び前記第２の遠端に電気的に接続された電圧測定装置、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項９】
前記横断軸が、前記電流が流れる前記方向に実質的に直交することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記電流が流れる前記方向を横断する前記第１のタブ素子と前記第２のタブ素子の配置の前記方位によって過剰ＥＭＦ雑音が低減されることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
約１５００℃以上の温度において３０日間でほぼ２.５℃より小さい熱電対温度ドリフト率を回路が示すことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のタブ素子が厚さｔ１及び体積Ｖｔ１を有し、前記第１の熱電気素子が軸線を有する第１のワイアであり、前記Ｖｔ１が、前記第１のワイアの、前記ｔ１に等しい長さＬを有し、前記第１のタブ素子に接して配置される、部分の体積ＶＷより実質的に大きいことを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記Ｖｔ１の値が前記ＶＷの値の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、全般的には熱電対に関わり、さらに詳しくは、導電性基板の一領域の温度を決定するための装置及び方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
直接加熱された装置の温度を、熱電対を用いて測定することが、様々な用途において望ましい。エイデルスバーグ(Adelsberg)等の特許文献１には低められた熱電対ドリフトレベルを示す熱電対回路が開示されている。特許文献１には、互いに間隔をおいて配置された第１及び第２のタブ素子を有する熱電対が開示されている。
【０００３】
図１は、導電性基板１０７に取り付けられた第１のタブ素子１０３及び第２のタブ素子１０５を有する熱電対１０１の従来の配置の略図を示す。導電性基板１０７は、基板を通って流れる電流によって基板を加熱するように構成された直接加熱装置１０９に動作可能な態様で接続される。図示されるように、タブ素子１０３，１０５は基板を通って流れる電流の方向１１３に平行な水平軸１１１に沿って互いに間隔をおいて配置される。
【０００４】
特許文献１に説明されているように、間隔をおいて配置されたタブは熱電対ドリフトレベルを低めるに有用である。しかし、図１に示されるように間隔をおいて素子を配置すると、少なくともある程度は、間隔をおかれて配置されたタブ１０２，１０５の軸１１１に沿う方向１１３の電流の流れによる、過剰なＥＭＦ(起電力)雑音が示され得る。熱電対は一般に温度とともに変化するＥＭＦ信号を発生する。ＥＭＦ信号は熱電対の動作に干渉する過剰な信号雑音を生じさせ得る。例えば、１６５０℃において従来のＢ熱電対は１１.８４８ｍＶＤＣのＥＭＦを発生することができる。同じ温度において従来のＳ熱電対は１７.３６６ｍＶＤＣのＥＭＦを発生することができる。図１に示される方位に間隔をおいて熱電対のタブ素子を配置することで、追加の過剰ＥＭＦ信号雑音(例えば追加の６４.８ｍＶＤＣ)が、タイプＢ及びタイプＳの熱電対が通常発生するＥＭＦ信号雑音に重ねて発生され得る。この過剰信号雑音は４℃〜５℃の信号雑音に相当し得る。４℃〜５℃の信号雑音は不正確な基板温度読み値を生じさせることができ、よってモニタリングまたは制御の能力における熱電対の用法を複雑にし得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８/０１７５３０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、直接加熱されている導電性基板の一領域の熱電対による温度測定における過剰ＥＭＦ信号雑音の発生を抑制する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
詳細な説明に述べられるいくつかの態様例の基本的理解を提供するため、本開示の簡潔な要約が以下に提供される。
【０００８】
一態様例において、導電性基板の一領域の温度を決定するための方法は、第１の熱電気材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する、第１の熱電気素子を備える熱電対を提供する工程を含む。本方法はさらに、第２の熱電気材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する、第２の熱電気素子を提供する。本方法はさらに、第１及び第２の熱電気素子のそれぞれの近端を、それぞれ第１の中間タブ素子及び第２の中間タブ素子を介して導電性基板の一領域に結合させることによって、熱電対回路を形成する工程を含む。第１及び第２のタブ素子はそれぞれ、第１及び第２の熱電気材料と実質的に同じ組成を有する。第１及び第２のタブ素子は、第１及び第２の近端が物理的に相互接触しないように、間隔をおかれて配置される。本方法はさらに、導電性基板を通して電流を流すことによって導電性基板を加熱する工程を含む。第１のタブ素子及び第２のタブ素子は電流の方向を横断する軸に沿って互いに間隔をおいて配置される。本方法はさらに、形成された熱電対回路によって与えられる電圧を定量する工程を含み、電圧は導電性基板のその領域内の温度を示す。
【０００９】
別の態様例において、装置は、導電性基板及び、基板を通して電流を流すことで基板を加熱するように構成された、直接加熱装置を備える。本装置はさらに、第１の熱電気材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する、第１の熱電気素子を備える。第１の近端は、第１の結合位置において第１の熱電気材料で形成された第１の中間タブ素子を介して、導電性基板に結合される。本装置はさらに、第２の熱電気材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する、第２の熱電気素子を備える。第２の近端は、第２の結合位置において第２の熱電気材料で形成された第２の中間タブ素子を介して、導電性基板に結合される。第１及び第２の結合位置は物理的に合同されず、電流の方向を横断する軸に沿って互いに間隔をおいて配置される。本装置はさらに、第１の遠端及び第２の遠端に電気的に接続された電圧測定装置を備える。
【００１０】
上記及びその他の態様は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読めば、一層良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は熱電対の従来配置の略図である。
【図２】図２は本開示の様々な態様にしたがう熱電対の例の配置の略図である。
【図３】図３は図２に示される熱電対を含む熱電対回路の例の略図である。
【図４】図４は図２及び３に示される熱電対の例の拡大上面図である。
【図５】図５は図３にしたがう熱電対回路の例の一部分を示す斜視図である。
【図６】図６は、熱電対回路の例の一部分を簡略に示し、最小の基板との接触面積を有するタブ素子の一実施形態を示す。
【図７】図７は本発明の一実施形態にしたがう別の熱電対回路である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以降、実施形態例が示されている添付図面を参照して例をさらに十分に説明する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。しかし、態様は多くの様々な形態で具現化することができ、本明細書に述べられる実施形態に限定されると解されるべきではない。
【００１３】
本開示の様々な態様は特許文献１に説明されている熱電対及び基板を備える装置とともに用いることができる。特許文献１はその全体が本明細書に参照として含まれる。図２は本開示の様々な態様にしたがう熱電対２０１の配置を簡略に示す。熱電対２０１は導電性基板２０７に取り付けられた第１及び第２のタブ素子２０３，２０５を有する。導電性基板２０７は、導電性基板３０７を通して電流を流すことで基板を加熱するように構成された、直接加熱装置２０９に動作可能な態様で接続することができる。図示されるように、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５は、電流が流れる方向２１３を横断する軸２１１に沿って、間隔をおかれて配置される。横断軸２１１は、方向２１３に対して広い範囲の角度をなして延びることができる。例えば、横断軸２１１が電流の流れる方向２１３と平行にならず、電流の流れる方向２１３と一致しない角度を方向２１３に対してなすように、横断軸２１１の方位を定めることができる。例えば、図示されるように、横断軸２１１は、角度‘Ａ’が約９０°であるように、電流の流れる方向２１３に実質的に直交する。他の例では、横断軸２１１と方向２１３の間の角度‘Ａ’は、約６０°〜約９０°，約７０°〜約９０°，約８０°〜約９０°または約８５°〜約９０°のような、約４５°〜約９０°の角度またはその他の角度とすることができる。
【００１４】
図２の参照を続ければ、横断軸２１１に沿って互いに間隔をおかれて配置された第１及び第２のタブ素子２０３，２０５を有する熱電対２０１の方位により、Ｂ熱電対またはＳ熱電対が通常発生するＥＭＦ信号雑音に重なって発生し得る過剰ＥＭＦ雑音を低減または排除することができる。さらに詳しくは、(例えば図２に示されるように)電流の流れる方向に対して横断する方向に熱電対の方位を定めることによって、そうではなく第１及び第２のタブを図１に示されるように間隔をおいて配置したときには発生し得る、余分のＥＭＦ雑音の低減、例えば排除、を実施することができる。過剰ＥＭＦ雑音の、排除のような、低減により、さらに低ドリフト熱電対の使用が可能になる。過剰ＥＭＦ雑音の低減、例えば排除、によって、正確な温度読み値に関して低ドリフト熱電対が提供する利点を維持することができる。過剰雑音の低減により、信号雑音による４℃〜５℃の変動も対応して低減することができ、よって低ドリフト熱電対の使用が可能になる。低ドリフト熱電対によって、温度の一層正確な検出及び報告を提供することができる。
【００１５】
次に図３を参照すれば、熱電対回路を形成する装置３０１の例が提供される。装置３０１は、導電性基板２０７に結合されるように構成された一例の熱電対２０１を備える。熱電対２０１は一般に、第１の熱電気材料で形成され、第１の近端３０３ａ及び第１の遠端３０３ｂを有する、第１の熱電気素子３０３を有する。第１の近端３０３ａは第１の結合点３０５において導電性基板２０７に結合されるように構成される。熱電対２０１はさらに、第２の熱電気材料で形成され、第２の近端３０７ａ及び第２の遠端３０７ｂを有する、第２の熱電気素子３０７を有する。第２の近端３０７ａは、第２の近端３０７ａが第１の近端３０３ａに物理的に接触しないように第１の結合点３０５から距離‘Ｄ’隔てられて配置された、第２の結合点３０９において導電性基板２０７に結合されるように構成される。第１の近端３０３ａ及び第２の近端３０７ａの、導電性である、導電性基板２０７との結合は、本明細書において「ホットジャンクション」と称される。
【００１６】
図示されるように、第２の遠端３０７ｂ及び第１の遠端３０３ｂは導電性基板２０７から距離をおいて配置された測定装置３１１に接続することができる。測定装置３１１は、例えば、第１の遠端と第２の遠端の間の電圧を測定するための装置とすることができ、データ処理コンポーネントを備えることができる。例えば、測定装置３１１は、コンピュータ、コントローラ、プロセッサ、電圧計、入力／出力カード(Ｉ/Ｏカード)、等を備えることができる。電圧は第１の遠端３０３ｂと第２の遠端３０７ｂにかけて発現することができ、電圧の発現はワイアの長さに沿う温度勾配の結果である。電圧は測定装置で読むことができ、電圧は基板の温度に相関させることができる。
【００１７】
図３をさらに参照すれば、一例において、熱電気素子の近端と遠端の間を延びる、熱電対２０１の一部分は熱電気リードまたは延長ワイアとして設けることができる。さらに、第１の熱電気素子３０３及び第２の熱電気素子３０７はそれぞれ、組み合わせると、ゼーベック熱電効果を示すことができる熱電対回路の形成に適する、異なる熱電気材料で形成される。この目的のため、一態様において、第１及び第２の熱電気素子は事実上、貴金属及び／または貴金属合金を含む、異種のいかなる金属でも形成することができる。
【００１８】
第１及び第２の熱電気素子のそれぞれを形成するための熱電気材料には、白金、ロジウム、ニッケル、クロム、銅、鉄、アルミニウム、ケイ素、マグネシウム、及びこれらの合金を含めることができる。上述した熱電気材料の組合せには、(Ｂ熱電対として知られる)７０％白金-３０％ロジウム合金と９４％白金-６％ロジウム合金、(Ｅ熱電対として知られる)ニッケル-クロム合金と銅-ニッケル合金、(Ｊ熱電対として知られる)鉄と銅-ニッケル合金、(Ｋ熱電対として知られる)ニッケル-クロム合金とニッケル-アルミニウム合金、(Ｎ熱電対として知られる)ニッケル-クロム-ケイ素合金とニッケル-ケイ素-マグネシウム合金、(Ｒ熱電対として知られる)１３％白金-ロジウムと白金-白金、(Ｓ熱電対として知られる)１０％ロジウムと白金、及び(Ｔ熱電対として知られる)銅と銅-ニッケル合金を含めることができる。
【００１９】
図３にさらに示されるように、第１の近端３０３ａ及び第２の近端３０７ａはそれぞれ、間隔をおいて配置された第１のタブ素子２０３及び第２のタブ素子２０５のそれぞれを介して導電性基板２０７に結合させることができる。第１のタブ素子２０３及び第２のタブ素子２０５はそれぞれ、第１の近端３０３ａ及び第２の近端３０７ａのそれぞれと導電性基板２０７の間に配置することができる。一例において、第１のタブ素子２０３及び第２のタブ素子２０５のそれぞれは、第１の熱電気素子３０３及び第２の熱電気素子３０７のそれぞれと同じ熱電気材料で形成することができる。例えば、形成される熱電対回路がＢ熱電対の場合、第１の熱電気素子３０３は７０％白金-３０％ロジウム合金からなり、第２の熱電気素子３０７は９４％白金-６％ロジウム合金で形成することができる。この例にしたがえば、第１のタブ素子２０３も７０％白金-３０％ロジウム合金で形成することができ、第２のタブ素子２０５は９４％白金-６％ロジウム合金で形成することができる。
【００２０】
図４は図２及び３に示される例示熱電対２０１の拡大上面図である。一例において、熱電対２０１は、第１の熱電気素子３０３及び第２の熱電気素子３０７のそれぞれを部分的にまたは完全に囲むように構成された１つないしさらに多くの絶縁体４０１を有することができる。絶縁体４０１には、測定されるべき温度に基づいて、様々な材料を含めることができる。さらに、第１の熱電気素子３０３に、実質的に同様であるかまたは同等の材料で形成することができる、第１のバックアップ熱電気素子４０３を備えることができる。同様に、第２の熱電気素子３０７に、実質的に同様であるかまたは同等の材料で形成することができる、第２のバックアップ熱電気素子４０７を備えることができる。バックアップ熱電気素子は、主素子が故障した場合に、代わりの回路接続を提供することができる。
【００２１】
他の利点に加えて、間隔をおいて配置された結合点により、第１の組成の第１の熱電気素子から揮発した金属種の、第２の組成の第２の熱電気素子上への凝結が低減または排除され得ることがわかった。そのような揮発は、熱電気素子が、ガラス作成プロセスに見ることができる１５００℃をこえる温度のような、非常に高い温度にさらされると、おこり得る。例えばロジウムのような、揮発した金属種は熱電気素子の低温領域上に凝結して、熱電気素子内に拡散することができ、よって熱電気素子の電気的挙動、したがって熱電対回路で検出される電圧の(すなわち、熱電対温度ドリフトとして観察される)変化をおこさせ得る。したがって、一例において、ロジウム濃度は、ワイア及び基板のような、共結合された素子間で平衡し始めることができ、よってドリフトが温度変化をもたらし得る。
【００２２】
第１のタブ素子２０３及び第２のタブ素子２０５は、導電性基板２０７に直接接触し、導電性基板２０７と第１及び第２の熱電気素子３０３，３０７の間に挟まれる、かなり大きな質量を提供することで、拡散の結果生じるこれらの様々な素子の組成の変化を抑え、第１の熱電気素子３０３と第２の熱電気素子３０７の間の拡散及びドリフトを軽減することができる。第１及び第２のタブ素子２０３，２０５は、第１及び第２の熱電気素子３０３，３０７の第１及び第２の近端３０３ａ，３０７ａの基板表面への電気的結合に適する、所望のいかなる形状及び厚さも有することができる。しかし、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５のそれぞれの質量は導電性基板２０７に隣り合うそれぞれの熱電気素子の質量よりかなり大きくすることができる。
【００２３】
それぞれのタブ素子は、(図示されるような)長方形、円形、楕円形、等を含む、様々な形状を有することができる。一例において、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５は実質的に、ほぼ０.１〜０.５インチ(２.５４〜１２.７ｍｍ)の範囲にある導電性基板２０７に結合される表面積を有する、長方形とすることができる。例えば、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５はほぼ０.２５インチ（６.３５ｍｍ）の結合表面積を有することができる。第１及び第２のタブ素子２０３，２０５は、一例において、約１０ミル(０.２５４ｍｍ)〜約５０ミル(１.２７ｍｍ)の範囲にあり得る、実質的に一様な厚さを有することもできる。別の例において、タブ素子は約３０ミル(０.７６３ｍｍ)の実質的に一様な厚さを有することができる。実際に則していえば、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５のそれぞれは。それぞれの熱電気素子の等価寸法よりかなり大きい、公称の、(長方形とした場合)長さ-幅測定値または(円形とした場合)直径を有することができる。
【００２４】
次に図５を参照すれば、導電性基板２０７に取り付けられた第１のタブ素子２０３に取り付けられた、第１の熱電気素子３０３の一例が示される。第１の熱電気素子３０３はワイアの軸線Ａを有するワイアとすることができ、第１のタブ素子２０３はワイアと導電性基板２０７間の介在物とすることができる。ワイアのタブ素子２０３に接する部分の寸法は、タブ素子の厚さに等しい長さを有することができ、タブ素子の体積よりかなり小さい体積を有することができる。したがって、タブ素子２０３の体積は、タブ素子２０３に隣接してタブ素子２０３に結合されるワイアのそれぞれの部分の体積よりかなり大きくなり得る。ワイアは与えられた厚さを有するタブに取り付けられた直円柱として見ることができる。
【００２５】
タブ素子は、タブ素子の厚さを含む、タブ素子の寸法に基づくある体積Ｖｔを有することができる。タブ素子の厚さｔに等しい長さＬを有するワイア部分(すなわち直円柱)の体積ＶＷはタブ素子の体積よりかなり小さくすることができる。逆に言えば、タブ素子は、タブ素子に隣接する長さがＬのワイア部分の体積よりかなり大きい体積を有することができる。図５に示されるように、タブ素子２０３の体積はワイア部分５０１の体積よりかなり大きくすることができる。「かなり大きい」は、タブ素子の体積が隣接ワイア部分の体積の少なくとも約２倍であること、及び隣接ワイア部分の体積の少なくとも約４倍になり得ること、及び隣接ワイア部分の体積の少なくとも約８倍にさえなり得ることを意味する。もちろん、一般的な状況において、ワイアは公称上円柱形であり、したがって、軸線Ａに直交する円形の断面を有することができる。しかし、熱電気素子(例えばワイア)が上述した体積を有する領域をもつためには円柱形である必要はない。
【００２６】
次に図６を参照すれば、タブ素子は、導電性基板２０７と第１のタブ素子２０３の間の接触面積を最小にする態様で、導電性基板２０７に接触することができる。この態様にしたがえば、タブ素子２０３，２０５と導電性基板２０７の間の接触面積の最小化により、２種の熱電材料間の化学種の拡散(例えばロジウムの拡散)を有効に抑えることができ、したがって熱電対ドリフトをさらに抑えることができる。この目的のため、タブ素子と導電性基板の間に、電気絶縁性であり、それにもかかわらず高い熱伝導度を有する、絶縁部材６０１を配置することができる。図示される例において、絶縁部材６０１は第１のタブ素子２０３と導電性基板２０７の間に配されている。タブ素子と導電性基板２０７の間の結合はその後に、溶接ビード６０３で示されるように、タブ素子２０３，２０５の周縁のまわりで導電性基板にタブ素子２０３，２０５を溶接するだけで形成することができる。もちろん、タブ素子２０３，２０５の導電性基板２０７への別の結合方法も用いることができる。例えば、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５のそれぞれで、タブ素子２０３，２０５のコーナーだけを導電性基板２０７に溶接することによるように、連続していない、間隔をおかれた場所だけでタブ素子２０３，２０５を導電性基板２０７に結合することができる。
【００２７】
図６は第１の熱電気素子３０３及び第１のタブ素子２０３に取り付けられた第１の近端３０３ａを示しているが、第１のタブ素子２０３と導電性基板２０７の間または第２のタブ素子２０５と導電性基板２０７の間に、あるいはいずれの場所にも、絶縁部材６０１を配置できることは当然である。したがって、２つの絶縁部材６０１を、一方は第１のタブ素子２０３と導電性基板２０７の間に、他方は第２のタブ素子２０５と導電性基板２０７の間に、設けることができる。したがって、２つの溶接ビード６０３を、絶縁部材のそれぞれに１つずつ、設けることもできる。
【００２８】
本例にしたがって形成された熱電対回路は、従来の熱電対素子に見られる一般的な熱電気ドリフトに比較して、低められた熱電対ドリフトを示すことができる。詳しくは、従来の熱電対素子及び回路は動作中に時間の経過とともに較正から外れることがあり得る。較正からの外れは、ある程度は、熱電対回路の「ホットジャンクション」において物理的に相互接触させた２つの異種の熱電気素子間におこる拡散の結果である。この較正からの外れは本明細書において熱電気ドリフトと称され、熱電対素子の誤差の増大に寄与する。上述したように、本例の熱電気素子の近端は、本例の熱電気素子の近端が物理的に相互接触しないように、距離‘Ｄ’をおいて配置された結合点において結合される。それにもかかわらず、基板と個々の熱電気素子の間の拡散がやはり熱電気ドリフトを生じさせ得る。例えば、溶融ガラスを保持／処理するためにガラス作成プロセスにおいて用いられ得るであろうような白金／ロジウム合金槽を考える。そのような槽は１５００℃をこえる温度で稼働し得る。通常は、それぞれのロジウム含有量が異なる、個々の白金-ロジウム合金熱電対ワイアが槽壁に直接に溶接されている。そのような高い動作温度において、基板と熱電対ワイアの間のロジウムの拡散は、ワイアと槽壁の間の接合にわたるロジウムの拡散は平衡濃度に達するようにはたらくから、比較的急速であった。この結果、測定装置で測定される温度は連続的に低下していた。
【００２９】
タブ素子は、２つの異種の熱電気材料間におこり得る拡散を低減するかまたは排除することさえもでき、したがって時間の経過とともにおこり得る熱電気ドリフト(例えば電圧ドリフトまたは温度ドリフト)を抑え、実質的に無ドリフトとすることができる。一例において、熱電対回路は約１５００℃以上の温度において３０日間でほぼ２.５℃より小さいドリフト率を示すことができる。さらにまた、熱電対回路は約１５００℃以上の温度において３０日間で約２.０℃，１.５℃または１.０℃より小さく、さらには約０．５℃より小さい、ドリフト率を示すことができる。さらにまた、第１の結合点と第２の結合点の間隔‘Ｄ’を、いずれの２つの異種の熱電気材料も基板材料の結合点において物理的に相互接触しない限り、所望のいかなる距離とし得ることも当然である。
【００３０】
熱電対回路の例によって形成される「ホットジャンクション」が、２つの異種の熱電気素子の物理的接合によるのではなく、好ましくは第１及び第２のタブ素子２０３，２０５を介する、第１及び第２の熱電気素子の導電性基板との結合によって形成されることも当然である。したがって、得られる熱電対回路は基板自体内の温度変化に一層敏感である。さらに、報告される温度も、基板が回路のホットジャンクションの一部であるから、一層正確に基板温度を表すであろう。
【００３１】
熱電気素子の分離の結果、第１及び第２の結合点３０５及び３０９において結合された２つの異種の熱電気素子の間の平均基板温度が決定されることも当然である。したがって、別の例において、与えられた基板に対する３次元温度モデルを、熱電対装置を用いて、実時間で決定できる複数の熱電対回路を提供することができる。
【００３２】
図７を次に参照すれば、装置３０１と同様の装置７０１が示されている。装置７０１は導電性基板２０７に結合されるように構成された、一例の熱電対７０９を備える。熱電対７０９は、第３の熱電気材料で形成され、第３の近端７０３ａ及び第３の遠端７０３ｂを有する、第３の熱電気素子７０３を有する。第３の遠端７０３ｂも同じく適する測定装置に接続することができる。第３の近端７０３ａは、第３の近端７０３ａが第１及び第２の近端３０３ａ，３０７ａのいずれとも接触しないように、第１及び第２の結合点３０５，３０９から間隔をおいて配置された第３の結合点７０５において基板に結合することができる。さらにまた、第３の熱電気素子も第３の近端７０３ａに結合された第３のタブ素子７０７を有することができる。第３のタブ素子７０７も同じく第３の熱電気素子と同じ熱電気材料で形成することができ、第１，第２及び第３のタブ素子が物理的に相互接触しないように、第１及び第２のタブ素子２０３，２０５のいずれからも距離‘Ｄ’をおいて配置される。第１のタブ素子２０３と第３のタブ素子７０７の間隔は、第２のタブ素子２０５と第３のタブ素子７０７の間隔に等しくすることができ、それより大きくすることができ、あるいはそれより小さくすることができる。
【００３３】
使用において、上述した熱電対装置、すなわち本例の熱電対回路は、導電性基板の一領域の温度を決定するための方法を提供する。本方法は上述した熱電対回路を形成する工程を含む。詳しくは、第１の熱電気材料で形成された第１の熱電気素子の近端が、好ましくは第１のタブ素子を介して、第１の結合位置において導電性基板に結合される。第２の熱電気材料で形成された第２の熱電気素子の近端が、好ましくは第２のタブ素子を介して、第２の結合位置において導電性基板に結合され、第２のタブ素子は、第１及び第２の熱電気素子が物理的接触せず、それぞれのタブ素子も物理的に接触しないように、第１の結合位置から間隔をおいて配置される。一例において、第３の熱電気材料で形成され、好ましくは第３のタブ素子を介して、第３の結合位置において導電性基板に結合された第３の熱電気素子の第３の近端を有することができ、第３のタブ素子は、第１，第２及び第３の熱電気素子が物理的に接触せず、それぞれのタブ素子も物理的に接触しないように、第１の結合位置及び／または第２の結合位置から間隔をおいて配置される。
【００３４】
本例の方法がいずれか特定の基板材料との使用に限定されず、所望のいずれの導電性基板の温度の決定にも用いられ得ることは当然である。しかし、一例において、基板は、例えば、ガラス(例えばシリカベースガラス)の作成に用いられる白金及び／またはロジウムベースの送出装置のような、導電性基板である。
【００３５】
形成後、熱電対回路は形成された回路内で、熱電気素子に沿う温度勾配によって生じる電圧を与えることができる。与えられる電圧は熱電対回路と通じている通常の測定装置によって定量することができる。したがって、定量された電圧は、基板の第１の結合位置と第２の結合位置の間の領域内の平均温度を示す。
【００３６】
測定装置３１１のような、通常の電圧検出装置は、第１の遠端３０３ｂと第２の遠端３０７ｂの間で熱電対回路に確立される正味電圧Ｖ１２を検出し、定量するために用いることができる。この目的のため、検出装置は電圧Ｖ１及びＶ２を検出し、正味電圧を決定して、正味電圧を導電性基板の推定温度に相関させることができる。２つの異種のタブ素子は距離‘Ｄ’で隔てられているから、推定温度は第１の結合点３０５と第２の結合点３０９の間の基板の平均温度を表す。一例の検出装置は一般に、熱電対用Ｉ/Ｏカードが装着された、コンピュータモニタリング装置を備えることができる。コンピュータは次いで、当業者には既知のＡＳＴＭ試験方法を用いて、信号を温度出力に変換することができる。
【００３７】
導電性基板２０７は多くの態様で直接加熱することができる。例えば、導電性基板２０７は、導電ヒーター、対流ヒーター、輻射ヒーターまたはその他の加熱構成によって加熱することができる。本例において、導電性基板２０７は抵抗加熱構成を備える１つないしさらに多くの加熱装置に取り付けることができる。抵抗加熱構成は、導電性基板２０７の領域を通して、交流のような、電流を流すことによって導電性基板２０７の領域を加熱するように設計することができる。したがって、導電性基板２０７は、方向２０７に沿って導電性基板を通して電流を流すことによって加熱することができる。
【００３８】
本出願の装置は、例えばガラス基板の製造に用いられる白金製送出装置のような、いずれの導電性基板の温度も測定するために熱電対が用いられる用途を有することができる。
【００３９】
すなわち、本開示の非限定的態様及び／または実施形態は以下の方法及び装置を含む。
【００４０】
Ｃ１．  導電性基板の一領域の温度を決定するための、
第１の熱電気材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する、第１の熱電気素子、及び、第２の熱電気材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する、第２の熱電気素子を有する熱電対を提供する工程、
第１の熱電気素子及び第２の熱電気素子のそれぞれの近端を、第１の中間タブ素子及び第２の中間タブ素子をそれぞれ介して、導電性基板の一領域に結合することによって熱電対回路を形成する工程、
第１のタブ素子及び第２のタブ素子はそれぞれ第１の熱電気材料及び第２の熱電気材料と実質的に同じ組成を有し、
第１のタブ素子及び第２のタブ素子は、第１の近端及び第２の近端が物理的に相互接触しないように、間隔をおいて配置される、
導電性基板を通して電流を流すことによって導電性基板を加熱する工程、
第１のタブ素子及び第２のタブ素子は電流の方向を横断する軸に沿って相互に間隔をおいて配置される、
及び
形成された熱電対回路によって与えられる電圧を定量する工程、
電圧は導電性基板の一領域内の温度を示す、
を含む方法。
【００４１】
Ｃ２．  横断軸が電流が流れる方向に実質的に直交する、Ｃ１にしたがう方法。
【００４２】
Ｃ３．  電流が流れる方向を横断する軸に沿う第１のタブ素子及び第２のタブ素子の配置により過剰ＥＭＦ雑音が低減される、Ｃ１またはＣ２にしたがう方法。
【００４３】
Ｃ４．  第１の熱電気材料及び第２の熱電気材料が貴金属または貴金属合金から選ばれる、Ｃ１〜Ｃ４３のいずれかにしたがう方法。
【００４４】
Ｃ５．  導電性基板が白金を含む、Ｃ１〜Ｃ４のいずれかにしたがう方法。
【００４５】
Ｃ６．  熱電対がＢ熱電対である、Ｃ１〜Ｃ５のいずれかにしたがう方法。
【００４６】
Ｃ７．  熱電対がＳ熱電対である、Ｃ１〜Ｃ５のいずれかにしたがう方法。
【００４７】
Ｃ８．  定量された電圧が第１の近端と第２の近端の間の導電性基板の領域内の平均温度を示す、Ｃ１〜Ｃ７のいずれかにしたがう方法。
【００４８】
Ｃ９．  導電性基板、第１の熱電気素子、第２の熱電気素子、第１のタブ素子及び第２のタブ素子が白金-ロジウム合金を含む、Ｃ１〜Ｃ８のいずれかにしたがう方法。
【００４９】
Ｃ１０．第１のタブ素子及び第２のタブ素子のそれぞれと導電性基板の一領域の間に絶縁材料が配置される、Ｃ１〜Ｃ８のいずれかにしたがう方法。
【００５０】
Ｃ１１．導電性基板の一領域を第１のタブ素子及び第２のタブ素子の周縁においてのみ第１のタブ素子及び第２のタブ素子に結合することにより、導電性基板と第１のタブ素子及び第２のタブ素子のそれぞれの間の化学種の拡散を低減する工程をさらに含む、Ｃ１０にしたがう方法。
【００５１】
Ｃ１２．装置であって、
導電性基板、
基板を通って流れる電流によって基板を加熱するように構成された直接加熱装置、
第１の熱電気材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する、第１の熱電気素子、
第１の近端は、第１の結合位置において第１の熱電気材料で形成された第１の中間タブ素子を介して導電性基板に結合される、
第２の熱電気材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する、第２の熱電気素子、
第２の近端は、第２の結合位置において第２の熱電気材料で形成された第２の中間タブ素子を介して導電性基板に結合され、
第１の結合位置と第２の結合位置は物理的に合同されず、電流の方向を横断する軸に沿って相互に間隔をおいて配置される、
及び
第１の遠端及び第２の遠端に電気的に接続された電圧測定装置、
を備える装置。
【００５２】
Ｃ１３．横断軸が電流の流れる方向に実質的に直交する、Ｃ１２にしたがう装置。
【００５３】
Ｃ１４．電流が流れる方向に直交する第１の結合位置と第２の結合位置の方位により過剰ＥＭＦ雑音が低減される、Ｃ１２またはＣ１３にしたがう装置。
【００５４】
Ｃ１５．第１の熱電気材料及び第２の熱電気材料が貴金属または貴金属合金から選ばれる、Ｃ１２〜Ｃ１４のいずれかにしたがう装置。
【００５５】
Ｃ１６．約１５００℃以上の温度において３０日間でほぼ２.５℃より小さい熱電対温度ドリフト率を回路が示す、Ｃ１２〜Ｃ１５のいずれかにしたがう装置。
【００５６】
Ｃ１７．第１のタブ素子が厚さｔ１及び体積Ｖｔ１を有し、第１の熱電気素子が軸線を有する第１のワイアであり、Ｖｔ１が第１のワイアの、ｔ１に等しい長さＬを有し、第１のタブ素子に接して配置される、領域の体積ＶＷより実質的に大きい、Ｃ１２〜Ｃ１６のいずれかにしたがう装置。
【００５７】
Ｃ１８．Ｖｔ１の値がＶＷの値より少なくとも２倍である、Ｃ１２〜Ｃ１７のいずれかにしたがう装置。
【００５８】
Ｃ１９．第１のタブ素子及び第２のタブ素子のそれぞれと導電性基板の間に絶縁材が配置される、Ｃ１２〜Ｃ１８のいずれかにしたがう装置。
【００５９】
Ｃ２０．第１のタブ素子と導電性基板の間に絶縁材が配置されている第１のタブ素子の周縁においてのみ第１のタブ素子が導電性基板に結合され、さらに、第２のタブ素子と導電性基板の間に絶縁材が配置されている第２のタブ素子の周縁においてのみ第２のタブ素子が導電性基板に結合される、Ｃ１２〜Ｃ１９のいずれかにしたがう装置。
【００６０】
特許請求される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。
【符号の説明】
【００６１】
２０１    熱電対
２０３，２０５    タブ素子
２０７    導電性基板
２０９    直接加熱装置
２１１    軸
２１３    電流方向
【図１】
2012093359.tif 000003
【図２】
2012093359.tif 000004
【図３】
2012093359.tif 000005
【図４】
2012093359.tif 000006
【図５】
2012093359.tif 000007
【図６】
2012093359.tif 000008
【図７】
2012093359.tif 000009
【外国語明細書】
2012093359000001.pdf