JP5871676B2 - 熱電対の保護カバー - Google Patents

Description

本発明は、金属製のケースに収容された熱電対を高温環境下で保護する保護カバーに関する。

ポリ塩化ビフェニル（以下ＰＣＢと略称する）は、化学的に安定している、熱により分解しにくい、電気絶縁性に優れている、沸点が高い、不燃性であるなどの性質を有する物質である。このため、変圧器、安定器、開閉器、計器用変成器、コンデンサ、サージアブソーバ、遮断器、整流器、放電コイル、リアクトル等に使用する絶縁油、ボイラーや熱交換器の熱媒体等幅広い分野で使用されてきた。

近年、ＰＣＢの人体への有毒性が明らかになり、わが国では１９７２年からは、ＰＣＢの新たな製造はされなくなった。また回収されたＰＣＢ廃棄物について、ＰＣＢを無害化するための処理法としては様々なものが提唱されており、代表的なものとしては、脱塩素化分解法、水熱酸化分解法、還元熱分解法、光分解法、プラズマ分解法などがある。

一方、１９７２年以降に製造され、ＰＣＢを使用していないとされていたコンデンサ、変圧器などの電気機器やＯＦケーブルにも、数十ppm程度の微量のＰＣＢを含む絶縁油を用いているものがあることがわかっている。このような絶縁油についてもＰＣＢを無害化する必要があるが、含有率が微量であるために上記のような無害化方法を採用すると効率が悪い。そこで、１１００℃以上で２秒間以上の加熱処理（焼却処理）をすることによって、ＰＣＢを分解することが検討されている。

上記の加熱処理が実施されたことを保証するためには、燃焼ガスの温度が１１００℃以上であることを保証する必要があり、すると燃焼ガスの温度を測定する必要がある。しかしながら１１００℃という温度は非常に高温であり、通常の金属製（ステンレス製）のケースに収容された熱電対だけでは焼損してしまうという問題がある。

耐熱性という点では、セラミックス製のケースに収容された熱電対を用いることが考えられる。しかし溶融炉の中には、焼却中の廃棄物が溶融したスラグが飛散している。このため熱電対はスラグが衝突して物理的な衝撃を受けるため、セラミックス製の熱電対では破損してしまうという問題がある。これらのことから、金属製の熱電対と、何らかの冷却機能を有する保護カバーを用いる必要がある。

特許文献１には、熱電対を囲繞する管路（保護カバー）と、管路内に被測定ガスを吸引する手段とからなるガス温度測定装置において、管路の少なくとも一部をヒートパイプで形成した構成が記載されている。特許文献１によれば、従来は管路を冷却水によって冷却しなければならなかったところ、一部をヒートパイプで形成したことにより、管路が自動的に冷却されることとなり、冷却水は使用するとしてもほんの少しで事足りると述べている。

特許文献２には、熱電対保護管をジャケット（保護カバー）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り付け構造が記載されている。特許文献２によれば、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と述べている。

特開昭５８−１９８７３４号公報 特開２００７−２３２６９９号公報

上記のような冷却機能を有する保護カバーにおいて、言うまでもないことであるが、熱電対の先端部まで冷やすことはできない。熱電対の素子がある先端部まで冷却してしまうと、温度を正しく検知できなくなるためである。しかしながら引用文献２の構成のように熱電対の先端部が露出していると、１１００℃以上の高温であることから先端部が熱垂れ（垂れ下がること）を生じたり、溶融炉であることからスラグが付着・堆積して温度が測定できなくなってしまったりするという問題がある。

熱電対の先端を保護するために、特許文献１の構成のようにキャップを設けることが好ましい。しかしながら発明者らが検証したところ、１１００℃以上という高温では、熱電対の先端を囲むキャップ（基本構造は円筒である）と、冷却機能を有する軸保護部（基本構造は三重管である）との接合部で、亀裂が生じるという問題が生じた。接合部に亀裂が生じると冷却水が水漏れを生じるおそれがあり、さらに進行すればキャップが脱落するおそれもある。

そこで本発明は、高温環境下でもキャップと軸保護部の接合部に亀裂を生じることがなく、長期に亘って安定的に温度測定を可能にする熱電対の保護カバーを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために発明者らが鋭意検討したところ、亀裂が生じる原因は、高温にさらされて接合部が弱くなる上に、キャップと軸保護部で熱膨張の量が著しく異なるために、接合部にせん断応力が作用するためであると考えた。そして、せん断応力は冷却される箇所（低温部）と冷却されない箇所（高温部）の境界に生じると考え、この境界と接合部の位置をずらすことによって接合部にせん断応力がかかることを回避できることに想到し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明の代表的な構成は、金属製のケースに収容された熱電対を高温環境下で保護する保護カバーであって、熱電対の軸部を冷却する軸保護部と、熱電対の先端部を保護するキャップとからなり、軸保護部は、熱電対が挿通される第１管と、冷却水の流路を形成する第２管および第３管とからなる三重管であって、キャップは、熱電対の先端部を収容する空間である保護室と、第２管と第３管を連絡させる連絡流路を有し、連絡流路の前端は、キャップと軸保護部との接合部よりも先端側に至ることを特徴とする。

上記構成によれば、キャップの内部にも冷却水が循環するため、冷却される箇所と冷却されない箇所の境界が、キャップ中途部に存在する。このためキャップと軸保護部との接合部にはせん断力がほとんどかからないため、接合部に亀裂が生じることを回避することができ、長期に亘って安定的に温度測定を行うことが可能となる。

キャップは、先端の面のみに開口部を有していることが好ましい。これにより温度変化に対する応答速度を鈍くすることなく、熱電対の焼損を防止することができる。

キャップの先端には、中央に開口部を有する円環状の蓋が接合されていることが好ましい。これにより、開口部から入り込んだスラグが熱電対の先端に付着することを回避することができる。

キャップの保護室には、熱電対の先端を支持するガイド部材が設けられていることが好ましい。これにより熱電対の先端部が熱垂れによって屈曲することを防止し、内部の信号線が損傷を受けることを防止することができる。

本発明によれば、高温環境下でもキャップと軸保護部の接合部に亀裂を生じることがなく、長期に亘って安定的に温度測定を可能にする熱電対の保護カバーを提供することができる。

溶融炉の概略構成を説明する図である。 熱電対および保護カバーの構成を説明する図である。 保護カバーの細部を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は溶融炉１００の概略構成を説明する図である。溶融炉１００自体は本発明に含まれないので、簡単に説明する。図１に示す溶融炉１００においては、ガス化炉１０２に産業廃棄物を投入し低酸素状態で加熱することによって、可燃性ガス（主にＣＯ）が発生する。可燃性ガスは溶融炉の１次燃焼室１０４で高温燃焼する。そして燃焼ガスは２次燃焼室１０８、３次燃焼室１１０を通過して、不図示の廃熱回収ボイラへと送出される。

微量ＰＣＢを含有する絶縁油は、溶融炉バーナー１０６から炉内に注入（噴霧）することができる。１次燃焼室１０４から３次燃焼室１１０までの間（図１の網掛けを施した範囲）は１１００℃以上の高温となることが予定されていて、燃焼ガスがこれらを通過するのに２秒以上かかる。したがって３次燃焼室１１０の出口付近に熱電対２００を配置し、確かに１１００℃以上の高温となっていることを確認できれば、微量ＰＣＢを処理できたことを保証することができる。

熱電対２００は材料の異なる２本の金属線を接続し、熱起電力に基づいて温度を測定する回路である。一般に熱電対はステンレス等の金属製のケースに収容されていて、先端において温度を測定する。本実施形態においては、ステンレス製のケースに収容された状態のものを熱電対２００と称する。

熱電対２００は、３次燃焼室１１０を流通する燃焼ガスの温度を測るために、３次燃焼室１１０の中央付近にその先端を設置する必要がある。３次燃焼室１１０が一例として直径２０００ｍｍ程度の大きさをしているとき、熱電対２００は外壁から１０００ｍｍ程度突出する必要がある。したがって熱電対２００は高温環境下に晒されることになり、通常のステンレス製のケースに収容された熱電対だけでは焼損してしまうこと、およびスラグが衝突した衝撃で破損してしまうことから、冷却機能を有する保護カバーを用いる。

図２は熱電対２００および保護カバー２１０の構成を説明する図、図３は保護カバーの細部を説明する図である。保護カバー２１０は、大きく分けて三重管からなる軸保護部２２０と、熱電対２００の先端部を保護するキャップ２４０とから構成されている。

軸保護部２２０は熱電対軸部２０２を冷却するものであって、熱電対２００を挿通する第１管２２２と、冷却水の流路を形成する第２管２２４および第３管２２６とからなる三重管である。第１管２２２、第２管２２４、第３管２２６はいずれもステンレス鋼にて形成されている。第２管２２４の基部（炉外側）には冷却水導入管２２８が接続され、第３管２２６の基部には冷却水排水管２３０が接続されている。すなわち冷却水は、基部から第２管２２４の内側を通って先端に至り、第２管２２４の外側を通って基部に戻る。

軸保護部２２０の基部には、３次燃焼室１１０の炉壁１１２に当接するフランジ２３２と、三重管の端部を封止するフランジ２３４が設けられている。３次燃焼室１１０には炉壁１１２と耐火壁１１４を貫通する孔１１６が設けられていて、この孔１１６に保護カバー２１０を挿入した際には、その隙間はフランジ２３２によって封止される。

キャップ２４０は熱電対先端部２０４を保護するものである。キャップ２４０はステンレス鋼にて形成されている。第１管２２２を支持（接合）する内壁２４２より先端側は空洞になっていて、熱電対先端部２０４を収容する空間である保護室２４４が設けられている。

ここで本実施形態にかかる保護カバーの特徴的な点として、内壁２４２の基部側の面はキャップ２４０の基部側の端部から内側にえぐれていて、第２管２２４と第３管２２６を連絡させる連絡流路２４６を形成している。連絡流路２４６は行き止まりのポケット形状であるが、冷却水は第２管の内部を流れてきた勢いによって連絡流路２４６の前端まで至り、ここまで十分に冷却することができる。

このようにキャップ２４０の内部にも冷却水が循環するため、冷却水によって冷却される箇所（低温部）と冷却されない箇所（高温部）の境界２５２はキャップ中途部に存在している。そして連絡流路２４６の前端（先端側端部）は、キャップ２４０と軸保護部２２０との接合部２５０よりも先端側に至っていて、接合部２５０の位置とずれを生じている。なお、接合部２５０は溶接によって接合されている。

保護カバー２１０が燃焼ガス中に設置されたとき、高温部（連絡流路２４６の前端より先端側）は多く熱膨張し、低温部（連絡流路２４６の前端より基部側）は熱膨張が少ない。したがって境界２５２にはせん断応力が発生する。しかしながら上記構成によれば、キャップ２４０と軸保護部２２０との接合部２５０にはせん断力がほとんどかからないため、接合部２５０に亀裂が生じることを回避することができ、長期に亘って安定的に温度測定を行うことが可能となる。

キャップ２４０は、先端の面のみに開口部２６０を有している。先端の面とは、燃焼ガスの流れ方向に対して平行な面である。保護室２４４は先端の面に開口部２６０を有するのみであるから、キャップ内は袋状（行き止まり）である。したがって燃焼ガスはキャップ２４０の内部を流通せず、一方向から入り込むだけである。仮に燃焼ガスがキャップ２４０内を流通するように構成すると、熱電対２００が焼損したり、スラグが付着・堆積して温度測定不能になってしまうおそれがある。一方、キャップ２４０の全面が閉じていると温度変化に対して応答が鈍く、正しく温度が測定できなくなるおそれがある。しかし上記構成によれば、温度変化に対する応答速度を鈍くすることなく、熱電対の焼損を防止することができる。

キャップ２４０の先端には、中央に開口部２６０を有する円環状の蓋２６２が接合されている。図３（ａ）は蓋２６２の構造を示す図である。これにより、キャップ２４０内部の保護室２４４の断面積を開口部２６０の開口面積よりも大きくすることができる。すると、開口部２６０から入り込んだスラグを保護室２４４の熱電対先端部２０４より手前に堆積させることができる。したがって、熱電対先端部２０４にスラグが付着することを回避することができる。

なお蓋２６２の周縁にはほぼ４５°の開先面２６４が形成されていて、キャップ２４０の周縁にも同様の開先面が形成されている。これらを合わせて溶接することにより、接合面積が大きくなり、堅牢に接合することができる。

またキャップ２４０の保護室２４４には、熱電対先端部２０４を支持するガイド部材２７０を設けている。図３（ｂ）は保護室内部を説明する図であって、図２のＡ−Ａ断面図である。ガイド部材２７０はステンレス鋼にて形成されている。このようにガイド部材２７０を配置したことにより、熱電対先端部２０４が熱垂れを生じてもこれを支持することができるため、屈曲することを防止できる。したがって、内部の信号線が損傷を受けることを防止することができ、仮に熱電対２００のケースが高温に耐えられなかったとしても、継続して温度測定を行うことが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、金属製のケースに収容された熱電対を高温環境下で保護する保護カバーとして利用することができる。

１００…溶融炉、１０２…ガス化炉、１０４…１次燃焼室、１０６…溶融炉バーナー、１０８…２次燃焼室、１１０…３次燃焼室、１１２…炉壁、１１４…耐火壁、１１６…孔、２００…熱電対、２０２…熱電対軸部、２０４…熱電対先端部、２１０…保護カバー、２２０…軸保護部、２２２…第１管、２２４…第２管、２２６…第３管、２２８…冷却水導入管、２３０…冷却水排水管、２３２…フランジ、２３４…フランジ、２４０…キャップ、２４２…内壁、２４４…保護室、２４６…連絡流路、２５０…接合部、２５２…境界、２６０…開口部、２６２…蓋、２６４ …開先面、２７０…ガイド部材

Claims (4)

1. 金属製のケースに収容された熱電対を高温環境下で保護する保護カバーであって、
   前記熱電対の軸部を冷却する軸保護部と、前記熱電対の先端部を保護するキャップとからなり、
   前記軸保護部は、前記熱電対が挿通される第１管と、冷却水の流路を形成する第２管および第３管とからなる三重管であって、
   前記キャップは、前記熱電対の先端部を収容する空間である保護室と、前記第２管と第３管を連絡させる連絡流路を有し、
   前記連絡流路の前端は、前記キャップと前記軸保護部との接合部よりも先端側に至ることを特徴とする熱電対の保護カバー。
2. 前記キャップは、先端の面のみに開口部を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱電対の保護カバー。
3. 前記キャップの先端には、中央に前記開口部を有する円環状の蓋が接合されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電対の保護カバー。
4. 前記キャップの保護室には、前記熱電対の先端を支持するガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電対の保護カバー。

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