JPH0646169B2 - 熱電対装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、熱電対素子に関し、特に、温度変化に対して
迅速な応答を必要とする高圧系統において使用される熱
電対素子に関するものである。

背景技術 蒸気タービン発電機等の系統においては、かかる系統の
監視及び制御のため、高圧高温状態で温度を測定するこ
とが必要である。温度センサーからの温度情報を利用し
てある系統もしくは設備のプロセス又は運転を測定し制
御する際に、例えば、オバーシュート即ち目標を超過す
る行過ぎや不安定性を防止するために、温度センサーが
高速応答を示すことが多くの場合に不可欠となる。温度
センサーとして熱電対を使用する場合、熱電対ウエルに
よって作業流体から接合部を遮断することが普通に行な
われている。温度の変化は、熱電対ウエルの壁部を経て
熱電対接合部に伝達しなければならず、応答に遅れを生
ずる。そのため、高速応答が必要な場合、この構成は一
般に満足とは言えない。

先行技術においては熱電対の応答を改良する様々な試み
がなされており、その一つとして例えば米国特許第4,46
0,802号明細書を参照されたい。この米国特許明細書
は、井戸状の構造を形成するように、金属製の扁平なデ
ィスクをそれとは異種金属の管状要素に半径方向に溶接
することを、幾つかの設計上の変形と共に基本的に開示
している。導線は、ディスク及び管状要素に固着されて
おり、これ等の間の半径方向接合部は、該接合部の温度
が熱電対装置の外部の基準接合部の温度と相違している
場合に、所望の起電力を発生する。２つの異種金属及び
接合部が監視されている流体に直接にさらされているた
め、小さな接合部を収納した従来の井戸状構造に比べて
応答速度が改善される。

上記の米国特許第4,460,802号明細書記載の熱電対によ
っても応答性の或る程度の改良が得られるが、流体が高
圧下におかれる系統においてこの熱電対を使用した場合
には、或る不具合を生ずる。即ち、ディスクに作用する
圧力によって半径方向接合部に応力が発生し、それによ
って割れ又は分離が起こる。明らかなように、この圧力
によってデイスクがへこみ易くなり、その結果、接合部
がディスクの外周において分離され易くなる。そのた
め、半径方向の配列は、高圧系統に使用するには全く不
向きである。

従って、非常に高速の応答を示しながら、２種の金属の
接合部に半径方向応力及び他の過大な応力を全く受けな
いような、高圧高温の用途に使用される熱電対素子の必
要性がある。

発明の開示 本発明は、第１の金属から形成された円筒状の本体部分
を有する、高圧高温の用途に使用するための改善された
熱電対素子を提供する。円筒状本体部分の遠端（一端）
は、該遠端と本体部分との間に円筒状の肩部を形成する
ように、小径となっている。好ましくは、熱伝達を増大
させるために本体部分に肩部に近接して複数のランドも
しくは山部を形成する。本体部分の直径と同じ外径を備
えたキャツプは、小径の遠端に嵌合するように形成され
ている。キャップが所望の異種金属から形成されること
により、キャップの内周は、本体部分の遠端の外周と共
に、軸向きの熱電対接合部を形成する。２種の金属の接
合部は、電子ビーム等を指向させる融着法によって一緒
に溶接される。

本体部分を通る絶縁スリーブを介して導線がキヤップに
固着されており、この導線が本体部分への接続部と組み
合って、熱電対への出力結線部を形成している。

キャップの外周にも複数のランドもしくは山部が形成さ
れており、これ等の山部は、本体部分に形成された山部
及び谷部（もしくは溝）との組み合わせにおいて、流体
からの熱が熱電対の軸向きリング型接合部に速やかに流
れることを許容する。キャップ及びリング部分の厚さ及
び幾何学的形状は、流体の温度が変化した際に接合部が
異なった温度に達するのに必要な時間を最小にするよう
に選定される。

キャップが高圧を受けた時、キャップのスカート又はリ
ング部分は、キャップの端面に対する凹ませ作用に効果
的に抗し、溶接された接合部に生じうる応力を最小とす
る。この構成は、応力を最小とすると共に、比較的薄い
材料の使用を可能とすることにより、迅速な熱電応答を
与える。

従って、本発明の目的は、円筒状の接合部をもち、高速
の熱電応答をする、高圧高温の用途に適した改良された
熱電対感知素子を提供することにある。

本発明の別の目的は、熱電対の第１の金属要素から形成
されたキャップと、異種の第２の金属要素から形成され
た本体部分とを備えている、円筒状の軸方向熱電対接合
部を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、高圧系統に使用した場合に接
合部に低い機械的応力を生ずるようにした高速応答熱電
対素子を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、接合部付近に表面の谷部及び
山部をもつことによって熱電応答を改善するようにした
低応力の比較的薄い材料から成る円筒状の熱電対温度セ
ンサーを提供することにある。

これ等の目的並びに他の目的及び利点は、添付図面を参
照した以下の詳細な説明によって一層明らかとなるであ
ろう。

発明を実施するベストモード 本発明は特に適している典型的な応用は、高圧蒸気ター
ビンの配管中における蒸気温度の測定である。先ず第１
図を参照すると、配管25は、その内部に流体30が流れる
ように図示されている。

流体30の温度を正確に測定し、特にこの温度の変化を非
常に速やかに監視しうることが望まれている。本発明に
よる熱電対素子（熱電対装置）10は、この目的のために
設けられている。熱電対素子10は、種々の形態に製作で
きるが、第１図はその典型的な一形態を示している。本
体部分12は、第１の金属から製作されており、そして６
角ナット部分28を有するねじ部付き近端15を含んでい
る。この実施例では、本体部分12の近端15のねじ部を受
け入れるねじ部29を備えたボス26が配管25に設けられて
いる。本体部分12の遠端（一端）19付近には１組の溝も
しくは谷部13が形成されている。キヤツプ14は、後述す
るように、本体部分12の遠端に取り付けられている。

キャップ14は本体部分12とは異種の金属材料からできて
いるため、熱電対接合部18（第１図には示さない）がキ
ャップ14と本体部分12の遠端との間に形成される。第１
及び第２の熱電対出力導線22、27はそれぞれキャツプ14
と本体部分12とに接続されており、熱電対接合部18から
の出力導線となっている。キャップ14は、１対の溝もし
くは谷部20を備えている。

諒解されるように、溝13、20は、流体30にさらされる表
面積を増大させ、少なくとも１つの溝は、接合部18への
熱流を増大させるために、接合部18の上方の厚みを最小
とするように作用する。

第２図には、接合部18の細部を示すように部分的に切り
欠かれた熱電対素子10が部分的な斜視図のより図示され
ている。本体部分12は、図示したように、ねじ部付き近
端15と、小径の遠端19とを備えている。また、前述のよ
うに、１対の溝13が遠端19の付近に形成されている。

キャップ14は、所望の異種の金属材料から形成され、デ
ィスク状端部16と、連続するリング状のスカート部分23
とを備えている。スカート部分23には１対の同心的な溝
20が切削により形成されている。キャップ14は、本体部
分12の遠端19上に配設されており、スカート部分23の内
周の一部分は、本体部分12の遠端19の外周面に溶接され
ることによって、接合部18が形成される。

この溶接は、先行技術において周知の電子ビーム技術そ
の他の適宜の溶接法によって行ないうる。キャップ14と
同一の金属材料からできている導線22は、キャップ14の
中心部に固着され、中心部を経て延長している。この中
心部は、適宜のセラミツクス又は他の高温絶縁材料製と
しうる絶縁スリーブ24を備えていてもよい。

熱電対素子10は、測定しようとする温度及び熱電対装置
の予定された用途に依存して、任意の１対の異種の金属
材料から形成することができる。典型的には、本体部分
12をステンレス鋼から形成し、先端のキャップ14はニッ
ケルから形成する。他の周知の金属の組み合わせの例
は、鉄−コンスタンタン、クロメル−アルメル、銅−コ
ンスタンタンである。迅速な応答を確保するために、キ
ャツプ14のディスク状端部16を比較的薄く、例えば５mm
のオーダーとすることが望ましい。本体部分12及びキャ
ップ14の直径は、２〜５cmのオーダーとしてよい。

第３図を次に参照すると、接合部の別の細部がより明瞭
に図示されている。第１図の熱電対素子10が部分断面図
によって図示され、また、スカート部分23の内周面を本
体部分12の遠端19に溶接することによって形成した接合
部18が図示されている。第３図の熱電対素子10が熱源に
さらされると想定して、矢印Ｈは、流体温度との平衡に
接合部18をもち来たすために熱がそれを通って流れるた
めのキャップ14及び本体部分12の材料を通る比較的短い
所要の経路を表わしている。やはり第３図から分かるよ
うに、キャップ14のディスク状端部14の外面に作用する
圧力は、キャップ14の縁部上に現出される最小の応力の
みを生じるため、接合部18の一体性は失なわれない。明
らかなように、キャップ14及び本体部分12の溝は、接合
部付近の素材量を減少させ、監視される気体又は流体に
直接さらされるより多くの表面を伝熱のために提供す
る。

以上に説明したように、高信頼性及び高速応答性と共
に、非常に堅強に形成することの可能な、新規な改良さ
れた熱電対素子が提供される。測定される環境は、熱電
対のキャップの構成によって、熱電対装置の本体部分の
内部から遮断され、円筒面に沿った熱電対接合部が形成
される。この構成は、半径方向型の接合部においてキャ
ップが高圧にさらされる時に普通に生ずる応力を最小と
する利点がある。キャップ及びコーナーは、同質の材料
から形成される。そのため、主として圧縮応力がキャッ
プ部分に発生し、既知の素子に比べて破損の可能性が著
しく減少する。

本発明の特定的な実施例について以上に説明したが、本
発明の範囲内でユニットの構成を種々変更することがで
きる。例えば、本発明の原理は、半径方向の接合がさけ
られる限り、真円筒状以外の接合部を備えた熱電対素子
にも組み込むことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による熱電対素子を組み込んだ配管の
一部断面側面図、第２図は、第１図に示した熱電対素子
の部分的な破断斜視図、第３図は、第１図の熱電対素子
の部分的な断面図であり、熱電対接合部とこの接合部へ
の熱の流れ方とを示す図である。 10……熱電対素子（熱電対装置） 12……本体部分、14……キャップ 18……熱電対接合部、19……遠端（一端） 22……第１の熱電対出力導線 23……スカート部分（スカート） 27……第２の熱電対出力導線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の金属から形成された細長い本体部分
   (12)と、 第２の異種金属から形成され、該本体部分(12)の一端(1
   9)を覆って配置されると共に、スカート(23)を有する、
   キャップ(14)と、 前記スカート(23)の内周面と前記本体部分(12)の周面と
   の間に形成された、熱電対接合部(18)と、 前記キャップ(14)に接続された第１の熱電対出力導線(2
   2)と、 前記本体部分(12)に接続された第２の熱電対出力導線(2
   7)と、 を備える高速熱電応答の熱電対装置。