JPH09113372A - 多点測温素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【解決手段】 従来の多点測温は、各測温箇所毎に個別
の１点測温素子を入れるか、１本の保護管に複数の絶縁
管と熱電対を挿入して行われてきた。これらの方法は、
取扱い、経済性、測温精度、応答性のいずれにおいても
問題が多く、一体構造かつ高精度の多点測温素子が求め
られてきた。本発明では、熱電対と保護管が一体となっ
た一点測温素子をその測温接点の位置を違えて焼結一体
化させた多点測温素子、複数の熱電対を内蔵する一体構
造多点測温素子、枝状熱電対を用いた一体構造多点測温
素子の構造について詳述する。 【効果】 測温精度、温度応答性が優れ、一体構造であ
るので取扱いが容易であり、コンパクトであるので、多
点測温を必要とする半導体製造用拡散炉等に用いると測
温性能、経済性の面で顕著に効力を発揮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電対と保護管が一体
となった測温素子の構造に係わり、更に詳しくは多数の
穴を有して絶縁管の役割を兼ね備えた保護管の中に複数
個の熱電対が組み込まれて一体となった多点測温素子の
構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電温度計の測温素子は、一般に、温度
を熱起電力の差で検知する熱電対と熱電対の素線を電気
的に絶縁する絶縁体と必要に応じてこれらを収納し外側
から保護する保護管から構成されている。熱電対には予
めテフロンやガラス系編組等で絶縁した被覆熱電対があ
るが、これは概ね５００℃以下の低温領域での測温に限
られており、高温領域での測温は一般に裸熱電対を２つ
孔の磁性絶縁管に通しこれを上記の保護管に挿入して行
われている。また、熱電対の材質は白金やロジウムを用
いた貴金属系とそれ以外の金属又は合金を用いた卑金属
系に分けられるが、卑金属系は耐熱性に劣るため１００
０℃以上の高温測定では主に貴金属熱電対が使用されて
いる。この貴金属熱電対は還元性ガス、金属性ガスや不
純物の環境にさらされると、熱起電力の低下を招き温度
誤差が大きくなる。例えば、高温で白金素線がシリカを
含む耐火物に接触しているときＣＯガスが存在すると、
シリカは還元されて白金に珪素が吸収され非常に脆い合
金を作り断線することがある。また、銅、鉄、鉛、亜
鉛、カドミウム、アルミニウム、錫などの殆どの金属と
低融点の合金もしくは化合物を作り、いずれも熱起電力
が低下して温度精度を悪くしたり、融点降下による溶断
や脆性亀裂で測温不能になる。このように不純物が付着
したり汚染ガスにさらされることから熱電対を保護し劣
化を防ぐ為に保護管を用いるが、測温に際し、特に高温
測定は過酷な汚染環境のもとで行われることが多く、保
護管と絶縁管との僅かな隙間にも汚染物質が入り込ん
で、熱電対の感熱部や絶縁管の継目部分を冒すことが多
い。

【０００３】次に、取扱いに際して、保管時あるいは組
み立て時の熱電対、絶縁管及び保護管の内部の汚染も、
高温において同様に熱電対の劣化を招く。従って、絶縁
管への熱電対の挿入などは、汚れの無い部屋で、手で触
れないように手袋をして、細心の注意を払って行われて
いる。更に、この挿入作業は、素線が未使用のものでは
手間を要しないが、一度使用したものでは変形歪みや表
面荒れを起こしていることが多く、これを絶縁管の細い
孔に長尺にわたって通すことは極めて困難で大変な作業
である。

【０００４】温度計としての性能上の観点からは、温度
精度の他に温度応答性に優れていることが重要である。
測温対象と熱電対の感熱部との間には保護管、空隙、絶
縁管があり、これを通して熱の移動が行われるが、サイ
ズ面では出来るだけ空気層の無い薄肉、小径の管の場合
がその分だけ応答速度が早くなる。ところが、従来の測
温素子では、余り細いものは作られていない。最も細い
絶縁管の外径でも２つ孔のものはφ３ｍｍ程度であり、
保護管の肉厚を１ｍｍ、空隙を０．５ｍｍとしても保護
管の外径（測温素子の外径）はφ６ｍｍとなる。１つ孔
のものは外径φ１ｍｍ程度まであるので、熱電対素線の
１本をこれに入れ他の１本を入れない場合、外径φ３ｍ
ｍの測温素子が作れるが、強度的に弱く、高温長時間測
定では熱電対素線の劣化が２本の素線を入れたものより
著しく速く、また長尺のものは製作が難しく製造コスト
が高くなる。

【０００５】熱電対と絶縁体と保護管が一体構造となっ
ているものにシース熱電対がある。これは、絶縁体に主
に酸化マグネシウムの粉末、保護管に相当する外被（シ
ース）にステンレスやインコネルなどの耐熱金属が用い
られ、曲げ伸ばしが可能である。従って、折損の危険性
が小さく又気密性も良いので、外部から汚染されること
がなく取扱いも簡便である。サイズも細くかつ非常に長
尺のものが得られ、価格も安い。ただし、使用温度は概
ね１０００℃程度迄であり、高温側での長時間測定は外
被金属による熱電対汚染の恐れがある。

【０００６】以上述べてきたように、従来の測温素子
は、低温域では余り問題ないが１０００℃以上の高温域
では主に汚染物質により熱電対が劣化し、また、取扱い
が面倒で汚染原因も生じやすい。性能面やサイズ面から
は、更に細くて長尺のものが求められている。これら
は、シース熱電対の様に熱電対と絶縁体と保護管が一体
構造となってはじめて可能で、本発明者は実願平６−１
５９２０号で熱電対と保護管が一体となった測温素子を
考案した。これは１０００℃以上の高温使用温度でのシ
ース熱電対と言うべきものである。

【０００７】高温域での測温ニーズの中には、例えば半
導体製造ラインに於ける拡散炉の様に炉内の複数箇所を
同時に測温しなければならないケースがある。ところが
従来の測温素子は、上記の熱電対と保護管が一体となっ
た測温素子を含めて全て一点測温である。測温対象物を
同時に複数箇所測定する場合、一般に２つ穴の絶縁管に
熱電対を通したものを大径サイズの保護管に各々測定箇
所まで複数個挿入して行うか単独に測定箇所の数の分だ
け測温素子を用いて行う。前者の場合、大径サイズ保護
管内部の空気層の熱流の影響を受け、温度精度、応答性
の両面で問題が多い。即ち、上記保護管の外部の温度が
変化した時、保護管内部の低熱伝導の空気層が熱伝達に
よって新しい熱流の定常状態に到達するまでに時間を要
する。後者の場合、全体のサイズが大きくなる。上記の
熱電対と保護管が一体となった測温素子を用いればサイ
ズの大型化を避けることが可能であるが、取扱いが煩雑
になるので、複数個の熱電対を内蔵した一体構造の測温
素子が求められる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる問題点
に鑑みてなされたもので、その目的とするところは取扱
い簡便で、温度応答性に優れ、同時に複数箇所の測温が
できる新しい構造の測温素子を提供せんとするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題点
は次の手段によって解決できることを見いだした。すな
わち、 １ ２つの穴を有する絶縁性セラミック保護管と、該
２つの穴の各々の中をのびるとともに先端部で接合され
て測温接点を形成する２本の異種の金属線からなる熱電
対とからなり、かつ該絶縁性セラミック保護管の該測温
接点側が閉じた構造を有する熱電対と保護管が一体とな
った一点測温素子が、２本以上かつ該測温接点の位置を
違えて焼結一体化された構造を特徴とする多点測温素子
によって解決できる。 ２ ４つ以上の偶数個の穴を有する絶縁性セラミック
保護管と、該穴の各々の中をのびるとともに素線先端部
で接合されて測温接点を形成する２本の異種の金属線か
らなる熱電対２対以上とからなり、各々の熱電対の測温
接点の位置を違えてかつ該絶縁性セラミック保護管の該
測温接点側が閉じた構造を有することを特徴とする多点
測温素子によって解決できる。 ３ ３つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管
と、該穴の各々の中をのびるとともに１本の金属線に異
種の金属線２本以上が位置を違えて結線されて２か所以
上の測温接点を形成する枝状熱電対とからなり、かつ該
絶縁性セラミック保護管の該測温接点側が閉じた構造を
有することを特徴とする多点測温素子。

【００１０】

【作用】本発明の構造及び作用を図面によって詳細に説
明する。

【００１１】図１は、２本以上の一点測温素子１が各々
の測温接点（１２，１３，１４）の位置を違えて焼結一
体化された多点測温素子の代表的構造図である。図２
は、４つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管２の
中に２対以上の熱電対３を各々の測温接点（１２，１
３，１４）の位置を違えて内蔵する多点測温素子の代表
的構造図である。図３は、３つ以上の穴を有する絶縁性
セラミック保護管４の中に測温接点（１２，１３，１
４）の位置を違えて結線された枝状熱電対５を内蔵する
多点測温素子の代表的構造図である。なお図４は、絶縁
管６に通した複数の熱電対３を保護管７に挿入した従来
の多点測温素子の代表的構造図である。図４の従来方式
を用いて多点測温する場合、測温対象である保護管の外
部雰囲気８から感熱部である測温接点（１２，１３，１
４）に至る伝熱は、外部雰囲気８と保護管外周面９との
間の熱伝達、保護管７の管肉部分１０での熱伝導、保護
管内周面１１と空気層及び空気層と絶縁管６との間の熱
伝達、絶縁管内部での熱伝導の、所謂多層円管伝熱の複
雑な経路を辿る。従って、応答性が悪く、測温精度も悪
い。即ち、測温接点１３，１４は空隙部分１５，１６に
生じる空気対流の影響を受けるので、測温対象物（外部
雰囲気）の温度が変化してから熱流の定常状態に到達す
る迄に時間を要する。これに対して、図１、図２、図３
に示す本発明の多点測温素子の伝熱は、外部雰囲気と保
護管の外周面との間の熱伝達と、保護管の管肉部分での
熱伝導によって直接的に測温接点に伝えられる単層管伝
熱である。従って応答性が良く、上記空隙部分１５，１
６の様な空気対流部分も無いので精度が良い。またサイ
ズ面でも従来方式に較べて細くできるので更に応答性が
向上する。また、一体構造であるので取扱い容易であ
る。

【００１２】

【実施例】上記３種類の多点測温素子は、各々製造方法
が異なる。即ち、図１に示す多点測温素子の場合は、先
ず１対の熱電対を２つ穴パイプ状セラミック生素地に挿
入し端面封止して一点測温素子の生素地体を作る。次
に、長さの異なるこの生素地体同士を水に漬け表面を吸
水軟化させてから、測温接点を所定の位置に合わせ全体
を重ね合わせる。最後に焼結一体化させる。図２に示す
多点測温素子の場合は、４つ以上の偶数個の穴を有する
パイプ状セラミック生素地の一端面から、２つの穴を１
組として熱電対挿入の為の穴を所要の測温接点位置まで
ドリルであける。これに各々の熱電対を挿入し端面封止
して多点測温素子の生素地体を作り焼結させる。図２の
場合は、図１と同じ様に先ず一点測温素子の束を作り、
これを保護管に入れスラリーを隙間に流し込み焼結一体
化させて作る方法もあるが、サイズが大きくなることと
製造コストが高くなる為、好ましくない。図３の場合
は、１本の金属線に異種の金属線２本以上が位置を違え
て結線されて２か所以上の測温接点を形成する枝状熱電
対を、一端面から測温接点までの所要の長さに切られた
１つ穴パイプ状セラミック生素地の束に挿入し、熱電対
素線の露出部分に加熱消失性被覆を施し、これを保護管
に入れスラリーを隙間に流し込み焼結一体化させて作
る。この方法はサイズが大きくなる欠点を伴うが、熱電
対素線の２極のうち１極を１本の素線で兼用するので素
線全長が短くて済み、測温接点が多いほどまた長尺であ
るほどコスト面で有利である。

【００１３】図１、図２、図３に描く多点測温素子の試
料を上記方法で製作し、図４に描く従来方式との比較を
試みた。試験方法は、上記試料を１０００℃に予熱し、
１２００℃前後に保持した半導体用高温拡散炉中に迅速
に差し込み、予熱温度（１０００℃）から温度変化の前
後の温度差の６３．２％に相当する温度（１１２６．４
℃）までの経過時間、即ち時定数（τ）を測定し、応答
時間（５τ）を推定した。表１に、その比較結果を示
す。

【００１４】 ｃ．ｆ．：図１の１点測温素子径 φ３ｍｍ 図２の多点測温素子径 φ６．５ｍｍ 図３の多点測温素子径 φ７．５ｍｍ 図４の絶縁管径 φ３ｍｍ、保護管径φ７．５ｍｍ

【００１５】表１によると、本発明の多点測温素子（図
１、図２、図３）は、従来型（図４）に較べて応答が早
くかつ測温接点１２と測温接点１３、１４との差異が小
さい。特に図１の場合は、小径の一点測温素子の束であ
り、その応答性は極めて急峻である。

【００１６】尚、本発明が本実施例のみに限定されるも
のでないことは言うまでもないことである。例えば、本
例の熱電対は他の種類の熱電対に変更することができる
し、外部形状も丸形をはじめ角形や三角形とすることも
できるし、封止された保護管先端部分を丸みをもたせた
ものとしてもフラットとしたものでもよいし、更に多数
箇所の測温接点を有してもよい。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁管に通した複数の
熱電対を保護管に挿入した従来の多点測温方式に較べて
次の様な点が優れている。

【００１８】１．測温精度が優れている。 ２．温度応答性が優れている。 ３．一体構造であるので、取扱いが容易である。 ４．コンパクトである。 ５．安価である。

【００１９】具体的な測温対象としては、半導体製造用
拡散炉の温度分布測定、鉄鋼、鋳鉄、非鉄金属に於ける
溶解炉、鍋、タンディッシュ等の温度分布測定に最適で
あり、これらの高温保持装置の自動制御システムの測温
センサーとして使用すれば、その実用的、経済的効果は
極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、２本以上の一点測温素子が測温接点の
位置を違えて焼結一体化された多点測温素子の代表的構
造図である。

【図２】図２は、４つ以上の穴を有する絶縁性セラミッ
ク保護管の中に２対以上の熱電対を各々の測温接点の位
置を違えて内蔵する多点測温素子の代表的構造図であ
る。

【図３】図３は、３つ以上の穴を有する絶縁性セラミッ
ク保護管の中に測温接点の位置を違えて結線された枝状
熱電対を内蔵する多点測温素子の代表的構造図である。

【図４】１４は絶縁管に通した複数の熱電対を保護管に
挿入した従来の多点測温素子の代表的構造図である。

【符号の説明】

１ 一点測温素子 ２ ４つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管 ３ 熱電対 ４ ３つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管 ５ 枝状熱電対 ６ 絶縁管 ７ 保護管 ８ 外部雰囲気 ９ 保護管外周面 １０ 保護管の管肉部分 １１ 保護管内周面 １２ 測温接点 １３ 測温接点 １４ 測温接点 １５ 空隙部分 １６ 空隙部分

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１０月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題点
は次の手段によって解決できることを見いだした。すな
わち、 １ ２つの穴を有する絶縁性セラミック保護管と、該
２つの穴の各々の中をのびるとともに先端部で接合され
て測温接点を形成する２本の異種の金属線からなる熱電
対とからなり、かつ該絶縁性セラミック保護管の該測温
接点側が閉じた構造を有する熱電対と保護管が一体とな
った一点測温素子が、２本以上かつ該測温接点の位置を
違えて焼結一体化された構造を特徴とする多点測温素子
によって解決できる。 ２ ４つ以上の偶数個の穴を有する絶縁性セラミック
保護管と、該穴の各々の中をのびるとともに素線先端部
で接合されて測温接点を形成する２本の異種の金属線か
らなる熱電対２対以上とからなり、各々の熱電対の測温
接点の位置を違えてかつ該絶縁性セラミック保護管の該
測温接点側が閉じた構造を有することを特徴とする多点
測温素子によって解決できる。 ３ ３つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管
と、該穴の各々の中をのびるとともに１本の金属線に異
種の金属線２本以上が位置を違えて結線されて２か所以
上の測温接点を形成する枝状熱電対とからなり、かつ該
絶縁性セラミック保護管の該測温接点側が閉じた構造を
有することを特徴とする多点測温素子によって解決でき
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、２本以上の一点測温素子が測温接点の
位置を違えて焼結一体化された多点測温素子の代表的横
造図である。

【図２】図２は、４つ以上の穴を有する絶縁性セラミッ
ク保護管の中に２対以上の熱電対を各々の測温接点の位
置を違えて内蔵する多点測温素子の代表的構造図であ
る。

【図３】図３は、３つ以上の穴を有する絶縁性セラミッ
ク保護管の中に測温接点の位置を違えて結線された枝状
熱電対を内蔵する多点測温素子の代表的構造図である。

【図４】図４は、絶縁管に通した複数の熱電対を保護管
に挿入した従来の多点測温素子の代表的構造図である。

【符号の説明】 １ 一点測温素子 ２ ４つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管 ３ 熱電対 ４ ３つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管 ５ 枝状熱電対 ６ 絶縁管 ７ 保護管 ８ 外部雰囲気 ９ 保護管外周面 １０ 保護管の管肉部分 １１ 保護管内周面 １２ 測温接点 １３ 測温接点 １４ 測温接点 １５ 空隙部分 １６ 空隙部分 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１２月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】図１は、２本以上の一点測温素子１が各々
の測温接点（１２，１３，１４）の位置を違えて焼結一
体化された多点測温素子の代表的構造図である。図２
は、４つ以上の穴を有する絶縁性セラミック保護管２の
中に２対以上の熱電対３を各々の測温接点（１２，１
３，１４）の位置を違えて内蔵する多点測温素子の代表
的構造図である。図３は、３つ以上の穴を有する絶縁性
セラミック保護管４の中に測温接点（１２，１３，１
４）の位置を違えて結線された枝状熱電対５を内蔵する
多点測温素子の代表的構造図である。なお図４は、絶縁
管６に通した複数の熱電対３を保護管７に挿入した従来
の多点測温素子の代表的構造図である。図４の従来方式
を用いて多点測温する場合、測温対象である保護管の外
部雰囲気８から感熱部である測温接点（１２，１３，１
４）に至る伝熱は、外部雰囲気８と保護管外周面９との
間の熱伝達、保護管７の管肉部分１０での熱伝導、保護
管内周面１１と空気層及び空気層と絶縁管６との間の熱
伝達、絶縁管内部での熱伝導の、所謂多層円管伝熱の複
雑な経路を辿る。従って、応答性が悪く、測温精度も悪
い。即ち、図４においては、測温接点１３，１４は空隙
部分１５，１６に生じる空気対流の影響を受けるので、
測温対象物（外部雰囲気）の温度が変化してから熱流の
定常状態に到達する迄に時間を要する。これに対して、
図１、図２、図３に示す本発明の多点測温素子の伝熱
は、外部雰囲気と保護管の外周面との間の熱伝達と、保
護管の管肉部分での熱伝導によって直接的に測温接点に
伝えられる単層管伝熱である。従って応答性が良く、上
記空隙部分１５，１６の様な空気対流部分も無いので精
度が良い。またサイズ面でも従来方式に較べて細くでき
るので更に応答性が向上する。また、一体構造であるの
で取扱い容易である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの穴を有する絶縁性セラミック保護
   管と、該２つの穴の各々の中をのびるとともに先端部で
   接合されて測温接点を形成する２本の異種の金属線から
   なる熱電対とからなり、かつ該絶縁性セラミック保護管
   の該測温接点側が閉じた構造を有する熱電対と保護管が
   一体となった一点測温素子が、２本以上かつ該測温接点
   の位置を違えて焼結一体化された構造を特徴とする多点
   測温素子。
2. 【請求項２】 ４つ以上の偶数個の穴を有する絶縁性セ
   ラミック保護管と、該穴の各々の中をのびるとともに素
   線先端部で接合されて測温接点を形成する２本の異種の
   金属線からなる熱電対２対以上とからなり、各々の熱電
   対の測温接点の位置を違えてかつ該絶縁性セラミック保
   護管の該測温接点側が閉じた構造を有することを特徴と
   する多点測温素子。
3. 【請求項３】 ３つ以上の穴を有する絶縁性セラミック
   保護管と、該穴の各々の中をのびるとともに１本の金属
   線に異種の金属線２本以上が位置を違えて結線されて２
   か所以上の測温接点を形成する枝状熱電対とからなり、
   かつ該絶縁性セラミック保護管の該測温接点側が閉じた
   構造を有することを特徴とする多点測温素子。