JPS6238871B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱起電力素子およびガス点火安全装置
に関し、一つめの発明の目的は熱起電力が大きく
かつ長寿命で信頼性の高い熱起電力素子を提供
し、また二つめの発明の目的は上記熱起電力素子
を備え性能のすぐれたガス点火安全装置を提供す
ることにある。

熱起電力素子としては、従来から銅−コンスタ
ンタン、アルメル−クロメル、白金−白金ロジウ
ムのような金属の熱電対、Bi−Te，Bi−Sbなど
の半導体の熱電体が知られている。ところでその
熱起電率は金属の熱電対で数＋μＶ／℃、半導体
の熱電対で100〜300μＶ／℃程度しか得られず、
安定温度範囲（融解したり、化学的に酸化したり
しない温度範囲）での起電力は精々10mVのオー
ダしか得られない。また、熱安定性の高い酸化
物、炭化物、窒化物、珪化物では酸化物および珪
化物以外は熱起電率が低く、数μＶ／℃程度であ
る。珪化物の熱起電率は〜200μＶ／℃、そして
酸化物のそれは数百μＶ／℃であり、したがつて
これらの素子では、ガスの種火の表示をしたり、
あるいはガス機器の消火を検知した上で警報した
り、バルブの制御をするには起電力が小さく、こ
のため増巾のため回路に電流を流す必要があり、
特に電池を電源とする場合には頻繁に取替える欠
点があり実用に至らなかつた。

一方種火表示には、従来から二つの方式があ
る。その一つは白金線を種火にあたるように炎中
に挿入し、光をオプチカルフアイバーで表示部に
導びくものである。この場合可動部がないという
良い点があるが、光の強度が低い、また高価にな
るという欠点がある。今一つは、クロメル−コン
スタンタンのような金属の熱電対を炎中に挿入
し、起電力で電圧計を動作させるものである。前
者に較べて安価であるが、可動部があり、取付け
位置が問題となつたり、また表示部に水分が入ら
ないようにする必要がある。

本発明は要部が臭化第１銅単独あるいは臭化第
１銅に沃化第１銅を加えたものから構成され、熱
起電率が数mV／℃というように大きな固有領域
を有し、かつその固有領域に移る温度および要部
の融点を任意に変えれる熱起電力素子を提供し、
またその熱起電力素子を要部に備えたガス点火安
全装置を提供することにより、上述のような従来
における欠点を除去しようとするもので、以下に
それぞれ図面を用い実施例を説明する。

まず、一つめの本発明の一実施例である熱起電
力素子の構成を第１図を用いて説明する。図にお
いて、１は純度99.5％以上の臭化第一銅
（CuBr）および沃化第一銅（Cul）を、窒素、あ
るいは希ガス中で融点附近迄加熱し、遊離するハ
ロゲンがなくなるまで処理したものを粉砕し、
CuBr単独、あるいはこれにCulを混合して成型し
た熱起電力素子本体である。２，２′は、素子本
体１の両側に本体と一体に成型したグラフアイト
の薄層である。この薄層をグラフアイトで構成し
たのは、CuBrおよびCulがＰ型半導体であり、こ
のため接触部に電位障壁を作らずしかも熱的に安
定でかつ安価な材料としてグラフアイトが優れて
いるためである。３は一方のグラフアイト薄層２
に接触するようにして設けた高温側電極で、ここ
では容器としての機能も兼ね備えている。高温側
電極３は、その一端面から突出した突起３′が炎
中に入るため、高温での耐蝕性にすぐれる金属材
料で作られている。具体的にはクロムが16％以上
含まれるステンレス鋼が上記条件にかない適当で
ある。高温側電極３の開口側端部は折曲され、絶
縁リング５を介し銅キヤツプ４を押え付けてい
る。６は高温側リードで高温側電極３にスポツト
溶接により接続されている。７は低温側リードで
銅キヤツプ４に半田８により熔着されている。な
おグラフアイト薄層２および突起３′も含め高温
側電極３のグラフアイト薄層２近傍部分が広義に
いう高温側電極を構成し、一方グラフアイト薄層
２′、銅キヤツプ４、半田８等が同じく広義にい
う低温側電極を構成する。

次に以下のような構成になつた熱起電力素子の
特性について説明する。第２図ａは高温側電極を
加熱したときの低温側電極との温度差に対する熱
起電力発生の状態を示す。図中曲線ＡはCuBr単
独で成型したもの、ＢはCuBr95％・Cul5％の混
合物を成形したもの、ＣはCuBr90％・Cul10％の
混合物を成形したものである。この測定に供した
試料における本体部は何れも径7.0mmφ、長さ15
mm、グラフアイト層の厚みは0.5mmである。高温
側電極は先端で径7.0mm、開放端で8.0mmの内径を
持つ円錐台状をなしている。低温側電極の温度を
第１図ａにおいて破線ｔで示している。CuBr単
独のものは、温度差が120℃附近から起電力の急
激の立上りが起るが、温度差が200℃附近になる
と熱起電力は約700mVに達し、それ以上温度差
を与えても上昇は小さい。CuBr95％の場合は310
℃の温度差で急激な上昇が起り、CuBr90％の場
合には360℃の温度差で熱起電力の上昇が起つて
いる。そしてそれぞれの高温側電極の温度が本体
をなす材料の融点（後述する）相当の温度まで加
熱されたときには、熱起電力が750mVにも達し
た。

ここで第１図ｂに前記３種類の試料についてそ
れぞれ測定した導電率の温度特性を示す。この導
電率は実質的には素子本体部の導電率に相当す
る。なお図中各曲線には第１図ａにおける場合と
同一符号を付しそれぞれ対応させている。

さて第１図ａにおける熱起電力の急激な上昇
は、第１図ｂに示した温度特性からわかるよう
に、伝導が固有領域に達した辺りの温度から起つ
ており、その熱起電率は約5mV／℃であつた。
またCuBr単独の場合にみられる熱起電率の低下
はイオン電導が優勢になる温度領域でおこつてい
る。熱起電力の急激な上昇領域を利用すれば精度
の高い温度検出が可能になる。一定熱起電力を得
て温度制御をしようとする場合、第２図ａから明
らかなように、CuBr単独の場合より、CuBrに
Culを加えた場合の方が、例えば500mVの熱起電
力が得られる高温側電極の温度がCuBr単独の場
合では250℃、CuBr90％、Cul10％の場合では470
℃というように、制御する温度を高くすることが
できる。

次にCuBrにCulを加えた場合の融点の変化を第
３図に示す。図から明らかなようにCulを加える
ことにより融点は上昇する。熱起電力素子を種火
表示に使う場合には、高温側電極近傍の素子本体
部の温度が500℃に達することも充分あり得る。
このような場合CuBr単独で素子本体部を構成す
ると本体部の一部が溶融するという懸念が生じる
が、Culが５〜10％含まれるもので本体部を構成
しておくことによりそのような懸念は払拭され
る。CuBrにCulを加えるとそれ自体の応答速度は
遅くなるが、種火表示に用いられる場合のように
高温側電極が高温中におかれて温度を検出すると
きには、むしろ高温側電極近傍の本体部の昇温速
度が素子全体としての応答速度を支配し、しかも
種火は一般的に単位容積当りの熱量が大きいの
で、電極近傍の本体部は素速く昇温され、したが
つて本体部自体の応答の遅れは無視できるものと
なる。これに対しガスコンロでの消火などの異状
を検出するのに用いる場合には、コンロ火の単位
容積当りの熱量は種火にくらべて低く、かつ検出
温度領域が低いところにあるので、CuBr単独で
本体部を構成したものを用いる方が、本体部自体
の応答が速いという特徴を発揮できる。

次に本体部低温側での放熱作用による熱起電力
特性への影響について調べるための実験をおこな
つたので、それについて述べる。

まず第４図ａに示すようにCuBr95％・Cul5％
の混合物を成形して作つた素子本体１の片側に設
けたカーボン薄層２の上面にはヒータ９を内蔵し
た熱板１０を接触せしめるとともに側面には高温
側リード６を接続し、また本体１の他の片側に設
けたカーボン薄層２′の下面には放熱板１１（直
径10cm、厚み２cmの銅板よりなる）を接触せしめ
るとともに側面には低温側リード７を接続して低
温側における放熱性のすぐれた試料イを作つた。
なを図中１２，１２′はカーボン薄層２，２′にお
ける温度を測定するために設けられた熱電対であ
る。

また第４図ｂに示すようにａにおけると同じ組
成の混合物を成形した本体１を備える試料ロを作
つた。構造の大部分が第１図における場合と共通
している。ただこの場合には低温側電極をなす銅
キヤツプ４が容器（第１図での場合と同様高温側
電極３がこれを兼ねる）の開口部より幾分奥まつ
たところに位置し、一方その開口部は中央に端子
１３を備えたガラスハーメチツク蓋体１４により
封口されている。そして銅キヤツプ４と端子１３
は圧着スプリング１５により電気的にも熱的にも
接続されている。

このような構造になつていることにより、銅キ
ヤツプ４等よりなる低温側電極の外気中への放熱
が押えられている。なお熱電対１１は高温側電極
３の突起３′が設けられている面の温度を測定で
き、またもう一つの熱電対１２は端子１３の温度
を測定できるように設けられている。

また試料ハとしては第１図に示したのと同一の
ものが準備された。本体１の材料組成は第４図
ａ，ｂにおけるものと同じである。なお熱電対は
第４図ｂにおけると同様な状態になるようにして
設けた。

さて以上のようにして準備した３種類の試料
イ，ロ，ハのそれぞれについて高温側電極を加熱
しその時の熱起電力および低温側電極の温度を測
定した結果を第５図に示す。ここで図中実線は熱
起電力を示し、破線は低温側電極の温度を示す。
また各曲線に付した符号は前記試料に対応する。
図から明らかなように低温側電極の放熱を押えた
構造のもの、すなわち試料ロでは当然のことなが
らその低温側電極の温度が他の二つに比べ高くな
り、一方それが原因となつて試料イ，ハにみられ
るような熱起電力の急激な立上がりはみられな
い。このことから低温側電極での放熱が充分なさ
れるような構造とすることの必要性が理解され
る。なお図に示すように試料ハは試料イとの間に
ほとんど差がみられない。これは第１図に示した
ような構造のものであれば、試料イのように放熱
板を設けたものと低温側電極の放熱に関し同等な
効果を有していることを示すものである。このよ
うな放熱効果は第１図に示すように銅キヤツプ４
面上の広い面積にわたつて半田８が被着され、そ
の半田８がまた広い面積にわたつて外気に接して
いることに基づく。低温側電極の放熱を図るの
に、むろん第１図に示したような構造に限定され
るものではない。

次に第５図に前記３種類の試料イ，ロ，ハのそ
れぞれについて、２時間加熱、２時間放置の繰り
返えし寿命試験をおこなつた結果を示す。各曲線
に付した符号は試料イ，ロ，ハにそれぞれ対応す
る。この図からも明らかなように試料ハが長時間
にわたりそのすぐれた熱電力特性を安定に維持し
ている。なお試料イにおいて低温側電極の放熱が
図れる構造になつているにもかかわらず、図中曲
線イのように熱起電力が漸次低下しているのは電
極部分の構造が暫定的なものになつていること等
に起因しているものと思われる。

次に二つめの本発明の実施例であるガス点火安
全装置について第７図を用い説明する。

図において２１は一つめの本発明により提供さ
れる熱起電力素子、２２はトランジスタでそのベ
ースおよびエミツタが熱起電力素子２１の両端子
に接続されている。２３は発光ダイオードでその
−端子はトランジスタ２２のコレクタに接続さ
れ、他端は可変抵抗２５を介して電池２４の−端
子に接続されている。電池２４の他端子はトラン
ジスタ２２のエミツタに接続されている。

次に本装置の動作について述べる。熱起電力素
子２１の高温側電極の端面から突出した突起（第
１図３′に相当）がガス燃焼器の種火の炎中に位
置するようにして熱起電力素子２１を配設する。
種火がついていないときには起電力素子２１の両
端子間に熱起電力は生じず、したがつてこの状態
ではトランジスタ２２は非導通であり、発光ダイ
オード２３は点灯されない。いま種火がついて上
記高温側電極の突起が加熱されると熱起電力が生
じてトランジスタ２２のベースに電流が流れ、し
たがつてトランジスタ２２は導通状態となつて発
光ダイオード２３は点灯する。種火が消えると前
述のようにベース電流が流れず発光ダイオードは
消灯する。

以上のような構成において熱起電力素子は種火
による加熱により大きな熱起電力を生じるので、
トランジスタを駆動するのに熱起電力を増巾する
必要がなく、したがつて本装置を構成する部品が
少なく、むろん増巾のための電源も必要としない
など装置全体が極めて簡単となり安価にしてでき
る。そして本装置の心蔵部をなすともいえる熱起
電力素子の寿命特性がすぐれることから、本装置
は長時間にわたりその機能を安定に維持する。さ
らにまた熱起電力の急な立上がりにともない発光
ダイオードは急に明るさを増すので遠方からその
表示を容易に確認することができる。さらには可
変抵抗で発光ダイオードに流れる電流が規制され
かつトランジスタの１次側に電池からの電流が流
れ込むことはないので電力消費が極めて少ない。

なお上記の実施例では発光ダイオードを設けて
種火の光表示ができるようにしたが、発光ダイオ
ードの代りに例えば制御リレーを設け、その動作
により表示灯を点灯したりあるいはブザーを鳴ら
して警告できるようにしてもよい。さらにはソレ
ノイドバルブを設けてガス供給、停止の操作が自
動的に行なわれるようにしてもよい。発光ダイオ
ードと制御リレーあるいはソレノイドバルブとを
併設してももちろんよい。制御リレーあるいはソ
レノイドバルブ等はトランジスタのコレクター、
エミツタ間が切断状態になつたときに動作するよ
うに構成しておけば電池の消費を低く押えること
ができる。

第８図は第７図に示したガス点火安全装置の変
形を示す。基本的には第７図に示したのと同一構
成であるが、只この場合には二つのトランジスタ
２２′，２２″で構成するダーリントン回路に熱起
電力素子２１が接続されている。第７図における
場合と同様トランジスタの１次側に流れる電流は
押えられているので電池の消費は極めて少ない。

なお各図面間で共通する要素についてはその説
明を省略した。

以上のように一つめの本発明により得られる熱
起電力素子は熱起電力が大きく、しかも素子本体
部をなす臭化第１銅に沃化第１銅を適当な割合で
混合することにより、熱起電力が急な立上がりを
する固有領域の温度を任意に変えることが可能
で、したがつてある温度領域において、精度よく
温度を検出しようとする場合、あるいはある温度
領域においてより大きな熱起電力を得ようとする
場合に容易に対処することができる。

又低温側電極の温度上昇を押えるだけの簡単な
構造により、高温側電極との温度差を大きくして
より大きな熱起電力が取出せるばかりでなく、長
時間にわたり再現性よくその熱起電力を取出すこ
とができ、信頼性の高いものとすることができ
る。

一方二つめの本発明により得られるガス点火安
全装置は上記熱起電力素子のすぐれた性能を備え
ることにより、ガスの着消火を精度よく検出し、
しかもガスの着消火を知らせ警告する表示灯ある
いはブザー等の駆動、あるいはガス供給停止の自
動操作を指令するために上記素子の熱起電力を増
巾する必要のないことから装置の構成が簡単にな
つて安価にしてできるなど数多のすぐれた利点を
備える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である熱起電力素子
の断面図、第２図ａは上記熱起電力素子の熱起電
力を示す曲線図、第２図ｂは上記熱起電力素子の
要部をなす材料の導電率の温度特性を示す曲線
図、第３図は上記要部をなす材料の組成に対する
融点の変化を示す曲線図、第４図ａ，ｂはそれぞ
れ上記熱起電力素子を構成する低温側電極の放熱
効果を調べるために作つた試料の正面図および断
面図、第５図は上記熱起電力素子および上記試料
の熱起電力特性を示す曲線図、第６図は同じく上
記熱起電力素子および上記試料の寿命特性を示す
曲線図、第７図は二つめの本発明の実施例である
ガス点火安全装置の回路図、第８図は上記ガス点
火安全装置の変形の回路図である。 １……素子本体、２，２′……カーボン薄層、
３……高温側電極、４……銅キヤツプ、６……高
温側リード、７……低温側リード、１２，１２′
……熱電対、２１……熱起電力素子、２２，２
２′，２２″……トランジスタ、２３……発光ダイ
オード、２４……電池。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 遊離するハロゲンのないように調整した臭化
   第１銅を含む成形体と、この成形体の両側にそれ
   ぞれグラフアイト層を介し圧着された高温側電極
   と低温側電極とを有する熱起電力素子。 ２ 成形体が遊離するハロゲンのないように調整
   した沃化第１銅を含む特許請求の範囲第１項記載
   の熱起電力素子。 ３ 高温側電極が筒状体と一体になつて一端が開
   口した容器を構成し、かつその容器に成形体とと
   もに収納された低温側電極の端面がセラミツクス
   からなる耐熱絶縁リングを介して容器開口端に形
   成した折曲部により押圧されるとともに絶縁リン
   グの内側に低温側電極に接合された半田層が設け
   られた特許請求の範囲第１項記載の熱起電力素
   子。 ４ 高温電極がクロムを16％以上含むステンレス
   鋼よりなる特許請求の範囲第１項又は第３項記載
   の熱起電力素子。 ５ 低温側電極が銅よりなる特許請求の範囲第１
   項又は第３項記載の熱起電力素子。 ６ 遊離するハロゲンのないように調整した臭化
   第１銅を含む成形体と、この成形体の両側にそれ
   ぞれグラフアイト層を介して設けられ高温雰囲気
   中に位置される高温側電極および低温雰囲気中に
   位置される低温側電極とを備える熱起電力素子が
   トランジスタの入力回路に挿入されかつガスの着
   消火をしらせる表示装置およびガスの供給を制御
   する制御装置の少なくとも一つが上記トランジス
   タの出力回路に挿入されたことを特徴とするガス
   点火安全装置。 ７ 成形体が遊離するハロゲンのないように調整
   した沃化第１銅を含む特許請求の範囲第６項記載
   のガス点火安全装置。 ８ 表示装置として発光ダイオードを用いた特許
   請求の範囲第６項記載のガス点火安全装置。