高速流體用高速響應熱電偶的製作方法

2023-06-29 22:33:11 2

專利名稱：高速流體用高速響應熱電偶的製作方法
技術領域：
本發明涉及高速流體用高速響應熱電偶，尤其是涉及以迅速的響 應速度測定像渦輪機內的流體的那樣以高速流動的流體的溫度的熱電 偶。
背景技術：
套管熱電偶是將氧化鎂、氧化鋁等無機絕緣材料粉末夾裝在金屬 套管內而收容熱電偶芯線的熱電偶。
圖1表示套管熱電偶的代表性的形狀。
套管熱電偶，是將無機絕緣材料粉末102填充在金屬套管101內， 以熱電偶的+腳(+側熱電偶芯線103)和-腳(-側熱電偶芯線104)這 兩個腳作為芯線，將芯線的前端接合作為測溫點105。雖然沒有圖示， 但是為了防止無機絕緣材料粉末102的吸溼，由環氧樹脂等密封材料 對和前端相反側的端末實施了密封。
套管熱電偶，在腐蝕性氛圍氣體或氧化氛圍氣體等嚴酷的環境中 使用的情況下，因為熱電偶芯線從氛圍氣體被隔離，所以與棵線的情 況相比，具有壽命長這樣的優點，另外，因為有絕緣層，所以還具有 不需要考慮與設置對象物之間的絕緣這樣的優點，已被廣泛使用。
圖2是表示與本發明相關聯的現有的套管熱電偶的前端部的製法 的圖。
首先，將前端部的無機絕緣材料粉末102掏出，將熱電偶芯線103、 104的前端切斷(圖2 (b))。
其次，通過焊接等將+側熱電偶芯線103的前端和-側熱電偶芯線 104的前端接合，形成測溫點105 (圖2 (c))，在最初掏出無機絕緣 材料粉末102而空出的部分的前端留下空間來填充相同的無機絕緣材料粉末(圖2 (d))，最後通過焊接106將金屬套管101的前端密封來 完成(圖2 (e))。
此套管熱電偶，因為外徑越小熱容量越少，所以響應速度越快， 如果對渦輪機內的那樣的高速流體直接使用外徑小的套管熱電偶，則 由於受到來自流體的力，會產生折斷或彎曲等機械性損傷。因此，作 為即使在高速流體中也不會受到機械性損傷、且能夠獲得高速響應的 熱電偶，考慮了在圖3的現有的高速流體用高速響應熱電偶(1)(日 本特開平7-174637號)、圖4的現有的高速流體用高速響應熱電偶(2 )、 圖5的現有的高速流體用高速響應熱電偶(3)(日本特開2006-78305 號)中表示的結構。
圖3是將由+側熱電偶芯線103、-側熱電偶芯線104、無機絕緣材 料粉末102 (1)及金屬套管101等構成的套管熱電偶收容於粗的保護 外管107中，由無機絕緣材料粉末102 (2)進行了固定的圖。
套管熱電偶，由於收容了前端的測溫點105的部分從保護外管107 較短地露出，所以即使在高速流體中，套管熱電偶的露出部分也不會 因受到來自流體的力而受到機械性損傷。
但是，保護外管107及無機絕緣材料粉末102 (2)，由於直徑越 粗熱容量越大，所以其對於被測定流體的溫度變化而言的溫度追隨越 遲緩，因為套管熱電偶的測溫點105因熱傳導而受其影響，所以與套 管熱電偶單體的響應速度相比，溫度輸出的響應速度遲緩。
圖4是圖3的變形，是對保護外管107附加了底板108，將底板 108和套管熱電偶進行了焊接的圖。和圖3的套管熱電偶同樣，不會 受到機械性損傷，但仍然受保護外管107及無機絕緣材料粉末102(2) 的大的熱容量的影響，與套管熱電偶單體的響應速度相比，溫度輸出 的響應速度遲緩。
圖5是將套管熱電偶收容於金屬的保護筒109中，和圖3、圖4 同樣使套管熱電偶的前端的測溫點收容部從保護筒109較短地露出的 圖。為了應對因高速流體中的套管熱電偶的振動而導致的金屬套管 101的磨耗，對金屬套管101表面塗敷了碳化鉻。因為套管熱電偶的
4前端的露出短，所以即使在高速流體中，套管熱電偶也不會受到機械
性損傷。但是，在此情況下，保護筒109的對於被測定流體的溫度變 化而言的溫度追隨也因為熱容量大而遲緩，由於保護筒109和套管熱 電偶接觸，所以，因熱傳導受其影響，導致響應速度被限制。
專利文獻1:日本特開平7-174637號公報
專利文獻2:日本特開2006-078305號>^才艮

發明內容
發明所要解決的課題
因此，在測定像渦輪機內流體的那樣的高速流體的溫度的溫度計 中，為了提高安裝的裝置的性能，要求響應速度儘可能快的溫度計。 本發明的目的在於提供一種在高速流體中使用也不會受到折斷或彎曲 等機械性損傷，且響應速度快的熱電偶。
為了解決課題的手段
本發明鑑於上述的情況，為了提供在高速流體中使用也不會受到 折斷或彎曲的機械性損傷，響應速度快的熱電偶，做成了如下的高速 流體用高速響應熱電偶，將外徑細的套管熱電偶以前端露出的方式插 入到外徑粗的保護管內，所述套管熱電偶是使無機絕緣材料粉末夾裝 在金屬套管內來收容+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線，將+側熱電偶芯 線和-側熱電偶芯線的前端彼此接合形成了測溫點，其特徵在於，將來 自保護管的套管熱電偶的露出部插入到具有多個貫通窗和在前端側設 置了套管熱電偶插通的孔的底蓋的保護筒內，使套管熱電偶的前端從 保護筒底蓋較短地露出，對保護筒底蓋和套管熱電偶、及保護筒和保 護管下部進行了焊接。
另外，本發明的高速流體用高速響應熱電偶，為了防止因熱膨脹 差而導致的損傷，由相同的材質構成了保護筒和套管熱電偶的金屬套 管。
此外，本發明的高速流體用高速響應熱電偶，為了提高熱傳導性， 向套管熱電偶的具有測溫點的前端部填充的無機絕緣材料粉末為氮化硼或氧化鈹。
此外，在此基礎上，本發明的高速流體用高速響應熱電偶，為了以在金屬套管內不動的方式固定無機絕緣材料粉末，以便其在進行焊接密封時不飛散，在向套管熱電偶的具有測溫點的前端部填充了氮化硼或氧化鈹的無機絕緣材料粉末的更前端部，填充了氧化鎂或氧化鋁的無機絕緣材料粉末。
發明的效果
本發明的高速流體用高速響應熱電偶，將外徑細的套管熱電偶以前端露出的方式插入到外徑粗的保護管內，所述套管熱電偶是使無機絕緣材料粉末夾裝在金屬套管內來收容+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線，將+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線的前端彼此接合形成了測溫點，其特徵在於，將來自保護管的套管熱電偶的露出部插入到具有多個貫通窗和在前端側設置了套管熱電偶插通的孔的底蓋的保護筒內，使套管熱電偶的前端從保護筒底蓋較短地露出，對保護筒底蓋和套管熱電偶、及保護筒和保護管下部進行了焊接，所以，雖然在使用細徑的套管熱電偶這一點上與現有情況是相同的，但根據新的結構，得到了在高速流體中也不會受到機械性損傷，且高速響應的熱電偶。
另外，本發明的高速流體用高速響應熱電偶，由於由相同的材質構成了保護筒和套管熱電偶的金屬套管，所以能夠防止因熱膨脹差而導致的損傷。
此外，本發明的高速流體用高速響應熱電偶，由於向套管熱電偶的具有測溫點的前端部填充的無機絕緣材料粉末為熱傳導性好的氮化硼或氧化鈹，所以能夠提高使用的套管熱電偶自身的響應性。
而且，本發明的高速流體用高速響應熱電偶，由於在向套管熱電偶的具有測溫點的前端部填充了氮化硼或氧化鈹的無機絕緣材料粉末的更前端部，填充了氧化鎂或氧化鋁的無機絕緣材料粉末，所以能夠以在金屬套管內不動的方式固定無機絕緣材料粉末，以便其在進行焊接密封時不飛散。


圖1是現有的套管熱電偶的長度方向剖面和徑向剖面的兩面圖2是說明套管熱電偶的現有的前端加工的圖3是現有的高速流體用高速響應熱電偶(1)的軸向剖面和A 向剖面的兩面圖4是現有的高速流體用高速響應熱電偶(2)的軸向剖面和B 向剖面的兩面圖5是現有的高速流體用高速響應熱電偶(3)的軸向剖面和C 向剖面的兩面圖6是本發明的高速流體用高速響應熱電偶的軸向剖面和D向剖 面的兩面圖7是本發明的高速流體用高速響應熱電偶的外形圖； 圖8是表示本發明的高速流體用高速響應熱電偶的套管熱電偶前 端部加工順序(l)的圖9是表示本發明的高速流體用高速響應熱電偶的套管熱電偶前 端部加工順序(2)的圖。 符號說明 1:金屬套管 2:無機絕緣材料粉末 3: +側熱電偶芯線 4:-側熱電偶芯線 5:測溫點 11:保護管 13:貫通窗 12:底蓋 14:保護筒
具體實施例方式
為了實施發明的最好的方式圖6~圖9表示本發明的熱電偶的結構和使用的套管熱電偶的前 端部的製法。
首先，對結構進行說明。
圖6是本發明的熱電偶的剖面圖，圖7是其外形圖。套管熱電偶， 在金屬套管1內填充有無機絕緣材料粉末2,將熱電偶的+腳(+側 熱電偶芯線3)和-腳(-側熱電偶芯線4)這兩個腳作為芯線，將芯線 的前端接合作為測溫點5。
空心且具有底蓋12和多個貫通窗13的保護筒14被焊接在直徑粗 的保護管ll上，外形細的套管熱電偶被收容在其中，收容了測溫點5 的前端部較短地從保護筒14露出。保護筒14的材質由與套管熱電偶 的金屬套管l相同的材料製作。
套管熱電偶與保護筒14的底蓋12焊接在一起，與保護管11在保 護管11下部也焊接在一起。保護筒14和底蓋12被焊接在一起，但也 可以是作為一體物切削出來的。
另外，保護管11例如既可以是如圖4的上部的那樣的內部結構， 也可以是將圖4的無機絕緣材料粉末102 (2)去除，而將保護管11 加厚直到金屬套管1的表面，不論內部結構怎樣均可。
根據如上所述的結構可以得到下面的效果。
l.高速響應
在保護筒14及與保護筒14內套管熱電偶的保護管11接近的部分 中，因為來自熱容量大、溫度響應遲緩的保護管11的熱傳導的影響， 所以對被測定流體的溫度變化的追隨比套管熱電偶單體遲緩。
但是，本發明的結構中，被測定流體通過設置在保護筒14上的多 個貫通窗13也在保護筒14內流過，保護筒14及底蓋12的內外面都 受到從被測定流體傳來的熱。
另外，由於被測定流體流過保護筒14內的套筒熱電偶的表面，所 以保護筒14內的套筒熱電偶也受到從被測定流體傳來的熱。
因此，在保護筒14及保護筒14內套管熱電偶的遠離保護管11 的部分中，來自被測定流體的傳熱處於支配地位，而來自保護管11的影響僅限於局部性的影響。
此外，由於保護管14為空心且底蓋12也是板狀，所以熱容量小， 另外，因為保護筒14內的套管熱電偶也是細徑，熱容量小，所以，在 沒有受到來自保護筒14部的熱傳導的影響的保護筒14的下部、底蓋 12及保護筒14內套管熱電偶的下部，因為來自被測定流體的傳熱， 所以迅速地追隨^J則定流體的溫度變化。
在現有的圖3~圖5的結構中，測溫點105因熱傳導而受到由於 保護外管107 (圖3、圖4 )、無機絕緣材料粉末102 ( 2 )(圖3、圖4 ) 及保護筒109 (圖5)的熱容量大而導致的響應遲緩的影響，與套管熱 電偶單體相比，響應速度遲緩。
在本發明的結構中，因為進行焊接連接於套管熱電偶的前端的測 溫點105的收容部上的底蓋12、與底蓋12連接著的保護筒14的下部、 及與測溫點收容部連接的保護筒109內的套管熱電偶下部，如上所述， 都迅速地追隨被測定流體的溫度變化，所以，因它們的影響而導致的 響應速度的降低極少。因此，能夠得到與將細徑的套管熱電偶以單體 的形式使用的情況具有同等的響應速度的高速響應的熱電偶。
2、機械性損傷的避免
由於保護筒14通過焊接固定在保護管11上，且是具有底蓋12 的圓筒，所以，依靠結構的所謂的立體效果，即使不是厚的壁厚也能 夠避免在高速流體中的折斷、彎曲、壓曲等機械性損傷。不需要厚的 壁厚，這能夠減小保護筒14和底蓋12的熱容量，也有助於前述的響 應速度提高。
另外，由於不具有如圖5的結構的那樣的可動部，所以也不會受 到因磨耗而導致的損傷。
此外，由於套管熱電偶的前端部和現有的套管熱電偶同樣僅是從 保護筒14較短地露出，所以，此部分也不會因從高速流體受到的力而 受到機械性損傷。
關於因在高溫下的使用中的熱膨脹而導致的損傷，因為保護筒14 和金屬套管1為相同的材質，所以能夠防止因熱膨脹差而導致的損傷。
9即，保護筒14和套管熱電偶分別與保護管11的下部通過焊接固 定，保護筒14和套管熱電偶由保護筒底蓋12通過焊接固定。因此， 如果保護筒14和套管熱電偶的熱膨脹存在差，則在高溫下的使用中， 在保護管11下部和底蓋12之間有發生因熱膨脹差而導致的損傷的可 能性，但通過使保護筒14和金屬套管l為相同的材質，能夠防止因熱 膨脹差而導致的損傷。
接著，對提高套管熱電偶自身的響應性進行說明。
套管熱電偶的前端部按照圖2所示的那樣製作。作為絕緣材料粉 末，主要因為經濟性的原因，使用了氧化鎂粉末或氧化鋁粉末。
由於在圖2 (a)所示的金屬套管101內收容了熱電偶芯線103、 104和無機絕緣材料粉末102,這樣的結構，是在製作的最終工序中通 過使用旋轉式鐓鍛機和鍛模的冷拔來對已製作得粗的結構進行了縮徑 加工的結構，所以，高密度且緊實地填充了無機絕緣材料粉末102， 因此，熱傳導性好。但是，在圖2(d)中，對於被填充在前端部的測 溫點105周邊的無機絕緣材料粉末102,因為沒有實施上述那樣的縮 徑加工，所以填充密度低、熱傳導性差。因此，成為金屬套管101的 溫度傳到測溫點105的時間長、套管熱電偶的響應速度受限的主要原 因。
在本發明中，通過使向該套管熱電偶的前端部填充的無機絕緣材 料粉末成為熱傳導好的材料，加快了套管熱電偶自身的響應速度。
圖8表示其加工順序。在直到形成測溫點105之前，和圖2的現 有順序相同，使用的無機絕緣材料粉末也是氧化鎂粉末或氧化鋁粉末。
然後，將向前端部的測溫點5周邊填充的無機絕緣材料粉末15 的材質作為熱傳導性好的氮化硼粉末或氧化鈹粉末。通過這樣做，使 高價的氮化硼、氧化鈹的使用量控制成為最小限，不會損害經濟性， 使套管熱電偶的響應高速化。
另外，在圖8的加工順序(a)中，在向前端填充的無機絕緣材料 粉末因表面摩擦係數等特性而是具有鬆散流動的性質的粉末的情況 下，不能將無機絕緣材料粉末固定性地填充到金屬套管1內，在進行圖8 (b)的前端密封焊接16之際，伴隨處於粒子的間隙內的空氣的 熱膨脹，發生已填充的無機絕緣材料粉末15向金屬套管1外飛散的現 象。根據經驗，特別是在氮化硼中這樣的粉末多。
圖9表示用於應對無機絕緣材料粉末的飛散的加工順序。
在直到要向前端的測溫點5周圍填充熱傳導性好的機絕緣材料粉 末時之前，和圖8是一樣的。
此後，向其更前端填充與現有相同的氧化鎂或氧化鋁的粉末17, 通過前端密封焊接16將前端密封。 一般所使用的氧化鎂或氧化鋁的粉 末能夠以不動的方式固定在金屬套管1內，在進行焊接密封時不飛散， 這已通過現有的加工被證實，實際上，在此加工順序中，在按照圖8 的順序將飛散的氮化硼粉末作為熱傳導好的無機絕緣材料粉末使用的 情況下，也不發生飛散。
實施例1
首先，對套管熱電偶自身的響應速度提高的實施例進行說明。 以圖9所示的加工方法製作了以下的套管熱電偶。 熱電偶芯線類型JISC1602表示的K熱電偶芯線 套夕卜徑(p3.2mm 套材質NCF600 無機絕緣材料粉末氧化鎂
填充到測溫點周邊的熱傳導好的無機絕緣材料粉末的材質氮化
硼
為了防止飛散，前端填充的無機絕緣材料粉末的材質氧化鎂 通過使此套管熱電偶從室溫的空氣中下落到流速1 m/秒的水中，
測定了響應速度，結果，響應時間常數(輸出變化達到全變化量的
63.2%所需要的時間)為0.46秒。
另一方面，圖2所示的通過現有的加工方法加工的相同的熱電偶
芯線類型、套外徑、套材質及無機絕緣材料粉末材質的套管熱電偶的
響應時間常數，以相同的測定方法測定為0.56秒，根據本發明，響應
速度按響應時間常數提高了 18%。接著，對使用通過上述的發明形成的套管熱電偶來作成本發明的 高速響應熱電偶的例子進行說明。
形狀如圖6及圖7所示，主要的尺寸和材質如下。 保護筒外徑(p8mm 保護筒壁厚lmm 保護筒長度22mm 保護筒及底蓋材質NCF600
保護筒貫通窗cp2.3mm的圓形窗xl0 (窗配置如圖7所示) 保護筒底蓋厚度3mm 套管熱電偶的前端露出長度9mm
和套管熱電偶單體的試驗同樣，通過使此熱電偶從室溫的空氣中 下落到流速lm/秒的水中，測定了響應速度。響應時間常數為0.50~ 0.55秒。與使用的套管熱電偶為單體的響應時間常數0.46秒之間的差 很微小，證明了本發明的結構使因設置保護筒而導致的響應速度降低 極少。
已作成的上述高速響應熱電偶，為了渦輪機內的流體溫度測定， 已確定了套管熱電偶及保護筒的形狀、材質，以便即使在使用對象場 所的最大流速下也不產生機械性損傷。
以往，在相同的對象場所使用的熱電偶是前端為圖4所示的形狀 的熱電偶。該熱電偶雖然也是以在使用對象場所的最大流速下也不產 生機械性損傷的方式設計的，但是，通過從室溫的空氣中下落到流速 lm/秒的水中測定的響應時間常數約為2秒。
這樣，本發明的高速響應熱電偶與現有的熱電偶相比，按響應時 間常數高速化約1/4。
產業上的利用可能性
本發明能夠以高速響應測定高速流體的溫度，還能夠計測含有小 的粒狀物的高速流體的溫度。
權利要求
1.一種高速流體用高速響應熱電偶，將外徑細的套管熱電偶以前端露出的方式插入到外徑粗的保護管內，所述套管熱電偶是使無機絕緣材料粉末夾裝在金屬套管內來收容+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線，將+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線的前端彼此接合形成了測溫點，其特徵在於，將來自保護管的套管熱電偶的露出部插入到具有多個貫通窗和在前端側設置了套管熱電偶插通的孔的底蓋的保護筒內，使套管熱電偶的前端從保護筒底蓋較短地露出，對保護筒底蓋和套管熱電偶、及保護筒和保護管下部進行了焊接。
2. 如權利要求l所述的高速流體用高速響應熱電偶，其中，由相 同的材質構成了保護筒和套管熱電偶的金屬套管。
3. 如權利要求1或權利要求2所述的高速流體用高速響應熱電 偶，其中，向套管熱電偶的具有測溫點的前端部填充的無機絕緣材料粉末為氮化硼或氧化鈹。
4. 如權利要求3所述的高速流體用高速響應熱電偶，其中，在向 套管熱電偶的具有測溫點的前端部填充了氮化硼或氧化鈹的無機絕緣 材料粉末的更前端部，填充了氧化鎂或氧化鋁的無機絕緣材料粉末。
全文摘要
一種高速流體用高速響應熱電偶，在高速流體值使用也不會受到折斷或彎曲等機械性損傷，響應速度快。所述高速流體用高速響應熱電偶是，將外徑細的套管熱電偶以前端露出的方式插入到外徑粗的保護管內，所述套管熱電偶是使無機絕緣材料粉末夾裝在金屬套管內來收容+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線，將+側熱電偶芯線和-側熱電偶芯線的前端彼此接合形成了測溫點，其特徵在於，將來自保護管的套管熱電偶的露出部插入到具有多個貫通窗和在前端側設置了套管熱電偶插通的孔的底蓋的保護筒內，使套管熱電偶的前端從保護筒底蓋較短地露出，對保護筒底蓋和套管熱電偶、及保護筒和保護管下部進行了焊接。
文檔編號G01K7/02GK101675327SQ20088001483
公開日2010年3月17日 申請日期2008年10月24日 優先權日2007年11月2日
發明者佐野淳一, 岡田浩, 外山浩三, 望月光明, 福島真一 申請人:三菱重工業株式會社;株式會社岡崎製作所