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熱電対 接点の溶接 熱電対を対象に溶接 熱電対の原理と実装の注意

熱電対の原理 と 実装の注意

熱電対の原理や熱電対を構成する金属の物性から、温度測定のために熱電対を実装する際の注意点を記述しています。

熱電対(ねつでんつい) とは

熱電対の原理図
 2種類の金属線を接続して閉回路をつくり、一方の接続点を熱すると他方の接点との温度差に応じて電位差が生じ金属線に電流が流れます。これをゼーベック効果(Seebeck effect)と呼んでいます。 熱電対は2つの接点の温度差により発生する電圧を測定に利用するもので、金属の種類は使用温度領域での安定性、起電力の大きさ、変化の直線性を考慮して選ばれます。温度センサとして利用されています。
熱電対原理
 A側の接点を氷で冷やし摂氏0℃一定にしておけば、B点の温度を変えたときに電圧計で得られる値から、電圧と温度の換算表ができあがります。電圧計の目盛を温度表記にすれば、熱電対温度計が出来上がります。(Aを冷接点、Bを温接点と呼びます)
※この間の詳しい話は、こちらをご覧ください。(別ウィンドウで開きます)
   
データロガー  通常利用する熱電対温度計や、温度データロガーでは、A点は測定器の端子付近の温度を、測定器内臓の温度計が計測した値で熱電対からの電圧を補償して表示しますのでA接点は測定器の外部には現れません。 
 また複数点の計測において測定対象と熱電対を接触させる場合、測定点の電位差に配慮して、各チャネル間が絶縁されている測定器を使用することも必要です。
 測定対象に高電圧がかかっている場合は、測定系に高圧がかからないよう細心の注意が必要です。

熱電対実装上の注意点

熱電対太さ比較  測定機側が正しく動作していても、測定対象物と熱電対が温度平衡状態にならなければ正しい温度は計測できません。短時間で温度変化が起きる場合は、熱電対接点は測定対象に密着させ熱抵抗をできるだけ小さくすることで熱応答性が向上します。また、測定系(熱電対線)が被測定系に与える影響を最小限にするために熱電対素線自体の熱容量を下げる(具体的には熱電対素線径を小さくする)配慮も重要です。
熱電対を対象に溶接  測定対象が大きな金属の場合、ステンレスシース管に収められた熱電対を金属板とねじで固定する方法もとれます。測定対象物が高温になる金属である場合、接着剤やテープ、半田が熱で溶けてしまい熱電対を固定することが困難です。スポット溶接では、短時間で熱電対を測定対象の金属に固定できます。

熱電対の物性

 熱電対(thermocouple)には、使用温度範囲によって異なる種類の金属の組み合わせが用いられます。よく使用される組み合わせとしては、K型と呼ばれるクロメル・アルメル(共にニッケル合金)、T型と呼ばれる銅・コンスタンタン(コンスタンタンは銅とニッケルの合金)や、精度が高く、高温にも耐える白金・白金ロジウム熱電対などがあります。

T型,K型熱電対の例をあげて説明します。 物性は次の通りです(参考文献:理科年表ほか)

   −−−−− T 型 熱電対 −−−−−

《コンスタンタン》 銅55%Ni45%の組成からなる合金
融点は 1225-1300 ℃
電気抵抗は  500 nΩ·m(20℃) 490nΩ·m(0℃)
比熱は 0.41 kJ/(kg·K)  0.098 kcal/s・℃
熱伝導率は 19.5 W m-1 K-1(23℃)    

《 銅 》
融点は 1084.62 ℃  
電気抵抗は  16.78 nΩ·m (20℃) 15.5 nΩ·m(0℃)
比熱は 0.379 J/g・K   0.0915 kcal/s・℃
熱伝導率は  401 W·m-1·K-1 (300 K)

   −−−−− K 型 熱電対 −−−−−

《アルメル》 Ni94%,Al2%,M2%,Fe,Si等からなる合金
融点は 1315-1390 ℃
電気抵抗は 29-33 μΩ・cm
比熱は

《クロメル》 Ni 80%,Cr20%
融点は、1420 ℃
電気抵抗は 70-110 μΩ・cm
比熱は 0.106 kcal/s・℃
熱伝導率は  19 W m-1 K-1

 T 型 熱電対において、融点に注目すると、銅の方がコンスタンタンより溶けやすいのですが、銅は電気抵抗がコンスタンタンより1桁以上小さいためスポット溶接時の電流による発熱が少ないのです。結果として銅はコンスタンタンより溶けにくいということになります。 そこで熱電対の銅素線に接する電極の極性を(+)としそこでの発熱量を大きくします。また、コンスタンタン側では、電極との間の熱抵抗を下げ(電極の熱容量を大きく、接触面積も大きく)、ペルチェ効果による吸熱側となるよう電極の極性を(−)側とします。

K 型 熱電対について、上のT型と同じような視点で物性を眺めてみると、クロメルは融点はアルメルより高いが、電気抵抗もアルメルより高く発熱しやいなど、アルメルとクロメルは溶接時の温度上昇要因にT型ほど大きな差がないことが解ります。

【T型熱電対(銅・コンスタンタン)の接点溶接における配慮】
T型熱電対では、コンスタンタン線側が溶接時に発熱が大きく、銅線側の発熱はほとんどありません。そのため銅とコンスタンタンが溶接される前に、コンスタンタンが溶断してしまいます。これがK型熱電対の溶接に比べてT型熱電対の溶接を難しくする要因です。上の繰り返しになりますが、対策として@コンスタンタン側に接触させる電極の放熱効率を上げ、Aコンスタンタンと電極との間で発生する熱量を下げるよう配慮することです。具体的に@は、熱伝導率が大きく熱容量も大きな電極を用いること、Aはペルチェ効果を考慮してコンスタンタン側の電極が吸熱になるようスポット溶接機の青ケーブル(−)側を接続することです。また、0.3mm以下の太さでは、溶接を2回に分け1回目は電圧を低めに設定し、2回目でコンスタンタンが溶断しない範囲で高めに設定する方法もあります。1回目の溶接で電気的に接続されるため、強度を上げるための2回目の溶接で、スプラッシュが発生しにくくなり、溶断する確率も低下します。

 発熱・吸熱について不明な金属においては、極性を反転してどちらが良いかをみてください。