特許 7439050 低プロファイル表面温度センサー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】低プロファイル表面温度センサー

(51)【国際特許分類】

   G01K 1/14 20210101AFI20240219BHJP

   G01K 7/02 20210101ALI20240219BHJP

【ＦＩ】

G01K1/14 E

G01K7/02 Z

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021507609

(86)(22)【出願日】2019-07-31

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-12-09

(86)【国際出願番号】 US2019044323

(87)【国際公開番号】W WO2020036735

(87)【国際公開日】2020-02-20

【審査請求日】2022-07-06

(31)【優先権主張番号】16/103,528

(32)【優先日】2018-08-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】502137880

【氏名又は名称】ワトロー エレクトリック マニュファクチュアリング カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100083895

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100175983

【弁理士】

【氏名又は名称】海老 裕介

(72)【発明者】

【氏名】ストリッカー， キット

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルブレクト， アート

(72)【発明者】

【氏名】ホフ， ジョー

【審査官】松山 紗希

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／０６６５５６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０８－０５４２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－１０２４３９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第５３７０４５９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ １／００－１９／００

Ｈ１０Ｎ １０／００－１９／００

Ａ６１Ｂ ５／００－５／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の温度を測定するための温度センサーであって、該対象物の外側面に一致するように曲げられる部分を有する、温度センサーと、
該温度センサーを該対象物の周囲に固定するために該温度センサーの該部分の両端部に取り付けられた一体の弾性部材である取付部材と、
を有する、温度感知ユニット。

【請求項2】

該温度センサーは、間に熱接点を形成するように接合された第１の熱電対リボンおよび第２の熱電対リボンを含む、請求項１に記載の温度感知ユニット。

【請求項3】

該第１の熱電対リボンおよび該第２の熱電対リボンが突合せ溶接されている、請求項２に記載の温度感知ユニット。

【請求項4】

該温度センサーは、該第１および第２の熱電対リボンに重なり該第１および第２の熱電対リボンを一緒に結合する支持部材をさらに含む、請求項２に記載の温度感知ユニット。

【請求項5】

該第１および第２の熱電対リボンはそれぞれ、該対象物の周方向に沿って延びる第１の部分と、該第１の部分に対してある角度をなして延びる第２の部分とを含む、請求項２に記載の温度感知ユニット。

【請求項6】

Ｌ字形を画定するように、該第２の部分が該第１の部分の端部に接続されている、請求項５に記載の温度感知ユニット。

【請求項7】

Ｔ字形を画定するように、該第２の部分が該第１の部分の中央に接続されている、請求項５に記載の温度感知ユニット。

【請求項8】

該取付部材が、該第１および第２の熱電対リボンの該第１の部分に取り付けられている、請求項５に記載の温度感知ユニット。

【請求項9】

該取付部材および該温度センサーが、連続した閉じた形状を共同で画定している、請求項１に記載の温度感知ユニット。

【請求項10】

該取付部材がばねである、請求項１に記載の温度感知ユニット。

【請求項11】

該第１および第２の熱電対リボンの該第２の部分に取り付けられた一対のリード線をさらに備える、請求項５に記載の温度感知ユニット。

【請求項12】

請求項１に記載の温度感知ユニットと、外周面を含むヒーターとを備え、該温度センサーと該取付部材が連続した閉じた形状を共同で画定している、ヒーターアセンブリ。

【請求項13】

該ヒーターは、該ヒーターの端部の周りに配置された取付フランジをさらに含み、該温度センサーは、該取付フランジを通されて該取付フランジに固定された一対のリード線をさらに含む、請求項１２に記載のヒーターアセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して温度センサーに関し、より具体的には、ヒーター、加熱ターゲット、または冷却ターゲットなどのターゲットの表面温度を測定するための表面温度センサーに関する。

【背景技術】

【0002】

ここでの記述は、本開示に関連する背景情報を提供するだけであり、必ずしも先行技術を構成するものではない。

【0003】

温度センサーは、ヒーターの温度を測定するためにヒーターと共によく使用される。ヒーターが円筒形の場合、その表面温度を測定するためにヒーターの湾曲した表面に温度センサーを取り付けることが難しい場合がある。温度センサーが正しく取り付けられていない場合、温度センサーはヒーターの表面温度を正確に測定できず、代わりにヒーターに近い周囲温度を測定する可能性がある。さらに、ヒーターの周囲に、利用できる小さな環状スペースしかない場合、既存の取り付け構造はその小さな環状スペースに収まらず、温度センサーを湾曲した表面に適切に固定できない場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、特に、ヒーターの湾曲した表面への温度センサーの取り付けに関するこの問題に関する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一形態では、対象物の温度を測定するための温度センサーと、弾性を有し温度センサーを対象物の周りに固定するために温度センサーに取り付けられる取付部材とを備える温度感知ユニットが提供される。一変形形態では、温度センサーは、間に熱接点を形成するように結合された第１の熱電対リボンおよび第２の熱電対リボンを含む。さらに他の種々の形態では、第１の熱電対リボンと第２の熱電対リボンは突合せ溶接されたり；温度センサーが、この第１および第２の熱電対リボンに重なり第１および第２の熱電対リボンを一緒に結合するための支持部材をさらに含んだり；第１および第２の熱電対リボンがそれぞれ、対象物の周方向に沿って延びる第１の部分と、第１の部分からある角度で延びる第２の部分とを含んだり；Ｌ字形を画定するように、第２の部分が第１の部分の端部に接続されたり；Ｔ字形を画定するように、第２の部分が第１の部分の中央に接続されたり；取付部材が、第１および第２の熱電対リボンの第１の部分に取り付けられたり；取付部材と温度センサーが連続した閉じた形状（continuous closed geometry）を共同で画定するようにされたりする。

【0006】

本開示の別の形態では、端部に取付フランジを含むヒーターと、第１の熱電対リボンおよび第２の熱電対リボンを含み、第２の熱電対リボンが第１の熱電対リボンに結合されてそれらの間に熱接点が形成されるようにした温度感知ユニットとを含むヒーターアセンブリが提供される。取付部材は、第１の熱電対リボンおよび第２の熱電対リボンに取り付けられ、第１の熱電対リボン、第２の熱電対リボン、および取付部材が連続した閉じた形状を共同で画定する。この形態の種々の変形例では：取付部材が弾性部材とされたり；取付部材がばねとされたり；第１および第２の熱電対リボンがそれぞれ、対象物の周方向に沿って延びる第１の部分と、第１の部分からある角度で延びる第２の部分とを含むようにされたり；Ｌ字形を画定するように、第２の部分が第１の部分の端部に接続されたり；Ｔ字形を画定するように、第２の部分が第１の部分の中央に接続されたり；取付部材が、第１および第２の熱電対リボンの第１の部分に取り付けられたりする。

【0007】

さらに別の形態では、円筒形構成を有する対象物の温度を測定するための温度感知ユニットが提供され、この温度感知ユニットは第１および第２の熱電対リボンを有し、第１および第２の熱電対リボンはそれぞれが対象物の周方向に沿って延びる第１の部分と該第１の部分に対して一定の角度で延びる第２の部分とを有する。該第１および第２の熱電対リボンの第１の部分には取付部材が取り付けられ、第１および第２の熱電対リボンの第２の部分には一対のリード線が取り付けられる。一変形形態では、第１および第２の熱電対リボンの第１の部分が接合されて、熱接点を形成する。

【0008】

さらに別の形態では、外周面を備えるヒーター、ヒーターの温度を測定するための温度センサーを含む温度感知ユニット、および温度センサーをヒーターの外周面に取り付けるための取付部材、を含むヒーターアセンブリが提供される。取付部材は、弾性を有し、温度センサーと取付部材は連続した閉じた形状を共同で画定する。一変形形態では、ヒーターは、ヒーターの端部の周りに配置された取付フランジをさらに含み、温度センサーは、取付フランジを通されて取付フランジに固定された一対のリード線をさらに含む。

【0009】

本開示のさらなる適用領域は、本明細書での説明から明らかになるであろう。本明細書での説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

【0010】

本開示は、詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるようになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ヒーターに取り付けられた、本開示の教示に従って構成された温度感知ユニットの斜視図である。

【0012】

【図2】図１の温度感知ユニットの別の斜視図である。

【0013】

【図3】ヒーターに取り付けられた、本開示の教示に従って構成された温度感知ユニットの概略側面図である。

【0014】

【図4】ヒーターに取り付けられた、本開示の教示に従って構成された温度感知ユニットの概略断面図である。

【0015】

【図5】表面温度センサーの第１の熱電対リボンと第２の熱電対リボンとの間の第１の接続形態を示す概略図である。

【0016】

【図6】図５の第１の熱電対リボンまたは第２の熱電対リボンの斜視図である。

【0017】

【図7】図５の部分Ａの拡大図である。

【0018】

【図8】本開示の教示による、温度感知ユニットの表面温度センサーの第１の熱電対リボンと第２の熱電対リボンとの間の第２の接続形態を示す概略図である。

【0019】

【図9】本開示の教示に従って構成された温度感知ユニットの変形例の平面図である。

【0020】

【図10】本開示の教示に従って構成された温度感知ユニットの別の変形例の平面図である。

【0021】

【図11】本開示の教示に従って構成された温度感知ユニットのさらに別の変形の斜視図である。

【0022】

【図12】温度感知ユニットのさらに別の変形例の斜視図であり、表面温度センサーと取付部材との間の接続を示す図である。

【0023】

【図13】本開示の教示に従って構成されたヒーターおよび温度感知ユニットを含むヒーターアセンブリの斜視図である。

【0024】

【図14】加熱ターゲット内に取り付けられる、組み立て中における本開示の教示によるヒーターアセンブリの斜視図である。

【0025】

【図15】本開示の教示に従って、加熱ターゲット内に取り付けられるヒーターアセンブリの斜視図である。

【0026】

図面のいくつかの図を通して対応する参照番号は対応する部分を示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、適用、または使用を制限することを意図するものではない。

【0028】

図１および図２に示されるように、本開示による温度感知ユニット１０は、ヒーター１２または加熱ターゲットなどの対象物の表面温度を測定するように構成されている。一形態では、温度感知ユニット１０は、過熱保護のために使用される。図示のように、ヒーター１２は、円筒形の構成を有し、曲面１４を画定し得る。あるいは、ヒーター１２は、本開示の範囲内において、正方形、長方形、または他の多角形などの別の幾何学的構成を有し得る。したがって、温度感知ユニット１０は、閉じた外側曲面１４を有する図示のものを含む、外周面を有するどのようなヒーター１２にも取り付けられ得る。

【0029】

温度感知ユニット１０は、表面温度センサー１６と、表面温度センサー１６を曲面１４に取り付けるために表面温度センサー１６に取り付けられた取付部材１８とを含む。表面温度センサー１６は、第１の熱電対リボン２０、第２の熱電対リボン２２、ならびに第１および第２の熱電対リボン２０、２２に取り付けられてそこから延びる一対のリード線２４を含む。一形態では、リード線２４は、シース２５に収納されて保護される。第１および第２の熱電対リボン２０、２２は、それぞれ、近位端３０および遠位端３２を有する（図４）。第１および第２の熱電対リボン２０、２２は、近位端３０で結合されて、それらの間に熱接点２６を形成する。

【0030】

取付部材１８は、第１および第２の熱電対リボン２０、２２ならびに取付部材１８が全体として連続リングすなわち閉じた形状を画定するように、第１および第２の熱電対リボン２０、２２の遠位端３２に取り付けられる。取付部材１８は、第１および第２の熱電対リボン２０、２２を曲面１４に近づけるための弾性またはばね力を提供することができる引張ばねまたは任意の弾性手段とすることができる。取付部材１８は、図示のような巻き付けばねによって、力、図示の例では張力をかけて、第１および第２の熱電対リボン２０、２２を、曲面１４に保持する。取付部材１８によって第１および第２の熱電対リボン２０、２２に加えられる力は、使用温度での材料の降伏強度を超えてはならない。一形態では、取付部材に使用される材料は、約１，０００℃までのより高い温度で動作することができるInconel（登録商標）などのニッケル合金である。しかしながら、一形態では、取付部材１８の形状およびその弾性特性により、材料は約５００℃までで使用される。

【0031】

図３および４に示されるように、第１および第２の熱電対リボン２０、２２はそれぞれ、近位端３０および遠位端３２を含む。取付部材１８は、第１および第２の熱電対リボン２０、２２の遠位端３２に接続された両端を有する。第１および第２の熱電対２０、２２の遠位端３２ならびに取付部材１８の両端は、それらの接続を取り外し可能または固定とするように構成することができる。例えば、一形態では、第１および第２の熱電対リボン２０、２２の遠位端３２は、穴／開口を画定するものとし、取付部材１８の両端部が、第１および第２の熱電対リボン２０、２２の遠位端３２の穴と係合するためのフックを画定するようにして、取り外し可能な接続を構成することができる。あるいは、この接続の一方の端部を取り外し可能とし、他方の端部を例えば溶接によって固定するようにすることができる。

【0032】

一対のリード線２４は、近位端３０と遠位端３２との間の位置で、第１および第２の熱電対リボン２０、２２に直接接続され得る。一対のリード線２４は、第１および第２の熱電対リボン２０、２２からの信号を外部コントローラ（図示せず）に送信し、外部コントローラは、信号を受信し、当業者によって理解されている熱電対の一般的な動作原理に従ってその信号に基づいてヒーター１２の表面温度を判断する。

【0033】

図５に示されるように、第１の熱電対リボン２０および第２の熱電対リボン２２は、表面温度センサー１６の「＋」脚および「－」脚を構成し、間に熱接点２６を形成するために突合せ溶接または他の方法で物理的に接合するようにすることができる。

【0034】

図６に示されるように、第１および第２の熱電対リボン２０、２２はそれぞれ、薄いまたは低いプロファイルを有しており、これら第１および第２の熱電対リボン２０、２２が曲面１４に一致するようにわずかに曲げられるか、または塑性変形されるようにされ、また表面温度センサー１６が、非常に低いプロファイルまたは厚さを有することができるようにされている。一形態では、第１および第２の熱電対リボンは、約０．００４インチ（０．１０６ｍｍ）の厚さＴおよび約０．０６３インチ（１．６ｍｍ）の幅Ｗを有するようにすることができる。第１および第２の熱電対リボン２０、２２は、特定の用途に応じて、同じサイズまたは異なるサイズとすることができる。このように、第１および第２の熱電対リボン２０、２２は曲面１４により近接し、薄型で質量が小さいため、非常に速い応答性を有する。このような構成では、全体として温度感知ユニット１０は、より速い応答性を有し、従来の熱電対に使用される標準的な丸線に関連して問題となる熱暴走を抑制することができる。

【0035】

図７に示されるように、熱接点２６が突合せ溶接によって形成されている場合、突合せ溶接接続は、溶接による第１および第２の熱電対リボン２０、２２の表面の不連続性を回避するように形成されるべきである。言い換えれば、上記の低いプロファイルを維持するためには、溶接部は第１および第２の熱電対リボン２０／２２の上面および下面をはるかに超えて突出してはならない。

【0036】

あるいは、図８に示すように、第１および第２の熱電対リボン２０、２２を突合せ溶接によって直接接続する代わりに、第１および第２の熱電対リボン２０、２２と重なる支持ストリップ３０によって間接的に接続するようにすることができる。支持ストリップ３０を使用することには、第１および第２の熱電対リボン２０、２２に構造的支持を提供しながら第１および第２の熱電対リボン２０、２２からの熱を放散するという利点がある。または、支持ストリップ３０を使用する代わりに、ワイヤまたは任意の接続手段を使用して、第１および第２の熱電対リボン２０、２２を一緒に接続するようにすることができる。

【0037】

図９に示す本開示の教示の変形例としての温度感知ユニット４０は、表面温度センサー４２の構成、特に第１および第２の熱電対リボン４４、４６の構成を除いて、図１から図４に示されるものと同様である。したがって、同様の要素は、同様の参照番号によって示し、それらの詳細な説明は、記載を明確にするために省略する。

【0038】

具体的には、この表面温度センサー４２は、それぞれが、図示のようなＴ字形を画定する第１の熱電対リボン４４および第２の熱電対リボン４６を含む。第１および第２の熱電対リボン４４、４６はそれぞれ、ヒーター１２の周方向に沿って延びる第１の部分４８と、第１の部分４８の中央からヒーター１２の長手軸線方向に対して実質的に平行な方向に延びる第２の部分５０とを含む。第２の部分５０は第１の部分４８からある角度で延びているが、その角度は、鋭角や鈍角、又は図示のように直角とすることができる。熱接点５２は、第１の部分４８の相互に隣接する端部の間に形成される。熱接点５２は、図５に示すように突合せ溶接によって、または他の接続方法によって形成することができる。ばねの形態の取付部材１８は、隣接する端部から遠位にある第１の部分４８の遠位端に接続されている。リード線２４は、図示のように第２の部分５０に接続されている。

【0039】

図１０に示されるように、本開示の教示に従う別の変形例としての温度感知ユニット６０は、第１および第２の熱電対リボン６４、６６の構成を除いて、図９のものと同様である。より具体的には、温度感知ユニット６０は、表面温度センサー６２と、ヒーターまたは加熱ターゲットの（例えば、湾曲した）表面に表面温度センサー６２を固定するための取付部材１８とを含む。表面温度センサー６２は、図示のようにそれぞれがＬ字形の構成を有する第１の熱電対リボン６４および第２の熱電対リボン６６を含む。第１および第２の熱電対リボン６４、６６はそれぞれ、第１の部分６８と第１の部分６８の端部に接続された第２の部分７０とを有し、Ｌ字形をなしている。第１および第２の熱電対リボン６４、６６の第１の部分６８は、それらの間に熱接点７２を形成するように接続されている。第２の部分７０は、ヒーターの長手軸線方向に対して実質的に平行な方向に延在し、リード線２４に接続されている。第２の部分７０は、図１０においては第１の部分６８に対して直角であるように示されているが、第１の部分６８から突出して第１および第２の熱電対リボン６４，６６へのリード線２４の接続を容易にする限りにおいて、第１の部分６８から鋭角または鈍角をなして延びるようにすることができる。

【0040】

図１１に示されるように、本開示の教示に従うさらに別の変形例としての温度感知ユニット８０は、第１および第２の熱電対リボン８４、８６のそれぞれと取付部材１８の隣接する端部との間に配置された絶縁体８２を除いて、図１から図４のそれと構造的に同様である。絶縁体８２は、取付部材１８（すなわち、ばね）を第１および第２の熱電対リボン８４、８６から電気的に絶縁するためのセラミック絶縁体とすることができる。セラミック絶縁体は、単に任意的なものであり、本開示の範囲を限定するものではない。

【0041】

図１２に示されるように、取付部材１８のばね力を調整するため、または特定のサイズを有する温度感知ユニットをヒーターまたは加熱ターゲットに適合させるために、第１および第２の熱電対リボンのそれぞれと取付部材１８の両端との間に、ストラップ９０を設けるようにすることができる。したがって、ストラップ９０は、様々な形状およびサイズのヒーターまたは加熱ターゲットに適合させることができるようにする、温度感知ユニットのサイズ調整部材と考えることができる。

【0042】

図１３に示されるように、本開示の教示に従って構築されたヒーターアセンブリ１００は、ヒーター１２、温度感知ユニット１０、およびヒーター１２の端部でヒーター１２の周囲に配置された取付フランジ１０６を含む。温度感知ユニット１６は、図１から図４に関連して説明された本開示の様々な形態のいずれにも構造的に類似しており、したがって同様の要素は、同様の参照番号によって示し、それらの詳細な説明は本明細書の記載を明瞭にするために省略する。

【0043】

温度感知ユニット１０は、表面温度センサー１６と、表面温度センサー１６から延びる一対のリード線２４とを含む。リード線２４は、ヒーター１２の長さに沿って取付フランジ１０６に至るシース２５に収納されて保護されている。取付フランジ１０６は、ヒーター１２からの電力ケーブル１０８および温度感知ユニット１０からのシース２５が通ることができるようにするための開口部を含む。したがって、電力ケーブル１０８およびシース２５は、絡まることなく適切に配置されてヒーター１２の取付フランジ１０６に固定され、ヒーターアセンブリ１００のためのより低いプロファイルおよび整理されたリード線の配置を提供する。

【0044】

図１４および１５に示すヒーターアセンブリ１００は、ヒーターアセンブリ１００が設置される加熱ターゲット１１０に隣接するように示されている。電力ケーブル１０８およびシース２５（またはシース２５が使用されない場合はリード線２４）は、ヒーター１２の端部に配置された取付フランジ１０６を通って配線されて固定され、それによってヒーターアセンブリ１００に対するそれらの低いプロファイルで整理されたリード線の配置を提供する。電力ケーブル１０８およびシース２５が適切に整理されて取付フランジ１０６に固定されることにより、ヒーターアセンブリ１００は、加熱ターゲット（この場合はシース１１０）内に比較的容易に取り付けることができる。

【0045】

本開示の温度感知ユニットは、ヒーターまたは加熱ターゲットの正確な表面温度測定を行いながら、ヒーターアセンブリの低いプロファイルを維持するという利点を有する。さらに、温度感知ユニットは、ヒーターまたは加熱ターゲットの任意の曲面に簡単に取り付けることができ、組み立て時間を短縮することができる。

【0046】

本開示は、例として記載および図示された実施形態に限定されるものではない。種々の変形例が記載されており、より多くの変形例は当業者の知識の一部である。これらおよびさらなる変形例、ならびに技術的同等物による置換は、本開示および本特許の保護の範囲を離れることなく、本明細書および図面に追加できるものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】