JP4866616B2 - 熱電対の真空フィードスルー - Google Patents

Description

本発明は、 測温接点が真空空間内に設置された熱電対線を封止部から真空空間の外部に引き出す熱電対の真空フィードスルーに関し、特に粉末冶金により線材加工されて作られるＷ−Ｒｅ系熱電対のように、微細な気孔を有する熱電対線を封止部から真空空間の外部に引き出すのに好適な熱電対の真空フィードスルーに関する。

高融点のため、粉末冶金により線材加工されて作られるＷ−Ｒｅ系熱電対は、微細な通孔を有するため、それをそのまま真空空間から熱電対ポートを通して引き出すと、封止部をロー付けすることが困難である。仮にそうしたとしても気密性が悪く、Ｈｅリーク試験を行うと、Ｈｅリークが確認されることが多い。

そこで従来のＷ−Ｒｅ系熱電対の真空フィードスルーでは、熱電対線と補償導線との接続を真空空間内で行い、補償導線を熱電対ポートから引き出している。Ｗ−Ｒｅ系熱電対は、一般に５％Ｒｅ−Ｗ合金と、２６％Ｒｅ−Ｗ合金とからなる熱電対線を接合したものであるが、前者の熱電対線に接続される補償導線にはアロイ４０５が、後者の熱電対線に接続される補償導線にはアロイ４２６が使用される。これらの補償導線は押出、延伸により線材加工が可能であるため、組織が緻密であり、Ａｇロー付けによる封止が容易であり、気密性も高く、Ｈｅリーク試験においてもリークは確認されない。また、これらの補償導線は延性が高いため、曲げ加工性に優れ、強度も高いという利点がある。

図４は、従来の一般的なＷ−Ｒｅ系熱電対の真空フィードスルーの例を示す縦断面図である。真空チャンバの熱電対ポート３１にフランジ３２が設けられ、このフランジ３２にフィードスルー端子のフランジ３３が気密に接合されている。フランジ３２、３３の接合は、Ｏリング等のガスケット３５を挟んでボルトとナット３４による締め付けによりなされている。

外側のフランジ３３には金属スリーブ３６の一端が気密に溶接され、この金属スリーブ３６の他端はアルミナ等の無機絶縁体３７が嵌め込まれて封止されている。この無機絶縁体３７には細い２本の金属スリーブ３８、３８が貫通している。この金属スリーブ３８、３８にアロイ４０５、アロイ４２６からなる補償導線４５ａ、４５ｂがそれぞれ引き通され、これら補償導線４５ａ、４５ｂを引き通した金属スリーブ３８、３８の先端がロー付けまたは溶接等の手段で気密に封止されている。これら金属スリーブ３８、３８を通して真空チャンバ側に導入された補償導線４５ａ、４５ｂの先端はリング状になっており、この先端部分に５％Ｒｅ−Ｗ合金と２６％Ｒｅ−Ｗ合金とからなる熱電対線３９ａ、３９ｂがネジ止めにより接続される。

前述したように、Ｗ−Ｒｅ系熱電対のプラス極側の５％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ａにはアロイ４０５からなる補償導線４５ａが接続され、マイナス極側の２６％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ｂには、アロイ４２６からなる補償導線４５ｂが接続される。このようなＷ−Ｒｅ系熱電対と補償導線の組合せはＡＳＴＭという米国規格で規定されている。アロイ４０５やアロイ４２６はＮｉ系合金であり、溶解、延伸、線材加工が極めて容易で緻密な組織の線材が得られ、その溶接、ロー付け等は何れも容易であり、気密性も高い。

一方、Ｗ−Ｒｅ系熱電対は高融点であるため、溶融のためには真空中での電子ビームによる溶解装置が必要であるが、そのような装置は極めて高価であり、処理に要する手数や時間もかかり、コスト高である。そのため、Ｗ−Ｒｅ系熱電対の線材加工は粉末冶金により行われている。この場合、ＷはＲｅより酸化しやすく、酸化すると昇華するため、真空中か不活性ガス雰囲気中で焼成する必要がある。焼成温度は高温であればある程焼結しやすく、緻密化する。もちろん、ＣＩＰ等の静水圧力で押し固め、予め高密度の棒状成形体としておくことにより、焼成時の気孔を減らすことが出来る。この点で焼成前の材料の加圧成形技術も重要な技術である。

粉末冶金により線材加工された熱電対線は延性が低く、折れやすいため、熱電対線と補償導線との接続はネジ止めが一般的である。Ｗ−Ｒｅ系熱電対は酸化しやすいので、真空中や不活性ガス中での超高温領域での測定に適している。
図１により前述したように、熱電対線と補償導線との接続は、真空空間側で行い、補償導線をセラミック端子を通して外部に引き出す真空フィードスルーの構造が採用される。補償導線を通す金属スリーブとしては、コバールやインバー等の低熱膨張係数合金が使用され、その端部をロー付けや溶接で気密封止し、真空バウンダリを形成する。より具体的には、アルミナ等の無機絶縁体の金属スリーブを通す孔は、Ｍｏ−Ｍｎ等の金属ペーストを塗布し、これを真空中、不活性ガス雰囲気中或いはＨ_２を含む還元雰囲気中で焼き付けることにより、予めメタライズする。このメタライズした孔に前記金属スリーブを嵌め込み、ロー付けする。この金属スリーブに補償導線を通して引き出し、金属スリーブの端部をロー付けや溶接で気密封止し、真空バウンダリを形成する。

５％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ａとアロイ４０５の補償導線４５ａとの接続部と、２６％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ｂとアロイ４２６の補償導線４５ｂとの接続部における温度差が無視出来る程度に小さい場合は問題は無い。しかし、それら接続部の温度差が大きいとその１．３倍に比例する起電力が接続部の間に発生し、熱電対の温度指示値に大きな誤差を生じる。プラス極側の５％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ａとアロイ４０５の補償導線４５ａとの接続部の温度がマイナス極側の２６％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ｂとアロイ４２６の補償導線４５ｂとの接続部の温度より高いと、熱電対が示す起電力はマイナス側にシフトし、その逆ではプラス側にシフトする。

例えば、プラス極側の５％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ａとアロイ４０５の補償導線４５ａとの接続部の温度がマイナス極側の２６％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線３９ｂとアロイ４２６の補償導線４５ｂとの接続部の温度より１００℃高いと、それに伴って熱電対に−１３０℃分の起電力が生じ、熱電対の測温接点での実際の温度が１５００℃の場合、熱電対の起電力が示す温度は１５００−１３０＝１３７０℃を示す。この逆に、前者のプラス極側の接続部の温度が後者のマイナス極側の接続部の温度より１００℃低いと、熱電対の測温接点での実際の温度が１５００℃の場合、熱電対の起電力が示す温度は１５００＋１３０＝１６３０℃を示す。何れの場合も約±８．７％の誤差を生じる。

この熱電対線と補償導線との接続部の温度差に起因する温度測定誤差を避けるためには、補償導線を真空チャンバ内から気密に引き出すのではなく、熱電対線を真空チャンバ内から気密に引き出し、真空チャンバ外で熱電対線と補償導線との接続部を形成し、その接続部を同じ温度に保持することが必要である。

しかし、前述したようにＷ−Ｒｅ系熱電対は融点が高いため、溶解した素材から線材加工することは殆どなく、粉末冶金により高温焼成で線材加工するのが一般的である。このような粉末冶金により線材加工された熱電対線の欠点は、内部に僅かに気孔が残ってしまって、Ａｇロー付けによる封止では気密性が悪く、Ｈｅリーク試験においてＨｅの漏れが生じやすい。

またＷ−Ｒｅ系熱電対に含まれるＷは酸化しやすく、しかもその酸化物は昇華するため、Ａｇロー付けは真空中か或いは不活性ガス雰囲気で行う必要がある。Ａｇロー付けの気密性を高めるためには、Ａｇロー付けのロー材を熱電対線の気孔部に浸透させて、Ｈｅリークが生じない程度の長さまでＡｇロー付けることが必要である。しかし、Ａｇロー付けのロー材を熱電対線の気孔部に浸透させることや、Ｈｅリークが生じない程度の１０〜２０ｍｍ程度の長さまでＡｇロー付けすることも共に困難であり、Ａｇロー付けでは完全な気密性を得ることは現実的には難しい。さらに、Ａｇロー付け部は折れやすく、そのロー付け部がＡｇロー材を含む合金として異種の金属接続部を形成してしまうので、封止部で温度差が生じると、やはり熱電対が示す起電力に誤差を生じてしまう。
特開平７−２７３０５０号公報 特開２００１−２２１６９２号公報 特開２００１−３４３２９０号公報

本発明は、このような従来の熱電対の真空フィードスルーにおける課題に鑑み、内部に細かい気孔を含むＷ−Ｒｅ系熱電対のような熱電対線であっても、真空空間からその外部に高い気密性を保持した状態で引き出すことが出来、これにより熱電対線と補償導線との接続部を真空空間の外部で同じ温度に保持した状態で温度測定を可能として、熱電対が指示する起電力に誤差が生じないようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明では、真空チャンバ等の内部に形成される真空空間の熱電対ポート１を封止したアルミナ等からなる無機絶縁体７を通して熱電対線９ａ、９ｂを真空空間からその外部に引き出すと共に、熱電対線９ａ、９ｂの引出部を含めてその基部を樹脂絶縁体１０で覆い、熱電対線９ａ、９ｂを真空空間の外部で補償導線と接続可能とするものである。これにより、それらの接続部を同じ温度下に容易に保持出来るようにしたものである。前記樹脂絶縁体１０はＨｅリーク試験においてＨｅのリークが起こらない程度の長さにわたって熱電対線９ａ、９ｂの基部を覆うことで、気密性も確保することが出来る。

すなわち、本発明による熱電対の真空フィードスルーは、熱電対ポート３を封止した無機絶縁体７のメタライズした孔に金属スリーブ８、８を貫通し、ロー付けし、このスリーブ８、８を通して熱電対線９ａ、９ｂのリード線側を真空空間からその外部に引き出し、前記無機絶縁体７から突出した金属スリーブ８、８の同無機絶縁体７から突出した基部及び同金属スリーブ（８）、（８）の先端部とこれから引き出した熱電対線９ａ、９ｂとを樹脂絶縁体１０で覆って気密に封止し、熱電対線９ａ、９ｂのリード線側を真空空間の外部で補償導線１５ａ、１５ｂと接続するものである。

このような熱電対の真空フィードスルーでは、前記樹脂絶縁体１０がＨｅリーク試験においてＨｅのリークが起こらない程度の長さにわたって熱電対線９ａ、９ｂの基部を覆うようにすることで、気密性が確保することが出来る。また、熱電対線９ａ、９ｂが真空空間の外に引き出されており、真空空間の外で補償導線と接続することが出来るので、それらの接続部の温度条件を同じにすることは容易である。そのため、補償導線との接続部における温度差に伴う熱電対の測定誤差を無くすことが容易となる。

前記の樹脂絶縁体１０は無機絶縁体７を貫通した金属スリーブ８、８の同無機絶縁体７から突出した基部及び同金属スリーブ（８）、（８）の先端部とこれから引き出した熱電対線９ａ、９ｂとを覆うようモールド成型することで容易に設けることが出来る。また、樹脂絶縁体１０が熱電対線９ａ、９ｂと補償導線１５ａ、１５ｂとを着脱自在に接続するコネクタ１２ａ、１２ｂのハウジングを兼ねるようにしてもよい。

本発明では、真空チャンバ等の熱電対ポートから引き出された熱電対線９ａ、９ｂの基部を樹脂絶縁体１０で覆い、気密性を確保すると共に、真空チャンバ等の外側で熱電対線９ａ、９ｂと補償導線１５ａ、１５ｂとの接続を可能にした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である熱電対の真空フィードスルーを示す真空チャンバの部分縦断側面図である。
真空チャンバの熱電対ポート１にフランジ２が設けられ、このフランジ２にフィードスルー端子のフランジ３が気密に接合されている。これらフランジ２、３の接合は、Ｏリング等のガスケット５を挟んでボルトとナット４の締め付けによりなされている。

外側のフランジ３の中心軸上には金属スリーブ６の一端が気密に溶接され、この金属スリーブ６の他端はアルミナ等の無機絶縁体７が嵌め込まれて気密に封止されている。この無機絶縁体７には細い２本の金属スリーブ８、８が貫通している。無機絶縁体７の金属スリーブ８、８を通す孔は、Ｍｏ−Ｍｎ等の金属ペーストを塗布し、これを真空中、不活性ガス雰囲気中或いはＨ_２を含む還元雰囲気中で焼き付けることにより、予めメタライズしておく。このメタライズした孔に前記金属スリーブ８、８を嵌め込み、ロー付けする。こられの金属スリーブ８、８にプラス極側の５％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線９ａとマイナス極側の２６％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線９ｂとがそれぞれ引き通されている。

さらに、これら熱電対線９ａ、９ｂを引き通した金属スリーブ８、８の前記無機絶縁体７から突出した基部及び同金属スリーブ（８）、（８）の先端部を含め、熱電対線９ａ、９ｂの引出基部にモールド樹脂成形等の手段で樹脂絶縁体１０が設けられ、熱電対線９ａ、９ｂを引き通した金属スリーブ８、８の先端部を含む熱電対線９ａ、９ｂの引出基部が覆われている。金属スリーブ８、８の先端から引き出された前記熱電対線９ａ、９ｂの基部を覆う樹脂絶縁体１０の長さは、Ｈｅリーク試験においてＨｅのリークが起こらない十分な長さｂとする。その長さは通常は５ｍｍ以上である。従って、無機絶縁体７から突出した金属スリーブ３８、３８の先端部の長さをａとしたとき、金属スリーブ８、８と熱電対線９ａ、９ｂとを覆う樹脂絶縁体１０の全体の長さＬは、Ｌ＝ａ＋ｂとなる。このａ＋ｂがシールの全長となり、３０ｍｍ以上必要である。アルミナ等の無機絶縁材７を真空側にして、樹脂絶縁体１０を大気側にしたのは、真空チャンバー内に有る高温物体より輻射熱によって真空側の絶縁体表面だけが加熱されるため、真空側の絶縁材は耐熱性の高いアルミナ等の無機絶縁材７でなければならないからである。

こうして熱電対ポート１から真空チャンバの外側に引き出されたＷ−Ｒｅ系熱電対については、冷却しやすい大気側において、そのプラス極側の５％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線９ａにはアロイ４０５からなる補償導線１５ａが接続され、マイナス極側の２６％Ｒｅ−Ｗ合金の熱電対線９ｂには、アロイ４２６からなる補償導線１５ｂがネジ止め等の集団で接続される。熱電対線９ａ、９ｂと補償導線１５ａ、１５ｂとの接続部は、同じ温度条件下に置かれる。

図２は本発明の他の実施例である熱電対の真空フィードスルーを示す真空チャンバの部分縦断側面図である。
この実施例による熱電対の真空フィードスルーでは、樹脂絶縁体１０が雄と雌のコネクタ１２ａ、１２ｂを構成しており、これら雄コネクタ１２ａと雌コネクタ１２ｂとにより前記熱電対線９ａ、９ｂと補償導線１５ａ、１５ｂとが接続される。

まず外側のフランジ３に溶接した金属スリーブ６には円筒形の金属からなるアダプタ１１が嵌め込まれ、このアダプタ１１の先端に雄コネクタ１２ａがネジ止めされている。この雄コネクタ１２ａの先端からは一対のコネクタピン１４ａ、１４ｂが突設され、雄コネクタ１２ａの樹脂ハウジングの内部で、前記一対のコネクタピン１４ａ、１４ｂの基端部にプラス極側の熱電対線９ａとマイナス極側の熱電対線９ｂとがネジ止めされている。雄コネクタ１２ａは、その樹脂ハウジングがアダプタ１１の熱電対線９ａ、９ｂが引き出された先端部分を気密に封止している。雄コネクタ１２ａの樹脂ハウジングの内部における熱電対線９ａ、９ｂの長さは短く、従って雄コネクタ１２ａの樹脂ハウジングが熱電対線９ａ、９ｂの引出部を覆うことで、同熱電対線９ａ、９ｂがＷ−Ｒｅ系熱電対のように、細かい気孔を有するものであっても、Ｈｅリークは起こらない。すなわち、雄コネクタ１２ａの樹脂ハウジングが熱電対線９ａ、９ｂの引出部を気密封止する絶縁樹脂としての機能を有する。

雌コネクタ１２ｂ側には、樹脂ハウジングの内部に一対のピン受け金具１６ａ、１６ｂが納められており、樹脂ハウジングの内部でこれらピン受け金具１６ａ、１６ｂの基端部側にプラス極側の補償導線１５ａとマイナス極側の補償導線１５ｂがそれぞれネジ止めされている。図２は、雄雌のコネクタ１２ａのコネクタピン１４ａ、１４ｂが雌コネクタ１２ｂのピン受け金具１６ａ、１６ｂに嵌合したした状態であり、これにより、熱電対線９ａ、９ｂがそれぞれ補償導線１５ａ、１５ｂに接続される。

図３は、前記アダプタ１１の例を示す分解斜視図である。このアダプタ１１は円筒形部材の半割とした一対のハーフ部材１６、１６からなり、それらハーフ部材１６、１６を円筒形に組み立てると共に、各ハーフ部材１６、１６の基部を前記金属スリーブ６に嵌め込む。さらに、各ハーフ部材１６、１６の基部から側方に突出した締付部１７、１７をネジ止めし、金属スリーブ６に固定する。さらに、アダプタ１１の先端部に雄コネクタ１２ａを樹脂絶縁体としてこれをモールド成型し、金属スリーブ８、８と熱電線９ａ、９ｂを覆い、抜け防止のためねじ止めする。例えば、雄コネクタ１２ａは、アダプタ１１の先端で熱電対線９ａ、９ａにコネクタピン１４、１４を接続した後、それらを覆うように雄コネクタ１２ａの樹脂ハウジングとしてモールド成形されることにより作られる。アダプタ１１の先端部には、そこに雄コネクタ１２ａをネジ止めするためのネジ孔１８、１８が設けられている。

本発明の一実施例である熱電対の真空フィードスルーを示す真空チャンバの部分縦断側面図である。 本発明の他の実施例である熱電対の真空フィードスルーを示す真空チャンバの部分縦断側面図である。 前記図２に示した実施例に使用されたアダプタの例を示す分解斜視図である。 従来の一般的なＷ−Ｒｅ系熱電対の真空フィードスルーの例を示す真空チャンバの部分縦断面図である。

符号の説明

３ 熱電対ポート
７ 無機絶縁体
９ａ 熱電対線
９ｂ 熱電対線
１０ 樹脂絶縁体
１２ａ コネクタ
１２ｂ コネクタ
１５ａ 補償導線
１５ｂ 補償導線

Claims (3)

1. 測温接点が真空空間内に設置された熱電対線（９ａ）、（９ｂ）を封止部から真空空間の外部に引き出す熱電対の真空フィードスルーであって、熱電対ポート（３）を封止した無機絶縁体（７）のメタライズした孔に金属スリーブ（８）、（８）を貫通し、ロー付けし、この金属スリーブ（８）、（８）を通して熱電対線（９ａ）、（９ｂ）のリード線側を真空空間からその外部に引き出し、前記無機絶縁体（７）から突出した金属スリーブ（８）、（８）の同無機絶縁体（７）から突出した基部及び同金属スリーブ（８）、（８）の先端部とこれから引き出した熱電対線（９ａ）、（９ｂ）とを樹脂絶縁体（１０）で覆って気密に封止し、熱電対線（９ａ）、（９ｂ）のリード線側を真空空間の外部で補償導線（１５ａ）、（１５ｂ）と接続することを特徴とする熱電対の真空フィードスルー。
2. 樹脂絶縁体（１０）は無機絶縁体（７）を貫通した金属スリーブ（８）、（８）の同無機絶縁体７から突出した基部及び同金属スリーブ（８）、（８）の先端部とこれから引き出した熱電対線（９ａ）、（９ｂ）の基部とを覆うようモールド成型されたことを特徴とする請求項１に記載の熱電対の真空フィードスルー。
3. 樹脂絶縁体（１０）は熱電対線（９ａ）、（９ｂ）と補償導線（１５ａ）、（１５ｂ）とを着脱自在に接続するコネクタ（１２ａ）、（１２ｂ）のハウジングを兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の熱電対の真空フィードスルー。

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