シース熱電対｜耐振・高応答の堅牢温度センサ

2025.10.04

シース熱電対

シース熱電対は金属シース管内に熱電対素線と高純度MgO絶縁粉末を充填・圧縮した計測センサであり、可撓性・耐環境性・高速応答を同時に満たす温度測定手段である。素線先端の接点で起電力を生じ（ゼーベック効果）、これを補償・変換して温度に換算する。保護管型熱電対に比べ熱容量が小さく、狭い配管や治具への取り回し、真空・腐食・高温雰囲気での長期運用に適する。

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構造と測定原理

シース熱電対は外側の金属シース（SUS304/SUS316、Inconel600など）、内部の圧縮MgO、中心の熱電対素線（例：K、T、J、N、R/S）から成る。先端は素線同士を溶接して温接点を形成し、反対側はリード線や端子に接続する。温接点と基準接点の温度差に比例した起電力Eを生じ、E=f(ΔT)の校正式を用いて温度を得る。基準接点の温度はコールドジャンクション補償で電子的に補正する。

接地・非接地・露出の違い

  • 接地型：温接点がシースに電気的接続。応答が速いが、電気ノイズやグランドループの影響を受けやすい。
  • 非接地型：温接点がシースから電気絶縁。ノイズ耐性が高い反面、応答はやや遅い。
  • 露出型：温接点を外気に露出。極めて高速応答だが機械・化学的保護が弱い。

シース材質と温度上限

シース材質は環境で選定する。SUS304/316は一般雰囲気でコストバランスに優れる。Inconel600は高温酸化雰囲気や燃焼ガス中での耐食・耐酸化に優れ、～1000℃級での運用に好適である。ハロゲンや硫黄化合物、還元雰囲気では材質選定を慎重に行う。またMgOは吸湿に弱いため端末の密封構造が重要である。

外径と曲げ半径

外径はφ0.25～6.4mm程度が一般的で、細径ほど熱容量が小さく応答が速い。最小曲げ半径は通常2～3D（Dは外径）を目安とし、過小曲げは素線断線や絶縁低下を招く。曲げ加工は常温で行い、先端から一定距離は無理な曲げを避ける。

熱電対の種類と特徴

  • K型（NiCr–NiAl）：汎用・耐酸化・広範囲（約−200～1100℃）。工業用途の第一選択肢。
  • T型（Cu–Constantan）：低温域（約−200～350℃）で安定。冷凍・食品工程に適する。
  • J型（Fe–Constantan）：～750℃程度。還元雰囲気での使用に配慮。
  • N型（Nicrosil–Nisil）：高温安定性・ドリフト耐性に優れる。K型の代替として注目。
  • R/S型（Pt–Rh）：高温（～1600℃級）だが、シースでは温接点設計・材質に留意。

応答時間と熱伝達

応答時間は時定数τで表され、外径・先端形態・流体の熱伝達係数・流速に依存する。細径・露出・接地型は一般にτが小さい。設置点の熱抵抗（接触圧・熱伝導グリース・面粗さ）も支配的であり、固定方法の最適化が測定の再現性を高める。

保護管との比較

保護管付き熱電対は交換性と耐久性に優れる一方、熱容量が大きく応答が遅い。シース熱電対は一体構造でシンプルかつ高速応答だが、過酷環境では材質劣化を早める可能性がある。目的に応じて使い分ける。

配線・補償導線・端末

熱電対延長には同種または等価の補償導線（Extension/Compensating）を用いる。異材接点は必ず温度差として誤差源になるため、端子台やコネクタ部の温度管理が必要である。端末は圧着端子、ミニチュア平形コネクタ、ねじ込み（例：R1/4、G1/4）など現場設備に合わせて選ぶ。

ノイズ対策と接地

計装ケーブルはツイスト・シールドを基本とし、シールドの片側接地でループ電流を避ける。接地型先端は装置接地と計装接地の関係に配慮し、差動入力の計装アンプやフィルタで高周波ノイズを低減する。

校正・規格・精度

一般にJIS/IEC（例：IEC 60584系列）に基づくクラス分けを用い、K型クラス1で±1.5℃または±0.004|t|程度が目安である（tは測定温度）。現場校正は氷点槽（0℃）やドライウェル、比較用標準センサで実施する。校正履歴とトレーサビリティの維持が品質保証の要となる。

劣化要因と寿命管理

高温長期使用による素線の拡散・粗大化、酸化・窒化、MgOの吸湿による絶縁低下が主な劣化機構である。ドリフト（指示の偏り）は不可避であり、定期校正・交換基準（例：累積稼働時間、ピーク温度、雰囲気）を定めるとよい。端末の防湿処理や端子箱の防滴等級も有効である。

保守・点検の実務

停止点検時に絶縁抵抗（例：500Vメガーで数MΩ以上を目安）を測定し、応答チェック（既知温度源への挿入→到達時間評価）を行う。シース表面の腐食・変色は劣化の指標であり、交換・洗浄・再固着を判断する。

選定フローの要点

  1. 測定温度範囲と雰囲気（酸化/還元/腐食/真空）を特定する。
  2. 熱電対種別（K/T/J/N/R/S）を決定する。
  3. シース材質（SUS/ Inconel 等）と外径・長さ・最小曲げ半径を決める。
  4. 接地/非接地/露出を用途のノイズ・応答要件で選ぶ。
  5. 端末・取付（ねじ込み、クランプ、ばね式）と密封構造を決める。
  6. 精度等級・校正間隔・記録方式を定義する。

用途例

  • 燃焼炉・排ガスダクトの高速追従温度制御。InconelシースK型が定番。
  • 食品・医薬プロセスのバリデーション。T型細径で中心温度の立上りを監視。
  • 半導体・真空装置でのチャック/ヒータ温度。非接地でノイズ影響を抑制。
  • 金型・配管の埋設計測。細径・曲げ配索で局所温度分布を把握。

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