JP6510520B2

JP6510520B2 - 高温度プローブ

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Publication number: JP6510520B2
Application number: JP2016533389A
Authority: JP
Inventors: エム．グラシーンウィリアム; アガミマーク
Original assignee: アメテック，インコーポレイティド
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2034-08-06
Also published as: EP3030872B1; CN105556265B; CN105556265A; WO2015021096A1; JP7036754B2; JP2016529497A; MX2016001538A; MX2021001342A; BR112016002476B1; EA201690358A1; EA033593B1; BR112016002476A2; US20160169749A1; US10408683B2; EP3030872A1; JP2019082486A

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年３月１１日に出願された「高温プローブ」という名称の仮出願第６１／９５１，０６８号、２０１３年１１月２２日に出願された「高温プローブ」という名称の仮出願第６１／９０７，５５５号、及び、２０１３年８月７日に出願された「高温プローブ」という名称の仮出願第６１／８６３，１１９号の利益を主張し、これらの出願の内容は、参照により本明細書に援用される。

本発明は、温度測定の分野に関し、具体的には、航空機タービンなどの過酷な環境中で用いる温度プローブに関する。

温度プローブは、航空機タービンなどの過酷な環境中で温度を測定するのに必要である。航空機タービンに存在する排気ガスは、強力で、高温であり、化学的に活性がある。さらに、航空機タービンの排気温度は、将来的に上昇すると予想される。現在、ニッケル合金などの金属が、航空機タービンの過酷な環境中で用いられるプローブを保護するのに用いられている。しかしながら、高温排気ガス用途では、かかるプローブの寿命は将来的に比較的短くなる。

本発明の態様には、温度プローブと、温度プローブの形成方法と、が含まれる。温度プローブには、ロッドと、熱電対と、外側管と、内側管と、シースと、が含まれ得る。熱電対は、ロッド内に埋め込まれる。外側管は、ロッドの少なくとも一部の周囲に配置される。内側管は、ロッドと外側管との間に配置され、ロッドが変位するのを防ぐ。セラミックマトリックス複合シースは、実質的に、ロッド及び外側金属管の周囲に配置される。

本発明の更なる態様には、温度プローブの組立て方法が含まれる。温度プローブの組立て方法には、第１の部材と第２の部材との間に熱電対を配置することと、第１の部材と第２の部材とを接合し、ロッドを形成することと、ロッドの一部の上に外側管を配置し、第１の部材と第２の部材とを嵌合することと、ロッドの少なくとも一部と外側管の少なくとも一部との間に内側管を配置し、外側管に対してロッドを固定することと、セラミックマトリックス複合シースを用い、実質的にロッド及び外側金属管を被覆することと、が含まれ得る。

本発明の更なる態様には、温度プローブであって、ロッドとロッドに埋め込まれた熱電対とロッドの端部に延びるプローブ基部とを含む、温度プローブが含まれる。温度プローブには、ロッドの一部及びプローブ基部の一部を少なくとも被覆するシースも含まれ得る。ロッド、プローブ基部又はシースのうちの少なくとも１つには、セラミックマトリックス複合材料が含まれる。

本発明の更なる態様は、温度プローブの組立て方法を対象とし、この方法には、少なくとも１つのチャネルを有したロッドを形成することと、少なくとも１つのチャネル内に熱電対線を設置することと、ロッドの端部にプローブ基部を配置することと、プローブ基部及びロッドにセラミック編組を覆うことと、セラミック編組をセラミックマトリックス複合材料に処理して、プローブ基部及びロッドの周囲にシースを形成することと、が含まれる。

本発明は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を読むと最良に理解され、図面は同一の要素は同一の参照符号を有する。同様の要素が複数存在する場合、単一の参照符号は、特定の要素を指す小文字を表示した同様の複数の要素に割り当てられ得る。図面には、次の図が含まれている。

本発明の態様に係るプローブの断面図である。本発明の態様に係るロッドの部材の斜視図である。本発明の態様に係るロッドの斜視図である。本発明の態様に係るロッドの周囲に配置された外側管の斜視図である。内側管であって、本発明の態様に係るロッドの周囲に配置された外側管内に配置されている内側管の斜視図である。本発明の態様に係るプローブの組立て工程を示すフローチャートである。本発明の態様に係るプローブの断面図である。本発明の態様に係るプローブのロッドの図である。本発明の態様に係るプローブのロッドの図である。本発明の態様に係るプローブにおける基部を有するロッドの図である。本発明の態様に係るプローブにおける基部を有するロッドの図である。本発明の態様に係るプローブの図である。本発明の態様に係るプローブの図である。本発明の態様に係るプローブの組立て工程を示すフローチャートである。本発明の態様に係るプローブの図である。本発明の態様に係るプローブの図である。本発明の態様に係るプローブの図である。本発明の態様に係るプローブの図である。本発明の態様に係るプローブの組立て工程を示すフローチャートである。

高性能の温度センサが必要とされている。近年又は最新のタービンの温度は、約１１００℃〜約１２００℃の範囲の温度検知要件を満たしている。将来的に、タービンは、必要なセンサ精度及び監視利益のために、１３００℃を超える必要がある。かかるセンサの従前の標準材料であるニッケル基超合金は、１２００℃を超える温度に耐えられなくなる。

燃焼器に近接して測定を維持することは、高温部のより正確な監視を意味する。これは、保守間隔の計画及びタービンの効率性に有益である。

センサは、短期間で１３５０℃まで、約１２００℃よりも高い温度で連続してタービン流れにおいて耐えられる。一実施形態において、セラミックマトリックス複合プローブは、Ｋ型の標準出力と非常に類似しているＥＭＦ出力を有したセラミック絶縁Ｐｌａｔｉｎｅｌ（登録商標）熱電対を有する。

１３００℃を超える温度性能がない場合、温度センサは、タービンの高温部から離れて存在している必要がある。１３００℃の温度性能がある場合、センサは近接しており、タービンの監視に充分である。

１３５０℃までのタービン用のセラミックマトリクス複合材料ベースの温度センサが設計されている。従前の最も高い温度性能のタービンセンサには、およそ１２００℃の性能を達成するように、ニッケル基超合金が用いられている。ニッケル合金の１２００℃よりもはるかに高い温度における寿命は、大幅に制限されている。タービンＯＥＭによる新たな高温部の部品に適した材料としては、セラミックマトリックス複合材料が挙げられる。セラミックマトリックス複合材料は、耐クリープ性の未処理セラミック単独と比較して利点を有する。セラミックは、通常酸化マグネシウムの形態で、高性能温度センサ内において既に用いられており、酸化アルミニウムも用いられている。一実施形態において、酸化アルミニウムセラミックマトリックス複合材料は、アルミナ繊維とマトリックスをともに有する高性能温度プローブの外側に用いられる。セラミックの酸化物ファミリーは、耐環境コーティング（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｂａｒｒｉｅｒｃｏａｔｉｎｇ）が必要であり侵食され及びその後欠陥が生じやすい炭素複合材料と比較して、タービン燃焼器の非常に困難な化学的環境に対して優れた抵抗性を有する。ただし、炭化ケイ素系複合材料の一部の炭素は、酸化物セラミックよりも高い定格温度を有する。

酸化アルミニウムセラミックマトリックス複合材料は、１２００℃よりも高い温度で作用し、タービン内の環境に対して抵抗性を有するので、耐環境コーティングは必要ではない。

１３００℃を超える温度性能がない場合、温度センサは、タービンの高温部から離れて存在している必要がある。ニッケル合金を可能にするタービンから離れたセンサの位置は、高温の燃焼ガスと冷却圧縮空気の混合物、及び、タービン温度が上昇することを理解する不確実性、及び、保守計画に消極的な影響を及ぼす、温度劣化が更に悪化するタービンを監視する能力を測定することを意味する。

本発明の利点は、新しいタービンの要件に等しい温度センサ性能に妥協がないことである。セラミックマトリックス複合プローブは、センサタービンの通常の位置において、燃焼器に接近させることができ、これによって、性能情報の損失を無くすことができる。新しい将来的なタービンは、高温で作動するように計画されている。タービンの高温部の構成要素は、新しく高い性能レベル、具体的には温度の上昇に伴う温度を満たす必要がある。

セラミックマトリックス複合材料は、かつて、タービンの温度センサに用いられていない。高い温度性能はタービンに価値を付加し、タービンの操作者に価値を付加し、その競合するものと比較してそのタービンは差別化される。また、セラミックマトリックス複合材料の密度は、軽量という利点がある金属よりも小さく、常に歓迎される。

本発明の実施形態に従って、低硬質材料から製造される代替的なロッドを用いることができる。硬質ロッドは、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から製造されるロッドと比較して、ほとんど延性がない。ＣＭＣ材料は、アルミナのような硬質セラミックよりも適切ではない。セラミックロッドよりも脆くないロッドの実施形態を以下に説明する。

図１は、本発明の態様に係るプローブ１００の一実施形態の断面図を示している。図示されているプローブ１００は、シース１０８と、ロッド１０３と、内側管１０６と、外側管１０４と、を含んでいる。また、プローブ１００は、熱電対であって、図２を参照して以下に説明する、ロッド１０３内に埋め込まれた熱電対も含んでいる。プローブ１００は、プローブ１００の中心を通って長手方向に延びる軸線１１０を有している。

ロッド１０３は、アルミナ系（例えば、酸化アルミニウム）、ケイ素系、炭化ケイ素系（例えば、ＳｉＣ繊維、ＳｉＣマトリックスなど）、炭素系、及び／又は、温度プローブ内に用いるのに適した他の材料／材料の組合せであり得る。ロッド１０３、シース１０８、管１０６及び１０４、及び／又はプローブ１００の他の構成要素は、ＣＭＣ材料に形成される繊維／マトリックス材料から構成することができる。例えば、繊維としては、ＣＨＮｉｃａｌｏｎ（商標）、Ｈｉ−Ｎｉｃａｌｏｎ（商標）、Ｓｙｌｒａｍｉｃ（商標）、炭素、Ｎｅｘｔｅｌ（商標）３１２、Ｎｅｘｔｅｌ（商標）６１０、Ｎｅｘｔｅｌ（商標）７２０、ニッケル合金金属などを挙げることができる。マトリックスは、ケイ素系（例えば、ＳｉＮＣ、ＳｉＣ＋Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂など）、アルミナ系（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃など）、及び／又はケイ素系とアルミナ系材料の組合せ（例えば、ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃など）であり得る。

図１に示されているロッド１０３は、第１の部材１０２ａ及び第２の部材１０２ｂから形成されている。部材１０２ａと１０２ｂは、軸線１１０に沿って接合され、ロッド１０３を形成することができる。実施形態において、部材１０２ａと１０２ｂは、互いに実質的に対称である。２つの対称的な部材から形成されたロッドが本明細書に示され説明されているが、ロッド１０３はユニボディ構造であり、２つを超える部材から形成でき、部材は対称である必要はないことが考慮される。

図２は、図１のロッドの第１の部材１０２ａを示している。この部材１０２ａは、接合面２０４に溝（図示せず。）を有している。接合面２０４は、部材１０２ｂの対応する接合面（図示せず。）と接合することができる。実施形態において、溝は、熱電対２０２のチャネルを形成するように、第１の部材にのみ存在する。他の実施形態において、少なくとも１つの他の部材（例えば、部材１０２ｂ）は、第１の部材１０２ａの溝と組み合わせられると熱電対２０２のチャネルが形成される、溝を有する。熱電対２０２は、接合前に、１つの部材１０２ａの溝に配置される。熱電対の温度機能部２０６は、プローブ１００の端部に配置され、露出し得るか、及び／又はシース１０８の外側に延び得る。

図３は、接合された第１の部材１０２ａ及び第２の部材１０２ｂから形成されたロッド１０３を示している。第１の部材１０２ａと第２の部材１０２ｂとを接合することによって、これらの部材の間に熱電対２０２が埋め込まれる。一部の実施形態において、ロッド１０３は、固定突部３０２を有する。固定突部３０２は、軸線１１０に対して直交する平面に断面を有しその断面の外周が他の点の断面よりも大きい、ロッド１０３の領域に配置されている。図３は、ロッド１０３の外面３０４の外周が均一に増加するものとして固定突部３０２を示しているが、周囲の管、例えば管１０４を越えてロッドが軸線方向に摺動するのを防ぐ、外面３０４におけるいずれの構造変形物も、固定突部として用いることができることが考慮される。

図４は、ロッド１０３の周囲に配置された外側管１０４を示している。外側管１０４の配置によって、接合位置において、第１の部材１０２ａ及び第２の部材１０２ｂが保持される。外側管１０４は、縁部１１４であって、ロッド１０３に固定突部３０２を嵌合し、ロッド１０３が外側管１０４内で完全に変位するのを妨げる縁部を有し得る。外側管１０４は、クロム若しくはニッケル、合金、アルミナ、ＣＭＣ、又は温度プローブに用いるのに適した他の材料から製造することができる。

また、図示されている外側管１０４は、シース１０８が変位するのを防ぐように、外面４０４に固定突部４０２も有している。図４は、外側管１０４の外面３０４の外周が均一に増加するものとして固定突部４０２を示しているが、シース１０８が軸線１１０に沿って変位するのを防ぐ、外面４０４におけるいずれの構造変形物も用いることができることが考慮される。

図５は、ロッド１０３と、外側管１０４と、内側管１０６と、を示している。内側管１０６は、外側管１０４の内面及びロッド１０３の外面３０４と接し得る。内側管１０６の第１の端部１１２は、ロッド１０３において固定突部３０２と接し得る。内側管１０６は、外側管１０４に溶接することができる（５０２）。公知の溶接法を用いることができる。内側管１０６及び外側管１０４は、高温環境中で用いるのに適した溶接以外の方法（例えば、ろう付け、ＣＭＣ材料による処理など）によって取り付けることができることが考慮される。内側管１０６に外側管１０４を取り付けることによって、外側管１０４に対してロッド１０３が変位するおそれがなくなる。実施形態において、ロッドの固定突部３０２は、内側管１０６の第１の端部１１２と外側管１０４の内面の突部４０４との間に固定される。

実施形態において、内側管１０６の内面５０４の一部は、ロッド１０３の外面３０４と接していない。内面５０４のこの部分は、他の装置又は物品への取付けに適し得る。内面は、ねじ、ノッチ、突起、又は他の適切な取付け方法を用いる取付けに適し得る。内側管１０６は、クロム若しくはニッケル、合金、ＣＭＣ、又は温度プローブに用いるのに適した他の材料から製造することができる。

再度図１を参照すると、シース１０８は、ロッド１０３及び外側管１０４の上に適用される。シース１０８は、種々のセラミックマトリックス複合材料から形成することができる。セラミックマトリックス複合材料は、例えば、炭素マトリックス中の炭素繊維、炭化ケイ素マトリックス中の炭素繊維、炭化ケイ素マトリックス中の炭化ケイ素繊維、及びアルミナマトリックス中のアルミナ繊維であってもよい。シース１０８は、本明細書の説明から当業者によって理解されるように、ロッド１０３に適用することができる。シース１０８の外面１１８の平滑度は、およそ１２５以下であり得る。一実施形態において、シース１０８の外面１１８の平滑度は、３２未満である。シース１０８の厚さは、約０．０３インチ（約０．０７６ｃｍ）〜０．０６インチ（約０．１５２ｃｍ）であり得る。

シース１０８は、外側管１０４に取り付けられている。一実施形態において、シース１０８は、外側管１０４の外面４０４において、シース１０８が変位するのを妨げる固定突部４０２と接するように形成される。

図１〜５に示されているように、温度プローブは、温度機能部２０６に向かって下方に延びる円錐台形状であり、温度機能部２０６に向かう端部よりも大きな径の外側管１０４を含む端部を有している。外側管１０４端部の方の大きな径によって、動作時にプローブに加わる力に対する応力抵抗が温度プローブに付与される。

図６は、本発明の態様に係るプローブの実施形態の組立て工程のフローチャート６００を示している。このフローチャートの工程を、図１〜５のプローブを参照して以下に説明する。図１〜５に示されているプローブ以外のプローブを組み立てるのに工程を用いることができ、そして、工程６０２〜６１０のうちの１つ以上は異なる順序で実行でき、及び／又は省略できることが理解される。

ブロック６０２において、第１の部材と第２の部材との間に熱電対が配置される。熱電対２０２は、第１の部材１０２ａと第２の部材１０２ｂとの間に配置され得る。実施形態において、熱電対２０２は、少なくとも１つの部材の溝によって形成されたチャネルに配置される。第１の部材と第２の部材は、対称であり得る。

ブロック６０４において、第１の部材と第２の部材とを接合することによってロッドが形成される。ロッド１０３は、第１の部材１０２ａと第２の部材１０２ｂとを接合することによって形成され得る。第１の部材１０２ａ及び第２の部材１０２ｂは、第１の部材の接合面２０４及び第２の部材の接合面（ｍａｔｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ)（図示せず。）に沿って接合され得る。実施形態において、ロッド１０３は、機械的研削（ｍａｃｈｉｎｅｇｒｏｕｎｄ）、鋳造、又は両方の形成方法の組合せを用いて、シース１０８と化学的に相容性のある材料から形成される。

ブロック６０６において、ロッドの少なくとも一部の上に外側管が配置される。外側管は、ロッド１０３の少なくとも一部の上に配置され得る。外側管１０４の配置によって、第１の部材１０２ａと第２の部材とが嵌合する。外側管を形成する材料は、金属、又は温度プローブに用いるのに適した他の材料である。

ブロック６０８において、外側管の一部とロッドの一部との間に内側管が配置される。内側管１０６は、外側管１０４の一部とロッド１０３の一部との間に配置され得る。内側管の配置によって、外側管１０４に対し軸線１１０に沿ってロッド１０３が変位するのが妨げられる。内側管を形成する材料は、金属、又は華氏約２０００度（摂氏約１０９３．３℃）以上で温度プローブを用いるのに適した他の材料であり得る。一部の実施形態において、内側管１０６を形成する材料は、華氏およそ２５００度（摂氏およそ２７６０℃）以上の温度に適している。

ブロック６１０において、内側管と外側管は、溶接されるか、又は他の方法により取り付けられ得る。内側管１０６と外側管１０４は、タングステン不活性ガス溶接又はレーザ溶接を含むがこれらに限定されない公知の溶接法によって、溶接されるか、又は他の方法により取り付けられ得る。また、内側管１０６と外側管１０４は、プローブの構成要素を取り付けるのに適した他の方法（例えば、ろう付け、ＣＭＣ処理など）によって取り付けられ得ることも考慮される。

ブロック６１２において、セラミックマトリックス複合シースが用いられ、ロッドが実質的に被覆される。セラミックマトリックス複合シース１０８が用いられ、ロッド１０３が実質的に被覆される。シース１０８は、外側管にも同様に適用され得る。セラミックマトリックス複合シースの標準適用法を用いることができる。シース１０８は、破壊する前にプローブ１００が経験する延性及び塑性変形の程度を増加させることができる。

次に図７を参照すると、本発明の態様に係る温度プローブの実施形態が示されている。プローブ７００は、最大１３５０℃に定格されている。このプローブは、セラミックマトリクス複合シース７０２と、セラミック内部７０４と、熱電対信号用のＰｌａｔｉｎｅｌ（登録商標）ワイヤ（図示せず。）と、を有している。タービン壁のプローブ基部７０８は先端部７１０よりも低温であり、良好なニッケル超合金の選択は、１１５０℃の計画された性能によって行うことができる。ニッケル超合金以外の材料、例えば、プローブ１００に関して説明した材料を選択することができる。その寸法としては、約７０ｍｍの挿入深さと先端部７１０における約４ｍｍの径を挙げることができる。

図８Ａ及び８Ｂを参照すると、タービンの温度プローブに用いるロッドが示されている。２つの極性熱電対線８０６及び８０８（例えば、１つの熱電対線が正であり、１つの熱電対線が負である。）は、熱電対接合部８１０によってそれぞれの熱電対線の一方の端部に接合され、ロッド８００内に埋め込まれている。一実施形態において、熱電対線は、高温熱電対系（例えば、白金合金、Ｐｌａｔｉｎｅｌ（登録商標）など）から製造される。他の適切なＣＭＣ材料は、本明細書の説明から当業者によって理解される。セラミック繊維は、セラミック編組８０２及びセラミック編組８０４のように、それぞれの熱電対線８０６及び８０８に個々に編まれ得る。図示されているロッド８００には、熱電対線に円筒状に編まれたセラミック繊維が含まれている。実施形態において、セラミック繊維は、両方の熱電対線８０６及び８０８に編まれる。図８Ａにおいて理解されるように、熱電対線８０６及び８０８はともに、溶接点８１２において溶接され、これによって、熱電対が形成される。その後、熱電対線上のセラミック繊維は、高温で処理され、その結果、セラミック繊維内に存在するマトリックスが生じ、これによって、ロッド８００が形成される。

図９及び９Ｂでは、本発明の実施形態に係る、基部を有するロッドが示されている。基部９０２は、セラミック材料から製造することができる。基部９０２は第１の部分９０４と第２の部分９０６とを有し、第１の部分９０４の径は第２の部分９０６の径よりも大きい。基部は、図１〜６に関して上述した外側管１０４と同様に機能し得る。

図１０Ａ及び１０Ｂを参照すると、本発明の実施形態に係る温度プローブが示されている。温度プローブには、ロッド８００と、基部９０２と、ロッド８００及び基部９０２を被覆するシース１００２と、が含まれている。シース１００２は、ＣＭＣ材料から製造され、シース１０８と同様に機能し得る。熱電対線８０６及び８０８は、基部９０２においてプローブから出ており、延長線に溶接することができる。シース１００２、基部９０２及びロッド８００を有する実施形態において、温度プローブ全体は、内部に熱電対線８０６及び８０８を有した高温ＣＭＣ材料から製造することができ、これによって、センサは脆くならない。

次に図１１を参照すると、温度プローブの組立て工程のフローチャート１１００が示されている。ブロック１１０１において、セラミック繊維が２つの極性線に編まれる。この２つの極性線は、高温熱電対金属(例えば、白金合金、Ｐｌａｔｉｎｅｌ（登録商標）など)であり得る。セラミック繊維は、Ｎｅｘｔｅｌ７２０などのアルミナ繊維、及び／又はプローブ１００に関して説明したものなどの他の材料であり得る。一実施形態において、セラミック繊維は、それぞれの極性線の周囲に円筒状に編まれる。

ブロック１１０２において、２つの極性線がともに溶接され、温度プローブの熱電対が形成される。溶接は、溶接ワイヤを用いない単純な融合溶接であり得る。組立て時にこの先端部において、極性線は熱電対を形成する。

ブロック１１０４において、２つの円筒状編組に、セラミックマトリックス前駆体が注入される。液体又は蒸気によって編組に注入することができる。一実施形態において、極性線に注入するのにゾルゲル法が適用される。編組に注入されると、極性線は固定具により保持され、歪みがなく直立するのに充分な固体になるまで、高温（例えば、約４００Ｆ（摂氏約２０４．４℃））に暴露され得る。

ブロック１１０６において、注入された円筒状編組が、隣接する２つのＣＭＣ円筒状ロッドに処理される。実施形態において、編組は高温（例えば、約１２００℃）で処理され、その結果、ブロック１１０１において極性線に編まれたセラミック繊維内に存在するマトリックスが生じる。これによって、極性線上のセラミックマトリックス内にセラミック編組が生じる。

ブロック１１０８において、極性線を有する処理された編組（例えば、ＣＭＣ半組立品）に、セラミック編組が覆われる。セラミック編組は、編組線及び熱電対接合部に覆われ得る。覆われると、ブロック１１０４の注入と同様に、ブロック１１０９においてロッドに注入され、ブロック１１０６の処理と同様に、ブロック１１１０において処理され、処理された極性線に覆われたセラミック編組が強化される。ブロック１１０１〜１１１０に従って組み立てられたロッドに処理される極性線、編組及びＣＭＣ半組立品は、フローチャート１１００の高温工程に耐えることができ、このため、得られるロッド構造体の内部では変化しない。

ブロック１１１２において、ロッドが基部に挿入され、シースによって被覆される。基部及び／又はシースはセラミック材料であり、それぞれ、図１〜７によって上述したように、外側管１０４又はシース１０８として機能し得る。

次に図１２Ａ及び１２Ｂを参照すると、本発明の態様に係る温度プローブの別の実施形態が示されている。温度プローブ１２００には、押出部１２１８（例えば、ロッド）と、プローブ基部１２０４と、熱電対１２０６と、プローブ基部１２０４、押出部１２１８及び熱電対１２０６の上に配置されたシース１２０２と、が含まれている。図示されているように、熱電対接合部１２０８が露出し、シース１２０２から外側に延び得る。

プローブ基部１２０４には、円筒状の第１の部分１２２２と、円錐台形状の第２の部分１２２４と、が含まれている。また、プローブ基部１２０４には、円筒状通路１２０５であって、押出部１２１８を収容するように構成されているプローブ基部１２０４の中心を通って形成された、円筒状通路も含まれている。実施形態において、プローブ基部１２０４は、アルミナ系材料から構成される。プローブ基部１２０４には、端部１２１６であって、シース１２０２から延び、シース１２０２によって被覆されない、端部が含まれ得る。実施形態において、金属基部は端部１２１６に配置され、図１３において説明されているろう付け法によってプローブ１２００に組み立てられる。

押出部１２１８は、プローブ基部１２０４の円筒状通路１２０５を通って延びている。一実施形態において、押出部１２１８は、アルミナ系材料から構成される。実施形態において、押出部１２１８の径は、約０．１２５インチ（約０．３１８ｃｍ）である。押出部１２１８には、チャネル１２２０であって、熱電対１２０６の線１２０７を収容するように構成されている押出部１２１８の全長にわたって形成された、チャネルが含まれており、これによって、高温への暴露から熱電対線１２０７が絶縁される。図示されているように、押出部１２１８は、部分的にプローブ基部１２０４の円筒状通路１２０５を通って延びているが、押出部１２１８はプローブ基部１２０４を通って完全に延びていてもよいし、又は、プローブ基部１２０４を通って延びていなくてもよく、熱電対線１２０７のみが円筒状通路１２０５を通って延びていることが考慮される。

熱電対１２０６は、円筒状通路１２０５を通って延びる熱電対線１２０７から形成され、この熱電対線は、プローブ１２００の先端部１２０８に形成された熱電対接合部１２０９とともに、チャネル１２２０内に挿入される。実施形態において、それぞれの熱電対線１２０７の径は、約０．０１７インチ（約０．０４３ｃｍ）である。熱電対接合部１２０９は、プローブ１２００の温度検知機構として機能し得る。図示されているように、熱電対接合部１２０９は、プローブ１２００の遠位端部における先端部１２０８の開口を通して露出する。

シース１２０２は、プローブ基部１２０４の一部及び押出部１２０８の上に形成されている。シース１２０２は、プローブ基部１２０４全体、及び／又は、プローブ１２０２の先端部１２０８の熱電対接合部１２０９の上に形成できることが考慮される。シース１２０２は、セラミックマトリックス複合材料を形成するように処理することができる（例えば、セラミック前駆体の添加、硬化するまでの処理、及び高温における焼結など）繊維編組（例えば、Ｎｅｘｔｅｌ編組、アルミナ繊維、アルミナマトリックス、ケイ素系繊維、ケイ素系マトリックス、炭化ケイ素系繊維及び／又はマトリックスなど）から構成することができる。

プローブ１２００には、種々の形状の部分が含まれている。プローブ１２００の近位端部には、プローブ１２００の遠位端部の円筒状部１２１４の径よりも大きな径を有する円筒状部１２１０がある。円筒部１２１０と円筒状部１２１４との間には、プローブ１２００の遠位端部に向かって減少する径を有する円錐台形状部１２１２がある。円筒状部１２１０、円錐台形状部１２１２及び円筒状部１２１４の構成によって、動作時にプローブ１２００に加わる応力に対するプローブ１２００の抵抗が有益に増加する。実施形態において、シース１２０２は、円筒状部１２１０において、約０．４２５インチ（約１．０８０ｃｍ）の外径、及び約０．３インチの内径（約０．７６２ｃｍ）を有する。一実施形態において、シース１２０２は、円筒状部１２１４において、約０．２５インチ（約０．６３５ｃｍ）の外径、及び約０．１２５インチ（約０．３１８ｃｍ）の内径を有する。円筒状部１２１０、円錐台形状部１２１２及び円筒状部１２１４に沿ったプローブ１２００の長さは、約２．１５インチ（約５．４６１ｃｍ）であり得る。円筒状部１２１０の長さは約０．４３３インチ（約１．１００ｃｍ）であり、円錐台形状部１２１２の長さは約０．５３９インチ（約１．３６９ｃｍ）であり、円筒状部１２１４の長さは約１．１７８インチ（約２．９９２ｃｍ）であり得る。実施形態において、円錐台形状部１２１２は、約９度の角度において径が減少し得る。

３つの部分が示されているが、他の形状及び構成は、所望の効果を達成するように利用できることが考慮される。例えば、プローブには２つの部分しか含まれていなくてもよく、一方の部分の径は他方の部分の径よりも大きく、プローブは完全な円錐台形状であってもよく、プローブには４つ以上の部分などが含まれていてもよい。実施形態において、シース１２０２は、応力に対する抵抗を増加させるように、プローブ先端部１２０８よりも、プローブ基部１２０４付近において厚い。プローブの他の形状及び構成は、本明細書の開示内容から当業者によって理解される。

次に図１３Ａ及び１３Ｂを参照すると、金属基部１３０１を有するプローブ１３００が示されている。プローブ１３００には、図１２Ａ及び１２Ｂに関して説明した特徴と同様に、ロッド１２１８と、ロッド１２１８を通って延びる熱電対線１２０７と、プローブ基部１２０４と、ロッド１２１８及びプローブ基部１２０４の上に形成されたシース１２０２と、が含まれている。また、プローブ１３００には金属基部１３０１も含まれ、この金属基部は、薄肉内側管１３０２と厚肉外側管１３０４とから構成されている。内側管１３０２は、プローブ基部１２０４にろう付けすることができる。実施形態において、内側管１３０２は、プローブ基部１２０４の露出部１２１６に延びる。一実施形態において、内側管１３０２の一部１３０３は、内側管１３０２とシース１２０２との間に間隔１３０５を残すように、プローブ基部１２０４の一部１２１６に延びる。内側管１３０２は、合金、例えば、Nickel 201、Haynes 230などであり得る。内側管１３０２の厚さは０．０１０インチ（約０．０２５ｃｍ）〜約０．０１５インチ（約０．０３８ｃｍ）であり、長さは約０．５０インチ（約１．２７ｃｍ）であり得る。内側管１３０２の一部１３０３がプローブ基部１２０４に延びる実施形態において、重なり部分１３０３の長さは、約０．１０インチ（約０．２５４ｃｍ）であり得る。

内側管１３０２は、プローブ基部１２０４、又はプローブ１２００の他の部分にろう付けすることができる。かかる実施形態において、プローブ基部１２０４に重なる内側管１３０２の一部１３０３は、ろう付け接合部を形成する。内側管１３０２は、ろう付け及びろう付け接合部の形成によるプローブ基部１２０４のセラミックの応力が最小に維持されるように、外側管１３０４と比較して薄い。ろう付けは、パラジウム合金などの高温活性金属ろう付けであり得る。

厚肉外側管１３０４は、内側管１３０２の上に示されている。外側管１３０４は、溶接点１３０８において、内側管１３０２に溶接することができる。外側管１３０４は、合金、例えば、Ｈａｙｎｅｓ２３０、又は温度プローブを利用する高温用途において用いるのに適した他の合金から構成することができる。外側管１３０４には、プローブ１３００のシース１２０２に延びるように形成されたチャネル１３０６が含まれている。図示されているように、外側管１３０４の一部１３１０は、シース１２０２の一部に延びている。一実施形態において、シース１２０２に延びる外側管１３０４の一部１３１０は、シース１２０２に近接しているが、シース１２０２に物理的に接続していない。かかる実施形態では、溶接１３０８によって、外側管１３０４はプローブ１３００に取り付けられ、部分１３１０とシース１２０２との間の非物理的接続によって、プローブ１３００に、例えばタービンに存在する応力に対する付加的な抵抗が付与される。外側管１３０４は、（例えば、溶接によって）タービン壁に取り付けられるフランジ及びジャンクションボックスに推移させることができる。

図１４において、温度プローブを構築する工程を有するフローチャート１４００が示されている。ブロック１４０２において、２つの線がともに溶接され、熱電対が形成される。線は、Ｐｌａｔｉｎｅｌ（登録商標）材料から構成することができる。ブロック１４０４において、チャネルを有する押出部（例えば、ロッド）が形成される。押出部は、アルミナ系材料であり得る。ブロック１４０６において、押出部のチャネル内に、溶接された線が設置される。ブロック１４０８において、押出部の端部にプローブ基部が配置される。プローブ基部が押出部の端部に配置されると、押出部は、プローブ基部を通って完全に延びるか、又はプローブ基部を通って部分的に延び得る。

ブロック１４１０において、押出部及びプローブ基部にセラミック編組が覆われる。セラミック編組は、押出部及びプローブ基部を完全に、又は押出部及び／又はプローブ基部を部分的に覆い得る。セラミック編組は、アルミナ系材料、ケイ素系材料、炭素系材料、及び／又はセラミックマトリックス複合材料を形成するのに適した他の材料から構成することができる。セラミック編組は、プローブ基部及び押出部にわたって厚さを変化させて覆い、所望の形状又は構成を達成することができる。

ブロック１４１２において、覆われたセラミック繊維に、セラミックマトリックス前駆体が注入される。実施形態において、セラミックマトリックス前駆体は液体である。ブロック１４１４において、注入されたセラミック繊維が処理され、プローブ基部及び押出部にＣＭＣ材料が形成される。注入されたセラミック繊維は、硬化するまで、比較的低温で最初に処理することができる。一実施形態において、注入されたセラミック繊維は、約４００Ｆ（摂氏約２０４．４℃）で処理される。注入されたセラミック繊維が硬化すると、ＣＭＣ材料が形成されるまで、高温で焼結される。実施形態において、繊維は、約１２００℃で焼結される。

ブロック１４１４において、金属基部がプローブ基部にろう付けされる。金属基部には、内側管、例えば薄肉内側管１３０２が含まれ得る。ろう付け法は、セラミック材料に金属を固定するのに用いられる種類の方法である。ろう付け法は、高温（例えば、約１０００℃以上）で行われる。かかるろう付けに用いられる材料としては、パラジウム合金、ｎｉｃｒｏｂｒａｚｅ材料などを挙げることができる。一実施形態において、チタン（例えば、ろう付け合金成分の４％）をろう付け金属に用いることができる。セラミックろう付け接合部への金属のろう付けは、溶融金属によってセラミックが通常濡れないので、溶融ろう付け材料が接合部のセラミック面を濡らすように行われる。実施形態において、セラミック材料の表面は、モリブデンマンガン化合物(ｍｏｌｙｍａｎｇａｎｅｓｅｃｏｍｐｏｕｎｄ)及び焼成工程によって調製される。一実施形態において、ＣＭＣ材料は、内側管とプローブ基部との間に配置され、ろう付け及びろう付け接合部の形成を促進する。

ろう付け接合部の形状は、ろう付け金属とプローブ基部のセラミックとの熱膨張率の差が調節されるように選択され、これによって、ろう付け工程時のろう付け接合部領域の応力が最小に維持される。一実施形態において、金属基部は、応力を最小に維持する薄肉内側管（例えば、内側管１３０２）である。内側管とプローブ基部の重なりは、単純な幾何形状（例えば、単純な円筒状の重なり）、又は他の幾何形状（例えば、正方形状の重なり、円錐形状の重なり、環状の重なり）であり得る。

プローブの部分及び材料の代替構成は、本明細書の開示内容から理解される。例えば、押出部（例えば、ロッド）を含むすべての構成要素は、ＣＭＣ材料を形成する材料から構成されていてもよい。内側の酸化物ＣＭＣ材料は、外側の非酸化物ＣＭＣ材料と組み合わせて用いることができる。

具体的な実施形態を参照して本発明が本明細書に示され説明されているが、本発明は示されている詳細に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲の均等物の範囲及び値域内で、本発明から逸脱することなく、詳細に種々の変更を行うことができる。

Claims

アルミナ製のロッドと、
前記ロッド内に埋め込まれた熱電対と、
前記ロッドの少なくとも一部の周囲に配置された金属製の外側管と、
前記ロッドの少なくとも一部と前記外側管の少なくとも一部との間に配置され、前記ロッドが前記外側管に対して空間変位するのを防ぐように構成された金属製の内側管と、
前記ロッド及び前記外側管の周囲に配置されたセラミックマトリックス複合材料で形成されたシースと、
を備え、
前記ロッドが、第１の部材と第２の部材とによって形成されており、
前記熱電対が、前記第１の部材と第２の部材との間に配置されており、
前記第１の部材と前記第２の部材とが、前記外側管によって嵌合されており、
前記ロッドが、前記内側管によって、前記外側管に対して固定されており、
前記ロッド及び前記外側管が、前記シースを用いて被覆されている、
温度プローブ。
前記第１の部材及び前記第２の部材のうちの少なくとも１つには、チャネルを形成する溝が含まれ、
前記熱電対が前記チャネル内に配置される、請求項１に記載の温度プローブ。
第１の部材と第２の部材との間に熱電対を配置することと、
前記第１の部材と前記第２の部材とを接合することによって、ロッドを形成することと、
前記ロッドの少なくとも一部の上に外側管を配置することによって、前記第１の部材と前記第２の部材とを嵌合することと、
前記ロッドの少なくとも一部と前記外側管の少なくとも一部との間に内側管を配置することによって、前記外側管に対して前記ロッドを固定することと、
セラミックマトリックス複合材料で形成されたシースを用い、前記ロッド及び金属製の前記外側管を被覆することと、
を含む温度プローブの組立て方法。
前記ロッドは、固定突部を有し、前記固定突部は、前記ロッドの、軸線に対して直交する平面における断面の外周が他の点の断面の外周よりも大きい領域に、配置されている、
請求項２に記載の温度プローブ。
前記外側管は、縁部を有し、前記縁部は、前記ロッドが前記外側管内を完全に貫通するのを妨げるように、前記ロッドの固定突部を係合させるようにされている、
請求項４に記載の温度プローブ。
前記内側管は、第１の端部を有し、前記第１の端部は、前記外側管の前記縁部とは反対の側で、前記ロッドの前記固定突部と接している、
請求項５に記載の温度プローブ。
前記ロッドの前記固定突部は、前記内側管の第１の端部と前記外側管の前記縁部との間で固定されている、
請求項６に記載の温度プローブ。