熱電対の「Kタイプ」とは何か — クロメルとアルメルの差を0℃基準で読む

熱電対の型番の「K」は、測れる温度の高さでも、精度の等級でもありません。2種類の金属の組み合わせを指す記号です。＋脚がクロメル（ニッケルとクロムを主とした合金）、−脚がアルメル（ニッケルとアルミニウムを主とした合金）。この2本の金属線が両端の温度差に応じて生む電圧を測るのが、K熱電対です。この組み合わせと、そこから生まれる熱起電力の値を定めているのが、JIS C 1602:2015「熱電対」と、対応国際規格の IEC 60584-1:2013「Thermocouples - Part 1: EMF specifications and tolerances」です。

「K」を温度や精度の記号だと思うと、二つのことを取り違えます。一つは、Kがまず材料の名前だということ。もう一つは、規格の表に並ぶ熱起電力の値が、ある一点の温度を保った前提でしか成り立たない、という事実です。Kという一文字が背負う定義を、規格まで遡って読み解いていきます。

資料には何が書かれているか — Kは2金属の組み合わせの記号

IEC 60584-1 は、記号で区別される熱電対（R・S・B・J・T・E・K・N・C・A の各タイプ）について、温度と熱起電力の対応を定めた規格です。発行元IECの公式ページで、第3版が2013年8月に出ていること、基準となる関数が「基準接点を0℃に置いたときの熱起電力を、温度の多項式として表したもの」であることを確認しました。

この多項式による基準関数は第3版で新しく入ったものではなく、ITS-90に対応した第2版（1995年）から引き継いだものです。同じIECのページによれば、第3版（2013年）の実質的な改訂は、別にあった許容差の規格（旧Part 2、1982年）を本規格へ統合した点にあります。温度は1990年国際温度目盛（ITS-90）に基づきます。規格の中心にあるのは、「0℃を基準にしたときの電圧」という一枚の対応表です。

IEC 60584-1:2013（IEC 公式刊行物ページ・要旨）｜資料の記述（要旨）（要旨）記号付き熱電対（K を含む）について、熱起電力を温度の関数として与える基準関数と、その許容差を規定する規格。基準関数は、基準接点を0℃としたときの熱起電力を表す多項式である。第3版（2013年）は、Part 1 の第2版（1995年）と、許容差を定めていた旧Part 2（1982年）を統合した版にあたる。

日本側の JIS C 1602:2015 も同じ枠組みです。転載された本文で確認できた範囲では、K熱電対の＋脚は「ニッケル及びクロムを主とした合金」、−脚は「ニッケル及びアルミニウムを主とした合金」と規定され、基準接点の温度は0℃と明記されています。熱電対そのものは「熱起電力を発生させる目的で2種類の導体の一端を電気的に接続したもの」と定義されます。ここでも値の前提は0℃です。

熱起電力が生まれる原理は、1821年にゼーベックが見つけた現象までさかのぼります。異なる2種の金属をつなぎ、二つの接点に温度差を与えると電圧が生じます。この電圧の極性と大きさは、材質と温度差だけで決まります。K の場合、クロメルとアルメルの組み合わせが、温度差1℃あたりおよそ41マイクロボルト（常温付近の代表値）という感度を持ちます。この感度が、材料の組み合わせ、つまり「タイプ」ごとに決まります。

規格の表は「規準熱起電力表」と呼びます。ある温度で、基準接点を0℃に置いたときに何マイクロボルト生じるかを、1℃刻みで並べた表です。クロメル・アルメルという呼び名は材料の通称で、JISの本文は組成、つまりニッケルとクロム、ニッケルとアルミニウムという書き方で記述します。呼び名がメーカー由来でも、規格が縛るのは組成と、そこから出る熱起電力の値です。だからKどうしなら、どのメーカーの線でも、同じ温度に同じ表を使えます。タイプ記号の互換性は、この材料の定義に支えられています。逆に、材料が規格どおりでなくなれば、表の値も崩れます。

定義・試験条件の表

温度範囲について補足します。「Kは −200〜+1200℃くらい使える」という言い方をよく見ますが、これは条件しだいで動く目安にすぎません。JISでは常用限度と過熱使用限度が素線の太さで変わります（たとえば1.00mm径では常用限度が高温側で数百℃という段階があります）。上限を決めるのは記号Kではなく、線径・被覆・クラスの組み合わせです。「タイプ＝使える温度」という等号は、規格のどこにもありません。

K をどう読み解くか

K という記号は、順番で読むと分かりやすくなります。まずKが材料を決めます。クロメルとアルメルの組み合わせが決まると、温度差あたりの電圧（熱起電力）が決まります。その電圧を温度に翻訳するのが規準表で、表の値は基準接点を0℃に置いた前提でしか成り立ちません。精度クラス（1・2・3）は、その翻訳がどれだけ規格値に近いかの保証幅です。Kは最初から最後まで、材料の記号です。

ここが最大の誤解ポイントです。熱電対は、測温接点の温度そのものを測っていません。測っているのは、測温接点と基準接点(冷接点)の温度差に対応した電圧です。だから規準表の「600℃で何マイクロボルト」という値は、基準接点が0℃であることとセットでしか意味を持ちません。実機の端子台は0℃ではありません。そこで計測器は、基準接点付近の温度を別に測り、0℃基準の熱起電力に足し込みます。これが冷接点補償です。表示温度は、熱電対が生んだ電圧そのものではなく、冷接点補償を通した結果です。

補償導線が要るのも、この0℃基準の構造からです。測温接点で生じた熱起電力を計器まで運ぶとき、途中を普通の銅線でつなぐと、熱電対線と銅線の継目が新たな温度差を抱え、余計な起電力が生まれます。補償導線は、組み合わせるKとほぼ同じ熱起電力特性を持たせた線で、基準接点（冷接点）を計器の端子台まで実質的に引き延ばす役目です。配線材の選び方も、「基準接点をどこに置くか」という同じ問題の一部です。Kに銅線をつなぐと、その継目そのものが意図しない熱電対になってしまうからです。

この構造は、規格の記号が「性能そのもの」ではなく「定義された前提の束」を指すという点で、他の記号と似ています。たとえばLANケーブルの CAT6Aが保証するのは500MHzという帯域までで、通信速度そのものには及びません。SDカードの V30は最低書き込み速度という一条件の記号です。Kも同じで、「クロメルとアルメル」「0℃基準の熱起電力表」「許容差クラス」という前提の束の名前です。記号を性能と読み替えた瞬間に、前提が落ちます。

もうひとつ、クラス1・2・3を「上下関係」と読まないほうがよいです。クラス1のほうが許容差は小さいですが、各クラスは適用温度範囲や用途の想定が違います。防水記号のIPX7とIPX8が単純な上下ではないのと同じで、クラスは「どの条件でどれだけの幅を保証するか」を分けた区分です。単純な優劣の階段とは異なります。低温側はクラス3、といった住み分けがあります。

補償導線の色も、記号の前提が規格と年版で動く例です。K用補償導線は、現行の JIS C 1610:2012（IEC 60584-3:2007に整合）ではシースが緑、＋が緑、−が白です。この JIS C 1610:2012 の附属書JA（種類の記号及び表面被覆の色別の変遷）には、K用が1981年改正時には青、1995年改正時に緑へ変わったと記されています。米国のANSI(MC96.1)では、同じKでも外被が黄色です。同じ「K用」でも、手元の被覆の色は、どの規格・どの年版に従った製品かで変わります。色だけで極性や種類を決め打ちできません。

あなたの条件ならこう読み替える

この記事は、K という記号がどう定義されているかを読むためのものです。どの熱電対を選ぶか、どのクラスを買うかという判断はここでは書きません。書けるのは、「Kの値はクロメルとアルメルという材料と、基準接点0℃という前提で決まっている。あなたの現場は、その前提のここが違う」という一点までです。表示温度の背後には、材料・0℃基準・冷接点補償が畳み込まれています。記号を材料まで開いて読んでおくと、熱電対の早見表で数字を引くときも、その数字がどの前提の上に立つのかを見失わずに済みます。