CN104769401B - 温度计和用于加工温度计的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明给出一个温度计（1），它具有陶瓷功能的感应元件（2）和陶瓷外壳（3）。所述感应元件（2）这样设置在陶瓷外壳（3）里面，使所述感应元件（2）的至少一侧面（20）具有与陶瓷外壳（3）直接且形状锁合的接触。还给出一种用于加工温度计（1）的方法。

Description

温度计和用于加工温度计的方法
技术领域
本发明给出一个温度计。还给出一种用于加工温度计的方法。
背景技术
例如通过陶瓷的加热导体-热敏电阻元件（NTC热敏电阻，“负温度系数热敏电阻”）、硅-温度传感器（例如所谓的KTY-温度传感器）、铂-温度传感器（PRTD，“铂电阻温度检测器）”或热偶（TC，“热电偶”）为了在不同的应用中监控和调节测量温度。为了足够的机械稳定性，为了防止外部影响以及为了避免由于侵蚀介质的腐蚀并且为了避免由于在NTC材料或在电极中的气体氛围由温度引起的材料变化，陶瓷的感应元件一般配有由聚合物或玻璃制成的覆层。这种感应元件的最高使用温度在聚合物封套的情况下限制在约200℃，并且在玻璃封套的情况下限制在约500℃至700℃。
但是上述的感应元件不能容易地用于测量非常高的温度和/或在特别侵蚀的介质中持久地使用。但是为了可以在侵蚀介质中使用，感应元件经常安装在塑料或特种钢外壳里面。为了建立与部件的热接触，附加地经常使用浇铸材料。这样构造的系统的主要缺陷是，由于附加的结构引起的热传导和所使用材料的微小的导热带来其延迟的响应时间。具有聚合物或玻璃封套的温度计的特殊缺陷是其剧烈地振荡和几乎不能容忍的温度计头几何尺寸。因此这些温度计不适用于标准的安装。
发明内容
要解决的至少一些实施例的任务是，给出一温度计，它具有高的牢固度以及短的响应时间。至少一些实施例的另一任务是，给出一种用于加工温度计的方法。
这些目的通过按照独立权利要求的内容和方法得以实现。此外，由从属权利要求、下面的描述和附图给出所述内容的有利实施例和改进方案。
按照至少一实施例的温度计具有陶瓷功能的感应元件和陶瓷外壳。所述陶瓷功能的感应元件最好由陶瓷的热敏电阻元件构成。例如，陶瓷功能的感应元件可以是NTC热敏电阻元件（NTC，“负温度系数”），即热导体。NTC热敏电阻元件的特征尤其在于其微少的加工成本。NTC热敏电阻元件例如与热偶或金属电阻元件、例如Pt元件相比的另一优点在于显著的、负的电阻温度特征。此外能够使陶瓷功能的感应元件由PTC热敏电阻元件（PTC，“正温度系数”），即冷导体构成。
所述感应元件最好这样设置在陶瓷外壳里面，使所述感应元件的至少一侧面具有与陶瓷外壳直接且形状锁合的接触。例如，所述陶瓷功能的感应元件可以具有多个侧面，其中至少一侧面整平面地与陶瓷外壳的内壁直接接触。在此陶瓷外壳的内壁在这个部位以其形状适配于感应元件的侧面，由此得到在感应元件内壁与陶瓷外壳内壁之间的形状锁合的接触。在直接且形状锁合地与陶瓷外壳接触的感应元件侧面与陶瓷外壳之间尤其不设置其它元件，例如浇铸材料或导热膏。
所述温度计由于陶瓷外壳和形状锁合地与陶瓷功能的感应元件的连接有利地具有非常短的响应时间，它们例如根据壁厚并且根据陶瓷外壳的原料位于三秒以下。响应时间最好可以在一秒以下，并且例如当陶瓷外壳具有非常薄的壁厚时，甚至为几毫秒。
按照另一实施例，所述陶瓷外壳具有陶瓷结构的原料，具有高的导热能力，或者由这种原料制成。所述陶瓷外壳最好具有氧化铝。这种陶瓷外壳的特征在于有利的特别高的导热能力。所述陶瓷外壳可以具有不同质量的氧化铝。例如，所述陶瓷外壳可以具有纯度至少为95%至99.9%或者更高的氧化铝。在此陶瓷外壳的牢固度在机械强度和化学耐抗性方面以及导热能力随着原料纯度增加。按照特别优选的实施例，所述陶瓷外壳由氧化铝制成。备选地所述陶瓷外壳可以具有其它陶瓷原料，例如氮化铝或碳化硅，或者由其制成。
按照另一实施例，所述陶瓷外壳是喷铸外壳。所述陶瓷外壳尤其可以利用陶瓷喷铸工艺、例如利用所谓的陶瓷微喷铸工艺制成。利用陶瓷微喷铸工艺可以有利地加工非常小的适配于感应元件尺寸的陶瓷外壳的外壳形状，具有精确的、可复制的且非常高的机械强度，其中能够实现标准化的安装几何形状。
按照另一实施例，所述陶瓷外壳具有开孔，通过它所述陶瓷外壳半侧地敞开。所述陶瓷外壳最好具有凹穴，它具有与开孔对置的底面，后者具有台阶形凹下。所述感应元件最好至少部分沉降地设置在凹下里面。所述凹下例如可以是凹穴内部的凹下的部位，其中凹下的部位通过台阶与凹穴的其它部分连接。感应元件的至少一侧面最好位于与凹下底面的至少一局部部位直接且形状锁合的接触。
按照另一实施例，所述陶瓷外壳在外侧面上具有与开孔对置的倒圆的端部。例如与开孔对置的陶瓷外壳端部可以在外侧面上具有部分的或者半球形的部位。
按照另一实施例，所述凹下具有主部位和两个邻接主部位的两个对置侧面的侧面袋。所述感应元件最好至少部分地设置在主部位。例如，所述凹下的主部位例如可以在其形状和尺寸上这样适配于感应元件的形状和尺寸，使感应元件可以完全设置在凹下的主部位里面，其中所述感应元件尽可能完全充满主部位。所述侧面袋优选具有从开孔看去的深度，它小于直到凹下的凹下部位底面的深度，凹下部位如上所述通过台阶与凹下的其它部分连接。尤其所述凹下的部位可以在视线上设置在侧面袋之间的开孔里面。
按照另一实施例，所述温度计具有两个接触部件。每个接触部件最好至少部分地设置在一个邻接主部位的侧面袋里面。此外，所述接触部件最好导电地与感应元件连接。所述侧面袋例如可以在其形状和尺寸上适配于接触部件的直径，由此使接触部件能够至少部分地插入侧面袋里面。此外，所述接触部件从陶瓷外壳伸出来。所述接触部件最好具有温度稳定的原料，具有微少的腐蚀倾向。例如，所述接触部件可以具有贵金属例如铂、金、银或高温稳定的合金钢，最好具有高含量的铬和/或镍，或者由这些材料制成。
按照另一实施例，所述接触部件由连接丝构成。例如所述接触部件可以以镍包裹的铜丝形式或者通过一种或多种其它上述金属构成。
按照另一实施例，所述感应元件具有两个电极。所述电极最好涂覆在感应元件的两个对置的侧面上。所述接触部件最好分别利用设置在侧面袋里面的、焙烧的金属化膏与感应元件的电极导电地连接。在此所述接触部件的端部可以分别衬入到加入到侧面袋里面的金属化膏里面。所述感应元件的电极例如可以根据温度计的最高使用温度具有金属，例如铂，金，银，或者金属合金，例如银-钯，或者由其制成。用于在接触部件与感应元件的电极之间电接通的金属化膏最好具有金属例如金、银或铂，或者由其制成。此外金属化膏可以具有铜、钼或钨或者金属合金，例如银-钯或由其制成。
按照另一实施例，所述陶瓷外壳的开孔利用玻璃密封封闭。所述接触部件最好从玻璃密封伸出来并因此从开孔内部穿过玻璃密封向外伸出来。所述玻璃密封例如具有无强碱和/或重金属氧化物的玻璃，具有适配于陶瓷外壳材料的膨胀系数。用于玻璃密封的材料有利地具有软化点，它位于温度计最高使用温度以上至少50℃。
按照另一实施例，所述感应元件具有包括元素Y,Ca,Cr,Al,O的钙钛矿结构。此外所述感应元件可以具有钙钛基的元素Sn。
按照另一实施例，所述感应元件具有陶瓷原料，具有一般化学式ABO3的钙钛矿结构。尤其对于高温稳定的温度计优选这样的感应元件，它们应该适用于高的应用温度。特别优选所述陶瓷功能的感应元件具有组分（Y1-xCax）(Cr1-yAly)O3,其中x=0.03至0.05，y=0.85。
按照另一实施例，所述感应元件具有包括元素Ni,Co,Mn,O的尖晶石结构。尖晶石基的感应元件还可以具有一种或多种下面的元素：Al,Fe,Cu,Zn,Ca,Zr,Ti,Mg。
按照另一实施例，所述感应元件具有陶瓷原料，具有一般化学式AB2O4或者B(A,B)O4的尖晶石结构。这样的感应元件尤其在低应用温度时优选。按照特别优选的实施例，所述陶瓷功能的感应元件具有组分Co3-(x+y)NixMnyO4，其中x=1.32，y=1.32。
按照另一实施例，所述陶瓷外壳具有0.1mm至1mm的壁厚。这尤其可以意味着，半侧敞开的陶瓷外壳具有至少一外壳壁，具有0.1mm至1mm的厚度。优选所述陶瓷外壳到处都具有上述范围的壁厚。按照特别优选的实施例，所述陶瓷外壳具有0.3mm至0.7mm的壁厚。通过陶瓷外壳的这种壁厚可以实现温度计特别短的响应时间。
在这里所述的温度计有利地具有非常短的响应时间、非常高的机械以及化学牢固度和非常好的长时间稳定性。其它优点在于非常精确的陶瓷外壳尺寸结构，它能够无需附加系统部件地标准化地装配。
此外给出一种用于加工温度计的方法。由此加工或制成的温度计可以具有上述实施例的一个或多个特征。上述的和下面描述的实施例同样适用于温度计、也适用于用于加工该温度计的方法、
按照一实施例，为了加工温度计，制备陶瓷的初始原料以及配有电极的陶瓷功能的感应元件。所述陶瓷功能的感应元件例如可以是NTC或PTC热敏电阻元件。陶瓷的初始原料例如可以是所谓的陶瓷原料，它具有陶瓷结构的粉末、例如氧化铝粉末和有机粘接剂。所述初始原料利用喷铸工艺喷射到相应的模具里面。最好将由此产生的所谓的基体接着在脱脂工艺中尽可能没有有机含量，脱脂工艺是两级的、即水性的和热技术的、或者单级的、即只热技术的。接着将脱脂的基体以适合的温度烧结成陶瓷外壳。例如，在氧化铝情况下根据原料纯度以1600℃至1700℃实现烧结。此外，将提供的感应元件这样布置在由此制成的陶瓷外壳里面，使感应元件的至少一侧面具有与陶瓷外壳直接且形状锁合的接触。
按照另一实施例，在布置感应元件在陶瓷外壳里面以后使接触部件分别利用金属化膏导电地与感应元件的电极连接。例如，所述金属化膏可以掺杂到凹下的侧面袋里面并且接着将接触部件加入到侧面袋里面，由此将接触部件的端部分别衬入到金属化膏里面。接着最好以适合的温度，它取决于所使用的金属化膏原料，焙烤金属化膏。
按照另一实施例，利用玻璃膏封闭陶瓷外壳的开孔。接着以适合的温度焙烤玻璃膏。对于玻璃膏使用的玻璃原料最好与将来温度计的使用温度相协调，并且具有在温度计的最高使用温度以上至少50℃的软化点TG。
按照另一实施例，为了调整微小的电阻误差通过接着的退火工艺在有限的范围内校准元件的电阻。
附图说明
所述温度计的其它优点和有利的实施例由下面结合附图1至6所述的实施例给出。附图示出：
图1和2按照一实施例的温度计示意图，
图3按照另一实施例的温度计的剖面图，
图4按照另一实施例的温度计的陶瓷外壳的示意图，
图5按照另一实施例的分解图形式的温度计示意图，
图6用于加工按照另一实施例的温度计的方法。
在实施例和附图中相同的或相同作用的组成部分分别配有相同的附图标记。所示的元件和其相互间的尺寸比例基本不视为比例正确的。而是为了更好的图示和/或为了更好地理解超厚度或大尺寸地示出各个元件，例如覆层、零部件和部位。
具体实施方式
图1和2示出按照一实施例的在这里所述的温度计1的不同示意图。在图3的温度计1剖面图中、在图4的陶瓷外壳3的示意图中以及在图5的温度计1分解图中示出在图1和2中未示出的温度计1的元件。下面的描述同样涉及图1至5。
温度计1具有陶瓷功能的感应元件2和陶瓷外壳3，感应元件由NTC热敏电阻元件构成。陶瓷功能的感应元件2这样布置在陶瓷外壳3里面，使感应元件2的侧面20与陶瓷外壳3、尤其与陶瓷外壳3的底面311具有直接且形状锁合的接触。陶瓷外壳3具有纯度大于或等于95%的氧化铝，并且由喷铸外壳构成，它利用所谓的陶瓷微喷铸工艺制成。陶瓷外壳3备选地可以具有一种或多种其它的、最好良好导热的陶瓷原料。
陶瓷功能的感应元件具有钙钛矿结构的陶瓷。感应元件的陶瓷尤其具有按照分子式（Y1-xCax）(Cr1-yAly)O3的组分，其中x=0.03至0.05，y=0.85。由此使温度计1特别适用于高温应用。感应元件可以备选地尤其在温度计1的较低应用温度时具有尖晶石结构的陶瓷。例如，感应元件的陶瓷可以具有按照分子式Co3-(x+y)NixMnyO4的组分，其中x=1.32，y=1.32。
陶瓷外壳3具有开孔30，通过它陶瓷外壳3半侧地敞开。在陶瓷外壳3内部构成凹穴3，它具有与开孔30对置的底面311，后者具有台阶形的凹下312。陶瓷功能的感应元件2至少部分沉降地设置在凹下312里面。感应元件2尤其设置在凹下312的主部位313里面，主部位在形状和大小方面适配于感应元件2的长度和宽度。在凹下312的主部位313上在主部位313的两个对置侧面上分别邻接侧面袋314。侧面袋314是在凹穴31内部与主部位313相同的凹下的部位。在开孔30的视线上主部位313在侧面袋314之间具有凹下的部位，它台阶形地邻接凹穴31的其余部位，并且其底面311从开孔30看去具有比侧面袋314更大的深度。
温度计1具有两个接触部件4，它们由连接丝构成，并且分别至少部分地设置在一个侧面袋314里面。通过其各自的不同的端部，接触部件4从陶瓷外壳3伸出来，并因此用于温度计1的外部接通。接触部件4具有铂金。接触部件4备选地可以具有金、银或其它贵金属，或者合金，最好高温稳定的合金钢，例如具有高含量的铬和/或镍，或者由其制成。
感应元件2在两个对置的侧面上分别具有电极21。感应元件2的电极21具有铂金。电极21备选地可以具有金或银或者银-钯或者由其制成。接触部件4分别利用焙烤的、设置在侧面袋34里面的金属化膏5分别与感应元件2的一个电极21导电地连接。金属化膏5不仅用于固定接触部件4在侧面袋314里面，而且用于在接触部件4与感应元件2的电极21之间的电接通。在所示实施例中金属化膏5具有金。金属化膏5备选地可以具有银、铂、铜、钼或钨或银-钯，或者由其制成。
陶瓷外壳3在外侧面上具有与开孔对置的倒圆的端部。陶瓷外壳3还具有邻接开孔30的凸起32。凸起32由环绕的带构成并且例如可以用于，使温度计1布置在套状部件的开孔内部的温度感应系统的套状部件里面。
陶瓷外壳3还在背面利用玻璃密封6封闭，穿过玻璃密封接触部件4伸出来。温度计1由于其结构和所使用的材料尤其显示出良好的长时间耐介质性、高的牢固度和非常短的响应时间。
温度计1的感应元件2具有约0.85mm x 0.7mm x 0.7mm的外尺寸。温度计1的陶瓷外壳3具有约2.5mm x 2.3mm（直径x高度）的最大外部尺寸。陶瓷外壳3还具有0.1mm至1mm的壁厚。温度计1包括接触部件4的长度约为10.8mm。
温度计1有利地不仅提供特别稳定的感应元件2的封裹，而且具有特别短的响应时间。此外，在这里所示的陶瓷封罩的温度计1在高的使用温度时出色使用在特别侵蚀的介质或气体中。
图6示出按照一实施例用于加工在这里所述的温度计1的方法。在此在第一步骤100中制备陶瓷初始原料和陶瓷功能的感应元件2，它配有电极21。接着在另一方法步骤200中，利用陶瓷喷铸工艺使陶瓷的初始原料成形为基体，接着烧结基体成陶瓷外壳3。在此在烧结前最好利用单级或两级的脱脂工艺使基体没有有机含量。
在接着的另一方法步骤300中，将感应元件2这样布置在陶瓷外壳3里面，使感应元件2的至少一侧面20与陶瓷外壳直接形状锁合的接触。接着在另一方法步骤400中，将金属化膏5加入到陶瓷外壳3的侧面袋314里面，然后将接触部件4设置在侧面袋314里面，由此使接触部件4的端部衬入到金属化膏5里面。然后焙烤金属化膏。由此在接触部件4与感应元件2的电极21之间建立导电接触。在接着的方法步骤500中，使陶瓷外壳3在背面利用玻璃膏6封闭并且接着焙烤玻璃膏6。
在附图中所示的实施例备选或附加地可以具有按照一般描述的实施例的其它特征。
本发明不局限于利用实施例的说明，而是包括每个新的特征以及特征的每个组合。这尤其包括在权利要求中特征的每个组合，尽管这个特征或这个组合本身没有特别地在权利要求或实施例中给出。
附图标记清单
1 温度计
2 感应单元
20 侧表面
21 电极
3 陶瓷外壳
30 开孔
31 凹穴
311 底面
312 凹下
313 主部位
314 侧面袋
32 凸起
4 接触部件
5 金属化膏
6 玻璃密封
100,200,300,400,500 方法步骤。

Claims (14)

1.一种温度计(1)，具有陶瓷功能的感应元件(2)和陶瓷外壳(3)，其中，所述感应元件(2)设置在陶瓷外壳(3)里面，使所述感应元件(2)的至少一侧面(20)具有与陶瓷外壳(3)直接且形状锁合的接触，其中，所述温度计(1)具有两个接触部件(4)，它们位于所述感应元件(2)的对置的两侧，其中，所述陶瓷外壳(3)具有带有凹下的凹穴(31)，其中，所述凹下在形状和大小方面适配于所述感应元件(2)，并且其中所述接触部件(4)在凹下的顶视图中位于所述凹下的侧面。
2.如权利要求1所述的温度计，其中，所述陶瓷外壳(3)是喷铸外壳。
3.如权利要求1或2所述的温度计，
-其中所述陶瓷外壳(3)具有开孔(30)，通过它所述陶瓷外壳(3)半侧地敞开，
-其中所述陶瓷外壳(3)具有凹穴(31)，它具有与开孔(30)对置的底面(311)，该底面具有台阶形凹下(312)，并且
-其中所述感应元件(2)至少部分沉降地设置在凹下(312)里面。
4.如权利要求3所述的温度计，
-其中所述凹下(312)具有主部位(313)和两个邻接主部位(313)的两个对置侧面的侧面袋(314)，
-并且其中所述感应元件(2)至少部分地设置在主部位(313)里面。
5.如权利要求4所述的温度计，
-其中每个接触部件(4)至少部分地设置在一个侧面袋(314)里面并且导电地与感应元件(2)连接并且
-其中所述接触部件(4)从陶瓷外壳(3)伸出来。
6.如权利要求5所述的温度计，
-其中所述感应元件(2)具有两个电极(21)并且
-所述接触部件(4)分别利用设置在侧面袋(314)里面的、焙烧的金属化膏(5)与感应元件(2)的电极(21)导电地连接。
7.如权利要求3所述的温度计，其中，所述陶瓷外壳(3)的开孔利用玻璃密封(6)封闭。
8.如权利要求1或2所述的温度计，其中，所述陶瓷功能的感应元件(2)是NTC元件或PTC元件。
9.如权利要求1或2所述的温度计，其中，所述感应元件(2)具有包括元素Y,Ca,Cr,Al,O的钙钛矿结构或包括元素Ni,Co,Mn,O的尖晶石结构。
10.如权利要求1或2所述的温度计，其中，所述陶瓷外壳(3)具有0.1mm至1mm的壁厚。
11.如权利要求1或2所述的温度计，其中，所述陶瓷外壳(3)具有氧化铝或者由其制成。
12.一种用于加工如权利要求1至11中任一项所述的温度计(1)的方法，具有下面的步骤：
-制备陶瓷的初始原料以及配有电极(21)的陶瓷功能的感应元件(2)，
-利用喷铸工艺使陶瓷初始原料成形为基体并且烧结基体成陶瓷外壳(3)，
-布置感应元件(2)在陶瓷外壳(3)里面，使感应元件(2)的至少一侧面(20)具有与陶瓷外壳(3)直接且形状锁合的接触。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在布置感应元件(2)在陶瓷外壳(3)里面以后使接触部件(4)分别利用金属化膏(5)导电地与电极(21)连接，并且接着焙烤金属化膏。
14.如权利要求13所述的方法，其中，利用玻璃膏封闭陶瓷外壳(3)的开孔(30)，并且接着焙烤玻璃膏。
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