CN109000814A - 浮动导体封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮动导体封装。实施例涉及的传感器组装件包括传感元件，至少一个电引线从传感元件延伸。管封闭传感元件并且材料围绕至少一个电引线并且在至少一个电引线周围限定空间，使得当温度梯度造成推力和拉力时，至少一个电引线在空间内移动。传感器组装件还可以包括连接到管并且围绕材料的套筒。套筒可以具有至少一个电引线穿过的中间弯曲部分，并且编织电源线连接到引线，编织电源线被排列并且被配置在弯曲部分内以吸收两个引线由于温度梯度的移动。引线也可以延伸通过套筒，在套筒内形成正弦形状，用于吸收由于温度梯度导致的移动。

Description

浮动导体封装

技术领域

本主题技术涉及温度传感器，尤其涉及诸如用于汽车的排气系统的高温传感器。

背景技术

排放法规是用于驱动清洁运行发动机的发展的革新的重要源泉。汽车工业已经在发动机设计、发动机控制、燃料喷射等方面做出许多进展以便改善排放。排气系统在满足和超过法规方面特别重要。为了确保排气系统和发动机总体的正常功能，各种传感器向发动机控制提供信息。典型的传感器包括温度传感器、压力传感器和氧气传感器。

排气系统是特别难以部署传感器的环境。在柴油和汽油应用中，内燃发动机设计聚焦于增加功率密度、燃料效率和发动机敏捷性。这些发展驱动排气系统到达更高的温度和更高的气体速度连同更加剧烈的温度改变。典型的操作温度在启动时非常冷的环境温度到操作期间750-1200℃的范围变化。热冲击可以多达1100Ks^-1并且引发显著量的机械应力。而且，排气系统经常具有可能非常腐蚀性的苛性气体。连同这些快速温度改变和化学敌意环境，显著的振动并不罕见。结果，传感器寿命经常有限并且可能发生故障。与此相反，内燃(IC)发动机的排气系统的其他部件具有长的寿命。

典型地，高温传感器包括暴露于待测量的介质的尖端组装件。使用排出气体温度传感器，尖端组装件可以与排出气体接触。温度传感元件封装(house)在尖端组装件内，使得热通量转移到尖端组装件中。内部温度传感元件可以是正温度系数(PTC)热敏电阻或者负温度系数(NTC)热敏电阻。

排出气体传感器技术的几个示例是于2003年10月28日颁发给Murata等人的美国专利号6,639,505B2、于2004年12月14日颁发给Adachi等人的美国专利号6,829,820B2、于2012年12月11日颁发给Wienand等人的美国专利号8,328,419B2、于1998年11月3日颁发给Wienand等人的美国专利号5,831,512、于2012年12月18日颁发给Kamenov等人的美国专利号8,333,506、于2003年9月9日颁发给Zitzmann的美国专利号6,617,956以及于2002年3月5日颁发给Dietmann等人的美国专利号6,353,381，通过引用将这些专利的每个合并至此。

如图1中所例示的，排出气体温度(EGT)传感器在排气系统的出口中的常见定位在尖端上造成高的正和负温度梯度。梯度在金属管902的外部部分与金属管902的内部部分之间在尖端组装件900上造成差量(delta)。传感元件904典型地靠近金属管902的远端并且嵌入在水门汀浆料(cement paste)中。引线906运载来自传感元件904的信号。电引线906被机械耦合。标准方法是让矿物绝缘电缆与引线处于固定位置。

温度差量造成正和负的热冲击。由箭头908例示的负的热冲击在传感元件904上造成推力，如由箭头910所示。由箭头912例示的正的热冲击在传感元件904上造成拉力，如由箭头914所示。结果是内部部件、连接与电引线906之间严厉的压缩和拉伸应力。应力导致损坏和故障。

发明内容

考虑到上面，防止、减小或者最小化由温度梯度、振动和其他来源引起的机械应力将是有益的。解决诸如电引线以及电引线到各种部件的连接这样的较弱的点处的机械形变将特别有益。解耦释放由温度梯度强加的应力。

本技术的目的在于提供具有下面中至少一种的改进的温度传感器：可靠；制造成本更低；借助于半自动或者全自动生产工艺可大批量生产；持久耐用；以及经得起内燃发动机典型的高温和振动。

在一个实施例中，本主题技术提供允许排出气体温度传感器幸免于极端温度梯度和/或汽车振动的解耦机制。解耦机制的一个版本通过使用浮动连接导体造成测量尖端与传感器主体的力解耦。

在一个实施例中，本主题技术减小导线与导线连接中由于非常高的加热和冷却梯度而导致的应力，非常高的加热和冷却梯度导致内部部件的几种材料与电源线和温度传感元件之间的连接引线之间的过度的压缩和拉伸应力。通过引线和/或电源线的机械解耦或者浮动来减小应力。

在实施例中，本主题技术涉及包括传感元件106、206、306的传感器组装件100、200、300，至少一个电引线105、205、305从传感元件106、206、306延伸。管104、204、304封闭传感元件并且材料114、214、314围绕至少一个电引线并且在至少一个电引线周围限定空间116、216、316，使得当温度梯度造成推力和拉力时，至少一个电引线在空间内移动。传感器组装件还可以包括连接到管并且围绕材料的套筒120、220、320，连接到至少一个电引线的至少一个引线延伸体108、218、318，以及将传感元件固定在管的远端109、209、309的远端材料110、210、310。远端材料和材料可以在其间限定间隙112、212、312。优选地，传感元件是温度传感元件；材料是绝缘材料，远端材料是绝缘材料，并且至少一个引线延伸体与至少一个电引线之间的连接点107由材料支撑。

传感器组装件还可以包括连接到管并且围绕材料的套筒220，其中套筒具有中间弯曲部分228，至少一个电引线穿过那里。至少一个电引线可以是两个或多个引线。编织电源线218可以连接到引线，编织电源线被排列并且被配置在弯曲部分内以吸收两个引线由于温度梯度的移动。优选地，远端材料将传感元件固定在管的远端209，使得在材料与远端材料之间形成空气间隙212。近端材料232可以将编织电源线固定在套筒的近端232。覆盖物可以保护、支撑编织电源线并且将编织电源线电气绝缘。优选地，弯曲部分具有15-110°之间的弯曲角度α。连接器可以安装在套筒上，用于将传感器组装件耦合到排气系统。

在另一个实施例中，套筒120、220、320连接到管并且围绕材料，其中至少一个电引线305延伸通过套筒，在套筒内形成正弦形状，用于吸收由于温度梯度导致的移动。优选地，正弦形状包括两个弧形段309。套筒上的内层336可以为至少一个引线提供电气绝缘和机械阻尼。

应当意识到，可以以许多方式实现和利用本主题技术，包括但不局限于作为现在已知和随后开发的处理、装置、系统、设备和应用方法。其他特征和优点将从下面连同附随附图进行的详细描述中变得明显，附随附图作为示例例示实施例的各种特征。

附图说明

在下文将参考附图基于下面的描述说明这些和其他方面、性质和优点。

图1是现有技术尖端组装件的示意图，以例示正和负温度冲击。

图2是根据本主题技术的发动机系统的示意图。

图3是根据本主题技术的传感器组装件的部分横截面视图。

图4是根据本主题技术的另一种传感器组装件的横截面视图。

图5是根据本主题技术的再一种传感器组装件的横截面视图。

具体实施方式

本主题技术克服与高温传感器相关联的许多现有技术问题，尤其提高传感器的强健性。本文中公开的技术的优点和其他特征将从下面连同附图进行的某些优选实施例的详细描述中对本领域普通技术人员变得更加容易明白，附图呈现本技术的代表性实施例，并且其中类似的标号识别类似的结构元件。

参考图2，示出示例性发动机系统10的示意图。发动机系统10通过将废气排放物放置回到进气歧管14中而再循环从发动机12出来的气体的一部分，其中发动机12可以再次燃烧排放物，由此减少排放物。排气系统16具有许多部件，包括以简化方式示出的管道和配件(fittings)。排气系统16从排气歧管18收集热的发动机排放物进行随后的处理。排气系统16将排放物选择性地路由至可变涡轮几何结构(VTG)22。VTG 22具有进气口来供给低压EGR段24。在供给进气歧管14的高压EGR段26中还存在高压EGR冷却器28。EGR冷却器28使用发动机冷却液在使得排出气体再循环通过发动机的进气歧管14之前降低排出气体温度。降低发动机燃烧温度帮助防止氮氧化物(NOx)污染物的形成。

然而，大部分排放物仍然离开排气系统16。在排出之前，排放物经过三个催化转化器30a-c。催化转化器30a-c可以是任何类型和数量，诸如氧化催化转化器(DOC)、微粒氧化净化(POC)、柴油微粒过滤器(DPF)、NOC、NSC、SCRF、SCR、NST、DOC-DPF、NH3等，用于氧化排出气体并且去除废气烟尘颗粒以减少有害气体排放物。优选地，还存在第二低压EGR冷却器32，用于附加地供给空气到VTG 22。

重要地，发动机控制系统(未示出)与这些部件交互并且使用多个传感器监控各种参数。下面的描述涉及温度传感器，但是应当理解，本主题技术可适用于任何类型的传感器，包括但不局限于：压力传感器、温度和压力组合传感器以及氧气传感器。排气系统16具有多个温度传感器90a-j，它们可以或者不可以可互换。另外，发动机系统10可以是其中改装了根据本主题技术的温度传感器的现有发动机系统。根据本主题技术的传感器可适用于任何发动机系统，可以是柴油、汽油或者其他燃料类型发动机，并且不局限于任何特定类型的发动机或者其他传感应用。

现在参考图3，示出传感器组装件100的尖端组装件102的部分横截面视图。尖端组装件102包括管104，管104的远端109封闭传感元件106。优选地，管104由金属制造。传感元件130可以是任何类型的传感元件。

传感元件106具有从其延伸的传感器引线105。传感器引线105耦合到导线或者为了附加的长度而耦合到延伸引线108。在作为替代的实施例中，传感器引线105可以一直延伸到电气连接器(未示出)或者不同的长度。传感器引线105和延伸引线108诸如通过焊接在连接点107处连接在一起。在管104的远端区域中，材料110围绕传感元件106，用于提供支撑和保护。材料110优选地是绝缘材料并且也封闭传感元件106与引线108之间的连接点。

在附加的绝缘材料114围绕引线134之前，管104具有绝缘间隙112。保护套筒120围绕绝缘材料114。近端绝缘材料114在引线108周围造成空间116。在一个实施例中，空间116是径向的并且与后部相切。空间116允许如由轴向箭头“a”所示的引线108在两个方向上的自由移动。结果，当温度梯度造成推力和拉力时，引线108可以移动，这减小应力、减少疲劳并且减少故障。

现在参考图4，示出根据本主题技术的另一个传感器组装件200的横截面视图。传感器组装件200与上述传感器组装件100相类似，所以使用类似的标号。传感器组装件200包括具有远端管204的尖端组装件202。管204具有闭合的远端209和开放的近端211。当安装在发动机中时，管204暴露于待测量的介质。

管204封闭温度传感元件206。温度传感元件206可以是PTC或者NTC设备。引线205从温度传感元件206延伸并且借助于导线连接而电气并且机械地耦合到编织电源线218。引线205和电源线218可以通过焊接而耦合。在一个实施例中，引线205是直径在0.2-0.3mm范围内的镀线。

在另一个实施例中，在每个引线205上使用传导的管形结构以将引线205耦合到电源线218。电源线218可以是编织的以及矿物绝缘的电源线。矿物绝缘电源绞合线例如包括由合金601(60％wt.％镍、21wt.％铬、15wt.％铁和1.2wt.％铝)或者其他镍合金制成的绞合线。

根据情况不同，引线205和/或电源线218延伸通过保护套筒220。管204和套筒220可以由金属制成，诸如60％wt.％镍、21wt.％铬、15wt.％含铁物和1.2wt.％铝的合金或者其他不锈钢合金。

在套筒220的远端224，引线205和/或电源线218再次由绝缘材料214围绕，取决于绝缘材料214的配置和排列，这在引线205和/或电源线218周围形成空间216。结果，引线205和/或电源线218再次具有自由移动。引线205到电源线218的连接在近似绝缘材料214停止的位置的连接点207处发生。因为电源线218从绝缘材料214延伸，电源线218具有同样电气绝缘的保护编织覆盖物222。在作为替代的实施例中，连接点207在绝缘材料214之前、之中或者之后。

管204的开放近端211诸如通过压接、烧焊和/或其他技术连接到套筒220。连接器226同样安装在套管220上用于将传感器组装件200耦合到排气系统。连接器226可以具有用于附接的外螺纹等。参考图4，垂直虚线从连接器延伸以一般地例示环境将从热(例如，图4的左侧)过渡到冷(例如，右侧)的情况。在冷的一侧上具有诸如弹簧部分的应变消除是有益的，因为热的一侧上的过度热量软化并且改变弹簧部分的性能特性。弹簧部分可以是传统螺旋配置、弯曲的圆导线、弯曲的扁平导线、波浪形部分等。热的一侧上的温度可以超过500℃。

套筒220具有中间弯曲部分228。在套筒220的近端232，引线205或者电源线218(根据情况不同)再次固定在绝缘材料234中用于支撑。然而，在材料214与材料234的支撑之间，电源线218未被支撑，但是保持在套筒220内略微居中。编织物和编织覆盖物222向电气电源线218固有地提供结构支撑。

如所示，弯曲部分228的弯曲角度α近似为90°。在优选实施例中，角度α在15-110°之间。通过在套筒220中造成局部弯曲角度α，创建连接导线的浮动机制。弯曲角度α允许无须克服引线205和/或电源线218的刚度的移动。因为引线205和电源线218能够沿着尖端组装件轴“b”移动并且使得电源线218的弯曲部分曲折，由正和负梯度引起的位移和相关联的应力被减轻。优选地，电源线218上的编织物具有刚度和形状以便为引线205和电源线218的移动提供引导同时维持电气绝缘。在一个实施例中，离开传感元件的引线与电源线相比相对地刚性。因此，电源线可以容易地曲折以容纳移动。

现在参考图5，示出根据本主题技术的传感器组装件300的另一个实施例。使用类似的标号指示与连同上面描述的实施例而描述的那些相类似的元件。许多元件与前述实施例的那些基本上相同，并且因此不在这里进一步描述。传感器组装件300与传感器组装件200之间的差别在于套筒318是笔直的。

传感器组装件300具有从传感元件306延伸的相对更长的引线305。引线305经过绝缘材料314中的空气间隙或者空间316。由于延伸的长度，引线305可以一直延伸通过笔直的套筒320并且通过另一绝缘材料334中的近端固定点。然而，引线305不是笔直的而是形成正弦形状。如所示，引线305具有两个弧度段309，然而任何数量的弯曲都是可能的。引线305的正弦形状允许在由于温度梯度的移动期间曲折。弧形段309具有弯曲角度β。套筒320的内侧具有内层336。内层336为引线305提供电气绝缘和机械阻尼。内层336可以包括多个层。

当由正和负梯度引起位移时，引线305能够以比断裂点更小的力吸收移动。引线305可以在两个方向上移动。正弦形状的计划压缩移动避免可能引起具有固定引线的标准矿物电缆的故障的传统水门汀(cement)和连接点的脆性和缺乏延展性。可以设想在相同的传感器组装件中使用弯曲的套筒和弯曲的引线。该组合将允许期望的内部移动以减少和减轻由温度梯度引发的应力。优选地，移动可以容纳(accommodate)0.2mm或者更多。弧形段309的强度由多个因素确定，包括但不局限于：各段的振幅、半径和厚度。对推力/拉力移动的低阻力的参数的选择导致应变消除机制的强健、持久和可靠操作。

相关领域的普通技术人员应当领会到，在作为替代的实施例中，几个元件的功能可以由更少的元件或者单个元件实行。类似地，在一些实施例中，任何功能元件可以执行比相对于所例示的实施例而描述的那些更少或者不同的操作。同样，为了例示的目的而描述为不同的功能元件(例如，管、绞合线、套筒、涂层等)在特定的实现方式中可以合并在其他功能元件内。而且，材料和部件可以由几种材料构成并且采取许多期望的形状。可以设想本主题技术特别适用于排出气体温度传感器(EGTS)以及其他领域和应用。减小的应力非常有效地增加EGTS的寿命。所公开的实施例具有圆柱形形状。可以设想可以使用任何其他形状，诸如椭圆形或者多边形。

本文中所公开的所有专利、专利申请和其他参考文献的全部内容通过引用显式地合并至此。虽然已经根据几个实施例描述了本主题技术，但是可以考虑当阅读说明书时以及当研究附图时，其替代方案、修改、置换和等同物将对本领域技术人员来说明显。本发明不局限于所例示的实施例，而是打算涵盖如由随附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的修改。

Claims (13)

1.一种传感器组装件，包括：

传感元件，至少一个电引线从所述传感元件延伸；

管，封闭所述传感元件；以及

围绕所述至少一个电引线并且在所述至少一个电引线周围限定空间的材料，使得当温度梯度造成推力和拉力时，所述至少一个电引线在所述空间内移动。

2.根据权利要求1所述的传感器组装件，还包括：

套筒，连接到所述管并且围绕所述材料；

至少一个引线延伸体，连接到所述至少一个电引线；以及

远端材料，将所述传感元件固定在所述管的远端，其中所述远端材料和所述材料在其间限定空气间隙。

3.根据权利要求2所述的传感器组装件，其中：所述传感元件是温度传感元件；所述材料是绝缘材料；所述远端材料是绝缘材料；所述至少一个引线延伸体与所述至少一个电引线之间的连接点由所述材料支撑；并且所述套筒具有所述至少一个电引线穿过的中间弯曲部分。

4.根据权利要求3所述的传感器组装件，其中所述弯曲部分具有15-110°之间的弯曲角度α。

5.根据权利要求2所述的传感器组装件，

其中所述至少一个电引线是两个引线，并且

所述传感器组装件还包括：连接到所述两个引线的编织电源线，所述编织电源线被排列并且被配置在所述中间弯曲部分内以吸收所述两个引线由于温度梯度的移动；将所述编织电源线固定于所述套筒的近端的近端材料；以及用于保护、支撑所述编织电源线并且使所述编织电源线电气绝缘的覆盖物。

6.根据权利要求2所述的传感器组装件，还包括安装在所述套筒上用于将所述传感器组装件耦合到排气系统的连接器。

7.根据权利要求1所述的传感器组装件，其中所述至少一个电引线具有弹簧部分。

8.根据权利要求7所述的传感器组装件，其中围绕所述材料的所述管的第一部分暴露于排出气体，并且所述管的第二部分暴露于环境条件，所述弹簧部分在所述第二部分内。

9.根据权利要求8所述的传感器组装件，其中所述材料在所述管的所述第一部分和第二部分内延伸。

10.根据权利要求1所述的传感器组装件，还包括：

套筒，连接到所述管并且围绕所述材料，其中所述至少一个电引线延伸体通过所述套筒，在所述套筒内形成正弦形状，用于吸收由于温度梯度导致的移动。

11.根据权利要求10所述的传感器组装件，其中所述正弦形状包括两个弧形段。

12.根据权利要求10所述的传感器组装件，还包括所述套筒上的内层，用于为所述至少一个引线提供电气绝缘和机械阻尼。

13.一种传感器组装件，包括：

传感元件，电引线从所述传感元件延伸，所述电引线具有弹簧部分；

管，封闭所述传感元件；以及

围绕至少一个电引线并且在所述电引线周围限定空间的材料，使得当温度梯度造成推力和拉力时，所述至少一个电引线在所述空间内移动并且所述弹簧部分提供应变消除。