CN114878024A - 高温感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明包括的实施例针对高温感测装置，具体为一种温度传感器及其制造方法。传感器可以包括电源线和带有底端部分和开口端部分的底部金属管，开口端部分机械地连接到电源线，其中底端部分包括至少一个锥形区域。温度感测元件可以包含在所述底部金属管中。导线连接件可以将温度感测元件机械地和电气地联接到电源线，其中温度感测元件固定在支撑结构中。

Description

高温感测装置

相关申请的交叉应用

本主题申请要求2021年2月5日提交的序列号为No.63/146,200的美国临时申请的权益。其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本主题技术涉及温度传感器，尤其涉及高温传感器，例如排放气体温度传感器。本主题技术进一步涉及一种用于生产温度传感器的方法。

背景技术

通常，高温传感器由暴露于待测量介质的外部护罩组成。更具体地，这是排放气体温度传感器的情况，其中外部护罩与排放气体接触，而内部温度感测元件与将热通量从外部传导并传递到内部的内部介质接触。内部温度感测元件可以是正温度系数(PTC)热敏电阻或负温度系数(NTC)热敏电阻。

高温传感器受到非常高的加热和冷却梯度的影响。梯度导致内部部件、连接件和引线的几种材料之间的压缩和拉伸应力过大。应力可能导致内部部件和导体的损坏，这些内部元件和导体承载着代表内部温度感测元件所感测的温度的输出信号。

美国专利No.6,639,505B2公开了一种温度传感器，其中热敏电阻元件与金属外壳之间的距离不大于0.3mm，并且热敏电阻元件和金属外壳经由绝缘构件彼此接触。绝缘构件可以是晶化玻璃或陶瓷。绝缘构件消除了热敏电阻元件和金属外壳之间的不期望的间隙。

美国专利No.6,829,820B2公开了一种制造温度传感器的方法。将热敏电阻元件插入有底部金属管中，同时用填料材料(优选为硅油)填充金属管的内部，以减少热敏电阻元件与金属管之间的滑动阻力，热敏电阻元件和金属管作为一体的温度感测结构随后将安装在壳体中。将热敏电阻元件插入金属管中之后，对金属管进行加热，以使硅油中的油组分挥发。该方法减少了在将热敏电阻放置在金属管中期间由于热敏电阻的电极导线的弯曲而导致的缺陷。

在上述温度传感器中，由测量电阻器与电源线电缆之间的温度变化和振动引起的导体上的应力导致导体的磨损。在美国专利No.8,328,419B2中，公开了对这个问题的解决方案。热去耦导线布置在测量电阻器与电源线电缆的股线之间。热去耦导线作为螺旋弹簧粘贴在矿物绝缘电源线电缆的股线上，并将测量电阻器弹性地连接到电源线电缆。

发明内容

如下文将更详细地讨论的，本公开的实施例针对温度传感器及其制造方法。传感器可以包括电源线和带有底端部分和开口端部分的底部金属管，开口端部分机械地连接到电源线，其中底端部分包括至少一个锥形区域。温度感测元件可以包含在所述底部金属管中。导线连接件可以将温度感测元件机械地和电气地联接到电源线，其中温度感测元件固定在支撑结构中。

可以包括以下特征中的一个或更多个。所述至少一个锥形区域可以包括第一锥形区域和第二锥形区域。底端部分可以包括圆形末端。支撑结构可以包括填充有灌封材料的金属杯，并且温度感测元件位于灌封材料中。支撑结构可以包括由陶瓷或水泥复合物制成的主体。底端部分可以包括球形部分。灌封材料可以包括在第一锥形区域和第二锥形区域内。传感器可以包括在支撑结构与底部金属管的底部部分之间的滑动间隙。滑动间隙可以用高温涂层或气体填充。温度传感器可以包括高温传感器。

在本公开的另一个实施例中，提供了一种用于生产温度传感器的方法。该方法可以包括将温度感测元件嵌入支撑结构中，并将温度感测元件机械地联接到电源线的股线。该方法可以进一步包括将支撑结构定位在底部金属管的底端部分中，其中支撑结构定位在底端部分的至少一个锥形区域内，并将电源线机械地连接到底部金属管的开口端部分。

可以包括以下特征中的一个或更多个。所述至少一个锥形区域可以包括第一锥形区域和第二锥形区域。底端部分可以包括圆形末端。该方法还可以包括用灌封材料填充位于支撑结构内的金属杯，并将温度感测元件定位在灌封材料中。支撑结构可以包括由陶瓷或水泥复合物制成的主体。底端部分可以包括球形部分。该方法可以进一步包括将灌封材料包括在第一锥形区域和第二锥形区域内。该方法还可以包括在支撑结构与底部金属管的底部部分之间形成滑动间隙。该方法可以另外地包括用高温涂层或气体填充滑动间隙。温度传感器可以是高温传感器。

在下文的附图和描述中阐述了一个或更多个示例性实施方式的细节。从描述、附图和权利要求中，其他可能的示例性特征和/或可能的示例性优点将变得显而易见。一些实施方式可能不具有那些可能的示例性特征和/或可能的示例性优点，并且这些可能的示例性特征和/或可能的示例性优点可能不是一些实施方式所必需的。

提供该概述是为了介绍将在下文的详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的基本特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

参考以下附图描述本公开的实施例。

图1是根据本主题技术的高温传感器的第一实施例的示意性剖视图；

图2是根据本主题技术的高温传感器的第二实施例的示意性剖视图；

图3是根据本主题技术的温度传感器在组装状态期间的示意性剖视图；

图4是根据本主题技术的图3中的温度传感器组装后的示意剖视图；

图5是根据本主题技术的温度传感器组装后的示意性剖视图；

图6是根据本发明的温度传感器组装后的示意剖视图；

图7A是温度传感器的示意性剖视图，示出了现有方法中RTD在气流中的暴露，以及图7B是根据本发明的温度传感器组装后的示意性剖视图；

图8示出了与本公开的实施例一致的膨胀/收缩曲线图；以及

图9示出了与本公开的实施例一致的基于测试数据的时间与故障预期的曲线图。

不同附图中相同的附图标记可以表示相同的元件。

具体实施方式

下文的讨论针对某些实施方式。应该理解，下文的讨论仅仅是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本文任何公开的专利中发现的专利“权利要求”现在或以后定义的任何主题。

具体而言，所要求保护的特征组合不限于本文所包含的实施方式和图示，而是包括那些实施方式的修改形式，包括在所附权利要求的范围内的部分实施方式和不同实施方式的元素组合。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多实施特定的决定来实现开发者的特定目标，比如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，这种开发努力可能复杂且耗时，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，这不过是设计、制作和制造的常规任务。除非明确指出是“关键”或“必要”，否则本申请中任何内容均不被视为对所要求保护的发明是关键或必要的。

还应当理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一对象或步骤可被称为第二对象或步骤，并且类似地，第二对象或步骤可被称为第一对象或步骤，而不脱离本发明的范围。第一个对象或步骤以及第二对象或步骤分别是对象或步骤，但不能将它们视为同一对象或步骤。

图1示出了温度传感器10的第一实施例的末端100的示意性剖视图。温度传感器10可以特别适用于测量高温，比如高达900℃。温度传感器10可为排放气体温度传感器。本主题技术公开了一种在热循环中提高封闭壳体传感器的寿命的解决方案。排放管道中的温度可能在200℃-900℃之间快速变化。

温度传感器10可以包括底部金属管102，该底部金属管具有底端部分102A 和开口端部分102B，该底端部分具有封闭底部105。底部金属管102可以形成暴露于待测量介质的外部护罩形状。底部金属管102可以形成温度感测元件104 设置于其中的内部。温度感测元件104可以为PTC或NTC装置。温度感测元件 104可以位于金属杯106A中。金属杯106A与温度感测元件104之间的空间可用灌封材料106B填充，以形成支撑结构106。任何具有良好传热特性以将热通量从外部传递到内部的材料都可用作灌封材料106B。灌封材料106B可以将感测元件104固定在金属杯106A中。合适的灌封材料106B的示例为氧化铝、氧化锆、氧化镁或其他金属氧化物、陶瓷和/或水泥复合物。

在一些实施例中，温度感测元件104的导体104A可以通过导线连接件电气和机械地联接到矿物绝缘电源线108的股线108A。导体104A和股线108A可通过焊接联接。在一个实施例中，温度感测元件104的导体104A可以是直径在 0.2-0.3mm范围内的电镀导线。在图1中，导电管状结构110可用在每个导体 104A上，以将温度感测元件104的导体104A联接到电源线108的股线108A。在导电管状结构110的一端处，温度感测元件104的导体104A可以固定到该导电管状结构110。导体104A可以在结构110的开口中滑动，并且随后通过例如压接或焊接固定。以类似的方式，矿物绝缘电源线108的股线108A可以固定到导电管状结构110。每个管状结构110中的空置空间110A可以在导体104A与股线108A之间延伸以进行分隔。

在一些实施例中，矿物绝缘电源线或股线对本领域技术人员来说通常是已知的。矿物绝缘电源股线108例如包括由合金601(60wt.(重量份)％的镍、 21wt.％的铬、15wt.％的铁和1.2wt.％的铝)或其他镍合金制成的股线108A。股线108可以嵌入高度压实的矿物粉末108B中，所述矿物粉末可被保护性金属套管108C包围，该保护性金属套筒由合金601(60wt.％的镍、21wt.％的铬、 15wt.％的铁和1.2wt.％的铝)或其他不锈钢合金(如310H)制成。

在一些实施例中，底部金属管102的开口端102B可以比如通过压接、焊接和/或其他技术连接到矿物绝缘电源线108的金属套管108C。

在一些实施例中，金属杯104和灌封材料106B形成支撑结构106，温度感测元件104可以固定在该支撑结构中。金属杯104可以包括具有外周的横截面，该外周的形状类似于底部金属管102的底端部分102A的横截面的内周。支撑结构的外周小于底端部分102A的内周。以这种方式，由于金属杯106A与底端部分102A之间的滑动间隙103，支撑结构106可以在底端部分102A中沿细长底部金属管102的轴线120长久地移动。底部金属管102可以朝向底端部分102A 变窄。

在一些实施例中，支撑结构106与底部金属管102之间的滑动间隙可以是膨胀/收缩间隙，其吸收热膨胀系数(CTE)失配和加热或冷却阶段期间的非等温加热。滑动间隙允许支撑结构106在底端部分102A中沿底部金属管102的主体轴线120移动。例如，当底部金属管102的加热速度快于连接件108A、110 等时，支撑结构106可以在底端部分102A中向上移动，并且底部金属管102的底部可以移动远离支撑结构106的远侧末端。结果，底部间隙112A在底部金属管102的底部与支撑结构106的远侧末端之间增加。底部间隙112A确保当介质的温度快速冷却并且导线连接件的温度远高于底部金属管102的温度时，导线连接件不会受到压缩应力。

借助于滑动间隙和底部间隙112A，支撑结构106可以为底部金属管102中的“浮动”体。与温度感测元件固定在底部金属管中的实施例相比，金属管102 的外部护罩可从支撑结构106分离的这种结构降低了首先暴露于测量介质(在一种特定情况下，排放气体)的波动温度冲击下的导线连接件中的压缩应力和拉伸应力。滑动间隙和底部间隙可以是空气间隙。然而，所述间隙也可以用高温惰性材料或涂层(如氧化锆、氧化铝、氧化镁)或气体填充。

图2示出了温度传感器10的末端100的第二实施例的剖视图。末端100与图1中的第一实施例的不同之处在于，温度感测元件104可以嵌入陶瓷或水泥结构106'中。在该实施例中，陶瓷或水泥结构106'形成支撑结构。任何耐高温的耐火材料都可用作水泥结构。用于结构106'的合适材料的示例是氧化铝、氧化锆、氧化镁或其他金属氧化物、陶瓷或水泥复合物。底部金属管102的内侧可以覆盖有涂层114，该涂层减小了支撑结构106'与底部金属管102之间的摩擦。涂层的材料的示例是硬脂酸镁。此外，在涂层与支撑结构106'之间可存在小的滑动间隙。

在一些实施例中，利用滑动间隙，支撑结构106'可能在底部金属管102中横向移动。支撑结构的主体轴线与底部金属管102的主体轴线120重合，这促进了横向移动，尤其是主体轴线在可能相对较窄的底端部分102A中重合。支撑结构106'的横向移动可能导致支撑结构106'和/或底部金属管102和导线连接件(例如，导体104A、股线108A、导电管110、导体与温度感测元件104之间的接头等)的磨损。为了减少支撑结构106'在底部金属管102中的横向移动，在将支撑结构106'定位在底部金属管102中之前、之时或之后，所有或部分导线连接件略微弯曲。由于这种弯曲，支撑结构106'被略微按压到底部金属管102的内侧。

这种弯曲可应用于本文包括的任何实施例及其变型。图3和图4示出了如何实现这种弯曲的实施例。

图3示出了在将支撑结构插入底部金属管102的底部部分102A中之前，矿物绝缘电源线108、导电管状结构110、温度感测元件104和支撑结构106的组装。在将支撑结构106定位在底部部分102A中时，金属绝缘电源线108的端部具有主体轴线116，该主体轴线与底部金属管102的主体轴线120成一直线。在将底部金属管102插入并连接到矿物绝缘电源线108之后，假设底部金属管102 的主体轴线116、120与矿物绝缘电源线108成一直线。

然而，支撑结构106具有下部主体轴线118，该下部主体轴线与矿物绝缘电源线108的主体轴线116或者底部金属管102的主体轴线120不重合。在图3 的示例中，支撑结构106的下部主体轴线118可以通过导线连接件中的弯曲部 107相对于矿物绝缘电源线108的主体轴线116成角度。温度感测元件104可以直立地定位在支撑结构106中。也可采用直导线连接件，并且将温度感测元件成角度地定位在支撑结构中。在一个实施例中，角度在1-5°的范围内，但不限于此。

在一些实施例中，当将支撑结构106插入底部部分102A中时，可以迫使支撑结构106将其主体轴线118与底部金属管102的主体轴线120更成一直线。这可通过弯曲导线连接件来实现。设想支撑结构106可以抵靠底部金属管102 的内侧壁109滑动。图4示出了将支撑结构106定位在底部金属管102中之后的温度传感器元件104。支撑结构106的远端122A在距底部金属管102的底部第一距离d1处接触底部金属管102的侧壁。支撑结构的近端122B在距底部金属管102的底部第二距离d2处接触底部金属管102的侧壁的相对部分。支撑结构106的下部主体轴线118目前几乎与底部金属管102和矿物绝缘电源线108 的主体轴线116、120成一直线。以这种方式，支撑结构106可以固定以防止横向移动，但支撑结构106仍然可在底部金属管102中轴向移动。导线连接件的刚度限定了支撑结构106与底部金属管102之间的摩擦力，并且因此限定了作用在导线连接件上的力，以使支撑结构106在底部金属管102中在轴向方向上移动。

在一些实施例中，只要支撑结构106的主体轴线118偏离矿物绝缘电源线 108的主体轴线116，支撑结构106就可以以一定的有限摩擦力定位在底部金属管102中。支撑结构106可以在摩擦力的作用下在底部金属管102的轴向方向上移动。导线连接件具有刚度，使得当摩擦力作用在导线连接件上时，导线连接件不会变形。

用于生产上述温度传感器的方法可以包括以下操作：将温度感测元件嵌入支撑结构中；将温度感测元件机械地联接到矿物绝缘电源线的股线上，以获得组装部件；将支撑结构定位在底部金属管的底端部分中；以及将矿物绝缘电源线机械地连接到底部金属管的开口端部分。优选地，在将底部金属管连接到矿物绝缘电源线之前，支撑结构具有与矿物绝缘电源线的近端的主体轴线不重合的主体轴线。在将组装部件联接到底部金属管之后，电源线的近端的主体轴线基本上与底部金属管的主体轴线重合。在插入之前，支撑结构的主体轴线可以相对于电源线的近端的主体轴线成一定角度。

现在参考图5-9，本公开的实施例提出了一种用于改进图1-4中描述的高温传感器设计的系统和方法。本文包括的实施例还涉及一种用于生产这种高温传感器的改进方法。本文包括的实施例可被配置为消除与底盖/底部金属管102的生产技术相关的一些缺陷。本公开的实施例还可以通过支撑所需的释放箱灌封材料和金属盖来减小传递到传感器内部构件的力。

如图5所示，前盖的示例具有两个柱形区域以及位于传感器的末端的平坦底部。由于金属盖生产技术，该金属盖可以机械地锁定和/或夹紧柱形区域中的灌封材料，从而在操作期间防止灌封材料的有意释放。这在芯片的导线中引入了高应力，并且可能发生电气路径的中断。

在本示例中，所用材料可能未进行温度处理(退火)，并且当暴露于应用温度时，允许其形状的进一步改变/收缩。材料的示例包括但不限于镍基合金，如 Inconel。由于高温下的材料结构变化而导致的此类形状的减小也支持金属盖在灌封材料上的机械锁定和/或夹紧。

现在参考图5，提供了描绘高温传感器500的实施例。在该特定实施例中，传感器500被分成多个部段(即，传感器的元件或部分)，下文将进一步详细讨论每个部段。传感器500可以包括感测元件502，该感测元件可以包括主体和连接导线504。链接导体506可以位于感测元件502与矿物绝缘电缆之间。传感器 500内可以包括填料/灌封材料508。这可以包括任何类型的高温耐火绝缘材料，并且其可以操作以在操作期间机械地支撑感测元件502以及向其提供适当的热传递。小滑动间隙510可以位于灌封材料508和与金属盖512相关联的壳体之间。这可以通过在生产期间施加涂层来实现，并且可以操作以确保灌封材料508与金属盖512之间的低摩擦，从而促进它们之间的释放。

在一些实施例中，金属盖512可以用作灌封材料508、链接导体506和/或感测元件502的壳体。它还提供免受应用环境影响的机械和化学保护以及对内部构件的热传递。空气间隙514可以设计为在有效测量区域与传感器主体之间提供热隔离。

在一些实施例中，传感器500可以包括矿物绝缘电缆516，该矿物绝缘电缆可以包括金属护套518、导体520和绝缘材料522。它用于在感测元件502与传感器柔性电缆之间提供电连接，以确保两个导体之间的绝缘，并在前盖512与传感器主体的其余部分之间提供机械连接。

在一些实施例中，传感器500可以包括金属盖512的底部封闭端524以及平坦底部与柱形区域之间的过渡。第一金属盖柱形区域526显示为由直径D1、 D2和D3限定，而第二金属盖柱形区域528显示为由直径D4和D5限定。

在RTD的操作期间，高温传感器可能经历高梯度的温度变化。这种环境导致金属盖512与传感器500的内部构件502、504、506等之间的温度膨胀状态不匹配。在加热梯度期间，传感器500的金属盖512的膨胀速度比内部构件更快，并且低摩擦允许在主体与内部构件之间产生间隙，而不会在连接元件上引起应力和应变。

在操作循环的冷却梯度部分期间，发生相反顺序的事件。金属盖512可以首先冷却，而内部部件在瞬态和持续时间内更热。由于热膨胀系数(CTE)和所有部件的膨胀，金属盖512在感测元件502和填料材料508上施加轴向力。低摩擦用于减少沿传感器500的固态主体的连接引线和部件上的轴向应力，并且主要在操作循环的加热部分中被证明是有效的。

然而，在实践中，已检测并证明，由于金属盖512的生产技术，这种配置可能具有一些阻止传感器500的可靠操作的不期望的特征。不期望的特征可包括柱形区域526和528中的倒锥形形状。这意味着第一柱形区域526中的D2>D3，以及第二柱形区域528中的D4>D5。另一个问题是在平坦底部与第一柱形区域 526之间的过渡中形成“底切”特征。底部与柱形区域之间的径向过渡适应了深拉生产过程中的高机械应力。这导致该径向区域的局部变薄，并且盖形状的最终效果是直径D1>D2。

在传感器500的操作中，传感器可以达到将启动/产生金属盖材料的退火的高温。这种过程可导致金属盖512的形状的收缩(直径尺寸的减小)，从而增加盖512与灌封材料508之间的摩擦。

相比之下，也参考图6，本发明的实施例可以用锥形区域代替一个或更多个柱形区域。锥形区域可以更好地支撑灌封材料的释放。锥形区域还可以消除可能导致机械夹紧的盖生产缺陷。一些实施例可以将圆形底部形状添加到前盖的几何形状。圆形底部形状可以消除在平坦底部与柱形形状(底切)之间的过渡中的盖生产限制。圆形底部形状可以在操作循环的加热和冷却梯度期间优化传感器内部构件上的传递应力。

更具体地，图6描述了包括感测元件602的传感器600，该感测元件可以包括主体和连接件导线604，类似于以上图5中所示。链接导体606可以设置在感测元件602与矿物绝缘电缆之间。传感器600内可以包括填料/灌封材料608。此类材料可以是任何类型的高温耐火绝缘材料，并且其可以操作以在操作期间机械地支撑感测元件602以及向其提供适当的热传递。

在一些实施例中，在灌封材料608与金属盖612之间可以包括小滑动间隙 610。这可以通过在生产期间施加涂层来实现。间隙619可以确保灌封材料608 与金属盖612之间的低摩擦，从而有助于它们之间的释放。

在一些实施例中，金属盖612可以用作灌封材料608、链接导体604和感测元件602的壳体。金属盖612还可以提供免受应用环境影响的机械和化学保护以及对内部构件的热传递。可以包括空气间隙614，该空气间隙可以设计为在有效测量区域与传感器主体之间提供热隔离。

在一些实施例中，传感器600可以包括矿物绝缘电缆616，该矿物绝缘电缆可以包括金属护套618、导体620和绝缘材料622。电缆616可以操作以在感测元件602与传感器柔性电缆之间提供电连接，以确保两个导体之间的绝缘，并在盖612与传感器主体的其余部分之间提供机械连接。

在一些实施例中，传感器600可以包括金属盖612的具有球形形状的底部封闭端624。第一金属盖锥形区域626显示为由直径D1、D2和D3限定，而第二金属盖锥形区域628显示为由直径D4和D5限定。

图6所示的特定实施例提供了优于现有解决方案的众多优势。第一金属盖锥形区域626和第二金属盖锥形区域628中形成倒锥形形状在这些部段中产生正释放角度。在改进的金属盖设计中，柱形区域变为锥形区域，其中D3>D2且 D5>D4。

在一些实施例中，图5的平坦底部与柱形区域之间的过渡中的底切特征通过在底部封闭端624内结合半球体而得到改善。球形底部形状可以确保该区域中的平滑过渡和更好的应力分布，从而防止金属的局部变薄。

在图6所示的高温传感器的一些实施例中，金属盖612可以在组装之前进行热处理，以便在使用寿命期间暴露于高温时稳定零件的形状。在一些实施例中，金属盖的高温热处理可在金属盖供应商处进行。

在高温传感器600的一些实施例中，前盖612和传感器600的一部分中的填料/灌封材料608的体积可能暴露于气体流或环境中，如图7A-7B所示(其中图7A示出了图5的示例，而图7B示出了图6的示例)。通过仅将填充有增加量的灌封材料的前盖部段暴露于气体流或环境中，可以提高温度梯度期间的热传递速率。对于高负载应用，比如柴油和汽油T3(前置涡轮增压器)位置，可能需要进行这种暴露调节。在不需要高负载应用的应用中，高温传感器增加了稳健性。这些实施例进一步减小了前盖和内部部件中的膨胀和收缩差异，因此减小了应力并提高了传感器600的寿命。

本文包括的实施例可以通过增加灌封材料和减少暴露于气体流的传感器部分来提供优于现有解决方案的许多优点。在一些特定实施例中，如图7所示，可以通过限制仅填充有灌封材料的部段的暴露，获得最佳结果。该限制可能最适用于柴油和汽油的T3(前置涡轮增压器)应用，而在其他应用中，即使不需要也能增加稳健性。这些变化的效果可以最小化金属盖612与传感器600的内部部件之间的绝对膨胀和收缩差异。

现在参考图8，示出了描述该原理的示意图800。通过最小化传感器系统中的压缩力，提高了寿命，并实现了低摩擦概念的全部效果。图8示出了与先前方法相关的潜在间隙(随着温度变化，膨胀和收缩瞬时伸长)。在加热循环期间，现有技术的解决方案允许减轻远离填料和内部部件的盖线性膨胀产生的拉伸力。然而，在操作循环的冷却部分期间，压缩力未得到解决。压缩力缩短了传感器的寿命时间。具有所有应用解决方案的本发明实施例的有限元分析(“FEA”)显示，在FEA研究中的假设条件下，压缩力几乎被消除。增加填料材料的较大热质量和限制气体流中的暴露的结合降低了传感器的各部件之间的膨胀和收缩的瞬态极限。在图8中，各部件之间的蓝线增量证明其从未进入负间隙(压缩)。

通过生产样品的物理测试，证实了本公开教导的综合效果。两组现有方法 (“现有技术”)和本发明均在以下热冲击条件下进行了测试：

-峰值温度：900℃

-加热梯度：200K/s，0.75mm TC

-冷却梯度：800K/s，0.75mm TC

-经历循环：10,000或故障

图9所示的寿命曲线图示出了使用本文所述方法提高寿命。90％数量的预期寿命可能增加6倍以上。虽然在现有技术中20％的传感器预期在热冲击试验中实现目标循环，但使用本发明教导的95％的传感器预计能够留存。

与现有方法相比，本公开的实施例提供了许多优点。在一些实施例中，本公开提供了填充有灌封材料的部分中的锥形区域和整体正释放角度的定义。这有助于更好地释放灌封材料，还消除了现有方法导致的盖生产缺陷。

在一些实施例中，本公开提供了球形/圆形底部形状的金属盖。它的引入是为了消除平坦底部与柱形形状(在现有解决方案中)之间的过渡中的盖生产限制，从而在操作循环的加热和冷却梯度期间将传感器内部构件上的传递应力降至最低。

在一些实施例中，本公开提供了在金属盖生产流程中热处理工艺的引入，以便在进一步暴露于高温时稳定几何形状。在金属盖与灌封材料之间使用空气间隙可能是实现低摩擦概念及其优势的必要条件。该间隙可以通过在生产过程中在金属盖的表面上涂覆涂层来实现。

在一些实施例中，前盖和传感器的一部分中的填料/灌封材料的体积可能暴露于气体流或环境中。在温度梯度期间，仅将填充有增加量的灌封材料的前盖部段暴露于气体流中可以提高热传递速率。这种特殊限制可能最适用于柴油和汽油的T3(前置涡轮增压器)应用，而在其他应用中则不需要，但增加了稳健性。

本公开的实施例提供了优于现有技术的许多优点。如上所述，本文包括的实施例可以包括一个或更多个锥形区域和传感器前盖的球形/圆形末端，这可以有助于最小化部件的生产技术中妨碍摩擦减小的缺陷。可以通过在钝化环境中退火/热处理前盖部件来实现进一步的改进，以消除生产过程中产生的并且阻碍流动摩擦操作的潜在应力。附加地和/或替代地，实施例可以包括在前盖与灌封材料之间施加涂层，以便防止粘附并实现低摩擦，从而实现低的力传递。可以根据需要来调整传感器的暴露。例如，通过增加灌封材料的量和限制传感器在排放气体流中的暴露，可在传感器内部构件中实现更好的热膨胀-收缩动态。这为关键部件提供了低作用力，并延长了传感器的使用寿命。

本文使用的术语是用于描述特定的实施例，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加有一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

所附权利要求中的相应结构、材料、动作以及装置或步骤加功能元件的等同物旨在包括用于与其他要求保护的元件组合以执行功能的任何结构、材料或动作，如具体要求保护的那样。出于说明和描述的目的，已经呈现了本公开的描述，但是本公开的描述并不旨在穷举或局限于所公开形式的公开内容。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述该实施例是为了最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例的公开内容。

尽管上文已详细描述了一些示例性实施例，但本领域技术人员将容易理解，在示例性实施例中可以进行许多修改，而不会在实质上脱离本文描述的本公开的范围。因此，此类修改旨在包括在如所附权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中，装置加功能条款旨在涵盖本文所述的执行所述功能的结构，并且不仅包括结构等同物，还包括等效结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用柱形表面将木质部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面，但是在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等效结构。申请人明确表示不援引35U.S.C.§112第6段对本申请中的任何权利要求的任何限制，除非权利要求明确使用“用于…装置”和相关功能的术语的限制除外。

因此，通过参考本申请的实施例详细描述了本申请的公开内容，显然，在不脱离所附权利要求中限定的本公开范围的情况下，可以进行修改和变型。

Claims (20)

1.一种温度传感器，包括：

电源线；

底部金属管，其具有底端部分和开口端部分，所述开口端部分机械地连接至所述电源线，其中所述底端部分包括至少一个锥形区域；

温度感测元件，其包含在所述底部金属管中；以及

导线连接件，其将所述温度感测元件机械地和电气地联接到所述电源线，其中所述温度感测元件固定在支撑结构中。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述至少一个锥形区域包括第一锥形区域和第二锥形区域。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述底端部分包括圆形末端。

4.根据权利要求2所述的温度传感器，其中，所述支撑结构包括填充有灌封材料的金属杯，并且所述温度感测元件位于所述灌封材料中。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述支撑结构是由陶瓷或水泥复合物制成的主体。

6.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述底端部分包括球形部分。

7.根据权利要求4所述的温度传感器，其中，所述灌封材料包括在所述第一锥形区域和所述第二锥形区域内。

8.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述传感器包括在所述支撑结构与所述底部金属管的底部部分之间的滑动间隙。

9.根据权利要求8所述的温度传感器，其中，所述滑动间隙填充有高温涂层或气体。

10.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述温度传感器是高温传感器。

11.一种用于生产温度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

将温度感测元件嵌入支撑结构中；

将所述温度感测元件机械地联接到电源线的股线；

将所述支撑结构定位在底部金属管的底端部分中，其中所述支撑结构位于所述底端部分的至少一个锥形区域内；以及

将所述电源线机械地连接到所述底部金属管的开口端部分。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个锥形区域包括第一锥形区域和第二锥形区域。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述底端部分包括圆形末端。

14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

用灌封材料填充位于所述支撑结构内的金属杯；以及

将所述温度感测元件定位在所述灌封材料中。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述支撑结构是由陶瓷或水泥复合物制成的主体。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述底端部分包括球形部分。

17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：

将所述灌封材料包括在所述第一锥形区域和所述第二锥形区域内。

18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

在所述支撑结构与所述底部金属管的底部部分之间形成滑动间隙。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

用高温涂层或气体填充所述滑动间隙。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述温度传感器是高温传感器。

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