FR3075955A1 - HIGH TEMPERATURE SENSOR WITH FRITTE CERAMIC CAP - Google Patents
HIGH TEMPERATURE SENSOR WITH FRITTE CERAMIC CAP Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention a pour objet un capteur de température (1) pour véhicule automobile et son procédé de fabrication. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes: - frittage d'une poudre de matériau céramique dans une enveloppe de protection (3) de façon à obtenir un matériau céramique fritté formant un matériau isolant électrique (10), - formation d'un logement (31) dans ledit matériau isolant électrique (10) configuré pour recevoir un élément sensible à la température (2), - introduction de l'élément sensible à la température (2) dans le logement (31), et - fixation de l'enveloppe de protection (3) à une gaine isolante (5) entourant une portion de deux liaisons électriques (4) reliée à l'élément sensible à la température (2).The present invention relates to a temperature sensor (1) for a motor vehicle and its manufacturing process. According to the invention, the method comprises the following steps: - sintering a powder of ceramic material in a protective envelope (3) so as to obtain a sintered ceramic material forming an electrical insulating material (10), - formation of a housing (31) in said electrical insulating material (10) configured to receive a temperature sensitive element (2), - introducing the temperature sensitive element (2) into the housing (31), and - attaching the protective envelope (3) with an insulating sheath (5) surrounding a portion of two electrical connections (4) connected to the temperature sensitive element (2).
Description
Capteur hautes températures avec capuchon en céramique frittéHigh temperature sensor with sintered ceramic cap
La présente invention concerne un capteur de température, notamment pour mesurer des températures élevées, par exemple supérieures à 900°C, voire à 1000°C et son procédé de fabrication. L'invention s'applique en particulier aux capteurs de température adaptés pour mesurer la température des gaz de véhicules automobiles tels que les gaz d’échappement. De tels capteurs de températures sont particulièrement utilisé pour les systèmes de dépollution de la ligne d’échappement L'invention s'applique également à des moteurs à piles à combustible.The present invention relates to a temperature sensor, particularly for measuring high temperatures, for example greater than 900 ° C, or even 1000 ° C and its manufacturing process. The invention applies in particular to temperature sensors adapted to measure the temperature of motor vehicle gases such as exhaust gas. Such temperature sensors are particularly used for exhaust line depollution systems. The invention also applies to fuel cell engines.
Ces capteurs comprennent généralement un élément sensible à la température, tel qu'une thermistance, relié vers l'extérieur à un circuit électrique / électronique d'exploitation d'un signal de mesure via des fils électriques. L’élément sensible à la température comprend deux conducteurs électriques reliés à deux fils électriques au moyen de deux connexions électriques.These sensors generally comprise a temperature sensitive element, such as a thermistor, connected to the outside to an electrical / electronic circuit for operating a measurement signal via electrical wires. The temperature sensitive element comprises two electrical conductors connected to two electrical wires by means of two electrical connections.
Les deux fils électriques sont entourés par une gaine isolante de façon à former un faisceau électrique ou câble à isolant minéral (MIC) connecté à un boîtier électronique pour fournir une information électrique représentative de la résistance de l’élément sensible à la température et par conséquent de la température mesurée.The two electrical wires are surrounded by an insulating sheath so as to form an electrical wire or mineral insulated cable (MIC) connected to an electronic box to provide electrical information representative of the resistance of the temperature sensitive element and therefore the measured temperature.
Selon un mode de réalisation possible, le câble à isolant minéral, qui constitue le corps du capteur de température, est rétreint (diminué en diamètre par une opération de martelage) à l’une de ses extrémités puis fermé pour former un capuchon (ou une enveloppe de protection).According to one possible embodiment, the mineral insulated cable, which constitutes the body of the temperature sensor, is narrowed (reduced in diameter by a hammering operation) at one of its ends and then closed to form a cap (or a cap). protective envelope).
De la poudre de magnésie, par exemple, qui le constitue enrobe la jonction chaude ou l’élément sensible à la température (CTN, Platine).Magnesia powder, for example, which constitutes it coats the hot junction or temperature-sensitive element (NTC, Platinum).
La solution de rétreint par martelage est appropriée pour les petites série destinée à la Formule 1, « racing » ou « motorsport » par exemple, mais ne convient pas à de la production grande série, le procédé de martelage n’étant pas industrialisable aisément.The hammer shrink solution is suitable for small series intended for Formula 1, "racing" or "motorsport" for example, but is not suitable for large series production, the hammering process is not easily industrializable.
La poudre de magnésie peut être frittée pour obtenir un matériau isolant électrique entourant les deux conducteurs électriques.The magnesia powder can be sintered to obtain an electrical insulating material surrounding the two electrical conductors.
Cependant, l’art antérieur ne décrit pas comment est réalisé le frittage avec ces deux conducteurs électriques.However, the prior art does not describe how sintering is performed with these two electrical conductors.
De plus, l’ajout d’une pièce en matériau fritté dans le capuchon génère nécessairement un jeu entre le capuchon et cette même pièce, ce qui dégrade le temps de réponse du capteur de température et peut occasionner à terme des casses mécaniques sous l’action des vibrations.In addition, the addition of a piece of sintered material in the cap necessarily generates a clearance between the cap and the same part, which degrades the response time of the temperature sensor and may eventually cause mechanical breakages under the action of vibrations.
Et puis, ce procédé de fabrication génère une continuité de matière entre le matériau fritté et le câble isolant minéral ce qui augmente l’imprécision du capteur (effet gradient).And then, this manufacturing process generates a continuity of material between the sintered material and the mineral insulating cable which increases the inaccuracy of the sensor (gradient effect).
Une autre solution consiste à loger l’élément sensible à la température dans une enveloppe de protection. L’enveloppe de protection est sertie et soudée sur la gaine isolante pour isoler l'intérieur du capteur de l'environnement extérieur. L’enveloppe de protection est remplie d’un mélange d’agrégats de céramique (AI2O3, MgO, AIN, SiN) sous forme de poudre ou amalgamée avec un liant, comme du verre ou tout autre composant compatible avec les températures supérieures ou égales à 900°C. Le mélange d’agrégats de céramique après avoir été fondu et refroidi, forme un matériau isolant électrique.Another solution is to house the temperature-sensitive element in a protective envelope. The protective casing is crimped and welded to the insulating sheath to isolate the inside of the sensor from the outside environment. The protective envelope is filled with a mixture of ceramic aggregates (Al2O3, MgO, AlN, SiN) in the form of powder or amalgamated with a binder, such as glass or any other component compatible with temperatures greater than or equal to 900 ° C. The mixture of ceramic aggregates after being melted and cooled forms an electrical insulating material.
Il permet d’améliorer la conduction thermique et d’assurer une isolation électrique entre l’élément sensible à la température et l’enveloppe de protection. Ce matériau isolant électrique permet aussi d’assurer le maintien mécanique de la jonction chaude dans l’enveloppe de protection. L’inconvénient de cette solution est que les éléments liant le verre et les agrégats de céramique du matériau isolant électrique peuvent altérer et polluer la poudre du câble isolant minéral puis dégrader les performances du capteur de température.It improves heat conduction and provides electrical isolation between the temperature-sensitive element and the protective envelope. This electrical insulating material also makes it possible to ensure the mechanical maintenance of the hot junction in the protective envelope. The disadvantage of this solution is that the elements binding the glass and the ceramic aggregates of the electrical insulating material can alter and pollute the powder of the mineral insulating cable and then degrade the performance of the temperature sensor.
Par ailleurs, le verre amorphe qui constitue une part non négligeable du remplissage du matériau isolant électrique est connu pour être électriquement conducteur à haute température, ce qui pose un autre problème. L'invention a donc pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur de température plus performant à haute température que ceux de l’art antérieur. L’invention concerne un capteur de température pour véhicule automobile comprenant : un élément sensible à la température, deux liaisons électriques reliant l’élément sensible à la température à un connecteur électrique, une enveloppe de protection comprenant une partie avant dans laquelle est logé l’élément sensible à la température, et une gaine isolante entourant une portion des deux liaisons électriques, une partie arrière de l’enveloppe de protection étant fixée à une extrémité avant de la gaine isolante.Moreover, the amorphous glass which constitutes a significant part of the filling of the electrical insulating material is known to be electrically conductive at high temperature, which poses another problem. The invention therefore aims to overcome these disadvantages of the prior art by providing a temperature sensor more efficient at high temperature than those of the prior art. The invention relates to a temperature sensor for a motor vehicle comprising: a temperature sensitive element, two electrical connections connecting the temperature-sensitive element to an electrical connector, a protective envelope comprising a front part in which is housed the temperature-sensitive element, and an insulating sheath surrounding a portion of the two electrical connections, a rear portion of the protective envelope being attached to a front end of the insulating sheath.
Selon l’invention, l’enveloppe de protection comprend un matériau isolant électrique composé d’un matériau céramique fritté comprenant un logement préformé dans ledit matériau céramique fritté et ayant une forme ajustée à celle de l’élément sensible à la température pour y permettre son insertion.According to the invention, the protective envelope comprises an electrical insulating material composed of a sintered ceramic material comprising a housing preformed in said sintered ceramic material and having a shape adjusted to that of the temperature-sensitive element to allow its insertion.
De préférence, le matériau céramique fritté est une céramique réfractaire choisie parmi la magnésie (MgO) ou l’alumine (AI2O3).Preferably, the sintered ceramic material is a refractory ceramic selected from magnesia (MgO) or alumina (Al2O3).
Selon un mode de réalisation possible, seule la partie avant de l’enveloppe de protection est remplie par le matériau isolant électrique.According to one possible embodiment, only the front part of the protective envelope is filled with the electrical insulating material.
Le logement reçoit uniquement l’élément sensible à la température et le capteur de température comprend un espace séparant le matériau isolant électrique de l’extrémité avant de la gaine isolante.The housing receives only the temperature sensitive element and the temperature sensor comprises a space separating the electrical insulating material from the front end of the insulating sheath.
Selon une variante, l’élément sensible à la température est formé par une soudure chaude d’un thermocouple obtenue par soudure des extrémités de deux fils conducteurs formant les liaisons électriques, le logement présentant une forme en « V » épousant la forme de la soudure chaude.According to one variant, the temperature sensitive element is formed by a hot weld of a thermocouple obtained by welding the ends of two conductive wires forming the electrical connections, the housing having a "V" shape matching the shape of the weld hot.
Selon une autre variante, l’élément sensible à la température est formé par une thermistance, le logement présentant une forme parallélépipédique épousant la forme de la thermistance.According to another variant, the temperature sensitive element is formed by a thermistor, the housing having a parallelepipedal shape conforming to the shape of the thermistor.
Selon un autre mode de réalisation possible, les parties avant et arrière de l’enveloppe de protection sont reliées par une portion tronconique.According to another possible embodiment, the front and rear portions of the protective envelope are connected by a frustoconical portion.
La partie avant a un diamètre plus petit que la partie arrière.The front part has a diameter smaller than the rear part.
Le matériau isolant électrique remplit la partie avant et la portion tronconique jusqu’à la partie arrière de l’enveloppe de protection.The electrical insulating material fills the front portion and the frustoconical portion to the rear portion of the protective envelope.
Le logement se prolonge de la partie avant jusqu’à la partie arrière de façon à recevoir l’élément sensible à la température et une portion des liaisons électriques. L’extrémité avant de la gaine isolante est en contact avec une extrémité arrière du matériau isolant électrique. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un capteur de température pour véhicule automobile tel que défini précédemment.The housing extends from the front to the back to receive the temperature sensitive element and a portion of the electrical connections. The front end of the insulating sheath is in contact with a rear end of the electrical insulating material. The invention also relates to a method for manufacturing a temperature sensor for a motor vehicle as defined above.
Selon l’invention, le procédé comprend les étapes suivantes: frittage d’une poudre de matériau céramique dans une enveloppe de protection de façon à obtenir un matériau céramique fritté formant un matériau isolant électrique, formation d’un logement dans le matériau isolant électrique configuré pour recevoir un élément sensible à la température, introduction de l’élément sensible à la température dans le logement, et fixation de l’enveloppe de protection à une gaine isolante entourant une portion de deux liaisons électriques reliée à l’élément sensible à la température.According to the invention, the method comprises the following steps: sintering a powder of ceramic material in a protective envelope so as to obtain a sintered ceramic material forming an electrical insulating material, forming a housing in the configured electrical insulating material for receiving a temperature-sensitive element, introducing the temperature-sensitive element into the housing, and attaching the protective envelope to an insulating sheath surrounding a portion of two electrical connections connected to the temperature-sensitive element .
Selon un mode de réalisation, le frittage est réalisé uniquement dans une partie avant de l’enveloppe de protection.According to one embodiment, the sintering is carried out only in a front part of the protective envelope.
Le logement reçoit uniquement l’élément sensible à la température et le capteur de température comprend un espace séparant le matériau isolant électrique de l’extrémité avant de la gaine isolante.The housing receives only the temperature sensitive element and the temperature sensor comprises a space separating the electrical insulating material from the front end of the insulating sheath.
Selon un autre mode de réalisation, les parties avant et arrière de l’enveloppe de protection sont reliées par une portion tronconique.According to another embodiment, the front and rear portions of the protective envelope are connected by a frustoconical portion.
La partie avant a un diamètre plus petit que la partie arrière.The front part has a diameter smaller than the rear part.
Le frittage est réalisé dans la partie avant et la portion tronconique jusqu’à la partie arrière de l’enveloppe de protection.The sintering is carried out in the front part and the frustoconical portion up to the rear part of the protective envelope.
Le logement est prolongé de la partie avant jusqu’à la partie arrière de façon à recevoir l’élément sensible à la température et une portion des liaisons électriques.The housing is extended from the front to the rear to receive the temperature sensitive element and a portion of the electrical connections.
De préférence, la poudre de matériau céramique se présente sous forme de grains ou d’agrégats de céramique de diamètre compris entre 50pm et 200pm.Preferably, the ceramic material powder is in the form of grains or ceramic aggregates with a diameter of between 50 μm and 200 μm.
Avantageusement, le frittage est réalisé avec compression de la poudre de matériau céramique sous une température de l’ordre de 500°C à 2000°C.Advantageously, the sintering is carried out with compression of the powder of ceramic material at a temperature of the order of 500 ° C. to 2000 ° C.
De préférence, les étapes de frittage de la poudre de matériau céramique et de formation d’un logement sont réalisées simultanément.Preferably, the steps of sintering the ceramic material powder and forming a housing are performed simultaneously.
La compression de la poudre de matériau céramique est effectuée sous presse. L’enveloppe de protection forme une matrice et le logement est formé avec un outil de forme adaptée à celle de l’élément sensible à la température.The compression of the ceramic material powder is carried out in press. The protective envelope forms a matrix and the housing is formed with a shaped tool adapted to that of the temperature-sensitive element.
Avantageusement, la densité du matériau céramique fritté formant le matériau isolant électrique est supérieure à 2 et de préférence compris entre 2 et 2,5. L’invention fournit ainsi un capteur de température destiné à mesurer des températures supérieures à 900°C plus performant que ceux de l’art antérieur.Advantageously, the density of the sintered ceramic material forming the electrical insulating material is greater than 2 and preferably between 2 and 2.5. The invention thus provides a temperature sensor for measuring temperatures higher than 900 ° C more efficient than those of the prior art.
En effet, les matériaux céramiques sont des matériaux très isolants électriquement, même à haute température, au-delà de 1050°C.Indeed, ceramic materials are electrically highly insulating materials, even at high temperatures, above 1050 ° C.
En particulier, avec un taux de pureté supérieur à 99%, leur isolation électrique à haute température est supérieure à un minimum de 1 MOhms. Ceci assure une insensibilité du capteur de température aux bruits électriques venants du véhicule. De ce fait, la précision du capteur de température est améliorée.In particular, with a degree of purity higher than 99%, their high temperature electrical insulation is greater than a minimum of 1 MOhms. This ensures insensitivity of the temperature sensor to the electrical noise coming from the vehicle. As a result, the accuracy of the temperature sensor is improved.
De plus, en assurant une continuité de matière entre l’enveloppe de protection et l’élément sensible dans un espace bien défini, la conduction de chaleur est optimisée. La cohésion entre l’enveloppe de protection et le matériau isolant est optimisée. Le temps de réponse du capteur de température en est réduit. Le frittage assure une grande compacité de la céramique et favorise le transfert thermique, et donc le temps de réponse.In addition, by ensuring a continuity of material between the protective envelope and the sensitive element in a well-defined space, the heat conduction is optimized. The cohesion between the protective envelope and the insulating material is optimized. The response time of the temperature sensor is reduced. The sintering ensures a great compactness of the ceramic and promotes the heat transfer, and therefore the response time.
La céramique frittée permet une excellente tenue mécanique, puisque le frittage de la céramique en améliore les propriétés mécaniques. L’élément sensible à la température est ainsi maintenu lors des vibrations et chocs thermiques.The sintered ceramic provides excellent mechanical strength, since the sintering of the ceramic improves the mechanical properties. The temperature sensitive element is thus maintained during vibration and thermal shock.
La céramique est un élément chimique neutre qui n’a pas ou peu d’interaction chimique avec les autres éléments du capteur.Ceramic is a neutral chemical element that has little or no chemical interaction with other sensor elements.
Les caractéristiques ci-dessus peuvent être utilisées seules ou en combinaison, en apportant chacune un avantage particulier.The above features may be used alone or in combination, each providing a particular advantage.
Les caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un capteur de température comprenant une thermistance selon un mode de réalisation de l’invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection selon ce mode de réalisation; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de cette enveloppe de protection logeant la thermistance; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection destinée à loger une thermistance et une partie des liaisons électriques selon un autre mode de réalisation; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection destinée à loger une soudure chaude d’un thermocouple selon un autre mode de réalisation; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale de cette enveloppe de protection logeant cette soudure chaude; - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection destinée à recevoir un thermocouple selon un autre mode de réalisation.The features of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a longitudinal sectional view of a temperature sensor comprising a thermistor according to one embodiment of the invention; - Figure 2 is a longitudinal sectional view of a protective envelope according to this embodiment; FIG. 3 is a longitudinal sectional view of this protective envelope housing the thermistor; - Figure 4 is a longitudinal sectional view of a protective envelope for housing a thermistor and a portion of the electrical connections according to another embodiment; - Figure 5 is a longitudinal sectional view of a protective envelope for housing a hot weld of a thermocouple according to another embodiment; FIG. 6 is a longitudinal sectional view of this protective envelope housing this hot weld; - Figure 7 is a longitudinal sectional view of a protective envelope for receiving a thermocouple according to another embodiment.
La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d’un capteur de température 1 pour véhicule automobile selon un premier mode de réalisation l’invention.Figure 1 shows a longitudinal sectional view of a temperature sensor 1 for a motor vehicle according to a first embodiment of the invention.
Le capteur de température 1 comprend un élément sensible à la température 2 comprenant deux liaisons électriques 4 le reliant à un connecteur électrique 9. L’élément sensible à la température 2 est une thermistance 40 dans cet exemple. La thermistance 40 est un composant passif en matériau semi-conducteur dont la résistance varie en fonction de la température.The temperature sensor 1 comprises a temperature-sensitive element 2 comprising two electrical connections 4 connecting it to an electrical connector 9. The temperature-sensitive element 2 is a thermistor 40 in this example. Thermistor 40 is a passive component of semiconductor material whose resistance varies as a function of temperature.
La thermistance 40 peut être du type CTN, coefficient de température négatif (ou NTC, Négative Température Coefficient en anglais) lorsque la résistance décroît en fonction de l'élévation de la température ou de type CTP, coefficient de température positif (ou PTC, Positive Température Coefficient en anglais) dans le cas contraire, telle qu'une thermistance 40 en platine. L’élément sensible à la température 2 est relié à deux fils électriques 17 qui sont reliés électriquement à deux conducteurs électriques 18 de l’élément sensible à la température 2 par une connexion électrique 19.The thermistor 40 may be of the CTN type, negative temperature coefficient (or NTC, Negative Temperature Coefficient in English) when the resistance decreases as a function of the temperature rise or CTP type, positive temperature coefficient (or PTC, Positive Temperature Coefficient in English) otherwise, such as a thermistor 40 in platinum. The temperature sensitive element 2 is connected to two electrical wires 17 which are electrically connected to two electrical conductors 18 of the temperature sensitive element 2 by an electrical connection 19.
La connexion électrique 19 peut être réalisée par une soudure ou des moyens de connexion tels des cosses électriques.The electrical connection 19 can be made by a weld or connection means such as electric lugs.
Le capteur de température 1 comprend une enveloppe de protection 3 (ou capuchon) comprenant une partie avant 7 dans laquelle est logée l’élément sensible à la température 2. L’enveloppe de protection 3 présente une forme générale tronconique se prolongeant longitudinalement. L’enveloppe de protection 3 est réalisée en un matériau métallique résistant à des températures élevées, tel qu'un alliage de chrome, de nickel (Inconel600, Inconel601, Alloy TD, par exemple) et de fer du type Inconel® (marque déposée) ou encore en acier inoxydable réfractaire (31 OS, par exemple). L’enveloppe de protection 3 comprend une partie arrière 8 qui présente un diamètre plus grand que celui de la partie avant 7.The temperature sensor 1 comprises a protective envelope 3 (or cap) comprising a front portion 7 in which is housed the temperature sensitive element 2. The protective envelope 3 has a generally frustoconical shape extending longitudinally. The protective envelope 3 is made of a metal material resistant to high temperatures, such as a chromium alloy, nickel (Inconel600, Inconel601, Alloy TD, for example) and Inconel® type iron (trademark) or refractory stainless steel (31 OS, for example). The protective envelope 3 comprises a rear portion 8 which has a diameter greater than that of the front portion 7.
Les parties avant 7 et arrière 8 sont reliées par une portion tronconique 14. L’élément sensible à la température 2 est disposé dans cette partie avant 7 qui est fermée à son extrémité avant.The front 7 and rear 8 parts are connected by a frustoconical portion 14. The temperature-sensitive element 2 is disposed in this front portion 7 which is closed at its front end.
Le capteur de température 1 comprend une gaine isolante 5 entourant une portion des deux liaisons électriques 4. Plus précisément, la gaine isolante 5 entoure une portion des deux conducteurs électriques 18 depuis une extrémité avant 6 de la gaine isolante 5 jusqu’à une extrémité arrière 20 située à proximité d’un isolateur 21. L’isolateur 21 assure l’isolation électrique des parties dénudées de la liaison entre les conducteurs électriques 18 traversant la gaine isolante 5 et les fils conducteurs 27 reliés au connecteur 9.The temperature sensor 1 comprises an insulating sheath 5 surrounding a portion of the two electrical connections 4. More specifically, the insulating sheath 5 surrounds a portion of the two electrical conductors 18 from a front end 6 of the insulating sheath 5 to a rear end 20 is located near an insulator 21. The insulator 21 provides electrical insulation of the stripped portions of the connection between the electrical conductors 18 passing through the insulating sheath 5 and the conductive wires 27 connected to the connector 9.
Les deux fils conducteurs 27 sont entourés d’une gaine polymère 28.The two conductive wires 27 are surrounded by a polymer sheath 28.
Les deux fils électriques 17, les deux conducteurs électriques 18 et les deux fils conducteurs 27 forment les liaisons électriques 4.The two electrical wires 17, the two electrical conductors 18 and the two conductive wires 27 form the electrical connections 4.
La partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 est fixée à l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.The rear part 8 of the protective casing 3 is fixed to the front end 6 of the insulating sheath 5.
Les deux conducteurs électriques 18 sont entourés et maintenus dans la gaine isolante 5 qui présente deux canaux de passage 22 associés chacun à l’un des conducteurs électriques 18 de sorte que les deux conducteurs électriques 18 soient isolés entre eux et maintenus par la gaine isolante 5.The two electrical conductors 18 are surrounded and held in the insulating sheath 5 which has two passage channels 22 each associated with one of the electrical conductors 18 so that the two electrical conductors 18 are isolated from each other and held by the insulating sheath 5 .
La gaine isolante 5 est par exemple de forme générale allongée selon une direction longitudinale correspond à la direction longitudinale des deux conducteurs électriques 18. Cette gaine isolante 5 peut présenter une forme générale cylindrique. À titre d'exemple, la gaine isolante 5 présente un cœur 23 en matière céramique électriquement isolant et résistante à la chaleur, qui est entouré par une couche externe 24 en acier réfractaire. La couche externe 24 peut être en acier inoxydable, par exemple. Le cœur 23 de la gaine isolante 5 peut être en magnésie ou alumine, par exemple.The insulating sheath 5 is for example of generally elongate shape in a longitudinal direction corresponding to the longitudinal direction of the two electrical conductors 18. This insulating sheath 5 may have a generally cylindrical shape. For example, the insulating sheath 5 has a core 23 of electrically insulating and heat-resistant ceramic material, which is surrounded by an outer layer 24 of refractory steel. The outer layer 24 may be stainless steel, for example. The core 23 of the insulating sheath 5 may be in magnesia or alumina, for example.
Une portion supérieure de la gaine isolante 5 et l’isolateur 21 sont entourés par un tube de renfort 26 qui est par exemple en acier inoxydable.An upper portion of the insulating sheath 5 and the insulator 21 are surrounded by a reinforcing tube 26 which is for example made of stainless steel.
Le tube de renfort 26 est fermé par un joint étanche 25.The reinforcing tube 26 is closed by a seal 25.
Le capteur de température 1 comprend également un moyen de fixation 29 pour le fixer sur la paroi de l’élément dont on veut mesurer la température.The temperature sensor 1 also comprises a fixing means 29 for fixing it to the wall of the element whose temperature is to be measured.
Selon l’invention, l’enveloppe de protection 3 comprend un matériau isolant électrique 10 composé d’un matériau céramique fritté comprenant un logement 31 préformé dans le matériau céramique fritté et ayant une forme ajustée à celle de l’élément sensible à la température 2 pour y permettre son insertion. L’enveloppe de protection 3 présente un coefficient de dilatation thermique à haute température supérieure ou égal à 17 ppm/°C.According to the invention, the protective envelope 3 comprises an electrical insulating material 10 composed of a sintered ceramic material comprising a housing 31 preformed in the sintered ceramic material and having a shape adjusted to that of the temperature-sensitive element 2 to allow it to be inserted. The protective envelope 3 has a coefficient of thermal expansion at high temperature greater than or equal to 17 ppm / ° C.
Le procédé de fabrication du capteur de température 1 comprend une étape de frittage d’une poudre de matériau céramique directement dans l’enveloppe de protection 3 de façon à obtenir un matériau céramique fritté formant le matériau isolant électrique 10 décrit ultérieurement.The manufacturing method of the temperature sensor 1 comprises a step of sintering a powder of ceramic material directly in the protective envelope 3 so as to obtain a sintered ceramic material forming the electrical insulating material 10 described later.
Le matériau céramique fritté est une céramique réfractaire choisie parmi la magnésie (MgO) ou l’alumine (AI2O3), par exemple.The sintered ceramic material is a refractory ceramic selected from magnesia (MgO) or alumina (Al2O3), for example.
Le procédé de fabrication du capteur de température 1 comprend également une étape de formation d’un logement 31 dans le matériau isolant électrique 10 configuré pour recevoir au moins l’élément sensible à la température 2.The manufacturing method of the temperature sensor 1 also comprises a step of forming a housing 31 in the electrical insulating material 10 configured to receive at least the temperature sensitive element 2.
Le logement 31 présente une forme qui est la contre forme de celle de l’élément sensible à la température 2. Cette forme est ajustée à celle de l’élément sensible à la température 2 de façon à ce que la surface de l’élément sensible à la température 2 soit en contact avec la paroi interne 42 du logement 31.The housing 31 has a shape that is the counter form of that of the temperature sensitive element 2. This shape is adjusted to that of the temperature-sensitive element 2 so that the surface of the sensitive element at the temperature 2 is in contact with the inner wall 42 of the housing 31.
Le procédé de fabrication du capteur de température 1 comprend ensuite une étape d’introduction de l’élément sensible à la température 2 dans le logement 31 et une étape de fixation de l’enveloppe de protection 3 à la gaine isolante 5 entourant une portion de deux liaisons électriques 4 reliée à l’élément sensible à la température 2.The manufacturing method of the temperature sensor 1 then comprises a step of introducing the temperature-sensitive element 2 into the housing 31 and a step of fixing the protective envelope 3 to the insulating sheath 5 surrounding a portion of two electrical connections 4 connected to the temperature sensitive element 2.
Avantageusement, les étapes de frittage de la poudre de matériau céramique et de formation d’un logement 31 sont réalisées simultanément. La compression de la poudre de matériau céramique est effectuée sous presse.Advantageously, the sintering steps of the ceramic material powder and forming a housing 31 are performed simultaneously. The compression of the ceramic material powder is carried out in press.
Le frittage est réalisé avec compression de la poudre de matériau céramique sous une température de l’ordre de 500°C à 2000°C, et par exemple de 800 à 1000°C.The sintering is carried out with compression of the powder of ceramic material at a temperature of the order of 500 ° C. to 2000 ° C., for example 800 to 1000 ° C.
Le frittage de la poudre céramique est une opération qui consiste à la densifier à l’aide de forte pressions pouvant atteindre plusieurs milliers de bars puis en les soumettant à une forte température de l’ordre de 500°C à 2000°C, en utilisant ou non un liant.The sintering of the ceramic powder is an operation which consists of densifying it using high pressures of up to several thousands of bars and then subjecting them to a high temperature of the order of 500 ° C. to 2000 ° C., using or not a binder.
Cet apport d’énergie (pression + température) amène la céramique à diffuser et les grains de céramique à se lier, pour conférer au frittage des propriétés mécaniques augmentées. L’opération de chauffe peut s’effectuer sous vide ou sous atmosphère contrôlée (préférablement à l’argon).This supply of energy (pressure + temperature) causes the ceramic to diffuse and the ceramic grains to bond, to confer sintering enhanced mechanical properties. The heating operation can be carried out under vacuum or in a controlled atmosphere (preferably with argon).
La poudre de matériau céramique avant frittage peut se présenter sous forme de grains ou agrégats de céramique de diamètre compris entre 50pm et 200pm pour faciliter l’insertion (fluidité) dans l’enveloppe de protection 3 et la phase de compression en limitant l’impact des forces électrostatiques (adhérence de la poudre aux outils). L’enveloppe de protection 3 forme une matrice et le logement 31 est formé avec un outil de forme adaptée à celle de l’élément sensible à la température 2.The powder of ceramic material before sintering may be in the form of grains or ceramic aggregates with a diameter of between 50 μm and 200 μm to facilitate insertion (fluidity) into the protective envelope 3 and the compression phase while limiting the impact. electrostatic forces (adhesion of the powder to the tools). The protective envelope 3 forms a matrix and the housing 31 is formed with a tool of shape adapted to that of the temperature sensitive element 2.
La forme de l’outil est similaire à celle de l’élément sensible à la température 2.The shape of the tool is similar to that of the temperature sensitive element 2.
La densité du matériau céramique fritté formant le matériau isolant électrique 10 est supérieure à 2 et de préférence compris entre 2 et 2,5.The density of the sintered ceramic material forming the electrical insulating material 10 is greater than 2 and preferably between 2 and 2.5.
La céramique est ainsi directement frittée dans l’enveloppe de protection 3, assurant une cohésion parfaite entre les surfaces et permettant de faciliter les échanges thermiques entre l’enveloppe de protection 3 et le matériau isolant électrique 10.The ceramic is thus directly sintered in the protective envelope 3, ensuring a perfect cohesion between the surfaces and making it possible to facilitate heat exchange between the protective envelope 3 and the electrical insulating material 10.
La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection 3 destinée à recevoir une thermistance 40, selon un mode de réalisation possible.Figure 2 is a longitudinal sectional view of a protective envelope 3 for receiving a thermistor 40, according to a possible embodiment.
Les parties avant 7 et arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 sont reliées par une portion tronconique 14, la partie avant 7 ayant un diamètre plus petit que la partie arrière 8.The front portions 7 and 8 rear of the protective envelope 3 are connected by a frustoconical portion 14, the front portion 7 having a diameter smaller than the rear portion 8.
Cette réduction de diamètre pour la partie avant 7 permet de réduire au maximum la masse et l’inertie thermique du capteur de température 1 au voisinage de l’élément sensible à la température 2, et ce pour en optimiser le temps de réponse.This reduction in diameter for the front part 7 makes it possible to reduce as much as possible the mass and the thermal inertia of the temperature sensor 1 in the vicinity of the temperature-sensitive element 2, in order to optimize the response time.
La partie avant 7 présente une forme tubulaire. Les parties avant 7 et la portion tronconique 14 sont délimitées pas une zone intermédiaire 32 de section circulaire. A titre d’exemple, la partie avant 7 peut présenter une longueur de 3,5 mm et la portion tronconique 14 une longueur de 8,2 mm.The front portion 7 has a tubular shape. The front portions 7 and the frustoconical portion 14 are delimited by an intermediate zone 32 of circular section. For example, the front portion 7 may have a length of 3.5 mm and the frustoconical portion 14 a length of 8.2 mm.
Dans, cet exemple, le frittage est réalisé uniquement dans la partie avant 7 de l’enveloppe de protection 3.In this example, the sintering is carried out only in the front portion 7 of the protective envelope 3.
Le frittage est réalisé jusqu’à la zone intermédiaire 32.The sintering is carried out up to the intermediate zone 32.
Le logement 31 présente une forme parallélépipédique adaptée pour recevoir l’élément sensible à la température 2 qui est une thermistance 40 dans cet exemple.The housing 31 has a parallelepipedal shape adapted to receive the temperature sensitive element 2 which is a thermistor 40 in this example.
Le logement 31 comprend une première portion 33 parallélépipédique de faible largeur et une deuxième portion 34 parallélépipédique de plus grande largeur.The housing 31 comprises a first parallelepipedal portion 33 of small width and a second parallelepipedal portion 34 of greater width.
Le logement 31 reçoit uniquement l’élément sensible à la température 2, comme illustré sur la figure 3. L’élément sensible à la température 2 est entouré par le matériau isolant électrique 10.The housing 31 receives only the temperature-sensitive element 2, as illustrated in FIG. 3. The temperature-sensitive element 2 is surrounded by the electrical insulating material 10.
Le capteur de température 1 comprend une gaine isolante 5 entourant une portion des deux liaisons électriques 4. Plus précisément, la gaine isolante 5 entoure une portion des deux conducteurs électriques 18 depuis une extrémité avant 6 de la gaine isolante 5 jusqu’à une extrémité arrière 20 située à proximité d’un moyen de connexion 21.The temperature sensor 1 comprises an insulating sheath 5 surrounding a portion of the two electrical connections 4. More specifically, the insulating sheath 5 surrounds a portion of the two electrical conductors 18 from a front end 6 of the insulating sheath 5 to a rear end 20 located near a connection means 21.
Le capteur de température 1 comprend un espace 15 séparant le matériau isolant électrique 10 de l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5. L’espace 15 peut être rempli d’air, d’un gaz neutre ou de vide relatif. Ceci permet de minimiser l’écoulement de chaleur de l’avant vers l’arrière du capteur de température 1 et donc le phénomène de gradient thermique.The temperature sensor 1 comprises a space 15 separating the electrical insulating material 10 from the front end 6 of the insulating sheath 5. The space 15 can be filled with air, a neutral gas or relative vacuum. This makes it possible to minimize the flow of heat from the front to the back of the temperature sensor 1 and therefore the phenomenon of thermal gradient.
Le moyen de connexion 21 permet de connecter les conducteurs électriques 18 traversant la gaine isolante 5 à deux fils conducteurs 27 reliés au connecteur 9.The connection means 21 makes it possible to connect the electrical conductors 18 passing through the insulating sheath 5 to two conducting wires 27 connected to the connector 9.
Les deux fils conducteurs 27 sont entourés d’une gaine polymère 28.The two conductive wires 27 are surrounded by a polymer sheath 28.
Les deux fils électriques 17, les deux conducteurs électriques 18 et les deux fils conducteurs 27 forment les liaisons électriques 4.The two electrical wires 17, the two electrical conductors 18 and the two conductive wires 27 form the electrical connections 4.
La partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 est fixée à l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.The rear part 8 of the protective casing 3 is fixed to the front end 6 of the insulating sheath 5.
Les deux conducteurs électriques 18 sont entourés et maintenus dans la gaine isolante 5 qui présente deux canaux de passage 22 associés chacun à l’un des conducteurs électriques 18 de sorte que les deux conducteurs électriques 18 soient isolés entre eux et maintenus par la gaine isolante 5.The two electrical conductors 18 are surrounded and held in the insulating sheath 5 which has two passage channels 22 each associated with one of the electrical conductors 18 so that the two electrical conductors 18 are isolated from each other and held by the insulating sheath 5 .
La gaine isolante 5 est par exemple de forme générale allongée selon une direction longitudinale correspond à la direction longitudinale des deux conducteurs électriques 18. Cette gaine isolante 5 peut présenter une forme générale cylindrique. À titre d'exemple, la gaine isolante 5 présente un cœur 23 en matière céramique électriquement isolant et résistante à la chaleur, qui est entouré par une couche externe 24 en acier réfractaire. La couche externe 24 peut être en acier inoxydable, par exemple. Le cœur 23 de la gaine isolante 5 peut être en magnésie ou alumine, par exemple.The insulating sheath 5 is for example of generally elongate shape in a longitudinal direction corresponding to the longitudinal direction of the two electrical conductors 18. This insulating sheath 5 may have a generally cylindrical shape. For example, the insulating sheath 5 has a core 23 of electrically insulating and heat-resistant ceramic material, which is surrounded by an outer layer 24 of refractory steel. The outer layer 24 may be stainless steel, for example. The core 23 of the insulating sheath 5 may be in magnesia or alumina, for example.
Une portion supérieure de la gaine isolante 5 et le moyen de connexion 21 sont entourés par un tube de renfort 26 qui est en acier inoxydable.An upper portion of the insulating sheath 5 and the connecting means 21 are surrounded by a reinforcing tube 26 which is made of stainless steel.
Le tube de renfort 26 est fermé par un joint étanche 25.The reinforcing tube 26 is closed by a seal 25.
Le capteur de température 1 comprend également un moyen de fixation 29 pour le fixer sur la paroi de l’élément dont on veut mesurer la température.The temperature sensor 1 also comprises a fixing means 29 for fixing it to the wall of the element whose temperature is to be measured.
Selon un autre mode de réalisation, le frittage est réalisé dans la partie avant 7 et la portion tronconique 14 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3, comme illustré sur la figure 4.According to another embodiment, the sintering is carried out in the front portion 7 and the frustoconical portion 14 to the rear portion 8 of the protective envelope 3, as illustrated in FIG. 4.
Le matériau céramique fritté est au contact direct de la gaine isolante 5.The sintered ceramic material is in direct contact with the insulating sheath 5.
Le logement 31 est prolongé de la partie avant 7 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 de façon à recevoir l’élément sensible à la température 2 et une portion des liaisons électriques 4 (non représentée).The housing 31 is extended from the front portion 7 to the rear portion 8 of the protective casing 3 so as to receive the temperature sensitive element 2 and a portion of the electrical connections 4 (not shown).
Le logement 31 comprend une première portion 33 parallélépipédique de faible largeur et une deuxième portion 34 parallélépipédique de largeur intermédiaire et une troisième portion 35 de plus grande largeur destinée à loger les deux fils électriques 17, une partie des deux conducteurs électriques 18 et les connexions électriques 19. Le logement a toute autre forme qui permette d’assurer le meilleur contact possible avec l’élément sensible à la température.The housing 31 comprises a first parallelepipedal portion 33 of narrow width and a second parallelepipedal portion 34 of intermediate width and a third portion 35 of greater width intended to accommodate the two electrical wires 17, a portion of the two electrical conductors 18 and the electrical connections. 19. The housing has any other shape that ensures the best possible contact with the temperature-sensitive element.
Les premières 33 et deuxièmes portions 34 sont destinées à recevoir l’élément sensible à la température 2 qui est une thermistance 40 dans ce cas.The first 33 and second portions 34 are intended to receive the temperature sensitive element 2 which is a thermistor 40 in this case.
Les deux fils électriques 17, la partie des deux conducteurs électriques 18 et les connexions électriques 19 sont entourés par le matériau isolant électrique 10 jusqu’à la gaine isolante 5.The two electrical wires 17, the portion of the two electrical conductors 18 and the electrical connections 19 are surrounded by the electrical insulating material 10 to the insulating sheath 5.
La figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection 3 destinée à recevoir un thermocouple 36. L’élément sensible à la température 2 est formé par une soudure chaude 37 d’une paire de fils conducteurs 30 d’un thermocouple 36 (type N ou K). Ces fils conducteurs 30 sont reliés ensemble par cette soudure chaude 37.FIG. 5 represents a longitudinal sectional view of a protective envelope 3 intended to receive a thermocouple 36. The temperature sensitive element 2 is formed by a hot weld 37 of a pair of conducting wires 30 of a thermocouple 36 (N or K type). These conductive wires 30 are connected together by this hot weld 37.
Les thermocouples sont connus et ne seront pas décrit davantage.Thermocouples are known and will not be described further.
Les fils conducteurs 30 forment les deux liaisons électriques 4 reliant l’élément sensible à la température 2 à un connecteur électrique (non représenté dans cet exemple).The conductive wires 30 form the two electrical connections 4 connecting the temperature sensitive element 2 to an electrical connector (not shown in this example).
La description précédente concernant le premier mode de réalisation pour un capteur de température 1 comprenant une thermistance 40 s’applique également à ce deuxième mode de réalisation pour le reste des éléments le constituant et le procédé de fabrication.The foregoing description concerning the first embodiment for a temperature sensor 1 comprising a thermistor 40 also applies to this second embodiment for the rest of the constituent elements and the manufacturing method.
Dans, cet exemple, le frittage est réalisé uniquement dans la partie avant 7 de l’enveloppe de protection 3.In this example, the sintering is carried out only in the front portion 7 of the protective envelope 3.
Le frittage est réalisé jusqu’à la zone intermédiaire 32.The sintering is carried out up to the intermediate zone 32.
Le logement 31 présente une forme en « V » adaptée pour recevoir la soudure ou jonction chaude 37.The housing 31 has a "V" shape adapted to receive the weld or hot junction 37.
La figure 6 illustre le logement 31 logeant la soudure chaude 37 de ce thermocouple 36.FIG. 6 illustrates the housing 31 housing the hot weld 37 of this thermocouple 36.
Le capteur de température 1 comprend un espace 15 séparant le matériau isolant électrique 10 de l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.The temperature sensor 1 comprises a space 15 separating the electrical insulating material 10 from the front end 6 of the insulating sheath 5.
La figure 7 illustre un autre exemple dans lequel le frittage est réalisé dans la partie avant 7 et la portion tronconique 14 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3.FIG. 7 illustrates another example in which the sintering is carried out in the front portion 7 and the frustoconical portion 14 as far as the rear portion 8 of the protective envelope 3.
Le logement 31 est prolongé de la partie avant 7 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 de façon à recevoir les fils du thermocouple (non représentée).The housing 31 is extended from the front portion 7 to the rear portion 8 of the protective casing 3 so as to receive the son of the thermocouple (not shown).
Le logement 31 comprend une surface interne 42, une première portion 38 de section triangulaire destinée à loger la soudure chaude 37 de la thermistance 40 et une deuxième portion 39 de section quadrilatérale destinée à loger une partie des fils conducteurs 30.The housing 31 comprises an inner surface 42, a first portion 38 of triangular section intended to house the hot weld 37 of the thermistor 40 and a second portion 39 of quadrilateral section intended to house a portion of the conductive wires 30.
Le procédé de l’invention permet ainsi au matériau isolant électrique 10 d’être à la fois en contact direct contre une paroi interne 11 de l’enveloppe de protection 3 et en contact direct avec l’élément sensible à la température 2.The method of the invention thus allows the electrical insulating material 10 to be both in direct contact against an inner wall 11 of the protective envelope 3 and in direct contact with the temperature-sensitive element 2.
Claims (12)
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| FR1762804A FR3075955A1 (en) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | HIGH TEMPERATURE SENSOR WITH FRITTE CERAMIC CAP |
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Citations (4)
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2018
- 2018-12-19 WO PCT/EP2018/086014 patent/WO2019122036A1/en active Application Filing
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2019122036A1 (en) | 2019-06-27 |
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