JP2010520443A5 - - Google Patents

Description

ターボチャージャ保護装置

本発明は、ターボチャージャ保護装置と、この装置の構成部材として適した温度センサと、これらの製造方法とに関する。ターボチャージャは過熱から保護すべきであるので、ターボチャージャには相応の保護装置が装備されている。このためにディーゼルターボチャージャのための遮断装置は９００℃〜１０５０℃までに調節され、ガソリン車においては１１２０℃までに調節されていた。

従来ガソリン車に対しては、このためにゼーベック効果を利用した熱電素子だけが使用可能であるが、この電子部品はコストが高い。９００℃までは、より簡単な電子部品を備える半導体温度素子（ＮＴＣ）が使用される。この負の温度特性において問題なのは、ドリフトの際に高すぎる温度においてシャットダウンが生じ、ターボチャージャが損傷してしまうことである。

本発明の課題は、熱電素子として所要電子的コストがより少なく、かつ９００℃〜１２００℃、とりわけ１０５０℃〜１１５０℃の温度において使用可能であり、かつ前記負の温度特性のリスクのない、安全なターボチャージャ保護装置を提供することである。

この課題を解決するために、ターボチャージャが振動する際に温度変化によって引き起こされる摩耗を、温度に起因する伸長作用を特に保護しつつスプリングを付けることによって緩和するか、または絶縁部にて阻止する。このために、温度検出素子、とりわけ測定抵抗へと至る給電線は以下のようにして固定される。すなわち給電線が、ミネラル絶縁されたリード部分を含み、このリード部分の、温度検出素子、とりわけ測定抵抗に向いた側の端部において、心線が絶縁部から突出しており、この心線の上にはばねが被せ嵌められており、このばねが、心線と温度検出素子、とりわけ測定抵抗との間における接続を形成するか、もしくは心線と、温度検出素子ないし測定抵抗に設けられた接続ワイヤとの間における接続を形成する、ようにするのである。もしくは択一的実施例では、温度検出素子、とりわけ接続抵抗と給電ケーブルとの間において、熱減結合ワイヤが、前記温度検出素子、とりわけ接続抵抗に向いた側の端部において一端で固定され、もう一方の端部においては給電ケーブルと弾性的に接続される。これら２つの実施例では、測定抵抗と給電ケーブルとの間において温度変化および振動に起因する導体への負荷が生じても、導体における摩耗はない。なぜなら圧力が緩和されるか、もしくはミネラル絶縁の場合には、心線がしっかり埋め込まれているため心線は伸長作用を行うことができず、摩擦が排除されるようになっているからである。重要なことは、高温負荷がかかる際のスプリングは、長さ伸長がスプリング付けされる方向に対して垂直の共振振動なしに行われ、かつ、高い温度負荷のかかった絶縁部の中では行われないということである。したがって本発明によれば、高温領域にて軸の上に自由に設けられたばねによって弾力性が生じるか、もしくはこの弾力性は、温度負荷の外へと移される。

本発明によれば、以下のような温度センサ、すなわち該温度センサの測定先端部をエンジン構造の要求に相応して適合することができる、とりわけ曲げることができる温度センサ、とりわけ高温センサが提供される。このために多線、とりわけ二線の、絶縁された、とりわけミネラル絶縁されたリードの心線の上に、本発明によれば、絶縁部から突出した心線の上に、温度検出素子、とりわけ測定素子に向いた端部において、それぞれ１つのばねが被せ嵌められる。ばねの一方の端部は、それぞれ心線と電気的および機械的に接続されており、ばねの他方の端部は、測定抵抗と、または温度検出素子、とりわけ測定抵抗の高温耐性の接続ワイヤと、電気的および機械的に接続されている。

本発明によれば、以下のような簡単な温度センサ、とりわけ高温センサもまた提供され、ここではチップの温度検出素子、とりわけ測定抵抗と給電ケーブルとの間に熱減結合ワイヤが設けられており、この熱減結合ワイヤは、温度検出素子、とりわけ測定抵抗に向いた端部において一端で固定されており、他方の端部においては給電ケーブルと弾性的に接続されている。

とりわけ、ターボチャージャ過熱保護のための高温センサ素子をこれらと組み合わせることができ、ここではチップが被覆管内の成形材料の中で焼成されており、ボンディングワイヤによってこの成形材料から突出した熱減結合ワイヤと接続されており、この熱減結合ワイヤはセラミック製の毛管によって実質的に囲み覆われており、この熱減結合ワイヤは、チップとは反対側の端部において螺旋形の接続ケーブルと接続されている。

本発明によればこれら２つの実施例が、温度検出素子、とりわけチップないしＮＴＣサーミスタにおける、耐熱性の細い接続ワイヤ、とりわけボンディングワイヤの負荷を軽減する。この温度検出素子、とりわけチップないしＮＴＣサーミスタは、通常、パッド（コンタクト面）を介して感熱ユニットに電流を供給する。

これらの温度センサはとりわけ急速な温度変化に関して著しい温度変化耐性を有し、高温センサとして適しており、これらの温度センサによってターボチャージャは、簡単な電子部品によって確実に過熱保護を行うことが可能となる。

有利なターボチャージャ過熱保護装置は、−４０℃〜１２００℃の温度領域のための高温センサ素子を有し、この高温センサ素子は温度検出素子、とりわけ、電気絶縁性の酸化物基板上のプラチナ薄層測定抵抗からなるチップを有する。この温度検出素子ないしチップは、セラミック製の成形材料の中に埋め込まれており、かつ弾性的に形成されたボンディングワイヤによって、ミネラル絶縁されたリードの心線と、または前記成形材料から突出した熱減結合ワイヤと電気的に接続されている。本発明によれば熱減結合ワイヤは、セラミック製の毛管によって実質的に取り囲まれている。熱減結合ワイヤの、温度検出素子、とりわけチップとは反対側の端部は、螺旋形に設けられた接続ケーブルと接続されている。毛管の代わりに熱減結合ワイヤを、例えばミネラルウール等のようなパウダー状またはウール状の誘電性材料の中に挿入することもできる。

ターボチャージャ過熱保護装置のための高温センサ素子であって、温度検出素子、とりわけチップが、被覆管の中の成形材料の中で焼成され、ミネラル絶縁されたリードの心線、または前記成形材料から突出した熱減結合ワイヤとボンディングワイヤによって接続される、高温センサ素子の有利な製造方法において、本発明によれば、前記心線は、とりわけＰｔまたはＰｔＲｈからなるボンディングワイヤ、またはとりわけクロム鋼からなる給電線によって巻き付けられているか、もしくは前記熱減結合ワイヤは、セラミック製の毛管によって実質的に囲まれており、熱減結合ワイヤの、温度検出素子、とりわけチップとは反対側の端部は、螺旋形の接続ケーブルと接続されている。

成形材料は、酸化物材料、とりわけセラミック材料、有利には高純度の酸化アルミニウムである。成形材料はスリーブの中で焼成される。このとき成形材料は焼結し、チップを固定する。スリーブは、有利には心線または熱減結合ワイヤと同じ材料から製造される。とりわけ１０００℃〜１２００℃の、特に高い温度において使用するのに適した実施例においては、スリーブ、もしくは心線または熱減結合ワイヤは、鉄−アルミニウム−クロム−合金から製造される。有利にはこの合金は、５０〜８０重量％、とりわけ６０〜７５重量％のＦｅ、１５〜４０重量％、とりわけ２０〜３０重量％のＣｒ、および５〜３０重量％、とりわけ１０〜２０重量％のＡｌから構成される。

１０００℃までの温度で使用するために適当な実施例においては、スリーブ、もしくは心線または熱減結合ワイヤは、ニッケル−クロム−合金から製造される。有利にはこの合金は、６０〜８０重量％、とりわけ７０〜７５重量％のＮｉ、１０〜２５重量％、とりわけ１５〜２０重量％のＣｒ、および５〜１０重量％のＦｅから構成される。

とりわけミネラル絶縁されたリードは、成形材料の中に埋め込まれた２つの心線を有する。相応にそれぞれ２つの熱減結合ワイヤを一端で固定して、この熱減結合ワイヤのそれぞれもう一方の端部をそれぞれ１つの給電ケーブルの心線と弾性的に接続すると有利である。有利にはケーブル、とりわけケーブルの心線が弾性的に構成されているので、弾力性が生じる。熱減結合ワイヤは、測定先端部の高温端部と冷温端部との間の電気導体として使用される。熱減結合ワイヤは有利には、自身の長さの５０％より長く、とりわけ６０〜９０％が、セラミック製の毛管の中に挿入されている。熱減結合ワイヤは、ボンディングワイヤよりも実質的に太く、かつ長い。有利な心線または熱減結合ワイヤは、０．４〜１mm太さであり、ボンディングワイヤまたはばねは、０．１〜０．２５mmである。

測定抵抗は、貴金属を有する２つのボンディングワイヤによって、ばね、心線、または熱減結合ワイヤと接続されている。ボンディングワイヤは、有利にはプラチナ、またはプラチナ−ロジウム−合金から製造される。ボンディングワイヤは心線側において、ばねとして形成される。このばねは高温耐性の電気導体から形成することもでき、この電気導体はボンディングワイヤまたはチップと接続される。

公知の高温測定先端部はターボチャージャのために使用すると温度変化耐性に欠けるので、１０００〜２０００回の温度変化後にはボンディングワイヤが切断してしまうことが判明している。したがって本発明では実質的に、熱減結合領域が、温度変化による金属疲労によってシステムが破壊されないように構成される。本発明によって応力が緩和されたセンサは、さらに有利には排気管系全体に使用することができる。たとえば粒子フィルタ監視、触媒監視、とりわけＮＯ_Ｘ触媒に関する監視のための温度センサ、または排気循環に関する温度センサとして使用することができる。

以下本発明を、参照符号を用いた実施例に基づいて詳細に説明する。

測定先端部の概略図である。 図１の測定先端部の縦断面図である。 測定先端部の、チップ領域の拡大図である。 測定先端部の横断面図である。 接続図である。 曲げ可能な測定先端部を備える高温センサの概略図である。 図６の高温センサの断面図である。 ケーブル心線の上に被せ嵌められたばねを備える、図６および７の測定先端部を示す図である。 ケーブル心線の上に被せ嵌められたばねを備える、図６および７の測定先端部を示す図である。

実施例１：
温度センサであって、該温度センサの測定先端部をエンジン構造の要求に応じて適合させることができる、とりわけ曲げることができる温度センサ。

曲げ可能な測定先端部を備える高温センサは、図６または図７による曲げ可能なＭＩケーブルを有しており、このＭＩケーブルには、図８または図９のように構成可能な測定先端部が設けられている。図８に示す層抵抗１は２つのボンディングワイヤによってそれぞれ１つの螺旋ばねと接続されており、これらの螺旋ばねはＭＩケーブルの心線の上に固定されており、それぞれこの心線の周りに巻き付いている。

ここでは測定抵抗チップとＭＩケーブルとの接続は、少なくとも部分的に以下のように製造されている。すなわち測定抵抗とＭＩケーブルとの間において、ミネラル絶縁されたＭＩケーブルの複数の心線が、測定抵抗に向いた端部において、ミネラル絶縁から現れ出ており、かつこれらの心線がそれぞれ１つのばねと電気的および機械的に接続されており、かつこれらのばねがそれぞれ心線の周りに巻かれた状態で設けられるようにして製造されているのである。

−４０℃〜１２００℃の温度領域のための高温センサ素子は、以下によって製造される。すなわち、Heraeus Sensor Technology GmbH社, 04/2006版のブックレット"Platin Duennschichtsensoren, die ueberzeugen"に基づいた１２００℃に耐える層抵抗によって製造され、とりわけまだ公開されていない特許出願DE10 2007 046 900.6による、サファイヤ基板上のプラチナ薄層測定抵抗から製造されるのである。このプラチナ薄層測定抵抗においては、プラチナボンディングワイヤとしての接続ワイヤが固定ビードによって応力緩和された状態でセラミック基板に固定されている。ターボチャージャのための標準的な使用温度は、現在１０５０℃を超えている。層抵抗（１）は、ニッケルクロム鋼（alloy 602 ca）（６１重量％のＮｉ、２５重量％のＣｒ、１０重量％のＦｅ、２．２重量％のＡｌ）からなる金属スリーブ（１１）の中の、高純度の酸化アルミニウムからなる成形材料（２）の中に埋め込まれている。層抵抗（１）は、７０重量％の鉄と２５重量％のクロムと５重量％のアルミニウムとを含むクロム鋼からなる、ばねに形成された０．２５mm太さの給電ワイヤ（１２）によって、ミネラル絶縁されたリード（１４）の０．６mm太さの心線（１３）と接続されている（図７および図８）。８０重量％のニッケルと２０重量％のクロムとを含むニッケルクロム鋼からなる心線（１３）は、高密度のミネラルパウダー（１５）の中に埋め込まれており、このミネラルパウダーは、alloy 601（６０重量％のＮｉ、２１重量％のＣｒ、１５重量％のＦｅ、１．２重量％のＡｌ）からなる保護金属カバー（１６）によって取り囲まれている。ミネラル絶縁されたリード（１４）の心線（１３）の、層抵抗（１）とは反対側の端部は、接続ケーブル（６）の０．６mm太さのリードと接続されている（図６および図７）。

弾性的に形成された給電ワイヤ（１２）は、本発明によれば螺旋ばねとして、ミネラル絶縁されたリード（１４）の心線（１３）の上に被せ嵌められており、層抵抗（１）とは反対側の端部において前記心線と電気的に接続されている。ターボチャージャの温度が１０５０℃まで急速に温度変化する際、金属スリーブ（１１）内におけるミネラル絶縁されたリード（１４）と層抵抗（１）との間の相対的な長さ変化によって、従来の給電ワイヤであれば破壊してしまう。しかし本発明によれば、心線の上に設けられた螺旋ばねが、種々の負荷、とりわけ縦方向の伸長と自動車の振動によって生じる負荷を緩和することによって、ターボチャージャ保護装置のこのような破損は阻止される。

ミネラル絶縁されたリードの心線（１３）は、螺旋形に形成された給電ワイヤ（１２）と電気的に接続されている。さらにこの心線（１３）は、螺旋ばねとしての給電ワイヤが、軸として使用される心線の上に設けられていることによって、給電ワイヤの運動の可能性を制限している（図８）。したがって本発明によれば、震動時における給電ワイヤの切断が阻止され、高い振動保護が提供される。この高い振動保護のおかげで、ターボチャージャ保護装置として使用しても充分な寿命が可能となる。

ニッケルクロム鋼（alloy 602 ca；６１重量％のＮｉ、２５重量％のＣｒ、１０重量％のＦｅ、２．２重量％のＡｌ）からなる金属スリーブ（１１）は、ＭＩリード（１４）と機械的に直接接続されているか、場合によっては図８のように、同じ金属からなる中間部材（１７）を介して接続されている。

高純度の酸化アルミニウム（９９．９％）からなる成形材料（２）は、金属スリーブ（１１）の中で調量され、かつ焼成される。このとき成形材料ペーストが焼結し、層抵抗（１）を固定する。この構成は、とりわけ１２００℃までの、特に高い温度において使用するのに適している。１０００℃までの温度での使用に対して有利な構成においては、金属スリーブ（１１）は、７２重量％のニッケル、１６重量％のクロム、８重量％の鉄を含むニッケルクロム合金から形成される。

付加的な管（１８）を、ＭＩリード（１４）を部分的に覆うように嵌め込み、このＭＩリードとともに溶接すると有利であることが判明している。この付加的な管（１８）は、接続ケーブル（６）と心線（１３）との接続を保護しており、接続ケーブル（６）は、この付加的に引き延ばされた管にある２つの段部（１０）によって密閉かつ固定されている。測定先端部は、ＭＩリードの領域において曲げることができる（図６）。給電ワイヤの温度変化耐性は、温度変化が１００℃から８５０℃まででありかつ時間Ｔ_６３が６秒間である（加熱率９０Ｋ／秒に相応）場合には、１００００回の温度変化に耐え、とりわけ本実施例によれば２００００回の温度変化に耐えるものである。したがって本発明によれば、本実施例による熱減結合領域は、温度変化による金属疲労によってシステムが破壊されないように構成されている。図５の接続図は、ＭＩリード（１４）とペーストとの接続を示している。上記ニッケルクロム合金からなるフランジ（９）は、測定先端部の挿入深さを定めるために使用される。

実施例２：
サファイヤ基板上のプラチナ薄層測定抵抗からなるチップ１によって、−４０℃〜１２００℃の温度領域のための高温センサ素子が製造される。チップ１は、高純度の酸化アルミニウムからなる成形材料２の中に埋め込まれており、弾性的に形成されたプラチナ製ボンディングワイヤ３によって、７０重量％の鉄、２５重量％のクロム、５重量％アルミニウムを含むクロム鋼からなる熱減結合ワイヤ４に接続されている（図３）。熱減結合ワイヤ４は本発明によれば、酸化アルミニウムからなる毛管５によって実質的に取り囲まれている（図４）。この熱減結合ワイヤ４の、チップ１とは反対側の端部は、螺旋形に形成された接続ケーブルの心線６と接続されている（図１および図２）。

成形材料２は、７０重量％の鉄、２５重量％のクロム、５重量％アルミニウムを含むクロム鋼からなるスリーブ７の中で調量され、かつ焼成される。このとき成形材料ペーストが焼結し、チップ１を固定する。この構成は、とりわけ１２００℃までの、特に高い温度において使用するのに適している。１０００℃までの温度での使用に対して有利な構成においては、スリーブ７および熱減結合ワイヤ４は、７２重量％のニッケル、１６重量％のクロム、８重量％の鉄を備えるニッケルクロム合金から形成される。

有利には付加的な管８が、スリーブ７を部分的に覆うようにはめ込まれ、かつこのスリーブ７と溶接されている。この付加的な管８は、熱減結合ワイヤと接続ケーブルとの接続を保護しており、接続ケーブルは、この付加的に引き延ばされた管８にある２つの段部１０によって密閉され、かつ固定されている。

ボンディングワイヤの温度変化耐性は、温度変化が１００℃から８５０℃まででありかつ時間Ｔ_６３が６秒間である（加熱率９０Ｋ／秒に相応）場合には、１００００回の温度変化に耐え、とりわけ本実施例によれば２００００回の温度変化に耐えうるものである。したがって本発明によれば、本実施例による熱減結合領域は、温度変化による金属疲労によってシステムが破壊されないように構成されている。

図５の接続図は、ペーストと接続されたスリーブ７を示している。

上記のニッケルクロム合金からなるフランジ９は、測定先端部の挿入深さを定めるために使用される。

Claims (11)

1. 測定抵抗チップまたはＮＴＣサーミスタの測定ユニットと給電ケーブルとの間に、二線のミネラル絶縁されたリードが設けられている、温度センサ、とりわけ高温センサにおいて、
   絶縁から突出した心線が、前記測定抵抗に向いた側の端部において、前記心線の上に被せ嵌められたばねの端部のそれぞれ１つと電気的および機械的に接続されており、
   前記ばねの他方の端部は、前記測定抵抗または前記測定抵抗の接続ワイヤと電気的および機械的に接続されている、
   ことを特徴とする温度センサ、とりわけ高温センサ。
2. 測定抵抗（チップ）と給電ケーブルとの間に熱減結合ワイヤが設けられている、温度センサ、とりわけ高温センサにおいて、
   前記熱減結合ワイヤは、該熱減結合ワイヤの、前記測定抵抗に向いた端部において一端で固定されており、前記熱減結合ワイヤの他方の端部においては前記給電ケーブルと弾性的に接続されている、
   ことを特徴とする温度センサ、とりわけ高温センサ。
3. ２つの熱減結合ワイヤがそれぞれ一端で固定されており、前記２つの熱減結合ワイヤの他方の端部は、前記給電ケーブルの心線のそれぞれ１つと接続されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の温度センサ。
4. 前記熱減結合ワイヤは、該熱減結合ワイヤの長さの５０％より長くがセラミック製の毛管の中に挿入されている、
   ことを特徴とする請求項２または３記載の温度センサ。
5. 前記測定抵抗は、貴金属を有する２つのボンディングワイヤによって、前記ばねまたは前記心線または前記熱減結合ワイヤに接続されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の温度センサ。
6. 前記ボンディングワイヤは、プラチナまたはプラチナ−ロジウム−合金からなる、
   ことを特徴とする請求項５記載の温度センサ。
7. 少なくとも１つの心線または熱減結合ワイヤが、鉄−アルミニウム−クロム−合金からなる、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の温度センサ。
8. 少なくとも１つの心線または熱減結合ワイヤが、５０〜８０重量％の鉄、１５〜４０重量％のアルミニウム、５〜３０重量％のクロムを有する、
   ことを特徴とする請求項７記載の温度センサ。
9. ターボチャージャ過熱保護装置のための高温センサエレメントであって、
   チップが被覆管内の成形材料の中で焼成されており、かつボンディングワイヤによってミネラル絶縁されたリードの心線と、または前記成形材料から突出している熱減結合ワイヤと接続されている、
   形式の高温センサエレメントにおいて、
   前記ボンディングワイヤが前記心線の周りに弾性的に巻かれているか、もしくは前記熱減結合ワイヤがセラミック製の毛管によって実質的に囲まれておりかつ前記熱減結合ワイヤの、前記チップとは反対側の端部において、螺旋形の接続ケーブルと接続されている、
   ことを特徴とする高温センサエレメント。
10. −４０℃〜１２００℃の温度領域のための、とりわけ請求項１〜９記載の高温センサエレメントを含むターボチャージャ過熱保護装置であって、
    前記高温センサエレメントは、電気的に絶縁された酸化物基板の上に、プラチナ薄層測定抵抗からなるチップ（１）を有し、
    前記チップは、セラミック製の成形材料（２）の中に埋め込まれており、かつ弾性的に形成されたボンディングワイヤ（３）によって、心線と、または前記成形材料（２）から突出した熱減結合ワイヤ（４）と電気的に接続されている、
    形式のターボチャージャ過熱保護装置において、
    前記ボンディングワイヤが前記心線の周りに弾性的に巻かれているか、もしくは前記熱減結合ワイヤ（４）がセラミック製の毛管（５）によって実質的に取り囲まれておりかつ前記熱減結合ワイヤの、前記チップとは反対側の端部において、螺旋形に設けられた接続ケーブル（６）と接続されている、
    ことを特徴とするターボチャージャ過熱保護装置。
11. ターボチャージャ過熱保護装置のための高温センサエレメントの製造方法であって、
    チップが被覆管内の成形材料の中で焼成され、かつボンディングワイヤによって心線と、または前記成形材料から突出した熱減結合ワイヤと接続される、
    製造方法において、
    前記ボンディングワイヤが前記心線の周りに弾性的に巻かれるか、もしくは前記熱減結合ワイヤがセラミック製の毛管によって実質的に囲み覆われかつ前記熱減結合ワイヤの、前記チップとは反対側の端部において、螺旋形の接続ケーブルと接続される、
    ことを特徴とする製造方法。