JP2017534879A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、熱電対を備えた温度センサの製造方法に関し、この方法は、以下の連続ステップすなわちａ）鉱物絶縁ケーブルの全長にわたって鉱物絶縁体（８）に埋め込まれて延びる２個の熱電対線（１０、１２）を含む鉱物絶縁ケーブル（１４）を製造するステップと、ｂ）熱電対線の端部を露出させるように２〜２０ｍｍ、好ましくは１５ｍｍ未満、好ましくは１０ｍ未満の長さにわたって熱電対ケーブルの端部の絶縁被覆をはがすステップと、ｃ）このように露出された熱電対線の端部（４０、４２）を、熱電対の高温スポット（１３）を構成するように接続するステップと、ｄ）上記高温スポットを保護するように、上記鉱物絶縁ケーブルにキャップ（２０）を固定するステップと、を含んでいる。

Description

本発明は、特に自動車の熱機関装置で−４０℃〜１２００℃の温度を測定するための熱電対を含む温度センサに関する。

図１に示したように、温度測定装置は、一般に、測定器具４に温度センサを接続可能な延長ケーブル３により延長された、温度センサ２を含んでいる。温度センサ２は、一般に、金属製の保護シース５と、この保護シース５に取り付けられた、対象用途に適したストッパ６とを含んでいる。

測定器具４は、温度センサ２により供給され延長ケーブル３を介して伝達される電気信号を解釈するように構成されている。こうした解釈により、温度センサの端部がしたがう温度を見積もることができる。

保護シース５の内部で、温度センサ２は、一般に、熱電対７と、通常はアルミナまたはマグネシアからなる鉱物絶縁体８とを含み、これによって、環境上のさまざまな制約、特に高温に対して熱電対が耐えられるようになる。

図２に示したように、熱電対７は、高温スポット１３で互いに端と端を合わせてそれぞれ接続される第１および第２の導線１０、１２からなるアセンブリである。第１および第２の導線の端子における電位差ΔＵは、よく知られているゼーベック効果にしたがって、高温スポットＴ_１の温度と上記端子の温度Ｔ_０との差に依存する。

熱電対を有する温度センサは、特に、−４０℃〜１２００℃の温度にされる熱機関装置で使用される。

このような用途向けの温度センサを製造する場合、一般には次のようなステップにしたがって行われる。

最初に、鉱物絶縁ケーブル１４またはＭＩＣ（英語では「ｍｉｎｅｒａｌ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｃａｂｌｅ」）を製造する。

鉱物絶縁ケーブルは、金属製の保護シース５と、この保護シース５の内部に、熱電対を形成するように構成された材料からなる２個の熱電対線１０、１２とを含み、２個の熱電対線は、鉱物絶縁体８を用いて互いに、また、保護シース５から絶縁されている（図３ａ）。

２個の熱電対線の接合部、すなわち「高温スポット」１３を構成するために、ケーブルの一端から、一般には約２〜１０ｍｍの深さにわたってたとえばサンドブラストまたは削り取りにより少量の鉱物絶縁体を取り出す。このようにして、この端部いわゆる「遠位端」で、２個の熱電対線は、保護シース５により取り巻かれながら絶縁体からむき出しにされる（図３ｂ）。

こうして露出された熱電対線の２つの端部は、互いに接触してから接続されるまで、たとえば電気溶接により機械的に近づけられる（図３ｃ）。

その後、保護シースの中空の端部は、鉱物絶縁ケーブルの鉱物絶縁体と同じかまたは異なる絶縁材料を任意で充填される。次いで、保護シースは、熱電対を保護するように、たとえば電気溶接により（図３ｄ）、再び閉じられる（図３ｃの矢印）。

さらに、保護シース５の閉鎖後または鉱物絶縁ケーブルの切断前に、一般には線引きまたはピーニングにより、保護シース５の遠位端に縮管部１５を形成する。縮管部は、一般に、耐振性を実質的に損なわずに温度センサの応答時間を改善することができる。

このような製造方法は、自動化することが困難であり、現状では難しい手作業を含んでいる。

したがって、熱電対を備えた温度センサの製造方法の自動化を容易にできる解決方法が必要とされている。

本発明の１つの目的は、こうしたニーズに応えることにある。

本発明は、熱電対を備えた温度センサの製造方法を提案するものであり、この方法は、以下の連続ステップ、すなわち
ａ）保護シースと、この保護シース内で鉱物絶縁ケーブルの全長にわたって鉱物絶縁体に埋め込まれて延びる２個の熱電対線とを含む鉱物絶縁ケーブル（ＭＩＣ）を製造するステップと、
ｂ）熱電対線の端部を露出するように２〜２０ｍｍ、好ましくは１５ｍｍ未満、好ましくは１０ｍ未満の長さにわたって、熱電対ケーブルの端部の絶縁被覆をはがすステップと、
ｃ）このように露出された熱電対線の端部を、熱電対の高温スポットを構成するように接続するステップと、
ｄ）上記高温スポットを保護するように、上記鉱物絶縁ケーブルにキャップを固定するステップと、を含んでいる。

したがって、以下の説明で詳しく述べるように、熱電対線を保護するために保護シースそれ自体を再び閉じたり、保護シースをくり抜くために鉱物絶縁体を取り出したりする必要はもはやなく、これによって製造方法の自動化が著しく容易になる。

本発明による方法は、さらに、次のような１つまたは複数の任意の好ましい特徴を含むことができる。

−キャップが縮管部を有し、ステップｄ）の後、高温スポットに位置する縮管部の直径が２．５ｍｍ未満である。

−ステップｄ）の後、キャップが、保護シースの外側側面の９０％より多くを被覆する。

−キャップが、保護シースの端面と係止するように、および／または保護シースへのキャップの組立をガイドするように構成されている。

−キャップは、キャップの組立前に絶縁材料で充填され、キャップの組立後は、熱電対線の端部が上記絶縁材料により外部から絶縁されるようになっている。

−鉱物絶縁ケーブルを補強管に挿入して、上記補強管が少なくとも部分的に保護シースを覆うようにされている。

本発明は、また、高温スポットを画定する２個の熱電対線と、保護シースと、上記高温スポットを密封保護するように固定されるキャップとを含む鉱物絶縁ケーブルを含む、熱電対を備えた温度センサを提案する。

本発明による温度センサは、特に、本発明による方法にしたがって製造可能であり、場合によっては、後述する１つまたは複数の任意の特徴を温度センサが有するように適合される。

本発明による温度センサは、さらに、１つまたは複数の以下のような任意の好ましい特徴を含むことができる。

−好ましくは、鉱物絶縁ケーブルが縮管部を備えない。

−好ましくは、キャップが縮管部を有し、高温スポットに位置するその外径が好ましくは３．５ｍｍ未満、さらには３ｍｍ未満、さらには２ｍｍ未満、さらには１．５ｍｍ未満である。

−キャップは、保護シースの外側側面の１０％以上、３０％以上、６０％以上、９０％以上を被覆し、好ましくはほぼ１００％を被覆する。

−キャップは、保護シースの端面と係止するように、および／または保護シースへのキャップの組立をガイドするように構成される。

−温度センサは、鉱物絶縁ケーブルの保護シースを少なくとも部分的に覆う補強管を含んでいる。

−補強管の壁厚は、０．３ｍｍより厚くおよび／または１．２ｍｍ未満である。

−キャップと補強管は、鉱物絶縁ケーブルの保護シースの外側側面の１０％以上、３０％以上、６０％以上、９０％以上、好ましくはほぼ１００％を同時に被覆する。

−温度センサは、保護シースまたは補強管に固定された、好ましくは溶接された、機械ストッパを含む。

−キャップは、鉱物絶縁ケーブルの保護シースに、および／または鉱物絶縁ケーブルを含む補強管に固定される。

−キャップは、保護シースの遠位端および／または好ましくは保護シースの外側側面に、好ましくはレーザ溶接により固定される。

−キャップは、鉱物絶縁ケーブルの鉱物絶縁体と同じかまたは異なる、好ましくはアルミナおよび／またはマグネシアの中から選択される材料からなる、粉末の形態の絶縁材料を充填される。

本発明は、また、８００℃より高く、９００℃より高く、１０００℃より高く、１１００℃より高く、および／または−２０℃未満、−３０℃未満、好ましくは−４０℃〜１２００℃の間で温度が変化する環境、特に自動車の熱機関装置で本発明による温度センサを使用することに関する。

本発明は、さらに、本発明による温度センサを含む自動車の熱機関装置と、本発明による熱機関装置を含む自動車とに関する。温度センサは、特に、ターボコンプレッサのタービンの上流にある排気マニホールド内に、または燃料もしくは支燃性物質の吸気マニホールド内に、または排気マニホールド内に配置可能である。

本発明の他の特徴および長所は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、いっそう明らかになるであろう。
測定器具に接続された温度センサを概略的に示す図である。 熱電対の動作原理を概略的に示す図である。 従来技術による温度センサの製造方法を示す図である。 従来技術による温度センサの製造方法を示す図である。 従来技術による温度センサの製造方法を示す図である。 従来技術による温度センサの製造方法を示す図である。 キャップ固定前の本発明による温度センサを示す図である。 絶縁被覆をはがす前の本発明による温度センサを示す図である。

定義
−「近位」および「遠位」は、本発明による温度センサの２つの側を区別している。「遠位」側が高温スポット側である。

−「高温スポット」は、一般に、２つの熱電対線の間の接合部を、その温度とは無関係に示している。

−「含む」「有する」または「備える」は、特に指示のない限り「少なくとも１つを含む」を意味する。

−異なる図において同様の部材を示す場合は、同じ参照符号を用いる。

図１から図３についてはすでに説明したので、以下、図４を参照する。

熱電対センサを製造するために用いられる従来技術の鉱物絶縁ケーブルについては、すべてを利用可能である。

好ましくは、保護シース５の外径は４ｍｍより大きく、好ましくは４．５ｍｍ以上および／または７ｍｍ未満、好ましくは６ｍｍ未満である。

保護シースは、任意の導電性材料から構成可能である。

熱電対線は、柔軟でも剛性であってもよい。好ましくは、その横断面がほぼ円形である。さらに好ましくは、１本の熱電対線の横断面の最大直径および／または最小寸法が０．２以上および／または１以下である。

本発明の１つの実施形態によれば、第１および第２の熱電対線１０、１２の材料の組み合わせは、以下の材料の組み合わせ、すなわち、ＮｉＳｉｌ／ＮｉＣｒｏＳｉｌからなる群から選択される。

場合によっては、鉱物絶縁ケーブルの近位端４４を超えて延びる熱電対線１０、１２の突出部５０、５２の長さは、５ｃｍより長く、１０ｃｍより長く、２０ｃｍより長く、５０ｃｍより長くすることができる。そのため、有利には、これらの線は、測定器具４の温度センサ２を電気的に接続するために、延長ケーブル３の役割を果たすことができる。当然のことながら、熱電対線が延長ケーブルとして用いられる場合、上記の突出部５０、５２は、電気的に絶縁することが必要である。

熱電対線１０、１２は、それらの近位端に電気接続手段を含み、たとえば測定器具４および／または延長ケーブル３へのそれらの接続を可能にする接続端子を含んでいる。

さらに好ましくは、保護シースの外側側面に機械ストッパ６が固定され、好ましくは溶接される。機械ストッパ６は、有利には温度センサの直径を局部的に正確に適合させることが可能であり、したがって、対象とされる用途に良好に適合させることができる。

好ましくは、機械ストッパの横方向（すなわち、鉱物絶縁ケーブルの長さに対応する長手方向に対する垂直面における）の最大寸法が８ｍｍより大きく、および／または２５ｍｍ未満である。

図４に示したように、従来技術では鉱物絶縁ケーブル１４の保護シース５により決定されていた保護は、キャップ２０に代替されている。

好ましくはキャップがインコネルである。

好ましくは、キャップ２０の最大外径が４ｍｍより大きく、好ましくは４．５ｍｍ以上および／または７ｍｍ未満、好ましくは６ｍｍ未満である。

好ましくは、キャップが縮管部５６を有する。有利には、はめ込みキャップを使用すると、縮管部のために複雑な形状を得ることが容易になる。さらに、熱電対線を損傷するリスクが減る。

さらに好ましくは、縮管部５６は、図示されているようにキャップ２０の遠位端まで延びる。有利には、縮管部５６は、センサの応答時間を改善する。

適切な応答時間を使えるように、高温スポットに位置する縮管部の外径は、好ましくは３．５ｍｍ未満、さらには３ｍｍ未満、さらには２ｍｍ未満、さらには１．５ｍｍ未満である。

縮管部５６は、同様に、鉱物絶縁ケーブルへのキャップ２０の組立を容易にする機械ストッパの役割を果たすことができる。さらに好ましくは、キャップ２０は、縮管部５６の延長線上に、鉱物絶縁ケーブルにほぼ係合する形状の拡大部５８を含んでおり、その結果、絶縁ケーブルはキャップ２０の組立時にキャップをガイドできるようにされている。

好ましくは、キャップは、鉱物絶縁ケーブルの保護シースに含まれるものと同じかまたは異なるものとすることが可能な、好ましくは鉱物性で好ましくは粉末の絶縁材料で充填される。好ましくは、絶縁材料は、アルミナおよび／またはマグネシアの中から選択される材料からなる。

本発明によれば、温度センサは、上記のステップａ）〜ｄ）によって製造される。

ステップａ）〜ｃ）は、先に述べたように、従来技術により一般に、実施される複数のステップに対応することができる。

ステップａ）では、鉱物絶縁ケーブル、または鉱物絶縁ケーブル片を準備する。

ステップｂ）では、従来の方法とは異なり、熱電対線の端部の絶縁被覆がはがされ、すなわち、熱電対線を囲む保護シース部分（従来は取り出される鉱物絶縁体を含む部分）が切断され、熱電対線の遠位端を露出する。

図３ｃでは、切断線Ｌを点線で示した。好ましくは、絶縁被覆をはがす作業は、切断線Ｌを含む横断面で保護シースと鉱物絶縁体を同時に切断し、その後、熱電対線の遠位端４０、４２をむき出しにするように、こうして切断された区間を取り出すことからなる。

そのため、ステップｂ）の終わりに、熱電対線の端部は、図５に示したように、保護シースと鉱物絶縁体とを超えて長手方向（鉱物絶縁ケーブルの長さの方向）に延びる。２個の熱電対線の端部の周りに（保護シースによる）帯がないので、ステップｃ）では、特に溶接によるそれらの接続が著しく容易になる。

ステップｃ）では、図４に示したように、熱電対線１０、１２の遠位端４０、４２が互いに接続され、すなわち、物理的、電気的に最終的に接触して、高温スポット１３を形成する。好ましくは熱間溶接による接続が実施される。

ステップｄ）では、２個の熱電対線の接続によって得られた熱電対が、好ましくはインコネルからなるキャップ２０を用いて保護される。

キャップ２０は、保護シースの外側側面２２に固定することができる。１つの実施形態では、キャップ２０の端面（キャップ２０の開口部を画定する面）２３を、鉱物絶縁ケーブルの保護シースの端面２４に固定可能である。

キャップ２０はあらゆる手段により、たとえば適切な接着剤を用いて、好ましくは溶接により、堅牢に固定可能であり、それによって、熱電対線の突出する遠位部分４０、４２を収容する密封チャンバが画定される。

好ましくは、上記チャンバが、支持管３０にキャップを固定する前にキャップに配置された、鉱物絶縁ケーブルの鉱物絶縁体と同じかまたは異なる、好ましくは粉末の絶縁材料で充填される。絶縁材料の粉末は、特にアルミナ粉末またはマグネシア粉末とすることができる。

好ましくは、温度センサが、少なくとも部分的に保護シースを覆う、好ましくはステンレス鋼の補強管６０をさらに含んでいる。

好ましくは、補強管６０はキャップ２０を延長し、それによって、保護シースの外側側面の少なくとも一部、好ましくは外側側面全体をキャップで覆う。好ましくは、キャップと補強管が、金属製の絶縁ケーブルの周囲のエンクロージャを一緒に画定する。好ましくは、このエンクロージャは、少なくとも機械ストッパ６から温度センサの遠位端６２まで延びる温度センサ部分で、好ましくは、鉱物絶縁ケーブルの近位端から温度センサの遠位端６２まで延びる温度センサ部分で、気密である。

好ましくは、補強管の壁厚が０．３ｍｍ〜１．２ｍｍである。

さらに好ましくは、補強管６０の開口部は、保護シース５の外側側面にほぼ係合する形状を呈する。

１つの実施形態では、キャップ２０が、補強管６０の遠位端の端面６４に、および／またはその内面または外面に固定される。１つの実施形態では、キャップ２０と補強管６０が、モノリシックアセンブリを形成し、すなわち、補強管６０がキャップ２０と同じ材料で形成される。

以上から明らかであるように、本発明による製造方法の複数のステップは簡単であり、自動化可能である。その結果、製造コストが著しく削減される。

本発明は、また、縮管部のために複雑な形状を得ることができる。さらに、本発明では、熱電対線を損傷するリスクが大幅に軽減される。

いうまでもなく、本発明は、記載および図示された上記の実施形態に制限されるものではなく、この実施形態は、単に例としてのみ挙げられている。

Claims (9)

1. 熱電対を備えた温度センサの製造方法であって、以下の連続ステップすなわち
   ａ）保護シースと、前記保護シース内で鉱物絶縁ケーブルの全長にわたって鉱物絶縁体（８）に埋め込まれて延びる２個の熱電対線（１０、１２）とを含む鉱物絶縁ケーブル（１４）を製造するステップと、
   ｂ）前記熱電対線の端部（４０、４２）を露出させるように２〜２０ｍｍの長さにわたって熱電対ケーブルの端部の絶縁被覆をはがすステップと、
   ｃ）このように露出された前記熱電対線の端部（４０、４２）を、熱電対の高温スポット（１３）を構成するように接続するステップと、
   ｄ）前記高温スポットを保護するように前記鉱物絶縁ケーブルにキャップ（２０）を固定するステップとを含む、方法。
2. 前記キャップ（２０）が、縮管部（５６）を有し、前記ステップｄ）の後、高温スポットに位置する前記縮管部の直径が２ｍｍ未満である、請求項１に記載の方法。
3. 前記キャップ（２０）が、前記ステップｄ）の後、前記保護シース（５）の外側側面（２２）の９０％より多くを被覆する、請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記キャップ（２０）が、前記保護シースの端面と係止するように、および／または前記保護シースへの前記キャップの組立をガイドするように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記キャップは、このキャップの組立前に絶縁材料で充填され、前記キャップの組立後、前記熱電対線の端部（４０、４２）が前記絶縁材料により外部から絶縁されるようになっている、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記鉱物絶縁ケーブルが保護シース（５）を含み、前記鉱物絶縁ケーブルを補強管（６０）に挿入して、前記補強管が少なくとも部分的に前記保護シース（５）を覆うようにされている、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法により製造される、温度センサ。
8. １１００℃より高温の環境における、請求項７に記載の温度センサの使用。
9. 請求項７に記載の温度センサを含む、自動車の熱機関装置。

Images