JP2017535781A

JP2017535781A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2017535781A
Application number: JP2017527909A
Authority: JP
Inventors: ニコラ、ジュレ; ピョートル、ザクルゼブスキー; パスカル、カストロ
Original assignee: ヴァレオシステムドゥコントロールモトゥール
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2017-11-30
Also published as: FR3028947A1; EP3224588A1; WO2016083719A1; CN107110712A; FR3028947B1; US20170350765A1

Abstract

熱電対を有する温度センサの製造方法は、ａ）セラミック材料により作製された支持管に、２つの熱電対素線を、前記支持管から外にはみ出るまで差し込む工程と、ｂ）前記支持管から外にはみ出た前記２つの熱電対素線の端部をそれぞれ溶接し、熱電対の高温点を形成する工程と、ｃ）前記支持管を少なくとも部分的に、ステンレス鋼製の補強管に差し込む工程と、ｄ）前記補強管にキャップを取り付け、前記高温点を保護する工程と、の一連の工程を含む。

Description

本発明は、温度センサであって、特に自動車の熱機関群において、−４０℃から１２００℃まで変動し得る温度を測定する熱電対を備えた温度センサに関する。

図１に表されているように、温度測定装置は、従来から、温度センサ２を備えているが、この温度センサ２は、当該温度センサを測定装置４に接続可能な延長ケーブル３により延長される。温度センサ２は、従来から、金属製の保護シース５と、保護シース５に取り付けられるとともに意図する用途に適合された止め具６と、を備えている。

測定装置４は、温度センサ２によって供給され、延長ケーブル３を介して送信された電気信号を解析するように構成されている。この解析によって、温度センサの端部が晒されている温度を評価することができる。

保護シース５の内部では、温度センサ２は、従来から、熱電対７と、通常はアルミナまたはマグネシアからなる無機絶縁体８と、を備え、これによって熱電対は、環境上のストレス、特に高温に耐えることができる。

図２に示されているように、熱電対７は、それぞれ互いに接続され両端が高温点１３につながれた第１の熱電対素線１０と第２の熱電対素線１２の組立体である。第１の素線の端子と第２の素線の端子の電位差ΔＵは、周知のゼーベック効果に応じて、高温点の温度Ｔ１と前述した両端子の温度Ｔ０との温度差に依存する。

熱電対を有する温度センサは、特に熱機関群に用いられ、この温度センサは−４０℃から１２００℃まで変動し得る温度に対応する。

このような用途の温度センサの製造は、従来から、次の工程に従って行われる。

最初に、無機絶縁ケーブルまたはＭＩＣケーブル（英語では「mineral insulated cable」）が製造される。

無機絶縁ケーブルは、金属製の保護シース５と、保護シース５の内部に、熱電対を形成するのに適した材料から製造された２つの熱電対素線１０および１２と、を備え、この２つの熱電対素線は、無機絶縁体８によって、互いに、そして保護シース５から絶縁されている。

無機絶縁ケーブルは、一般に、ロール状で供給される。その後、これを真っすぐにしてから断片に切断する（図３ａ）。

２つの熱電対素線間の接合部すなわち「高温点」１３を形成するために、いくらかの無機絶縁体を例えばブラスト加工するかまたは削り取ることによって、典型的には約２〜１０ｍｍの深さまで無機絶縁ケーブルの端部から取り去る。この端部は「遠位」と称し、無機絶縁体から２つの熱電対素線が現れるとともに、これらの熱電対素線は保護シース５によって囲まれる（図３ｂ）。

このようにして露出させた熱電対素線の両端部を、互いに接するまで機械的に接近させ、次いで熱電対素線の両端部は例えば、電気溶接によって接続される（図３ｃ）。

その後、保護シースの凹端部に、無機絶縁ケーブルの無機絶縁体と同一であるかまたはこれとは異なる絶縁材を充填し、そして当該端部は、例えば電気溶接によって、熱電対を保護するように閉じることができる（図３ｄ）。

その一方で、保護シース５を閉じた後か無機絶縁体とともにケーブルを切り取る前に、従来は、伸線加工またはハンマーで打って加工することによって、保護シース５の遠位端部に細くされた部分１５が作製される。細くされた部分は従来より温度センサの応答時間を向上させている。

このような製造方法は自動化が困難であり、現在、繊細な手作業を必要とする。

したがって、熱電対を有した温度センサ製造の自動化を容易にすることが可能な解決策が必要とされている。

本発明の目的は、この必要性を満たすことである。

本発明は、以下の連続工程を含む熱電対を有する温度センサの製造方法を提案する。
ａ）典型的にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）またはマグネシア（ＭｇＯ）がベースであるセラミック材料、その他のセラミック系材料あるいはそれらの混合物、例えばＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＯ_２等、からなる支持管に、２つの熱電対素線を、前記支持管から外に（熱電対素線が支持管に差し込まれる側とは反対側に）はみ出るまで差し込む工程、
ｂ）前記支持管から外にはみ出た前記２つの熱電対素線の端部をそれぞれ溶接し、熱電対の高温点を形成する工程、
ｃ）先の二工程とは独立しているが、工程ｄ）の前に、前記支持管を少なくとも部分的にステンレス鋼製の、典型的にはインコネル系、または３１０Ｓ、ないしは選択された用途による制約に応じたその他のステンレス鋼から作製された補強管に差し込む工程、
ｄ）前記補強管にキャップを取り付け、前記高温点を保護する工程。

次の説明において更に詳細に論じるように、このような方法は自動化することができる。

本発明に係る方法は、次に示す任意に採択しうる好適な特徴のうちの１つ以上も含めることができる。
− 支持管が仕切られている。
− キャップは、支持管に取り付けられる前に、細くされた部分を有している。
− キャップは、支持管の外側面の９０％以上を覆うように構成される。
− キャップは、経時的に測定において高い安定性をもたらすインコネルである。
− キャップの組み立て前に、キャップは、絶縁材、好ましくは酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウムおよび／または窒化ホウ素の中から選択される、粉末状の材料が充填される。

本発明は、支持管を備えた温度センサであって、支持管はセラミック材料であり、好ましくは仕切られており、２つの熱電対素線が長手方向に通り、２つの熱電対素線が、支持管の近位端部および遠位端部から突き出ており、前記支持管の遠位端部を越えた支持管の外側で接合され、支持管の遠位端部を越えて突き出た熱電対素線の一部が、キャップによって保護されていることが好ましく、キャップには絶縁材が充填されていることが好ましく、支持管を収容する補強管に取り付けられていることが好ましい。

本発明に係る温度センサは、具体的には、本発明に係る方法に従って製造することができ、必要に応じて後述する任意の特徴のうちの１つ以上を有するように構成されていてもよい。

本発明に係る温度センサは、次に示す任意に採択しうる好適な特徴のうちの１つ以上を含むことができる。
− 第１の熱電対素線および第２の熱電対素線の一対の材料が、Ｎ型またはＫ型であり、好ましくはＮ型である。
− 好適な実施形態において、いかなる熱電対素線も支持管内において電気絶縁シースに覆われていない。
− 近位端部において、熱電対素線が電気的な接続手段、例えば測定装置および／または延長ケーブルへの接続を可能にする接続端子を備える。
− 熱電対素線は、熱電対素線が通る支持管の長手方向内腔に固定されず、より正確には、支持管の内腔に挿入される。
− 支持管が、隔壁によって分離された２つの長手方向内側空間を備える。
− 支持管は押出管である。
− 支持管は、典型的には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）またはマグネシア（ＭｇＯ）がベースであるセラミック材料、その他のセラミック系材料、またはＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＯ_２等のこれらとの混合物である。
− 支持管は電気絶縁材から製造される。
− 応答時間が短くなるように、キャップは支持管に取り付けられる前に細くされた部分を有し、高温点における細くされた部分の径が、好ましくは３．５ｍｍ未満、好ましくは３ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満である。
− キャップは密封状態で補強管に取り付けられている。
− キャップは補強管の遠位端部、および／または外側面、および／または内側面に取り付けられている。
− キャップはレーザ溶接によって補強管に取り付けられている。
− キャップは支持管の外側面の１０％以上、３０％以上、６０％以上、９０％以上、好ましくは実質上１００％を覆っている。
− キャップは支持管および／または補強管と当接するように構成され、および／または、支持管および／または補強管にキャップガイド手段を備える。
− キャップには、絶縁材、好ましくは、アルミナおよび／またはマグネシアおよび／または窒化ホウ素および／または窒化アルミニウムの中から選択される材料が、好ましくは粉末の形態で充填され、熱電対素線が前記絶縁材によって外部から絶縁される。
− 補強管はステンレス鋼製であることが好ましく、通常インコネル系または３１０Ｓ、選択された用途の制限に応じたその他のステンレス鋼である。
− 好ましくは、補強管の外径は４ｍｍを超え、さらに好ましくは、４．５ｍｍ以上である。
− 補強管の壁の厚さが、０．２ｍｍを超え、および／または１．３ｍｍよりも小さい。
− 補強管には機械的な止め具が取り付けられ、好ましくは溶接されている。

また本発明は、−４０℃から１２００℃まで変動し得る、具体的には、８００℃超、９００℃超、１０００℃超、または１１００℃超であり得る温度環境における、具体的には自動車の熱機関群での、本発明に係る温度センサの使用にも関する。

そして本発明は、本発明に係る温度センサを備えた自動車の熱機関群、および本発明に係る熱機関群を備えた自動車に関する。温度センサは、具体的には、ターボチャージャーのタービン上流の排気マニホールド、またはエンジン用燃料もしくは支燃性物質の吸気管、または排気管内に配置することができる。

本発明の他の特徴および利点は、次の詳細な説明を読み、そして添付図面を検討することにより、更に明らかになる。

図１は、測定装置に接続された温度センサを概略的に表し、図２は、熱電対の動作原理を概略的に示し、図３（図３ａ〜３ｄ）は、先行技術に係る温度センサの製造方法を示し、図４（図４ａ〜４ｄ）は、本発明に係る製造方法の種々の工程を示す。

＜定義＞
「近位」と「遠位」は、本発明に係る温度センサの両側を区別するものである。「遠位」側は、高温点側である。
「高温点」とは、従来のとおりその温度とは無関係に２つの熱電対素線間の接合部を意味する。
特に断りのない限り、「〜を１つ備える」、「〜を１つ有する」または「〜を１つ含む」とは、「〜を少なくとも１つ備える」という意味で用いられる。
同一の参照符号は、種々の図面における同様の部材を示すのに用いられる。

＜詳細な説明＞
図１〜３は、導入部において説明したので、ここでは図４を参照する。

工程ａ）は、セラミック材料から作製された支持管３０の、１つ以上の長手方向内腔（内側空間）２８に２つの熱電対素線１０および１２を通し、熱電対を形成することからなる（図４ａ）。

支持管３０は、差し込み時に熱電対素線をガイドするように構成されている。

好ましくは、支持管３０は賦形され、好ましくは、内腔２８の断面が、それらが受け入れようとする熱電対素線の断面と実質上同一であるように形成されることが好ましい。

支持管３０は、具体的には、押出によって形成することができる。

支持管は、仕切られていることが好ましい。支持管３０の仕切りによって、熱電対素線が電気絶縁リードによって絶縁されていない場合であっても、前述の支持管に差し込まれる熱電対素線の部分間の電気的な接触におけるあらゆる危険性が好適に排除することができる。

図示されていない変形例においては、支持管３０は１つのみの内側空間を備え、熱電対素線は電気絶縁リードよって被覆され、これによって支持管３０内の熱電対素線間のあらゆる電気的接触が回避される。

熱電対素線は、柔らかくても硬くてもよい。これらの熱電対素線の断面は、ほぼ円形であることが好ましい。

熱電対素線は、支持管３０の遠位端部３２からはみ出るように、押し出される。熱電対素線の突出部分４０および４２は、工程ｂ）時に、２つの熱電対素線の接触が可能となるように、全体的または部分的にむき出しになっている。

熱電対素線１０および１２の突出部分５０および２２は、近位端部４４を越えて支持管３０から外に延び、その長さは、５ｃｍ超、１０ｃｍ超、２０ｃｍ超、５０ｃｍ超であってもよい。好適にはこれらの熱電対素線は、測定装置４に温度センサ２を電気的に接続する延長ケーブル３として機能し得る。当然のことながら熱電対素線が延長ケーブルとして用いられる場合、熱電対素線の突出近位端部５０および５２は、電気的に絶縁される必要がある。これらの近位端部では、熱電対素線１０および１２は、電気的な接続手段、例えば、測定装置４への接続を可能にする接続端子を備えることが好ましい。

工程ｂ）では、図４ｂに表されているように熱電対素線１０および１２の遠位端部４０および４２は、互いに接続され、すなわち確実な方法でかつ高温点１３を形成する方法で、物理的かつ電気的に接触させられる。この接続は、熱溶接によって行われることが好ましい。

工程ｃ）では、支持管が、ステンレス鋼製の補強管６０に差し込まれる。工程ｃ）は、工程ｂ）の前、または工程ａ）の前であってもよい。

工程ｄ）では、図４ｃに表されているように、２つの熱電対素線の接続から得られる熱電対は、好ましくはインコネルから作製されたキャップ２０によって保護される。

キャップ２０は、熱電対素線の突出遠位端部４０および４２を収容する密封室５４を画定するように、任意の手段、例えば適切な接着剤によって、補強管に堅く取り付けることができる。好ましくは、密封室５４には、粉末の形態の絶縁材が充填され、当該充填剤は、補強管に取り付けられる前にキャップに配置されることが好ましい。絶縁材の粉末は、具体的には、酸化アルミニウム粉末または酸化マグネシウム粉末とすることができる。

キャップ２０は、図示されているように、好ましくは支持管３０の遠位端部３２まで延びる細くされた部分５６を有することが更に好ましい。細くされた部分５６は、センサの応答時間を好適に向上させる。

先行技術と比較して、キャップによる細くされた部分の作製は機械的な強度、特に耐振動性も好適に向上させる。

細くされた部分５６は、支持管３０のキャップ２０の組み立てを容易にする機械的な止め具としても機能し得る。キャップ２０の組み立て時において、支持管３０がキャップ２０をガイドできるように、細くされた部分５６の延長においてキャップ２０は、支持管３０と実質上相補的な形状の広くされた部分５８を備えることが更に好ましい。

補強管６０は、保護シースの少なくとも一部、好ましくは保護シースの外側面全体が当該補強管６０により覆われるように、キャップ２０を延長していることが好ましい。キャップ及び補強管は一緒になって、支持管の周りに囲いを画定することが好ましい。この囲いは、温度センサの、少なくとも無機絶縁ケーブルの近位端部から温度センサの遠位端部６２まで延びている部分において封止されていることが好ましい。

補強管６０の内腔は、支持管３０の外側面に対して実質上相補的な形状であることが更に好ましい。

一実施形態において、図４ｃに表されているように、キャップ２０は、補強管６０の遠位端部の縁２４に取り付けられる。一実施形態において、キャップ２０と補強管６０はモノリシック（一体不可分な）な組立体を形成し、すなわち、補強管６０はキャップ２０と一体に形成される。

ここで明らかなように本発明に係る製造方法の工程は、簡易であり自動化することができる。これによって、製造コストが著しく削減される。

当然のことながら、本発明は説明され示されている実施形態に限定されず、説明目的のみに提供される。

Claims

熱電対を有する温度センサの製造方法であって、
ａ）セラミック材料により作製された支持管（３０）に、２つの熱電対素線（１０；１２）を、前記支持管から外にはみ出るまで差し込む工程と、
ｂ）前記支持管から外にはみ出た前記２つの熱電対素線の端部をそれぞれ溶接し、熱電対（１３）の高温点を形成する工程と、
ｃ）先の二工程とは独立しているが、工程ｄ）の前に、前記支持管を少なくとも部分的に、ステンレス鋼製の補強管に差し込む工程と、
ｄ）前記補強管にキャップを取り付け、前記高温点を保護する工程と、
の一連の工程を含む方法。
前記支持管が仕切られている、請求項１に記載の方法。
前記キャップが、前記支持管に取り付けられる前に細くされた部分を有している、請求項１及び２のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記キャップが、前記支持管の外側面の９０％以上を覆うように構成される、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記キャップの組み立て前に、前記キャップに酸化アルミニウムおよび／または酸化マグネシウムから選択される材料の絶縁材が充填される、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記キャップがインコネルである、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の方法。
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の方法によって製造された温度センサ。
１０００℃を超える温度環境、および／または−４０℃から１２００℃まで変動し得る温度環境における、請求項７に記載の温度センサの使用。
請求項７に記載の温度センサを備えた自動車の熱機関群。