JP2017538928A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、温接点（１３）を画定する熱電対（７）を備えた温度センサであって、外径が２ｍｍより大きくかつ５ｍｍよりも小さな無機絶縁ケーブル（１４）と、補強管（６０）と、を備え、無機絶縁ケーブルが、細くされた部分を形成するように、温接点側において、補強管から突き出している温度センサに関する。

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、温度センサ２を備えているが、この温度センサは、該温度センサを測定装置４に接続可能とする延長ケーブル３を介して延在する。温度センサ２は、従来、金属製の保護シース５と、保護シース５に取り付けられ用途対象に応じて構成される止め具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読するように構成されている。この解読によって、温度センサの端部にもたらされ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、熱電対７と、通常酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムからなる無機絶縁体８とを備え、これによって、熱電対は、環境上の制約、特に上昇した温度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、温接点１３において、それぞれ互いに端と端が接続された第１のリード線１０と第２のリード線１２の組立体である。第１のリード線と第２のリード線の端子の電位差ΔＵは、周知のゼーベック効果に応じて、温接点の温度Ｔ１と前述した端子の温度Ｔ０との差によって異なる。

温度が−４０℃から１２００℃まで変動し得る用途の温度センサの製造は、従来、次の工程に従って行われる。

最初に、無機絶縁ケーブル１４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つの熱電対線１０および１２とを備え、この２つの熱電対線は、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（図３ａ）。

２つの熱電対線の接合部、即ち「温接点」１３を形成するために、無機絶縁体を、例えばブラスト加工するかまたは削り取りによって、通常２〜１０ｍｍの深さまでケーブルの端部から少し引き出す。こうして、「遠位」と称するこの端部に、絶縁体から２つの熱電対線が現れるとともに、これらの熱電対線は保護シース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線の２つの端部は、互いに接するように機械的に接近させられ、次いで、例えば電気溶接によって、接続される（図３ｃ）。

その後、保護シースからくり抜かれた端部に、場合によって、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、例えば電気溶接によって、熱電対を保護するように閉鎖される（図３ｄ）。

その一方で、保護シース５を閉鎖した後、または無機絶縁ケーブルを切り取る前に、従来、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、温度センサの応答時間を向上させることができる。しかしながら、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、熱電対を有する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。

発明の概要
本発明は、次の連続工程を含む、熱電対を有した温度センサの製造方法を提案する。
ａ）ケーブルの全長にわたって延在し無機絶縁体中に埋設された２つの熱電対線を備えた無機絶縁ケーブルを製造する工程であって、無機絶縁体は保護シースによって囲まれ、無機絶縁ケーブルの外径は、２ｍｍよりも大きくかつ５ｍｍよりも小さく、好ましくは４ｍｍよりも小さい工程と、
ｂ）無機絶縁ケーブルの一方の端部の無機絶縁体から、熱電対線の端部を２〜７ｍｍの深さまで引き出し露出させる工程と、
ｃ）このようにして露出させた熱電対線の端部を接続し、熱電対の温接点を形成する工程と、
ｄ）保護シースによる封入によって、前述の温接点を保護する工程と、
ｅ）先の工程とは独立して、好ましくは工程ｄ）の後に、補強管によって保護シースを保護する工程であって、前記補強管は、前記温接点を越えて前記保護シースが突出することを許容するように、前記保護シースを保護する工程。

次の説明において更に詳細に論じるように、小さな径の無機絶縁ケーブルと、無機絶縁ケーブルを収容する補強管との組合せによって、細くされた部分を形成することができ、このため、保護シースの変形による従来の細くされた部分の形成を制限するかまたは廃止することができる。製造過程の自動化が、大幅に簡略化される。

その上、温度センサの機械的強度が向上し、このため、その寿命が延びる。

本発明に係る方法は、さらに次に示す任意の特徴のうちの１つ以上を含み得る。
工程ｄ）の終了時に、保護シースが、その長手部分の、８０％超、９０％超、９５％超、または実質的に１００％で、一定の径を有する。
補強管が、溶接によって保護シースに固定されている。
工程ｄ）の封入時に、絶縁材が封入されるが、この絶縁材は、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り、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ことが好ましい材料であり、粉末の形態で封入されることが好ましく、工程ｄ）の後、封入された熱電対線の前述した端部が、前述の絶縁材によって外側から絶縁される。

また、本発明はさらに、温接点を画定する熱電対を備えた温度センサであって、外径が４ｍｍ未満の無機絶縁ケーブルと、無機絶縁ケーブルを部分的に収容する補強管とを備え、無機絶縁ケーブルが、細くされた部分を形成するように、温接点側において補強管の外に突き出している温度センサを提案する。

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さらに、次に示す任意の特徴のうちの１つ以上を含み得る。
温接点側において補強管の外に突き出た無機絶縁ケーブルの一部の長さが、５ｍｍよりも大きく、好ましくは７ｍｍよりも大きく、好ましくは９ｍｍよりも大きく、および／または、１５ｍｍよりも小さく、好ましくは１３ｍｍよりも小さく、好ましくは１１ｍｍよりも小さい。
無機絶縁ケーブルは、その長さ方向に沿って、温接点が補強管の遠位端部を越えて配置されるように、補強管の遠位端部を越えて突き出している。すなわち温接点側において突き出している。
無機絶縁ケーブルの外径が、好ましくは３．５ｍｍ未満、好ましくは３ｍｍ未満、好ましくは２．５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満、好ましくは１．２ｍｍ未満である。
保護シースは、細くされた部分を有していないか、もしくは、細くされた部分を備えるが、その外径が当該細くされた部分の領域の外側にある前記保護シースの内径よりも大きくなっているか、あるいは、その外径が、細くされた部分の領域の外側にある保護シースの外径の８０％よりも大きく、好ましくは９０％よりも大きく、より好ましくは９５％よりも大きな、細くされた部分を有することが好ましい。
補強管が、無機絶縁ケーブルの保護シースの外側面の、１０％超、３０％超、６０％超、９０％超、好ましくは概ね１００％を覆っている。
補強管の壁の厚さが、０．３ｍｍ以上であり、および／または１．２ｍｍ未満である。
保護シースと補強管とを合わせた厚さが、無機絶縁ケーブルの外径の、１６％よりも大きく、および／または７０％よりも小さい。
補強管が、好ましくはレーザ溶接によって、好ましくは補強管の遠位端部において、保護シースに固定されている。
温度センサが、補強管に固定される、好ましくは溶接される、機械的止め具を備える。

また、本発明は、８００℃、９００℃、１０００℃、１１００℃を超える、および／または−１０℃、−２０℃、−３０℃未満の、好ましくは−４０℃から１２００℃の範囲の温度環境における、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す。 図２は、熱電対の動作原理を概略的に示す。 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す。 図４は、本発明に係る温度センサの長手方向断面を表す。

［定義］
「近位(proximal)」と「遠位(distal)」は、本発明に係る温度センサの両側を区別する。「遠位」側は、温接点側である。
「温接点(point chaud)」とは、従来のとおり、その温度とは無関係に、２つの熱電対線間の接合部を意味する。
無機絶縁ケーブルの外径は、補強管の外径よりも小さい。温接点側において、補強管からはみ出た無機絶縁ケーブルの一部を「細くされた部分(retreint)」と呼ぶ所以である。
特に断りのない限り、「絶縁材(materiau isolant)」または「無機絶縁体(isolant mineral)」とは、１０ＭＶ／ｍよりも高い電気強度と、周囲温度において通常のセラミック材料の１ＧΩｍよりも大きな抵抗率とを有する材料を意味する。
特に断りのない限り、「〜を１つ備える(comportant un)」、「〜を１つ有する(presentant un)」または「〜を１つ含む(comprenant un)」とは、「〜を少なくとも１つ備える(comportant au moins un)」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されており、ここでは図４を参照する。

本発明に係る熱電対を有するセンサは、小さな径の無機絶縁ケーブル１４から製造される。

保護シース５は導電性材料から製造することができ、ステンレス鋼から選択される材料から製造されることが好ましく、無機絶縁ケーブルの外径の通常１０％に近い厚さ、好ましくは機械的ロバスト性を促進するために１０％を超える厚さの壁を有するインコネル系から製造されることが好ましい。熱電対線１０および１２は、柔らかいかまたは硬くてもよい。これらの熱電対線は、ほぼ円形の断面を有することが好ましい。

第１の熱電対線１０と第２の熱電対線１２の材料の組は、NiSil/NiCroSil（NiSi/NiCrSi）であることが好ましい。

無機絶縁体８を越えて延びる、熱電対線１０および１２の突き出した遠位端部４０および４２は、従来、温接点１３で接合されている。これらの遠位端部はチャンバー４３内に収容されて封入されるが、絶縁材が充填されることが好ましく、絶縁材は天然無機物からなることが好ましく、無機絶縁ケーブルの保護シースに含有するものと同一であるかまたはこれとは異なり得る絶縁体であることが好ましい。好ましくは、絶縁材は、酸化アルミニウムおよび/または酸化マグネシウムによって形成されるグループから選択される。

熱電対線１０および１２の突き出した近位端部５０および５２は、必要に応じて、無機絶縁ケーブル１４の近位端部４４を越えて延びていてもよく、その長さは、５ｃｍ超、１０ｃｍ超、２０ｃｍ超、５０ｃｍ超であってもよい。このため、これらの熱電対線は、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として機能し得ることが好適である。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、熱電対線の突出近位端部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、熱電対線１０および１２は、電気接続手段、例えば、測定装置４および／または延長ケーブル３への接続を可能にする接続端子を備えている。

図４に表されている一実施形態において、無機絶縁ケーブルの保護シース５には、細くされた部分（他の部分より細くなっている部分）がない。保護シースの径は、その近位端部４４からその遠位端部６２にかけて、ほぼ一定である。あるいは、無機絶縁ケーブルの保護シース５は、軽度に細くされた部分、好ましくはその外径が前述した細くされた部分の領域の外側にある保護シース５の内径よりも大きな細くされた部分を有する。

温度センサは、インコネルから製造されることが好ましく部分的に保護シースを覆う補強管６０を備えている。

一実施形態において、補強管６０は、好ましくは溶接によって、保護シースに固定される。

補強管６０の外径は、７ｍｍ、６ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍあるいは３ｍｍ、よも小さいことが好ましい。

補強管の内側空間（内腔）を画定する、補強管の内側面は、保護シース５の外側面２２上で支持されている。補強管の内側空間は、保護シース５の外側面２２に対して実質的に相補的な形状であることが好ましく、これによって、補強管の内側面と保護シース５の外側面２２とを緊密に接触させることができる。

補強管は、保護シースの近位端部４４まで延びていることが好ましい。ただし、補強管は、保護シースの遠位端部６２までは延びていない。補強管は、その外径が保護シースの外径に徐々に接合するように、傾斜した遠位端部を備えることが好ましい。

機械的止め具６は、補強管６０に固定されることが更に好ましく、溶接されることが好ましい。機械的止め具６は、温度センサの径に対して局所的に正確に適合させること、したがって対象とする用途に応じて十分に適応させることが好適であり得る。機械的止め具の横方向の（すなわち、無機絶縁ケーブルの長さに相当する長手方向に対して直交する面における）最大寸法は、８ｍｍよりも大きく、および／または２５ｍｍよりも小さいことが好ましい。

機械的止め具６から、または（機械的止め具６を考慮せずに）近位端部４４から遠位端部６２にかけて温度センサを見ると、温度センサの外側面は、外径が補強管６０によって画定された円筒部分６４と、補強管の傾斜した遠位端部に相当する中間部分６６と、細くされた部分５６と、を備えている。

細くされた部分５６は、温度センサの応答時間を向上させることが好適である。適切な応答時間を有するようにするため、温接点における細くされた部分の外径は、３．５ｍｍ未満、または３ｍｍ未満、または２ｍｍ未満、または１．５ｍｍ未満であることが好ましい。

細くされた部分５６の長さは、５ｍｍよりも大きく、および／または１５ｍｍよりも小さいことが好ましい。

本発明に係る温度センサは、上述の工程ａ）〜ｅ）に従って製造することができる。

導入部に説明されているように、工程ａ）〜ｃ）は、先行技術に係る従来の実施工程に相当し得る。

工程ａ）では、無機絶縁ケーブルまたは無機絶縁ケーブルの一部分が用意される。

工程ｂ）では、先行技術のように、無機絶縁ケーブルの一方の端部の無機絶縁体から、熱電対線の端部を、好ましくは２〜７ｍｍの深さまで引き出し、露出させることができる。

工程ｃ）では、図４に表されているように、熱電対線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、明確な方法により、物理的に接触し、電気的に接続され、温接点１３を形成する。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ｄ）では、２つの熱電対線の接続によって得られた熱電対が、環境から保護されるように封入される。

好適な実施形態において、図３ｃの矢印により示されている先行技術のように、保護シースを変形させることによって温接点１３が封入され、次いで、溶接される。

保護シース内への封入は、前述の保護シースから細くされた部分が形成されることなく実行されることが好ましい。このため、無機絶縁ケーブルの外径は、その遠位端部６２までほぼ一定である。

封入から得られるチャンバー４３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が、好ましくは粉末の形態で充填されることが好ましい。絶縁材粉末は、具体的には、酸化アルミニウムの粉末または酸化マグネシウムの粉末であり得る。

工程ｅ）では、無機絶縁ケーブルは、好ましくは力により、その遠位端部が補強管の遠位端部からはみ出る位置まで、補強管の長手方向内側空間に挿入される。こうして、この長手方向内側空間の遠位端部は、細くされた部分５６を画定する。

補強管は、保護シース５に固定されることが好ましく、溶接されることが好ましい。

ここで明らかなように、本発明に係る製造方法の工程、具体的には細くされた部分を得る工程は、単純であり、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、説明目的のみに提供される、説明され示されている実施形態に限定されない。

Claims (10)

1. 温接点（１３）を画定する熱電対（７）を備えた温度センサであって、外径が２ｍｍよりも大きくかつ５ｍｍよりも小さな無機絶縁ケーブル（１４）と、補強管（６０）とを備え、前記無機絶縁ケーブルが、細くされた部分を形成するように、前記温接点側において前記補強管から突き出している温度センサ。
2. 前記無機絶縁ケーブルの外径が３．５ｍｍ未満である、前記請求項に記載の温度センサ。
3. 前記補強管（６０）が、前記無機絶縁ケーブルの保護シース（５）の外側面（２２）の９０％超を覆う、請求項１及び請求項２のうちのいずれか一項に記載の温度センサ。
4. 前記補強管が、厚さ０．３ｍｍ以上の側壁を備える、請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の温度センサ。
5. 前記温接点において前記補強管の外に突き出た前記無機絶縁ケーブルの一部の長さが、５ｍｍよりも大きい、請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の温度センサ。
6. 前記保護シースが、細くされた部分を備えていないか、あるいは、細くされた部分を備えるが、その外径が当該細くされた部分の領域の外側にある前記保護シースの内径よりも大きくなっている、請求項１から請求項５のうちのいずれか一項に記載の温度センサ。
7. 前記補強管に固定される機械的止め具を備える、請求項１から請求項６のうちのいずれか一項に記載の温度センサ。
8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の、熱電対を有する温度センサの製造方法において、
   ａ）ケーブルの全長にわたって延在し、無機絶縁体（８）中に埋設された２つの熱電対線（１０、１２）を備えた無機絶縁ケーブル（１４）を製造する工程であって、前記無機絶縁体は保護シース（５）によって囲まれ、前記無機絶縁ケーブルの外径は４ｍｍ未満である前記無機絶縁ケーブルを製造する工程と、
   ｂ）前記無機絶縁ケーブルの一方の端部の前記無機絶縁体から、前記熱電対線の端部（４０、４２）を２〜７ｍｍの深さまで引き出し露出させる工程と、
   ｃ）このようにして露出させた前記熱電対線の前記端部（４０、４２）を接続し、前記熱電対の温接点（１３）を形成する工程と、
   ｄ）前記保護シースによる封入によって、前記温接点を保護する工程と、
   ｅ）前記工程とは独立して、好ましくは前記工程ｄ）の後に、補強管（６０）によって前記保護シースを保護する工程であって、前記補強管は、前記温接点を越えて前記保護シースが突出することを許容するように、前記保護シースを保護する工程、
   の連続工程を含む前記製造方法。
9. １００℃を超える温度環境における、請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の温度センサの使用。
10. 請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の温度センサ、または請求項８に記載の方法によって製造される温度センサを備えた自動車の熱機関群。

Images