JP2019060782A - Temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度を測定するための感温素子を用いた温度センサに関する。 The present invention relates to a temperature sensor using a temperature sensitive element for measuring temperature.
温度センサは、例えば、自動車の排気管内に配置され、排気管を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。例えば、特許文献1の温度センサにおいては、振動に対する強度を確保するために、絶縁管と、絶縁管の先端部に配置されたサーミスタとを、絶縁材としての耐熱セメントによって固定することが記載されている。また、サーミスタ、絶縁管及び耐熱セメントは、金属管内に別の耐熱セメントを用いて固定されている。
A temperature sensor, for example, is arranged in the exhaust pipe of a motor vehicle and is used to measure the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe. For example, in the temperature sensor of
温度センサには、排ガス等の雰囲気ガスの温度の変化を迅速に検出する応答性が要求される。この応答性を向上させるためには、サーミスタ等の感温素子への伝熱性を良くすることが考えられる。しかし、従来の温度センサにおいては、感温素子は、絶縁材を介して金属管の先端部に接触しており、金属管との間において伝熱が生じやすい状態にある。 The temperature sensor is required to be responsive to rapidly detect changes in the temperature of the atmosphere gas such as exhaust gas. In order to improve this response, it is conceivable to improve the heat transfer to a temperature sensing element such as a thermistor. However, in the conventional temperature sensor, the temperature sensing element is in contact with the tip of the metal pipe via the insulating material, and heat transfer is likely to occur between the temperature sensor and the metal pipe.
温度センサによって雰囲気ガスの温度を測定する際に、雰囲気ガスの温度が感温素子の温度よりも高くなった場合には、感温素子が受けた熱が金属管に伝導される(奪われる)。これにより、感温素子の温度が上がりにくく、感温素子の温度が雰囲気ガスの温度になるまでに時間を要し、温度センサの応答性を阻害する。 When measuring the temperature of the atmosphere gas by the temperature sensor, if the temperature of the atmosphere gas becomes higher than the temperature of the temperature sensing element, the heat received by the temperature sensing element is conducted to the metal pipe (deprived) . As a result, the temperature of the temperature sensitive element does not easily rise, and it takes time for the temperature of the temperature sensitive element to reach the temperature of the atmosphere gas, which impairs the responsiveness of the temperature sensor.
また、温度センサによって雰囲気ガスの温度を測定する際に、雰囲気ガスの温度が感温素子の温度よりも低くなった場合には、金属管に残存する熱が感温素子に伝導される。これにより、感温素子の温度が下がりにくく、感温素子の温度が雰囲気ガスの温度になるまでに時間を要し、温度センサの応答性を阻害する。 In addition, when the temperature of the atmosphere gas is lower than the temperature of the temperature sensing element when the temperature of the atmosphere gas is measured by the temperature sensor, the heat remaining in the metal tube is conducted to the temperature sensing element. As a result, the temperature of the temperature sensitive element does not easily decrease, and it takes time for the temperature of the temperature sensitive element to reach the temperature of the atmosphere gas, which impairs the responsiveness of the temperature sensor.
従って、温度センサの応答性を向上させるためには、感温素子と金属管との間の伝熱が抑えられる工夫をすることが効果的であると分かった。 Therefore, in order to improve the response of the temperature sensor, it was found effective to devise a device in which the heat transfer between the temperature sensitive element and the metal tube is suppressed.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、応答性を効果的に向上させることができる温度センサを提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of such problems, and has been obtained to provide a temperature sensor capable of effectively improving response.
本発明の一態様は、先端開口部(20)として先端が開口された金属管(2)と、
前記先端開口部に配置され、温度を測定するための感温素子(3)と、
前記感温素子に接続された一対のリード線(31)と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と前記リード線とを絶縁するセラミックス材料からなるとともに、前記リード線を前記金属管に支持するための絶縁支持材(4,4A,4B)と、
前記先端開口部における、前記感温素子の周囲に、前記絶縁支持材の先端面(401)を覆う状態で配置された、前記絶縁支持材を構成するセラミックス材料よりも熱伝導率が低いセラミックス材料からなる断熱材(5)と、を備える温度センサ(1)にある。
One embodiment of the present invention is a metal tube (2) whose tip is opened as a tip opening (20);
A temperature sensitive element (3) disposed at the tip end opening for measuring a temperature;
A pair of lead wires (31) connected to the temperature sensitive element;
An insulating support (4, 4A, 4B), which is disposed in the metal tube and made of a ceramic material which insulates the metal tube from the lead wire, and for supporting the lead wire on the metal tube;
A ceramic material having a thermal conductivity lower than that of the ceramic material constituting the insulating support material, disposed in the state of covering the distal end surface (401) of the insulating support material around the temperature sensing element in the distal end opening And a thermal insulator (5), and the temperature sensor (1).
前記一態様の温度センサにおいては、金属管の先端が先端開口部として開口しており、感温素子は、先端開口部に配置されている。つまり、金属管の先端位置に、曲面状の先端部(底部)は形成されていない。そのため、感温素子を、温度センサの先端位置に配置しつつ、金属管から遠ざけることができる。これにより、感温素子から金属管への熱伝導、及び金属管から感温素子への熱伝導を抑制することができる。 In the temperature sensor according to the one aspect, the tip of the metal tube is opened as a tip opening, and the temperature sensing element is disposed in the tip opening. That is, the curved tip portion (bottom portion) is not formed at the tip position of the metal pipe. Therefore, the temperature sensitive element can be kept away from the metal tube while being disposed at the tip position of the temperature sensor. Thereby, the heat conduction from a temperature sensing element to a metal pipe and the heat conduction from a metal pipe to a temperature sensing element can be controlled.
また、感温素子の先端側に金属管が存在しないことにより、感温素子が、測定対象としての雰囲気ガス等から熱放射、熱伝達(熱対流)等によって熱を受ける場合には、感温素子が熱を受けやすくすることができる。また、感温素子の先端側に金属管が存在しないことにより、感温素子の熱が雰囲気ガス等へ放出される場合には、金属管に残存する熱が、感温素子へ伝わりにくくすることができる。 In addition, when the metal tube does not exist on the tip side of the temperature sensing element, the temperature sensing element receives heat by heat radiation, heat transfer (heat convection), etc. from the atmosphere gas as the measurement target. The element can be made susceptible to heat. In addition, when the heat of the temperature sensing element is released to the atmosphere gas or the like by the absence of the metal tube on the tip side of the temperature sensing element, the heat remaining in the metal tube is less likely to be transmitted to the temperature sensing element. Can.
このような金属管及び感温素子の構成により、感温素子の温度が、測定対象としての雰囲気ガス等の温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサの応答性を向上させることができる。 With such a configuration of the metal tube and the temperature sensing element, the time until the temperature of the temperature sensing element reaches the temperature of the atmospheric gas as the measurement target can be shortened, and the responsiveness of the temperature sensor can be improved. Can.
また、金属管の先端開口部における、感温素子の周囲には、絶縁支持材の先端面を覆う状態で断熱材が配置されている。この断熱材は、絶縁支持材を構成するセラミックス材料よりも熱伝導率が低いセラミックス材料からなる。これによっても、感温素子から金属管への熱伝導、及び金属管から感温素子への熱伝導を抑制することができる。 Moreover, the heat insulating material is arrange | positioned in the state which covers the front end surface of the insulation support material in the circumference | surroundings of a temperature sensing element in the front end opening part of a metal tube. This heat insulating material is made of a ceramic material having a thermal conductivity lower than that of the ceramic material forming the insulating support material. Also by this, the heat conduction from the temperature sensing element to the metal tube and the heat conduction from the metal tube to the temperature sensing element can be suppressed.
具体的には、感温素子が、測定対象としての雰囲気ガス等から熱放射、熱伝達(熱対流)等によって熱を受ける場合には、断熱材が、絶縁支持材を介した金属管への熱伝導を抑制することができる。また、この場合には、断熱材によって、絶縁支持材が雰囲気ガス等からの熱を受けにくくすることもできる。また、感温素子の熱が雰囲気ガス等へ放出される場合には、断熱材が、金属管から絶縁支持材を介した感温素子への熱伝導を抑制することができる。 Specifically, when the temperature-sensitive element receives heat from the atmosphere gas or the like to be measured by heat radiation, heat transfer (heat convection) or the like, the heat insulating material is transferred to the metal pipe via the insulating support. Heat conduction can be suppressed. Further, in this case, the insulating support material can be made less susceptible to the heat from the atmosphere gas and the like by the heat insulating material. In addition, when the heat of the temperature sensitive element is released to the atmosphere gas or the like, the heat insulating material can suppress the heat conduction from the metal pipe to the temperature sensitive element via the insulating support material.
このような断熱材の構成によっても、感温素子の温度が、測定対象としての雰囲気ガス等の温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサの応答性を向上させることができる。 Even with the configuration of such a heat insulating material, it is possible to shorten the time until the temperature of the temperature sensing element reaches the temperature of the atmosphere gas as the measurement target, and the responsiveness of the temperature sensor can be improved.
それ故、前記一態様の温度センサによれば、その応答性を効果的に向上させることができる。 So, according to the temperature sensor of the said one aspect, the responsiveness can be improved effectively.
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 Note that the reference numerals in parentheses in each component shown in one aspect of the present invention indicate the correspondence with the reference symbols in the drawings in the embodiment, but the components are not limited to the contents of the embodiment.
前述した温度センサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態1>
本形態の温度センサ1は、図1に示すように、金属管2、感温素子3、一対のリード線31、絶縁支持材4及び断熱材5を備える。金属管2は、先端開口部20として先端が開口されている。感温素子3は、先端開口部20に配置されており、測定対象の温度を測定するものである。一対のリード線31は、感温素子3に接続(接合)されている。絶縁支持材4は、金属管2内に配置されており、金属管2とリード線31とを絶縁するセラミックス材料からなるとともに、リード線31を金属管2に支持するためのものである。断熱材5は、先端開口部20における、感温素子3の周囲に、絶縁支持材4の先端面401を覆う状態で配置されており、絶縁支持材4を構成するセラミックス材料よりも熱伝導率が低いセラミックス材料からなる。
A preferred embodiment of the above-described temperature sensor will be described with reference to the drawings.
First Embodiment
As shown in FIG. 1, the
本形態の温度センサ1においては、金属管2の中心軸線に沿った方向を軸方向Lという。また、軸方向Lにおいて、金属管2に感温素子3が配置された側を先端側L1といい、先端側L1と反対側を基端側L2という。
In the
以下に、本形態の温度センサ1について詳説する。
(温度センサ1)
温度センサ1は、車載用のものであり、自動車における内燃機関(エンジン)の吸気管内又は排気管内を流れる流体の温度を測定するために使用される。本形態の温度センサ1は、排気管に配置され、排気管内を流れる排ガスの温度を測定するために用いられる。排ガスの温度は、電子制御ユニット(ECU)によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。例えば、排ガスの温度は、排気管に配置された排気浄化触媒の温度を検知するために利用することができる。
Hereinafter, the
(Temperature sensor 1)
The
(感温素子3)
本形態の感温素子3は、サーミスタ材料としての金属酸化物の焼結体を用いて構成されたサーミスタ素子である。サーミスタ素子は、温度の上昇に対して緩やかに電気抵抗値が減少するNTC(negative temperature coefficient)サーミスタとすることができる。これ以外にも、サーミスタ素子は、所定温度を超えると温度の上昇に対して急激に電気抵抗値が増大するPTC(positive temperature coefficient)サーミスタ、又は所定温度を超えると急激に電気抵抗値が減少するCTR(critical temperature resistor)サーミスタとすることもできる。
(Thermal sensor 3)
The temperature
また、感温素子3は、白金、銅、ニッケル等を用いて構成された、温度が上昇するに伴って電気抵抗値が増加する測温抵抗素子としてもよい。
Further, the
(リード線31)
一対のリード線31は、導電性を有する種々の金属材料から構成されている。一対のリード線31は、図5(d)に示すように、感温素子3に接合された一対の第1リード部311と、一対の第1リード部311に接合された一対の第2リード部312とから構成することができる。この場合、第1リード部311と第2リード部312とは、突き合わされた状態又は重ね合わされた状態で、溶接等によって接合される。また、リード線31は、連続した1本の金属線とすることもできる。
(Lead wire 31)
The pair of
リード線31は、白金線、白金と他の金属との合金からなる白金合金線、ニッケルと他の金属との合金であるインコネル(登録商標)の線等によって構成することができる。これ以外にも、リード線31は、SUS310Sの線、鉄とニッケルとの合金からなるインバー線、スーパーインバー線、ニッケル線、ニッケルクロム線、鉄クロム線等によって構成することもできる。
The
(金属管2)
金属管2は、シース管とも呼ばれ、金属材料から構成されている。金属管2は、円筒形状に形成されている。金属管2は、図2に示すように、感温素子3が配置された先端側管部21の外径及び内径が最も小さく、先端側管部21よりも基端側L2に位置する基端側管部22の外径及び内径が、先端側管部21の外径及び内径よりも大きく形成されている。金属管2は、インコネル(登録商標)の管によって構成することができる。これ以外にも、金属管2は、SUS310Sの管、オーステナイト系ステンレス鋼の管、フェライト系クロム鋼の管、耐熱性コバルト合金、ニッケル合金の管、鉄クロム合金の管によって構成することもできる。金属管2は、温度センサ1の製造を容易にするために、複数の管材を、適宜、溶接等によって繋ぎ合わせて形成することができる。
(Metal pipe 2)
The
(ハウジング11)
図2に示すように、金属管2は、排気管に取り付けられるハウジング11に装着されている。ハウジング11は、一対のリード線31及びコネクタ12のターミナル13を配置するための配置穴111と、温度センサ1を排気管に取り付けるための外周ネジ112と、ハウジング11にコネクタ12を連結するための連結部113とを有する。配置穴111には、コネクタ12のターミナル13の先端部131が挿入される。
(Housing 11)
As shown in FIG. 2, the
(コネクタ12)
図2に示すように、絶縁性の樹脂等からなるコネクタ12には、リード線31が溶接によって接続されたターミナル(接続端子)13が設けられている。ターミナル13の先端部131は、リード線31が接続されるよう、コネクタ12から突出している。ターミナル13の基端部132は、温度センサ1の動作を制御する制御装置10に接続される。制御装置10は、エンジン制御ユニットとすることができ、エンジン制御ユニットとは別のセンサ制御ユニット(SCU)とすることもできる。ターミナル13は、導電性の金属材料によって構成されている。
(Connector 12)
As shown in FIG. 2, the
(絶縁支持材4)
図1に示すように、絶縁支持材4は、酸化マグネシウム等の金属酸化物によって構成されている。絶縁支持材4は、酸化アルミニウム等によって構成することもできる。絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21に配置されたセラミックスの粉末が焼結された焼結体として形成されている。絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21に充填されており、金属管2の基端側管部22には充填されていない。言い換えれば、絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21に、軸方向Lに連続する状態で一体的に配置されている。絶縁支持材4が金属管2の先端側管部21に充填されていることにより、金属管2の先端側管部21において、一対のリード線31が金属管2に強固に支持される。絶縁支持材4は、一対のリード線31の外周と金属管2の先端側管部21の内周とに接触している。絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21の内周における先端位置まで配置されている。
(Insulating support 4)
As shown in FIG. 1, the insulating
(断熱材5)
図1及び図3に示すように、感温素子3は、金属管2の先端開口部20における、軸方向Lに直交する断面の中心位置に配置されている。断熱材5は、感温素子3の側面302の全周に配置されている。また、断熱材5は、絶縁支持材4の先端面401及び金属管2の先端面201を覆う状態で配置されている。断熱材5が金属管2の先端面201も覆っていることにより、温度センサ1によって温度を測定する雰囲気ガスとしての排ガスから金属管2へ熱が伝わりにくくすることができる。
(Insulating material 5)
As shown in FIG. 1 and FIG. 3, the
感温素子3の側面302の一部及び先端面301は、断熱材5の先端面501よりも先端側L1に突出している。この感温素子3の突出により、排ガスから感温素子3が熱を受けやすく、かつ感温素子3から排ガスへ熱を逃がしやすくすることができる。
A part of the
断熱材5は、金属酸化物としてのヒュームドシリカによって構成されている。ヒュームドシリカは、シリカ(二酸化ケイ素)の粒子が複数連なって形成されたものである。ヒュームドシリカは、白色系の微粒子が集積されたものであり、特に赤外線を吸収しにくい性質を有する。シリカの粒子間には、複雑に入り組んだ気孔が形成されている。断熱材5は、種々の発泡金属酸化物によって構成することもできる。発泡金属酸化物は、金属酸化物の発泡体であり、溶融金属中に添加した発泡剤が発泡する際に形成された気孔を有するものである。
The
また、断熱材5は、二酸化ケイ素及び酸化アルミニウムを含有する繊維体から構成されたセラミックウールによって構成することもできる。また、断熱材5は、耐熱性を重視して、固形状のセラミックス体によって構成することもできる。
Moreover, the
絶縁支持材4を構成する酸化マグネシウムの熱伝導率は、59W/(m・K)程度である。また、酸化アルミニウムの熱伝導率は、39W/(m・K)程度である。一方、断熱材5を構成するヒュームドシリカの熱伝導率は、0〜1200℃の温度範囲において、0.05〜0.1W/(m・K)程度である。つまり、ヒュームドシリカの熱伝導率は、酸化マグネシウムの熱伝導率に比べて遥かに小さく、ヒュームドシリカは、断熱性(熱を遮断する性質)に優れる。
The thermal conductivity of magnesium oxide constituting the insulating
また、断熱材5を構成するセラミックス材料の気孔率は、絶縁支持材4を構成するセラミックス材料の気孔率よりも大きい。気孔率は、単位体積のセラミックス材料中に含まれる気孔の体積として表される。断熱材5は、多くの気孔を有することにより、高い断熱効果を発揮する。
In addition, the porosity of the ceramic material forming the
(伝熱材6)
図1に示すように、本形態の感温素子3の、先端側表面としての側面302の一部及び先端面301は、絶縁支持材4よりも熱伝導率が高い伝熱材6によって覆われている。感温素子3の側面302の一部及び先端面301は、断熱材5によって覆われていない。先端側表面とは、感温素子3の先端側L1に位置する表面であって、後述する伝熱材6が設けられていない状態において温度センサ1の外部に露出される表面のことをいう。先端側表面は、先端面301のみによって構成される場合もある。
(Heat transfer material 6)
As shown in FIG. 1, a part of the
伝熱材6は、感温素子(サーミスタ素子)3を構成するセラミックス材料(金属酸化物)に比べて、熱伝導率が高いセラミックス材料(金属酸化物)によって構成されている。伝熱材6は、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、又はこれらの複合物を含有する酸化物によって構成されている。伝熱材6を用いることにより、排ガスから感温素子3への伝熱、及び感温素子3から排ガスへの伝熱ができるだけ悪化しないようにして、感温素子3を保護することができる。
The
また、伝熱材6は、耐熱性に優れた金属酸化物によって構成されており、伝熱材6を構成する金属酸化物の耐熱性(耐熱温度)は、感温素子3を構成する金属酸化物の耐熱性(耐熱温度)に比べて優れる。そのため、伝熱材6によって、感温素子3を熱から保護することができ、感温素子3の耐久性を向上させることができる。
Further, the
(製造方法)
次に、本形態の温度センサ1の主要部を製造する方法について、図4のフローチャートを参照して説明する。
図5(a)に示すように、金属管2、一対のリード線31の第2リード部312及び絶縁支持材4が設けられたシース管成形体71を準備する(図4のステップS1)。この金属管2は、金属管2の先端側管部21を示す。シース管成形体71は、金属管2内に、一対のリード線31の第2リード部312が挿通されるとともに、金属管2内における隙間が絶縁支持材4によって充填されたものである。次いで、図5(b)に示すように、シース管成形体71の先端部に縮径加工を行い、金属管2及び絶縁支持材4が縮径された縮径部711を形成する(ステップS2)。また、図5(c)に示すように、感温素子3に一対のリード線31の第1リード部311が接合された感温素子体72を準備する(ステップS3)。
(Production method)
Next, a method of manufacturing the main part of the
As shown to Fig.5 (a), the sheath tube molded
次いで、図5(d)に示すように、感温素子体72における一対のリード線31の第1リード部311と、シース管成形体71における一対のリード線31の第2リード部312とを、レーザ溶接によって接合して、温度センサ中間体を得る(ステップS4)。また、図6(a)に示すように、金属管2の先端部となる先端金属管2Xを準備する(ステップS5)。次いで、図6(b)に示すように、先端金属管2Xを、温度センサ中間体におけるシース管成形体71の縮径部711を構成する金属管2の部分の外周に装着する。そして、先端金属管2Xと、シース管成形体71の縮径部711を構成する金属管2の部分とを、レーザ溶接によって接合する(ステップS6)。こうして、先端金属管2Xの内周側に、感温素子3及び一対のリード線31の第1リード部311が配置された状態が形成される。
Next, as shown in FIG. 5D, the
次いで、図6(c)に示すように、先端金属管2Xの内周側に形成された空間に、絶縁支持材4を構成するためのセラミックス材料(金属酸化物)4Xを充填する(ステップS7)。次いで、図6(d)に示すように、感温素子3の周囲に位置する、絶縁支持材4の先端面401及び金属管2の先端面201に、断熱材5を設ける(ステップS8)。この断熱材5を設けるときには、感温素子3の先端側表面に断熱材5が設けられないようにするため、この先端側表面を遮蔽治具等によって遮蔽しておくことができる。また、同図に示すように、感温素子3の先端側表面に伝熱材6を設ける(ステップS9)。こうして、温度センサ1の組付体が形成される。その後、組付体が加熱され、絶縁支持材4を構成するセラミックス材料、断熱材5を構成するセラミックス材料及び伝熱材6を構成するセラミックス材料が焼結されて、温度センサ1の主要部が製造される。
Then, as shown in FIG. 6C, the space formed on the inner peripheral side of the tip
なお、断熱材5及び伝熱材6が設けられる前の温度センサ1の組付体を加熱して、絶縁支持材4を焼結した後に、この組付体に断熱材5及び伝熱材6を設けて温度センサ1の主要部を製造することもできる。
In addition, after the assembly of the
(作用効果)
本形態の温度センサ1においては、金属管2の先端が先端開口部20として開口しており、感温素子3は、先端開口部20の、軸方向Lに直交する断面の中心位置に配置されている。そして、金属管2の先端位置に曲面状の先端部(底部)が形成されていないことにより、感温素子3と金属管2との距離を大きくすることが容易になる。そのため、感温素子3を、温度センサ1の先端位置に配置しつつ、金属管2から遠ざけることができる。これにより、感温素子3から金属管2への熱伝導、及び金属管2から感温素子3への熱伝導を抑制することができる。
(Action effect)
In the
また、感温素子3の先端側L1に金属管2が存在しないことにより、感温素子3が、測定対象としての排ガスから熱放射、熱伝達(熱対流)等によって熱を受ける場合には、感温素子3が熱を受けやすくすることができる。また、感温素子3の先端側L1に金属管2が存在しないことにより、感温素子3の熱が排ガスへ放出される場合には、金属管2に残存する熱が、感温素子3へ伝わりにくくすることができる。
Further, when the
このような金属管2及び感温素子3の構成により、感温素子3の温度が、測定対象としての排ガスの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサ1の応答性を向上させることができる。
With such a configuration of the
また、金属管2の先端開口部20における、感温素子3の周囲には、絶縁支持材4の先端面401及び金属管2の先端面201を覆う状態で断熱材5が配置されている。この断熱材5は、絶縁支持材4を構成する金属酸化物よりも熱伝導率が低い金属酸化物からなる。これによっても、感温素子3から金属管2への熱伝導、及び金属管2から感温素子3への熱伝導を抑制することができる。
Further, the
具体的には、感温素子3が、測定対象としての排ガスから熱放射、熱伝達(熱対流)等によって熱を受ける場合には、断熱材5が、絶縁支持材4を介した金属管2への熱伝導を抑制することができる。また、この場合には、断熱材5によって、絶縁支持材4及び金属管2が排ガスからの熱放射、熱伝達等による熱を受けにくくすることもできる。また、感温素子3の熱が排ガスへ放出される場合には、断熱材5が、金属管2に残存する熱が絶縁支持材4を介して感温素子3へ伝導されることを抑制することができる。
Specifically, when the
このような断熱材5の構成によっても、感温素子3の温度が、測定対象としての排ガスの温度になるまでの時間を短縮することができ、温度センサ1の応答性を向上させることができる。
Even with the configuration of the
温度センサ1によって測定対象の温度を測定する際の応答性は、感温素子3の温度が、いかに迅速に測定対象の温度に追従するかによって決まる。従来の温度センサにおいては、感温素子3が迅速に測定対象の温度になるだけでなく、感温素子3の周辺に存在する金属管2及び絶縁支持材4も迅速に測定対象の温度になるようにしている。具体的には、測定対象によって、金属管2の先端部及びこの先端部に隣接する絶縁支持材4が加熱されやすくすることにより、これらを介して感温素子3も加熱されるようにしている。
The responsiveness when measuring the temperature of the measurement object by the
しかし、金属管2の先端部の熱容量は大きい。そして、金属管2の先端部の温度が測定対象の温度になるまでに要する時間が長いため、感温素子3の温度が測定対象の温度になるまでに要する時間も長くなることが判明した。
However, the heat capacity of the tip of the
本形態の温度センサ1においては、金属管2の先端部を除去し、測定対象によって金属管2が加熱されにくくするとともに、感温素子3が加熱されやすくする。また、断熱材5によって、絶縁支持材4の先端面401及び金属管2の先端面201が加熱されにくくすることにより、感温素子3が選択的に加熱されるようにしている。
In the
このような感温素子3が選択的に加熱されるようにする技術は、従来の温度センサにはないものである。本形態の温度センサ1においては、感温素子3が選択的に加熱されるようにした工夫により、感温素子3の温度が排ガスの温度に追従しやすくしている。それ故、本形態の温度センサ1によれば、温度センサ1の応答性を効果的に向上させることができる。
A technique for selectively heating such a temperature
また、従来の温度センサの測定レンジは、金属管2の先端部とともに感温素子3が加熱される構成を採用していることにより、例えば、25〜900℃の範囲であり、広くとることが困難であった。これに対し、本形態の温度センサ1の測定レンジは、できるだけ感温素子3のみが加熱されるようにしていることにより、−40〜1050℃の範囲として、広くとることができる。なお、温度センサ1の測定レンジを500℃以上に設定する場合に、本形態の温度センサ1による作用効果を顕著に得ることができる。
In addition, the measurement range of the conventional temperature sensor is, for example, in the range of 25 to 900 ° C. by adopting a configuration in which the
<実施形態2>
本形態は、絶縁支持材4の配置状態が実施形態1の場合とは異なる温度センサ1について示す。
図7に示すように、本形態の絶縁支持材4は、金属管2の軸方向Lにおける複数箇所に分かれて配置されている。絶縁支持材4は、金属管2の先端側管部21における軸方向Lの先端部に配置され、この先端部において一対のリード線31を金属管2に支持する第1絶縁支持材4Aと、金属管2の先端側管部21における軸方向Lの基端部に配置され、この基端部において一対のリード線31を金属管2に支持する第2絶縁支持材4Bとからなる。
Second Embodiment
The present embodiment shows a
As shown in FIG. 7, the insulating
金属管2における、絶縁支持材4が配置されていない部位として、第1絶縁支持材4Aと第2絶縁支持材4Bとの間の部位には、空気等の気体による空洞Kが形成されている。空洞Kは、大気圧に近い状態であってもよく、大気圧よりも低い真空状態にあってもよい。また、第1絶縁支持材4Aの先端面401、及び金属管2の先端側管部21の先端面201には、断熱材5が設けられている。また、感温素子3の先端側表面には、伝熱材6が設けられている。
A cavity K by a gas such as air is formed in a portion between the first insulating
本形態の温度センサ1においては、実施形態1の場合に比べて、絶縁支持材4の体積が小さく、絶縁支持材4が有する熱容量が小さい。また、空洞Kは、金属管2内における、感温素子3に近い位置に形成されている。この空洞Kの存在により、金属管2と一対のリード線31、及び金属管2と感温素子3とが断熱される効果が大きくなる。そのため、測定対象としての排ガスから感温素子3が熱を受ける際に、絶縁支持材4を介する感温素子3から金属管2への熱伝導がより効果的に抑制される。また、絶縁支持材4を介する金属管2から感温素子3への熱伝導も効果的に抑制される。
In the
それ故、本形態の温度センサ1によれば、感温素子3の温度が、測定対象としての排ガスの温度になるまでの時間をより短縮することができ、温度センサ1の応答性をより向上させることができる。
Therefore, according to the
なお、第2絶縁支持材4Bは、金属管2の先端側管部21における先端部と基端部との間の中間部に設けてもよい。また、第2絶縁支持材4Bは、金属管2の先端側管部21における中間部及び基端部に設けてもよい。
The second
本形態の温度センサ1におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態1の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の場合と同様である。
The other configurations, effects, and the like of the
<実施形態3>
本形態においては、実施形態1,2に示す温度センサ1の変形例について示す。
図8に示すように、断熱材5は、絶縁支持材4の先端面401及び金属管2の先端面201に設けるだけでなく、金属管2の先端側管部21の外周面202にも配置することができる。この場合には、測定対象としての排ガスから金属管2の外周面202への熱放射、熱伝達等の伝熱、及び金属管2の外周面202から排ガスへの熱放射、熱伝達等の伝熱が、より生じにくくすることができる。これにより、特に、排ガスによって感温素子3が選択的に加熱される効果が、より得られやすくなる。
In this embodiment, a modification of the
As shown in FIG. 8, the
また、図9に示すように、実施形態1,2の温度センサ1において、感温素子3の先端側表面は、伝熱材6によって覆われていなくてもよい。感温素子3の先端側表面に伝熱材6が設けられていない場合にも、実施形態1,2の場合と同様の作用効果を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 9, in the
また、図10に示すように、感温素子3の先端面301は、断熱材5の先端面501よりも基端側L2に陥没していてもよく、断熱材5の先端面501と面一になっていてもよい。この場合には、感温素子3の側面302が絶縁支持材4及び断熱材5によって覆われ、感温素子3の先端面301は断熱材5によって覆われない。そして、先端側表面は、先端面301のみによって構成される。この場合にも、実施形態1,2の場合と同様の作用効果を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 10, the
また、図11に示すように、断熱材5の一部は、金属管2の先端側管部21の内周に配置されていてもよい。
また、図12に示すように、第1絶縁支持材4Aを廃止し、断熱材5を、金属管2の先端側管部21の内周に配置することもできる。この場合には、断熱材5に用いる材料を、気孔を有しながらも、感温素子3及び一対のリード線31を支持できる強度にする必要がある。また、この場合には、断熱材5の一部は、先端開口部20よりも先端側L1に配置されていてもよく、金属管2の先端面201に配置されていてもよい。
Further, as shown in FIG. 11, a part of the
Further, as shown in FIG. 12, the first insulating
また、感温素子3は、一対の接点間の温度差によって生じる熱起電力を利用する熱電対の測温接点とすることも可能である。この場合には、一対のリード線31は、材質が互いに異なる2種類の金属線として構成される。
The
<確認試験>
本試験においては、温度センサ1における断熱材5の厚み(μm)と伝熱材6の厚み(μm)とを変化させたときの、温度センサ1の応答性としての応答時間(s)を測定した。
断熱材5の厚みは、10μm、20μm、50μmと変化させ、伝熱材6の厚みは、10μm、20μm、50μm、100μm、200μmと変化させた。この各厚みを変化させたときの温度センサ1を、試験品1〜15とした。
<Confirmation test>
In this test, when the thickness (μm) of the
The thickness of the
応答時間は、63%応答時間として求めた。63%応答時間は、温度センサ1の感温素子3を雰囲気ガスによって加熱する目標温度を1050℃とし、感温素子3が、雰囲気ガスによって室温(20℃)から約650℃(1030℃の63%程度)に加熱されるまでの時間として求めた。また、雰囲気ガスは、流速がなく静止した状態とした。
Response time was determined as 63% response time. The target temperature for heating the
また、比較のために、金属管2に先端部(底部)が設けられ、この先端部の基端側に絶縁支持材4を介して感温素子3が配置された従来の温度センサについても応答時間を測定した。この従来の温度センサを比較品とした。この従来の温度センサにおいては、断熱材5及び伝熱材6は用いられていない。
In addition, for comparison, the conventional temperature sensor in which the end portion (bottom portion) is provided on the
試験品1〜15及び比較品について応答時間を測定した結果を、表1に示す。
比較品は、応答時間が8sとなり、応答性に優れないことが分かった。一方、試験品1〜18においては、断熱材5の厚みを、10〜50μmの間で変化させても、応答時間には、ほとんど差は生じないものの、断熱材5の厚みが大きくなるほど、僅かに応答時間が短くなることが分かった。この結果を踏まえて、断熱材5の厚みは、例えば、10〜100μmの範囲内にすることができる。
The comparative product had a response time of 8 s, and it was found that the response was not excellent. On the other hand, in the
また、試験品1〜18においては、伝熱材6の厚みを10〜200μmの間で変化させると、伝熱材6の厚みが大きくなるほど、応答時間が長くなることが分かった。伝熱材6の厚みが200μmであるときの応答時間であっても、1.8s程度であるため、比較品と比べて応答時間が短く、温度センサ1の応答性の要求を満たすことが確認できた。この結果を踏まえて、伝熱材6の厚みは、例えば、10〜200μmの範囲内にすることができる。
Moreover, in the test products 1-18, when the thickness of the heat-
また、伝熱材6の厚みが0μmである場合は、伝熱材6が設けられていない場合を示す。伝熱材6が設けられていない場合の応答時間が最も短くなった。また、伝熱材6の厚みが大きくなるほど応答時間が長くなるという結果より、伝熱材6によって伝熱を促進する効果は認められなかった。ただし、伝熱材6の熱伝導率が感温素子3の熱伝導率よりも高いことにより、伝熱材6の厚みが大きくなる際に、応答時間が長くなりにくい効果が得られると考えられる。
Moreover, when the thickness of the heat-
以上の結果より、断熱材5及び伝熱材6の各厚みは、応答時間を1s程度にするためには、10μmあれば十分であることが分かった。ただし、断熱材5及び伝熱材6の各厚みは、長期間使用する際の磨耗を考慮して、10μmよりも厚く設定することができる。
From the above results, it was found that 10 [mu] m is sufficient for the thickness of each of the
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。 The present invention is not limited to only the embodiments, and it is possible to configure different embodiments without departing from the scope of the invention. Further, the present invention includes various modifications, modifications within the equivalent range, and the like.
1 温度センサ
2 金属管
20 先端開口部
3 感温素子
31 リード線
4,4A,4B 絶縁支持材
5 断熱材
6 伝熱材
K 空洞
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記先端開口部に配置され、温度を測定するための感温素子(3)と、
前記感温素子に接続された一対のリード線(31)と、
前記金属管内に配置され、前記金属管と前記リード線とを絶縁するセラミックス材料からなるとともに、前記リード線を前記金属管に支持するための絶縁支持材(4,4A,4B)と、
前記先端開口部における、前記感温素子の周囲に、前記絶縁支持材の先端面(401)を覆う状態で配置された、前記絶縁支持材を構成するセラミックス材料よりも熱伝導率が低いセラミックス材料からなる断熱材(5)と、を備える温度センサ(1)。 A metal tube (2) whose tip is open as a tip opening (20);
A temperature sensitive element (3) disposed at the tip end opening for measuring a temperature;
A pair of lead wires (31) connected to the temperature sensitive element;
An insulating support (4, 4A, 4B), which is disposed in the metal tube and made of a ceramic material which insulates the metal tube from the lead wire, and for supporting the lead wire on the metal tube;
A ceramic material having a thermal conductivity lower than that of the ceramic material constituting the insulating support material, disposed in the state of covering the distal end surface (401) of the insulating support material around the temperature sensing element in the distal end opening A thermal insulator (5), and a temperature sensor (1).
前記金属管における、前記絶縁支持材が配置されていない部位には、空洞(K)が形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の温度センサ。 The insulating support is divided into a plurality of locations in the axial direction (L) of the metal pipe, and
The temperature sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a cavity (K) is formed in a portion of the metal pipe where the insulating support is not disposed.
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