JP2020008404A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】熱衝撃による破損を抑制した温度センサを提供する。【解決手段】一対の熱電対素線１１、１２と、該熱電対素線の先端を接合してなる測温接点１０と、熱電対素線を自身の先端から露出させつつ、絶縁材の間に内包するシース外管２０と、金属チューブ３０と、金属チューブの内部に配置されて測温接点及び熱電対素線の先端側の一部を保持するセメント保持剤４０と、を備えた温度センサ１であって、測温接点の先端１０ｆからシース外管の先端２０ｆまでの軸線Ｏ方向の長さをＡ（ｍｍ）とし、金属チューブの内壁の先端３０ｉからシース外管の先端までの軸線方向の長さをＣ（ｍｍ）としたとき、０．５６≦Ａ/Ｃ≦０．９５であり、熱電対素線の直径が０．５０〜０．６３ｍｍである。【選択図】図２

Description

本発明は、一対の熱電対素線の先端を接合してなる測温接点を備えた温度センサに関する。

自動車等の排気ガス等の温度を検出する温度センサとして、一対の熱電対素線をシース外管の絶縁材の間に内包し、シース外管の先端から露出した各熱電対素線の先端を接合して測温接点を形成した構造が知られている（特許文献１）。さらに、この温度センサにおいては、金属チューブの内部に測温接点と熱電対素線とシース外管の先端側とを収容し、セメント保持剤を充填してこれら部材を金属チューブ内に保持している。

特開２０１６−２９３５９号公報

ところで、例えば、自動車のエンジンが動作すると常温の温度センサが高温の排気ガスに急激に曝される一方、エンジンが停止すると温度センサが高温から急に冷やされ、冷熱サイクルを受ける。そして、この冷熱サイクルを繰り返すと、金属チューブの先端が破裂することが判明した。
この原因は、温度センサ（金属チューブ）の先端側が最も高温になるので、金属チューブ内部の先端側のセメントに熱が溜まり易く、この熱が後端側に伝達しないとセメントが膨張するためと考えられる。

従って、本発明は、熱衝撃による破損を抑制した温度センサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の温度センサは、一対の熱電対素線と、該熱電対素線の先端を互いに接合してなる測温接点と、前記測温接点よりも後端側に配置され、前記熱電対素線を自身の先端から露出させつつ、絶縁材の間に内包するシース外管と、先端側が閉塞して軸線方向に延び、少なくとも前記測温接点、及び前記シース外管の先端から露出した前記熱電対素線、及び前記シース外管の先端側の一部を収納する金属チューブと、前記金属チューブの内部に配置されて前記測温接点及び前記熱電対素線の先端側の一部を保持するセメント保持剤と、を備えた温度センサであって、前記測温接点の先端から前記シース外管の先端までの前記軸線方向の長さをＡ（ｍｍ）とし、前記金属チューブの内壁の先端から前記シース外管の先端までの前記軸線方向の長さをＣ（ｍｍ）としたとき、０．５６≦Ａ/Ｃ≦０．９５であり、前記熱電対素線の直径が０．５０〜０．６３ｍｍであることを特徴とする。

この温度センサによれば、Ａ/Ｃ及び熱電対素線の直径を上記範囲に規定することで、温度センサが冷熱サイクルを繰り返し受け、最も高温になる金属チューブ内部の先端側のセメント保持剤に熱が溜まっても、この熱がセメント保持剤に接している熱電対素線から後端側に確実に伝達する。これにより、セメント保持剤が膨張して金属チューブの先端が破裂するのを抑制し、熱衝撃による温度センサの破損を抑制できる。

本発明の温度センサにおいて、前記一対の熱電対素線の一方がニッケル、クロム及びシリコンを含む合金からなり、他方がニッケル及びシリコンを含む合金からなってもよい。
この温度センサによれば、他の材料を用いた熱電対素線からなる温度センサと比べて、安価かつ、測定精度と耐久性に優れた温度センサが得られる。

この発明によれば、熱衝撃による破損を抑制した温度センサが得られる。

本発明の実施形態に係る温度センサの一部を軸線方向に沿って破断した断面構造図である。 図１の部分拡大図である。 長さの比Ａ/Ｃを種々変えた温度センサに対し、実際に冷熱サイクルを繰り返したときの金属チューブの破裂の有無を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る温度センサ１の一部を軸線Ｏ方向に沿って破断した断面構造を示し、図２は図１の部分拡大図である。なお、実施形態に係る温度センサ１は、金属チューブ３０の後端側からシース外管２０が収納される態様である。
温度センサ１は、内燃機関の排気管の側壁の開口部（図示せず）に挿通して取付けられ、自動車の排気ガスの温度を検出する。そして、排気ガスの温度が０℃前後の低温域から１０００℃前後の高温域まで急激に変化するのに伴って、温度センサ１も上記温度範囲内で上昇−冷却する冷熱サイクルを受ける。

温度センサ１は、一対の熱電対素線１１，１２と、測温接点１０と、シース外管２０と、有底筒状の金属チューブ３０と、金属チューブ３０の内部に配置されたセメント保持剤４０と、金属チューブ３０の外周に嵌合される取付け部５０と、取付け部５０の外周に遊嵌されるナット部６０と、取付け部５０の後端側に取付けられる筒状金属製の外筒７０と、外筒７０の後端に取付けられて補償導線２４を外部に引き出す耐熱ゴム製のグロメット２６とを備えている。
なお、本発明の温度センサ１において、金属チューブ３０は軸線Ｏ方向に延びており、金属チューブ３０の底部側を「先端」とし、金属チューブ３０の開放端側を「後端」とする。

熱電対素線１１，１２は、互いに異なる金属で形成されている。本実施形態では、一方の熱電対素線１１がニッケル、クロム及びシリコンを含む合金からなり、他方の熱電対素線１２がニッケル及びシリコンを含む合金からなる。
そして、各熱電対素線１１，１２の先端を互いに溶接等で接合して測温接点１０が形成されている。

シース外管２０は金属製であり、その内部に各熱電対素線１１，１２が挿入され、各熱電対素線１１，１２の両端部以外の部分を覆っている。シース外管２０と各熱電対素線１１，１２との間には、例えばＳｉＯ_２からなる絶縁材が充填されている。
これにより、シース外管２０は各熱電対素線１１，１２と電気的に絶縁された状態で、自身の内部に各熱電対素線１１，１２を保持する。

金属チューブ３０は、本実施形態ではＳＵＳ３１０Ｓからなり、先端が閉じつつ軸線Ｏ方向に平行にストレートに延び、さらに後端側に向かって拡径するテーパ部３５を有し、テーパ部３５より後端側がストレートに延びている。
テーパ部３５より先端側の金属チューブ３０の内径は、シース外管２０の外径よりも小さい。
これにより、金属チューブ３０の後端側からシース外管２０、各熱電対素線１１，１２及び測温接点１０を挿入した際、テーパ部３５にシース外管２０の先端側が当接して挿入深さを位置決めするようになっている。
又、これにより、シース外管２０の先端側が金属チューブ３０の開口部を閉塞し、金属チューブ３０の内部空間に、少なくとも測温接点１０、及び素子電極線１１，１２が収納される。又、この内部空間にセメント保持剤４０が配置され、測温接点１０、及び素子電極線１１，１２の先端側の一部を保持してその振動を抑制している。セメント保持剤４０としては、熱伝導率が高く、高耐熱、高絶縁性の材料を用いてもよい。

なお、セメント保持剤４０が「配置されている」とは、シース外管２０の先端側における金属チューブ３０の内部空間（図２の符号Ｃ）に、セメント保持剤４０が若干の隙間や空隙を有して存在していればよく、金属チューブ３０の内部空間にセメント保持剤４０が完全に充填されていなくてもよい。もちろん、金属チューブ３０の内部空間にセメント保持剤４０が完全に充填されていてもよい。
又、金属チューブ３０のテーパ部３５より後端側にシース外管２０の先端側の一部が収容され、シース外管２０の後端側が金属チューブ３０よりも後端に露出している。

取付け部５０は、金属チューブ３０を挿通するための中心孔が軸線Ｏ方向に開口する略円筒状をなし、温度センサ１の先端側から、大径の鍔部５１、鍔部５１よりも小径の筒状の鞘部５２、鞘部５２のうち先端側を構成する第１段部５４、及び鞘部５２のうち後端側を構成し第１段部５４より小径の第２段部５５がこの順に形成されている。鍔部５１の先端面はテーパ状の座面５３を有し、後述するナット部６０を排気管に螺合する際、座面５３が排気管の側壁の角部（図示せず）に押し付けられてシールを行うようになっている。
取付け部５０は、金属チューブ３０の後端部の外周に圧入され、第２段部５５と金属チューブ３０とを全周レーザ溶接して両者が固定されている。
又、第１段部５４の外周に外筒７０が圧入され、全周レーザ溶接によって両者が固定されている。外筒７０は、シース外管２０から引き出されたシース芯線２１と補償導線２４との接続部分を収容して保持する。

ナット部６０は、外筒７０の外周よりやや大径の中心孔を軸線Ｏ方向に有し、先端側から、ネジ部６２、ネジ部６２より大径の六角ナット部６１が形成されている。そして、取付け部５０の鍔部５１の後面にネジ部６２の前面を当接させた状態で、ナット部６０が取付け部５０（外筒７０）の外周に遊嵌し、軸線Ｏ方向に回動自在になっている。
そして、ネジ部６２が排気管の所定のネジ穴と螺合することにより、温度センサ１が排気管の側壁に取付けられる。

熱電対素線１１，１２は、それぞれ溶接により対応する補償導線２４に接続されている。
そして、各補償導線２４は、外筒７０の後端内側に嵌合された耐熱ゴム製のグロメット２６の挿通孔を通って外部に引き出され、図示しない外部回路を介して車両の電子制御装置（ＥＣＵ）と接続されている。
なお、各補償導線２４は、それぞれ絶縁チューブ２５で絶縁されている。

次に、図２を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
図２に示すように、測温接点１０の先端１０ｆからシース外管２０の先端２０ｆまでの軸線Ｏ方向の長さをＡ（ｍｍ）とし、金属チューブ３０の内壁の先端３０ｉからシース外管２０の先端２０ｆまでの軸線Ｏ方向の長さをＣ（ｍｍ）としたとき、
０．５６≦Ａ/Ｃ≦０．９５である。
さらに、熱電対素線１１，１２の直径が０．５０〜０．６３ｍｍである。

既に述べたように、温度センサ１が冷熱サイクルを繰り返し受けると、最も高温になる金属チューブ３０内部の先端側のセメント保持剤４０に熱が溜まる。そして、この熱が後端側に伝達し難くなると、セメント保持剤４０が膨張して金属チューブ３０の先端が破裂する。
そして、セメント保持剤４０に保持された熱電対素線１１，１２が後端側への熱の伝達（熱引き）を促進することが判明した。
そこで、０．５６≦Ａ/Ｃ≦０．９５とし、熱電対素線１１，１２の直径が０．５０〜０．６３ｍｍであると、金属チューブ３０の破裂を抑制し、熱衝撃による温度センサ１の破損を抑制できる。

Ａ/Ｃ＜０．５６であると、熱電対素線１１，１２が後端側へ後退し過ぎ、先端側のセメント保持剤４０に溜まった熱が熱電対素線１１，１２に伝わらずに過熱し、セメント保持剤４０が膨張して金属チューブ３０の先端が破裂する。
０．９５＜Ａ/Ｃであると、金属チューブ３０の先端の破裂を抑制できるが、測温接点１０の先端と金属チューブ３０の先端が近過ぎてしまうため、測温接点１０の絶縁性が低下する。又、測温接点１０の先端と金属チューブ３０の先端との隙間が小さいため、この隙間に充填されたセメント保持剤４０の幅（厚み）も小さく、熱電対素線１１，１２や測温接点１０を保持する力が小さくなってしまうという欠点が生じる。

又、熱電対素線１１，１２の直径が０．５０ｍｍ未満であると、熱電対素線１１，１２の熱引きが低下し、セメント保持剤４０が膨張して金属チューブ３０の先端が破裂する。
一方、熱電対素線１１，１２の直径が０．６３ｍｍを超えると、シース外管２０と各熱電対素線１１，１２との間の絶縁材の厚みが薄くなり、シース外管２０内での熱電対素線１１，１２の保持性や絶縁性が低下する。

なお、「熱電対素線１１，１２の直径」とは、各熱電対素線１１，１２の直径をいう。各熱電対素線１１，１２のいずれか一方の直径が上記範囲に含まれていれば、他方の直径は上記範囲外でもよい。但し、各熱電対素線１１，１２の両方が上記範囲内であることが好ましい。又、「直径」とは、長さＡの軸線Ｏ方向の中央部で測定する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、一対の熱電対素線の組成は上記に限定されない。

また、上記実施形態では、金属チューブの形状も種々変更できる。
また、上記実施形態では、シース外管と熱電対素線との間にＳｉＯ２からなる絶縁材が充填されていたが、これに限られず、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３からなる絶縁材が充填されていてもよい。

又、０．８３≦Ａ/Ｃ≦０．９５であると、より厳しい条件の冷熱サイクルを繰り返しても、金属チューブの破裂を防止できるため、好適である。一方、０．５６≦Ａ/Ｃ＜０．８３であると、セメント保持剤の保持力等の観点から好適である。

図２のＡ/Ｃを種々変え、図１に示す温度センサ１を製造した。各温度センサ１を、大気雰囲気下にて、室温と９００℃とを５分毎に変化させる冷熱サイクルを６０００回繰り返し、金属チューブ先端の破裂の有無を目視判定した。
得られた結果を図３に示す。
図３に示すように、０．５６≦Ａ/Ｃ≦０．９５である実施例１〜３の場合、冷熱サイクルを繰り返しても金属チューブが破裂しなかったが、Ａ/Ｃ＜０．５６である比較例１〜３の場合は金属チューブが破裂した。

１ 温度センサ
１０ 測温接点
１０ｆ 測温接点の先端
１１、１２ 熱電対素線
２０ シース外管
２０ｆ シース外管の先端
３０ 金属チューブ
３０ｉ 金属チューブの内壁の先端
４０ セメント保持剤
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 一対の熱電対素線と、該熱電対素線の先端を互いに接合してなる測温接点と、
   前記測温接点よりも後端側に配置され、前記熱電対素線を自身の先端から露出させつつ、絶縁材の間に内包するシース外管と、
   先端側が閉塞して軸線方向に延び、少なくとも前記測温接点、及び前記シース外管の先端から露出した前記熱電対素線、及び前記シース外管の先端側の一部を収納する金属チューブと、
   前記金属チューブの内部に配置されて前記測温接点及び前記熱電対素線の先端側の一部を保持するセメント保持剤と、を備えた温度センサであって、
   前記測温接点の先端から前記シース外管の先端までの前記軸線方向の長さをＡ（ｍｍ）とし、前記金属チューブの内壁の先端から前記シース外管の先端までの前記軸線方向の長さをＣ（ｍｍ）としたとき、
   ０．５６≦Ａ/Ｃ≦０．９５であり、
   前記熱電対素線の直径が０．５０〜０．６３ｍｍであることを特徴とする温度センサ。
2. 前記一対の熱電対素線の一方がニッケル、クロム及びシリコンを含む合金からなり、他方がニッケル及びシリコンを含む合金からなることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。

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