JP2020159926A

JP2020159926A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2020159926A
Application number: JP2019060933A
Authority: JP
Inventors: 義行石山; Yoshiyuki Ishiyama; 俊喜森; Toshiki Mori; 俊哉大矢; Toshiya Oya
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】熱電対素線を備える温度センサにおいて、熱電対素線の断線を抑制する。【解決手段】本開示の一局面は、第１熱電対素線と、第２熱電対素線と、シースと、測温接点と、金属チューブと、を備え、シースの内部断面における第１熱電対素線および第２熱電対素線の合計断面積の割合が６．０％〜９．１％の範囲内である、温度センサである。この温度センサは、第１熱電対素線および第２熱電対素線の断面積が一定以上となるため、第１熱電対素線および第２熱電対素線の各表面が酸化した場合でも、導電性を有する部分が残ることで、断線を抑制できる。【選択図】図１

Description

本開示は、温度センサに関する。

温度センサとして、一対の熱電対素線と、一対の熱電対素線の各々の先端を互いに接合して形成された測温接点と、を備える温度センサが知られている（特許文献１）。
この温度センサは、例えば、高温環境下での温度測定に用いることができる。

特開２０１５−５９８６５号公報

しかしながら、このような温度センサは、例えば大気中の高温環境下での使用が続く場合には、熱電対素線に断線が発生する可能性がある。
これは、周囲環境の酸素によって熱電対素線が表面から内部に向けて徐々に酸化していき、熱電対素線の内部まで酸化が進行すると、熱電対素線が断線状態となるためである。

そこで、本開示の一局面においては、熱電対素線を備える温度センサにおいて、熱電対素線の断線を抑制することが望ましい。

本開示の一局面は、第１熱電対素線と、第２熱電対素線と、シースと、測温接点と、金属チューブと、を備え、シースの内部断面における第１熱電対素線および第２熱電対素線の合計断面積の割合が６．０％〜９．１％の範囲内である、温度センサである。

第２熱電対素線は、第１熱電対素線とは異なる材料で形成されている。シースは、筒状に形成されている。シースは、第１熱電対素線と第２熱電対素線とをシースの内部に充填された絶縁材を介して保持する。第１熱電対素線と第２熱電対素線とは、互いに絶縁された状態である。

測温接点は、第１熱電対素線のうちシースから突出している部分の一端部と、第２熱電対素線のうちシースから突出している部分の一端部と、が接合されることにより形成されている。金属チューブは、測温接点を収容するとともに、シースの一部分を収容する有底筒状に形成されている。

つまり、この温度センサは、シースの内部断面における第１熱電対素線および第２熱電対素線の合計断面積の割合が６．０％〜９．１％の範囲内で構成されている。このため、この温度センサは、第１熱電対素線および第２熱電対素線の断面積が一定以上となるため、第１熱電対素線および第２熱電対素線の各表面が酸化した場合でも、導電性を有する部分が残ることで、断線を抑制できる。

また、この温度センサは、第１熱電対素線および第２熱電対素線の断面積が一定以下となるため、第１熱電対素線および第２熱電対素線がシースと接触しがたくなり、第１熱電対素線および第２熱電対素線におけるシースと電気的絶縁を維持することができる。

よって、この温度センサによれば、熱電対素線を備える構成において、熱電対素線の断線を抑制することができる。
次に、上述の温度センサにおいては、第１熱電対素線および第２熱電対素線により構成される熱電対は、Ｎ熱電対であってもよい。

なお、Ｎ熱電対を構成する第１熱電対素線および第２熱電対素線は酸化しやすい。これに対して、本開示の温度センサは、上記の構成を採ることで、第１熱電対素線および第２熱電対素線の各表面が酸化した場合でも、導電性を有する部分が残ることで断線を抑制できる、という利点がある。

温度センサの構造を示す部分破断断面図である。温度センサの先端部分の構造を拡大して模式的に示す部分破断断面図である。図２における温度センサのうちIII−III線で示す部分の端面におけるシースの内部構造を示す端面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本開示は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
本実施形態の温度センサは、例えば、流通管（本実施形態では、車両の内燃機関の排気管）に取り付けられて、流通管内に流れる測定対象ガス（本実施形態では、排気ガス）の温度を検出するものである。

まず、本実施形態の温度センサの構成を説明する。
図１に示すように、温度センサ１は、一対の熱電対素線（第１熱電対素線２、第２熱電対素線３）と、シース４と、金属チューブ５と、取付部材６と、外筒７と、ナット部材８とを備えている。以下、図１の上下方向（軸線ＡＸに沿った方向）を温度センサ１の軸線方向といい、図１の下側を温度センサ１の先端といい、図１の上側を温度センサ１の後端という。

第１熱電対素線２および第２熱電対素線３は、互いに異なる金属で形成されている。詳しくは、＋極（即ち＋脚）を構成する第１熱電対素線２は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉを主成分とする合金（いわゆるナイクロシル）で形成されている。一方、−極（即ち−脚）を構成する第２熱電対素線３は、Ｎｉ、Ｓｉを主成分とする合金（いわゆるナイシル）で形成されている。つまり、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３で構成される熱電対は、Ｎ熱電対である。

また、図２に示すように、第１熱電対素線２における先端側の端部と、第２熱電対素線３における先端側の端部とが接合され、測温接点１０が形成されている。
そして、シース４の先端から突出している部分において、第１熱電対素線２および測温接点１０の表面には、全面にわたって、Ｎｉ、ＣｒおよびＳｉを含有する第１酸化膜層（図示省略）が形成されている。また、同様にシース４の先端から突出している部分において、第２熱電対素線３の表面には、全面にわたって、ＮｉおよびＳｉを含有する第２酸化膜層（図示省略）が形成されている。

シース４は、筒状に形成された金属製（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金）の部材である。シース４は、その内部に両熱電対素線２，３が挿入され、両熱電対素線２，３の軸線方向における両端部以外の部分で両熱電対素線２，３の周囲を覆う。シース４と両熱電対素線２，３との間には、と両熱電対素線２，３との間には、絶縁体１２（図３参照。図１では図示省略。）が充填される。絶縁体１２は、例えば、絶縁粉末（即ち電気絶縁性を有する絶縁材）を用いて形成される。これにより、シース４は、両熱電対素線２，３と電気的に絶縁されて、測温接点１０が先端側に配置された状態で両熱電対素線２，３を内部に保持（支持）する。

金属チューブ５は、耐腐食性金属（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス合金）を材料として、先端に底部を有するとともに後端に開口部を有して軸線方向に延びる有底筒状に形成された部材である。

図２に示すように、金属チューブ５は、縮径部２１と、小径部２２と、大径部２３と、段差部２４とを備える。縮径部２１は、後端側から先端側に向かうにつれて縮径する形状に形成され、先端側の端部で閉塞されている。小径部２２は、縮径部２１よりも後端側で軸線方向に延びて一定の外径を有する筒状に形成された部位である。大径部２３は、小径部２２よりも後端側で軸線方向に延びる筒状に形成された部位である。大径部２３は、その外径が小径部２２の外径よりも大きくなるように形成されている。

段差部２４は、小径部２２と大径部２３との間に配置され、小径部２２と大径部２３とを接続するようにして軸線方向に延びる筒状に形成された部位である。段差部２４は、その外径が先端側端部および後端側端部でそれぞれ小径部２２および大径部２３の外径と同じになるように形成されている。そして段差部２４は、後端側から先端側へ向うにつれて外径が徐々に小さくなるように形成されている。

金属チューブ５は、小径部２２の内部に測温接点１０を収容するとともに、大径部２３の内部にシース４の一部分を収容する。
図１に戻り、取付部材６は、金属チューブ５のうち後端の外周面を取り囲んで金属チューブ５を支持する部材であり、突出部３１と、後端側鞘部３２を備える。

突出部３１は、金属チューブ５の後端の外周面から金属チューブ５の径方向外側に向かって突出するように形成された部位である。後端側鞘部３２は、突出部３１の後端側端部から軸線方向に延びる筒状に形成された部位である。突出部３１および後端側鞘部３２の内部に金属チューブ５の後端側端部が挿入された後に、後端側鞘部３２と金属チューブ５とがレーザ溶接されることにより、取付部材６と金属チューブ５とが互いに結合される。

外筒７は、その外径が金属チューブ５の外径よりも大きくなるように筒状に形成された金属製の部材である。外筒７は、その先端側端部において後端側鞘部３２を内部に挿入した状態でレーザ溶接されることにより、取付部材６に結合される。

ナット部材８は、外筒７の先端側端部を内部に挿入した状態で軸線方向に平行な軸を中心に回転可能に設置されている。ナット部材８は、六角ナット部４１とネジ部４２を備える。

六角ナット部４１は、外筒７の外周から径方向に沿って外側へ延びて外周が六角形の板状に形成された部位である。六角ナット部４１は、温度センサ１を排気管に取り付けるときにレンチ等の取付工具を嵌合させるための部位である。ネジ部４２は、六角ナット部４１の先端側端部から温度センサ１の先端へ向けて軸線方向に延びる円筒状に形成された部位であり、その外周に雄ネジが形成されている。

なお、排気管の外周から突出するように設けられた図示しないボスのネジ穴に金属チューブ５を挿入して、ネジ部４２の雄ネジをボスのネジ穴の内周壁に形成された雌ネジに螺合することで、温度センサ１が排気管に取り付けられる。

両熱電対素線２，３は、それぞれ補償導線５１、５２に直接に接合されている。なお、補償導線５１、５２は、それぞれ電気絶縁材６１、６２により被覆されている。また、各熱電対素線２，３と各補償導線５１、５２との接合部分の周囲は、それぞれ絶縁チューブ５５，５６で覆われている。補償導線５１、５２は、外部回路を介して、車両の電子制御装置に接続される。外筒７の後端側の開口部は、耐熱ゴム製のグロメット６５により閉塞されており、補償導線５１、５２は、このグロメット６５を貫いて配置されている。

［１−２．第１熱電対素線、第２熱電対素線、シース］
次に、第１熱電対素線２、第２熱電対素線３、シース４について説明する。
上述のように、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３は、互いに異なる金属で形成されている。第１熱電対素線２における先端側の端部と、第２熱電対素線３における先端側の端部とは、互いに接合されて測温接点１０を形成している。シース４は、筒状に形成された金属製部材であり、その内部に両熱電対素線２，３が挿入されている。

図３に示すように、シース４と両熱電対素線２，３との間には、絶縁体１２が充填されている。絶縁体１２は、例えば、絶縁粉末（即ち電気絶縁性を有する絶縁材。ＭｇＯなど）を用いて形成される。シース４は、絶縁体１２によって、両熱電対素線２，３と電気的に絶縁される。シース４は、測温接点１０が先端側に配置された状態で両熱電対素線２，３を内部に保持（支持）する。

本実施形態では、第１熱電対素線２の断面における直径Ｌ１は０．５７［ｍｍ］であり、第２熱電対素線３の断面における直径Ｌ２は０．５７［ｍｍ］である。シース４の内径寸法Ｌ３は２．０９［ｍｍ］である。なお、直径Ｌ１は０．５７〜０．６３［ｍｍ］、直径Ｌ２は０．５７〜０．６３［ｍｍ］、直径Ｌ３は２．０９〜２．３３［ｍｍ］の範囲で適宜設定することができる。

ここで、第１熱電対素線２の断面積をＳａ（＝π×（Ｌ１／２）^２）とし、第２熱電対素線３の断面積をＳｂ（＝π×（Ｌ２／２）^２）とし、シース４の内部断面（シース４の内面４ａで囲まれる領域）の断面積をＳｃ（＝π×（Ｌ３／２）^２）とする。この場合、シース４の内部断面における第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の合計断面積の割合Ｒ１は、演算式「Ｒ１＝（Ｓａ＋Ｓｂ）／Ｓｃ×１００［％］」を用いて算出できる。そして、本実施形態では、割合Ｒ１は、９．１［％］である。

［１−３．耐久試験］
ここで、シース４の内部断面における第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の合計断面積の割合Ｒ１が異なる複数種類の温度センサ１を用いて、高温環境下で実施した耐久試験の試験結果について説明する。

耐久試験は、高温環境下（本試験では、９００［℃］）に所定の高温時間（本試験では５．０［Ｍｉｎ］）にわたり温度センサ１を配置した後、常温環境下（本試験では２５［℃］）に所定の常温時間（本試験では５．０［Ｍｉｎ］）にわたり温度センサ１を配置することを１サイクルとして、このサイクルを繰り返し実行した。そして、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３のうち少なくともいずれか一方が断線するまでサイクル数を測定した。

本試験では、割合Ｒ１が６．０％〜９．１％の範囲内で構成されている場合には、断線するまでのサイクル数が３０００回以上となった。この試験結果によれば、割合Ｒ１が６．０％〜９．１％の範囲内で構成されている場合には、高温環境下でも断線を抑制できることがわかる。

なお、本試験では、割合Ｒ１が９．１％以下の温度センサ１を用いている。このような構成の温度センサ１は、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の断面積が一定以下となるため、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３がシース４と接触しがたくなり、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３におけるシース４と電気的絶縁を維持することができる。

［１−４．効果］
以上説明したように、本実施形態の温度センサ１は、シース４の内部断面における第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の合計断面積（＝Ｓａ＋Ｓｂ）の割合Ｒ１が、９．１［％］である。つまり、温度センサ１は、割合Ｒ１が６．０％〜９．１％の範囲内で構成されている。

このため、温度センサ１は、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の断面積が一定以上となるため、例えば、金属チューブ５の内部において、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の各表面が酸化した場合でも、導電性を有する部分が残ることで、断線を抑制できる。

また、温度センサ１は、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の断面積が一定以下となるため、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３がシース４と接触しがたくなり、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３におけるシース４と電気的絶縁を維持することができる。

よって、温度センサ１によれば、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３を備える構成において、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の断線を抑制することができる。
また、温度センサ１は、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３で構成される熱電対としてＮ熱電対を備えている。なお、Ｎ熱電対を構成する第１熱電対素線２および第２熱電対素線３は酸化しやすい。これに対して、温度センサ１は、割合Ｒ１が上記の範囲内となる構成を採ることで、第１熱電対素線２および第２熱電対素線３の各表面が酸化した場合でも、導電性を有する部分が残ることで断線を抑制できる、という利点がある。

［１−５．文言の対応関係］
ここで、文言の対応関係について説明する。
温度センサ１が温度センサの一例に相当し、第１熱電対素線２が第１熱電対素線の一例に相当し、第２熱電対素線３が第２熱電対素線の一例に相当し、シース４がシースの一例に相当し、測温接点１０が感温部の一例に相当し、金属チューブ５がチューブ部の一例に相当する。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

上記実施形態では、Ｎ熱電対を備える温度センサについて説明したが、本開示の温度センサに備えられる熱電対の種類は、Ｎ熱電対に限られることはない。つまり、Ｎ熱電対ではない他の種類の熱電対を備える温度センサに対して、本開示を適用してもよい。

次に、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…温度センサ、２…第１熱電対素線、３…第２熱電対素線、４…シース、４ａ…内面、５…金属チューブ、６…取付部材、７…外筒、１０…測温接点、１２…絶縁体。

Claims

第１熱電対素線と、
前記第１熱電対素線とは異なる材料で形成された第２熱電対素線と、
筒状に形成され、前記第１熱電対素線と前記第２熱電対素線とが互いに絶縁された状態で、前記第１熱電対素線と前記第２熱電対素線とを絶縁材を介して保持するシースと、
前記第１熱電対素線のうち前記シースから突出している部分の一端部と、前記第２熱電対素線のうち前記シースから突出している部分の一端部とが接合されることにより形成された測温接点と、
前記測温接点を収容するとともに、前記シースの一部分を収容する有底筒状に形成された金属チューブと、
を備え、
前記金属チューブの内部に収容された前記シースの内部断面における、前記第１熱電対素線および前記第２熱電対素線の合計断面積の割合は、６．０％〜９．１％の範囲内である、
温度センサ。
前記第１熱電対素線および前記第２熱電対素線により構成される熱電対は、Ｎ熱電対である、
請求項１に記載の温度センサ。