DE19946453A1 - Temperatursensor - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Temperatursensor mit einem Thermistorelement, das in einer Metallkappe aufgenommen ist, und einem mineralisch isolierten Kabel zur Aufnahme von Signalen von dem Thermistorelement, wobei das mineralisch isolierte Kabel einen Ventilationsaufbau verwendet, der stabile Thermistorelementwiderstandscharakteristika schafft. Das Thermistorelement (1) ist mit einem Thermistorabschnitt (1a), der aus einem Oxidhalbleiter besteht, und Elektrodendrähten (1b) ausgerüstet, die sich von dem Thermistorabschnitt (1a) zur Abgabe von Thermistorsignalen erstrecken, und es ist an dem Ende des mineralisch isolierten Kabels (2) angeordnet und in der Metallkappe (3) aufgenommen. Das mineralisch isolierte Kabel (2) verwendet einen Aufbau, in welchem elektrisch leitende Kerndrähte (2b), die mit den Elektrodendrähten (1b) verbunden sind, in einem metallenen Außenzylinder (2a) durch ein isolierendes Pulver (2c) isoliert und gehalten sind, das in den Außenzylinder (2a) eingefüllt ist. Eine Ventilationsmenge von mindestens 5 x 10·-4· ml/(MPa x sec) ist innerhalb des Außenzylinders (2a) bei Normaltemperatur sichergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Temperatursensor mit einem Thermistorelement, das zur Temperaturerfassung verwendet wird, und bezieht sich insbesondere auf einen Temperatursensor, der eine Wärmebeständigkeit bis zu einer Temperatur von etwa 1000°C haben muß, und beispielsweise zur Verwendung als Abgastemperatursensor geeignet ist, der in einem katalytischen Wandler oder Katalysator oder dergleichen eines Kraftfahrzeugabgassystems eingebaut ist und ungewöhnliche Temperaturen oder Katalysatorverschlechterungen und dergleichen erfaßt.

Diese Art von Temperatursensor hat üblicherweise ein Thermistorelement, das eine bestimmte Temperatur- Widerstandscharakteristik hat, an einem ende eines Verdrahtungselements zur Aufnahme von Thermistorsignalen. Dieser Endabschnitt ist mit einem Metallmantel mit einem Boden bedeckt, was zu einem Aufbau führt, in welchem das Thermistorelement in dem Raum aufgenommen ist, der durch das Metallgehäuse und den Endabschnitt des Verdrahtungselements gebildet ist.

Üblicherweise ist durch Einfüllen isolierenden Pulvers in einen Raum zwischen einem Metallaußenzylinder und Kerndrähten der Aufbau des Verdrahtungselements derart, daß die Kerndrähte in dem äußeren Zylinder isoliert und gehalten sind, wobei diese Kerndrähte mit Elektrodendrähten verbunden sind, die an dem Thermistorelement vorgesehen sind.

Weil ein das Thermistorelement bildendes Thermistormaterial aus einem Oxid-Halbleiter besteht, variieren die Widerstandscharakteristika (Temperatur- Widerstandscharakteristika) des Thermistorabschnitts entsprechend dem Sauerstoffpartialdruck der Umgebungsatmosphäre des Thermistorelements.

Weil bei diesem Typ eines Temperatursensors das Thermistorelement in einem Metallgehäuse aufgenommen ist, tritt Oxidation eines hitzebeständigen Metalls bei hohen Temperaturen (z. B. 700°C und höher) auf und der Sauerstoffpartialdruck der inneren Atmosphäre nimmt ab. In einer stark reduzierenden Atmosphäre tritt ein Phänomen auf, wobei Sauerstoff vorübergehend aus dem Oxid-Halbleiter des Thermistorabschnitts entnommen wird, was in einer Störung der vorgenannten Widerstandscharakteristika bei hohen Temperaturen resultiert.

Folglich ist es erforderlich, das in dem Metallgehäuse aufgenommene Thermistorelement mit einer passenden Belüftung oder Ventilation zu versehen, um die Thermistorcharakteristika zu stabilisieren. Im Fall eines Temperatursensors, der einen Doppelrohraufbau verwendet, in welchem der Außenumfang des Verdrahtungselements ferner mit einem Metallzylinder etc. bedeckt ist (z. B. wie in Fig. 8 des japanischen Patents Nr. 2621488 beschrieben ist), kann ein Ventilationspfad gebildet werden, indem der Spalt zwischen dem Verdrahtungselement und dem Metallzylinder verwendet wird.

Neuere Sensoren müssen jedoch Temperaturen in Bereichen kleiner Temperaturänderungen genau erfassen können und eine Ein-Aus- Steuerung zur Untersuchung von Katalysatorbeeinträchtigungen und dergleichen ausführen können, wodurch ein noch schnelleres Ansprechverhalten erforderlich ist. Folglich besteht ein Bedarf, den Außendurchmesser des temperaturempfindlichen Abschnitts kleiner zu machen, um die Ansprechgeschwindigkeit des Sensors zu erhöhen. Der zuvor genannte Doppelrohraufbau hat einen komplexen Aufbau und ist zur Erfüllung dieses Bedarfs ungeeignet.

Andererseits muß im Fall eines Einzelrohraufbaus, in welchem der Endabschnitt eines Verdrahtungselements, der mit einem Thermistorelement versehen ist, lediglich mit einem mit einem Boden versehenen zylindrischen Metallgehäuse bedeckt ist, obwohl es vorteilhaft ist, den Außendurchmesser des temperaturempfindlichen Abschnitts kleiner zu machen, der Ventilationspfad für das Thermistorelement dann innerhalb des Verdrahtungselements ausgebildet werden.

Weil jedoch, wie oben beschrieben wurde, das Verdrahtungselement einen Aufbau hat, in welchem die Kerndrähte in einem metallischen Außenzylinder isoliert und gehalten sind, indem isolierendes Pulver in den Außenzylinder eingefüllt ist, kann nicht erwartet werden, daß eine gute Ventilation geschaffen ist. Wenn zudem der Außendurchmesser des temperaturempfindlichen Abschnitts kleiner gemacht wird, um die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen, wird es, weil dies erfordert, daß das Verdrahtungselement einen kleineren Durchmesser hat, schwieriger, die Ventilation sicherzustellen. Folglich entsteht der Bedarf, die Ventilationsmenge oder Quantität abzuklären oder zu bestimmen, die erforderlich ist, um die Thermistorcharakteristika zu stabilisieren.

Folglich ist es angesichts der obigen Punkte die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperatursensor mit einem Thermistorelement zu schaffen, das in einem Metallgehäuse aufgenommen ist und ein Verdrahtungselement zur Aufnahme von Signalen von dem Thermistorelement hat, wobei das Verdrahtungselement einen Ventilationsaufbau hat, der stabile Widerstandscharakteristika des Thermistorelements schafft, und ein Herstellungsverfahren für einen Temperatursensor vorzuschlagen, der einen solchen Verdrahtungselementaufbau hat.

Als ein Ergebnis ernsthafter Studien, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurden und auf die Ventilationsmenge des Verdrahtungselements zielten, wurde experimentell bestimmt, daß, wenn die Ventilationsmenge gleich oder größer einer vorbestimmten Menge war, stabile Thermistorwiderstandscharakteristika erhalten werden, was zur Vollendung der vorliegenden Erfindung führte.

Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Temperatursensor geschaffen, mit einem Thermistorelement, welches einen Thermistorabschnitt hat, der aus einem Thermistormaterial besteht, mit einem Verdrahtungselement, das elektrisch leitende Kerndrähte hat, die mit dem Thermistorelement gekoppelt sind, um Thermistorsignale von dem Thermistorelement aufzunehmen, in einem metallischen Außenzylinder isoliert und gehalten sind, und mit einem zylindrischen Metallgehäuse, das das Thermistorelement aufnimmt, eine Öffnung an einem Ende hat, an dem anderen Ende geschlossen ist und mit dem äußeren Zylinder an der Öffnung verbunden ist, wobei das Verdrahtungselement eine Ventilationsmenge in dem Außenzylinder von mindestens 5 × 10^-4 ml/(MPa × sec.) bei Normaltemperatur sicherstellt.

Entsprechend kann eine Menge an Außenluft auf der Basis der zuvor genannten vorbestimmten Ventilationsmenge durch die Innenseite oder das Innere des Verdrahtungselements in den Raum zugeführt werden, in welchem das Thermistorelement aufgenommen ist und der durch das Metallgehäuse und das Verdrahtungselement gebildet ist, wodurch die Bildung einer stark reduzierenden Atmosphäre um das Thermistorelement verhindert ist. Folglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ventilationsaufbau realisiert werden, der stabile Thermistorelement- Widerstandscharakteristika schafft.

Das Thermistorelement besteht vorzugsweise aus einem Thermistorabschnitt, der aus einem Thermistormaterial und Elektrodendrähten besteht, die sich aus dem Thermistorabschnitt zur Aufnahme von Thermistorsignalen erstrecken. In diesem Fall sind die Elektrodendrähte mit den Kerndrähten verbunden.

Gemäß experimentellen Untersuchungen, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurden, ist die zuvor beschriebene vorbestimmte Ventilationsmenge vorzugsweise bei 1 × 10^-3 ml/(MPa × sec.) bei Normaltemperatur sicherzustellen und insbesondere vorzugsweise bei 5 × 10^-3 ml/(MPa × sec.) bei Normaltemperatur sicherzustellen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bestätigt, daß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann, wenn die zuvor genannte Ventilationsmenge sichergestellt ist, auch wenn der Außendurchmesser des Außenzylinders, nämlich der Außendurchmesser des Verdrahtungselements, auf 3 mm oder weniger reduziert wird und der Außendurchmesser des Außenumfangs des Außenzylinders auf 2,5 mm oder weniger reduziert wird. Als eine spezielle Verdrahtungselementeinrichtung zur Erreichung der zuvor genannte vorbestimmten Ventilationsmenge können die Kerndrähte des Verdrahtungselements in dem Außenzylinder isoliert und gehalten sein, indem isolierendes Pulver in den Außenzylinder zwischen den Außenzylinder und die Kerndrähte eingefüllt wird, und der Außenzylinder kann so gemacht werden, daß er einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3 × 10^-6 (/°C) oder mehr größer als das isolierende Pulver hat.

Im Ergebnis zieht sich bei hohen Temperaturen, die die Bildung einer reduzierende Atmosphäre erleichtern, das in den Außenzylinder eingefüllte isolierende Pulver relativ zu dem Außenzylinder zusammen, wodurch die Bildung eines Spalts ermöglicht wird, der es gestattet, daß die zuvor genannte vorbestimmte Ventilationsmenge zwischen dem Außenzylinder und dem isolierenden Pulver sichergestellt ist. Insbesondere kann Magnesiumoxid als das isolierende Pulver verwendet werden.

In einem Temperatursensor, in welchem der vorgenannte Außenzylinder einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der mindestens 3 × 10^-6 (/°C) größer ist als der des isolierenden Pulvers, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung experimentell bestimmt, daß die Ventilationsmenge durch Wärmebehandlung des Verdrahtungselements erhöht wird. Die vorgenannte Ventilationsmenge kann mindestens auf den zuvor genannten Wert erhöht werden, indem das Verdrahtungselement bei mindestens 900°C wärmebehandelt wird.

Bei Temperatursensoren fehlt dem Verdrahtungselement typischerweise die Flexibilität für Biegung und dergleichen als Ergebnis eines metallenen Außenzylinders. Folglich wird die Verdrahtung zwischen dem Temperatursensor und äußeren Schaltkreisen üblicherweise unter Verwendung von Leitungsdrähten zur Verbindung mit den äußeren Schaltkreisen und dergleichen ausgeführt, wobei die Leitungsdrähte von dem Verdrahtungselement durch flexible Rohre oder Schläuche geführt sind. Dabei ist die Verbindung zwischen den Leitungsdrähten und dem Verdrahtungselement durch ein Schutzelement vor der Umgebung geschützt, um den Eintritt von Feuchtigkeit und Staub zu verhindern und um Schutz vor äußeren Stößen und dergleichen zu bieten.

Folglich wird der Austausch von Luft zwischen dem das Thermistorelement aufnehmenden Abschnitt und der Umgebung oder Außenseite jeweils durch die Innenseite des Verdrahtungselements, die Innenseite des Schutzelements und das Außenrohr des Leitungsdrahts ausgeführt. Bei diesem Aufbau ist es vorzuziehen, die Innenseite des Außenrohrs des Leitungsdrahts ebenfalls mit guter Belüftung zu versehen.

Folglich ist es bei einem Aufbau, der die zuvor genannten Leitungsdrähte verwendet, vorteilhaft, die Leitungsdrähte so zu machen, daß eine Vielzahl elektrisch leitender Drähte mit flexiblen Außenrohren bedeckt sind.

Weil gemäß der vorliegenden Erfindung die Drähte in den Außenrohren aus einer Vielzahl von Drähten für die Leitungsdrähte zusammengesetzt sind, werden Spalte zwischen zugehörigen Drähten und zwischen den Außenrohren und den Drähten gebildet. Die Ventilationsmenge innerhalb der äußeren Rohre kann infolge der Anwesenheit dieser Spalte viel größer gemacht werden als die vorbestimmte Ventilationsmenge des zuvor beschriebenen Verdrahtungselements, wodurch jedwede Schwierigkeiten mit der Ventilation eliminiert sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Schnittansicht, die einen Temperatursensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Schnittansicht, die entlang der Radialrichtung des mineralisch isolierten Kabels des in Fig. 1 gezeigten Temperatursensors genommen ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht, die entlang der Radialrichtung der Leitungsdrähte des in Fig. 1 gezeigten Temperatursensors genommen ist;

Fig. 4 einen Graph, der die Beziehung zwischen der Oxidationsbehandlungszeit und der Ventilationsmenge in dem mineralisch isolierten Kabel zeigt;

Fig. 5 einen Graph, der die Beziehung zwischen der Anzahl von Kühlungs- und Heizungszyklen und die Änderungsrate des Widerstands des Thermistorelements in einem Temperatursensor zeigt, wenn die Dauer der Oxidationsbehandlungszeit des mineralisch isolierten Kabels verändert wird.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Temperatursensor gemäß der vorliegenden Erfindung in der Verwendung als ein Abgastemperatursensor erläutert, der an einer Kraftfahrzeugabgasreinigungseinrichtung, wie einem katalytischen Wandler eingebaut ist, und eine unnormale Temperatur oder eine Katalysatorbeeinträchtigung erfaßt. Weil dieser Temperatursensor hauptsächlich im Abgaspfad von Kraftfahrzeugabgasen eingebaut ist, muß der temperaturempfindliche Abschnitt wärmebeständig sein, wärmeschockbeständig sein, vibrationsfest und dergleichen sein, um hohen Temperaturen der Größenordnung von beispielsweise 1000°C zu widerstehen.

Somit wird wärmebeständiges Material, das solchen Temperaturen widerstehen kann, ebenfalls in dem temperaturempfindlichen Abschnitt verwendet und es wird eine stabile Auslegung verwendet. Kürzlich wurde eine genauere Abgastemperaturerfassung durch Brennkraftmaschinensteuerungssysteme erforderlich, und es besteht ein Bedarf für eine Temperaturerfassung mit verbesserten Ansprechzeiten. Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Temperatursensors gemäß der vorliegenden Erfindung, der ausgelegt ist, diese neuen Systemanwendungen passend zu erfüllen.

Der Temperatursensor 100 ist allgemein ausgerüstet mit einem Thermistorelement 1, einem mineralisch isolierten Kabel (Verdrahtungselement) 2 zur Aufnahme von Thermistorsignalen, einer Metallkappe (Metallgehäuse) 3, die das Thermistorelement 1 aufnimmt, so daß es mit einem Abgas nicht unmittelbar in Kontakt gelangt, Leitungsdrähten 4 zur Verbindung des mineralisch isolierten Kabels 2 mit äußeren Schaltkreisen oder einem Kabelbaum, einem Flansch 5 zur Befestigung des Sensors an einer Rohrwand 21 der Abgasleitung und einer Hülse (Schutzelement) 6, die die Verbindung zwischen dem mineralisch isolierten Kabel 2 und Leitungsdrähten 4 schützt.

In Fig. 1 ist die Innenseite der Abgasleitung 20, durch die Abgas fließt, unterhalb der Rohrwand 21 angeordnet und der temperaturempfindliche Abschnitt des Temperatursensors 100, der durch das Thermistorelement 1 und die dieses aufnehmende Metallkappe 3 gebildet ist, ist in ein Loch 22, daß ein Gewindeloch bildet, das in der Rohrwand 21 ausgebildet ist, eingeführt und befestigt, um der Innenseite der Abgasleitung 20 ausgesetzt zu sein.

Hier ist ein Schrägabschnitt 22a an der Innenfläche des Lochs 22 näher an der Abgasleitung 20 als an dem Gewindelochabschnitt ausgebildet. Der Temperatursensor 100 ist folglich in seiner Stellung fixiert, indem mit einer Schraube 23 auf den Flansch 5 gedrückt wird.

Der Flansch 5 ist aus hitzebeständigem Metall (beispielsweise SUS 304) gemacht, er ist an die Außenseite des mineralisch isolierten Kabels 2 gefügt und hat eine abgeschrägte Form in Übereinstimmung mit dem abgeschrägten Abschnitt 22a des Lochs 22. Wenn der Sensor an der Rohrwand 21 befestigt wird, wird zusätzlich dazu, daß Abgas am Austritt von der Abgasleitung 20 gehindert wird, weil der Flansch 5 fest in den Schrägabschnitt 22a eingepaßt ist, der Sensor in dem Loch 22 der Rohrwandlung 21 gehalten.

Das Thermistorelement 1 hat einen Thermistorabschnitt 1a, der durch Sintern eines Thermistormaterials mit hervorragender Wärmebeständigkeit, das aus einem Oxidhalbleiter, wie Mn-Cr besteht, und einem Paar von Elektrodendrähten 1b, die durch Einschrumpfen in den Thermistorabschnitt 1a eingebettet sind, in einer zylindrischen Form ausgebildet ist. Das Paar von Elektrodendrähten 1b dient zur Aufnahme eines Ausgangs (Widerstand entsprechend der Temperatur) in der Form von Thermistorsignalen von dem Thermistorabschnitt 1a und sind aus einem Drahtmaterial gemacht, wie Platindraht, der eine hervorragende Wärmebeständigkeit und Ausgabeeigenschaften hat.

Das Paar von Elektrodendrähten 1b ist, grob gesprochen, parallel in der Säulenaxialrichtung des Thermistorabschnitts 1a mit gegenseitig konstantem Abstand (zwischen den Elektroden) eingebettet und ein Ende jedes Drahts erstreckt sich von dem Thermistorabschnitt 1a. Die erstreckenden Enden des Paars von Elektrodendrähten 1b sind jeweils elektrisch durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen etc. an Abschnitten M1, die mit einem "x" in Fig. 1 dargestellt sind, mit einem Paar von Kerndrähten 2b des mineralisch isolierten Kabels (Verdrahtungselement) 2 verbunden, um Thermistorsignale an die Außenseite abzugeben.

Eine Schnittansicht in Radialrichtung des mineralisch isolierten Kabels 2 ist in Fig. 2 gezeigt. Das mineralisch isolierte Kabel 2 isoliert und hält ein paar von Kerndrähten 2b, die aus einem Metall wie rostfreiem Stahl (beispielsweise SUS 310S) gemacht sind, innerhalb des zylindrischen Außenzylinders 2a, der aus Metall gemacht ist, wie beispielsweise Edelstahl (SUS 310S in diesem Beispiel). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kerndrähte 2b in dem Außenzylinder 2a isoliert und gehalten, indem ein isolierendes Pulver (Schutzelement) 2c, das aus MgO, Al₂O₃ oder dergleichen besteht, zwischen den Außenzylinder 2a und jeden der Kerndrähte 2b innerhalb des Außenzylinders 2a eingefüllt ist.

Weil dieses mineralisch isolierte Kabel 2 durch wiederholtes Ziehen und Ausglühen beginnend von einem großdurchmessrigen Material gemacht ist und in kleindurchmessrigem Zustand zur Zeit der Verwendung ist, ist isolierendes Pulver 2c mit hoher Dichte gepackt und die beiden Kerndrähte 2b sind fest am Ort gehalten. Der Außendurchmesser des Außenzylinders 2a (Außendurchmesser des mineralisch isolierten Kabels 2) beträgt 3 mm oder weniger und in dem Beispiel hat der Außenzylinder 2a die Form eines Zylinders mit einem Außendurchmesser von 2,3 mm, einer Wanddicke von 0,3 mm und einer Länge von 60 mm. Zudem hat jeder Kerndraht 2b einen Außendurchmesser von beispielsweise 0,3 mm.

Zudem stellt das mineralisch isolierte Kabel 2 innerhalb des Außenzylin­ ders 2 eine Ventilationsmenge von mindestens 5 × 10^-4 ml/(MPa × sec) bei Normaltemperatur sicher, wenn Luft (beispielsweise Druckluft) bei einem Druck von 5 Atmosphären von einem Ende zum anderen Ende fließt. Diese vorbestimmte Ventilationsmenge kann realisiert werden, indem der Partikeldurchmesser des isolierenden Pulvers 2c gewählt wird (beispielsweise mittlerer Partikeldurchmesser: 100 µm, Partikelgrößenverteilung: 75 bis 150 µm), indem das isolierende Pulver eingefüllt wird, so daß passende Spalte gebildet werden, und indem das isolierende Pulver nicht dichter gepackt wird, als erforderlich, auch nachdem das mineralisch isolierte Kabel gezogen ist.

Zudem ist es vorzuziehen, daß der Außenzylinder 2a so ausgelegt ist, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens um 3 × 10^-6 (/°C) höher ist als der des isolierenden Pulvers 2c, um die zuvor beschriebene vorbestimmte Ventilationsmenge zu realisieren. In dem Beispiel wird SUS 310S als das Material für den Außenzylinder 2a verwendet und MgO (Magnesiumoxid) wird als das isolierende Pulver 2c verwendet und ihre jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind 6,4 × 10^-6 (/°C) für SUS 310S und 13 × 10^-6 (/°C) für MgO in dem Bereich von Raumtemperatur bis 400°C und betragen 19,5 × 10^-6 (/°C) für SUS 310S und 15 × 10^-6 (/°C) für MgO in dem Bereich von 400°C bis 1000°C.

Zudem hat die Metallkappe (Metallgehäuse) 3, die das Thermistorelement 1 aufnimmt, die Form eines mit Boden versehenen Zylinders, der aus wärmebeständigem Metall wie SUS 310S gemacht ist, hat eine Öffnung 3a an einem Ende, einen geschlossenen Abschnitt 3c am anderen Ende und hat einen Außendurchmesser von 3 mm. Somit hat der temperaturempfindliche Abschnitt des vorliegenden Ausführungsbeispiels ebenfalls einen kleinen Außendurchmesser von 3 mm. In dem Beispiel hat die Metallkappe eine Dicke von 0,3 mm und einen Innendurchmesser von 2,4 mm.

Die Öffnung 3a der Metallkappe 3 überlappt den Außenzylinder 2a und sowohl die Metallkappe 3 als auch der Außenzylinder 2a sind an diesem überlappenden Abschnitt durch Umfangsschweißen durch beispielsweise Laserschweißen der Innenoberfläche der Metallkappe und der Außenfläche des Außenzylinders 2a verbunden (mit Bezugszeichen M2 in Fig. 1 bezeichneter Abschnitt). Die Öffnung 3a der Metallkappe 3 ist durch das mineralisch isolierte Kabel 2 versperrt und das Thermistorelement 1 ist in dem in der Metallkappe 3 ausgebildeten Raum aufgenommen.

Als nächstes ist ein Paar von Leitungsdrähten 4 jeweils unter Verwendung eines Verbindungsverfahrens, wie einem Verbinder oder Schweißen mit einem Paar von Kerndrähten 2b an einem Ort verbunden, der der Seite gegenüberliegt, wo das Thermistorelement 1 und die Elektrodendrähte 1b mit dem mineralisch isolierten Kabel 2 verbunden sind (Abschnitt M3 in Fig. 1). Eine Schnittansicht in Radialrichtung der Leitungsdrähte 4 ist in Fig. 3 gezeigt. Dieser Leitungsdraht 4 besteht aus einer Vielzahl elektrisch leitender Drähte 4a, die mit einem flexiblen Außenrohr oder -schlauch 4b bedeckt sind.

Auf diese Weise wird, weil die Drähte 4a innerhalb des Außenrohrs 4b aus einer Vielzahl von Drähten (sieben sind in dem Beispiel von Fig. 1 gezeigt) gebildet sind, ein Spalt zwischen jedem der zugehörigen Drähte 4a und zwischen dem Außenrohr 4b und den Drähten 4a gebildet, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Hier sind die in den Leitungsdrähten 4 gebildeten Spalte, um eine Ventilationsmenge sicherzustellen, die ausreichend größer ist, als die vorgenannte vorbestimmte Ventilationsmenge innerhalb des mineralisch isolierten Kabels 2, das passend mit isolierendem Pulver 2c gefüllt ist.

Zudem können die Drähte 4a beispielsweise aus einem Metall wie Edelstahl gebildet sein, während das Außenrohr 4ba aus flexiblem Kunststoff, wie Tetrafluorethylenkunststoff gemacht sein kann. Indem in dem Beispiel sieben Drähte mit einem Außendurchmesser von mindestens 0,12 mm zusammengedreht sind, wickelt sich jeder Draht nicht auseinander, was zusammen mit einer verbesserten Verarbeitbarkeit die Festigkeit der Leitungsdrähte 4 bezüglich Biegebelastung verbessert.

Die Verbindung des mineralisch isolierten Kabels (Kerndrähte 2b) mit dem Paar von Leitungsdrähten 4 ist gegenüber der Umgebung durch eine Hülse 6 geschützt. Die Hülse 6 hat die Form eines aus Metall wie SUS 304 gemachten Zylinders und ist an der Außenseite der Leitungsdrähte 4 und der Außenseite des Außenzylinders 2a vorgesehen.

Die Hülse 6 ist um die Außenseite des Außenzylinders 2a durch Schweißen oder dergleichen an die Außenfläche des Flanschs 5 befestigt und ist fest mittels einer Gummibuchse 7 verschlossen, um das Eindringen von Wasser, Staub und dergleichen (Abschnitt M4 in Fig. 1) zu verhindern, während zudem die Innenseite der Hülse 6 luftdicht erfaßt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht ein Schutzelement aus der Hülse 6 und der Gummibuchse 7.

Zudem ist eine Kupplung oder ein Stecker 8 an dem der Verbindung mit dem mineralisch isolierten Kabel 2 (Kerndrähte 2b) abgewandten Ende an dem Paar von Leitungsdrähten 4 (Leitungsdrahtausgangsabschnitt) zur Verbindung mit externen Schaltkreisen (wie eine Fahrzeugsteuereinheit) oder mit einem sich von den äußeren Schaltkreisen erstreckenden Kabel (Kabelbaum) oder dergleichen versehen.

In dem Temperatursensor 100 mit diesem Aufbau wird der Ausgang des Thermistorelements 1 mit einem Paar von Elektrodendrähten 2b aufgenommen und zu äußeren Schaltkreisen überführt, nachdem er durch eine hinsichtlich des Sensors externe Einheit über Leitungsdrähte 4 von dem mineralisch isolierten Kabel 2 aufgenommen wurde.

Zudem wird in dem Temperatursensor 100 Luft innerhalb der Metallkappe 3, d. h. innerhalb des das Thermistorelement 1 aufnehmenden Abschnitts infolge von Veränderungen der Temperatur des Abgases während der Verwendung expandiert oder kontrahiert. Im Ergebnis fließt Innenluft aus den Spalten des Verbindungsabschnitts der Kupplung 8 in die Kupplung 8 während Außenluft von dem Abschnitt in die Kupplung 8 fließt, welcher in dem externen Schaltkreis in Verbindung mit der Außenluft ist.

Wie durch die unterbrochenen Pfeile in Fig. 1 gezeigt ist, fließt zu einer bestimmten Zeit Außenluft in die Kupplung 8, die Spalte der Leitungsdrähte 4, die Hülse 6, den das isolierende Pulver 2c und das Thermistorelement 1 enthaltenden Abschnitt, wonach es in den Abschnitt fließt, der das Thermistorelement 1 enthält. Zudem fließt, zu einer anderen bestimmten Zeit, die Luft um das Thermistorelement 1 nach außen, wobei sie dem oben beschriebenen Weg in umgekehrter Richtung folgt.

Auf diese Weise wird, weil in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Innere des mineralisch isolierten Kabels 2, welches der geschwindigkeitsbestimmende Abschnitt des zuvor beschriebenen Luftstroms ist, mit der zuvor beschriebenen vorbestimmten Ventilationsmenge ausgeführt ist, die Luft wirksam in dem das Thermistorelement 1 aufnehmenden Abschnitt (Innenseite der Metallkappe 3) ausgetauscht, wodurch verhindert wird, daß die Atmosphäre um das Thermistorelement eine übermäßig reduzierende Atmosphäre wird und stabile Thermistorelementwiderstandscharakteristika geschaffen sind.

Das mineralisch isolierte Kabel 2, welches ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, wird gemacht, indem wiederholt routinemäßig ein Ziehen und Glühen ausgeführt wird, wie zuvor beschrieben ist. Wie zuvor erwähnt wurde, ist die Partikelgrößenverteilung usw. im voraus passend eingestellt, um die vorbestimmte Ventilationsmenge zu erhalten. Das mineralisch isolierte Kabel 2 wird dann mit dem Thermistorelement 1 durch Widerstandsverschweißen oder Laserverschweißen der Elektrodendrähte 1b des gesinterten Thermistorelements 1 mit Kerndrähten 2b verbunden.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch das gesamte mineralisch isolierte Kabel 2 bei 900°C oder höher wärmebehandelt, um einen noch höheren Wert der zuvor genannten Ventilationsmenge in dem mineralisch isolierten Kabel 2 zu erhalten. Die Basis dafür wird anhand eines Beispiels der Untersuchung der Beziehungen zwischen der Ventilationsmenge in dem mineralisch isolierten Kabel 2 und den Widerstandscharakteristika des Thermistorelements beschrieben.

Das mineralisch isolierte Kabel 2 mit dem in dem vorhergehenden Beispiel beschriebenen Aufbau (Außendurchmesser 2,3 mm) wurde wärmebehandelt (oxidationsbehandelt) bei 900°C, während es mit dem Thermistorelement 1 und der Metallkappe 3 versehen ist. Die Ventilationsmenge (ml/sec), wenn Luft (beispielsweise Druckluft) bei einem Druck von 5 Atmosphären von einer Seite zur anderen Seite bei Normaltemperatur (etwa 25°C) fließen konnte, wurde auf die Menge je 1 MPa (ml/(MPa × sec)) umgerechnet.

Fig. 4 zeigt einen Graph der Beziehung zwischen der Oxidationsbehandlungszeit (h) und der Ventilationsmenge (ml/(MPa × sec)). Eine Oxidationsbehandlung wurde für 0, für 40 und für 100 Stunden ausgeführt und zwei Messungen wurden zu jedem Zeitpunkt durchgeführt. Ferner zeigt Fig. 4 zudem ein Vergleichsbeispiel, in welchem die Einlaßluftseite eines mineralisch isolierten Kabels, das bei 900°C für 100 Stunden oxidationsbehandelt wurde, mit einem Dichtelement abgedichtet wurde, um im wesentlichen einen Luftfluß zu verhindern.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, nahm als Ergebnis der Durchführung der Oxidationsbehandlung die zuvor genannte Ventilationsmenge über 5 × 10^-4 ml/MPa × sec bei Normaltemperatur (äquivalent zu dem Wert des unteren Punkts bei 0 Stunden Oxidationsbehandlungszeit in Fig. 4) hinaus zu und die Ventilationsmenge nahm mit Anstieg in der Oxidationsbehandlungszeit zu.

Die Ergebnisse der Untersuchung der Widerstandscharakteristika des Thermistorelements 1 für jeden Temperatursensor 100, in welchem das mineralisch isolierte Kabel für 0, 40 oder 100 Stunden oxidationsbehandelt wurde, wie oben beschrieben ist, sind in Fig. 5 gezeigt. Fig. 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Anzahl von Abkühl- und Aufheizzyklen (horizontale Achse) und der Widerstandsänderungsrate zeigt (vertikale Achse R Änderungsrate, Einheit: Prozent), die die Änderung von dem Ausgangswiderstand des Thermistorelements 1 aufzeigt, während Kühl- und Heizzyklen von 25°C bis 900°C auf jeden Temperatursensor 100 aufgebracht werden.

In Fig. 5 ist der Temperatursensor, der für 0 Stunden oxidationsbehandelt wurde, mit weißen und schwarzen Quadraten wiedergegeben, jener der für 40 Stunden oxidationsbehandelt wurde, mit weißen und schwarzen Dreiecken wiedergegeben und jener der für 100 Stunden oxidationsbehandelt wurde, mit weißen und schwarzen Kreisen wiedergegeben. Ferner ist ein Temperatursensor, der ein mineralisch isoliertes Kabel des zuvor beschriebenen Vergleichsbeispiels verwendet, in welchem kaum Luft durch Abdichten eines Endes des mineralisch isolierten Kabels fließen konnte, durch "x" wiedergegeben.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wurde eine Ventilationsmenge von mindestens 1 × 10^-3 (ml/(MPa × sec)) bei normaler Temperatur für 40 Stunden Oxidationsbehandlung erhalten und eine Ventilationsmenge von mindestens 5 × 10^-3 (ml/(MPa × sec)) wurde bei Normaltemperatur für 100 Stunden Oxidationsbehandlung erhalten.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, waren alle Temperatursensoren des vorliegenden Ausführungsbeispiels praktisch verwendbar (beispielsweise eine Widerstandsänderungsrate von innerhalb 5 Prozent). Die Änderungsrate des Widerstands wurde vorteilhafterweise mit dem Anstieg in der Oxidationsbehandlungszeit gehemmt, nämlich Anstiege der Ventilationsmenge, und es bestand kaum eine Änderung in der Änderungsrate des Widerstands für eine Oxidationsbehandlungszeit von insbesondere 100 Stunden.

Obwohl somit stabile Thermistorelementwiderstandscharakteristika erhalten werden, auch wenn das mineralisch isolierte Kabel 2 nicht oxidationsbehandelt wird, vorausgesetzt die zuvor genannte vorbestimmte Ventilationsmenge ist erreicht, ist es vorzuziehen, eine Ventilationsmenge von 1 × 10^-3 (ml/(MPa × sec)) bei Normaltemperatur zu erzielen, indem eine Oxidationsbehandlung durchgeführt wird, und noch vorteilhafter ist es, eine Ventilationsmenge von 5 × 10^-3 (ml/(MPa × sec)) bei Normaltemperatur zu erzielen.

Ferner ist es, obwohl das mineralisch isolierte Kabel 2 alleine wärmebehandelt werden kann, vorzuziehen, die gesamte Baugruppe, die durch Zusammenfügen des Thermistors 1, der Metallklappe 3 und des mineralisch isolierten Kabels 2 zusammengebaut ist, wärmezubehandeln. Dies dient der Verhinderung der Bildung einer reduzierenden Atmosphäre, die nachteilige Effekte auf die Widerstandscharakteristika des Thermistorelements bei hohen Temperaturen hat, indem ein stabiler Oxidfilm auf der Innenoberfläche der Metallkappe 3 ausgebildet wird.

Auf diese Weise ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Ventilationsaufbau realisiert, der stabile Thermistorelementwiderstandscharakteristika schafft, indem die oben genannte vorbestimmte Ventilationsmenge in dem mineralisch isolierten Kabel 2 mit einem Außendurchmesser von 3 mm oder weniger erreicht wird. Insbesondere wurde in dem Untersuchungsbeispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, der Erhalt stabiler Thermistorelementwiderstandscharakteristika bestätigt, vorausgesetzt die zuvor genannte vorbestimmte Ventilationsmenge wird für ein dünneres mineralisch isoliertes Kabel 2 mit einem Außendurchmesser von 2,3 mm erreicht.

Zudem kann bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, weil die Ventilationsmenge durch Wärmebehandeln des mineralisch isolierten Kabels 2 erhöht wird, die zuvor genannte vorbestimmte Ventilationsmenge auf einem höheren Wert realisiert werden. Ferner kann die Ventilationsmenge innerhalb der Leitungsdrähte 4 ausreichend erreicht werden, indem ein Aufbau verwendet wird, der die zuvor genannten Spalte aufweist.

Jedoch wurden kürzlich, um die Atmosphäre um das Thermistorelement daran zu hindern, eine übermäßig reduzierende Atmosphäre zu werden, Studien im Bereich der Abdichtung der Baugruppenstruktur durchgeführt, indem Thermistorelemente entwickelt wurden, die stabile Charakteristika haben, wenn sie mit einem wärmebeständigen Metallrohr abgedichtet sind, das gegen die Auswirkungen von Umgebungsatmosphäre widerstandsfähig ist, indem eine stabile Oxidbeschichtung auf der Innenoberfläche eines wärmebeständigen Metallrohrs ausgebildet wurde oder indem der Bereich um den Thermistor mit einer Inersubstanz gefüllt wurde, und einige dieser Produkte werden in der Praxis eingesetzt.

Auch wenn das zuvor beschriebene Verfahren verwendet wird, sind, weil abgedichtete Thermistoren lediglich eine im Hinblick auf ihre Charakteristika ausgeglichene Materialzusammensetzung haben, wenn eine Variation in der Zusammensetzung vorliegt, die Charakteristika entsprechend einer Fluktuation unterworfen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein hervorragender Temperatursensor realisiert, der in der Lage ist, die Widerstandscharakteristika des Thermistorelements zu stabilisieren, auch mit einem Aufbau, der dem oben beschriebenen gleicht.

Obwohl ferner das Verdrahtungselement in Form des mineralisch isolierten Kabels 2 einen Aufbau verwendet, in welchem Kerndrähte 2b in dem Außenzylinder 2a isoliert und gehalten sind, indem das Innere des Außenzylinders 2a mit einem isolierenden Pulver 2c zwischen dem Außenzylinder 2a und den Kerndrähten 2b eingefüllt ist, ist das Verdrahtungselement nicht auf eines mit einem solchen Aufbau beschränkt.

Wenn das Verdrahtungselement die beiden Punkte erfüllt, nämlich einen Aufbau hat, in welchem elektrisch leitende Kerndrähte 2b, die mit Elektrodendrähten 1b eines Thermistorelements verbunden sind, in einem metallischen Außenzylinder 2a isoliert und gehalten sind, und der in der Lage ist, die zuvor genannte vorbestimmte Ventilationsmenge zu erreichen, können die anderen Abschnitte auf jede gewünschte Weise aufgebaut sein. Beispielsweise können isolierende Fasern oder ein poröses Element als das Halteelement verwendet werden, das die Kerndrähte isoliert und hält.

Zudem kann, obwohl des Thermistorelement 1 die Form eines sogenannte radialen Thermistors hat, in welchem ein Paar von Elektrodendrähten 1b in der gleichen Richtung von dem Thermistorabschnitt 1b in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt, sich das Paar von Elektrodendrähten in einander gegenüberliegenden Richtungen erstrecken, wobei ein Elektrodendraht mit dem Verdrahtungselement verbunden ist und der andere Elektrodendraht mit der Metallkappe verbunden ist, was zu einem sogenannten axialen Thermistor führt, und die vorliegende Erfindung kann ebenfalls auf diesem sogenannten axialen Thermistor angewandt werden. Mit anderen Worten, die Anzahl von Elektrodendrähten kann jede gewünschte Anzahl sein und die Kerndrähte des Verdrahtungselements stimmen mit der Anzahl der Elektrodendrähte überein.

Ferner kann die vorliegende Erfindung zudem in anderen Anwendungen als Abgastemperatursensor eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem Temperatursensor geeignet, der einen Außendurchmesser des temperaturempfindlichen Abschnitts von 3 mm oder weniger hat und ein schnelles Ansprechverhalten zeigt. Zudem ist sie ebenfalls für die Verwendung in einem Temperatursensor geeignet, der in einem Temperaturbereich von bis zu 1000°C verwendet wird, wobei leicht eine reduzierende Atmosphäre um das Thermistorelement ausgebildet wird.

Weil der wesentliche Bestandteil der vorliegenden Erfindung der Ventilationsaufbau des Verdrahtungselements ist, kann die Auslegung der anderen Abschnitte natürlich bedarfsweise geändert werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht durch oder auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, welche deutlichen Variationen unterworfen sein können ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Temperatursensor mit einem Thermistorelement, das in einer Metallkappe aufgenommen ist, und einem mineralisch isolierten Kabel zur Aufnahme von Signalen von dem Thermistorelement, wobei das mineralisch isolierte Kabel einen Ventilationsaufbau verwendet, der stabile Thermistorelementwiderstandscharakteristika schafft. Das Thermistorelement 1 ist mit einem Thermistorabschnitt 1a, der aus einem Oxidhalbleiter besteht, und Elektrodendrähten 1b ausgerüstet, die sich von dem Thermistorabschnitt 1a zur Abgabe von Thermistorsignalen erstrecken, und es ist an dem Ende des mineralisch isolierten Kabels 2 angeordnet und in der Metallkappe 3 aufgenommen. Das mineralisch isolierte Kabel 2 verwendet einen Aufbau, in welchem elektrisch leitende Kerndrähte 2b, die mit den Elektrodendrähten 1b verbunden sind, in einem metallenen Außenzylinder 2a durch ein isolierendes Pulver 2c isoliert und gehalten sind, das in den Außenzylinder 2a eingefüllt ist. Eine Ventilationsmenge von mindestens 5 × 10^-4 ml/(MPa × sec) ist innerhalb des Außenzylinders 2a bei Normaltemperatur sichergestellt.

Claims (10)

1. Temperatursensor, mit:
einem Thermistorelement (1) mit einem Thermistorabschnitt (1a), der aus einem Thermistormaterial besteht;
einem Verdrahtungselement (2), welches elektrisch leitende Kerndrähte (2b) aufweist, die mit dem Thermistorelement (1) gekoppelt sind, um Thermistorsignale von dem Thermistorelement (1) abzunehmen, und die in einem metallischen Außenzylinder (2a) isoliert und gehalten sind; und
einem zylindrischen Metallgehäuse (3), das das Thermistorelement (1) aufnimmt, eine Öffnung (3a) an einem Ende hat, an dem anderen Ende (3b) verschlossen ist und mit dem Außenzylinder (2a) an der Öffnung (3a) zusammengefügt ist;
wobei das Verdrahtungselement (2) eine Ventilationsmenge in dem Außenzylinder (2a) von mindestens 5 × 10^-4 ml/(MPa × sec) bei Normaltemperatur sicherstellt.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei das Thermistorelement (1) einen Thermistorabschnitt (1a), der aus einem Thermistormaterial besteht, und Elektrodendrähte (1b) aufweist, die sich von dem Thermistorabschnitt (1a) für die Aufnahme von Thermistorsignalen erstrecken, wobei die Elektrodendrähte (1b) mit den Kerndrähten (2b) verbunden sind.

3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Ventilationsmenge von mindestens 1 × 10^-3 ml/(MPa × sec) sichergestellt ist.

4. Temperatursensor nach Anspruch 3, wobei eine Ventilationsmenge von mindestens 5 × 10^-3 ml/(MPa × sec) sichergestellt ist.

5. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Außendurchmesser des Außenzylinders (2a) 3 mm oder weniger beträgt.

6. Temperatursensor nach Anspruch 5, wobei der Außendurchmesser des Außenzylinders (2a) 2,5 mm oder weniger beträgt.

7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kerndrähte (2b) in dem Außenzylinder (2a) isoliert und gehalten sind, indem das Verdrahtungselement (2) mit isolierendem Pulver (2c) zwischen dem Außenzylinder (2a) und den Kerndrähten (2b) in den Außenzylinder (2a) eingefüllt ist, und wobei der Außenzylinder (2a) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der mindestens 3 × 10^-6 (/°C) größer ist, als der des isolierenden Pulvers (2c).

8. Temperatursensor nach Anspruch 7, wobei das isolierende Pulver (2c) im wesentlichen aus Magnesiumoxid besteht.

9. Temperatursensor nach Anspruch 7 oder 8, mit dem Verdrahtungselement (2) eines Temperatursensors, das bei 900°C oder mehr oxidationsbehandelt ist.

10. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Leitungsdrähte (4) zur Verbindung mit äußeren Schaltkreisen mit den Kerndrähte (2b) an einem Ort verbunden sind, der auf einer Seite gegenüber der Seite ist, an der das Thermistorelement (1) mit dem Verdrahtungselement (2) verbunden ist;
wobei die Verbindung zwischen den Leitungsdrähten (4) und den Kerndrähten (2b) gegenüber der Außenseite durch Schutzelemente (6, 7) geschützt ist, die von der Außenseite der Leitungsdrähte (4) zu der Außenseite des Außenzylinders (2a) vorgesehen sind; und
wobei die Leitungsdrähte (4) im wesentlichen aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Drähten (4a) bestehen, die mit flexiblen Abdeckrohren (4b) bedeckt sind.