JP2017538928A - 温度センサ - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
[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。
「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。
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
Applications Claiming Priority (3)
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