JP2019132725A - 温度センサ及び温度測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を備え、
前記外管内に配置された一対の前記熱電対素線の表面には、一対の前記熱電対素線の表面における金属材料が酸化したことによる不動態膜(22)が形成されている、温度センサ(1)にある。
前記温度センサは、
互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線(2)と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を有し、
前記外管内に配置された一対の前記熱電対素線の表面には、一対の前記熱電対素線の表面における金属材料が酸化したことによる不動態膜(22)が形成されており、
前記制御ユニットは、一対の前記熱電対素線に生じる起電力の変化に基づいて、前記温度センサの出力温度を算出し、かつ、前記不動態膜の形成に伴う、前記出力温度に生じる誤差を補正するよう構成されている、温度測定装置にある。
<実施形態>
本形態の温度センサ1は、図1及び図2に示すように、一対の熱電対素線2、測温接点3、外管4、先端カバー42、絶縁材5及びガラス封止材6を備える。一対の熱電対素線2のそれぞれは、互いに異なる金属材料から構成されている。測温接点3は、一対の熱電対素線2の先端同士が接合されたものである。外管4は、金属材料から構成されており、測温接点3を先端部401に装着された先端カバー42内に収容するとともに、一対の熱電対素線2を基端部402から突出させている。先端カバー42は、外管4の先端外周部に装着されており、外管4の先端側X1を閉塞している。
(温度センサ1)
図2に示すように、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15に配置され、排気管15内を流れる、測定環境下の測定対象ガスGとしての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、制御装置(電子制御ユニット)8によって内燃機関の燃焼制御を行う際に利用される。また、排ガスの温度は、例えば、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。また、温度センサ1は、例えば、排気管内の排ガスを吸気管へ再循環させる排気再循環経路の吸気管に配置することもできる。
外管4は、シース管又は金属シースとも呼ばれ、ステンレス(SUS、NCA)、Ni基耐熱合金(NCF)等の金属材料によって構成されている。図12に示すように、外管4は、円筒形状を有するシースピン12の外管を利用したものである。外管4の先端部401は、金属材料によって閉塞されている。本形態の外管4の先端部401は、図1に示すように、円筒部41の先端部401の外周に装着された先端カバー42によって閉塞されている。外管4の先端部401は、図5に示すように、円筒部41の先端部401から連続して設けられた蓋部42Aによって閉塞されていてもよい。蓋部42Aは、外管4の円筒部41の先端に溶接された金属片によって構成することができる。
一対の測温接点3は、いわゆるゼーベック効果を生じさせるために、互いに異なる金属材料によって構成されている。本形態の一対の熱電対素線2は、Nタイプの熱電対(シース熱電対11)を構成するものである。この構成により、温度センサ1による測温範囲を高くすることが容易である。本形態の温度センサ1は、1000℃以上の高温の測定対象ガスGの温度を測定可能である。熱電対素線2の+脚は、Ni(ニッケル)、Cr(クロム)、Si(シリコン)を主成分とする合金であるナイクロシルからなる。熱電対素線2の−脚は、Ni(ニッケル)、Si(シリコン)を主成分とする合金であるナイシルからなる。
図2に示すように、測温接点3は、熱接点とも呼ばれ、一対の熱電対素線2の+脚を構成する金属材料と、−脚を構成する金属材料とが融合して玉状に形成されたものである。測温接点3及び測温接点3の周辺に位置する先端カバー42等によって、温度センサ1の測温先端部10が形成される。温度センサ1の一対の熱電対素線2が端子金具75、リード線76等を介して制御ユニット8内のアンプに接続されることにより、温度を測定するための回路が形成される。一対の熱電対素線2における、測温接点3とは反対側に位置する基準接点は、制御ユニット8内に形成されている。測温接点3と基準接点との温度差が、一対の熱電対素線2に起電力を生じさせる。
図1に示すように、絶縁材5は、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)等の金属酸化物の粉末によって構成されている。外管4の内周と一対の熱電対素線2の外周との隙間には、絶縁材5の粉末が充填されている。絶縁材5の粉末同士の間には、空隙が形成されている。絶縁材5の粉末は、シースピン12の直径を小さくする成形が行われる際に圧縮されている。そして、絶縁材5の粉末によって、一対の熱電対素線2が外管4内に保持されている。
ガラス封止材6は、Bi(ビスマス)を含有するBi系ガラス、又はPb(鉛)を含有するPb系ガラスによって構成されている。Bi系ガラスは、Bi2O3(酸化ビスマス)を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、B2O3、SrO、ZnO、BaO等がある。Pb系ガラスは、PbO(酸化鉛)を主成分とし、他の酸化物等を含有するものである。他の酸化物には、B2O3、SrO、ZnO、SiO2等がある。
制御ユニット8は、温度センサ1による温度の測定を行うためのアンプと、一対の熱電対素線2による起電力から温度センサ1の出力温度を算出するコンピュータとを有する。以下の出力温度及び補正後出力温度はコンピュータ内において算出される。一対の熱電対素線2に生じる起電力の変化は、制御ユニット8において出力温度の変化に変換される。制御ユニット8においては、起電力と出力温度との関係が、関係マップとして構築されている。そして、制御ユニット8においては、起電力の大きさに応じて、温度センサ1によって測定した測定対象ガスGの温度が、出力温度として出力される。
次に、本形態の温度センサ1の主要部としてのシース熱電対11を製造する方法について、図11のフローチャートを参照して説明する。
まず、外管4内に一対の熱電対素線2が絶縁材5によって保持されたシースピン12を準備する(図11のステップS1)。図12に示すように、シースピン12においては、一対の熱電対素線2が先端側X1及び基端側X2の両端から突出している。
シースピン12は、内部に一対の熱電対素線2及び絶縁材5が配置された外管4の縮径加工を段階的に行って形成される。この縮径加工は、一対の熱電対素線2の表面が酸化することを防ぐために、酸素をほとんど含まない還元雰囲気において行われている。そのため、一般的な温度センサ1のシース熱電対11における一対の熱電対素線2の表面には、不動態膜22が形成されていない。
また、熱電対11は、次のようにシースピン12を用いずに製造することもできる。まず、図17に示すように、外管4の内周に一対の熱電対素線2を挿通する。このとき、一対の熱電対素線2を空気が存在する雰囲気下において500〜800℃に適宜時間加熱し、一対の熱電対素線2の表面に不動態膜22を形成する。次いで、図18に示すように、外管4の基端部402内にタブレット60を用いてガラス封止材6を充填する。次いで、図19に示すように、ガラス封止材6が下側に位置するように外管4の向きを変え、外管4内のガラス封止材6の上方に、絶縁材5を充填する。次いで、図20に示すように、一対の熱電対素線2の先端部201同士を融合させて、測温接点3を形成する。その後は、外管4の先端部401に先端カバー42を装着して、熱電対11を製造することができる。
本形態の温度センサ1は、一対の熱電対素線2の表面に意図的に不動態膜22を形成することにより、温度センサ1の使用時に、一対の熱電対素線2の表面に不動態膜22が形成されにくくしたものである。具体的には、温度センサ1の製造時において、一対の熱電対素線2の表面における金属材料を意図的に酸化させ、一対の熱電対素線2の表面に不動態膜22を形成する。そして、温度センサ1が製造された状態においては、不動態膜22が形成された一対の熱電対素線2が外管4内に収容され、外管4内の一対の熱電対素線2が外管4の外部と遮断される。
本例においては、実施形態に示した温度センサ1のシース熱電対11の例を示し、このシース熱電対11における一対の熱電対素線2に形成された不動態膜22の厚みを確認した。
本例の一対の熱電対素線2は、Nタイプのシース熱電対11によって構成されている。本例の外管4は、内径:φ2.3mm、厚み:0.3mm、材質:NCF601(スーパーステンレス)によって構成されている。本例の絶縁材5は、MgOの粉末によって構成されている。本例のガラス封止材6は、外径:φ1.5mm、長さ:1.5mm、気孔率:2.5体積%、材質:Pb系ガラス(PbOの含有比率:70質量%)によって構成されている。
100 温度測定装置
2 熱電対素線
22 不動態膜
3 測温接点
4 外管
5 絶縁材
6 ガラス封止材
8 制御ユニット
Claims (5)
- 互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線(2)と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を備え、
前記外管内に配置された一対の前記熱電対素線の表面には、一対の前記熱電対素線の表面における金属材料が酸化したことによる不動態膜(22)が形成されている、温度センサ(1)。 - 前記不動態膜の厚みは、0.3〜10μmの範囲内にある、請求項1に記載の温度センサ。
- 一対の前記熱電対素線は、Nタイプの熱電対を構成するものであり、
一対の前記熱電対素線のうちの+脚の熱電対素線は、Ni、Cr及びSiを含有するものであり、
一対の前記熱電対素線のうちの−脚の熱電対素線は、Ni及びSiを含有するものであり、
前記+脚の熱電対素線の表面に形成された不動態膜は、Cr酸化物又はNi酸化物を最も多く含有し、
前記−脚の熱電対素線の表面に形成された不動態膜は、Ni酸化物を最も多く含有する、請求項1又は2に記載の温度センサ。 - 前記不動態膜は、前記ガラス封止材によって前記外管内が封止される前に一対の前記熱電対素線の表面が酸化して形成されたものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の温度センサ。
- 温度センサ(1)と、前記温度センサに電気的に接続され、前記温度センサによる温度の測定に用いられる制御ユニット(8)とを備える温度測定装置(100)において、
前記温度センサは、
互いに異なる金属材料から構成された一対の熱電対素線(2)と、
一対の前記熱電対素線の先端同士が合わさった測温接点(3)と、
金属材料から構成され、前記測温接点を先端部(401)内又は前記先端部に装着された先端カバー(42)内に収容するとともに、一対の前記熱電対素線を基端部(402)から突出させる外管(4)と、
絶縁材料から構成され、前記外管内に配置されるとともに、一対の前記熱電対素線と前記外管とを絶縁して、一対の前記熱電対素線を前記外管に固定する絶縁材(5)と、
ガラス材料から構成され、前記外管の前記基端部内及び前記外管の前記基端部に装着されたホルダ(43)内の少なくとも一方に充填されるとともに、前記外管内を封止するガラス封止材(6)と、を有し、
前記外管内に配置された一対の前記熱電対素線の表面には、一対の前記熱電対素線の表面における金属材料が酸化したことによる不動態膜(22)が形成されており、
前記制御ユニットは、一対の前記熱電対素線に生じる起電力の変化に基づいて、前記温度センサの出力温度を算出し、かつ、前記不動態膜の形成に伴う、前記出力温度に生じる誤差を補正するよう構成されている、温度測定装置。
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