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Patent Searching and Data


Title:
TEMPERATURE SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/083719
Kind Code:
A1
Abstract:
Method of manufacturing a thermocouple-type temperature sensor comprising the following successive steps: a) introducing two thermocouple wires into a support tube made of a ceramic material until these wires protrude beyond said support tube; b) welding together the ends of said thermocouple wires that protrude beyond said support tube so as to form a thermocouple hot junction; c) at least partially introducing the support tube into a stainless steel reinforcing tube; d) attaching a cap over said reinforcing tube so as to protect said hot junction.

Inventors:
GELEZ, Nicolas (16 B Avenue Charles de GAULLE, Le Pecq, 78230, FR)
ZAKRZEWSKI, Piotr (40 rue de Saint Germain, Acheres, 78260, FR)
CASTRO, Pascal (Valeo Systeme De Controal Emoteur, 14 Avenue des Beguines, Cergy Saint Christophe, 95800, FR)
Application Number:
FR2015/053179
Publication Date:
June 02, 2016
Filing Date:
November 24, 2015
Export Citation:
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Assignee:
VALEO SYSTEMES DE CONTROLE MOTEUR (14 avenue des Béguines, Cergy Saint Christophe, 95800, FR)
International Classes:
G01K1/08; G01K7/02
Domestic Patent References:
WO2010047265A12010-04-29
Foreign References:
US4018624A1977-04-19
US4538927A1985-09-03
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
GARCIA, Christine (14 avenue des Béguines, Cergy Saint Christophe, 95800, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

Procédé de fabrication d'un capteur de température à thermocouple comportant les étapes successives suivantes :

a) introduction, dans un tube de support (30) en un matériau céramique, de deux fils de thermocouple (10 ;12) jusqu'à ce qu'ils dépassent hors dudit tube de support ;

b) soudure des extrémités desdits fils de thermocouple dépassant hors dudit tube de support de manière à former un point chaud de thermocouple (13) ;

c) indépendamment des étapes précédentes, mais avant l'étape d), introduction, au moins partielle, du tube de support dans un tube de renfort en un acier inoxydable ;

d) fixation d'un capuchon sur ledit tube de renfort de manière à protéger ledit point chaud. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le tube de support est cloisonné. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capuchon présente un rétreint avant d'être fixé sur le tube de support. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capuchon est conformé pour recouvrir plus de 90% de la surface latérale extérieure du tube de support. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, avant assemblage du capuchon, le capuchon est rempli d'un matériau isolant en un matériau choisi parmi l'alumine et/ou la magnésie. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capuchon est en inconel. Capteur de température fabriqué suivant un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. Utilisation d'un capteur de température selon la revendication précédente dans un environnement à une température supérieure à 1000°C et/ou dans lequel la température peut varier de -40 °C à 1200 °C.

Groupe moteur thermique d'un véhicule automobile comportant un capteur de température selon la revendication 7.

Description:
Capteur de température

Domaine technique

L'invention concerne un capteur de température comportant un thermocouple destiné à la mesure de températures pouvant varier de -40 ^ à 1200°C, notamment dans un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile.

Art antérieur

Comme représenté sur la figure 1 , un dispositif de mesure de la température comporte classiquement un capteur de température 2 prolongé par un câble d'extension 3 permettant de connecter le capteur de température à un appareil de mesure 4. Le capteur de température 2 comporte classiquement une gaine de protection 5 métallique et une butée 6, montée sur la gaine de protection 5 et adaptée en fonction de l'application visée.

L'appareil de mesure 4 est destiné à interpréter le signal électrique fourni par le capteur de température 2 et transmis par l'intermédiaire du câble d'extension 3. Cette interprétation permet une évaluation de la température à laquelle l'extrémité du capteur de température est soumise.

A l'intérieur de la gaine de protection 5, le capteur de température 2 comporte classiquement un thermocouple 7 et un isolant minéral 8, classiquement en alumine ou en magnésie, ce qui permet au thermocouple de résister aux contraintes environnementales, et notamment à des températures élevées.

Comme illustré sur la figure 2, le thermocouple 7 est un assemblage de premier et deuxième fils conducteurs, 10 et 12, respectivement, connectés l'un à l'autre et bout-à- bout en un point chaud 13. La différence de potentiel AU aux bornes des premier et deuxième fils conducteurs dépend de la différence entre la température au point chaud ΤΊ et la température T 0 auxdites bornes, suivant l'effet Seebeck, bien connu.

Un capteur de température à thermocouple est notamment utilisé dans un groupe moteur thermique, dans lequel il est soumis à des températures pouvant varier de -40 °C à 1200 °C.

Pour fabriquer un capteur de température destiné à de telles applications, on procède classiquement suivant les étapes suivantes :

On fabrique d'abord un câble à isolant minéral, ou câble MIC (« minerai insulated cable », en anglais). Un câble à isolant minéral comporte une gaine de protection 5 métallique, et, à l'intérieur de la gaine de protection 5, deux fils de thermocouple 10 et 12 en des matériaux adaptés pour former un thermocouple, les deux fils de thermocouple étant isolés l'un de l'autre et de la gaine de protection 5 au moyen de l'isolant minéral 8.

Le câble à isolant minéral est généralement livré sous forme d'un rouleau. Il est alors redressé, puis coupé en tronçons (fig.3a).

Pour constituer la jonction entre les deux fils de thermocouple, ou « point chaud » 13, un peu d'isolant minéral est extrait d'une des extrémités du câble à isolant minéral, par exemple par sablage ou grattage, typiquement sur une profondeur d'environ 2 à 10 mm. A cette extrémité dite « distale », les deux fils de thermocouple émergent ainsi de l'isolant, tout en étant ceinturés par la gaine de protection 5 (fig. 3b).

Les deux extrémités des fils de thermocouple ainsi dégagées sont rapprochées mécaniquement jusqu'à être mises en contact l'une avec l'autre, puis connectées, par exemple par soudure électrique (fig. 3c).

L'extrémité évidée de la gaine de protection peut être ensuite, optionnellement, remplie de matériau isolant, identique ou différent de l'isolant minéral du câble à isolant minéral, puis refermée de manière à protéger le thermocouple, par exemple par soudure électrique (fig. 3d).

Par ailleurs, après fermeture de la gaine de protection 5 ou avant la découpe du câble à isolant minéral, on réalise classiquement un rétreint 15 à l'extrémité distale de la gaine de protection 5, classiquement par tréfilage ou martelage. Le rétreint permet classiquement d'améliorer le temps de réponse du capteur de température.

Un tel procédé de fabrication est difficile à automatiser et implique actuellement des opérations manuelles délicates.

II existe donc un besoin pour une solution permettant de faciliter l'automatisation de la fabrication d'un capteur de température à thermocouple.

Un but de l'invention est de répondre à ce besoin. Résumé de l'invention

L'invention propose un procédé de fabrication d'un capteur de température à thermocouple comportant les étapes successives suivantes :

a) introduction, dans un tube de support en un matériau céramique, typiquement à la base d'alumine (AI203) ou de magnésie (MgO) mais également d'autres matériaux de la famille céramique ou leurs mélanges AIN, BN, Si02, ou autres, ,de deux fils de thermocouple, jusqu'à ce qu'ils dépassent hors dudit tube de support (du côté du tube de support opposé au côté par lequel ils ont été introduits dans le tube de support) ;

b) soudure des extrémités desdits fils de thermocouple dépassant hors dudit tube de support de manière à former un point chaud de thermocouple ;

c) indépendamment des étapes précédentes, mais avant l'étape d), introduction, au moins partielle, du tube de support dans un tube de renfort en un acier inoxydable ;typiquement de la famille d'Inconel, ou un 310 S, au autre acier inoxydable selon les contraintes d'application choisi.

d) fixation d'un capuchon sur ledit tube de renfort de manière à protéger ledit point chaud.

Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, un tel procédé peut être automatisé.

Un procédé selon l'invention peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles préférées suivantes :

- le tube de support est cloisonné ;

- le capuchon présente un rétreint avant d'être fixé sur le tube de support ;

- le capuchon est conformé pour recouvrir plus de 90% de la surface latérale extérieure du tube de support ;

- le capuchon est en inconel, ce qui confère une grande stabilité de la mesure dans le temps ;

- avant assemblage du capuchon, le capuchon est rempli d'un matériau isolant, de préférence en poudre, en un matériau choisi parmi l'alumine, la magnésie, la nitrure de aluminium et/ou la nitrure de bore.

L'invention concerne aussi un capteur de température comportant un tube de support en un matériau céramique, de préférence cloisonné, , traversé longitudinalement par deux fils de thermocouple, les deux fils de thermocouple faisant saillie aux extrémités proximale et distale du tube de support, en se rejoignant à l'extérieur du tube de support, au-delà de l'extrémité distale dudit tube de support,

les parties des fils de thermocouple faisant saillie au-delà de l'extrémité distale du tube de support étant de préférence protégées par un capuchon, de préférence rempli d'un matériau isolant, fixé à un tube de renfort dans lequel est logé le tube de support. Un capteur de température selon l'invention peut être en particulier fabriqué suivant un procédé selon l'invention, éventuellement adapté pour que le capteur de température présente une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles décrites ci-après.

Un capteur de température selon l'invention peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles et préférées suivantes :

- le couple de matériaux des premier et deuxième fils de thermocouple est de type N ou K, de préférence de type N ;

- dans un mode de réalisation préféré, aucun des fils du thermocouple, n'est recouvert d'une gaine électriquement isolante dans le tube de support ;

- à leur extrémité proximale, les fils de thermocouple comportent des moyens de connexion électrique, par exemple des bornes de connexion autorisant leur connexion à un appareil de mesure et/ou à un câble d'extension ;

- un fil de thermocouple n'est pas fixé dans la lumière longitudinale du tube de support qu'il traverse, plus précisément il est inséré dans la lumière du tube ; - le tube de support comporte deux lumières longitudinales séparées par une cloison ;

- le tube de support est un tube extrudé ;

- le tube de support est en un matériau céramique, typiquement à la base d'alumine (AI203) ou de magnésie (MgO) mais également d'autres matériaux de la famille céramique ou leurs mélanges AIN, BN, Si02, ou autres

- le tube de support est en un matériau isolant électriquement ;

- le capuchon présente un rétreint avant d'être fixé sur le tube de support, pour disposer d'un temps de réponse court, le diamètre du rétreint au niveau du point chaud est de préférence inférieur à 3,5 mm, voire inférieur à 3 mm, voire inférieur à 2 mm, voire inférieur à 1 ,5 mm ;

- le capuchon est fixé hermétiquement sur le tube de renfort ;

- le capuchon est fixé à une extrémité distale du tube de renfort et/ou sur la surface latérale extérieure et/ou la surface latérale intérieure du tube de renfort ;

- le capuchon est fixé par soudure laser sur le tube de renfort ;

- le capuchon recouvre plus de 10%, plus de 30%, plus de 60%, plus de 90%, de préférence sensiblement 100% de la surface latérale extérieure du tube de support ;

- le capuchon est conformé pour entrer en butée avec le tube de support et/ou le tube de renfort, et/ou il comporte des moyens de guidage du capuchon sur le tube de support et/ou le tube de renfort ; - le capuchon est rempli d'un matériau isolant, de préférence sous forme de poudre, de préférence en un matériau choisi parmi l'alumine et/ou la magnésie et/ou le nitrure de bore et/ou le nitrure d'aluminium, de manière que le thermocouple soit isolé de l'extérieur par ledit matériau isolant ;

- tube de renfort est de préférence en un acier inoxydable ; typiquement de la famille d'Inconel, ou un 310 S, au autre acier inoxydable selon les contraintes d'application choisi.

- de préférence, le diamètre extérieur du tube de renfort est supérieur à 4 mm, de préférence supérieur ou égal à 4,5 mm ;

- la paroi du tube de renfort présente une épaisseur supérieure à 0,2 mm et/ou inférieure à 1 ,3 mm ;

- une butée mécanique est fixée, de préférence soudée, sur le tube de renfort.

L'invention concerne également l'utilisation d'un capteur de température selon l'invention dans un environnement dont la température peut varier de -40°C à 1200 °C, et en particulier peut être supérieure à 800 'Ό, supérieure à 900 °C, supérieure à 1000°C, ou supérieure à 1 100 ^C, et en particulier dans un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile.

L'invention concerne enfin un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile comportant un capteur de température selon l'invention, et un véhicule automobile comportant un groupe moteur thermique selon l'invention. Le capteur de température peut être en particulier disposé dans le collecteur d'échappement en amont de la turbine d'un turbocompresseur ou dans une tubulure d'admission de carburant ou de comburant ou dans une tubulure d'échappement.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et à l'examen du dessin annexé dans lequel ;

- la figure 1 représente, schématiquement, un capteur de température connecté à un appareil de mesure ;

- la figure 2 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un thermocouple ; - la figure 3 (fig. 3a à 3d) illustre le procédé de fabrication d'un capteur de température selon la technique antérieure ;

- la figure 4 (fig. 4a à 4d) illustre les différentes étapes d'un procédé de fabrication selon l'invention. Définitions

- Par « proximal » et « distal », on distingue les deux côtés d'un capteur de température selon l'invention. Le côté « distal » est celui du point chaud.

- Par « point chaud », on désigne classiquement la jonction entre les deux fils de thermocouple, indépendamment de sa température.

- Par « comportant un », « présentant un » ou « comprenant un », on entend « comportant au moins un », sauf indication contraire.

- Des références identiques sont utilisées pour désigner des organes analogues dans les différentes figures. Description détaillée

Les figures 1 à 3 ayant été décrites en préambule, on se reporte à présent à la figure 4.

L'étape a) consiste à faire passer les deux fils de thermocouple 10 et 12, destinés à la constitution d'un thermocouple, à travers une ou plusieurs lumières longitudinale(s) 28 d'un tube de support 30 en un matériau céramique (fig. 4a).

Le tube de support 30 est conformé pour guider les fils de thermocouple lors de leur introduction.

De préférence, le tube de support 30 est un profilé, de préférence conformé de manière que la ou les lumières 28 présentent une section transversale sensiblement identique à celle des fils de thermocouple qu'elles sont destinées à recevoir.

Le tube de support 30 peut être en particulier fabriqué par extrusion.

De préférence, le tube de support est cloisonné. Le cloisonnement du tube de support 30 permet avantageusement d'éliminer tout risque de contact électrique entre les parties des fils du thermocouple introduites dans ledit tube de support, même lorsqu'elles ne sont pas isolées au moyen d'une gaine électriquement isolante.

Dans une variante non représentée, le tube de support 30 comporte une unique lumière et les fils de thermocouple sont gainés au moyen d'une gaine électriquement isolante, évitant ainsi tout contact électrique entre les fils de thermocouple à l'intérieur du tube de support 30.

Les fils de thermocouple peuvent être souples ou rigides. De préférence, ils présentent une section transversale sensiblement circulaire.

Les fils de thermocouple sont poussés jusqu'à dépasser de l'extrémité distale 32 du tube de support 30. Les parties en saillie 40 et 42 des fils de thermocouple sont entièrement ou partiellement dénudées, de manière à autoriser, lors de l'étape b), une mise en contact des deux fils de thermocouple.

Les parties en saillie 50 et 22 des fils de thermocouple 10 et 12 qui s'étendent hors du tube de support 30 au-delà de l'extrémité proximale 44 peuvent présenter une longueur supérieure à 5 cm, supérieure à 10 cm, supérieure à 20 cm, supérieure à 50 cm. Avantageusement, ces fils peuvent ainsi servir de câble d'extension 3, pour connecter électriquement le capteur de température 2 de l'appareil de mesure 4. Bien entendu, si les fils de thermocouple sont utilisés comme câble d'extension, leurs parties proximales en saillie 50 et 52 doivent être isolées électriquement. A leur extrémité proximale, les fils de thermocouple 10 et 12 comportent de préférence des moyens de connexion électrique, par exemple des bornes de connexion autorisant leur connexion à l'appareil de mesure 4.

A l'étape b), comme représenté sur la figure 4b, les extrémités distales 40 et 42 des fils de thermocouple 10 et 12 sont ensuite connectées l'une à l'autre, c'est-à-dire mises en contact physique et électrique, de manière définitive, de manière à former un point chaud 13. La connexion est de préférence réalisée par soudure à chaud.

A l'étape c), le tube de support est introduit dans un tube de renfort 60 en acier inoxydable. L'étape c) peut être antérieure à l'étape b), voire antérieure à l'étape a).

A l'étape d), comme représenté sur la figure 4c, le thermocouple résultant de la connexion des deux fils de thermocouple est protégé au moyen d'un capuchon 20, de préférence en inconel.

Le capuchon 20 peut être fixé rigidement au tube de renfort par tout moyen, par exemple au moyen d'une colle appropriée, de manière à définir une chambre hermétique 54 logeant les parties distales en saillie 40 et 42 des fils de thermocouple. De préférence, la chambre 54 est remplie d'un matériau isolant, de préférence en poudre, disposé dans le capuchon avant sa fixation sur le tube de renfort. La poudre de matériau isolant peut être en particulier une poudre d'alumine ou une poudre de magnésie.

De préférence encore, le capuchon 20 présente un rétreint 56 s'étendant de préférence jusqu'à l'extrémité distale 32 du tube de support 30, comme représenté. Avantageusement, un rétreint 56 améliore le temps de réponse du capteur.

Avantageusement, la réalisation du rétreint au moyen d'un capuchon améliore également la résistance mécanique, et notamment la résistance aux vibrations, par rapport à la technique antérieure. Le rétreint 56 peut également servir de butée mécanique facilitant l'assemblage du capuchon 20 sur le tube de support 30. De préférence encore, le capuchon 20 comporte, dans le prolongement du rétreint 56, une partie élargie 58 de forme sensiblement complémentaire au tube de support 30, de sorte que le tube de support 30 puisse guider le capuchon 20 lors de son montage.

De préférence, le tube de renfort 60 vient prolonger le capuchon 20 afin de couvrir avec lui au moins une partie, de préférence toute la surface latérale extérieure de la gaine de protection. De préférence, le capuchon et le tube de renfort définissent ensemble une enceinte autour du tube de support. De préférence cette enceinte est étanche au moins dans la partie du capteur de température qui s'étend depuis l'extrémité proximale du câble à isolant minéral jusqu'à l'extrémité distale 62 du capteur de température.

De préférence encore, la lumière du tube de renfort 60 est de forme sensiblement complémentaire à la surface latérale extérieure du tube de support 30.

Dans un mode de réalisation, le capuchon 20 est fixé sur le chant 24 de l'extrémité distale du tube de renfort 60, comme représenté sur la figure 4c. Dans un mode de réalisation, le capuchon 20 et le tube de renfort 60 forment un ensemble monolithique, c'est-à-dire que le tube de renfort 60 est venu de matière avec le capuchon 20.

Comme cela apparaît clairement à présent, les étapes d'un procédé de fabrication selon l'invention sont simples et peuvent être automatisées. Il en résulte une réduction importante du coût de fabrication.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, fourni à des fins illustratives seulement.