Domaine technique

L'invention concerne un capteur de température comportant un thermocouple destiné à la mesure de températures pouvant varier entre -40 °C et + 1200 ^, 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.

Pour fabriquer un capteur de température destiné à des applications dans lesquelles la température peut varier entre -40 ^ et +1200^, on procède classiquement suivant les étapes suivantes :

On fabrique d'abord un câble à isolant minéral 14, 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 (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, par exemple par sablage ou grattage, typiquement sur une profondeur comprise entre 2 et 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 cependant difficile à automatiser et implique actuellement des opérations manuelles délicates.

Il 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 :

i) fermeture d'une gaine de protection d'un câble à isolant minéral comportant un thermocouple de manière à encapsuler un point chaud dudit thermocouple, la gaine de protection présentant un diamètre extérieur inférieur à 4 mm ; ii) introduction, dans un tube de renfort, de la partie de la gaine de protection encapsulant ledit point chaud, et fixation dudit tube de renfort sur ladite gaine de protection ;

iii) indépendamment des étapes précédentes, fermeture du tube de renfort de manière à définir une chambre logeant la partie de la gaine de protection encapsulant ledit point chaud.

Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, l'utilisation d'un câble à isolant minéral de petit diamètre et d'un tube de renfort fermé évitent d'avoir à déformer la gaine de protection sur elle-même afin de créer un rétreint, ce qui facilite considérablement l'automatisation du procédé de fabrication, limite la dégradation mécanique du capteur de température, et finalement augmente sa durée de vie.

L'invention propose également un capteur de température à thermocouple comportant

- un câble à isolant minéral comportant une gaine de protection présentant un diamètre extérieur inférieur à 4 mm et encapsulant un point chaud d'un thermocouple, et

- un tube de renfort fermé fixé, de préférence de manière étanche, sur la gaine de protection, et définissant une chambre dans laquelle est logée la partie de la gaine de protection encapsulant ledit point chaud.

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

- le diamètre extérieur de la gaine de protection est de préférence inférieur à 3,5 mm, de préférence inférieur à 3 mm, de préférence inférieur à 2,5 mm, de préférence inférieur à 2 mm, de préférence inférieur à 1 ,5 mm, de préférence inférieur à 1 ,2 mm ;

- de préférence, le diamètre extérieur du tube de renfort fermé est supérieur à 4 mm, de préférence supérieur ou égal à 4,5 mm et/ou inférieur à 7 mm, de préférence inférieur à 6 mm;

- de préférence, la gaine de protection est dépourvue de rétreint, au moins à proximité de ladite chambre ;

- de préférence, le tube de renfort fermé présente un rétreint, dont le diamètre extérieur 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 tube de renfort fermé est fixé, de préférence par soudure, sur la gaine de protection, le tube de renfort fermé est fixé hermétiquement sur la gaine de protection, de préférence par soudure laser ;

le tube de renfort fermé recouvre et, de préférence, est en contact avec plus de 10%, plus de 30%, plus de 60%, plus de 90%, de préférence sensiblement 100% de la surface latérale extérieure de la gaine de protection du câble à isolant minéral ;

le tube de renfort fermé est monobloc ou résulte de l'assemblage de plusieurs parties, en particulier en deux parties ;

le tube de renfort fermé est un tube borgne ou un tube sur lequel un capuchon a été fixé ;

le capteur de température comporte une butée mécanique fixée, de préférence soudée, sur le tube de renfort fermé.

Un procédé selon l'invention est de préférence adapté pour que le capteur de température fabriqué comporte une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles précédentes.

L'invention concerne également l'utilisation d'un capteur de température selon l'invention dans un environnement à une température supérieure à 800°C, à ΘΟΟ'Ό, à Ι ΟΟΟ 'Ό, à 1 100°C et/ou inférieure à -10 ^< €, à -20 ^« C, à -30 ^« C, de préférence variant entre -40 °C et 1200°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 d'une 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 représente un capteur de température 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. Un capteur à thermocouple selon l'invention est fabriqué à partir d'un câble à isolant minéral 14 de petit diamètre. Le câble à isolant minéral comporte par définition une gaine de protection.

La gaine de protection 5 peut être en un matériau conducteur électriquement quelconque, et par exemple en un matériau métallique.

Les fils de thermocouple 10 et 12 peuvent être souples ou rigides. De préférence, ils présentent une section transversale sensiblement circulaire. De préférence, le couple de matériaux des premier et deuxième fils de thermocouple 10 et 12 est de type N ou K, de préférence de type N.

Les parties en saillie 50 et 52 des fils de thermocouple 10 et 12 qui s'étendent éventuellement au-delà de l'extrémité proximale 44 du câble 14 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 en saillie 50 et 52 doivent être isolées électriquement. A leur extrémité proximale, les fils de thermocouple 10 et 12 comportent des moyens de connexion électrique, par exemple des bornes de connexion autorisant leur connexion à l'appareil de mesure 4 et/ou à un câble d'extension 3.

Comme représenté sur la figure 4, la gaine de protection 5 du câble à isolant minéral est protégée par un tube de renfort fermé 20.

De préférence, le tube de renfort fermé est en un matériau céramique, de préférence choisi dans le groupe constitué par la magnésie, le nitrure d'aluminium, le nitrure de bore, le nitrure d'aluminium et leurs mélanges.

Selon un mode de réalisation de l'invention le tube de renfort est formé par un tube extérieur et un capuchon qui l'encapsulent. Le capuchon et le tube extérieure peuvent former une seule pièce ou bien peuvent être solidarisés à posteriori. Le tube d'encapsulation peut être également rempli d'un isolant minéral.

De préférence, le tube de renfort fermé présente un rétreint 56. L'utilisation d'un tube de renfort borgne ou d'un capuchon rapporté facilite avantageusement l'obtention de formes complexes pour le rétreint. En outre, les risques d'endommager les fils de thermocouple sont réduits.

De préférence encore, le rétreint 56 s'étend jusqu'à l'extrémité distale du tube de renfort fermé 20, comme représenté. Avantageusement, un rétreint 56 améliore le temps de réponse du capteur de température.

Pour disposer d'un temps de réponse adapté, le diamètre extérieur 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.

La longueur du rétreint 56 est de préférence supérieure à 5 mm et/ou inférieure à 15 mm.

De préférence encore, le tube de renfort fermé 20 comporte une lumière longitudinale de forme sensiblement complémentaire à la surface latérale extérieure de la gaine de protection 5 du câble à isolant minéral. Le câble à isolant minéral peut ainsi guider le tube de renfort fermé 20 lors de son montage.

De préférence, le tube de renfort fermé est rempli d'un matériau isolant, de préférence de nature minérale, qui peut être identique ou différent de celui contenu dans la gaine de protection du câble à isolant minéral. De préférence, le matériau isolant est en un matériau choisi dans le groupe formé par l'alumine et/ou la magnésie ; Dans un mode de réalisation, le tube de renfort fermé 20 est fixé sur la gaine de protection, de préférence par soudure. De préférence, la distance d minimale entre le point chaud 13 et un point de soudure 54 quelconque du tube de renfort fermé sur la gaine de protection est supérieure à 30 mm. De préférence, le tube de renfort fermé 20 est fixé sur la gaine de protection 5 à l'extrémité proximale de ladite gaine de protection.

Selon l'invention, le tube de renfort fermé définit une chambre 64 autour de l'extrémité distale du câble à isolant minéral. De préférence, cette chambre est étanche au moins dans la partie du capteur de température qui s'étend depuis la butée mécanique 6 jusqu'à l'extrémité distale 62 du capteur de température, de préférence 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, une butée mécanique 6 est fixée, de préférence soudée, sur le tube de renfort fermé. La butée mécanique 6 permet avantageusement une adaptation locale précise du diamètre du capteur de température, et donc une bonne adéquation à l'application visée.

De préférence, la plus grande dimension transversale de la butée mécanique (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à la direction longitudinale correspondant à la longueur du câble à isolant minéral) est supérieure à 8 mm et/ou inférieure à 25 mm.

Selon l'invention, le capteur de température est fabriqué suivant les étapes i) et ii) ci- dessus.

L'étape i) peut en particulier comporter, comme selon la technique antérieure décrite en préambule, les étapes suivantes :

a) fabrication d'un câble à isolant minéral comportant une gaine de protection et deux fils de thermocouple s'étendant sur toute la longueur du câble et noyés dans un isolant minéral, le diamètre extérieur du câble à isolant minéral étant inférieur à 4 mm, de préférence inférieur à 3,5 mm, de préférence inférieur à 3 mm, de préférence inférieur à 2,5 mm, de préférence inférieur à 2 mm, de préférence inférieur à 1 ,5 mm, de préférence inférieur à 1 ,2 mm ;

b) extraction d'isolant minéral d'une des extrémités du câble à isolant minéral sur une profondeur comprise entre 2 et 7 mm de manière à dégager des extrémités des fils de thermocouple ; c) connexion des extrémités des fils de thermocouple ainsi dégagées, de manière à constituer un point chaud de thermocouple ;

d) fermeture de ladite extrémité du câble à isolant minéral au moyen de la gaine de protection, de manière à protéger le thermocouple, par exemple par soudure électrique.

A l'étape a), on prépare un câble à isolant minéral ou un tronçon de câble à isolant minéral.

A l'étape b), on peut extraire de l'isolant minéral d'une des extrémités du câble à isolant minéral, comme selon la technique antérieure, de préférence sur une profondeur comprise entre 2 et 7 mm, de manière à dégager des extrémités distales des fils de thermocouple.

A l'étape c), comme représenté sur la figure 4, les extrémités distales 40 et 42 des fils de thermocouple 10 et 12 sont 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 d), le point chaud 13 est ensuite encapsulé par déformation de la gaine de protection, puis soudure, comme selon la technique antérieure illustrée par les flèches de la figure 3c. De préférence cependant aucun rétreint n'est ménagé à proximité du point chaud.

Avant sa fermeture, le tube de renfort est de préférence partiellement rempli d'un matériau isolant, de préférence sous forme de poudre, identique ou différent de l'isolant minéral du câble à isolant minéral, de préférence en un matériau choisi parmi l'alumine et/ou la magnésie, de manière qu'après montage, la partie distale du câble à isolant minéral dans laquelle sont logées les extrémités des fils de thermocouple soit isolée de l'extérieur par ledit matériau isolant.

A l'étape ii), l'extrémité distale du thermocouple est introduite dans un tube de renfort 20 comportant, de préférence constitué d'Inconel®, ou un 31 OS, au un autre acier inoxydable selon les contraintes d'application choisi.

De préférence, à la fin de l'étape ii), l'extrémité distale du thermocouple est disposée à proximité de l'extrémité distale du tube de renfort, comme représenté sur la figure 4.

A l'étape iii), l'extrémité distale du tube de renfort est obturée de manière étanche, ou « fermée » de manière à définir la chambre 64. Cette fermeture peut notamment résulter d'un ajout de matière, par exemple par soudure, déformation ou fixation d'un capuchon. De préférence, avant fermeture du tube de protection, la chambre 64 est partiellement remplie d'un matériau isolant, identique ou différent de l'isolant minéral du câble à isolant minéral, de préférence en poudre. La poudre de matériau isolant peut être en particulier une poudre d'alumine ou une poudre de magnésie.

L'étape iii) est indépendante des autres étapes. Elle peut en particulier être effectuée avant ou après l'étape ii). De préférence, elle est réalisée avant l'étape ii).

Quel que soit le moment auquel l'étape iii) est réalisée, le tube de renfort 20 est fixé sur la surface latérale extérieure 22 de la gaine de protection. Le tube de renfort fermé 20 peut être fixé rigidement par tout moyen, par exemple au moyen d'une colle appropriée, de préférence soudé.

Dans un mode de réalisation, l'extrémité fermée du tube de renfort comporte un rétreint. La fermeture au moyen d'un capuchon comportant un rétreint facilite encore la fabrication du capteur de température.

L'utilisation d'un câble à isolant minéral de petit diamètre permet cependant de limiter, voire de supprimer le rétreint du tube de renfort.

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.

L'invention permet également l'obtention de formes complexes pour le rétreint. Enfin, elle conduit à une réduction très sensible des risques d'endommager les fils de thermocouple.

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