Brevet FR3045820A1 — publié le 20170623

THERMOCOUPLE AVEC TUBE DE RENFORT La présente invention concerne un capteur de température, notamment pour mesurer des températures élevées, par exemple supérieures à 900°C, voire à 1000°C, et son procédé de fabrication. L'invention s'applique en particulier aux capteurs de température adaptés pour mesurer la température des gaz échappement de véhicules automobiles. Ces capteurs peuvent comprendre un thermocouple pour mesurer les hautes 10 températures. Les thermocouples fournissent une précision de mesure relativement élevée. C'est pourquoi ils sont utilisés dans ce domaine ayant des exigences élevées en termes de contrôle d'émissions de polluants. Le principe de mesure des thermocouples est basé sur l'effet Seebeck qui se 15 traduit par une différence de potentiel entre deux fils de métaux différents lorsqu'ils sont soumis à une différence de température. Les deux fils de métaux sont soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude (ou point chaud) destinée à mesurer la température T1 du milieu à mesurer, comme par exemple la température des gaz d'échappement 20 d'un système d'échappement. Les deux fils métalliques du thermocouple comportent également chacun une deuxième extrémité reliée chacune à un voltmètre par une soudure communément appelée soudure froide (ou point froid) qui est à une température de référence TO. Le signal de tension mesuré par le voltmètre aux deuxièmes extrémités des 25 fils métalliques est transmis vers l'extérieur à un circuit électrique / électronique d'exploitation d'un signal de mesure via des fils électriques. La variation de tension entre les deux fils métalliques du thermocouple est proportionnelle à la variation de température entre la soudure chaude qui est à la température T1 et les deuxièmes extrémités des fils métalliques qui sont à une 30 température de référence TO. En connaissant la température de référence TO du point froid et la tension entre les deuxièmes extrémités des fils métalliques, il est possible de déduire la température T1 du point chaud. La première extrémité des deux fils métalliques du thermocouple est logée 35 dans une extrémité fermée d'une gaine isolante. La gaine isolante comprend un coeur minéral entouré par une enveloppe métallique. La gaine isolante entoure les fils métalliques. Le capteur de température comprend un tube de renfort entourant la gaine isolante. Le tube de renfort se prolonge le long de la gaine isolante depuis une partie 40 d'extrémité avant située à proximité de l'extrémité fermée de la gaine isolante jusqu'à une partie d'extrémité arrière. La fixation entre la gaine isolante minérale et le tube de renfort peut avoir un impact majeur sur la robustesse du capteur de température. Cette liaison est souvent 3045820 2 réalisée par une soudure ou un brasage. Plus précisément, c'est la partie d'extrémité avant du tube de renfort qui est soudée à la gaine isolante. 5 L'extrémité fermée de la gaine isolante est immergée dans le système d'échappement et subit des sollicitations mécaniques et thermiques très fortes. L'accélération lors des vibrations peut atteindre 400 m/s2 et la température peut atteindre 1200 °C. Le gradient thermique peut être de l'ordre de 1500 °C/s. Ces contraintes mécaniques et thermiques sont susceptibles de fragiliser la soudure et d'entrainer un disfonctionnement du capteur de température. De plus, un défaut dans la soudure peut entraîner une fuite des gaz d'échappement à l'extérieur du moteur en traversant le capteur de température. L'invention a donc pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur de température plus robuste, permettant de mieux résister à ces contraintes sévères de vibrations et de températures. L'invention concerne un capteur de température pour véhicule automobile comprenant : - un thermocouple comportant deux fils métalliques soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 dans le véhicule automobile, lesdits deux fils métalliques comportant chacun une deuxième extrémité connectée électriquement à un dispositif électronique permettant l'acquisition et le traitement du signal. - une gaine isolante comportant une extrémité fermée dans laquelle est logée la première extrémité des deux fils métalliques et entourant lesdits fils métalliques, et - un tube de renfort entourant la gaine isolante et se prolongeant le long de cette dernière en direction du connecteur électrique depuis une partie d'extrémité avant du tube de renfort située à proximité de l'extrémité fermée de la gaine isolante jusqu'à une partie d'extrémité arrière. Selon l'invention, la partie d'extrémité arrière du tube de renfort est fixée à la gaine isolante par une première fixation obtenue par soudure ou brasure. L'invention fournit ainsi un capteur de température destiné à mesurer des températures supérieures à 900°C plus robuste, permettant de mieux résister à ces contraintes sévères de vibrations et de températures. La réalisation de la soudure à l'arrière du capteur de température présente plusieurs avantages. Cette soudure n'est pas soumise à des contraintes thermiques aussi fortes que celles subies au niveau de la partie avant du capteur qui est placée dans la ligne d'échappement. Les gradients thermiques sont à même de fragiliser une soudure placée à l'avant du capteur, ce qui pourra entrainer un défaut de fonctionnement majeur sur le capteur. Le capteur de l'invention est mécaniquement plus robuste car les sollicitations mécaniques sur la soudure sont évitées. 3045820 3 La partie avant du capteur située dans la ligne d'échappement est exposée à des pulsations de gaz d'échappement provenant des cylindres du moteur. Cette soudure assure également l'étanchéité entre l'intérieur du moteur et l'extérieur afin de ne pas laisser les gaz d'échappement traverser le capteur pour 5 s'échapper vers l'extérieur du moteur. Selon un mode de réalisation possible, la partie d'extrémité avant du tube de renfort est fixée autour de la gaine isolante par une deuxième fixation obtenue par soudure ou brasure. L'invention permet de limiter le phénomène de battement de l'ensemble formé 10 par le thermocouple et de la gaine isolante, à l'intérieur du tube de renfort. La deuxième soudure à l'avant du capteur de température n'a pas une contrainte d'étanchéité, étant donné que l'étanchéité est assurée par la première soudure à l'arrière du capteur de température. Par conséquent, la fissuration ou la dégradation de la qualité de cette deuxième soudure n'entraine pas de problème d'étanchéité, ni 15 de maintien mécanique. Selon un autre mode de réalisation possible, la partie d'extrémité avant du tube de renfort est fixée autour de la gaine isolante par une deuxième fixation obtenue par conformage. La deuxième fixation peut être obtenue au moyen d'un sertissage ou d'un 20 roulage. Le capteur de température comprend un moyen de fixation entourant une portion du tube de renfort et destiné à fixer le capteur de température sur une paroi du véhicule automobile. Le moyen de fixation sépare la première fixation de la deuxième fixation de façon étanche. 25 Cette solution est préférée à la solution consistant à souder la partie d'extrémité avant du tube de renfort à la gaine isolante. En effet une soudure constitue une liaison rigide qui lie deux éléments. Cependant, les deux éléments (gaine isolante et tube de renfort) peuvent se dilater de manière non uniforme pour deux raisons. 30 Premièrement, l'utilisation de deux matériaux différents pour fabriquer la gaine isolante et le tube de renfort entraine deux coefficients de dilatation thermique différents. Le choix des matériaux est réalisé par rapport aux fonctions de chaque composant. Pour l'ensemble formé du thermocouple et de la gaine isolante, on 35 privilégie un matériau qui assure la stabilité de la mesure de température à long terme. Pour le tube de renfort, les propriétés mécaniques (surtout à haute température) sont déterminantes. Deuxièmement, même s'il est choisi deux matériaux identiques ou proches, une répartition différente des températures peut conduire à une dilatation différente 40 des deux composants. Une différence de dilatation crée une contrainte qui augmente avec la distance entre deux points de fixation rigides. 3045820 4 Cette contrainte peut fragiliser les deux soudures et dans la suite (couplé avec des sollicitations environnementales décrites précédemment) provoquer une fissuration ou dégradation de la soudure. Ce conformage, parce qu'il autorise un jeu mécanique, limite donc la 5 possibilité de battement tout en permettant un léger glissement des pièces l'une par rapport à l'autre. Ceci permet d'éviter la création de contraintes mécaniques. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un capteur de température pour véhicule automobile tel que défini précédemment. Le procédé comprend une étape de fourniture du capteur de température comprenant: 10 - un thermocouple comportant deux fils métalliques soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 dans le véhicule automobile. Les deux fils métalliques comportent chacun une deuxième extrémité connectée électriquement à un dispositif électronique permettant l'acquisition et le traitement du signal. 15 - une gaine isolante comportant une extrémité fermée dans laquelle est logée la première extrémité des deux fils métalliques et entourant lesdits fils métalliques, - un tube de renfort entourant la gaine isolante et se prolongeant le long de cette dernière en direction du connecteur électrique depuis une partie d'extrémité avant située à proximité de l'extrémité fermée de la gaine isolante jusqu'à une partie 20 d'extrémité arrière. Selon l'invention, le procédé comprend une étape de soudure ou de brasure de la partie d'extrémité arrière du tube de renfort autour de la gaine isolante. Le procédé de fabrication peut en outre comprendre une ou plusieurs étapes suivantes, prises séparément ou en combinaison : 25 - le procédé de fabrication comprend une étape de soudure ou de brasure de la partie d'extrémité avant du tube de renfort autour de la gaine isolante ; - le procédé de fabrication comprend une étape de conformage de la partie d'extrémité avant du tube de renfort autour de la gaine isolante ; - l'étape de conformage consiste en une étape de sertissage de la partie 30 d'extrémité avant du tube de renfort autour de la gaine isolante ; - l'étape de conformage consiste en une étape de roulage de la partie d'extrémité avant du tube de renfort autour de la gaine isolante. Les caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : 35 la figure 1 est une coupe longitudinale d'un capteur de température selon l'invention; - la figure 2 représente le détail de la gaine de protection et du tube de renfort de ce capteur de température; La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un capteur de 40 température 1 pour véhicule automobile selon l'invention. Ce capteur de température 1 comprend un thermocouple 2 comportant deux fils métalliques 3 soudés entre eux à une première extrémité 4 formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 dans le moteur d'un véhicule automobile. 3045820 5 Les deux fils métalliques 3 comportent chacun une deuxième extrémité 5 connectée électriquement à un dispositif électronique 6 permettant l'acquisition et le traitement du signal. La température T1 correspond à la température du milieu à mesurer dans le 5 moteur. Les fils métalliques 3 sont constitués de deux métaux différents, comme par exemple un couple de métaux Nisil/Nicrosil. Le thermocouple 2 est de type J, K, T, R, S, N, par exemple. La deuxième extrémité 5 des deux fils métalliques 3 est connectée électriquement à un voltmètre mesurant la tension entre les deux deuxièmes 10 extrémités 5. En connaissant la température de référence TO à un point froid distant du point chaud, et la tension aux deuxièmes extrémités 5 des fils métalliques 3 du thermocouple 2, on en déduit la température T1 de la soudure chaude ou point chaud qui correspond à la température du milieu à mesurer dans le moteur du 15 véhicule. Le capteur de température 1 comprend une gaine isolante 7 comportant une extrémité fermée 8 dans laquelle est logée la première extrémité 4 des deux fils métalliques 3. La gaine isolante 7 entoure les deux fils métalliques 3. La gaine isolante 7 comprend également une extrémité ouverte 13 par 20 laquelle ressortent les deux fils métalliques 3 du thermocouple 2 pour se connecter au dispositif électronique 6 logé dans un boitier de protection 26. La gaine isolante 7 entoure les deux fils métalliques 3 depuis son extrémité fermée 8 (ou la première extrémité 4 des fils métalliques 3) jusqu'à une partie d'extrémité supérieure 10 de la gaine isolante 7 située au voisinage du boitier de 25 protection 26. Les deux fils métalliques 3 sont entourés et maintenus dans la gaine isolante 7 qui présente deux canaux de passage (non représentés) associé à chacun des fils métalliques 3 de sorte que les deux fils métalliques 3 soient isolés entre eux et maintenus par la gaine isolante 7. 30 La gaine isolante 7 est par exemple de forme générale allongée selon une direction longitudinale correspondant à la direction longitudinale des deux fils métalliques 3. Cette gaine isolante 7 peut présenter une forme générale cylindrique. À titre d'exemple, la gaine isolante 7 présente un coeur 15 en matière céramique électriquement isolant et résistante à la chaleur, qui est entouré par une 35 couche externe 16 en acier réfractaire résistant à des températures élevées, tel qu'un alliage de chrome, de nickel et de fer du type Inconel® (marque déposée). La couche externe 16 peut être en acier inoxydable (310S), par exemple. Le coeur 15 de la gaine isolante 7 peut être en magnésie ou alumine, par exemple. Comme illustré sur les figures 1 et 2, le capteur de température 1 comprend 40 un tube de renfort 9 entourant la gaine isolante 7. Le tube de renfort 9 se prolonge le long de la gaine isolante 7 en direction du boitier de protection 26 depuis une partie d'extrémité avant 10 du tube de renfort 9 située à proximité de l'extrémité fermée 8 de la gaine isolante 7 jusqu'à une partie d'extrémité arrière 11. 3045820 6 Le tube de renfort 9 entoure la gaine isolante 7 partiellement, c'est-à-dire qu'elle ne l'entoure pas sur toute sa longueur. Comme illustré sur la figure 1, les fils métalliques 3 comprennent une portion de fils métalliques 3 s'étendant hors de l'extrémité ouverte 13 de la gaine isolante 7. 5 Cette portion de fils métalliques 3 n'est pas entourée par la gaine isolante 7 et est connectée à deux éléments de liaison électrique 18 du boitier de protection 26 Les deux éléments de liaison électrique 18 peuvent être des cosses ou une soudure simple, par exemple. La figure 1 décrit un mode particulier dans lequel le capteur de température 1 10 comprend un élément de jonction 19 qui est fixé à l'extrémité ouverte 13 de la gaine isolante 7, située au voisinage du boitier de protection 26. D'autres modes de réalisation plus classiques sont également possibles. Le boitier de protection 26 du capteur de température 1 est destiné à recevoir un connecteur d'un véhicule 20 qui est relié à un dispositif électronique de contrôle 15 (non représenté). Le capteur de température 1 comprend un moyen de fixation 21 destiné à être fixé sur une paroi du moteur du véhicule (non présenté). Cette paroi délimite un milieu dont on cherche à connaître la température. La paroi peut être une paroi d'un conduit d'un système d'échappement des gaz de combustion, à titre d'exemple. 20 Le moyen de fixation 21 est fixé au tube de renfort 9. Le moyen de fixation 21 entoure une portion du tube de renfort 9. Le moyen de fixation 21 comprend un canal central 23 traversé par le tube de renfort 9 entourant la gaine isolante 7. Le moyen de fixation 21 sépare l'extrémité fermée 8 de l'extrémité ouverte 13 25 de la gaine isolante 7. Lorsque le capteur de température 1 est fixé sur la paroi du véhicule, l'extrémité fermée 8 de la gaine isolante 7 se situe dans l'environnement du moteur pour lequel on cherche à obtenir la température T1, cet environnement étant en contact avec des gaz d'échappement chaud, par exemple. 30 L'extrémité ouverte 13 de la gaine isolante 7 est placée à l'extérieur de cet environnement. Le moyen de fixation 21 forme une étanchéité entre l'environnement du moteur et l'extérieur. Le moyen de fixation 21 peut comporter une butée 24 à sa partie inférieure et 35 un moyen de serrage tel qu'une vis 25 pour serrer la butée 24 contre une surface d'appui de la paroi délimitant le milieu à mesurer. La vis 25 se situe au-dessus de la butée 24 et est libre en rotation et translation autour de l'enveloppe de protection 3. En variante, la vis 25 peut être fixée à la butée 24. Selon l'invention, la partie d'extrémité arrière 11 du tube de renfort 9 est fixée 40 autour de la gaine isolante 7 par une première fixation 12 obtenue par soudure ou brasure. La soudure ou brasure est réalisée de façon continue autour de la gaine isolante 7. 3045820 7 Ceci permet d'obtenir une étanchéité entre le tube de renfort 9 et la gaine isolante 7 qui n'est pas soumise à des contraintes thermiques. La soudure peut être réalisée par laser, par exemple. Selon un mode de réalisation possible, la partie d'extrémité avant 10 du tube 5 de renfort 9 est fixée autour de la gaine isolante 7 par une deuxième fixation 14 obtenue par soudure ou brasure. La soudure peut être réalisée par laser, par exemple. Selon un mode de réalisation préférée, la deuxième fixation 14 permettant de fixer la partie d'extrémité avant 10 du tube de renfort 9 autour de la gaine isolante 7 10 est obtenue par conformage. La deuxième fixation 14 peut être obtenue au moyen d'un sertissage ou d'un roulage. Le sertissage ou le roulage est réalisé de façon continue autour de la gaine isolante 7. Cette solution est préférée à la solution consistant à souder la partie 15 d'extrémité avant du tube de renfort à la gaine isolante. En effet, le conformage limite la possibilité de battement du tube de renfort par rapport à la gaine isolante tout en permettant un léger glissement des pièces l'une par rapport à l'autre. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un capteur de 20 température 1 pour véhicule automobile tel que défini précédemment. Le procédé de fabrication comprend une étape de fourniture de ce capteur de température 1 et une étape de soudure ou de brasure de la partie d'extrémité arrière 11 du tube de renfort 9 autour de la gaine isolante 7. Selon un mode de réalisation possible, le procédé de fabrication comprend 25 une étape de soudure ou de brasure de la partie d'extrémité avant 10 du tube de renfort 9 autour de la gaine isolante 7. Selon un mode de réalisation préféré, le procédé de fabrication comprend une étape de conformage de la partie d'extrémité avant 10 du tube de renfort 9 autour de la gaine isolante 7. 30 L'étape de conformage consiste en une étape de sertissage ou de roulage de la partie d'extrémité avant 10 du tube de renfort 9 autour de la gaine isolante 7. 35 REVENDICATIONS1. Capteur de température (1) pour véhicule automobile comprenant : - un thermocouple (2) comportant deux fils métalliques (3) soudés entre eux à une première extrémité (4) formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 dans le véhicule automobile, lesdits deux fils métalliques (3) comportant chacun une deuxième extrémité (5) connectée électriquement à un dispositif électronique (6), - une gaine isolante (7) comportant une extrémité fermée (8) dans laquelle est logée la première extrémité (4) des deux fils métalliques (3) et entourant lesdits fils métalliques (3), - un tube de renfort (9) entourant la gaine isolante (7) et se prolongeant le long de cette dernière en direction du dispositif électronique (6) depuis une partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) située à proximité de l'extrémité fermée (8) de la gaine isolante (7) jusqu'à une partie d'extrémité arrière (11), caractérisé en ce que : - la partie d'extrémité arrière (11) du tube de renfort (9) est fixée autour de la gaine isolante (7) par une première fixation (12) obtenue par soudure ou brasure. 2. Capteur de température (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) est fixée autour de la gaine isolante (7) par une deuxième fixation (14) obtenue par conformage. 3. Capteur de température (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième fixation (14) est obtenue au moyen d'un sertissage ou d'un roulage. 4. Capteur de température (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) est fixée autour de la gaine isolante (7) par une deuxième fixation (14) obtenue par soudure ou brasure. 5. Capteur de température (1) selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de fixation (21) entourant une portion du tube de renfort (9) et destiné à fixer le capteur de température (1) sur une paroi du véhicule automobile, ledit moyen de fixation (21) séparant la première fixation (12) de la deuxième fixation (14) de façon étanche. 3045820 9 6. Procédé de fabrication d'un capteur de température (1) pour véhicule automobile tel que défini par la revendication 1, ledit procédé comprenant une étape de fourniture dudit capteur de température (1) comprenant: - un thermocouple (2) comportant deux fils métalliques (3) soudés entre 5 eux à une première extrémité (4) formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 dans le véhicule automobile, lesdits deux fils métalliques (3) comportant chacun une deuxième extrémité (5) connectée électriquement à un dispositif électronique (6), - une gaine isolante (7) comportant une extrémité fermée (8) dans 10 laquelle est logée la première extrémité (4) des deux fils métalliques (3) et entourant lesdits fils métalliques (3), - un tube de renfort (9) entourant la gaine isolante (7) et se prolongeant le long de cette dernière depuis une partie d'extrémité avant (10) située à proximité de l'extrémité fermée (8) de la gaine isolante (7) jusqu'à une 15 partie d'extrémité arrière (11), caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de soudure ou de brasure de la partie d'extrémité arrière 20 (11) du tube de renfort (9) autour de la gaine isolante (7). 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de soudure ou de brasure de la partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) autour de la gaine isolante (7). 25 8. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de conformage de la partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) autour de la gaine isolante (7). 30 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de conformage consiste en une étape de sertissage de la partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) autour de la gaine isolante (7). 10. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape 35 de conformage consiste en une étape de roulage de la partie d'extrémité avant (10) du tube de renfort (9) autour de la gaine isolante (7). 40