Brevet FR3058516A1 — publié le 20180511

Capteur hautes températures avec maintien de l'élément sensible à la température La présente invention concerne un capteur de température, notamment pour mesurer des températures élevées, par exemple supérieures à 900°C, voire à 1000°C. L'invention s'applique en particulier aux capteurs de température adaptés pour mesurer la température des gaz de véhicules automobiles tels que les gaz d'échappement. De tels capteurs de températures sont notamment utilisés dans des systèmes de recirculation des gaz d'échappement EGR (« Exhaust Gas Recirculation »). Ces capteurs comprennent généralement un élément sensible à la température, tel 10 qu'une thermistance, relié vers l'extérieur à un circuit électrique / électronique d'exploitation d'un signal de mesure via des fils électriques. À titre d'exemple, un tel capteur de température de l'art antérieur comprend à une extrémité une thermistance logée dans une enveloppe de protection. L'élément sensible à la température comprend deux conducteurs électriques reliés à deux fils électriques au moyen 15 de deux connexions électriques. Les deux fils électriques sont entourés par une gaine isolante de façon à former un faisceau électrique ou câble à isolant minéral (MIC) connecté à un boitier électronique pour fournir une information électrique représentative de la résistance de l'élément sensible à la température et par conséquent de la température mesurée. 20 L'enveloppe de protection est sertie et soudée sur la gaine isolante pour isoler l'intérieur du capteur de l'environnement extérieur. Pour améliorer la conduction thermique entre l'élément sensible à la température et l'enveloppe de protection, une première solution consiste à remplir en entier l'enveloppe de protection d'une céramique (A1203, MgO, AIN, SiN) sous forme de poudre ou amalgamée 25 avec un liant, tel que du verre ou tout autre composant compatible avec les températures supérieures ou égales à 900°C. Une autre solution connue consiste à remplir seulement l'extrémité de l'enveloppe de protection par la céramique sous forme de poudre. Seul l'élément sensible à la température est entouré par cette céramique. 30 Deux petits tubes conducteurs sont prévus pour lier les deux conducteurs électriques de l'élément sensible à la température qui sont fins aux deux fils électriques du câble à isolant minéral, plus larges. 3058516 2 Cette seconde solution est réputée plus robuste à l'environnement contraignant de la ligne d'échappement d'un moteur thermique exposé à des fortes variations thermiques et des vibrations importantes. Lors d'un essai combinant chocs thermiques (alternances très rapides 50°C / 950°C 5 avec une pente de température supérieure à 400°C/s mesurée avec un thermocouple de référence de diamètre 0.5mm) et vibrations (25 G en valeur efficace, de 50Hz jusqu'à 3000Hz), la liaison électrique entre les deux conducteurs électriques de l'élément sensible à la température et les deux fils électriques du faisceau électrique selon la première solution casse au bout de 30 minutes. Quant à la liaison électrique entre les deux conducteurs électriques de l'élément sensible à la température et les deux fils électriques du faisceau électrique selon la deuxième solution, elle casse au bout de 20 heures. Dans tous les cas, la casse est observée sur le conducteur électrique fin de l'élément sensible à la température, qui présente un diamètre compris entre 0,2 mm et 0,25 mm maximum. De plus, le conducteur électrique est en platine pur, donc très malléable et ductile. La difficulté de conception d'un tel capteur de température réside dans le fait de pouvoir combiner robustesse du maintien de l'élément sensible à la température, fabrication aisée du capteur de température et temps de réponse. En effet, lorsque le bout du capteur de température subit des alternances de chocs thermiques, l'enveloppe de protection (ou capuchon) a tendance à se dilater plus vite et plus amplement que les autres composants constitués de céramiques et de platine ou alliage de nickel pour les fils électriques. Ce phénomène, combiné avec la vibration mène systématiquement à la casse mécanique des conducteurs électriques fins de l'élément sensible à la température. Il est possible de choisir des composants avec des coefficients de dilatation thermique linéaire (CTE) proches les uns des autres, mais cela ne fait que retarder la casse mécanique, sans y pallier en totalité. L'invention a donc pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur de température permettant de combiner robustesse de la connexion électrique entre les conducteurs électriques de l'élément sensible à la température et les 3058516 3 deux fils électriques du câble à isolant minéral, fabrication aisée du capteur de température et temps de réponse élevé. L'invention concerne un capteur de température pour véhicule automobile comprenant : 5 un élément sensible à la température comprenant deux conducteurs électriques, deux fils électriques comprenant chacun une première extrémité reliée électriquement à l'un des deux conducteurs électriques de l'élément sensible à la température par une connexion électrique et deux deuxièmes extrémités 10 reliées électriquement à un connecteur électrique, une enveloppe de protection dans laquelle sont logées l'élément sensible à la température et les connexions électriques, et une gaine isolante entourant les deux fils électriques, l'enveloppe de protection étant fixée à une extrémité avant de la gaine isolante. 15 Selon l'invention, le capteur de température comprend un élément de liaison englobant les connexions électriques et s'étendant depuis l'élément sensible à la température jusqu'aux deux fils électriques. De préférence, un espace est formé entre l'élément de liaison et l'enveloppe de protection. 20 Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément de liaison entoure l'élément sensible à la température. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, l'élément de liaison s'étend jusqu'au voisinage de l'extrémité avant de la gaine isolante. En variante, l'élément de liaison est un matériau solide telle une céramique 25 combinée avec une colle haute température ou un verre. De préférence, l'élément de liaison est un verre borosilicate. Selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, le capteur de température comprend un matériau conducteur remplissant l'intérieur de l'enveloppe de protection de façon à entourer l'élément sensible à la température et l'élément de liaison. 30 Selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe de protection comprend une extrémité avant dans laquelle est logée une partie avant de l'élément 3058516 4 sensible à la température. Seule l'extrémité avant de l'enveloppe de protection est remplie du matériau conducteur. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un capteur de température pour véhicule automobile comprenant une étape de fourniture d'un capteur de 5 température comportant: un élément sensible à la température comprenant deux conducteurs électriques, deux fils électriques comprenant chacun une première extrémité reliée électriquement à l'un des deux conducteurs électriques de l'élément sensible 10 à la température par une connexion électrique et deux deuxièmes extrémités reliées électriquement à un connecteur électrique, une enveloppe de protection dans laquelle sont logées l'élément sensible à la température et les connexions électriques, et une gaine isolante entourant les deux fils électriques, l'enveloppe de 15 protection étant fixée à une extrémité avant de la gaine isolante. Selon l'invention, le procédé comprend : une étape de fourniture d'un élément de liaison préformé positionné à proximité des connexions électriques, et une étape de chauffage de l'élément de liaison préformé pour le fondre et 20 former un élément de liaison englobant les connexions électriques et s'étendant depuis l'élément sensible à la température jusqu'aux deux fils électriques. L'invention fournit ainsi un capteur de température destiné à mesurer des températures supérieures à 900°C permettant de combiner robustesse de la connexion 25 électrique entre les conducteurs électriques de l'élément sensible à la température et les deux fils électriques du câble à isolant minéral, fabrication aisée du capteur de température et temps de réponse élevé. Le corps de l'élément sensible à la température est ainsi lié et maintenu rigidement aux fils électriques du câble à isolant minéral présentant un diamètre compris entre 0,6 et 30 1,1mm, beaucoup plus rigides que les conducteurs électriques de l'élément sensible à la température (fils platine d'environ 0,2mm de diamètre). 3058516 5 De plus, l'élément de liaison n'est pas en contact direct avec l'enveloppe de protection mais présente un jeu, et ce jeu le protège des dilatations différentielles et des chocs thermiques et mécaniques. La combinaison du matériau liant avec un pont thermique au fond de l'enveloppe de 5 protection permet de réduire le temps de réponse. De plus, l'utilisation d'une préforme permet de simplifier la mise en oeuvre du capteur de température. Les caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : 10 - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de température selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de température selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de température selon un 15 troisième mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de température selon un quatrième mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de température selon un cinquième mode de réalisation de l'invention. 20 La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un capteur de température 1 pour véhicule automobile selon un premier mode de réalisation l'invention. Le capteur de température 1 comprend un élément sensible à la température 2 comprenant deux conducteurs électriques 5. L'élément sensible à la température 2 est une thermistance. La thermistance est un 25 composant passif en matériau semi-conducteur dont la résistance varie en fonction de la température. La thermistance peut être du type CTN, coefficient de température négatif (ou NTC, Négative Température Coefficient en anglais) lorsque la résistance décroît en fonction de l'élévation de la température ou de type CTP, coefficient de température positif (ou PTC, 30 Positive Température Coefficient en anglais) dans le cas contraire, telle qu'une thermistance en platine. 3058516 6 Le capteur de température 1 comprend deux fils électriques 7 comprenant chacun une première extrémité 6 reliée électriquement à l'un des deux conducteurs électriques 5 de l'élément sensible à la température 2 par une connexion électrique 9 et deux deuxièmes extrémités reliées électriquement à un connecteur électrique (non représentés). 5 La connexion électrique 9 peut être réalisée par une soudure ou des moyens de connexion tels des cosses électriques. Le capteur de température 1 comprend une enveloppe de protection 3 (ou capuchon) dans laquelle sont logées l'élément sensible à la température 2 et les connexions électriques 9. 10 L'enveloppe de protection 3 présente une forme générale tronconique se prolongeant longitudinalement. L'enveloppe de protection 3 est réalisée en un matériau métallique résistant à des températures élevées, tel qu'un alliage de chrome, de nickel et de fer du type Inconel® (marque déposée) ou encore en acier inoxydable réfractaire. 15 Comme illustré sur la figure 1, l'enveloppe de protection 3 comporte une extrémité fermée 4 ayant un diamètre plus petit que le reste de l'enveloppe de protection 3. L'élément sensible à la température 2 est disposé dans cette extrémité fermée 4. Le capteur de température 1 comprend une gaine isolante 8 entourant les deux fils électriques 7. L'enveloppe de protection 3 est fixée à une extrémité avant 10 de la gaine 20 isolante 8. La gaine isolante 8 entoure les deux fils électriques 7 depuis une extrémité avant 10 située au voisinage de l'élément sensible à la température 2, jusqu'à une extrémité arrière située au voisinage du connecteur électrique ou d'une connexion à un faisceau électrique (non représentés). 25 Les deux fils électriques 7 sont entourés et maintenus dans la gaine isolante 8 qui présente deux canaux de passage 15 associé chacun à l'un des fils électriques 7 de sorte que les deux fils électriques 7 soient isolés entre eux et maintenus par la gaine isolante 8. La gaine isolante 8 est par exemple de forme générale allongée selon une direction longitudinale correspond à la direction longitudinale des deux fils électriques 7. Cette gaine 30 isolante 8 peut présenter une forme générale cylindrique. À titre d'exemple, la gaine isolante 8 présente un coeur 16 en matière céramique électriquement isolant et résistante à la chaleur, qui est entouré par une couche externe 17 3058516 7 en un matériau métallique résistant à des températures élevées, tel qu'un alliage de chrome, de nickel et de fer du type lnconel® (marque déposée) ou encore en acier inoxydable réfractaire. Le coeur 16 de la gaine isolante 8 peut être en magnésie ou alumine, par exemple. 5 Selon l'invention, le capteur de température 1 comprend un élément de liaison 11 englobant les connexions électriques 9 et s'étendant depuis l'élément sensible à la température 2 jusqu'aux deux fils électriques 7. Les connexions électriques 9 sont intégrées dans l'élément de liaison 11. Plus précisément, l'élément sensible à la température 2 comprend un corps 18 et une 10 partie avant 14 mesurant la température. L'élément de liaison 11 s'étend depuis le corps 18 de l'élément sensible à la température 2 jusqu'aux deux fils électriques 7, selon le premier mode de réalisation de la figure 1. L'élément de liaison 11 est un matériau solide telle une céramique technique. 15 L'élément de liaison 11 forme un liant solide. Cet élément de liaison 11 peut être par exemple une céramique technique composée d'oxydes (A1203, MgO, Si02), de non oxydes (borure, nitrure) ou d'une combinaison des deux. Plus spécifiquement, l'élément de liaison peut être obtenu par combinaison d'une céramique (A1203, MgO) avec du dioxyde de silicium (5i02) sous la forme d'un système 20 binaire (A1203-5i02 ou MgO-5i02) ou ternaire tel qu'un LAS (Li20 x A1203 x nSiO2) ou bien encore un MAS (MgO x A1203 x nSiO2). L'élément de liaison 11 peut être par exemple constitué de forstérite ou bien encore de cordierite, deux minéraux du système MAS. En outre, l'adjonction de trioxyde de bore (B203) permet d'en abaisser la température de cristallisation pour en améliorer la mise en oeuvre. 25 Les avantages de ce type de matériau sont le très faible CTE (Coefficient d'Expansion Thermique) et donc sa quasi immunité aux chocs thermiques, ainsi que la faible constante diélectrique qui permet d'isoler les paires de conducteurs électriques 5 et 7 et enfin la neutralité chimique. Un espace 12 est formé entre l'élément de liaison 11 et l'enveloppe de protection 3. 30 Autrement dit, l'élément de liaison 11 et l'enveloppe de protection 3 sont distants, ils ne sont pas en contact de façon à éviter les chocs mécaniques. 3058516 8 L'élément de liaison 11 ne peut recouvrir qu'une partie de l'élément sensible à la température 2 et qu'une partie des fils électriques 7 du câble isolant minéral (MIC). Selon un deuxième mode de réalisation possible représenté sur la figure 2, l'élément de liaison 11 entoure les connexions électriques 9 et entièrement l'élément sensible à la 5 température 2. De la même façon, un espace 12 est prévu entre l'élément de liaison 11 et l'enveloppe de protection 3. Selon un troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3, l'élément de liaison 11 s'étend jusqu'au voisinage de l'extrémité avant 10 de la gaine isolante 8, de façon à 10 recouvrir presque entièrement les deux fils électriques 7, améliorant la rigidité. De préférence, l'élément de liaison 11 n'est pas en contact avec la gaine isolante 8. Selon un quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 4, le capteur de température 1 comprend un matériau conducteur 13 remplissant l'intérieur de l'enveloppe de protection 3 de façon à entourer l'élément sensible à la température 2 et l'élément de 15 liaison 11. Le matériau conducteur 13 rempli l'espace 12 formé entre l'élément de liaison 11 et l'enveloppe de protection 3 et s'étend jusqu'à la gaine isolante 8. Le matériau conducteur 13 peut être une céramique (A1203, MgO) sous forme de poudre ou amalgamée avec un liant, tel qu'un silicate (Si02) ou tout autre composant 20 compatible avec les températures supérieures ou égales à 900°C. Le matériau du conducteur 13 peut être du même type que l'élément de liaison 11. Selon un mode de réalisation, un élément spécifiquement conducteur du point de vue thermique est choisit dans cette famille de matériaux. L'enveloppe de protection 3 comprend une extrémité avant 4 dans laquelle est logée 25 la partie avant 14 de l'élément sensible à la température 2. Selon un cinquième mode de réalisation représenté sur la figure 5, seule l'extrémité avant 4 de l'enveloppe de protection 3 est remplie du matériau conducteur 13. Le matériau conducteur 13 entoure la partie avant 14 de l'élément sensible à la température 2 jusqu'au corps 18 de l'élément sensible à la température 2. 30 L'élément de liaison 11 entoure les connexions électriques 9 et s'étend depuis le corps 18 de l'élément sensible à la température 2 jusqu'aux deux fils électriques 7, sans être en contact avec le matériau conducteur 13. 3058516 9 L'élément de liaison 11 et le matériau conducteur 13 sont distants. Le matériau conducteur 13 fait pont thermique entre l'élément sensible à la température 2 et l'enveloppe de protection 3. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un capteur de 5 température 1 pour véhicule automobile comprenant une étape de fourniture d'un capteur de température 1 comportant: un élément sensible à la température 2 comprenant deux conducteurs électriques 5, deux fils électriques 7 comprenant chacun une première extrémité 6 reliée 10 électriquement à l'un des deux conducteurs électriques 5 de l'élément sensible à la température 2 par une connexion électrique 9 et deux deuxièmes extrémités reliées électriquement à un connecteur électrique, une enveloppe de protection 3 dans laquelle sont logées l'élément sensible à la température 2 et les connexions électriques 9, et 15 une gaine isolante 8 entourant les deux fils électriques 7, l'enveloppe de protection 3 étant fixée à une extrémité avant 10 de la gaine isolante 8. Selon l'invention, le procédé comprend une étape de fourniture d'un élément de liaison préformé positionné à proximité des connexions électriques 9 (non représenté). L'élément de liaison préformé peut entourer les connexions électriques 9. 20 Le procédé comprend une étape de chauffage de l'élément de liaison préformé dans un four pour le fondre et former un élément de liaison 11 englobant les connexions électriques 9 et s'étendant depuis l'élément sensible à la température 2 jusqu'aux deux fils électriques 7. Lorsque l'élément de liaison préformé fond, il adhère aux pièces à lier (connexions 25 électriques 9, fils électriques 7, conducteurs électriques 5 et élément sensible à la température 2). Tous les modes de réalisations ci-dessous peuvent être combinés en apportant un avantage particulier. REVENDICATIONS1. Capteur de température (1) pour véhicule automobile comprenant : un élément sensible à la température (2) comprenant deux conducteurs électriques (5), deux fils électriques (7) comprenant chacun une première extrémité (6) reliée électriquement à l'un des deux conducteurs électriques (5) de l'élément sensible à la température (2) par une connexion électrique (9) et deux deuxièmes extrémités reliées électriquement à un connecteur électrique ou un faisceau électrique, une enveloppe de protection (3) dans laquelle sont logées l'élément sensible à la température (2) et les connexions électriques (9), et une gaine isolante (8) entourant les deux fils électriques (7), l'enveloppe de protection (3) étant fixée à une extrémité avant (10) de la gaine isolante (8), caractérisé en ce qu'il comprend: un élément de liaison (11) englobant les connexions électriques (9) et s'étendant depuis l'élément sensible à la température (2) jusqu'aux deux fils électriques (7). 2. Capteur de température (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un espace (12) est formé entre l'élément de liaison (11) et l'enveloppe de protection (3). 3. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de liaison (11) entoure l'élément sensible à la température (2). 3058516 11 4. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de liaison (11) s'étend jusqu'au voisinage de l'extrémité avant (10) de la gaine isolante (8). 5 5. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de liaison (11) est un matériau solide tel une céramique technique. 6. Capteur de température (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément 10 de liaison (11) contient en outre du trioxyde de bore. 7. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau conducteur (13) remplissant l'intérieur de l'enveloppe de protection (3) de façon à entourer l'élément sensible à la température (2) et 15 l'élément de liaison (11). 8. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'enveloppe de protection (3) comprend une extrémité avant (4) dans laquelle est logée une partie avant (14) de l'élément sensible à la température (2), seule 20 l'extrémité avant (4) de l'enveloppe de protection (3) étant remplie du matériau conducteur (13). 9. Procédé de fabrication d'un capteur de température (1) pour véhicule automobile comprenant une étape de fourniture d'un capteur de température (1) comportant: 25 un élément sensible à la température (2) comprenant deux conducteurs électriques (5), deux fils électriques (7) comprenant chacun une première extrémité (6) reliée électriquement à l'un des deux conducteurs électriques (5) de l'élément sensible à la température (2) par une connexion électrique (9) et deux 30 deuxièmes extrémités reliées électriquement à un connecteur électrique, une enveloppe de protection (3) dans laquelle sont logées l'élément sensible à la température (2) et les connexions électriques (9), et 3058516 12 une gaine isolante (8) entourant les deux fils électriques (7), l'enveloppe de protection (3) étant fixée à une extrémité avant (10) de la gaine isolante (8), caractérisé en ce qu'il comprend: 5 une étape de fourniture d'un élément de liaison préformé positionné à proximité des connexions électriques (9), une étape de chauffage de l'élément de liaison préformé pour le fondre et former un élément de liaison (11) englobant les connexions électriques (9) et 10 s'étendant depuis l'élément sensible à la température (2) jusqu'aux deux fils électriques (7). 15