(57)【要約】【課題】排気温度センサの熱応答及び、信頼性改善。【解決手段】排気温度センサの熱応答及び、信頼性改善として、サーミスタと袋管の隙間を充填するセメントを窒化物から成る高熱伝導物とする。特には、温度検出部のサーミスタと前記袋間の隙間を充填する充填剤に工夫を加えて、熱応答性を改善しかつ、信頼性の高い充填剤を考案したものである。具体的には、前記充填剤となるセメントにシリコンナイトライト（Ｓｉ3Ｎ4），窒化アルミ（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ），サイアロン等の熱伝導性の高い材料を配合した充填剤を用いる。【選択図】  図７
2010230610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーミスタ素子と、
そのサーミスタ素子の電極に接合されたリード線と、
前記サーミスタ素子及び前記リード線とを包囲する金属製の包囲部材とを備え、
前記包囲部材の空隙の一部がセメントにより充填された内燃機関用温度センサにおいて、
前記セメントには無機系の窒化物が配合されたことを特徴とする内燃機関用温度センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記セメントには窒化珪素，窒化アルミ，窒化ホウ素，サイアロンが配合されていることを特徴とする内燃機関用温度センサ。
【請求項３】
請求項１において、
前記セメントの熱伝導率が、少なくとも前記、金属製の包囲部材より大きいことを特徴とする内燃機関用温度センサ。
【請求項４】
請求項１において、
前記セメントの熱膨張係数が、前記サーミスタ素子と一致しているか、あるいは前記サーミスタ素子の熱膨張係数α１と前記、包囲部材の熱膨張係数α２と定義し、双方の熱膨張係数の差分δαとした場合に、前記セメントの熱膨張係数αｓは、δα≦αｓ≦α１としてことを特徴とする内燃機関用温度センサ。
【請求項５】
サーミスタ素子と、
そのサーミスタ素子の電極に接合されたリード線と、
前記サーミスタ素子及び前記リード線とを包囲する金属製の包囲部材とを備え、
前記包囲部材の空隙の一部がセメントにより充填された内燃機関用温度センサの製造方法において、
前記サーミスタと前記包囲部材との空隙を、無機系窒化物で充填した後に、更に無機系のセメントで充填し、
無機系窒化物と直接空気と接触しない多層充填したことを特徴とする内燃機関用温度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
内燃機関における、各部ガス流体の温度計測用の温度センサとして好適である。特に１００℃前後から１０００℃までのガス流体の温度計測用の使用される温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関係する技術は以下である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２６６６０９号公報
【特許文献２】特開２００８−２６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
地球環境の温暖防止策として、自動車用いる化石燃料の使用量を低減することで、二酸化炭素排出低減を図ることは自動車産業の命題となっており、ディーゼル機関や、低燃費のガソリン機関の開発が急がれている。その対応としてディーゼル機関，ガソリン機関においては、燃焼制御の高精度化を図ることで対処する傾向である。この燃焼制御の高精度化に不可欠な情報として、内燃機関各部を通過する燃焼ガスの温度が重要となる。しかしながら、燃焼ガス自体の温度が４００℃〜８００℃と高い温度領域であること、燃焼ガス自体がＳＯｘ，ＮＯｘ，ＣＯｘ等の腐食性ガス流体であるため、高温酸化，腐食対策として、温度センサを耐食ステンレスで完全に覆う構造のために、熱応答が悪い欠点があった。
【０００５】
内燃機関の燃焼制御の高精度化には、各部を流通するガスの温度をリアルタイムで検出し、燃焼状態をフィードバックすることで燃焼制御をきめ細かく実施することが重要となるが、温度センサで計測する信号の熱応答が遅いと制御誤差が増大し、意図した制御が行えないことになる。
【０００６】
本発明は、自動車用の排気ガス，ＥＧＲガス，燃焼ガス，ＤＰＦ前後の排気ガス等、内燃機関のガス温度センサとして、高温酸化，耐腐食性を保証しつつ、熱応答性の速い温度センサを発明しうるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。
【０００８】
例えば、内燃機関の排気システム各部の温度計測用センサとして、市場で流通している温度計測にサーミスタを用いるサーミスタ温度センサの場合は、サーミスタ素子を腐食性ガスから保護するために、サーミスタ素子全体を覆うステンレス製袋管で覆い、途中に断熱構造を設けただけの簡単な構造で、前記サーミスタからの電極信号を外部に出力としているだけの簡単な構造である。ここで、前記温度検出部のサーミスタと前記袋間の隙間をシリカ，アルミナ等より成るセメントで充填することで、熱応答性を向上させているのが一般的な構造であるが、本発明では、前記温度検出部のサーミスタと前記袋間の隙間を充填する充填剤に工夫を加えて、熱応答性を改善しかつ、信頼性の高い充填剤を考案したものである。
【０００９】
具体的には、前記充填剤となるセメントにシリコンナイトライト（Ｓｉ3Ｎ4），窒化アルミ（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ），サイアロン等の熱伝導性の高い材料を配合した充填剤を用いることで達成される。
【００１０】
また、前記温度検出部のサーミスタと前記袋間の隙間を埋める構造として、前記温度検出部のサーミスタと前記袋間の隙間を一旦、粉末状態のシリコンナイトライト（Ｓｉ3Ｎ4），窒化アルミ（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ），サイアロン等の熱伝導性の高い材料で充填した後、ガラス部材を含むセメントで、前記粉末状の充填剤を風し封止することで達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、自動車用の排気ガス，ＥＧＲガス，燃焼ガス，ＤＰＦ前後の排気ガス等、内燃機関のガス温度センサとして、熱応答性の速い温度センサを提供できうる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ディーゼル機関のシステム。
【図２】ガス温度センサ装着部位。
【図３】一般的な排気温度センサの構造。
【図４】図３の断面構造図。
【図５】本発明の排気温度センサの断面構造。
【図６】本発明のよる熱応答改善のメカニズム。
【図７】本発明の排気温度センサの別の実施例。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に実施例をあげて具体的に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の特徴を説明する前に自動車用の内燃機関を説明する。ここでは特にディーゼル機関を簡単に説明する。図１は一般的なディーゼル機関１である。システムとしては、吸入空気２をインテイクマニドルド上流に設置されたスロットルバルブ３により流量調整された空気がシリンダ４内部に送り込まれ、シリンダ４内部で圧縮されることで燃焼するシステムである。燃焼ガス５は排気管６を通じて分岐する。一方はターボチャージャー７に送り込まれ過給器による出力付加となる。ターボチャージャー７より排出された燃焼ガス５は排気ガスとして、触媒を設置した浄化装置８（ＤＰＦ）を通過し、清浄な空気となって外部に排出される。また一方は、燃焼ガス５のおける未燃焼ガスを再度シリンダ４に再還流することで、未燃焼成分に多く含まれるＮＯｘ，ＳＯＸ成分の低減を図る還流システムである。排気管６の一部に設けられた、燃焼ガス５を流すバイパス管があり、燃焼ガス５はバイパス管９を通じて、ＥＧＲバルブ１０により流量制御される。排気ガスである燃焼ガス５は温度が４００℃以上と高いため、ＥＧＲクーラー１１を通じて２００℃以下にガス温度が低下される。そして、ＥＧＲ還流管を通じて、スロットルバルブ３下流に送り込まれ、再度シリンダ４内部で燃焼されるシステムであり、排気ガスの清浄化の大きく貢献している。
【００１５】
このディーゼル機関１に用いられるキーコンポーメントは空気流量計１２，インタークーラー１３，スロットルバルブ３，ＥＧＲバルブ１０，ＥＧＲクーラー１１，ターボチャージャー７，ＤＰＦ８等であるが、ディーゼルのシステムにおいては、ＥＧＲがガソリン機関より流量が大きく、意図的にＥＧＲでの還流を行うために、各部の信頼性が重要となる。
【００１６】
特に、ディーゼル機関１では燃料に軽油を用いるために燃料の着火点が高く、その燃焼ガス５は完全燃焼されたガスのみではなく、未燃焼ガスが発生しやすい。未燃焼ガスにはＮＯｘ，ＳＯｘ，ＣＯｘ分が入り乱れた状態で、運転状態，環境状態の変化に応じて成分は刻々変化する。更に、この未燃焼ガスや排気ガスは、ＮＯｘ，ＳＯｘ，ＣＯｘ分が混在するために腐食性ガスとなり、一般部材が用いられないために特種な金属や無機部材が用いられる傾向にある。
【００１７】
また、燃焼ガスである排気ガスや未燃焼ガスの温度は運転状況や環境状態において変動するが、排気ガスで４００℃〜９００℃、未燃焼ガスで６００℃以上と言われ、一般部材では高温酸化してしまうために特種金属や無機部材を用いられる。
【００１８】
近年、排気ガスの規制が強化されたために、各カーメーカーは排気ガスからのＮＯｘ，ＳＯｘを除去した清浄な排気ガスを外部に排出するための改良を検討中であるが、排気ガス対策として、最も実現しやすい方法としては、現行のディーゼル機関１のシステムのコンセプトは、そのままに、より高精度な燃焼制御が行えるシステムを実現することにある。その高精度燃焼制御システムの例が図２に示すシステム構成である。
【００１９】
図２において、ディーゼル機関の燃焼システムそのものに変化はない。但し、システム各部にガス温度センサ１７を設けた点に変化点がある。ガス温度センサ１７は、従来より存在する製品で、主に排気ガス温度測定専用に排気管に取り付けられ、排気ガスの温度を測定する排気ガス温度センサ１７であり、エンジン制御用としてではなく、排気温度のモニターとしての機能が主であった。
【００２０】
高精度制御システムにおいては、前述したようにシステム各部にガス温度センサ１７を設けたことにより、各部の燃焼状態を監視できることになる。
【００２１】
但し、現行の排気温度センサは扱いにくい製品となっている。この理由は後述する。
【００２２】
ディーゼルシステムにおけるガス温度センサ１７装着場所は、排気管の他に、ＤＰＦ８前後１４にもＤＦＦガス温度センサ１７が設けられる。このＤＰＦ８前後のガス温度センサ１７を用いることで、ＤＰＦ８の触媒活性状態を伺うことが可能となり、ＤＰＦ８触媒のコントロールセンサと成り得る。
【００２３】
また、同様にＥＧＲクーラー１１前後１５にもガス温度センサ１７を設けてＥＧＲクーラーの活性状態をコントロールするセンサと成り得る。ＥＧＲガス温度そのものガス温度を計測するガス温度センサ１７をＥＧＲバルブ１０前後１６に装着しても良い。
【００２４】
つまり、ディーゼル機関１のガス流体が流入する各部位にガス温度センサ１７を設けることで、排気ガス浄システムや冷却装置の状態を、更には燃焼状態を確認できる副次的な信号と成りえることで、この各部のガス温度をモニターすることで、より高精度な燃焼制御を行うことができるシステムと成りえる。
【００２５】
しかしながら、現在上場されている内燃機関用ガス温度センサ１７は前述したような環境条件，ＮＯｘ，ＳＯｘのような腐食性ガス，４００℃を超える高温環境であることによる制約条件が多くあり、カーメーカーにとっては扱いにくいセンサとなっている。
【００２６】
図３，図４は現在上場されている一般的な排気温度を計測するガス温度センサ１７の構造である。
【００２７】
近年、ガス温度センサ１７は一般的に、温度検出素子としてサーミスタ素子１８を用いられていることが多くようである。サーミスタは鉄，クロム，ニッケル，コバルト等の金属物を有機バインダで混錬し焼成したサーミスタ素子が用いられる。前記サーミスタ素子１８より出ている信号線１９は計測対象ガス温度が４００℃以上となるために、白金や白金を含んだ白金合金、あるいはステンレス等の耐熱，耐腐食性材料からなる信号線１９となるリードである。この信号線１９はそのまま延長され、接触防止，耐振動性対応のために、無機物から成る、シース管２０内部に設けられた孔を介して信号線１９が延長される。そして、更に信号線１９は耐熱ゴムから成るグロメット２１を介して信号線１９が外部へと延長される。信号線１９は、グロメット２１付近で、通常の銅線と溶接，加締めが成され信号をＥＣＵに伝達する。
【００２８】
前記、グロメット２１や、シース管２０は、その外周を覆う、耐熱，耐食部材からなりかつ、取り付け位置決めとなるフランジ２２及び、固定ネジを切ってある、フランジ管２３内に設置されることにより固定されるガス温度センサ１７のサーミスタ素子１８はサーミスタ素子１８を覆う円筒形の袋管２４でサーミスタ素子１８を覆い、フランジ管２３との接触部を溶接する構造である。尚温度センサの温度計測素子は本発明ではサーミスタ素子１８を代表例として記載しているが、それは熱電対でも同じことで、温度を計測できうる信号を発生する素子全般を指していることはいうまでもない。
【００２９】
上記、サーミスタ素子を用いた温度センサは構造が単純で安価な製品が製作できるが、性能と信頼性に改善の余地がある。性能における改善項目は、熱応答性である。信頼性における改善項目は、前記温度検出素子のサーミスタと前記袋間の隙間を埋める充填剤、自身の信頼性である。
【００３０】
以下、問題点とその改善点を明示し本発明を説明する。
【００３１】
まずは、性能改善項目について述べる。前述したように、新しい排気ガス規制をクリアするためには、排気各部のガス流体温度を計測する必要性があるが、現在市場で流通している温度センサは、その熱応答性が遅い欠点がある。温度信号を用いて燃焼を最適化するためには、最低でも応答特性が１０秒以下となることが必携となるが、現在の市販品は、そおよそ、１４−２０秒程度かかるためにエンジン制御でのフィードバックロスが発生するために、扱いにくいガス温度センサ１７となっている。極端な発想として、袋管２４なしの構造、つまり、サーミスタ素子１８を燃焼ガス５に暴露させると、当然ながら熱応答も速くなる。しかしながら、燃焼ガス５（排気ガス）中に暴露すると、サーミスタ素子１８が腐食してしまう現象が発生する。そこで、燃焼ガス５と直接接触させないようにするための保護管となる袋管２４が必要となる。
【００３２】
これは、サーミスタ素子１８のような温度計測素子がガス流体と直接、接触せずに、袋管２４を通じ、更に袋管２４とサーミスタ素子１８との間にある、セメント２５を介しての温度伝播となるために、ガス温度が変化した際の熱応答が遅くなるメカニズムである。
【００３３】
信頼性における、改善項目は、熱応力に耐えうる温度センサ構造である。排気系ガス温度は定常状態において、２００〜４００℃と言われているが、急激なアクセル開度の場合、急激にエンジンに急激な負荷が加わった場合には８００℃までに排気系ガスは、瞬時の間に急上昇するする状態となる。この環境にサーミスタ素子１８が晒された場合に、サーミスタ素子１８の温度が急変したことに対する熱ストレスに耐えうるだけの抗力を持ち合わせていない可能性が高い。
【００３４】
本発明は上記、問題点を解決できる温度センサを提供できうる構造について発明した。
【００３５】
本発明の詳細をについて図３，図４，図５，図６を用いて説明する。
【００３６】
本発明のガス温度センサ１７の構造を紹介する。本発明においては、前述した温度センサと外観も内部構造も何ら変化はない。本発明のポイントは、袋管２４とサーミスタ素子１８との隙間２６を埋めるセメント２５に工夫を凝らした点にある。現在市場で流通しているガス温度センサ１７の袋管２４とサーミスタ素子１８との隙間２６を埋めるセメント２５の目的は、振動でサーミスタ素子１８が振り子とならないようにするための機械的固定用である。従って、サーミスタ素子１８と、袋管２４となるステンレス管を封止するだけが目的で、アルミナ，シリカ等の無機粉末の混合物を有機バインダで溶いたセメント２５を袋管２６内部に充填しているたけの構造となっている。
【００３７】
本発明では、このセメント２５を工夫することで、本来、振動における振り子防止を目的としたセメント２５を改良することで、熱応答を改善しつつかつ、信頼性を向上させる方策である。
【００３８】
図５は、本発明を表す構造である。一般的なガス温度センサ１７のセメント２５はアルミナ，シリカ等の無機粉末にガラスを加え、有機バインダでペースト状とすることで、ディスペンサー等で袋管に充填することで、サーミスタ素子１８と、袋管２４の隙間２６を埋めている。
【００３９】
主成分は温度センサメーカーにより異なるが、アルミナが主な場合は、アルミナの熱伝導率２５（Ｗ／ｍ・ｋ），ガラスの熱伝導率２−５（Ｗ／ｍ・ｋ）と余り大きくなくために、熱の良伝導性とは言えない。つまり、一般品における、熱応答を悪化させている要因はセメント２５の熱伝導率が小さいが故である。特にガラスはおおよそ、無機物質の１／１０程度であり、熱の絶縁体とも言えるほどである。このガラスはアルミナやシリカを分散させ、その状態で保持させる、サーミスタ素子１８と袋管２４の接着作用の発現させる重要な物質で、安易に抜きとることはできない。ガラス成分を配合させることは必携であるが、このガラス成分が、熱応答を遅くする原因となっている。
【００４０】
本発明では、セメント２５に、熱伝導率が大きい無機材料を選定し、ガラスと配合することを発明とする。セメント２５は、シリコンナイトライト（Ｓｉ3Ｎ4），窒化アルミ（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ），サイアロン等の熱伝導率の大きい部材より成形した粉末，バルク，結晶を用いる。前記した高熱伝導無機物質の多くは窒化物２７であり、これらの高熱伝導率の無機部材にガラス２８を配合することで、ガラス２８の熱伝導率の低さをカバーできるセメント２９となり、セメント２９が完成することで、袋管からの、熱をセメント２９がすぐさま、サーミスタ素子１８に伝導することが可能となり、高速熱応答温度センサの構造となる。
【００４１】
図６には熱応答を改善する有効な実施例のイメージである。サーミスタを覆う袋管２４は、ステンレスが用いられることが多いが、ステンレスは、その熱伝導率が１５（Ｗ／ｍ・ｋ）と余り熱伝導が良くない部材である。本発明によると、ステンレス製の袋管２４に充填されている、セメント２５は一般品が、５−１０（Ｗ／ｍ・ｋ）と推定され、ステンレスの袋管２４より熱伝導が悪いセメント２５と推定している。従って、温度を信号として考慮するならば、袋管で受けた熱は減衰しながらサーミスタに到達するために、熱応答が遅くなってしまう。そこで、袋管の熱伝導率よりもセメント２９の熱伝導率を大きくすることで、熱拡散が早まり熱応答の速いセンサとなる。
【実施例２】
【００４２】
本発明では熱応答を改善するために、袋管２４に充填されるセメント２５に高熱伝導の無機部材を用いることでセメント２９とすることが特徴となっているが、これら、高熱伝導を有する無機部材が抱える問題点は、高温中に長時間晒されると、セメントの主成分である窒化物が酸化されて、通常のアルミナ、酸化ボロンとなり、熱伝導率も悪化してくという信頼性の問題がある。この場合、熱応答が、窒化から酸化に変態するにつれ、遅くなり、エンジン制御状態が悪化する。
【００４３】
本発明の別の実施例を図７に示す。本発明では、袋管２４に充填されるセメント２９は、おおよそ無機部材、特に窒化物２７を粉末，バルクとしたものである。これにガラス２８を加え、有機バインダで練った状態のペーストを袋管２４内に充填し、一旦、ガラス２８が焼成される温度まで、加熱しガラス化される。一旦冷却した後に、更に袋管２４内部に無機系の充填剤３０で充填し焼成することで、サーミスタ素子１８と袋管２４の隙間２６を覆う、セメント２９に酸素が触れない構造となり、酸化防止膜として機能することで、サーミスタ素子１８と袋管２４の隙間２６を覆う、セメント２９の熱伝導率等の物理定数が長期間の使用においても変化しない、信頼性の高い温度センサとなりうる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例では、サーミスタ素子１８と袋管２４の隙間２６を覆うセメント２５の熱応力によっても、セメント２５或いは、サーミスタ素子１８が熱応力で破壊しない構造を提案する。一般的に、サーミスタ素子１８の熱膨張係数は、５−１０（ppm／℃）、袋管２４となるサーミスタ素子１８の熱膨張係数は、１６−１８（ppm／℃）とかなり隔たりがある。従って双方に接触するセメント２９の熱膨張係数を考慮しないと、場合によっては、サーミスタ素子１８が破壊する事態となる。
【００４５】
本発明ではサーミスタ素子１８を破壊しないことを念頭に、充填されるセメント２９の熱膨張係数が、サーミスタ素子１８と一致しているか、あるいは前記サーミスタ素子１８の熱膨張係数α１として、袋管の熱膨張係数α２と定義した場合に、双方の熱膨張係数の差分δαとなる。本発明では前記セメント２９の熱膨張係数αｓは、δα≦αｓ≦α１としてことを特徴とする。
【００４６】
これによると、サーミスタ素子１８と熱膨張係数を合わせる、或いは袋管より小さい膨張係数とすることで、熱膨張によっても、サーミスタ素子１８はセメント２９と共に、同じ膨張収縮挙動を行うために熱応力が加わることはなく、サーミスタ素子１８が熱応力で破壊することがない、信頼性の高い温度センサとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によると、内燃機関の各部ガス流体の温度を、熱応答が速くかつ、耐腐食性を兼ね揃えた長期信頼性を保証でき得る温度センサを供給できる効果が期待できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  ディーゼル機関
２  吸入空気
３  スロットルバルブ
４  シリンダ
５  燃焼ガス（ＥＧＲガス）
６  排気管
７  ターボチャージャー
８  ＤＰＦ
９  バイパス管
１０  ＥＧＲバルブ
１１  ＥＧＲクーラー
１２  空気流量計
１３  インタークーラー
１４  ＤＰＦ前後
１５  ＥＧＲクーラー前後
１６  ＥＧＲバルブ前後
１７  ガス温度センサ
１８  サーミスタ素子
１９  信号線
２０  シース管
２１  グロメット
２２  フランジ
２３  フランジ管
２４  袋管
２５  セメント
２６  隙間
２７  窒化物
２８  ガラス
２９  セメント
３０  充填剤
【図１】
2010230610.tif 000003
【図２】
2010230610.tif 000004
【図３】
2010230610.tif 000005
【図４】
2010230610.tif 000006
【図５】
2010230610.tif 000007
【図６】
2010230610.tif 000008
【図７】
2010230610.tif 000009