(57)【要約】  固定要素(1、101、201)、機械構成体の内側の熱流を検出するための高感度素子(9)の使用。固定要素(1、101、201)、特にねじまたはスタッドは、本体(2、202)と、固定要素(1、101、201)の本体(2、202)の第1のエリア(A)と第2のエリア(B)との間の温度差を検出することにより、固定要素(1、101、201)および固定要素(1、101、201)が設置される機械構成体(40)を通り流れる熱流(F)を前記温度差の関数として判定するように設計された高感度素子(9)とを有する。
2018516376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体(2、202)と、前記本体(2、202)の第1のエリア(A)と第2のエリア(B)との間の温度差を検出するように設計された手段とを備える、特にねじまたはスタッドである固定要素(1、101、201)。
【請求項２】
前記本体(2、202)の前記第1のエリア(A)および前記第2のエリア(B)にそれぞれ対応する第1の熱電対接合部(18a)および第2の熱電対接合部(18b)に対応して相互に接続された第1の導体および第2の導体(Pcc、Pcr、52、53)を備える高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)を備え、前記第1の熱電対接合部(18a)および前記第2の熱電対接合部(18b)は、前記第1のエリア(A)と前記第2のエリア(B)との間の前記温度差に関する信号(Vab)を検出するように設計される、請求項1に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項３】
前記第1の導体および前記第2の導体(Pcc、Pcr、52、53)ならびに前記第1の熱電対接合部(18a)および前記第2の熱電対接合部(18b)から作製されるアセンブリが、熱電対(19)であり、前記高感度素子(9、9''、9'''、9''''、S、S'、S'')は、複数の熱電対(19)を備え、前記複数の熱電対(19)は、相互に直列接続され、前記本体(2、202)の前記第1のエリア(A)と前記第2のエリア(B)との間の前記温度差を検出するように設計される、請求項2に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項４】
前記高感度素子(9、9'''、9''''、S'、S'')は、各エリア(A、B)の付近にそれぞれ配置された1つまたは複数の熱伝導体エリア(Z1、Z2、Z3、Z4)を備える、請求項2または3に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項５】
前記高感度素子(9、9''')は、多層センサ(S'')を備える、請求項2から4のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項６】
1つまたは複数の熱電対接合部(18a、18b)の付近に配置された抵抗(24)を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項７】
前記抵抗は、ヒータおよび/または測定器として使用されるように設計されたサーミスタ、特にPt100サーミスタまたはPt1000サーミスタである、請求項6に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項８】
前記高感度素子(9'、9'')は、前記導体(52、53)が少なくとも部分的に挿入される内方空洞部(51)を有する管状本体(50)を備え、前記高感度素子(9'、9'')は、前記空洞部に挿入され前記導体(52、53)を相互に絶縁させるように設計された絶縁材料(54)を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項９】
前記高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)により検出された信号(Vab)を取得および再処理するために前記高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)に接続された信号処理セクション(27)と、
無線通信手段(31)を備える、外部制御ユニット(30)に前記信号(Vab)を送信するための無線通信セクション(29)と
を備える、電子デバイス(26)
を備える、請求項2から8のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項１０】
前記電子デバイス(26)は、選択されることとなる以下のセクション、すなわち前記信号(Vab)を記憶するためのメモリセクション(28)、場合により存在し得る抵抗(24)を制御するための制御セクション(32)、バッテリ電源セクション(33)、および例えばペルチェマイクロ発電機などの環境発電セクション(34)の中の1つまたは複数を備える、請求項9に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項１１】
前記高感度素子(9'''、9'''')は、可撓性材料から作製された支持部(14)を備え、前記支持部(14)は、高感度シリンダ(60)を形成するように折り曲げられ、前記支持部(14)は、1つまたは複数の第1の熱電対接合部(18a)および1つまたは複数の第2の熱電対接合部(18b)を備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項１２】
前記固定要素の前記本体(2、202)の前記第1のエリア(A)と前記第2のエリア(B)との間の前記温度差を検出するように設計された前記手段(9、9'、9''、9'''、9''''、S)は、前記本体(2、202)の外側に適用される、請求項1から11のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)。
【請求項１３】
請求項1から9のいずれか一項に記載の固定要素(1、101、201)により機械構成体(40)の内側の熱流(F)を検出するための方法であって、
-  前記機械構成体(40)上に前記固定要素(1、101、201)を設置するステップと、
-  前記機械構成体(40)の動作中に前記固定要素(1、101、201)の前記本体(2、202)の前記第1のエリア(A)と前記第2のエリア(B)との間の前記温度差に関する信号を検出するステップと、
-  制御ユニット(23、30)に前記信号を通信するステップと、
-  前記制御ユニット(23、30)により前記信号を処理するステップと
を含む、方法。
【請求項１４】
各固定要素(1、101、201)は、前記本体(2、202)の前記第1のエリア(A)および前記第2のエリア(B)にそれぞれ対応する第1の熱電対接合部(18a)および第2の熱電対接合部(18b)に対応して相互に接続された第1の導体および第2の導体(Pcc、Pcr、52、53)を少なくとも備える高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)を備え、前記第1の導体および前記第2の導体(Pcc、Pcr、52、53)ならびに前記第1の熱電対接合部(18a)および前記第2の熱電対接合部(18b)から作製されるアセンブリは、熱電対(19)であり、各高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)は、1つの熱電対(19)または相互に直列接続された種々の熱電対(19)を備え、各熱電対(19)は、前記本体(2、202)の前記第1のエリア(A)と前記第2のエリア(B)との間の前記温度差を検出するように設計され、前記検出するステップの最中に、前記高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)により検出される前記信号(Vab)は、以下の等式、すなわち
Vab=n*(Sc1-Sc2)*(Ta-Tb)
により得られ、ここで、
nは、前記高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)の熱電対(19)の個数であり、
Sc1は、前記熱電対(19)の前記第1の導体(Pcr)の導体のゼーベック係数であり、例えばSc1は、銅のゼーベック係数であり、
Sc2は、前記熱電対(19)の前記第2の導体(Pcc)の導体のゼーベック係数であり、例えばSc2は、コンスタンタンのゼーベック係数であり、
Taは、前記第1のエリア(A)に対応する前記第1の熱電対接合部(18a)の前記温度であり、
Tbは、前記第2のエリア(B)に対応する前記第2の熱電対接合部(18b)の前記温度である、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記高感度素子(9、9'''、9''''、S'')は、電力を供給され熱電対接合部(18a、18b)に対応して配置される加熱手段(24)を備え、検出する前記ステップの最中に、前記各熱電対接合部(18a、18b)の前記温度(Ta、Tb)は、前記加熱手段(24)に供給される前記電力に少なくとも部分的に左右される、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
固定要素(1、101、201)の第1のエリア(A)と第2のエリア(B)との間の温度差を検出するための高感度素子(9、9'、9''、9'''、9''''、S)の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、固定要素と、固定要素に内蔵されたセンサの使用と、本発明による固定要素を備える機械構成体の内側の熱流を検出するための方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば超音波システムまたはひずみゲージなどによりねじ自体の正確な締め付けおよび/または変形を制御するために、ねじに内蔵されたセンサを使用することが知られている。
【０００３】
ねじが、エンジンの付近に、または2つ以上の機械構成体の(例えば大型軸受または大型ハブ/トランスミッション部分のための支持部内などにおける)相対摺動により摩擦が生じるエリアの付近に設置される場合に、既知のねじは、欠陥の可能性を知らせることができない。
【０００４】
この点に関して、機械構成体の固体本体の内側において、熱流が主に伝導によって伝わる点に注目すべきである。その流線は、熱が固体本体の内側において最高温度の等温線から最低温度の等温線に向かって伝導により伝わる軌道となる。熱流は、ある方向および所与の範囲を有するベクトルであるため、このベクトルの測定を可能にするためには、流線を辿り、これらの流線に沿った温度差の値を理解することが必要となる。
【０００５】
特に、機械構成体を通り流れる熱流の推定値は、熱流の伝播線に沿って生じる温度差を測定することにより取得され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の1つの目的は、2つの異なるエリア間の温度差の検出により機械構成体の内側の熱流を判定するように設計された高感度素子を備える固定要素を提供することである。固定要素の温度差を検出するように設計されたこの高感度素子は、有意な熱流の付近に位置決めされる。この方法で検出された温度差は、熱流に強く相関することとなる。
【０００７】
有利には、破壊および/または事故を回避するために、モニタリングシステムおよび/または制御システムが、航空機および自動車などの搭乗車両に設置されるべきである。前記モニタリングシステムおよび/または制御システムは、エンジンおよび機械構成体の内側または付近における動作欠陥の可能性を検出することが可能でなければならない。しかし、このタイプの車両では、重量および空間的な理由により、専用モニタリングシステムおよび/または制御システムの位置決めが、ベンチテストの実施が必要な場合および車両の使用中の両方において非常に困難である。
【０００８】
本発明の1つの目的は、上述の欠点を克服し、例えばエンジンの燃焼室、高温流体の存在または循環、キネマティックカップリングによりまたは制動部分により発生する摩擦などの熱源の付近に設置された機械構成体の動作をモニタリングすることが可能な固定要素を提供することである。
【０００９】
本発明の1つの目的は、小型でかつ過剰な高重量ではなく、前述の機械構成体内に予め存在する一般的な座部の内側で適用されるように設計された固定要素を提供することである。
【００１０】
以下の説明では、高感度素子を備える固定要素(ねじまたはスタッドなど)と、熱流が横断する機械構成体に対して前記固定要素を適用するための方法とを非限定的に参照する。明白ではあるが、この高感度素子は、例えばタイロッド等の、ねじまたはスタッド以外の固定要素内に内蔵されることが可能である。
【００１１】
本発明の1つの目的は、固定要素内に内蔵される高感度素子の使用と、機械構成体の内側の熱流を検出するための方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、添付の特許請求の範囲にしたがった固定要素、高感度素子の使用、および方法が提供される。
【００１３】
以下、本発明を、その非限定的な実施形態を図示する添付の図面を参照として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による固定要素の部分軸方向断面図である。
【図２】図1の固定要素の分解詳細図である。
【図３】本発明によるセンサの第1の変形例の平面図である。
【図４】本発明によるセンサの第1の変形例の底面図である。
【図５】図3および図4に示すセンサの変形例の電気回路図である。
【図６】本発明によるセンサの第2の変形例の平面詳細図である。
【図７】本発明によるセンサの第2の変形例の平面詳細図である。
【図８】本発明によるセンサの第2の変形例の平面詳細図である。
【図９】本発明によるセンサの第2の変形例の側面図である。
【図１０】本発明によるセンサの第2の変形例の電気回路図である。
【図１１】より明瞭にするために一部が除去された、本発明による高感度素子の第1の変形例の長手方向断面図である。
【図１２】図11と同様であり、本発明による高感度素子の第2の変形例を示す図である。
【図１３】本発明による固定要素の第1の変形例の部分長手方向断面図である。
【図１４】本発明による固定要素の第2の変形例の部分長手方向断面図である。
【図１５】動作構成にある固定要素の第1の変形例の部分断面図である。
【図１６】本発明による高感度素子の第3の変形例の不等角投影図である。
【図１７】本発明による高感度素子の第4の変形例の不等角投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図1では、番号1は、円筒状であり長手方向軸Lを有する本体2と、ヘッド3とを備えるねじ1の形態の固定要素を全体的に示す。図1によれば、ねじ1は、ヘッド3内に内蔵され本体2の起始点を画定するフランジ4を既知の様式で備える。好ましくは、ねじ1は、高い機械抵抗を有する材料群内で選択された材料から作製され、この材料群には、チタン、INCONEL(登録商標)として一般的に知られるニッケルクロム合金、MLX17(登録商標)として一般的に知られるX1CrNiMoAlTi12-11-2ステンレス鋼、MLX19(登録商標)として一般的に知られるX1NiCrMoAlTi12-10-2ステンレス鋼、13-8または15-5または17-4の間の析出硬化系ステンレス鋼、MP35N(登録商標)として一般的に知られるSi、19.00-21.00 Cr、33.00-37.00 Ni、9.00-11.00 Mo、最大1.00 Ti、0.01 B、最大1.00 Fe、残余量のCoという組成を有する鋼、例えばMARAGING300またはAERMET(登録商標)100などのMARAGING(登録商標)および/またはVASCOMAX(登録商標)として一般的に知られるニッケルおよびコバルトを含む鋼、AISI4340鋼、およびAISI304鋼が含まれる。
【００１６】
ねじ1は、空洞部5を有する。空洞部5は、軸Lに対して同軸状である。空洞部5は、ヘッド3を貫通して延在する。空洞部5は、ねじ1の負荷を軽減するように設計されるが、同時にねじ1をより脆弱にはせず、ねじ1の機械抵抗に著しくは悪影響を及ぼさない。空洞部5は、円形の断面を有する。
【００１７】
空洞部5は、ヘッド3の開口6を通じてねじ1の外部に対面する。空洞部5は、内方部分7および端部部分8を有し、端部部分8は、ヘッド3を貫通して延在し、内方部分7と開口6との間に位置する。以下でさらに詳細に説明するように、空洞部5の内方部分7は、内部に高感度素子9を収容することなどを可能にする寸法を有する。以下でさらに詳細に説明するように、端部部分8は、コネクタ22または電子デバイス26を収容することなどを可能にする寸法を有する。
【００１８】
さらに、ねじ1は雄ねじ山fを有する。
【００１９】
好ましくは、空洞部5の端部部分8は、内方部分7の直径よりも大きな直径を有する。
【００２０】
ねじ1は、空洞部5に挿入される高感度素子9を備える。以下でさらに詳細に説明するように、高感度素子9は、ねじ1の2つのエリアAとエリアBとの間の温度差を検出するように設計される。図1によれば、エリアAおよびBは、ねじ山fに沿って位置するが、これらはねじ1の特定の用途に応じて異なる配置がなされることも可能である。例えば、本明細書には示さない変形例によれば、エリアAは、ねじ山fの付近に配置され得るが、エリアBは、ヘッド3の付近に配置され得る。
【００２１】
一般的に述べれば、高感度素子9は、センサSと、各エリアAおよびBのならびにセンサSのそれぞれの高感度エリアの温度を均一にするように設計された手段とを備える。
【００２２】
図2では、Sbは、絶縁材料から作製された支持部14と、それぞれが導電材料から作製されるが異なる熱電係数を有する2つの部分15、16とを備えるセンサSを示す。
【００２３】
支持部14は、長手方向軸Mを有する薄プレートの形状を有し、相互に平行である2つの面10および11を有する。支持部14は、部分15と部分16との間に位置する。例えば、支持部14は、以下のもの、すなわちFR-4樹脂、カプトン、PTFE、ポリイミド、アルミナ、またはセラミックの中から選択される材料から既知の方法で作製される。部分15および16は、熱電対を形成するのに適した材料から作製され、例えば部分15がコンスタンタンから作製され、部分16が銅から作製される。
【００２４】
各部分15および16は、支持部14の面10および11にそれぞれ貼り付けられる。部分15は、コンスタンタン経路Pcc(例えば既知の印刷回路技術で製造された)を備える。同様に、部分16は、2つの銅経路Pcr(例えば既知の印刷回路技術で製造された)を備える。
【００２５】
支持部14は、バイア(例えば既知の印刷回路技術で製造された)として一般的に知られる複数の金属化された貫通穴17をさらに有する。穴17は、コンスタンタン経路Pccの端部付近に作製される。コンスタンタン経路Pccの各端部は、それぞれの金属化された穴17を介してそれぞれの銅経路Pcrと接続状態にあり、それにより熱電対接合部18を形成する。エリアAに対応して配置された熱電対接合部18は、接合部18aとして示され、エリアBに対応して作製された熱電対接合部18は、接合部18bとして示される。接合部18a、コンスタンタン経路Pcc、銅経路Pcr、および接合部18bから構成されるアセンブリが、熱電対19を形成する。
【００２６】
センサSbは、接触パッドの形態の銅面部分16中の接続部21と、制御ユニット23に対してケーブル20を介しておよび既知の方法で接続されるように設計されたコネクタ22(図1に図示)とをさらに備える。接続部21は、追加の熱電対(銅コンスタンタン接合部)の挿入を回避するために、換言すれば望ましくない寄生接合を回避するためにセンサSbの銅面内に作製される。
【００２７】
高感度素子9は、熱伝導材料から作製された2つの部分12aおよび12cをさらに備え、これらの部分12aおよび12cは、接合部18aおよび18bにそれぞれ対応してセンサSbと熱接触状態にある。
【００２８】
部分12aおよび12cが導電材料から作製される場合には、高感度素子9は、支持部14のそれぞれの面10および11に対してそれぞれ貼り付けられた一対の絶縁シート13をさらに備える。絶縁シート13は、センサSbと部分12aおよび12cとの間に位置し、代替的には、絶縁シート13は、エリアAおよびB内のセンサSb上にまたは部分12aおよび12cの表面上に塗布された絶縁コーティングに置き換えることが可能であり、これにより高感度素子9の電気回路が部分12aおよび12cから絶縁される。
【００２９】
部分12aおよび12cは、接合部18aおよび18bのならびにねじ1のエリアAおよびBの温度を均一にするように設計される。
【００３０】
好ましくは、高感度素子9は、例えば樹脂などの断熱材料から作製された部分12bを備え、これらの部分12bは、センサSbの外側に貼り付けられ、部分12aおよび12cを相互から断熱するように、および/または空洞部5の内側でセンサSb自体を中心に位置決めするように設計される。図2によれば、断熱材料から作製された部分12bは、熱伝導材料から作製された2つの部分12aと部分12cとの間に長手方向に配置される。
【００３１】
図1によれば、高感度素子9は、空洞部5に挿入され、軸Lに対して同軸状である。接合部18aおよび部分12aは、ねじ1のエリアA内(ねじ1のフット25の付近)に配置されるが、接合部18bおよび部分12cは、エリアB内に配置される。コネクタ22は、ヘッド3の端部部分8の内側に配置される。内方部分7および端部部分8の寸法は、高感度素子9およびコネクタ22を収容することなどを可能にするものである。
【００３２】
図3および図4では、S'は、センサSbに関して既に説明した同一の参照番号で依然として示される構成要素に加えて複数の隣接し合うコンスタンタン経路Pccを備えるセンサSの特定の実施形態を示す。隣接し合うコンスタンタン経路Pccの個数は、限定的なものではないが、図3に示す部分15は、具体的には3つのコンスタンタン経路Pccを備える。部分15は、エリアAおよびBの付近にそれぞれ作製された熱伝導体エリアZ1および熱伝導体エリアZ2をさらに有する。
【００３３】
図4によれば、部分16は、複数の隣接し合う銅経路Pcrを備え、銅経路Pcrの個数は、コンスタンタン経路Pccの個数と等しい。図4に示す部分16は、3つの銅経路Pcrを備える。部分15と同様に、部分16は、エリアAおよびBの付近にそれぞれ作製された熱伝導体エリアZ3および熱伝導体エリアZ4をさらに有する。
【００３４】
エリアZ1、Z2、Z3、およびZ4は、オプションであり、センサS'のそれぞれのエリアAおよびBに対応する温度を可能な限り均一にすることにより空洞部5のエリアAおよびBとの熱交換を改善するように設計される。
【００３５】
接合部18a、各コンスタンタン経路Pccおよび銅経路Pcr、ならびに各接合部18bから作製されるアセンブリは、熱電対19を形成する。図3および図4によれば、センサS'は、相互に直列接続された3つの熱電対19を備えることによってより高い信号をもたらす。図5は、図3および図4に示すセンサS'の電気回路図を示す。
【００３６】
図6〜図9では、S''は、センサSのさらなる実施形態を示し、センサSbおよびS'に関して上記で既に説明した共通の構成要素は、同一の参照番号で依然として示される。センサS''は、多層センサである。
【００３７】
具体的には、センサS''は、絶縁材料から作製された2つの支持部14aおよび14bと、導電材料から作製された部分15とを備え、部分15は、支持部14aと支持部14bとの間に位置する。好ましくは、部分15はコンスタンタンから作製される。
【００３８】
センサS''は、銅から作製された2つの部分16aおよび16bを備え、これらの部分16aおよび16bは、支持部14aおよび14b上にそれぞれ貼り付けられる。部分15は、複数の、具体的には5つのコンスタンタン経路Pccを全体として備える。図6および図8によれば、部分16aは、3つの銅経路Pcrを有するが、部分16bは、2つの銅経路Pcrを有する。部分16aと部分16bとの間において銅経路Pcr同士を分割させることにより、センサS''の内側の熱分布が可能な限り均一になる。さらに、部分16aおよび16bは、外部電気ユニットに対する接続部21aおよび21bをそれぞれ有する。センサS''は、5つの熱電対を有する。
【００３９】
部分16aおよび16bは、エリアA(R1およびR3)ならびにエリアB(R2およびR4)の両方のエリア内に作製されたパッドR、すなわちR1、R2、R3、R4を有する。パッドRは、熱伝導体であり、各エリアAおよびBに対応して温度均一性を改善するように設計される。パッドRは、接続部21bに接続され、具体的にはパッドR1およびR2は、図9に示すバイア35を介してR3およびR4に接続される。
【００４０】
さらに、部分15は、抵抗24を備え、この抵抗24は、エリアAの付近に配置され、バイア35を介して接続部21bに接続される。任意には、抵抗24の熱出力を上昇させるために、例えば表面実装技術(SMT)抵抗などの発熱抵抗をパッド上に設置することが可能である。
【００４１】
好ましくは、高感度素子9の内側にセンサS''を適用する場合に、部分12aおよび12cは、例えばパッドRすなわちR1、R2、R3、R4および抵抗24を少なくとも部分的に覆うためのものである延長部を有する。
【００４２】
任意には、ねじ1の用途タイプに応じて、抵抗24を作動停止させ(例えば放電により)、1つまたは複数の選択されたパッドR上に1つまたは複数の発熱抵抗(例えば表面実装技術SMT抵抗)を設けることが可能である。同様に、または代替的に、エリアBの付近に抵抗すなわち発熱素子を設けることが可能である。本明細書においては示さない変形例によれば、センサS''は、多層センサであり、抵抗24を備えない。
【００４３】
図10は、図6および図7に示すセンサS''の電気回路図を示す。
【００４４】
有利には、センサS''は、センサS''自体の厚み部分に対して対称位置に、抵抗24と熱電対接合部18とを有する。したがって、支持部14a、14bならびに部分15の配置により、抵抗24および接合部18がセンサS''自体の厚み部分に対して非対称である単相センサSb、S'に比べてより均一な、接続部21aへと送られる電気信号Vabの生成が可能となる。したがって、有利には、多層センサS''(抵抗24を有するまたは有さない)の電気信号Vabは、軸Lを中心とするおよび/または固定要素1の角度位置によって影響されない。
【００４５】
さらに、以下でさらに詳細に説明するように、抵抗24の存在により追加的な機能が可能となる。
【００４６】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9は、円筒形状を有し樹脂から作製された本体内で予め組み立てられ、この本体が、センサSと固定要素とセンサS自体との間の熱交換を促進するための手段とを適切に収容するか、または予め組み立てられた本体は、金属パイプに挿入され、この金属パイプが空洞部5に挿入されるのに適したものである。
【００４７】
本明細書においては示さない変形例によれば、固定要素は、例えばエリアAおよびBの付近に、少なくとも部分的に矩形である内方空洞部を有する。この場合に、有利には、高感度素子9は、固定要素1または101の形状とセンサSの形状とが対であることによって固定要素1または101の壁部との接触が確保されるため、部分12aおよび12cを必要としない。1つまたは複数のインサートが配置される円形空洞部から起始する矩形形状を有する空洞部が実現され得る。
【００４８】
任意には、センサSは、固定要素の空洞部に直接挿入され、エリアAおよびBの付近に例えば樹脂により固定される。換言すれば、センサSは、高感度素子である。
【００４９】
本明細書においては示さない変形例によれば、固定要素は空洞部を有し、この空洞部は、電気ケーブルにより外部と接続するセンサSを収容する。換言すれば、固定要素は、センサSおよびいくつかの電気ケーブルのみを備え、これらの電気ケーブルは、固定要素から外部に突出して固定要素の外側のユニットにセンサSを接続する。この場合に、空洞部は、固定要素の内側に収容されるべき構成要素の個数が最小限まで減少されるため、極めて小さいことが可能となる。
【００５０】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9およびセンサSは、固定要素1、101、201の所与の点にて絶対温度Tを検出するためのさらなる手段(例えばサーミスタ)を備える。
【００５１】
図11および図12は、高感度素子9の2つの変形例9'および9''を示す。図11によれば、高感度素子9'および9''は、鉱物酸化物粉末により相互から絶縁された金属導体の部分を収容する円筒状パイプ部分である。例えば、鉱物酸化物により絶縁されAEROPAK(登録商標)の名称で一般的に知られ市販される熱電対用のケーブルから起始する高感度素子9'および9''が製造される。
【００５２】
図11では、番号9'は、長手方向軸Mを有する外方管状本体50と長手方向内方空洞部51とを備える高感度素子9'を示す。高感度素子9'は、2つの導体52および導体53をさらに備え、これらは、空洞部51に少なくとも部分的に挿入される。導体52および53は、導電材料から作製されたワイヤである。各導体52は、導体53の各端部に接続されて熱電対接合部18aおよび18bをそれぞれ形成し、これらの熱電対接合部18aおよび18bは、固定要素1の内側の対応するエリアAおよびBに対応して配置されるように設計される。導体52および53は、それぞれ異なる材料から、特に異なる熱電特性を有する材料から作製される。例えば、導体52は、Ni-Cr合金(Chromel(登録商標)として一般的に知られる)から作製されるが、導体53は、Alumel(登録商標)として一般的に知られるNi-Al合金から作製される。
【００５３】
高感度素子9'は、空洞部51を充填し導体52および53を相互に絶縁するように設計された材料54をさらに含む。例えば、材料54は、MgO合金などの鉱物酸化物である。管状本体50から外に突出する導体52は、本明細書では示さない既知の様式でコネクタ(図示せず)に接続される。管状本体50の端部は、本明細書では示さない既知の様式で封止される。
【００５４】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9'は、さらなる導体を備え、導体52および53は、熱電対接合部18aのみに対応して相互に接続される。この場合には、導体52および53は、例えば銅から作製された各中間導体により外部コネクタに接続される。有利には、導体52および53は、エリアBに対応する中間導体に接続されて熱電対接合部18bを形成する。この点に関して、「中間金属の法則」によれば、中間導体を有する接合部は、等温線エリアとみなし得るエリアBに対応して相互に非常に近くに形成されるため寄生電圧効果を発生させないことに注目すべきである。
【００５５】
図12では、番号9''は、高感度素子9'と同様の高感度素子9''を示し、したがって高感度素子9'と共有される構成要素は、同一の参照番号で依然として示される。高感度素子9''は、複数の導体52および複数の導体53を有し、これらは本体50の内側で相互に直列接続されて、固定要素1のエリアAおよびBに対応して配置されるように設計された複数の熱電対接合部18aおよび18bを形成する。特に、図12に示す高感度素子9''は、2つの熱電対接合部18aおよび2つの熱電対接合部18bを備える。
【００５６】
上述の高感度素子9'および9''は、非常に小さな寸法を有する(それらの寸法が1ミリメートル未満であることが可能である)という利点を有し、したがって高感度素子9'および9''は、小型固定要素1の内側での適用に特に適する。
【００５７】
高感度素子9'および9''は、例えば300℃超の温度などの高温に耐え得るというさらなる利点を有する。
【００５８】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9'および9''は、それぞれが1つまたは複数の熱電対接合部18aまたは18bの付近に配置された1つまたは複数の抵抗を備える。
【００５９】
図16では、番号9'''は、高感度素子の異なる実施形態を示す。高感度素子9'''は、高感度素子9と同様であり、したがって高感度素子9と共有される構成要素は、同一の参照番号で依然として示される。高感度素子9'''は、可撓性の絶縁支持部14を、すなわち損傷を被ることなくそれ自体の上に折り曲げられ得る材料シートを備える。有利には、支持部14は、折り曲げられて、内側が中空であり固定要素1の円筒状空洞部に挿入され得る高感度シリンダ60を形成する。そうすることにより、固定要素1の本体2との直接接触を実現することが可能となり、したがって熱交換が改善される。熱電対接合部18aおよび18bは、エリアAおよびBに対応して配置されるように支持部14上に作製される。明白ではあるが、支持部14は、各エリアAおよびBに対して複数の熱電対接合部18aおよび18bをそれぞれ備えることが可能である。
【００６０】
支持部14が円筒形状であることにより、高感度素子9'''は、特にエリアAおよびBに対応して固定要素1と接触状態にあるより大きな表面を有する。したがって、それぞれエリアAおよびBに対応してより多数の熱電対接合部18aおよび18bを設けることが可能である。このようにすることで、有利には、信号Vabはさらに増幅され、さらには、熱電対接合部18aおよび18bが高感度素子9'''の支持部14の周囲に沿って均一に分布され、結果として熱電対接合部18aおよび18bがそれぞれエリアAおよびBに対応する固定要素1の周囲全体において温度を検出するのに適したものになることによって、より高い温度均一性が得られる。
【００６１】
支持部14は、単相支持部または多層支持部であることが可能である。例えば、支持部14は、図3〜図10に示すものと同様の多層構造を有することが可能であり、すなわち複数の支持部(図6〜図10の14aおよび14b)を備えることが可能である。
【００６２】
有利には、支持部14は、可撓性印刷回路のまたは薄膜の技術を用いて製造され得る。有利には、薄膜技術の利用により、製造業者は高温に対して特に耐性を有する支持部14を実現することが可能となる。
【００６３】
図16に示す例によれば、熱電対接合部18aおよび18bは、貫通接合部であり、すなわちバイアにより形成され、支持部14は、さらに外方に面した、すなわち使用時に支持部14と固定要素1との間に位置する経路P(取り立てて区別することなくコンスタンタンまたは銅から作製される)を有する。したがって、この場合に、高感度シリンダ60は、有利には樹脂または接着剤により固定要素1の空洞部5の内側に固定される。有利には、空洞部5は、絶縁材料層(既知であり図示しない)で被覆され、この絶縁材料層は、使用時には固定要素1と高感度素子9'''との間に位置するように設計される。代替的には、高感度シリンダ60は、絶縁材料(図示せず)で外部被覆される。
【００６４】
図17では、番号9''''は、図16に示す高感度素子9'''の変形例を示す。図17では、高感度素子9および9'''と共有される要素は、同一の参照番号で依然として示される。
【００６５】
高感度素子9'''に関して上述したものと同様に、高感度素子9''''の支持部14もまた可撓性材料から作製される。
【００６６】
図17に示す例の熱電対接合部18aおよび18bは、支持部14の内方表面上にすべて作製され、すなわち熱電対接合部18aおよび18bは、バイアによる支持部14中の貫通接合部となるようには製造されず、対照的に、金属化によってまたは印刷回路もしくは薄膜デバイスの製造から知られる技術を用いて支持部14の単一面上に配置された、熱電的に異なる2つの材料から作製された導電経路に端部にて単に重畳することによって製造される点に注目すべきである。この場合に、有利には、高感度素子9''''の可撓性支持部14は、固定要素1からの絶縁材料として機能する。
【００６７】
有利には、高感度素子9'''および9''''では、エリアAおよびBの周囲全体における熱電対接合部18aおよび18bの分布により、製造業者は和信号を実現することが可能となり、この和信号は、エリアAおよびBのサブエリア内で生じ得る温度差をすべて考慮したものとなり、したがって言わばマクロエリアAおよびBの温度が平均化される。
【００６８】
図16および図17によれば、高感度素子9'''または9''''は、絶縁材料から作製された絶縁シリンダ61をさらに備え、この絶縁シリンダ61は、機械的に弾性または拡張性である。絶縁シリンダ61は、高感度シリンダ60に挿入され、固定要素1の空洞部5の壁部に対して高感度シリンダ60を圧迫することにより、高感度素子9'''もしくは9''''自体の接続のための接着剤もしくは樹脂の使用を回避させるか、または接着ステップ中に固定要素1に対して高感度素子9'''もしくは9''''を圧迫した状態に維持するように設計される。
【００６９】
好ましくは、絶縁シリンダ61は、1W/mK未満の低い熱伝導性を有する材料から作製されることにより、エリアAおよびBの付近のならびに熱電対接合部18aおよび18bの付近の温度を変化させない。
【００７０】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9'''および9''''は、絶縁シリンダ61を備えず、それぞれの支持部14は、接着剤または樹脂によりそれぞれの固定要素1の空洞部5に直接固定される。
【００７１】
本明細書においては示さない変形例によれば、絶縁シリンダを有さない高感度素子9'''および9''''は、それぞれの固定要素の周囲に嵌められ、すなわちそれぞれの固定要素の外部上に設置され、検出データが固定要素の外部上の温度により影響を被らないように適切に絶縁される。
【００７２】
図13では、番号101は、ねじ1の変形例を示す。ねじ101は、空洞部5に挿入された高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、S(上述の変形例の中から選択される)を備える。ねじ101は、図13においても同一の参照番号により依然として示されるねじ1に関して既述の構成要素に加えて、およびコネクタ22の代わりとして、電子デバイス26を備え、この電子デバイス26は、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sにより検出された信号を取得および再処理するために高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sに接続される信号処理セクション27、(既知の)無線通信手段31を備える、外部制御ユニット30にデジタル形式信号を送信するためのブルートゥース(登録商標)モジュールまたはWiFiモジュールなどの無線通信セクション29、バッテリ電源セクション33、および/または例えばペルチェマイクロ発電機などの環境発電セクション34を備える。
【００７３】
有利には、バッテリ電源セクション33および/または環境発電セクション34は、無線電源と置換され得るまたは組み合わされ得る。例えば、本明細書においては示さない変形例によれば、固定要素1は、使用時に外方に面するように設計された誘導子(図示せず)を備えることが可能であり、同様に、測定デバイスが、固定要素のヘッドの付近にすなわちヘッドから数ミリメートルの距離をおいて配置されて、その時のみ固定要素1に内蔵された回路に電力を供給するように、ならびに同時にデータ交換およびさらに場合によっては電池または電気エネルギー貯蔵要素の再充電に対処するように設計された誘導子を備えることが可能である。
【００７４】
任意には、電子デバイス26は、デジタル形式で信号を記憶するためのメモリセクション28、および/または場合により存在し得る抵抗24を制御するための制御セクション32を備え得る。
【００７５】
電子デバイス26は、制御ユニット30に前記データを通信するために高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sにより取得されたデータを取得、記憶、および送信するように設計される。
【００７６】
図13によれば、電子デバイス26は、端部部分8のヘッド3に挿入される。
【００７７】
本明細書においては示さない変形例によれば、電子デバイス26は、ねじ1の外部に少なくとも部分的に固定され、例えばペルチェマイクロ発電機および/または無線通信/電源手段および/または環境発電セクション34が、ねじ1から外方に突出することが可能である。
【００７８】
図14では、番号201は、スタッドの形態のねじ1の変形例を示す。
【００７９】
スタッド201は、長手方向軸Lを有する本体202を備え、実質的に円筒状の形状を有する。スタッド201は、2つのねじ山f1およびf2を既知の様式で有し、これらのねじ山は、本体202の端部203および204のそれぞれに対応して形成される。
【００８０】
本体202は、円筒形状を有する長手方向貫通空洞部205を有する。スタッド201は、空洞部205に挿入された高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、S(上述の変形例の中から選択される)を備える。図14によれば、空洞部205は、例えばねじ101に関して上述したタイプの電子デバイス26などを収容することを可能にするより大きな断面を有する端部部分204を有する。好ましくは、ハウジング208は、機械構成体から外方に突出するように設計され応力を被るおそれがないスタッド201のエリアに形成される。
【００８１】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sは、固定要素の外部上に設置され、検出データが固定要素の外部上の温度により影響を被らないように適切に絶縁される。
【００８２】
図15によれば、固定要素、すなわちこの場合にはねじ101は、熱流線Fで示される流れ方向に熱流が流通する2つの構成要素41、42の接続のために機械構成体40の既存の座部39内に設置されることが可能である。
【００８３】
使用時に、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sは、固定要素1、101、201のエリアAおよびBに対応する等温線の温度Taと温度Tbとの間の差に比例する信号を供給する。換言すれば、図15に示す例によれば、接合部18aおよび接合部18bで検出される温度差Tは、エリアAとエリアBとの間のねじ101に対応する機械構成体の内側における熱流Fの関数となる。
【００８４】
具体的には、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sにより出力されるマイクロボルト電圧信号Vabは、以下の等式により得られる。
【００８５】
Vab=n*(Sc1-Sc2)*(Ta-Tb)
【００８６】
ここで、nは、熱電対19の個数である。
【００８７】
Sc1は、例えば銅経路Pcrの銅などの、熱電対の導体のゼーベック係数である。
【００８８】
Sc2は、例えばコンスタンタン経路Pccのコンスタンタンなどの、熱電対の他の導体のゼーベック係数である。
【００８９】
Taは、エリアAに対応する熱電対接合部18aの温度である。
【００９０】
Tbは、エリアBに対応する熱電対接合部18bの温度である。
【００９１】
コンスタンタンの場合に、ゼーベック係数は、約-35[μV/K]であるが、銅のゼーベック係数は、約6.5[μV/K]である。熱電対19に使用される材料としてコンスタンタンおよび銅を選択することにより、製造業者は、他の材料を選択した場合に比べて所望の温度範囲内でより均一な展開を有する高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sの信号Vabを実現することが可能となる。
【００９２】
熱電対19は、温度差(Ta-Tb)に関する信号Vabを送達するために電力を供給されることを必要とせず(サーミスタの使用で起きる場合とは異なる)、したがって熱電対19の使用は、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sが電池または容量に限度のあるエネルギー源(環境発電の場合と同様の)により電力供給される場合には特に有利である点に注目すべきである。
【００９３】
検出信号Vabは、デバイス26により無線モードで制御ユニット30に送信され、代替的には、図1に示すシステムが使用される場合には、信号は、ケーブル20により送信される(例えば機械構成体のベンチテストの場合など)。制御ユニット30、23は、信号Vabを処理し、例えばしきい値が超過された場合などに警告信号を発する。
【００９４】
有利には、単一の高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sの内側の温度差(Ta-Tb)に関する信号を生成することにより、製造業者は、極めて安価、軽量、容易、かつ高速にならびに小空間内において、固定要素が設置される機械構成体40の動作に関する結果を取得することが可能となる。
【００９５】
実際に、検出信号Vabを用いて取得される曲線の勾配は、所与の温度が変化している速度と、その結果として機械構成体40が被るおそれのある熱応力とを示す。
【００９６】
さらに、有利には、エリアAまたはBの一方を加熱するために作動される1つまたは複数の加熱素子(例えば専用パッド上に実装された抵抗24または1つまたは複数のSMT抵抗)を備えるセンサSを使用する場合に、固定要素1、101、201の正確な締め付けを判定することが可能である。そうすることにより、機械構成体40と固定要素1、101、201との間の熱交換の関数として変動する信号Vab(同一の環境条件を前提とする)が取得される(固定要素と機械構成体との間の熱抵抗の変動により引き起こされる導体を介した放熱差に起因する)。換言すれば、タイプS''のセンサを使用する場合には、抵抗24が作動されると信号Vabを使用して機械構成体40内の固定要素1、101、201の正確な締め付け(またはその欠陥)を判定することが可能となる。明白ではあるが、同様のことが、抵抗の適用を伴う上述のおよび本明細書には示さない他の解決策のすべてに対しても当てはまる。
【００９７】
上述のセンサS、Sb、S' e S''は、以下の利点を、すなわち高い再現性および時間安定性、低いエネルギー消費(ヒータを有さないセンサの場合)、使用温度範囲における良好な直線性、ならびに比較的低いコストという利点をさらに有する。
【００９８】
本明細書においては示さない変形例によれば、固定要素は、高感度素子9または9'の代わりに、例えばPt100サーミスタまたはPt1000サーミスタ(抵抗温度検出器RTDとして一般的に知られる)などの一対の絶対温度検出器を備える。しかし、このタイプのシステムは、上述のものと同様の高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sの製造コストよりも高い製造コストを伴い、サーミスタは、電力を供給される必要がある(消費およびコストの上昇)。
【００９９】
本明細書においては示さない変形例によれば、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sは、サーミスタを、特にPt100サーミスタまたはPt1000サーミスタを加熱素子として備える。この点に関して、Pt100サーミスタまたはPt1000サーミスタは、温度に基づき抵抗値を変化させ、電力すなわち少なくとも10mWの電力、好ましくは50mW〜1Wの範囲の電力を適切に供給される場合にはヒータとしても機能し得る抵抗である点に注目すべきである。したがって、サーミスタ、特にPt100サーミスタまたはPt1000サーミスタを追加することにより、上記に示す温度勾配の測定を可能にすることに加えて、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、SがエリアAおよびBの絶対温度を測定し、螺脱を検出することもまた可能となる。サーミスタをヒータとしてまたは絶対温度測定器として二者択一的に使用することを可能にする電子制御装置を採用することが可能である。したがって、センサSが、加熱素子として機能するサーミスタを備える場合には、サーミスタは、電力を供給されることによりヒータとしてまたはエリアAもしくはBの絶対温度検出器として二者択一的に作動することが可能である。
【０１００】
明白ではあるが、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sは、ねじ1、101およびスタッド201(タイロッド等の)以外の固定要素の内側または外側に取り付けられ得る。
【０１０１】
固定要素(ねじ1、101またはスタッド201など)の使用により、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sは、機械構成体40自体内に通常は予め存在する座部39を使用して、例えばエンジン/自動マシンの構成要素/キネマティックカップリングなどの制御すべき機械構成体40の付近に位置決めされることが可能となる。さらに、本発明による固定要素1、101、201は、規格寸法を有し、既に使用されている同様の固定要素と置き換えることが可能である。そうすることにより、固定要素1、101、201は、既存の機械構成体40の内側に設置されることも可能となり、それにより必要な場合には既に使用されている固定要素との置換物として設置時間および設置コストを最小限に抑える。さらに、極めて小さな寸法の高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sの場合には、固定要素1、101、201の体積および重量を最小限まで低下させることが可能となる。
【０１０２】
上記に示した材料(チタン、INCONEL(登録商標)として一般的に知られるニッケルクロム合金、MLX17(登録商標)として一般的に知られるX1CrNiMoAlTi12-11-2ステンレス鋼、MLX19(登録商標)として一般的に知られるX1NiCrMoAlTi12-10-2ステンレス鋼、13-8または15-5または17-4の間の析出硬化系ステンレス鋼、MP35N(登録商標)として一般的に知られるSi、19.00-21.00 Cr、33.00-37.00 Ni、9.00-11.00 Mo、最大1.00 Ti、0.01 B、最大1.00 Fe、残余量のCoという組成を有する鋼、例えばMARAGING300またはAERMET(登録商標)100などのMARAGING(登録商標)および/またはVASCOMAX(登録商標)として一般的に知られるニッケルおよびコバルトを含む鋼、AISI4340鋼、およびAISI304鋼)から作製された固定要素1、101、201は、低重量を、また同時に高い機械抵抗を特徴とする。したがって、上記に示した材料の中の1つから作製された固定要素1、101、201は、重量のおよび/または寸法の低下を必要とする機械構成体内で使用されることが可能であり、また同時に航空用途またはスポーツカー/レーシングカーの用途において生じる高い機械抵抗を確保する。
【０１０３】
さらに、上記に示した材料の使用により、製造業者は、高感度素子9、9'、9''、9'''、9''''、Sを設置することを可能にするために固定要素1、101、201の内部を軽量化することが、また同時に内方軽量化空洞部5があるにもかかわらず固定要素1、101、201の機械抵抗を確保することが可能となる。明白ではあるが、軽量化空洞部5の最大形状および最大寸法は、設計データ、特に固定要素1、101、201により確保されるべき最大荷重および応力抵抗に応じて確立される。
【符号の説明】
【０１０４】
1  固定要素、ねじ
2  本体
3  ヘッド
4  フランジ
5  空洞部
6  開口
7  内方部分
8  端部部分
9  高感度素子
9'  高感度素子
9''  高感度素子
9'''  高感度素子
9''''  高感度素子
S  高感度素子
10  面
11  面
12a  部分
12b  部分
12c  部分
13  絶縁シート
14  支持部
14a  支持部
14b  支持部
15  部分
16  部分、銅面部分
16a  部分
17  貫通穴
18  熱電対接合部
18a  接合部
18b  接合部
19  熱電対
20  ケーブル
21  接続部
21a  接続部
21b  接続部
22  コネクタ
23  制御ユニット
24  抵抗
25  フット
26  電子デバイス
27  信号処理セクション
28  メモリセクション
29  無線通信セクション
30  外部制御ユニット
31  無線通信手段
32  制御セクション
33  バッテリ電源セクション
34  環境発電セクション
35  バイア
39  座部
40  機械構成体
41  構成要素
42  構成要素
50  外方管状本体
51  長手方向内方空洞部
52  導体
53  導体
54  材料
60  高感度シリンダ
61  絶縁シリンダ
101  固定要素、ねじ
201  固定要素、スタッド
202  本体
203  端部
204  端部
205  長手方向貫通空洞部
208  ハウジング
S  センサ
Sb  センサ
S'  センサ
S''  センサ、多層センサ
F  熱流線、熱流
f  雄ねじ山
f1  ねじ山
f2  ねじ山
L  長手方向軸
M  長手方向軸
P  経路
Pcc  コンスタンタン経路
Pcr  銅経路
A  エリア
B  エリア
Z1  熱伝導体エリア
Z2  熱伝導体エリア
Z3  熱伝導体エリア
Z4  熱伝導体エリア
Vab  マイクロボルト電圧信号
R  パッド
R1  パッド
R2  パッド
R3  パッド
R4  パッド
T  絶対温度
Ta  温度
Tb  温度
【図１】
2018516376.tif 000003
【図２】
2018516376.tif 000004
【図３】
2018516376.tif 000005
【図４】
2018516376.tif 000006
【図５】
2018516376.tif 000007
【図６】
2018516376.tif 000008
【図７】
2018516376.tif 000009
【図８】
2018516376.tif 000010
【図９】
2018516376.tif 000011
【図１０】
2018516376.tif 000012
【図１１】
2018516376.tif 000013
【図１２】
2018516376.tif 000014
【図１３】
2018516376.tif 000015
【図１４】
2018516376.tif 000016
【図１５】
2018516376.tif 000017
【図１６】
2018516376.tif 000018
【図１７】
2018516376.tif 000019
【国際調査報告】
2018516376.tif 000020
2018516376.tif 000021
2018516376.tif 000022