CN113795711B - 温度传感器以及包括气体燃烧器和温度传感器的组件 - Google Patents

Abstract

一种用于气体燃烧器(2)的温度传感器(1)，该温度传感器具有包括电导体(15)的热电偶(11)以及连接至与这样的热电偶(11)的自由端部(18)相关联的燃烧器(2)的连接元件(12)，所述连接元件(12)适合于插入在燃烧器(2)的壁(4)的内部形成的传感器的坐置部(8)内部，并且连接元件具有适合于放置在燃烧器(2)的外表面(6)处的第一端部(26)，所述热电偶(11)插入连接元件(12)的盲孔(29)内部，盲孔在所述连接元件(12)的第二端部(28)处开口。所述盲孔(29)以至少一部分(31)朝向孔(29)的端部区域(K)会聚的方式终止，所述部分(31)与插入连接元件内部的热电偶(11)接触，连接元件(12)由铁‑铬‑铝合金制成。还要求保护了一种包括这种温度传感器和燃烧器的组件。

Description

温度传感器以及包括气体燃烧器和温度传感器的组件

技术领域

根据温度传感器和组件的对应的独立权利要求的前序部分，本发明的目的是用于气体燃烧器的温度传感器以及包括气体燃烧器和这种传感器的组件。

背景技术

如上所述，本发明涉及适用于评估产生火焰的气体燃烧器的表面温度的温度传感器。这既是出于安全原因、比如评估火焰的存在或评估异常燃烧条件以便恰当地控制空气-气体混合物向燃烧器的供给，又是为了获得燃烧器的根据用户需要的运行。另外，从污染规则的角度来看，这样的传感器使燃烧器能够在设想的最佳限制内运行。该燃烧器是用于家用、商业或工业应用的燃烧器，并且设置有这样的温度传感器。

已知用于测量燃烧器的温度的几种模式，但是所有这些解决方案具有技术缺陷，这些技术缺陷降低了模式的适用性、性能以及可靠性。这些缺陷既由燃烧器-温度传感器组件和/或仅温度传感器(包括具有电导体的热电偶)在运行时所处的物理化学条件决定，又由传感器-燃烧器组件的制造过程相关的技术难点决定。

根据这些解决方案中的一个解决方案，传感器的电导体直接焊接至燃烧器的表面。然而，将传感器焊接至燃烧器的过程是非常困难的，因为构成传感器的材料(例如，广泛使用的用于热电偶的镍铬合金和铝镍合金，或被称为K型材料)通常与构成燃烧器的材料(例如，不锈钢)不相容。因此，在部件之间的接合区域中可以形成硬且脆的金属间化合物，该金属间化合物不会促进焊接均匀性并且从而危害部件的机械特性。

此外，可靠性和性能受传感器的敏感元件所达到的最高温度(可能达到并且超过900℃)、在温度稳定状态下传感器-燃烧器组件的不同部分之间的热梯度、以及受制于所属的应用的操作模式的组件本身的热瞬变的影响。

此外，系统或传感器-燃烧器组件可以接触的物质主要是空气、气体燃料和燃烧产物。作为示例，在一些操作步骤期间，与水蒸气或与液态水的接触会协同加重金属的氧化，并且因此加重系统的功能劣化。此类劣化可能涉及系统的部分部件的机械特性、部件的化学成分的改变以及读取信号的随之修改或其他已知的缺陷。

因此，将温度传感器的电导体焊接在燃烧器的表面上的已知解决方案受制于所有的上述问题，这些问题可能决定从传感器输出的温度信号的改变以及焊接区域附近的裂纹和破坏的增长趋势。此外，在该实施方式中，限定温度传感器的热电偶的定位精确度受到限制，这影响了读取信号的可重复性和质量。

EP2330346公开了将温度传感器或热电偶固定至燃烧器的不同方式。根据EP2330346，热电偶与布置在热电偶的自由端部处的金属元件或头部相关联；这种头部具有适用于布置到需要测量温度的环境(燃烧器表面)中的前端部和具有其中安装热电偶的坐置部的后侧部。头部具有与这样的坐置部对应的并且在坐置部的封闭侧部、即所述坐置部的端部内的两个孔，所述两个孔适用于容纳热电偶的从热电偶本身的终端伸出的两个导体。这种情况允许将这样的导体放置成与头部直接接触，使得当头部从燃烧器(通常具有圆筒形或弧形板形状)的内侧部插入到在燃烧器部件中形成的适当坐置部(即通孔)中时，以便直接评估由头部本身评估的温度。

根据该解决方案，热电偶与燃烧器之间的联接更简单且更容易，并且整个温度传感器(包括热电偶和金属头部)的布置方式使得可以有效评估燃烧器的温度。然而，将金属导体(其横截面非常小)插入到头部的孔内的操作是不易执行的操作，需要非常小心注意，并且如果以错误或部分的方式进行这种插入，则这还可能是通过传感器读取温度的误差来源。因此，已知的解决方案不仅从经济角度而且从结构角度来看都具有劣势。

此外，EP2330346公开了上述金属头部由与燃烧器表面相同的材料制成；该材料会影响头部本身承受的热疲劳的抵抗性、料材与燃烧器的可焊性，并且还影响该材料与制成热电偶的杆的材料(例如，铬镍铁合金)的相容性。

将导体封装在保护元件(比如一个或更多管状金属护套或编织保护物)内并且浸入到绝缘材料(通常为氧化镁)中的此类热电偶传感器是已知的。

该解决方案防止热电偶的导体直接焊接至燃烧器的表面，防止导体本身直接暴露于热电偶运行的环境中，并且将结构功能移交给外部保护元件。然而，在该情况下也是如此，如果希望将这种热电偶应用于燃烧器，则会出现许多缺点。

首先，这种传感器的形状在长度上是圆柱形，并且传感器的端部部分是球状的；因此，传感器或其端部部分不能以精确且可重复的方式插入到在燃烧器的板中形成的孔内。另外，在这种情况下也是如此，如果热电偶的保护元件必须焊接至燃烧器的金属板，则会出现可焊性问题，因为它们的组成材料不相容并且不能有效焊接(例如，在下述很常见的情况下，护套形状的保护元件由铬镍铁合金制成而燃烧器由不锈钢制成)。事实上，形成热电偶和燃烧器的所述材料彼此不同，因为元件受到不同的物理/化学应力并且元件的功能也不同。

最后，热电偶的保护元件的厚度通常非常薄(例如小于1mm，经常小于0.5mm)，因此这种元件的焊接是很难完成的，并且存在在焊接操作(由激光系统或使用其他技术执行)期间元件将被穿孔的实际可能性。

US5999081公开了温度测量系统，该温度测量系统包括电阻式温度传感器(也被称为RTD或电阻式温度探测器)，该电阻式温度传感器是替代用于测量本体温度的热电偶的装置；与热电偶相比，这种RTD是能够输出更准确的测量值的装置，尽管通常时间较慢。

可以设想的是，放置RTD的壳体(通过陶瓷水泥固定至壳体)带有外螺纹，以用于安装在需要测量其温度的本体的孔中。

根据US5999081的温度传感器的类型相对于在EP2330346中公开的温度传感器的类型完全不同。这是为何在EP2330346中公开的金属头部不能在US5999081中使用，因为根据该发明的温度敏感元件完全位于温度传感器壳体内部，并且该温度敏感元件不能插入在EP2330346中所描述的头部的孔中。因此，当头部插入燃烧器坐置部中时，所述温度敏感元件将不能通过所述头部直接评估“感觉”的温度。

根据US5999081的温度传感器的类型与在EP2330346中描述的温度传感器的类型不同，并且在所述温度传感器上使用EP2330346中描述的头部将不能保证正确且精准地测量燃烧器温度。

另外，根据US5999081的温度传感器在高达300℃的最高温度下操作，该温度远低于在燃烧器表面上达到的温度。因此，美国专利的解决方案不适用于在燃烧器中使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度传感器，当该温度传感器应用于气体燃烧器时，该温度传感器克服了已知传感器的缺陷。

特别地，本发明的目的是提供一种温度传感器，该温度传感器使得高定位可重复性、高信号读取和结构功能可靠性和耐久性成为可能，以及不存在与材料相容性和可焊性相关的问题。

另一目的是提供一种用于评估燃烧器的温度的温度传感器，该温度传感器能够减少在传感器焊接/组装步骤期间出现的问题。

通过根据权利要求1的温度传感器来实现对于本领域技术人员将是明显的这些目的和其他目的。

本发明的目的还提供一种包括温度传感器和燃烧器的组件，该组件具有快速组装、安全使用、高耐久性和高测量可重复性(随着时间的可重复性和在相同的制造过程的不同元件之间的可重复性)的特征，并且该组件提供燃烧器的最佳控制，以便根据污染规则使燃烧器保持在工作极限内。

另一目的是提供一种包括温度传感器和燃烧器的组件，其中，这样的传感器能够最佳地执行其作为用于燃烧器操作的控制和安全装置的功能。

通过根据对应的独立权利要求的包括温度传感器和燃烧器的组件来实现对于本领域技术人员将是明显的这些目的以及甚至其他目的。

附图说明

为了能够更好地理解本发明，在此仅出于示例性而非限制性的目的附有以下附图，在附图中：

图1是根据本发明的包括温度传感器和燃烧器的系统的局部横截面图；

图2是图1中用A标识的部分的局部放大图；

图3示出了根据本发明的温度传感器的立体分解图；

图4示出了在图2中描绘的温度传感器的端部的放大图；以及

图5示出了对根据本发明的温度传感器的一部分进行限定的热电偶的端部部分的横截面图。

具体实施方式

参照上述附图，温度传感器总体上用附图标记1指示，并且温度传感器与燃烧器2相关联，通过非限制性示例，燃烧器2具有圆筒形形状。该燃烧器具有：在内部的内腔或部件3，传感器1插入该内腔或部件3；(双)壁4，在图中所示的实施方式中，壁4具有彼此相互隔开的内部部分5和外部部分6；当以已知的方式向燃烧器供给空气-气体混合物时，火焰在部分6的下游形成。不言而喻，壁4也可以是单一的并且只有一个部分。

燃烧器在其壁4的内部具有坐置部8，该坐置部8适用于保持温度传感器的端部部分10。温度传感器可以由热电偶、热敏电阻或等效温度转换器装置限定。在本文件中，为了简单起见，转换器装置将总是由术语“热电偶”标识，在任何情况下，该术语应以其最广泛的形式理解，包括所有等效的温度转换器装置。

因此，温度传感器1包括热电偶11和连接元件12，连接元件12放置在温度传感器1的端部部分10处，并且连接元件12适用于插入燃烧器的壁4的坐置部8中，以便将传感器1约束至坐置部8。

热电偶11包括通过矿物氧化物16彼此隔开的两个金属导体15，在图中的示例中，矿物氧化物16和两个金属导体15都被由已知的金属保护套17限定的保护元件包围。所述导体可以焊接至热电偶11的头部或自由端部18，从而制造所谓的接地结热电偶，或者所述导体可以在与所述头部18没有任何接触的情况下焊接至彼此，从而制造所谓的绝缘结热电偶。

热电偶的头部18插入到连接元件中。该连接元件12被方便地成形并且可以具有适用于与壁4适当地配合的任何形状(例如圆柱形、椭圆形、正方形或其他形状)。因此，元件12适用于保持热电偶11并且将热电偶11与燃烧器的外部部分6接合。

元件12包括第一部分20，该第一部分20成形成使得通过干涉配合与燃烧器2的壁4接合，使元件12位于形成在壁4中的坐置部8的中心(在图中示出为通孔)，并且同时提供传感器在轴向方向上的正确且精准的定位。

更具体地，元件12包括具有第一端部26的本体23，该第一端部26适合于布置成与燃烧器的壁4的外表面6共面，该端部26是部分20的自身部分。本体23包括第二部分27，第二部分27具有足以将其自身与热电偶11正确地联接的长度，而不会过度地增加热质量(并且因此增加惯性)，并且不会导致过多的成本。例如，具有2mm的直径的热电偶的元件的轴向长度被限定成3mm。部分27的该长度大概在热电偶的直径的大约0.70倍至2.30倍的范围内。部分27在本体自身的第二端部28处终止，在第二端部28处开有坐置部或盲孔29，该坐置部或盲孔29适用于接纳热电偶11的头部18。

连接元件12并且因此整个传感器1可以通过焊接操作(便利地，但不限于激光技术)或其他方式(焊合、机械变形等)固定至壁4。连接元件12可以通过机械变形便利地固定至热电偶11，但也可以通过焊接、焊合或其他方式固定至热电偶11。还可能同时使用几种锚固方法(例如，机械变形和激光点焊一起)。

因此，元件12在管状和中空部分27中具有圆筒形形状；该部分与也是圆柱形部分20一起行进，部分20的横截面(或直径)小于部分27的横截面(或直径)，从而形成适合于阻止元件12插入到燃烧器的壁4的坐置部8中的阶状部50。不言而喻，部分20相对于部分27的长度受制于坐置部8。

用于热电偶的坐置部29是盲坐置部，并且在图中所描绘的实施方式中，该坐置部29对应于具有至少一个端部部分31的本体23而终止，所述至少一个端部部分31朝向热电偶的纵向轴线W会聚或成角度。该部分可能呈截锥形或圆锥形、角锥形、球形或其他形状，其中，几个面会聚至单个点或端部区域K。所述部分31的锥度(即由部分31的壁会聚至区域或点K、或会聚至传感器1的纵向轴线W形成的倾角或角度)范围为0°至75°，并且使热电偶的头部18能够接触进而横向搁置于部分31的至少一部分、并且沿着元件12的第二部分27的坐置部29的其余壁搁置，从而产生与所述连接元件12的宽的热交换区域，并且防止金属导体15被直接地插入并且连接至元件12本身。这有利于传感器1(即热电偶11和元件12)的组装，并且提供热量通过连接元件从燃烧器至热电偶11的导体15的最优传递，从而增加了整个传感器1随着时间的可靠性，并且因此增加了测量燃烧器2的壁4的温度的精确度。

在该实施方式的一个变型中，坐置部29可以具有呈不同形状的端部部分31：例如，端部部分31可以相对于轴线W发散并且具有钎焊材料或者具有与图中所示的相反的凹部。

在该实施方式的另一变型中，元件12的坐置部29的构型和热电偶的头部18的构型在宽的表面(所述坐置部的环形部)上可能甚至不完全地匹配；这也是用于制造传感器1的方法的结果。实际上，在制造步骤期间，连接元件12接纳热电偶11并且通过已经描述的方法中的任何方法固定至热电偶11；所述元件12的外壁也可能在径向方向上受到机械应力(“锤击”)，以便在热电偶18的外表面与坐置部29之间获得干涉配合。

因此，由于以上所说明的原因，热电偶与连接元件之间的接触可能不连续。无论如何，不考虑这种接触是连续还是不连续，在本文中，所述部分之间的配合将总是统称为“接触”(“接触”或“通过接触”)。

在一个实施方式中，特别适合于将由铬镍铁合金(或镍-铬-铝基合金)制成的单护套热电偶11应用于由不锈钢(例如，铁素体，添加了铝或任何铁-铬-铝合金的铁素体)制成的预混合型的圆筒形燃烧器，连接元件12具有上述几何特征并且有利地由Kantal D(或另一铁-铬-铝合金)制成。

以所述材料存在的连接元件12具有方便选择的形状和尺寸，降低或消除了材料之间的相容性问题，减少了差异膨胀的量，使用于将传感器1焊接至燃烧器的壁4的焊接操作成为可能，而不损坏热电偶11的护套。出人意料地，如由申请人实施的测试所证明的，这样的形状和尺寸还可以防止热电偶护套被穿孔。之前的上述的测试没有解决这个问题，由于它们没有描述其中的部件焊接至彼此的传感器(参见US5999081)，并且由于该传感器然而在结构上与根据本发明的传感器建设性地非常不同。

另外，选择由铁-铬-铝合金(例如Kantal)制成的材料已经在实验上被测试并且被验证为是用于制造适合于评估所述温度的高值、甚至超过900℃的有价值的温度传感器的最佳选择。所述材料提供了传感器1的制造步骤中所涉及的材料的可焊性(当实施时)的最佳特性，以及在使用这种传感器期间的抗氧化性和机械疲劳的最佳特性。换句话说，所述合金(例如Kantal)的使用提高了传感器随着时间的可靠性，防止传感器出现裂纹、劣化以及由此导致的传感器的破坏。

已经描述了实施方式，其中，传感器1与圆筒形燃烧器相关联。明显地，这种燃烧器可以具有诸如例如平面形状的其他形状，并且热电偶11(或温度转换器装置)可以使每个导体15包覆有其自身的护套或者保护元件或者甚至包覆有(金属或非金属)编织保护物。实际上，本发明适用于需要在测量高温和/或短时间内的高温变化时保证可靠性和耐久性的任何应用，特别是在气体燃烧器的金属本体上进行测量时保证可靠性和耐久性的任何应用。

Claims (12)

1.一种温度传感器(1)，所述温度传感器(1)用于气体燃烧器(2)，所述温度传感器(1)具有包括电导体(15)的温度转换器装置(11)以及连接至与这样的温度转换器装置(11)的自由端部(18)相关联的所述燃烧器(2)的连接元件(12)，所述连接元件(12)适合于插入到在所述燃烧器(2)的壁(4)的内部形成的传感器的坐置部(8)中，并且所述连接元件(12)具有适用于定位在所述燃烧器(2)的外表面(6)处的第一端部(26)，所述温度转换器装置(11)插入所述连接元件(12)的盲孔(29)内部，所述盲孔(29)在这样的连接元件(12)的第二端部(28)处开口，其特征在于，所述电导体完全地插入到所述温度转换器装置(11)中，并且所述电导体远离所述连接元件(12)布置，所述盲孔(29)通过至少一个端部部分(31)终止，所述端部部分(31)具有适用于与插入到所述连接元件中的所述温度转换器装置(11)接触的倾斜的壁，所述连接元件(12)由铁-铬-铝合金制成。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述盲孔(29)的所述端部部分(31)呈圆锥形、截锥形、角锥形或球形。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述端部部分朝向端部区域(K)会聚，这样的端部部分(31)的所述壁限定了从0°至75°的角度范围。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述温度转换器装置是热电偶或热敏电阻。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述连接元件(12)与用于保护所述温度转换器装置的所述电导体(15)的保护元件(17)接触。

6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述连接元件(12)包括本体(23)，所述本体(23)具有包括所述第一端部(26)的第一部分(20)和第二部分(27)，所述第二部分(27)的横截面比所述第一部分(20)的横截面大，并且在所述第二部分(27)中形成所述盲孔(29)，所述温度转换器装置(11)也与存在于所述第二部分(27)的内部的所述盲孔的所述壁接触。

7.根据权利要求6所述的温度传感器，其特征在于，所述连接元件(12)的所述第二部分(27)具有的长度范围为所述温度转换器装置(11)的直径的0.7倍至2.3倍，这足够用于执行与所述温度转换器装置的联接。

8.根据权利要求6所述的温度传感器，其特征在于，所述连接元件(12)的所述第二部分(27)的长度在1.5mm至4.5mm的范围内。

9.根据权利要求6所述的温度传感器，其特征在于，在所述连接元件(12)的所述第一部分(20)与所述第二部分(27)之间设置有阶状部(50)，所述连接元件(12)通过所述阶状部(50)搁置在所述气体燃烧器(2)的所述壁(4)上。

10.一种包括气体燃烧器和温度传感器的组件，所述温度传感器适用于评估所述燃烧器(2)的产生火焰的外表面(6)的温度，其特征在于，所述传感器是根据权利要求1所述的温度传感器。

11.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述燃烧器(2)包括壁(4)，在所述壁(4)的所述外表面(6)产生火焰，在所述壁(4)中制成通孔，所述通孔限定了用于所述温度传感器的坐置部(8)，所述温度传感器通过焊接、焊合或机械变形与所述壁(4)成一体。

12.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述燃烧器由不锈钢制成，并且所述温度传感器具有由铬镍铁合金制成的护套。