ES2275176T3 - Sensor de temperatura integrado para medir la temperatura del espacio interior, en particular en un vehiculo automovil. - Google Patents

Abstract

Sensor de temperatura integrado para medir una temperatura de un espacio interior, en particular en un vehículo automóvil, con una carcasa (1) de material conductor del calor y que actúa como filtro de bloqueo de la luz diurna y con una sonda de temperatura (2) y un sensor de infrarrojos (3) que están dispuestos sobre un elemento de soporte común (4), estando configurada la carcasa (1) como cuerpo completo y estando embutidos la sonda de temperatura (2), el sensor de infrarrojos (3) y el elemento de soporte (4) en la carcasa (1).

Description

Sensor de temperatura integrado para medir la temperatura del espacio interior, en particular en un vehículo automóvil.

La invención se refiere a un sensor de temperatura integrado para medir la temperatura del espacio interior, en particular en un vehículo automóvil, así como a un sistema para medir la temperatura en el interior; esto se muestra por ejemplo en la DE 38 21 743.

Las temperaturas del interior no se miden hoy día para la simple reproducción en instrumentos indicadores, sino que sirven también como señales de entrada para instalaciones de climatización. Para la medición de la temperatura se utilizan en general sensores de temperatura, que funcionan según el principio de la termometría de contacto, es decir, que mediante acoplamiento térmico directo entre el sensor de temperatura y el medio a medir, se transmite la temperatura del medio al sensor. En función de la temperatura, varían las propiedades eléctricas del sensor de temperatura, lo cual por ejemplo puede captarse como variación de una resistencia.

Cuando se miden temperaturas, deben tenerse en cuenta no obstante determinados efectos térmicos, como la transmisión de calor ajeno mediante conducción térmica o bien radiación térmica al sensor de temperatura. Además, en particular en vehículos automóviles han de considerarse otras condiciones marginales. Así, es necesario por razones estéticas un alojamiento lo más oculto posible del sensor de temperatura. Pero si éste se monta detrás de una pared o bien de un revestimiento interior, entonces ya no tiene contacto térmico directo con el aire ambiental. Una posibilidad de solución consiste en la utilización de un motor de ventilador, que aspira el aire del espacio interior y lo envía en dirección al sensor de temperatura. Los problemas relativos al motor del ventilador, de las molestias del ruido, así como de la vigilancia y de solucionar fallos del motor, se superan en las ejecuciones conocidas hoy día mediante sistemas de medida alternativos, sin ventilación, en los cuales los elementos de conducción térmica se alojan entre el espacio interior y el sensor de temperatura. Los elementos de conducción del calor están no obstante en general unidos mecánicamente con el revestimiento del espacio interior o bien con los accesorios y éstos presentan, debido al calentamiento propio de los grupos existentes en el vehículo, así como a la incidencia de la radiación solar adicional, a menudo una temperatura más elevada que la del aire del espacio interior. Mediante el acoplamiento mecánico y con ello también térmico entre los accesorios y el sensor de temperatura, se retransmite en consecuencia demasiado calor al sensor de temperatura, con lo que se mide una temperatura demasiado elevada. Adicionalmente al problema de la conducción del calor, que puede combatirse parcialmente mediante medidas del desacoplamiento térmico, ha de tenerse en cuenta también el ya citado fenómeno de la radiación térmica. Incluso cuando puedan minimizarse el acoplamiento térmico directo entre accesorios y sensor de temperatura, no hay que excluir un calentamiento del sensor de temperatura, que conduce a falseamiento, debido por ejemplo a la radiación solar directa o a la radiación térmica de aparatos electrónicos sobre el sensor. En general, la distinta distribución de la temperatura en el vehículo causa problemas. Así, directamente tras el arranque de un vehículo, reina a menudo incluso una temperatura menor en la zona de detrás de los accesorios que en el espacio interior, mientras que tras un tiempo más largo de funcionamiento la distribución de temperatura es precisamente la inversa. Para poder descontar de nuevo todos los efectos perturbadores del valor de temperatura medido, se utiliza hoy día algo de sensórica adicional, como por ejemplo un segundo sensor de temperatura detrás de los accesorios, que no tiene unión térmica alguna con el espacio interior y con ello aporta directamente la temperatura de detrás de los accesorios como valor comparativo.

Por la DE 100 56 694 A1, se conoce un sistema no ventilado para determinar la temperatura en el espacio interior de un vehículo. El sistema aporta señales de entrada para una regulación de la temperatura del aire de entrada en el interior del vehículo, siendo las señales de entrada una señal de temperatura del espacio interior, así como una señal de temperatura de objetos. La señal de temperatura de objetos se genera mediante un sensor de infrarrojos, que detecta la emisión térmica cedida de un objeto que se encuentra en el espacio interior, por ejemplo un asiento del vehículo. Puesto que el principio de medida del sensor de infrarrojos, un elemento de pila térmica, se basa en una medición de diferencia de temperaturas, debe alojarse simultáneamente un sensor de temperaturas próximo al sensor de infrarrojos, para aportar un valor de referencia absoluto. Se utilizan por lo tanto dos principios de medida, por un lado la termometría de contacto para determinar el valor de referencia y por otro la termometría de radiación para determinar la diferencia de temperaturas. En la DE 100 56 694 A1, se lleva el sensor de temperatura, alojando un elemento de conducción térmica que está en contacto directo con el espacio interior del vehículo, de manera específica a la temperatura del espacio interior. Así aporta el sensor de temperatura, además del valor de referencia para la determinación de la temperatura del objeto, a la vez un valor para la temperatura del espacio interior. No obstante, el valor de medida se interpreta directamente como temperatura del espacio interior, sin realizar una corrección de la señal referida a un calentamiento del elemento de conducción térmica debido a la radiación del sol. Por el contrario, en el problema de la radiación solar se incide incluso en el sentido de que se recomienda un emplazamiento del sistema sensor en una zona que no esté sometida a la radiación solar. Esto es entre otro necesario para la protección del elemento de pila térmica, ya que debido a su elevada sensibilidad de medida puede ser dañado o destruido cuando incide sobre el mismo la luz del sol.

Es tarea de la presente invención indicar un sensor, así como un sistema mejorado no ventilado para la medición de una temperatura del espacio interior, en particular en un vehículo automóvil, en el que se tenga en cuenta la influencia de la radiación solar sobre el resultado de medida.

La tarea se resuelve alojando un sensor de temperatura y un sensor de infrarrojos en una carcasa común, estando compuesta la carcasa por un material conductor del calor y que actúa como filtro de bloqueo de la luz diurna y estando realizada como cuerpo completo, en el que están alojados el sensor de temperatura, el sensor de infrarrojos, así como un elemento de soporte sobre el que están dispuestos conjuntamente ambos sensores. Este sistema sirve como sensor de temperatura del espacio interior integrado. A través de la carcasa, que por ejemplo está compuesta por una resina artificial, se retransmite la temperatura del aire del espacio interior directamente en dirección al sensor de temperatura. Si el sensor de temperatura, el sensor de infrarrojos, el elemento soporte, así como en determinadas condiciones las otras piezas que puedan necesitarse, están fundidas en la resina artificial, entonces se obtiene la ejecución de cuerpo completo de la carcasa. Debido a la configuración de la carcasa como cuerpo completo, resulta un contacto en arrastre de forma entre el material conductor del calor y todas las piezas embutidas en el interior. De esta manera no resulta casi ninguna pérdida de calor en los puntos de transición entre la carcasa y el sensor de temperatura, es decir, el sensor de temperatura reproduce casi exactamente la temperatura del aire ambiente de la carcasa. Simultáneamente, funciona la carcasa como filtro de bloqueo de la luz diurna, con lo que el componente de infrarrojos se filtra de la luz del sol que incide en la carcasa y llega al sensor de infrarrojos. El sensor de infrarrojos mide así la radiación térmica provocada por la luz solar, que influye sobre el valor de medida emitido por el sensor de temperatura. Con la señal aportada por el sensor de infrarrojos puede por lo tanto corregirse la temperatura medida por el sensor de temperatura en la componente de luz solar que produce falseamiento. Esto significa una mejora respecto a la ejecución con el sensor de la pila térmica, ya que el sensor de temperatura integrado puede colocarse en cualquier lugar en el interior del vehículo sin tener que ser protegido de la luz solar directa. También son una ventaja en la disposición integrada las pequeñas dimensiones exteriores, con lo que el sensor de temperatura puede alojarse sin estorbar ópticamente en la zona visible, por ejemplo en la parte de operación de una instalación de climatización para el automóvil.

La ejecución de la carcasa completa, que abarca el sensor de temperatura y el sensor de infrarrojos, como filtro de bloqueo de la luz diurna, permite la captación de la incidencia de la luz del sol desde casi todas las direcciones del espacio. Ya que además la radiación de infrarrojos no se calcula a partir de una medición de valor diferencial sino a partir de una medición de valor absoluto, no es necesaria ninguna señal de referencia adicional, lo que simplifica la evaluación de la información del sensor.

Preferentemente se realiza el sensor de temperatura integrado en la técnica híbrida de capa gruesa. El elemento de soporte, también denominado sustrato, está compuesto entonces por una cerámica conductora del calor, por ejemplo óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}) o nitrito de aluminio (AlN). Sobre este elemento de soporte se estampa como capa delgada el sensor de temperatura, por ejemplo una resistencia NTC o PTC. El sensor de infrarrojos es preferentemente un fotodiodo, realizado como chip de sensor semiconductor y está fijado igualmente al elemento de soporte, por ejemplo pegado y/o soldado.

En una ejecución especial, el sensor de temperatura y el sensor de infrarrojos no están aplicados sobre la misma cara del elemento de soporte, sino en lados opuestos entre sí. En este caso es especialmente necesario que el elemento de soporte posea una buena conductividad térmica, para que quede asegurado que el calor del aire del espacio interior se transmita efectivamente también al lugar donde se encuentra el sensor de temperatura.

El sensor de temperatura y el sensor de infrarrojos están unidos los dos, es decir, se pasa un hilo de unión de algunos micrómetros de espesor, por ejemplo mediante soldadura de termocompresión, ultrasonido o termosónica con las piezas. El hilo de unión está soldado a su vez a los elementos eléctricos de conexión, quee retransmiten las señales eléctricas aportadas por los sensores a una unidad de procesamiento. Los elementos de conexión son en el caso más sencillo hilos de conexión, que no obstante presentan un diámetro claramente más grueso que el del hilo de unión.

La unidad de procesamiento, por ejemplo un aparato de control de una instalación de climatización para vehículos, está alojada usualmente detrás de una tapa hacia el espacio interior del vehículo juntamente con otros aparatos electrónicos y componentes. Por esta razón sólo puede evitarse con muchas dificultades una temperatura más elevada que la del espacio interior en esta zona. Por lo tanto es de gran importancia que los elementos de conexión tengan un contacto térmicamente conductor lo menor posible con los elementos sensóricos y en particular con el sensor de temperatura, para no pueda emitirse a éstos ningún calor ajeno. A esto contribuye por un lado el reducido diámetro del hilo de unión, que ciertamente genera una unión eléctricamente conductora entre elemento de conexión y elemento sensor, pero que debido a su reducida superficie de contacto, sólo transmite poco calor. Por lo demás, no discurren los elementos de conexión dentro del elemento de soporte conductor del calor y no tienen por lo demás ningún contacto térmicamente conductor entre sí. Debido a que con ello sólo puede transmitirse poco calor ajeno a través de los elementos de conexión a los elementos sensóricos, están compuestos los elementos de conexión preferentemente por un material con pequeña conductividad térmica, como por ejemplo constantán. Otra posibilidad consiste en la ejecución de los elementos de conexión en forma espiral, similar a los resortes espirales. De esta manera se obtiene un largo tramo de transmisión entre el lugar en el que están unidos los elementos de conexión y la unidad de procesamiento y los elementos de sensor, con lo que éstos están térmicamente desacoplados.

El elemento de soporte sobre el que están alojados el sensor de temperatura y el sensor de infrarrojos, está fijado en una configuración especial por su parte sobre una placa de base mala conductora térmica. De esta manera se transmite el menor calor posible desde la parte posterior del sensor de temperatura integrado a la sonda de temperatura.

Puesto que el sensor de temperatura integrado usualmente está alojado sobre o en una abertura de una pared que limita con el espacio interior, por ejemplo una tapa de aparato, presenta su cara posterior forzosamente en la dirección de las temperaturas elevadas. Al fijar el sensor de temperatura integrado ha de cuidarse de que se le transmita el menor calor posible por parte de la pared. Esto puede lograrse bien manteniendo pequeñas las superficies de contacto y existiendo el mayor espacio posible entre el sensor de temperatura y la pared, o bien aplicando una capa aislante térmica adicional entre el sensor de temperatura integrado y la pared.

El alojamiento del sensor de temperatura integrado en una pared que da al espacio interior o bien en una abertura de una pared como la indicada, se realiza preferentemente tal que la zona del sensor de temperatura en la que se encuentran la sonda de temperatura y el sensor de infrarrojos, se encuentra delante de esta pared y está orientada en la dirección del espacio interior, teniendo la carcasa del sensor de temperatura contacto directo con el aire del espacio interior. Mediante esta disposición puede renunciarse por completo a un elemento conductor térmico adicional entre la sonda de temperatura y el aire del espacio interior, que sería necesario en un alojamiento detrás de una pared.

En una ejecución especial el sistema antes descrito del sensor de temperatura integrado es parte integrante de una instalación de climatización del vehículo, es decir, el sensor de temperatura integrado está fijado sobre la parte de operación o una tapa o bien una abertura de la parte de operación o una tapa de la instalación de la climatización.

Una descripción de un perfeccionamiento especial de un sensor de temperatura integrado y de un sistema para medir la temperatura del espacio interior, en particular en un vehículo automóvil, se realiza a continuación en base al dibujo. Se muestra en

- Figura 1 una vista tridimensional en sección de un sensor de temperatura integrado,

- Figura 2 un sistema de un sensor de temperatura integrado de la figura 1 en la abertura de una pared,

- Figura 3 una vista tridimensional en sección de otra ejecución de un sensor de temperatura integrado,

- Figura 4 otra vista tridimensional en sección del sensor de temperatura integrado de la figura 3.

En la figura 1 puede verse una vista tridimensional en sección de un sensor de temperatura integrado. La carcasa 1 está realizada como cuerpo completo y está compuesta por un material conductor térmico que actúa como filtro de bloqueo de la luz diurna. El mismo posee en su parte inferior un zócalo 11. En la carcasa 1 están embutidos una placa de base 7, un elemento de soporte 4 fijado sobre la misma, así como una sonda de temperatura 2 y un sensor de infrarrojos 3. El elemento de soporte 4 es un sustrato de material cerámico y es muy buen conductor del calor. La sonda de temperatura 2 ha sido impresa como capa delgada sobre el elemento de soporte 4. El sensor de infrarrojos 3 funciona como fotodiodo y está realizado en forma de un chip de sensor, que ha sido pegado sobre el elemento de soporte 4. La sonda de temperatura 2 y el sensor de infrarrojos 3 están unidos de manera eléctricamente conductora mediante hilos de unión 6 con elementos de conexión 5. Los elementos de conexión 5 están compuestos por constantán mal conductor del calor y discurren fuera del elemento de soporte 4 a través de la placa de base 7 igualmente mala conductora del calor. La baja conductividad térmica de los elementos de conexión 5 y de la placa de base 7 impiden que el calor se transmita en dirección hacia los elementos de conexión 5 hasta la sonda de temperatura 2. Se sigue reduciendo el acoplamiento del calor ajeno que falsea el resultado de medida, además, mediante la delgada sección de los hilos de unión 6, con lo que casi exclusivamente se mide el calor retransmitido a través de la cara superior de la carcasa a la sonda de temperatura 2 del aire del espacio interior como valor de temperatura. La carcasa 1, que simultáneamente funciona como filtro de bloqueo de la luz diurna, filtra la parte de infrarrojos, es decir, la radiación térmica, de la luz solar que incide en la carcasa 1. Esta parte de infrarrojos es captada técnicamente por el sensor de infrarrojos 3 y retransmitida a través de los hilos de unión 6 y los elementos de conexión 5 conectados al sensor de infrarrojos 3 a una unidad de procesamiento. La unidad de procesamiento puede ser por ejemplo el aparato de control de una instalación de climatización para vehículos, donde se calcula un aumento de temperatura esperable en la sonda de temperatura 2 y correspondiente al valor de medida de la radiación térmica. La señal de temperatura de la sonda de temperatura 2 se corrige en el valor de aumento de temperatura correspondiente a la radiación solar, con lo que como resultado se tiene la temperatura efectiva del espacio interior.

En la figura 2 se reproduce un sistema para la medición de una temperatura del espacio interior, estando dispuesto el sensor de temperatura integrado conocido por la figura 1 en la abertura 8 de una pared 9 limítrofe con el espacio interior, en particular un espacio interior del vehículo. El sensor de temperatura integrado se ha representado sin seccionar. Pueden observarse dos elementos de conexión 5, que sólo se han representado acortados. Los elementos de conexión 5 sobresalen detrás de la pared 9 de la carcasa 1 y conducen desde allí a una unidad de procesamiento. La mayor parte de la carcasa 1 sobresale de la abertura 8, con lo que está rodeada por la mayor cantidad de aire posible 10 del espacio interior. Es especialmente importante que la sonda de temperatura 2 esté en contacto lo más directo posible con el aire del espacio interior a través la carcasa 1, lo que se logra en este sistema, ya que el elemento de soporte 4 con la sonda de temperatura 2 impreso se encuentra claramente por encima del zócalo 11 (ver figura 1). El sensor de temperatura integrado está unido mecánicamente en el zócalo 11 con la pared 9. El zócalo 11 está realizado relativamente pequeño, para lograr un acoplamiento térmico con la pared 9 lo más reducido posible. En otra ejecución puede estar alojada entre el zócalo 11 y la pared 9 una capa intermedia adicional aislante del calor, que reduce aún más la transmisión del calor desde la pared 9 a la carcasa 1.

En las figuras 3 y 4 se reproduce una forma constructiva de un sensor de temperatura integrado, en el que el sensor de infrarrojos 3 y la sonda de temperatura 2 están aplicados sobre lados contrapuestos del elemento de soporte 4. Tal como se deduce de la figura 3, se encuentra el sensor de infrarrojos 3 en la cara superior 12 del elemento de soporte 4, con lo que puede captarse la radiación térmica que incide desde está dirección. En la figura 4 puede observarse la parte inferior 13 del elemento de soporte 4, sobre la que está colocada la sonda de temperatura 2. Para generar un enlace del hilo de unión sobre la cara superior 12, se introdujo un contacto a través de la sonda de temperatura 2 en el elemento de soporte 4 y sobre la cara superior 12 con un hilo de unión 14. Los demás elementos del sensor de temperatura integrado de las figuras 3 y 4 se corresponden con las particularidades descritas en relación con la figura 1.

Claims (13)

1. Sensor de temperatura integrado para medir una temperatura de un espacio interior, en particular en un vehículo automóvil, con una carcasa (1) de material conductor del calor y que actúa como filtro de bloqueo de la luz diurna y con una sonda de temperatura (2) y un sensor de infrarrojos (3) que están dispuestos sobre un elemento de soporte común (4), estando configurada la carcasa (1) como cuerpo completo y estando embutidos la sonda de temperatura (2), el sensor de infrarrojos (3) y el elemento de soporte (4) en la carcasa (1).

2. Sensor de temperatura integrado según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de soporte (4) está compuesto por material conductor del calor, en particular cerámico.

3. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la sonda de temperatura (2) está impresa como capa delgada sobre el elemento de soporte (4).

4. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sensor de infrarrojos (3) está realizado como chip de sensor de semiconductor.

5. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sensor de infrarrojos (3) y la sonda de temperatura (2) están aplicados sobre caras diferentes del elemento de soporte (4).

6. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sensor de infrarrojos (3) y la sonda de temperatura (2) están unidos con elementos de contacto de conexión (5) en cada caso mediante un hilo de unión (6).

7. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de contacto de conexión (5) están térmicamente desacoplados entre sí, es decir, parcialmente separados, así como discurren fuera del elemento de soporte (4).

8. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de contacto de conexión (5) están compuestos por un material con baja conductividad térmica, en particular de constantán.

9. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de contacto de conexión (5) están configurados en forma espiral.

10. Sensor de temperatura integrado según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de soporte (4) está aplicado sobre una placa de base (7), que está compuesta por un material con baja conductividad térmica.

11. Dispositivo para medir una temperatura de un espacio interior, en particular en un vehículo, con un sensor de temperatura integrado, que está dotado de una carcasa (1) configurada como cuerpo completo de material conductor térmico y que actúa como filtro de bloqueo de la luz diurna y que contiene una sonda de temperatura (2) y un sensor de infrarrojos (3), que están dispuestos sobre un elemento de soporte común (4) y embutidos juntamente con el elemento de soporte (4) en la carcasa (1), estando fijado el sensor de temperatura integrado a una abertura (8) o bien dentro de ella de una pared (9) que limita con el espacio interior y la carcasa (1) del sensor de temperatura integrado está en contacto directo con el aire del espacio interior (10).

12. Sistema para medir la temperatura del espacio interior según la reivindicación 11, caracterizado porque entre el sensor de temperatura integrado y la pared (9) que limita con el espacio interior, está alojada una capa térmicamente aislante.

13. Sistema para medir la temperatura del espacio interior según una de las reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque el sistema es parte integrante de una instalación de climatización de un vehículo.