AT515200A4 - Drucksensor mit Wärmeleitelement - Google Patents

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AT515200A4 ATA50033/2014A AT500332014A AT515200A4 AT 515200 A4 AT515200 A4 AT 515200A4 AT 500332014 A AT500332014 A AT 500332014A AT 515200 A4 AT515200 A4 AT 515200A4
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (1) mit einem Sensorgehäuse (2) und einem druckseitig angeordneten Membranelement (10), das einen zentralen Membranstempel (11), eine kreisringförmige, flexible Membran (12) und einen Membranflansch (13) aufweist, wobei der Membranflansch (13) am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt ist. Der Drucksensor weist zur besseren Wärmeabfuhr ein Wärmeleitelement (20) auf, das die Frontseite (14) des Membranflansches (13) großteils bedeckt, dessen Außenkante (15) umfasst und am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Sensorgehäuse und einemdruckseitig angeordneten Membranelement, das einen zentralen Membranstempel,eine kreisringförmige, flexible Membran und einen Membranflansch aufweist, wobeider Membranflansch am druckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt ist.
Sensoren für die Druckmessung in heißen Prozessen, beispielsweise eingesetzt ineine Messbohrung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, sind extremenWärmeströmen und Druckpulsen ausgesetzt. Diese Wärmeströme führen zu sehrhohen Temperaturen im frontseitigen Bereich des Sensors, insbesondere derSensormembran, die zu einer Verschlechterung der Messeigenschaften bzw. zurZerstörung der Sensormembran führen können. Es sind daher bereitsunterschiedliche Maßnahmen bekannt geworden, die sensible Frontpartie desSensors, insbesondere die Sensormembran, zu schützen, wobei jedoch durch dieSchutzeinrichtung das dynamische Messverhalten des Sensors möglichst ungestörtbleiben soll.
Aus der EP 2 087 333 Bl ist ein schulterdichtender Drucksensor bekannt, dessenringförmige Membran hinter einem druckseitigen Gehäusefortsatz angeordnet ist,der mit einem Hitzeschild ummantelt ist. Der Hitzeschild ist durch einen Spalt, dereine Wärmebarriere bildet, vom Gehäusefortsatz beabstandet und nur über seineninneren und äußeren Rand mit dem Sensorgehäuse verbunden, vorzugsweise dichtmit diesem verschweißt. Der innere Rand befindet sich in unmittelbarer Nähe desäußeren Auflagers der flexiblen Sensormembran.
Nachteilig ist der Wärmeeintrag aus dem Hitzeschild über seinen inneren Rand inden dünnen, flexiblen Teil der Membran, was zu einer thermomechanischenÜberlastung der Sensormembran führt.
Durch den beabstandeten Hitzeschild wird die Oberflächentemperatur und auch diemittlere Temperatur des Hitzeschildes deutlich erhöht, was die Gefahr vonGlühzündungen als Ausgangspunkt klopfender Verbrennung erhöht und zuMotorschäden führen kann.
Die gasdichte Anbindung des Hitzeschildes im Bereich seines inneren Randes führtzu einer mechanischen Einkoppelung von Verformungen des Hitzeschildes direkt in den dünnen, flexiblen Bereich der Sensormembran, wodurch Messfehler generiertwerden.
Aus der EP 2 024 710 Bl ist ein Membranschutz für einen Schulter- oderfrontdichtenden Drucksensor bekannt, der eine zentrale Öffnung und ein Clipsystemaufweist, welches in eine Nut im Inneren des Frontbereichs des Sensors eingreiftund den Membranschutz am druckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt. Eineeffiziente Ableitung des Wärmestromes aus kurzzeitigen Hitzestößen ist durch dieseAnbindung zumindest bei der schulterdichtenden Ausführungsvariante nichtgewährleistet.
Weiters ist aus der GB 2 217 846 A ein Drucksensor bekannt, dessenMembranelement einen Flanschbereich aufweist, der mit dem druckseitigen Endedes Sensorgehäuses verschweißt ist. Ein topfförmiger Hitzeschild ist amMembranflansch befestigt, vorzugsweise angeschweißt, und bildet zumMembranelement einen frontseitigen Zwischenraum aus. Für den Druckausgleichzum frontseitigen Zwischenraum sind im Hitzeschild Öffnungen vorgesehen.
Ein Drucksensor mit einem frontseitigen Membranelement, das aus einem zentralenMembranstempel, einer kreisringförmigen, flexiblen Membran und einem äußerenMembranflansch besteht, wobei der Membranflansch mit dem frontseitigen Endedes Sensorgehäuses verschweißt ist, ist beispielsweise aus der AT 509.919 Blbekannt, der Membranflansch bildet hier eine topfförmige Aufnahme, in die einThermoschutzelement eingeklipst werden kann. Der Drucksensor wird frontdichtendin eine Messbohrung eingesetzt.
Aus der AT 002 036 Ul ist ein schulterdichtender Sensor zur Druckmessung inheißen Medien bekannt, wobei eine Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 eintopfartiges Thermoschutzelement für die Sensormembran aufweist. DieSensormembran weist auf der dem heißen Druckmedium zugewandten Seite eineBeschichtung aus einem weichen, wärmeisolierenden Material auf, beispielsweiseeine Beschichtung aus Silikonkautschuk, wobei das Thermoschutzelement ingeringem Abstand zu dieser Beschichtung angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die sensible Frontpartie eines Drucksensors dereingangs beschriebenen Art auf eine konstruktiv einfache Weise vor den negativen
Auswirkungen kurzzeitiger Hitzestöße zu schützen, wobei das Messverhalten desDrucksensors möglichst nicht beeinflusst werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Drucksensor einWärmeleitelement aufweist, das die Frontseite des Membranflansches großteilsbedeckt, dessen Außenkante umfasst und außen am druckseitigen Ende desSensorgehäuses befestigt ist. Das Wärmeleitelement kann durch Schweißen, Löten,Aufpressen oder Aufschrumpfen mit dem druckseitigen Ende des Sensorgehäusesverbunden sein.
Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement nimmt den nur kurzzeitig nach derZündung auftretenden, erhöhten Wärmestrom auf und leitet diesen entfernt vonden kritischen Bereichen des Membranelementes in das Sensorgehäuse ab. Um diemaximale Oberflächentemperatur zu begrenzen und um Glühzündungen zuvermeiden, ist ein ganzflächiger, thermischer Kontakt des Wärmeleitelementes imBereich des Membranflansches anzustreben.
Erfindungsgemäß weist das Wärmeleitelement einen ringförmigen Flanschbereichauf, der den äußeren Membranflansch abdeckt, an welchen ein zylindrischerMantelbereich anschließt, der an der Außenfläche des Sensorgehäuses befestigt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist der ringförmigeFlanschbereich des Wärmeleitelementes durch Einschnitte oder schlitzförmigeÖffnungen in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei sich die Einschnitte oderschlitzförmigen Öffnungen in einem anschließenden Teilbereich des zylindrischenMantelbereichs fortsetzen können.
Das Wärmeleitelement reagiert zwar auf den durch einen Hitzestoß kurzzeitigerhöhten Wärmestrom an dessen Oberfläche durch sich ausbildende innereSpannungen. Um diese nicht in die kritischen Bereiche des Membranelementeseinzuleiten, ist das Wärmeleitelement durch die Einschnitte bzw. die schlitzförmigenÖffnungen mechanisch weich ausgeführt. Dadurch kann der kurzzeitigeWärmestrom das Wärmeleitelement an der Oberfläche verformen, ohne negativeAuswirkungen auf das Messverhalten des Sensors auszuüben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsvariantenäher erläutert. Es zeigen:
Membranelement des Sensors anliegenden Wärmeleitelement imAxialschnitt,
Fig. 2 den Detailbereich A des Drucksensors gemäß Fig. 1 in einervergrößerten Darstellung,
Fig. 3 das Wärmeleitelement gemäß Fig. 2 in einer Draufsicht,
Fig. 4 das Wärmeleitelement in einer Schnittdarstellung nach Linie IV-IV inFig. 3,
Fig. 5 das Wärmeleitelement gemäß Fig. 1 bis Fig. 4 in einerdreidimensionalen Darstellung, sowie
Fig. 6 und Fig. 7 unterschiedliche Ausführungsvarianten desWärmeleitelements in dreidimensionalen Darstellungen.
Die Schnittdarstellungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zeigen das druckseitige Endeeines Drucksensors 1, der in eine nur strichliert angedeutete Messbohrung 17 einerBrennkraftmaschine einsetzbar ist und dessen Membranelement 10 denkurzzeitigen, intensiven Hitzestößen der inneren Verbrennung derBrennkraftmaschine ausgesetzt ist.
Das Sensorgehäuse 2 weist eine Dichtschulter 8 auf, die bei derbestimmungsgemäßen Montage des Drucksensors 1, ggf. unter Zwischenlage einesDichtelementes 9, schulterdichtend am Absatz 16 der Messbohrung 17 zur Anlagekommt.
Das Membranelement 10 des Drucksensors 1 bildet im zentralen Bereich einenMembranstempel 11 aus, welcher auf ein Druckmesselement 5, beispielsweise ausmehren piezoelektrischen Elementen 6, einwirkt. Daran schließt eine im Vergleichzum Membranstempel wesentlich dünnere, flexible, kreisringförmige Membran 12an, die in einen äußeren Membranflansch 13 von zumindest doppelter Wandstärkeübergeht, der mit dem Gehäuse 2 des Drucksensors 1 verschweißt ist (sieheSchweißnaht 7). Als kritische Bereiche sind insbesondere der Membranflansch 13,dessen Außenkante 15 und der Übergang zur flexiblen Membran 12 anzusehen.
Im ungeschützten Fall kann sich der Membranflansch 13 durch einen Hitzestoßausdehnen und teilweise aufstülpen, wodurch Kräfte auf die inneren Membranteile11, 12 ausgeübt werden, die zu einem Fehlsignal führen. Mit Hilfe deserfindungsgemäßen Wärmeleitelementes 20, das am druckseitigen Ende desDrucksensors 1 angeordnet ist, werden diese negativen Einflüsse weitgehendvermieden.
Das Wärmeleitelement 20 liegt fugenlos an der Frontseite 14 des Membranflansches13 an, umfasst dessen Außenkante 15 sowie die Schweißnaht 7 und ist hinter derBefestigungsebene ε der Membran am druckseitigen Ende 3 an der zylindrischenAußenfläche 4 des Gehäuses 2 befestigt. An dieser Stelle kann die vomWärmeleitelement 20 abgeführte Wärme ohne negative Auswirkungen in dasSensorgehäuse 2 eingeleitet werden. Durch das Wärmeleitelement 20 wird dieStoßbelastung des Wärmeeintrags ausgeglichen und der Wärmestrom in unkritischeBereiche des Sensorgehäuses 2 abgeführt.
Das Wärmeleitelement 20 weist einen ringförmigen Flanschbereich 21 auf, anwelchen ein zylindrischer Mantelbereich 22 im Querschnitt rechtwinkelig anschließtund an der Außenfläche 4 des Sensorgehäuses 2 befestigt ist. Die Befestigung desMantelbereichs 22 erfolgt durch Schweißen (siehe Schweißpunkt 18), Löten,Aufpressen oder Aufschrumpfen am druckseitigen Ende 3 des Sensorgehäuses 2.
Erfindungsgemäß weist der ringförmige Flanschbereich 21 des Wärmeleitelements20 in radialer Richtung eine Breite auf, die im Wesentlichen der radialen Breite desMembranflansches 13 entspricht, sodass die drucksensiblen Bereiche desMembranelements 10 durch eine zentrale Öffnung 25 des Wärmeleitelements 20frei zugängig bleiben.
Zum besseren Ausgleich thermischer Spannungen im Wärmeleitelement 20 ist derringförmige Flanschbereich 21 des Wärmeleitelementes 20 mechanisch weichausgeführt und durch Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen 23 in mehrereAbschnitte 24 unterteilt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich dieschlitzförmige Öffnungen 23 ausgehend vom inneren Rand der zentralen Öffnung25 radial nach außen und können sich in einem anschließenden Teilbereich deszylindrischen Mantelbereichs 22, beispielsweise bis zur halben Höhe desMantelbereichs, fortsetzen (siehe Fig. 2 bis Fig. 4).
Wie in den Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt, kann der ringförmige Flanschbereich 21und/oder der zylindrische Mantelbereich 22 des Wärmeleitelementes 20 eineVielzahl von Bohrungen 26, Öffnungen und/oder Einschnitten 27 aufweisen, umdiese Bereiche des Wärmeleitelementes mechanisch weich einzustellen undthermische Spannungen abzubauen. Die Bohrungen 26, Öffnungen oder Einschnitte27 können beispielsweise durch Laserschneiden, vorzugsweise durchLaserstrahlschmelzschneiden oder durch Laserstrahlbrennschneiden hergestelltwerden.
Es ist auch möglich, den Flanschbereich 21 und/oder der zylindrische Mantelbereich22 des Wärmeleitelementes 20 durch Bördeln, Falten, etc. mechanisch weichauszubilden, solange gewährleistet ist, das wesentliche Teile Membranflansches 13abgedeckt bleiben und der Flanschbereich 21 großteils an der Frontseite desMembranflansches 13 anliegt.
Das Wärmeleitelement 20 besteht aus einer hochtemperaturbeständigen, gutwärmeleitenden und chemisch widerstandsfähigen Metalllegierung und kann wiedas Membranelement 10 beispielsweise aus einer Chromstahllegierung bestehen.

Claims (10)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Drucksensor (1) mit einem Sensorgehäuse (2) und einem druckseitigangeordneten Membranelement (10), das einen zentralen Membranstempel (11), eine kreisringförmige, flexible Membran (12) und einen Membranflansch(13) aufweist, wobei der Membranflansch (13) am druckseitigen Ende (3) desSensorgehäuses (2) befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt ist,dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1) ein Wärmeleitelement(20) aufweist, das die Frontseite (14) des Membranflansches (13) großteilsbedeckt, dessen Außenkante (15) umfasst und außen am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.
  2. 2. Drucksensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasWärmeleitelement (20) durch Schweißen, Löten, Aufpressen oderAufschrumpfen mit dem druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2)verbunden ist.
  3. 3. Drucksensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dassdas Wärmeleitelement (20) einen ringförmigen Flanschbereich (21) aufweist,an welchen ein zylindrischer Mantelbereich (22) anschließt, der an derAußenfläche (4) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.
  4. 4. Drucksensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass derringförmige Flanschbereich (21) des Wärmeleitelements (20) in radialerRichtung eine Breite aufweist, die im Wesentlichen der Breite desMembranflansches (13) entspricht, wobei die drucksensiblen Bereiche desMembranelementes (10) durch eine zentrale Öffnung (25) desWärmeleitelementes (20) frei zugängig sind.
  5. 5. Drucksensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dassder ringförmige Flanschbereich (21) des Wärmeleitelementes (20) durchbevorzugt radial verlaufende Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen (23) inmehrere Abschnitte (24) unterteilt ist.
  6. 6. Drucksensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich dieEinschnitte oder schlitzförmigen Öffnungen (23) des Flanschbereiches (21) in einem anschließenden Teilbereich des zylindrischen Mantelbereichs (22)fortsetzen.
  7. 7. Drucksensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dassder ringförmige Flanschbereich (21) und/oder der zylindrische Mantelbereich(22) des Wärmeleitelementes (20) eine Vielzahl von Bohrungen (26),Öffnungen und/oder Einschnitten (27) aufweisen.
  8. 8. Drucksensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieBohrungen (26), Öffnungen und/oder Einschnitte (27) durch Laserschneiden,beispielsweise durch Laserstrahlschmelzschneiden oder durchLaserstrahlbrennschneiden hergestellt sind.
  9. 9. Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) aus einerhochtemperaturbeständigen, gut wärmeleitenden und chemischwiderstandsfähigen Metalllegierung, beispielsweise aus Chromstahl, besteht.
  10. 10. Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) eine Dichtschulter (8)aufweist, die bei der bestimmungsgemäßen Montage des Drucksensors, ggf.unter Zwischenlage eines Dichtelementes (9), schulterdichtend am Absatzeiner Messbohrung zur Anlage kommt.
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