CH689315A5 - Gekühlter Drucksensor. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft einen gekühlten Drucksensor mit einem ersten Gehäuseteil und darin angeordneten Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium, sowie mit einem von einer Membran gasdicht verschlossenen, ein kraft- oder verschiebungsmessendes Geberelement aufnehmenden zweiten Gehäuseteil. 



  Solche Sensoren werden z.B. bei der Druckmessung im Brennraum von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei derartigen Prozessen entstehen sehr hohe Wärmeflüsse in den Drucksensor, die einerseits hohe Kühlleistungen erfordern, um die eingebrachte Wärmeenergie (durch Strahlung, Konvektion und Leitung) aus dem Sensor wieder abzuführen und die andererseits sehr grosse Verformungen durch die Erwärmung der Sensorbauteile verursachen. Darüber hinaus wird bei Verbrennungsmotoren die Montagestelle des Drucksensors häufig stark verformt und belastet den Sensor auch mechanisch sehr hoch und zwar mit Spannungen, die häufig über die Spannungen, die durch den Messdruck verursacht werden, hinausgehen. 



  Bei bisher verwendeten Drucksensoren besteht das Kühlsystem im wesentlichen aus einem grossen rotationssymmetrischen Raum zwischen dem Gehäusemantel und dem Geberelement, welcher bis zu einem druckseitig dichtenden Element, der mit dem zu vermessenden Druck beaufschlagten Membran, reicht. 



  Beispielsweise ist in diesem Zusammenhang aus der AT-PS 261 934 ein Drucksensor bekannt geworden, welcher in einem Gebergehäuse ein Geberelement aufweist. Das Geberelement stützt sich einerseits mit einer Schulter unmittelbar am Gebergehäuse ab und andererseits gegen eine Membran, welche mit dem Gebergehäuse verschweisst ist. Der untere Teil des Geberelementes ist von einem Ringraum umgeben, der von einem Kühlmittel durchströmt ist. Der Ringraum ist durch zwei diametral gegenüberliegende Leisten in zwei gleiche Teile geteilt, von denen einer mit einem Zulaufstutzen und der andere mit einem Ablaufstutzen in Verbindung steht. Weiter sind zur Membran hin offene Kanäle vorgesehen, welche die beiden Teilräume des  Ringraumes miteinander verbinden und vom Kühlmittel durchströmt werden. 



  Obwohl mit der bekannten Ausführung relativ gute Kühlleistungen im Bereich der Membran erzielt werden können, sind die Strömungsgeschwindigkeiten im Ringraum um das Geberelement relativ gering und inhomogen, wodurch auch die Kühlleistung im Bereich des Geberelementes nicht zufriedenstellend ist. 



  Weiters ist das Sensorgehäuse durch den relativ grossen Ringraum am druck- und wärmebeaufschlagten Ende stark geschwächt. Dadurch entstehen sowohl durch die temperaturbedingten Spannungen am Sensor als auch durch die Verformungen an der Montagestelle relativ grosse Verformungen des Sensorgehäuses, wodurch Fehldrucksignale erzeugt werden können. Die Möglichkeit, durch geeignete Form des Kühlraumes bestimmte Teile des Sensors besonders gut, andere aber weniger zu kühlen um eine gleichmässige Temperatur zu erreichen, ist bei dieser Ausführung relativ gering. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor vorzuschlagen, welcher neben einer ausreichenden Steifigkeit des dem zu vermessenden Druckmedium zugewandten Gehäuseteiles ein Kühlsystem aufweist, mit welchem eine wirksame Abfuhr der eingebrachten Wärmeenergie erreicht werden kann. 



  Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in der Wand des zweiten Gehäuseteils eine Vielzahl, mit der Zu- und der Ableitung zumindest indirekt in Verbindung stehende Kühlkanäle angeordnet sind, welche käfigartig um das zu kühlende Geberelement angeordnet und/oder auf die thermisch hochbelastete Membran gerichtet sind. Beim erfindungsgemässen Drucksensor wird somit ein den zweiten Gehäuseteil schwächender grosser Ringraum vermieden und ein Kühlsystem aus einer Vielzahl von Kühlkanälen gebildet, die das zu kühlende Mess- oder Geberelement in der Art eines Kühlkäfigs umgeben und in der Wand des zweiten Gehäuseteiles angeordnet sind.

   Die Kühlkanäle können dort angeordnet werden, wo die Kühlleistung benötigt wird, wobei durch die Anzahl der Bohrungen, deren Lage im Gehäuse sowie deren Querschnittsgrösse und Form die örtliche Kühlleistung fast nach Belieben gestaltet werden kann. 



  Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die mechanische Schwächung des Gehäuses sehr gering gehalten werden kann. Besonders im Bereich der Stirnfläche des Drucksensors können membranseitigige Ringräume besonders klein gehalten werden bzw. in einzelnen Ausführungsvarianten überhaupt entfallen. Damit werden Sensorverformungen und daraus resultierende Fehldruckanzeigen minimiert. 



  In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass erste Kühlkanäle von zumindest einer Zuleitung ausgehend in eine Ringkammer im Bereich der Membran einmünden und zweite Kühlkanäle vorgesehen sind, welche, ausgehend von der Ringkammer, in zumindest eine Ableitung münden. 



  Dabei ist es erfindungsgemäss möglich, dass die Zuleitung mit einem Verteilerraum in Verbindung steht, von welchem die ersten Kühlkanäle ausgehen und die zweiten Kühlkanäle in einen Sammelraum einmünden, welcher mit der Ableitung in Verbindung steht und dass die ersten und die zweiten Kühlkanäle im wesentlichen rotationssymmetrisch in der Wand des zweiten Gehäuseteiles verteilt sind. 



  Der Verteilerraum und der Sammelraum können im thermisch weniger belasteten ersten Gehäuseteil, beispielsweise als konzentrische Ringräume oder auch als Ringräume, welche in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, vorliegen. 



  Erfindungsgemäss ist es weiters möglich, dass im ersten Gehäuseteil oder im von der Membran abgewandten Bereich des zweiten Gehäuseteils ein durch gegenüberliegende Stege in zwei etwa gleich grosse Teilräume unterteilter Ringraum vorgesehen ist, wobei ein Teilraum als Verteilerraum und der andere als Sammelraum ausgebildet ist. 



  Eine besonders kompakte Ausführung ist dadurch gegeben, dass die Ringkammer im Bereich des inneren Randes der kreisringförmigen Membran angeordnet ist und mit den zum äusseren Rand der Membran führenden Kühlkanälen über einen im wesentlichen radial durchströmten schmalen Ringspalt zwischen Membran und Gehäuseteil in Verbindung steht. 



  Eine Ausführungsvariante, mit welcher sich die erforderliche Kühlleistung am Geberelement besonders gut dosieren lässt, wird dadurch realisiert, dass im zweiten Gehäuseteil im Bereich des  Geberelementes mehrere, das Geberelement umfassende ringförmige Kühlkanäle vorgesehen sind, welche in gegenüberliegenden Bereichen von der Zu- bzw. der Ableitung angeschnitten sind. 



  Schliesslich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ausgehend von einem ringförmigen Verteilerraum im ersten Gehäuseteil mehrere auf den äusseren Rand der Membran gerichtete Kühlkanäle vorgesehen sind, welche über einen membranseitigen schmalen Ringspalt mit einer zentralen, ein ringförmiges Geberelement durchsetzenden Ableitung in Verbindung stehen. 



  Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine Ausführung eines gekühlten Drucksensors nach dem Stand der Technik in einem Längsschnitt, 
   Fig. 2 eine erste erfindungsgemässe Ausführung eines Drucksensors in einem Längsschnitt, 
   Fig. 2a den Drucksensor in einem Radialschnitt gemäss Linie 2a-2a, sowie die 
   Fig. 3 bis 6 weitere erfindungsgemässe Ausführungsvarianten ebenfalls im Längsschnitt und die 
   Fig. 3a, 4a, 4b, 5a, 5b und 6a dazugehörige Radialschnitte. 
 



  Der in Fig. 1 dargestellte auf seine wesentlichen Bauteile reduzierte Drucksensor nach dem Stand der Technik, weist einen ersten Gehäuseteil 1 und einen einstückig damit verbundenen zweiten Gehäuseteil 2 auf, wobei der Gehäuseteil 1 Zu- und Ableitungen 3 und 4 für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums aufweist. Der zweite, z.B. in eine Messbohrung einsetzbare Gehäuseteil nimmt ein kraft- oder verschiebungsmessendes Geberelement 5 auf und ist durch eine Membran 6 gasdicht verschlossen. Zur Kühlung des Geberelementes 5 und der Membran 6 ist im Gehäuseteil 2 ein ringförmiger Kühlraum 7 vorgesehen, welcher mit der Zu- und Ableitung 3 und 4 in Strömungsverbindung steht und bis zur Membran 6 reicht. Ein derartiger Drucksensor weist die eingangs erwähnten Nachteile auf. 



  Bei allen erfindungsgemässen Ausführungsvarianten gemäss Fig. 2 bis 6 wird der grosse, vom Geberelement 5 bis zur Membran 6 reichende ringförmige Kühlraum 7 durch eine Vielzahl von Kühlkanälen 8, 10, 14, 14 min  ersetzt, welche in der Wand des Gehäuseteils 2 käfigartig um das zu kühlende Geberelement 5 angeordnet und zum Teil auf die thermisch hochbelastete Membran 6 gerichtet sind. 



  Beispielsweise gehen in der Ausführungsvariante nach Fig. 2 und 2a erste Kühlkanäle 8 von der Zuleitung 3 aus und münden in eine kleine Ringkammer 9 im Bereich der Membran 6 ein. Zweite Kühlkanäle 10 führen von der Ringkammer 9 zur Ableitung 4. Durch die Kühlkanäle 8 und 10 im Gehäuseteil 2 wird die in diesem Bereich eingebrachte Wärmeenergie wirksam abgeführt, wobei gleichzeitig eine optimale Anströmung der Membran 6 erfolgt. 



  Ähnliche Ausführungsvarianten zeigen die Fig. 3 bzw. 3a und die Fig. 4 bzw. 4a und 4b, da hier im Gehäuseteil 1 ebenfalls erste und zweite Kühlkanäle 8 und 10 vorgesehen sind, welche ausgehend von einem durch die Zuleitung 3 gespeisten Verteilerraum 11 über eine membranseitige Ringkammer 9 in einen mit der Ableitung 4 verbundenen Sammelraum 12 münden. Der Verteilerraum 11 und der Sammelraum 12 werden in der Ausführung nach Fig. 3 durch einen Ringraum im Gehäuseteil 1 gebildet, welcher durch gegenüberliegende Stege 13 in zwei etwa gleich grosse Teilräume unterteilt ist. 



  Eine Besonderheit der Variante nach Fig. 3 bzw. 3a ist die Kühlmittelführung im Bereich der Membran 6. Ausgehend von den ersten Kühlkanälen 8, welche zum äusseren Rand der Membran 6 führen, fliesst das Kühlmedium zunächst im wesentlichen radial durch einen engen Ringspalt 16 zur Ringkammer 9, die z.B. durch eine Durchmesserverringerung des vor dem Geberelement 5 liegenden Druckstückes 17 gebildet wird. In der Ringkammer 9 strömt das Kühlmedium zur anderen Sensorseite und von dort wieder im wesentlichen radial durch den Ringspalt 16 zu den zweiten Kühlkanälen 10. Die geringe Höhe des Ringspaltes 16 führt zu einer entsprechend vergrösserten Steifigkeit des Gehäuses. 



  In der Ausführung nach Fig. 4 stehen die ersten und zweiten Kühlkanäle 8 und 10 jeweils mit einem separaten Ringraum im  Gehäuseteil 1 in Verbindung, wobei ein Ringraum als Verteilraum 11 (im Bereich der Ableitung 4 unterbrochen) und einer als Sammelraum 12 fungiert. Diese Konstruktion ermöglicht eine rotationssymmetrische Anordnung der ersten und zweiten Kühlkanäle 8 und 10 und damit eine rotationssymmetrische Temperaturverteilung im Sensor. Der Querschnitt des Ringraumes 9 kann auch hier ausserordentlich klein gehalten sein, da er lediglich den Kühlmittelstrom eines Kühlkanales übernehmen muss. 



  Falls die Kühlkanäle 8 und 10 im Bereich der Membran 6 durch Bohrungen bzw. Nuten 91 verbunden sind (linke Hälfte Fig. 4 sowie Fig. 4a), könnte in dieser Ausführungsvariante auf den membranseitigen Ringraum 9 verzichtet werden. Es ist lediglich ein geringer Spalt zwischen Membran 6 und Gehäuseteil 2 nötig, der die sehr kleinen Membranbewegungen (wenige  mu m) zulässt. In der rechten Hälfte der Fig. 4 sowie in Fig. 4b sind als weitere Ausführungsvariante die Kühlkanäle 8 und 10 in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet. 



  Die Ausführungsvariante nach Fig. 5 bzw. Fig. 5b zeigt einen Drucksensor, dessen Geberelement 5 von im Gehäuseteil 2 angeordneten ringförmigen Kühlkanälen 14 käfigartig umfasst wird, welche von der Zu- bzw. der Ableitung 3, 4 in gegenüberliegenden Bereichen angeschnitten und so in den Kühlkreislauf eingebunden sind. Wie in der linken Hälfte der Fig. 5 (siehe auch Fig. 5a) dargestellt, können jedoch auch ringförmige Kühlkanäle 14 min  (auch in Kombination mit den Kühlkanälen 14) knapp unter der äusseren Oberfläche des Gehäuseteils 2 angeordnet sein. Membranseitig befindet sich auch hier eine mit der Zu- und Ableitung in Strömungsverbindung stehende Ringkammer 9. 



  Schliesslich zeigt die Fig. 6 eine Ausführungsvariante des Drucksensors, bei welchem, ausgehend von einem im Gehäuseteil 1 angeordneten ringförmigen Verteilerraum 11, mehrere auf den äusseren Rand der Membran 6 gerichtete Kühlkanäle 8 vorgesehen sind, welche in einen membranseitigen schmalen Ringspalt 16 münden. Der Abfluss des Kühlmediums erfolgt über eine zentrale Ableitung 4 min , welche ein ringförmiges Geberelement 5 min  durchsetzt. Eine elektrisch isolierte Signalableitung für das Geberelement 5 bzw. 5 min  ist in den einzelnen Ausführungsvarianten mit 15 bezeichnet. 

Claims (7)

1. Gekühlter Drucksensor mit einem ersten Gehäuseteil (1) und darin angeordneten Zu- und Ableitungen (3, 4; 4 min ) für ein Kühlmedium, sowie mit einem von einer Membran (6) gasdicht verschlossenen, ein kraft- oder verschiebungsmessendes Geberelement (5; 5 min ) aufnehmenden zweiten Gehäuseteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des zweiten Gehäuseteils (2) eine Vielzahl, mit der Zu- und der Ableitung (3, 4; 4 min ) zumindest indirekt in Verbindung stehende Kühlkanäle (8, 10; 14, 14 min ) angeordnet sind, welche käfigartig um das zu kühlende Geberelement (5; 5 min ) angeordnet und/oder auf die thermisch hochbelastete Membran (6) gerichtet sind.

2.

Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erste Kühlkanäle (8) von zumindest einer Zuleitung (3) ausgehend in eine Ringkammer (9) im Bereich der Membran (6) einmünden und zweite Kühlkanäle (10) vorgesehen sind, welche, ausgehend von der Ringkammer (9), in zumindest eine Ableitung (4; 4 min ) münden.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (3) mit einem Verteilerraum (11) in Verbindung steht, von welchem die ersten Kühlkanäle (8) ausgehen und die zweiten Kühlkanäle (10) in einen Sammelraum (12) einmünden, welcher mit der Ableitung (4) in Verbindung steht und dass die ersten (8) und die zweiten Kühlkanäle (10) im wesentlichen rotationssymmetrisch in der Wand des zweiten Gehäuseteiles (2) verteilt sind.

4.

Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Gehäuseteil (1) oder im von der Membran (6) abgewandten Bereich des zweiten Gehäuseteils (2) ein durch gegenüberliegende Stege (13) in zwei etwa gleich grosse Teilräume unterteilter Ringraum vorgesehen ist, wobei ein Teilraum als Verteilerraum (11) und der andere als Sammelraum (12) ausgebildet ist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (9) im Bereich des inneren Randes der kreisringförmigen Membran (6) angeordnet ist und mit den zum äusseren Rand der Membran (6) führenden Kühlkanälen (8, 10) über einen im wesentlichen radial durchströmten schmalen Ringspalt (16) zwischen Membran (6) und Gehäuseteil (2) in Verbindung steht.

6.

Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Gehäuseteil (2) im Bereich des Geberelementes (5) mehrere, das Geberelement umfassende ringförmige Kühlkanäle (14, 14 min ) vorgesehen sind, welche in gegenüberliegenden Bereichen von der Zu- bzw. der Ableitung (3, 4) angeschnitten sind.

7. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem ringförmigen Verteilerraum (11) im ersten Gehäuseteil (1) mehrere auf den äusseren Rand der Membran (6) gerichtete Kühlkanäle (8) vorgesehen sind, welche über einen membranseitigen schmalen Ringspalt (16) mit einer zentralen, ein ringförmiges Geberelement (5 min ) durchsetzenden Ableitung (4 min ) in Verbindung stehen.