CN100570352C - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器，包括：传感元件，其用于探测包含在测量气体中特定气体的浓度；壳体(11，711)，其中保持着所述传感元件(10)；元件盖(2)，其安装在所述壳体(11)的顶部；用于固定所述元件盖(2)的基端侧和所述壳体(11)的顶端侧的固定部分(110，1110，2110，3110，4110)。所述元件盖(2)由包含Al的Fe基合金制成。

Description

气体传感器

技术领域

本发明总体上涉及一种气体传感器，其可安装在排气系统上用于测量包含在测量气体中的特定气体。

背景技术

如图15所示，日本专利文献No.2003-185620描述了一种气体传感器9，其安装在汽车内燃机的排气系统中，用于探测测量气体中的特定气体。该气体传感器9包括：传感元件910，其用于探测包含在测量气体中的特定气体的浓度；壳体911，其用于在其中保持传感元件910；以及元件盖92，其安装在壳体911的顶端侧，并保护传感元件910的顶端侧。

元件盖92包括管形内盖921和管形外盖922。内盖921的基端侧设置在壳体911的顶端侧，且外盖922的基端侧设置在壳体911的顶端侧以及内盖921的外侧。

最近以来，要求发动机具有低的燃料消耗和高的输出动力以保护环境。因此，排出气体的温度增加。结果，由于元件盖92易于受热劣化，当元件盖92承受外部力(例如排出气体压力或内燃机的振动)时，元件盖92将有可能从壳体911上分离开。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种改进的气体传感器结构，其元件盖具有高的耐热性、高的抗氧化性，且能够可靠地与壳体一起固定。

根据本发明的一个方面，提供了一种气体传感器，包括：传感元件，其用于探测包含在测量气体中特定气体的浓度；壳体，其中保持着所述传感元件；元件盖，其安装在所述壳体的顶端侧；用于固定所述元件盖的基端侧和所述壳体的顶端侧的固定部分，其中，所述元件盖由包含Al的Fe基合金制成。

根据本发明的另一方面，提供了一种气体传感器，包括：传感元件，其用于探测包含在测量气体中特定气体的浓度；壳体，其中保持着所述传感元件；元件盖，其安装在所述壳体的顶部处，其中，所述元件盖的热膨胀系数α和所述壳体的热膨胀系数β是在20℃-850℃范围内的热膨胀平均系数，且满足关系：0＜α-β≤2×10^-6/℃。

附图说明

通过以下详细说明以及参考附图，本发明的上述目的、特征和优点将变得更加清楚。

图1是根据本发明的第一实施例的气体传感器的纵向剖视图；

图2是显示图1中的气体传感器的顶部分的纵向剖视图；

图3示例说明根据本发明第一实施例的内燃机排气系统。

图4示例说明根据比较示例的元件盖的热分布；

图5示例说明根据比较示例的元件盖的热分布；

图6是表示根据本发明第一实施例的铝的量和硬度之间关系的曲线；

图7是表示根据本发明第一实施例的铝的量和元件盖的减少厚度之间关系的曲线；

图8是表示根据本发明第二实施例的、距固定部分的距离和应力比之间关系的曲线；

图9是根据本发明的第三实施例的气体传感器的顶部分的纵向剖视图；

图10是根据本发明的第四实施例的气体传感器的顶部分的纵向剖视图；

图11是根据本发明的第五实施例的气体传感器的纵向剖视图；

图12是根据本发明的第五实施例的气体传感器的顶部分的纵向剖视图；

图13是表示热膨胀系数差与应力比之间关系的另一条曲线；

图14是表示热膨胀系数差与应力比之间关系的曲线；以及

图15是根据现有技术的气体传感器的纵向剖视图。

具体实施方式

在本申请中，内燃机的排气管的安装侧定义为顶端侧，且顶端侧的另一侧定义为基端侧。

<实施例1>

如图1和2所示，气体传感器1包括：传感元件10，用于探测包含在排出气体中的氧气的浓度；壳体11，用于在其中通过绝热陶瓷12保持传感元件10；以及元件盖2，其安装在壳体11的顶端侧。

传感元件10的顶端侧100从壳体11的顶表面111突伸出来。

元件盖2由包含Al(铝)的Fe(铁)基合金制成。

元件盖2包括形成在传感元件10附近的内盖21和形成在内盖21外侧的外盖22。

内盖21和外盖22通过敛缝(caulking)、焊接或这些方法的组合来连接到壳体11上。用于固定元件盖2和壳体11之间的固定部分110形成在壳体11的顶端表面111处。

传感元件10是层合有氧化锆陶瓷和铝陶瓷的板形元件。元件盖2围绕着传感元件10的顶端侧100，用于防止其受到外部压力(例如排出气体)以及防止水。

在内盖21和外盖22的侧壁上形成有第一侧孔212和第二侧孔222。测量气体通过第一侧孔212和第二侧孔222引入元件盖2的内侧，且排出气体中的氧气浓度由气体传感器1来测量。

第一侧孔212和第二侧孔222没有彼此面对，以有效地防止传感元件10受到排出气体压力以及防止水。利用第一侧孔212和第二侧孔222的位置关系可完全地保持气体传感器1的响应性能。

如图3所示，气体传感器1安装在汽车发动机3的排气管4中，且探测排出气体的氧气浓度。气体传感器1安装在排气管4的催化剂载体5的上游侧。

如图4-5所示，研究了元件盖92从壳体911上分离的过程。

传统气体传感器9的元件盖92由包含Al(铝)的Ni(镍)基合金制成。例如，当元件盖92由Inconel(商标名称)制成时，其包含57原子％的Ni，3原子％的Al和26原子％的Cr，因为该合金包含Al，所以形成了氧化铝层，且可以改进盖的耐热性能和抗氧化性。

然而，当气体传感器9使用多次时，因为气体传感器9暴露于高温气体较长的时间，所以元件盖92的顶端侧也达到很高的温度。

另一方面，Ni与Al反应生成了金属间化合物Ni₃Al，且在500-800℃时增加了材料硬度。此外，金属间化合物Ni₃Al在800℃或以上时发生分解。

元件盖92的温度朝向顶端侧升高，例如在顶端侧是900℃，在基端侧是650℃，参见如图4所示的热分布。

最近地，因为排出气体的温度日趋增加，气体传感器9容易暴露于更高温度的排出气体。结果使得，元件盖921的热分布如图5所示，其中在元件盖921的顶端侧是1000℃，在元件盖921的基端侧是750℃。因此，位于区域W和区域S之间的边界部分的硬度转折部分99朝向元件盖92的基端侧移位。

硬度转折部分99的移位使得元件盖92的受热劣化，且盖容易从壳体911上分离开。

很明显地，硬度转折部分99是元件盖92从壳体911上分离的一个原因。

如上所述，在第一实施例中，元件盖2由包含Al的Fe基合金制成。

更具体地，在一个示例中，Fe-Al合金包括大约4-8.5原子％的Al，大约14-22原子％的Cr和大约50原子％或更多的Fe。

在优选实施例中，元件盖2的金属组成是含有6原子％Al和20原子％Cr的Fe基合金。

如果Fe-Al合金包含Ni(镍)杂质，则Ni的量是6原子％或以下。

Al-Fe合金在任何温度下都不会形成金属互化物。因此，因为元件盖2由包含Al的Fe基合金制成，则不会形成金属互化物，且元件盖2不易于从壳体11上分开。

更具体地说，即使元件盖2承受外部力(例如排出气体压力或来自内燃机的振动)，因为在元件盖2上不会形成金属互化物，通过限制在元件盖2的基侧产生应力集中可防止元件盖2形成附加破裂(subsidiary fracture)。因为元件盖2也包含Al，元件盖2具有超强的耐热性和抗氧化性。

此外，研究了在含有Al的Fe基合金中Al含量与元件盖2的硬度之间的关系。

确定硬度的条件如下：元件盖2被加热到700℃，然后冷却到室温。之后，测量元件盖2的硬度。该硬度为维氏硬度(Hv)。

如图6所示，当Al的含量为2原子％或以下时，完全阻止了元件盖2硬度的增加。这种现象的原因在于：所形成的金属互化物Ni₃Al的量不足以影响材料硬度。

另一方面，当Al的含量高于2原子％时，硬度明显增加。这种现象的原因在于：所形成的金属互化物Ni₃Al的量足以影响材料硬度。

此外，Ni的量应该是Al的量的三倍，以形成金属互化物Ni₃Al。因此，当元件盖2由Fe-Al合金制成时，当具有2原子％或以下的Al时，通过具有6原子％或以下的Ni可限制元件盖2的硬度增加。

如上所述，Fe-Al合金包括不多于6原子％的Ni。因此，即使形成了金属互化物Ni₃Al，因为金属互化物Ni₃Al的量很小，可防止过分地增加元件盖2的硬度。因此，可防止由于金属互化物Ni₃Al引起的硬度转折部分在元件盖2的基端侧形成。结果使得，可提供这样一种气体传感器1，其包括具有高耐热性、高抗氧化性且能够和壳体11可靠地固定。

此外，在该实施例中，Fe-Al合金包括Cr。因此，包括元件盖2的气体传感器1不仅具有高耐热性、高抗氧化性，而且具有优越的工作性。

更具体而言，当太多的Al添加到合金时，会有可能使元件盖2的工作性降低。

另一方面，通过将Cr添加到Fe-Al合金内，可维持元件盖2的工作性，同时Al的量要足以使得元件盖2具有高耐热性、高抗氧化性。

如图7所示，提供了由多种Fe基合金(其包含不同含量的Cr和Al)制成的元件盖2。根据冷热耐久性试验来研究每种合金的抗氧化性能。

更具体而言，样品E1是由包含12原子％Cr和4原子％Al的Fe基合金制成的元件盖，样品E2是由包含14原子％Cr和3原子％Al的Fe基合金制成的元件盖，样品E3是由包含14原子％Cr和4原子％Al的Fe基合金制成的元件盖，样品E4是由包含20原子％Cr和4原子％Al的Fe基合金制成的元件盖，样品E5是由包含20原子％Cr和6原子％Al的Fe基合金制成的元件盖。

冷热耐久性试验的条件如下：元件盖加热6分钟以使得其最高温度达到1000℃，然后元件盖冷却4分钟以使得其最低温度达到150℃。从加热到冷却的过程视为一个循环。这样的循环进行1000次。

在该实施例中，影响抗氧化性的程度视为由氧化带来的元件盖厚度的减少。

试验结果如图7的曲线所示。

连接12原子％Cr、14原子％Cr和20原子％Cr处的数据形成了曲线L1-L3。

即使当元件盖暴露于恶劣的环境时，也可确保组成包括4原子％或以上的Al以及14原子％或以上的Cr的元件盖的抗氧化性。

Fe-Al合金的组成包括大约14-22原子％的Cr和大约4-8原子％的Al。因此，元件盖具有高耐热性、高抗氧化性，而且具有优越的工作性。

另一方面，当Cr的含量小于12原子％时，会担心元件盖不具有高耐热性、高抗氧化性。

当Cr的含量大于22原子％时，会担心元件盖不具有优越的工作性。

此外，当Al的含量小于4原子％时，会担心元件盖不具有高耐热性、高抗氧化性。

当Al的含量小于8.5原子％时，会担心元件盖不具有优越的工作性。

<实施例2>

此外，研究了距固定部分的距离与热应力之间的关系。

应力的测量方法是：当元件盖的顶端侧沿垂直于轴向的一个方向受到1000G的冲击时，利用FEM分析来测量在元件盖上的每个点处存在的应力。应力比代表试验结果。

应力比表示在每个部分处的应力与距固定部分4mm处的位置处的应力之比。

进行试验的元件盖具有相同的厚度、相同的直径，且不具有侧孔。

如图8所示，在距固定部分超过4mm处的元件盖的部分处的应力比与距固定部分4mm处的部分处的应力比几乎相同。

另一方面，应力比在距固定部分4mm或更小的距离处增加。

特别地，在距固定部分2mm或更小的距离处的应力比显著地增加，且是距固定部分4mm的距离处的应力比的两倍。

如上所述，进行上述试验清楚地表明，在距固定部分4mm或少于4mm的位置(尤其是2mm或少于2mm的位置)处，应力剧烈地产生。因此，当具有应力集中或应力减少功能的结构或形状(例如变径位置或侧孔)形成在距固定部分4mm或少于4mm的位置时，元件盖易于受到附加破裂。

因此，在本发明的第一实施例中，尽管变径位置或侧孔位于距固定部分4mm或少于4mm的位置(尤其是2mm或少于2mm的位置)处，由于元件盖由Fe-Al合金制成，该元件盖可有效地防止附加破裂。

更具体地，如图1-2所示，内盖22中的变径位置221和第一侧孔221形成在距固定部分110的4mm或少于4mm的位置处(如D和d所示)。另一方面，元件盖2由Fe-Al合金制成。因此，如上所述，尽管第一侧孔221的变径位置和中心形成在距固定部分110的4mm或少于4mm的位置处，也可有效地防止元件盖2发生附加破裂。

<实施例3>

如图9所示，气体传感器50包括内盖121中的变径部分1221和外盖122中的第二侧孔1122。变径部分1221和中心第二侧孔1122形成在距固定部分1110的4mm或少于4mm的位置处。

内盖121和外盖122由Fe-Al合金制成。

在该实施例中，如上所述，变径部分1221和第二侧孔1122形成在容易发生附加破裂的区域。然而，因为内盖121和外盖122由Fe-Al合金制成，可以在不影响变径部分1221和第二侧孔1122位置的情况下有效防止元件盖200发生附加破裂。

通过采用该实施例，可有效地防止元件盖200发生附加破裂。

本实施例的其他方面与实施例1相同。

<实施例4>

如图10所示，元件盖包括内盖521和外盖522。内盖521中第一侧孔2521和第一变径部分2525形成在距固定部分110的4mm或少于4mm的位置处。此外，第一侧孔2521形成在第一变径部分2525处。

第二变径部分2530也形成在内盖521的顶端侧。变径部分2530形成在距固定部分2110大于4mm的位置。在另一方面，在外盖522中没有变径部分，且第二侧孔2522也形成在外盖522的顶端侧附近。

内盖521由Fe-Al合金制成。优选地，外盖522由Fe-Al合金制成，但是外盖522也可以由其他种类的合金制成。

通过利用该实施例，可有效地防止元件盖500发生附加破裂。

本实施例的其他方面与实施例1相同。

<实施例5>

如图11所示，气体传感器600安装有元件盖610和通过激光焊接与基端侧相固定的壳体11。元件盖610包括内盖621和外盖622。在内盖621中的第一变径部分3625形成在距固定部分3110的4mm或少于4mm的位置处。在内盖621中的第二变径部分3527和第一侧孔3627以及外盖622中的第二侧孔3622形成在距固定部分1110的大于4mm的位置处。此外，第一侧孔3627形成在第二变径部分3625中。

内盖621由Fe-Al合金制成。优选地，外盖622由Fe-Al合金制成，但是外盖622也可以由其他种类的合金制成。

可防止元件盖610从壳体11上分离。

在其他方面，本实施例的功能和结果与实施例1相同。

<实施例6>

如图12所示，作为试验样品的气体传感器700的固定部分4110不同于气体传感器1的固定部分110。即，位于元件盖710的基端侧的固定部分4110通过激光焊接固定到壳体11的外周边上。在内盖721中的第一侧孔3721和变径部分3725形成在距固定部分4110的4mm或少于4mm的位置处。外盖722中的第二侧孔3722形成在距固定部分4110大于4mm的位置处。

壳体11由包括铁氧体的不锈钢制成。

元件盖710由这样的Fe基合金制成，其包括4-8.8原子％Al，14-22原子％Cr，和6或小于6的原子％Ni。

因为元件盖710和壳体11由Fe基合金制成，元件盖710的热膨胀系数(α)和壳体11的热膨胀系数(β)之差符合以下关系：0＜α-β≤2×10^-6。

热膨胀系数差是元件盖710和壳体11在20℃-850℃范围内的热膨胀平均系数之差。

研究了元件盖710和壳体11的热膨胀平均系数差与固定部分4110处的热应力之间的关系。

用作样品的气体传感器结构与图11相同。

具有在1.0×10^-6-4.3×10^-6/℃范围内的热膨胀系数差的各种气体传感器用于分析热膨胀系数。

在850℃时测量在固定部分3110产生的热应力。当热膨胀系数差为1.0×10^-6/℃时，在固定部分4110处的热应力视为“1”，且计算出每个热膨胀系数的热应力与在1.0×10^-6/℃时的热应力的热应力比。

假定在气体传感器在正常使用条件下，850℃视为气体传感器暴露于排出气体时的最接近类似温度。

图12描述了热膨胀系数差与应力比之间的关系。当热膨胀系数差为2.0×10^-6/℃或以下时，因为应力比小于1.1，可完全地降低热应力。另一方面，当热膨胀系数差为3.0×10^-6/℃或更多时，因为压力比在1.2以上，所以会增加在固定部分4110处产生的热应力。

此外，进行了冷热台架试验用于确认上述结果。具有由NCF601合金(铬镍铁合金601，或Inconel 601)和FCH2合金(Fe-18Cr-3Al，重量原子％)制成的元件盖的两种类型气体传感器用作样品。

样品的其他结构与图11相同。

每种类型的样品共设了五个样品。

冷热台架试验的条件如下：元件盖加热6分钟以使得其最高温度达到850℃，然后元件盖冷却6分钟以使得其最低温度达到600℃。从加热到冷却的过程视为一个循环。这样的循环进行1000次。之后，检查样品的元件盖和壳体之间的固定部分的剖切面以确定裂缝的生成情况。

NCF601合金和壳体11之间的热膨胀系数差是4.3×10^-6/℃，且FCH2合金和壳体11之间的热膨胀系数差是4.3×10^-6/℃。

描述冷热台架试验的结果。由FCH2合金制成的元件盖样品在固定部分处没有裂缝。另一方面，由NCF601合金制成的所有五个元件盖样品在固定部分处都有裂缝。

结果使得，当元件盖和壳体之间的热膨胀系数差为2.0×10^-6/℃或以下时，可充分抑制由于温度升高而在固定部分处生成应力。

如上所述，当热膨胀系数差为2.0×10^-6/℃或以下时，可完全地减少热应力。

以下研究热膨胀系数差的最下限。

提供热膨胀系数差在-2.0×10^-6/℃～2.0×10^-6/℃范围的一些样品。

假定气体传感器进行断油控制，热应力分析的条件是：当壳体11的内表面的温度为850℃且元件盖的外表面的温度为250℃时，测量在固定部分处产生的热应力。在这之后，当热膨胀系数差为0时，将固定部分处的热应力视为1。计算热应力视为1的每个样品的热应力的热应力比。

图13描述了这些样品的热应力分析的结果。

当热膨胀系数差大于0时，即当元件盖的热膨胀系数大于壳体的热膨胀系数时，热应力比小于1。因此，可减少固定部分处产生的热应力。另一方面，当热膨胀系数差小于0时，热应力比大于1。

结果使得，即使在特定的环境中(例如进行断油控制时)，当元件盖的热膨胀系数大于壳体的热膨胀系数时，可完全减少固定部分处产生的热应力。

以下基于上述试验的结果来描述功能和结果。

所使用的附图标记和图11中使用的相同。当热膨胀系数α和热膨胀系数β满足以下关系：0＜α-β≤2×10^-6时，可充分地限制元件盖710从气体传感器700上分离。

更具体而言，当进行断油控制时，在高温的气体传感器700立刻暴露于低温空气。因为元件盖710容易暴露于低温空气且具有相对低的热容，因此元件盖710突然冷却。另一方面，因为壳体11难以暴露于低温空气且具有相对高的热容，壳体11容易保持在高温。结果使得，元件盖710突然收缩，而壳体11仅仅收缩一点。

在该实施例中，因为元件盖710的热膨胀系数α大于壳体11的热膨胀系数β(等同于0＜α-β)，元件盖710在高温下比壳体11膨胀得多。这样，因为元件盖710从膨胀状态开始收缩，元件盖710和壳体11之间的滑动量保持较小，且可限制固定部分4110产生热应力。

此外，因为热膨胀系数α和β满足关系α-β≤2×10^-6/℃，当温度升高时可限制元件盖710膨胀超出壳体11。这样，可避免固定部分4110承受太多的热应力。

结果使得，可防止固定部分4110开裂，且可防止元件盖710具有附加破裂。此外，固定部分4110可防止元件盖710从壳体11处分离。

因为元件盖710和壳体11在整个周边处通过激光焊接进行固定，可以确保在固定部分处的元件盖710和壳体11之间固定强度。这样，可限止元件盖710从壳体11处分离。

该实施例的其他功能和结果与实施例1相同。

尽管已经结合优选实施例以及附图完全描述了本发明，应该注意，对于本领域的一般技术人员来说各种变化和修改是显而易见的。

例如，气体传感器可以是NO_x传感器、氧气传感器、空气-燃料传感器等等。

气体传感器安装在内燃机的排气净化催化剂的上游侧。

这样，因为排气管上游侧的温度高于下游侧的温度，气体传感器的元件盖易于受到附加破裂且易于从壳体上分离。当气体传感器安装在排气净化催化剂的上游侧时，本发明的功能和结果将更加有效。

上述变化和修正应当理解为落入附属的权利要求书所限定的范围内。

Claims (12)

1.一种气体传感器，包括：

传感元件(10)，其用于探测包含在测量气体中特定气体的浓度；

壳体(11，711)，其中保持着所述传感元件；

元件盖(2)，其安装在所述壳体(11)的顶端侧；

用于固定所述元件盖(2)的基端侧和所述壳体(11)的顶端侧的固定部分(110，1110，2110，3110，4110)，其中，

所述元件盖(2，200，610，710)由包含Al的Fe基合金制成；

其中，所述Fe基合金含有4-8.5原子％的Al；

所述Fe基合金含有50以上原子％的Fe；

所述Fe基合金含有6以下原子％的Ni；

所述Fe基合金还含有Cr。

2.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述Fe基合金含有14-22原子％的Cr。

3.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述元件盖具有变径部分(2525)，其直径从基端侧朝向顶端侧减少。

4.如权利要求3所述的气体传感器，其中所述变径部分(1221，2525，3525)形成在距固定部分(1110)距离4mm以下的部分处。

5.如权利要求4所述的气体传感器，其中所述变径部分(2525)形成在距固定部分(1110)距离2mm以下的部分处。

6.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述元件盖包括形成在所述传感元件(10)附近的内盖(22，121，521，621，721)和形成在所述内盖(22，121，521，621，721)外侧的外盖(21，122，522，622，722)，且侧孔形成在所述内盖(22，121，521，621，721)和所述外盖(21，122，522，622，722)中。

7.如权利要求6所述的气体传感器，其中具有更靠近所述壳体(11，711)的侧孔(212，222，1121，1122，2521，2522，3621，3622，3721，3722)的至少所述盖由包含Al的Fe基合金制成。

8.如权利要求7所述的气体传感器，其中更靠近所述壳体的所述侧孔(212，222，1121，1122，2521，2522，3621，3622，3721，3722)的中心形成在距所述壳体(11，711)4mm以下的位置处；

所述元件盖(2)的热膨胀系数α和所述壳体(11，711)的热膨胀系数β是在20℃-850℃范围内的热膨胀平均系数，且满足关系：0＜α-β≤2×10^-6/℃；以及

所述壳体(11，711)由具有铁氧体的不锈钢制成，且所述元件盖由包含Al的Fe基合金制成。

9.如权利要求7所述的气体传感器，其中更靠近所述壳体(11，711)的所述侧孔(212，222，1121，1122，2521，2522，3621，3622，3721，3722)的中心形成在距所述壳体2mm以下的位置处。

10.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述气体传感器安装在排气管中的催化剂载体的上游侧。

11.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述元件盖和所述壳体通过激光焊接、电阻焊或这些方法的组合进行固定。

12.如权利要求11所述的气体传感器，其中所述元件盖(2)和所述壳体(11，711)在整个周边处通过焊接进行固定。

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