CN103229590A - 用于气液混合环境的受热传感器元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于气体传感器的受热衬底元件，其包括：陶瓷衬底元件，该陶瓷衬底元件具有第一表面以及与该第一表面相反的第二表面；加热元件，该加热元件形成在所述第一表面上；以及被动式导热金属层，该被动式导热金属层形成在所述第二表面上。该元件能够耐受住由于突然的局部温度变化而导致的致裂应力，例如当液滴掉落在该元件上时产生的局部温度变化。

Description

用于气液混合环境的受热传感器元件
背景技术
一些高温气体传感器包括陶瓷衬底元件，该陶瓷衬底元件镀有作为高温热源的金属导电体(通常是铂)。这些传感器被该导电体加热到比管道中的气体温度高的温度，并且所述传感器的受热区域暴露于气流中。这些传感器(包括氧气传感器、氮氧化物传感器、质量流量传感器及其他的专用传感器)例如用在重型柴油机的进气管道和排气管道中。
在内燃机的进气管道和排气管道中，气流中可能意外地存在有液体。例如，在起动期间或由于冷却剂的问题而可能存在由冷凝的湿气形成的水、由于燃料喷射器的问题而泄漏的发动机燃料、由于发动机密封或涡轮增压器的问题而泄漏的发动机机油，或者由于气缸密封或排气再循环冷却器的问题而泄漏的冷却剂。
在目前的柴油机排气处理系统中，将液体在如下区域有意地注入到排气系统中，高温气体传感器作为该处理系统的一部分用在该区域处。很多情况下，在发动机的常规使用期间定期注入液体，例如，注入尿素以用于减少NOx的选择性催化还原系统，以及，注入碳氢化合物燃料以用于加热柴油微粒过滤器系统。
如果气流中存在有液体，那么，受热的陶瓷衬底元件可能存在问题。当液滴接触该受热的元件时，位于接触区域处的陶瓷衬底被立即冷却到该液体的温度，并且该温差导致此材料中产生应力。陶瓷材料呈晶体状且具有脆性，该温差可以导致陶瓷破裂，这最终导致所述衬底元件和加热导体的故障。
例如，受热衬底元件可能运行在700℃。如果水滴(它是最高为100℃的液体)落到该元件上，该元件的局部区域将被冷却到100℃。该液体接触区域的边界两侧的温差约为600℃，从而在该陶瓷衬底中产生温差应力。
典型地，用于该受热衬底传感器的控制系统检测温度的降低并通过向加热器供应更多的电力来进行响应。然而，增加额外的电力会增大该冷点与加热器的其余部分之间的温度不均衡，从而会使温差应力扩大。
陶瓷衬底中的裂缝可能在所述金属电加热器导体中产生应变。该导体的处于应变下的部分的电阻可能会增大，这可能导致在该加热器导体中产生温度过热点，从而会使金属融化并使加热器电路断开。
因此，解决传感器中的液体接触热应力故障的问题是非常重要的。
此问题的一种解决方案是对受热传感器进行软件控制。美国专利No.7,084,378公开了一种算法，用于控制加热周期来防止传感器本体的故障。然而，该软件仅在检测到温度变化之后才能作出响应。
发明内容
本发明涉及如下传感器的改进：该传感器包括镀有金属(铂)导体的陶瓷加热器衬底。
本发明提出了在陶瓷衬底上的高温加热器的两个相反侧通过电镀或其他方式来提供被动式导热层。该导热层是比陶瓷更好的传热导体，优选为金属材料。该导热层被视为用来吸收和分散热能的热阻尼器，以防止陶瓷衬底的过快加热而导致该衬底破裂。“被动式”是指：除了与陶瓷衬底接触之外，该金属层不具有电连接且没有热源或散热器连接。
该被动式金属层也被认为能够通过将该衬底的更大区域上的热量传递到液体接触区域来减轻与传感器衬底接触的湿气或液体的冷却效应。
该被动式金属层被认为能够纵向地分散该陶瓷衬底的热量，这有助于防止部位过热而进入故障模式。
根据本发明的一个实施例，该陶瓷衬底形成有末端和基部，该末端上布置有加热元件，该末端是横截面较窄、较小的区域，而所述基部是横截面较宽、较大的区域。所述镀层从该末端延伸到所述基部的一部分上，这便于将热能从衬底的较小面积散布到较大面积。
该金属层也被认为能够用于机械地加强该陶瓷衬底、保持衬底的完整性并使其屈曲最小化。
该被动式金属覆层可以在基部端形成有弯曲或波浪状的末端边缘线，以便增加该衬底的横向方向上的有效散热距离。
本发明也可以实施在圆柱形的衬底中。根据一个实施例，该圆柱形衬底是陶瓷材料的实心圆柱体，在一个端部处的表面上设有加热元件，并在该同一端部的相反侧设有被动式金属覆层。
根据另一个实施例，传感器衬底被形成为空心圆柱体，在一个端部处的外表面上形成或布置有加热元件，并在与加热元件的位置相反的内表面上设有被动式金属涂层。替代地，该被动式金属覆层也可以包括位于所述空心圆柱体中的金属芯。
附图说明
通过参考以下详细描述并结合附图来阅读，将能更好地理解本发明，在附图中：
图1示出了传感器衬底元件的平面图，该传感器衬底元件的第一表面上被施加有加热元件；
图2示出了图1的传感器衬底元件的另一侧的平面图，图示了根据本发明一个实施例的被动式金属镀层(passive metal plating)；
图3示出了根据替代实施例的圆柱形传感器衬底元件的横截面视图；并且
图4示出了圆柱形传感器衬底元件的第二实施例的横截面视图。
具体实施方式
图1和2中示出了根据本发明第一实施例的、用于气体传感器的受热衬底元件。如图所示，陶瓷衬底元件10可以是陶瓷材料片，该陶瓷材料例如是氧化铝。衬底元件10具有第一表面12以及与第一表面相反的第二表面14。所图示的实施例中的元件10具有第一端部或基部16以及第二端部或末端18。基部16比末端18宽，并且该基部包括斜削区域19而从所述基部的宽度过渡到所述末端的宽度。衬底元件10也可采用提供了可位于气流中的受热部分的其他形状。
加热器20形成在第一表面上。加热器20可以是电阻性薄膜元件，例如通过任何便利的方式(如沉积和刻蚀或印刷)布置在第一表面12上的铂层。该加热器20包括引线22、24，引线22、24分别具有用于连接到电源的端子26、28。加热器20包括形成在末端18处的加热元件30，该加热元件30被示出为蛇形部。
当该受热衬底元件10使用时，末端18和加热线圈30暴露于气体中。
导热层40形成在第二表面14上的末端18处。导热层40与加热元件30相对，即，导热层40位于隔着该元件10而与加热元件30最短的距离处。导热层40由具有高传热性的材料形成，优选为金属。导热层40在第二表面14上延伸，以至少覆盖基部16的一部分和末端18。
如本领域所公知的，陶瓷是低导热材料，且陶瓷衬底构成了可以维持稳定温度的蓄热物质。本发明的导热层40提供了具有较高传热性的传热层，它能够在接触区域中将热量分散到该陶瓷衬底的两侧。导热层40是被动式导热层，也就是说，它未连接到任何外部加热源或散热器。
根据本发明，导热层40延伸到衬底元件10的基部16上，以提供末端18和所述基部之间的热传导。导热层40的位于基部16处的边缘是非直线的，也就是说，形成为波浪状或弯曲的线条，以提供横跨所述基部的延长距离。
根据试验，与没有导热层的衬底相比，根据本发明的受热陶瓷衬底传感器在传感器使用寿命方面有444％的提高。
根据图3所示的替代实施例，根据本发明的受热陶瓷衬底元件也可以形成为圆柱体100。图3所示的衬底元件具有椭圆形横截面。该衬底元件也可具有圆形横截面。衬底元件100具有形成在第一表面112上的加热器120以及形成在相反侧114的导热层140。
图4示出了另外的替代实施例，其中，衬底元件200具有中空圆柱形本体。根据本实施例，加热器220设置在该元件200的外表面212上，且导热层240设置在该元件的与所述加热器相反的内表面214上。替代地，该导热层也可以形成为金属芯。
图3和图4中的实施例可以包括结合图1和图2描述过的其他特征，这些特征包括：具有狭窄末端部分的衬底元件，以及形成在第一表面的末端处的加热器。
已经通过说明性的实施例和部件描述了本发明，然而，本领域技术人员应该认识到，在不脱离所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可以进行各种替换。

Claims (11)

1.一种用于气体传感器的受热衬底元件，包括：
陶瓷衬底元件，所述陶瓷衬底元件具有第一表面以及与所述第一表面相反的第二表面；
加热元件，所述加热元件形成在所述第一表面上；以及
被动式导热层，所述被动式导热层形成在所述第二表面上。
2.根据权利要求1所述的受热衬底元件，其中，所述陶瓷衬底元件被形成为板。
3.根据权利要求1所述的受热衬底元件，其中，所述陶瓷衬底元件具有从基部延伸的末端以及在所述末端和所述基部之间的过渡部分，所述末端比所述基部窄，其中，所述加热元件在所述第一表面上形成在所述末端处，并且所述导热层在所述第二表面上形成在所述末端处。
4.根据权利要求3所述的受热衬底元件，其中，所述导热层在所述第二表面上形成在所述基部的一部分、所述过渡部分和所述末端处。
5.根据权利要求1所述的受热衬底元件，其中，所述加热元件是薄膜电阻加热元件。
6.根据权利要求1所述的受热衬底元件，其中，所述导热层由金属形成。
7.根据权利要求1所述的受热衬底元件，其中，所述导热层沿着所述第二表面纵向延伸的长度至少等于所述加热元件沿着所述第一表面纵向延伸的长度。
8.根据权利要求1所述的受热衬底元件，其中，所述导热层从第一端部延伸到第二端部，并且其中，所述导热层的位于所述第二端部处的边缘是非直线的。
9.根据权利要求1所述的受热衬底，其中，所述陶瓷衬底元件被形成为圆柱体，并且其中，所述第一表面和所述第二表面在圆周上彼此相反。
10.根据权利要求1所述的受热衬底，其中，所述陶瓷衬底元件被形成为空心圆柱体，并且其中，所述第一表面是所述空心圆柱体的外表面，而所述第二表面是所述空心圆柱体的内表面。
11.根据权利要求10所述的受热衬底，其中，所述被动式导热层包括位于所述空心圆柱体中的金属材料芯。
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