CN105122014A - 具有隔热罩的气体传感器 - Google Patents
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Abstract
一种气体传感器,包括:气体感测元件,其至少部分地定位在本体内,且在第一端部处暴露,以便测量与第一端部接触的气体。所述气体感测元件限定出轴向方向。凸缘从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸。所述凸缘具有朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧。O环被构造成将气体传感器密封地定位在孔内。气体传感器的嵌入部分由壁限定且被构造成用于保持所述O环。所述嵌入部分的所述壁在所述O环的轴向位置处与所述本体隔开一距离,以便在所述壁与所述本体之间提供间隙。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年4月19日提交的美国临时专利申请No.61/813,922和2013年7月22日提交的美国专利申请No.13/947,803的优先权,其全部内容通过引用并入本文。
对于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明在由能源部(DepartmentofEnergy)资助的政府支持DE-EE0005975下进行。政府对本发明具有一定权利。
背景技术
本发明涉及各种气体(例如,氧气)传感器设计。当前氧传感器被设计用于高温应用场合。传感器安装在排气歧管或排气系统中,从而由于通常暴露于1030C或更高的热废气而固有地被设计成用于应对高温。对于适应低温环境(可包括各种塑料或树脂构件),传感器本身(例如,其中被加热的感测元件)成为主要热源。在操作温度下,传统气体传感器可能扭曲、熔化或以其他方式损害原本不是针对这种热情况的邻近结构。
发明内容
一方面,本发明提供了一种气体传感器,其具有气体感测元件,所述气体感测元件至少部分地定位在本体内且在第一端部处暴露,以便测量与第一端部接触的气体。所述气体感测元件限定出轴向方向。凸缘从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸。所述凸缘具有朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧。O环被构造成将气体传感器密封地定位在孔内。气体传感器的嵌入部分由壁限定且被构造成用于保持所述O环。所述嵌入部分的所述壁在所述O环的轴向位置处与所述本体隔开一距离,以便在所述壁与所述本体之间提供间隙。
另一方面,本发明提供了一种气体传感器,其具有气体感测元件,所述气体感测元件至少部分地定位在本体内且在第一端部处暴露,以便测量与第一端部接触的气体。所述气体感测元件限定出轴向方向。凸缘从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸。所述凸缘具有朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧。O环被构造成将气体传感器密封地定位在孔内。气体传感器的嵌入部分由壁限定且被构造成用于保持所述O环。在所述O环的轴向位置处在所述嵌入部分的所述壁与所述本体之间没有径向的传热路径。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
图2是图1的气体传感器的剖视图。
图3是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
图4是图3的气体传感器的剖视图。
图5是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
图6是图5的气体传感器的剖视图。
图7是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
图8是图7的气体传感器的剖视图。
图9是没有隔热罩的气体传感器的示意性热模型。
图10是具有隔热罩的气体传感器的示意性热模型。
具体实施方式
从金属氧传感器壳体到进气歧管或其他安装部位的直接传导通过引入间隙(例如,空气间隙)和较少量的材料与进气歧管接触而被降低。从壳体到安装区域的热量流动由对流并由通过较小横截面的传导来进行。与代表传统布置结构的图9的热模型相比,如图10的热模型所示,这降低了被传递到进气歧管和O环的热量。在本文所公开的各种构造中,O环的安装表面相对于传感器壳体移位。安装表面的温度上升由于传感器壳体与安装表面之间的间隙而被降低。如果传感器使用弹性体O环来安装和密封,则O环就被防止熔化或相对于热永久定型。
O环隔热罩可具有多种构造,其中的一些在本文中描述和示出。图1和2示出了在凸缘处和在防护管处附接至传感器的O环隔热罩件。图3和4示出了一体的凸缘和O环隔热罩,其中,类似于图1和2的O环隔热罩件还包括一体的凸缘。图5和6示出了一体的O环隔热罩和防护管,其中,类似于图1和2的O环隔热罩件还包括一体的外防护管。图7和8示出了一体的凸缘、O环隔热罩和防护管,其中,类似于图1和2的O环隔热罩件还包括类似于图3和4的一体的凸缘以及类似于图5和6的一体的外防护管。
在所有情况下,该装置可制造成单件或类似或不同材料的部件的组件。
图1和2示出了根据第一构造的气体传感器100。气体传感器100尤其适于用于例如内燃机的低温(非排放)环境、比如进气歧管20中。进气歧管20可以是非金属的,例如由塑料或树脂构造。另外,气体传感器100可用于内燃机的进气系统的其他部分中。例如,气体传感器100可用于增压空气冷却管、节气门和进气歧管上游以及接收来自涡轮增压器的压缩进气的中冷器下游。增压空气冷却管也可以是非金属的(例如,塑料或树脂)。
气体传感器100包括传感器子组件(或“短传感器组件(shortsensorassembly)”)102,传感器子组件102包括气体感测元件104,气体感测元件104定位在传感器子壳体或本体106内并限定出轴线X。本体106可以是金属的。陶瓷衬套108和软陶瓷密封垫110可用于将气体感测元件104定位在本体106内。在本体106外侧,设有嵌入部分112和横向凸缘部分114。嵌入部分112接收O环116,且被构造成:以密封关系被接收在进气歧管20中的孔117内。嵌入部分112和O环116使得传感器100能够简单地“塞到”进气歧管20中的孔117中(例如,简单地轴向嵌入到非螺纹孔中)。凸缘部分114可包括用于接收紧固件(未示出)的一个或多个孔眼118,以便将传感器100固定至进气歧管20或其他结构。垫圈也可设置在凸缘部分114与进气歧管20之间。在气体传感器100的第一端部或感测端部A处的一个或多个防护管120覆盖感测元件104的感测端部,同时允许与经过的气体流体连通。感测元件104的第一端部从本体106延伸,且如果没有防护管120的话就暴露于环境气体。当通电时,传感器子组件102能够进行气体传感器100(例如,氧传感器,比如泵式参考型宽域氧传感器)的气体感测功能。
在气体传感器100的与感测端部A相反的第二端部B处,可设置连接器壳体(未示出),以便覆盖感测元件104的远端部或内端部,并提供插头壳体或插头连接器部分以及电端线或连接器,以便与气体传感器100的远端部B处的外部插头件连接。替代性地,传统的线束可在第二端部B处联接至感测元件104。
应当注意,嵌入部分112由壁113提供,壁113的厚度明显小于本体106的厚度,且另外,形成嵌入部分112的壁113相对于本体106的外侧径向地隔开,以便在壁113与本体106之间引入间隙(例如,空气间隙)。在某些构造中,该间隙限定出与处理气体(即,待由传感器100采样的气体)和参考气体室中的任一个都不流体连通的空间。壁113可以是O环隔热罩,其被提供用于在气体传感器100的操作过程中限制从感测元件104传递到O环116的热量。通过构造气体传感器100以限制到O环116(以及到嵌入部分112)的热传递,O环116和周围结构(例如,进气歧管20)的材料不必被特别修改来适应高温。例如,O环116可由普通合成橡胶(例如,含氟聚合物弹性体,比如)构造,而不是昂贵得多的全氟橡胶O环。在某些构造中,壁113的材料厚度在大约0.010英寸与大约0.030英寸之间。在某些构造中,本体106与嵌入部分之间的间隙在大约0.040英寸与大约0.250英寸之间(在O环116的轴向位置处径向测量)。在某些构造中,嵌入部分112可以是冲压金属(例如,钢)。嵌入部分112可与本体106和凸缘部分114中的一个或两个在其相应的端部处固定和/或密封(例如,通过卷边、激光焊接、粘结结合等),但是在嵌入部分112的端部之间的任何位置处都不与本体106具有导热关系。也就是说,嵌入部分112具有轴向长度L1,在轴向长度L1的端部之间,空间保持在壁113的内侧与本体106、陶瓷衬套108、密封垫110和感测元件104的任何部分之间。长度L1被限定为在横截面上与歧管20的孔117对应或重叠的部分。嵌入部分的长度L1可以是O环116的轴向高度或长度L2的至少两倍,长度L2定位在长度L1内某处。图9和10是将O环116安装在本体106上和O环116安装在嵌入部分112上、与本体106以间隙隔开进行比较的热模型。
尽管本体106的外侧与壁113的内侧之间的空间如上所述可能是封闭和密封的空间,但是在某些构造中也可以是通风式空间。在某些构造中,壁113在第一轴向端部处密封(例如,通过由激光焊接或其他手段圆周地固定至横向凸缘114)且在相反的第二端部处未密封。尽管在第二端部处可以或不可触碰本体106,但是第二端部可以完全不连接至本体106。在某些构造中,一个或多个通风孔眼设置在壁113中。
图3和4示出了根据第二构造的气体传感器200。气体传感器200尤其适于用于低温(非废气)环境。气体传感器200的与气体传感器100类似的特征不再详细描述,且使用相同的附图标记(加上100)。
气体传感器200与图1和2的气体传感器100相同,只不过嵌入部分212的壁213与横向凸缘部分214一体地形成为单件。例如,嵌入部分212的壁213和横向凸缘部分214可被冲压成单个连续件。凸缘部分214的壁厚度可大致等于壁213的壁厚度。该壁厚度可明显薄于图1和2的凸缘部分114的厚度,尽管凸缘部分114在其他构造中可设有更薄的壁厚度。
图5和6示出了根据第三构造的气体传感器300。气体传感器300尤其适于用于低温(非废气)环境。气体传感器300的与气体传感器100、200类似的特征不再详细描述,且使用相同的附图标记(加上100)。
气体传感器300与图1和2的气体传感器100相同,只不过嵌入部分312的壁313与防护管320一体地形成为单件。例如,嵌入部分312的壁313和一对防护管320的外防护管320可形成为(例如,被冲压成)单个连续件。防护管320的壁厚度可大致等于壁313的壁厚度。
图7和8示出了根据第四构造的气体传感器400。气体传感器400尤其适于用于低温(非废气)环境。气体传感器400的与气体传感器100、200、300类似的特征不再详细描述,且使用相同的附图标记(加上100)。
气体传感器400与图1和2的气体传感器100相同,只不过嵌入部分412的壁413与横向凸缘部分414一体地形成为单件(如同图3和4的气体传感器200),并与防护管420一体地形成为单件(如同图5和6的气体传感器300)。例如,嵌入部分412的壁413、横向凸缘部分414以及防护管420(例如,外防护管)可被冲压成单个连续件。凸缘部分414和防护管420的壁厚度可均大致等于壁413的壁厚度。
本发明的各种特征和优点在权利要求中提出。
Claims (16)
1.一种气体传感器,包括:
气体感测元件,其至少部分地定位在本体内,且在第一端部处暴露,以便测量与第一端部接触的气体,所述气体感测元件限定出轴向方向;
凸缘,其从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸,所述凸缘具有朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧;
O环,其被构造成将气体传感器密封地定位在孔内;和
嵌入部分,其由壁限定且被构造成用于保持所述O环,
其特征在于,所述嵌入部分的所述壁在所述O环的轴向位置处与所述本体隔开一距离,以便在所述壁与所述本体之间提供间隙。
2.根据权利要求1所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分与所述凸缘一体地形成为单件。
3.根据权利要求1所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分和所述凸缘被冲压成单个连续件。
4.根据权利要求1所述的气体传感器,其特征在于,所述气体传感器还包括防护管,所述防护管覆盖并大体包封气体感测元件的第一端部,其中,所述嵌入部分与所述防护管一体地形成为单件。
5.根据权利要求4所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分和所述防护管被冲压成单个连续件。
6.根据权利要求1所述的气体传感器,其特征在于,所述O环由含氟聚合物弹性体构成。
7.根据权利要求1所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分在所述嵌入部分的相应轴向端部之间的任何位置处都与所述本体没有导热关系。
8.根据权利要求1所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分的轴向长度是O环的轴向长度的至少两倍。
9.一种气体传感器,包括:
气体感测元件,其至少部分地定位在本体内,且在第一端部处暴露,以便测量与第一端部接触的气体,所述气体感测元件限定出轴向方向;
凸缘,其从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸,所述凸缘具有朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧;
O环,其被构造成将气体传感器密封地定位在孔内;和
嵌入部分,其由壁限定且被构造成用于保持所述O环,
其特征在于,在所述O环的轴向位置处在所述嵌入部分的所述壁与所述本体之间没有径向的传热路径。
10.根据权利要求9所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分与所述凸缘一体地形成为单件。
11.根据权利要求9所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分和所述凸缘被冲压成单个连续件。
12.根据权利要求9所述的气体传感器,其特征在于,所述气体传感器还包括防护管,所述防护管覆盖并大体包封气体感测元件的第一端部,其中,所述嵌入部分与所述防护管一体地形成为单件。
13.根据权利要求12所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分和所述防护管被冲压成单个连续件。
14.根据权利要求9所述的气体传感器,其特征在于,所述O环由含氟聚合物弹性体构成。
15.根据权利要求9所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分在所述嵌入部分的相应轴向端部之间的任何位置处都与所述本体没有导热关系。
16.根据权利要求9所述的气体传感器,其特征在于,所述嵌入部分的轴向长度是O环的轴向长度至少两倍。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151202 |