DE102004048597A1

DE102004048597A1 - Gasmessfühler

Info

Publication number: DE102004048597A1
Application number: DE200410048597
Authority: DE
Inventors: Juergen Ruth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Es wird ein Gasmessfühler (10) vorgeschlagen, der insbesondere dem Nachweis mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, vorzugsweise der Bestimmung der Konzentration einer Komponente des Messgases, der Partikelkonzentration des Messgases oder der Temperatur des Messgases, dient. Der Gasmessfühler weist ein in einem Gehäuse (22) angeordnetes Sensorelement (21) auf, das mittels eines Dichtelements (31, 32, 33) in dem Gehäuse (22) gasdicht abgedichtet ist. Die Dichtanordnung (31, 32, 33) ist zwischen einem ersten Formteil (41) und einem zweiten Formteil (42) angeordnet. Das erste und das zweite Formteil (41, 42) sind topfförmig, wobei in den durch das erste und zweite topfförmige Formteil (41, 42) gebildeten Aufnahmen die Dichtanordnung (31, 32, 33) und bereichsweise das Sensorelement (21) angeordnet sind. Die beiden Formteile (41, 42) greifen an den einander zugewandten Seiten ineinander.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Ein derartiger Gasmessfühler ist aus der DE 100 09 597 A1 bekannt. Der Gasmessfühler weist ein in einem Gehäuse angeordnetes Sensorelement auf, das durch eine Dichtungsanordnung im Gehäuse gasdicht festgelegt ist. Die Dichtungsanordnung weist ein erstes, ein zweites und ein drittes Dichtelement auf. Das zweite Dichtelement aus Bornitridpulver ist zwischen dem ersten und dem dritten Dichtelement aus Steatitpulver angeordnet.

Die Dichtelemente sind jeweils flache Scheiben, die in Kontakt zu dem Gehäuse stehen und die jeweils eine Öffnung aufweisen, die vom Sensorelement durchgriffen wird. Durch Aufbringen einer Presskraft verdichten sich die pulverförmigen Dichtelemente und legen sich dichtend an das Sensorelement und die Innenwand des Gehäuses an.

Hierbei ist nachteilig, dass die Dichtelemente leitfähig sind, so dass zwischen Sensorelement und Gehäuse Fehlerströme fließen können, durch die das Messsignal des Sensorelements beeinträchtigt wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass Fehlerströme zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse verhindert werden, und dass gleichzeitig eine einfache und kostengünstige Abdichtung und Isolierung des Sensorelements im Gehäuse möglich ist.

Hierzu ist ein erstes und ein zweites Formteil vorgesehen, das jeweils topfförmig ist und einen Boden und eine Seitenwand aufweist. In der durch das erste und zweite topfförmige Formteil gebildeten Aufnahme ist jeweils bereichsweise die Dichtanordnung sowie das Sensorelement angeordnet. Im Boden der Formteile ist jeweils eine Öffnung für das Sensorelement vorgesehen. Um zu gewährleisten, dass das Dichtelement zuverlässig vom Gehäuse isoliert ist, weisen die Formteile auf den einander zugewandten Seiten jeweils einen Überlappungsbereich auf, so dass die beiden Formteile ineinander greifen. Das heißt, dass die Seitenwände der beiden Formteile derart ineinander greifen, dass in einer im Überlappungsbereich liegenden Ebene senkrecht zur Längsachse des Sensorelements ein Teilbereich sowohl des ersten als auch des zweiten Formteils liegt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in den unabhängigen Ansprüchen genannten Gasmessfühlers möglich.

Um eine gute Dichtwirkung zu gewährleisten, weist die Dichtungsanordnung bevorzugt ein keramisches Pulver auf, das unter Druck dichtend an dem Sensorelement und den beiden Formteilen anliegt. Besonders bevorzugt umfasst die Dichtanordnung ein erstes, ein zweites und ein drittes Dichtelement, wobei das zweite Dichtelement zwischen dem ersten und dem dritten Dichtelement angeordnet ist, und wobei das erste und das dritte Dichtelement Steatitpulver und das zweite Dichtelement Bornitridpulver aufweist.

Bevorzugt ist das erste und/oder zweite Formteil keramisch, und besteht beispielsweise überwiegend aus Aluminiumoxid, um eine gute Isolation bei guten Verbaueigenschaften zu erreichen. Bevorzugt wird das messseitige (erste) Formteil im Gehäuse abgedichtet, indem es mit seiner abgeschrägten Kante auf einem ringförmigen Dichtring aufliegt, der seinerseits auf einer ringförmigen Schulter des Gehäuses aufliegt. Damit ist auch der Pfad zwischen Gehäuse und Formteil zuverlässig abgedichtet.

Vorteilhaft wird das Ineinandergreifen der Seitenwände der Formteile realisiert, indem die Seitenwand des einen Formteils einen ringförmigen Überlappungsabschnitt aufweist, dessen Innenradius größer ist als der Außenradius eines entsprechenden ringförmigen Überlappungsabschnitts des anderen Formteils, so dass der Überlappungsabschnitt des anderen Formteils in den Überlappungsbereich des einen Formteils eingreift und von diesem umgeben wird.

Gemäß einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform weist jedes Formteil jeweils halbkreisförmig einen Überlappungsbereich mit einem größeren und einem kleineren Radius auf, so dass der Überlappungsbereich mit dem kleineren Radius des einen Formteils jeweils in den Überlappungsbereich mit dem größeren Radius des anderen Formteils eingreift. Hierbei ist fertigungstechnisch besonders vorteilhaft, dass das erste und zweite Formteil formgleich sind Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das eine Formteil eine Ringnut auf, in die ein entsprechendes Ringelement des anderen Formteils eingreift.

Weiterhin weist das erste und/oder zweite Formteil vorteilhaft eine geometrische Struktur (beispielsweise eine Abflachung) auf, die zu einer entsprechenden geometrischen Struktur der Dichtanordnung derart korrespondiert, dass das erste und/oder zweite Formteil orientiert im Gehäuse angeordnet ist. Bevorzugt ist die geometrische Struktur als Abflachung ausgebildet.

Um das Einführen des Sensorelements in die Öffnung im Boden des ersten und/oder zweiten Formteils zu erleichtern, weist die Öffnung bevorzugt eine Fase auf.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen die 1 als erstes Ausführungsbeispiel einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasmessfühler, 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Formteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 2a den Überlappungsbereich der beiden Formteile des zweiten Ausführungsbeispiels, 3 als drittes Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Formteil in Schnittdarstellung, und 4 eine Detailansicht zweier aufeinanderstoßender erfindungsgemäßer Formteile gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt einen Gasmessfühler 10, beispielsweise einen Sauerstoffsensor (Sprungsonde oder Breitbandsonde), einen Rußpartikelsensor oder einen Temperatursensor, mit einem metallischen Gehäuse 22, das einen Sechskant 22b und ein Gewinde 22a als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Messgasrohr aufweist.
In dem Gehäuse 22 ist in einer Längsbohrung 22c des Gehäuses 22 ein Sensorelement 21 festgelegt, das einen messgasseitigen Abschnitt 21a und einen anschlussseitigen Abschnitt 21b aufweist, die jeweils aus dem Gehäuse 22 herausragen. Der messgasseitige Abschnitt 21a des Sensorelements 21 ist innerhalb eines doppelwandigen Schutzrohres 23 angeordnet, das am Gehäuse 22 festgelegt ist. Das doppelwandige Schutzrohr 23 weist Öffnungen 24 auf, die den Zutritt des Messgases zum messgasseitigen Abschnitt 21a des Sensorelements 21 erlauben.
Der messgasseitige Abschnitt 21a des Sensorelements 21 enthält Messelemente (nicht dargestellt), die ein Messsignal erzeugen, mit dem beispielsweise der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur oder der Partikelgehalt (Rußsensor) des Messgases bestimmt werden kann. Hierzu wird das Messsignal entlang der Längsachse des Sensorelements 21 zu am anschlussseitigen Abschnitt 21b des Sensorelements 21 angeordneten Kontaktflächen 28 geleitet, an die nicht dargestellte Leiterelemente angreifen, über die das Messsignal zu einer außerhalb des Gasmessfühlers 10 gelegenen Auswerteschaltung (ebenfalls nicht dargestellt) geleitet werden können.
Zur Fixierung und Abdichtung des Sensorelements 21 sind ein erstes und ein zweites Formteil 41, 42 sowie eine Dichtanordnung 31, 32, 33 vorgesehen. Das erste und zweite Formteil 41, 42 hat die Form eines Topfes mit einem Boden 41a, 42a und einer Seitenwand 41g, 42g. Die beiden Formteile 41, 42 grenzen mit ihren offenen Enden (also mit den Enden ihrer Seitenwände 41g, 42g) aneinander und bilden so eine Aufnahme für die Dichtanordnung 31, 32, 33.
Die Dichtanordnung weist ein erstes, ein zweites und ein drittes Dichtelement 31, 32, 33 auf. Die Dichtelemente 31, 32, 33 sind jeweils zylindrisch, weisen eine mittige Aussparung für das Sensorelement 21 auf und liegen mit ihren Stirnseiten aneinander. Das erste und dritte Dichtelement 31, 33 ist eine Dichtpackung aus einem Steatitpulver. Das zweite Dichtelement 32, das zwischen dem ersten und dem dritten Dichtelement 31, 33 angeordnet ist, besteht aus einem Bornitridpulver.
Das zweite Formteil 42 wird mittels einer Metallhülse 35 in Richtung des ersten Formteils 41 gedrückt, so dass auf die Dichtelemente 31, 32, 33 eine Presskraft ausgeübt wird. Durch die Presskraft werden die Dichtelemente 31, 32, 33 verdichtet und gegen das Sensorelement 21 und das erste und zweite Formteil 41, 42 gepresst, so dass das Sensorelement 21 gasdicht abgedichtet wird. Zum Aufbringen der Presskraft weist die Metallhülse 35 beispielsweise mehrere nach hinten weisende Krallen 36 auf, die in am Gehäuse 22 eingeformte Einkerbungen 37 eingreifen.
Die beiden Böden 41a, 42a des ersten und zweiten Formteils 41, 42 weisen jeweils mittig eine Öffnung 41b, 42b auf so dass das Sensorelement 21 die Formteile 41, 42 und die Dichtelemente 31, 32, 33 durchgreift.
Das Gehäuse 22 weist im Anschluss an die Längsbohrung 22c einen Absatz 26 (schulterförmige Ringfläche) auf. Auf dem Absatz 26 liegt ein metallischer Dichtring 25, auf dem wiederum das messgasseitige erste Formteil 41 mit seinem abgeschrägten Rand aufliegt. Über die Metallhülse 35 wird das erste Formteil 41 auf den Dichtring 25 gedrückt. Damit ist auch der Pfad zwischen dem ersten Formteil 41 und dem Gehäuse 22 abgedichtet.
Das erste und das zweite Formteil 41, 42 greifen ineinander (überlappen), so dass verhindert wird, dass sich zwischen der Dichtanordnung 31, 32, 33 und dem Gehäuse 22 Fehlerströme ausbilden können. Hierzu weist das erste und das zweite Formteil 41, 42 an den einander zugewandten Enden der Seitenwände 41g, 42g jeweils einen ringförmigen oder hohlzylindrischen Überlappungsbereich 41c, 42c auf. Der Innenradius des Überlappungsbereichs 41c des ersten Formteils 41 ist größer als der Außenradius des Überlappungsbereichs 42c des zweiten Formteils 41, so dass das zweiten Formteil 41 mit seinem Überlappungsbereich 42c in das erste Formteil 41 gesteckt werden kann. Der Außenradius des Überlappungsbereichs 41c des ersten Formteils 41 entspricht dem Außenradius der Seitenwand 42g des zweiten Formteils 42.
Bei dem in 2 dargestellten alternativen zweiten Ausführungsbeispiel weist das erste und zweite Formteil 41, 42 einen ersten Überlappungsabschnitt 41d, 42d und einen zweiten Überlappungsabschnitt 41e, 42e auf, die jeweils einen Halbkreis des offenen Randes des topfförmigen Formteils 41, 42 bilden. Dabei ist der Innenradius des ersten Überlappungsabschnitts 41d, 42d des jeweiligen Formteils 41, 42 größer als der Außenradius des zweiten Überlappungsabschnitts 41e, 42e des jeweiligen Formteils 41, 42. Das erste Formteil 41 kann somit in gleich geformte zweite Formteil 42 eingreifen.
In 2a ist ausschnittsweise der Bereich der Überlappung des ersten und zweiten Formteils 41, 42 dargestellt. Das erste Formteil 41 umgibt mit seinem zweiten Überlappungsabschnitt 41e den ersten Überlappungsabschnitt 42d des zweiten Formteils 42.
In der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem das erste und/oder zweite Formteil 41, 42 zumindest auf ihren Innenseiten eine Abflachung 45 aufweist. Die Dichtungsanordnung 31, 32 33 weist ebenfalls eine Abflachung auf, die auf die Abflachung 45 des ersten und/oder zweiten Formteils 41, 42 abgestimmt ist, so dass die Dichtungsanordnung 31, 32, 33 entsprechend in dem ersten und zweiten Formteil 41, 42 ausgerichtet angeordnet werden kann.
Weiterhin weist die Öffnung 41b, 42b im Boden 41a, 42a des ersten und/oder zweiten Formteils 41, 42 eine Fase 47 auf, durch die das Einführung des Sensorelements 21 erleichtert wird. Der Rand des Bodens 41a, 42a des ersten und/oder zweiten Formteils 41, 42 weist ebenfalls eine Fase 41h, 42h auf.
Die Abflachung 45 und/oder die Fasen 41h, 42h, 47 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel lässt sich auch auf das erste und zweite Ausführungsbeispiel übertragen.
Der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Überlappungsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Formteil 41, 42 zu entnehmen, bei dem das zweite Formteil 42 an seiner dem ersten Formteil 41 zugewandten Seite eine Ringnut 42f aufweist, in die ein entsprechend geformtes Ringelement 41f des ersten Formteils 41 eingreift.

Claims

Gasmessfühler (10), insbesondere zum Nachweis mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, vorzugsweise zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente des Messgases, einer Partikelkonzentration des Messgases oder der Temperatur des Messgases, mit einem in einem Gehäuse (22) angeordneten Sensorelement (21), das mittels einer Dichtanordnung (31, 32, 33) gasdicht abgedichtet ist, wobei die Dichtanordnung (31, 32, 33) zwischen einem ersten Formteil (41) und einem zweiten Formteil (42) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Formteil (41, 42) topfförmig ist, wobei in den durch das erste und zweite topfförmige Formteil (41, 42) gebildeten Aufnahmen die Dichtanordnung (31, 32, 33) und bereichsweise das Sensorelement (21) angeordnet sind, und dass an den einander zugewandten Seiten die beiden Formteile (41, 42) ineinander greifen.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Boden (41a, 42a) des ersten und zweiten Formteils (41, 42) jeweils eine Öffnung (41b, 42b) für das Sensorelement (21) vorgesehen ist,
Gasmessfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtanordnung (31, 32, 33) ein keramisches Pulver aufweist, das unter Druck dichtend an dem Sensorelement (21) und dem ersten und zweiten Formteil (41, 42) anliegt.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtanordnung (31, 32, 33) ein erstes Dichtelement (31), ein zweites Dichtelement (32) und ein drittes Dichtelement (33) aufweist, wobei das zweite Dichtelement (32) zwischen dem ersten und dem dritten Dichtelement (31, 33) angeordnet ist, und wobei das erste und das dritte Dichtelement (31, 33) Steatit und das zweite Dichtelement (32) Bornitrid aufweist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Formteil (41, 42) elektrisch isolierend ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Formteil (41, 42) keramisch ist und insbesondere Aluminiumoxid aufweist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Formteil (41, 42) derart ineinander greifen, dass die Dichtanordnung (31, 32, 33) beabstandet vom Gehäuse (22) angeordnet ist und keinen direkten Kontakt zu Gehäuse (22) aufweist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) einen messgasseitigen Abschnitt (21a) und einen anschlussseitigen Abschnitt (21b) aufweist, und dass das dem messgasseitigen Abschnitt (21a) des Sensorelements (21) zugewandte erste Formteil (41) an den Rändern des Bodens (41a) abgeschrägt ist und auf einem Dichtring (25) aufliegt, der seinerseits auf einem Absatz (26) des Gehäuses (22) aufliegt.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil (41) an seiner dem zweiten Formteil (42) zugewandten Seite einen Überlappungsabschnitt (41c) aufweist, der einen Überlappungsabschnitt (42c) des zweiten Formteils ringförmig umgibt, oder dass das zweite Formteil (42) an seiner dem ersten Formteil (41) zugewandten Seite einen Überlappungsabschnitt (42c) aufweist, der einen Überlappungsabschnitt (41c) des ersten Formteils (41) ringförmig umgibt.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Formteil (41, 42) auf den einander zugewandten Seiten jeweils einen ersten und einen zweiten Überlappungsabschnitt (41d, 41e, 42c, 42d) aufweisen, wobei der Innenradius des ersten Überlappungsabschnitts (41d, 42d) jeweils größer ist als der Außenradius des zweiten Überlappungsabschnitts (41e, 42e), und wobei der erste und der zweite Überlappungsabschnitt (41d, 42d, 41e, 42e) jeweils derart einen Halbring bilden, dass bei den ineinandergreifenden Formteilen (41, 42) der erste Überlappungsabschnitt (41d) des ersten Formteils (41) den zweiten Überlappungsab schnitt (42e) des zweiten Formteils (42) und der erste Überlappungsabschnitt (42d) des zweiten Formteils (42) den zweiten Überlappungsabschnitt (41e) des ersten Formteils (41) umgreift.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Formteil (42) auf seiner dem ersten Formteil (41) zugewandten Seite eine Ringnut (42f) aufweist, in die ein Ringelement (41f) des ersten Formteils (41) eingreift, so dass Ringnut (42f) und Ringelement (41f) einen Überlappungsbereich bilden.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Formteil (41, 42) eine geometrische Struktur (45) aufweist, die derart zu einer entsprechenden geometrischen Struktur der Dichtanordnung (31, 32, 33) angeordnet ist, dass die Dichtanordnung (31, 32, 33) orientiert im ersten und/oder zweiten Formteil (41, 42) ausgerichtet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Struktur des ersten und/oder zweiten Formteils (41, 42) eine Abflachung (45) ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (41b, 42b) im Boden des ersten und/oder zweiten Formteils (41, 42) und/oder der Rand des Bodens des ersten und/oder zweiten Formteils (41, 42) eine Fase (47) aufweist.