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Die
Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder
der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wie das
Abgas einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einem bekannten Gasmessfühler
(
DE 195 32 090 A1 )
erfolgt die mechanische Halterung des Sensorelements im Gehäuse und
die gasdichte Abdichtung des anschlussseitigen Endabschnitts des Sensorelements
gegenüber
dem messgasseitigen Endabschnitt durch zwei Keramikformteile und
einer dazwischen angeordneten Dichtungspackung, die auf einen zwischen
den beiden Endabschnitten liegenden mittleren Abschnitt des Sensorelements
aufgeschoben sind und an der Gehäuseinnenwand
anliegen. Die Dichtungspackung besteht aus drei Dichtungsscheiben,
von denen die beiden äußeren Dichtungsscheiben
aus Steatit und die dazwischenliegende Dichtungsscheibe aus Bornitrid
bestehen. Die eine Steatit-Dichtungsscheibe liegt auf dem unteren Keramikformteil
auf, das sich seinerseits an einer im Gehäuse ausgebildeten, umlaufenden
Schrägschulter
abstützt.
Auf die obere Steatit-Dichtungsscheibe ist das obere Keramikformteil
aufgesetzt, das an seiner von der Dichtungsscheibe abgekehrten Stirnseite von
einer metallischen Haltekappe übergriffen
ist. Die Haltekappe wird mit axialer Druckkraft auf das Gehäuse aufgeschoben,
wobei die Dichtungspackung zusammengedrückt wird. Anschließend wird
die Halteklappe im Bereich gehäuseseitiger
Einkerbungen verstemmt. Durch diese Pressung der Dichtungspackung
werden die drei Dichtungsscheiben axial gequetscht, wodurch sie
sich einerseits an das Sensorelement und andererseits an die Gehäuseinnenwand anpressen.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch den Ringflansch
am Sensorelement und durch die Radialschulter im Gehäuse in Verbindung mit
dem zwischen dem Ringflansch und der Radialschulter einliegenden
Dichtungsring eine axiale Abdichtung zwischen Sensorelement und
Gehäuse
erreicht wird, die bezüglich
ihrer Dichtwirkung wesentlich unproblematischer ist als eine radiale
Abdichtung zwischen einem das Sensorelement umschließenden Dichtungselement
und der Innenwand des Gehäuses.
Die bei dem bekannten Gasmessfühlern
zur guten, radialen Abdichtung immer vorhandene Dichtungspackung
aus mehreren Dichtungsscheiben sowie die die Dichtungsscheiben pressenden
Isolierbuchsen können
entfallen. Dadurch wird einerseits der Fertigungsprozess vereinfacht,
da die auf den Dichtungsring aufzubringende Anpresskraft wesentlich
kleiner sein kann als die mittels Stempel und Gegenstempel auf die
Dichtungspackung aufzubringende Presskräfte, die zu einer Quetschung
der zwischen den Isolierbuchsen angeordneten Dichtungspackung erforderlich
sind. Die auf den Dichtungsring wirkende Presskraft kann zudem durch
Einbringen einer einfachen Verstemmung oder Rollierung in das Gehäuse auf
der von dem Dichtungsring abgekehrten Seite des Ringflansches erzeugt
und aufrechterhalten werden, insbesondere dann, wenn der Dichtungsring
aus Metall gefertigt ist und einen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
wie das Gehäuse
aufweist. Durch Wegfall der bekannten Dichtungspackung kann andererseits
die axiale Bauhöhe des
Gasmessfühlers
deutlich reduziert werden. Zudem übernimmt der Ringflansch bei
der Montage des Messfühlers
eine Zentrierfunktion sowie im Betrieb des Messfühlers eine Abstützfunktion
gegenüber dem
Gehäuse,
wodurch eigenständige
Schwingungen des Sensorelement vermindert werden.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gasmessfühlers
möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung bilden Sensorelement und Ringflansch eine Montageeinheit,
wobei der Ringflansch aus keramischem Material besteht und auf das
Sensorelement aufgesintert ist. Der Ringflansch kann dabei auf das
im Grünzustand
sich befindliche Sensorelement aufgeschoben und im Cofiring-Prozess
zusammen mit dem Sensorelement gesintert werden. Ein zwischen dem
Sensorelement und dem Ringflansch eingebrachter Folienbinder sorgt
für eine
gasdichte Verbindung zwischen Sensorelement und Ringflansch beim
Sintern. Alternativ wird der Ringflansch auf das bereits gesinterte
Sensorelement aufgeschoben und mittels des Folienbinders verklebt
und im Postfiring-Prozess auf das bereits gesinterte Sensorelement
aufgesintert. In beiden Fällen
wird bevorzugt zwischen dem Sensorelement und dem Ringflansch noch
eine Schicht, z.B. aus Glaspulver, angeordnet, die beim Sinterprozess
entstehende mechanische Spannungen zwischen Sensorelement und Ringflansch
reduziert.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der ebenfalls gesinterte Ringflansch mittels einer
keramischen Vergussmasse oder eines keramischen Klebers auf dem
bereits gesinterten Sensorelement fixiert.
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Gemäß einer
optionalen Ausführungsform der
Erfindung kann auf mindestens der von der Radialschulter abgekehrten
Seite des Ringflansches, vorzugsweise auf beiden Seiten des Ringflansches,
ein Dichtungselement aufliegen, das über eine Isolierbuchse, die
vorzugsweise aus Keramik besteht, an dem Ringflansch angepresst
wird. Die Presskraft wird dabei durch Einbringen einer Verstemmung
oder Rollierung in das Gehäuse
auf der von dem Dichtungselement abgekehrten Seite der Isolierbuchse erzeugt.
Durch diese optionalen Maßnahmen
wird neben einer zusätzlichen
Dichtwirkung insbesondere eine längere
Abstützung
des Sensorelements am Gehäuse
und damit eine verbesserte Schwingungsdämpfung für das Sensorelement erreicht.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines
Gasmessfühlers
mit Sensorelement,
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2 ausschnittweise
eine perspektivische Ansicht des Sensorelements in 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Der
in 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Gasmessfühler ist
als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas
einer Brennkraftmaschine konzipiert. Er weist ein planares Sensorelement 11 mit
einem dem Messgas ausgesetzten, messgasseitigen Endabschnitt 111,
der gassensitiv ist, und mit einem anschlussseitigen Endabschnitt 112 auf,
der zum elektrischen Anschließen
des Sensorelements 11 an eine elektrische Anschlussleitung
dient. In bekannter Weise sind auf dem anschlussseitigen Endabschnitt 112 Kontaktflächen angeordnet,
die einerseits über
Leiterbahnen mit auf dem messgasseitigen Endabschnitt 111 angeordneten
Elektroden und andererseits über
einen Verbindungsstecker mit Anschlussleitern der Anschlussleitung
verbunden sind. Das Sensorelement 11 ist in einem rohrförmigen oder hohlzylindrischen
Gehäuse 12 mit
Abstand von der Gehäuseinnenwand 124 gehalten
und ragt mit seinen beiden Endabschnitten 111 und 112 an
den Stirnseiten des Gehäuses 12 heraus.
Das Gehäuse 12 ist im
Durchmesser gestuft ausgebildet und weist einen oberen Gehäuseabschnitt 121 mit
kleinerem Durchmesser und einen unteren Gehäuseabschnitt 122 mit größerem Durchmesser
auf, wobei im Übergangsbereich
der beiden Gehäuseabschnitte 121, 122 durch den
sich hier ergebenden Versatz der Gehäuseinnenwand 124 eine
ringförmige
Radialschulter 123 entsteht, die hin zu dem messgasseitigen
Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 weist.
Das üblicherweise
aus Keramikschichten, vorzugsweise aus dünnen Folien, zusammengesetzte
planare Sensorelement 11 trägt in seinem zwischen dem messgasseitigen
Endabschnitt 111 und dem anschlussseitigen Endabschnitt 112 liegenden
Bereich einen Ringflansch 13, der gasdicht am Sensorelement 11 festgelegt
ist. Der Ringflansch 13 besteht aus keramischem Material
und ist auf das Sensorelement 11 aufgesintert, so dass
das Sensorelement mit Ringflansch 13 eine Montageeinheit
bildet. Hierzu kann der Ringflansch 13 auf das im Grünzustand
sich befindliche Sensorelement 11 aufgesetzt und zusammen
mit dem Sensorelement im sog. Cofiring-Prozess gesintert werden.
Alternativ kann der Ringflansch 13 auch auf das bereits
gesinterte Sensorelement 11 aufgeschoben und im sog. Postfiring-Prozess
auf das Sensorelement 11 aufgesintert werden. In beiden
Fällen
wird zwischen dem Ringflansch 13 und dem Sensorelement 11 ein
Folienbinder eingebracht, der im Sinterprozess eine gasdichte Verbindung
zwischen dem Ringflansch 13 und dem Sensorelement 11 herstellt.
Um beim Sintern eventuell auftretende mechanische Spannungen an
der Grenzfläche
zwischen Ringflansch 13 und Sensorelement 11 abzubauen,
kann zwischen Ringflansch 13 und Sensorelement 11 noch
eine spannungsreduzierende Schicht, z.B. aus Glaspulver, vorgesehen
werden.
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Als
weitere Alternative kann der gesinterte Ringflansch 13 auf
dem ebenfalls gesinterten Sensorelement 11 mittels einer
keramischen Vergussmasse oder eines keramischen Klebers fixiert
werden.
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Der
Ringflansch 13 ist so dimensioniert, dass er im wesentlichen
passgenau in den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt 122 eingeschoben
werden kann und sich an die ebene Radialschulter 123 im
Gehäuse 12 anzulegen
vermag. Zwischen dem Ringflansch 13 und der Radialschulter 123 ist
ein Dichtungsring 14 eingelegt, der vorzugsweise ein Metallring
ist. Auf der von dem Dichtungsring 14 abgekehrten Rückseite
des Ringflanschs 13 ist in das Gehäuse 12 eine vorzugsweise
umlaufende, den Ringflansch 13 hintergreifende Verstemmung 23 so eingebracht,
dass der Ringflansch 13 mit einer bestimmten Presskraft
axial auf den Dichtungsring 14 aufgepresst wird. Anstelle
einer Verstemmung kann auch eine Rollierung vorgenommen werden.
Während
des Verstemmens oder Rollierens wird dabei z.B. mittels eines in
den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt 122 eingeführten Pressstempels
eine den Ringflansch 13 auf den Dichtungsring 14 und
die Radialschulter 123 aufpressende Axialkraft auf den Ringflansch 13 aufgebracht.
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Auf
den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt 122 des
Gehäuses 12 ist
ein Schutzrohr 15 aufgeschoben, das den messgasseitigen
Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 mit Radialabstand
umgibt. In dem Schutzrohr 15 können Gasdurchtrittslöcher 16 für das Mess-
oder Abgas eingebracht sein. In diesem Fall kann die Stirnseite
des Schutzrohrs 15 auch durch einen Rohrboden, der ggf.
weitere Gasdurchtrittslöcher
aufweist, verschlossen sein. Das Schutzrohr 15 ist wiederum
durch Rollieren oder Verstemmen auf dem Gehäuse 12 festgelegt,
kann aber auch mit dem Gehäuse 12 verschweißt werden.
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Optional
können
im Gehäuse 12 noch
zwei Dichtungselemente 17, 18 angeordnet sein,
von denen jeweils eines auf einer der voneinander abgekehrten Stirnflächen des
Ringflansches 13 aufliegt. Auf jedes Dichtungselement 17 bzw. 18 ist
eine Isolierbuchse 19 bzw. 20 aus keramischem
Material aufgesetzt. Auf die Isolierbuchsen 19, 20 wird
eine axiale Druckkraft aufgebracht, die die Dichtungselemente 17, 18 gegen
den Ringflansch 13 und gegen die Gehäuseinnenwand 124 pressen.
Zur Aufrechterhaltung der Druckkräfte wird auf der von den Dichtungselementen 17, 18 abgekehrten
Seite der Isolierbuchsen 19, 20 jeweils eine die
Isolierbuchsen 19, 20 hintergreifende Verstemmung 21 bzw. 22 in
das Gehäuse 12 eingebracht.
Anstelle der Verstemmung 21, 22 kann auch jeweils
eine Rollierung vorgenommen werden.
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Wie
hier nicht weiter dargestellt ist, werden üblicherweise der aus dem Gehäuse 12 herausragende,
anschlussseitige Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 und
der darauf aufsitzende Verbindungsstecker von einer auf den durchmesserkleineren
Gehäuseabschnitt 121 des
Gehäuses 12 aufgeschobenen
Schutzhülse
umgeben, die auf der vom Gehäuse 12 abgekehrten
Stirnseite mit einer Kabeldurchführung
für die
Anschlussleitung abgeschlossen ist.
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Die
Erfindung kann in gleich vorteilhafter Weise auch bei Gasmessfühlern eingesetzt
werden, die z.B. als Stickoxid-Sensoren die Konzentration von Stickoxiden
im Abgas von Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren erfassen
oder als Temperaturmesser zur Erfassung der Abgastemperatur ausgeführt sind.