DE102005020793B4

DE102005020793B4 - Gasmessfühler zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaft eines Messgases

Info

Publication number: DE102005020793B4
Application number: DE102005020793.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wild; Rainer Maier; Gregor Jähnig; Peter Dettling; Stefan Heinzelmann; Bernd Rattay; Bastian Buchholz; Jürgen Moratz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2025-05-05
Also published as: US20070033986A1; DE102005020793A1; US20130186176A1; US8627706B2

Abstract

Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur oder des Drucks im Messgas, mit einem in einem Gehäuse (11) aufgenommenen Sensorelement (16), mit mindestens einem Anschlusskabel (21) für das Sensorelement (16), das einen von einem Isoliermantel (19) umschlossenen, das Sensorelement (16) kontaktierenden, elektrischen Leiter (20) aufweist, und mit einer das Gehäuseende verschließenden Kabeldurchführung (24), die mindestens einen axialen Durchgangskanal (25) aufweist, durch den hindurch das mindestens eine Anschlusskabel (21) aus dem Gehäuse (11) herausgeführt ist, wobei der Isoliermantel (19) des Anschlusskabels (21) mit der Kanalwand des Durchgangskanals (25) in der Kabeldurchführung (24) mindestens stellenweise verschweißt ist, wobei die Schweißstelle am Ein- und/oder Austritt des mindestens einen Anschlusskabels (21) in die bzw. aus der Kabeldurchführung (24) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Durchgangskanal (25) an mindestens einem Kanalende einen Kanalabschnitt (251) mit größerem lichten Durchmesser aufweist, der nach dem Durchführen des Anschlusskabels (21) durch den Durchgangskanal (25) mit einem Werkstoff ausgefüllt ist, der nach Erwärmen mit dem Isoliermantel (19) und der Kanalwand des Durchgangskanals (25) in der Kabeldurchführung (24) verschmolzen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur oder des Drucks im Messgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Messgasfühler ( DE 196 11 572 A1 ) sind die mit Kontaktflächen auf dem Sensorelement elektrisch und mechanisch verbundenen Anschlusskabel am Ende der Kabeldurchführung in einer Kabelumhüllung aufgenommen, die aus einem zumindest abschnittweise porösen PTFE-Schlauch besteht. Der PTFE-Schlauch ist endseitig über einen durchmesserreduzierten Gehäuseabschnitt des Gehäuses gestülpt und auf den Gehäuseabschnitt durch Erwärmen aufgeschrumpft. Durch den porösen PTFE-Schlauch kann Referenzluft aus der Umgebung in das Gehäuse eindringen, wobei der PTFE-Schlauch gleitzeitig verhindert, dass Feuchtigkeit oder Verunreinigungen in das Gehäuse gelangen.
Weitere Gasmessfühler sind ist bekannt aus der DE 30 41 613 A1 , DE 195 42 650 A1 , der DE 43 22 029 C1 , der der DE 195 30 422 A1 , der DE 44 17 152 A1 , der und der DE 34 31 287 Al.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2 hat den Vorteil, dass an der Kabelaustrittsstelle des Gehäuses eine auch bei höherer Temperatur beständige Dichtheit erzielt wird und damit eine verbesserte Temperaturbeständigkeit des Gasmessfühlers gewährleistet ist. Darüber hinaus wird eine hohe Festigkeit gegen Kabelauszug aus dem Gehäuse erreicht, so dass eine zur Unbrauchbarkeit des Gasmessfühlers führende Beschädigung bei der Montage durch Abreißen der elektrischen Kontaktverbindungen zwischen Anschlusskabel und Sensorelement zuverlässig verhindert wird.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 bzw. 2 angegebenen Gasmessfühlers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verlaufen die vorzugsweise mehreren Anschlusskabel zumindest am Gehäuseaustritt in einem gemeinsamen Schrumpfschlauch, der mit einem Schlauchendabschnitt auf das Gehäuse aufgeschrumpft ist. Durch den Schrumpfschlauch wird die Dichtigkeit an der Kabelaustrittsstelle weiter verbessert und auch die Wärmebelastung der in dem Schrumpfschlauch geführten Anschlusskabel verringert.
Wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Schrumpfschlauch gefärbt oder pigmentiert, so lässt sich damit der Emissionsgrad des Schlauchmaterials einstellen und eine Wärmeeinbringung in den Schrumpfschlauch noch besser unterdrücken. Gleiches wird erreicht, wenn der Schrumpfschlauch mehrlagig ausgeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Schrumpfschlauch mindestens einen Schlauchabschnitt aus Vollmaterial auf, in dem axiale Durchführkanäle für die vorzugsweise mehreren Anschlusskabel vorhanden sind. Vorzugsweise liegt der Schlauchabschnitt aus Vollmaterial an dem vom Gehäuse abgekehrten Schlauchende. In Verbindung mit der am Gehäuseausgang angeordneten Kabeldurchführung sind damit die Anschlusskabel im Schrumpfschlauch definiert geführt und die am gehäusefernen Ende des Schrumpfschlauchs aus dem Schrumpfschlauch austretenden Kabelenden lassen sich steckerseitig einfacher montieren.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Gasmessfühlers, teilweise geschnitten,
2 ausschnittweise eine gleiche Darstellung wie in 1 eines modifizierten Gasmessfühlers,
3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in 1,
4 eine gleiche Darstellung wie in 3 einer Ausführungsvariante des Gasmessfühlers,
5 ausschnittweise einen Teillängsschnitt eines Gasmessfühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gasmessfühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
7 einen Schnitt längs der Linie VII - VII in 6,
8 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gasmessfühlers gemäß und 9 einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der In 1 in Seitenansicht und teilweise geschnitten dargestellte Gasmessfühler ist beispielhaft als Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen konzipiert. Er kann aber auch als Temperaturfühler oder als Druckmesser ausgeführt werden oder als Sensor zur Messung der Stickoxidkonzentration im Abgas. Der Gasmessfühler weist ein Gehäuse 11 auf, das aus einem massiven, hohlen Gehäusekörper 12 aus Metall mit einem Schraubgewinde 14 und einem Montagesechskant 13 zum Einschrauben des Gehäusekörpers 12 in ein am Abgasstutzen einer Brennkraftmaschine angeordnetes Anschlussstück und einer auf den Gehäusekörper 12 aufgeschobenen und mit diesem fest verbundenen Schutzhülse 15 mit einem im Durchmesser reduzierten, gehäusekörperfernen Endabschnitt 151 besteht. Im Gehäuse 11 ist ein Sensorelement 16 angeordnet, das mit einem messgasseitigen Ende aus dem Gehäuse 11 vorsteht und dort von einem Gasdurchtrittslöcher 18 aufweisenden Schutzrohr 17 überdeckt wird, das am Gehäusekörper 12 befestigt ist. An dem vom messgasseitigen Ende abgekehrten, anschlussseitigen Ende trägt das Sensorelement 16 Kontaktflächen, die - wie hier nicht weiter dargestellt ist - über Leiterbahnen mit am messgasseitigen Ende angeordneten Messelektroden verbunden sind. Auf die Kontaktflächen sind die mit einem Isoliermantel 19 umschlossenen, elektrischen Leiter 20 von Anschlusskabeln 21 kontaktiert. Im Ausführungsbeispiel ist zur Kontaktierung von Kontaktflächen und elektrischen Leitern 20 ein zweiteiliger, keramischer Klemmkörper 22 vorgesehen, der außen von einem Federelement 23 umschlossen ist und die elektrischen Leiter 20 kraftschlüssig auf die Kontaktflächen des Sensorelements 16 aufpresst. Der Keramik-Klemmkörper 22 ist an der Schutzhülse 15 radial abgestützt.
In den durchmesserkleineren Endabschnitt 151 der Schutzhülse 15 ist eine Kabeldurchführung aus einem fluorhaltigen Kunststoff, z.B. PTFE, eingesetzt, die eine der Zahl der Anschlusskabel 21 entsprechende Anzahl von axialen Durchgangskanälen 25 aufweist. Die mit ihren elektrischen Leitern 20 auf dem Sensorelement 16 kraftschlüssig festgelegten Anschlusskabel 21 sind durch die Durchgangskanäle 25 hindurchgeführt und treten am Ende der Kabeldurchführung 24 aus der Schutzhülse 15 aus. Um eine auch bei höheren Temperaturen ausreichende Dichtigkeit am Kabelaustritt zu erreichen, ist der aus einem fluorhaltigen Material bestehende Isoliermantel 19 der Anschlusskabel 21 mit der Kanalwand der Durchgangskanäle 25 mindestes stellenweise verschweißt. In der 1 ist - wie in der vergrößerten Ausschnittdarstellung der 3 zu sehen ist - der lichte Durchmesser der Durchgangskanäle 25 größer bemessen als der Außendurchmesser der Anschlusskabel 21. Auf die in den Durchgangskanälen 25 einliegenden Kabelabschnitte ist jeweils ein Schweißschlauch 26 aus einem fluorhaltigen Kunststoff aufgeschoben, der zusammen mit dem jeweiligen Anschlusskabel 21 in den zugeordneten Durchgangskanal 25 der Kabeldurchführung 24 eingezogen wird. Durch eine geeignete Erwärmung verschmilzt der Schweißschlauch 26 einerseits mit dem Material des Isoliermantels 19 und andererseits mit dem Material der Kabeldurchführung 24, so dass sowohl eine hohe Dichtheit der Kabelaustrittsstelle als auch eine große Festigkeit gegen Kabelauszug aus dem Gehäuse 11 hergestellt wird.
Vom Gehäuseaustritt an sind die Anschlusskabel 21 in einem gemeinsamen Schrumpfschlauch 27 aufgenommen, der mit seinem gehäuseseitigen Schlauchendabschnitt 271 auf den Endabschnitt 151 der Schutzhülse 15 aufgeschoben ist. Durch Vorheizen des Schrumpfschlauchs 27 oder des Endabschnitts 151 der Schutzhülse 15 schrumpft der Schrumpfschlauch 27 und presst sich auf den Endabschnitt 151 dicht auf. Der Schrumpfschlauch 27 kann ein- oder mehrschichtig oder -lagig ausgeführt sein und besteht aus einem Material, das mit fluorhaltigen Kunststoffen vergleichbare mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften aufweist. Beispielsweise besteht der Schrumpfschlauch 27 aus strahlungsvernetztem Polyolefin. Der Schrumpfschlauch 27 ist plastisch verformbar, wobei die Materialhärte des Schrumpfschlauchs 27 so eingestellt werden kann, dass die im Schrumpfschlauch 27 geführten Anschlusskabel 21 nicht geknickt werden. Die Form des Schrumpfschlauches 27 ist variierbar. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist der Schrumpfschlauch 27 über seine die Anschlusskabel 21 umschließende Länge einen etwa konstanten lichten Durchmesser auf. Im Ausführungsbeispiel der 2 verjüngt sich der lichte Durchmesser des Schrumpfschlauchs 27 vom gehäuseseitigen Ende zum steckerseitigen Ende. Die Verjüngung erfolgt dabei stetig, sie kann aber auch in Stufen vorgenommen sein. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist der Schrumpfschlauch 27 als Wellschlauch ausgeführt, um die Verlegung im Einbauraum des Gasmessfühlers zu vereinfachen. Der Schrumpfschlauch 27 ist eingefärbt oder farbpigmentiert, wodurch sich der Emissionsgrad des Schlauchmaterials einstellen und ein hoher Emissionsgrad herbeiführen lässt, so dass wenig Wärme in das Schlauchinnere eingebracht wird und die Anschlusskabel 21 vor zu hoher Temperaturbelastung geschützt werden.
In dem in 4 ausschnittweise dargestellten, modifizierten Gasmessfühler ist die Verschweißung zwischen Anschlusskabel 21 und Kabeldurchführung 24 nicht über die ganze Länge der Durchgangskanäle 25 vorgenommen, sondern nur am Ein- und Austritt der Anschlusskabel 21 in die bzw. aus der Kabeldurchführung 24. Hierzu weisen die Durchgangskanäle 25 an beiden Kanalenden durchmessergrößere Kanalabschnitte 251 auf. Nach Durchführen der Anschlusskabel 21 durch die Durchgangskanäle 25 wird in die Kanalabschnitte 251 eine Schweißmasse 28 aus einem fluorhaltigem Material eingebracht, das durch entsprechende Erwärmung mit den Isoliermänteln 19 der Anschlusskabel 21 und den Bohrungswänden der Durchgangskanälen 25 in der Kabeldurchführung 24 verschmilzt. Anstelle der Schweißmasse 28 können auch Schweißringe 29 aus gleichem Werkstoff verwendet werden, die auf die Anschlusskabel 21 aufgeschoben werden. Nach Ausrichten der Anschlusskabel 21 innerhalb der Durchgangskanäle 25 der Kabeldurchführung 24 werden die Schweißringe 29 in die durchmessergrößeren Kanalabschnitte 251 an den Stirnseiten der Kabeldurchführung 24 eingeschoben und zum Verschmelzen mit dem Material von Isoliermantel 19 und Kabeldurchführung 24 wiederum erwärmt. In 4 ist zur vereinfachten Illustrierung in dem oberen Kanalabschnitt 251 die Schweißmasse 28 und in dem unteren Kabelabschnitt 251 ein Schweißring 29 dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel der 5 ist zur verbesserten Abdichtung zwischen Kabeldurchführung 24 und Schutzhülse 15 ein Schlauch 30 aus fluorhaltigem Kunststoff auf die Kabeldurchführung 24 aufgeschoben. Durch geeignete Erwärmung presst sich der Schlauch 30 auf die Kabeldurchführung 24 auf und dichtet auch die Kabeldurchführung 24 über deren Länge gegenüber dem Endabschnitt 151 der Schutzhülse 15 ab.
Das in 6 ausschnittweise dargestellte weitere Ausführungsbeispiel des Gasmessfühlers unterscheidet sich von dem zu 1 und 3 beschriebenen Gasmessfühler nur dadurch, dass der Schrumpfschlauch 27 im gehäusefernen Endbereich einen Schlauchabschnitt 272 aufweist, der aus Vollmaterial 31 besteht. Das Vollmaterial ist mit axialen Durchführkanälen 32 für die Anschlusskabel 21 versehen, deren Anzahl der Zahl der im Schrumpfschlauch 27 geführten Anschlusskabel 21 entspricht (7). Schrumpfschlauch 27 mit Schlauchabschnitt 272 aus Vollmaterial sind einstückig ausgeführt.
Die in 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiele des Gasmessfühlers unterscheiden sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass der Schrumpfschlauch 27 entfallen ist und die kabelseitige Abdichtung des Gehäuses 11 ausschließlich durch die beschriebenen Schweißschläuche 26 auf den Anschlusskabeln 21 herbeigeführt ist. Im Ausführungsbeispiel der 9 ist noch zusätzlich eine Abdichtung der Kabeldurchführung 24 gegenüber der Schutzhülse 15 des Gehäuses 11 mittels eines Schlauches 30 aus fluorhaltigem Werkstoff vorgenommen, wie dies zu 5 beschrieben ist.
Selbstverständlich ist es möglich, anstelle der Schweißschläuche 26 die Schweißmasse 28 oder die Schweißringe 29, wie sie in 4 beschrieben sind, einzusetzen und diese in durchmessergrößeren Kanalabschnitten in den Stirnseiten der Kabeldurchführung 24 zu platzieren, um sie dann mit den Isoliermänteln 19 der Anschlusskabel 21 und der Kabeldurchführung 24 zu verschmelzen.

Claims

Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur oder des Drucks im Messgas, mit einem in einem Gehäuse (11) aufgenommenen Sensorelement (16), mit mindestens einem Anschlusskabel (21) für das Sensorelement (16), das einen von einem Isoliermantel (19) umschlossenen, das Sensorelement (16) kontaktierenden, elektrischen Leiter (20) aufweist, und mit einer das Gehäuseende verschließenden Kabeldurchführung (24), die mindestens einen axialen Durchgangskanal (25) aufweist, durch den hindurch das mindestens eine Anschlusskabel (21) aus dem Gehäuse (11) herausgeführt ist, wobei der Isoliermantel (19) des Anschlusskabels (21) mit der Kanalwand des Durchgangskanals (25) in der Kabeldurchführung (24) mindestens stellenweise verschweißt ist, wobei die Schweißstelle am Ein- und/oder Austritt des mindestens einen Anschlusskabels (21) in die bzw. aus der Kabeldurchführung (24) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Durchgangskanal (25) an mindestens einem Kanalende einen Kanalabschnitt (251) mit größerem lichten Durchmesser aufweist, der nach dem Durchführen des Anschlusskabels (21) durch den Durchgangskanal (25) mit einem Werkstoff ausgefüllt ist, der nach Erwärmen mit dem Isoliermantel (19) und der Kanalwand des Durchgangskanals (25) in der Kabeldurchführung (24) verschmolzen ist.
Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur oder des Drucks im Messgas, mit einem in einem Gehäuse (11) aufgenommenen Sensorelement (16), mit mindestens einem Anschlusskabel (21) für das Sensorelement (16), das einen von einem Isoliermantel (19) umschlossenen, das Sensorelement (16) kontaktierenden, elektrischen Leiter (20) aufweist, und mit einer das Gehäuseende verschließenden Kabeldurchführung (24), die mindestens einen axialen Durchgangskanal (25) aufweist, durch den hindurch das mindestens eine Anschlusskabel (21) aus dem Gehäuse (11) herausgeführt ist, wobei der Isoliermantel (19) des Anschlusskabels (21) mit der Kanalwand des Durchgangskanals (25) in der Kabeldurchführung (24) mindestens stellenweise verschweißt ist, wobei die Schweißstelle am Ein- und/oder Austritt des mindestens einen Anschlusskabels (21) in die bzw. aus der Kabeldurchführung (24) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass auf den im Durchgangskanal (25) einliegenden Kabelabschnitt des mindestens einen Anschlusskabels (21) ein Schlauch (26) aus einem Werkstoff aufgeschoben ist, der nach Erwärmen mit dem Isoliermantel (19) des Anschlusskabels (21) und der Kanalwand des Durchgangskanals (25) in der Kabeldurchführung (24) verschmolzen ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isoliermantel (19) des Anschlusskabels (21), die Kabeldurchführung (24) und der Werkstoff zum Verschmelzen mit Isoliermantel (19) und Kabeldurchführung (24) aus fluorhaltigem Kunststoff bestehen.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Anschlusskabel (21) zumindest am Gehäuseaustritt im Innern eines Schrumpfschlauchs (27) verläuft, der mit einem Schlauchendabschnitt (271) auf das Gehäuse (11) aufgeschrumpft ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (27) in mindestens einem Schlauchabschnitt (272) aus Vollmaterial besteht, das mit mindestens einem axialen Durchführkanal (32) für das mindestens eine Anschlusskabel (21) versehen ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauchabschnitt (272) aus Vollmaterial an dem vom Gehäuse (11) abgekehrten Schlauchende liegt.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (27) biegefähig ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (27) sich zum gehäusefernen Ende hin stetig oder stufig verjüngt.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (27) ein Wellschlauch ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (27) gefärbt oder farbpigmentiert ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (27) ein- oder mehrlagig ausgeführt ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit dem Sensorelement (16) elektrisch verbundene Anschlusskabel (21) aus dem Gehäuse (11) herausgeführt sind und dass die Kabeldurchführung (24) eine der Anzahl der Anschlussleitungen (21) entsprechende Zahl von Durchgangskanälen (25) aufweist.