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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung
eines Gasanteils in einem Messgas, welches beispielsweise in einer
Lambdasonde zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in einem Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.
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Sensorelemente
in Lambdasonden sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen
Ausgestaltungen bekannt. Derartige Sonden werden üblicherweise
bei Temperaturen zwischen 750°C
und 800°C
betrieben. Um möglichst
niedrige Emissionen bei der Verbrennung sicherzustellen, muss die
Lambdasonde nach einem Motorstart eine sehr schnelle Betriebsbereitschaft
aufweisen. Dies wird durch Verwendung eines elektrischen Heizers,
welcher in das Sensorelement integriert ist, erreicht. Wird die
Sonde eingeschaltet, so benötigt
der Heizer eine gewisse Zeit, bis die Sonde auf Betriebstemperatur
aufgeheizt ist. Diese Zeit wird auch Light-Off-Zeit genannt. Die über den
Heizer eingebrachte elektrische Energie kann nun während des
sehr kurzen Aufheizprozesses von ca. 4 Sekunden zu starken mechanischen
Spannungen im Sensorelement aufgrund ungleicher Temperaturverteilung
führen.
Diese hohen mechanischen Spannungen können jedoch einen Ausfall der
Sonde zur Folge haben.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Sensorelement
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass es eine sehr kurze Aufwärmzeit aufweist und trotzdem
signifikant reduzierte mechanische Spannungen im Sensorelement auftreten.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass das Heizelement einen mäanderförmigen Verlauf aufweist. Dadurch
kann eine relativ große
Fläche
des Sensorelements schnell und gleichmäßig erwärmt werden. Der mäanderförmige Verlauf
umfasst einen ersten und zweiten äußeren Heizbereich sowie einen
ersten und zweiten inneren Heizbereich. Die Heizbereiche liegen
dabei vorzugsweise in einer Ebene im Sensorelement. Erfindungsgemäß wird somit
die Heizleistung des Heizers effizient zur Erwärmung eingesetzt, wobei trotzdem
eine möglichst
gleichmäßige Temperaturverteilung
innerhalb des Sensorelements zur Reduzierung von mechanischen Spannungen
ermöglicht
wird.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist der erste äußere und
der erste innere Heizbereich über
einen ersten bogenförmigen Heizbereich
miteinander verbunden. Der erste und zweite innere Heizbereich ist über einen
zweiten bogenförmigen
Heizbereich verbunden und der zweite innere und der zweite äußere Heizbereich
ist über
einen dritten bogenförmigen
Heizbereich verbunden.
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Besonders
bevorzugt sind die beiden äußeren und
die beiden inneren Heizbereiche im Wesentlichen parallel zueinander
angeordnet. Die beiden äußeren und
die beiden inneren Heizbereiche sind weiter bevorzugt als gerade
Heizbereiche ausgebildet.
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Um
eine gezielte und unterschiedliche Erwärmung verschiedener Abschnitte
des Sensorelements zu ermöglichen,
weist das Heizelement über
seine durch die inneren und äußeren Heizbereiche
gebildete Heizlänge
vorzugsweise interschiedliche Querschnitte auf. Dadurch kann die
eingebrachte Heizenergie abhängig vom
Querschnitt gezielt in gewünschte
Bereiche eingebracht werden. Besonders bevorzugt ist dabei ein Querschnitt
der ersten und zweiten inneren Heizbereiche größer als ein Querschnitt der
ersten und zweiten äußeren Heizbereiche.
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Die
sich ändernden
Querschnitte des Heizelements werden vorzugsweise durch unterschiedliche Breiten
der Heizbereiche erreicht. Vorzugsweise ist dabei eine Breite der
ersten und zweiten inneren Heizbereiche größer als eine Breite der ersten
und zweiten äußeren Heizbereiche.
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Vorzugsweise
besitzt das Sensorelement eine sehr geringe thermische Masse (V·ρ·cp: V: Volumen, ρ: Dichte, cp:
spez. Wärmekapazität) an der
den Elektroden abgewandten Seite des Heizelementes. Die thermische
Masse muss vor allem unterhalb des Heizbereiches reduziert werden.
Dies erfolgt vorzugsweise durch einen wärmedämmenden Bereich. Vorzugsweise
umfasst das Sensorelement hierzu einen wärmedämmenden Bereich, welcher an
einer von den Elektroden des Sensorelements abgewandten Seite des
Heizelements angeordnet ist. Der wärmedämmende Bereich ist dabei derart
angeordnet, dass die Bedingung e/(e + f + g) = 0,2–0,45 erfüllt ist,
wobei e ein Abstand zwischen dem Heizer und dem wärmedämmenden
Bereich ist, f eine Dicke des wärmedämmenden
Bereichs ist und g ein Abstand des wärmedämmenden Bereichs zu einer Unterseite
des Sensorelements ist. Alternativ kann die sehr geringe thermische
Masse an der von den Elektroden abgewandten Seite des Heizelements
durch eine Reduzierung der Dicke und/oder Dichte der nichtfunktionalen Trägerfolie
des Heizelements erreicht werden. Besonders bevorzugt ist hierbei überhaupt
keine Trägerfolie
unterhalb des Heizelements angeordnet, so dass zur Wärmedämmung das
das Sensorelement umgebende Gasgemisch verwendet werden kann.
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Weiter
bevorzugt erfüllt
das Sensorelement die Bedingung z/j = 0,7 bis 0,95, wobei z der
Abstand vom Außenrand
des ersten äußeren Heizbereichs
zum Außenrand
des zweiten äußeren Heizbereichs
ist und j eine Gesamtbreite des Sensorelements ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfüllt das Sensorelement die Bedingung
y/z = 0,05 bis 0,35, wobei y einen Abstand zwischen dem ersten inneren
und dem zweiten inneren Heizbereich des Heizelements ist und z der
Abstand vom Außenrand
des ersten äußeren Heizbereichs
zum Außenrand
des zweiten äußeren Heizbereichs
ist.
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Vorzugsweise
erfüllt
das Heizelement des Sensorelements die Bedingung, dass ein Verhältnis des Querschnitts
der äußeren Heizbereiche
zu den inneren Heizbereichen zwischen 0,7 bis 1,1 liegt.
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Vorzugsweise
erfüllt
das Sensorelement ferner die Bedingung f/(e + f + g) > 0,18, wobei f die
Dicke des wärmedämmenden
Bereichs ist und f gleichzeitig auch größer oder gleich 50 μm ist.
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Weiter
bevorzugt erfüllt
das Sensorelement die Bedingung h/j = 0,25 bis 0,75, wobei h eine
Breite des wärmedämmenden
Bereichs ist und j eine Gesamtbreite des Sensorelements ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Sensorelement
eine Vorkammer und eine Pumpkammer, wobei eine Breite h der Vorkammer
gleich einer Breite der Pumpenkammer ist und die Bedingung k/j =
0,2 bis 0,5 erfüllt
ist, wobei j die Gesamtbreite des Sensorelements ist.
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Weiter
bevorzugt weist der wärmedämmende Bereich
eine Länge
r auf und ist in einem Abstand m zu einer Stirnseite des Sensorelements
angeordnet. Das Heizelement ist ferner in einem Abstand t von der
Stirnseite angeordnet und der äußere Heizbereich
des Heizelements weist eine Länge
u in Axialrichtung des Sensorelements auf. Dabei erfüllt das
Sensorelement noch die Bedingung m/t = 0,25 bis 0,4 und r/u = 1,3
bis 1,45.
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Vorzugsweise
weisen die Vorkammer und die Pumpkammer von einer Oberseite des
Sensorelements einen Abstand a auf eine Dicke b auf und einen Abstand
c zum Heizer auf. Dabei ist die Bedingung c/(a + b) = 0,1 bis 0,35
erfüllt.
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Besonders
bevorzugt ist der wärmedämmende Bereich
ein Hohlraum, welcher insbesondere mit Luft gefüllt ist. Dies stellt eine hohe
Wärmedämmung bei
einer besonders einfachen Herstellbarkeit bereit. Es sei jedoch
angemerkt, dass alternativ der wärmedämmende Bereich
auch eine wärmedämmende Schicht
aus einem Dämmmaterial
sein kann.
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Um
gezielt Wärme
in Randbereiche des Sensorelements zu leiten, ist wenigstens eine
Seitenfläche des
wärmedämmenden
Bereichs konvex oder konkav ausgebildet.
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Weiter
bevorzugt liegt der Heizer und insbesondere das Heizelement des
Heizers ungefähr
in einem mittleren Bereich des Sensorelements, bezogen auf dessen
Dichteinrichtung.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. In
der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1 und
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3 eine
Draufsicht auf einen Längsschnitt
im Bereich des Heizers des in den 1 und 2 gezeigten
Sensorelements.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein
Sensorelement 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Wie
insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, umfasst das Sensorelement 1 in bekannter Weise einen
Hauptkörper
aus mehreren Schichten 2a, 2b aus einem Festelektrolytmaterial.
In den Figuren sind schematisch nur zwei Schichten dargestellt,
es können
jedoch mehrere Schichten vorgesehen sein. Ferner umfasst das Sensorelement
einen Heizer 3, welcher ein Heizelement 4 umfasst,
das in einer Isolation 5 eingebettet ist. Weiter umfasst
das Sensorelement 1 eine Vorkammer 8 und einen
Pumpraum 7, welche durch eine Diffusionsbarriere 9 voneinander
getrennt sind. Der Aufbau der Diffusionsbarriere kann dabei linear,
wie im Ausführungsbeispiel,
oder auch ringförmig
sein. Das in den Figuren schematisch dargestellte Sensorelement 1 ist
eine Lambdasonde zur Bestimmung eines Sauerstoffsgehalts in Abgas,
und ist als Breitbandlambdasonde ausgebildet. Im Pumpraum 7 bzw.
der Vorkammer 8 sind dabei in bekannter Weise Elektroden,
vorzugsweise Elektroden mit einer metallischen Komponente, insbesondere
Platin, angeordnet.
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An
einer vom Pumpenraum 7 bzw. der Vorkammer 8 abgewandten
Seite des Heizers 2 ist ferner die thermische Masse zu
reduzieren. Dies wird im Ausführungsbeispiel
durch das Vorsehen eines wärmedämmenden
Bereichs 6 an der vom Pumpenraum 7 bzw. der Vorkammer 8 abgewandten
Seite erreicht. Wie insbesondere aus 1 und 3 ersichtlich
ist, ist der wärmedämmende Bereich 6 rechteckig
ausgebildet. Der wärmedämmende Bereich 6 ist
mit Luft gefüllt
und ermöglicht
ein schnelleres Aufheizen des Sensorelements im Bereich des Pumpraums 7 bzw.
der Vorkammer 8, da die vom Heizer 3 nach unten
abgegebene Wärme
nur langsam durch den wärmedämmenden
Bereich 6 zur Unterseite 10 des Sensorelements
gelangt. Dadurch kann mehr Wärme
zum Pumpraum 7 bzw. der Vorkammer 8 geleitet werden.
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Es
sei angemerkt, dass eine Reduzierung der thermischen Masse auch
durch eine dünne
Heizerfolie 2b erreicht werden kann. Dadurch gelangt weniger
Wärme in
die von den Funktionsräumen
abgewandte Seite und es steht mehr Wärme für den funktionalen wichtigen
Bereich des Sensorelements zur Verfügung.
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Über eine
Thermovorrichtung 12 kann z.B. durch Messen des Widerstands
durch die Thermovorrichtung 12 die Temperatur des Sensorelements
bestimmt werden.
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Wie
in 3 gezeigt, ist der Heizer 3 derart aufgebaut,
dass er ein mäanderförmiges Heizelement 4 aufweist.
Das mäanderförmige Heizelement 4 ist
durch einen ersten äußeren Heizbereich 41,
einen zweiten äußeren Heizbereich 42,
einen ersten inneren Heizbereich 43 und einen zweiten inneren
Heizbereich 44 gebildet. Der erste äußere Heizbereich 41 und
der erste innere Heizbereich 43 sind dabei über einen
ersten bogenförmigen
Heizbereich 45 miteinander verbunden. Der erste innere
Heizbereich 43 und der zweite innere Heizbereich 44 sind über einen
zweiten bogenförmigen
Heizbereich 46 miteinander verbinden. Der zweite innere
Heizbereich 44 und der zweite äußere Heizbereich 42 sind über einen
dritten bogenförmigen
Heizbereich 47 verbunden. Somit ist das Heizelement 4 durch
drei mäanderartig
angeordnete Heizschleifen gebildet. Die in 3 verbreitert
dargestellten Anschlussbereiche des Heizelements 4 sind
mit den Bezugszeichen 48 und 49 gekennzeichnet.
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Der
Abstand zwischen den jeweils benachbarten äußeren bzw. inneren Heizbereichen
ist dabei im Wesentlichen gleich. Ferner sind die Heizbereiche 41, 42, 43, 44 im
Wesentlichen als gerade Streckenabschnitte gebildet und parallel
zueinander angeordnet.
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Wie
ferner aus 3 ersichtlich, ist ein unterschiedlicher
Querschnitt x·Da der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 zu
dem Querschnitt w·Di der beiden inneren Heizbereiche 43, 44 vorteilhaft.
Dies hat zum Ziel, den Wärmefluss
derart zu steuern, dass eine möglichst
gleichmäßige Temperaturverteilung
in Längs-
und Querrichtung des Sensorelementes erreicht wird. Hohe Temperaturgradienten
sind zu vermeiden, da diese hohen mechanische Spannungen zur Folge
haben und zum Versagen des Sensorelementes führen. Erst durch ein gleichmäßiges Aufheizen
können
schnelle Light-Off-Zeiten erreicht werden. Bestehen bzgl. der Breite
z des Heizbereiches keine Einschränkungen, so ist der Querschnitt
x·Da der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 kleiner
als der Querschnitt w·Di der beiden inneren Heizbereiche 43, 44.
Ein möglichst
breiter Heizbereich, bezogen auf die Gesamtbreite des Sensorelementes,
ist in jedem Fall vorteilhaft.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, werden die unterschiedlichen
Querschnitte durch unterschiedliche Breiten und Dicken der Heizbereiche
erreicht. Eine Breite w der beiden inneren Heizbereiche 43, 44 ist
größer als eine
Breite x der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42,
wobei die beiden inneren Heizbereiche 43, 44 unterhalb des
Pumpraums 7 und der Vorkammer 8 angeordnet sind.
Durch die Anordnung des wärmedämmenden
Bereichs 6 unterhalb des Heizers 3 wird eine möglichst
gleichmäßige Temperaturverteilung
erreicht. Dadurch kann eine sehr kurze Light-Off-Zeit von unter
3 Sekunden realisiert werden.
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Wie
ferner aus 1 ersichtlich ist, weisen die
beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 eine
Dicke Da auf, welche kleiner ist als eine Dicke Di der beiden inneren
Heizbereiche 43, 44.
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Nachfolgend
werden noch Auslegungsmerkmale eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 dargelegt,
welches insbesondere eine thermomechanische Robustheit einer Lambdasonde
verbessert. Hinsichtlich des wärmedämmenden
Bereichs 6, welcher mit Luft gefüllt ist, ist eine Breite h
bezogen auf eine Gesamtbreite j des Sensorelements 1 in
einem Bereich von h/j = 0,25 bis 0,75. Ein Abstand e zwischen dem
Heizer 3 und dem wärmedämmenden
Bereich 6 beeinflusst ebenfalls maßgeblich die Temperaturverteilung
im Sensorelement, da diese dazwischenliegende, wärmeleitende Schicht zu einer
Homogenisierung des Temperaturfeldes beiträgt. Hierbei ist jedoch ein
Verhältnis
von e/(e + f + g) = 0,2 bis 0,45 zu erfüllen, wobei f die Dicke des
wärmedämmenden
Bereichs 6 ist und g die Dicke des Sensorelements zwischen
einer Unterseite 10 und dem wärmedämmenden Bereich 6.
Wie ferner aus 2 ersichtlich ist, ist eine
Länge r
des wärmedämmenden
Bereichs 6 und dessen Abstand m von einer Stirnseite 13 des
Sensorelements an das mäanderförmige Heizelement 4 angepasst.
Hierbei sind insbesondere die Verhältnisse m/t = 0,25 bis 0,4
und r/u = 1,3 bis 1,45 einzuhalten, wobei t ein Abstand des Heizelements 4 von
der Stirnseite 13 ist und u eine Länge der äußeren Heizbereiche 41, 42 des
Heizelements 4 in Längsrichtung
des Sensorelements ohne die Anschlussbereiche 48, 49 (vgl. 3).
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Ferner
sei angemerkt, dass der Grad der Wärmedämmung nicht zwangsläufig homogen
im wärmedämmenden
Bereich 6 sein muss. Das Verhältnis zwischen Wärmeleitfähigkeit
der Heizfolie 2b und der Isolation 5 muss zwischen
0,01 bis 0,03 liegen. Der Grad der Isolation wird durch die Wahl
des Werkstoffs sowie die Dicke und gegebenenfalls dem Vorsehen von
leitenden Wärmebrücken definiert.
Eine Dicke f des wärmedämmenden
Bereichs 6 bezogen auf eine Gesamtdicke des Heizers 3 erfüllt dabei
die Bedingung f/(e + f + g) > 0,18,
wobei f gleichzeitig auch größer als
50 μm ist.
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Hinsichtlich
der Geometrie des mäanderförmigen Heizelements 4 sei
ferner angemerkt, dass eine Breite z des Heizelements 4,
welche zwischen dem Außenrand
des ersten äußeren Heizbereichs 41 und
dem Außenrand
des zweiten äußeren Heizbereichs 42 liegt,
im Verhältnis
zur Gesamtbreite j des Sensorelements die Bedingung z/j = 0,7 bis
0,95 erfüllt.
Ein Abstand y zwischen dem ersten inneren Heizbereich 43 und
dem zweiten inneren Heizbereich 44 erfüllt bezogen auf die Gesamtbreite
z des Heizelements 4 die Bedingung y/z = 0,05 bis 0,35.
Eine Breite k der Funktionsräume
Pumpenraum 7 und Vorkammer 8 erfüllt dabei
bezogen auf die Gesamtbreite j des Sensorelements die Bedingung
k/j = 0,2 bis 0,5.
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Vorteilhaft
für eine
Temperaturverteilung ist ferner, wenn an den äußeren Heizbereichen 41, 42 genauso
viel oder mehr Heizleistung abfällt
als an den inneren Heizbereichen 43, 44. Hierzu
ist ein Querschnitt der äußeren Heizbereiche 41, 42 (x·Da) zu
einem Querschnitt der inneren Heizbereich 43, 44 (w·Di) in
einem Bereich von (x·Da/w·Di) =
0,7 bis 1,1. Ferner sei angemerkt, dass der Querschnitt über die
Länge jedes
Heizbereichs 41, 42, 43, 44 zusätzlich noch
variieren kann.
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Um
die Funktionssicherheit des Sensorelements zu verbessern, ist für die Länge v des
ersten und zweiten inneren Heizbereichs 43, 44 die
Bedingung v/(s + n + o + p + q) = 0,85 bis 1,2 zu erfüllen, wobei
s ein Abstand der Vorkammer 8 von der Stirnseite 13 ist,
n eine Länge
der Vorkammer 8 in Axialrichtung des Sensorelements ist,
o ein Abstand zwischen der Vorkammer 8 und dem Pumpraum 7 ist,
p eine Länge
des Pumpraums 7 in Axialrichtung des Sensorelements ist
und q ein Abstand des Pumpraums 7 von der Thermovorrichtung 12 ist.
Für die
Länge der
ersten und zweiten äußeren Heizbereiche 4l, 42 ist
die Bedingung u/(s + n + o + p + q) = 0,95 bis 1,25 zu erfüllen. Ferner
ist für
den Abstand des Heizelements 4 von der Stirnseite 13 die
Bedingung t/(s + n) = 0,45 bis 0,85 zu erfüllen.
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In
den Zuleitungen und Anschlussbereichen 48, 49 des
Heizelements 4 soll dabei möglichst wenig Heizleistung
abfallen. Von daher soll ein Verhältnis der Heizleistung des
mäanderförmigen Heizelements 4 zur Heizleistung
der Zuleitung von 1 erreicht werden. Ein Abstand c der Funktionsräume Pumpenraum 7 und
Vorkammer 8 vom Heizer 3 muss bezogen auf eine
Gesamtdicke der Festelektrolytschicht (Pumpfolie) die Bedingung
c/(a + b) = 0,1 bis 0,35 erfüllen,
wobei a ein Abstand der Funktionsräume von einer Oberseite 11 des Sensorelements
ist, b eine Dicke der Funktionsräume
ist und c ein Abstand der Funktionsräume vom Heizer 3 ist
(vgl. 1).
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Es
sei angemerkt, dass alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein erfindungsgemäßes Sensorelement
auch derart aufgebaut sein kann, dass auf die untere Schicht 2b unterhalb
des Heizers 3 vollständig
verzichtet werden kann. Eine Isolation des Heizers 3 nach
unten erfolgt dann durch das das Sensorelement umgebende Gasgemisch.
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Das
erfindungsgemäße Sensorelement
weist damit im Vergleich mit dem Stand der Technik eine signifikant
kürzere
Aufwärmzeit
auf, bis die Betriebstemperatur des Sensorelements erreicht ist.
Ferner weist das erfindungsgemäße Sensorelement
deutlich reduzierte mechanische Spannungen auf, so dass es eine
längere Lebensdauer
aufweist. Das erfindungsgemäße Sensorelement
wird dabei besonders bevorzugt in Verbindung mit Lambdasonden, insbesondere
mit Breitband-Lambdasonden, verwendet. In der nachfolgenden Tabelle sind
vier Beispiele angegeben, welche jeweils ein mäanderförmig ausgebildetes Heizelement
aufweisen. Beispiel 1 zeigt dabei ein Sensorelement nach dem Stand
der Technik ohne wärmedämmenden
Bereich. Beim Beispiel 4 ist ebenfalls kein wärmedämmender Bereich 6 vorgesehen.
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Wie
in der Tabelle gezeigt, weisen die Beispiele 1 und 4 jedoch deutlich
höhere
Aufheizzeiten auf, als die Beispiele 2 und 3, welche jeweils einen
wärmedämmenden
Bereich 6 aufweisen. Die letzten drei Zeilen der Tabelle
zeigen die unterschiedlichen Aufheizzeiten, die maximalen Hauptspannungen
sowie die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit in absoluten Werten.
Hieraus ergibt sich, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit des Beispiels
2 am geringsten ist. Wie ein Vergleich der Beispiele 2 und 3 zeigt,
ist jedoch auch bei Vorsehen eines wärmedämmenden Bereichs 6 nicht
sichergestellt, dass eine minimale Ausfallwahrscheinlichkeit erreicht
wird. Insbesondere, wenn die maximalen Hauptspannungen sehr groß sind,
wirkt sich das nachteilig auf die Ausfallwahrscheinlichkeit aus.
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In
den Beispielen 2, 3 konnte die Light-Off-Zeit gegenüber Beispiel
1 durch einen wärmedämmenden Bereich
deutlich verringert werden. Beispiel 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für ein
optimiertes Design, bei dem die Breite z des Heizbereiches bezogen
auf die Gesamtbreite des Sensorelementes aufgrund fertigungstechnischer
Randbedingungen nicht breiter gewählt werden kann. Zielführender
ist jedoch ein Design wie in Beispiel 2 aufgeführt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit
kann durch Verbreiterung des Heizers deutlich reduziert werden.
Aus Beispiel 3 ist ersichtlich, dass unter gewissen Randbedingungen
der Querschnitt x·Da der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 größer als
der Querschnitt w·D;
der beiden inneren Heizbereiche 43, 44 zu wählen ist.
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Beispiel
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
ohne wärmedämmenden
Bereich, wobei hier die thermische Masse der Heizerfolie (2b)
reduziert wurde.
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Die
letzten drei Zeilen der Tabelle zeigen die unterschiedlichen Aufheizzeiten,
die maximalen Hauptspannungen sowie eine berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit.
Hieraus wird deutlich, dass es mit den drei optimierten Geometrien
(Beispiel 2, 3, 4) gelingt die Light-Off Zeit von ca. 5 aus dem
Stand der Technik des Beispiels 1 auf ca. 3 s zu verkürzen. Die
Ausfallwahrscheinlichkeit wird bei den verbesserten Beispielen 2,
3 und 4 gegenüber
Beispiel 1 nicht erhöht.
