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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist schon ein Gassensor aus der
DE 197 07 459 A1 bekannt, mit einem Sensorelement,
das an einem messgasseitigen Abschnitt von zumindest einem Schutzrohr
umgeben ist, wobei das zumindest eine Schutzrohr zumindest eine
Duchgangsöffnung für eine Strömungsverbindung
zum Sensorelement aufweist. U.a. über das Schutzrohr wird Wärme vom Abgas
auf den Gassensor übertragen,
der sich auf diese Weise auf eine bestimmte Temperatur erwärmt. Der
Gassensor darf nur bis zu einer maximalen Einsatztemperatur aufgeheizt
werden, bei der die geforderte Meßgenauigkeit des Gassensors
gerade noch eingehalten wird. Die maximale Einsatztemperatur ist abhängig von
den Werkstoffen einzelner Bauteile des Gassensors. Je höher die
Abgastemperatur ist, desto stärker
wird der Gasssensor aufgeheizt und desto höherwertige Werkstoffe müssen eingesetzt
werden. Desweiteren kommt es vor, dass Flüssigkeitstropfen trotz eines
Schutzrohres auf das Sensorelement auftreffen, wodurch das beheizte
Sensorelement durch Rissbildung zerstört werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Schutzwirkung des Schutzrohres gegen Wärme und
Tropfenschlag verbessert wird, indem zumindest eine Beschichtung
ein Gewebe oder Vlies (21) zur Wärmedämmung oder zur Flüssigkeitsbindung
an zumindest einem Schutzrohr vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Beschichtung
erhöht
die maximale Einsatztemperatur des Gassensors, da die Wärmeübertragung
von dem Abgas auf das Schutzrohr deutlich verschlechtert wird. Auf
diese Weise treten an den einzelnen Bauteilen des Gassensors geringere Temperaturen
auf. Ein weiterer Vorteil der Wärmedämmschicht
liegt in der Verringerung der notwendigen Heizleistung zur Aufrechterhaltung
der Sensorelement-Betriebstemperatur
von Gassensoren, inbesondere bei Anwendungen mit geringen Abgastemperaturen,
wie z.B. bei Diesel-Anwendungen. In diesem Fall verhindert die schlechte
Wärmeübertragung der
Wärmedämmschicht
ein Auskühlen
des Schutzrohrinnenraums und damit der Umgebung des Sensorelementes.
Die Beschichtung kann außerdem
so ausgebildet sein, dass sie an dem Schutzrohr abgeschiedene oder
kondensierte Flüssigkeit
bindet und somit nicht zum Sensorelement gelangen lässt.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Gassensors möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Beschichtung zur Wärmedämmung aus Keramik hergestellt ist,
da Keramik ein im Vergleich zu Metall schlechter Wärmeübertrager
und -leiter ist.
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Sehr
vorteilhaft ist, wenn die Beschichtung zur Wärmedämmung Zirkonoxid enthält, da dieses Material
ein besonders schlechter Wärmeübertrager bzw.
-leiter ist.
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Des
weiteren vorteilhaft ist, wenn die Beschichtung zur Flüssigkeitsbindung
derart porös
ausgebildet ist, dass innerhalb der Beschichtung Flüssigkeit
aufnehmbar ist. Auf diese Weise wird am Schutzrohr kondensierte
oder abgeschiedene Flüssigkeit bis
zur Überschreitung
des Taupunktes zurückgehalten.
Nach Überschreiten
des Taupunktes verdampft die Flüssigkeit
wieder.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführung
ist die Beschichtung zur Flüssigkeitsbindung
aus Sintermaterial hergestellt und auf das Schutzrohr aufgesintert ist.
Als Sintermaterial wird vorteilhafterweise Metall oder Keramik verwendet.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Beschichtung zur Wärmedämmung oder
zur Flüssigkeitsbindung
jeweils an der dem Sensorelement abgewandten Außenfläche des Schutzrohrs vorgesehen
ist. Noch vorteilhafter ist, wenn die Beschichtung zur Wärmedämmung jeweils
auf der Außen-
und der Innenfläche
des zumindest einen Schutzrohres vorgesehen ist, da die Schutzwirkung
des Schutzrohres gegen Wärme
und Tropfenschlag bei einer kompletten Beschichtung des Schutzrohres
am besten ist. Nicht vorteilhaft ist, wenn die Beschichtung zur
Wärmedämmung oder zur
Flüssigkeitsbindung
jeweils an der dem Sensorelement zugewandten Innenfläche des
Schutzrohrs vorgesehen ist, da sonst Flüssigkeit in diese dem Sensorelement
benachbarte Schicht eingesogen werden kann.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Die Zeichnung zeigt im Schnitt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Gassensors.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der
Gassensor dient beispielsweise der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Gassensor kann aber
ausdrücklich
auch zur Bestimmung beliebiger physikalischer Größen eines beliebigen Gases
verwendet werden.
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Der
Gassensor weist ein Gehäuse 1 auf,
in dem ein Sensorelement 2 vorgesehen ist, mittels dem
die zu messende pyhsikalische Größe des Messgases,
beispielsweise die Sauerstoffkonzentration, ermittelbar ist. Im
Falle eines Abgassensors ist das Abgas das Messgas. Der Gassensor
ragt abschnittsweise mit dem Sensorelement 2 in ein Abgasrohr 3 einer
Brennkraftmaschine hinein. Das Sensorelement 2 weist einen
messgasseitigen Abschnitt 4 und einen anschlussseitigen
Abschnitt 5 auf, wobei der messgasseitige Abschnitt 4 dem
Abgas ausgesetzt ist und der anschlussseitige Abschnitt 5 gegenüber dem
Abgas abgedichtet ist und elektrische Anschlusskontakte 8 beispielsweise
zur Ableitung der Messsignale des Sensorelementes 2 aufweist.
Für den
Gassensor wird eine dem Abgas zugewandte Messgasseite 10 und
eine gegenüber
dem Abgas abgedichtete Anschlussseite 11 definiert.
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Das
Gehäuse 1 weist
einen Innenraum 9 auf, in dem das Sensorelement 2 zumindest
abschnittsweise angeordnet ist. Es ist zumindest ein Dichtelement 6 vorgesehen,
das den Innenraum 9 gegenüber dem Abgas abdichtet. Das
Dichtelement 6 kann jede beliebige temperaturbeständige Dichtung
sein. Der anschlussseitige Abschnitt 5 des Sensorelementes 2 ist
in dem Innenraum 9 vorgesehen. Das Sensorelement 2 ragt
mit dem messgasseitigen Abschnitt 4 des Sensorelementes 2 zur
Messgasseite 10 hin aus dem Innenraum 9 des Gehäuses 1 heraus.
Der Innenraum 9 ist ein Referenzgasraum, der als Referenzatmosphäre Luft
für eine
nicht dargestellte Referenzelektrode des Sensorelementes 2 enthält.
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Der
messgasseitige Abschnitt 4 ist von zumindest einem Schutzrohr 14 umgeben,
das an dem Gehäuse 1 angeordnet
und fest mit diesem verbunden ist. Das zumindest eine Schutzrohr 14 weist Durchgangsöffnungen 15 auf,
durch die eine Strömungsverbindung
zwischen dem Abgasrohr 3 und dem durch das Schutzrohr 14 eingeschlossenen
Volumen hergestellt ist, so dass eine Strömung zum Sensorelement 2 hin
und aus dem vom Schutzrohr eingeschlossenen Volumen heraus ermöglicht ist. Das
Schutzrohr 14 dient dazu, das Sensorelement 2 vor
im Abgas enthaltenen Flüssigkeitstropfen
zu schützen.
Beispielsweise sind zwei Schutzrohre 14 mit einem ersten,
dem Abgas zugewandten äußeren Schutzrohr 14.1 und
einem zweiten, dem Sensorelement 2 zugewandten inneren
Schutzrohr 14.2 vorgesehen. Es können aber ausdrücklich auch
mehr als zwei Schutzrohre 14 vorhanden sein. Zwischen dem äußeren Schutzrohr 14.1 und
dem inneren Schutzrohr 14.2 ist ein Zwischenraum 20 gebildet, über den das
Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohres 14.2 und
damit zum Sensorelement 2 gelangt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass zumindest eine Beschichtung 16, Gewebe oder Vlies 21 zur
Wärmedämmung und/oder
zur Flüssigkeitsbindung
an zumindest einem Schutzrohr 14 vorgesehen ist. Die Schichtdicke
der Beschichtung 16 beträgt beispielsweise 50 bis 500 μm, vorzugsweise
200 bis 300 μm.
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Um
eine wärmedämmende Beschichtung 16 zu
erhalten, ist die Beschichtung 16 beispielsweise aus Keramik
hergestellt, vorzugsweise aus mit Yttriumoxid (Y2O3), Ceroxid (CeO2)
oder Magnesiumoxid (MgO) (teil-) stabilisiertem Zirkonoxid. Die
wärmedämmende Beschichtung 16 ist
zumindest abschnittsweise auf der äußeren, dem Sensorelement 2 abgewandten
Oberfläche
des äußeren Schutzrohres 14.1 und/oder
zumindest abschnittsweise auf der äußeren Oberfläche des
inneren Schutzrohres 14.2 vorgesehen. Ebenso kann wärmedämmende Beschichtung 16 zumindest
abschnittsweise auf der inneren Oberfläche des äußeren Schutzrohres 14.1 und/oder
auf der inneren Oberfläche
des inneren Schutzrohres 14.2 ausgeführt sein. Die wärmedämmende Beschichtung 16 kann
auf allen oder nur einzelnen Schutzrohren 14 jeweils innen
und/oder außen
aufgebracht sein.
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Beispielhaft
ist die Beschichtung 16 in der Zeichnung nur auf der äußeren Oberfläche der Schutzrohre 14.1,14.2 vorgesehen.
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Vor
dem Auftragen der Beschichtung 16 kann zur besseren Haftung
eine metallische Haftvermittlerschicht auf das Schutzrohr 14 aufgetragen werden.
Die Beschichtung 16 wird beispielsweise mittels eines Plasmaspritzprozesses
oder eines EB-PVD-Prozesses (electron beam physical vapor deposition)
aufgebracht.
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Die
auf dem äußeren Schutzrohr 14.1 vorgesehene
Beschichtung 16 verschlechtert den Wärmeübergang vom Abgas auf das Schutzrohr 16.
Die Beschichtungen 16 auf dem äußeren und dem inneren Schutzrohr 14.1, 14.2 verlangsamen
nach einem Abstellen des Fahrzeugs die Abkühlung des Schutzrohres 14 und
verringern damit die im Schutzrohr 14 auftretende Kondensation.
Die Anordnung einer Beschichtung 16 auf einer dem Sensorelement 2 zugewandten
Innenfläche
des Schutzrohres 14.1, 14.2 führt zu einer Verringerung der
notwendigen Heizleistung zur Aufrechterhaltung der Sensorelement-Betriebstemperatur.
Durch die wärmedämmende Beschichtung 16 erhält das Schutzrohr 14 neben
der Tropfenschutzfunktion zusätzlich
eine Wärmedämmfunktion.
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Um
eine flüssigkeitsbindende
Beschichtung 16 zu erhalten, ist die Beschichtung 16 derart
porös auszubilden,
dass innerhalb der Beschichtung 16 Flüssigkeit aufnehmbar ist. Dies
ist erreichbar, indem als Schichtmaterial der Beschichtung 16 ein
Sintermaterial gewählt
ist, das mittels eines Sinterprozesses auf dem Schutzrohr 14 aufgebracht
ist. Als Sintermaterial wird beispielsweise Metallpulver, Keramikpulver
oder ein anderes zum Sintern geeignetes Pulver verwendet, das zusammen
mit einem organischen Mittel zu einem Schlicker verbunden, auf das Schutzrohr 14 aufgetragen
und anschließend
gesintert wird. Die Auftragung des Schlickers auf das Schutzrohr 14 kann
beispielsweise durch ein Tauch- oder Laminierverfahren erfolgen.
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Die
Beschichtung 16 insbesondere zur Flüssigkeitsbindung ist beispielsweise
nur im Zwischenraum 20 der Schutzrohre 14.1, 14.2 vorgesehen
und dort beispielsweise an den Flächen des inneren Schutzrohres 14.2 und/oder
des äußeren Schutzrohres 14.1.
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Alternativ
kann anstatt der Beschichtung 16 ein Gewebe, Vlies oder
Gestrick 21 zur Flüssigkeitsbindung
vorgesehen sein, das in dem Zwischenraum 20 und dort beispielsweise
an dem inneren Schutzrohr 14.2 angeordnet ist. Beispielsweise
ist das Gewebe oder Vlies 21 schlauchförmig ausgeführt, als Schlauch auf das innere
Schutzrohr 14.2 aufgeschoben und auf diese Weise am inneren
Schutzrohr 14.2 fixiert. Das Gewebe oder Vlies 21 kann
aber auch in Mattenform ringförmig
um den Umfang des inneren Schutzrohres 14.2 herum angeordnet
sein. Das Gewebe oder Vlies 21 ist aus Metall, beispielsweise Stahl,
Halbmetall oder Metalloxid hergestellt und weist eine rauhe Oberfläche auf,
auf der auftreffende Wassertropfen abgeschieden werden, sich verteilen und
wieder verdampfen. Das Gewebe oder Vlies 21 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel
aus dem gleichen Stahl hergestellt wie das innere Schutzrohr 14.2.
Das Gewebe oder Vlies 21 ist derart in dem Zwischenraum 20 angeordnet,
dass es zumindest die Durchgangsöffnungen 15 des
inneren Schutzrohres 14.2 überdeckt.