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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(Gebiet der Erfindung)
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor mit einem
Gassensorelement zur Erfassung einer Gaskonzentration unter Verwendung
eines festen Elektrolytbauelements, das Sauerstoffionenleitfähigkeit
aufweist.
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(Beschreibung des verwandten Standes der
Technik)
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Es
gibt einen Gassensor, der zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
einer Maschine verwendet wird, wobei dieser zum Beispiel die Differenz
der Sauerstoffkonzentration zwischen einem Bezugsgas, wie etwa der
Atmosphärenluft, und einem Gas verwendet, das einer Messung
unterzogen wird, einschließlich Abgas (was hierin nachstehend
als "Gegenstands- bzw. Betreffsgas" bezeichnet wird). Ein solcher
Gassensor weist eine Fangschicht an einer Ober-/Fläche
einer Gas einbringenden Diffusionswiderstandsschicht auf, um Gift-
bzw. Schadstoffe ein- bzw. abzufangen, die in dem Gegenstandsgas
enthalten sind.
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Ein
Gassensor geschichteter Bauart, der in der nicht geprüften
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2006-171013 offenbart ist, weist eine poröse
Schutzschicht auf, die Ecken eines Elementkörpers bedeckt
bzw. umhüllt, wobei die poröse Schutzschicht mit
einer Dicke von 20 μm oder mehr von jeder Ecke aus bereitgestellt ist.
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Die
ungeprüfte
japanische
Patentveröffentlichung Nr. 2006-250537 offenbart
ein Gassensorelement und dessen Herstellungsverfahren, wobei sie
eine Technik zum Ausbilden einer Gift- bzw. Schadstoff abhaltenden
Schicht an einer Ober-/Fläche des Gassensorelements durch
Eintauchen des Gassensorelements in die wässrige Masse
bzw. Aufschlämmung eines keramischen Pulvers, gefolgt von
einem Trocknen und Backen bzw. Brennen des Elements, einführt.
Diese Veröffentlichung offenbart auch eine Technik zum
Ausbilden einer als Ellipsoid geformten Gift- bzw. Schadstoff abhaltenden
Schicht in einem Querschnitt um das Gassensorelement herum.
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Weiterhin
offenbart die ungeprüfte
japanische
Patentveröffentlichung Nr. 2003-194767 einen Gassensor,
bei dem ein Erfassungselement durch Schutzeinrichtungen doppelt
geschützt ist und Gaserfassungsflächen bildende
Elektroden durch Schutzschichten bedeckt sind, wodurch das Element
unter Verwendung eines bemerkenswert einfachen Verfahrens vor Kondenswasser
oder dergleichen geschützt wird. Das Gassensorelement weist
einen Heizer bzw. eine Heizung auf, um zu ermöglichen,
dass das Gassensorelement schnell die Aktivierungstemperatur erreicht.
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Die
aktuelle Intensivierung bzw. Verschärfung bei der Emissionsgasreinigung
hat jedoch erfordert, dass das Gassensorelement eine verkürzte
Aktivierungszeit aufweist. Die Gasaktivierungszeit bezieht sich
auf die Zeit, die erforderlich ist, bis der Gassensor aus einem
nicht aktivierten Zustand heraus die Aktivierungstemperatur erreicht.
Um eine solche Anforderung zu erfüllen, hat der Erfinder
der vorliegenden Erfindung experimentiert und herausgefunden, dass
die Positionierung eines Erfassungselements (eines Gassensorelements)
und einer Schutzeinrichtung (einer Elementhülle bzw. -abdeckung)
die Aktivierungszeit des Gassensorelements beeinflusst. Das heißt,
dass sowohl besonders lange als auch kurze Entfernungen zwischen
dem Erfassungselement und der Schutzeinrichtung verursachen, dass
das Gassensorelement eine viel längere Aktivierungszeit
aufweist.
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Bei
den herkömmlichen Gassensoren wurde keine bestimmte Lagebeziehung
angewandt. Dementsprechend ist eine Verkürzung der Aktivierungszeit
(der Zeit, die erforderlich ist, bis der Gassensor aus einem nicht
aktivierten Zustand heraus die Aktivierungstemperatur erreicht)
des Gassensors zu erstreben.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine derartige Forderung
gemacht, und daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, einen Gassensor bereitzustellen, der es einem Gassensorelement
ermöglicht, zusätzlich zur Bereitstellung von
wasserabweisenden bzw. wasserfesten Eigenschaften mit der verkürzten
Aktivierungszeit zu arbeiten.
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Um
die vorgenannte Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung
als einen Aspekt dieser einen Gassensor gemäß der
Erfindung bereit, der ein Gassensorelement aufweist, das eine Sensorplatte
und eine Heizerplatte umfasst, die aus einem Keramikkörper
mit elektrischer Isolierung besteht. Die Sensorplatte umfasst ein
festes Elektrolytbauelement mit Sauerstoffionenleitfähigkeit.
Die Heizerplatte umfasst einen Heizer, der in Erwiderung auf zugeführte
elektrische Energie Wärme erzeugt. Der Gassensor weist
auch ein Gehäuse zum Halten eines hinteren Endes des Gassensorelements
von einer äußeren Seite auf. Der Gassensor weist
ferner eine Elementhülle bzw. -abdeckung auf, die an dem
Gehäuse befestigt ist. Die Elementhülle bzw. -abdeckung
bedeckt ein oberes Ende eines Fühlteils des Gassensors.
Die poröse Schutzschicht umhüllt bzw. bedeckt
den gesamten Umfang des Fühlteils des Gassensorelements
in einer Flächenrichtung, die senkrecht zu einer Längsrichtung
steht, entlang derer das Gehäuse das Gassensorelement hält.
Die poröse Schutzschicht ist mit einer großen
Anzahl von Poren versehen, die zwischen Keramikpartikeln ausgebildet
sind. Die Dicke der porösen Schutzschicht in der Flächenrichtung
an dem Fühlteil beträgt 10 μm oder mehr.
Der Abstand zwischen der porösen Schutzschicht und der
Elementhülle beträgt in einer Flächenrichtung
entlang des gesamten Umfangs der Elementhülle 0,2 bis 6
mm.
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Bei
dem Gassensor gemäß der Erfindung ist der Fühl-
bzw. Sensorteil des Gassensorelements in der Flächenrichtung
vollständig von der porösen Schutzschicht umhüllt
bzw. bedeckt. Die poröse Schutzschicht kann jegliche Gift-
bzw. Schadstoffe einfangen, die in dem Gegenstandsgas enthalten sind,
und das Gegenstandsgas auf die an dem festen Elektrolytbauelement
befestigte Elektrode anwenden. Zusätzlich kann die poröse
Schutzschicht verhindern, dass das erwärmte Gassensorelement
durch Wasser verursacht bricht bzw. reißt.
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Die
Dicke der porösen Schutzschicht an dem Fühl- bzw.
Sensorteil beträgt 10 μm oder mehr, wodurch ein
ausreichender Gift- bzw. Schadstoff-Einfangeffekt ebenso wie eine
Wasserfestigkeitseigenschaft bereitgestellt wird.
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Ein
besonders kleiner Abstand zwischen der porösen Schutzschicht
und der Elementhülle verursacht, dass die Elementhülle
Wärme absorbiert, nachdem der Heizer der Heizerplatte die
Wärme entwickelt. Andererseits verursacht ein besonders
langer Abstand zwischen der porösen Schutzschicht und der
Elementhülle, dass die Elementhülle keinen Wärmespeicherungs-
bzw. Wärmehaltungseffekt mit der Strahlwärme an
das Gassensorelement bereitstellt, nachdem der Heizer der Heizerplatte
die Wärme entwickelt.
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Daher
ist der Gassensor gemäß der Erfindung eingerichtet,
einen Abstand zwischen der porösen Schutzschicht und der
Elementhülle mit einer Entfernung von 0,2 bis 6 mm bereitzustellen.
Der Abstand ist entlang des gesamten Umfangs der Elementhülle
ausgebildet. Diese Konstruktion bewirkt, dass die Elementhülle
nicht die Wärme von dem Gassensorelement absorbiert, und
ermöglicht, dass die Elementhülle den Wärmespeicherungs-
bzw. Wärmehaltungseffekt mit der Strahlwärme an
das Gassensorelement bereitstellt.
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Diese
Konstruktion kann die Zeit (die Aktivierungszeit) verkürzen,
die für das Gassensorelement erforderlich ist, um die Aktivierungstemperatur
(die zur Erfassung einer Sauerstoffkonzentration geeignete Temperatur)
zu erreichen.
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Dementsprechend
kann der Gassensor gemäß der Erfindung die Aktivierungszeit
des Gassensorelements effektiv verkürzen, während
ausreichende Wasserfestigkeit bereitgestellt wird.
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Die
poröse Schutzschicht mit einer Dicke von weniger als 10 μm
an dem Fühl- bzw. Sensorteil kann versagen, Gift- bzw.
Schadstoffen erfolgreich einzufangen und ein durch Wasser verursachtes
Brechen bzw. Reißen des Gassensorelements zu verhindern.
Die Dicke der porösen Schutzschicht in der Flächenrichtung an
dem Fühl- bzw. Sensorteil kann auf 2000 μm oder
weniger eingestellt sein.
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Zusätzlich
kann ein Gassensor, der den Abstand zwischen der porösen
Schutzschicht und der Elementhülle aufweist, dessen Entfernung
teilweise weniger als 0,2 mm beträgt, bewirken, dass die
Elementhülle Wärme von dem Gassensorelement absorbiert,
nachdem der Heizer der Heizerplatte Wärme erzeugt.
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Andererseits
kann ein Gassensor, der den Abstand zwischen der porösen
Schutzschicht und der Elementhülle aufweist, dessen Entfernung
teilweise 6 mm überschreitet, bewirken, dass die Elementhülle
nicht den Wärmespeicherungs- bzw. Wärmehaltungseffekt
mit der Strahlwärme an das Gassensorelement bereitstellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Bei
der begleitenden Zeichnung gilt:
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1 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, die einen Gassensor gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die ein Gassensorelement
gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine Lagebeziehung zwischen
einem Fühlteil des Gassensorelements und einer Elementhülle
gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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4 ist
eine schematische vertikale Querschnittsansicht, die eine Lagebeziehung
zwischen dem Gassensorelement und einem Gegenstandsgaseinlass gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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5 ist
eine schematische vertikale Querschnittsansicht, die eine weitere
Lagebeziehung zwischen dem Gassensorelement und dem Gegenstandsgaseinlass
gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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6 ist
eine schematische vertikale Querschnittsansicht, die eine weitere
Lagebeziehung zwischen dem Gassensorelement und dem Gegenstandsgaseinlass
gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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7 ist
eine schematische vertikale Querschnittsansicht, die eine weitere
Lagebeziehung zwischen dem Gassensorelement und dem Gegenstandsgaseinlass
gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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8 ist
eine vergrößerte vertikale Querschnittsansicht,
die einen den Gegenstandsgaseinlass umfassenden Teil gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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9 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem die horizontale Achse
einnehmenden minimalen Abstand und dem die vertikale Achse einnehmenden
Aktivierungszeitverhältnis gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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10 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem die horizontale Achse
einnehmenden maximalen Abstand und dem die vertikale Achse einnehmenden
Aktivierungszeitverhältnis gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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11 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem die horizontale Achse
einnehmenden Umfangsbereich und dem die vertikale Achse einnehmenden
Aktivierungszeitverhältnis gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt;
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12 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die den Fühlteil
des Gassensorelements und die poröse Schutzschicht gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt; und
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13 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die den Fühlteil
des Gassensorelements mit einer Grundschicht zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gassensors gemäß der
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Bezug
nehmend auf 1 bis 13 wird
nun ein Ausführungsbeispiel des Gassensors gemäß der Erfindung
beschrieben.
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Wie
es gemäß 1 und 2 gezeigt
ist, weist der Gassensor ein Gassensorelement 2, ein Gehäuse 11 und
eine Elementhülle bzw. -abdeckung 12 auf. Das
Gassensorelement 2 ist aus einer Sensorplatte bzw. -scheibe 3 und
einer Heizerplatte bzw. -scheibe 4 aufgebaut. Die Sensorplatte
bzw. -scheibe 3 weist ein festes Elektrolytbauelement 31 mit
Sauerstoffionenleitfähigkeit auf. Die Sensorplatte bzw.
-scheibe 3 weist auch ein Paar Elektroden 32A, 32B auf,
von denen eine an einer Seitenfläche und die andere an
der anderen Seitenfläche des Bauelements 31 befestigt
ist. Die Heizerplatte bzw. -scheibe 4 besteht aus einem
Keramikbauelement 41 mit einer Eigenschaft elektrischer
Isolierung und einem bzw. einer durch Energieverteilung zu erwärmenden
Heizer bzw. Heizung 42.
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Das
Gehäuse 11 umgibt und hält ein hinteres
Endteil 202 des Gassensorelements 2. Die Elementhülle 12 ist
an dem Gehäuse 11 befestigt, wobei sie ein Fühl-
bzw. Sensorteil 21 umhüllt bzw. bedeckt, das an
einem oberen Endteil 201 des Gassensorelements 2 ausgebildet
ist.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist der Fühlteil 21 des Gassensorelements 2 in
einer zu der Längsrichtung L (siehe 1), entlang
derer das Gehäuse 11 das Gassensorelement 2 hält,
senkrecht stehenden Flächenrichtung vollständig
von einer porösen Schutzschicht 5 umhüllt
bzw. bedeckt. Die poröse Schutzschicht 5 weist
eine große Anzahl von Poren auf, die durch eine große
Anzahl von Keramikpartikeln mit einer elektrischen Isolierungseigenschaft
ausgebildet sind.
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In
der Flächenrichtung beträgt die maximale Dicke
T1 der porösen Schutzschicht 5 entlang einer Schichtungsrichtung
D, nämlich der Richtung, entlang derer die Sensorplatte 3 und
die Heizerplatte 4 geschichtet sind, auf beiden Flächenseiten
zwischen 100 und 2000 μm, was den dicksten Teil in dem
gesamten Umfang der porösen Schutzschicht 5 darstellt.
Die Dicke T2 von jeder Ecke (bei diesem Ausführungsbeispiel vier
Ecken) beträgt zwischen 10 und 500 μm, was den
dünnsten Teil in dem gesamten Umfang der porösen Schutzschicht 5 darstellt.
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Die
maximale Dicke T1 kann vorzugsweise zwischen 100 und 700 μm
sein, und die Dicke T2 der Ecken kann vorzugsweise 10 bis 300 μm
sein. Die Dicke T2 der Ecken der porösen Schutzschicht 5 bezieht sich
auf eine kürzeste Entfernung zwischen der Ecke des Fühlteils 21 und
der Ober-/Fläche der porösen Schutzschicht 5.
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Wie
es gemäß 3 gezeigt
ist, beträgt der Abstand bzw. die Lücke zwischen
der porösen Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 in
der gleichen Flächenrichtung über den gesamten
Umfang der Elementhülle 12 hinweg zwischen 0,2
und 6 mm. Das heißt, dass der minimal Abstand X (der Abstand
an dem schmälsten bzw. engsten Teil) zwischen der porösen
Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 0,2
mm oder mehr beträgt, und dass der maximale Abstand Y (der
Abstand an dem entferntesten bzw. distanziertesten Teil) zwischen
der porösen Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 6
mm oder weniger beträgt.
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2 und 3 zeigen
Querschnittsansichten des Gassensorelements 2 und des Fühlteils 21.
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Der
Gassensor 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird unter Bezugnahme auf 1 bis 13 im
Einzelnen weiter beschrieben. Wie es gemäß 2 gezeigt
ist, ist der Gassensor 1 ein Gassensor des Grenzstromtyps,
der an Fahrzeugen zu installieren ist. Der Gassensor 1 wird
zum Messen einer Sauerstoffkonzentration von Abgas, welches das
Gegenstands- bzw. Betreffsgas ist, verwendet.
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Der
Gassensor 1 wird zum Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
einer Maschine verwendet, indem eine Spannung angelegt wird, um
eine Grenzstromeigenschaft zwischen dem Paar Elektroden 32A, 32B zu
erzeugen, die an der einen Seite beziehungsweise der anderen Seite
des festen Elektrolytbauelements 31 bereitgestellt sind;
und indem ein zwischen den Elektroden 32A, 32B fließender
Strom gemessen wird. Die Stromstärke ist basierend auf
der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Gegenstandsgas,
das mit einer Elektrode 32A in Kontakt zu sein hat, und
Bezugsgas (wie etwa Atmosphärenluft), das mit der anderen Elektrode 32B in
Kontakt zu sein hat, definiert.
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Die
Sensorplatte 3 in dem Gassensorelement 2 weist
einen Einzellenaufbau auf, der eine Pumpzellenfunktion, die die
Sauerstoffkonzentration in dem Gegenstandsgas reguliert, und eine
Fühl- bzw. Sensorzellenfunktion beinhaltet, die eine Sauerstoffkonzentration
in dem gleichen Gas erfasst, und zwar beides mit Hilfe des Paars
Elektroden 32A, 32B, die an den Ober-/Flächen
des festen Elektrolytbauelements bereitgestellt sind.
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Ein
solcher Aufbau kann den Aufbau der Sensorplatte 3 vereinfachen
und die Aktivierungszeit des Gassensorelements 2 effektiv
verkürzen.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist eine Diffusionswiderstandschicht 33 zum Eindiffundieren
und Steuern des Ströms des Gegenstandsgases an einer Ober-/Fläche
des festen Elektrolytbauelements 31 geschichtet, auf der
die Elektrode 32A für das Gegenstandsgas bereitgestellt
ist. Eine Abschirmschicht 34 ist an der Ober-/Fläche
der Diffusionswiderstandschicht 33 geschichtet. Die Diffusionswiderstandsschicht 33 und
die Abschirmschicht 34 können aus Aluminiumoxid
und dergleichen bestehen. Das Paar Elektroden 32A, 32B kann
aus Platin und dergleichen bestehen.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist die Heizerplatte 4 an der Ober-/Fläche
des festen Elektrolytbauelements 31 geschichtet, auf der
die Elektrode 32B für das Bezugsgas bereitgestellt
ist. Die Heizerplatte 4 besteht aus einem Keramikbauelement 41A mit
einem Bezugsgasraum 45, der die Elektrode 32B für
das Bezugsgas umgibt, und einem Heizer bzw. einer Heizung 42,
der/die zwischen dem Keramikbauelement 41A und einem weiteren
Keramikbauelement 41B angeordnet ist. Der Heizer bzw. die
Heizung 42 besteht aus Platin und dergleichen und ist nach
einem Muster auf das Keramikbauelement 41 (entweder 41A oder 41B)
gedruckt.
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Der
oberer Endabschnitt 201 des Gassensorelements 2,
welcher das Paar Elektroden 31A, 32B aufweist,
die einander gegenüber liegen, wobei das feste Elektrolytbauelement 31 dazwischen
liegt, bildet den Fühl- bzw. Sensorteil 21.
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Wie
es gemäß 4 gezeigt
ist, weist die Heizerplatte 4 einen Wärmeerzeugungsabschnitt 401,
der durch einen mäanderförmigen Heizer 42 gebildet
ist, und einen Leitungsabschnitt 402 auf, der Leitungen
bzw. Zuführungen des Heizers 42 aufweist, die
von beiden Seiten des Heizers 42 zwischen dem Paar der
Keramikbauelemente 41A, 41B gezogen sind.
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Wie
es gemäß 4 gezeigt
ist, kann der Wärmeerzeugungsabschnitt 401 entlang
der Längsrichtung L des Gassensors geschlängelt
bzw. mäandert sein, oder kann er, wie es gemäß 5 gezeigt
ist, entlang der Querrichtung W (der zu der Längsrichtung
L senkrechten Richtung) des Gassensorelements 2 geschlängelt bzw.
mäandert sein.
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Wie
es gemäß 4 und 5 gezeigt
ist, weist das Gassensorelement 2 einen Heizbereich umfassend
den Wärmeerzeugungsabschnitt 401 und die Sensorplatte 3,
die einander gegenüber liegen, und einen Energieverteilungsbereich
umfassend den Leitungsabschnitt 402 und die Sensorplatte 3,
die einander gegenüber liegen, auf.
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Wie
es gemäß 1 gezeigt
ist, ist ein aus Metal bestehendes Gehäuse 11 über
den elektrischen Isolator 14 an einem hinteren Ende 202 des
Gassensorelements 2 befestigt, und umhüllt bzw.
bedeckt eine Elementhülle bzw. -abdeckung 12,
die an dem oberen Ende des Gehäuses 11 befestigt
ist, deckt ein oberes Ende 201 des Gassensorelements 2.
Die Elementhülle 12 besteht aus einer inneren
Hülle 12A und einer äußeren Hülle 12B.
Die innere Hülle 12A umhüllt bzw. bedeckt
den Fühlteil 21 des Gassensorelements 2,
und die äußere Hülle 12B umhüllt
bzw. bedeckt die innere Hülle 12A.
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Leitende
Metalabgriffe 15 und Leitungsdrähte 16 sind
mit dem hinteren Ende 202 des Gassensorelements 2 verbunden,
um Elektrizität an das Paar Elektroden 32A, 32B zu
liefern.
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Wie
es gemäß 1 gezeigt
ist, sind die innere Hülle 12A und die äußere
Hülle 12B mit den Gegenstandsgaseinlässen 13A beziehungsweise 13B versehen,
die jeweils an einer bedeutungslosen bzw. unwesentlichen Position
entlang der Längsrichtung L angeordnet sind.
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Wie
es gemäß 4 und 5 gezeigt
ist, ist der Gegenstandsgaseinlass 13A der inneren Hülle 12A derart ausgebildet,
dass der Strom G des Gegenstandsgases auf den Energieverteilungsbereich
des Gassensorelements 2 trifft.
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Wie
es gemäß 4 und 5 gezeigt
ist, kann der Gegenstandsgaseinlass 13A der inneren Hülle 12A so
ausgebildet sein, dass er dem Energieverteilungsbereich des Gassensorelements 2 (an
der der Querrichtung W des Energieverteilungsbereichs zugewandten
Position) zugewandt ist, und kann er ein vertikales Loch sein, das
gegenüber der Hüllenplatte vertikal ausgebildet
ist.
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Weiterhin
kann, wie es gemäß 6 gezeigt
ist, der Gegenstandsgaseinlass 13A der inneren Hülle 12A in
Richtung eines vor dem Gassensorelement 2 liegenden Raums
ausgebildet sein, und kann er ein vertikales Loch sein, das gegenüber
der Hüllenplatte vertikal ausgebildet ist.
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Dementsprechend
trifft der Strom G des Gegenstandsgases auf den vor dem Wärmeerzeugungsabschnitt
des Gassensorelements 2 liegenden Abschnitt.
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Dies
Konstruktion bewirkt, dass der Strom G des Gegenstandsgases, das über
den Gegenstandsgaseinlass 13A in das Innere der Elementhülle 12A eingeführt
wird, nicht direkt auf den Wärmeerzeugungsbereich des Gassensorelements 2 trifft.
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Eine
solche Konstruktion kann verhindern, dass der Wärmeerzeugungsbereich
des Gassensorelements 2 durch den auftreffenden Strom des
Gegenstandsgases gekühlt wird, und sie kann die Zeit (Aktivierungszeit)
verkürzen, die notwendig ist, dass das Gassensorelement 2 die
Aktivierungstemperatur (die zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration
geeigneten Temperatur) erreicht.
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Wie
es gemäß 7 gezeigt
ist, kann der Gegenstandsgaseinlass 13A der inneren Hülle 12A so
ausgebildet sein, dass er dem Wärmeerzeugungsbereich des
Gassensorelements 2 (an der der Querrichtung W des Wärmeerzeugungsbereichs
zugewandten Position) zugewandt ist, und kann er ein paralleles
Loch sein, das parallel zu der Hüllenwand ausgebildet ist,
so dass der Strom G des Gegenstandsgases (in einer solchen Weise,
dass der Strom G des Gegenstandsgases nicht auf den Heizbereich
trifft) auf den Energieverteilungsbereich trifft. Das parallele
Loch kann durch Bereitstellung eines Vorsprungs 131 an
der inneren Hülle 12A in Richtung einer äußeren
radialen Richtung und durch Ausbilden des parallelen Lochs entlang
der Längsrichtung L des Vorsprungs 131 ausgebildet
sein.
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Dieser
Aufbau ermöglicht, dass das Gegenstandsgas in Richtung
des Energieverteilungsbereichs des Gassensorelements 2 strömt.
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Es
wird verhindert, dass der Strom G des Gegenstandsgases, das sich
bis zu einem gewissen Grad ausbreitet, in Richtung des Heizbereichs
strömt, zumindest anhand dessen, dass der Heizbereich von
dem Strömungsbereich des Stroms G ausgenommen bzw. abgesondert
ist, wie es nachstehend definiert ist. Das heißt, wie es
gemäß 8 gezeigt ist, ist der Strom
G des Gegenstandsgases so eingerichtet, dass er der Richtung entlang
der Linie folgt, die den Winkel 2α° gleichmäßig
teilt. Der Winkel 2α° wird durch die zu dem Gegenstandsgaseinlass 13A senkrechte
Linie J und die Linie K definiert, die senkrecht zu der an dem Vorsprung 131 der
inneren Hülle 12A bereitgestellten bzw. geschaffenen
Kegel- bzw. Abschrägungsfläche 132 steht.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, weist das Gassensorelement 2 in einem Querschnitt
eine rechtwinklige Konfiguration mit vier Ecken auf, von denen jede
eine C-förmige Fläche aufweist. Beide Seitenflächen
der kombinierten Konstruktion der Abschirmschicht 34 und
der Diffusionswiderstandsschicht 33 haben abgeschnittene
Flächen (C-förmige Flächen) 36,
um das Gegenstandsgas an die Diffusionswiderstandsschicht 33 zu
führen.
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Das
Gassensorelement 2 weist in einem Querschnitt eine dünne
und annähernd rechteckige Form in der Schichtungsrichtung
D auf, entlang derer die Sensorplatte 3 und die Heizerplatte 4 zueinander
geschichtet sind.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, kann die poröse Schutzschicht 5 so ausgebildet
sein, dass sich ihr Teil kleineren Durchmessers entlang der Schichtungsrichtung
D erstreckt, und kann sie so ausgebildet sein, dass ihre Form ähnlich
zu der Querschnittsform des Fühlteils 21 des Gassensorelements 2 ist.
Ferner kann die poröse Schutzschicht 5, wie es
gemäß 3 gezeigt ist, in einer modifizierte
elliptische Form ausgebildet sein.
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Die
poröse Schutzschicht 5 weist eine große
Anzahl von Poren auf, die durch eine große Anzahl von Aluminiumoxidpartikeln
ausgebildet sind, welche die Keramikpartikel darstellen. Die Porosität
pro Einheitsvolumen der porösen Schutzschicht 5 beträgt
20% oder mehr.
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Eine
solche Konstruktion kann ermöglich, dass die poröse
Schutzschicht 5 eine ausreichende Wasserfestigkeit aufweist,
und sie ermöglicht, dass das Gegenstandsgas an eine der
Elektroden, nämlich die Elektrode 32A, auf dem
festen Elektrolytbauelement 31 geführt wird.
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Die
Porosität kann durch ein Volumen bzw. eine Menge der großen
Anzahl von Poren, die in der großen Anzahl von Keramikpartikeln
ausgebildet sind, in Bezug auf das Gesamtvolumen bzw. die Gesamtmenge der
porösen Schutzschicht 5 bestimmt sein.
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Wie
es gemäß 13 gezeigt
ist, kann eine Grund- bzw. Bodenschicht 6, die die Oberflächenrauhigkeit
(eine durchschnittliche Rauhigkeit aus zehn Punkten) von 1 μm
oder mehr aufweist, auf der Umfangsfläche des Gassensorelements 2 (den
Ober-/Flächen der Sensorplatte 3, der Heizerplatte 4 und
der Abschirmschicht 34) ausgebildet sein. Die Grund- bzw.
Bodenschicht 6 kann durch einen Brennprozess in Zusammenhang
mit dem Gassensorelement 2 ausgebildet werden.
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Die
poröse Schutzschicht 5 kann durch Anwendung eines
einzelnen Heizprozesses an die Ober-/Fläche der Grundschicht 6 ausgebildet
werden. Die Grundschicht 6 ermöglicht, dass die
poröse Schutzschicht 5 hochgradig stabil ist.
Die Oberflächenrauhigkeit (eine durchschnittliche Rauhigkeit
aus zehn Punkten) der Grundschicht 6 kann auf 100 μm
oder weniger eingestellt sein.
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Die
poröse Schutzschicht 5 besteht aus einer Vielzahl
von geschichteten Schichten (bei diesem Ausführungsbeispiel
zwei Schichten), die aus Keramikpartikelschichten mit einer elektrischen
Isolierungseigenschaft aufgebaut sind, um die Einfangfähigkeit
zum Ergreifen von Gift- bzw. Schadstoffen zu erhöhen. Der durchschnittliche
Durchmesser der Keramikpartikel, die die obere Schicht bilden, kann
größer sein als derjenige der Keramikpartikel,
die die untere Schicht bilden.
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Eine
solche Konstruktion kann ermöglichen, dass die poröse
Schutzschicht 5 mehrere Typen von Gift- bzw. Schadstoffen
einfängt, wodurch deren Einfangfähigkeit verbessert
wird.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist das Gassensorelement 2 gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der Sensorplatte 3,
der Heizerplatte 4, der Diffusionswiderstandsschicht 33 und
der Abschirmschicht 34 ausgebildet, von denen alle zueinander
geschichtet werden, worauf ein Brennprozess folgt. Die poröse
Schutzschicht 5 wird derart gebildet, dass das Gassensorelement 2 in
eine wässrige Masse bzw. Aufschlämmung eingetaucht
wird, die aus einer großen Anzahl von Keramikpartikeln
und Wasser besteht, wodurch den Keramikpartikeln ermöglicht
wird, an dem Gassensorelement 2 hängen zu bleiben,
und wobei ein Heizprozess nach Trocknung der Keramikpartikel angewandt
wird.
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Diese
Konstruktion kann die Aktivierungszeit des Gassensorelements 2 im
Vergleich zu einer Konstruktion verkürzen, bei der der
Brennprozess einzeln auf die Sensorplatte 3 und die Heizerplatte 4 angewandt wird,
bevor diese kombiniert werden. Ferner ermöglicht diese
Konstruktion eine einfachere Ausbildung der porösen Schutzschicht 5.
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9 und 10 zeigen
Testergebnisse, die die Aktivierungszeit von jedem von neun Gassensorelementen
(Proben 1 bis 9) darstellen, die für die Tests vorbereitet
bzw. erstellt sind. Der minimale Abstand X (der kleinste Abstand)
(siehe 3) zwischen der porösen Schutzschicht 5 und
der Elementhülle 12 bei jeder der neun Proben
variiert zwischen 0,1 und 1 mm, während der maximale Abstand
Y (der größte Abstand) (siehe 3)
zwischen 3 und 7 mm variiert. Die Tests wurden unter Verwendung
der Proben ausgeführt, um die Aktivierungszeit zu erfassen.
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Im
Speziellen wird die Aktivierungszeit durch Messung der Zeit bestimmt,
die notwendig ist, dass das Gassensorelement
2 von Raumtemperatur
aus 700 Grad Celsius erreicht, nachdem Energie an den Heizer
42 angelegt
wird. Tabelle 1
| Probe
Nr. | Minimaler
Abstand X (mm) | Maximaler
Abstand Y (mm) | Aktivierungszeitverhältnis | Bewertung |
| 1 | 2 | 3 | 1 | OO |
| 2 | 0,5 | 4 | 1,075 | O |
| 3 | 1 | 4 | 1,049 | OO |
| 4 | 0,5 | 5 | 1,097 | O |
| 5 | 1 | 5 | 1,075 | O |
| 6 | 0,1 | 6 | 1,31 | x |
| 7 | 0,2 | 6 | 1,198 | Δ |
| 8 | 0,5 | 6 | 1,141 | Δ |
| 9 | 0,2 | 7 | 1,28 | x |
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9 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem minimalen Abstand X, der
zwischen der porösen Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 ausgebildet
ist, und dem Zeitverhältnis zeigt, das Prozentsätze
bzw. Anteile aufzeigt, die basierend auf der Zeit berechnet sind,
in der das Gassensorelement 2 die Aktivierungstemperatur
erreicht hat (das Aktivierungszeitverhältnis des Gassensorelements 2).
In dem Graph nimmt der minimale Abstand X die horizontale Achse
ein, während das Aktivierungszeitverhältnis die
vertikale Achse einnimmt.
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10 ist
ein Graph, der die Beziehung dem maximalen Abstand Y, der zwischen
der porösen Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 ausgebildet
ist, und dem Aktivierungszeitverhältnis des Gassensorelements 2 zeigt.
In dem Graph nimmt der maximale Abstand Y die horizontale Achse
ein, während das Aktivierungszeitverhältnis des
Gassensorelements 2 die vertikale Achse einnimmt.
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Gemäß 9 und 10 sind
die Testergebnisse durch die schwarzen Markierungen angegeben, während
die Kurvenlinien die Simulationsergebnisse angeben. Das Aktivierungszeitverhältnis
wird basierend auf und in Beziehung zu der bei der Probe 1 gemessenen
minimalen Aktivierungszeit bestimmt.
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Die
Nummern wie etwa "7", "6", usw., die auf jede der Simulationskurvenlinien
gemäß 9 angewandt sind, geben eine
Entfernung des maximalen Abstands Y (mm) an. Dementsprechend zeigt 9 die Beziehung
zwischen dem minimalen Abstand X und dem Aktivierungszeitverhältnis,
wenn der maximale Abstand Y konstant ist.
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Die
Nummer wie etwa "0,1", "0,2", usw., die auf jede der Simulationskurvenlinien
gemäß 10 angewandt
sind, geben eine Entfernung des minimalen Abstands X (mm) an. Dementsprechend
zeigt 10 die Beziehung zwischen dem
maximalen Abstand Y und dem Aktivierungszeitverhältnis,
wenn der minimale Abstand X konstant ist.
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9 und 10 geben
an, dass sowohl die kleineren minimalen Abstände X als
auch die größeren maximalen Abstände
Y die Aktivierungszeit verlängern können. Weiterhin
ist zu ersehen, dass die Abstände X, Y vorzugsweise zwischen
0,6 und 6 mm liegen sollten, um zu ermöglichen, dass die
Aktivierungszeit kurz ist (zu ermöglichen, dass das Aktivierungszeitverhältnis
1,2 oder kleiner ist) (siehe die Markierungen OO, O, Δ in
der Spalte "Ergebnis" in der Tabelle 1).
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Weiterhin
ist zu ersehen, dass die Abstände X, Y mit Entfernungen
von 0,5 bis 5 mm ermöglichen können, dass das
Aktivierungszeitverhältnis 1,1 oder kleiner ist (siehe
die Markierungen OO, O), und außerdem, dass die Abstände
X, Y mit Entfernungen von 1 bis 4 mm ermöglichen können,
dass das Aktivierungszeitverhältnis 1,05 oder kleiner ist
(siehe die Markierung OO).
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Wie
es gemäß 3 gezeigt
ist, nimmt der Umfangsbereich R entlang der Umfangsrichtung des
Gassensorelements 2, der den Abstand zwischen der porösen
Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 mit
einer Entfernung von 1 bis 4 mm aufweist, in Bezug auf den gesamten
Umfang der Elementhülle 12 35% oder mehr ein.
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Dieser
Aufbau kann einen solchen Abstand zwischen der porösen
Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 bereitstellen,
der verhindern kann, dass die Elementhülle 12 Wärme
von dem Gassensorelement 2 aufnimmt, und ermöglichen
kann, dass die Elementhülle 12 den Wärmespeicherungs-
bzw. Wärmehaltungseffekt mit der Strahlungswärme
an das Gassensorelement 2 bereitstellt.
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Falls
der Umfangsbereich R mit dem Abstand mit einer Entfernung von 1
bis 4 mm kleiner als 35% ist, bewirkt ein solcher Aufbau, dass die
Elementhülle 12 Wärme von dem Gassensorelement 2 aufnimmt,
und bewirkt er, dass die Elementhülle 12 keine
Strahlungswärme an das Gassensorelement 2 bereitstellt,
was den Wärmespeicherungs- bzw. Wärmehaltungseffekt
verschlechtert.
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11 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Umfangsbereich R, der
die horizontale Achse einnimmt, und dem Verhältnis der
Zeit, in der das Gassensorelement 2 die Aktivierungstemperatur
erreicht (das Aktivierungszeitverhältnis des Gassensors 2),
die die vertikale Achse einnimmt, zeigt. Dieser Graph zeigt die
Testergebnisse, die durch die schwarzen Markierungen dargestellt
sind, und das Simulationsergebnis, das durch die Linie dargestellt
ist. Das Aktivierungszeitverhältnis wird basierend auf
und in Beziehung zu dem vollständigen Umfangsbereich R
mit einem Prozentsatz bzw. Anteil von 100% bestimmt. Die Aktivierungszeit
wird wie vorstehend beschrieben bestimmt und gemessen.
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Die
Testergebnisse werden, wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, durch acht
Typen von Gassensoren (Proben 11 bis 16) ergeben, die jeweils einen
unterschiedlichen Umfangsbereich R aufweisen. Jede der Proben 11 bis
16 genügt dem erforderlichen minimalen Abstand X und maximalen
Abstand Y, die 0,2 mm ≤ X und Y ≤ 0,6 mm sind. Tabelle 2
| Probe
Nr. | Umfangsbereich
R (%) | Aktivierungszeitverhältnis | Bewertung |
| 11 | 100 | 1,000 | OO |
| 12 | 80 | 1,036 | OO |
| 13 | 70 | 1,048 | OO |
| 14 | 50 | 1,087 | O |
| 15 | 30 | 1,110 | O |
| 16 | 20 | 1,119 | Δ |
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11 gibt
an, dass der Umfangsbereich R mit einem Prozentsatz von 35% oder
mehr das Aktivierungszeitverhältnis des Gassensorelements 2 kleiner als
ungefähr 10% machen kann (siehe die Markierungen OO und
O in der Tabelle). Der Prozentsatz des Umfangsbereichs R sollte
70% oder mehr sein, und eine solche Konstruktion kann das Aktivierungszeitverhältnis
des Gassensorelements 2 kleiner als ungefähr 4
bis 5% machen (siehe die Markierung OO).
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Diese
Konstruktion ermöglicht, dass der Abstand zwischen der
porösen Schutzschicht 5 und der Elementhülle 12 ausreichend
ist, was verhindern kann, dass die Elementhülle 12 Wärme
aufnimmt, und ermöglicht, dass die Elementhülle 12 durch
Bereitstellung der Strahlungswärme den ausreichenden Wärmespeicherungs-
bzw. Wärmehaltungseffekt bereitstellt.
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Wie
es gemäß 12 gezeigt
ist, weist das Gassensorelement 2 gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt eine
Schnittfläche S1 auf, die das Gassensorelement 2 und
den Fühlteil 21 umfasst (wobei der gemäß 13 gezeigte
Aufbau auch die Grundschicht 6 umfasst). Das Gassensorelement 2 weist
auch eine Schnittfläche S2 auf, die die poröse
Schutzschicht 5 umfasst. Die Beziehung zwischen diesen
ist durch die Formel S1 > S2
definiert.
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Eine
verringerte Schnittfläche S1 des Fühlteils 21 bewirkt,
dass das Volumen der porösen Schutzschicht 5 zunimmt,
was bewirkt, dass das Gassensorelement 2 einschließlich
der porösen Schutzschicht 5 eine längere
Zeit braucht, bis es die Aktivierungszeit/-temperatur erreicht hat,
während verursacht wird, dass die poröse Schutzschicht 5 Brüche
bzw. Risse oder dergleichen aufweist. Die Gestaltung "S1 > S2" ermöglicht, dass
die Aktivierungszeit des Gassensorelements 2 verkürzt
ist und die poröse Schutzschicht 5 beständig
bzw. haltbar ist.
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Bei
dem Gassensor 1 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel ist der Fühlteil 21 des
Gassensorelements 2 in einem Querschnitt vollständig
von der porösen Schutzschicht 5 umhüllt
bzw. bedeckt.
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Die
poröse Schutzschicht 5 kann alle in dem Gegenstandsgas
enthaltene Gift- bzw. Schadstoffe einfangen und das Gegenstandsgas
auf die an dem festen Elektrolytbauelement 31 befestigte
Elektrode 32A anwenden. Zusätzlich kann die poröse
Schutzschicht 5 verhindern, dass das Gassensorelement 2 verursacht durch
Wasser bricht bzw. reißt.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist die maximale Dicke T1 der porösen Schutzschicht 5 in
der Schichtungsrichtung D auf 100 μm oder mehr eingestellt,
was den dicksten Umfangsteil in der porösen Schutzschicht 5 darstellt.
Die Eckdicke T2 von jeder der vier Ecken ist auf 10 μm
eingestellt, was den dünnsten Umfangsteil in der porösen
Schutzschicht 5 darstellt. Eine solche Konstruktion ermöglicht,
dass die poröse Schutzschicht 5 eine ausreichende
Dicke aufweist, und verhindert, dass die poröse Schutzschicht 5 verursacht
durch Wasser bricht bzw. reißt.
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Ein
besonders kleiner Abstand zwischen der porösen Schutzschicht 5 und
der Elementhülle 12 bewirkt, dass die Elementhülle 12 Wärme
absorbiert, wenn der Heizer 42 der Heizerplatte 4 die
Wärme entwickelt. Andererseits bewirkt ein besonders großer
Abstand zwischen der porösen Schutzschicht 5 und
der Elementhülle 12, dass die Elementhülle 12 nicht
den Wärmespeicherungs- bzw. Wärmehaltungseffekt
mit der Strahlungswärme an das Gassensorelement 2 bereitstellt,
wenn der Heizer 42 der Heizerplatte 4 die Wärme entwickelt.
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Daher
sieht der Gassensor 1 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel den minimalen Abstand X mit einer Entfernung
von 0,5 bis 5 mm vor, der zwischen der porösen Schutzschicht 5 und
der Elementhülle 12 ausgebildet ist. Diese Konstruktion
bewirkt, dass die Elementhülle 12 nicht die Wärme
absorbiert, und ermöglicht, dass die Elementhülle 12 den
Wärmespeicherungs- bzw. Wärmehaltungseffekt mit
der Strahlungswärme bereitstellt. Dementsprechend kann
diese Konstruktion die Zeit (die Aktivierungszeit) verkürzen,
die für das Gassensorelement 2 erforderlich ist,
um die Aktivierungstemperatur (die zur Erfassung einer Sauerstoffkonzentration
geeignete Temperatur) zu erreichen.
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Wie
es gemäß 4 gezeigt
ist, ist weiterhin der Gegenstandsgaseinlass 13A der inneren
Hülle 12A in diesem Gassensor 1 derart
ausgebildet, dass der Strom des Gegenstandsgases auf den Energieverteilungsbereich
des Gassensorelements 2 trifft. Dies kann ermöglichen,
dass der Strom G des Gegenstandsgases, das über den Einlass 13A in
das Innere der Elementhülle 12 eingeführt
wird, nicht auf den Heizbereich des Gassensorelements 2 trifft.
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Eine
solche Konstruktion kann den Heizbereich des Gassensorelements 2 davor
bewahren, verursacht durch den auftreffende Strom des Gegenstandsgases
gekühlt zu werden, was dem Gassensorelement 2 ermöglicht,
die Zeit (die Aktivierungszeit) weiter zu verkürzen, die
zum Erreichen der Aktivierungstemperatur erforderlich ist.
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Dementsprechend
kann der Gassensor 1 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel die Aktivierungszeit des Gassensorelements 2 effektiv
verkürzen, während die ausreichende Wasserfestigkeit
bereitgestellt wird.
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Die
poröse Schutzschicht 5 kann aus einem oder mehreren
der Materialien Aluminiumoxid, Spinell, Titanoxid, Zirkonoxid und
Mullit bestehen. Eine solche Konstruktion kann die poröse
Schicht 5 mit dem ausreichenden elektrischen Widerstand
und der Wasserfestigkeitseigenschaft bereitstellt, und ermöglichen,
dass die poröse Schicht 5 Gift- bzw. Schadstoffe
ausreichend einfängt.
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Das
Gassensorelement 2 kann vorzugsweise ein Gassensorelement
des Grenzstromtyps sein. Das Gassensorelement des Grenzstromtyps
kann die Aktivierungszeit verkürzen.
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Während
die Erfindung in Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele
offenbart wurde, um ein besseres Verständnis von dieser
zu fördern, sollte anerkannt werden, dass die Erfindung
in verschiedenen Weisen verkörpert bzw. ausgeführt
werden kann, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen.
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Der
Gassensor (1) weist einen Fühlteil (21)
in einem Gassensorelement (2) auf, der von einer Elementhülle
(12) umhüllt bzw. bedeckt ist. Der gesamte Umfang
des Fühlteils des Gassensorelements ist im Querschnitt
durch eine poröse Schutzschicht (5) umhüllt
bzw. bedeckt, die durch Keramikpartikel mit einer großen Anzahl
von Poren gebildet ist. Die Dicke der porösen Schutzschicht 5 beträgt
an dem Fühlteil 10 μm oder mehr. Der Abstand zwischen
der porösen Schutzschicht und der Elementhülle
entlang des gesamten Umfangs der Elementhülle beträgt
0,2 bis 6 mm. Der Gassensor kann zusätzlich zur Bereitstellung
ausreichender Wasserfestigkeitseigenschaften die Aktivierungszeit
des Gassensorelements verkürzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-171013 [0003]
- - JP 2006-250537 [0004]
- - JP 2003-194767 [0005]