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Die Erfindung betrifft eine Messfühleranordnung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße, umfassend einen langgestreckten Substratkörper mit einem ersten, zur Messstelle gerichteten Ende sowie einem zweiten Ende, welches zur Aufnahme und/oder Verbindung von Messanschlussleitungen dient, wobei das erste Ende einer höheren Temperatur als das zweite Ende ausgesetzt ist, weiterhin mit einem hülsen- oder flanschartigen Befestigungsteil, welches eine Durchgangsöffnung aufweist, die den Substratkörper aufnimmt, wobei der Substratkörper mit dem Befestigungsteil durch Glaseinschmelzen verbunden und hierfür zwischen dem Befestigungsteil und dem Substratkörper eine Glasfüllung vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus der
DE 195 00 147 A1 ist ein Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren bekannt, dessen Dichtung eine Glaseinschmelzung aufweist. Eine solche Glaseinschmelzung ermöglicht einerseits einen potentialfreien Einbau des Messfühlers in ein metallisches Gehäuse der Abgasanlage, und zum anderen ist durch die Verwendung von Glas als Dichtungswerkstoff eine hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit gewährleistet.
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Die Verwendung von Glas als Werkstoff für die Dichtung erfordert jedoch einen speziellen Aufbau der Dichtungseinheit, um insbesondere die erforderliche mechanische Stabilität zu gewährleisten. Hierfür ist die Dichtungseinheit aus einem keramischen Dichtring gebildet, der durch eine Schicht der Glaseinschmelzung nahezu vollständig umschlossen ist. Der keramische Dichtring nimmt einen Großteil der auf die Dichtungseinheit wirkenden Kräfte auf. Auf einer Seite des keramischen Dichtringes ist ein druckverteilender weiterer Dichtring angeordnet, welcher einen auf den Sensor wirkenden Druck gleichmäßig auf den Gehäusesitz verteilt.
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Der Nachteil dieser Lösung ist die aufwendige Anordnung mehrerer Komponenten für die Dichtungseinheit, welche durch die Verwendung einer Glaseinschmelzung notwendig ist.
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Bei dem Messfühler nach
DE 198 50 959 A1 wird von einem in einem metallischen Gehäuse angeordneten keramischen Formteil zur Aufnahme des Sensorelementes ausgegangen. Das Sensorelement wird mittels eines aus warm verformbarem temperaturfesten Material bestehenden Dichtelements abgedichtet. Das Dichtelement ist zwischen einem ersten messgasseitigen Presskörper und einem zweiten anschlussseitigen Presskörper so verpresst, dass ein vollständiges Umschließen des Sensorelementes stattfindet und eine hermetische Abdichtung desselben gegenüber dem Aufnahmeformteil bewirkt wird.
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Aus der
DE 10 2006 015 427 B3 ist ein Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Größe in umschlossenen Räumen mit Temperaturen im Bereich von bis zu 1000°C vorbekannt, dessen Dichtungsanordnung sehr einfach herzustellen ist und welche bei großen Beanspruchungen hinsichtlich Temperatur, Druck, Erschütterungen und Korrosion über einen langen Zeitraum einen dichten und festen Sitz gewährleistet.
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Bei diesem Messfühler des Standes der Technik ist ein Rohr vorhanden, an dessen in das Messvolumen gerichteten Ende ein Sensorelement angebracht ist und durch welches für den Anschluss des Sensorelementes notwendige Anschlussleitungen hindurchgeführt werden. Weiterhin ist eine Befestigungshülse vorhanden, durch welche das Rohr elektrisch isoliert durchgeführt und am Messfühlergehäuse befestigt ist. Zwischen der Innenfläche der Befestigungshülse und dem Rohr ist ein umlaufender Spalt vorhanden. Eine Glasfüllung, die im Spalt zwischen der Befestigungshülse und dem Rohr angeordnet ist, verbindet beide gasdicht miteinander. Die Glasfüllung weist eine Materialdichte im Bereich zwischen 2900 bis 3300 kg/m
3 auf. Weiterhin besitzt die Glasfüllung einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von im Wesentlichen 0,52 × 10
–6 bis 0,56 × 10
–6 pro Kelvin. Bei der Herstellung des Messfühlers nach
DE 10 2006 015 427 B3 wird zunächst ein Glaskörper gefertigt, der die Form der herzustellenden Glasfüllung aufweist. Dieser Glaskörper wird dann einem Sinterschritt unterzogen. Im Anschluss wird der Sinterglaskörper im Messfühler zwischen einer Befestigungshülse und dem vorerwähnten Rohr angeordnet, welches an seinem von der Befestigungshülse entfernten Ende das Sensorelement trägt. Mit einer Erwärmung des Sinterglaskörpers auf die Schmelztemperatur des Glases gelingt es dann, das Rohr in der Befestigungshülse gasdicht einzuschmelzen.
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Das Rohr ist insbesondere als Kapillarrohr ausgeführt. Da das verwendete Glas nach
DE 10 2006 015 427 B3 eine Schmelztemperatur im Bereich von etwa 1000°C bis 1200°C aufweist, ist die vorgestellte Befestigung bei den im Bereich der Befestigungshülse auftretenden Temperaturen von bis zu 700°C beständig.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass nach einer längeren Betriebsdauer die Gefahr besteht, dass die Glaseinschmelzung spröde wird, wodurch unter Umständen bei hinzukommenden mechanischen Belastungen die gewünschte Festigkeit nicht mehr gegeben ist.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Messfühleranordnung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße anzugeben, welche von einem langgestreckten Substratkörper ausgeht und wobei der Substratkörper in einem Befestigungsteil mit Durchgangsöffnung durch Glaseinschmelzen fixiert ist. Die zu schaffende Messfühleranordnung soll hinsichtlich der Glaseinschmelzung auch bei länger andauernden extremen Hitzebelastungen keinen Festigkeitseinbußen unterliegen oder spröde werden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Messfühleranordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Es wird demnach von einer Messfühleranordnung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße, umfassend einen langgestreckten Substratkörper mit einem ersten, zur Messstelle gerichteten Ende sowie einem zweiten Ende ausgegangen, welches zur Aufnahme und/oder Verbindung von Messanschlussleitungen dient. Das erste Ende ist höheren Temperaturen als das zweite Ende ausgesetzt. Weiterhin ist ein hülsen- oder flanschartiges Befestigungsteil vorhanden, welches eine Durchgangsöffnung aufweist, die den Substratkörper, der insbesondere aus einem Keramikmaterial bestehen kann, aufnimmt.
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Der Substratkörper ist mit dem Befestigungsteil durch Glaseinschmelzen verbunden, wobei hierfür zwischen dem Befestigungsteil und dem Substratkörper eine Glasfüllung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Glasfüllung und dem ersten Ende des Substratkörpers, außerhalb des Einschmelzverbindungsbereiches ein strahlungsreflektierender oder strahlungsabsorbierender Hitzeschild ausgebildet.
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Der Hitzeschild ist zum Befestigungsteil bevorzugt thermisch entkoppelt angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Befestigungsteil und dem Substratkörper ein Luftspalt vorgesehen, wobei der Hitzeschild in den Luftspalt blendenartig eintaucht, um seine Strahlung reflektierende Wirkung zu entfalten.
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Bei der hier erwähnten Strahlung handelt es sich um thermische, insbesondere infrarote Strahlung.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Hitzeschild als Hülse ausgebildet, die auf einem Innen- oder Außenbund am Befestigungsteil aufschiebbar ist, wobei zungenartige oder fächerartige Ausklinkungen in Richtung Zentrum der Hülse ragen und hierdurch die Hitzeblende bilden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Hitzeschild ebenfalls als Hülse ausgebildet, die auf einem Innen- oder Außenbund am Befestigungsteil fixierbar ist, wobei die Hülse einen Boden aufweist, welcher bis auf eine Öffnung mit der Querschnittsfläche des Substratkörpers geschlossen ist und wobei der Boden in Richtung Glasfüllung orientiert wird.
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Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Hitzeschild ebenfalls als Hülse ausgebildet, die am Befestigungsteil fixiert wird. Zwischen der Hülse und dem Substratkörper ist ein Freiraum vorhanden, welcher eine thermisch isolierende oder thermische Strahlung reflektierende Füllung analog einer Stopfbuchse aufweist.
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Der erfindungsgemäße Hitzeschild ist sowohl von der Hitzequelle als auch von der Glasfüllung beabstandet angeordnet.
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Bei einer diesbezüglich bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Position des Hitzeschildes so gewählt, dass der Abstand zur Hitzequelle größer als der Abstand zur Glasfüllung ist.
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Der Substratkörper kann, wie bereits oben dargelegt, als Keramikstab mit einem quadratischen rechteckigen oder vieleckigen Querschnitt ausgebildet werden.
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Der Substratkörper kann, z. B. durch Dickschichttechnik oder Dünnschichtabscheidung Leitbahnen aufweisen und gleichzeitig an seinem zur Messstelle weisenden Ende einen Messmäander oder eine sonstige Messsensorstruktur umfassen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Die Figuren zeigen hierbei Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Messfühleranordnungen mit Substratkörper und Befestigungsteil.
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Bei der Darstellung nach 1 wird von einem langgestreckten, im Querschnitt rechteckförmigen Substratkörper aus Al2O3-Keramik ausgegangen.
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Dieser langgestreckte Substratkörper 1 ist über eine Einglasung 2 mit einem hülsen- oder flanschartigen Befestigungsteil 3 verbunden.
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Zwischen dem Substratkörper 1 und der Innenwandung des Befestigungsteils 2 besteht ein Freiraum bzw. ein Abstand.
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Das in der 1 gezeigte untere Ende des Substratkörpers 1 ist zur Messstelle hin gerichtet und weist einen Messmäander 4 auf, wie aus der 2 erkennbar ist.
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Am kalten Ende besitzt der Substratkörper 1 elektrische Anschlussflächen 5.
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Die Schnittdarstellung nach 1 entspricht der Ansicht längs der Linie 3-A gemäß 2.
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Die erfindungsgemäße Messfühleranordnung besitzt einen Hitzeschild, ausgebildet als Hülse 6, die auf einen Bund 7, der Bestandteil des Befestigungsteils 3 ist, aufgeschoben wurde.
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Bei der insbesondere metallischen Hülse 6 sind zungenartige Ausklinkungen 8 angebracht, wobei die Ausklinkungen 8 in den Innenraum (siehe Schnittdarstellung nach 1) hineinreichen und eine Hitzeblende ergeben.
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Gemäß der Schnittdarstellung nach 3 wird wiederum von einem Substratkörper 1 ausgegangen, der mittels Glaseinschmelzung über eine Glasfüllung 2 mit dem Befestigungsteil 3 verbunden ist.
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Am zum Messmäander 4 zeigenden Ende ist bei der Lösung nach 3 eine Hülse 9 mit einem Bodenteil 10 vorhanden, wobei insbesondere das Bodenteil 10 den gewünschten Hitzeschild darstellt.
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Das Bodenteil 10 kann aus einem am Hülsenteil 9 angeformten oder angebrachten Abschnitt, ausgebildet als poröse Struktur, bestehen, durch die nicht nur Strahlungswärme zurückgehalten wird, sondern auch die Wärmeleitung reduziert ist.
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Obwohl in der 3 nicht dargestellt, kann der Bodenbereich 10 auch als flacher Hülsenboden ausgeführt werden, der in diesem Fall bevorzugt sowohl einen Abstand zur Glasfüllung 2 als auch zum Messmäander 4 besitzt.
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Bei der Messfühleranordnung nach 4 wird als Messsensor ein Thermoelement eingesetzt. Auch bei dieser Anordnung ist ein Befestigungsteil 3 vorhanden, welches den Substratkörper 1 über eine Glasfüllung 2 fixiert.
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Eine Hülse 6 ist über einen Bundabschnitt 7 am Befestigungsteil 3 fixiert. Im Freiraum zwischen der Innenseite der Hülse 6 und dem Substratkörper 1 ist eine thermisch isolierende oder thermische Strahlung reflektierende Füllung 11 eingebracht, so dass sich auch hier die erfindungsgemäße Hitzschildfunktion einstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19500147 A1 [0002]
- DE 19850959 A1 [0005]
- DE 102006015427 B3 [0006, 0007, 0008]
