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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzkappe für einen Hochtemperatursensor mit einem Sensorelement, einer Schutzhülle, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt, und einer Schutzkappe, die an der Schutzhülle befestigt ist, sowie einen Hochtemperatursensor mit einem Sensorelement, einer Schutzhülle, insbesondere einem Schutzrohr, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt und einer Schutzkappe, die an der Schutzhülle befestigt ist, wobei
- – die Schutzkappe durch ein Tiefziehverfahren hergestellt wird und/oder
- – die Schutzkappe durch Wärmeeintrag mit anschließenden Verschmelzen zumindest einer Seite hergestellt wird und/oder
- – die Schutzkappe durch Verschluss der Schutzhülle mittels Bodenstopfen, insbesondere durch Verpressen und/oder Verschweißen, hergestellt wird und/oder
- – die Schutzkappe durch Verschluss einer Seite durch ein Umformverfahren, insbesondere Taumeln, und/oder einen Schweißprozess hergestellt wird und/oder
- – die Schutzkappe durch ein vergleichbares Verfahren am Schutzrohr befestigt wird.
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Ebenso betrifft die Erfindung einen Hochtemperatursensor mit
- – einem Sensorelement,
- – einer Schutzhülle, insbesondere einem Schutzrohr, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt und
- – einer Schutzkappe, die an der Schutzhülle befestigt ist, wobei die Schutzkappe insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist,
wobei - – die Schutzkappe durch ein Tiefziehverfahren hergestellt wurde und/oder
- – die Schutzkappe durch Wärmeeintrag mit anschließenden Verschmelzen einer Seite hergestellt wird und/oder
- – die Schutzkappe ein Bodenstopfen ist, der mit der Schutzhülle verpresst oder verschweißt ist und/oder
- – die Schutzkappe durch Verschluss einer Seite durch ein Umformverfahren, insbesondere Taumeln, und/oder einen Schweißprozess hergestellt wurde und/oder
- – die Schutzkappe durch ein vergleichbares Verfahren an der Schutzhülle befestigt wird.
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Hochtemperatursensoren kommen zum Beispiel zur Messung der Temperatur in Abgasrohren von Benzinmotoren oder in Öfen zum Einsatz. Sie können dazu geeignet sein, Temperaturen größer 500°C und mehr zu messen. Insbesondere beim Einsatz in Abgasrohren im Kfz-Bereich, zum Beispiel in Abgas-Reinigungssystemen sind derartige Hochtemperatursensoren sowohl thermisch als auch mechanisch (bedingt durch die Vibrationen des Motors) hohen Belastungen ausgesetzt. Das Sensorelement zur Messung der Temperatur wird deswegen typischerweise durch eine Schutzhülle, insbesondere ein Schutzrohr, zum Beispiel aus Metall, geschützt.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Hochtemperatursensoren, insbesondere auch für den Einsatz im Kfz-Bereich bekannt. Insbesondere können derartige Hochtemperatursensoren als Mantelthermoelemente ausgestaltet sein.
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Die
DE 10 2008 060 033 A1 offenbart einen Temperaturfühler mit einem Thermoelement, der eine hitzebeständige Mantelleitung aufweist, an dessen dem Messmedium zugewandten Ende ein Sensorelement angeordnet ist und bei dem durch ein Mantelrohr der Mantelleitung elektrische Anschlussleitungen für den Anschluss des Sensorelementes an eine elektronische Auswerteeinheit geführt sind. Dabei wird vorgeschlagen, dass eine Schutzhülse vorgesehen wird, die ein einteiliges Vorderteil ohne Schweißstellen aufweist. Zudem wird vorgeschlagen, dass die Schutzhülse an ihrer vorderen, dem Messmedium zugewandten Seite mit einer Rundung versehen ist.
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Aus der
WO 2010/063682 A1 ist ein Temperaturfühler mit einem Thermo-Element vorbekannt, der eine hitzebeständige Mantelleitung aufweist, an dessen dem Messmedium zugewandten Ende ein Sensorelement angeordnet ist. Durch ein Metallrohr der Mantelleitung sind elektrische Anschlussleitungen für den Anschluss des Sensorelements an eine elektronische Auswerteeinheit geführt. Der gezeigte Temperaturfühler soll bis zu Temperaturen von 1200°C einsatzfähig sein und schnelle Temperaturänderungen erfassen können. Hierfür besteht das Sensorelement aus einer Thermodrahtperle, die aus der Mantelleitung herausragt und von einer Schutzhülle aufgenommen ist, welche auf dem dem Messmedium zugewandten Ende der Mantelleitung befestigt ist. Die Schutzhülle weist ein einteiliges Vorderteil ohne Schweißstellen auf und die Mantelleitung ist ein flexibles, dünnwandiges Metallrohr mit einem geringen Außendurchmesser, an dessen dem Messmedium abgewandten Bereich Anschlussdrähte herausgeführt sind, die die gewünschte Verbindung zur Bordelektronik herstellen. Die Befestigung des Temperaturfühlers an der Messstelle erfolgt dabei mit einem speziellen Ringbund und einer Überwurfmutter.
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Aus der
EP 2 196 787 A2 ist ein Hochtemperatursensor mit einem Sensorelement vorbekannt, das in einem Schutzrohr gelagert ist. Um auch im Umfeld hoher Temperaturen, z. B. im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs zuverlässige Messungen durchzuführen, ist das Schutzrohr von einem Versteifungsrohr umgeben, wobei das Versteifungsrohr aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der des Materials, aus dem das Schutzrohr besteht. Das Versteifungsrohr ist einem ersten Bereich des Schutzrohrs mit dem Schutzrohr fest verbunden und in einem zweiten Bereich des Schutzrohrs befindet sich ein Anschlagelement, das ebenfalls fest mit dem Schutzrohr verbunden ist. Das Versteifungsrohr tritt aufgrund seiner höheren Wärmedehnung ab einer vorgegebenen Temperatur in mechanischen Kontakt mit dem Anschlagelement, wodurch der Hochtemperatursensor ab dieser Temperatur mechanisch stabilisierbar ist. Der Raum zwischen dem Sensorelement und der Schutzrohrkappe ist nach
EP 2 196 787 A2 mit einem gut wärmeleitenden Material gefüllt. Hierfür kann feines Siliziumpulver zur Anwendung kommen. Das stabilisierende, mechanische Inkontaktkommen des Schutzrohrs mit dem Anschlagelement erfordert eine Mindesttemperatur, so dass insbesondere unmittelbar in der Startphase bzw. im Nicht-Hochleistungsbetrieb die Gesamtanordnung zu Schwingungen neigt, die die Zuverlässigkeit der Messanordnung gefährden. Mit einem Befestigungssockel kann der Hochtemperatursensor dabei im Abgasstrang befestigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer Schutzkappe für einen Hochtemperatursensor sowie einen Hochtemperatursensor mit einer derartigen Schutzkappe anzugeben, derart dass das Sensorelement auch bei hoher thermischer, chemischer und/oder mechanischer Belastung geschützt wird und mit geringem Herstellungsaufwand kostengünstig gefertigt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach der Lehre des Anspruchs 1. Insbesondere ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzkappe mit der Schutzhülle verschweißt und/oder verpresst wird.
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Somit ist es möglich, die Schutzkappe besonders sicher an der Schutzhülle zu befestigen. Insbesondere kann erfindungsgemäß die Schutzkappe auf einfache Weise gasdicht an der Schutzhülle befestigt werden, so dass das Sensorelement vor chemischen Einflüssen geschützt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verpressung bzw. das Verschweißen kontinuierlich um die Schutzhülle herum erfolgt. Somit kann insbesondere eine gasdichte Abkapselung erreicht werden, so dass das Sensorelement zuverlässig vor chemischen Einflüssen geschützt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verpressung bzw. das Verschweißen punktuell um die Schutzhülle herum erfolgt. Denkbar ist ein teilweises Antaumeln des Mantelrohres eines Thermoelementes als Sensor zur Stabilisierung der üblicherweise hervorstehenden Messperle.
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Bei bestimmten Verpressungs- oder Schweißverfahren kann mit der punktuellen Verpressung oder Verschweißung eine Befestigung der Schutzkappe erreicht werden, die besonders hohen mechanischen Belastungen standhält.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verschweißen durch eine Pendelschweißnaht und/oder eine Kehlschweißnaht erfolgt.
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Experimente haben gezeigt, dass gerade mit einer Kombination dieser Schweißnähte eine besonders gasdichte und stabile Befestigung der Schutzkappe erreicht werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Herstellung der Schutzkappe im Tiefziehverfahren die Schutzhülle als Ziehstempel für das Tiefziehverfahren dient, wobei insbesondere die Schutzhülle als Schutzrohr aus einem hochfesten Material, insbesondere Keramik, Glaskeramik und/oder Polymerkeramik, gebildet ist.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1a eine Querschnittsansicht eines ersten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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1b eine zweite Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 1a;
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1c eine erste Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 1a;
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1d eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 1a;
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1e eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus 1c;
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2a eine Querschnittsansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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2b eine zweite Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 2a;
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2c eine erste Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 2a;
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2d eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 2a;
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2e eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus 2c;
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3a eine Querschnittsansicht eines dritten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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3b eine zweite Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 3a;
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3c eine erste Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 3a;
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3d eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 3a;
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3e eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus 3c;
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4a eine Querschnittsansicht eines vierten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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4b eine zweite Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 4a;
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4c eine erste Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 4a;
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4d eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 4a;
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4e eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus 4c;
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5a eine Querschnittsansicht eines fünften erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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5b eine zweite Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 5a;
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5c eine erste Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 5a;
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5d eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 5a;
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5e eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus 5c;
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6a eine seitliche Ansicht eines fünften erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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6b eine Längsansicht des Hochtemperatursensor aus 6a;
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6c eine weitere Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 6a;
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6d eine Draufsicht von der kalten Seite auf den Hochtemperatursensor aus 6a;
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6e eine Draufsicht von der heißen Seite auf den Hochtemperatursensor aus 6a;
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6f eine Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 6a;
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6g eine Detailansicht des Hochtemperatursensors aus 6c;
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7a eine seitliche Ansicht eines siebten Hochtemperatursensors;
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7b eine Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 7a;
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7c eine seitliche Detailansicht der Schutzkappe des siebten Hochtemperatursensor; und
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7d eine Detailansicht des siebten Hochtemperatursensors.
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Die 1a bis 1d zeigen einen ersten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensor 10, dessen Schutzkappe 11 durch ein Tiefziehverfahren hergestellt und anschließend mit der Schutzhülle 4 verschweißt wurde. Der Hochtemperatursensor 10 umfasst ein längliches Sensorelement 2 mit einem auf der heißen Seite des Hochtemperatursensors 10 angeordneten Messabschnitt 3. Auf der kalten Seite befinden sich zwei elektrische Anschlüsse 2a, 2b.
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Das Sensorelement 2 ist eingebettet in ein Füllmaterial 9a und zudem von einer stabilen Schutzhülle 4 umgeben. Der Messabschnitt 3 des Sensorelements 2 ragt aber auf der heißen Seite aus der Schutzhülle 4 hervor. Der Messabschnitt 3 ist in ein gut wärmeleitendes Material 9b eingebettet und wird von der Schutzkappe 11 abgedeckt. Die Schutzkappe 11 greift dabei in dem verschweißten Abschnitt 12 über die Schutzhülle 4.
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Elemente, die bei den in 2a bis 5e gezeigten Hochtemperatursensoren mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1a bis 1e gekennzeichnet sind, erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktion wie bei dem Hochtemperatursensor gemäß 1a bis 1e.
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Die 2a bis 2e zeigen Quer- bzw. Längsansichten des Hochtemperatursensors 20, dessen Schutzkappe 21 durch Wärmeeintrag mit anschließendem Verschmelzen zumindest einer Seite hergestellt wurde. Außerdem wurde die Schutzkappe 21 in dem Bereich 22 mit der Schutzhülle 4 verschweißt.
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Durch das Verschmelzen ergibt sich dabei ein besonders stabiler, gasdichter Verschluss zwischen Schutzkappe 21 und Schutzhülle 4.
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Die 3a bis 3e zeigen Quer- bzw. Längsansichten eines Hochtemperatursensors 30, dessen Schutzkappe 31 durch Verschluss der Schutzhülle mittels eines Bodenstopfens 31, insbesondere durch Verpressen und/oder Verschweißen, hergestellt wurde. Der Bodenstopfen 31 umfasst dabei einen hohlzylindrischen Abschnitt 31b, der in einem Abschnitt 32 mit der Schutzhülle 4 verpresst und anschließend verschweißt wurde. In anderen Ausführungsformen kann hierbei nur ein Verpressen oder nur ein Verschweißen erfolgen. Der Bodenstopfen 31 umfasst weiterhin eine Scheibe 31a, die sich auf der heißen Seite des Hochtemperatursensors 30 befindet. Die 4a bis 4e zeigen Quer- bzw. Längsansichten eines Hochtemperatursensors 40, dessen Schutzkappe 41 durch Taumeln und Schweißen an der Schutzhülse 4 befestigt wurde. Das Verschweißen erfolgte dabei in dem Verschweißbereich 42.
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Die 5a bis 5e zeigen Quer- bzw. Längsansichten eines Hochtemperatursensors 50, dessen Schutzkappe 51 in einem ersten Abschnitt 51a verpresst und in einem zweiten Abschnitt 52 mit der Schutzhülle 4 verschweißt wurde.
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Die 6a bis 6g zeigen einen Hochtemperatursensor 60, dessen Schutzkappe 61 in einem ersten Bereich 61a mit dem Schutzrohr 5 verschweißt ist und in einem zweiten Bereich 61b mit dem Schutzrohr 5 verpresst ist.
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6a zeigt eine Seitenansicht des Hochtemperatursensors 60. Dabei sind die elektrischen Anschlüsse 2a, 2b, das Schutzrohr 5 und die Schutzkappe 61 mit dem ersten Bereich 61a und dem zweiten Bereich 61b sichtbar. Oberhalb des zweiten Bereichs befindet sich die Spitze 61c, unter der sich der Messabschnitt 3 befindet und die weder verpresst noch verschweißt wurde.
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6b und 6c zeigen Querschnittsansichten des Hochtemperatursensors 60, dabei ist das Sensorelement 2 und das Füllmaterial 9b dargestellt.
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6d und 6e zeigen eine Draufsicht auf den Hochtemperatursensor 60 von der kalten bzw. der heißen Seite. In der Ansicht von der kalten Seite in 6d sind dabei die beiden Anschlüsse 2a, 2b, das Füllmaterial 9b, das Schutzrohr 5 und der erste Bereich 61a der Schutzkappe 61 sichtbar. In der Ansicht von der heißen Seite in 6e ist die Spitze 61c der Schutzkappe 61 sichtbar.
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6f zeigt eine Querschnittansicht des Hochtemperatursensors 60 in dem verschweißten Bereich 61a der Schutzkappe 61. Sichtbar ist das Sensorelement 2, das Füllmaterial 9b, das Schutzrohr 5 und der verschweißte Bereich 61a.
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6g zeigt eine Detailansicht der Darstellung der Schutzkappe 61 in 6c. In dieser Darstellung nicht sichtbar sind die Schweißnähte, die die Schutzkappe 61 an dem Schutzrohr 5 befestigen. Der Messabschnitt 3 ragt über das Schutzrohr 5 hinaus und ist in dem überragenden Bereich von einem gut wärmeleitenden und vibrationsdämpfenden Material 9a umgeben.
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In anderen Ausführungsformen kann auf das Verschweißen in dem Bereich 61a auch verzichtet werden. Experimente haben gezeigt, dass auch durch ein Verpressen über einen ausreichend großen axialen Bereich eine ausreichende Befestigung und Abdichtung erfolgen kann.
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7a zeigt eine Seitenansicht eines siebten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors 70, 7b einen Querschnitt durch den Hochtemperatursensor 70 aus 7a. Auf der kalten Seite ist das Schutzrohr 6 sichtbar, auf der heißen Seite eine Stützhülse 74 mit Kragen 75. Die Schutzkappe 71 ist teilweise innerhalb der Stützhülse 74 angeordnet und ragt teilweise über diese hinaus.
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7c zeigt eine detaillierte seitliche Ansicht der Schutzkappe 71 und des Schutzrohres 5. Deutlich ist dabei die umlaufende Pendelschweißnaht 76, mit der die Schutzkappe 71 mit dem Schutzrohr 5 verschweißt ist. Die Verschweißung erfolgte dabei durch die Schutzkappe 71 hindurch.
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7d zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht der heißen Seite des Hochtemperatursensors 70. Das Sensorelement 2 ist innerhalb des Schutzrohrs 5 von einem ersten pulverförmigen Material 9a umgeben und in dem Bereich, der über das Schutzrohr 5 hinausragt, von einem zweiten, gut wärmeleitfähigen und vibrationsdämpfenden pulverförmigen Material 9b. Die Schutzkappe 5 ist über die Pendelschweißnaht 76 und über eine Kehlschweißnaht 77 an dem Schutzrohr 5 befestigt. Insbesondere die Kehlschweißnaht dient dabei zur gasdichten Abdichtung des Hochtemperatursensors 70.
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Die Stützhülse 74 überdeckt die beiden Schweißnähte 76, 77 und schützt diese somit vor chemischen oder mechanischen Beeinflussungen, die zu einer Auflösung oder einem Aufbrechen der Schweißnaht führen könnten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008060033 A1 [0005]
- WO 2010/063682 A1 [0006]
- EP 2196787 A2 [0007, 0007]
