DE102019115475A1

DE102019115475A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102019115475A1
Application number: DE102019115475.8A
Authority: DE
Inventors: Shota Hagino; Masatoshi Ikeda; Makoto Ito; Zhenzhou Su; Hao Wu; Takashi Hirayama; Daisuke Kawai; Satoshi Nakamura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-01-02
Also published as: US20190391109A1

Abstract

Ein Gassensor ist mit einer Sensorvorrichtung ausgestattet, die aus einem Stapel aus einem Festelektrolytkörper, einer Sensorelektrode, einer Referenzelektrode, einem ersten Isolator, einem zweiten Isolator, einer Gaskammer, einem Referenzgaskanal, einer Heizeinrichtung und einem Wärmeübertragungselement besteht. Die Heizeinrichtung weist ein Heizelement auf, das die Sensorelektrode und die Referenzelektrode zumindest teilweise überlappt. Das Wärmeübertragungselement besteht aus einem dichten Metalloxidmaterial, das einen Durchlass eines Messgases durch dasselbe blockiert. Das Wärmeübertragungselement wird zwischen der Sensorelektrode und dem ersten Isolator gehalten, in den die Heizeinrichtung innerhalb der Gaskammer eingebettet ist, und dient dazu, eine Übertragung einer thermischen Energie, die durch die Heizeinrichtung erzeugt wird, auf den Festelektrolytkörper, die Sensorelektrode, und die Referenzelektrode zu vereinfachen. Dies hat eine verbesserte thermische Leitfähigkeit der Sensorvorrichtung zur Folge, und es wird eine rasche Aktivierung der Sensorvorrichtung erreicht.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen einen mit einer planaren Sensorvorrichtung ausgestatteten Gassensor.
Technischer Hintergrund
Gassensoren sind z. B. in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine installiert, um die Konzentration einer gegebenen Gaskomponente, wie z. B. von Sauerstoff, der in einem in der Abgasleitung strömenden Abgas enthalten ist, zu messen. Die Gassensoren beinhalten normalerweise eine in denselben installierte Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung beinhaltet typischerweise einen eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisenden Festelektrolytkörper, eine Sensorelektrode und eine Referenzelektrode. Die Sensorelektrode und die Referenzelektrode sind an einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Festelektrolytkörpers angebracht. In dem Festelektrolytkörper ist ein Isolator gestapelt, in den eine Heizeinrichtung eingebettet ist, die bei Zufuhr von elektrischer Leistung Wärme erzeugt. Die Heizeinrichtung weist ein Heizelement auf, das den Elektroden der Sensorvorrichtung gegenüberliegt und zum Erwärmen der Sensorelektrode, der Referenzelektrode und eines Abschnitts des Festelektrolytkörpers, der zwischen der Sensorelektrode und der Referenzelektrode angeordnet ist, bis zu einer gegebenen Aktivierungstemperatur dient.
Die japanische Vorveröffentlichung Nr. 2003-344350 offenbart einen Gassensor, der mit einer Sauerstoffsensorvorrichtung ausgestattet ist, die einen Festelektrolytkörper, der aus einer Keramikplatte besteht, eine Sensorelektrode und eine Referenzelektrode beinhaltet, die auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers angeordnet sind. In dem Festelektrolytkörper ist die Referenzelektrode installiert und zudem ein Lufteinlassloch ausgebildet, durch das atmosphärische Luft in den Festelektrolytkörper eingeführt wird. Das Lufteinlassloch ist mit einer porösen Keramik befüllt.
Der Gassensor ist so konzipiert, dass er ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis misst. In der Sensorvorrichtung ist eine Gaskammer ausgebildet, in der die Sensorelektrode des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, und in die ein Messgas, wie z. B. ein Abgas, eingeführt wird. Ebenso ausgebildet ist in der Sensorvorrichtung ein Referenzgaskanal, in dem die Referenzelektrode des Festelektrolytkörpers angeordnet ist und in den ein Referenzgas, wie z. B. atmosphärische Luft, eingeführt wird.
Ein gasgefüllter Raum, wie z. B. die Gaskammer oder der Referenzgaskanal, wird durch einen Hohlraum in der Sensorvorrichtung bereitgestellt. Der gasgefüllte Raum wird daher zu einem thermischen Isolator zum Minimieren einer Übertragung von thermischer Energie von dem Heizelement der Heizeinrichtung zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden. Diese Art von Gassensor muss daher so konstruiert sein, dass er die Übertragung von thermischer Energie von dem Heizelement der Heizeinrichtung zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden durch den gasgefüllten Raum vereinfacht, so dass die Aktivierung der Sensorvorrichtung beschleunigt wird.
Von der porösen Keramik, die in dem Lufteinlassloch der in der vorstehenden Veröffentlichung gelehrten Sensorvorrichtung installiert ist, wird angenommen, dass sie die Übertragung von thermischer Energie von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden verbessert, nichtsdestotrotz belegt sie aber die Gesamtheit der Lufteinlasslöcher unter der Voraussetzung, dass Luft durch die poröse Keramik gelangt. Die thermische Leitfähigkeit des Lufteinlasslochs ist daher immer noch unzureichend.
KURZFASSUNG
Es ist daher eine dieser Offenbarung zugrundliegende Aufgabe, einen Gassensor zu schaffen, der in der Lage ist, die thermische Leitfähigkeit einer Sensorvorrichtung so zu verbessern, dass eine Aktivierung der Sensorvorrichtung beschleunigt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt dieser Offenbarung wird ein Gassensor geschaffen, der folgende Merkmale aufweist: eine Sensorvorrichtung, die eine planare Form aufweist; und ein Wärmeübertragungselement. Die Sensorvorrichtung beinhaltet (a) einen Festelektrolytkörper, der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, (b), ein Paar von Elektroden, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet sind, (c) einen Isolator, der auf den Festelektrolytkörper gestapelt ist, (d), einen Gasraum, der von dem Isolator umgeben ist und neben dem Festelektrolytkörper positioniert ist, und in dem eine der Elektroden angeordnet ist, und in den ein Messgas oder ein Referenzgas eingeführt wird, und (e) eine Heizeinrichtung, die ein Heizelement und ein Paar von Leitungen beinhaltet, die mit dem Heizelement verbunden sind. Das Heizelement wird erregt, so dass es Wärme erzeugt, wenn ihm elektrische Leistung zugeführt wird, und ist so ausgeführt, dass es die Elektroden auf dem Festelektrolytkörper in einer Stapelrichtung, in der der Festelektrolytkörper und der Isolator gestapelt sind, zumindest teilweise überlappt. Die Heizeinrichtung ist in den Isolator eingebettet.
Das Wärmeübertragungselement besteht aus einem dichten Metalloxid, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert. Das Wärmeübertragungselement wird zwischen dem Isolator und einer der Elektroden oder zwischen den Isolatoren, einer der Elektroden und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts des Gasraums gehalten. Das Wärmeübertragungselement dient dazu, eine Übertragung der Wärme von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden zu erreichen.
Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Offenbarung wird ein Gassensor bereitgestellt, der folgende Merkmale aufweist: eine Sensorvorrichtung, die eine Länge aufweist und von einer planaren Form ist; und ein Wärmeübertragungselement. Die Sensorvorrichtung beinhaltet: (a) einen Festelektrolytkörper, der eine Sauerstoffleitfähigkeit aufweist, wobei der Festelektrolytkörper eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Endabschnitt aufweist, wobei der Festelektrolytkörper zudem eine erste Hauptoberfläche aufweist, die einem Messgas ausgesetzt ist, und eine zweite Hauptoberfläche, die einem Referenzgas ausgesetzt ist, (b) eine Sensorelektrode, die auf der ersten Hauptoberfläche des vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, (c) eine Referenzelektrode, die auf der zweiten Hauptoberfläche des vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, (d) einen ersten Isolator, der auf der ersten Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers gestapelt ist, (e) eine Heizeinrichtung, die ein Heizelement und ein Paar von Leitungen beinhaltet, die mit den hinteren Enden des Heizelements verbunden sind, wobei das Heizelement erregt wird, so dass es Wärme erzeugt, wenn ihm eine elektrische Leistung zugeführt wird, und so ausgeführt ist, dass es die Sensorelektrode und die Referenzelektrode in einer Stapelrichtung, in der der Festelektrolytkörper und der erste Isolator gestapelt sind, zumindest teilweise überlappt, wobei die Heizeinrichtung in den ersten Isolator eingebettet ist, (f) eine Gaskammer, die in dem ersten Isolator ausgebildet ist und benachbart zu der ersten Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, wobei die Gaskammer die darin angeordnete Sensorelektrode aufweist, (g) einen Diffusionswiderstand, der in dem ersten Isolator in Verbindung mit der Gaskammer angeordnet ist, und durch den das Messgas in die Gaskammer bei einer gegebenen Diffusionsrate eingeführt wird, (h) einen zweiten Isolator, der auf die zweite Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers gestapelt ist, und (i) einen Referenzgaskanal, der in dem zweiten Isolator ausgebildet ist und benachbart zu der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist und sich von einer am hinteren Ende befindlichen Öffnung, die in dem zweiten Isolator ausgebildet ist, zu einem Abschnitt des zweiten Isolators erstreckt, dem die Referenzelektrode ausgesetzt ist. Die am hinteren Ende befindliche Öffnung bewirkt, dass das Messgas durch dieselbe in den Referenzgaskanal eingeführt wird.
Das Wärmeübertragungselement besteht aus einem dichten Metalloxid, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert. Das Wärmeübertragungselement wird zwischen dem ersten Isolator und der Sensorelektrode oder zwischen dem ersten Isolator, der Sensorelektrode und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer gehalten, wobei das Wärmeübertragungselement dazu dient bzw. funktionsfähig ist, eine Übertragung der Wärme von dem Wärmeelement zu dem Festelektrolytkörper, der Sensorelektrode und der Referenzelektrode zu erreichen.
Gemäß einem dritten Aspekt dieser Offenbarung wird ein Gassensor bereitgestellt, der folgende Merkmale aufweist: eine Sensorvorrichtung, die eine Länge aufweist und von einer planaren Form ist, und ein Wärmeübertragungselement. Die Sensorvorrichtung beinhaltet: (a) einen ersten Festelektrolytkörper, der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, wobei der erste Festelektrolytkörper eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Endabschnitt aufweist, der mit dem ersten Endabschnitt in einer Längsrichtung der Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, wobei der erste Festelektrolytkörper zudem eine erste Pumpelektrode und eine zweite Pumpelektrode aufweist, die auf dem ersten Endabschnitt des ersten Festelektrolytkörpers angeordnet sind und einander gegenüberliegen, (b) einen zweiten Festelektrolytkörper, der so angeordnet ist, dass er dem ersten Festelektrolytkörper gegenüberliegt und eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, wobei der zweite Festelektrolytkörper eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Endabschnitt aufweist, der mit dem ersten Endabschnitt in der Längsrichtung ausgerichtet ist, wobei der zweite Festelektrolytkörper zudem eine Sensorelektrode und eine Referenzelektrode aufweist, die auf dem vorderen Endabschnitt des zweiten Festelektrolytkörpers angeordnet sind und einander gegenüberliegen, (c) einen ersten Isolator, der auf einer Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers gestapelt ist, auf dem die erste Pumpelektrode angeordnet ist, (d) einen zweiten Isolator, der zwischen einer Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers, auf dem die zweite Pumpelektrode angeordnet ist, und einer Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers angeordnet ist, auf dem die Sensorelektrode angeordnet ist, e) einen dritten Isolator, der auf einer Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers gestapelt ist, auf dem die Referenzelektrode angeordnet ist, (f) eine Heizeinrichtung, die ein Heizelement und ein Paar von Leitungen beinhaltet, die mit hinteren Enden des Heizelements verbunden sind, wobei das Heizelement erregt wird, so dass es Wärme erzeugt, wenn ihm elektrische Leistung zugeführt wird, und so ausgeführt ist, dass es die erste Pumpelektrode, die zweite Pumpelektrode, die Sensorelektrode und die Referenzelektrode in einer Stapelrichtung, in der der Festelektrolytkörper, der erste Isolator, der zweite Isolator und der dritte Isolator gestapelt sind, teilweise überlappt, wobei die Heizeinrichtung in den dritten Isolator eingebettet ist, (g) eine Gaskammer, die von dem ersten Festelektrolytkörper, dem zweiten Festelektrolytkörper und dem zweiten Isolator umgeben ist, und in der die zweite Pumpelektrode und die Sensorelektrode angeordnet sind, und (h) einen Diffusionswiderstand, der in dem zweiten Isolator in Verbindung mit der Gaskammer angeordnet ist, und durch den das Messgas in die Gaskammer bei einer gegebenen Diffusionsrate eingeführt wird.
Das Wärmeübertragungselement besteht aus einem dichten Metalloxid, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert. Das Wärmeübertragungselement wird zwischen der zweiten Pumpelektrode und der Sensorelektrode oder zwischen der zweiten Pumpelektrode, dem ersten Festelektrolytkörper, der Sensorelektrode und dem zweiten Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer gehalten. Das Wärmeübertragungselement dient dazu, eine Übertragung der Wärme von dem Heizelement auf den ersten Festelektrolytkörper, die erste Pumpelektrode und die zweite Pumpelektrode zu erreichen.
Der Gassensor bieten in jedem dieser Aspekte die nachstehenden nutzbringenden Vorteile.
GASSENSOR IN EINEM ERSTEN ASPEKT
Der Gassensor weist in dem ersten Aspekt weist die Heizeinrichtung auf, die in den Isolator eingebettet ist, in dem der Gasraum definiert ist. Das Wärmeübertragungselement wird zwischen dem Isolator, in den die Heizeinrichtung eingebettet ist, und einer von den Elektroden oder zwischen dem Isolator, einer von den Elektroden, und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts des Gasraums gehalten. Das Wärmeübertragungselement besteht aus einem dichten Metalloxid, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert. Das Wärmeübertragungselement dient dazu, eine Übertragung der Wärme von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden zu vereinfachen.
Wenn der Festelektrolytkörper und die Elektroden durch die durch das Heizelement erzeugte Wärme erwärmt werden, wird die Wärme durch den Isolator auf den Festelektrolytkörper und die Elektroden übertragen, und durch das Wärmeübertragungselement ebenso auf den Festelektrolytkörper und die Elektroden übertragen. Anders ausgedrückt breitet sich die Wärme durch zwei thermische Wege aus: einen ersten, der sich von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden unter Umgehung des Gasraums erstreckt, und einen zweiten, der sich von dem Heizelement durch das Wärmeübertragungselement direkt zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden erstreckt.
Die Verwendung des Wärmeübertragungselements dient daher zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden, in anderen Worten, der Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung. Dies führt zudem zu einer Verkürzung der Zeitspanne, die das Heizelement benötigt, um die Sensorvorrichtung auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der die Sensorvorrichtung aktiviert wird, um einen erforderlichen Grad der Leitfähigkeit von Sauerstoffionen darin bei der Verwendung des Gassensors zu erreichen.
Die Struktur des Gassensors verbessert daher die Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung, so dass eine rasche Aktivierung der Sensorvorrichtung erreicht wird.
In einem Fall, in dem das Wärmeübertragungselement zwischen dem Isolator, in dem die Heizeinrichtung eingebettet ist, den Elektroden und dem Festelektrolytkörper gehalten wird, weist das Wärmeübertragungselement eine verringerte, die Elektroden bedeckende Fläche auf, wodurch ein Anstieg des elektrischen Widerstands reduziert wird, wenn die Sensorvorrichtung das Messgas misst.
Das Wärmeübertragungselement kann einen Abschnitt aufweisen, der an den Festelektrolytkörper gefügt ist, so dass die Fügefestigkeit des Wärmeübertragungselements mit der Sensorvorrichtung verbessert wird. Dadurch wird auch die Wärmeleitfähigkeit der Sensorvorrichtung verbessert. Diese nutzbringenden Vorteile gelten auch für die Gassensoren in den anderen Aspekten.
GASSENSOR IN EINEM ZWEITEN ASPEKT
Der Gassensor weist die Gaskammer und den Referenzgaskanal auf. Die Heizeinrichtung ist in dem ersten Isolator angeordnet, der die Gaskammer definiert. Das Wärmeübertragungselement ist innerhalb der Gaskammer angeordnet. Anders ausgedrückt, ist das Heizelement der Heizeinrichtung nahe dem Festelektrolytkörper und der Elektroden angeordnet. Das Wärmeübertragungselement, das innerhalb der Gaskammer angeordnet ist, dient dazu, die Wärme, die durch das Heizelement erzeugt wird, an den Festelektrolytkörper und die Elektroden durch dasselbe zu übertragen. Dadurch wird die Übertragung der Wärme von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden erleichtert.
Wenn das Wärmeübertragungselement durch den ersten Isolator, die Sensorelektrode und den Festelektrolytkörper festgehalten wird, verringert es, wie der Gassensor in dem ersten Aspekt, den elektrischen Widerstand und erhöht die Fügefestigkeit.
GASSENSOR IN EINEM DRITTEN ASPEKT
Der Gassensor ist mit der Mehrzahl von Festelektrolytkörpern und der Gaskammer ausgestattet. Das Wärmeübertragungselement ist in der Gaskammer zwischen den Festelektrolytkörpern angeordnet. Dies vereinfacht die Übertragung der thermischen Energie von der Heizeinrichtung zu dem ersten Festelektrolytkörper, der einer von den Festelektrolytkörpern ist und von dem dritten Isolator, in den die Heizeinrichtung eingebettet ist, der ersten Pumpelektrode und der zweiten Pumpelektrode weiter entfernt angeordnet ist.
Das Wärmeübertragungselement kann zwischen der zweiten Elektrode, dem ersten Festelektrolytkörper, der Sensorelektrode und dem zweiten Festelektrolytkörper gehalten werden. Wie der Gassensor in dem ersten Aspekt, reduziert dies den elektrischen Widerstand und erhöht die Fügefestigkeit.
In dieser Offenbarung stellen die in Klammern gesetzten Symbole eine Entsprechungsbeziehung zwischen Begriffen in den Ansprüchen und Begriffen, die in den Ausführungsformen beschrieben sind, die später erörtert werden, dar, sind jedoch nicht ausschließlich auf Teile beschränkt, auf die in dieser Offenbarung Bezug genommen wird.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, welche aber nicht als Einschränkung der Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen aufzufassen sind, sondern ausschließlich dem Zweck der Erläuterung und des Verständnisses dienen. Es zeigen:

1 eine Längsschnittansicht, die einen Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
2 ist eine explodierte perspektivische Ansicht, die eine Sensorvorrichtung darstellt, die in dem Gassensor in 1 installiert ist;
3 ist eine Längsschnittansicht der Sensorvorrichtung in der ersten Ausführungsform;
4 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie IV-IV in 3 erstellt wurde;
5 ist eine Teilschnittansicht, die eine Sensorelektrode, ein Heizelement und ein Wärmeübertragungselement, die in dem Gassensor von 1 installiert sind, zeigt;
6 ist eine Teilschnittansicht, die eine Modifizierung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements, die in dem Gassensor von 1 installiert sind, zeigt;
7 ist eine Teilschnittansicht, die einen weitere Modifikation einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements, die in dem Gassensor von 1 installiert sind, zeigt;
8 ist eine Längsschnittansicht, die eine Sensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
9 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie IX-IX in 8 erstellt worden ist, die einen Gassensor gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
10 ist eine Teilschnittansicht, die ein Heizelement, das in einer Längsrichtung eines Gassensors gewunden ist, und eine Positionsbeziehung zwischen einer Sensorelektrode, dem Heizelement und einem Wärmeübertragungselement gemäß der dritten Ausführungsform darstellt;
11 ist eine Teilschnittansicht, die eine Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Wärmeelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 10 aufweist;
12 ist eine Teilschnittansicht, die die zweite Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 10 aufweist;
13 ist eine Teilschnittansicht, die die dritte Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Auslegung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 10 aufweist;
14 ist eine Teilschnittansicht, die die vierte Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 10 aufweist;
15 ist eine Teilschnittansicht, die ein Heizelement, das in einer Breitenrichtung eines Gassensors gemäß der dritten Ausführungsform gewunden ist, und eine Positionsbeziehung zwischen einer Sensorelektrode, dem Heizelement und einem Wärmeübertragungselement gemäß der dritten Ausführungsform darstellt;
16 ist eine Teilschnittansicht, die eine Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 15 aufweist,
17 ist eine Teilschnittansicht, die die zweite Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 15 aufweist;
18 eine Teilschnittansicht, die die dritte Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 15 aufweist;
19 eine Teilschnittansicht, die die vierte Modifikation einer Sensorvorrichtung darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements, das nicht gewunden ist, und eines Wärmeübertragungselements zu der in 15 aufweist;
20 eine Teilschnittansicht, die die fünfte Modifikation einer Sensorvorrichtung in 19 darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 19 aufweist;
21 eine Teilschnittansicht, die die sechste Modifikation der Sensorvorrichtung in 19 darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 19 aufweist;
22 eine Teilschnittansicht, die die siebente Modifikation einer Sensorvorrichtung in 19 darstellt, die eine unterschiedliche Anordnung einer Sensorelektrode, eines Heizelements und eines Wärmeübertragungselements zu der in 19 aufweist;
23 eine Teilschnittansicht, die eine Sensorvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform darstellt;
24 eine Schnittansicht, die entlang der Linie XXIV-XXIV in 23 erstellt wurde;
25 eine Querschnittansicht, die entlang der Linie IV-IV in 3 erstellt wurde, die eine Sensorvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform darstellt;
26 ist eine Teilschnittansicht, die eine örtliche Beziehung zwischen einer Sensorelektrode und einem Wärmeübertragungselement gemäß der fünften Ausführungsform darstellt;
27 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Überlappungswert und einem elektrischen Widerstandswert gemäß der fünften Ausführungsform darstellt;
28 eine Querschnittansicht, die entlang der Linie IV-IV in 3 erstellt wurde, die eine Sensorvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt;
29 eine Teilschnittansicht, die eine Anordnung einer Sensorelektrode und eines Wärmeübertragungselements, die in einer Sensorvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform installiert sind, darstellt;
30 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Abstand von einem vorderen Ende einer Sensorelektrode in Richtung auf eine untere Endseite einer Sensorvorrichtung und einer akkumulierten Menge eines elektrischen Stroms in der siebten Ausführungsform darstellt;
31 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Abstand von einem vorderen Ende einer Sensorelektrode in Richtung auf eine untere Endseite einer Sensorvorrichtung und einer Ansprechzeit gemäß der siebten Ausführungsform darstellt; und
32 eine Teilschnittansicht, die eine Sensorvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform darstellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ausführungsformen eines Gassensors werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Der Gassensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist, wie in 1 und 3 eindeutig dargestellt, mit der Sensorvorrichtung 2 ausgestattet, die eine gegebene Länge sowie eine rechtwinkelig planare oder plattenförmige Form aufweist. Die Sensorvorrichtung 2 dient zum Messen von Gas. Die Sensorvorrichtung 2 beinhaltet den Festelektrolytkörper 31, ein Paar von Elektroden: die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312, den ersten Isolator 33A, den zweiten Isolator 33B, die Gaskammer 35, den Referenzgaskanal 36, die Heizeinrichtung 34 und das Wärmeübertragungselement 38. Die Gaskammer 35 und der Referenzgaskanal 36 sind jeweils als ein gasgefüllter Raum konzipiert.
Der Festelektrolytkörper 31, der in 2 bis 4 gezeigt ist, weist eine Sauerstoffionen- (O^2--) Leitfähigkeit auf. Der Festelektrolytkörper 31 weist mit der ersten Hauptoberfläche 301 und der zweiten Hauptoberfläche 302, die der ersten Hauptoberfläche 301 gegenüberliegt, eine gegebene Länge durch eine Dicke derselben auf. Die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312 sind an der ersten Hauptoberfläche 301 und der zweiten Hauptoberfläche 302 des Festelektrolytkörpers 31 befestigt, so dass sie einander durch die Dicke des Festelektrolytkörpers 31 gegenüberliegen. Der erste Isolator 33A ist über der ersten Hauptoberfläche 301 des Festelektrolytkörpers 31 gestapelt, während der zweite Isolator 33B über der zweiten Hauptoberfläche 302 des Festelektrolytkörpers 31 gestapelt ist.
Die Gaskammer 35 ist nahe der ersten Hauptoberfläche 301 des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet und in dem ersten Isolator 33A ausgebildet. Die Gaskammer 35 weist die darin angeordnete Sensorelektrode 311 auf und ist durch einen Raum definiert, in den das Gas G, das gemessen werden soll (das als Messgas G bezeichnet wird), eingeführt wird. Der Referenzgaskanal 36 ist nahe der zweiten Hauptoberfläche 302 des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet und in dem zweiten Isolator 33B ausgebildet. In dem Referenzgaskanal 36 ist die Referenzelektrode 312 angeordnet und er ist durch einen Raum definiert, in den das Referenzgas A eingeführt wird.
Die Heizeinrichtung 34 ist, wie in 2 bis 5 deutlich gezeigt ist, in den ersten Isolator 33A eingebettet, der die Gaskammer 35 darin definiert. Die Heizeinrichtung 34 beinhaltet das Heizelement 341 und ein Paar von Heizeinrichtungsleitungen 342. Dem Heizelement 341 wird zum Erzeugen von Wärme eine elektrische Leistung zugeführt. Die Heizeinrichtungsleitungen 342 sind mit dem Heizelement 341 verbunden. Das Heizelement 341 ist so angeordnet, dass es die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312 in der Stapelrichtung D, die eine Richtung ist, in der der Festelektrolytkörper 31 und die Isolatoren 33A und 33B gestapelt sind (d. h. eine Dickenrichtung eines Stapels des Festelektrolytkörpers 31 und der Isolatoren 33A und 33B), zumindest teilweise überlappt.
Das Wärmeübertragungselement 38 besteht aus einem dichten Metalloxid, das ein Durchdringen desselben mit dem Messgas G verhindert. Das Wärmeübertragungselement 38 ist innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer 35 angeordnet und wird zwischen der Sensorelektrode 311 und dem ersten Isolator 33A gehalten, in den die Heizeinrichtung 34 eingebettet ist. Das Wärmeübertragungselement 38 dient dazu, eine Übertragung von thermischer Wärme von dem Heizelement 341 auf den Festelektrolytkörper 31, die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312 zu vereinfachen.
Der Gassensor 1 wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
BRENNKRAFTMASCHINE
Im Betrieb ist der Gassensor 1 in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, die in einem Fahrzeug, wie z. B. einem Automobil, montiert ist, zum Messen der Konzentration von Sauerstoff, der in einem in der Abgasleitung strömenden Abgas (d. h. dem Messgas G) enthalten ist, installiert. Der Gassensor 1 kann als ein Kraftstoff-Luft-Sensor verwendet werden, der die Konzentration von Sauerstoff oder einer unverbrannten Gaskomponente, die in dem Abgas enthalten ist, misst, um ein Kraftstoff-Luftverhältnis eines Gemischs zu berechnen, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Der Gassensor 1 kann alternativ für verschiedene andere Anwendungen als den Kraftstoff-Luftverhältnis-Sensor zur Verfügung stehen.
Die Abgasleitung weist normalerweise einen Katalysator auf, z. B. einen katalytischen Umwandler, der zum Reduzieren schädlicher Emissionen in dem Abgas dient. Der Gassensor 1 kann stromauf oder stromabwärts des Katalysators in einer Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung angeordnet sein. Der Gassensor 1 kann alternativ in einer Einlassleitung eines Turboladers installiert sein, der dazu dient, die Dichte der in die Brennkraftmaschine eingesogenen Luft unter Verwendung des Abgases zu erhöhen. Der Gassensor 1 kann zudem in einer Leitung eines Abgasrückführungs- (AGR-) Systems angeordnet sein, durch das ein Teil des Abgases, das von der Brennkraftmaschine in das Abgas emittiert wird, zurück zu einer Saugleitung der Brennkraftmaschine zirkuliert wird.
Der Kraftstoff-Luftverhältnis-Sensor, der in dieser Ausführungsform verwendet werden kann, ist technisch so gestaltet, dass er das Kraftstoff-Luftverhältnis kontinuierlich in quantitativer Form in einem Bereich eines fetten Zustands, wo ein Verhältnis einer Kraftstoffmenge zu einer Luftmenge größer ist als ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-verhältnis, und eines mageren Zustands, wo ein Verhältnis einer Kraftstoffmenge zu einer Luftmenge kleiner ist als das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis, messen kann. Wenn der Gassensor 1 als der Kraftstoff-Luftverhältnis-Sensor verwendet wird, wird ein gegebener Spannungspegel zwischen der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 angelegt, so das eine Begrenzungsstromkennlinie aufgezeigt wird, wo ein elektrischer Strom in Abhängigkeit von einer Menge von Sauerstoffionen erzeugt wird, die sich von der Sensorelektrode 311 zu der Referenzelektrode 312 bewegen, nachdem das Messgas G der Gaskammer 35 durch den Diffusionswiderstand (d. h. einen Diffusions-Controller) 32 zugeführt worden ist, so dass eine Diffusionsrate des Messgases G durch den Diffusionswiderstand 32 reduziert wird.
Wie in 3 und 4 darstellt, wird insbesondere, wenn der Gassensor 1 als der Kraftstoff-Luftverhältnis-Sensor verwendet wird, und ein Kraftstoff-Luftverhältnis auf einer Kraftstoff-Magerseite gemessen wird, ein elektrischer Strom, der erzeugt wird, wenn Sauerstoffmoleküle, die in dem Messgas G enthalten sind, in Sauerstoffionen umgewandelt und dann von der Sensorelektrode 311 zur Referenzelektrode 312 durch den Festelektrolytkörper 31 bewegt werden, gemessen. Wenn alternativ ein Kraftstoff-Luftverhältnis auf einer Kraftstoff-Fettseite gemessen wird, wird ein elektrischer Strom gemessen, der erzeugt wird, wenn Sauerstoffionen von der Referenzelektrode 312 zu der Sensorelektrode 311 durch den Festelektrolytkörper 31 bewegt werden und dann mit einer unverbrannten Gaskomponente, wie z. B. Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff, die in dem Messgas G enthalten sind, reagieren.
SENSORVORRICHTUNG
Die Sensorvorrichtung 2 besteht, wie in 3 und 4 deutlich dargestellt ist, aus einem Stapel des Festelektrolytkörpers 31, den Isolatoren 33A und 33B, und der Heizeinrichtung 34, die auf dem Festelektrolytkörper 31 liegen. Der Festelektrolytkörper 31 besteht aus Zirkonoxid, wie z. B stabilisiertem Zirkon oder teilweise stabilisiertem Zirkon, das in der Hauptsache 50 Massen-% oder mehr Zirkon enthält und durch Ersetzen eines Teils des Zirkons durch Seltenerdmetallelemente oder Alkalierdelemente gebildet wird. Der Teil des Zirkons, der den Festelektrolytkörper 31 ausbildet, kann durch Yttrium, Scandiumoxid oder Calciumoxid ersetzt werden.
Die Sensorvorrichtung 2 weist eine gegebene Länge mit dem vorderen Ende L1 und dem hinteren Ende L2 auf, die einander gegenüber liegen, also in anderen Worten in der Längsrichtung L miteinander fluchten. In der nachstehenden Erörterung werden ein vorderes Ende oder ein vorderer Endabschnitt eines jeden Teils des Gassensors 1, der auf einer stromaufwärtigen Seite des Teils in einer Strömung des Messgases G angeordnet ist, in anderen Worten am nächsten zu dem vorderen Ende L1 des Gassensors 2 ist, ebenfalls als ein vorderes Ende oder ein vorderer Endabschnitt L1 des Teils bezeichnet, während ein hinteres Ende oder ein hinterer Endabschnitt, der dem hinteren Ende L2 des Gassensors 2 am nächsten ist, ebenfalls als ein hinteres Ende, ein hinterer Endabschnitt, ein unteres End oder unterer Endabschnitt L2 des Teils bezeichnet wird. Die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312 sind in dem vorderen Endabschnitt L1 der Sensorvorrichtung 2 angeordnet. Die Sensorelektrode 311 ist auf der ersten Hauptoberfläche 301 des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet, der dem Messgas G ausgesetzt ist. Die Referenzelektrode 312 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 302 des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet, der dem Referenzgas A ausgesetzt ist.
Die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312 enthalten jeweils Platin, das ein Edelmetall ist, das eine katalytische Aktivität unter Sauerstoff aufweist, und Zirkonoxid, das auch in dem Festelektrolytkörper 31 verwendet wird. Das ebenfalls verwendete Zirkonoxid wird verwendet, um einen gewünschten Grad der mechanischen Festigkeit einer Verbindung der Sensorelektrode 311, der Referenzelektrode 312 und des Festelektrolytkörpers 31 sicherzustellen, wenn eine Paste aus einem Elektrodenmaterial auf den Festelektrolytkörper 31 aufgetragen oder gedruckt und dann miteinander verbacken wird.
Die Gaskammer 35 ist von dem ersten Isolator 33A und dem Festelektrolytkörper 31 umgeben und benachbart zu der ersten Hauptoberfläche 301 des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet. Die Gaskammer 35 belegt eine Fläche des ersten Isolators 33A, wo die Sensorelektrode 311 angeordnet ist. Der Referenzgaskanal 36 ist durch den zweiten Isolator 33B und den Festelektrolytkörper 31 umgeben und ist benachbart zu der zweiten Hauptoberfläche 302 des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet. Der Referenzgaskanal 36 ist in einem Abschnitt des zweiten Isolators 33B ausgebildet, in dem die Referenzelektrode 312 angeordnet ist und der sich in Richtung auf das hintere Ende (d. h. dem rechten Ende, wie in 3 zu sehen ist) der Sensorvorrichtung 2 erstreckt. Die Sensorvorrichtung 2 weist die hintere Endöffnung 360 auf, die in dem hinteren Ende L2 derselben ausgebildet ist (d. h. dem hinteren Ende des zweiten Isolators 33B), und durch welche das Referenzgas A zugeführt wird. Die hintere Endöffnung 360 kommuniziert mit dem Referenzgaskanal 36. Auf dem ersten Isolator 33A ist der Diffusionswiderstand 32 angeordnet, der mit der Gaskammer 35 kommuniziert, und durch den das Messgas G gelangt und dann in die Gaskammer 35 bei einer gegebenen Diffusionsrate eintritt.
Die Sensorvorrichtung 2 weist, wie in 1 und 3 zu sehen ist, eine länglich planare Form auf. Die Sensorelektrode 311, die Referenzelektrode 312, die Gaskammer 35, der Diffusionswiderstand 32 und das Heizelement 341 der Heizeinrichtung 34 sind in dem vorderen Ende L1 der Länge der Sensorvorrichtung 2 angeordnet. Die Sensorvorrichtung 2 weist zudem den Erfassungsabschnitt 21 auf, der in dem vorderen Ende L1 angeordnet ist und die Sensorelektrode 311, die Referenzelektrode 312 und einen Abschnitt des Festelektrolytkörpers 31 beinhaltet, der zwischen den Elektroden 311 und 312 gehalten wird.
Die Längsrichtung L der Sensorvorrichtung 2 ist, wie sie hierein bezeichnet wird, eine Richtung, in der sich die eine längliche Form aufweisende Sensorvorrichtung 2 erstreckt. Die Stapelrichtung D, wie sie hierin bezeichnet wird, ist eine Richtung, die sich senkrecht zur Längsrichtung L erstreckt und in der der Festelektrolytkörper 31 und die Isolatoren 33A und 33B gestapelt sind, in anderen Worten eine Dickenrichtung eines Stapels des Festelektrolytkörpers 31, der Isolatoren 33A und 33B, und der Heizeinrichtung 34. Eine Richtung senkrecht zu sowohl der Längsrichtung L als auch der Stapelrichtung D wird nachstehend als eine Breitenrichtung W bezeichnet. Ein Abschnitt der Sensorvorrichtung 2, in der der Erfassungsabschnitt 21 angeordnet ist, wird als die vordere Endseite L1 bezeichnet, während ein Abschnitt der Sensorvorrichtung 2, der der vorderen Endseite L1 in der Längsrichtung L gegenüberliegt, als die hintere Endseite L2 bezeichnet wird.
Die Elektrodenleitungen 313 und 314 sind, wie in 2 dargestellt, mit der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 jeweils zum elektrischen Verbinden der Elektroden 311 und 312 mit einer externen Vorrichtung verbunden, die außerhalb des Gassensors 1 angeordnet sind. Die Elektrodenleitungen 313 und 314 erstrecken sich zu der hinteren Endseite L2 in der Längsrichtung L. Der Einfachheit halber ist in 2 und 3 die Abmessung der Sensorvorrichtung 2 in der Längsrichtung L kürzer als tatsächlich dargestellt.
Die Heizeinrichtung 34 ist, wie in 2 und 5 dargestellt, mit dem Heizelement 341, dem elektrische Leistung zugeführt wird, um Wärme zu erzeugen, und mit den beiden Heizeinrichtungsleitungen 342 ausgerüstet, die mit den hinteren Enden des Heizelements 341 verbunden sind. Das Heizelement 341 besteht aus einem S-förmigen leitfähigen Draht mit längeren geraden Bereichen, kürzeren geraden Bereichen und Biegungen zwischen den längeren und kürzeren geraden Bereichen. Die längeren geraden Bereiche des Heizelements 341 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander in der Längsrichtung L. Jede von den Heizeinrichtungsleitungen 342 besteht aus einem geraden Leiter. Das Heizelement 341 weist einen Widerstandswert pro Längeneinheit auf, der größer ist als jene der Heizeinrichtungsleitungen 342. Jede der Heizeinrichtungsleitungen 342 weist eine Länge auf, die sich in der Längsrichtung L so erstreckt, dass sie ein hinteres Ende aufweist, das mit dem hinteren Ende (d. h. dem rechten Ende, wie in 2 zu sehen ist) der Sensorvorrichtung 2 zusammenfällt. Die Heizeinrichtung 34 enthält ein leitfähiges metallisches Material.
Das Heizelement 341 erstreckt sich an der vorderen Endseite L1 der Heizeinrichtung 34 gewunden verlaufend in der Längsrichtung L. Das Heizelement 341 kann alternativ so geformt sein, dass es in der Breitenrichtung W gewunden verläuft. Das Heizelement 341 ist so angeordnet, dass es der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 in der Stapelrichtung D senkrecht zur Längsrichtung L gegenüberliegt oder diese überlappt. Bei Zuführung von elektrischer Leistung durch die Heizeinrichtungsleitungen 342 erzeugt das Heizelement 341 Wärme, so dass die Temperatur de Sensorelektrode 311, der Referenzelektrode 312 und eines Abschnitts des Festelektrolytkörpers 31, der zwischen den Elektroden 311 und312 angeordnet ist, bis zu einem Sollwert (d. h. einer Aktivierungstemperatur) erhöht wird, bei der die Sensorvorrichtung 2 ordnungsgemäß arbeitet.
Das Heizelement 341 weist eine Schnittfläche auf, die kleiner ist als jene der Heizeinrichtungsleitungen 342. Das Heizelement 341 weist einen Widerstandwert pro Längeneinheit auf, der die höher ist als jene der Heizeinrichtungsleitungen 342. Die Schnittfläche des Heizelements 342, auf das hierin Bezug genommen wird, ist eine Querschnittsfläche desselben, die sich im rechten Winkel zu der Länge der Heizeinrichtungsleitungen 342 erstreckt. Desgleichen ist die Schnittfläche von jeder der Heizeinrichtungsleitungen 342 eine Querschnittsfläche, die sich im rechten Winkel zu der Länge der Heizeinrichtungsleitungen 342 erstreckt. Wird an die Heizeinrichtungsleitungen 342 Spannung angelegt, bewirkt dies, dass das Heizelement 341 Wärme in Form von Joulscher Wärme erzeugt, die die Temperatur eines Bereichs um den Erfassungsabschnitt 21 erhöht
In dem ersten Isolator 33A ist die Gaskammer 35 ausgebildet und ist zudem die Heizeinrichtung 34 eingebettet. In dem zweiten Isolator 33B ist der Referenzgaskanal 36 ausgebildet. Der erste Isolator 33A und der zweite Isolator 33B sind aus einem Metalloxid, wie z. B. Tonerde (d. h. Aluminiumoxid) gefertigt. Die Isolatoren 33A und 33B sind jeweils als ein dichter Körper ausgebildet, der eine Übertragung des Messgases G oder des Referenzgases A durch dieselben blockiert. In anderen Worten, weisen die Isolatoren 33A und 33B kaum Gaseinschlüsse auf, durch die ein Gas gelangen würde.
Der erste Isolator 33A, wie in 2 und 3 dargestellt, beinhaltet das Isolierabstandstück 331 und die Wickelplatten 334A und 334. In dem Isolierabstandstück 331 ist das Loch 332 ausgebildet, das sich durch eine Dicke desselben in der Stapelrichtung D erstreckt, um die Gaskammer 35 zu definieren. Die Wickelplatten 334A und 334B sind auf dem Isolierabstandsstück 331 gestapelt und weisen die ihn sie eingebettete Heizeinrichtung 34 auf. Insbesondere ist die Heizeinrichtung 34 zwischen den Wickelplatten 334A und 334B angeordnet.
Die Gaskammer 35 wird durch einen leerstehenden Raum ausgebildet, der durch den ersten Isolator 33A, den Diffusionswiderstand 32 und den Festelektrolytkörper 31 verschlossen ist. Das Messgas G, bei dem es sich um ein Abgas handelt, das durch die Abgasleitung strömt, gelangt durch den Diffusionswiderstand 32 und tritt dann in die Gaskammer 35 ein.
Der Diffusionswiderstand 32 ist benachbart zu dem vorderen Ende L1 der Gaskammer 35 in der Längsrichtung L angeordnet. Insbesondere ist der Diffusionswiderstand 32 in der Einlassöffnung 333 installiert, die in dem vorderen Ende des Isolierabstandstücks 331 des ersten Isolators 33A ausgebildet ist und zur Gaskammer 35 hin freiliegt. Der Diffusionswiderstand 32 besteht aus einem porösen Metalloxid, wie z. B. Tonerde. Die Diffusionsgeschwindigkeit (d. h. Strömungsrate) des Messgases G, das in die Gaskammer 35 strömt, hängt von einer Verringerung der Geschwindigkeit des Messgases G ab, die aus einem Hindurchströmen des Messgases G durch die Gashohlräume des Diffusionswiderstands 32 resultiert.
Der Diffusionswiderstand 32 kann benachbart zu den Seiten der Gaskammer 35, die einander in der Breitenrichtung W gegenüberliegen, angeordnet sein. Das Isolierabstandstück 331 des ersten Isolators 33A ist z. B. so konzipiert, dass des zwei Einlassöffnungen 333 aufweist, die in in der Breitenrichtung W einander gegenüberliegenden Seiten derselben ausgebildet sind. Zwei Diffusionswiderstände 32 sind in jeder der Einlassöffnungen 33 angeordnet. Der Diffusionswiderstand 32 kann alternativ durch ein Nadelloch gebildet sein, das mit der Gaskammer 35 verbunden ist.
Der zweite Isolator 33B beinhaltet, wie in 2 und 3 dargestellt, das Isolierabstandstück 335 und die Isolierplatte 337. In dem Isolierabstandstück 335 ist der Ausschnitt (d. h. eine Nut) 336 ausgebildet, der den Referenzgaskanal 36 definiert. Die Isolierplatte 337 ist auf das Isolierabstandstück 335 gestapelt.
Das Durchgangsloch 332 und der Ausschnitt 336 können durch Formen, Schneiden oder Auftragen einer Paste auf ausgewählte Bereiche des Isolierabstandstücks 331 des ersten Isolators 33A und des Isolierabstandstücks 335 des zweiten Isolators 33B in bekannter Art und Weise ausgebildet werden.
Der Referenzgaskanal 36 ist als ein Kanal ausgebildet, in den das Referenzgas A eingeführt wird, und weist eine Öffnung auf, die in dem hinteren Ende L2 des Isolierabstandstücks 335 ausgebildet ist. Der Referenzgaskanal 36 erstreckt sich in der Längsrichtung L von dem hinteren Ende der Sensorvorrichtung 2 zu einem Abschnitt des Isolierabstandstücks 335, der der Gaskammer 35 durch den Festelektrolytkörper 31 gegenüberliegt. Die Referenzelektrode 312 ist in dem vorderen Ende L1 des Referenzgaskanals 36 angeordnet. Das Referenzgas A (d. h. eine atmosphärische Luft) wird in den Referenzgaskanal 36 von der hinteren Endöffnung 360 eingeführt, die an dem hinteren Ende der Sensorvorrichtung 2 angeordnet ist.
Der Referenzgaskanal 36 ist so geformt, dass er eine Querschnittsfläche aufweist, die sich senkrecht zur Längsrichtung L ausdehnt, und die größer ist als die der Gaskammer 35, die sich senkrecht zur Längsrichtung L erstreckt. Die Abmessung (d. h. die Breite) des Referenzgaskanals 36 in der Stapelrichtung D ist größer als die der Gaskammer 35 in der Stapelrichtung D. Der Referenzgaskanal 36 ist in Bezug auf seine Querschnittsfläche, Breite und sein Volumen größer als die Gaskammer 35, wodurch sichergestellt wird, dass eine ausreichende Sauerstoffmenge in dem Referenzgas A von dem Referenzgaskanal 36 der Sensorelektrode 311 für eine Reaktion mit unverbranntem Gas auf der Sensorelektrode 311 zugeführt wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1, bedeckt die poröse Schicht 37 einen gesamten Umfang des vorderen Endes L1 von einer Länge der Sensorvorrichtung 2. Die poröse Schicht 37 dient dazu, toxische Substanzen, denen die Sensorelektrode 311 ausgesetzt ist, oder ein in dem Abgas erzeugtes Kondenswasser aufzufangen. Die poröse Schicht 37 besteht aus einem porösen Metalloxid, wie z. B. Tonerde. Die Porosität der porösen Schicht 37 ist größer als die des Diffusionswiderstands 32, so dass die Strömungsrate des Messgases G, das durch die poröse Schicht 37 gelangt, größer ist als die des Messgases G, das durch den Diffusionswiderstand 32 gelangt.
WÄRMEÜBERTRAGUNGSELEMENT
Das Wärmeübertragungselement 38 ist, wie in 3 und 4 deutlich dargestellt ist, zwischen der Sensorelektrode 311 und dem ersten Isolator 33A in Kontakt mit einem Abschnitt der Sensorelektrode 311 angeordnet.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist so geformt, dass es eine Querschnittsfläche aufweist, die sich in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung D der Sensorvorrichtung 2 erstreckt, und die kleiner ist als die der Sensorelektrode 311. Das Wärmeübertragungselement 38 weist eine zylindrische Form auf und ist auf oder nahe dem Mittelpunkt der Hauptoberfläche der Sensorelektrode 311 (d. h. dem Mittelpunkt eines Querschnitts der Sensorelektrode 311, die sich senkrecht zur Stapelrichtung D erstreckt) zwischen der Hauptoberfläche der Sensorelektrode 311 und einer inneren Oberfläche des ersten Isolators 33A angeordnet. Das Wärmeübertragungselement 38 ist so geformt, das es einen runden Querschnitt aufweist, kann jedoch alternativ in einer anderen Form ausgeführt sein.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann z. B., wie in 6 dargestellt, in einer im Querschnitt rechteckigen Form ausgebildet und auf oder nahe dem Mittelpunkt der Sensorelektrode 311 angeordnet sein. Das Wärmeübertragungselement 38 kann zudem, wie in 7 dargestellt, so geformt sein, dass es einen Querschnitt aufweist, der sich über die Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L erstreckt, sodass Enden desselben außerhalb der Sensorelektrode 311 angeordnet sind, in anderen Worten also der ersten Hauptoberfläche 301 des Festelektrolytkörpers 31 gegenüberliegen. Das Wärmeübertragungselement 38 kann alternativ so geformt sein, dass es sich in der Längsrichtung L kontinuierlich von einem Ende zum anderen Ende der Sensorelektrode 311 erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38, das rechtwinkelig geformt ist, kann eine langgestreckte Form aufweisen, so dass es eine Länge aufweist, die sich in der Längsrichtung L oder der Breitenrichtung W erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38 kann so geformt sein, dass es zwei Bereiche aufweist: einen, der sich in der Längsrichtung L erstreckt, und einen anderen, der sich in der Breitenrichtung B erstreckt. Die Sensorvorrichtung 2 kann mit einer Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen 38, die an unterschiedlichen Positionen zwischen der Sensorelektrode 311 und dem ersten Isolator 33A angeordnet sind, ausgestattet sein.
Der Grad der Wärmeübertragung, der durch das Wärmeübertragungselement 38 erreicht wird, kann durch Vergrößern einer Querschnittfläche des Wärmeübertragungselements 38, die sich senkrecht zur Stapelrichtung D erstreckt, verbessert werden. In einem Fall, in dem das Wärmeübertragungselement 38 in direkten Kontakt mit der Sensorelektrode 311 ist, führt eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragungselement 38 und der Sensorelektrode 311 zu einer Vergrößerung des Oberflächenbereichs der Sensorelektrode 311, der dem Messgas G ausgesetzt ist. Es ist daher ratsam, die Querschnittfläche des Wärmeübertragungselements 38 im Hinblick auf einen Ausgleich zwischen einer Wärmeübertragung von dem Heizelement 341 auf den Festelektrolytkörper 31 und einer elektrochemischen Reaktion, die an der Sensorelektrode 311 zustande kommt, zu wählen.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann dadurch angefertigt werden, dass eine Paste aus einem Metalloxid auf den ersten Isolator 33A oder die Sensorelektrode 311 aufgetragen und dann die gesamte Sensorvorrichtung 2 gesintert wird. Die Bildung des Wärmeübertragungselements 38 kann alternativ dadurch erreicht werden, dass ein festes Abstandstück, wie es bei der Anfertigung des Wärmeübertragungselements 38 verwendet wird, zwischen dem ersten Isolator 33A und der Sensorelektrode 311 angeordnet und dann die gesamte Sensorvorrichtung 2 gesintert wird.
Die Wärmeableitung des Wärmeübertragungselements 38 wird normalerweise dadurch verbessert, dass die Wärmeleitfähigkeit (d. h. eine Wärmeübertragungsrate) eines Edelmetalls, das in der Sensorelektrode 311 enthalten ist, höher gewählt wird als die eines Metalloxids, das in der Sensorelektrode auf einer Grenzfläche zwischen dem Wärmeübertragungselement 38 und der Sensorelektrode 311 enthalten ist, wohingegen sie auf einer Grenzfläche zwischen dem Wärmeübertragungselement 38 und dem ersten Isolator 33A geringer ist, dies jedoch zu einer festen Verbindung der Metalloxide führt.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann aus einem isolierenden Metalloxid, wie z. B. Tonerde, Zirkon, Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid, bestehen. Das Wärmeübertragungselement 38 ist so angefertigt, dass es so dicht ist, dass es einen Durchlass von Gas durch dasselbe nahezu blockiert. Insbesondere in dem Wärmeübertragungselement 38 sind Metalloxidpartikel zusammengesintert, so dass zwischen den Partikeln nahezu keine Freiräume sind, wodurch ein Durchlass des Messgases G (d. h. des Abgases) durch dasselbe blockiert wird. In dem Wärmeübertragungselement 38 sind kaum Leerräume vorhanden, was eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit desselben zur Folge hat.
ANDERE GASSENSORANORDNUNGEN
Der Gassensor 1, wie in 1 deutlich dargestellt ist, beinhaltet zudem den ersten Isolator 42, der die Sensorvorrichtung 2 festhält, das Gehäuse 41, das den ersten Isolator 42 festhält, den zweiten Isolator 43, der mit dem ersten Isolator 42 gekoppelt ist, und die Kontaktanschlüsse 44, die durch den zweiten Isolator 43 in Kontakt mit der Sensorvorrichtung 2 festgehalten werden. Der Gassensor 1 ist zudem mit der vorderen Abdeckung 45, der hinteren Abdeckung 46 und der Durchführung 47 ausgestattet. Die vordere Abdeckung 45 ist auf das vordere Ende L1 des Gehäuses 41 gepasst. Die hintere Abdeckung 46 ist auf das hintere Ende L1 des Gehäuses 41 gepasst und umhüllt den zweiten Isolator 43 und die Kontaktanschlüsse 44. Die Durchführung 47 hält die Leitungen 48 innerhalb der hinteren Abdeckung 46 fest. Die Leitungen 48 sind mit den Kontaktanschlüssen 44 verbunden.
Im Gebrauch ist die vordere Abdeckung 45 innerhalb der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet. In der vorderen Abdeckung 45 sind Gaseinlässe 451 ausgebildet, durch die das Messgas G gelangt. Die vordere Abdeckung 45 weist eine doppelwandige Struktur auf, kann jedoch alternativ so konstruiert sein, dass sie eine einwandige Struktur aufweist. Das Messgas G (d. h. das Abgas) tritt in die vordere Abdeckung 45 durch die Gaseinlässe 451 der vorderen Abdeckung 45 ein und wird dann durch die poröse Schicht 7 und den Diffusionswiderstand 32 der Sensorvorrichtung 2 der Sensorelektrode 311 zugeführt.
Die hintere Abdeckung 46, die in 1 gezeigt ist, ist außerhalb der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet. In der hinteren Abdeckung 46 sind die Lufteinlässe 461 ausgebildet, durch die das Referenzgas A (d. h. die atmosphärische Luft) in die hintere Abdeckung 46 eingeführt wird. Der Filter 462 ist über den Lufteinlässen 461 angeordnet. Durch den Filter 462 kann Gas hindurchgelangen, der Durchlass von Flüssigkeit durch denselben wird jedoch blockiert. Das Referenzgas A tritt durch die Lufteinlässe 461 in die hintere Abdeckung 46 ein und wird dann der Referenzelektrode 312 durch eine Lücke innerhalb der hinteren Abdeckung 46 und den Referenzgaskanal 36 zugeführt.
Die Kontaktanschlüsse 44 sind, wie in 1 und 2 dargestellt, innerhalb des zweiten Isolators 43 angeordnet und jeweils mit der Elektrodenleitung 313 der Sensorelektrode 311, der Elektrodenleitung 314 von der Referenzelektrode 312 und den Heizeinrichtungsleitungen 342 der Heizeinrichtung 34 verbunden. Die Leitungen 48 sind jeweils mit einem von den Kontaktanschlüssen 44 verbunden.
Die Leitungen 48 des Gassensors 1 sind, wie in 1 und 3 dargestellt, mit einem Sensor-Controller 6 verbunden, der dazu dient, eine Ausgabe von dem Gassensor 1 zur Bestimmung der Konzentration des Messgases G zu analysieren. Insbesondere dient der Sensor-Controller 6 dazu, einen Betrieb des Gassensors 1 in Zusammenwirkung mit einem Maschinen-Controller elektrisch zu steuern, der dazu dient, einen Verbrennungsbetrieb der Brennkraftmaschine zu steuern. Der Sensor-Controller 6 weist die Strommessungs-Schaltung 61, die Spannungsanlegungsschaltung 62 und eine darin installierte Heizeinrichtungs-Erregungsschaltung auf. Die Strommessungsschaltung 61 misst einen elektrischen Strom, der zwischen der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 fließt. Die Spannungsanlegungsschaltung 62 legt eine Spannung zwischen der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 an. Die Heizeinrichtungs-Erregungsschaltung dient dazu, die Heizeinrichtung 34 elektrisch zu erregen. Der Sensor-Controller 6 kann in den Maschinen-Controller eingebaut sein.
FERTIGUNGSVERFAHREN
In einem Fertigungsverfahren der Sensorvorrichtung 2 werden der Festelektrolytkörper 31, die Isolatoren 33A und 33B, der Diffusionswiderstand 32 und die Heizeinrichtung 34 zunächst so übereinander angeordnet, dass ein Stapelkörper entsteht. Der Stapelkörper wird dann erwärmt und gesintert. Die Sensorelektrode 311 und die Referenzelektrode 312 werden dadurch angefertigt, dass eine Paste, die Platin, ein Festelektrolyt und ein Lösungsmittel enthält, unter Verwendung einer Aufdrucktechnik auf den Festelektrolytkörper 31 aufgebracht und dann das Platin und das Festelektrolyt der Paste gleichzeitig mit dem Sintervorgang des Stapelkörpers gesintert werden.
NUTZBRINGENDER VORTEIL
In dem Gassensor 1 ist die Heizeinrichtung 34 in den ersten Isolator 33A eingebettet, der die Gaskammer 35 definiert. Der Gassensor 1 weist zudem das Wärmeübertragungselement 38 auf, das zwischen der Sensorelektrode 311 und dem ersten Isolator 33A innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer 35 festgehalten wird. Das Wärmeübertragungselement 38 besteht aus einem dichten Metalloxidmaterial, das einen Durchlass des Messgases G durch dasselbe blockiert und dazu dient bzw. dazu funktionsfähig ist, eine Übertragung von Wärme von dem Heizelement 341 der Heizeinrichtung 34 auf den Festelektrolytkörper 31 und die Elektroden 311 und 312 zu erleichtern.
Bei Gebrauch des Gassensors 1 wird, wenn das Heizelement 341 erregt wird, um den Festelektrolytkörper 31 und die Elektroden 311 und 312 zu erwärmen, eine thermische Energie oder Wärme, die durch das Heizelement 341 erzeugt wird, auf den Festelektrolytkörper 31 und die Elektroden 311 und 312 durch den ersten Isolator 33A übertragen, und außerdem auf den Festelektrolytkörper 31 und die Elektroden 311 und 312 durch das Wärmeübertragungselement 38 übertragen. Anders ausgedrückt breitet sich die Wärme durch zwei thermische Wege aus: einen ersten, der sich von dem Heizelement 341 zu dem Festelektrolytkörper 31 und den Elektroden 311 und 312 unter Umgehung der Gaskammer 35 erstreckt, und einen zweiten, der sich von dem Heizelement 341 direkt zu dem Festelektrolytkörper 31 und den Elektroden 311 und 312 durch das Wärmeübertragungselement 38 erstreckt.
Der Gebrauch des Wärmeübertragungselements 38 dient daher dazu, die thermische Leitfähigkeit von dem Heizelement 341 zu dem Festelektrolytkörper 31 und den Elektroden 311 und 312, in anderen Worten also die Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung 2 zu erhöhen. Dies führt zudem zu einer Verkürzung der Zeitspanne, die das Heizelement 341 zum Erwärmen der Sensorvorrichtung 2 bis zu einer Temperatur benötigt, bei der die Sensorvorrichtung 2 aktiviert wird, um einen Soll-Grad der Sauerstoffionenleitfähigkeit in derselben während des Gebrauchs des Gassensors 1 zu erreichen.
Die Verwendung des Wärmeübertragungselements 38 verbessert zudem die Effizienz beim Zuführen von durch das Heizelement 341 erzeugter thermischer Energie zu dem Festelektrolytkörper 31 und den Elektroden 311 und 312 bei Verwendung des Gassensors 1. Dies führt überdies zu einer Verringerung der durch die Heizeinrichtung 34 verbrauchten elektrischen Energie zum Erwärmen der Sensorvorrichtung 2.
Die Heizeinrichtung 34 ist, wie vorstehend beschrieben, in den ersten Isolator 33A eingebettet, der die Gaskammer 35 ausbildet, was zu einer Verringerung eines Abstands zwischen der Heizeinrichtung 34 und dem Festelektrolytkörper 31 führt, was zu einer Verkürzung der Zeitspanne führt, die das Heizelement 341 der Heizeinrichtung 34 zum Erwärmen des Festelektrolytkörper 31 und der Elektroden 311 und 312 auf eine SollTemperatur benötigt.
Die Struktur des Gassensors 1 verbessert daher die Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung 2 zum Erreichen einer raschen Aktivierung der Sensorvorrichtung 2.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
8 und 9 stellen die Sensorvorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform dar, bei der die Heizeinrichtung 34 in den zweiten Isolator 33B eingebettet ist.
In dem zweiten Isolator 33B ist der Referenzgaskanal 36 ausgebildet, in den das Referenzgas A eingeführt wird. Die Heizeinrichtung 34 ist so ausgerichtet, dass sie der Referenzelektrode 312 in dem zweiten Isolator 33B in der Stapelrichtung D gegenüberliegt. Das Wärmeübertragungselement 38 wird durch die Referenzelektrode 312 und den zweiten Isolator 33B gehalten, in den die Heizeinrichtung 34 eingebettet und in einem Abschnitt des Referenzgaskanals 36 angeordnet ist.
Der zweite Isolator 33B besteht aus einem Stapel aus dem Isolierabstandstück 335, in dem der Referenzgaskanal 36 ausgebildet ist, und den Isolierplatten 337A und 337B, in denen die Heizeinrichtung 34 eingebettet ist. Der erste Isolator 33A besteht aus einem Stapel aus dem Isolierabstandstück 331 und den Isolierplatte 334 und weist die in ihm ausgebildete Gaskammer 35 auf.
Die Sensorvorrichtung 2 in dieser Ausführungsform weist, wie in der ersten Ausführungsform, eine verbesserte Fähigkeit zum Übertragen der durch das Wärmeelement 341 der Heizeinrichtung 34 erzeugten Wärme auf den Festelektrolytkörper 31 und die Elektroden 311 und 312 durch den zweiten Isolator 33B und das Wärmeübertragungselement 38 auf.
Die Struktur des Gassensors 1 in der zweiten Ausführungsform verbessert daher die Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung 2 zum Erreichen einer raschen Aktivierung der Sensorvorrichtung 2.
Andere Anordnungen des Gassensors 1 sowie durch den Gassensor 1 ermöglichte nutzbringende Vorteile sind mit jenen gemäß der ersten Ausführungsform identisch. In 8 und 9 beziehen sich die gleichen Bezugszeichen, die in der ersten Ausführungsform verwendet werden, auf identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine ausführliche Erläuterung derselben verzichtet wird.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
10 bis 22 stellen eine Mehrzahl von Arten der Sensorvorrichtung 2 gemäß der dritten Ausführungsform dar, die sich in der Anordnung des Heizelements 341 der Heizeinrichtung 34 und des Wärmeübertragungselements 38 unterscheiden. In den Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine ausführliche Erläuterung derselben verzichtet wird.
In 10 sind ein Abschnitt des Heizelements 341 und ein Abschnitt des Wärmeübertragungselements 38 so angeordnet, dass sie einander in der Stapelrichtung D (d. h. der Dickenrichtung der Sensorvorrichtung 2) überlappen. Die Heizeinrichtung 34 ist in den ersten Isolator 33A eingebettet. Das Heizelement 341 ist so konstruiert oder ausgerichtet, dass es den thermischen Mittelpunkt aufweist, der auf einer Ebene angeordnet ist, die so definiert ist, dass sie sich durch das Heizelement 341 in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung D (d. h. einer Richtung, die sich parallel zur Längsrichtung L und der Breitenrichtung W erstreckt) erstreckt, und der die höchste Temperatur auf der Ebene aufweist.
Der thermische Mittelpunkt ist auf oder nahe dem Mittelpunkt von einem Bereich in dem ersten Isolator 33A angeordnet, wo das Heizelement 341 in der Längsrichtung L und der Breitenrichtung W angeordnet ist.
Der thermische Mittelpunkt bildet einen Wärmepunkt aus, auf dem sich die Wärme eine Minute nach Beginn der Erregung der Heizeinrichtung 34 konzentriert. Die Anordnung des Wärmepunkts hängt von der geometrischen Konfiguration des Heizelements 341 und einer Überlappung des Wärmeübertragungselements 38 mit dem Heizelement 341 in der Stapelrichtung D ab. In dieser Ausführungsform entwickelt sich der Wärmepunkt auf dem Mittelpunkt einer Ebene (d. h. einer planaren Ebene) der Sensorelektrode 311.
Das Heizelement 341, wie in 10 zu sehen ist, ist in der Längsrichtung L in einer sich windenden Form (d. h. einer S-Form) gekrümmt. Insbesondere beinhaltet das Heizelement 341 eine Mehrzahl von geraden Bereichen 343A und 343B, die sich parallel zueinander in der Längsrichtung L erstrecken, sowie eine Mehrzahl von gekrümmten Verbindungsbereichen 344, die jeweils zwischen zwei benachbarten von den geraden Bereichen 343A und 343B eine Verbindung bilden. Insbesondere die parallelen geraden Bereiche 343A beinhalten zwei innere gerade Bereiche, wohingegen die parallelen geraden Bereiche 343B zwei äußere gerade Bereiche beinhalten, die außerhalb der inneren geraden Bereiche 343A in der Breitenrichtung W angeordnet sind.
Ein Mindestabstand zwischen den inneren geraden Bereichen 343A in der Breitenrichtung W ist kürzer als der zwischen jedem von den inneren geraden Bereichen 343A und einem benachbarten von den äußeren geraden Bereichen 343B. Das Wärmeübertragungselement 38 ist so geformt, dass es einen Abschnitt aufweist, der Abschnitte der inneren geraden Bereiche 343A in der Stapelrichtung D überlappt. Die Anordnung, wo der Abstand zwischen den inneren geraden Bereichen 343A kleiner ist als der zwischen jedem von den inneren geraden Bereichen 343A und einem benachbarten der äußeren geraden Bereiche 343B in der Breitenrichtung W macht die Anordnung des Wärmeübertragungselements 38, damit dieses einen Abschnitt aufweist, der Abschnitten der inneren geraden Bereiche 343A in der Stapelrichtung D gegenüberliegt, noch leichter.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist auf einer Ebene angeordnet, die sich parallel zur Längsrichtung L und der Breitenrichtung W erstreckt, und weist eine Länge auf, die sich in der Längsrichtung L erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38 ist so ausgerichtet, dass es einen Abschnitt aufweist, der Abschnitte der inneren geraden Bereiche 343A in der Stapelrichtung D überlappt. Das Wärmeübertragungselement 38 kann, wie in 11 dargestellt, langgestreckt sein, so dass es einem von den inneren geraden Bereichen 343A in der Stapelrichtung D gegenüberliegt.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann alternativ, wie in 12 dargestellt, so geformt sein, dass es eine Länge aufweist, die sich in einem gegebenen Winkel außer 0° und 90° schräg in die Längsrichtung L auf einer Ebene erstreckt, die sich parallel zur Längsrichtung L und der Breitenrichtung W erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38 weist Abschnitte auf, die Abschnitten der inneren geraden Bereiche 343A in der Stapelrichtung D gegenüberliegen oder diese überlappen.
Wie in 13 dargestellt, kann das Wärmeübertragungselement 38 zudem so konzipiert sein, dass es zwei eigenständige Abschnitte aufweist, die jeweils einen von den inneren geraden Bereiche 343A der Heizeinrichtung 34 in der Stapelrichtung D überlappen. Die eigenständigen Abschnitte des Wärmeübertragungselements 38 erstrecken sich parallel zu den inneren geraden Bereichen 343A.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann alternativ so konzipiert sein, dass es, wie in 14 dargestellt, vier eigenständige Abschnitte aufweist, die in der Längsrichtung L und der Breitenrichtung W entfernt voneinander angeordnet sind und unterschiedliche Abschnitte der inneren geraden Bereiche 343A in der Stapelrichtung D überlappen.
Das Heizelement 341 der Heizeinrichtung 34 kann, wie in 15 dargestellt, in der Längsrichtung L wellenförmig, in anderen Worten also in der Breitenrichtung W gewunden sein. Insbesondere das Heizelement 341 beinhaltet zwei sich windende oder wellenförmige Bereiche 345, die sich in der Längsrichtung L erstrecken und mit den jeweiligen Heizeinrichtungsleitungen 342 verbunden sind. Jeder von den wellenförmigen Bereichen 345 beinhaltet innere gekrümmte Bereiche 346A und äußere gekrümmte Bereiche 46B, die außerhalb der inneren gekrümmten Bereiche 346A in der Breitenrichtung W angeordnet sind.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist so angeordnet, dass es die inneren gekrümmten Bereiche 346A von jedem von den gewellten Bereichen 345 der Heizeinrichtung 34 in der Stapelrichtung D überlappt.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann alternativ, wie in 16 dargestellt, so konzipiert sein, dass es die inneren gekrümmten Bereiche 346A von einem von den gewellten Bereichen 345 in der Stapelrichtung D überlappt. Das Wärmeübertragungselement 38 kann so ausgerichtet sein, dass es eine Länge aufweist, die sich parallel zur Längsrichtung L der Sensorvorrichtung 2 erstreckt.
Alternativ kann das Wärmeübertragungselement 38, wie in 17 dargestellt, so ausgerichtet sein, dass es eine Länge aufweist, die sich in einem gegebenen Winkel außer 0° und 90° in der Längsrichtung L schräg auf einer Ebene erstreckt, die sich parallel zur Längsrichtung L und der Breitenrichtung W erstreckt. Insbesondere das Wärmeübertragungselement 38 weist Abschnitte auf, die Abschnitte der wellenförmigen Bereiche 345 in der Stapelrichtung D überlappen.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann, wie in 18 dargestellt, so konzipiert sein, dass es zwei eigenständige Abschnitte aufweist, die jeweils einen von den gewellten Bereichen 345 der Heizeinrichtung 34 in der Stapelrichtung D überlappen. Jeder der eigenständigen Abschnitte des Wärmeübertragungselements 38 kann so angeordnet sein, dass er die inneren gekrümmten Bereiche 346A von einem von den wellenförmigen Bereichen 345 in der Stapelrichtung D überlappt. Alternativ kann jeder der eigenständigen Abschnitte des Wärmeübertragungselements 38 so angeordnet sein, dass er sowohl die inneren gekrümmten Bereiche 346 als auch die äußeren gekrümmten Bereiche 346A von einem der wellenförmigen Bereiche 345 in der Stapelrichtung D überlappt.
Das Heizelement 341 der Heizeinrichtung 34 muss nicht notwendigerweise gekrümmt sein, solange das Heizelement 341 einen elektrischen Widerstandswert aufweist, der höher ist als jener der Heizeinrichtungsleitungen 342. Das Heizelement 341 kann, wie in 19 dargestellt, so geformt sein, dass es sich geradlinig erstreckt, so dass es sich mit den jeweiligen Heizeinrichtungsleitungen 342 verbindet. Insbesondere besteht das Heizelement 341 aus einen Paar von geradlinigen Bereichen, die sich parallel zu einander in der Längsrichtung L der Sensorvorrichtung 2 erstrecken, und einem C-förmigen Bereich erstrecken, der die geradlinigen Bereiche miteinander verbindet. Das Heizelement 341 ist insgesamt U-förmig. Das Wärmeübertragungselement 38 ist so angelegt, dass es die geradlinigen Bereiche des Heizelements 341 in der Stapelrichtung D überlappt. Alternativ kann das Wärmeübertragungselement 38, wie in 20 dargestellt, so angeordnet sein, dass es nur einen von den geradlinigen Bereichen des Heizelements 341 in der Stapelrichtung D überlappt.
Alternativ kann das Wärmeübertragungselement 38, wie in 21 dargestellt, so ausgerichtet sein, dass es einen Länge aufweist, die sich in einem gegebenen Winkel außer 0° und 90° schräg zur Längsrichtung L erstreckt. Insbesondere das Wärmeübertragungselement 38 ist so geneigt, dass es Abschnitte aufweist, die Abschnitte der geradlinigen Bereiche des Heizelements 341 in der Stapelrichtung D überlappen. Das Wärmeübertragungselement 38 kann, wie in 22 dargestellt, so konzipiert sein, dass es zwei eigenständige geradlinige Bereiche aufweist, die jeweils einen von den parallelen geradlinigen Bereichen des Heizelements 341 in der Stapelrichtung D überlappen.
Die Heizeinrichtung 34 gemäß der dritten Ausführungsform kann alternativ so konzipiert sein, dass die Heizeinrichtung 34 in den zweiten Isolator 33B anstatt in den ersten Isolators 33A eingebettet ist. In diesem Fall können das Heizelement 341 und das Wärmeübertragungselement 38 in einer aus den in 10 bis 22 gezeigten Anordnungen gewählten Anordnung relativ zueinander positioniert sein.
Andere Anordnungen des Gassensors 1 sowie nutzbringende Vorteile des Gassensors 1 sind mit jenen gemäß der ersten Ausführungsform identisch. In 10 bis 22 bezeichnen dieselben Bezugszeichen, die in der ersten Ausführungsform verwendet werden, identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine ausführliche Erläuterung derselben verzichtet wird.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Sensorvorrichtung 2 gemäß der vierten Ausführungsform ist, wie in 23 und 24 dargestellt, mit einer Mehrzahl von Festelektrolytkörpern 31A und 31B ausgestattet.
Insbesondere weist die Sensorvorrichtung 2 zwei Festelektrolytkörper 31A und 31B und die zwischen den Festelektrolytkörpern 31A und 31B definierte Gaskammer 35 auf. Das Wärmeübertragungselement 38 ist in einem Abschnitt der Gaskammer 35 angeordnet. Der Festelektrolytkörper 31A wird zudem als ein erster Festelektrolytkörper 31A bezeichnet, der mit der ersten Pumpelektrode 311A und der zweiten Pumpelektrode 311B ausgestattet ist. Der Festelektrolytkörper 31B wird zudem als ein zweiter Festelektrolytkörper 31B bezeichnet, der mit der Sensorelektrode 312A und der Referenzelektrode 312B ausgestattet ist.
Der erste Festelektrolytkörper 31A weist eine Sauerstoffionenleitfähigkeit auf. Der erste Festelektrolytkörper 31A ist von dem dritten Isolator 33E, in den die Heizeinrichtung 34 eingebettet ist, weiter entfernt angeordnet als es der zweite Festelektrolytkörper 31B ist. Die erste Pumpelektrode 311A und die zweite Pumpelektrode 311B sind auf einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des vorderen Endabschnitts L1 von einer Länge des ersten Festelektrolytkörpers 31A angeordnet. Die erste Pumpelektrode 311A und die zweite Pumpelektrode 311B sind durch eine Dicke des ersten Festelektrolytkörpers 31A hindurch entgegengesetzt zueinander angeordnet. Der zweite Festelektrolytkörper 31B ist so angeordnet, dass er dem ersten Festelektrolytkörper 31A in der Stapelrichtung D gegenüberliegt und eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist. Die Sensorelektrode 312A und die Referenzelektrode 312B sind auf einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des vorderen Endbereichs L1 von einer Länge des zweiten Festelektrolytkörpers 31GB angeordnet. Die Sensorelektrode 312A und die Referenzelektrode 312B sind durch eine Dicke des zweiten Festelektrolytkörpers 31B hindurch entgegengesetzt zueinander angeordnet.
Die Sensorvorrichtung 2 beinhaltet zudem den ersten Isolator 33C, den zweiten Isolator 33D, der die Gaskammer 35 definiert, und den dritten Isolator 33E, in dem die Heizeinrichtung 34 eingebettet ist. Der erste Isolator 33C ist auf der Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers 31A gestapelt, auf dem die erste Pumpelektrode 311A angeordnet ist. In dem ersten Isolator 33C ist das poröse Element 39 angeordnet, das dazu dient, die erste Pumpelektrode 311A zu schützen, und durch das das Messgas G der ersten Pumpelektrode 311A zugeführt wird.
Der zweite Isolator 33D wird, wie in 23 und 24 deutlich dargestellt ist, zwischen der Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers 31A, auf der die zweite Pumpelektrode 311B montiert ist, und der Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers 31B gehalten, auf der die Sensorelektrode 312A montiert ist. Der zweite Isolator 33D weist die Diffusionswiderstände 32 auf, die auf seitlichen Abschnitten desselben entgegengesetzt zueinander in der Breitenrichtung W angeordnet sind, und durch die das Messgas G gelangt. Der Diffusionswiderstand 32 kann alternativ in dem vorderen Ende L1 von einer Länge des zweiten Isolators 33D angeordnet sein. Die Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers 31A, auf der die zweite Pumpelektrode 311B angeordnet ist, ist so angeordnet, dass sie der Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers 31B, auf der die Sensorelektrode 312A angeordnet ist, direkt gegenüberliegt.
Der dritte Isolator 33E ist auf der Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers 31B gestapelt, an der die Referenzelektrode 312B befestigt ist. Der dritte Isolator 33E beinhaltet zwei Isolierplatten 339, zwischen denen die Heizeinrichtung 34 gehalten wird. Die Referenzelektrode 312B wird zwischen dem zweiten Festelektrolytkörper 31B und dem dritten Isolator 33E gehalten und ist in den dritten Isolator 33E eingebettet.
Die erste Pumpelektrode 311A und die zweite Pumpelektrode 311B sind auf den gegenüberliegenden Hauptoberflächen des ersten Festelektrolytkörpers 31A angeordnet und liegen einander in der Stapelrichtung D gegenüber. Die zweite Pumpelektrode 311B und die Sensorelektrode 312A liegen einander in der Gaskammer 35 direkt gegenüber.
Die Heizeinrichtung 34 ist in den dritten Isolator 33E eingebettet und beinhaltet das Heizelement 341, dem elektrische Leistung zum Erzeugen von Wärme zugeführt wird, und die Heizeinrichtungsleitungen 342, die mit den hinteren Enden L2 des Heizelements 341 verbunden sind. Das Heizelement 341 ist an zumindest einem Abschnitt angeordnet, der die Elektroden 311A, 311B, 312A und 312B in der Stapelrichtung D (d. h. einer Dickenrichtung) eines Stapels aus den Festelektrolytkörpern 31A und 31B und den Isolatoren 33C, 33D und 33E überlappt.
Die Gaskammer 35 wird durch den ersten Festelektrolytkörper 31A, den zweiten Festelektrolytkörper 31B und den zweiten Isolator 33D umschlossen, und in ihr sind die zweite Pumpelektrode 311B und die Sensorelektrode 312A angeordnet. Die Diffusionswiderstände 32 kommunizieren mit der Gaskammer 35 und sind in dem zweiten Isolator 33D angeordnet. Die Diffusionswiderstände 32 dienen dazu, das Messgas G bei einer gegebenen Diffusionsrate in die Gaskammer 35 einzuführen.
Das Wärmeübertragungselement 38 wird, wie in 23 und 24 dargestellt, zwischen der zweiten Pumpelektrode 311B und der Sensorelektrode 312A in einem Abschnitt der Gaskammer 35 gehalten. Das Wärmeübertragungselement 38 dient dazu, die Wärmeübertragung von dem Heizelement 341 zu dem ersten Festelektrolytkörper 31A, der ersten Pumpelektrode 311A und der zweiten Pumpelektrode 311B zu vereinfachen. Die Sensorvorrichtung 2 kann mit einer Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen 38 ausgestattet sein, die an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Gaskammer 35 angeordnet sind. Das Wärmeübertragungselement 38 kann, wie in der dritten Ausführungsform, so angeordnet sein, dass es das Heizelement 341 in der Stapelrichtung D überlappt.
Bei Gebrauch des Gassensors 1, der in dieser Ausführungsform mit der Sensorvorrichtung 2 ausgestattet ist, liegt zwischen der ersten Pumpelektrode 311A und der zweiten Pumpelektrode 311B eine Spannung an, um die in dem in die Gaskammer 35 strömenden Messgas G enthaltene Sauerstoffkonzentration zu regulieren. Ebenso liegt zwischen der Sensorelektrode 312A und der Referenzelektrode 312B Spannung an, um zwischen denselben mit Hilfe der Diffusionswiderstände 32 eine Begrenzungsstromkennlinie aufzuzeigen. Dadurch wird zwischen der Sensorelektrode 312A und der Referenzelektrode 312B in Abhängigkeit von einer Sauerstoffkonzentration innerhalb der Gaskammer 35 ein Sensorstromfluss erzeugt. Der Sensor-Controller 6 für den Gassensor 1 analysiert den Sensorstrom, um ein Kraftstoff-Luftverhältnis in der Brennkraftmaschine unter Verwendung der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G zu bestimmen.
Die durch das Heizelement 341 erzeugte Wärme wird an den ersten Festelektrolytkörper 31A und die erste und die zweite Pumpelektrode 311A und 311B durch den dritten Isolator 33E und den zweiten Festelektrolytkörper 31B und zudem durch den zweiten Isolator 33D, der um die Gaskammer 35 herum angeordnet ist, übertragen. Zusätzlich dient das Wärmeübertragungselement 38 zum Übertragen der durch das Heizelement 341 erzeugten Wärme von der zweiten Elektrode 312A des zweiten Festelektrolytkörpers 31B direkt zu der zweiten Pumpelektrode 311B des ersten Festelektrolytkörpers 31A. Die durch das Heizelement 341 erzeugte Wärme wird nicht nur durch den zweiten Isolator 33D um die Elektroden 311A, 311B, 312A und 312B herum, sondern auch durch die Elektroden 311A, 311B, 312A und 312B und das Wärmeübertragungselement 38 an den ersten Festelektrolytkörper 31A übertragen.
Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, weist der Gassensor 1 in dieser Ausführungsform eine verbesserte Fähigkeit zur Übertragung der Wärme von dem Heizelement 341 zu dem ersten Festelektrolytkörper 31A, der ersten Pumpelektrode 311A, und der zweiten Pumpelektrode 311B auf.
Der Gassensor 1 gemäß dieser Ausführungsform verbessert daher, wie in der ersten Ausführungsform, die Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung 2, um eine rasche Aktivierung der Sensorvorrichtung 2 zu erreichen.
Andere Anordnungen des Gassensors 1 sowie nutzbringende Vorteile des Gassensors 1 sind mit jenen gemäß der ersten Ausführungsform identisch. In 23 und 24 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen, wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet werden, identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine Erläuterung derselben wird verzichtet.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Sensorvorrichtung 2 gemäß der fünften Ausführungsform ist eine Modifikation der ersten Ausführungsform, die so konzipiert ist, dass das Wärmeübertragungselement 38 zwischen dem ersten Isolator 33A, der Sensorelektrode 311 und dem Festelektrolytkörper 31 festgehalten wird.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist, wie in 25 und 26 deutlich dargestellt, in der Sensorelektrode 311 in Kontakt mit der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet. Insbesondere ist in der Sensorelektrode 311 das Durchgangsloch 315 ausgebildet, das durch die Dicke der Sensorelektrode 331 hindurch in der Stapelrichtung D verläuft. Das Durchgangsloch 315 ist in der Mitte der Sensorelektrode 311 angeordnet und als eine rechteckige Nut geformt, die eine Länge aufweist, die sich in der Längsrichtung L der Sensorelektrode 311 erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38 ist in Kontakt mit einem Abschnitt der Sensorelektrode 311 und einem Abschnitt des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 31 durch das Durchgangsloch 315 und zudem in Kontakt mit der inneren Wand der Sensorelektrode 311 angeordnet, die das Durchgangsloch 315 definiert. In anderen Worten überlappt das Wärmeübertragungselement 38 durchgehend die Oberflächen des Festelektrolytkörpers 31 und der Sensorelektrode 311. Das Wärmeübertragungselement 38 ist rechteckig geformt und so konturiert, dass es der rechteckigen Konfiguration des Durchgangslochs 315 entspricht.
27 zeigt ein Verhältnis α von einer Überlappung des Wärmeübertragungselements 38 mit der Sensorelektrode 311 zu einem Bereich, der so definiert ist, dass er sich in der Breitenrichtung W erstreckt, wobei das Wärmeübertragungselement 38 den Festelektrolytkörper 38 und die Sensorelektrode 311 auf einem Querschnitt der Sensorvorrichtung 2 in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung L kontaktiert. Insbesondere wird das Überlappungsverhältnis α, auf das hierin Bezug genommen wird, durch eine Beziehung von α = (d1 + d2) / d angegeben, wenn d eine Breite des Wärmeübertragungselements 38 in der Breitenrichtung W ist, und d1 und d2 Abstände von Überlappungen des Wärmeübertragungselements 38 mit Abschnitten der Sensorelektrode 311 in der Breitenrichtung W sind.
Der Graph von 27 stellt eine Veränderung in einem Verhältniswert eines elektrischen Widerstands der Sensorelektrode 311 mit einer Veränderung des Überlappungsverhältnisses α zwischen 0 und 1 dar. Der Verhältniswert des elektrischen Widerstands der Sensorelektrode 311, auf den hierin Bezug genommen wird, ist ein Verhältnis eines elektrischen Widerstands der Sensorelektrode 311 zu einem elektrischen Referenzwiderstand der Sensorelektrode 311, der in Abwesenheit des Wärmeübertragungselements 38 in der Sensorvorrichtung 2 eins ist. Wenn dementsprechend das Überlappungsverhältnis α eins ist, bedeutet das, dass das gesamte Wärmeübertragungselement 38 in direktem Kontakt mit der Sensorelektrode 311 ist. Das Überlappungsverhältnis α wird durch Vergrößern der Abmessungen des Durchgangslochs 315 verringert, das in einem Abschnitt der Sensorelektrode 311 ausgebildet ist, die sich mit dem Wärmeübertragungselement 38 überschneidet. Wenn das Überlappungsverhältnis α null ist, bedeutet das, dass das gesamte Wärmeübertragungselement 38 in dem Durchgangsloch 315 in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 31 angeordnet ist. Eine Verringerung des Überlappungsverhältnisses α bedeutet eine Verringerung der Fläche der Sensorelektrode 311, was einen Anstieg des Verhältniswerts des elektrischen Widerstands der Sensorelektrode 311 zur Folge hat.
Der elektrische Widerstand der Sensorelektrode 311 ist ein Widerstand der Sensorelektrode 311 zu einem Fluss von elektrischem Strom, der durch Sauerstoffionen erzeugt wird, die sich zwischen der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 durch den Festelektrolytkörper 31 bewegen. Der elektrische Widerstand der Sensorelektrode 311 in dem Graphen von 27 ist ein elektrischer Widerstand, wenn die Sensorelektrode 311 bei 750 ° ist. Der Graph zeigt, dass eine Anstiegsrate des elektrischen Widerstands der Sensorelektrode 311 einen hohen Wert erreicht, wenn das Überlappungsverhältnis α 0,4 unterschreitet. Somit ist es ratsam, das Überlappungsverhältnis α so zu wählen, dass es größer oder gleich 0,4 ist.
Das Wärmeübertragungselement 38 in dieser Ausführungsform ist in kontinuierlichem Kontakt mit sowohl der Sensorelektrode 311 als auch dem Festelektrolytkörper 31 angeordnet, was eine Erhöhung der mechanischen Verbindungsfestigkeit des Wärmeübertragungselements 38 zur Sensorvorrichtung 2 ohne unerwünschte Verkleinerung eines wirksamen Oberflächenbereichs der Sensorelektrode 311 zur Folge hat. Insbesondere ist das Wärmeübertragungselement 38 in Kontakt mit nicht nur der Sensorelektrode 311, sondern auch mit dem Festelektrolytkörper 31 angeordnet, was in einer Verkleinerung der Fläche der Sensorelektrode 311 resultiert, die von dem Wärmeübertragungselement 38 bedeckt ist, wodurch ein benötigter wirksamer Oberflächenbereich der Sensorelektrode 311 bereitgestellt wird. Dies gewährleistet die Betriebsstabilität des Gassensors 1 zum Messen des Messgases G, ohne dass der elektrische Widerstand der Sensorelektrode 311 unerwünscht ansteigt.
Das Wärmeübertragungselement 38 wird sowohl mit der Sensorelektrode 311 als auch mit dem Festelektrolytkörper 31 zusammengefügt. Die erste Verbindung des Wärmeübertragungselements 38 und des Festelektrolytkörpers 31 wird durch eine Verbindung zwischen Metalloxiden derselben erreicht. Dies führt zu einer verbesserten mechanischen Sicherung des Wärmeübertragungselements 38 in der Sensorvorrichtung 2. Wie in den vorstehenden Ausführungsformen, erhöht die Verwendung des Wärmeübertragungselements 38 die Wärmeübertragungsleistung der Sensorvorrichtung 2.
Die Sensorelektrode 311 kann alternativ so konzipiert sein, dass sie anstelle des Durchgangslochs 315 eine darin maschinell erstellte Aussparung aufweist. Ähnlich wie das Durchgangsloch 315 wird die Aussparung durch Entfernen eines Abschnitts der Sensorelektrode 311 ausgebildet, so dass die Oberfläche des Festelektrolytkörpers 31 außerhalb der Sensorelektrode 311 freiliegt.
Andere Anordnungen des Gassensors 1 sowie nutzbringende Vorteile des Gassensors 1 sind mit jenen gemäß der ersten Ausführungsform identisch. In 25 und 26 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen, wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet werden, identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine Erläuterung derselben wird verzichtet.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
28 zeigt die Sensorvorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform, die eine Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt. Insbesondere das Wärmeübertragungselement 38 wird von oder zwischen dem zweiten Isolator 33B, der Referenzelektrode 312 und dem Festelektrolytkörper 31 festgehalten.
Die Heizeinrichtung 34 ist in den zweiten Isolator 33B eingebettet, in dem der Referenzgaskanal 36 ausgebildet ist. Das Wärmeübertragungselement 38 ist so angeordnet, dass es die Referenzelektrode 312 und den Festelektrolytkörper 31 kontinuierlich kontaktiert. In der Referenzelektrode 312 ist die Durchgangsloch 315 ausgebildet, das entlang der Dicke der Referenzelektrode 312 in der Stapelrichtung D verläuft. Das Durchgangsloch 315 ist in der Mitte der Referenzelektrode 312 angeordnet und beispielsweise als eine rechtwinkelige Nut geformt, die eine Länge aufweist, die sich in der Längsrichtung L der Referenzelektrode 312 erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38 ist in Kontakt mit einem Abschnitt der Referenzelektrode 312 und einem Abschnitt des Festelektrolytkörpers 31 angeordnet.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist durch das Durchgangsloch 315 in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 31 und zudem in Kontakt mit der Innenwandung des Durchgangslochs 315 der Referenzelektrode 312 angeordnet. Anders ausgedrückt, ist das Wärmeübertragungselement 38 so geformt, dass es die Oberflächen des Festelektrolytkörpers 31 und der Referenzelektrode 312 kontinuierlich überlappt.
Der Kontakt des Wärmeübertragungselements 28 mit der Referenzelektrode 312 und dem Festelektrolytkörper 31 bietet im Wesentlichen die gleichen nutzbringenden Vorteile wie jene in der fünften Ausführungsform.
Andere Anordnungen des Gassensors 1 sowie nutzbringende Vorteile des Gassensors 1 sind mit jenen gemäß der ersten Ausführungsform identisch. In 28 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen, wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet werden, identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine Erläuterung derselben wird verzichtet.
SIEBTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Sensorvorrichtung 2 gemäß der siebten Ausführungsform ist eine Modifikation derjenigen gemäß der ersten Ausführungsform. In der Sensorvorrichtung 2 ist das Wärmeübertragungselement 38 auf der Oberfläche der Sensorelektrode 311 angeordnet. Es wurden unterschiedliche Positionen auf dem Wärmeübertragungselement 38 auf der Oberfläche der Sensorelektrode 311 untersucht und der Schluss gezogen, dass es nicht wünschenswert ist, wenn das Wärmeübertragungselement 38 auf einem Abschnitt der Sensorelektrode 311 positioniert ist, wo das Messgas G nämlich, nachdem es durch den Diffusionswiderstand 32 gelangt ist, zuerst auf das Wärmeübertragungselement 38 trifft.
In der in 29 dargestellten Sensorvorrichtung 2 ist der Diffusionswiderstand 32 in dem vorderen Ende L1 des ersten Isolators 33A angeordnet. Das Messgas G tritt durch den Diffusionswiderstand 32 an dem vorderen Ende L1 der Sensorvorrichtung 2 in die Gaskammer 35 ein. Das Wärmeübertragungselement 38 ist in Kontakt mit einem Abschnitt der Oberfläche der Sensorelektrode 311 angeordnet. Das Wärmeübertragungselement 38 weist einen Querschnittbereich auf, der sich senkrecht zur Stapelrichtung D erstreckt und kleiner ist als der von der Sensorelektrode 311 senkrecht zur Stapelrichtung D.
Das Wärmeübertragungselement 38 ist, wie in 29 zu erkennen ist, in Kontakt mit einen anderen Abschnitt der Sensorelektrode 311 als einem vorderen Endabschnitt (d. h. einem linken Abschnitt, wie in 29 zu sehen ist) der Sensorelektrode 311 angeordnet, der dem Diffusionswiderstand 32 in der Längsrichtung L am nächsten ist. Der vordere Endabschnitt der Sensorelektrode 311 ist nicht in Kontakt mit dem Wärmeübertragungselement 38, so dass er dem Messgas G direkt ausgesetzt ist.
30 stellte eine Beziehung zwischen einem Abstand in Richtung auf das Basisende L2 der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L von dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 dar, das sich in einem in die Sensorvorrichtung 2 eintretenden Strom des Messgases G und einer Menge eines elektrischen Stroms, der sich in der Sensorelektrode 311 angesammelt hat, wenn der elektrische Strom zwischen der Sensorelektrode 311 und der Referenzelektrode 312 zum Messen der Konzentration des Messgases G strömt, am weitesten stromaufwärts befindet. In der Sensorelektrode 311 läuft die elektrochemische Reaktion in einer Reihenfolge von dem vorderen Ende 316 ab, das von dem Messgas G zuerst kontaktiert wird. Die elektrochemische Reaktion setzt sich abgeschwächt in Richtung auf das hintere Ende L2 der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L fort.
Wenn die Oberfläche des vorderen Endabschnitts der Sensorelektrode 311 durch das Wärmeübertragungselement 38 bedeckt oder umschlossen ist, wird bewirkt, dass Sauerstoff, der normalerweise zersetzt und als elektrischer Strom auf dem vorderen Endabschnitt erfasst wird, unerwünscht diffundiert. Es ist daher zu bevorzugen, dass die Oberfläche des vorderen Endabschnitts der Sensorelektrode 311 von dem Wärmeübertragungselement 38 getrennt ausgeführt ist.
Der akkumulierte Strom, der in dem Graphen von 30 angezeigt ist, ist eine Menge eines elektrischen Stroms, die von dem vorderen Ende 316 zu dem hinteren Ende L2 der Sensorelektrode 311 akkumuliert und erhöht wird und in Prozent ausgedrückt wird, wobei 100 % eine Menge des elektrischen Stroms darstellt, der in der gesamten Sensorelektrode 311 fließt. Der Graph von 30 zeigt, dass der akkumulierte Strom an dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 bei 0°% ist, während der in einem Abschnitt der Sensorelektrode 3114 mm entfernt von dem vorderen Ende 316 in Richtung auf das Basisende L2 näherungsweise bei 100 % ist.
Anders ausgedrückt, wird die Menge des in der Sensorelektrode 311 fließenden Stroms bei einem Abstand von 4 mm oder mehr von dem vorderen Ende 316 zu dem hinteren Ende L2 der Sensorelektrode 311 maximiert. Eine erforderliche elektrochemische Reaktion läuft normalerweise auf der Sensorelektrode 311 ab, wenn der akkumulierte Strom, der mindestens 50 % beträgt, in der Sensorelektrode 311 hergeleitet wird. Das Wärmeübertragungselement 38 kann in einem Abstand von 0,2 mm oder mehr von dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 in Richtung auf das hintere Ende L2 der Sensorvorrichtung 2 in der Längsrichtung L angeordnet sein. Wenn es notwendig ist, den akkumulierten Strom herzuleiten, der mindestens 70 % oder mehr beträgt, ist das Wärmeübertragungselement 38 vorzugsweise in einem Abstand von 0,5 mm oder mehr von dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L angeordnet.
31 ist ein Graph, der Ergebnisse von Simulationen von Reaktionszeiten darstellt, die die Sensorvorrichtung 2 benötigt, um eine Veränderung des Kraftstoff-Luftverhältnisses (A/F) des Messgases G von 15 auf 14 für unterschiedliche Positionen des Wärmeübertragungselements 38 relativ zu der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L zu erfassen. In den Simulationen wurde die Sensorvorrichtung 2 mit den folgenden Abmessungen verwendet. Die Länge des Wärmeübertragungselements 38 ist 4 mm in der Längsrichtung L. Die Breite des Wärmeübertragungselements 38 ist 1 mm in der Breitenrichtung W. Die Breite der Sensorelektrode 311 ist 2 mm in der Breitenrichtung W. Ein Abstand zwischen dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 und dem vorderen Ende 318 des Wärmeübertragungselements 38 in der Längsrichtung L wird durch Lx mm ausgedrückt. In den Simulationen wurde der Abstand Lx zwischen 0 und 4 mm verändert.
In dem Graphen von 31 wird die Reaktionszeit ausgedrückt durch eine Veränderung der Zeit (Sek.) mit einer Veränderung des Abstands Lx, wenn 1 (Sek.) eine Referenzreaktionszeit ist, wenn der Abstand Lx 4 mm ist. Der Graph zeigt, dass, wenn der Abstand Lx 0 mm beträgt, die Reaktionszeit 1,8 s ist, und wenn der Abstand Lx 0,2 mm beträgt, ist die Reaktionszeit 1,3 s. Es ist daher zu bevorzugen, wenn das Wärmeübertragungselement 38 so angeordnet ist, dass das vordere Ende 381, das stromauf in einer Strömung des Messgases G angeordnet ist, die Sensorelektrode 311 physikalisch kontaktiert, und so dass es in einem Abstand von 0,2 mm oder mehr entfernt von dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 in Richtung auf das Basisende L2 der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L angeordnet ist. Noch mehr zu bevorzugen ist, wenn das vordere Ende 381 des Wärmeübertragungselements 38, das die Sensorelektrode 311 physikalisch kontaktiert, in einem Abstand von 0,5 mm oder mehr entfernt von dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 in Richtung auf das Basisende L2 der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L angeordnet ist.
Das Wärmeübertragungselement 38 kann in einer zylindrischen Form ausgeführt sein, die sich in der Stapelrichtung D des Festelektrolytkörpers 31 geradlinig erstreckt und einen Querschnitt aufweist, der in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung D erstellt worden ist. Das Wärmeübertragungselement 38 kann alternativ, wie in 32 dargestellt, so konzipiert sein, dass es eine Querschnittfläche aufweist, die sich in einer planaren Richtung des Festelektrolytkörpers 31 erstreckt und kleiner wird, je mehr sie sich der Sensorelektrode 311 nähert. In anderen Worten kann das Wärmeübertragungselement 38 so geformt sein, dass es einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, der sich in der Stapelrichtung D erstreckt. Anders ausgedrückt kann das Wärmeübertragungselement 38 kann so geformt sein, dass es einen trapezförmigen Bereich aufweist, der sich in der Stapelrichtung D erstreckt. Das Wärmeübertragungselement 38 kann beispielsweise einen konisch zulaufenden vorderen Abschnitt aufweisen, in anderen Worten also eine vordere Oberfläche, die so geneigt ist, dass sie eine vordere Kante und eine hintere Kante aufweist, die näher an dem Basisende L2 der Sensorelektrode 311 angeordnet ist als die vordere Kante. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, dass das vordere Ende 381 des Wärmeübertragungselements 38, das die Sensorelektrode 311 physikalisch kontaktiert, in einem Abstand von 0,2 mm oder mehr von dem vorderen Ende 316 der Sensorelektrode 311 zu dem Basisende L2 der Sensorelektrode 311 in der Längsrichtung L angeordnet ist.
Andere Anordnungen des Gassensors 1 sowie nutzbringende Vorteile des Gassensors 1 sind mit jenen gemäß der ersten Ausführungsform identisch. In 29 bis 32 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen, wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet werden, identische oder ähnliche Teile, so dass daher auf eine Erläuterung derselben wird verzichtet
VERIFIZIERUNGSTEST
Unter Verwendung der Sensorvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, in der die Heizeinrichtung 34 in den ersten Isolator 33A eingebettet ist und das Wärmeübertragungselement 38 in dem ersten Isolator 33A angeordnet ist, wurden Verifizierungstests ausgeführt und eine Aktivierungszeit gemessen wird, bei der es sich um eine Zeit handelt, die zum Erwärmen der Sensorvorrichtung 2 notwendig ist, um die Temperatur derselben mit einer Betriebstemperatur (d. h. Aktivierungstemperatur) in Einklang zu bringen. Zudem wurde ein Vergleichsgassensor verwendet, in dem die Heizeinrichtung 34 in den zweiten Isolator 33B eingebettet ist, und der nicht mit dem Wärmeübertragungselement 38 ausgerüstet ist, und die zum Erwärmen des Vergleichsgassensors auf Betriebstemperatur notwendige Aktivierungszeit gemessen. Aus den Verifizierungstests geht hervor, dass die Aktivierungszeit, die der mit der Sensorvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ausgestattete Gassensor 1 benötigt, dermaßen gekürzt wird, dass sie näherungsweise 30 % der Zeit beträgt, die durch den Vergleichsgassensor benötigt wird, wobei die Aktivierungszeit in dem Vergleichsgassensor durch 100 % ausgedrückt wird, sowie, dass eine Zeitspanne, die zum Erregen der Heizeinrichtung 34 der Sensorvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform zum Erhöhen der Temperatur der Sensorvorrichtung 2 von einer Umgebungstemperatur (25 °) auf Betriebstemperastur (z. B. 650 °) benötigt wird, 1 s oder weniger beträgt.
In den Verifizierungstests wurde auch eine Menge einer elektrischen Leistung gemessen, die durch die Sensorvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform verbraucht wird, so dass die Sensorvorrichtung 2 konstant auf Betriebstemperatur gehalten wird. Zudem wurde ein Vergleichsgassensor vorbereitet, der mit einer herkömmlichen Sensorvorrichtung ausgestattet war, und eine Menge einer elektrischen Leistung gemessen, die durch den herkömmlichen Gassensor verbraucht wird, um die herkömmliche Sensorvorrichtung in der gleichen Weise auf Betriebstemperatur zu halten. Ergebnisse der Tests zeigen, dass die Menge der durch den Gassensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform verbrauchten elektrischen Leistung näherungsweise 50 % der Leistung beträgt, die durch den Vergleichsgassensor verbraucht wird, wobei die Menge der durch den Vergleichsgassensor verbrauchten elektrischen Leistung und wobei die Menge der durch den herkömmlichen Gassensor verbrauchten elektrischen Leistung mit 100 % definiert ist.
In den Verifizierungstests wurde zudem auch die Aktivierungszeit gemessen, bei der es sich um ein Zeitintervall zwischen dem Beginn der Erregung der Heizeinrichtung 34 und dem Zeitpunkt handelt, wenn die Betriebstemperatur unter Verwendung von zwei Arten von Gassensoren erreicht wird: wobei einer davon der Gassensor 1 ist, der mit der Sensorvorrichtung 2 gemäß der dritten Ausführungsform ausgestattet ist, in der das Wärmeübertragungselement 38 so angeordnet ist, dass es das Heizelement 341 in der Stapelrichtung D überlappt, und der andere der Gassensor 1 ist, der mit der Sensorvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform ausgestattet ist, in der das Wärmeübertragungselement 38 außerhalb der Überlappung mit dem Heizelement 341 in der Stapelrichtung D angeordnet ist. Aus Ergebnissen der Tests geht hervor, dass die Aktivierungszeit in der Sensorvorrichtung 2 in der dritten Ausführungsform näherungsweise 30 % von der gemäß der ersten Ausführungsform beträgt.
Obgleich die vorliegende Erfindung für ein besseres Verstehen derselben in Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform offenbart worden ist, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf viele verschiedene Arten und Weisen ausgeführt werden kann, ohne vom den Grundsätzen der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung ist daher so aufzufassen, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen an der gezeigten Ausführungsform beinhaltet, die ohne Abweichung von den Grundsätzen der in den beigefügten Ansprüchen ausgeführten Erfindung ausgeführt werden können.

Claims

Gassensor (1), aufweisend: eine Sensorvorrichtung (2), die eine planare Form aufweist; und ein Wärmeübertragungselement (38), wobei die Sensorvorrichtung das Folgende beinhaltet: einen Festelektrolytkörper (31), der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, ein Paar von Elektroden (311, 312), die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet sind, einen Isolator (33A, 33B), der auf den Festelektrolytkörper gestapelt ist, einen Gasraum (35, 36), der von dem Isolator umgeben und benachbart zu dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, in dem eine der Elektroden angeordnet ist, und in den ein Messgas (G) oder ein Referenzgas (A) eingeführt wird, und eine Heizeinrichtung (34), die ein Heizelement (341) und ein Paar von Leitungen (342) beinhaltet, die mit dem Heizelement verbunden sind, wobei das Heizelement erregt wird, um Wärme zu erzeugen, wenn ihm eine elektrische Leistung zugeführt wird, und das Heizelement so angeordnet ist, dass die Elektroden auf dem Festelektrolytkörper in einer Stapelrichtung (D), in der der Festelektrolytkörper und der Isolator gestapelt sind, zumindest teilweise überlappen, wobei die Heizeinrichtung in den Isolator eingebettet ist, wobei das Wärmeübertragungselement aus einem dichten Metalloxid gefertigt ist, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert, wobei das Wärmeübertragungselement zwischen dem Isolator und einer der Elektroden oder zwischen dem Isolator, einer der Elektroden und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts des Gasraums gehalten wird, wobei das Wärmeübertragungselement funktionsfähig ist, eine Übertragung der Wärme von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper und den Elektroden zu erreichen.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gasraum durch eine Gaskammer definiert ist, in die das Messgas bei einer gegebenen Diffusionsrate durch einen Diffusionswiderstand (32) eingeführt wird, und in der eine Sensorelektrode (311) angeordnet ist, die eine der Elektroden ist und dem Messgas ausgesetzt ist, wobei die Heizeinrichtung in den Isolator eingebettet ist und der Sensorelektrode gegenüberliegt, und wobei das Wärmeübertragungselement zwischen dem Isolator, in den die Heizeinrichtung eingebettet ist, und der Sensorelektrode gehalten wird, oder zwischen dem Isolator, in den die Heizeinrichtung eingebettet ist, der Sensorelektrode und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer gehalten wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gasraum durch einen Referenzgaskanal definiert ist, in den das Referenzgas eingeführt wird, und in dem eine Referenzelektrode (312) angeordnet ist, bei der es sich um eine der Elektroden handelt und die dem Referenzgas ausgesetzt ist, wobei die Heizeinrichtung in den Isolator eingebettet ist, in dem der Referenzgaskanal ausgebildet ist, und der Referenzelektrode gegenüberliegt, und wobei das Wärmeübertragungselement zwischen dem Isolator, in den die Heizeinrichtung eingebettet ist, und der Referenzelektrode oder zwischen dem Isolator, in den die Heizeinrichtung eingebettet ist, der Referenzelektrode und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts des Referenzgaskanals gehalten wird.
Gassensor (1), aufweisend: eine Sensorvorrichtung (2), die eine Länge und eine planare Form aufweist; und ein Wärmeübertragungselement (38), wobei die Sensorvorrichtung beinhaltet: einen Festelektrolytkörper (31), der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, wobei der Festelektrolytkörper eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Endabschnitt aufweist, wobei der Festelektrolytkörper zudem eine erste Hauptoberfläche (301), die einem Messgas (G) ausgesetzt ist, und eine zweite Hauptoberfläche (302) aufweist, die einem Referenzgas (A) ausgesetzt ist, eine Sensorelektrode (311), die auf der ersten Hauptoberfläche des vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, eine Referenzelektrode (312), die auf der zweiten Hauptoberfläche des vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, einen ersten Isolator (33A), der auf der ersten Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers gestapelt ist, eine Heizeinrichtung (34), die ein Heizelement (341) und ein Paar von Leitungen (342) beinhaltet, die mit den hinteren Enden des Heizelements verbunden sind, wobei das Heizelement erregt wird, um Wärme zu erzeugen, wenn ihm elektrische Leistung zugeführt wird, und so angeordnet ist, dass es die Sensorelektrode und die Referenzelektrode in einer Stapelrichtung (D), in der der Festelektrolytkörper und der erste Isolator gestapelt sind, zumindest teilweise überlappt, wobei die Heizeinrichtung in den ersten Isolator eingebettet ist, eine Gaskammer (35), die in dem ersten Isolator ausgebildet ist und benachbart zu der ersten Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers angeordnet ist, wobei in der Gaskammer die Sensorelektrode angeordnet ist, einen Diffusionswiderstand (32), der in dem ersten Isolator in Verbindung mit der Gaskammer angeordnet ist und durch den das Messgas bei einer gegebenen Diffusionsrate der Gaskammer zugeführt wird, einen zweiten Isolator (33B), der auf der zweiten Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers gestapelt ist, und einen Referenzgaskanal, der in dem zweiten Isolator ausgebildet und benachbart zu der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist und sich von einer hinteren Endöffnung (360), die in dem zweiten Isolator ausgebildet ist, zu einem Abschnitt des zweiten Isolators erstreckt, zu dem die Referenzelektrode freiliegt, wobei die hintere Endöffnung die Zuführung des Messgases durch dieselbe in den Referenzgaskanal ermöglicht, wobei das Wärmeübertragungselement aus einem dichten Metalloxid gefertigt ist, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert, wobei das Wärmeübertragungselement zwischen dem ersten Isolator und der Sensorelektrode oder zwischen dem ersten Isolator, der Sensorelektrode und dem Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer gehalten wird, wobei das Wärmeübertragungselement funktionsfähig ist, eine Übertragung der Wärme von dem Heizelement zu dem Festelektrolytkörper, der Sensorelektrode und der Referenzelektrode zu erreichen.
Gassensor (1), aufweisend: eine Sensorvorrichtung (2), die eine Länge und eine planare Form aufweist; und ein Wärmeübertragungselement (38), wobei die Sensorvorrichtung beinhaltet, einen ersten Festelektrolytkörper (31A), der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, wobei der erste Festelektrolytkörper eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Endabschnitt aufweist, der mit dem ersten Endabschnitt in einer Längenrichtung der Sensorvorrichtung ausgerichtet sind, wobei der erste Festelektrolytkörper zudem eine erste Pumpelektrode (311A) und eine zweite Pumpelektrode (311B) aufweist, die auf dem vorderen Endabschnitt des ersten Festelektrolytkörpers angeordnet sind und einander gegenüberliegen, einen zweiten Festelektrolytkörper (31B), der so angeordnet ist, dass er dem ersten Festelektrolytkörper gegenüberliegt und eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, wobei der zweite Festelektrolytkörper eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Endabschnitt aufweist, der mit dem ersten Endabschnitt in der Längenrichtung ausgerichtet ist, wobei der zweite Festelektrolytkörper zudem eine Sensorelektrode (312A) und eine Referenzelektrode (312B) aufweist, die auf dem vorderen Endabschnitt des zweiten Festelektrolytkörpers angeordnet sind und einander gegenüberliegen, einen ersten Isolator (33C), der auf einer Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers gestapelt ist, auf dem die erste Pumpelektrode angeordnet ist, einen zweiten Isolator (33D), der zwischen einer Hauptoberfläche des ersten Festelektrolytkörpers, auf dem die zweite Pumpelektrode angeordnet ist, und einer Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers angeordnet ist, auf dem die Sensorelektrode angeordnet ist, einen dritten Isolator (33E), der auf einer Hauptoberfläche des zweiten Festelektrolytkörpers gestapelt ist, auf dem die Referenzelektrode angeordnet ist, eine Heizeinrichtung (34), die ein Heizelement (341) und ein Paar von Leitungen (342) beinhaltet, die mit hinteren Enden des Heizelements verbunden sind, wobei das Heizelement erregt wird, um Wärme zu erzeugen, wenn ihm eine elektrische Leistung zugeführt wird, und so angeordnet ist, dass es die erste Pumpelektrode, die zweite Pumpelektrode, die Sensorelektrode und die Referenzelektrode in einer Stapelrichtung (D), in der der Festelektrolytkörper, der erste Isolator, der zweite Isolator und der dritte Isolator gestapelt sind, zumindest teilweise überlappt, wobei die Heizeinrichtung in den dritten Isolator eingebettet ist, eine Gaskammer (35), die durch den ersten Festelektrolytkörper, den zweiten Festelektrolytkörper und den zweiten Isolator umgeben ist, und in der die zweite Pumpelektrode und die Sensorelektrode angeordnet sind, und einen Diffusionswiderstand (32), der in dem zweiten Isolator in Verbindung mit der Gaskammer angeordnet ist und durch den das Messgas der Gaskammer bei einer gegebenen Diffusionsrate zugeführt wird, wobei das Wärmeübertragungselement aus einem dichten Metalloxid gefertigt ist, das einen Durchlass des Messgases durch dasselbe blockiert, wobei das Wärmeübertragungselement zwischen der zweiten Pumpelektrode und der Sensorelektrode oder zwischen der zweiten Pumpelektrode, dem ersten Festelektrolytkörper, der Sensorelektrode und dem zweiten Festelektrolytkörper innerhalb eines Abschnitts der Gaskammer gehalten wird, wobei das Wärmeübertragungselement funktionsfähig ist, eine Übertragung der Wärme von dem Heizelement auf den ersten Festelektrolytkörper, die erste Pumpelektrode, und die zweite Pumpelektrode zu erreichen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Heizelement aus einem gewundenen leitfähigen Draht gefertigt ist, und wobei das Wärmeübertragungselement so angeordnet ist, dass es einen Abschnitt des Heizelements in der Stapelrichtung überlappt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei in einer der Elektroden ein Durchgangsloch (315) oder eine Aussparung ausgebildet ist, die sich durch dieselbe in der Stapelrichtung erstreckt, und wobei was Wärmeübertragungselement in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper durch das Durchgangsloch oder die Aussprung angeordnet ist und zudem in Kontakt ist mit einer Innenwandung der Elektrode, die das Durchgangsloch oder die Aussparung definiert.
Gassensor nach Anspruch 2 oder 4, wobei in der Sensorelektrode ein Durchgangsloch (315) oder eine Aussparung ausgebildet ist, die sich durch dieselbe in der Stapelrichtung erstreckt, und wobei das Wärmeübertragungselement in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper durch das Durchgangsloch oder die Aussparung und zudem in Kontakt mit einer Innenwandung der Sensorelektrode angeordnet ist, die das Durchgangsloch oder die Aussparung definiert.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei in der Referenzelektrode ein Durchgangsloch (315) oder eine Aussparung ausgebildet ist, die sich durch dieselbe in der Stapelrichtung erstreckt, und wobei das Wärmeübertragungselement in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper durch das Durchgangsloch oder die Aussparung und zudem in Kontakt mit einer Innenwandung der Referenzelektrode angeordnet ist, die das Durchgangsloch oder die Aussparung definiert.
Gassensor nach Anspruch 4, wobei der erste Isolator eine Länge mit einem vorderen Endabschnitt und einem hinteren Ende aufweist, die in einer Längsrichtung der Sensorvorrichtung ausgerichtet sind, wobei der Diffusionswiderstand in dem vorderen Endabschnitt des ersten Isolators angeordnet ist, wobei eine Schnittfläche des Wärmeübertragungselements, die sich senkrecht zur Stapelrichtung erstreckt, kleiner ist als die der Sensorelektrode, und wobei die Sensorelektrode einen vorderen Endabschnitt von einer Länge derselben aufweist, die sich in der Längsrichtung erstreckt, wobei der vordere Endabschnitt der Sensorelektrode mit dem Wärmeübertragungselement nicht in Kontakt steht, so dass der vordere Endabschnitt der Sensorelektrode dem Messgas ausgesetzt ist.
Gassensor nach Anspruch 10, wobei das Wärmeübertragungselement ein vorderes Ende (381) aufweist, das stromauf in einer Strömung des Messgases angeordnet ist und die Sensorelektrode kontaktiert, wobei das vordere Ende in einem Abstand von 0,2 mm oder mehr entfernt von einem vorderen Ende der Sensorelektrode angeordnet ist, die in der Strömung des Messgases stromauf in Richtung zu einem hintere Ende der Sensorvorrichtung in der Längenrichtung angeordnet ist.