DE102020112112A1

DE102020112112A1 - Temperatursensor und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102020112112A1
Application number: DE102020112112.1A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dobslaff
Original assignee: Thermo Sensor GmbH
Current assignee: Thermo Sensor GmbH
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor 10 und ein Herstellungsverfahren für einen Temperatursensor 10. Um einen besonders guten Schutz vor äußeren Einwirkungen zu erreichen, ist ein Temperatursensorelement 24a, 24b mit einer daran angeschlossenen elektrischen Zuleitung 14 in einer keramischen Vergussmasse 36 eingebettet und innerhalb eines Keramikrohres 34 angeordnet. Eine Metallhülse 20 mit einem äußeren Durchmesser von 6 mm oder weniger umgibt das Keramikrohr 34.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors.
Es sind verschiedene Typen von Temperatursensoren bekannt, die die Erfassung einer Temperatur mittels unterschiedlicher physikalischer Effekte erlauben. Temperatursensoren umfassen ein oder mehrere Temperatursensorelemente, wie bspw. ein Thermoelement, Schwingquarz, PTC- oder NTC-Element, etc., eine elektrische Zuleitung zum Sensorelement sowie ein umgebendes Gehäuse, eine Hülle oder ähnliches.
Temperatursensoren können zur Erfassung von Temperaturen in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise offenbart die DE 2 734 211 ein Thermometer mit Spitzenlastpunkt zum Abfühlen von Temperaturänderungen in einem durch ein Fließmittel gekühlten elektrischen Transformator. Ein hochwiderstandsfähiger Keramikkörper ist zwischen die Windungen einer Transformatorwicklung einführbar und enthält ein wärmeempfindliches Element.
Die DE 199 30 719 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Hochspannungsfestigkeit von Sensoren und einen Sensor mit erhöhter Hochspannungsfestigkeit. Dieser umfasst ein Sensorelement mit zwei elektrischen Anschlüssen, isolierte Zuführungsleitungen sowie einen Schrumpfschlauch, wobei die isolierten Zuführungsleitungen an die Anschlüsse angebracht sind. Der Schrumpfschlauch umgibt das Sensorelement und die Verbindungsstellen zwischen Sensorelement und Zuführungsleitungen in der Art, dass die Zuführungsleitungen auf einer der offenen Seiten des Schrumpfschlauchs herausgeführt werden. Die Hochspannungsfestigkeit von solchen Sensoren wird dadurch erhöht, dass eine Isolierung von mindestens 0,3 mm auf die Zuführungsleitungen aufgebracht und ein zweiter Schrumpfschlauch auf dem ersten Schrumpfschlauch positioniert wird.
Es kann als eine Aufgabe angesehen werden, einen Temperatursensor sowie ein Herstellungsverfahren hierfür vorzuschlagen, mit denen bei geringen Abmessungen ein besonders guter Schutz des Temperatursensorelements gegen äußere Einwirkungen erreicht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Temperatursensor nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor umfasst zumindest ein Temperatursensorelement und eine daran angeschlossene elektrischen Zuleitung. Bei dem Temperatursensorelement kann es sich je nach Einsatzzweck, geforderter Genauigkeit, Messbereich etc. um verschiede Arten von elektrischen Bauelementen oder Schaltungen handeln, die aufgrund eines physikalischen Effekts ein elektrisches Signal auf der Zuleitung in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur erzeugen oder modifizieren können. Besonders bevorzugt ist das Temperatursensorelement ein Widerstandstemperaturfühler, insbesondere ein PT100 oder PT1000 Element.
Erfindungsgemäß ist das Temperatursensorelement in einer keramischen Vergussmasse eingebettet und innerhalb eines Keramikrohres angeordnet. Eine solche Umhüllung aus keramischem Material erweist sich als besonders geeignet zum Schutz und zur Isolierung des Temperatursensorelements. Keramik ist besonders hart, chemisch beständig und weist eine hohe elektrische Isolation und Spannungsfestigkeit auf. Durch doppelte Einbettung in keramisches Material, nämlich einerseits Anordnung innerhalb eines Keramikrohres und andererseits Verfüllen des Bereichs um das Temperatursensorelement mit keramischer Vergussmasse, wird eine umfassende Isolierung erreicht.
Der Abschluss wird erfindungsgemäß vervollständigt durch eine Metallhülse, die das Keramikrohr umgibt. Die Metallhülse ist bevorzugt abgedichtet. Sie besteht besonders bevorzugt aus Edelstahl. So ist ein umfassender Schutz des Temperatursensorelements gewährleistet.
Die Metallhülse weist erfindungsgemäß einen Außendurchmesser von maximal 6 mm auf, bevorzugt 3-6 mm, besonders bevorzugt 4,5 - 5,5 mm. Dabei beträgt die Wandstärke der Metallhülse bspw. 0,05 - 0,3 mm, bevorzugt 0,1 - 0,3 mm, besonders bevorzugt 0,15 - 0,25 mm. Der Temperatursensor kann somit sehr kompakt gebaut werden. Bei derart geringen Abmessungen bestehen erhöhte Anforderungen an die Isolierung um das Temperatursensorelement und/oder die elektrische Zuleitung herum, die von der zweifachen keramischen Umhüllung erreicht werden.
Dabei erweist sich die Kombination aus einem Keramikrohr einerseits und einer keramischen Vergussmasse andererseits als in der Herstellung besonders gut geeignet. Das Rohr wird bevorzugt separat bei hohen Temperaturen gebrannt und ist somit besonders fest und dicht. Da viele Typen von Temperatursensorelementen hohen Brenntemperaturen nicht standhalten, ist es vorteilhaft, wenn sie in das fertig gebrannte Keramikrohr eingesetzt werden.
Bei der erfindungsgemäßen keramischen Vergussmasse handelt es sich um einen Werkstoff mit keramischen Bestandteilen, der bei der Verarbeitung zunächst formbar ist, bspw. flüssig, pastös oder sonstwie duktil. Somit kann die Vergussmasse um das Temperatursensorelement und die elektrische Zuleitung herum geformt und dieses so eingebettet werden. Bevorzugt reicht bei der Vergussmasse ein Härten bzw. Trocknen bei Temperaturen von weniger als 300°C, bevorzugt weniger als 250°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen von maximal 200 - 230°C aus, ohne dass ein Brennen bei hohen Temperaturen erforderlich ist, durch dass das Temperatursensorelement belastet wäre. Im fertigen Temperatursensor kann die ausgehärtete bzw. getrocknete Vergussmasse einen durchgehend festen Körper bilden, bei dem die Partikel des Pulvers miteinander verbunden sind, bspw. durch ein Matrixmaterial, oder bei dem in den Zwischenräumen zwischen Partikeln des Pulvers noch Bestandteile organischer Verbindungen vorhanden sind. Während es bevorzugt ist, dass durch ein Matrixmaterial oder organische Verbindungen eine zumindest teilweise Verfüllung von Zwischenräumen und/oder sogar eine Versiegelung erfolgt, kann die getrocknete Vergussmasse alternativ aber auch rein als verdichtetes Pulver aus einzelnen keramischen Partikeln vorliegen, welches das Temperatursensorelement umgibt. Besonders bevorzugt ist die getrocknete Vergussmasse wasserabweisend, so dass sie keine Feuchtigkeit aufnimmt.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor eignet sich bei geringen äußeren Abmessungen besonders zur Auslegung zum Erreichen hoher Isolierung und Spannungsfestigkeit zwischen der metallischen Hülle und dem Temperatursensorelement sowie der elektrischen Zuleitung. Durch die Kombination aus einer metallischen Hülse und dem keramischen Rohr kann es hohen Temperaturen sowie Temperaturschwankungen und mechanischen Beanspruchungen standhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Keramikrohr und der Metallhülse ebenfalls keramische Vergussmasse angeordnet, bevorzugt in ausgehärteter bzw. getrockneter Form, als bspw. als Pulver. Besonders bevorzugt ist ein dortiger Zwischenraum vollständig mit der keramischen Vergussmasse gefüllt, so dass eine Bewegung des Keramikrohrs innerhalb der Metallhülse ausgeschlossen ist, was die Beständigkeit gegenüber mechanischen Beanstandungen (Schwing- und Stoßprüfung) erhöht. Dabei ist es fertigungstechnisch oft nicht möglich oder zumindest sehr aufwendig, einen gewissen Zwischenraum zwischen Keramikrohr und Metallhülse zu vermeiden, insbesondere wenn das Keramikrohr in die Metallhülse eingeschoben werden soll. Hingegen ist die keramische Vergussmasse bei der Herstellung formbar und kann den Zwischenraum gut ausfüllen. Die dortige Vergussmasse kann aus demselben Material bestehen wie die innerhalb des Keramikrohrs verwendete keramische Vergussmasse, ebenso sind aber auch verschiedene Materialien wählbar.
Bevorzugt wird eine keramische Vergussmasse verwendet, die ein keramisches Pulver umfasst. Zusätzlich kann die Vergussmasse bei der Verarbeitung ein Lösungsmittel, Verdünnungsmittel und/oder Bindemittel umfassen, nachfolgend vereinfachend zusammengefasst als Verdünnungsmittel bezeichnet. Das Verdünnungsmittel kann im ausgehärteten bzw. getrockneten Zustand der Vergussmasse ganz oder bevorzugt teilweise verdampft oder auf andere Weise entfernt sein. Bspw. kann als Verdünnungsmittel Wasser oder, besonders bevorzugt, eine Mischung aus Wasser und weiteren Bestandteilen verwendet werden. Als weitere Bestandteile kommen bspw. Benetzungsmittel in Frage, die eine Verbesserung der Benetzung des Pulvers erreichen. Bevorzugt können die weiteren Bestandteile zusätzlich oder alternativ zu Benetzungsmitteln weitere organische Verbindungen umfassen, z.B. Kohlenwasserstoffe, insbesondere Alkohole, aromatische Kohlenwasserstoffe und/oder reine Kohlenwasserstoffe. Kohlenwasserstoffe können z.B. in einem Anteil von 5 - 30%, bevorzugt 10 - 20% im Verdünnungsmittel vorhanden sein. Ein bevorzugtes Verdünnungsmittel umfasst 1 - 5% Alkohole und 5 - 13% aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Xylol und Ethylbenzol, Rest Wasser. Besonders bevorzugt ist ein Verdünnungsmittel mit 80 - 90% Wasser, 5 - 10% Xylol, 0-3 % Ethylbenzol, 2 - 3% 2-Methyl-1-propanol, Isobutanol, Isobutylalkohol, 2-Methylpropanol-1 sowie 0,5 - 0,99% Methanol, Methylalkohol.
Aus einem Bindemittel kann nach dem Aushärten eine Bindemittelmatrix gebildet werden, in der das Pulver eingebettet und zu einer festen Masse verbunden ist. Ebenso ist es aber möglich, dass die ausgehärtete Vergussmasse vollständig oder nahezu vollständig nur das keramische Pulver umfasst. Dieses kann durch die vorherige Verarbeitung als Vergussmasse verdichtet sein, so dass es bspw. durch Verschränkung der Pulverpartikel oder andere mechanische Effekte zusammenhaftet. Bevorzugt verbleiben in der getrockneten Vergussmasse Reste von organischen Zusätzen zum Verdünnungsmittel, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe, bspw. Xylol und/oder Ethylbenzol. Solche Reste organischer Zusätze imprägnieren bevorzugt das Pulver, so dass es zusammenhaftet und dabei wasserabweisend ist.
Die getrocknete bzw. ausgehärtete Vergussmasse weist bevorzugt eine Dichte von mehr als 1 kg / Liter auf, bspw. 1 - 2 kg / l. Weiter bevorzugt beträgt die Dichte mehr als 1, 3 kg / l, besonders bevorzugt 1,4 - 1,8 kg / l.
Bevorzugt umfassen die keramischen Partikel des keramischen Pulvers als Hauptbestandteil Aluminiumoxid. Dieses ist hart und besonders beständig. Ein weiterer Bestandteil ist bevorzugt Magnesiumoxid. Besonders bevorzugt umfasst die Vergussmasse Aluminiumoxid und MgO-P₂O₅.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das keramische Pulver feinkörnig ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann es bspw. eine Körnung von weniger als 5µm aufweisen. Bevorzugt ist die Körnung geringer als 3µm , besonders bevorzugt geringer als 2µm . Durch eine solch kleine Körnung ist eine hohe Dichte der ausgehärteten Vergussmasse erreichbar, so dass eine hohe Spannungsfestigkeit erreichbar ist.
Das Keramikrohr kann verschieden ausgebildet sein. Bevorzugt besteht es aus einem Tonerdeporzellanmaterial. Besonders bevorzugt ist ein Alkali-Aluminiumsilikatmaterial. Die Dichte des Materials des Keramikohrs ist bevorzugt hoch, bspw. höher als 2 g/cm³. Bevorzugt ist eine noch höhere Dichte von bspw. mehr als 2,4 g/cm³, besonders bevorzugt 2,5 g/cm³ oder höher. Die Porosität des Materials des Keramikrohrs beträgt bevorzugt 0,1% oder weniger.
Das Keramikrohr passt bevorzugt mit nur geringem Spiel von bspw. weniger als 0,2 mm, bevorzugt weniger als 0,1 mm in die metallische Hülle, so dass nur ein geringer Zwischenraum verbleibt.
Die Wandstärke des Keramikrohres kann bspw. 0,2 bis 0,5 mm betragen, bevorzugt 0,25 - 0,35 mm. Mit einer solchen Wandstärke ergibt sich, insbesondere bei enger Metallhülse, ein guter Kompromiss zwischen dem noch für die Anordnung des Temperatursensorelements verbleibenden Raumes und einer hohen elektrischen Isolation und Spannungsfestigkeit.
Die Metallhülse ist bevorzugt kreiszylindrisch. Ihre Länge ist bevorzugt erheblich größer als der Durchmesser, bspw. mehr als 5-fach so groß. Bspw. kann die Länge der Metallhülse mindestens 25 mm betragen, bevorzugt mindestens 50 mm. Die Metallhülse ist bevorzugt am Ende abgeschlossen, bspw. durch Formen einer Spitze, Verschweißen, Einbringen eines Stopfens, etc.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Temperatursensor zwei Temperatursensorelemente. Diese können in Längsrichtung voneinander beabstandet sein, sind aber bevorzugt nebeneinander angeordnet. Bei bevorzugten PTC- Temperatursensorelementen, insbesondere Platin-Temperatursensorelementen, können insbesondere Trägerelemente der Temperatursensorelemente, bspw. Keramik-Plättchen, Rücken an Rücken angeordnet sein, während darauf angebrachtes PTC-Material, insbesondere Platin, auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet ist. Durch zwei oder mehr Temperatursensoren kann eine redundante Erfassung erfolgen, so dass insbesondere Fehlerzustände erkennbar sind.
Die elektrische Zuleitung kann bspw. je Temperatursensorelement 2-polig sein. Dabei sind die Leiter der verschiedenen Pole bevorzugt parallel, allerdings voneinander elektrisch isoliert. Zur Isolation können insbesondere Glasmaterialien und/oder Kunststoffe verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrische Zuleitung zumindest über einen Teil ihrer Länge mit Glasseide umhüllt sein, insbesondere in dem Teil, der innerhalb der keramischen Vergussmasse eingebettet ist. Glasseide ist besonders temperaturfest, so dass es sich für die Erfassung von hohen Temperaturen als vorteilhaft erweist, wenn die innerhalb der metallischen Hülse verlaufende Länge der elektrischen Zuleitung ganz oder überwiegend mit Glasseide umhüllt ist. Parallele Leiter sind dabei bevorzugt je einzeln umhüllt.
Die elektrische Zuleitung ist bevorzugt an einem Ende aus der Metallhülse herausgeführt. Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Zuleitung an einer Austrittsstelle aus der Metallhülse durch einen Stopfen aus einem Kunststoffmaterial abgedichtet ist. Der Stopfen kann bspw. in die Öffnung der Metallhülse eingeschoben und dort fixiert sein, bspw. durch Einpressen. Der Stopfen weist bevorzugt eine oder mehrere Längsbohrungen auf, in denen die Leiter der elektrischen Zuleitung verlaufen. Als Material für den Stopfen kann bspw. PPS oder PEEK verwendet werden. In bevorzugten Ausführungsformen kann der Stopfen einen Flansch aufweisen. Die metallische Hülse kann bevorzugt um den Stopfen verpresst sein.
Als Umhüllung für die elektrische Zuleitung kann bspw. außerhalb der Metallhülse und/oder im Bereich des Stopfens ein Fluorpolymermaterial verwendet werden, bevorzugt PTFE, PFA oder FEP. Besonders geeignet ist ein solches Material, wenn der Stopfen durch Verpressen mit der Umhüllung aus diesem Material abdichtet, während bspw. mit Glasseide keine vergleichbare Abdichtung erreichbar ist. Es hat sich als bevorzugt erwiesen, wenn die Umhüllung aus Fluorpolymermaterial hinter dem Stopfen um eine gewisse Länge in die metallische Hülse hineinragt, bspw. um mindestens 2 mm, bevorzugt um 5mm oder mehr.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors sieht vor, dass mindestens ein Temperatursensorelement mit einer daran angeschlossenen elektrischen Zuleitung innerhalb eines Keramikrohres angeordnet wird, eine keramische Vergussmasse so angeordnet wird, dass das Temperatursensorelement darin eingebettet wird, die keramische Vergussmasse ausgehärtet wird, und das Keramikrohr mit dem Temperatursensorelement und der keramischen Vergussmasse in eine Metallhülse eingesteckt wird. Dabei kann wie erläutert ein Aushärten der Vergussmasse bei einer Temperatur erfolgen, die das Temperatursensorelement nicht beschädigt, bspw. bei einer Temperatur im Bereich von 100 - 300°C, bevorzugt 150 - 240°C.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann weitere keramischen Vergussmasse in die Metallhülse und/oder Außen auf das Keramikrohr gegeben werden, bevor das Keramikrohr in die Metallhülse eingesteckt wird. Das Aushärten der weiteren keramischen Vergussmasse kann innerhalb der Metallhülse erfolgen, bevorzugt in einem separaten Aushärte-Schritt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann die keramische Vergussmasse ein keramisches Pulver aus Partikeln mit Hauptbestandteil Aluminiumoxid und ein Verdünnungsmittel umfassen. Das Verdünnungsmittel umfasst bevorzugt Wasser und organische Bestandteile, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe. Zusätzlich zu Wasser kann das Verdünnungsmittel Benetzungsmittel aufweisen, so dass eine gute Durchmischung des Pulvers ermöglicht ist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

1 in perspektivischer Ansicht eine erste Ausführungsform eines Temperatursensors;
2 eine Längsschnittansicht eines Teils des Temperatursensors aus 1 in einer ersten Schnittebene;
3 eine vergrößerte Längsschnittansicht eines Teils des Temperatursensors aus 1,2 in einer zweiten, zur ersten Schnittebene senkrechten Schnittebene;
4,5 in perspektivischer Ansicht Elemente des Temperatursensors bei der Fertigung;
6a - 6c in perspektivischer Ansicht eine zweite, dritte und vierte Ausführungsform eines Temperatursensors.

1 zeigt beispielhaft einen Temperatursensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Dieser umfasst einen Messstab 12, von dem eine Zuleitung 14 zu einem Stecker 16 führt. Der Messstab 12 weist eine Hülse 20 aus Edelstahl und eine Überwurfmutter 20 auf, mit dem er an einer Messstelle angebracht werden kann. Die Hülse 20 weist einen äußeren Durchmesser von 5 mm auf und hat eine Wandstärke von 0,2 mm.
2,3 zeigen den Messstab 12 im Längsschnitt. Innerhalb der Hülse 20 sind knapp hinter der Spitze 18 zwei Temperatursensorelemente 24a, 24b symmetrisch zur Mitte angeordnet, von denen in der Ansicht von 2 nur das obere Temperatursensorelement 24a sichtbar ist. Im Längsschnitt von 3 sind beide Temperatursensorelemente 24a, 24b gezeigt. Es handelt sich im gezeigten Beispiel um PT1000 - Temperatursensorelemente, die jeweils ein Keramik-Trägerplättchen 26 und ein darauf aufgebrachtes Platin-Element 28 umfassen. Die Temperatursensorelemente 24a, 24b sind dabei Rücken an Rücken angeordnet, d.h. die Trägerplättchen 26 liegen mit ihren Rückseiten aufeinander, während die Platin-Elemente 28 jeweils auf der abgewandten Seite angeordnet sind.
Die Temperatursensorelemente 24a, 24b sind mittig innerhalb der Hülse 20 angeordnet und jeweils 2-polig elektrisch an die Zuleitung 14 angeschlossen, welche somit 4-adrig ist. Die Adern der Zuleitung 14 sind innerhalb der Hülse 20 durch Glasseide-Umhüllungen 30 voneinander isoliert. Im weiteren Verlauf der Zuleitung 14 bis zum Stecker 16 sind die Adern durch PTFE-Schläuche 32 umhüllt.
Im Inneren der Hülse 20 befindet sich ein Keramikrohr 34, welches die Temperatursensorelemente 24a, 24b und Zuleitung 14 umgibt. Das Keramikrohr 34 besteht im bevorzugten Ausführungsbeispiel aus C130 Alkali-Aluminiumsilikat, d.h. einem Tonerdeporzellanmaterial, und weist eine Dichte von 2,6 g/cm³ auf. Die Porosität beträgt weniger als 0,1% und die Wandstärke 0,3 mm.
Das Innere des Keramikrohrs 34 ist durch eine keramische Vergussmasse 36 ausgefüllt, so dass die Temperatursensorelemente 24a, 24b und die Zuleitung darin eingebettet sind.
Die Zuleitung 14 ist an einem rückseitigen Ende 38 der Hülse 20 aus dieser herausgeführt. Das rückseitige Ende 38 ist dabei durch einen Stopfen 40 abgedichtet. Im dargestellten Beispiel besteht der Stopfen 40 aus PPS und ist zylindrisch mit einem mittleren Flansch und vier Längsbohrungen, durch die die vier Adern der Zuleitung 14 durchgesteckt sind. Der Stopfen 40 ist in die Hülse 20 an deren rückseitigem Ende 38 eingesetzt und dort durch eine Verpressung 42 fixiert und abgedichtet. Die PTFE-Schläuche 32 ragen um einen Betrag von ca. 5 mm in das Innere der Hülse 20 hinein, so dass sie den Stopfen 40 durchdringen und eine Abdichtung so sichergestellt ist.
Bei der Herstellung des Temperatursensors 10 werden zunächst die Temperatursensorelemente 24a, 24b an die Zuleitung 14 angeschlossen (4) und die so gebildete Einheit in das Keramikrohr 34 eingeschoben. Unter Sicherstellung der positionsgenauen mittigen Anordnung der Temperatursensorelemente 24a, 24b wird eine pastöse Vergussmasse eingefüllt, die die Temperatursensorelemente 24a, 24b einbettet.
Bei der Vergussmasse handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um ein Pulver aus keramischen Partikeln einer Körnung von 1 - 1,5 µm, umfassend als Hauptbestandteil 60- 90 % Aluminiumoxid sowie 10 - 20% Magnesiumoxid und weitere 5 - 15% Magnesiumbis(dihydrogenorthoposphat).
Für die Verarbeitung wird das Pulver mit einem Verdünnungsmaterial gemischt. In einer ersten Ausführung wird als Verdünnungsmittel reines Wasser verwendet, in einer zweiten Ausführung ein Verdünnungsmittel mit aromatischen Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und 80-90% Wasseranteil. Das Verdünnungsmittel umfasst im bevorzugten Beispiel 5 - 10% Xylol, 0-3 % Ethylbenzol, 2 - 3 % 2-Methyl-1-propanol, Isobutanol, Isobutylalkohol, 2-Methylpropanol-1 sowie 0,5 - 0,99% Methanol, Methylalkohol. Bestandteile des Verdünnungsmittels wirken dabei als Benetzungsmittel, um eine vollständige Benetzung des Pulvers zu ermöglichen.
Die die Temperatursensorelemente 24a, 24b innerhalb des Keramikrohrs 34 einbettende Vergussmasse 36 wird nachfolgend in mehreren Stufen mit Temperaturen bis zu 220°C getrocknet. Nach Trocknung liegt das keramische Pulver der Vergussmasse 36 eng verdichtet vor.
Bei der ersten Ausführung mit Wasser als Verdünnungsmittel ist dieses bei der Trocknung vollständig entfernt worden, so dass die getrocknete Vergussmasse als reines Pulver vorliegt. Bei der zweiten Ausführung werden zwar die Bestandteile des Verdünnungsmittels während der Trocknung überwiegend entfernt, allerdings verbleiben Bestandteile der organischen Zusätze, die das Pulver imprägnieren und wasserabweisend machen, so dass es keine Feuchtigkeit aufnimmt.
Die getrocknete und ausgehärtete Vergussmasse wirkt elektrisch isolierend mit hoher Durchschlagfestigkeit. Dabei hat sich erwiesen, dass die Durchschlagfestigkeit in der zweiten Ausführung mit einem Verdünnungsmittel, das zusätzlich zu Wasser organische Bestandteile aufweist, erheblich höher ist als bei reinem Wasser als Verdünnungsmittel. Aufgrund der geringen Feuchtigkeitsaufnahme bleibt die Durchschlagfestigkeit in diesem Fall auch langfristig erhalten.
Die aus dem Keramikrohr 34, Temperatursensorelementen 24a, 24b, Zuleitung 14 und der getrockneten Vergussmasse 36 gebildete Einheit wird anschließend in die Hülse 20 eingesteckt, wofür durch geeignete Toleranzen ausreichendes Spiel zwischen dem Außendurchmesser des Keramikrohrs 34 und dem Innendurchmesser der Hülse 20 besteht. Um dennoch im fertigen Temperatursensor 10 eine spielfreie Anordnung des Keramikrohrs 34 in der Hülse 20 zu erreichen, wird eine geringe Menge derselben keramischen Vergussmasse in die Hülse 20 gegeben bzw. außen auf dem Keramikrohr 34 aufgetragen um so den geringen Zwischenraum 44 (s. 3) zwischen beiden auszufüllen. Der Zwischenraum 44 wird mit einer sehr geringen Menge von 0,1 - 0,5 g der Vergussmasse gefüllt; in den Zeichnungen ist diese innerhalb des Zwischenraums 44 wegen der geringen Abmessungen nicht dargestellt.
Nach dem Einbringen der Keramikrohrs 34 in die Hülse 20 folgt zunächst ein weiterer Trocknungsschritt für die keramische Vergussmasse im Zwischenraum 44. Danach wird die Hülse rückseitig durch Einsetzen des Stopfens 40 und Einbringen der Verpressung 42 abgedichtet.
Der so fertiggestellte Temperatursensor 10 besteht die Tests zur Sensorfunktion und - bedingung gemäß DIN EN 60751 und ist in Temperaturbereichen bis 450°, aber auch darüber hinaus bis 600 °C einsetzbar. Dabei ermöglicht die Anordnung von zwei separaten Temperatursensorelementen 24a, 24b eine redundante Temperaturerfassung. Durch symmetrische und mittige Anordnung der Temperatursensorelemente 24a, 24b und homogene Füllung mit der Vergussmasse 36 ist ein angeglichenes Ansprechverhalten der Temperatursensorelemente 24a, 24b sichergestellt. Die doppelte Isolierung mit Keramikmaterial, einerseits dem Keramikrohr 34 und andererseits der getrockneten bzw. ausgehärteten Vergussmasse 36, stellt trotz der knappen Abmessungen eine hohe elektrische Isolation und Durchschlagfestigkeit der Zuleitung 14 und Temperatursensorelemente 24a, 24b gegenüber der Hülse 20 sicher. So wird bei der beschriebenen zweiten Ausführung eine außerordentliche Durchschlagfestigkeit von 4 kV erreicht. Aufgrund der Abdichtung mittels des Stopfens 40 und der Eigenschaft der Vergussmasse 36 sowie des Keramikrohrs 34, keine Feuchtigkeit aufzunehmen, bleibt die Isolation und Durchschlagfestigkeit langfristig erhalten. Dabei ist der Temperatursensor 10 durch die Edelstahl-Hülse 20 und die keramische Umhüllung der Temperatursensorelemente 24a, 24b mechanisch unempfindlich.
6a - 6c zeigen Temperatursensoren 110, 210, 310 gemäß weiteren Ausführungsformen. Dabei stimmt der Aufbau weitgehend mit dem Temperatursensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform überein; gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Temperatursensoren 110, 210, 310 unterscheiden sich vom Temperatursensor 10 dabei durch unterschiedliche Längen des Messstabs 12 sowie der Zuleitung 14 und unterschiedlich geformte Stecker 16. Im Gegensatz zum Temperatursensor 10 weisen die Temperatursensoren 110, 210, 310 keine Überwurfmutter 22 auf, allerdings ist beim Temperatursensor 310 eine weitere Hülse 322 um den Stopfen 40 am rückseitigen Ende der Hülse 20 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

10: Temperatursensor
12: Messstab
14: Zuleitung
16: Stecker
18: Spitze
20: Hülse
22: Überwurfmutter
24a,b: Temperatursensorelemente
26: Keramik-Trägerplättchen
28: Platin-Element
30: Glasseide-Umhüllungen
32: PTFE-Schlauch
34: Keramikrohr
36: Vergussmasse
38: rückseitiges Ende der Hülse 20
40: Stopfen
42: Verpressung an der Hülse 20
44: Zwischenraum zwischen Hülse 20 und Keramikrohr 34

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2734211 [0003]
DE 19930719 A1 [0004]

Claims

Temperatursensor, mit - mindestens einem Temperatursensorelement (24a, 24b) und einer daran angeschlossenen elektrischen Zuleitung (14), - wobei das Temperatursensorelement (24a, 24b) in einer keramischen Vergussmasse (36) eingebettet und innerhalb eines Keramikrohres (34) angeordnet ist, - wobei eine Metallhülse (20) das Keramikrohr (34) umgibt, - und wobei die Metallhülse (20) zumindest im Bereich um das Temperatursensorelement (24a, 24b) einen äußeren Durchmesser von 6 mm oder weniger aufweist.
Temperatursensor nach Anspruch 1,bei dem - zwischen dem Keramikrohr (34) und der Metallhülse (20) ebenfalls keramische Vergussmasse angeordnet ist.
Temperatursensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - die keramische Vergussmasse (36) ein keramisches Pulver umfasst.
Temperatursensor nach Anspruch 3, bei dem - die keramische Vergussmasse (36) eine Pulverdichte von mehr als 1 kg / 1 aufweist.
Temperatursensor nach Anspruch 3 oder 4, bei dem - das keramische Pulver als Hauptbestandteil Aluminiumoxid umfasst.
Temperatursensor nach Anspruch 5, bei dem - das keramische Pulver Magnesiumoxid umfasst.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3-6, bei dem - das keramische Pulver eine Körnung von weniger als 5 µm aufweist.
Temperatursensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - das Keramikrohr (34) aus einem Tonerdeporzellanmaterial besteht.
Temperatursensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - zwei Temperatursensorelemente (24a, 24b) nebeneinander angeordnet sind, wobei jedes Temperatursensorelement (24a, 24b) mittels je einer 2-adrigen elektrischen Leitung angeschlossen ist.
Temperatursensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - die Wandstärke des Keramikrohres (34) 0,2 bis 0,5 mm beträgt.
Temperatursensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - die elektrische Zuleitung (14) mit Glasseide umhüllt ist.
Temperatursensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - die Zuleitung (14) an einer Austrittsstelle (38) aus der Metallhülse (20) durch einen Stopfen (40) aus einem Kunststoffmaterial abgedichtet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 12, bei dem - die elektrische Zuleitung (14) im Bereich des Stopfens (40) mit einem Fluorpolymer umhüllt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors, bei dem - mindestens ein Temperatursensorelement (24a, 24b) mit einer daran angeschlossenen elektrischen Zuleitung (14) innerhalb eines Keramikrohres (34) angeordnet wird, - und eine keramischen Vergussmasse (36) so angeordnet wird, dass das Temperatursensorelement (24a, 24b) darin eingebettet wird, - die keramische Vergussmasse (36) ausgehärtet bzw. getrocknet wird, - und das Keramikrohr (34) mit dem Temperatursensorelement (24a, 24b) und der keramischen Vergussmasse (36) in eine Metallhülse (20) mit einem äußeren Durchmesser von 6 mm oder weniger eingesteckt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem - eine weitere keramischen Vergussmasse in die Metallhülse (20) und/oder außen auf das Keramikrohr (34) gegeben wird, bevor das Keramikrohr (34) in die Metallhülse (20) eingesteckt wird, - und die weitere keramische Vergussmasse innerhalb der Metallhülse (20) ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem - die keramische Vergussmasse (36) ein keramisches Pulver mit Hauptbestandteil Aluminiumoxid und ein Verdünnungsmittel umfasst, das Wasser und organische Bestandteile umfasst.