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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Drucksensoren zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums, also eines Gases oder einer Flüssigkeit bekannt, die an unterschiedliche Verwendungszwecke und Einbausituationen angepasst sind. Einige der Drucksensoren weisen zum Schutz des eigentlichen Drucksensorelementes vor korrosiven Medien eine sogenannte Ölvorlage auf. Ein derartiger Drucksensor ist beispielweise aus der
DE 101 07 813 A1 bekannt, welche Schrift einen Drucksensor zeigt, der einen Adapter mit einem Ölkanal aufweist. Ein für den Anschluss an das zu messende Medium bestimmtes Ende des Ölkanals ist mit einer Trennmembran verschlossen, das davon abgewandte andere Ende steht mit einer Druckmesszelle in Verbindung. Der an der Trennmembran anliegende Druck des Messmediums wird über das im Ölkanal enthaltene Druckübertragungsmedium auf die Druckmesszelle übertragen, wodurch die Druckmesszelle vor korrosiven Substanzen im Messmedium geschützt ist.
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Ein Drucksensor mit Ölvorlage neuerer Bauart ist beispielsweise aus der
DE 10 2017 213 A1 bekannt. Der Drucksensor umfasst ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum und ein in dem Gehäuseinnenraum angeordnetes Drucksensormodul mit einem Trägerteil und mit einem an dem Trägerteil angeordneten Drucksensorelement, das in einer mit einem Druckübertragungsmedium befüllten Ölkammer angeordnet ist. Die Ölkammer ist von einer an dem Drucksensormodul angeordneten Trennmembran verschlossen, welche die Ölkammer von einem ersten Druckanschluss des Drucksensors öldicht trennt. Das Drucksensormodul wird im Gehäuse auf eine Gehäuseinnenwand aufgeklebt. Als erster Druckanschluss dient ein von einer Außenseite des Gehäuses nach außen abstehenden Druckstutzen mit einem in dem Druckstutzen verlaufenden, mit einem nach außen offenen ersten Ende versehener Druckkanal zur Zuführung des zu erfassenden Drucks des fluiden Mediums zu der Trennmembran.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums, umfassend ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, ein in dem Gehäuseinnenraum angeordnetes Drucksensormodul mit einem Trägerteil und mit einem an dem Trägerteil angeordneten Drucksensorelement, das in einer mit einem Druckübertragungsmedium befüllten Ölkammer angeordnet ist, eine Trennmembran, welche die Ölkammer von einem ersten Druckanschluss des Drucksensors öldicht trennt, und einen als ersten Druckanschluss vorgesehenen, von einer Außenseite des Gehäuses nach außen abstehenden Druckstutzen mit einem in dem Druckstutzen verlaufenden, mit einem nach außen offenen ersten Ende versehenen Druckkanal zur Zuführung des zu erfassenden Drucks des fluiden Mediums zu der Trennmembran. Erfindungsgemäß ist in das Gehäuse ein mit der Ölkammer verbundener, an der Außenseite des Gehäuses mündender Ölkanal eingelassen ist, wobei der Druckstutzen mit dem Druckkanal als ein von dem Gehäuse separates Teil gefertigt ist, ein von dem ersten Ende abgewandtes zweites Ende des Druckkanals mit einer an einem Anschlussabschnitt des Druckstutzes befestigten, dem Ölkanal gegenüberliegenden Trennmembran mediendicht verschlossen ist und der Druckstutzen mit dem Anschlussabschnitt an einer Fügestelle mit dem Gehäuse fest verbunden ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors, bei dem ein als Druckanschluss vorgesehener Druckstutzen mit einem in dem Druckstutzen verlaufenden Druckkanal und mit einem Anschlussabschnitt als separates Teil gefertigt wird und eine Trennmembran an dem Anschlussabschnitt befestigt wird, so dass von einem offenen ersten Ende des Druckkanals abgewandtes zweites Ende des Druckkanals mit der Trennmembran mediendicht verschlossen wird. In einem weiteren Herstellungsschritt kann der Anschlussabschnitt des Druckstutzens an dem Gehäuse derart angeordnet werden, dass der Druckstutzen von der Außenseite des Gehäuses absteht und die Trennmembran dem Ölkanal gegenüberliegt und die Ölkammer von dem Druckanschluss öldicht trennt. Durch Herstellung einer festen Materialverbindung im Fügebereich zwischen dem Druckstutzen und dem Gehäuse wird der Druckstutzen fest mit dem Gehäuse verbunden. Zuletzt erfolgt die Befüllung der Ölkammer mit dem Druckübertragungsmedium.
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Vorteile der Erfindung
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Bei den beispielsweise aus der
DE 10 2017 213 A1 bekannten Drucksensoren wird für die Verbindung des Drucksensormoduls mit dem Gehäuse ein Klebstoff eingesetzt. Der Klebstoff kann in flüssigen Medien wie zum Beispiel Kraftstoff oder Wasser/Glykol-Gemischen über die Fahrzeuglebensdauer des Drucksensors nicht ausreichend robust sein. Eine Ablösung des im Gehäuseinnenraum aufgeklebten Drucksensormoduls kann jedoch zu einer problematischen Leckage des Drucksensors führen. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass bei dem bekannten Konzept einerseits ein medienbeständiges Kunststoffmaterial und andererseits ein Kunststoff mit guten Klebeeigenschaften benötigt wird. Der Klebstoff muss robust und dauerhaft am Gehäusematerial stoffschlüssig anhaften. Der für das Gehäuse oft eingesetzte Kunststoff PBT (Polybutylenterephthalat) weist zwar gute Klebeeigenschaften auf, ist jedoch für beispielsweise Glykol-/Wassergemisch-Anwendungen ungeeignet und kann über die Lebensdauer des Drucksensors durch Hydrolyse bei höherer Temperatur rissig werden.
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Vorteilhaft weist der erfindungsgemäße Drucksensor eine ausreichende Robustheit in korrosiven fluiden Medien, insbesondere in Flüssigkeiten und Gasen auf und eignet sich daher ebenso für Anwendungen in Kraftstoffleitungen wie Abgasleitungen für Diesel- oder Benzin-Fahrzeuge wie für Brennstoffzellen-Anwendungen (Fuel Cells) oder Wasser/Glykol-Gemische (Thermomanagement in Kühlkreisläufen). Ein wichtiger Vorteil ist die unabhängige Auswahl des Kunststoffmaterials des Gehäuses, was dadurch erreicht wird, dass der Druckstutzen als separates Teil hergestellt und mit der Trennmembran versehen und erst anschließend mit dem Gehäuse verbunden wird. Dadurch kann das Gehäuse des Drucksensors beispielweise aus PBT-Material mit guten Klebeeigenschaften und der Druckstutzen aus einem Kunststoffmaterial mit sehr hoher Robustheit gegen korrosive Medien gefertigt werden. Der Drucksensor kann zudem sehr preisgünstig hergestellt werden. Der Drucksensor kann als Absolutdrucksensor oder als Differenzdrucksensor ausgebildet sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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Unter einem Ölkanal wird im Kontext der Anmeldung ein hydraulischer Kanal für ein Druckübertragungsmedium verstanden, bei dem es sich um eine weitgehend inkrompressible Flüssigkeit wie beispielsweise ein Öl handeln kann. Aber auch andere geeignete flüssige Druckübertragungsmedien kommen in Frage.
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Vorteilhaft kann der Ölkanal von einem von der Außenseite des Gehäuses abstehenden umlaufenden Kragen umgeben sein und der Druckstutzen mit dem Anschlussabschnitt in den umlaufenden Kragen eingeführt sein. Der Kragen erleichtert die Montage und Anordnung des Druckstutzens am Gehäuse des Drucksensors. Die mechanische Verbindung zwischen Druckstutzen und Gehäuse kann vorteilhaft zum Beispiel durch Laserschweißen an einer Fügestelle im Übergangsbereich von Kragen und Anschlussabschnitt ausgebildet werden.
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Das Gehäuse kann eine von dem umlaufenden Kragen umrandete Außenfläche aufweisen, in welcher der Ölkanal einmündet. Die Trennmembran kann der Außenfläche gegenüberliegen und parallel zu der Außenfläche verlaufen, so dass vorteilhaft zwischen der Trennmembran und der Außenfläche ein mit dem Druckübertragungsmedium befüllter Spalt gebildet ist, der über den Ölkanal mit der Ölkammer in Verbindung steht. Bei einer Auslenkung der Trennmembran durch den an dem ersten Druckanschluss anstehenden Druck wird die Trennmembran in den Spalt verformt. Der Druckanstieg in dem Spalt wird über den Ölkanal an die Ölkammer und das Drucksensorelement übertragen. Die Trennmembran kann aus einem Material mit geringer Steifigkeit hergestellt sein, um Fehler bei der Druckübertragung zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist ein größerer Durchmesser und eine im Verhältnis dazu geringere Dicke der Trennmembran von Vorteil, was durch den beschriebenen Aufbau mit Spalt vorteilhaft gewährleistet werden kann.
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Eine Befüllung der Ölkammer und des Spaltes kann in einfacher Weise durch einen in dem Gehäuse ausgebildeten Befüllungskanal erfolgen.
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Dadurch, dass das Gehäuse ein Gehäusebodenteil und einen darauf aufgesetzten Gehäusedeckel aufweist, wobei zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäusebodenteil der Gehäuseinnenraum gebildet ist, kann das Drucksensormodul in einfacher Weise in dem Gehäuseinnenraum, der im Anschluss mit Gehäusedeckelteil verschlossen werden kann, montiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Drucksensor zusätzlich einen zweiten Druckanschluss aufweisen, wobei der zweite Druckanschluss einen weiteren Druckstutzen mit einem weiteren Druckkanal aufweist. Der weitere Druckkanal kann wie der Druckkanal an einem von einem offenen ersten Ende abgewandten zweiten Ende des weiteren Druckkanals mit einer an einem Anschlussabschnitt des weiteren Druckstutzens befestigten zweiten Trennmembran mediendicht verschlossen sein, wobei die zweite Trennmembran eine in dem Gehäuse ausgebildete zweite Ölkammer von dem zweiten Druckanschluss öldicht trennt, wobei die zweite Ölkammer in dem Gehäuse auf einer von dem Drucksensorelement abgewandten Seite des Trägerteils ausgebildet und über einen Durchbruch in dem Trägerteil mit dem Drucksensorelement verbunden ist. Die vorliegende Erfindung ist also nicht auf Drucksensoren mit nur einem Druckanschluss beschränkt, sondern kann auch bei Drucksensoren mit mehr als nur einem Druckanschluss angewandt werden.
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Vorteilhaft ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit den folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Gehäuses mit einem Gehäuseinnenraum und einem an einer Außenseite des Gehäuses mündenden Ölkanal,
- - Bereitstellen eines Drucksensormoduls mit einem Trägerteil und mit einem auf dem Trägerteil angeordneten Drucksensorelement,
- - Anordnen des Drucksensormoduls in dem Gehäuseinnenraum derart, dass das Drucksensorelement einer mit dem Ölkanal versehenen Innenwand des Gehäuseinnenraums zugewandt ist und zwischen dem Drucksensormodul und der Innenwand eine das Drucksensorelement bergende Ölkammer gebildet ist,
- - Bereitstellens eines als Druckanschluss vorgesehenen Druckstutzens mit einem in dem Druckstutzen verlaufenden Druckkanal und mit einem Anschlussabschnitt,
- - Befestigen einer Trennmembran an dem Anschlussabschnitt derart, dass ein von einem offenen ersten Ende des Druckkanals abgewandtes zweites Ende des Druckkanals mit der Trennmembran mediendicht verschlossen wird,
- - Anordnen des Anschlussabschnitts des Druckstutzens an dem Gehäuse derart, dass der Druckstutzen von der Außenseite des Gehäuses absteht und die Trennmembran dem Ölkanal gegenüberliegt und die Ölkammer von dem Druckanschluss öldicht trennt,
- - Herstellung einer festen Materialverbindung im Fügebereich zwischen dem Druckstutzen und dem Gehäuse und
- - Befüllung der Ölkammer mit einem Druckübertragungsmedium.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Gehäuse des Drucksensors aus einem anderen Material, insbesondere einem anderen Kunststoff als der Druckstutzen gefertigt werden. Vorteilhaft kann beispielsweise das Gehäuse aus einem Kunststoff wie PBT gefertigt werden und das Drucksensormodul auf die Innenwand des Gehäuseinnenraumes über dem Druckkanal aufgeklebt werden. Der Druckstutzen kann aus einem Material, insbesondere Kunststoffmaterial mit sehr hoher Robustheit gegen korrosive Medien gewählt werden. Die Trennmembran kann beispielsweise im Laserschweißverfahren auf den Anschlussstutzen aufgeschweißt werden, so dass es auf die Klebeeigenschaften des Herstellungsmaterials des Druckstutzens nicht ankommt. Hier kann insbesondere eine Trennmembran aus Kunststoff verwandt werden, was Vorteile gegenüber einer Stahlmembran aufweist. Der Druckstutzen kann wiederum durch ein Schweißverfahren, insbesondere ein Kunststoffschweißverfahren an dem Gehäuse des Drucksensors befestigt werden, wobei hier wiederum ein Laserschweißverfahren eingesetzt werden kann.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors,
- 2 den Querschnitt aus 1 während der Montage des Druckstutzens an dem Gehäuse des Drucksensors,
- 3A und 3b eine perspektivische Ansicht auf eine Oberseite und Unterseite eines in dem Drucksensor beispielsweise eingesetzten Drucksensormoduls,
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit zwei Druckanschlüssen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors 100. Der Drucksensor weist ein Gehäuse 1 auf, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zweiteilig mit einem Gehäusebodenteil 2 und einem Gehäusedeckelteil 3 ausgebildet ist. Das Gehäusebodenteil 2 weist eine Innenwand 11 und ein Steckerteil 7 mit Anschlusskontakten 17 auf. Das Gehäusebodenteil 2 kann als Spritzgussteil aus Kunststoff, insbesondere aus PBT gefertigt sein. Die Anschlusskontakte 17 können als Stanzgitterteile mit dem Kunststoff des Gehäusebodenteils 2 umspritzt sein. Das Gehäusedeckelteil 3 kann mit einer umlaufenden Dichtklebung 31 mediendicht mit dem Gehäusebodenteil 2 verbunden sein. Zwischen Gehäusebodenteil 2 und Gehäusedeckelteil 3 birgt das Gehäuse 1 wenigstens einen Gehäuseinnenraum 10, in dem ein Drucksensormodul 5 angeordnet ist.
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Eine beispielhafte Ausführungsform des Drucksensormoduls 5 als Differenzdrucksensormodul ist in 3A und 3B dargestellt. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht auf die in 1 obenliegende und dem Gehäusedeckelteil 3 zugewandte Seite 58 des Drucksensormoduls 5. 3B zeigt eine perspektivische Ansicht auf die in 1 der Innenwand 11 des Gehäuseinnenraumes 10 zugewandte gegenüberliegende Seite 57 des Drucksensormoduls 5. Das Drucksensormodul weist ein Trägerteil 51 auf. Das Trägerteil 51 kann eine Leiterplatte 53 mit elektrischen Kontaktflächen 55 aufweisen, die auf der von den Kontaktflächen 55 abgewandten Seite mit einem Rahmenteil 54 aus Kunstharz versehen ist. In einer Ausnehmung 59 des Rahmenteils 54 auf der der Innenwand 11 zugewandten Seite 57 ist ein Drucksensorelement 52 auf der Leiterplatte 53 oder einem Podest des Rahmenteils 54 angeordnet. Das Drucksensorelement 52 kann über die Kontaktflächen 55 der Leiterplatte 53 kontaktierbar sein. Das Drucksensorelement kann beispielsweise als MEMS Sensorelement ausgebildet sein. Das Drucksensormodul 5 kann optional einen Durchbruch 56 in der Leiterplatte 53 aufweisen, wenn das Drucksensormodul für eine Differenzdruckmessung verwandt werden soll, bei welcher ein erster Druck und ein zweiter Druck auf zwei voneinander abgewandte Seiten des Drucksensorelementes 52 geführt werden soll, so dass der Differenzdruck beispielsweise eine Auslenkung einer Messmembran des Drucksensorelementes 5 bewirkt.
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Wie in 1 weiterhin zu erkennen ist, ist das Drucksensormodul 5 mit dem Rahmenteil 54 auf die Innenseite 11 des Gehäuseinnenraumes 10 über einem in dem Gehäusebodenteil 2 ausgebildeten Ölkanal 22 derart aufgeklebt, dass das Drucksensormodul 5 den Ölkanal 22 dicht abdeckt und der Ölkanal 22 mit der Ausnehmung in dem Rahmenteil 54 in Verbindung steht, wodurch eine Ölkammer 21 gebildet ist, in welcher das Drucksensorelement 52 angeordnet ist. Die Kontaktflächen 55 des Drucksensormoduls 5 können über Bonddrahtverbindungen 18 mit den Anschlusskontakten 17 des Drucksensors elektrisch kontaktiert sein. Das Gehäusebodenteil 2 weist eine von der Innenseite 11 abgewandte Außenseite 24 auf. Ein von der Außenseite 24 abstehender Kragen 25 umgibt die Einmündungsstelle des Ölkanals 22 in die Außenseite 24 umlaufend.
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Wie weiterhin am besten in 2 zu erkennen ist, ist als erster Druckanschluss 4 ein Druckstutzen 41 vorgesehen, der als separates Teil aus Kunststoff gefertigt ist und einen den Druckstutzen 41 durchdringenden Druckkanal 42 aufweist. Der Druckkanal 42 weist ein offenes erstes Ende 43 zur Druckzuführung auf. Das davon abgewandte zweite Ende 44 des Druckkanals ist mit einer druckflexiblen Trennmembran 6 aus beispielsweise Kunststoff verschlossen. Die Trennmembran kann beispielsweise umlaufend auf die von dem ersten Ende 43 abgewandte kreisringförmige Stirnfläche des Druckstutzens 41 aufgeschweißt sein. Der Druckstutzen 41 kann eine Ringnut zur Aufnahme eines Dichtungsringes 47 aufweisen. Wie in 2 angedeutet weist der Druckstutzen 41 an seinem von dem offenen Ende 43 des Druckkanals 42 abgewandten Ende einen Anschlussabschnitt 45 auf, der gegenüber dem mittleren Abschnitt des Druckstutzens mit einer Durchmesserverjüngung versehen ist, wodurch am Außenumfang eine Stufe gebildet ist. Der Druckstutzen 41 kann mit dem Anschlussabschnitt 45 in den Kragen 25 des Gehäuses 1 eingeschoben werden. Dabei schließt der Außenumfang des Druckstutzens 41 mit dem Kragen 25 vorzugsweise bündig ab, wie am besten in 1 zu erkennen ist. In einem durch den Rand des Kragens 25 und die Stufe am Anschlussabschnitt 45 gebildeten Fügebereich 46 kann der Druckstutzen 41 umlaufend mit dem Kragen 25 verschweißt werden. Wie weiterhin in 1 dargestellt ist, liegt die Trennmembran 6 bei eingeschobenen Druckstutzen 41 der Außenfläche 27 des Gehäuses 1 in dem von dem Kragen 25 umlaufenden Bereich gegenüber und verläuft parallel zu dieser. Dadurch wird zwischen der Trennmembran 6 und der Außenfläche 27 ein mit dem Druckübertragungsmedium 28 befüllbarer Spalt 26 gebildet ist, der über den Ölkanal 22 mit der Ölkammer 21 in Verbindung steht. In dem Gehäuse kann beispielsweise in dem Gehäusebodenteil 2 ein Befüllungskanal 23 zur Befüllung der Ölkammer 21 ausgebildet sein. Die Befüllung mit einem Druckübertragungsmedium 28 über den Befüllungskanal 23 kann erst erfolgen, nachdem der Druckstutzen 41 an dem Gehäusebodenteil 2 befestigt wurde. Anschließend kann der Befüllungskanal beispielsweise mit einer Presskugel oder einem Klebstoffpfropfen verschlossen werden.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des Drucksensors ist in 4 skizzenhaft dargestellt. Der Grundaufbau kann ähnlich zu der Darstellung in 1 aufgebaut sein, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Der Drucksensor in 4 ist als Differenzdrucksensor mit dem bereits bekannten ersten Druckanschluss 4 und einen zweiten Druckanschluss 4' ausgebildet. Im Unterschied zu der Ausführungsform von 1 ist der erste Druckanschluss 4 nicht an der Unterseite des Gehäuses angeordnet, sondern beispielsweise an einer Seitenwand des Gehäuses 1. Der zweite Druckanschluss 4' kann an der gegenüberliegenden Seitenwand angeordnet sein und weist einen weiteren Druckstutzen 41' mit einem weiteren Druckkanal 42' auf, wobei der weitere Druckkanal 42' an seinem von einem offenen ersten Ende abgewandten zweiten Ende des Weiteren Druckkanals 42' mit einer an einem Anschlussabschnitt 45 des Weiteren Druckstutzens 41' befestigten zweiten Trennmembran 6' in der gleichen Weise wie der Druckkanal 42 mediendicht verschlossen ist. Die zweite Trennmembran 6' trennt eine in dem Gehäuse 1 ausgebildete zweite Ölkammer 21' von dem zweiten Druckanschluss 4' öldicht ab. Die zweite Ölkammer 21' kann beispielsweise in dem Gehäuse 1 auf einer von dem Drucksensorelement 52 abgewandten Seite 58 des Trägerteils 51 des Drucksensormoduls vorgesehen sein und über einen Durchbruch 56 in dem Trägerteil 51 (3A) mit dem Drucksensorelement 52 verbunden sein. Die zweite Ölkammer 21' kann in dem Gehäuseinnenraum 10 durch eine weitere umlaufende Dichtklebung 33 abgedichtet werden. Eine dritte Dichtklebung 32 kann die Kontaktstelle zwischen den Bonddrahtverbindungen 18 und den Anschlusskontakten 17 gegenüber der zweiten Ölkammer 21' und/oder der ersten Ölkammer 21 abdichten. Wie weiterhin in 4 gezeigt ist, sind zwei Befüllungskanäle vorgesehen. Der Befüllungskanal 23 kann sich, wie in 1 dargestellt, unter dem Drucksensormodul 5 hindurch in die Ölkammer 2 erstrecken. Der weitere Befüllungskanal 23' streckt sich über einen weiteren Ölkanal 22' in die weitere Ölkammer 21' über der dem Gehäusedeckelteil 2 zugewandten Seite 58 des Drucksensormoduls 5 und wird mit einer eigenen Presskugel verschlossen. Natürlich ist es auch möglich die beiden Druckanschlüsse 4 und 4' an nur einer Seite, beispielsweise der Unterseite des Gehäuses 1 anzuordnen. Die Anordnung der Ölkammern und der Ölkanäle kann von der Darstellung in 4 abweichen und an den jeweiligen Bedarfsfall angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10107813 A1 [0001]
- DE 102017213 A1 [0002, 0005]
