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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2017 207 402 A1 der Anmelderin ist bereits ein Rußpartikelsensor bekannt, der eine Trennwand aufweist, in der ein lichtdurchlässiges Fenster angebracht ist. Die Trennwand trennt einen ersten Teil des Sensors, der einem Messgas ausgesetzt ist, von zweiten Teil des Sensors, der bestimmte optische Komponenten des Sensors enthält und der dem Messgas nicht ausgesetzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Hochtemperatur-Fensterbaugruppe bereitzustellen, die über einen weiten Temperaturbereich mechanisch stabil und zuverlässig dicht ist.
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Beispielsweise soll die Hochtemperatur-Fensterbaugruppe den hohen Temperaturen und den raschen Temperaturwechseln standhalten, die in einem Abgasstrang beispielsweise einer Brennkraftmaschine auftreten, beispielsweise bei Temperaturen bis zu 800°C.
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Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hochtemperatur-Fensterbaugruppe einen hülsenförmigen metallischen Fensterhalter und ein in dem Fensterhalter angeordnetes Fenster aufweist, wobei das Fenster und der Fensterhalter kraftschlüssig und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Bei der kraftschlüssigen Verbindung kann es sich beispielsweise um eine Presspassung handeln, mit der das Fenster in dem Fensterhalter aufgenommen ist. Das Fenster ist beispielsweise in dem Fensterhalter eingepresst.
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Durch die kraftschlüssige Verbindung, insbesondere durch die Presspassung, wird eine feste Verbindung zwischen dem Fenster und dem Fensterhalter auch dann sichergestellt, wenn es aufgrund von Temperaturänderungen und bei sich unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) des Fensters und des Fensterhalters zu relativen Durchmesseränderungen zwischen diesen beiden Bauteilen kommt.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einem Temperaturbereich von -40°C bis 800°C das Fenster eine Wärmeausdehnung aufweist, die geringer ist als eine Wärmeausdehnung, die der Fensterhalter aufweist, und dass eine Pressung so ausgelegt ist, dass eine Presskraft zwischen dem Fenster und dem Fensterhalter im gesamten Temperaturbereich von -40°C bis 800°C wirksam ist.
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Außerdem bildet die kraftschlüssige Verbindung, insbesondere die Presspassung, eine Vorabdichtung, durch die Schmutz, Vibrationen und Wärme von einer durch die stoffschlüssige Verbindung dargestellten Hauptdichtstelle abgehalten werden können. Die stoffschlüssige Verbindung ist auf diese Weise entlastet.
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Beispielsweise kann das Fenster aus einem Glas bestehen, dessen WAK im Bereich von 0,5 - 8 * 10-6 1/K liegt. Der Fensterhalter kann hingegen aus einem Stahl bestehen, dessen WAK 17 * 10-6 1/K beträgt; es kann sich beispielsweise um einen nichtrostenden austenitischen Stahl handeln. Die Verwendung von Sonderstählen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (z.B. mit WAK < 17 * 10-6 1/K oder sogar WAK < 14 * 10-6 1/K) als Material für den Fensterhalter kann andererseits für die Auslegung der Presspassung vorteilhaft sein.
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Die stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere daraus resultieren, dass das Fenster und der Fensterhalter durch ein zwischen ihnen angeordnetes Dichtmaterial stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei dem Dichtmaterial kann es sich beispielsweise um ein Glas, insbesondere um ein Einschmelzglas, oder um einen Klebstoff, insbesondere um einen Hochtemperaturklebstoff, handeln.
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Durch die stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch das hierfür vorgesehene Dichtmaterial, kann eine Hauptdichtstelle realisiert werden, die eine sehr hohe Dichtheit aufweisen kann, beispielsweise eine hermetische Dichtheit.
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Bevorzugt ist die Verwendung eines Einschmelzglases als Dichtmaterial. Hierdurch ist neben der hohen Dichtigkeit eine besonders hohe chemische Beständigkeit der Dichtstelle, beispielsweise gegenüber Säuren und Basen, gewährleistet. Bevorzugt beträgt die Verarbeitungstemperatur des Einschmelzglases zwischen 500°C und 1.000°C.
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Die Verbindung zwischen dem Fenster und dem Fensterhalter kann noch weiter verbessert werden, indem das Dichtmaterial eine Oberflächenstruktur aufweist, die in eine komplementäre Oberflächenstruktur des Fensters und/oder des Fensterhalters eingreift.
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Die Oberflächenstruktur kann vollflächig an der Schnittstelle zwischen dem Dichtmaterial und dem Fenster und/oder vollflächig an der Schnittstelle zwischen dem Dichtmaterial und dem Fensterhalter vorgesehen sein. Es kann aber jeweils auch vorgesehen sein, dass die Oberflächenstruktur lediglich in einem Teilbereich oder in mehreren Teilbereichen dieser Schnittstellen vorgesehen ist. Es kann sich beispielsweise um axiale Teilbereiche handeln.
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Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise in einer Rauigkeit Ra der strukturierten Flächen von mindestens 10 oder mindestens 30 nach DIN EN ISO 4287:2010 zum Ausdruck kommen.
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Die Oberflächenstruktur kann derart ausgebildet sein, dass es zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Dichtmaterial und dem Fenster und/oder dem Fensterhalter kommt, beispielsweise durch eine Formgebung der Struktur mit Hinterschnitten, die sich mit der komplementären Oberflächenstruktur des Fensters und/oder des Fensterhalters formschlüssig verzahnt. Es kann sich beispielsweise um „blumenkohlartig“ geformte Strukturen handeln.
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Derartige Oberflächenstrukturen bewirken, dass die Grenzflächen zwischen Dichtmaterial und Fenster bzw. zwischen Dichtmaterial und Fensterhalter Zugspannungen aufzunehmen vermögen. Die Dichtung ist hierdurch in einem vergrößerten Temperaturbereich mechanisch stabil und dicht.
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Die relative axiale Anordnung zwischen Fenster und Fensterhalter kann dadurch definiert werden, dass der Fensterhalter in einem ersten axialen Endbereich einen Ringabsatz aufweist, an dem das Fenster aufliegt.
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Beispielsweise kann die Hochtemperatur-Fensterbaugruppe einen Pressbereich aufweisen, in dem das Fenster radial in den Fensterhalter eingepresst ist. Der Pressbereich kann beispielsweise auf der vom ersten axialen Ende bzw. Endbereich abgewandten Seite des Ringabsatzes angeordnet sein.
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Beispielsweise kann die Hochtemperatur-Fensterbaugruppe einen Dichtbereich aufweisen, in dem das Dichtmaterial radial zwischen dem Fenster und dem Fensterhalter angeordnet ist. Dieser Dichtbereich kann beispielsweise in axialer Richtung auf der von dem Ringabsatz aus gesehen gegenüberliegenden Seite des Pressbereichs angeordnet sein.
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Die in die axiale Richtung orientierte Dickenerstreckung des Fensters kann beispielsweise aus dem Pressbereich und dem Dichtbereich bestehen.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Fenster eine zylindrische Form aufweist und dass sich der Fensterhalter in dem Dichtbereich konisch aufweitet, sodass in dem Dichtbereich zwischen dem Fenster und dem Fensterhalter eine umlaufende Dichtnut ausgebildet ist, die mit dem Dichtmaterial befüllt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Partikelsensor zum Detektieren von Partikeln in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, der eine derartige Hochtemperatur-Fensterbaugruppe aufweist, sodass optische Komponenten des Partikelsensors, beispielsweise eine Lichtquelle und/oder ein optischer Detektor, dicht von dem Abgas getrennt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
- 2 ein Ausführbeispiel einer Hochtemperatur-Fensterbaugruppe;
- 3 eine Teilansicht einer Hochtemperatur-Fensterbaugruppe mit kenntlich gemachten Spannungszuständen;
- 4 eine weitergebildete Ausführungsform einer Hochtemperatur-Fensterbaugruppe.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor 16 im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet.
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Der Rußpartikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 28 und einem inneren Schutzrohr 30 auf. Die beiden Schutzrohre 28, 30 haben bevorzugt eine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömung von Abgas 32 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 30 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Abgas 32 hinein. An dem strömenden Abgas abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 ragt das äußere Schutzrohr 28 über das innere Schutzrohr 30 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 28 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 30, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 28, 30 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 30 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt.
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Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 32 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem Abgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28, 30 wird mit dem Rußpartikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.
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Der Rußpartikelsensor 16 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Rußpartikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Die Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LI I-Lichtes, wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 20 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Rußpartikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
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Beim Gegenstand der 1 weist das Lasermodul 18 eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert.
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Der optische Rußpartikelsensor 16 weist bevorzugt einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 28, 30 und den optischen Elementen des Rußpartikelsensors verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch aggressiven und „schmutzigen“ Abgas 32. In der Trennwand 16.3 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Fenster 40 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Strahlung 14 auf das optische Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf 2 detailliert auf eine Hochtemperatur-Fensterbaugruppe eingegangen, die insbesondere die mit Bezug auf die 1 erläuterten Funktionalitäten der Wand 16.3 und des Fensters 40 aufweist.
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2 zeigt eine Hochtemperatur-Fensterbaugruppe 81 mit einem metallischen Fensterhalter 41, der beispielsweise aus einem rostfreien austenitischen Stahl besteht und eine hülsenartige Grundform aufweist, und mit einem in dem Fensterhalter radial eingepressten Fenster 40, das beispielsweise aus einem hitzebeständigen Glas besteht.
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Der Fensterhalter 41 weist in einem ersten axialen Endbereich 41.1 (in der 2 unten) einen Ringabsatz 43 auf, an dem das Fenster 40 mit seinen radialen Randbereichen aufliegt.
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In der 2 oberhalb des Ringabsatzes 43 des Fensterhalters 41 schließt sich ein Pressbereich 83 der Hochtemperatur-Fensterbaugruppe 81 an, in dem eine radiale Pressung zwischen dem Fensterhalter 41 und dem Fenster 40 ausgebildet ist. In dem Pressbereich 83 ist ein Übermaß des Außendurchmessers des Fensters 40 relativ zum Innendurchmesser des Fensterhalters 41 vorgesehen, und zwar im gesamten relevanten Temperaturbereich von -40°C bis 800°C.
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In der 2 oberhalb des Pressbereichs 83 schließt sich ein Dichtbereich 85 der Hochtemperatur-Fensterbaugruppe 81 an. In diesem Bereich ist der Fensterhalter 41 nach oben konisch aufgeweitet, sodass zwischen dem zylindrischen Fenster 40 und dem Fensterhalter 41 eine umlaufende Dichtnut ausgebildet ist, deren Querschnitt in radialer Richtung in diesem Beispiel etwa die Form eines beispielsweise gleichseitigen Dreiecks aufweist.
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Die Dichtnut ist mit einem Dichtmaterial 87 befüllt, zum Beispiel mit einem Einschmelzglas, das mit dem Fenster 40 und mit dem Fensterhalter 41 stoffschlüssig verbunden ist. Durch das Dichtmaterial 87 wird im Beispiel eine hermetische Dichtheit zwischen dem Fenster 40 und dem Fensterhalter 41 hergestellt.
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Beispielsweise in Zusammenwirkung mit einem nicht zeichnerisch dargestellten Gehäuse eines Partikelsensors, in das der Fensterhalter 41 beispielsweise dicht eingeschweißt ist, resultiert eine beispielsweise hermetische Dichtheit zwischen dem ersten Bereich 16.1 und dem zweiten Bereich 16.2 des Partikelsensors, siehe 1.
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Im Beispiel ist der WAK des Fensterhalters 41 mit etwa 17 * 10-6 1/K deutlich größer als der WAK des Fensters 40, der beispielsweise 0,5 - 8 * 10-6 1/K beträgt. Das hat zur Folge, dass eine Pressung im Pressbereich 83 mit steigender Temperatur abnimmt. Andererseits kann es bei hohen Temperaturen (beispielsweise bei 600°C) zu Zugspannungen im Dichtbereich 85 kommen, insbesondere auf der vom Pressbereich 83 beabstandeten Seite des Dichtbereichs 85; siehe 3, in der Bereiche, in denen bei der genannten Temperatur Spannungen herrschen, durch eine Dunkelfärbung kenntlich gemacht sind.
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Aufgrund der erläuterten Zugspannungen im Dichtmaterial 87 ist der Temperaturbereich, in dem Ablösungen des Dichtmaterials 87 von der Grenzfläche zum Fenster 40 bzw. zum Fensterhalter 41 ausgeschlossen werden können, zu hohen Temperaturen hin limitiert.
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Eine Möglichkeit die Zugspannungen zu verringern, kann andererseits die Verwendung von Sonderstählen mit niedrigen WAK sein, beispielsweise mit WAK, die maximal 2 * 10-6 1/K größer sind als der WAK des Fensters der Hochtemperatur-Fensterbaugruppe 81.
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4 zeigt eine Weiterbildung der Hochtemperatur-Fensterbaugruppe 81, die sich dadurch unterscheidet, dass das Dichtmaterial 87 in einem vom Pressbereich 83 beabstandeten Teilbereich 89 des Dichtbereichs 85 eine Oberflächenstruktur 91 aufweist, die in eine komplementäre Oberflächenstruktur 91 des Fensters 40 und des Fensterhalters 41 eingreift. Durch die im Beispiel hinterschnittene, „blumenkohlartige“ Oberflächenstruktur 91, die beispielsweise mittels eines Ultrakurzpulslasers herstellbar ist, verhaken sich Dichtmaterial 87 und Fenster 40 bzw. Fensterhalter 41 gleichsam ineinander, sodass Zugspannungen besser aufgenommen werden können. Resultierend ist der Temperaturbereich, in dem Ablösungen des Dichtmaterials 87 von der Grenzfläche zum Fenster 40 bzw. zum Fensterhalter 41 ausgeschlossen werden können, zu hohen Temperaturen hin erweitert.
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Alternativ wäre es auch möglich, die Grenzflächen zwischen Dichtmaterial 87 und Fenster 40 bzw. Fensterhalter 41 vollumfänglich zu strukturieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017207402 A1 [0001]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 4287:2010 [0015]
