DE102023105879A1

DE102023105879A1 - Gassensor und Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102023105879A1
Application number: DE102023105879.7A
Authority: DE
Inventors: Shintaro Maki; Kota Katagiri; Kohei Yaita; Yuya Seike
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2023-10-05
Also published as: US20230314365A1; JP2023148444A; CN116893210A

Abstract

Ein Gassensor enthält: ein Sensorelement, das einen Sensorteil auf einer Seite eines Endabschnitts davon enthält; ein Gehäuse und einen Verbinder, der in dem Gehäuse angeordnet ist, um das Sensorelement mit einer Außenseite elektrisch zu verbinden, wobei das Gehäuse enthält: ein Außenrohr, das einen Hauptabschnitt enthält, in dem ein Referenzgas enthalten ist, und einen Dichtungsabschnitt, der ein Endabschnitt ist, der einen kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt aufweist, einen anderen Endabschnitt des Sensorelements, der in den Hauptabschnitt hineinragt, ein Gummidichtungsbauteil, das in den Dichtungsabschnitt eingepasst ist, um das Außenrohr abzudichten, und einen Abstandshalter, der zwischen dem Dichtungsbauteil und dem Verbinder in dem Außenrohr liegt. Der Abstandshalter enthält einen konkaven Abschnitt in einer Endoberfläche auf einer Seite, die mit dem Verbinder in Kontakt steht, und mit Ausnahme des konkaven Abschnitts mit dem Verbinder in der Endoberfläche in Kontakt steht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und insbesondere die Unterdrückung der Wärmeübertragung auf ein Dichtungsbauteil, das ein Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements abdichtet.
Beschreibung des technischen Hintergrunds
Als eine Vorrichtung zum Messen einer Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messgas, wie einem Verbrennungsgas und einem Abgas von einem Verbrennungsmotor, typischerweise einem Fahrzeugmotor, ist ein Gassensor, der ein Sensorelement enthält, das aus sauerstoffionenleitender Festelektrolytkeramik, wie Zirkoniumdioxid (ZrO₂), gebildet ist, herkömmlich bekannt.
Als Gassensor ist ein Gassensor mit einer Konfiguration weithin bekannt, bei der ein längliches planares Sensorelement (Erfassungselement), das sauerstoffionenleitende Keramik (z.B. yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid) als Hauptbestandteilsmaterial enthält, in einem rohrförmigen Aufnahmebauteil (Gehäuse) aus Metall enthalten ist. Der Gassensor wird entlang eines Abgasweges des Verbrennungsmotors angebracht und dient dazu, die vorbestimmte Gaskomponente im Abgas zu erfassen und deren Konzentration zu messen.
Ein Endabschnitt des Gehäuses weist eine Öffnung auf und ein Dichtungsbauteil aus Gummi ist die Öffnung eingesetzt. Eine Schutzabdeckung, durch die das Abgas ein- und austreten kann, ist am anderen Endabschnitt des Gehäuses angebracht. Das Sensorelement befindet sich in dem Gehäuse, während ein Abschnitt zwischen den beiden Endabschnitten luftdicht verschlossen ist. Dadurch kann ein Endabschnitt des Sensorelements mit einem Referenzgas (typischerweise Umgebungsluft) im Gehäuse auf einer Seite des einen Endabschnitts des Gehäuses in Kontakt sein, und der andere Endabschnitt des Sensorelements kann in der Schutzabdeckung freigelegt sein, um mit dem Abgas auf einer Seite des anderen Endabschnitts des Gehäuses im Gassensor in Kontakt zu sein. Das Referenzgas und das Abgas sind nicht in Kontakt miteinander.
Das aus Gummi hergestellte Dichtungsbauteil wird in die Öffnung des Gehäuses eingepasst, nachdem eine Leitung zum elektrischen Verbinden des Sensorelements mit der Außenseite in ein vorher ausgebildetes Durchgangsloch eingeführt wurde, und der Passungsabschnitt des Gehäuses ist von einem Seitenteil desselben zusammen mit dem Dichtungsbauteil verpresst, um das Eindringen von Wasser von außen durch die Öffnung zu verhindern.
Das Sensorelement, das für den Gassensor verwendet wird, enthält typischerweise einen Heizer zum Erhitzen der sauerstoffionenleitenden Keramik, um sie zu aktivieren. So wird der Gassensor bei der Verwendung nicht nur durch die über die Rohrleitungen übertragene Wärme und die vom Abgas aufgenommene Wärme, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugt wird, sondern auch durch die von dem Heizer des Gassensors selbst erzeugte Wärme auf eine hohe Temperatur gebracht. Als Dichtungsbauteil aus Gummi werden daher typischerweise Fluorkautschuk, der sehr hitzebeständig ist, und dergleichen verwendet.
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach einer Verkürzung (Verringerung der Länge) und Verkleinerung eines Gassensors aufgrund eines verengten Komponentenanbauraums des Verbrennungsmotors gestiegen. Wenn das Gehäuse eines herkömmlichen Gassensors verkürzt wird, um dieser Forderung nachzukommen, wird das Dichtungsbauteil aus Gummi, das die Öffnung des Gehäuses verschließt, in die Nähe einer Wärmequelle gebracht, wie einer Rohrleitung oder des Abgases in der Rohrleitung. Ein Gassensor, der ein solches Problem behandelt, ist üblicherweise bekannt (siehe beispielsweise Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2005-227227 ). In dem in der Japanischen Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2005-227227 offenbarten Gassensor ist ein isolierendes Glimmerbauteil als Abstandshalter zwischen einem Dichtungsbauteil und einem keramischen Kontakthaltebauteil (einem Separator in der Japanischen Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2005-227227 ) angeordnet, wodurch die Wärmeübertragung auf das Dichtungsbauteil unterdrückt und ein übermäßiger Temperaturanstieg des Dichtungsbauteils verhindert wird.
Glimmer, der als Material des Abstandshalters in dem in der japanischen Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2005-227227 offenbarten Gassensor verwendet wird, ist eine Substanz mit einer geschichteten Struktur, weshalb es Bedenken hinsichtlich der Festigkeit gibt. Es bestehen zum Beispiel die Bedenken, dass sich ein Abstandshalter aus Glimmer teilweise löst, wenn der Gassensor Vibrationen ausgesetzt ist, oder dass die Produktivität aufgrund eines Bruchs des Gassensors während der Herstellung verringert wird.
Es ist schwierig, den Abstandshalter aus Glimmer durch ein Kunststoffbauteil zu ersetzen, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die der von Glimmer in Bezug auf die Wärmebeständigkeit ähnelt.
Unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit und der Wärmebeständigkeit ist ein keramischer Abstandshalter bevorzugt, allerdings ist ein keramisches Material dem Glimmer in Bezug auf die geringe Wärmeleitfähigkeit unterlegen.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und insbesondere die Unterdrückung der Wärmeübertragung auf ein Dichtungsbauteil, das ein Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements abdichtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Gassensor zum Erfassen einer vorbestimmten Gaskomponente, die in einem Messgas enthalten ist: ein Sensorelement, das ein Erfassungsteil auf einer Seite seines Endabschnitts enthält; ein Gehäuse, in dem das Sensorelement enthalten und befestigt ist; und einen im Gehäuse angeordneten Verbinder zur elektrischen Verbindung des Sensorelements mit der Außenseite, wobei das Gehäuse enthält: ein Außenrohr, das einen Hauptabschnitt, in dem ein Referenzgas enthalten ist, und einen Dichtungsabschnitt, der ein Endabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt ist, wobei ein anderer Endabschnitt des Sensorelements in den Hauptabschnitt hineinragt, enthält, ein Gummidichtungsbauteil, das in den Dichtungsabschnitt eingepasst ist, um das Außenrohr abzudichten, und einen keramischen Abstandshalter, der zwischen dem Dichtungsbauteil und dem Verbinder in dem Außenrohr liegt. Der Abstandshalter enthält einen konkaven Abschnitt in einer Endoberfläche auf einer Seite, die mit dem Verbinder in Kontakt steht, und mit Ausnahme des konkaven Abschnitts mit dem Verbinder in der Endoberfläche in Kontakt steht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Wärmeübertragung vom Verbinder auf den Abstandshalter und weiter auf das Dichtungsbauteil unterdrückt werden. Dementsprechend kann die thermische Verschlechterung des Dichtungsbauteils unterdrückt werden, während die Festigkeit des Abstandshalters gewährleistet ist.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der einen Abstandshalter enthält, der in günstiger Weise sowohl die Unterdrückung des Temperaturanstiegs eines Dichtungsbauteils als auch die Gewährleistung der Wärmebeständigkeit bereitstellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Hauptteil-Querschnittsansicht entlang einer Länge eines Gassensors 100.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Abstandshalters 7, die ein Beispiel für die Bildung eines konkaven Abschnitts 7b zeigt.
3A, 3B und 3C sind Draufsichten, die verschiedene Formen des konkaven Abschnitts 7b zeigen.
4A und 4B sind Diagramme zur Erläuterung eines Defekts, der beim Zusammenbau des Gassensors 100 auftreten kann, wenn ein Wert des Flächenverhältnisses S/SO eines Kontaktabschnitts klein ist.
5 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Defekts, der beim Zusammenbau des Gassensors 100 auftreten kann, wenn der Wert eines Tiefenverhältnisses b/a groß ist.
6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Länge eines Sensorelements 10 zur Erfassung von NOx.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Konfiguration des Gassensors>
1 ist eine Teilquerschnittsansicht entlang einer Länge eines Gassensors 100 (insbesondere eines Hauptkörpers davon) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist eine Querschnittsansicht des Gassensors 100 oberhalb einer Bruchlinie ZL dargestellt und nur das Aussehen des Gassensors 100 ist unterhalb der Bruchlinie ZL dargestellt.
Der Gassensor 100 dient zur Erfassung einer vorbestimmten Gaskomponente (z.B. NOx) unter Verwendung eines darin enthaltenen Sensorelements 10. Der Gassensor 100 weist im Allgemeinen eine Konfiguration auf, bei der ein längliches säulenförmiges oder laminares Sensorelement (Erfassungselement) 10 von einem rohrförmigen Körper 1, einer Schutzabdeckung 2, einem Befestigungsbolzen 3 und einem Außenrohr 4 umgeben ist. Der rohrförmige Körper 1, die Schutzabdeckung 2 und das Außenrohr 4 bilden zusammen ein Aufnahmebauteil (Gehäuse), in dem das Sensorelement 10 enthalten ist. Andererseits ist der Befestigungsbolzen 3 um eine äußere Seitenoberfläche des rohrförmigen Körpers 1 angebracht.
Das Sensorelement 10 ist koaxial zu dem rohrförmigen Körper 1, der Schutzabdeckung 2, dem Befestigungsbolzen 3 und dem Außenrohr 4 angeordnet. Eine Erstreckungsrichtung einer Mittelachse des Sensorelements 10 wird auch als Axialrichtung bezeichnet. In 1 entspricht die Axialrichtung einer Auf-Ab-Richtung in 1.
Insbesondere ist ein Endabschnitt (z.B. ein erster Endabschnitt E1 in 6) des Sensorelements 10 von der Schutzabdeckung 2 umgeben, der andere Endabschnitt des Sensorelements 10 ragt in das Außenrohr 4 hinein, und ein im Wesentlichen mittlerer Abschnitt zwischen den Endabschnitten ist durch einen nicht dargestellten keramischen Grünpressling oder eine keramische Komponente luftdicht in dem rohrförmigen Körper 1 befestigt.
Das Sensorelement 10 enthält ein Sensorteil (z.B. einen Gaseinlass, eine innere Kammer und eine Sensorelektrode) auf einer Seite seines einen Endabschnitts, der von der Schutzabdeckung 2 umgeben ist. Das Sensorelement 10 enthält außerdem verschiedene Elektroden und Verdrahtungsmuster auf einer Oberfläche und in einem Elementkörper.
In einem Aspekt des Sensorelements 10 wird zum Beispiel ein in das Element eingeleitetes Messgas in dem Element reduziert oder zersetzt, um Sauerstoffionen zu erzeugen. Der Gassensor 100, der das Sensorelement 10 enthält, das eine solche Konfiguration aufweist, bestimmt die Konzentration einer zu erfassenden Gaskomponente in dem Messgas auf der Grundlage einer Menge von Sauerstoffionen, die durch das Element fließen, proportional zur Konzentration der Gaskomponente.
Der rohrförmige Körper 1 ist ein rohrförmiges Bauteil aus Metall, das auch als Hauptmetallfitting bezeichnet wird. Der rohrförmige Körper 1 ist zur Außenseite des Gassensors 100 kaum sichtbar und erstreckt sich von einem oberen Endabschnitt in 1 der Schutzabdeckung 2 bis zu einem unteren Endabschnitt in 1 des Außenrohrs 4. Das Sensorelement 10 und eine Befestigungskomponente (der keramische Grünpressling oder die keramische Komponente), die um das Sensorelement 10 herum angebracht ist, sind in dem rohrförmigen Körper 1 enthalten. Mit anderen Worten, der rohrförmige Körper 1 ist weiter um die Passformkomponente herum angebracht, die um das Sensorelement 10 herum eingebracht ist.
Die Schutzabdeckung 2 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Außenbauteil zum Schutz eines vorbestimmten Bereichs des ersten Endabschnitts E1 des Sensorelements 10, das im Gebrauch in direktem Kontakt mit dem Messgas steht. Die Schutzabdeckung 2 ist an einem unteren Endabschnitt in 1 des rohrförmigen Körpers 1 durch Schweißen befestigt.
Die Schutzabdeckung 2 weist eine Vielzahl von Durchgangslöchern H auf, durch die Gas strömen kann. Das Messgas, das durch die Durchgangslöcher H in die Schutzabdeckung 2 strömt, ist ein direktes Messziel des Sensorelements 10. Die in 1 dargestellten Arten, die Anzahl, die Lage und die Formen der Durchgangslöcher sind nur Beispiele und können unter Berücksichtigung der Messgasströmung in die Schutzabdeckung 2 nach Bedarf bestimmt werden.
Der Befestigungsbolzen 3 ist ein ringförmiges Bauteil, das verwendet wird, wenn der Gassensor 100 an einer Messstelle befestigt wird. Der Befestigungsbolzen 3 enthält einen mit einem Gewinde versehenen Bolzenabschnitt 3a und einen Halteabschnitt 3b, der gehalten wird, wenn der Bolzenabschnitt 3a in Eingriff ist. Der Bolzenabschnitt 3a greift in eine Mutter ein, die an einer Befestigungsstelle des Gassensors 100 angeordnet ist. Dadurch wird der Gassensor 100 an der Messstelle befestigt, wobei eine Seite der Schutzabdeckung 2 mit dem zu messenden Gas in Kontakt steht. Beispielsweise greift der Bolzenabschnitt 3a in einen Mutterabschnitt ein, der an einem Auspuffrohr eines Fahrzeugs angeordnet ist, so dass der Gassensor 100 an dem Auspuffrohr befestigt ist, wobei die Seite der Schutzabdeckung 2 im Auspuffrohr freiliegt.
Das Außenrohr 4 ist ein zylindrisches Bauteil mit einem Endabschnitt (in 1 ein unterer Endabschnitt), der an einem äußeren peripheren Endabschnitt der nicht dargestellten Oberseite des rohrförmigen Körpers 1 durch Schweißen befestigt ist. Das Außenrohr 4 enthält einen Hauptabschnitt 4a, der sich von einem Teil, an dem das Außenrohr 4 durch Schweißen an dem rohrförmigen Körper 1 befestigt ist, erstreckt und einen konstanten Durchmesser in Axialrichtung aufweist, und einen Dichtungsabschnitt 4b, der in Axialrichtung an den Hauptabschnitt 4a angrenzt. Der Dichtungsabschnitt 4b ist ein Endabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt 4a.
Ein Innenraum des Außenrohrs 4 ist eine Referenzgasatmosphäre (Umgebungsluft). Ein Verbinder (auch als Kontaktpunkt-Haltebauteil bezeichnet) 5 und der Abstandshalter 7 sind im Hauptabschnitt 4a angeordnet.
Andererseits ist der Dichtungsabschnitt 4b ein Abschnitt, der seitlich verformt ist, wobei das Dichtungsbauteil 6 in den Dichtungsabschnitt 4b eingepasst ist, um den anderen Endabschnitt (einen oberen Endabschnitt in 1) des Außenrohrs 4 abzudichten.
Die Abdichtung des Außenrohrs 4 erfolgt durch Verpressen eines gesamten Umfangs des Dichtungsabschnitts 4b von außen in einem Verpressungsabschnitt 6s seitlich des Dichtungsbauteils 6 in 1, so dass das Dichtungsbauteil 6 eine radial nach außen gerichtete Reaktionskraft erzeugt.
Das Dichtungsbauteil 6 ist aus Gummi gefertigt. Daher wird das Dichtungsbauteil 6 auch als Gummistopfen bezeichnet. Der zu verwendende Gummi ist typischerweise Fluorkautschuk. Das Dichtungsbauteil 6 weist eine einheitliche zylindrische Form auf, bevor es in den Dichtungsabschnitt 4b eingepasst wird, wird aber durch das Einpassen und Verpressen in radialer Richtung verformt.
Der andere Endabschnitt (z.B. ein zweiter Endabschnitt E2 in 6) des Sensorelements 10 wird in den Verbinder 5 eingeführt. Der Verbinder 5 enthält eine Vielzahl von Kontaktpunktbauteilen 51 aus Metall, die mit einer Vielzahl von Elektrodenanschlüssen 160 (siehe 6) des Sensorelements 10 in Kontakt stehen, wenn das Sensorelement 10 eingeführt ist. Ein Endabschnitt (ein unterer Endabschnitt in 1) jedes der Kontaktpunktbauteile 51 ist ein hakenförmiger Abschnitt 51a, der mit dem Verbinder 5 verhakt ist, der andere Endabschnitt (ein oberer Endabschnitt in 1) jedes der Kontaktpunktbauteile 51 ist ein Crimpabschnitt 51b, an dem eine Leitung 8 durch Crimpen befestigt ist, und ein Abschnitt zwischen den Endabschnitten ist ein Blattfederabschnitt. Die Kontaktpunktbauteile 51 werden durch Einklemmen zwischen dem Verbinder 5 und dem Sensorelement 10 befestigt, so dass die Elektrodenanschlüsse 160 des Sensorelements 10 und die Kontaktpunktbauteile 51 elektrisch verbunden sind.
Der Abstandshalter 7 ist zwischen dem Verbinder 5 und dem Dichtungsbauteil 6 im Außenrohr 4 eingefügt (eingeschoben). Der Abstandshalter 7 weist eine zylindrische Form mit im Wesentlichen demselben Durchmesser wie das Dichtungsbauteil 6 vor dem Verpressen auf. Der Abstandshalter 7 ist vorgesehen, um einen Temperaturanstieg des Dichtungsbauteils 6 bei der Verwendung des Gassensors 100 zu unterdrücken. Einzelheiten des Abstandshalters 7 werden später beschrieben.
Jede der Leitungen 8 wird in die Durchgangslöcher 9 eingeführt, die nacheinander in dem Dichtungsbauteil 6 und dem Abstandshalter 7 vorgesehen sind, und weist einen Endabschnitt auf, der durch Crimpen an dem Crimpabschnitt 51b des Kontaktpunktbauteils 51 befestigt ist, und den anderen Endabschnitt, der mit einem Controller 50 und verschiedenen Stromversorgungen (siehe 6) außerhalb des Gassensors 100 verbunden ist. Das Sensorelement 10 ist somit über die Kontaktpunktbauteile 51 und die Leitungen 8 elektrisch mit dem Controller 50 und den verschiedenen Stromversorgungen verbunden. In 1 sind zwar nur zwei Kontaktpunktbauteile 51 und zwei Leitungen 8 dargestellt, doch dienen sie nur der Veranschaulichung, und die vorstehend beschriebene erforderliche Anzahl von Leitungen für den elektrischen Anschluss ist tatsächlich vorhanden.
Der Gassensor 100 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann nach einem Verfahren hergestellt werden, das einem herkömmlichen Verfahren ähnelt. Schematisch gesehen wird vor dem Verpressen am Verpressungsabschnitt 6s der Verbinder 5, in den das Sensorelement 10 eingeführt wurde und in dem die Kontaktpunktbauteile 51 mit den Leitungen 8 verbunden wurden, im Hauptabschnitt 4a des Außenrohrs 4 im Voraus angeordnet. Anschließend werden der Abstandshalter 7 und das Dichtungsbauteil 6 in dieser Reihenfolge auf den Verbinder 5 gestapelt, während die Leitungen 8 in die darin befindlichen Durchgangslöcher 9 eingeführt werden. Das Dichtungsbauteil 6, in das die Leitungen 8 eingeführt werden, wird vor dem Verpressen in den Dichtungsabschnitt 4b eingesetzt. Normalerweise ist die Umgebungsluft als Referenzgas bereits in das Außenrohr 4 eingetreten, bevor das Dichtungsbauteil 6 in den Dichtungsabschnitt 4b eingesetzt wird. Der Verpressungsabschnitt 6s wird nach dem Einsetzen des Dichtungsbauteils 6 durch ein vorbestimmtes Verpressungsmittel verpresst.
In einem vorteilhaften Beispiel erstreckt sich der Verpressungsabschnitt 6s durchgehend über den Außenumfang des Dichtungsabschnitts 4b, der Verpressungsabschnitt 6s kann sich aber auch diskontinuierlich in Umfangsrichtung des Dichtungsabschnitts 4b erstrecken, solange eine günstige Verpressbefestigung erreicht wird.
<Konfiguration und Funktionswirkung des Abstandshalters>
Nachfolgend werden eine Konfiguration des Abstandshalters 7 und eine Funktionswirkung, die durch die Einbeziehung dieser Konfiguration erzielt wird, im Einzelnen beschrieben.
Erstens wird Keramik als Material des Abstandshalters 7 unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Festigkeit ausgewählt. Vorzugsweise wird eine Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von 32 W/m·K oder weniger ausgewählt, die unter dem Gesichtspunkt der Wärmebeständigkeit und einer geringen Wärmeübertragungseigenschaft geeignet ist. Bevorzugter wird Aluminiumoxid (Wärmeleitfähigkeit: 32 W/m·K) oder Steatit (Wärmeleitfähigkeit: 2 W/m·K) ausgewählt.
Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform ein konkaver Abschnitt 7b an einer Seite einer Endoberfläche 7a des Abstandshalters 7 vorgesehen. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Abstandshalters 7, die ein Beispiel für die Ausbildung des konkaven Abschnitts 7b zeigt. 2 zeigt beispielhaft einen Fall, in dem der konkave Abschnitt 7b als linearer Rillenabschnitt mit einer ebenen Bodenoberfläche 7c und einem rechteckigen Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung vorgesehen ist. In 2 befinden sich vier von acht Durchgangslöchern 9 (9a) in dem Abstandshalter 7 in einem Abschnitt eines Höhenunterschieds zwischen einer Endoberfläche 7a und dem konkaven Abschnitt 7b, es handelt sich jedoch um ein Beispiel, so dass die Anordnung der Durchgangslöcher 9a nicht darauf beschränkt ist.
3A bis 3C sind Draufsichten, die verschiedene Formen des konkaven Abschnitts 7b veranschaulichen. Auf die Darstellung der Durchgangslöcher 9a wird jedoch verzichtet.
3A zeigt einen Fall, in dem der konkave Abschnitt 7b ein linearer Rillenabschnitt ist, ähnlich wie in 2. 3B zeigt indes einen konkaven Abschnitt 7b mit einer Kreuzform, die aus solchen linearen Rillenabschnitten besteht, die senkrecht zueinander in einer Draufsicht stehen. 3C zeigt den konkaven Abschnitt 7b mit einer Kreisform in der Draufsicht. Eine Bodenoberfläche 7c dieser konkaven Abschnitte 7b kann eben sein oder auch eine gekrümmte Oberfläche aufweisen.
In jedem Fall der Form des Abstandshalters 7, wie in 1 dargestellt, steht der Verbinder 5 in Kontakt mit dem Abstandshalter 7 in einem Abschnitt einer Endoberfläche 7a, mit Ausnahme des konkaven Abschnitts 7b, und weist keinen Kontakt mit dem Abstandshalter 7 in dem konkaven Abschnitt 7b auf.
Durch die Annahme einer solchen Konfiguration in dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Wärmeübertragung von dem Verbinder 5 zu dem Abstandshalter 7 und weiter zu dem Dichtungsbauteil 6 unterdrückt, verglichen mit dem Gassensor 100 mit einer Konfiguration, bei der der gesamte Verbinder 5 mit einer Endoberfläche 7a des Abstandshalters 7 in Kontakt steht. Das heißt, dass das Risiko einer thermischen Verschlechterung des Dichtungsbauteils 6 verringert wird. Insbesondere bei einer Struktur, bei der der Verbinder 5 und das Dichtungsbauteil 6 in direktem Kontakt miteinander stehen, kann der Fall eintreten, dass das Dichtungsbauteil 6 von einem Abschnitt aus, der mit dem Verbinder 5 als Ausgangspunkt in Kontakt steht, thermisch zersetzt wird, und austretendes Gas diffundiert und eine Signalabnormalität auftritt, wobei in dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform jedoch der Abstandshalter 7 mit dem konkaven Abschnitt 7b eingreift, so dass ein Temperaturanstieg an der Endoberfläche des Dichtungsbauteils 6 unterdrückt wird und folglich das Risiko des Auftretens von Signalanomalien durch die thermische Zersetzung vorteilhaft vermindert ist.
Die Form des konkaven Abschnitts 7b ist nicht auf die in 3A bis 3C gezeigte Form beschränkt, es kann jedoch auch eine andere Form angenommen werden, solange der Abstandshalter 7 günstig zwischen dem Verbinder 5 und dem Dichtungsbauteil 6 gehalten wird und darüber hinaus die Wärmeübertragung vom Verbinder 5 zum Dichtungsbauteil 6 günstig unterdrückt wird.
Es ist bevorzugt, dass, wenn eine kleinere von einer Fläche einer Endoberfläche 5e des Verbinders 5, der eine Kontaktoberfläche ist, die mit dem Abstandshalter 7 in Kontakt steht, und einer Fläche der gesamten einen Endoberfläche 7a einschließlich des konkaven Abschnitts 7b des Abstandshalters 7 S0 ist, und eine Kontaktfläche zwischen dem Verbinder 5 und dem Abstandshalter 7 S ist, die Wärmeübertragung von dem Verbinder 5 zu dem Abstandshalter 7 und weiter zu dem Dichtungsbauteil 6 dazu neigt, unterdrückt zu werden, da ein Wert eines Verhältnisses dazwischen (im Folgenden auch als ein Kontaktabschnittflächenverhältnis bezeichnet) S/SO kleiner wird. Die Fläche S0 ist alternativ, weil davon ausgegangen wird, dass 1 einen Fall veranschaulicht, in dem die Fläche der gesamten einen Endoberfläche 7a des Abstandshalters 7 größer ist als die Fläche der Endoberfläche 5e des Verbinders 5, jedoch auch eine Konfiguration anwendbar ist, bei der eine Grö-ßenbeziehung der Fläche umgekehrt ist.
Die Wärmeübertragung vom Verbinder 5 zum Abstandshalter 7 und weiter zum Dichtungsbauteil 6 wird tendenziell unterdrückt, wenn das Verhältnis (im Folgenden auch als Tiefenverhältnis bezeichnet) b/a einer Tiefe b des konkaven Abschnitts 7b und der Höhe a des Abstandshalters 7 größer wird. Für den Fall, dass die Bodenoberfläche 7c des konkaven Abschnitts 7b nicht eben ist, kann ein Abstand zu einer tiefsten Position als Tiefe b definiert werden.
Ursprünglich sollte sich ein Effekt zur Verringerung der Wärmeübertragung einstellen, solange S/SO < 1 oder b/a > 0 erfüllt ist, jedoch wird ein wesentlicher Effekt zur Verringerung der Wärmeübertragung praktisch erwartet, wenn S/SO ≤ 0,7 oder b/a ≥ 0,08 erfüllt ist. Wenn beispielsweise der Abstandshalter 7 aus Steatit hergestellt ist und S/SO ≤ 0,5 und b/a ≥ 0,15 erfüllt sind, wird die Temperatur im Kontaktabschnitt 6a des Dichtungsbauteils 6, das mit dem Abstandshalter 7 in Kontakt steht, um mindestens etwa 2 % gesenkt, verglichen mit dem Fall, dass der konkave Abschnitt 7b nicht vorhanden ist. Insbesondere beträgt der Temperatursenkungseffekt in einem Fall, in dem S/SO ≤ 0,5 und b/a ≥ 0,5 erfüllt sind, etwa 3 %. Im letztgenannten Fall, wenn die Grenztemperatur der thermischen Beständigkeit des Dichtungsbauteils 6 300°C beträgt, kann ein Temperatursenkungseffekt von mindestens 10°C erwartet werden.
Es ist jedoch bevorzugt, dass S/SO ≥ 0,2 ist. 4A und 4B sind Diagramme zur Erläuterung eines Defekts, der beim Zusammenbau des Gassensors 100 auftreten kann, wenn der Wert des Kontaktabschnittsflächenverhältnisses S/SO klein ist. Beim Zusammenbau des Gassensors 100 kann das in den Dichtungsabschnitt 4b des Außenrohrs 4 eingepasste Dichtungsbauteil 6 an der anderen Endoberfläche (einer der einen Endoberfläche 7a gegenüberliegenden Oberfläche) 7e des Abstandshalters 7 anliegen, während der Abstandshalter 7 an der Endoberfläche 5e des Verbinders 5 anliegt, in den das Sensorelement 10 in eine Seite des anderen Endabschnitts eingeführt wird. Anschließend wird der Dichtungsabschnitt 4b seitlich gepresst und an dem Verpressungsabschnitt 6s im Durchmesser verringert, wodurch das Dichtungsbauteil 6 verformt wird. Entsprechend der Verformung des Dichtungsbauteils 6 wirkt auf den Abstandshalter 7 eine nach unten gerichtete Kraft F1, wie in 4A dargestellt.
Zu diesem Zeitpunkt sind die oberen und unteren Endoberflächen des Abstandshalters 7 durch das Dichtungsbauteil 6 und den Verbinder 5 eingespannt, jedoch ist der Außenumfang nicht besonders eingespannt. Daher kann, wenn der Wert von S/SO klein ist, ein Defekt auftreten, dass der Abstandshalter 7, wie in 4B dargestellt, abhängig von der Wirkung der Last F1 geneigt ist und nicht korrekt zwischen dem Dichtungsbauteil 6 und dem Verbinder 5 gehalten wird, und außerdem ein Defekt, dass das Sensorelement 10 aufgrund der Anwendung von Kraft auf das Sensorelement 10 von einer Seitenoberfläche gebrochen wird. Im Falle von S/SO < 0,2 treten solche Defekte signifikant auf.
Vorzugsweise sollte b/a ≤ 0,6 sein. 5 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Defekts, der beim Zusammenbau des Gassensors 100 auftreten kann, wenn der Wert des Tiefenverhältnisses b/a groß ist.
Wie vorstehend beschrieben, wirkt die nach unten gerichtete Last F1 auf den Abstandshalter 7 in Übereinstimmung mit der Pressverformung des Dichtungsabschnitts 4b des Außenrohrs 4 beim Zusammenbau des Gassensors 100. Zu diesem Zeitpunkt wirkt auch eine nach oben gerichtete Last F2 vom Verbinder 5 auf den Abstandshalter 7. Das heißt, die Druckkraft wirkt sowohl von oben als auch von unten auf den Abstandshalter 7. Wenn der Wert von b/a groß ist und der konkave Abschnitt 7b tief ist, kann es daher in der Nähe eines Endkantenabschnitts 7d der Bodenoberfläche 7c zu einem Zusammenbruch kommen. Bei einem Wert von b/a > 0,6 tritt ein solcher Defekt signifikant auf.
Wie vorstehend beschrieben, befindet sich gemäß der vorliegenden Ausführungsform der keramische Abstandshalter zwischen dem Verbinder, der im Inneren des Außenrohrs des mit dem Sensorelement zu verbindenden Gassensors angeordnet ist, und dem Dichtungsbauteil, das den Endabschnitt des Außenrohrs abdichtet, und der konkave Abschnitt ist in dem Abschnitt des Abstandshalters vorgesehen, der mit dem Verbinder in Kontakt steht, wodurch die Wärmeübertragung vom Verbinder zum Abstandshalter und weiter zum Dichtungsbauteil unterdrückt werden kann. Dementsprechend kann eine thermische Beeinträchtigung des Dichtungsbauteils unterdrückt werden, während die Festigkeit des Abstandshalters gewährleistet ist.
<Beispiel für die Konfiguration des Sensorelements>
Abschließend wird eine Konfiguration des Sensorelements 10 zur Erfassung von NOx als ein Beispiel für das Sensorelement 10 beschrieben. 6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Länge des Sensorelements 10 zum Erfassen von NOx. In diesem Fall handelt es sich bei dem Sensorelement 10 um ein sogenanntes Gassensorelement vom Grenzstromtyp. In 6 sind neben dem Sensorelement 10 eine Pumpzellenstromversorgung 30, eine Heizerstromversorgung 40 und der Controller 50 des Gassensors 100 dargestellt.
Wie in 6 dargestellt, weist das Sensorelement 10 im Allgemeinen eine Konfiguration auf, bei der ein Abstand einer länglichen, ebenen Elementbasis 11 auf der Seite des ersten Endabschnitts E1 mit einer porösen Führungsendeschutzschicht bzw. Leitungsendeschutzschicht 12 bedeckt ist. Die Elementbasis 11 enthält einen länglichen, ebenen Keramikkörper 101 als Hauptstruktur und die Hauptoberflächenschutzschichten 170 (170a und 170b) sind auf zwei Hauptoberflächen des Keramikkörpers 101 angeordnet. Darüber hinaus ist in dem Sensorelement 10 die Führungsendeschutzschicht 12 (eine innere Führungsendeschutzschicht 12a und eine äußere Führungsendeschutzschicht 12b) außerhalb einer Endoberfläche (eine Führungsendeoberfläche 101e des Keramikkörpers 101) und vier Seitenoberflächen auf einer Seite eines Führungsendeabschnitts angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Endabschnitte des Keramikkörpers 101 und des Sensorelements 10 auf der Seite des ersten Endabschnitts E1 der Elementbasis 11 auch als erste Endabschnitte E1 bezeichnet, und die Endabschnitte des Keramikkörpers 101 und des Sensorelements 10 auf einer Seite des zweiten Endabschnitts E2 der Elementbasis 11 werden der Einfachheit halber auch als zweite Endabschnitte E2 bezeichnet.
Der Keramikkörper 101 ist aus Keramik aufgebaut, die als Hauptkomponente Zirkoniumdioxid (yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid) enthält, das ein sauerstoffionenleitender Festelektrolyt ist. Der Keramikkörper 101 ist dicht und luftdicht.
Das in 6 dargestellte Sensorelement 10 ist ein sogenanntes serielles Gassensorelement mit Dreikammerstruktur, das eine erste Innenkammer 102, eine zweite Innenkammer 103 und eine dritte Innenkammer 104 innerhalb des Keramikkörpers 101 aufweist. Das heißt, in dem Sensorelement 10 steht die erste Innenkammer 102 über ein erstes Diffusionssteuerteil 110 und ein zweites Diffusionssteuerteil 120 mit einem Gaseinlass 105 in Verbindung, der sich auf der Seite des ersten Endabschnitts E1 des Keramikkörpers 101 nach außen öffnet (um genau zu sein, mit der Außenseite durch die Führungsendeschutzschicht 12 in Verbindung steht), die zweite Innenkammer 103 steht mit der ersten Innenkammer 102 über ein drittes Diffusionssteuerteil 130 in Verbindung, und die dritte Innenkammer 104 steht mit der zweiten Innenkammer 103 über ein viertes Diffusionssteuerteil 140 in Verbindung, in Umrissen. Ein Weg vom Gaseinlass 105 zur dritten Innenkammer 104 wird auch als Gasverteilungsteil bezeichnet. In dem Sensorelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Verteilungsteil gerade entlang der Längsrichtung des Keramikkörpers 101 vorgesehen.
Das erste Diffusionssteuerteil 110, das zweite Diffusionssteuerteil 120, das dritte Diffusionssteuerteil 130 und das vierte Diffusionssteuerteil 140 sind in 6 jeweils als zwei vertikal angeordnete Schlitze ausgebildet. Das erste Diffusionssteuerteil 110, das zweite Diffusionssteuerteil 120, das dritte Diffusionssteuerteil 130 und das vierte Diffusionssteuerteil 140 bieten dem durch sie hindurchströmenden Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand. Zwischen dem ersten Diffusionssteuerteil 110 und dem zweiten Diffusionssteuerteil 120 ist ein Pufferraum 115 vorgesehen, der die Wirkung hat, die Pulsation des Messgases zu puffern.
Eine äußere Pumpelektrode 141 ist an einer Außenoberfläche des Keramikkörpers 101 vorgesehen und eine innere Pumpelektrode 142 ist in der ersten Innenkammer 102 vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Hilfspumpelektrode 143 in der zweiten Innenkammer 103 vorgesehen, und eine Messelektrode 145 als Sensorteil zum direkten Erfassen einer zu messenden Gaskomponente ist in der dritten Innenkammer 104 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Referenzgaseinlass 106, der mit der Außenseite in Verbindung steht und durch den das Referenzgas eingeleitet wird, auf der Seite des zweiten Endabschnitts E2 des Keramikkörpers 101 vorgesehen und eine Referenzelektrode 147 ist in dem Referenzgaseinlass 106 vorgesehen.
In dem Gassensor 100 mit dem Sensorelement 10 wird die Konzentration eines NOx-Gases im Messgas durch ein Verfahren berechnet, das nachstehend beschrieben wird.
Zunächst wird das Messgas, das durch die Durchgangslöcher H in die Schutzabdeckung 2 strömt und durch den Gaseinlass 105 in die erste Innenkammer 102 eingeleitet wird, so eingestellt, dass es eine annähernd konstante Sauerstoffkonzentration aufweist, durch Pumpwirkung einer Hauptpumpzelle P1 (Hinein- oder Herauspumpen von Sauerstoff), und dann in die zweite Innenkammer 103 eingeleitet. Die Hauptpumpzelle P1 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die die äußere Pumpelektrode 141, die innere Pumpelektrode 142 und eine Keramikschicht 101a enthält, die einen Abschnitt des Keramikkörpers 101 darstellt, der sich zwischen diesen Elektroden befindet. In der zweiten Innenkammer 103 wird der im Messgas enthaltene Sauerstoff durch die Pumpwirkung einer Hilfspumpzelle P2, bei der es sich ebenfalls um eine elektrochemische Pumpzelle handelt, aus dem Element gepumpt, so dass sich das Messgas in einem ausreichend niedrigen Sauerstoffpartialdruckzustand befindet. Die Hilfspumpzelle P2 enthält die äußere Pumpelektrode 141, die Hilfspumpelektrode 143 und eine Keramikschicht 101 b, die einen Abschnitt des Keramikkörpers 101 darstellt, der sich zwischen diesen Elektroden befindet.
Die äußere Pumpelektrode 141, die innere Pumpelektrode 142 und die Hilfspumpelektrode 143 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode aus ZrO₂ und Pt, die 1% Au enthält). Die innere Pumpelektrode 142 und die Hilfspumpelektrode 143, die mit dem Messgas in Kontakt stehen sollen, werden jeweils aus einem Material gebildet, das ein geschwächtes oder kein Reduktionsvermögen in Bezug auf eine NOx-Komponente im Messgas aufweist.
NOx in dem Messgas, das durch die Hilfspumpzelle P2 in den Zustand niedrigen Sauerstoffpartialdrucks versetzt wird, wird in die dritte Innenkammer 104 eingeleitet und durch die in der dritten Innenkammer 104 vorgesehene Messelektrode 145 reduziert oder zersetzt. Bei der Messelektrode 145 handelt es sich um eine poröse Cermet-Elektrode, die auch als NOx-Reduktionskatalysator fungiert, der das in der Atmosphäre in der dritten Innenkammer 104 vorhandene NOx reduziert. Während der Reduktion oder Zersetzung wird eine Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 145 und der Referenzelektrode 147 konstant gehalten. Die durch die vorstehend erwähnte Reduktion oder Zersetzung erzeugten Sauerstoffionen werden durch eine Messpumpzelle P3 aus dem Element gepumpt. Die Messpumpzelle P3 enthält die äußere Pumpelektrode 141, die Messelektrode 145 und eine Keramikschicht 101c, bei der es sich um einen Abschnitt des Keramikkörpers 101 zwischen diesen Elektroden handelt. Die Messpumpzelle P3 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die den durch die Zersetzung von NOx in der Atmosphäre um die Messelektrode 145 erzeugten Sauerstoff abpumpt.
Das Pumpen (Hinein- oder Herauspumpen von Sauerstoff) der Hauptpumpzelle P1, der Hilfspumpzelle P2 und der Messpumpzelle P3 wird unter Steuerung durch den Controller 50 dadurch erreicht, dass die Pumpzellenstromversorgung (variable Stromversorgung) 30 die zum Pumpen erforderliche Spannung an die in jeder der Pumpzellen enthaltenen Elektroden anlegt. Im Fall der Messpumpzelle P3 wird eine Spannung an die äußere Pumpelektrode 141 und die Messelektrode 145 angelegt, so dass die Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 145 und der Referenzelektrode 147 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Die Pumpzellenstromversorgung 30 ist in der Regel für jede Pumpzelle vorgesehen.
Der Controller 50 erfasst einen zwischen der Messelektrode 145 und der äu-ßeren Pumpelektrode 141 fließenden Pumpstrom Ip2 in Abhängigkeit von der durch die Messpumpzelle P3 ausgepumpten Sauerstoffmenge und berechnet eine NOx-Konzentration im Messgas auf der Grundlage einer linearen Beziehung zwischen einem Stromwert (NOx-Signal) des Pumpstroms Ip2 und der Konzentration von zersetztem NOx.
Der Gassensor 100 enthält vorzugsweise eine Vielzahl von nicht abgebildeten elektrochemischen Sensorzellen, die die Potenzialdifferenz zwischen jeder Pumpelektrode und der Referenzelektrode 147 messen, und jede Pumpzelle wird von dem Controller 50 auf der Grundlage eines in jeder Sensorzelle erfassten Signals gesteuert.
In dem Sensorelement 10 ist der Heizer 150 in den Keramikkörper 101 eingelassen. Der Heizer 150 ist unterhalb des Gasverteilungsteils in 6 über einen Bereich von der Nähe des ersten Endabschnitts E1 bis mindestens zu einer Stelle vorgesehen, an der sich die Messelektrode 145 und die Referenzelektrode 147 bilden. Der Heizer 150 erzeugt Wärme, indem er von der Heizerstromversorgung 40 unter Steuerung durch den Controller 50 versorgt wird. Der Heizer 150 dient hauptsächlich dazu, das Sensorelement 10 zu erwärmen, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der den Keramikkörper 101 bildet, zu verbessern, wenn das Sensorelement 10 in Gebrauch ist. Das Sensorelement 10 wird so erwärmt, dass die Temperatur zumindest in einem Bereich zwischen der ersten Innenkammer 102 und der zweiten Innenkammer 103 500°C oder mehr beträgt.
Der Heizer 150 ist ein Widerstandsheizkörper, z.B. aus Platin, und ist von einer Isolierschicht 151 umgeben.
Die Vielzahl der Elektrodenanschlüsse 160 ist an den jeweiligen Hauptoberflächen des Keramikkörpers 101 auf der Seite des zweiten Endabschnitts E2 ausgebildet, um einen elektrischen Anschluss zwischen dem Sensorelement 10 und der Außenseite herzustellen. Diese Elektrodenanschlüsse 160 sind elektrisch mit den vorstehend erwähnten fünf Elektroden, den gegenüberliegenden Enden des Heizers 150 und der nicht dargestellten inneren Verdrahtung zum Erfassen des Heizerwiderstands durch die nicht dargestellte innere Verdrahtung verbunden, die innerhalb des Keramikkörpers 101 vorgesehen ist, um eine vorbestimmte Korrespondenzbeziehung zu haben. Wie vorstehend beschrieben, sind die Elektrodenanschlüsse 160 über die Kontaktpunktbauteile 51 mit den Leitungen 8 verbunden und das Anlegen einer Spannung von der Pumpzellenstromversorgung 30 an jede Pumpzelle des Sensorelements 10 und die Erwärmung unter Verwendung des Heizers 150, der von der Heizerstromversorgung 40 mit Strom versorgt wird, erfolgen somit über die Leitungen 8, die Kontaktpunktbauteile 51 und die Elektrodenanschlüsse 160.
Die Hauptoberflächenschutzschichten 170 sind Schichten aus Aluminiumoxid, die eine Dicke von etwa 5 µm bis 30 µm haben und Poren mit einer Porosität von etwa 20 % bis 40 % enthalten, und sind vorgesehen, um das Anhaften von Fremdkörpern und giftigen Substanzen an den Hauptoberflächen des Keramikkörpers 101 und der äußeren Pumpelektrode 141 zu verhindern. Die Hauptoberflächenschutzschicht 170a fungiert somit als Pumpelektrodenschutzschicht zum Schutz der äußeren Pumpelektrode 141.
Die Führungsendeschutzschicht bzw. Leitungsendeschutzschicht 12 ist um einen äußersten Umfang der Elementbasis 11 in einem vorbestimmten Bereich vom ersten Endabschnitt E1 vorgesehen. Die Führungsendeschutzschicht 12 ist so vorgesehen, dass sie einen Abschnitt der Elementbasis 11 umgibt, in dem die Temperatur hoch ist (bis zu etwa 700°C bis 800°C), wenn der Gassensor 100 in Gebrauch ist, um Wasserbeständigkeit in dem Abschnitt zu gewährleisten, um dadurch das Auftreten von Rissen (wasserinduzierter Bruch) der Elementbasis 11 aufgrund eines Wärmeschocks zu unterdrücken, der durch eine lokale Temperatursenkung bei direkter Einwirkung von Wasser auf den Abschnitt verursacht wird.
Darüber hinaus ist die Führungsendeschutzschicht 12 vorgesehen, um eine Vergiftungsresistenz zu gewährleisten, um zu verhindern, dass eine vergiftende Substanz wie Mg in das Sensorelement 10 gelangt.
Die innere Führungsendeschutzschicht 12a ist aus Aluminiumoxid aufgebaut, weist eine Porosität von 45 % bis 60 % auf und weist eine Dicke von 450 µm bis 650 µm auf. Die äußere Führungsendeschutzschicht 12b ist aus Aluminiumoxid aufgebaut, weist eine Porosität von 10 % bis 40 % auf, die geringer als die Porosität der inneren Führungsendeschutzschicht 12a ist, und weist eine Dicke von 50 µm bis 300 µm auf. Die innere Führungsendeschutzschicht 12a ist als Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen, um die Wärmeleitung von außen zur Elementbasis 11 zu unterdrücken.
Die innere Führungsendeschutzschicht 12a und die äußere Führungsendeschutzschicht 12b werden durch aufeinanderfolgendes thermisches Spritzen (Plasmaspritzen) von Materialbestandteilen in Bezug auf die Elementbasis 11 mit einer Oberfläche gebildet, auf der eine darunter liegende Schicht 13 gebildet wurde.
Wie in 6 dargestellt, ist die darunter liegende Schicht 13 zwischen der inneren Führungsendeschutzschicht 12a und der Elementbasis 11 vorgesehen, um eine Haftung der inneren Führungsendeschutzschicht 12a zu gewährleisten. Die darunter liegende Schicht 13 ist zumindest an den beiden Hauptoberflächen des Elementträgers 11 vorgesehen. Die darunter liegende Schicht 13 ist aus Aluminiumoxid aufgebaut, weist eine Porosität von 30 % bis 60 % und eine Dicke von 15 µm bis 50 µm auf.
<Modifizierung>
Obwohl das Sensorelement vom Strombegrenzungstyp mit drei inneren Kammern und der Erfassung von NOx als zu erfassende Gaskomponente als Beispiel für das Sensorelement 10 in der vorstehend erwähnten Ausführungsform gezeigt wird, muss die Anzahl der inneren Kammern nicht drei betragen und eine andere Gaskomponente als NOx kann im Sensorelement 10 des Gassensors 100 erfasst werden. Alternativ kann das Sensorelement ein Sensorelement ohne innere Kammern sein, wie ein Sensorelement mit gemischtem Potenzial.
[Beispiel]
Mittels CAE wurde eine Simulation der Temperatur (konstante Temperatur) im Kontaktabschnitt 6a des Dichtungsbauteils 6, das mit dem Abstandshalter 7 in Kontakt steht, in einem Fall durchgeführt, in dem der Gassensor 100, der das aus Fluorkautschuk bestehende Dichtungsbauteil 6 und den aus Steatit bestehenden Abstandshalter 7 enthält, an einer Rohrleitung angebracht war, durch die Hochtemperaturmessgas strömte, und dann wurde ein Temperatursenkungseffekt durch den Abstandshalter 7 bestimmt.
Die Temperatur des in der Rohrleitung strömenden Gases wurde auf 850°C und die Strömungsgeschwindigkeit auf 4,85 m/s eingestellt. Der Gassensor 100 wurde an der Rohrleitung befestigt, indem der Bolzen 3a mit einer Mutter in Eingriff gebracht wurde, die an einer vorbestimmten Befestigungsstelle vorgesehen war. Die Temperatur außerhalb der Rohrleitung (Temperatur um den Gassensor 100) wurde auf 25°C eingestellt. Die Antriebstemperatur des Sensorelements 10 (Einstellung der Heiztemperatur im Heizer 150) wurde auf 850°C eingestellt.
Verwendet wurde der Gassensor 100, bei dem die Fläche der gesamten einen Endoberfläche 7a des Abstandshalters 7 einschließlich des konkaven Abschnitts 7b größer war als die Fläche der Endoberfläche 5e des Verbinders 5 und der konkave Abschnitt 7b des Abstandshalters 7 den in 2 und 3A dargestellten linearen Rillenabschnitt bildete, wobei sich jedoch ein Wert des Tiefenverhältnisses b/a in zwei Stufen unterschied (Beispiel 1 und Beispiel 2). Genauer gesagt, unterschied sich der Wert in zwei Stufen von 0,15 (Beispiel 1) und 0,5 (Beispiel 2). Das Flächenverhältnis S/SO des Kontaktabschnitts betrug allgemein 0,459.
Die Simulation wurde auch mit dem Gassensor 100 durchgeführt, der eine ähnliche Konfiguration wie in Beispiel 1 und Beispiel 2 aufweist, mit der Ausnahme, dass der konkave Abschnitt 7b nicht im gleichen Zustand enthalten ist, als Vergleichsbeispiel, um eine Referenz für die konstante Temperatur zu erhalten.

Tabelle 1 zeigt zu Beispiel 1 und Beispiel 2 in Form einer Liste ein Kontaktabschnitt-Flächenverhältnis S/SO und ein Tiefenverhältnis b/a (diese Verhältnisse sind auch in Vergleichsbeispiel 1 gezeigt), ein Bestimmungsergebnis des Temperatursenkungseffekts auf der Grundlage einer maximalen Temperatur des Kontaktabschnitts 6a und ein Verhältnis einer Temperatur des Kontaktabschnitts 6a in einem Fall, in dem ein Wert in Vergleichsbeispiel 1 auf 1 gesetzt ist. [Tabelle 1]

	Kontaktabschnitt-Flächenverhältnis S/SO	Tiefenverhältnis in konkavem Abschnitt b/a	Bestimmungsergebnis	Temperaturverhältnis in Dichtungsbauteil
Vergleichsbeispiel 1	1	0	-	1
Beispiel 1	0,459	0,15	Δ	0,978
Beispiel 2	0,459	0,5	◯	0,967

Bei der Bestimmung des Temperatursenkungseffekts wird festgestellt, dass der Temperatursenkungseffekt des Dichtungsbauteils 6 durch die Bereitstellung des konkaven Abschnitts 7b im Abstandshalter 7 vorteilhaft ist, wenn der Kontaktabschnitt 6a des Gassensors 100 eine um 6°C oder mehr niedrigere Temperatur als in Vergleichsbeispiel 1 aufweist. Der Spalte mit den Bestimmungsergebnissen in Tabelle 1 in Beispiel 2, die unter die vorstehende Bedingung fällt, wird eine Kreismarkierung zugewiesen.
Indes wird festgestellt, dass der Temperatursenkungseffekt des Dichtungsbauteils 6 bis zu einem gewissen Grad durch die Bereitstellung des konkaven Abschnitts 7b im Abstandshalter 7 erreicht wird, wenn der Kontaktabschnitt 6a des Gassensors 100 eine Temperatur aufweist, die um 1°C oder mehr niedriger als die in Vergleichsbeispiel 1 und kleiner als 6°C ist. Der Spalte für das Bestimmungsergebnis in Tabelle 1 in Beispiel 1, das unter die vorstehende Bedingung fällt, wird eine Dreiecksmarkierung zugewiesen.
Es wird festgestellt, dass der Temperatursenkungseffekt des Dichtungsbauteils 6 durch das Vorsehen des konkaven Abschnitts 7b im Abstandshalter 7 nicht erreicht wird, wenn der Kontaktabschnitt 6a eine Temperatur aufweist, die um weniger als 1°C niedriger als die in Vergleichsbeispiel 1 oder gleich oder höher als die in Vergleichsbeispiel 1 ist, jedoch fällt keiner der Gassensoren 100 in Beispiel 1 und Beispiel 2 unter diese Bedingung.
Aus dem in Tabelle 1 gezeigten Ergebnis wird bestätigt, dass der Temperatursenkungseffekt von 2 % oder mehr in dem Kontaktabschnitt 6a des Dichtungsbauteils 6, das mit dem Abstandshalter 7 in Kontakt steht, in dem Gassensor 100 gemäß Beispiel 1 einschließlich des konkaven Abschnitts 7b, der 0,2 ≤ S/SO ≤ 0,5 und 0,15 ≤ b/a ≤ 0,6 erfüllt, erzielt wird. Darüber hinaus wird bestätigt, dass der Gassensor 100 gemäß Beispiel 2 mit dem konkaven Abschnitt 7b, der 0,2 ≤ S/SO ≤ 0,5 und 0,5 ≤ b/a ≤ 0,6 erfüllt, einen Temperatursenkungseffekt von 3 % oder mehr im Kontaktabschnitt 6a des mit dem Abstandshalter 7 in Kontakt stehenden Dichtungsbauteils 6 aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005227227 [0007]

Claims

Gassensor zum Erfassen einer vorbestimmten Gaskomponente, die in einem Messgas enthalten ist, wobei der Gassensor umfasst: ein Sensorelement, das ein Sensorteil an einer Seite seines Endabschnitts enthält; ein Gehäuse, in dem das Sensorelement enthalten und befestigt ist; und einen im Gehäuse angeordneten Verbinder zur elektrischen Verbindung des Sensorelements mit der Außenseite, wobei das Gehäuse enthält: ein Außenrohr, das einen Hauptabschnitt, in dem ein Referenzgas enthalten ist, und einen Dichtungsabschnitt, der ein Endabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt ist, wobei ein anderer Endabschnitt des Sensorelements in den Hauptabschnitt hineinragt, enthält, ein Gummidichtungsbauteil, das in den Dichtungsabschnitt eingepasst ist, um das Außenrohr abzudichten, und einen keramischen Abstandshalter, der zwischen dem Dichtungsbauteil und dem Verbinder im Außenrohr liegt, und der Abstandshalter einen konkaven Abschnitt in einer Endoberfläche auf einer Seite enthält, die mit dem Verbinder in Kontakt steht, und mit Ausnahme des konkaven Abschnitts mit dem Verbinder in der Endoberfläche in Kontakt steht.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei wenn eine kleinere von einer Fläche einer Kontaktoberfläche des Verbinders, der mit dem Abstandshalter in Kontakt steht, und einer Fläche der gesamten Endoberfläche, die den konkaven Abschnitt des Abstandshalters enthält, S0 ist, und eine Kontaktfläche zwischen dem Verbinder und dem Abstandshalter S ist, für ein Kontaktabschnittflächenverhältnis S/SO erfüllt ist: $0,2 \leq S/S0 \leq 0,7 .$
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenn eine Höhe des Abstandshalters a ist und eine Tiefe des konkaven Abschnitts b ist, für ein Tiefenverhältnis b/a erfüllt ist: $0,08 \leq b / a \leq 0,6 .$
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der konkave Abschnitt in der Draufsicht von einer Seite der Endoberfläche des Abstandshalters eine lineare Form, eine Kreuzform oder eine Kreisform aufweist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Abstandshalters gleich oder kleiner als 32 W/m·K ist.
Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements zur Aufnahme eines Sensorelements und eines Verbinders, während das Sensorelement darin befestigt wird, wobei das Sensorelement auf einer Seite eines Endabschnitts davon ein Sensorteil zum Erfassen einer vorbestimmten Gaskomponente, die in einem Messgas enthalten ist, enthält, wobei der Verbinder das Sensorelement mit einer Außenseite elektrisch verbindet, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des Sensorelements umfasst: ein Außenrohr, das einen Hauptabschnitt, in dem ein Referenzgas enthalten ist, und einen Dichtungsabschnitt, der ein Endabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt ist, wobei ein anderer Endabschnitt des Sensorelements in den Hauptabschnitt hineinragt, enthält; ein Gummidichtungsbauteil, das in den Dichtungsabschnitt eingepasst ist, um das Außenrohr abzudichten; und einen keramischen Abstandshalter, der zwischen dem Dichtungsbauteil und dem Verbinder im Außenrohr liegt, wobei der Abstandshalter einen konkaven Abschnitt in einer Endoberfläche auf einer Seite enthält, die mit dem Verbinder in Kontakt steht, und mit Ausnahme des konkaven Abschnitts mit dem Verbinder in der Endoberfläche in Kontakt steht.
Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements nach Anspruch 6, wobei wenn eine kleinere von einer Fläche einer Kontaktoberfläche des Verbinders, der mit dem Abstandshalter in Kontakt steht, und einer Fläche der gesamten Endoberfläche, die den konkaven Abschnitt des Abstandshalters enthält, S0 ist, und eine Kontaktfläche zwischen dem Verbinder und dem Abstandshalter S ist, für ein Kontaktabschnittflächenverhältnis S/SO erfüllt ist: $0,2 \leq S/S0 \leq 0,7 .$
Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements nach Anspruch 6 oder 7, wobei wenn eine Höhe des Abstandshalters a ist und eine Tiefe des konkaven Abschnitts b ist, für ein Tiefenverhältnis b/a erfüllt ist: $0,08 \leq b / a \leq 0,6 .$
Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der konkave Abschnitt in der Draufsicht von einer Seite der Endoberfläche des Abstandshalters eine lineare Form, eine Kreuzform oder eine Kreisform aufweist.
Gehäuse zur Aufnahme eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Abstandshalters gleich oder kleiner als 32 W/m·K ist.