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Die
Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff des
unabhängigen
Anspruchs.
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Ein
derartiger Gasmessfühler
ist beispielsweise in der
DE
197 51 424 A1 beschrieben. Der Gasmessfühler umfasst ein Sensorelement,
das der Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases,
beispielsweise der Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponenten
oder der Temperatur eines Abgases, dient. Das Sensorelement ist in
einer topfförmigen
metallischen Aufnahme angeordnet. In der Aufnahme ist ein Dichtelement
vorgesehen, das sich an die Wand der Aufnahme und an das Sensorelement
anlegt und so das Sensorelement gasdicht abdichtet. Die Wand der
Aufnahme ist glatt ausgeführt.
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Weiterhin
ist in der
DE 102
22 409 A1 beschrieben, zur Abdichtung eines Sensorelements
Keramikschäume
zu verwenden.
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Hierbei
ist nachteilig, dass die Dichtwirkung alleine durch eine Adhäsionsverbindung
zwischen Dichtelement und Aufnahme erzielt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Dichtwirkung des Dichtelements verbessert ist.
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Hierzu
ist vorgesehen, dass die Aufnahme auf der dem Dichtelement zugewandten
Seite eine Profilierung aufweist. Durch die Profilierung wird die Fläche zwischen
dem Dichtelement und der Aufnahme vergrößert und damit die Dichtwirkung
erhöht
(Labyrinthdichtung). Zudem wird durch die Profilierung eine verbesserte
Verbindung zwischen Dichtelement und Aufnahme durch Formschluss
(Verklammerung) erreicht.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen
Gasmessfühlers
möglich.
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Vorteilhaft
ist die Aufnahme topfförmig
geformt und weist einen Boden und eine Seitenwand auf, wobei der
Boden eine mittige Aussparung enthält, in der das Sensorelement
angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung kann das Dichtelement
in einem flüssigen
oder pastösen
Zustand oder in Pulverform in die Aufnahme eingefüllt werden
und (gegebenenfalls nach einem Einschmelzprozess) im Kontakt mit
der Aufnahme und dem Sensorelement aushärten. Vorteilhaft ist die Profilierung
an der Innenwand eines zylindrisch geformten Abschnitts (Seitenwand)
vorgesehen, wobei das Sensorelement auf der Längsachse des zylindrisch geformten
Abschnitts liegt.
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Die
Profilierung lässt
sich fertigungstechnisch einfach durch Gewinderollen in die Aufnahme einbringen.
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Besonders
vorteilhaft ist zumindest der zylindrisch geformte Abschnitt der
Aufnahme als Wellrohr ausgeführt.
Aufgrund der Elastizität
des Wellrohres können
Spannungen ausgeglichen werden, die bei unterschiedlichen Temperaturen
aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
von metallischer Aufnahme und Dichtelement auftreten.
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Eine
besonders gute Dichtwirkung und Verklammerung von Dichtelement und
Aufnahme ergibt sich, wenn die Profilierung runde oder spitz zulaufende
Erhebungen und/oder Vertiefungen umfasst. Vorteilhaft liegt die
Höhe der
Erhebungen gegenüber den
Vertiefungen im Bereich zwischen 0,1 mm bis 2 mm.
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Der
Abstand zweier benachbarter Erhebungen oder zweier benachbarter
Vertiefungen liegt vorteilhaft im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm.
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Das
Dichtelement ist bevorzugt ein Glas, eine Glaskeramik, ein Keramikschaum,
ein Metalllot oder ein anderes einschmelzbares Material. Besonders
vorteilhaft weist das Dichtelement ein Glas auf, das B2O3, ZnO, SiO2, Al2O3, BaO und MgO
mit einem Anteil von jeweils über
5 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von jeweils über 10 Gewichtsprozent enthält.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 ein erstes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Gasmessfühlers in
einer Schnittdarstellung, 2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Gasmessfühlers in
schematischer Darstellung, und die 3 und 4 zwei Ausführungsformen
der Aufnahme, in der das Dichtelement und das Sensorelement angeordnet
ist, in schematischer Darstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der
in 1 als erstes Ausführungsbeispiel dargestellte
elektrochemische Gasmessfühler 10 dient
der Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren.
Der Gasmessfühler 10 hat
ein metallisches Gehäuse 11,
in dem ein planares, plättchenförmiges Sensorelement 12 mit einem
messgasseitigen Endabschnitt 13 und einem referenzgasraumseitigen
Endabschnitt 14 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 wird mittels
eines Gewindes in ein nicht dargestelltes Abgasrohr eingesetzt.
Im Gehäuse 11 ist
ferner eine Längsbohrung 16 mit
beispielsweise einer schulterförmigen
Ringfläche 17 ausgebildet.
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In
der Längsbohrung 16 ist
ein Keramikformteil 20 mit einer Durchführung 21 für das Sensorelement 12 angeordnet.
Das Keramikformteil 20 weist eine messgasseitige Stirnfläche 22 und
eine referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 auf. Die messgasseitige
Stirnfläche 22 ist
beispielsweise mit einer konisch verlaufenden Ringfläche 24 ausgeführt, die
auf der schulterförmigen
Ringfläche 17 aufsitzt.
Der aus dem Gehäuse 11 herausragende
messgasseitige Endabschnitt 13 des Sensorelements 12 reicht
in einen Messgasraum 52 hinein und ist beispielsweise von
einem doppelwandigen Schutzrohr 27 mit Gasein- und Gasauslassöffnungen 28 mit
Abstand umgeben.
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Der
referenzgasraumseitige Endabschnitt 14 des Sensorelements 12 wird
von einer äußeren Metallhülse 35 als
referenzgasraumseitiges Gehäuseteil umgeben,
die eine rohrförmige Öffnung 36 aufweist, in
der eine Kabeldurchführung 38 aus
beispielsweise PTFE angeordnet ist. Die Kabeldurchführung 38 ist mit
der äußeren Metallhülse 35 gasdicht
verstimmt. Durch die Kabeldurchführung 38 sind
Anschlusskabel 32 geführt.
Die äußere Metallhülse 35 ist
mit dem Gehäuse 11 mittels
einer umlaufenden Schweißnaht 39 gasdicht
verschweißt.
Innerhalb der äußeren Metallhülse 35 ist
ein Referenzgasraum 53 ausgebildet. In den Referenzgasraum 53 kann
beispielsweise Luft als Referenzatmosphäre für eine nicht dargestellte Referenzelektrode
des Sensorelements 12 beispielsweise durch die Kabelführung 38 gelangen.
An seinem referenzgasraumseitigen Endabschnitt 14 hat das
Sensorelement 12 ferner nicht näher dargestellte Kontakte,
die mittels eines Kontaktsteckers 30 über Crimpverbindungen mit den
Anschlusskabeln 32 kontaktiert sind.
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Eine
innere Metallhülse 40 weist
eine das Sensorelement 12 umgreifende Aufnahme 41 und eine äußere zylindrisch
geformte Seitenwand 42 auf. Die Aufnahme 41 ist
topfförmig
ausgebildet und umfasst einen zylindrisch geformten Abschnitt 45 und
einen Boden 44. Im Boden 44 ist eine Öffnung 46 zur Durchführung des
Sensorelements 12 eingebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Aufnahme 41 aus der Form der inneren Metallhülse 40 durch
eine nach innen weisende Einstülpung
ausgeführt.
Diese Ausführung
ermöglicht
die Herstellung der inneren Metallhülse 40 mit Boden 44 als
einstückiges
Tiefziehteil. Die innere Metallhülse 40 ist
mit dem Boden 44 der Aufnahme 41 auf die referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 des
Keramikformteils 20 aufgesetzt und an der äußeren zylindrischen
Seitenwand 42 mit dem Gehäuse 11 mittels einer
umlaufenden weiteren Schweißnaht 49 gasdicht
verschweißt.
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In
der Aufnahme 41 befindet sich ein Dichtelement 50,
das eine hermetische Trennung des Referenzgasraumes 53 vom
Messgasraum 52 realisiert. Das Dichtelement 50 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
besteht aus Glas und enthält
B2O3, ZnO, SiO2, Al2O3,
BaO und MgO mit einem Anteil von jeweils über 10 Gewichtsprozent. Alternativ
besteht das Dichtelement 50 aus einer Glaskeramik, aus
einem Keramikschaum oder aus einem Metalllot oder einem anderen
einschmelzbarem Material. Die Öffnung 46 im
Boden 44 der Aufnahme 41, in der das Sensorelement 12 aufgenommen
ist, ist dabei zweckmäßigerweise
annähernd
spaltfrei ausgebildet, so dass das Material des Dichtelements 50 beim Einschmelzvorgang
nicht durch die Öffnung 46 dringen
kann. Als Material für
die Metallhülse 40 können auch
austentitische und/oder ferritische Metalle eingesetzt werden. Das
Sensorelement 12 liegt auf der Längsachse des zylindrisch geformten
Abschnitts 45.
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Die
Aufnahme 41 weist auf der Innenseite des zylindrisch geformten
Abschnits 45 eine Profilierung 60 auf, die in
der Beschreibung zu den 3 und 4 näher erläutert wird.
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In 2 ist schematisch ein zweites
Ausführungsbeispiel
dargestellt, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel in der Gestaltung
des Gehäuses 11 und
in der Anbindung der Aufnahme 41 an das Gehäuse 11 unterscheidet.
Einander entsprechende Elemente sind in 2 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet
wie in 1.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
weist die Aufnahme 41 einen Flansch 75, also einen
sich radial nach außen
erstreckenden Abschnitt, auf. Das Gehäuse 11 umfasst eine
messgasseitige Hülse 71 mit
Gasein- und Gasauslassöffnungen 28 und
eine referenzgasraumseitige Hülse 73.
Die messgasseitige Hülse 71 weist
auf ihrer dem Referenzgasraum 53 zugewandten Seite einen
Flansch 72 auf. Die referenzgasraumseitige Hülse 73 weist
auf ihrer dem Messgasraum 52 zugewandten Seite einen Flansch 74 auf,
der mit dem Flansch 72 zusammenwirkt. Zwischen dem Flansch 72 der
messgasseitigen Hülse 71 und
dem Flansch 74 der referenzgasraumseitigen Hülse 73 ist
der Flansch 75 der Aufnahme 41 angeordnet. Die
Flansche 72, 74, 75 sind durch eine Schweißverbindung 76 miteinander
verbunden. Die Schweißverbindung
kann als Überlappnaht
oder als axiale I-Naht ausgebildet sein, die in die drei Flansche 72, 74, 75 eindringt.
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Die 3 und 4 zeigen die Aufnahme 41 und den
in der Aufnahme 41 angeordneten Abschnitt des Sensorelements 12.
Einander entsprechende Elemente wurden bei den 3 und 4 mit
denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 und 2.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 umfasst die Aufnahme 41 den
Boden 44 mit der Öffnung 46 zur
Durchführung
des Sensorelements 12, den zylindrisch geformten Abschnitt 45 und
den sich an den Abschnitt 45 anschließenden Flansch 75.
Der Bereich zwischen der Aufnahme 41 und dem Sensorelement 12 ist
durch das Dichtelement 60 ausgefüllt. Das Dichtelement 60 wird
in einem flüssigen
oder pastösen
Zustand in die Aufnahme 41 eingefüllt und härtet danach aus. Alternativ
wird das Dichtelement beispielsweise als glasbildendes Pulver in
die Aufnahme 41 eingebracht und aufgeschmolzen. Das ausgehärtete Dichtelement 60 bildet
eine Adhäsionsverbindung
zu der Aufnahme 41 und dem Sensorelement 12 aus.
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Der
Boden 44 und der zylindrische Abschnitt 45 der
Aufnahme 41 weisen an ihren Innenflächen, also an den Flächen, die
mit dem Dichtelement 50 in Kontakt stehen, eine Profilierung 60 auf.
Diese Profilierung 60 wird durch wellenförmige Erhebungen 61 und
Vertiefungen 62 gebildet. Die dem Dichtelement 50 abgewandte
Seite des Bodens 44 und des zylindrischen Abschnitts 45 sind
glatt ausgeführt,
weisen also keine Profilierung auf.
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Die
weiteren Ausführungsform
gemäß 4 unterscheidet sich von
der Ausführungsform
gemäß 3 dadurch, dass der Boden 44 auch
auf der dem Dichtelement 50 zugewandten Seite keine Profilierung
aufweist, also beidseitig glatt ausgeführt ist, und dass der zylindrische
Abschnitt 45 als Wellrohr ausgebildet ist. Das Wellrohr
ist ein wellenförmiges
Seitenteil, das an der Innen- und
der Außenfläche profiliert
ist, wobei eine Erhebung 61 an der Innenseite mit einer
Vertiefung an der Außenseite
und eine Vertiefung 62 an der Innenseite mit einer Erhebung
an der Außenseite
korrespondiert.
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Bei
den Ausführungsformen
gemäß 3 und 4 beträgt die Höhe h der Erhebungen 61 gegenüber den
Vertiefungen 62 1 mm (siehe 3 und 4). Allgemein hat sich eine
Höhe h
im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm als geeignet erwiesen. Der Abstand zweier
benachbarter Erhebungen 61 oder zweier benachbarter Vertiefungen 62 liegt
bei 1 mm. Allgemein konnte eine ausgezeichnete Dichtwirkung erzielt werden,
wenn der Abstand zweier benachbarter Erhebungen 61 oder
zweier benachbarter Vertiefungen 62 im Bereich von 0,1
mm bis 2 mm liegt.
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Die
Erhebungen 61 und die Vertiefungen 62 können neben
der in den 3 und 4 gezeigten runden Form auch
andere Formen aufweisen und beispielsweise spitz zulaufen. Die Erhebungen 61 und die
Vertiefungen 62 wurden durch Gewinderollen in den zylindrischen
Abschnitt 45 eingebracht. Alternativ können die Erhebungen 61 und
die Vertiefungen 62 auch durch andere Verfahren, beispielsweise durch
Einritzen, in die Aufnahme 41 eingebracht werden. Hierbei können beliebige
Muster, beispielsweise senkrecht zueinander stehende Rillen, erzeugt
werden.