DE10361749A1

DE10361749A1 - Messfühler

Info

Publication number: DE10361749A1
Application number: DE2003161749
Authority: DE
Inventors: Juergen Ruth; Andreas Pesch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2005-07-28
Also published as: ES2284302B1; ES2284302A1

Abstract

Es wird ein Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Gasgemisches, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, angegeben, der ein Metallgehäuse (11), ein in das Metallgehäuse (11) eingesetztes Sensorelement (12) und eine das Sensorelement (12) im Metallgehäuse (11) halternde Isolierdichtung (13) aufweist. Zur Sicherstellung einer äußerst hohen Isolationsfestigkeit zwischen Sensorelement (12) und Metallgehäuse (11) auch bei sehr hohen Temperaturen weist die Isolierdichtung (13) einen die Innenwand des Metallgehäuses (11) auskleidenden Keramikmantel (17) und eine das Sensorelement (12) umschließende und gegen den Keramikmantel (17) dichtende Isolierpackung (16) auf.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Gasgemisches, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen ( DE 195 32 090 A1 ) weist die das Sensorelement im Gehäuse halternde Isolierung ein gasseitiges Keramikformteil und ein anschlussseitiges Keramikformteil auf, zwischen denen eine Dichtungspackung eingespannt ist. Die Dichtungspackung umfasst zwei Dichtungselemente aus Steatit und ein dazwischenliegendes Dichtungselement aus Bornitrid. Die Anpresskraft der Keramikkörper an die Dichtungsanordnung wird dadurch erzeugt, dass sich das gasseitige Keramikformteil auf einer im Gehäuse ausgebildeten Schulter axial abstützt und das anschlussseitige Keramikformteil von einer Metallhülse übergriffen wird, die auf das Gehäuse aufgespannt ist. Das Sensorelement ragt mit einem gasseitigen Endabschnitt und einem anschlussseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse heraus. Der gasseitige Endabschnitt des Sensorelements ist von einem Doppelschutzrohr überdeckt, das am Gehäuse befestigt ist und eine Mehrzahl von Gasdurchtrittslöchern aufweist. Auf dem anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements sind auf voneinander abgekehrten Großflächen des Sensorelements Kontaktflächen vorgesehen, die über Zuleitungen mit im gasseitigen Endabschnitt ausgebildeten Elektroden verbunden sind. An diesen Kontaktflächen werden die Anschlussenden von aus dem Gehäuse herausgeführten Anschlusskabeln elektrisch und mechanisch festgelegt. Die Anschlusskabel verbinden das Sensorelement mit einem Steuer- und Auswertegerät.
Bei einem ebenfalls bekannten Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen ( DE 40 34 072 A1 ) wird die Festlegung der Kabelenden auf den Kontaktflächen des Sensorelements durch einen den anschlussseitigen Endabschnitt des Sensors umgebenden Verbindungsstecker bewirkt, der aus einem Kontaktteil-Träger, einer Gegenwand, Kontaktteilen und einem ringartigen Federelement besteht. Das Federelement drückt infolge mechanischer Vorspannung die Kontaktteile des Kontakteil-Trägers und der Gegenwand gegen die Kontaktflächen des Sensors. Die Kontaktteile besitzen anschlussseits Verbindungsstellen für die Anschlusskabel.
Bei einem ebenfalls bekannten Messfühlers ( DE 196 38 208 C2 ) ist die Kontaktierung der Kabelenden auf den Kontaktflächen des Sensorelements mit jeweils einem Kontaktteil vorgenommen, wobei das Kontaktteil mit einem Abschnitt in einer diffusionsaktiven Schicht versehen ist und die Verbindung zwischen dem Abschnitt des Kontaktteils und den Kontaktflächen mittels Diffusionslöten oder Diufffusionsschweißen hergestellt ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Auskleidung des Metallgehäuses mit einem Keramikmantel, z.B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), auch bei hohen Temperaturen, den der Messfühler ausgesetzt ist, eine äußerst hohe Isolationsfestigkeit zwischen Sensorelement und Gehäuse gewährleistet ist. Als Materialien für den Keramikmantel und die Isolierpackung können solche mit gleichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, so dass eine hohe und alterungsbeständige Dichtheit zwischen Sensorelement und Gehäuse gewährleistet ist.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Auskleidung des Metallgehäuses mit einem Keramikmantel in einfacher Weise durch formschlüssiges Einschieben einer Keramikhülse in das Metallgehäuse hergestellt. Die Isolierpackung ist aus mindestens zwei axial aneinanderliegenden Isolierkörpern zusammengesetzt, die einerseits das Sensorelement umpressen und andererseits sich an die Keramikhülse anpressen, wobei vorzugsweise der eine Isolierkörper aus Magnesiumoxid (MgO) und der andere Isolierkörper aus Bornitrid und/oder Steatit besteht. Durch diese konstruktive Ausgestaltung ist eine einfache Montage des Messfühlers möglich und wird eine kompakte Bauform des Messfühlers erzielt, insbesondere dann wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Keramikhülse mit einem in Einschieberichtung vorderen einstückigen Bodenteil versehen ist, das als Kabeldurchführung für die Anschlusskabel ausgebildet ist. In das in Einschieberichtung hintere Ende der Keramikhülse ist ein Keramikstopfen eingesetzt, der die Isolierdichtung gegen das Bodenteil verpresst und mit einem Flansch auf dem Stirnrand der Keramikhülse aufliegt, wobei zwischen Flansch und Stirnrand noch eine ringförmige Metalldichtung eingelegt ist.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung in schematischer Darstellung ausschnittweise einen Längsschnitt eines Messfühlers.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der in 1 nur ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Messfühler dient zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases. Eine solche Eigenschaft ist die Konzentration einer Gaskomponente oder die Temperatur eines Gasgemisches. Vorzugsweise wird dieser Messfühler bei Verbrennungsmotoren oder Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen als Abgassensor eingesetzt, der z.B. die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine (Lambdasonde) oder die Temperatur des Abgases (Temperatursensor) misst.
Der Messfühler weist ein Metallgehäuse 11, ein durch das Metallgehäuse 11 hindurchgeführtes Sensorelement 12 und eine das Sensorelement 12 im Metallgehäuse 11 halternde Isolierdichtung 13 auf. Das Sensorelement 12 ragt mit einem messgasseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse 11 hervor. Auf einem anschlussseitigen Endabschnitt 121 trägt das Sensorelement 12 auf voneinander abgekehrten Großflächen mehrerer Kontaktflächen 14 aus Platin oder einem Platincermet, die mit Kabelenden 151 von zu dem messgasseitigen Endabschnitt 121 führenden, elektrischen Anschlusskabeln 15 elektrisch und mechanisch, z.B. durch Widerstandsschweißen, verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel sind zwei der Kontaktflächen 14 dargestellt, von denen jeweils eine auf einer der beiden Großflächen des Sensorelements 15 angeordnet ist.
Die Isolierdichtung 13 setzt sich zusammen aus einem die Innenwand des Metallgehäuses 11 auskleidenden Keramikmantel 17 und einer das Sensorelement 12 umschließenden und gegen den Keramikmantel 17 dichtenden Isolierpackung 16. Im Ausführungsbeispiel wird der Keramikmantel 17 mittels einer Keramikhülse 18 hergestellt, die formschlüssig in das Metallgehäuse 11 eingesetzt ist. Die Keramikhülse 18 stützt sich an ihrem in Einschieberichtung vorderen Ende an einer im Metallgehäuse 11 ausgebildeten Radialschulter 19 ab und ist an ihrem in Einschieberichtung vorderen Ende mit einem Bodenteil 20 versehen, das als Durchführung für die Anschlusskabel 15 ausgebildet ist. Das Bodenteil 20 ist einstückig mit der Keramikhülse 18 ausgeführt. Die Keramikhülse 18 mit Bodenteil 20 ist aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Steatit hergestellt.
Die Isolierpackung 16 besteht aus zwei axial aneinanderliegenden Isolierkörpern 21, 22, wobei der obere Isolierkörper 21 aus Magnesiumoxid (MgO) und der untere Isolierkörper 22 aus Bornitrid oder Steatit besteht. Die Isolierkörper 21, 22 pressen sich mit ihren Innenwänden an das Sensorelement 12 und mit ihren Außenwänden an die Keramikhülse 18 an. Der dem Bodenteil 20 zugekehrte Isolierkörper 21 hat kleine Ausnehmungen 25 zur Aufnahme der Kontaktflächen 14 des Sensorelements 12 mit den darauf befestigten Kabelenden 151 und stützt sich mit seiner von dem anderen Isolierkörper 22 abgekehrten Stirnseite am Bodenteil 20 der Keramikhülse 18 ab. In das in Einschubrichtung hintere, offene Ende der Keramikhülse 18 ist ein Keramikstopfen 23 eingesetzt, der eine zentrale Durchtrittsöffnung 26 aufweist, mit der der Keramikstopfen 23 formschlüssig auf das Sensorelement 12 aufgeschoben ist. Der Keramikstopfen 23 trägt einen Radialflansch 231, der nach vollständigem Einschieben des Keramikstopfens 23 in die Keramikhülse 18 auf dem ringförmigen Stirnrand der Keramikhülse 18 aufliegt. Zwischen dem Stirnrand der Keramikhülse 18 und dem Radialflansch 231 ist noch eine dünne, ringförmige Metalldichtung 24 eingelegt. Die axialen Längen von Isolierkörper 21, Isolierkörper 22 und Keramikstopfen 23 sind so bemessen, dass der Keramikstopfen 23 bei Auflage des Radialflansches 231 auf der Metalldichtung 24 eine gewisse axiale Presskraft auf die Isolierkörper 21, 22 ausübt. Die Anpresskraft des Keramikstopfen 23 wird durch eine Vercrimpung oder Rundumverstemmung 27 des Metallgehäuses 11 auf der Rückseite des Radialflansches (121) aufrechterhalten. Der Keramikstopfen 23 ist beispielhaft aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gefertigt.
Bei der Montage des Messfühlers wird die Keramikhülse 18 in das Metallgehäuse 11 axial eingeschoben. Danach werden die Anschlusskabel 15 durch das Bodenteil 20 der Keramikhülse 18 hindurchgeführt, und die Kabelenden 151 der Anschlusskabel 15 werden auf den Kontaktflächen 14 des Sensorelements 12 verschweißt. Die Isolierkörper 21, 22 und der Keramikstopfen 23 werden auf das Sensorelement 12 aufgesetzt, und das Sensorelement 12 wird mitsamt den Isolierkörpern 21, 22 und dem Keramikstopfen 23 in die Keramikhülse 18 eingeführt, bis der Isolierkörper 21 auf das Bodenteil 20 aufgepresst ist und der Radialflansch 231 des Keramikstopfen 23 auf der am Stirnrand der Keramikhülse 18 gehaltenen Metalldichtung 24 aufliegt. Dann wird der Keramikstopfen 23 durch Vercrimpen oder Rundumverstemmen des Metallgehäuses 11 axial verschieblich festgelegt.

Claims

Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Gasgemisches, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem Metallgehäuse (11), einem in das Metallgehäuse (11) eingesetzten Sensorelement (12) und einer das Sensorelement (12) im Gehäuse (11) halternden Isolierdichtung (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierdichtung (13) einen die Innenwand des Metallgehäuses (11) auskleidenden Keramikmantel (17) und eine das Sensorelement (12) umschließende und gegen den Keramikmantel (17) dichtende Isolierpackung (16) aufweist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierpackung (16) aus mindestens zwei axial aneinanderliegenden Isolierkörpern (21, 22) besteht, die sich einerseits an das Sensorelement (12) und andererseits an den Keramikmantel (17) anpressen.
Messfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Isolierkörper (21) aus Magnesiumoxid (MgO) und der andere Isolierkörper (22) aus Bornitrid und/oder Steatit besteht.
Messfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) auf einem anschlussseitigen Endabschnitt (121) Kontaktflächen (14) trägt, auf denen Kabelenden (151) von aus dem Gehäuse (11) herausgeführten Anschlusskabeln (15) festgelegt sind, und dass der eine Isolierkörper (21), vorzugsweise der aus Magnesiumoxid bestehende Isolierkörper (21), die Kontaktflächen (14) mit den darauf festgelegten Kabelenden (151) in Ausnehmungen (25) aufnimmt.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikmantel (17) von einer Keramikhülse (18) gebildet ist, die formschlüssig in das Metallgehäuse (11) eingeschoben ist.
Messfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in das in Einschieberichtung hintere Ende der Keramikhülse (18) ein Keramikstopfen (23) eingeschoben ist, der das Sensorelement (12) umschließt und die aneinanderliegenden Isolierkörper (21, 22) axial auf eine in der Keramikhülse (18) ausgebildete Stützschulter aufgepresst.
Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikstopfen (23) mit einem Flansch (231) auf dem Stirnrand der Keramikhülse (18) aufliegt und zwischen dem Stirnrand der Keramikhülse (18) und dem Flansch (231) eine ringförmige Metalldichtung (24) eingelegt ist.
Messfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikhülse (18) sich mit ihrem in Einschieberichtung vorderen Stirnende an einer im Metallgehäuse (11) ausgebildeten Radialschulter (19) abstützt und mittels einer Vercrimpung oder Rundumverstemmung (27) des Metallgehäuses (11) an der Rückseite des Flansches (231) gegen die Radialschulter (19) verspannt ist.
Messfühler nach einem der Ansprüche 5 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikhülse (18) an ihrem in Einschieberichtung vorderen Ende mit einem einstückigen Bodenteil (20) versehen ist, das als Kabeldurchführung für die Anschlusskabel (15) ausgebildet ist und die Stützschulter für den einen Isolierkörper (21) bildet.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 – 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikteile, wie Keramikmantel (17), Keramikhülse (18) und Keramikstopfen (23), aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen.