DE112018007078T5

DE112018007078T5 - Gassensorelement und gassensor

Info

Publication number: DE112018007078T5
Application number: DE112018007078.6T
Authority: DE
Inventors: Mika Tange; Keisuke Nakagawa; Takashi Nakao; Shigehiro OHTSUKA
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-11-12
Also published as: CN111712711B; JP6885885B2; WO2019159408A1; CN111712711A; US20200363369A1; JP2019138851A

Abstract

Angegeben wird ein Gassensorelement, das nicht zu einer verminderten Genauigkeit der Gasdetektion aufgrund eines Temperaturabfalls eines zu messenden Gases neigt, und ein Gassensor. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensorelement zum Nachweis eines bestimmten Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, wobei das Gassensorelement mit einem Festelektrolyten, einer Referenzelektrode, einer Messelektrode und einer Gasbegrenzungsschicht versehen ist. Die Dickenabmessung WA eines Abschnittes der Gasbegrenzungsschicht, der mit der Messelektrode in Kontakt steht, die Dickenabmessung WB eines Abschnitts der Gasbegrenzungsschicht, der mit dem Festelektrolyten in Kontakt steht, und die Dickenabmessung WC der Messelektrode erfüllen die Bedingungen WB > WA und WB - WA > WC. In einem Gassensorelement, das mit einer solchen Gasbegrenzungsschicht versehen ist, kann die Wärmekapazität der Gasbegrenzungsschicht erhöht werden, ohne dass das zu messende Gas daran gehindert wird, die Messelektrode zu erreichen. Durch dieses Gassensorelement kann der Betrag der Temperaturänderung des Gassensorelements verringert und eine Abnahme der Gasdetektionsgenauigkeit auch dann gemildert werden, wenn die Temperatur des zu messenden Gases reduziert wird.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein Gassensorelement und einen Gassensor.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es gibt ein Gassensorelement, das dazu geeignet ist, ein spezifisches Gas zu erfassen, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, und das einen röhrenförmigen Festelektrolytkörper mit geschlossenem Ende umfasst und ein Paar Elektroden (Messelektrode (äußere Elektrode) und Referenzelektrode (innere Elektrode)), die an der Außenseite bzw. an der Innenseite des Festelektrolytkörpers vorgesehen sind, sowie einen Gassensor mit einem solchen Gassensorelement.
Es wurde ein solches Gassensorelement mit einer Schutzschicht (Gasbegrenzungsschicht) vorgeschlagen, die die Messelektrode bedeckt und die Permeation des zu messenden Gases erlaubt und deren Dicke am vorderen Ende des Elements größer ist als die an der Seitenfläche des Elements (Patentdokument 1). Ein solches Gassensorelement weist geringe Kosten und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Wasseranhaftung und ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten auf.
STAND DER TECHNIK DOKUMENT
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: Offene japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2010-151575
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Das oben erwähnte Gassensorelement birgt jedoch folgendes potentielles Problem: Im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases (z.B. Abgas) sinkt die Temperatur des Gassensorelements (speziell eines vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers, der Mess- und der Referenzelektrode), was zu einer Verschlechterung des aktivierten Zustands des Gassensorelements mit einer daraus resultierenden Verschlechterung der Genauigkeit der Gasdetektion führt.
Eine solche Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion kann sogar bei einem Gassensor mit einer Heizung zur Beheizung des Gassensorelements auftreten. Im Falle eines Gassensors mit einem heizungslosen Aufbau, bei dem das Gassensorelement durch Wärme aktiviert wird, die von dem zu messenden Gas abgeleitet wird, erhöht sich die Möglichkeit einer Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion durch einen Temperaturabfall des Gassensorelements als Folge eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases.
Ein Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines Gassensorelements und eines Gassensors, bei denen eine Verschlechterung der Genauigkeit der Gasdetektion aufgrund eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases unwahrscheinlich ist.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Modus der vorliegenden Offenbarung ist ein Gassensorelement zum Nachweis eines bestimmten Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, umfassend einen Festelektrolytkörper, eine Referenzelektrode, eine Messelektrode und eine Gasbegrenzungsschicht. Der Festelektrolytkörper ist zu einer röhrenförmigen Form mit geschlossenem Ende geformt, die ein geschlossenes vorderes Ende und ein offenes hinteres Ende hat, und enthält Zirkoniumdioxid. Die Referenzelektrode ist auf einer Innenfläche eines vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers ausgeFig.et. Die Messelektrode ist auf einer Außenfläche des vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers ausgeFig.et. Die Gasbegrenzungsschicht steht mit der Messelektrode in Kontakt und bedeckt sie, und sie steht mit mindestens einem Abschnitt des Festelektrolytkörpers in Kontakt und bedeckt ihn.
Das Gassensorelement erfüllt die Bedingung „WB > WA und WB - WA > WC“, wobei WA die Dicke eines Abschnitts der Gasbegrenzungsschicht ist, der in Kontakt mit der Messelektrode steht, WB die Dicke eines Abschnitts der Gasbegrenzungsschicht ist, der in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper steht, und WC die Dicke der Messelektrode ist.
In der Gasbegrenzungsschicht, die die oben genannte Bedingung erfüllt, ist die Dicke WB des mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt stehenden Abschnitts größer als die Gesamte Dicke der Dicke WA des mit der Messelektrode in Kontakt stehenden Abschnitts und der Dicke WC der Messelektrode (WB > WA + WC). Eine solche Gasbegrenzungsschicht kann die Wärmekapazität an dem mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt stehenden Abschnitt im Vergleich zu dem mit der Messelektrode in Kontakt stehenden Abschnitt erhöhen, während die Permeation des zu messenden Gases an dem mit der Messelektrode in Kontakt stehenden Abschnitts aufrechterhalten wird.
Das Gassensorelement mit einer solchen Gasbegrenzungsschicht kann dessen Wärmekapazität erhöhen, ohne das zu messende Gas daran zu hindern, die Messelektrode zu erreichen. Das heißt, selbst bei einem Temperaturabfall des zu messenden Gases kann das Gassensorelement die Höhe der Temperaturänderung durch die Wärmekapazität der Gasbegrenzungsschicht verringern.
Da das Gassensorelement die Höhe der Temperaturänderung aufgrund eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases reduzieren kann, ohne dass das zu messende Gas daran gehindert wird, die Messelektrode zu erreichen, kann die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion abgeschwächt werden.
Insbesondere bedeutet der hier verwendete Begriff „Dicke“ eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Festelektrolytkörpers. Zum Beispiel ist die Dicke WA eine Abmessung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche der Gasbegrenzungsschicht an dem mit der Messelektrode in Kontakt stehenden Abschnitt, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Festelektrolytkörpers. Die Dicke WB ist eine Abmessung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche der Gasbegrenzungsschicht an dem mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt stehenden Abschnitt, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Festelektrolytkörpers. Die Dicke WC ist eine Abmessung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche der Messelektrode, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Festelektrolytkörpers.
Als nächstes kann im oben erwähnten Gassensorelement die Gasbegrenzungsschicht mit mindestens einem Abschnitt eines Bereichs des Festelektrolytkörpers, der sich hinter der Messelektrode befindet, in Kontakt stehen und diesen bedecken. Eine solche Gasbegrenzungsschicht kann die Wärmekapazität in dem Bereich des Festelektrolytkörpers, der sich hinter der Messelektrode befindet, erhöhen. Infolgedessen kann das Gassensorelement selbst im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases die Höhe der Temperaturänderung in dem Bereich des Festelektrolytkörpers, der sich hinter der Messelektrode befindet, und die Höhe der Temperaturänderung in einem Bereich des Festelektrolytkörpers, in dem die Messelektrode geFig.et wird, durch Wärmeübertragung in dem Festelektrolytkörper von dem hinteren Bereich zu dem Bereich, in dem die Messelektrode geFig.et wird, verringern. Daher kann das Gassensorelement die Höhe der Temperaturänderung, die von einem Abfall der Temperatur des zu messenden Gases herrührt, weiter reduzieren und somit die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion weiter mildern.
Als nächstes kann in dem oben erwähnten Gassensorelement der Festelektrolytkörper in einem Bereich seiner Außenfläche, der sich hinter der Messelektrode befindet, einen radial nach außen ragenden Vorsprung aufweisen. Die Gasbegrenzungsschicht kann mindestens einen Bereich einer äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers bedecken, der sich hinter der Messelektrode befindet, wobei der Bereich vor einer bestimmten Position zwischen der Messelektrode und dem Vorsprung liegt.
Da sich der Abschnitt der Gasbegrenzungsschicht, der mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt steht, mindestens in einem vorbestimmten Bereich befindet, der sich vor der spezifischen Position befindet, kann die Gasbegrenzungsschicht die Höhe der Temperaturänderung des Gassensorelements in dem vorbestimmten Bereich reduzieren. Infolgedessen kann das Gassensorelement selbst im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases die Höhe der Temperaturänderung in dem vorbestimmten Bereich des Festelektrolytkörpers reduzieren und kann die Höhe der Temperaturänderung in einem Bereich des Festelektrolytkörpers, in dem die Messelektrode geFig.et wird, aufgrund der Wärmeübertragung in dem Festelektrolytkörper von dem vorbestimmten Bereich zu dem Bereich, in dem die Messelektrode geFig.et wird, reduzieren. Daher kann das Gassensorelement die Höhe der Temperaturänderung, die von einem Abfall der Temperatur des zu messenden Gases herrührt, weiter reduzieren und somit die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion weiter mildern.
Dann kann in dem oben erwähnten Gassensorelement mit dem Vorsprung die spezifische Position einem Wert von 23% oder mehr entsprechen, wobei ein Wert von 100% eine Dimension von der Messelektrode bis zum Vorsprung auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers darstellt.
Gemäß den später zu beschreibenden Testergebnissen (5 und 6) kann durch die Einstellung der spezifischen Position auf eine Position, die einem Wert von 23% oder mehr entspricht, die Höhe der Temperaturänderung des Gassensorelements, der auf einen Temperaturabfall des zu messenden Gases zurückzuführen ist, verringert werden.
Insbesondere kann die spezifische Position auf eine Position gesetzt werden, die einem Wert von 50% oder mehr entspricht. Ferner kann die spezifische Position auf eine Position eingestellt werden, die einem Wert von 100% entspricht, d.h. die Gasbegrenzungsschicht kann die gesamte äußere Oberfläche des Festelektrolytkörpers zwischen der Messelektrode und dem Vorsprung bedecken.
Als nächstes kann im oben erwähnten Gassensorelement die Gasbegrenzungsschicht eine Wärmeleitfähigkeit haben, die gleich oder niedriger als die des Festelektrolytkörpers ist.
Der Einsatz einer solchen Gasbegrenzungsschicht kann den Betrag der Temperaturänderung des Festelektrolytkörpers im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases reduzieren und somit die Verschlechterung der Genauigkeit der Gasdetektion aufgrund des Temperaturabfalls des zu messenden Gases einschränken.
Als nächstes kann das oben erwähnte Gassensorelement ferner eine Katalysatorschicht umfassen, die mindestens einen vorderen Endabschnitt der Gasbegrenzungsschicht bedeckt und einen Edelmetallkatalysator enthält.
In dem Gassensorelement löst infolge der Verwendung der Katalysatorschicht zumindest ein Teil des zu messenden Gases, das die Messelektrode erreicht, eine Gasgleichgewichtsreaktion in der Katalysatorschicht aus, wodurch die Gasgleichgewichtsreaktion in der Messelektrode unterstützt wird. Dadurch wird selbst im Falle einer Verschlechterung eines aktivierten Zustandes des Festelektrolytkörpers die Gasdetektion ermöglicht, wodurch die Genauigkeit der Gasdetektion verbessert werden kann.
Ein weiterer Modus der vorliegenden Offenlegung ist ein Gassensor, der ein Gassensorelement zum Nachweis eines bestimmten Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, umfasst, wobei das Gassensorelement eines der oben genannten Gassensorelemente ist.
Ähnlich wie das oben erwähnte Gassensorelement, da der vorliegende Gassensor die Höhe der Temperaturänderung, die von einem Temperaturabfall des zu messenden Gases herrührt, reduzieren kann, ohne das zu messende Gas daran zu hindern, die Messelektrode zu erreichen, kann die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion abgeschwächt werden.
Insbesondere kann der Gassensor eine heizungslose Struktur haben, die keine Heizung zur Beheizung des Gassensorelements besitzt.
Figurenliste

[1] Erklärende Ansicht die einen Gassensor seigt, der entlang einer axialen Linie O geschnitten wurde.
[2] Vorderansicht, die das äußere Erscheinungsbild eines Gassensorelements vor der Bildung einer Schutzschicht zeigt.
[3] Querschnittsansicht, die den Aufbau des Gassensorelements zeigt.
[4] Vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Bereich D1 des Gassensorelements zeigt, der in 3 von einer gepunkteten Linie umgeben ist.
[5] Tabelle mit den Ergebnissen eines Auswertungstests, der zur Beurteilung der Temperaturänderungseigenschaften der Gassensorelemente durchgeführt wurde.
[6] Erklärendes Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Länge LE2 einer Schicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und der Höhe der Temperaturänderung T eines vorderen Endabschnitts 25 in den Testergebnissen bezüglich der Temperaturänderungseigenschaften der Gassensorelemente zeigt.

MODEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele, auf die die vorliegende Offenlegung angewendet wird, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedenen Moden verkörpert werden, ohne vom technischen Umfang der vorliegenden Offenlegung abzuweichen.
[Erste Ausführungsform]
[Gesamtstruktur]
Eine erste Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf einen Sauerstoffsensor (im Folgenden als Gassensor 1 bezeichnet) beschrieben, der an einem Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angebracht ist und dessen vorderer Endabschnitt in das Auspuffrohr ragt, um im Abgas enthaltenen Sauerstoff zu erfassen. Ein Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist an einem Auspuffrohr eines Fahrzeugs, wie z.B. eines Kraftfahrzeugs oder eines Motorrads, angebracht und erfasst die Konzentration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs im Auspuffrohr.
Zunächst wird der Aufbau des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
In 1 entspricht eine untere Seite der Zeichnung einer vorderen Endseite des Gassensors und eine obere Seite einer hinteren Endseite des Gassensors.
Der Gassensor 1 umfasst ein Gassensorelement 3, einen Separator 5, ein Stopfenelement 7, einen metallischen Anschluss 9 und einen Leitungsdraht 11. Der Gassensor 1 enthält ferner eine Metallhülse 13, einen Protektor 15 und eine Manschette 16, die so angeordnet sind, dass sie das Gassensorelement 3, den Separator 5 und das Stopfenelement 7 umlaufend bedecken. Insbesondere enthält die Manschette 16 eine innere Manschette 17 und eine äußere Manschette 19.
Der Gassensor 1 ist ein sogenannter heizungsloser Sensor, der keine Heizung zur Beheizung des Gassensorelements 3 besitzt und der das Gassensorelement 3 aktiviert, indem er die Wärme des Abgases zum Nachweis von Sauerstoff nutzt.
2 ist eine Frontansicht, die das äußere Erscheinungsbild des Gassensorelements 3 vor der Bildung der Schutzschicht 31 zeigt. In 2 zeigt die gepunktete Linie einen Bereich an, in dem die Schutzschicht 31 gebildet wird. 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau des Gassensorelements 3 zeigt.
Das Gassensorelement 3 wird unter Verwendung eines Festelektrolytkörpers mit Sauerstoffionenleitfähigkeit gebildet, hat eine geschlossene röhrenförmige Form mit geschlossenem Ende, der einen geschlossenen vorderen Endabschnitt 25 aufweist und einen zylindrischen Elementkörper 21 aufweist, der sich in Richtung einer axialen Linie O erstreckt. Ein sich in Umfangsrichtung erstreckender und radial nach außen vorstehender Elementflanschabschnitt 23 ist am Außenumfang des Elementkörpers 21 ausgebildet.
Bemerkenswert ist, dass der Festelektrolytkörper, der den Elementkörper 21 bildet, unter Verwendung eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxid-Sinterkörpers gebildet wird, der durch Zugabe von Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Kalziumoxid (CaO), das als Stabilisator dient, zu Zirkoniumdioxid (ZrO₂) hergestellt wird. Der Festelektrolytkörper, der den Elementkörper 21 bildet, ist nicht darauf beschränkt. „Eine feste Lösung aus ZrO₂ und einem Oxid eines Erdalkalimetalls“, „eine feste Lösung aus ZrO₂ und einem Oxid eines Seltenerdmetalls“ usw. kann verwendet werden. Ferner können diese festen Lösungen, denen HfO₂ zugesetzt wird, auch als Festelektrolytkörper verwendet werden, der den Elementkörper 21 bildet.
Das Gassensorelement 3 hat eine äußere Elektrode 27 (siehe 3), die auf der äußeren Umfangsfläche des Elementkörpers 21 am vorderen Endabschnitt 25 des Gassensorelements 3 ausgebildet ist. Die äußere Elektrode 27 ist porös aus Pt oder einer Pt-Legierung geformt. Die äußere Elektrode 27 ist mit der porösen Schutzschicht 31 bedeckt. Daher ist in 2 die Schutzschicht 31 dargestellt, während die äußere Elektrode 27 nicht abgebildet ist.
An der vorderen Endseite (Unterseite in 2) des Elementflansches 23 ist ein ringförmiger Leitungsabschnitt 28 aus Pt oder ähnlichem gebildet. Ein Längsleitungsabschnitt 29, der sich in axialer Richtung erstreckt ist aus Pt oder ähnlichem an der äußeren Umfangsfläche des Elementkörpers 21 zwischen der äußeren Elektrode 27 und dem ringförmigen Leitungsabschnitt 28 gebildet. Der Längsleitungsabschnitt 29 verbindet die äußere Elektrode 27 und den ringförmigen Leitungsabschnitt 28 elektrisch miteinander.
Wie in 3 dargestellt, ist auf der Innenumfangsfläche des Elementkörpers 21 des Gassensorelements 3 eine innere Elektrode 30 ausgebildet. Die innere Elektrode 30 ist porös aus Pt oder einer Pt-Legierung geformt. Am vorderen Endabschnitt 25 (Erfassungsabschnitt) des Gassensorelements 3 wird die äußere Elektrode 27 durch die Schutzschicht 31 dem zu messenden Gas ausgesetzt, und die innere Elektrode 30 wird einem Referenzgas (Atmosphäre) ausgesetzt, wodurch die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases erfasst wird.
Wie in 1 dargestellt, ist der Separator 5 ein zylindrisches Element, das aus einem elektrisch isolierenden Material (z.B. Aluminiumoxid) hergestellt ist. Der Separator 5 hat in seiner axialen Mitte ein Durchgangsloch 35, durch das der Leitungsdraht 11 geführt wird. Der Separator 5 ist so angeordnet, dass zwischen dem Separator 5 und der inneren Manschette 17 ein Spalt 18 gebildet wird, der den äußeren Umfang des Separators 5 bedeckt.
Das Stopfenelement 7 ist ein zylindrisches Dichtungselement, das aus einem elektrisch isolierenden Material (z.B. Fluorkautschuk) hergestellt ist. Das Stopfenelement 7 hat einen vorstehenden Abschnitt 36, der vom hinteren Ende des Stopfenelements radial nach außen vorsteht. Das Stopfenelement 7 hat in seiner axialen Mitte ein Leitungsdrahteinführungsloch 37, durch das der Leitungsdraht 11 geführt wird. Eine vordere Endfläche 95 des Stopfenelement 7 steht in engem Kontakt mit einer hinteren Endfläche 97 des Separators 5. Das Stopfenelement 7 hat eine Seitenumfangsfläche 98, die sich vor dem vorstehenden Abschnitt 36 befindet und in innigem Kontakt mit der Innenfläche der inneren Manschette 17 steht. Das Stopfenelement 7 verschließt nämlich das hintere Ende der Manschette 16.
Ein Flanschabschnitt 89b eines Leitungsdrahtschutzelements 89 ist zwischen einer nach hinten weisenden Fläche 99 des Stopfenelement 7 und einer nach vorne weisenden Fläche 19a eines durchmesserreduzierenden Abschnitts 19g der äußeren Manschette 19 eingeschlossen. Der durchmesserreduzierende Abschnitt 19g befindet sich hinter dem Stopfenelement 7 und erstreckt sich radial nach innen, und die nach vorne weisende Fläche 19a des durchmesserreduzierenden Abschnitts 19g ist als eine zur vorderen Endseite des Gassensors 1 weisende Fläche ausgebildet. Der durchmesserreduzierende Abschnitt 19g hat einen Leitungsdrahteinführungsabschnitt 19c, der in einem zentralen Bereich davon ausgebildet ist und in den der Leitungsdraht 11 und das Leitungsdrahtschutzelement 89 eingeführt werden.
Das Leitungsdrahtschutzelement 89 ist ein röhrenförmiges Element mit einem Innendurchmesser, der es ermöglicht, den Leitungsdraht 11 im Leitungsdrahtschutzelement 89 aufzunehmen, und es ist aus einem flexiblen, hitzebeständigen und isolierenden Material (z.B. einem Glas- oder Harzrohr) hergestellt. Das Leitungsdrahtschutzelement 89 ist so vorgesehen, dass es den Leitungsdraht 11 vor von außen eindringenden Gegenständen (Steine, Wasser usw.) schützt.
Der plattenförmige Flanschabschnitt 89b, der in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung nach außen vorsteht, ist an einem vorderen Ende 89a des Leitungsdrahtschutzelements 89 vorgesehen. Der Flanschabschnitt 89b ist nicht in einem Teil des Umfangs des Leitungsdraht-Schutzelements 89 ausgebildet, sondern über den gesamten Umfang.
Der Flanschabschnitt 89b des Leitungsdrahtschutzelements 89 liegt sandwichartig zwischen der nach vorne weisenden Fläche 19a des durchmesserreduzierenden Abschnitts 19g der Manschette 16 (genauer gesagt, der äußeren Manschette 19) und der nach hinten weisenden Fläche 99 des Stopfenelement 7. Der metallische Anschluss 9 ist ein röhrenförmiges Element aus einem elektrisch leitenden Material (z.B. INCONEL 750 (Warenzeichen, International Nickel Company U.K.)) und wird verwendet, um den Ausgang des Sensors nach außen zu führen. Der metallische Anschluss 9 ist elektrisch mit dem Leitungsdraht 11 verbunden und so angeordnet, dass er in elektrischem Kontakt mit der inneren Elektrode 30 des Gassensorelements 3 steht. Der metallische Anschluss 9 hat an seinem hinteren Ende einen Flanschabschnitt 77, der radial nach außen vorsteht (in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung). Der Flanschabschnitt 77 enthält drei plattenförmige Flanschstücke 75.
Der Leitungsdraht 11 umfasst einen Kerndraht 65 und einen Abdeckabschnitt 67, der den äußeren Umfang des Kerndrahtes 65 abdeckt.
Die metallische Hülle 13 ist ein zylindrisches Element, das aus einem metallischen Material (z.B. Eisen oder SUS430) aufgebaut ist. Die metallische Hülle 13 hat an ihrer inneren Umfangsfläche einen Stufenabschnitt 39, der radial nach innen vorsteht. Der Stufenabschnitt 39 ist so geformt, dass er den Elementflanschabschnitt 23 des Gassensorelements 3 trägt.
Die metallische Hülle 13 hat einen Gewindeabschnitt 41, der an der äußeren Umfangsfläche eines vorderen Endabschnitts davon ausgebildet ist. Der Gewindeabschnitt 41 wird zur Befestigung des Gassensors 1 an einem Auspuffrohr verwendet. Die Metallhülle 13 hat einen Sechskantabschnitt 43, der hinter dem Gewindeabschnitt 41 ausgebildet ist. Wenn der Gassensor 1 am Auspuffrohr befestigt wird oder von diesem gelöst wird, wird ein Montagewerkzeug mit dem Sechskantabschnitt 43 in Eingriff gebracht. Außerdem hat die Metallhülle 13 einen rohrförmigen Abschnitt 45, der hinter dem Sechskantabschnitt 43 angebracht ist.
Der Protektor 15 ist aus einem metallischen Material (z.B. SUS310S) gebildet und ist ein Schutzelement, das einen vorderen Endabschnitt des Gassensorelements 3 abdeckt. Der Protektor 15 ist so befestigt, dass sein hinteres Ende zwischen dem Elementflanschabschnitt 23 des Gassensorelements 3 und dem Stufenabschnitt 39 der metallischen Hülle 13 durch eine Dichtung 88 gehalten wird.
In einem Bereich hinter dem Elementflanschabschnitt 23 des Gassensorelements 3 sind ein Keramikpulver 47 aus Talkum und eine Keramikhülse 49 aus Aluminiumoxid von der vorderen Stirnseite zur hinteren Stirnseite hin zwischen der metallischen Hülle 13 und dem Gassensorelement 3 angeordnet.
Darüber hinaus sind ein Metallring 53, der aus einem metallischen Material (z.B. SUS430) gebildet ist, und ein vorderer Endabschnitt 55 der inneren Manschette 17, die aus einem metallischen Material (z.B. SUS304L) gebildet ist, innerhalb eines hinteren Endabschnitts 51 des röhrenförmigen Abschnitts 45 der metallischen Hülle 13 angeordnet. Der vordere Endabschnitt 55 der inneren Manschette 17 ist zu einer Form geformt, die sich radial nach außen erstreckt.
Wenn nämlich der hintere Endabschnitt 51 des röhrenförmigen Abschnittes 45 gequetscht wird, wird der vordere Endabschnitt 55 der inneren Manschette 17 durch den Metallring 53 zwischen dem hinteren Endabschnitt 51 des röhrenförmigen Abschnitts 45 und der Keramikmanschette 49 eingeklemmt, und die innere Manschette17 wird dadurch an der Metallhülle 13 befestigt.
Außerdem ist ein aus einem Harzmaterial (z.B. PTFE) gebildeter tubenförmiger Filter 57 am Außenumfang der inneren Manschette 17 und die äußere Manschette 19 ist aus z.B. SUS304L gebildet ist, ist am Außenumfang des Filters 57 angeordnet. Der Filter 57 lässt Luft durch, kann aber das Eindringen von Wasser verhindern.
Wenn ein Crimpabschnitt 19b der äußeren Manschette 19 von der äußeren Umfangsseite radial nach innen gekrimpt wird, werden die innere Manschette 17, der Filter 57 und die äußere Manschette19 integral fixiert. Auch wenn ein Crimpabschnitt 19h der äußeren Manschette 19 von der äußeren Umfangsseite radial nach innen gecrimpt wird, werden die innere Manschette 17 und die äußere Manschette 19 integral fixiert, und die seitliche Umfangsfläche 98 des Stopfenelements 7 kommt in engen Kontakt mit der Innenfläche der inneren Manschette 17.
Es ist zu bemerken, dass die innere Manschette 17 und die äußere Manschette 19 Entlüftungslöcher 59 bzw. 61 aufweisen. Luft kann zwischen dem Raum innerhalb des Gassensors 1 und dem Raum außerhalb des Gassensors 1 durch die Entlüftungslöcher 59 und 61 und den Filter 57 strömen.
[Gassensorelement]
Der Aufbau des Gassensorelements 3 wird beschrieben.
Wie oben erwähnt, umfasst das Gassensorelement 3 den Elementkörper 21, die äußere Elektrode 27, den ringförmigen Leitungsabschnitt 28, den Längsleitungsabschnitt 29, die innere Elektrode 30 und die Schutzschicht 31.
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Bereich D1 des Gassensorelements 3 zeigt, der in 3 von einer gepunkteten Linie umgeben ist.
Am vorderen Endabschnitt 25 des Gassensorelements 3 sind die äußere Elektrode 27 und die innere Elektrode 30 so angeordnet, dass sie den Elementkörper 21 sandwichartig umschließen.
Die Schutzschicht 31 ist so ausgebildet, dass sie die äußere Elektrode 27 bedeckt. Die Schutzschicht 31 umfasst eine Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und eine katalysatorhaltige Schicht 33. In der Schutzschicht 31 ist die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit näher an der äußere Elektrode 27 angeordnet als die katalysatorhaltige Schicht 33.
Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit steht in Kontakt mit einem Abschnitt des Elementkörpers 21, der sich hinter der äußeren Elektrode 27 befindet, und bedeckt zumindest einen Teil dieses Abschnitts. Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit ist aus Zirkoniumdioxid (5YSZ), das mit 5 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert ist aufgebaut. Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit ist so porös ausgebildet, dass sie eine Porosität von 13% aufweist. Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit hat eine Wärmeleitfähigkeit von 2,0 [W/mK].
Es ist zu bemerken, dass der Elementkörper 21 eine thermische Leitfähigkeit von 2,5 [W/mK] hat. Dementsprechend hat die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit eine geringere thermische Leitfähigkeit als der Elementkörper 21.
Die katalysatorhaltige Schicht 33 ist aus Spinell (MgAl₂O₄) und Titandioxid (TiO₂) gebildet. Ein Edelmetall (mindestens eines von Pt, Pd und Rh) ist auf der katalysatorhaltigen Schicht 33 getragen. Das Edelmetall wirkt als Katalysator zur Beschleunigung einer Gasausgleichsreaktion verschiedener im Abgas enthaltener Gase. Die katalysatorhaltige Schicht 33 ist porös ausgebildet und weist eine Porosität von 52% auf.
Wie in 3 dargestellt, stellt im Gassensorelement 3 ein erster Bereich L1 einen Bereich von der vorderen Endposition des Elementflansches 23 (Vorsprung) des Elementkörpers 21 (Festelektrolytkörper) bis zur hinteren Endposition der äußeren Elektrode 27 (Messelektrode) dar. Ein zweiter Bereich L2 stellt einen Abschnitt der Schicht 32 (Gasbegrenzungsschicht) mit niedriger thermischer Leitfähigkeit dar, wobei dieser Abschnitt mit dem Elementkörper 21 (Festelektrolytkörper) in Kontakt steht. Ein dritter Bereich L3 stellt einen Abschnitt der Schicht 32 (Gasbegrenzungsschicht) mit niedriger thermischer Leitfähigkeit dar, wobei dieser Abschnitt mit der äußeren Elektrode 27 (Messelektrode) in Kontakt steht.
Die Dicke WA der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit an dem Abschnitt, der mit der äußeren Elektrode 27 in Kontakt steht (mit anderen Worten, die Dicke WA der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit im dritten Bereich L3), beträgt 100 µm. Die Dicke WB der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit an dem Abschnitt, der mit dem Elementkörper 21 in Kontakt steht (mit anderen Worten, die Dicke WB der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit im zweiten Bereich L2), beträgt 300 µm.
Die Dicke WC der äußeren Elektrode 27 beträgt 3 µm. Die Dicke des Elementkörpers 21 beträgt 500 µm (Bereich des Erfassungsteils), und die Dicke der inneren Elektrode 30 beträgt 3 µm.
Zur Erläuterung ist in 3 schematisch die Struktur der Laminierung der Schichten und der Elektroden dargestellt. Die relativen Verhältnisse zwischen den Dicken der Schichten und der Elektroden weichen von den tatsächlichen Verhältnissen ab. Der hier verwendete Begriff „Dicke“ bezeichnet eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Elementkörpers 21. Zum Beispiel ist die Dicke WA die Abmessung zwischen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit an dem Abschnitt, der mit der äußeren Elektrode 27 in Kontakt steht, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Elementkörpers 21. Die Dicke WB ist die Abmessung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit an dem Abschnitt, der mit dem Elementkörper 21 in Kontakt steht, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Elementkörpers 21. Die Dicke WC ist die Abmessung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche der äußere Elektrode 27, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Elementkörpers 21.
Die Dicke WA, die Dicke WB und die Dicke WC erfüllen die Bedingung „ WB > WA und WB - WA > WC “. Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bedeckt mindestens den zweiten Bereich L2 der äußeren Oberfläche des Elementkörpers 21. Der zweite Bereich L2 ist ein Bereich der äußeren Oberfläche des Elementkörpers 21, der sich hinter der äußeren Elektrode 27 befindet, wobei sich der Bereich vor einer bestimmten Position P1 zwischen der äußeren Elektrode 27 und dem Elementflanschabschnitt 23 befindet.
In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die spezifische Position P1 einem Wert von 23% mit einem Wert von 100%, der die Abmessung von der äußeren Elektrode 27 bis zum Elementflanschteil 23 auf der Außenfläche des Elementkörpers 21 darstellt (mit anderen Worten, eine Länge LE1 des ersten Bereichs L1 in axialer Richtung). Mit anderen Worten, die axiale Abmessung (Länge LE2) des zweiten Bereichs L2 entspricht einem Wert von 23% mit einem Wert von 100%, der die Länge LE1 des ersten Bereichs L1 darstellt.
[Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements]
Das Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 3 wird beschrieben. Zunächst wird Yttriumoxid (Y₂O₃), das als Stabilisator dient, in einer Menge von 5 Mol% zu Zirkoniumdioxid (ZrO₂) hinzugefügt, um eine Mischung (im Folgenden auch als 5YSZ bezeichnet) herzustellen, und Aluminiumoxidpulver wird weiterhin hinzugefügt, um ein festes Elektrolytpulver herzustellen, das als Material des Elementkörpers 21 verwendet wird. Wenn die Gesamtmenge des Pulvers des Materials des Elementkörpers 21 auf 100 Masse-% eingestellt wird, beträgt der Gehalt des 5YSZ 99,6 Massen-% und der Gehalt des Aluminiumoxidpulvers 0,4 Massen-%. Das Pulver wird gepresst und dann einer Bearbeitung in eine röhrenförmige Form unterzogen, um dadurch einen Grünling zu erhalten.
Als nächstes werden Aufschlämmungen, die Platin (Pt) und Zirkoniumdioxid enthalten, auf Teile des Grünlings aufgetragen, wo die äußere Elektrode 27, der ringförmige Leitungsabschnitt 28, der Längsleitungsabschnitt 29 und die innere Elektrode 30 gebildet werden sollen.
Die Aufschlämmung zur Bildung der äußeren Elektrode 27, des ringförmigen Leitungsabschnitts 28 und des Längsleitungsabschnitt 29 wird durch Zugabe von monoklinem Zirkoniumdioxid in einer Menge von 15 Massenprozent zu Platin (Pt) hergestellt. Die Aufschlämmung zur Bildung der inneren Elektrode 30 wird durch Zugabe von „Mischpulver aus 5YSZ (99,6 Massen-%) und Aluminiumoxid (0,4 Massen-%)“ (gleiche Zusammensetzung wie die des Elementkörpers 21) in einer Menge von 15 Massen-% zu Platin (Pt) hergestellt.
Als nächstes wird die Aufschlämmung zur Bildung der Schicht 32 mit thermischer Leitfähigkeit durch Brennen durch Eintauchen so auf den Grünling aufgetragen, dass die äußere Elektrode 27 vollständig bedeckt wird, wodurch eine grüne Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet wird. Die Aufschlämmung wird durch Zugabe von Kohlenstoff als porenbildender Material (Porengenerator) zu dem gemischten Pulver aus 5YSZ und 0,4 Massenprozent Aluminiumoxid hergestellt. Die Aufschlämmung enthält das Mischpulver aus 5YSZ und 0,4 Massenprozent Aluminiumoxid in einer Menge von 87 Volumenprozent und Kohlenstoff in einer Menge von 13 Volumenprozent.
Anschließend wird der Grünling mit den aufgetragenen Schlämmen einem Trocknungsprozess unterzogen und anschließend eine Stunde lang bei 1.350 °C gebrannt.
Dann wird eine Aufschlämmung zur Bildung der katalysatorhaltigen Schicht 33 durch Brennen durch Eintauchen auf einen gebrannten Körper, der durch Brennen des Grünlings erhalten wurde, so aufgetragen, dass die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit vollständig bedeckt wird, wodurch eine grüne katalysatorhaltige Schicht 33 gebildet wird. Die Aufschlämmung enthält Spinellpulver und Titandioxidpulver.
Danach wird der gebrannte Körper mit der oben genannten Aufschlämmung einem Trocknungsprozess unterzogen und dann eine Stunde lang bei 1.000°C gebrannt, wodurch die katalysatorhaltige Schicht 33 gebildet wird. Anschließend, nachdem ein Abschnitt des gebrannten Körpers, in dem die katalysatorhaltige Schicht 33 gebildet wird, in eine wässrige Lösung eingetaucht wurde, die Edelmetalle enthält (Platinchloridlösung + Palladiumnitrat + Rhodiumnitrat), wird der gebrannte Körper einem Trocknungsverfahren und dann einer Wärmebehandlung bei 800 °C unterzogen.
Das Gassensorelement 3 wird durch ein solches Herstellungsverfahren gewonnen. Das so hergestellte Gassensorelement 3 wird mit dem Separator 5, dem Stopfenelement 7, dem metallischen Anschluss 9, dem Leitungsdraht 11 usw. zusammengesetzt und bildet so teilweise den Gassensor 1.
[Auswertungstest am Gassensorelement]
Als nächstes werden die Ergebnisse eines Tests beschrieben, der zur Bewertung einer Temperaturänderungscharakteristik des Gassensorelements durchgeführt wurde, auf das die vorliegende Offenlegung angewendet wird.
Dabei ist die „ Temperaturänderungscharakteristik “ eine Charakteristik, die die Höhe der Temperaturänderung im vorderen Endabschnitt 25 des Gassensorelements 3 im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases, das dem Gassensorelement 3 zugeführt wird, angibt. Es ist zu bemerken, dass der aktivierte Zustand des Gassensorelements 3 umso stabiler ist, je kleiner die Höhe der Temperaturänderung des vorderen Endabschnitts 25 als Reaktion auf einen Temperaturabfall des zu messenden Gases ist, wodurch die Verschlechterung der Genauigkeit der Gasdetektion begrenzt werden kann.
Bei dem vorliegenden Auswertungstest wurde die Höhe der Temperaturänderung ΔT des vorderen Endabschnitts 25 im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases, das dem Gassensorelement 3 zugeführt wird, gemessen. Für den vorliegenden Auswertungstest wurden mehrere Gassensorelemente 3 (drei Beispiele und ein Vergleichsbeispiel; siehe 5) vorbereitet, die sich in der Länge LE2 der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit unterschieden. Die Gassensorelemente 3 wurden in Bezug auf die Höhe der Temperaturänderung des vorderen Endabschnitts 25 gemessen. Es ist zu bemerken, dass bei jedem der Gassensorelemente 3 der Beispiele und des Vergleichsbeispiels die axiale Abmessung der äußeren Elektrode 27 auf 5 mm eingestellt wurde.
Beim vorliegenden Auswertungstest wurde die Höhe der Temperaturänderung des vorderen Endabschnitts 25 gemessen, während die Temperatur des zu messenden Gases von 900°C auf 300°C geändert wurde. In diesem Fall wurde die Temperatur der vorderen Endabschnitte 25 gemessen, nachdem die Temperatur des zu messenden Gases 30 Sekunden lang bei 900°C und 10 Sekunden lang bei 300°C gehalten worden war.
5 und 6 zeigen die Ergebnisse des vorliegenden Auswertungstests. Nach den Ergebnissen des Auswertungstests sind die Höhen der Temperaturänderung T der Beispiele 1 bis 3 kleiner als die Höhe der Temperaturänderung T des Vergleichsbeispiels 1. Daher sind die Gassensorelemente 3 der Beispiele 1 bis 3 im aktivierten Zustand stabiler als das Gassensorelement 3 des Vergleichsbeispiels 1 und können somit eine Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion einschränken.
Wie in 5 gezeigt, wird bei den Gassensorelementen 3 der Beispiele 1 bis 3 die Bedeckung des Elementkörpers 21 durch die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit auf 100 %, 50 % bzw. 23 % eingestellt. Insbesondere bedeutet der hier verwendete Begriff „Bedeckung“ das Verhältnis des Bereichs der Außenfläche des Elementkörpers 21, der von der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bedeckt ist, mit einem Wert von 100%, der die Abmessung von der äußeren Elektrode 27 zum Elementflanschabschnitt 27 auf der Außenfläche des Elementkörpers 21 darstellt. Dadurch, dass die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit so ausgebildet ist, dass sie eine Bedeckung von 23% oder mehr aufweist, kann die Höhe der Temperaturänderung des Gassensorelements 3 verringert werden, der von einem Abfall der Temperatur des zu messenden Gases herrührt.
[Effekte]
Wie oben beschrieben, erfüllt das Gassensorelement 3 des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform die Bedingung „ WB > WA und WB - WA > WC“, wobei WA die Dicke eines Abschnitts (dritter Bereich L3) der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit in Kontakt mit der äußeren Elektrode 27 ist, WB die Dicke eines Abschnitts (zweiter Bereich L2) der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit in Kontakt mit dem Elementkörper 21 ist und WC die Dicke der äußeren Elektrode 27 ist.
In der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, die die Bedingung erfüllt, ist die Dicke WB größer als die Summe aus der Dicke WA und der Dicke WC (WB > WA + WC). Eine solche Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit kann die Wärmekapazität an dem mit dem Elementkörper 21 in Kontakt stehenden Abschnitt im Vergleich zu dem mit der äußeren Elektrode 27 in Kontakt stehenden Abschnitt erhöhen, während die Permeation des zu messenden Gases an dem mit der äußeren Elektrode 27 in Kontakt stehenden Abschnitt beibehalten wird.
Das Gassensorelement 3 mit einer solchen Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit kann die Wärmekapazität der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit erhöhen, ohne dass das zu messende Gas daran gehindert wird, die äußere Elektrode 27 zu erreichen. D.h. selbst bei einem Temperaturabfall des Messgases kann das Gassensorelement 3 durch die Wärmekapazität der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit die Temperaturänderung des Messgases reduzieren.
Da das Gassensorelement 3 die Höhe der Temperaturänderung reduzieren kann, die von einem Temperaturabfall des zu messenden Gases herrührt, ohne dass das zu messende Gas daran gehindert wird, die äußere Elektrode 27 zu erreichen, kann die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion abgeschwächt werden.
Als nächstes ist im Gassensorelement 3 die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit mit mindestens einem Abschnitt des Bereichs des Elementkörpers 21 in Kontakt und bedeckt diesen Bereich, wobei sich dieser Bereich hinter der äußeren Elektrode 27 befindet. Eine solche Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit kann die Wärmekapazität in dem Bereich des Elementkörpers 21 erhöhen, der sich hinter der äußeren Elektrode 27 befindet. Infolgedessen kann das Gassensorelement 3 selbst im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases die Höhe der Temperaturänderung im Bereich des Elementkörpers 21, der sich hinter der äußeren Elektrode 27 befindet, verringern.
Als nächstes hat beim Gassensorelement 3 der Elementkörper 21 dann den Elementflanschabschnitt 23. Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bedeckt mindestens den zweiten Bereich L2 des Elementkörpers 21 (d.h. einen Bereich der Außenfläche des Elementkörpers 21, der sich hinter der äußeren Elektrode 27 befindet, wobei sich der Bereich vor der spezifischen Position P1 zwischen der äußeren Elektrode 27 und dem Elementflanschabschnitt 23 befindet).
Da sich der Abschnitt der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, der mit dem Elementkörper 21 in Kontakt steht, mindestens in einem vorbestimmten Bereich (zweiter Bereich L2) befindet, der sich vor der spezifischen Position P1 befindet, kann die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit die Höhe der Temperaturänderung des Gassensorelements 3 im zweiten Bereich L2 reduzieren. Infolgedessen kann das Gassensorelement 3 die Höhe der Temperaturänderung, die von einem Abfall der Temperatur des zu messenden Gases herrührt, weiter reduzieren und somit die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion weiter mildern.
Als nächstes, entspricht im Gassensorelement 3 die spezifische Position P1 einem Wert von 23% mit einem Wert von 100%, der die Länge LE1 des ersten Bereichs L1 auf der Außenfläche des Elementkörpers 21 darstellt. Da die spezifische Position P1 auf eine Position eingestellt ist, die einem Wert von 23% oder mehr entspricht, kann das Gassensorelement 3 nach den oben genannten Testergebnissen die Höhe der Temperaturänderung reduzieren, der sich aus einem Abfall der Temperatur des zu messenden Gases ergibt.
Als nächstes ist im Gassensorelement 3 die Wärmeleitfähigkeit der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gleich oder niedriger als die des Elementkörpers 21. Die Verwendung einer solchen Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit kann die Höhe der Temperaturänderung des Elementkörpers 21 im Falle eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases reduzieren und somit die Verschlechterung der Genauigkeit der Gasdetektion aufgrund des Temperaturabfalls des zu messenden Gases einschränken.
Als nächstes hat das Gassensorelement 3 die katalysatorhaltige Schicht 33. Die katalysatorhaltige Schicht 33 bedeckt mindestens einen vorderen Abschnitt der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und enthält einen Edelmetallkatalysator. Im Gassensorelement 3 löst infolge der Verwendung der katalysatorhaltigen Schicht 33 zumindest ein Teil des zu messenden Gases, das die äußere Elektrode 27 erreicht, eine Gasausgleichsreaktion in der katalysatorhaltigen Schicht 33 aus, wodurch die Gasausgleichsreaktion in der äußeren Elektrode 27 unterstützt wird. Dadurch wird selbst im Falle einer Verschlechterung eines aktivierten Zustandes des Elementkörpers 21 die Gasdetektion ermöglicht, wodurch die Genauigkeit der Gasdetektion verbessert werden kann.
Da der Gassensor 1 durch den Einsatz des Gassensorelements 3 die Temperaturänderung des Gassensors 1 aufgrund eines Temperaturabfalls des zu messenden Gases reduzieren kann, ohne dass das zu messende Gas daran gehindert wird, die äußere Elektrode 27 zu erreichen, kann die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion gemildert werden.
[Wortkorrespondenz]
Die Übereinstimmung des Wortlauts zwischen der vorliegenden Ausführungsform und den Ansprüchen wird beschrieben.
Der Gassensor 1 entspricht einem Beispiel für den Gassensor, das Gassensorelement 3 entspricht einem Beispiel für das Gassensorelement, der Elementkörper 21 entspricht einem Beispiel für den Festelektrolytkörper, die äußere Elektrode 27 entspricht einem Beispiel für die Messelektrode und die innere Elektrode 30 entspricht einem Beispiel für die Referenzelektrode.
Die Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit entspricht einem Beispiel für die Gasbegrenzungsschicht; die katalysatorhaltige Schicht 33 entspricht einem Beispiel für die Katalysatorschicht; und der Elementflanschteil 23 entspricht einem Beispiel für den Vorsprung.
[andere Ausführungsformen]
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die obige Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann in verschiedenen anderen Moden verkörpert werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
In der obigen Ausführungsform werden verschiedene Zahlenwerte (thermische Leitfähigkeit, Dicke, Porosität usw.) für die Schutzschicht und den Elementkörper (Festelektrolytkörper) usw. angegeben. Diese Zahlenwerte sind jedoch nicht auf die oben genannten beschränkt, sondern können willkürlich sein, solange sie vom technischen Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung erfasst werden. So ist z.B. die Wärmeleitfähigkeit der Schicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit nicht notwendigerweise niedriger als die des Elementkörpers (Festelektrolytkörper), sondern kann gleich der des Elementkörpers (Festelektrolytkörper) sein.
Ferner dürfen die Dicke WA und die Dicke WB der Schicht 32 mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und die Dicke WC der äußeren Elektrode 27 beliebige Werte annehmen, solange die Bedingung „ WB > WA und WB - WA > WC “ erfüllt ist. Die spezifische Position P1 ist nicht auf die Position beschränkt, die einem Wert von 23% mit einem Wert von 100% entspricht, der die Dimension des ersten Bereichs L1 darstellt, sondern kann eine Position sein, die einem Wert von 23% oder mehr entspricht.
Als nächstes ist die Struktur der Schutzschicht nicht auf eine Struktur mit der Schicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und der katalysatorhaltigen Schicht beschränkt, sondern die Schutzschicht kann nur die Schicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit aufweisen. Alternativ ist die Struktur der Schutzschicht nicht auf eine Struktur beschränkt, die nur die Schicht mit der niedrigen thermischer Leitfähigkeit und die katalysatorhaltige Schicht aufweist, sondern die Schutzschicht kann noch eine weitere Schicht aufweisen. Zum Beispiel kann die Schutzschicht 31 der ersten Ausführungsform zusätzlich eine Katalysatorschutzschicht aufweisen, die die katalysatorhaltige Schicht 33 vollständig bedeckt. Die Verwendung der Katalysatorschutzschicht kann die Sublimation einer katalytischen Komponente (Edelmetall) in der katalysatorhaltigen Schicht einschränken und dadurch eine Verschlechterung der Genauigkeit bei der Gasdetektion verhindern, die sonst durch die Sublimation einer katalytischen Komponente (Edelmetall) entstehen könnte.
Dann wurde die obige Ausführungsform beschrieben, wobei auf einen heizungslosen Gassensor Bezug genommen wurde. Der Gassensor, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird, kann jedoch ein Gassensor mit einer Heizung zur Beheizung des Gassensorelements sein. Ein solcher Gassensor kann zusätzlich zur Beheizung durch die Heizung die Wärme aus dem Abgas effizient zur Aktivierung des Gassensorelements nutzen und somit Gas auch in einer Umgebung mit niedriger Temperatur (300°C oder niedriger) detektieren.
Beispiele für ein solches Heizelement sind ein stabförmiges Heizelement, das in Kontakt mit der rohrförmigen Innenfläche eines rohrförmigen Gassensorelements mit geschlossenem Ende steht, und ein plattenförmiges Heizelement, das auf ein plattenförmiges Gassensorelement gestapelt ist.
Als nächstes kann die Funktion eines konstituierenden Elements in den obigen Ausführungsformen auf eine Vielzahl von konstituierenden Elementen verteilt werden, oder die Funktionen einer Vielzahl von konstituierenden Elementen können durch ein einziges konstituierendes Element realisiert werden. Ein Teil der Konfigurationen der obigen Ausführungsformen kann weggelassen werden. Auch kann zumindest ein Teil der Konfigurationen jeder der obigen Ausführungsformen zu den Konfigurationen anderer Ausführungsformen hinzugefügt werden oder diese teilweise ersetzen. Es ist zu bemerken, dass alle Moden, die in der durch den Wortlaut der Ansprüche spezifizierten technischen Idee enthalten sind, Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor;
3: Gassensorelement;
13: Metallhülle;
15: Protektor;
21: Elementkörper;
23: Elementflanschabschnitt;
25: vorderer Endabschnitt;
27: äußere Elektrode;
28: ringförmiger Leitungsabschnitt;
29: Längsleitungsabschnitt;
30: innere Elektrode;
31: Schutzschicht;
32: Schicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit; und
33: Katalysator enthaltende Schicht.

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 2010151575 [0004]

Claims

Gassensorelement zum Nachweis eines bestimmten Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, umfassend einen rohrförmigen Festelektrolytkörper mit geschlossenem Ende, der ein geschlossenes vorderes Ende und ein offenes hinteres Ende aufweist und Zirkoniumdioxid enthält; eine Referenzelektrode, die auf einer Innenfläche eines vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; eine Messelektrode, die auf einer Außenfläche des vorderen Endabschnitts des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; und eine Gasbegrenzungsschicht, die mit der Messelektrode in Kontakt steht und diese bedeckt und die mit mindestens einem Teil des Festelektrolytkörpers in Kontakt steht und diesen bedeckt; wobei eine Bedingung „WB > WA und WB - WA > WC“ erfüllt ist, wobei WA eine Dicke eines Abschnitts der Gasbegrenzungsschicht ist, welcher Abschnitt in Kontakt mit der Messelektrode steht, WB eine Dicke eines Abschnitts der Gasbegrenzungsschicht ist, welcher Abschnitt in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper steht, und WC eine Dicke der Messelektrode ist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die Gasbegrenzungsschicht in Kontakt steht mit einem Abschnitt eines Bereichs des Festelektrolytkörpers, der sich hinter der Messelektrode befindet, und diesen bedeckt t.
Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Festelektrolytkörper einen Vorsprung aufweist, der in einem Bereich seiner Außenfläche, der sich hinter der Messelektrode befindet, radial nach außen vorsteht, und die Gasbegrenzungsschicht mindestens einen Bereich einer äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers bedeckt, der sich hinter der Messelektrode befindet, wobei sich der Bereich vor einer bestimmten Position zwischen der Messelektrode und dem Vorsprung befindet.
Gassensorelement nach Anspruch 3, wobei die spezifische Position einem Wert von 23% oder mehr entspricht, mit einem Wert von 100%, der eine Abmessung von der Messelektrode bis zum Vorsprung an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers darstellt.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gasbegrenzungsschicht eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die gleich oder niedriger als die des festen Elektrolytkörpers ist.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner eine Katalysatorschicht aufweist, die mindestens einen vorderen Endabschnitt der Gasbegrenzungsschicht bedeckt und einen Edelmetallkatalysator enthält.
Gassensor mit einem Gassensorelement zum Nachweis eines bestimmten Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, wobei das Gassensorelement ein Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.