DE19654464C2

DE19654464C2 - Mantelleitung mit mehreren elektrischen Leitern oder Signaldrähten

Info

Publication number: DE19654464C2
Application number: DE19654464A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Prause; Dirk Reuswig; Axel Richter
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: DE19654464A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mantelleitung mit mehreren elektrischen Leitern oder Signaldrähten die innerhalb eines äußeren metallischen Schutzmantels angeordnet sind und an einem Ende herausragen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Mantelleitungen sind zumeist zur Signalführung beispielsweise in der Temperaturmeßtechnik bekannt. Durch die geschützte Anordnung innerhalb einer zumeist metallischen Ummantelung sind sie vor mechanischen und chemischen Eingriffen geschützt. Zur elektrischen Isolation sind die Signaldrähte zumeist innerhalb eines oder mehreren isolierenden Kapillaren angeordnet. Zumeist werden bei einer Mehrzahl von Signaldrähten innerhalb einer Mantelleitung sogenannte Mehrloch kapillaren verwendet. Diese sind mitsamt der Drähte in den metallischen Mantel eingeschoben.

Um eine lagemäßige Fixierung zu erreichen, wird nach eingebrachter Kapillare der Mantel streckreduziert, bis entweder die Innenwandung an der beispielsweise aus Keramik bestehenden Kapillare anliegt, oder dieselbe noch mitreduziert. Dies ist mit kapillaren durchführbar, die als hochverdichtete Pulverkeramikwerkstoff vorliegen. Diese lassen sich dann mitreduzieren. Im Gebrauchszustand lassen sie sich sozusagen verpackt durch den Mantel der Mantelleitung sogar biegen, ohne die Gefahr eines Kurzschlusses zu geben. Somit ist die Verwendung eines keramischen Pulverwerkstoffes worin die Leiterdrähte isolierend eingebettet liegen vorteilhaft, weil durch ein anschließendes Ziehen der Mantelleitung eine Hochverdichtung erfolgt. Ein kurzes Anlassen auf entsprechende Temperatur macht den Pulverwerkstoff dann fest.

Solche Mantelleitungen werden zum Anschluß von Thermoelementen bzw. Thermofühlern verwendet. Beim Einsatz von Thermofühlern bei der Regelung von abgasreduzierten Verbrennungen sind dieselben oftmals aggressiven Medien ausgesetzt. Dies macht ein Schutz der Signaldrähte notwendig. Hinzu kommt eine erhebliche Temperaturwechselbeanspruchung. Dies führt zu Problemen hinsichtlich der formschlüssig dichten und damit chemisch resistenten Ummantellung der Signaldrähte im Bereich des aus dem Mantel heraustretenden Drahtenden. Ein schlechter bzw temperaturinstabiler Abschluß der Mantelleitung ist deshalb schädlich, weil der Isolationswerkstoff hygroskopisch ist und eine Leckage eine Kurzschluß zur Folge hat.

Aus der britischen Patentschrift 1 265 079 ist eine Kabelanordnung bekannt, bei welcher die Enden mit einem Dichtelement abgeschlossen sind. Hierbei besteht der Isolierwerkstoff aus einem keramischen Werkstoff und das Dichtelement ist darauf nicht hinreichend abgestimmt. Bei der Benutzung solcher Kabel in temperaturvarianter Umgebung, können mit der Zeit Undichtigkeiten entstehen.

Aus der britischen Patentschrift 419,278 ist eine Mantelleitung für ein Thermoelement bekannt. Die einzelnen Adern sind dabei in einem äußeren metallischen Schutzmantel eingebracht. Die Leitung ist durch ein Verschlußelement abgeschlossen und die einzelnen Drähte durch einen Verbundwerkstoff voneinander separiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mantelleitung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß auch beim Einsatz bei unterschiedlichen bzw. wechselnden Temperaturen ein möglichst zuverlässiger Abschluß im Bereich der Mantelleitungsenden erreicht wird und die Mantelleitung auch bei direktem Kontakt mit chemisch aggressiven Medien verwendet werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Mantelleitung der gattungsgemäßen Art hinsichtlich eines geeigneten erfindungsgemäßen hermetischen Abschlusses durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Hinsichtlich des Einsatzes mit direktem Kontakt mit aggressiven Medien auch bei höheren Temperaturen wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch besondere Ausgestaltungen gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die Enden der Mantelleitungen in einer geeigneten Weise hermetisch zu verschließen. Dadurch kann kein Medium in das Innere der Mantelleitung eindringen. Hierbei kommt es jedoch darauf an, die aufgabengemäßen Forderungen beim Verschluß der Mantelleitung zu erfüllen. Diese besteht darin, einen hermetischen Abschluß auch bei unterschiedlichen Temperaturen, also auch bei Temperaturwechselbeanspruchung zu gewährleisten. Hierzu wird in erfindungsgemäßer Weise eine Glaskeramik zum hermetischen Abschluß auf- oder eingeschmolzen, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher etwa gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Metalle bzw. Metallegierungen ist.

Erfindungsgemäß beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient der fertig montierten eingebrachten bzw. eingeschmolzenen Glaskeramik

α ≧ 10 . 10^-6 1/K

Beim Einsatz der genannten Mantelleitung bei Sensoren, die dem chemisch aggressiven und gleichzeitig heißen Medium ausgesetzt sind, ist in erfindungsgemäßer Weise eine entsprechend endverschlossene Mantelleitung verwendet, wobei der Sensor an, in oder auf Befestigungselementen angeordnet ist, welche mit dem Mantel der Mantelleitung stoff- und/oder formschlüssig verbunden sind. In vorteilhafter Ausgestaltungsform kann der Sensor innerhalb einem messmediendurchlässigen Käfigs mechanisch geschützt angeordnet sein. Eine geeignete Verwendung solcher Mantelleitungen und Sensoren ist der Einsatz als Abgassensoren in Abgasanlagen hoher Temperatur.

In vorteilhafter Ausgestaltung besteht die innere keramische Isolation aus einem hoch verdichteten verpressten keramischen Pulver, bspw. MgO oder Al₂O₃.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Mantelleitung mit eingebrachtem Glaskeramikverschluß.

Fig. 2 Mantelleitung mit angesetzter Hülse sowie innerhalb der Hülse eingebrachter Glaskeramikverschluß.

Fig. 3 Mantelleitung mit Abgassensor.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt über einem Abschnitt eine Mantelleitung 1 bestehend aus einem metallischen Außenmantel 3, innerhalb dem ein hochverdichtetes pulverkeramisches Material als Isolation eingebracht ist. Innerhalb dieses Isolationskörpers sind Kapillare angeordnet, in denen die elektrischen Drähte 2 hindurch verlaufen. An dem hier dargestellten offenen Ende des Mantels 3 der besagten Mantelleitung ist im Bereich der Öffnung, aus der die Drähte 2 heraustreten, der Verschluß 6 eingebracht. Der Verschluß 6 besteht, wie gesagt, aus einem glaskeramischen Werkstoff, welcher eingebracht bzw. eingeschmolzen wird. Der glaskeramische Werkstoff weist dabei im eingebrachten, d. h. montierten Zustand einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der im vorbestimmten Temperaturbereich in etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Metalle oder Metallegierungen des Mantels der Mantelleitung und ggf. auch der elektrischen Drähte entspricht. Vorteilhaft ist dabei ein Wärmeausdehnungskoeffizienten von

α ≧ 10 . 10^-6 1/K.

Vorteilhaft sind bei der Verwendung der Metalle oder Metallegierungen solche zu verwenden, die korrosions- und/oder hochtemperaturbeständig sind. Zumeist sind die elektrischen Leiter 2 bzw deren Drahtenden 12 dann an dem Ende 4 der Mantelleitung 1, aus dem sie heraustreten, aggressiven und heißen Medien ausgesetzt. Durch eine entsprechende Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des glaskeramischen Verschlusses 6 ist in dem verwendeten Temperaturbereich, in dem die Mantelleitung eingesetzt wird, dauerhaft hermetisch abschließend. Eine Schrumpfung bzw. eine Leckage, die durch einen erheblich größeren Ausdehnungskoeffizienten des Mantels der Mantelleitung und der Innenleiter bedingt wäre, ist hier vollständig verhindert. D. h. bei höherer Temperatur wächst die Glaskeramik im selben Maße, in dem die Mantelwerkstoffe ausdehnen.

Fig. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, bei der beispielsweise wegen der Verwendung sehr dünner Mantelleitungen zur einfachen Bewerkstelligung eines Verschlusses 6 an dem entsprechenden Ende der Mantelleitung eine Hülse angeschweißt ist. Dabei ist das glaskeramische Verschlußelement 6 direkt in das oder die Enden 4 der Mantelleitung 1 derart eingeschmolzen, daß zuvor über einen Abschnitt 13 von 0,5 bis 10 mm die isolierende Kapillare bzw. Mehrfachkapillare 5 entfernt ist und das glaskeramische Verschlußelement 6 in die entstehende Eintiefung 14 eingebracht ist.

Durch diese Hülse 9 wird eine scheinbare Erhöhung des Außendurchmessers bewirkt, so daß das Verschlußelement aus Glaskeramik leichter eingepackt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der es durch den weitestgehend temperaturunabhängigen hermetischen Abschluß der Mantelleitung 1 die heraustretenden Drahtenden 12 mit einem direkt beströmten Abgassensor 7 verbunden sind. Dieser Abgassensor 7 ist entweder auf Halteelementen oder in einem offenen durchströmten Sensorgehäuse 10 angeordnet, welches direkt an der metallischen Mantelleitung 1 anschweißbar ist. Durch die Tatsache, daß durch das entsprechende glaskeramische Verschlußelement 6 ein stets gewährleisteter hermetischer Abschluß zum Inneren der Mantelleitung 1 hin gegeben ist, kann der Sensor 7 mitsamt dem entsprechenden Ende der Mantelleitung auch direkt dem heißen und aggressiven Medium ausgesetzt werden. Dies führt zu einer sehr einfachen Ausgestaltbarkeit von Abgassensoren.

Bei der Einbringung der Glaskeramik gemäß den Fig. 1 und 2 geht man wie folgt vor:

Die Glaskeramik, d. h. der glaskeramische Verschluß 6 wird nach Einbringen entweder in den Mantel oder in die entsprechende Hülse 9 gemäß Fig. 2 durch Erhitzen aufgeschmolzen und bildet so einen formschlüssigen dichten Verschluß. Dabei kann die Glaskeramik nach dem Einschmelzen ganz oder teilweise auskristallisiert werden. Dadurch kann erreicht werden, daß die Glaskeramik nach dem Auskristallisieren eine höhere Transformationstemperatur als das Ausgangsmaterial besitzt. In vorteilhafter Weise beträgt die nach Einschmelzen erreichte Dicke des Glaskeramikverschlußstückes zwischen 0,2 bis hin zu 10 mm Dicke.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, daß vor dem Einschmelzen oder Einbringen des Verschlußstückes die Isolationskeramik etwa zwischen 0,5 bis 10 mm tief aus der Mantelleitung entfernt wird. Wenn dann das glaskeramische Verschlußstück eingebracht wird, ist es somit zumeist in die freie Öffnung der Mantelleitung quasi eingesenkt.

Insgesamt ergibt sich eine Einfachgestaltbarkeit von Abgassensoren mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mantelleitung, wobei sich die Mantelleitung natürlich auch für andere, ähnliche Einsatzaufgaben eignet.

Der für die Erfindung relevante Temperaturbereich, in welchen die aufeinander abgestimmten Ausdehnungskoeffizienten eine zuverlässige Abdichtung gewährleisten bzw gewährleisten sollen liegt bei 60°C ≦ T ≦ 1150°C.

Claims

1. Mantelleitung mit mehreren elektrischen Leitern (2), die innerhalb eines äußeren metallischen Schutzmantels (3) angeordnet sind und an einem Ende (4) zum Anschluß herausragen, wobei die Leiter (2) mit Isolationsmitteln (5) innerhalb des Schutzmantels (3) gegeneinander und gegenüber dem Schutzmantel (3) selbst isoliert angeordnet sind, an mindestens einem Ende (4) der Mantelleitung (1) im Bereich der herausragenden Enden (12) der herausragenden Leiter (2) ein Verschlußelement (6) eingebracht oder eingeschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (6) aus Glaskeramik besteht, und daß dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im montierten Zustand zumindest über den relevanten Temperaturbereich etwa gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizient der verwendeten Metalle oder Metallegierungen ist.

2. Mantelleitung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des aus Glaskeramik bestehenden fertigmontierten Verschlußelementes (6)
α ≧ 10 . 10^-6 1/K
ist.

3. Mantelleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsmittel (5) isolierende Kapillaren bzw Mehrfachkapillaren sind.

4. Mantelleitung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik direkt in das oder die Enden (4) der Mantelleitung (1) derart eingeschmolzen ist, daß zuvor über einen Abschnitt (13) von 0,5 bis 10 mm die isolierende Kapillare bzw. Mehrfachkapillare (5) entfernt ist und das glaskeramische Verschlußelement (6) in die entstehende Eintiefung (14) eingebracht ist.

5. Mantelleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet; daß an dem zu verschließenden Ende (4) der Mantelleitung (1) eine Hülse (9) größeren Durchmessers angeschweißt wird, innerhalb der dann in gleicher Weise das Verschlußelement (6) eingeschmolzen ist.

6. Mantelleitung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet; daß die Kapillare bzw. Mehrfachkapillare (5) aus einem hochverdichteten keramischen Pulverwerkstoff besteht.

7. Mantelleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet; daß als Isolationsmittel (5) eine starre Mehrlochkeramik verwendet ist.

8. Mantelleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet; daß an dem mit dem Verschlußelement (6) verschlossenen Ende (4) der Mantelleitung (1) ein direkt beströmter Abgassensor (7) angeordnet ist, welcher auf Befestigungsmitteln angeordnet ist, die mit dem Schutzmantel (3) der Mantelleitung (1) verbunden sind und die heraustretenden elektrischen Leiter (2) mit dem Abgassensor (7) kontaktiert sind.

9. Mantelleitung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel für den Abgassensor (7) aus einem offenen durchströmten Sensorgehäuse (10) besteht, welches mit dem Schutzmantel (3) der Mantelleitung (1) direkt verbunden ist.