DE19734575C2 - Dichtelement für Sensoren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Dichtung für ein Sen­ sorelement eines Gassensors nach der Gattung des Hauptan­ spruches. Eine derartige Dichtung ist beispielsweise aus der DE 195 32 090 bekannt, bei der das Sensorelement in eine Längsbohrung eines Gehäuses mittels mindestens zweier Dichtkörper und einer zwischen den Dichtkörpern angeord­ neten verformbaren Zusatzdichtung angebracht ist. Die bei­ den Dichtkörper bestehen aus Magnesiumaluminiumsilikat (Steatit) und der zwischen diesen Dichtkörpern angebrachte Dichtkörper aus dem hexagonalen Allotropen des Bornitri­ des.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Dichtung mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß sie sowohl gasdicht, als auch für Flüssigkeiten, insbeson­ dere für Kraftstoffe, undurchlässig ist und darüberhinaus eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Dies wird erreicht durch eine Mischung aus wenigstens einer kerami­ schen Verbindung und wenigstens einer Fluoridverbindung. Darüberhinaus weist die Verwendung dieser Mischung an­ stelle eines Dichtungsaufbaus aus Dichtelementen verschie­ dener chemischer Zusammensetzungen eine vereinfachte Handhabung und Montage auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dichtung möglich.

In besonders vorteilhafter Weise wird als keramische Ver­ bindung Steatit, das heißt, das Brennprodukt des Speck­ steins mit der ungefähren chemischen Formel 3MgO . 4 SiO₂ . H₂O in einer Mischung mit einer Fluoridverbindung verwendet. Damit wird eine besonders hohe Temperatursta­ bilität gewährleistet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird als kera­ mische Verbindung Bornitrid eingesetzt, wobei das hexago­ nale Allotrope von BN bevorzugt ist. Das hexagonale Allo­ trope von Bornitrid ist sehr feinkörnig und ähnlich seinem Isosteren Graphit, eine sehr gut verformbare Verbindung, so daß die Dichtigkeit und die Flexibilität des Dichtelementes entscheidend verbessert wird.

In vorteilhafter Weise wird als Fluoridverbindung ein me­ tallisches Fluorid, inbesondere ein zwei- oder dreiwertiges metallisches Fluorid verwendet. Der Zusatz eines derartigen Metallfluorides ermöglicht eine Erhöhung des Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten (WAK) des Pulverpaketes in Tempe­ raturbereichen von 500° bis 1000°C. Damit wird der Wär­ meausdehnungskoeffizient des Dichtelementes an denjeni­ gen von beispielsweise Chromstahl oder von mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) angepaßt.

In einer bevorzugten Ausführung beträgt der Mengenan­ teil der Fluoridverbindung 15-70 Gew.-%, insbesondere 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Dichtung. Durch die Verwendung einer Fluoridverbindung als Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser α₅₀ von 0,5 bis 10 µm, insbesondere von 1 bis 5 µm, wird der Wärmeaus­ dehnungskoeffizient in besonders guter Weise demjenigen von YSZ angepaßt. Beispielsweise beträgt der WAK des Pulverpaketes, welches als Dichtungselement eingesetzt wird, durch den Zusatz des Metallfluorides 10 bis 18 × 10^-6 Kelvin^-1 im Temperaturbereich von 500° bis 1000°C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von YSZ beträgt demgegen­ über 10 × 10^-6 Kelvin^-1, so daß durch geeignete Variation des Metallfluorides die Wärmeausdehnungskoeffizienten so angepaßt werden können, daß keine thermisch induzierten Spannungen zwischen Dichtung und dem Festelektrolytkör­ per des Gassensors entstehen. Damit ist insbesondere eine bleibende und stabile Dichtfunktion des Pulverpaketes der Dichtung auch in heißen Gasen und im Dauerbetrieb ermög­ licht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung nä­ her erläutert. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gas­ sensor mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.

Ausführungsbeispiel

Die einzige Figur zeigt einen Gassensor 10, beispiels­ weise einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, der ein metallisches Gehäuse 12 besitzt, das ein Gewinde 13 als Be­ festigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 hat eine Längsboh­ rung 15, mit einer schulterförmigen Ringfläche 16. Auf der schulterförmigen Ringfläche 16 befindet sich beispielsweise ein metallischer Dichtring 18, auf dem ein meßgasseitiges Keramikformteil 21 aufliegt. Das meßgasseitige Keramik­ formteil 21 hat in Richtung der Längsbohrung 15 verlau­ fend, einen durchgehenden meßgasseitigen Durchbruch 22. Beabstandet vom meßgasseitigen Keramikformteil 21 ist in der Längsbohrung 15 ferner ein anschlußseitiges Keramik­ formteil 23 angeordnet. Das anschlußseitige Keramikform­ teil 23 hat ebenfalls in Richtung der Längsbohrung 15 ver­ laufend, einen zentral angeordneten und durchgehenden an­ schlußseitigen Durchbruch 24. Der meßgasseitige Durch­ bruch 22 des meßgasseitigen Keramikformteils 21 und der anschlußseitige Durchbruch 24 des anschlußseitigen Kera­ mikformteiles 23 verlaufen fluchtend zueinander. In den Durchbrüchen 22, 24 befindet sich ein plättchenförmiges Sensorelement 27 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 28 und einem anschlußseitigen Endabschnitt 29.

Der meßgasseitige Endabschnitt 28 des Sensorelementes 27 ragt aus dem Gehäuse 11 heraus und ist von einem Schutzrohr 31 umgehen, das am Gehäuse 11 festgelegt ist. Das Schutzrohr weist Ein- und Austrittsöffnungen 32 für das zu messende Gas auf. Der anschlußseitige Endabschnitt 29 besitzt Anschlußkontakte 34, die ebenfalls aus dem Gehäuse 11 herausragen. Die Anschlußkontakte 34 werden mit einem nicht dargestellten, mit Anschlußkabeln versehenen Kon­ taktstecker kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 11 herausra­ gende anschlußseitige Endabschnitt 29 ist von einer nicht dargestellten Umkapselung umgeben, die den Endabschnitt 29 vor Umgebungseinflüssen schützt.

Zwischen dem meßgasseitigen Keramikformteil 21 und dem anschlußseitigen Keramikformteil 23 befindet sich eine Dichtung 37, bestehend aus einer Mischung, bestehend aus einer keramischen Verbindung und einer Fluoridverbin­ dung, beispielsweise Bornitrid oder Steatit als keramische Verbindung und Calciumfluorid, Magnesiumfluorid oder auch Strontiumfluorid, Aluminiumfluorid oder Yttriumfluo­ rid oder ein anderes Fluorid der seltenen Erden als Fluorid­ verbindung. Falls Bornitrid verwendet wird, liegt dieses in Form seines hexagonalen Allotropen vor. Der Anteil der Fluoridverbindung beträgt 15 bis 70 Gew.-%, insbesondere 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Dich­ tung. Auf dieses Dichtelement 37 drückt das anschlußseitige Keramikformteil 23. Die Anpreßkraft des anschlußseitigen Keramikformteils 23 wird von einer Metallhülse 40 aufge­ bracht. Die Metallhülse 40 hat beispielsweise gleichmäßig verteilt, mehrere, nach hinten weisende Krallen 41, die in die am Gehäuse 12 eingeformten Einkerbungen 42 eingrei­ fen. Es ist aber auch denkbar, die Metallhülse 40 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen. Das aus der Keramik-Fluorid­ mischung bestehende Dichtelement 37 wird vor dem Einbau in die Längsbohrung 15 des Gehäuses 12 durch Sintern bei einer niedrigen Temperatur von beispielsweise 500°C zu ei­ nem Ring vorgeformt. Das so gebildete ringförmige Dicht­ element 37 wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel in die das Sensorelement 27 bereits enthaltene Längsbohrung 15 eingesetzt. über der Dichtung 37 wird dann das an­ schlußseitige Keramikformteil 23 angeordnet. Danach wird auf das anschlußseitige Keramikformteil die Metallhülse 40 aufgesetzt. Anschließend wird mittels eines Stempels eine Kraft auf die Metallhülse 40 ausgeübt, die über das an­ schlußseitige Keramikformteil 23 auf das Dichtelement 37 einwirkt. Dabei wird der vorgefertigte Ring des Dichtele­ mentes 37 derart verformt, daß sich das Material des Dicht­ elementes 37 an das Sensorelement 27 und das Gehäuse 12 anpreßt.

Es hat sich gezeigt, daß die Dichtwirkung im wesentli­ chen von der Art und dem Anteil der metallischen Fluorid­ verbindung bestimmt wird.

Wesentlich für die Erzielung einer Gas- und Kraftstoff­ dichtheit über einen weiten Temperaturbereich ist die Tatsa­ che, daß auf das Dichtungselement 37 ständig eine von der Metallhülse 40 ausgehende Kraft einwirkt. Aufgrund des durch das metallische Fluorid modifizierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten WAK wird durch eine entspre­ chende Mischung der keramischen Komponente mit der ent­ sprechenden fluoridischen Komponente erreicht, daß auch bei höheren Temperaturen die von der Metallhülse 40 ausge­ hende Anpreßkraft auf das Dichtelement 37 einwirkt.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Dichtelementes 37 ist nicht auf die Abdichtung von planaren Sensorelemen­ ten in metallischen Gehäusen beschränkt. Es ist durchaus denkbar, ein derartiges Dichtelement 37 auch zum Abdich­ ten von sogenannten Fingersonden einzusetzen. Bei diesem Anwendungsfall muß dann lediglich die Ausführung des vorgefertigten Ringes für das Dichtelement 37 der Geome­ trie der Längsbohrung und der Auflagefläche zwischen Ge­ häuse und fingerförmigem Sensorelement angepaßt werden.

Claims (12)

1. Dichtung mit mindestens einem Dichtelement für ein Sensorelement eines Gassensors, insbe­ sondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, welche das Sensorelement in einer Längsbohrung eines metallischen Gehäuses abdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Dichtelementes (37) eine Mischung aus wenigstens einer keramischen Verbin­ dung und wenigstens einer Fluoridverbindung enthält.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die keramische Verbindung im wesentlichen Steatit ist.

3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die keramische Verbindung im wesentlichen Bornitrid ist.

4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die keramische Verbindung im wesentlichen eine Mischung aus Steatit und Bornitrid ist.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fluoridverbindung ein metallisches Fluo­ rid ist.

6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das metallische Fluorid ein zwei- und/oder dreiwertiges metallisches Fluorid ist.

7. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Mengenanteil der Fluoridverbindung 15 bis 70 Gew.-%, insbesondere 20 bis 30 Gew.-% bezo­ gen auf die Gesamtmasse der Dichtung beträgt.

8. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fluoridverbindung als Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser d₅₀ von 0,5 bis 10 µm, insbesondere von 1 bis 5 µm vorliegt.

9. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Dichtelement (37) als verformbarer Kör­ per eingesetzt und in die Längsbohrung des Gehäuses (22) eingepreßt ist, wobei sich beim Verpressen der Körper derart verformt, daß sich das Material des Dichtelementes an das Sensorelement (27) und das Ge­ häuse (12) anpreßt.

10. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Längsbohrung des Gehäuses (12) beab­ standet voneinander ein meßgasseitiges Keramikform­ teil (22) und ein anschlußseitiges Keramikformteil (23) angeordnet sind und daß zwischen den beiden Kera­ mikteilen das Dichtelement (37) angeordnet ist.

11. Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnete daß ein mit dem Gehäuse verbundenes Druckelement (40) vorgesehen ist, welches auf das an­ schlußseitige Keramikformteil (23) drückt.

12. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnete daß die Mischung des Dichtelementes (37) aus der keramischen Verbindung und der Fluoridver­ bindung zu einem Formteil gepreßt und anschließend wärmebehandelt oder gesintert wird, derart, daß das Formteil unter Einwirkung einer Preßkraft bei der Montage des Gassensors in seinen Pulverbestandteilen verformt wird.