DE19751424A1 - Sensorelementdichtung für einen Gasmeßfühler - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der US-PS 5,467,636 ist ein Meßfühler bekannt, bei dem ein planares Sensorelement in einem Keramikformteil mittels einer Sensorelementdichtung gasdicht fixiert ist. Die Sensorelementdichtung ist eine Glasdichtung, die als Glaseinschmelzung in eine am abgasseitigen Keramikformteil eingebrachte Vertiefung, die das Sensorelement umgibt, vorgesehen ist und dadurch einen Referenzgasraum von einem Meßgasraum trennt.

Ein weiterer Meßfühler ist aus der US-PS 4,596,132 bekannt, bei dem ein Sensorelement unmittelbar in einem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil eines metallischen Gehäuses mittels einer Sensorelementdichtung befestigt ist. Die Sensorelementdichtung wird von einer Glaseinschmelzung gebildet, die das referenzgasraumseitige Ende des Sensorelements zusammen mit den kontaktierten Anschlußkabeln einschließt. Das Sensorelement arbeitet dabei ohne Referenzatmosphäre.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine sichere, gasdichte und benzinfeste Abdichtung des Sensorelements erzielt wird. Der Meßfühler ist montagetechnisch einfach aufgebaut und ist insofern kostengünstig herstellbar. Der auf der Referenzgasseite zur Verfügung stehende Bauraum wird genutzt, um die Sensorelementdichtung möglichst entfernt vom heißen Abgas anzuordnen. Dadurch wirken sich die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sensorelementdichtung und Festelektrolytmaterial des Sensorelements sowie das Reaktionsverhalten des Materials der Sensorelementdichtung mit dem Festelektrolytmaterial des Sensorelements weniger aus, so daß bei hohen Temperaturen und Temperaturwechseln eine über die gesamte Anwendungsdauer rißfreie und sichere Sensorelementdichtung geschaffen wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Meßfühlers möglich. Eine besonders gasdichte und benzinfeste Sensorelementdichtung wird durch eine Glasdichtung erreicht, wobei die Glasdichtung als Einschmelzglas in die Aufnahme eingebracht wird. Den Wärmefluß zur Glasdichtung hin noch weiter zu begrenzen, wird durch ein zwischen Keramikformteil und Glaseinschmelzung angeordnetes thermisches Isolierteil erreicht, das aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht. Als zweckmäßig hat sich dabei herausgestellt, einen vorgesinterten Steatitring einzusetzen, der unter Einwirkung eines Drucks zu einer Pulverpackung verformt wird. Eine zweckmäßige Ausführungsform, die eine Verwendung einer vormontierten Baugruppe aus Keramikformteil, Sensorelement, innerer Metallhülse und Glasdichtung ermöglicht, besteht ferner darin, daß zwischen Keramikformteil und Gehäuse ein weiterer vorgesinterter Steatitring eingesetzt wird, der durch Verdichten das Keramikformteil im Gehäuse fixiert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung mit einer vormontierten Baugruppe ist durch eine Vorfixierung des Sensorelements im Gehäuse möglich. Dabei wird das Sensorelement vor der Herstellung der Sensorelementdichtung mittels einer zwischen zwei Keramikformteilen ausgebildeten Pulverpackung fixiert. Die Pulverdichtung wirkt gleichzeitig als Isolator bezüglich der bei der Herstellung der Glaseinschmelzung auftretenden Wärmeleitung und als zusätzliche Primärdichtung. Die Dichtungsanordnung aus Sensorelementdichtung und Pulverpackung bildet somit eine doppelt wirkende Dichtung, die sich zusätzlich günstig auf den Dauerbetrieb des Meßfühlers auswirkt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht außerdem darin, daß auf die anschließend hergestellte Sensorelementdichtung keine Montagekräfte einwirken.

Eine weitere Reduzierung des Einflusses der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Festelektrolytmaterials des Sensorelements und des Einschmelzglases ist dadurch möglich, daß in das Einschmelzglas ein das Sensorelement umgebendes keramisches Formteil eingesetzt wird, welches einen mit dem Festelektrolytmaterial des Sensorelements weitestgehend übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Meßfühler, Fig. 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Meßfühlers in Schnittdarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Sensorelementdichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Sensorelementdichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 dargestellte Meßfühler ist ein elektrochemischer Gasmeßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Der Meßfühler hat ein metallisches Gehäuse 10, in dem ein plättchenförmiges Sensorelement 12 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 13 und einem referenzgasraumseitigen Endabschnitt 14 angeordnet ist. Das Gehäuse 10 wird mittels eines Gewindes in ein nicht dargestelltes Abgasrohr eingesetzt. Im Gehäuse 10 ist ferner eine Längsbohrung 16 mit beispielsweise einer schulterförmigen Ringfläche 17 ausgebildet.

In der Längsbohrung 16 ist ein Keramikformteil 20 mit einer Durchführung 21 für das Sensorelement 12 angeordnet. Das Keramikformteil 20 weist eine meßgasseitige Stirnfläche 22 und eine referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 auf. Die meßgasseitige Stirnfläche 22 ist beispielsweise mit einer konisch verlaufenden Ringfläche 24 ausgeführt, die auf der schulterförmigen Ringfläche 17 aufsitzt. Der aus dem Gehäuse 10 herausragende meßgasseitige Endabschnitt 13 reicht in einen Meßgasraum 52 hinein und ist beispielsweise von einem doppelwandigen Schutzrohr 27 mit Gasein- und Gasauslaßöffnungen 28 mit Abstand umgeben.

Der referenzgasraumseitige Endabschnitt 14 des Sensorelements 12 wird von einer äußeren Metallhülse 35 als referenzgasraumseitiges Gehäuseteil umgeben, die eine rohrförmige Öffnung 36 aufweist, in der eine Kabeldurchführung 38 aus beispielsweise PTFE angeordnet ist. Die Kabeldurchführung 38 ist mit der äußeren Metallhülse 35 gasdicht verstemmt. Durch die Kabeldurchführung 38 sind Anschlußkabel 32 geführt. Die äußere Metallhülse 35 ist mit dem Gehäuse 10 mittels einer umlaufenden Schweißnaht 39 gasdicht verschweißt. Innerhalb der äußeren Metallhülse 35 ist ein Referenzgasraum 53 ausgebildet. In den Referenzgasraum 53 wird beispielsweise Luft als Referenzatmosphäre für eine nicht dargestellte Referenzelektrode des Sensorelements 12 beispielsweise durch die Kabeldurchführung 38 geleitet. Am referenzgasraumseitigen Endabschnitt 14 hat das Sensorelement 12 ferner nicht näher dargestellte Kontakte, die mittels eines Kontaktsteckers 30 mit den Anschlußkabeln 32 kontaktiert sind.

Eine innere Metallhülse 40 weist eine das Sensorelement 12 umgreifende Aufnahme 41 mit einer Seitenwand 45 und einer Zylinderwand 42 auf. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 41 topfförmig mit einem Boden 44 ausgebildet. Im Boden 44 ist eine Öffnung 46 zur Durchführung des Sensorelements 12 eingebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 41 aus der Form der inneren Metallhülse 40 durch eine nach innen weisende Einstülpung ausgeführt. Diese Ausführung ermöglicht die Herstellung der inneren Metallhülse 40 mit Boden 44 als einstückiges Tiefziehteil. Die innere Metallhülse 40 ist mit dem Boden 44 der Aufnahme 41 auf die referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 des Keramikformteils 20 aufgesetzt und an der Zylinderwand 32 mit dem Gehäuse 10 mittels einer umlaufenden weiteren Schweißnaht 49 gasdicht verschweißt.

In der Aufnahme 41 befindet sich eine Sensorelementdichtung 19, die eine hermetische Trennung des Referenzgasraumes 53 vom Meßgasraum 52 realisiert. Gemäß einem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel besteht die Sensorelementdichtung 19 aus einer Glasdichtung 50.

Als Glasdichtung 50 eignet sich ein Einschmelzglas, wie beispielsweise ein bi-Al-Silicatglas oder bi-Ba-Al-Silicat­ glas. Dem Einschmelzglas können Zusatzstoffe beigegeben werden, durch die eine Verbesserung des Fließverhaltens der Glasschmelze erzielt wird. Als Zusatzstoffe können zur Plastifizierung der Glasdichtung 50 beim Fügeprozeß ferner pulverförmige Stoffe wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Messing, Graphit, Bonitrit, MoS₂ oder ein Gemisch dieser Stoffe eingesetzt werden. Als Flußmittel für die Glasdichtung 50 werden beispielsweise Li-Carbonat, bi-Seifen, Borax oder Borsäure verwendet. Zur Anpassung der thermischen Ausdehnung eignet sich die Zugabe von Ausgleichsfüllstoffen, wie beispielsweise Al-Nitrit, Si-Nitrit, Zr-Wolframat oder ein Gemisch dieser Stoffe. Es ist aber genauso denkbar, anstelle der Glaseinschmelzung ein anderes einschmelzbares Material zu verwenden, wie beispielsweise ein Metall-Lot. Die Öffnung 46 in der Metallhülse 40 zur Durchführung des Sensorelements 12 ist dabei zweckmäßigerweise annähernd spaltfrei ausgebildet, so daß durch die Öffnung 46 kein Glas der Glasdichtung 50 beim Einschmelzvorgang dringen kann.

Das Verschweißen der inneren Metallhülse 40 geschieht zweckmäßigerweise unter Einwirkung eines Drucks auf dieselbe, so daß das Keramikformteil 20 mit der Ringfläche 24 auf die ringförmige Schulter 17 gedrückt wird. Eine Dichtwirkung muß sich jedoch zwischen der schulterförmigen Ringfläche 17 und der Ringfläche 24 nicht zwingend einstellen. Die Dichtwirkung wird von der Schweißnaht 49 realisiert.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßfühlers geht aus Fig. 2 hervor. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 41 der inneren Metallhülse 40 ohne Boden ausgeführt, so daß die referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 innerhalb der Aufnahme 41 freiliegt. In der Aufnahme 41 befindet sich auf der referenzgasraumseitigen Stirnfläche 23 ein thermischer Isolierkörper 72 mit einer schlechten Wärmeleitung. Über dem thermischen Isolierkörper 72 liegt die Glasdichtung 50. Der thermischer Isolierkörper 72 ist beispielsweise eine Pulverpackung, die zum Beispiel durch einen bei ca. 650° vorgesinterten Steatitring hergestellt wird, der vor dem Einbringen der Glaseinschmelzung durch eine Preßkraft verdichtet wird, so daß sich der Steatitring zu Pulver umformiert. Die Pulverpackung dient dabei gleichzeitig zur Vorfixierung des Sensorelements 12 im Keramikformteil 20.

Die innere Metallhülse 40 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 außerdem derart geformt, daß sie einen am Gehäuse 10 ausgebildeten Bund 75 umfaßt. Darüber ist die äußere Metallhülse 35 gestülpt, so daß die innere Metallhülse 40 und die äußere Metallhülse 35 mit einer einzigen Schweißnaht 76 am Gehäuse 10 gasdicht verschweißt werden können. Diese Ausführung erfordert keinen Axialdruck auf die innere Metallhülse 40 während des Schweißvorgangs, denn das Keramikformteil 20 ist vorher in die Längsbohrung 16 eingepreßt worden und ist dadurch fixiert. Der Einsatz eines thermischen Isolierkörpers 72 in Form einer Pulverpackung ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 möglich.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist ferner die Längsbohrung 16 abgestuft mit einer großen Bohrung 61 und einer kleinen Bohrung 62 und einer zwischen den Bohrungen 61 und 62 ausgebildeten planen Ringfläche 63 ausgeführt. Das Keramikformteil 20 ist ebenfalls stufenförmig ausgeführt mit einem ersten Zylinder 65 und einem zweiten Zylinder 66 und einer zwischen den Zylindern 65, 66 ausgebildeten ringförmigen Druckfläche 67. Der Durchmesser des ersten Zylinders 65 ist an den Durchmesser der großen Bohrung 61 und der Durchmesser des zweiten Zylinders 66 an den Durchmesser der kleinen Bohrung 62 angepaßt, wobei zwischen dem zweiten Zylinder 66 und der Innenwand der kleinen Bohrung 62 ein weitestgehend geringfügiger Spalt 68 vorliegt. In der Längsbohrung 16 befindet sich ferner eine Pulverdichtung 70, die in gleicher Weise wie die Pulverpackung des thermischen Isolierkörpers 72 hergestellt werden kann, wobei der dazu notwendige Steatitring zwischen der ringförmigen Druckfläche 67 des Keramikformteil 20 und der ebenen Ringfläche 63 des Gehäuses 10 verpreßt wird.

Eine weitere Ausführungsform für die Ausbildung der inneren Metallhülse 40 besteht darin, daß die Aufnahme 41 eine an den Querschnitt des Sensorelements 12 angepaßten Querschnitt aufweist. Fertigungstechnisch problemlos ausführbar ist dabei eine ovale Form, die einen umlaufenden, weitgehend gleichmäßigen geringen Abstandsunterschied zwischen dem Sensorelement 12 und der Seitenwand 45 der Aufnahme 41 schafft. Dadurch wird eine weitestgehend gleichmäßige Spannungsverteilung im Einschmelzglas der Glasdichtung 50 erreicht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Ausbildung einer Sensorelementdichtung geht aus Fig. 3 hervor. Dort ist, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, in der Aufnahme 41 auf der referenzgasraumseitigen Stirnfläche 23 des Keramikformteils 20 der thermische Isolierkörper 72 angeordnet. Auf dem thermischen Isolierkörper 72 liegt ein keramisches Formteil 80 mit einer Durchführung 81 für das Sensorelement 12 auf. Das Formteil 80 ist dabei so dimensioniert, daß zur Seitenwand 45 der Aufnahme 41 hin ein äußerer Spalt 83 und in der Durchführung 81 zum Sensorelement 12 hin ein innerer Spalt 84 ausgebildet wird. In die Spalte 83, 84 ist eine Glaseinschmelzung 86 als Glasdichtung 50 eingebracht, so daß das Formteil 80 in der Aufnahme 41 eingeschmolzen ist. Diese Anordnung bildet die Sensorelementdichtung 19. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß durch eine geeignete Wahl für das Material des keramischen Formteils 80, z. B. aus ZrO₂, ein an das Sensorelement 12 angepaßtes thermisches Ausdehnungsverhalten für die Sensorelementdichtung 19 erzielbar ist. Dadurch können zwischen Sensorelement 12 und Formteil 80 sowie zwischen Formteil 80 und der inneren Metallhülse 40 Spaltmaße gewählt werden, die für eine optimale Dichtung günstig sind. Außerdem kann dabei das Einschmelzglas für die Glaseinschmelzung 86 mit einem an das empfindliche Sensorelement 12 angepaßten thermischen Ausdehnungsverhalten gewählt werden.

Bei einem in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 12 mittels einer Pulverpackung 90 im Gehäuse 10 fixiert. Dazu ist in der Längsbohrung 16 des Gehäuses 10 ein meßgasseitiges Keramikformteil 91 und ein referenzgasraumseitiges Keramikformteil 92 angeordnet. Über das referenzgasraumseitige Keramikformteil 92 ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel mit einem einzigen Keramikformteil in Fig. 1, die innere Metallhülse 40 gestülpt. Zwischen den zwei Keramikformteilen 91, 92 wird beispielsweise ein vorgepreßter und vorgesinterter Steatitring eingesetzt, der ein Aufpressen der inneren Metallhülse 40 auf das referenzgasraumseitige Keramikformteil 92 zu Pulver umformiert wird, so daß sich die Pulverpackung 90 ausbildet.

Dabei preßt sich das Steatitpulver am Sensorelement 12 und an der Längsbohrung 16 an. Dadurch wird das Sensorelement 16 im Gehäuse 10 zumindest vorfixiert. Die Pulverpackung 90 bildet gleichzeitige im Gehäuse 10 eine Primärdichtung für das Sensorelement 19 aus.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensorelementdichtung 19 mit einer Dichtungsanordnung 89. Bei dieser Ausführungsform ist in die topfförmige Aufnahme 41 der inneren Metallhülse 40 übereinanderliegend eine auf dem referenzgasraumseitigen Keramikformteil 92 aufliegende, untere Pulverdichtung 94, die Glasdichtung 50, eine obere Pulverdichtung 95 und eine Keramikhülse 96 angeordnet. Die Pulverdichtungen 94, 95 werden, wie bei der Herstellung der Pulverpackung 90, beispielsweise als vorgepreßte und vorgesinterte Statitringe eingesetzt. Zur Herstellung der Glasdichtung 50 wird ein warmverformbare Glasvorform zwischen die Statitringen eingesetzt. Bei Erwärmung der Glasvorform auf die Erweichungstemperatur des verwendeten Glases wird eine Preßkraft auf die Keramikhülse 96 aufgebracht. Dabei werden die Statitringe zu den Pulverdichtungen 94, 95 analog der Herstellung der Pulverpackung 90 umformiert. Gleichzeitig wird die warmverformbare Glasvorform zur Glasdichtung 50 verpreßt.

Das Verpressen der Dichtungsanordnung 89 erfolgt nach der Fixierung des Sensorelements 12 im Gehäuse 10 mittels der Pulverpackung 90. Dadurch wirken keine Montagekräfte auf die Sensorelementdichtung 19 beim späteren Verschweißen der inneren und äußeren Metallhülsen 35, 40. Auf die als Preßstempel wirkende Keramikhülse 96 kann aber auch verzichtet werden, wobei dann die Preßkraft unmittelbar auf den oberen Statitring einwirkt.

Die beschriebene Dichtungsanordnung 89 hat außerdem den Vorteil, daß beim Einschmelzen oder Verpressen der Glasdichtung 50 eine Wärmeentkopplung in Richtung des sensitiven Teils des Sensorelements 12 erfolgt und zusätzlich eine gleichmäßige Druckverteilung entsteht. Dadurch wird das Sensorelement 12 im Bereich der Glasdichtung 50 nicht über die Maßen belastet.

Das Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind beliebige Kombinationen von Pulverpackungen und Pulverdichtungen mit einer oder mit mehreren Glasdichtungen möglich.

Claims (14)

1. Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit in einem metallischen Gehäuses mit einem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil angeordneten Sensorelement und mit einer Sensorelementdichtung, die einen Referenzgasraum hermetisch von einem Meßgasraum trennt, wobei der Referenzgasraum im wesentlichen vom referenzgasraumseitigen Gehäuseteil umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des referenzgasraumseitigen Gehäuseteils (35) eine das Sensorelement (12) an einem Längsabschnitt umfassende Hülse (40) vorgesehen ist, die eine Aufnahme (41) für die Sensorelementdichtung (19) bildet.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (40) mit dem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil (35) gasdicht verbunden ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (10) ein Keramikformteil (20, 92) mit einer in den Referenzgasraum (53) weisenden Stirnfläche (23) angeordnet ist und daß die Aufnahme (41) die Stirnfläche (23) umfaßt, derart, daß die Stirnfläche (23) einen Boden für die Aufnahme (41) bildet.

4. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (10) ein Keramikformteil (20, 92) mit einer in den Referenzgasraum (53) weisenden Stirnfläche (23) angeordnet ist und daß die Aufnahme (41) topfförmig mit einem Boden (44) mit einer Aussparung (46) zur Durchführung des Sensorelements (12) ausgeführt ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelementdichtung (19) zumindest eine Glasdichtung (50) enthält.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Glasdichtung (50) mindestens ein thermisches Isolierteil (72, 94) vorgesehen ist, das meßgasraumseitig unterhalb der Glasdichtung (50) angeordnet ist.

7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Isolierteil (72) eine zusätzliche Pulverdichtung bildet.

8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasdichtung (50) zwischen mindestens zwei Pulverdichtungen (94, 95) angeordnet ist.

9. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß referenzgasraumseitig über der äußeren Pulverdichtung (95) ein keramisches Formteil (96) aufliegt.

10. Meßfühler nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverdichtung (72, 94, 95) als vergepreßter keramischer Ring eingesetzt und unter der Einwirkung einer Preßkraft zu Pulver umformierbar ist.

11. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnete daß in die Glasdichtung (50) ein keramisches Formteil (80) mit einer Durchführung (81) für das Sensorelement (12) eingeschmolzen ist.

12. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (12) im Gehäuse 10 mittels einer zusätzlichen Pulverpackung (90) fixiert ist.

13. Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpackung (90) zwischen einem ersten Keramikformteil (91) und einem zweiten Keramikformteil (92) im verpreßten Zustand angeordnet ist.

14. Meßfühler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpackung (90) aus einem vorgepreßten und vorgesinterten Steatitring herstellbar ist, derart, daß sich beim Verpressen der Steatitring zu Pulver umformiert.