DE19931089C1

DE19931089C1 - Dichtungselement, insbesondere für Gassensoren

Info

Publication number: DE19931089C1
Application number: DE1999131089
Authority: DE
Inventors: Matthias Stolmar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2019-07-07

Abstract

Es wird eine Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors vorgeschlagen. Die Dichtung umfaßt ein Material, ausgewählt aus der Gruppe der Fullerene und/oder deren Derivate M¶x¶C¶y¶, wobei M für ein Element der ersten oder zweiten Hauptgruppe steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung, insbesondere für ein Sen sorelement eines Gassensors nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

Von entscheidender Bedeutung für die Funktionstüchtigkeit eines Gassensors, der beispielsweise zur Bestimmung des Sauerstoffge haltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren dient, ist, daß der Luftraum im Gehäuse der Sonde gas- und feuchtigkeitsdicht gegen über der Meßgasatmosphäre abgeschlossen ist. Besondere Probleme bereitet dabei, daß das Sensorelement Kontakt mit beiden Gasräu men benötigt und somit eine Dichtmasse um das Sensorelement her um angebracht werden muß, die beide Gasräume zuverlässig vonein ander trennt. Die Auswahl des entsprechenden Dichtmaterials muß sehr sorgfältig erfolgen, da es extremen Temperaturschwankungen und der korrosiven Meßgasatmosphäre ausgesetzt ist.

Eine derartige Dichtung ist beispielsweise aus der Anmeldung DE 197 34 575 A1 bekannt, bei der das Sensorelement in einer Längs bohrung eines Gehäuses mittels eines verformbaren Dichtungsele ments fixiert ist, das zwischen zwei Keramikformteilen angeord net und verpresst ist. Das Dichtungselement besteht aus einer Mischung von fluoridhaltigen Komponenten mit Steatit und/oder einer hexagonalen Modifikation des Bornitrides.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Dichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß sie sowohl gasdicht als auch für Flüssigkeiten, insbesondere Kraftstoffe, undurchlässig ist und darüber hinaus eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Die Dichtwirkung wird erreicht, indem als Material für die Dichtung sogenannte Fullerene oder deren Derivate verwendet werden. Diese sind gekennzeichnet durch eine weitgehende chemi sche Reaktionsträgheit gegenüber den in Abgasen üblicherweise vorkommenden Substanzen, wie beispielsweise Stickoxiden.

Da bei der Herstellung eines Gassensors die Ausbildung des Dich tungselements über Verpressen erfolgt, stellt die hohe, dem Gra phit ähnliche Verformbarkeit des dem erfindungsgemäßen Dich tungselement zugrundeliegenden Materials einen weiteren Vorteil dar. Ferner ist zur Erzielung einer hinreichenden Dichtwirkung die Verwendung eines einschichtigen Dichtungselements möglich anstelle eines Dichtungsaufbaus, der aus mehreren Schichten von Dichtungselementen verschiedener chemischer Zusammensetzung be steht, wodurch die Handhabung und Montage vereinfacht wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dichtung mög lich.

So sind als Material der Dichtung auch Mischungen von Fullerenen mit Steatit denkbar. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Flexibilität und damit der Dichtheit der Dichtung. Auch der Einsatz von Mischungen der Fullerene mit Bornitrid ist möglich, was eine Steigerung der Temperaturbeständigkeit der Dichtung be wirkt.

Zeichnung

Das erfindungsgemäße Dichtungselement soll in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Gassen sors näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt einen Quer schnitt durch einen Gassensor mit einem erfindungsgemäßen Dich tungselement.

Ausführungsbeispiel

Die Figur zeigt einen Gassensor 10, beispielsweise einen elek trochemischen Sauerstoffsensor, der ein metallisches Gehäuse 12 besitzt, das ein Gewinde 13 als Befestigungsmittel für den Ein bau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse hat eine Längsbohrung 15 mit einer schulterförmigen Ringfläche 16. Ruf der schulterförmigen Ringfläche 16 befindet sich bei spielsweise ein metallischer Dichtring 18, auf dem ein meß gasseitiges Keramikformteil 21 aufliegt. Das meßgasförmige Kera mikformteil 21 weist einen in Richtung der Längsbohrung 15 ver laufenden, durchgehenden meßgasseitigen Durchbruch 22 auf. In Richtung der Anschlußseite befindet sich in der Längsbohrung 15 ein weiteres, anschlußseitiges Keramikformteil 23. Das anschluß seitige Keramikformteil 23 ist ebenfalls mit einem in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufenden zentral angeordneten und durch gehenden anschlußseitigen Durchbruch 24 versehen. In den Durch brüchen 22, 24 befindet sich ein plättchenförmiges Sensorelement 27 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 28 und einem anschluß seitigen Endabschnitt 29.

Der meßgasseitige Endabschnitt 28 des Sensorelements 27 ragt aus dem Gehäuse 12 heraus und ist von einem Schutzrohr 31 umgeben, das am Gehäuse 12 befestigt ist. Das Schutzrohr 31 weist Ein- und Austrittsöffnungen 32 für das zu messende Gas auf. Der an schlußseitige Endabschnitt 29 ragt ebenfalls aus dem Gehäuse 12 heraus und besitzt Anschlußkontakte 34. Die Anschlußkontakte 34 werden mit einem nicht dargestellten, mit Anschlußkabeln verse henen Kontaktstecker kontaktiert. Der anschlußseitige Endab schnitt 29 ist von einer nicht dargestellten Umkapselung umge ben, die den Endabschnitt 29 vor Umgebungseinflüssen schützt.

Zwischen dem meßgasseitigen Keramikformteil 21 und dem anschluß seitigen Keramikformteil 23 befindet sich ein Dichtungselement 37, das zumindest als Hauptbestandteil mindestens eine Verbin dung ausgewählt aus der Gruppe der sogenannten Fullerene ent hält. Auf dieses Dichtungselement 37 drückt das anschlußseitige Keramikformteil 23, dessen Anpreßkraft von einer Metallhülse 40 aufgebracht wird. Die Metallhülse 40 weist zu diesem Zweck meh rere, auf ihrer Oberfläche verteilte nach hinten weisende Kral len 41 auf, die in die am Gehäuse 12 angebrachten Einkerbungen 42 angreifen. Es ist aber auch denkbar, die Metallhülse 40 mit dem Gehäuse zu verschweißen.

Das Dichtungselement 37 wird erzeugt, indem das entsprechende Material beispielsweise in pulverförmiger Form in die das Senso relement 27 bereits enthaltende Längsbohrung 15 auf das meß gasseitige Keramikformteil 21 aufgebracht wird. Daraufhin wird über dem Dichtmaterial das anschlußseitige Keramikformteil 23 angeordnet und die Metallhülse 40 aufgesetzt. Anschließend wird mittels eines Stempels eine Kraft auf die Metallhülse 40 ausge übt, die über das anschlußseitige Keramikformteil 23 auf das Dichtungselement 37 einwirkt. Dabei wird das Material des Dich tungselements 37 derart verformt, daß sich das Material des Dichtungselements 37 an das Sensorelement 27 und das Gehäuse 12 anpreßt.

Wesentlich für die Erzielung einer Gas- und Kraftstoffdichtheit über einen weiten Temperaturbereich ist die Tatsache, daß auf das Dichtungselement 37 ständig eine von der Metallhülse (40) ausgehende Kraft einwirkt.

Die für das Dichtungselement 37 verwendeten Fullerene, die auch als Buckminsterfullerene bezeichnet werden, stellen kugelförmige Makromoleküle dar, die aus 32 bis 960 Kohlenstoffatomen beste hen. Besonders leicht zugänglich sind Fullerene mit 60 Kohlen stoffatomen C₆₀, deren Verwendung sich aus Kostengründen emp fiehlt. Die Eigenschaften der Fullerene sind vergleichbar denen des Graphits, was sich auch aus den strukturellen Gemeinsamkei ten beider Moleküle ergibt. Während der Graphit aus einer in der Fläche angeordneten Vielzahl von in Sechsecken gebundenen sp²- hybridisierten Kohlenstoffatomen besteht, sind diese im Fall der Fullerene in Sechs- und Fünfringen angeordnet und ergeben so die kugelförmige Gestalt (T. M. Gür, Adv. Mater. 1996, 8 (11), 883-894.

Fullerene zeichnen sich vor allem durch die in diesem Fall für den Einsatz als Dichtungselement benötigten Eigenschaften, wie Temperaturbeständigkeit, Oxidationsunempfindlichkeit und Ver formbarkeit aus. Diese hängen nicht von der Zahl der im Molekül gebundenen Kohlenstoffatome ab. Insofern spielt es für die Ver wendung als Dichtmaterial keine Rolle, ob als Material für das Dichtungselement speziell eine Sorte an Fullerenen herangezogen wird (beispielsweise C₆₀) oder eine Mischung verschiedener Ful lerene.

Eine andere Ausführungsform zur Ausbildung des Dichtungselements 37 besteht darin, anstatt oder zusätzlich zu den eigentlichen Fullerenen deren elektrisch isolierende Derivate, beispielsweise sogenannte Fulleride, zu verwenden. Dies führt dazu, daß über die oben genannten Eigenschaften hinaus zusätzlich das elek trisch isolierende Verhalten des Dichtungselements 37 verstärkt wird. Fulleride entstehen aus Fullerenen durch Reaktion bei spielsweise mit Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen und wirken je nach Zusammensetzung als elektrische Leiter, wie zum Beispiel M₃C₆₀, oder als Isolatoren, wie beispielsweise M₆C₆₀, wobei M hier für ein Alkalimetall steht.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, als Material für das Dichtungselement Mischungen von Fullerenen und/oder Fulleriden mit anderen Verbindungen, wie beispielsweise Steatit zu verwen den. Steatit ist eine Verbindung der ungefähren Zusammensetzung 3MgO . 4SiO₂ . H₂O, die sehr gut verformbar ist. Dies verbessert die Flexibilität und damit die Dichtheit des Dichtungselements 37 um ein weiteres.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird als keramische Komponente, die den Fullerenen und/oder Fulleriden zugesetzt wird, Bornitrid, bevorzugt in der hexagonalen Modifikation, ver wendet. Es zeichnet sich durch eine extreme Temperaturbeständig keit aus (Schmelzpunkt 3270°C) und erhöht so im Gemisch mit Ful lerenen und/oder Fulleriden die Temperaturstabilität des Dich tungselements 37.

Es ist aber auch denkbar, eine Mischung von Steatit, Bornitrid, Fullerenen und/oder Fulleriden als Material des Dichtungsele ments 37 zu verwenden.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Dichtungselements 37 ist nicht auf die Abdichtung planarer Sensorelemente in metallischen Gehäusen beschränkt. Es ist durchaus denkbar, ein derartiges Dichtungselement 37 auch zum Abdichten von sogenannten Finger sonden einzusetzen. Bei diesem Anwendungsfall muß dann lediglich die Ausführung eines vorgefertigten Ringes für das Dichtungsele ment 37 der Geometrie der Längsbohrung und der Auflagefläche zwischen Gehäuse und fingerförmigem Sensorelement angepaßt wer den. Es sind aber auch weitere, hier nicht näher beschriebene Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Dichtungselements denkbar.

Claims

1. Dichtung, insbesondere für ein Sensorelement eines Gassensors, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe der Fullerene und/oder deren Derivate M_xC_y und/oder Mischungen derselben mit anderen Verbindungen, wobei M für ein Element der ersten oder zweiten Hauptgruppe steht und x und y ganze Zahlen sind.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fullerene 32 bis 960 Kohlenstoffatome umfassen.

3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Steatit umfaßt.

4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die hexagonale Modifikation des Bornitrids umfaßt.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Steatit und die hexagonale Modifikation des Bornitrids umfaßt.

6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Dichtungselement (37) in eine Längsbohrung (15) eines metallischen Gehäuses (12) eines Gassensors eingesetzt ist und ein in der Längsbohrung (15) ange ordnetes Sensorelement (27) abdichtet.

7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (37) als verformbarer Körper einsetzbar und in die Längsbohrung (15) des Gehäuses (12) eingepresst ist, wobei sich beim Verpressen der Körper derart verformt, daß sich das Material als Pulver an das Sensorelement (27) und an das Gehäuse (12) anpresst.

8. Dichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (37) in der Längsbohrung (15) des Gehäuses (12) zwischen einem meßgasseitigen Keramikformteil (21) und ei nem anschlußseitigen Keramikformteil (23) angeordnet ist.

9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Gehäuse verbundenes Druckelement (40) vorgesehen ist, welches auf das anschlußseitige Keramikformteil (23) drückt, so daß das Dichtelement (37) verpresst zwischen Keramikformteilen (21, 23) gehalten wird.

10. Verwendung von Fullerenen und/oder deren Derivaten und/oder Mischungen derselben mit anderen Verbindungen als Dichtungsmaterialien für ein Dichtungselement zur Abdichtung eines Sensorelements in einem Gehäuse eines Gassensors.