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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen mit Kühlwasser gekühlten Sensor
umfassend einen Sensorkörper
mit einem Messmodul sowie ein Gehäuse, welches den Sensorkörper umgibt,
wobei das Gehäuse über eine Zuleitung
und eine Ableitung des Kühlwassers
verfügt
und wobei zwischen Sensorkörper
und Gehäuse ein
mit Öffnungen
von Zuleitung und Ableitung verbundener Hohlraum definiert ist,
in welchem das Kühlwasser
von der Zuleitung zur Ableitung zirkulieren kann.
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Stand der Technik
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Solche
Sensoren sind bekannt und werden, vorwiegend als Drucksensoren,
eingesetzt. Typische Einsatzgebiete sind Gasdrucksensoren, beispielsweise
in Turbinenanlagen oder in Abgasanlagen von Fahrzeugen. Im Bereich
des Abgaskrümmers
eines Verbrennungsmotorfahrzeuges können Temperaturen bis über 1000°C vorherrschen.
Die dort verwendeten Sensoren müssen
gekühlt
werden, um ihre Funktion zu gewährleisten.
Untersuchungen haben ergeben, dass etwa je die Hälfte der Wärme über Stirnseite und das Gewinde
des Sensors aufgenommen wird. Andere Anwendungen sind Einsätze in gekühlten Komponenten
wie in Zylinderköpfen.
Bei diesen Anwendungen ist die Stirnseite des Sensors den Verbrennungsgasen
von über
1600°C ausgesetzt, das
Gewinde aber nur den gekühlten
Zylinderköpfen von
etwa 150–200°C. Solche
Sensoren sollen demnach vornehmlich an der Stirn gekühlt werden.
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Diese
Erfindung betrifft insbesondere Sensoren der Grössen M14 und kleiner. Lösungen für grössere Sensoren
sind viel einfach zu erreichen, weil die engen Platzverhältnisse
dann nicht relevant sind.
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Von
der Firma Kistler Instrumente AG sind eingangs erwähnte Sensoren
bekannt, beispielsweise die Typen 6061, 6041, 7061. Bei Sensortypen nach
dem Stand der Technik ist das Sensormodul im Bereich des Hohlraums
rotationssymmetrisch ausgestaltet. Im Bereich der Zuleitung und
Ableitung des Kühlwassers
ist die Querschnittsfläche
des Hohlraums vergrössert.
Dadurch kann das Kühlwasser ohne
zu grosser Drosselwirkung ein- resp. ausströmen. Da die Innenkontur des
Gehäuses,
ausser in den Bereichen von Zu- und Abfluss, ebenfalls rotationssymmetrisch
ausgestaltet ist, ist der Sensorkörper zum Gehäuse, abgesehen
von den Bereichen von Zu- und Abfluss, gleichmässig beabstandet.
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Das
Kühlwasser
strömt
demnach innerhalb des dünn
ausgestalteten Hohlraums vom Zufluss zum Abfluss. Im Bereich der
Membrane ist der Hohlraum allerdings gleichmässig dick ausgestaltet. Dies führt einerseits
zu einer besseren Kühlung
im Frontbereich des Sensors, andererseits aber zu einer verminderten
Kühlung
im Seitenbereich des Sensors, weil dort der hohe Strömungswiderstand,
bedingt durch die dünne
Spaltbreite, wenig Zirkulation zulässt. In dieser Drosselstelle
erwärmt
sich das das Kühlwasser
teilweise so stark, dass zum Sieden gebracht wird. Die dadurch entstandenen
Luftblasen können
schliesslich die Zirkulation weiter behindern, was zur Überhitzung
des Sensors führen
kann.
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In
einer weiteren bekannten Anordnung ist die Spaltbreite sehr viel
dicker ausgestaltet. Mittig zwischen Zu- und Abfluss verhindert
allerdings eine Drosselstelle den freien Durchfluss. Nachteilig
an dieser Anordnung ist, dass durch starke Verwirblungen die Drosselung
oft stärker
ist als erwünscht
und dass durch die lokalen Wirbel keine gleichmässige Kühlung zustande kommt. Zudem
ist die Herstellung eines solchen Sensorgehäuses sehr aufwändig.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen Sensor oben beschriebener
Art anzugeben, bei dem die Herstellung einfach ist und bei dem die
Zirkulation definiert und einstellbar ist und eine gleichmässige Kühlung des
Sensors im gesamten definierten Bereich des Hohlraums gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass ein rotationssymmetrischer Sensorkörper verwendet wird und dass
die Innenkontur des Gehäuses
zum Hohlraum hin oval ausgestaltet ist mit einem langen und einem
kurzen Durchmesser, wobei die Öffnungen
von Zuleitung und Ableitung gegenüber voneinander im Bereich
des langen Durchmessers angeordnet sind.
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Weitere
erfindungsgemässe
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch
die erfindungsgemässe
Ausgestaltung der Innenkontur des Gehäuses zum Hohlraum hin entstehen
entlang des kurzen Durchmessers zwei Drosselstellen, die einen Stau
verursachen. Dieser Stau gewährleistet,
dass sich die Strömung gleichmässig entlang
des gesamten Bereichs der Drosselstellen verteilt, wodurch eine
Verwirbelung verhindert wird. Durch eine einstellbare Drosselung lässt sich
auch vorbestimmen, wie viel Kühlwasser durch
die Drosselstellen fliesst, um das Sensormodul im Bereich des Gewindes
zu kühlen,
und wie viel in einen erweiteten Hohlraum bei der Stirnseite des Sensors
fliesst, um eben diese Stirn zu kühlen. Mit dieser erfindungsgemässen Kühlwasserführung ist die
Kühlung
im gesamten Hohlraum um das Sensormodul gemäss den Anforderungen verteilt.
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Da
die Öffnungen
von Zuleitung und Ableitung im Bereich des langen Durchmessers angeordnet
sind, ist der erforderliche grössere
Raum gegeben, der eine Drosselwirkung von Zu- und Abstrom verhindert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
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1a ein
Längsschnitt
eines gekühlten Sensors
im Bereich von Zu- und Ableitung nach dem Stand der Technik und
in der erfindungsgemässen Ausführung;
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1b ein
Querschnitt der 1a;
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1c ein
Längsschnitt
des Sensors nach 1a, um 90° gedreht;
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1d ein
Querschnitt der 1c;
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2 ein
Querschnitt eines weiteren gekühlten
Sensors im Bereich von Zu- und
Ableitung nach dem Stand der Technik;
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3 ein
Querschnitt eines erfindungsgemässen
gekühlten
Sensors im Bereich von Zu- und Ableitung;
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1a zeigt
einen Längsschnitt
eines gekühlten
Sensors 1 im Bereich von Zuleitung 4 und Ableitung 5. 1b zeigt
den Querschnitt dieses Sensors 1 nach dem Stand der Technik. 1c zeigt denselben
Längsschnitt
wie 1a, wobei der Sensor 1 90° um seine
Längsachsee
gedreht ausgerichtet ist. 1d stellt
die entsprechende Ausrichtung des Querschnitts dar zur Verdeutlichung.
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Der
Sensor 1 umfasst im wesentlichen ein Gehäuse 3,
welches einen Sensorkörper 2 umschliesst.
Zwischen Gehäuse 3 und
Sensorkörper 2 ist
ein Hohlraum 7 vorgesehen, in dem Kühlflüssigkeit, welche von der Zuleitung 4 her
kommt, zur Ableitung 5 zirkulieren kann.
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Wie
in 1b ersichtlich ist das Gehäuse 3 im Bereich von
Zu- und Ableitung 4, 5 mit Bohrungen versehen,
wodurch der Hohlraum 7 vergrössert wird. Ausströmende Flüssigkeit
von der Zuleitung 4 wird dadurch nicht gedrosselt und kann
sich im lang ausgestalteten Bereich der Bohrung verteilen, bevor
sie in den beiden verengten Gebieten um den Sensorkörper 2,
in den Drosselgebieten 14, zur Ableitung 5 strömt. Es hat
sich allerdings gezeigt, dass durch das hier gleichmässig ausgestaltete
Drosselgebiet 14, das sich um den grössten Teil des Sensorkörpers 2 herum
erstreckt, die Strömung
in der Regel sehr beschwerlich von der Zuleitung 4 zur
Ableitung 5 fliesst und sich dadurch sehr stark erwärmt. Dies
ist vor allem darum problematisch, weil der Hohlraum 7 eine Erweiterung 12 im
stirnseitigen, vorderen Bereich 11 des Sensors 1 umfasst.
In dieser Erweiterung 12 kann die Flüssigkeit ohne grössere Behinderung
zirkulieren. Daher nimmt ein entsprechend kleiner Teil der Kühlflüssigkeit
den beschwerlichen Weg über
sie Drosselstellen 14 des Hohlraums 7, was zu
einer verminderten Kühlung
dort führt.
Zusätzlich
erhitzt sich die Flüssigkeit
dort derart, dass sich Gase bilden. Diese stören einerseits die Messung,
andererseits können
die durch die Gase gebildeten Blasen den Durchfluss verhindern.
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2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung nach dem Stand der Technik im Querschnitt.
Diese Ausgestaltung würde
sich in den hier dargestellten Längsschnitten
der 1a und 1c nicht
unterscheiden. Sie unterscheidet sich im Bereich der Drosselstellen 14 von
der ersten Ausführung.
Die Drosselstellen 14 befinden sich nur in einem kleinen Bereich
des ansonsten viel breiter ausgestalteten Hohlraums 7.
Dies führt
zu Wirbelbildungen und somit zu Störungen der Strömung, welche
Druckgefälle verursachen
und den Wasserkreislauf stören.
Zudem ist diese Ausführung
mit hohen Produktionskosten verbunden.
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3 zeigt
eine erfindungsgemässe
Ausgestaltung eines Kühlwasser
gekühlten
Sensors 1 im Querschnitt. Auch diese Ausgestaltung unterscheidet sich
in den hier dargestellten Längsschnitten
der 1a und 1c nicht.
Daher werden diese Figuren auch hier zur Hilfe genommen. Als Kühlwasser
ist hier jede Art von Kühlflüssigkeit
gemeint. Insbesondere kann der Sensor ein Drucksensor, vorzugsweise
ein Gasdrucksensor sein, wobei diese Erfindung auch für Beschleunigungs-
und Kraftsensoren geeignet ist. Piezoelektrische und piezoresistive
Sensoren sind geeignet, wie auch optische und pyroelektrische Sensoren.
Beispielsweise eignen sich piezoresistive Drucksensoren für Messungen
von heissen Gasen für
Auslass, Brennraum-, Brennkammer- und Turbinendrücke. Da diese Sensoren in der
Regel nicht 200°C
aushalten, ist oft eine Kühlung
erforderlich. Ein weiteres Beispiel ist ein piezoelektrischer Drucksensor
für Verbrennungsdruckmessungen.
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Der
erfindungsgemässe
Sensor 1 umfasst einen Sensorkörper 2, der rotationssymmetrisch
ausgestaltet ist. Dieser Sensorkörper 2 umfasst
wiederum ein Messmodul, das hier nicht genauer dargestellt ist.
Zudem umfasst der Sensor 1 ein Gehäuse 3, welches den
Sensorkörper 2 umgibt.
Das Gehäuse 3 verfügt über eine
Zuleitung 4 und eine Ableitung 5 des Kühlwassers.
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Zwischen
Sensorkörper 2 und
Gehäuse 3 ist ein
mit Öffnungen 6 von
Zuleitung 4 und Ableitung 5 verbundener Hohlraum 7 definiert,
in welchem das Kühlwasser
von der Zuleitung 4 zur Ableitung 5 zirkulieren
kann. Der Hohlraum 7 ist zwischen Innenkontur 8 des
Gehäuses 3 und
Aussenkontur 16 des Sensormoduls 2 definiert.
Erfindungsgemäss
ist, im Querschnitt betrachtet, die Innenkontur 8 des Gehäuses 3 zum
Hohlraum 7 hin oval ausgestaltet mit einem langen Durchmesser 9 und
einem kurzen Durchmesser 10, wobei die Öffnungen 6 von Zuleitung 4 und
Ableitung 5 gegenüber
voneinander im Bereich des langen Durchmessers 9 angeordnet
sind.
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Durch
die ovale Ausgestaltung der Innenkontur 8 des Gehäuses 3 entstehen
zwei Drosselstellen 14, die sich über einen langen Bereich entlang dem
kurzen Durchmesser 10 erstrecken. Diese Drosselstellen 14 verursachen
eine Verteilung der Strömung
auf ihren gesamten Bereich.
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Ein
besonderer Vorteil dieser erfindungsgemässen Ausgestaltung liegt darin,
dass die Kühlung durch
das oval gestaltete Gehäuse über einen
grossen Wassermantel verfügt,
dass also viel Wasser Wärmeenergie
aufnehmen kann, wobei aber dennoch Drosselstellen vorhanden sind.
Dadurch erwärmt
sich das Wasser nicht zu sehr auf. Die Gefahr, dass das Kühlwasser
den Siedepunkt erreicht, ist viel geringer.
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1a zeigt
den Zufluss 4 und den Abfluss 5 mit den beiden Öffnungen 6 zum
Hohlraum 7, der an dieser Stelle weit ausgestaltet ist.
Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung
der Kühlflüssigkeit.
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1c zeigt
die Drosselstellen 14 des Hohlraums, die eine Verteilung
der Strömung
verursachen.
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In
beiden 1a und 1c ist
stirnseitig, im einem vorderen Bereich des Sensors 11 eine
Erweiterung 12 des Hohlraums dargestellt, in der die Kühlflüssigkeit
zirkulieren kann. Erfindungsgemäss sind
dort sowohl die Innenkontur 13 des Gehäuses zum erweiteten Hohlraum
hin sowie die Aussenkontur des Sensormoduls 16 rotationssymmetrisch
ausgestaltet. In diesem vorderen Hohlraum 12 befinden sich
keine Drosselstellen. Die Kühlflüssigkeit
wird daher bevorzugt in diesem Bereich zirkulieren, da sie in den
Kanälen
im Bereich der grossen Durchmesser ungehindert zu diesem Bereich
zu- und abfliessen kann, wie in 3a ersichtlich.
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Die
Stärke
der Drosselung ist gegeben durch den Abstand 15 zwischen
Gehäuse 3 und
Sensormodul 2 im Bereich des kleinen Durchmessers 10.
Dieser Abstand 15 bestimmt die Verteilung der Kühlung. Soll,
im Falle eines Sensors für
einen Verbrennungsmotor, vorwiegend der vordere Bereich 11 des
Sensors 1 gekühlt
werden, so muss der Abstand 15 sehr klein sein und sich
im Extremfall nur auf das notwendige Spiel beschränken. Der
Abstand 15 kann durch eine zentrale Bohrung einfach auf
das gewünschte Mass
vergrössert
werden, wodurch sich die Drosselwirkung verringert. So kann der
Abstand beispielsweise 0.1–0.3
mm betragen, um eine Zirkulation im hinteren Bereich des Sensors 1 zu
ermöglichen.
Im Bereich des grossen Durchmessers 9 ist der Abstand 15 beispielsweise
etwa 1 mm. Eine Vergrösserung des
Abstandes 15 an den Drosselstellen 14 verschiebt
die Strömung
und somit die Kühlung
vom vorderen Bereich in den hinteren Bereich. Somit lässt sich
die Verteilung der Kühlung
mittels zentraler Bohrung genau einstellen.
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Wichtig
ist, dass der den Hohlraum 7 definierenden Abstand 15 zwischen
Sensorkörper 2 und Gehäuse 3 im
Bereich zwischen der Zuleitung 4 und der Ableitung 5 graduell
abnimmt bis zu den engsten Stellen, den Drosselstellen 14,
und anschliessend wieder graduell zunimmt. Dadurch wird eine Wirbelbildung
verhindert. Ein Wirbel würde
eine weitere, unkontrollierbare Drosselung bedeuten die verhindert, dass
sich mittels Änderung
des kleinsten Durchmessers 10 die Verteilung der Strömung auf
den gedrosselten Bereich 14 und den vorderen erweiterten
Hohlraum 12 im Sensor 1 einstellen lässt.
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- 1
- Sensor
- 2
- Sensorkörper
- 3
- Gehäuse
- 4
- Zuleitung
- 5
- Ableitung
- 6
- Öffnung von
Zuleitung oder Ableitung
- 7
- Hohlraum
- 8
- Innenkontur
des Gehäuses
- 9
- Langer
Durchmesser
- 10
- Kurzer
Durchmesser
- 11
- Vorderer
Bereich des Sensors (stirnseitig)
- 12
- Erweiteter
Hohlraum (stirnseitig)
- 13
- Innenkontur
des Gehäuses
im vorderen Hohlraum
- 14
- Drosselstellen
des Hohlraums
- 15
- Abstand
- 16
- Aussenkontur
des Sensormoduls