DE3417170C2

DE3417170C2 - Sauerstoffühler

Info

Publication number: DE3417170C2
Application number: DE3417170A
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Aich Kato; Takao Konan Aichi Murase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1983-05-09
Filing date: 1984-05-09
Publication date: 1986-01-09
Also published as: DE3417170A1; US4528086A; JPH0245807Y2; JPS59175168U

Abstract

Ein Sauerstoffühler enthält eine stabförmige Heizeinrichtung, die in eine längliche Höhlung eingesetzt ist, wobei die längliche Höhlung in einem Hohlkörper aus Festelektrolyt, der an seiner Innenfläche und an seiner Außenfläche poröse Platinelektroden aufweist und von einem Gehäuse derart getragen wird, daß der geschlossene Endteil des Hohlkörpers einem Abgas ausgesetzt ist und daß die längliche Höhlung bezüglich des Abgases gasdicht ist, gebildet ist. Die stabförmige Heizeinrichtung enthält einen Heizwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, einen Keramikkörper, der den Heizwiderstand in der Weise trägt, daß er den Heizwiderstand einbettet, und ein Paar Anschlußleitungen. Der Keramikkörper weist an seinem Umfang ein Paar Anschlußflächen auf, die mit dem Heizwiderstand verbunden sind. Die Enden der Anschlußleitungen sind durch ein Silber enthaltendes Hartlotmaterial mit den Anschlußflächen hartverlötet. Der Keramikkörper weist ferner ein Paar Äquipotentialglieder auf, die außerhalb des Paares von Anschlußflächen angeordnet sind und mindestens einander gegenüberliegende Teile des Umfangs der Anschlußflächen umschließen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffühler gemäß Oberbegriff von Patentanspruch I.

Ein solcher Sauerstoffühler ist aus der DE-OS Ein einseitig geschlossener Hohlkörper 1 mit einer zylindrischen Höhlung la in Längsrichtung aus Festelektrolyt wie z. B. Zirkoniumdioxid wird von einem Ge- häuse 2 so getragen, daß sein geschlossenes Ende über dieses in eine Abgasumgebung, beispielsweise eine Auspuffleitung einer Brennkraftmaschine, vorsteht. Die längliche Höhlung la steht am gegenüberliegenden F.nde in die Atmosphäre, die als Bezugsgas verwendet wird, offen. Durch die Abdichtung des Hohlkörpers 1 zum Gehäuse 2 über Talk 3, eine Unterlegscheibe 4 aus Metall und einen Metallring 5 ist der dem Abgas ausgesetzte Bereich des Hohlkörpers von seinem offenen En-

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de gasdicht getrennt gehalten. Der Festelektrolyt hat an seiner Innen- bzw. an seiner Außenfläche eine Bezugselektrode \b (Anode) bzw. eine Meßelektrode lc (Kathode) je aus porösem Platin. In die längliche Höhlung la ist eine stabförmige Heizeinrichtung 6 eingesetzt, die zur Erhitzung des Festelektrolyten dient Der vorstehende, geschlossene Abschnitt des Hohlkörpers 1 ist von einem Schutzrohr 7 aus Metall umgeben, das ein unmittelbares Auftreffen des Abgasstroms auf den Festelektrolyten verhindert Das Schutzrohr ist am unteren Ende des Gehäuses 2 befestigt und weist in seiner Umfangswand Riffelöffnungen 12 auf, die den Eintritt von Abgar zulassen, so daß um den geschlossenen Bereich des Festelektrolyten eine Abgasumgebung gebildet wird. Die Riffelöffnungen werden durch eingeschnittene und dann radial nach innen umgebogene Abschnitte 11 erzeugt

Die in die längliche Höhlung la eingesetzte stabförmige Heizeinrichtung 6 umfaßt einen Keramikkörper 8 aus beispielsweise Aluminiumoxid, der einen aufgedruckten und in sich eingebetteten Heizwiderstand 13 trägt Der Heizwiderstand geht über in ein Paar aufgedruckte Leitungsteile 14, die mit einem entsprechenden Paar Anschlußflächen 9 elektrisch verbunden sind. Der Heizwiderstand 13 und die Leitungsteile 14 sind Aufdrucke aus elektrisch leitenden Materialien mit Widerstand, die in einem pastenartigen Zustand in Form des durch die gestrichelten Linien dargestellten Musters auf die Oberfläche eines Keramikstabs aufgebracht werden. Der so bedruckte Keramikstab wird zur Bildung des Keramikkörpers 8 mit einer Keramikschicht bedeckt die auf ihrer Oberseite die Anschlußflächen 9 trägt und von den Endbereichen der Leitungsteile 14 durchdrungen wird. Die Anschlußflächen 9 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Keramikkörpers 8 angeordnet und dienen als Lötstellen für Anschlußdrähte 15 zur Spannungsversorgung, die mit den Anschlußflächen hartverlötet sind. Als Lot wird hierbei ein Material verwandt das Silber enthält Um jede Anschlußfläche 9 ist ein Äquipotentialglied 10 in Form einer Bandstruktur angeordnet, Jas den gesamten Umfang der Anschlußfläche umgibt Diese Bandstruktur mit an allen Stellen gleichen Potentials ist aus einem hitzebeständigen Metall wie z. B. Nickel oder Wolfram hergestellt.

Der Heizwiderstand 13 hat einen positiven Widerstand/Temperaturkoeffizienten von 0,5%/°C. Hierdurch wird der elektrische Widerstand mit zunehmender Temperatur des Heizwiderstands selbst aufgrund einer steigenden Abgastemperatur erhöht, so d?ß die Wärmeleistung verringert und eine thermische Obeflastung des Festtlektrolyisn und der Heizeinrichtung selbst verhindert wird. Andererseits ist bei niedrigen Abgastemperaturen und somit niedrigeren Temperaturen der Heizeinrichtung selbst der Widerstandswert des Heizwiderstandes gering, so daß seine erhöhte Wärmeleistung eine zuverlässige Funktion des Sauerstoffühlers auch kurz nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine und im Leerlauf gewährleistet. Fig.4 zeigt ein Diagramm für die Temperatur Ts des Festelektrolyten über der Temperatur Tc des Abgases, wobei die Kurve a die Kennlinie für die Heizeinrichtung des erfindungsgemäßen Sauerstoffühlers und die Kurve b diejenige einer bekannten Heizeinrichtung mit einem Nichrom-Draht wiedergibt Beide Heizeinrichtungen erzeugen nach dem Anlassen einer kalten Brennkraftmaschine nach der gleichen Zeit dis für eine stabilisierte elektromotorische Kraft erforderliche Wärme. Wie das Diagramm zeigt, wird bei gleichen Xbgastemperaturen der Festelektrolyt mit der erfindungsgemäßen Heiseinrichtung auf niedrigeren Temperaturen gehalten, so daß eine thermische Überlastung sicher verhindert ist Die Festelektrolyttemperaturen gemäß Kurve b hingegen führen bereits zu Beschädigungen des Festelektrolyten sowie des Heizwiderstands der Heizeinrichtung.

Wird der Sauerstoffühler bei einem Verbrennungsmotor verwendet liegt der Temperaturkoeffizient seines Heizwiderstandes für den Erhalt eines günstigen Temperaturverlaufs gemäß Kurve a in F i g. 4 nicht unter 03%/°C Der Wert des Koeffizienten wird hierbei durch die Art des für den Heizwiderstand 13 gewählten Metallpulvers und die Menge der Glasfritte, die in der aus solchen Metallpulvern gebildeten Paste enthalten ist festgelegt

Wie Fig.2 zeigt sind die Anschlußdrähte 15 zur Energieversorgung an die Anschlußflächen 9 des Keramikkörpers 8 angelötet. Als Lot wird hierbei ein Material verwendet das Silber enthält, wie beispielsweise ein eutektisches Ag-Co-Zn-Hartlot. Unter dem Einfluß eines angelegten elektrischen Feldes binnen nun Silberionen die durch !οπΪ5!€Γυπ^σ von A¹OH oder Α^σ·*Ο erzeugt werden, von dem einen elektrischen Anschluß in Richtung des anderen zu wandern. Diese Ionenwanderung wird am inneren Rand der die Anschlußflächen 9 umgebenden Äquipotentialglieder 10 gestoppt da innerhalb den Äquipotentialgliedern kein elektrisches Feld vorhanden ist das die für diese Bewegung erforderliche Kraft liefern würde. Eine Überquerung der Äquipotentialglieder kann somit nicht erfolgen, wodurch diese eine Art Sperre für die Silberionen bilden. Da die Sperrwirkung von der Breite der Bandstruktur der Äquipotentialglieder abhängt sollte die Abmessung der Äquipotentialglieder in Wanderrichtung der Ionen nicht geringer als 0,5 mm sein. Jedoch lassen sich auch mit Breiten von 0,1 mm noch zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Wie F i g. 2 zeigt, sind die Äquipotentialglieder 10 mit Abstand um die Anschlußflächen 9 herum angeordnet. Da die Wanderung der Ionen und somit die Masseverteilung der Lötstelle erst am inneren Rand der Äquipotentialglieder endet, ist der Zwischenraum zur Ve> meidung von Rissen in der Lötstelle möglichst klein zu halten. Sein Flächenmaß ist vorzugsweise nicht größer als die Hälfte des Betrags der Anschlußfläche 9.

Obwohl vorzugsweise die Äquipotentialgiieder die Anschlußflächen vollständig umgeben sollten, ist es möglich, Bandstrukturen gemäß den Fig.5 und 6 zu gestalten. In F i g. 5 sind Anschlußflächen 9a im Gegensatz zu den Anschlußflächen 9 nicht genau gegenüberliegend auf dem Keramikkörper 8, sondern auf dessen einer Umfangshälfte näher beieinander liegend angeordnet. Die Bandstrukturen von Äquipotentialgliedern 10a haben hierbei die Form eines Rechtecks, dessen eine Seite unterbrochen ist. Die Äquipotentialglieder umschließen die Anschlußflächen hierbei derart, daß die unterbrochenen Seifen an den Bereichen zu liegen kommen, die fm weitesten voneinander entfernt sind. Eine Ionenwanderung von der einen Anschlußfläche zur anderen auf dem kürzesten Weg, wie sie bevorzugt durch das anliegende elektrische Feld ausgelöst wird, ist somit sicher verhindert Fig.6 zeigt eine Ausführungsform, bei der Äquipotentialglieder iÖb in der Form von rechteckigen Klammern eine Anschlußfläche 9t> so umgeben, daß diese an ihrer oberen und unteren Seite (in Axialrichtung des Keramikkörpers 8 gesehen) nicht umschlossen ist Da das elektrische Feld zwischen den benachbarten, auf kürzestem Wege miteinander verbindbaren Seiten der Anschlußflächen beträchtlich größer

als zwischen entfernteren Seiten ist, kann eine zufriedenstellende Wirkung erreicht werden, sofern die Anschlußflächen nur an diesen kritischen Bereichen von
Äquipotentialgliedern umgeben sind. Diese können bei
Erfüllung dieser Forderung beliebig gestaltet werden. 5

Es ist ferner möglich, die Äquipotentialgiieder ohne
Zwischenraum zu den Anschlußflächen, d. h. direkt neben diesen anzuordnen. Hierbei muß jedoch darauf geachtet werden, daß beim Hartlöten das Lot nicht über
das Äquipotentialglied hinweg zu dessen äußerem Rand io gelangt. Um eine Oxidation oder Sulfidbildung des in
dem Hartlot enthaltenen Silbers zu verhindern, wird
vorzugsweise die frei liegende Lötstellcnfläche mit einer Metallschicht, beispielsweise einer Metall-Platierschichi bedeckt. 15

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patenianspruche:

1. Sauerstofföhler mit einem Hohlkörper (1) aus Festelektrolyt mit einer länglichen Höhlung (ia), die an einem Ende des Hohlkörpers geschlossen und an dem anderen Ende offen ist. wobei der Hohlkörper ferner an seiner Innenfläche und an seiner Außenfläche eine Bezugselektrode (16/ bzw. eine Meßelektrode (Ic-J aufweist, einem Gehäuse (2), das den Hohlkörper derart trägt, daß dessen Außenfläche an dem erwähnten einen Ende einem Abgas ausgesetzt ist. wobei das Gehäuse die längliche Höhlung in gasdichtem Zustand bezüglich des Abgases hält, und einer stabförmigen Heizeinrichtung (6; 6a: 66Jl die in die längliche Höhlung des Hohlkörpers eingesetzt ist und der elektrische Strom durch ein Paar Anschlußleitungen (15; 15a; 156^ zugeführt wird, wobei die stabförmige Heizeinrichtung einen Keramikkörper (8) und einen in diesen eingebetteten Heizwiderstand (13,14; »3a, 14a; 136, i4b) aufweist und wobei der Keramikkörper an seiner äußeren Umfangsfläche ein Paar mit dem Heizwiderstand verbundene Anschlußflächen (9; 9a; 9b) aufweist, an denen die Anschlußleitungen mittels eines Hartlots angelötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot Silber enthält und daß der Keramikkörper (8) auf seiner äußeren Umfangsfläche ein Paar Äquipotentialglieder (10; 10a; iOb) aufweist, die jeweils auf der Umfangsfläche neben den Anschlußflächen (9; 9a; 9b)angeordnet sind, wobei die Äquipotentialglieder mindes:_-ns die einander zugewandten Teile der Ränder der entsprechende- Anschlußflächen umschließen.

2. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Äquipotentialglieder (10; 10s; iOb) die Form eines Bandes hat, das die erwähnten Teile der Ränder der Anschlußflächen (9; 9a; 9b) umschließt.

3. Sauerstoffühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band eine Breite von nicht weniger als 0,1 mm hat.

4. Sauerstoffühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Äquipotentialglied (10; 10a; lOtymit Zwischenraum zum Rand der entsprechenden Anschlußfläche (9; 9a; 9b) angeordnet ist.

5. Sauerstoffühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des Zwischenraumes zwischen dem Äquipotentialglied (10; 10a; iOb) und der entsprechenden Anschlußfläche (9; 9a; 9b) nicht mehr als die Hälfte der Oberfläche dieser Anschlußfläche beträgt.

6. Sauerstoffühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das den Heizwiderstand (13, 14; 13a, 14a; 136, 14b) bildende leitfähige Material einen positiven Temperaturkoeffizienten hai.

7. Sauerstoffühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient nicht weniger als 0,3⁰Zo/"C beträgt.

32 37 628 bekannt. Seine Heizeinrichtung umfaßt an der Außenseite ihres Keramikkörpers, in den der Heiywiderstand eingebettet ist, Umfangsflächen, die mit dem Heizwiderstand elektrisch verbunden sind und an die zur Spannungsversorgung Anschlußleitungen mittels eines Hartlots angelötet sind. Derartige Hartlote weisen in der Regel Silberbestandteile auf. wobei bei langzeitiger Stromzuführung die Erscheinung auftritt daß die Silberionen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes von dem einen Anschluß zu dem anderen zu wandern beginnen. Dies führt einerseits zu einem Kurzschluß zwischen den elektrischen Anschlüssen und andererseits zu einem mechanischen Bruch der Lötstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffühler zu schaffen, dessen Heizeinrichtung durch angelötete Anschlußleitungen mit Energie versorgt wird, wobei selbst bei langzeitiger Energiezufuhr ein Kurzschluß zwischen den Lötstellen und/oder ein Bruch dieser Lötstellen vermieden ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst

Durch die Anordnung der Äquipotentialglieder um die Anschlußflächen als Lötbereiche herum wird eine Art Sperre aufgebaut, die eine Wanderung der Silberionen von einem Anschluß zum Anderen verhindert Innerhalb dieser Äquipotentiaiglieder ist die Kraftwirkung des anliegenden elektrischen Feldes aufgehoben, so daß es den Ionen unmöglich wird, die Äquipotentialglieder zu überqueren.

Weiterbildungen dzr Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Begrenzung der Zwischenraumfläche auf die Hälfte der Anschlußfläche gemäß Anspruch 5 wird eine übermäßige Wanderung der Silberionen, die bereits vor Bildung eines Kurzschlusses zum mechanischen Bruch der Lötsteiie führen kann, eingeschränkt.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachsteend anhand schematischer Figuren erläutert. Es zeigt
F i g. 1 (a) einen Axialschnitt durch den Sauerstoffühler,

Fig. 1 (b) eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts A in Fig. 1 (a),

F i g. 2 eine Ausführungsform einer stabförmigen Heizeinrichtung für den Sauerstoffühler,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Metall-Schutzrohres beim Sauerstoffühler gemäß F i g. 1 (a),

F i g. 4 Kennlinien für die Temperatur eines Festelektrolyten über einer Abgastemperatur für den erfindungsgemäßen Sauerstoffühler und für einen bekannten Sauerstoffühler, und

Fig.5 und 6 weitere Ausführungsformen der Heizeinrichtung.

Anhand der Fig. 1 bis 4 wird nachstehend der Aufbau und die Charakteristik des Sauerstoffühlers kurz erläu-

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