DE4015486C2

DE4015486C2 - Wasserdichter Sauerstoffühler

Info

Publication number: DE4015486C2
Application number: DE4015486A
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Masanori Katsu
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-05-15
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: US5037526A; DE4015486A1; JPH02146364U

Description

Die Erfindung bezieht sich aufeinen Sauerstoffühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieser weist ein Fühlelement mit inneren sowie äußeren Elektroden an jeweils inneren und äußeren Flä chen von diesem, wobei die inneren sowie äußeren Elektroden mit Umgebungsluft bzw. in Abgasen in Berührung kommen sol len, eine das Fühlelement aufnehmende Metallhülle, ein innen seitig dieser Hülle angeordnetes gasdichtes Abdichtelement, das die Abgase von der Umgebungsluft trennt, und ein Über tragungselement mit wasserabstoßenden Eigenschaften auf, welches die Umgebungsluft mit der innerhalb des gasdichten Abdicht elements befindlichen Luft in Verbindung bringt.

Wasserdichte Sauerstoffühler sind als Sauerstoffkonzentra tionsfühler für die Abgase von Kraftfahrzeugen bekannt. Da diese Sauerstoffühler die Umgebungsluft als eine Bezug- Sauerstoffatmosphäre verwenden, sind sie so aufgebaut, daß sie die Luft als die Bezug-Sauerstoffatmosphäre von den zu messenden Gasen trennen oder diesen gegenüber isolieren. Um diese Trennung zwischen der Luft und den der Messung unter liegenden Gasen zu bewirken, wird im Fall des in Fig. 4 gezeig ten Sauerstoffühlers 10 ein gasdichtes Abdichtelement 4, z. B. Talkum, zwischen ein in einem Metallgehäuse 1 angeord netes ebenes, flaches Fühlelement 2 und eine Metallhülle 3 eingebracht.

Auf diese Weise wird eine innere Elektrode von den zu messen den Gasen getrennt und ein Lufteinführweg der -pfad gebildet, um die Umgebungsluft in oder an die Bezug-Sauerstoffelektro de zu bringen.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Lufteinführweg durch Übertragungsöffnungen 5, die in der Metall hülle 3 vorgesehen sind, sowie ein säulenförmiges Übertra gungselement 6, das innerhalb der Metallhülle 3 angeordnet ist sowie gasdurchlässige und wasserabstoßende Eigenschaf ten aufweist, gebildet, wobei die Metallhülle 3 von der Außen umfangsseite her so verstemmt ist, daß die Innenfläche der Metallhülle 3 an der Außenumfangsfläche des Übertragungsele ments 6 fest haftet. Durch diese Konstruktion kann Luft der Bezug-Sauerstoffelektrode zugeführt werden, während der was serdichte Aufbau aufrechterhalten wird.

Wenn der wasserdichte Sauerstoffühler dieser Konstruktion während einer Verwendung über einen langen Zeitraum wieder holt auf hohe Temperaturen erhitzt und abgekühlt wird, so wird jedoch ein Spalt zwischen der Metallhülle 3 und dem - gewöhnlich aus einem Kunstharzmaterial bestehenden - Übertragungselement 6 auf Grund eines Unterschiedes in der Wärmeausdehnung zwischen diesen Bauteilen gebildet.

Ein gattungsgemäßer wasserdichter Sauerstoffühler ist aus der DE 38 32 936 A1 bekannt.

Dieser bekannte wasserdichte Sauerstoffühler besitzt ein Fühlelement mit inneren und äußeren Elektroden, die jeweils mit Umgebungsluft bzw. Abgas in Berührung sind. Luftseitig ist ein wasserabweisendes Übertragungselement vorgesehen, das das Eindringen von Wasser in den Sauerstoffühler verhindern soll. Da der Sauerstoffühler im Betrieb thermischen Zyklen unterliegt, ist das Übertragungselement axial beweglich mittels eines Gummistopfens in einer Metallhülle eingeklemmt. Damit soll eine thermische Expansion des Übertragungselements hauptsächlich in axialer Richtung ermöglicht werden. Es handelt sich folglich um eine bei thermischer Einwirkung elastische Anordnung des Übertragungselements in der Metallhülle. Der Sauerstoffühler hat jedoch den Nachteil, daß sich aufgrund wiederholtem Ausdehnen und Zusammenziehen ein nicht gewünschter Spalt zwischen dem Übertragungselement und der Metallhülle bilden kann. Damit ist das Eindringen von Wasser ermöglicht und eine ordnungsgemäße Funktion des Sauerstoffühlers nicht mehr gewährleistet.

Aus der US 47 86 397 ist ein wasserdichter Sauerstoffühler bekannt, bei dem sich ähnlich wie beim Gegenstand der DE 38 32 936 A1 das Übertragungselement gegenüber den angrenzenden Bauteilen ausdehnen kann. Dazu ist ein Federelement vorgesehen, das das Übertragungselement über ein Isolationselement federnd stützt.

Ferner soll auf die DE 35 09 195 C2 verwiesen werden, bei der zur Verhinderung der Spaltbildung zwischen dem vorderen und hinteren Raum des Sauerstoffühlers alle angrenzenden Bauteile aus Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind.

Aus der DE 35 44 161 A1 ist eine Sonde mit auswechselbarem Meßeinsatz bekannt, bei der die Summe der Einzelausdehnungen der in dem Meßkörper liegenden Bauteile gleich der Ausdehnung des Meßkörpers selbst ist, so daß sich bei thermischer Einwirkung keine Größenunterschiede ergeben. Gemäß der DE 35 44 161 A1 wird eine ganz gezielte Auswahl von Werkstoff und Werkstoffabmessungen gewählt, wobei über die Kombination dieser Größen die dauerhaften Dichteigenschaften gewährleistet sein sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wasserdichten Sauerstoffühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß die Bildung eines Spalts zwischen dem Übertragungselement und der Metallhülle wirkungsvoll verhindert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch definiert.

Erfindungsgemäß ist das wasserabweisende Übertragungselement so ausgebildet, daß es sich aufgrund thermischer Expansion bei Temperaturveränderungen nicht relativ zu den angrenzenden Bauteilen ausdehnt. Es ist dazu hohlzylindrisch ausgebildet und an der Metallhülle durch ein metallisches Befestigungsglied befestigt, das einen der Metallhülle ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Das hohlzylindrische Übertragungselement bewegt sich bei thermischer Einwirkung durch diese Anordnung nur äußerst gering gegenüber den angrenzenden Bauteilen. Dadurch kann sich auch nach wiederholten Temperaturzyklen kein Spalt bilden, durch den ein Wassereintritt erfolgen würde. Die Dichteigenschaften des erfindungsgemäßen Sauerstoffühlers gegenüber Wasser sind auch nach einem langen Einsatz gewährleistet.

Da bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion das zylindri sche Übertragungselement an der Metallhülle durch das metal lische Befestigungsglied fest angebracht ist, welches einen zum Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallhülle nahezu glei chen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, kann durch Vermindern des Volumens des Übertragungselements, weil dieses Volumen zu der Wärmeausdehnung beiträgt und diese erheblich beein flußt, die Wärmeausdehnung herabgesetzt werden. Das Übertragungselement wird von der Hülle und dem Befestigungsglied, die nahezu den gleichen Wärmeausdehnungs koeffzienten haben, festgehalten. Als Ergebnis dessen kann die Bildung eines Spalts zwischen dem Übertragungselement und der Hülle verhindert werden, so daß Wasser od. dgl. nicht durch einen solchen Spalt in das Innere des Sauerstoffühlers eintreten kann.

Wenn die Übertragungsöffnungen der Metall hülle sowie des metallischen Befestigungsgliedes, durch die das Übertragungselement gehalten wird, in der Umfangsrichtung mit gleichen Abständen angeordnet werden, während die Anzahl der Öffnungen der Metallhülle unterschiedlich zur Anzahl der Öffnungen des metallischen Befestigungsgliedes gemacht wird, kann wenigstens ein Teil der Übertragungsöffnungen der Hülle von Übertragungsöffnungen des Befestigungsgliedes überdeckt oder überlappt werden unabhängig davon in welcher Lagebeziehung die Hülle und das Befestigungsglied angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine bessere Luftüber tragung erlangt werden.

Der Wasserdurchlässigkeitsgrad des Übertragungselements be trägt bevorzugterweise nicht mehr als 2 cm³/min unter einem Druck von 0,5 bar. Fällt der Durchlässigkeitsgrad in den an gegebenen Bereich, so kann eine ausreichende wasserabstoßen de Eigenschaft, wie sie für den Erfindungsgegenstand gefor dert wird, erhalten werden. Andererseits ist der Gasdurch lässigkeitsgrad des Übertragungselements vorzugsweise nicht niedriger als 1 cm³/min unter einem Druck von 0,5 bar. Damit kann die für den Erfindungsgegenstand geforderte Gasdurchläs sigkeit gewährleistet werden. Folglich ist es vorzuziehen, die Porosität und die Dicke des Übertragungselements so fest zusetzen, daß der Wasserdurchlässigkeitsgrad des Verbindungs elements nicht über 2 cm³/min bei einem Druck von 0,5 bar ist, und den Flächeninhalt des Übertragungselements so fest zusetzen, daß der Gasdurchlässigkeitsgrad nicht geringer als cm³/min bei einem Druck von 0,5 bar ist.

Die Aufgabe und die Ziele der Erfindung wie auch deren Merk male und Vorteile werden aus der folgenden, auf die Zeich nungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausfüh rungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1a eine teilweise geschnittene Darstellung eines Sauer stoffühlers in einer Konstruktion gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1b den Schnitt nach der Linie 1b-1b in der Fig. 1a;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Sauer stoffühlers einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm eines Übertragungswinkels von Verbin dungs- oder Übertragungsöffnungen, wenn eine Hülle ortsfest ist und ein Befestigungsglied gedreht wird;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Darstellung eines bei spielhaften Sauerstoffühlers nach dem Stand der Technik.

Bei dem in den Fig. 1a und 1b dargestellten Sauerstoffühler 20 gemäß der Erfindung ist ein ebenes, flaches Fühlelement 22 gasdicht an einem Metallgehäuse 24 sowie einer inneren, zylindrischen Metallröhre 26, die mit dem Gehäuse fest ver schweißt ist, befestigt und mit Hilfe von zwischen kerami schen Stützen 28a, 28b sowie 28c eingefülltem Talkum 30 ab gedichtet. Um das Fühlelement 22 gegenüber der äußeren Umge bung zu schützen, ist ferner über dem Außenumfang eines obe ren Ringkragens 34 des Gehäuses 24 eine Metallhülle 32 fest angebracht, welche durch Schweißen gasdicht am gesamten Umfang des Ringkragens 34 befestigt ist. An dem zur Befestigungs stelle der Metallhülle 32 am Gehäuse 24 entgegengesetzten Endabschnitt ist durch Verstemmen der Hülle 32 ein Gummistop fen 38 abgedichtet an dieser gehalten, durch den Leitungs drähte 36 geführt sind, welche elektrisch mit Anschlußelek troden des Fühlelements 22 verbunden sind.

Wie der Fig. 1b zu entnehmen ist, sind durch die Umfangswand der Hülle 32 im oberen Endabschnitt Über tragungsöffnungen 40 gebohrt, um eine Verbindung mit der Umgebungsluft zu bewirken. Um den Außenumfang der Übertra gungsöffnungen 40 herum ist ein zylindrisches Übertragungs element 42 angeordnet, um dessen Außenseite herum ein metal lisches Befestigungsglied 44 angebracht ist. Obere und untere Kantenbereiche des Metall-Befestigungsgliedes 44 sind auf dessen gesamtem Umfang dicht verstemmt, um das innenliegende Übertragungselement 42 festzuhalten. Das Befestigungsglied 44 ist in seiner umlaufenden Wand ebenfalls mit Übertra gungsöffnungen 46 versehen. Eine Metall-Schutzkappe 48 deckt das Metall-Befestigungsglied 44 zum Schutz des Übertragungs elements 42 ab.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 (herkömmlicher Sauerstoffüh ler) und die Fig. 1 (erfindungsgemäßer Sauerstoffühler) wird darauf eingegangen, weshalb die Wasserdichtheit bei dem er findungsgemäßen Fühler nicht beeinträchtigt oder geschädigt wird. Die Wasserdichtheit wird durch einen Spalt beeinträch tigt, der auf einen Unterschied in der Wärmedehnung zwischen dem Übertragungselement, das im allgemeinen aus einem Mate rial auf Harzbasis besteht, und dem Metall bei Einwirken eines Erhitzungszyklus, z. B. 300°C ↔ Raumtemperatur mit 25°C, zurückzuführen ist.

Zuerst soll auf den Spalt, der zwischen dem säulenartigen Übertragungselement 6 sowie der Metallhülle 3 in Fig. 4 auf tritt, Bezug genommen werden. Selbstverständlich ist zwi schen dem Übertragungselement 6 und der Hülle 3 ein Spalt solange nicht vorhanden, bis der zusammengebaute Sauerstoff fühler 10 einer Hitzeeinwirkung unterliegt. Es sei nun ange nommen, daß der Fühler 10 Hitze von z. B. 300°C empfängt. Da hierbei der Wärmeausdehungskoeffizient des Übertragungs elements 6 größer als derjenige der Metallhülle 3 (Metall mit der Bezeichnung SUS 304) ist, wird ein Spalt noch nicht gebildet. Weil jedoch das aus Harzmaterial bestehende Übertragungselement 6 nahezu keine Elastizität aufweist, wird es im Zustand einer vertikalen Ausdehnung des Übertragungselements 6 innerhalb der Metall hülle 3 plastisch verformt. Wird der Sauerstoffühler nun auf Raumtemperatur abgekühlt, so wird dabei, da der Wärmeausdeh nungskoeffizient des Übertragungselements 6 größer ist, zwi schen der Metallhülle 3 und dem Übertragungselement 6 ein Spalt gebildet.

Es sei angenommen, daß der Außendurchmesser des Übertragungs elements 10 mm beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Übertragungselements 6 bzw. derjenige der Metall hülle 3 aus SUS 304. 150 × 10^-6/°C bzw. 18 × 10^-6/°C ist und die Tempera tur von 300°C auf 25°C geändert wird. Die Größe des Spalts kann dann berechnet werden, wie folgt:

Spaltgröße (150 - 18) × 10^-6 × (300 - 25) × 10 = 0,36 mm.

Wenn Wasser auf den Sauerstoffühler 10 aufgebracht wird, so tritt dieses durch einen derart großen Spalt hindurch in das Innere des Fühlers ein. Wird dieses Wasser verdampft, so fällt ein Bezug-Sauerstoffpartialdruck ab, wodurch die elektromotorischen Kräfte vermindert werden.

Unter dem zylindrischen Übertragungselement 42, der Metall hülle 32 und dem metallischen Befestigungsglied 44 des erfin dungsgemäßen Sauerstoffühlers von Fig. 1 wird zwar nach einem gleichartigen Mechanismus ebenfalls ein Spalt gebildet; weil aber das Übertragungselement 42 sandwichartig zwischen den Metallteilen, die denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, aufgenommen ist und dessen Dicke beispielsweise nur 0,3 mm beträgt, hat der Spalt eine sehr geringe Größe. Der Spalt kann unter den obigen Annahmen berechnet werden, wie folgt:

Spaltgröße = (150 - 18) × 10^-6 × (300 - 25) × 0,3 = 0,01 mm.

Durch einen derart kleinen Spalt kann Wasser aber nicht in das Innere des Sauerstoffühlers gelangen.

Wie sich aus der obigen Erläuterung ergibt, liegt der Kern der Erfindung darin, das Eindringen von Wasser zu unterbin den, indem das dünne, zylindrische Übertragungselement 42 zwischen der Metallhülle 32 sowie dem Befestigungsglied 44, die beide nahezu denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, angeordnet und die Größe des dort gebildeten Spalts auf ein Minimum herabgedrückt wird. Es wird bevorzugt, die Dicke des Übertragungselements mit nicht mehr als 1 mm fest zusetzen.

Da der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallhülle 32 nahezu dem des Metall-Befestigungsgliedes 44 gleich angesetzt wird, ist es vorzuziehen, beide Teile aus demselben Material zu fertigen. Jedoch können auch unterschiedliche Materialien für diese Teile in Kombination verwendet werden, wenn der Unterschied in Wärmeausdehnungskoeffzienten kleiner ist im Vergleich mit demjenigen zwischen diesen Materialien und dem Übertragungselement 42. Beispielsweise kann eine Kombination Metall mit der Bezeichnung SUS 304 (18 × 10^-6/°C) und SUS 430 (11 × 10^-6/°C) zur Anwendung kommen.

Bei der Ausführungsform von Fig. 1 gemäß der Erfindung sind die Übertragungsöffnungen 40 und 46 der Metallhülle 32 bzw. des Befestigungsgliedes 44 in bezug auf die Anzahl und den Ort gestaffelt und versetzt, d. h., die Öffnungen 40 sind in der Hülle 32 mit einem Zentriwinkel von 40° dreigeteilt vor gesehen, während die Übertragungsöffnungen 46 mit einem Zentri winkel von 62° viergeteilt im Befestigungselement 44 ausge bildet sind. Durch eine Kombination, wie sie in Fig. 1b ge zeigt ist, kann der Bereich, in dem sich die Öffnungen 40 und 46 überdecken, ohne Rücksicht auf ihre gegenseitige Lage beziehung konstantgehalten werden, um ein stabiles, unver änderliches Ausmaß in der Luftzufuhr zu gewährleisten.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besteht der Unter schied zu derjenigen von Fig. 1, wobei das Übertragungsele ment durch Verstemmen der oberen und unteren Kanten des Be festigungsgliedes 44 auf dem gesamten Umfang gehalten ist, im wesentlichen darin, daß die ganze Umfangsfläche des Befe stigungsgliedes 44 eng an das Übertragungselement 40 ange drückt ist, um dieses festzulegen.

Bei beiden Ausführungsformen ist der Gummistopfen 38 am obe ren Endabschnitt der Hülle 32 durch ein Verstemmen in zwei Stufen befestigt, wodurch der Stopfen 38 fester gehalten und die Ausbildung eines Spalts zwischen der Hülle sowie dem Gummistopfen besser verhindert werden kann, als das mit einem einstufigen Verstemmen der Fall ist. Die wasserdichten Eigen schaften des Sauerstoffühlers werden dadurch folglich ge steigert.

Da gemäß der obigen Erläuterung der Sauerstoffühler derart ausgebildet ist, daß die umschließende, Luft übertragende Konstruktion erlangt wird, indem das zylindrische Übertra gungselement zwischen die Metallhülle und das Metall-Befesti gungsglied, welche beide praktisch denselben Wärmeausdehnungs koeffizienten haben, eingefügt wird, kann die Ausbildung eines Spalts am Übertragungsbereich auf Grund eines Unterschiedes in der Wärmedehnung verhindert werden. Somit kann ein wasserdichter Sauerstoffühler, der von einer Verschlechterung in der Wasserdichtheit auch während eines langen Zeitraumes seines Einsatzes frei ist, geschaffen werden.

Claims

1. Wasserdichter Sauerstoffühler mit einem Fühlelement (22), an dessen inneren und äußeren Flächen jeweils innere und äußere Elektroden für Luft- sowie Abgaskontakt angeordnet sind, mit einer das Fühlelement (22) aufnehmenden Metall hülle (32), mit einem in der Metallhülle (32) vorgesehenen gasdichten Abdichtelement (30), das die Abgase gegenüber der Luft trennt, mit mindestens einer Übertragungsöffnung (40, 46), die einen Raum innerhalb der Metallhülle (32) mit Luft in Verbindung bringt, und mit einem die Übertragungs öffnung (40, 46) abdeckenden Übertragungselement (42), das eine Gasdurchlässigkeit hat und wasserabstoßende Eigen schaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (42) hohlzylindrisch rund um den Außenumfang der Metallhülle (32) ausgebildet ist, in der mehrere Übertragungsöffnungen (40, 46) vorgesehen sind, und an der Metallhülle (32) durch ein metallisches Befesti gungsglied (44) befestigt ist, das einen zum Wärmeausdeh nungskoeffizienten der Metallhülle (32) nahezu gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

2. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsöffnungen (40, 46) in der Metallhülle (32) und dem metallischen Befestigungsglied (44) in Umfangsrich tung mit gleichem Abstand vorgesehen sind und die Übertra gungsöffnungen (40) der Metallhülle (32) in unterschiedli cher Anzahl gegenüber den Übertragungsöffnungen (46) des metallischen Befestigungsglieds (44) jeweils versetzt ange ordnet sind.