DE4418656C2 - Gekühlter Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gekühlten Drucksensor mit einem ersten Gehäuseteil, einem von einer Membran gasdicht verschlossenen, ein kraft- oder verschiebungsmessendes Geber­ element aufnehmenden, mit dem ersten Gehäuseteil verbundenen zweiten Gehäuseteil sowie mit einem auf die Membran einwir­ kenden Kühlmittel eines Kühlers, der im ersten Gehäuseteil eine Zu- und eine Ableitung aufweist.

Solche Sensoren werden z. B. bei der Druckmessung im Brennraum von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei derartigen Prozessen entstehen sehr hohe Wärmeflüsse in den Drucksensor, die einer­ seits hohe Kühlleistungen erfordern, um die eingebrachte Wär­ meenergie (durch Strahlung, Konvektion und Leitung) aus dem Sensor wieder ab zuführen und die andererseits sehr große Ver­ formungen durch die Erwärmung der Sensorbauteile verursachen. Darüber hinaus wird bei Verbrennungsmotoren die Montagestelle des Drucksensors häufig stark verformt und belastet den Sensor auch mechanisch sehr hoch, und zwar mit Spannungen, die häufig über die Spannungen, die durch den Meßdruck verursacht werden, hinausgehen.

Bei bisher verwendeten Drucksensoren besteht das Kühlsystem im wesentlichen aus einem großen rotationssymmetrischen Raum zwi­ schen dem Gehäusemantel und dem Geberelement, welcher bis zu einem druckseitig dichtenden Element, nämlich der mit dem zu vermes­ senden Druck beaufschlagten Membran, reicht.

Beispielsweise ist in diesem Zusammenhang aus der AT-PS 261 934 ein Drucksensor bekannt geworden, welcher in einem Gebergehäuse ein Geberelement aufweist. Das Geberelement stützt sich einerseits mit einer Schulter unmittelbar am Ge­ bergehäuse ab und andererseits gegen eine Membran; welche mit dem Gebergehäuse verschweißt ist. Der untere Teil des Geber­ elementes ist von einem Ringraum umgeben, der von einem Kühl­ mittel durchströmt ist. Der Ringraum ist durch zwei diametral gegenüberliegende Leisten in zwei gleiche Teile geteilt, von denen einer mit einem Zulaufstutzen und der andere mit einem Ablaufstutzen in Verbindung steht. Weiter sind offene, paral­ lel zur Membran angeordnete Kanäle vorgesehen, welche die bei­ den Teilräume des Ringraumes miteinander verbinden und vom Kühlmittel durchströmt werden.

Obwohl mit der bekannten Ausführung relativ gute Kühlleistun­ gen im Bereich der Membran erzielt werden können, sind die Strömungsgeschwindigkeiten im Ringraum um das Geberelement re­ lativ gering und inhomogen, wodurch auch die Kühlleistung im Bereich des Geberelementes nicht zufriedenstellend ist.

Weiters ist das Sensorgehäuse durch den relativ großen Ring­ raum am druck- und wärmebeaufschlagten Ende stark geschwächt. Dadurch entstehen sowohl durch die temperaturbedingten Span­ nungen am Sensor als auch durch die Verformungen an der Monta­ gestelle relativ große Verformungen des Sensorgehäuses, wo­ durch Fehldrucksignale erzeugt wenden können. Die Möglichkeit, durch geeignete Form des Kühlraumes bestimmte Teile des Sen­ sors besonders gut, andere aber weniger zu kühlen um eine gleichmäßige Temperatur zu erreichen, ist bei dieser Ausfüh­ rung relativ gering.

Aus der DE 25 37 631 B1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung eines temperaturempfindlichen Meßwertaufnehmers bekannt, bei welcher im Bereich der medienseitigen Begrenzungsfläche des Meßwert­ aufnehmers radiale Öffnungen vorgesehen sind, aus welchen das vorzugsweise gasförmige Kühlmittel ausströmt und ein den Meß­ wertaufnehmer gegenüber dem heißen Medium abschirmende Schicht bildet. Da das Kühlmittel in die Brennkammer abfließt, muß es so gewählt werden, daß es den Reaktionsablauf in der Brennkam­ mer nicht störend beeinflußt.

Aus der DE-AS 11 13 840 ist ein piezoelektrischer Druckgeber bekanntgeworden, bei welchem ähnlich wie bei der eingangs er­ wähnten AT-PS 261 934 Kühlkanäle parallel zur Membran angeord­ net sind. Die Kühlleistung im Bereich des Geberelementes ist auch bei dieser Anordnung nicht zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welcher neben einer ausreichenden Steifigkeit des dem zu ver­ messenden Druckmedium zugewandten Gehäuseteiles ein Kühlsystem aufweist, min weichem eine wirksame Abfuhr der eingebrachten Wärmeenergie erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Wand des zweiten Gehäuseteils eine Vielzahl von mit der Zu- und der Ableitung in Verbindung stehenden Kühlkanälen vorge­ sehen sind, welche das ebenfalls zu kühlende Geberelement käfigartig umschließen. Beim erfindungsgemäßen Drucksensor wird somit ein den zweiten Gehäuseteil schwächender großer Ringraum vermieden und ein Kühlsystem aus einer Vielzahl von Kühlkanälen gebildet, die das zu kühlende Meß- oder Geber­ element in der Art eines Kühlkäfigs umgeben und in der Wand des zweiten Gehäuseteiles angeordnet sind. Die Kühlkanäle kön­ nen dort angeordnet werden, wo die Kühlleistung benötigt wird, wobei durch die Anzahl der Bohrungen, deren Lage im Gehäuse sowie deren Querschnittsgröße und Form die örtliche Kühl­ leistung fast nach belieben gestaltet werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die mechanische Schwächung des Gehäuses sehr gering gehalten werden kann. Be­ sonders im Bereich der Stirnfläche des Drucksensors können membranseitigige Ringräume besonders klein gehalten werden bzw. in einzelnen Ausführungsvarianten überhaupt entfallen. Damit werden Sensorverformungen und daraus resultierende Fehl­ druckanzeigen minimiert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß erste Kühlkanäle von zumindest einer Zuleitung ausgehend in eine Ringkammer im Bereich der Membran einmünden und zweite Kühlkanäle vorgesehen sind, welche, ausgehend von der Ringkam­ mer, in zumindest eine Ableitung münden.

Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, daß die Zuleitung mit einem Verteilerraum in Verbindung steht, von welchem die er­ sten Kühlkanäle ausgehen und die zweiten Kühlkanäle in einen Sammelraum einmünden, welcher mit der Ableitung in Verbindung steht und daß die ersten und die zweiten Kühlkanäle im wesent­ lichen rotationssymmetrisch in der Wand des zweiten Gehäuse­ teiles verteilt sind.

Der Verteilerraum und der Sammelraum können im thermisch weni­ ger belasteten ersten Gehäuseteil, beispielsweise als konzen­ trische Ringräume oder auch als Ringräume, welche in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, vorliegen.

Erfindungsgemäß ist es weiters möglich, daß im ersten Gehäuse­ teil oder im von der Membran abgewandten Bereich des zweiten Gehäuseteils ein durch gegenüberliegende Stege in zwei etwa gleich große Teilräume unterteilter Ringraum vorgesehen ist, wobei ein Teilraum als Verteilerraum und der andere als Sam­ melraum ausgebildet ist.

Eine besonders kompakte Ausführung ist dadurch gegeben, daß die Ringkammer im Bereich des inneren Randes der kreisring­ förmigen Membran angeordnet ist und mit den zum äußeren Rand der Membran führenden Kühlkanälen über einen im wesentlichen radial durchströmten schmalen Ringspalt zwischen Membran und Gehäuseteil in Verbindung steht.

Eine Ausführungsvariante, mit welcher sich die erforderliche Kühlleistung am Geberelement besonders gut dosieren läßt, wird dadurch realisiert, daß im zweiten Gehäuseteil im Bereich des Geberelementes mehrere, das Geberelement umfassende ringför­ mige Kühlkanäle vorgesehen sind, welche in gegenüberliegenden Bereichen von der Zu- bzw. der Ableitung angeschnitten sind.

Schließlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß ausgehend von einem ringförmigen Verteilerraum im ersten Gehäuseteil mehrere auf den äußeren Rand der Membran gerichtete Kühlkanäle vorgesehen sind, welche über einen mem­ branseitigen schmalen Ringspalt mit einer zentralen, ein ring­ förmiges Geberelement durchsetzenden Ableitung in Verbindung stehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführung eines gekühlten Drucksensors nach dem Stand der Technik in einem Längs­ schnitt,

Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Ausführung eines Drucksensors in einem Längsschnitt,

Fig. 2a den Drucksensor in einem Radialschnitt gemäß Linie 2a-2a, sowie die

Fig. 3 bis 6 weitere erfindungsgemäße Ausführungsva­ rianten ebenfalls im Längsschnitt und die

Fig. 3a, 4a, 4b, 5a, 5b und 6a dazugehörige Radial­ schnitte.

Der in Fig. 1 dargestellte auf seine wesentlichen Bauteile re­ duzierte Drucksensor nach dem Stand der Technik, weist einen ersten Gehäuseteil 1 und einen einstückig damit verbundenen zweiten Gehäuseteil 2 auf, wobei der Gehäuseteil 1 Zu- und Ab­ leitungen 3 und 4 für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums aufweist. Der zweite, z. B. in eine Meßbohrung einsetzbare Ge­ häuseteil, nimmt ein kraft- oder verschiebungsmessendes Geber­ element 5 auf und ist durch eine Membran 6 gasdicht ver­ schlossen. Zur Kühlung des Geberelementes 5 und der Membran 6 ist im Gehäuseteil 2 ein ringförmiger Kühlraum 7 vorgesehen, welcher mit der Zu- und Ableitung 3 und 4 in Strömungsverbin­ dung steht und bis zur Membran 6 reicht. Ein derartiger Druck­ sensor weist die eingangs erwähnten Nachteile auf.

Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten gemäß Fig. 2 bis 6 wird der große, vom Geberelement 5 bis zur Membran 6 reichende ringförmige Kühlraum 7 durch eine Vielzahl von Kühlkanälen 8, 10, 14, 14 ersetzt, welche in der Wand des Ge­ häuseteils 2 käfigartig um das zu kühlenden Geberelement 5 angeordnet und zum Teil auf die thermisch hochbelastete Mem­ bran 6 gerichtet sind.

Beispielsweise gehen in der Ausführungsvariante nach Fig. 2 und 2a erste Kühlkanäle 8 von der Zuleitung 3 aus und münden in eine kleine Ringkammer 9 im Bereich der Membran 6 ein. Zweite Kühlkanäle 10 führen von der Ringkammer 9 zur Ablei­ tung 4. Durch die Kühlkanäle 8 und 10 im Gehäuseteil 2 wird die in diesem Bereich eingebrachte Wärmeenergie wirksam abge­ führt, wobei gleichzeitig eine optimale Anströmung der Mem­ bran 6 erfolgt.

Ähnliche Ausführungsvarianten zeigen die Fig. 3 bzw. 3a und die Fig. 4 bzw. 4a und 4b, da hier im Gehäuseteil 1 ebenfalls erste und zweite Kühlkanäle 8 und 10 vorgesehen sind, welche ausgehend von einem durch die Zuleitung 3 gespeisten Vertei­ lerraum 11 über eine membranseitige Ringkammer 9 in einen mit der Ableitung 4 verbundenen Sammelraum 12 münden. Der Vertei­ lerraum 11 und der Sammelraum 12 werden in der Ausführung nach Fig. 3 durch einen Ringraum im Gehäuseteil 1 gebildet, welcher durch gegenüberliegende Stege 13 in zwei etwa gleich große Teilräume unterteilt ist.

Eine Besonderheit der Variante nach Fig. 3 bzw. 3a ist die Kühlmittelführung im Bereich der Membran 6. Ausgehend von den ersten Kühlkanälen 8, welche zum äußeren Rand der Membran 6 führen, fließt das Kühlmedium zunächst im wesentlichen radial durch einen engen Ringspalt 16 zur Ringkammer 9, die z. B. durch eine Durchmesserverringerung des vor dem Geberelement 5 lie­ genden Druckstückes 17 gebildet wird. In der Ringkammer 9 strömt das Kühlmedium zur anderen Sensorseite und von dort wieder im wesentlichen radial durch den Ringspalt 16 zu den zweiten Kühlkanälen 10. Die geringe Höhe des Ringspaltes 16 führt zu einer entsprechend vergrößerten Steifigkeit des Ge­ häuses.

In der Ausführung nach Fig. 4 stehen die ersten und zweiten Kühlkanäle 8 und 10 jeweils mit einem separaten Ringraum im Gehäuseteil 1 in Verbindung, wobei ein Ringraum als Verteil­ raum 11 (im Bereich der Ableitung 4 unterbrochen) und einer als Sammelraum 12 fungiert. Diese Konstruktion ermöglicht eine rotationssymmetrische Anordnung der ersten und zweiten Kühlkanäle 8 und 10 und damit eine rotationssymmetrische Tempe­ raturverteilung im Sensor. Der Querschnitt des Ringraumes 9 kann auch hier außerordentlich klein gehalten sein, da er le­ diglich den Kühlmittelstrom eines Kühlkanales übernehmen muß.

Falls die Kühlkanäle 8 und 10 im Bereich der Membran 6 durch Bohrungen bzw. Nuten 9′ verbunden sind (linke Hälfte Fig. 4 sowie Fig. 4a), könnte in dieser Ausführungsvariante auf den membranseitigen Ringraum 9 verzichtet werden. Es ist lediglich ein geringer Spalt zwischen Membran 6 und Gehäuseteil 2 nötig, der die sehr kleinen Membranbewegungen (wenige µm) zuläßt. In der rechten Hälfte der Fig. 4 sowie in Fig. 4b sind als wei­ tere Ausführungsvariante die Kühlkanäle 8 und 10 in Umfangs­ richtung hintereinander angeordnet.

Die Ausführungsvariante nach Fig. 5 bzw. Fig. 5b zeigt einen Drucksensor, dessen Geberelement 5 von im Gehäuseteil 2 ange­ ordneten ringförmigen Kühlkanälen 14 käfigartig umfaßt wird, welche von der Zu- bzw. der Ableitung 3, 4 in gegenüberliegen­ den Bereichen angeschnitten und so in den Kühlkreislauf einge­ bunden sind. Wie in der linken Hälfte der Fig. 5 (siehe auch Fig. 5a) dargestellt, können jedoch auch ringförmige Kühlkanäle 14′ (auch in Kombination mit den Kühlkanälen 14) knapp unter der äußeren Oberfläche des Gehäuseteils 2 angeord­ net sein. Membranseitig befindet sich auch hier eine mit der Zu- und Ableitung in Strömungsverbindung stehende Ringkam­ mer 9.

Schließlich zeigt die Fig. 6 eine Ausführungsvariante des Drucksensors, bei welchem, ausgehend von einem im Gehäuse­ teil 1 angeordneten ringförmigen Verteilerraum 11, mehrere auf den äußeren Rand der Membran 6 gerichtete Kühlkanäle 8 vorge­ sehen sind, welche in einen membranseitigen schmalen Ringspalt 16 münden. Der Abfluß des Kühlmediums erfolgt über eine zentrale Ableitung 4′, welche ein ringförmiges Geberele­ ment 5′ durchsetzt. Eine elektrisch isolierte Signalableitung für das Geberelement 5 bzw. 5′ ist in den einzelnen Ausfüh­ rungsvarianten mit 15 bezeichnet.

Claims (7)

1. Gekühlter Drucksensor mit
einem ersten Gehäuseteil (1),
einem von einer Membran (6) gasdicht verschlossenen, ein kraft- oder verschiebungsmessendes Geberelement (5; 5′) aufnehmenden, mit dem ersten Gehäuseteil (1) verbundenen zweiten Gehäuseteil (2)
sowie mit einem auf die Membran (6) einwirkenden Kühlmit­ tel eines Kühlers, der im ersten Gehäuseteil (1) eine Zu- (3) und eine Ableitung (4; 4′) aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Wand des zweiten Gehäuseteils (2) eine Vielzahl von mit der Zu- (3) und der Ableitung (4; 4′) in Verbindung stehenden Kühlkanälen (8, 10; 14, 14′) vorgesehen sind, welche das ebenfalls zu kühlende Geber­ element (5; 5′) käfigartig umschließen.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste Kühlkanäle (8) von zumindest einer Zuleitung (3) ausgehend in eine Ringkammer (9) im Bereich der Mem­ bran (6) einmünden und zweite Kühlkanäle (10) vorgesehen sind, welche, ausgehend von der Ringkammer (9), in zumin­ dest eine Ableitung (4; 4′) münden.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuleitung (3) mit einem Verteilerraum (11) in Verbindung steht, von welchem die ersten Kühlkanäle (8) ausgehen und die zweiten Kühlkanäle (10) in einen Sammelraum (12) einmünden, welcher mit der Ableitung (4) in Verbindung steht und daß die ersten (8) und die zweiten Kühlkanäle (10) im wesentlichen rotationssymmetrisch in der Wand des zweiten Gehäuseteiles (2) verteilt sind.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Gehäuseteil (1) oder im von der Membran (6) ab­ gewandten Bereich des zweiten Gehäuseteils (2) ein durch gegenüberliegende Stege (13) in zwei etwa gleich große Teilräume unterteilter Ringraum vorgesehen ist, wobei ein Teilraum als Verteilerraum (11) und der andere als Sam­ melraum (12) ausgebildet ist.

5. Drucksensor nach einen der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringkammer (9) im Bereich des inne­ ren Randes der kreisringförmigen Membran (6) angeordnet ist und mit den zum äußeren Rand der Membran (6) führenden Kühlkanälen (8, 10) über einen im wesentlichen radial durchströmten schmalen Ringspalt (16) zwischen Membran (6) und Gehäuseteil (2) in Verbindung steht.

6. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Gehäuseteil (2) im Bereich des Geber­ elementes (5) mehrere, das Geberelement umfassende ring­ förmige Kühlkanäle (14, 14′) vorgesehen sind, welche in gegenüberliegenden Bereichen von der Zu- bzw. der Ab­ leitung (3, 4) angeschnitten sind.

7. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem ringförmigen Verteilerraum (11) im ersten Gehäuseteil (1) mehrere auf den äußeren Rand der Membran (6) gerichtete Kühlkanäle (8) vorgesehen sind, welche über einen membranseitigen schmalen Ringspalt (16) mit einer zentralen, ein ringförmiges Geberelement (5′) durchsetzenden Ableitung (4′) in Verbindung stehen.