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Diese
Erfindung betrifft ein Gehäuse
für einen
Detektor für
entflammbares Gas.
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Ein
Typ eines Detektors für
entflammbares Gas verwendet ein erhitztes Sensorelement um jedes
anwesende entflammbare Gas zu oxidieren. Die Oxidation entflammbarer
Gase an dem Abfühlelement
verursacht eine Veränderung
der elektronischen Eigenschaften des Sensors, die detektiert werden,
um die Anwesenheit eines entflammbaren Gases anzuzeigen. Ein Sensorelement
mit einer katalytischen Perle kann beispielsweise eine Drahtspule aufweisen,
die in eine poröse
Perle eingebettet ist, die einen Katalysator enthält. Die
Perle wird elektrisch erhitzt, indem Strom durch den Draht geleitet wird.
Wenn entflammbares Gas an der Perle anwesend ist, oxidiert es in
Gegenwart eines Katalysators exotherm, wodurch bewirkt wird, dass
die Temperatur der Perle, und somit der Drahtspule, sich erhöht. Die
Veränderung
des Widerstands, die sich von der Temperaturänderung ergibt, wird detektiert,
um die Gegenwart eines entflammbaren Gases anzuzeigen. Häufig werden
zwei Perlenelemente in einer Wheatstoneschen Brückenanordnung verwendet, wobei
ein Element als Sensor agiert, und das andere einen ähnlichen
Aufbau aufweist, jedoch inaktiv gemacht wurde, und als Kontrolle
wirkt. Eine höhere
Abgabe, und damit eine größere Empfindlichkeit,
kann erzielt werden, indem viele Perlen verwendet werden, die in Serie
verbunden sind, oder durch die Verwendung einer elektronischen Verstärkung des
ausgegebenen Signals.
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Obwohl
für den
Betrieb des Detektors das Gas innerhalb des Detektorgehäuses mit
dem Umgebungsgas rundherum kommunizieren muss, muss aus Sicherheitsgründen das
Gas, das in dem Gehäuse
oxidiert, daran gehindert werden, irgendwelche entflammbaren Gase
außerhalb
des Gehäuses
zu entzünden.
Zu diesem Zweck enthalten bekannte Detektoren in der Wand des Gehäuses ein
Flammenrückhalte-Element
in der Form eines Sinterelements, durch welches das Innere des Gehäuses mit
der Außenseite
kommuniziert. Das Flammenrückhalte-Element
sollte einen so geringen Widerstand gegenüber einer Diffusion bieten,
wie dies mit seinen primären Erfordernissen,
im Bezug auf die Festigkeit und das Abfangen der Flammenfront, vereinbar
ist.
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Das
Gehäuse
für den
Sensor muss Flammenbeständig
sein, und in der Lage, einer internen Explosion zu widerstehen,
ohne es der Flammenfront zu ermöglichen,
sich aus dem Gehäuse
heraus fortzupflanzen. Alle Verbindungen oder Spalten in dem Gehäuse müssen klein
genug sein, um die Flammenfront so abzuschwächen, dass sie nicht in der
Lage ist, das Gas außerhalb
des Gehäuses
zu entzünden.
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Bekannte
Gehäuse
sind aus Metall gegossen. Alle potentiellen Flammenwege erfordern
eine 100-prozentige Überprüfung, damit
das Gehäuse den
betreffenden Sicherheitsstandards entspricht. Nicht nur das Flammenrückhalte-Element
selbst muss so entworfen sein, dass es den erforderlichen Sicherheitsstandards
entspricht, sondern es muss auch in solch einer Weise an dem Gehäuse befestigt sein,
dass ein Flammenweg an der Schnittstelle Flammenrückhalte-Element/Gehäuse vermieden wird.
Um eine zufrieden stellende Flammenrückhalte-Anordnung zu bilden,
müssen
das Gehäuse
und das Sinterelement entlang der gesamten Länge der Schnittstelle Flammenrückhalte-Element/Gehäuse in engen
Kontakt sein. Der Rand des Sinterelements und die innere Oberfläche des
Gehäuses über dem Kontaktbereich
mit dem Sinterelement müssen
genau ausgebildet sein. In der Praxis muss das Metallguss-Gehäuse feinstbearbeitet
sein, um den engen Toleranzen zu entsprechen, die für eine zufrieden stellende
Leistung erforderlich ist.
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Bei
der Herstellung der bekannten Detektoren für entflammbares Gas wird das
Sinterelement in einer abgetrennten Handlung an dem Gehäuse befestigt.
Das Sinterelement kann an das Gehäuse geklebt werden, oder das
Gehäuse
kann über
das Sinterelement umgeformt sein, oder das Sinterelement kann in
dem Gehäuse
zurückgehalten
sein, indem das Gehäuse über die
Kanten das Sinterelements herum gebogen wird und das Sinterelement
in der Folge in seine Position geklebt wird.
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Die
Handlungen der Präzisionsbearbeitung, der
Qualitätssicherung
und der Befestigung, die erforderlich sind, um sicher zu stellen,
dass die bekannten Gehäuse
den Sicherheitsstandards entsprechen, macht es zeitaufwändig und
teuer, diese herzustellen.
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Die
US-A-4.352.009 offenbart einen Detektor für entflammbares Gas, der ein
Sensorelement, eine Abdeckung aus gesintertem Metall, die das Sensorelement
umschließt,
sowie eine Beilagscheibe, um die gesinterte Abdeckung im ihrer Position
zu halten, aufweist.
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Die
WO-A-8404967 offenbart ein einfach demontierbares Gasdetektorsystem
mit einem aus einem Kunststoffmaterial erzeugten Gehäuse und
einem entfernbaren Gassensor, der von der zu messenden Atmosphäre durch
ein Flammenrückhalte-Filter
getrennt ist, das von einem Gehäuseoberteil in
seine Position geklemmt wird.
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Die
JP-A-58146845 beschreibt einen Detektor für entflammbares Gas, der mit
einem Haftstoff an ein Fensterloch in einem Polyimid-Film angebracht ist,
und von einem explosionsverhindernden Geflecht abgedeckt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Gehäuse
für einen
Detektor für
entflammbares Gas bereitgestellt, welches Gehäuse einen Gehäusekörper mit
einer Öffnung, durch
welche das Innere des Gehäusekörpers mit
der Außenseite
kommuniziert, aufweist, wobei ein für Gas durchlässiges Flammenrückhalte-Element
in der Öffnung
angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil des Gehäusekörpers, der die Öffnung umgibt,
aus einem Kunststoffwerkstoff geformt ist, wobei die Teile des Gehäusekörpers, die
die Öffnung
bilden, um das Flammenrückhalte-Element herum,
mit dem Flammenrückhalte-Element
an Ort und Stelle, geformt sind, womit das Flammenrückhalte-Element
an den Gehäusekörper befestigt
ist. Das Formen des Körpers
des Kunststoffgehäuses
rund um das Flammenrückhalte-Element
mit dem Flammenrückhalte-Element
an Ort und Stelle vermeidet die Handlung des Befestigens des Flammenrückhalte-Elements
in dem Gehäuse.
Das Formen des Kunststoffwerkstoffs direkt auf den Rand des Flammenrückhalte-Elements
vermeidet den Flammenweg an der Schnittstelle zwischen dem Rückhalte-Element
und dem Gehäuse.
Die Erfordernisse, um das Gehäuse
zu bearbeiten, und das Sinterelement in einer getrennten Handlung
an dem Gehäuse
zu befestigen, werden vermieden, wodurch die Gesamtzahl der Herstellungshandlungen
verringert wird, mit daraus folgenden Einsparungen sowohl bei der
Herstellungszeit, als auch bei den -kosten.
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Für den Gehäusekörper wird
ein geeigneter Kunststoffwerkstoff verwendet. Es sollte eine hohe Stoßfestigkeit,
mechanische Steifigkeit, UV-Stabilität, sowie hohe Flammenhemmende
Eigenschaften über einen
ausgedehnten Temperaturbereich aufweisen. Geeignete Kunststoffe
könnten
Thermoplasten sein, zum Beispiel mineralverstärktes PPS (Polyphenylsulfid),
PBT (Polybutylterephthalat) oder LCP (Flüssigkristallpolymer, wie etwa
Poly(benzoatnaphthoat)). Alternativ könnten duroplasische Kunststoffe
verwendet werden, wie etwa DMC (Teigpressmassen-Polyester).
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Die
poröse
Natur von Sinterelementen ermöglicht
jedem heißen
Kunststoff, der mit dem Sinterelement in Kontakt kommt, in das Sinterelement einzudringen,
wodurch die Gasdurchlässigkeit
des Sinterelements, und damit seine Effektivität, verringert werden. Wenn
ein Sinterelement, das einen Stützring
in seinem Randbereich aufweist, verwendet wird, dann kann das Gehäuse so ausgebildet
sein, dass der heiße
Kunststoff nur mit dem Stützring
in Kontakt kommt, und niemals in direkten Kontakt mit dem porösen Sinterelement.
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Wenn
das Gehäuse
um ein Sinterelement herum geformt werden soll, welches keinen Stützring aufweist,
kann das Eindringen verringert oder verhindert werden, indem ein
Sinterelement verwendet wird, welches eine höhere Dichte in seinem Randbereich
aufweist, wo das Gehäuse
und das Singerelement verbunden werden, als in der Mitte. Indem
der Randbereich dichter hergestellt ist, wird die Porengröße reduziert,
und geschmolzenes Plastikmaterial kann nicht so leicht in das Sintermaterial
eindringen, wenn dieses mit dem Gehäuse in Kontakt kommt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun detaillierter mit Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
Seitenansicht des Gehäuses
ist;
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2 ein
Schnitt durch das Gehäuse
der 1 entlang der Linie A-A ist, welcher ein Sinterelement
mit einem Stützring
zeigt;
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3 ein
vergrößerter Schnitt
der Sinterelement/Gehäuse-Verbindung
der 2 ist;
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4 ein
Schnitt des Gehäuses
der 1 entlang der Linie A-A ist, welches das Sinterelement ohne
Stützring
zeigt;
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5 ein
vergrößerter Schnitt
der Sinterelement/Gehäuse
Verbindung der 4 ist; und
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6 ein
Sinterelement zeigt, welches in seinem Randbereich eine erhöhte Dichte
aufweist.
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1 und 2 zeigen
ein Gehäuse 10 für einen
Detektor für
entflammbares Gas. Das Gehäuse besteht
aus zwei Teilen 11 und 12, die zusammengeschraubt
eine eingeschlossene Kammer 13 ausbilden. Ein poröses Sinterelement 14 vom
Typ mit einem Stützring 15 ist
an einem Ende des Gehäuses montiert
und bietet das Mittel, durch welches das Innere des Gehäuses mit
der Außenseite
kommuniziert.
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Das
Gehäuse 10 enthält die Sensorelemente des
Detektors für
entflammbares Gas. Ein Sensorhalter 16 in Form einer geflanschten
runden Scheibe mit zwei sich axial erstreckenden Löchern 17 bestimmt
die Lage des Sensorelements 18 und eines Referenzelements
oder einer Kontrolle 19 innerhalb des Gehäuses. Die
Elemente 18 und 19 weisen einen ähnlichen
Aufbau auf. Obwohl die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen
ein einzelnen Sensorelement und ein einzelnes Referenzelement haben,
sind andere Ausgestaltungen möglich.
Der Sensorhalter kann beispielsweise die Lage mehrerer in Serie
verbundener Perlen für
das Sensorelement und das Referenzelement festlegen.
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Das
Sensorelement 18 besteht aus einem Heizdraht 20,
der zwischen zwei Zuführungsleitungen 21 angeschlossen
ist, die in einem Trägerblock 22 montiert
sind. Eine Perle 23 aus katalytischem Material, das über eine
poröse
Trägerschicht
verteilt ist, ist um den Heizdraht herum ausgebildet.
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Das
Referenzelement ist zum Sensorelement identisch, außer dass
die Perle inaktiv ist, entweder, weil das katalytische Material
weggelassen ist, oder weil der Katalysator absichtlich vergiftet
wurde.
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Die
Zuführungsleitungen
der Elemente sind an der Außenseite
mit Leitungen (nicht gezeigt) verbunden, die durch einen Manschettenteil 24 von
verringertem Durchmesser an dem zum Sinterelement 14 gegenüberliegenden
Ende des Gehäuses
durchlaufen. Das Gehäuse
des zusammengebauten Detektors ist mit einem Einkapselungsmaterial 25,
wie etwa einem Epoxydharz gefüllt.
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Das
Sensorelement und das Referenzelement sind mit verschiedenen Armen
einer Wheatstoneschen Brückenschaltung
(nicht gezeigt) verbunden. Ein elektrischer Strom wird durch die
Heizdrähte 20 der
Elemente 18 und 19 geleitet, und heizt die Perlen 23.
In Abwesenheit des entflammbaren Gases ist der Widerstand der zwei
Elemente 18 und 19 der Gleiche, und die Arme der
Wheatstoneschen Brücke
sind ausbalanciert, wodurch sich kein Spannungsabfall quer über die
Arme ergibt.
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Falls
es ein entflammbares Gas in der Umgebungsatmosphäre rund um das Gehäuse 10 gibt, wird
etwas davon durch das Sinterelement 14 in die Löcher 17 diffundieren,
in denen die Sensor- und Referenzelemente 18 und 19 angeordnet
sind. Die Anwesenheit des erhitzten Katalysators auf der Perle des
Sensorelements 18 bewirkt, dass jedes entflammbare Gas
in seiner Umgebung in einer exothermen Reaktion oxidiert. Diese
Reaktion heizt die Perle des Sensorelements 18 auf und
verursacht, dass die Temperatur ihres Heizdrahtes ansteigt, wodurch
im Gegenzug der Widerstand des Drahtes ansteigt. Der erhöhte Widerstand
des Sensorelements 18 verglichen mit dem Widerstand des
Referenzelements 19 bewirkt, dass die Wheatstonesche Brücke aus
der Balance gerät,
und ein Spannungsabfall quer über die
Brücke
detektiert wird, um die Anwesenheit eines entflammbaren Gases anzuzeigen.
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Der
Aufbau des Gehäuses
wird nun detaillierter beschrieben. Der erste Teil 11 des
Gehäuses 10 wird
erzeugt, indem ein Kunststoffwerkstoff rund um den Trägerring 15,
der das Sinterelement 14 trägt, gegossen wird. Ein Teil
der Modellform, die weibliche Form, weist einen erhöhten kreisförmigen Kern
auf. Das Sinterelement wird über
den erhöhten kreisförmigen Kern
so zentriert, dass die gesamte Peripherie des Stützrings 15 über den
erhöhten
Kern ragt. Die männliche
Form hat einen kleineren Querschnittsbereich, der in die weibliche
Form passt, und so auf dem und um das Sinterelement angeordnet ist, dass
das Sinterelement 14 vollständig zwischen der männlichen
Form und dem Kern der weiblichen Form eingeschlossen ist, wodurch
der Kunststoffwerkstoff davon abgehalten wird, in Kontakt mit dem
Sinterelement zu kommen. In die Form wird heißer Kunststoffwerkstoff spritzgegossen,
und diesem ein Aushärten ermöglicht.
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Das
Plastikmaterial, welches nun das Sinterelement enthält, wird
aus der Form ausgeworfen, um den ersten Teil 10 des Gehäuses zu
bilden, wie in 2 und 3 gezeigt.
Die gegossene Schnittstelle 26 zwischen dem ersten Kunststoffteil 11 des
Gehäuses
und dem Stützring 15 verhindert
das Ausbilden irgendeines Flammenweges zwischen dem Gehäuse und
dem Stützring,
während
die Eigenschaften des Sinterelements, nämlich seine Gasdurchlässigkeit
und seine Fähigkeit,
eine Flammenfront abzufangen, beibehalten werden. Der Erste Teil
des auf diese Weise erzeugten Gehäuses hat ein Ende, das mit
einer Öffnung 27 ausgebildet
ist, welche durch das Sinterelement 14 geschlossen ist;
Das andere Ende 29 ist offen und weist ein externes Schraubengewinde 30 auf.
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Der
Sensorhalter 16 passt in den ersten Teil 11 des
Gehäuses,
wobei er an der inneren Oberfläche
des Sinterelements 14 und an einer Schulter 28 angeordnet
ist, die an der Innenseite des Gehäuses ausgebildet ist. Der Sensorhalter
hält die
Sensor- und Referenzelemente 18 und 19 in den
erforderlichen Positionen an der Innenseite des Sinterelementes 14.
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Der
zweite Teil 12 des Gehäuses 10 ist
ebenfalls aus einem Kunststoffwerkstoff geformt. Ein Ende 31 des
Teils 12 hat ein Innen-Schraubengewinde 32, das
zu dem Außen-Schraubengewinde 30 am
Ende 29 des ersten Teils 11 passt, und ermöglicht,
dass die zwei Teile zusammengeschraubt werden, um die geschlossene
Kammer 13 auszubilden.
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Das
andere Ende des zweiten Teils des Gehäuses ist mit einer integrierten
Manschette 24 von verringertem Durchmesser ausgebildet,
um eine elektrische Verbindung der Sensor- und Referenzelemente
mit der elektrischen Schaltung der Wheatstoneschen Brücke (nicht
gezeigt) zu ermöglichen.
Die zwei Teile 11 und 12 werden zusammengeschraubt, wobei
der Sensorhalter 16 die Elemente 18 und 19 im ersten
Teil des Gehäuses
in Position hält.
Das Ende der Kammer 13 zwischen dem Halter 16 und
der Manschette 24 wird dann mit einem Epoxydharz-Einkapselungsmaterial 25 gefüllt, wobei
der Innenraum des Gehäuses
von der Umgebung versiegelt wird, mit Ausnahme der Löcher 17,
welche die Elemente 18 und 19 enthalten.
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Das
Gehäuse
wird aus einem Kunststoffwerkstoff geformt, der bei Betriebstemperaturen,
welchen der Detektor wahrscheinlich begegnen wird, eine zufrieden
stellende Leistung bietet. Zu geeigneten Thermoplasten zählen, ohne
darauf beschränkt zu
sein, mineralverstärktes
Polyphenylsulfid, Polybutylterephthalat und Flüssigkristall-Polymer, wie etwa Poly(benzoatnaphthoat).
Alternativ könnten
duroplasische Kunststoffe verwendet werden, wie etwa Teigpressmassen-Polyester.
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4 und 5 zeigen
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, in der das Sinterelement keinen Stützring aufweist,
und der erste Teil 11' des Gehäuses direkt
auf das Sinterelement 14' selbst
geformt ist, sodass das Sinterelement in engem Kontakt mit dem ersten
Teil des Plastikgehäuses
ist. Um zu verhindern, dass heißer
Kunststoff des Gehäuses während des
Spritzgussvorgangs in das Sinterelement 14' eindringt, ist das Sinterelement
mit einer erhöhten
Dichte in seinen Randbereich hergestellt, was dazu führt, dass
der Mittelteil des Sinterelements für Gase durchlässig bleibt,
und die Randbereiche des Sinterelements weniger anfällig für ein Eindringen des
heißen
Kunststoffs sind.
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6 zeigt
ein Sinterelement 14',
welches erzeugt wurde, um einen Gasdurchlässigen Mittelteil 35 und
dichtere Randbereiche 36 zu bieten. Sinterelemente dieser
Bauart können
auf verschiedene Arten erzeugt werden. Flammenrückhalter in der Form von Sinterelementen
können
erzeugt werden, indem pulverisiertes Metall mit bekannter Korngröße in eine Form
gegossen wird, die eine Hälfte
eines Matrizensatzes bildet. Die zweite Hälfte des Matrizensatzes wird
gesenkt und Druck wir auf das Pulver aufgebracht, wodurch es einigen
der Partikeln ermöglicht wird,
in einer spröden,
Biskuitartigen Form aneinander zu binden, die als Grünzustands-Sinter
bekannt ist. Dieser Grünsinter
wird dann in einem Ofen gebrannt, wobei das Brennen normaler Weise
in einer reduzierenden Atmosphäre
durchgeführt
wird, um sicherzustellen, dass das Pulver in seinem metallischen
Zustand bleibt. In der endgültigen
gesinterten Struktur sind die Metallpartikel miteinander verschmelzt,
wodurch die Struktur eine hohe Festigkeit hat, während sie gleichzeitig einem
Gas viele Wege bietet, um durch das Sinterelement durchzugehen, wenn
auch über
eine Strecke, die viel größer ist,
als die Dicke des Sinterelements. Eine Flammenfront, die im Inneren
des Detektorgehäuses
vorhanden ist, kann auch entlang dieser Wege eintreten. Jedoch stellt
die Kombination aus der hohen thermischen Leitfähigkeit der Metallpartikel
und der Länge
des Weges, durch den die Flammenfront wandern muss, um die Seite
des Sinterelements zu erreichen, die mit der umliegenden Umgebung
in Kontakt ist, sicher, dass jede Flammenfront gelöscht ist,
bevor sie die umliegende Umgebung erreicht. Das Sinterelement bietet
dem Durchlass von Gasen sehr geringen Widerstand.
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Ein
Verfahren um ein Sinterelement mit einer erhöhten Sinterdichte im Randbereich
zu erzeugen ist es, ein normales, flaches Grünzustands-Sinterelement zu
erzeugen, welches dann in eine zweite Matrize eingelegt wird, so
dass ein erhöhter
Druck nur auf den Rand des Sinterelements aufgebracht wird. Der
Rand wird daher weiter komprimiert und die Pulverpartikel werden
dichter gepackt. Der Sinter wird dann auf normalem Weg gebrannt,
wobei eine Kombination reduzierender Öfen verwendet wird. Indem während des Herstellungsprozesses
ausreichend Druck auf den Rand aufgebracht wird, kann er in dem fertiggestellten
Produkt so dicht gemacht werden, dass ein Eindringen verringert
oder sogar verhindert wird. Das sich ergebende Sinterelement hat
einen gasdurchlässigen
Mittelteil 35 und einen dichteren Randbereich 36,
der weniger Empfänglich
für ein
Eindringen ist, und der sogar vollends undurchdringlich für Gas sein
kann.
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In
einem weiteren Verfahren kann der anfängliche Matrizensatz so ausgebildet
sein, dass das Pulver gleichmäßig in die
Form gegossen wird, und der zweite Teil der Matrize einen vertieften
Mittelteil aufweist. Wenn Druck auf den zweiten Teil der Matrize
aufgebracht wird, wird auf den Randbereich des Sinters ein höherer Druck
aufgebracht, als auf den Mittelteil. Wenn es wie oben gebrannt wird,
weist das erzeugte Sinterelement einen Gasdurchlässigen Mittelteil 35 und
dichtere Randbereiche 36 auf, die weniger empfänglich für ein Eindringen
sind.
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In
einem dritten Verfahren kann der Sinter aus zwei Pulvern hergestellt
sein, einem grobkörnigem
Pulver in der Mitte und einem feinen Pulver zum Rand hin. Um den
Sinter zu bilden, wird ein einheitlicher Druck ausgeübt. Durch
die Eigenschafen der kleineren Korngrößen des feinen Pulvers wird
ein dichterer und undurchlässigerer
Sinter an der Außenseite
erzeugt. Indem ein Sinterelement mit einem dichteren Randbereich
erzeugt wird, wird die Notwendigkeit für einen Stützring vermieden, und Sinterelemente
können
günstiger
erzeugt werden.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann das Sinterelement erzeugt werden, indem eine größere Dicke
der pulverisierten Metallpartikel im Randbereich angeordnet wird,
so dass beim fertigen Artikel die Dicke des Elements einheitlich
mit dem Randbereich ist, der eine größere Dichte als die Mitte aufweist.