EP0912888A1 - Sensorelementdichtung für einen gasmessfühler - Google Patents

Sensorelementdichtung für einen gasmessfühler

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Publication number
EP0912888A1
EP0912888A1 EP98933531A EP98933531A EP0912888A1 EP 0912888 A1 EP0912888 A1 EP 0912888A1 EP 98933531 A EP98933531 A EP 98933531A EP 98933531 A EP98933531 A EP 98933531A EP 0912888 A1 EP0912888 A1 EP 0912888A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
seal
sensor according
sensor
reference gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98933531A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Weyl
Johann Wehrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19751424A external-priority patent/DE19751424A1/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0912888A1 publication Critical patent/EP0912888A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Definitions

  • the invention relates to a sensor according to the preamble of the main claim.
  • a sensor is known from US Pat. No. 5,467,636, in which a planar sensor element is fixed in a gas-tight manner in a ceramic molded part by means of a sensor element seal.
  • the sensor element seal is a glass seal which is provided as a glass melt in a depression made on the exhaust-side molded ceramic part and surrounds the sensor element and thereby separates a reference gas space from a measurement gas space.
  • the sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a secure, gas-tight and gasoline-tight seal of the sensor element is achieved.
  • the sensor has a simple assembly technology and is therefore inexpensive to manufacture.
  • the installation space available on the reference gas side is used to arrange the sensor element seal as far away from the hot exhaust gas as possible.
  • the different coefficients of thermal expansion of the sensor element seal and solid electrolyte material of the sensor element and the reaction behavior of the material of the sensor element seal with the solid electrolyte material of the sensor element have less effect, so that a crack-free and secure sensor element seal is created over high temperatures and temperature changes.
  • a particularly gas-tight and gasoline-proof sensor element seal is achieved by a glass seal, the glass seal being introduced into the receptacle as a sealing glass.
  • a thermal insulating part which is arranged between the ceramic molded part and the glass melt and is made of a poorly heat-conducting material. It has been found to be expedient to use a presintered steatite ring which is deformed into a powder pack under the action of pressure.
  • An expedient embodiment which enables the use of a preassembled subassembly made of ceramic molded part, sensor element, inner metal sleeve and glass seal further in that a further pre-sintered steatite ring is used between the ceramic molding and the housing, which fixes the ceramic molding in the housing by compression.
  • a further advantageous embodiment with a preassembled module is possible by pre-fixing the sensor element in the housing.
  • the sensor element Before the sensor element seal is manufactured, the sensor element is fixed by means of a powder pack formed between two ceramic molded parts.
  • the powder seal acts simultaneously as an insulator with regard to the heat conduction that occurs during the production of the glass melt and as an additional primary seal.
  • the seal arrangement consisting of sensor element seal and powder pack thus forms a double-acting seal, which is additionally advantageous for the continuous operation of the
  • a further reduction in the influence of the thermal expansion coefficients of the solid electrolyte material of the sensor element and the sealing glass is possible by inserting a ceramic molded part surrounding the sensor element into the melting glass, which has a thermal expansion coefficient that largely corresponds to the solid electrolyte material of the sensor element.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a sensor according to the invention
  • Figure 2 shows a section of the Sensor according to the invention in a sectional view according to a second embodiment
  • Figure 3 is a sectional view of a sensor element seal according to a third embodiment
  • Figure 4 is a sectional view of a sensor element seal according to a fourth embodiment.
  • the sensor shown in Figure 1 is an electrochemical gas sensor for determining the oxygen content in exhaust gases from internal combustion engines.
  • the sensor has a metallic housing 10 in which a plate-shaped sensor element 12 with an end section 13 on the measuring gas side and a reference gas chamber side
  • End portion 14 is arranged.
  • the housing 10 is inserted into an exhaust pipe, not shown, by means of a thread.
  • a longitudinal bore 16 with, for example, a shoulder-shaped annular surface 17 is also formed in the housing 10.
  • a ceramic molded part 20 with a passage 21 for the sensor element 12 is arranged in the longitudinal bore 16.
  • the ceramic molded part 20 has an end face 22 on the measurement gas side and an end face 23 on the reference gas space side.
  • the end face 22 on the measuring gas side is designed, for example, with a conical ring surface 24 which rests on the shoulder-shaped ring surface 17.
  • the end section 13 on the measuring gas side protruding from the housing extends into a measuring gas space 52 and is, for example, surrounded by a double-walled protective tube 27 with gas inlet and gas outlet openings 28.
  • the end section 14 of the sensor element 12 on the reference gas space side is covered by an outer metal sleeve 35 Surround housing part on the reference gas chamber side, which has a tubular opening 36 in which a cable bushing 38 made of, for example, PTFE is arranged.
  • the cable bushing 38 is caulked gas-tight with the outer metal sleeve 35.
  • the outer metal sleeve 35 is gas-tightly welded to the housing 10 by means of a circumferential weld seam 39.
  • a reference gas space 53 is formed within the outer metal sleeve 35.
  • air is passed into the reference gas space 53 as a reference atmosphere for a reference electrode (not shown) of the sensor element 12, for example through the cable duct 38.
  • the sensor element 12 also has contacts, not shown in more detail, which are contacted by means of a contact plug 30 with the connecting cables 32.
  • An inner metal sleeve 40 has a receptacle 41 encompassing the sensor element 12 with a side wall 45 and a cylinder wall 42.
  • the receptacle 41 is pot-shaped with a bottom 44.
  • An opening 46 is made in the bottom 44 for the passage of the sensor element 12.
  • the receptacle 41 is made from the shape of the inner metal sleeve 40 by means of an inward indentation. This embodiment enables the production of the inner metal sleeve 40 with the bottom 44 as an integral deep-drawn part.
  • the inner metal sleeve 40 is placed with the bottom 44 of the receptacle 41 on the end face 23 of the ceramic molded part 20 on the reference gas space side and is gas-tightly welded to the housing 10 on the cylinder wall 32 by means of a peripheral weld 49.
  • the sensor element seal 19 consists of a glass seal 50.
  • a sealing glass such as, for example, a Li-Al silicate glass or Li-Ba-Al silicate glass, is suitable as the glass seal 50.
  • Additives can be added to the melting glass, which improve the flow behavior of the glass melt. Powdery materials such as copper, aluminum, iron, brass, graphite, bonitrite, 0S2 or a mixture of these materials can also be used as additives for plasticizing the glass seal 50 during the joining process. For example, Li carbonate, Li soaps, borax or boric acid are used as fluxes for the glass seal 50.
  • compensating fillers such as Al nitrite, Si nitrite, Zr tungsten or a mixture of these substances is suitable for adapting the thermal expansion.
  • the opening 46 in the metal sleeve 40 for carrying out the sensor element 12 is expediently designed to be almost gap-free, so that no glass of the glass seal 50 can penetrate through the opening 46 during the melting process.
  • the welding of the inner metal sleeve 40 expediently takes place under the action of pressure on it, so that the ceramic molded part 20 with the annular surface 24 is pressed onto the annular shoulder 17.
  • a sealing effect does not necessarily have to exist between the shoulder-shaped ring surface 17 and the ring surface 24 to adjust.
  • the sealing effect is realized by the weld seam 49.
  • FIG. 1 A second exemplary embodiment of the sensor according to the invention can be seen in FIG. With this
  • the receptacle 41 of the inner metal sleeve 40 is designed without a bottom, so that the end face 23 on the reference gas space side is exposed within the receptacle 41.
  • a thermal one is located in the receptacle 41 on the end face 23 on the reference gas space side
  • the thermal insulating body 72 is, for example, a powder pack, which is produced, for example, by a steatite ring pre-sintered at approximately 650 °, which is compressed by a pressing force before the glass is melted in, so that the Steatite ring transformed into powder.
  • the powder pack also serves to pre-fix the sensor element 12 in the ceramic molded part 20.
  • the inner metal sleeve 40 is also shaped such that it comprises a collar 75 formed on the housing 10.
  • the outer metal sleeve 35 is placed over it, so that the inner metal sleeve 40 and the outer metal sleeve 35 can be welded gas-tight to the housing 10 with a single weld seam 76.
  • This embodiment does not require any axial pressure on the inner metal sleeve 40 during the welding process, because the ceramic molded part 20 has previously been pressed into the longitudinal bore 16 and is thereby fixed.
  • the use of a thermal insulating body 72 in the form of a powder pack is also possible in the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • the longitudinal bore 16 is also stepped with a large bore 61 and a small bore 62 and a flat annular surface 63 formed between the bores 61 and 62.
  • the ceramic molded part 20 is also of stepped design with a first cylinder 65 and a second cylinder 66 and an annular pressure surface 67 formed between the cylinders 65, 66.
  • the diameter of the first cylinder 65 is equal to the diameter of the large bore 61 and the diameter of the second cylinder 66 adapted to the diameter of the small bore 62, a largely small gap 68 being present between the second cylinder 66 and the inner wall of the small bore 62.
  • a powder seal 70 which can be produced in the same way as the powder pack of the thermal insulating body 72, the steatite ring necessary for this being pressed between the annular pressure surface 67 of the ceramic molded part 20 and the flat ring surface 63 of the housing 10.
  • the receptacle 41 has a cross section which is adapted to the cross section of the sensor element 12. In terms of production technology, this can be carried out without problems in an oval shape which creates a circumferential, largely uniform, small difference in distance between the sensor element 12 and the side wall 45 of the receptacle 41. As a result, a largely uniform distribution of stress in the sealing glass of the glass seal 50 is achieved.
  • FIG. 3 Sensor element seal is shown in Figure 3.
  • the thermal insulating body 72 is arranged in the receptacle 41 on the end face 23 of the ceramic molded part 20 on the reference gas space side.
  • A lies on the thermal insulating body 72 ceramic molding 80 with a passage 81 for the sensor element 12.
  • the molded part 80 is dimensioned such that an outer gap 83 is formed toward the side wall 45 of the receptacle 41 and an inner gap 84 is formed in the passage 81 toward the sensor element 12.
  • a glass melt 86 is introduced as a glass seal 50 into the columns 83, 84, so that the molded part 80 is melted into the receptacle 41. This arrangement forms the sensor element seal 19.
  • This embodiment offers the advantage that a suitable thermal expansion behavior for the sensor element seal 19 can be achieved by a suitable choice for the material of the ceramic molded part 80, for example made of ZrO 2 . This allows between sensor element 12 and molded part 80 and between molded part 80 and the inner metal sleeve 40
  • Gaps are selected that are favorable for an optimal seal.
  • the sealing glass for the glass melting 86 can be selected with a thermal expansion behavior adapted to the sensitive sensor element 12.
  • the sensor element 12 is fixed in the housing 10 by means of a powder pack 90.
  • a measuring gas-side ceramic molding 91 and a reference gas chamber-side ceramic molding 92 are arranged in the longitudinal bore 16 of the housing 10.
  • the inner metal sleeve 40 is placed over the reference gas space-side ceramic molded part 92.
  • a pre-pressed and pre-sintered steatite ring for example, is inserted between the two ceramic molded parts 91, 92, and is deformed into powder when the inner metal sleeve 40 is pressed onto the ceramic molded part 92 on the reference gas space, so that the powder pack 90 is formed.
  • the steatite powder presses against the sensor element 12 and the longitudinal bore 16.
  • the powder pack 90 simultaneously forms a primary seal for the sensor element 19 in the housing 10.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 shows a further embodiment of the sensor element seal 19 with a seal arrangement 89.
  • a lower powder seal 94, the glass seal 50, an upper powder seal is located one above the other in the cup-shaped receptacle 41 of the inner metal sleeve 40 95 and a ceramic sleeve 96 arranged.
  • the powder seals 94, 95 are used, as in the production of the powder pack 90, for example as pre-pressed and pre-sintered statite rings.
  • a thermoformable glass preform is inserted between the statite rings to produce the glass seal 50. When the glass preform is heated to the softening temperature of the glass used, a
  • the sealing arrangement 89 is pressed after the sensor element 12 has been fixed in the housing 10 by means of the powder pack 90. As a result, no assembly forces act on the sensor element seal 19 when the inner and outer metal sleeves 35, 40 are subsequently welded also be dispensed with, in which case the pressing force acts directly on the upper ring.
  • the described sealing arrangement 89 also has the advantage that when the glass seal 50 is melted or pressed, heat is decoupled in the direction of the sensitive part of the sensor element 12 and, in addition, a uniform pressure distribution is produced. As a result, the sensor element 12 is not excessively stressed in the area of the glass seal 50.

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Abstract

Es wird ein Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Der Meßfühler umfaßt ein in einem Gehäuse (10) mit einem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil (35) angeordnetes Sensorelement (12) und eine Sensorelementdichtung (19), die einen Referenzgasraum (53) hermetisch von einem Meßgasraum (52) trennt. Innerhalb des referenzgasraumseitigen Gehäuseteils (35) ist eine das Sensorelement (12) an einem Längsabschnitt umfassende Hülse (40) vorgesehen, die eine Aufnahme (41) für die Sensorelementdichtung (19) bildet.

Description

Sensσrelementdichtunσ für einen Gasmeßfühler
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Aus der US-PS 5,467,636 ist ein Meßfühler bekannt, bei dem ein planares Sensorelement in einem Keramikformteil mittels einer Sensorelementdichtung gasdicht fixiert ist. Die Sensorelementdichtung ist eine Glasdichtung, die als Glaseinschmelzung in eine am abgasseitigen Keramikformteil eingebrachte Vertiefung, die das Sensorelement umgibt, vorgesehen ist und dadurch einen Referenzgasraum von einem Meßgasraum trennt.
Ein weiterer Meßfühler ist aus der US-PS 4,596,132 bekannt, bei dem ein Sensorelement unmittelbar in einem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil eines metallischen Gehäuses mittels einer Sensorelementdichtung befestigt ist. Die Sensorelementdichtung wird von einer Glaseinschmelzung gebildet, die das referenzgasraumseitige Ende des Sensorelements zusammen mit den kontaktierten Anschlußkabeln einschließt. Das Sensorelement arbeitet dabei ohne Referenzatmosphäre. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine sichere, gasdichte und benzinfeste Abdichtung des Sensorelements erzielt wird. Der Meßfühler ist montagetechnisch einfach aufgebaut und ist insofern kostengünstig herstellbar. Der auf der Referenzgasseite zur Verfügung stehende Bauraum wird genutzt, um die Sensorelementdichtung möglichst entfernt vom heißen Abgas anzuordnen. Dadurch wirken sich die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sensorelementdichtung und Festelektrolytmaterial des Sensorelements sowie das Reaktionsverhalten des Materials der Sensorelementdichtung mit dem Festelektrolytmaterial des Sensorelements weniger aus, so daß bei hohen Temperaturen und Temperaturwechseln eine über die gesamte Anwendungsdauer rißfreie und sichere Sensorelementdichtung geschaffen wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Meßfühlers möglich. Eine besonders gasdichte und benzinfeste Sensorelementdichtung wird durch eine Glasdichtung erreicht, wobei die Glasdichtung als Einschmelzglas in die Aufnahme eingebracht wird. Den
Wärmefluß zur Glasdichtung hin noch weiter zu begrenzen, wird durch ein zwischen Keramikformteil und Glaseinschmelzung angeordnetes thermisches Isolierteil erreicht, das aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht. Als zweckmäßig hat sich dabei herausgestellt, einen vorgesinterten Steatitring einzusetzen, der unter Einwirkung eines Drucks zu einer Pulverpackung verformt wird. Eine zweckmäßige Ausführungsform, die eine Verwendung einer vormontierten Baugruppe aus Keramikformteil, Sensorelement, innerer Metallhülse und Glasdichtung ermöglicht, besteht ferner darin, daß zwischen Keramikformteil und Gehäuse ein weiterer vorgesinterter Steatitring eingesetzt wird, der durch Verdichten das Keramikformteil im Gehäuse fixiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung mit einer vormontierten Baugruppe ist durch eine Vorfixierung des Sensorelements im Gehäuse möglich. Dabei wird das Sensorelement vor der Herstellung der Sensorelementdichtung mittels einer zwischen zwei Keramikformteilen ausgebildeten Pulverpackung fixiert. Die Pulverdichtung wirkt gleichzeitig als Isolator bezüglich der bei der Herstellung der Glaseinschmelzung auftretenden Wärmeleitung und als zusätzliche Primärdichtung. Die Dichtungsanordnung aus Sensorelementdichtung und Pulverpackung bildet somit eine doppelt wirkende Dichtung, die sich zusätzlich günstig auf den Dauerbetrieb des
Meßfühlers auswirkt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht außerdem darin, daß auf die anschließend hergestellte Sensorelementdichtung keine Montagekräfte einwirken.
Eine weitere Reduzierung des Einflusses der thermischen Ausdehnungskoeffizenten des Festelektrolytmaterials des Sensorelements und des Einschmeizglases ist dadurch möglich, daß in das Einschmelzglas ein das Sensorelement umgebendes keramisches Formteil eingesetzt wird, welches einen mit dem Festelektrolytmaterial des Sensorelements weitestgehend übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist .
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Meßfühler, Figur 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Meßfühlers in Schnittdarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 3 eine Schnittdarstellung einer Sensorelementdichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und Figur 4 eine Schnittdarstellung einer Sensorelementdichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Figur 1 dargestellte Meßfühler ist ein elektrochemischer Gasmeßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Der Meßfühler hat ein metallisches Gehäuse 10, in dem ein plattchenformiges Sensorelement 12 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 13 und einem referenzgasraumseitigen
Endabschnitt 14 angeordnet ist. Das Gehäuse 10 wird mittels eines Gewindes in ein nicht dargestelltes Abgasrohr eingesetzt. Im Gehäuse 10 ist ferner eine Längsbohrung 16 mit beispielsweise einer schulterförmigen Ringfläche 17 ausgebildet.
In der Längsbohrung 16 ist ein Keramikformteil 20 mit einer Durchführung 21 für das Sensorelement 12 angeordnet. Das Keramikformteil 20 weist eine meßgasseitige Stirnfläche 22 und eine referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 auf. Die meßgasseitige Stirnfläche 22 ist beispielsweise mit einer konisch verlaufenden Ringfläche 24 ausgeführt, die auf der schulterförmigen Ringfläche 17 aufsitzt. Der aus dem Gehäuse 10 herausragende meßgasseitige Endabschnitt 13 reicht in einen Meßgasraum 52 hinein und ist beispielsweise von einem doppelwandigen Schutzrohr 27 mit Gasein- und Gasauslaßöffnungen 28 mit Abstand umgeben.
Der referenzgasraumseitige Endabschnitt 14 des Sensorelements 12 wird von einer äußeren Metallhülse 35 als referenzgasraumseitiges Gehauseteil umgeben, d e eine rohrformige Öffnung 36 aufweist, in der eine Kabeldurchführung 38 aus beispielsweise PTFE angeordnet ist. Die Kabeldurchführung 38 ist mit der äußeren Metallhülse 35 gasdicht verstemmt. Durch die Kabeldurchführung 38 sind
Anschlußkabel 32 gefuhrt. Die äußere Metallhülse 35 ist mit dem Gehäuse 10 mittels einer umlaufenden Schweißnaht 39 gasdicht verscnweißt. Innerhalb der äußeren Metallhülse 35 ist ein Referenzgasraum 53 ausgebildet. In den Referenzgasraum 53 wird beispielsweise Luft als Referenzatmosphare für eine nicht dargestellte Referenzelektrode des Sensorelements 12 beispielsweise αurch die Kabeldurchführung 38 geleitet. Am referenzgasraumseitigen Endabschnitt 14 hat das Sensorelement 12 ferner nicht naher dargestellte Kontakte, die mittels eines Kontaktsteckers 30 mit den Anschlußkabeln 32 kontaktiert sind.
Eine innere Metallhülse 40 weist eine das Sensorelement 12 umgreifende Aufnahme 41 mit einer Seitenwand 45 und einer Zylinderwand 42 auf. Gemäß dem m Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 41 topfformig mit einem Boden 44 ausgebildet. Im Boden 44 ist eine Öffnung 46 zur Durchfuhrung des Sensorelements 12 eingebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 41 aus der Form der inneren Metallhülse 40 durch eine nach innen weisende Einstülpung ausgef hrt. Diese Ausführung ermöglicht die Herstellung der inneren Metallhülse 40 mit Boden 44 als emstuckiges Tiefziehteil . Die innere Metallhülse 40 ist mit dem Boden 44 der Aufnahme 41 auf die referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 des Keramikformteils 20 aufgesetzt und an der Zylinderwand 32 mit dem Gehäuse 10 mittels einer umlaufenden weiteren Schweißnaht 49 gasdicht verschweißt. In der Aufnahme 41 befindet sich eine Sensorelementdichtung 19, die eine hermetische Trennung des Referenzgasraumes 53 vom Meßgasraum 52 realisiert. Gemäß einem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel besteht die Sensorelementdichtung 19 aus einer Glasdichtung 50.
Als Glasdichtung 50 eignet sich ein Einschmelzglas, wie beispielsweise ein Li-Al-Silicatglas oder Li-Ba-Al- Silicatglas. Dem Einschmelzglas können Zusatzstoffe beigegeben werden, durch die eine Verbesserung des Fließverhaltens der Glasschmelze erzielt wird. Als Zusatzstoffe können zur Plastifizierung der Glasdichtung 50 beim Fügeprozeß ferner pulverförmige Stoffe wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Messing, Graphit, Bonitrit, 0S2 oder ein Gemisch dieser Stoffe eingesetzt werden. Als Flußmittel für die Glasdichtung 50 werden beispielsweise Li-Carbonat, Li- Seifen, Borax oder Borsäure verwendet. Zur Anpassung der thermischen Ausdehnung eignet sich die Zugabe von Ausgleichsfüllstoffen, wie beispielsweise AI-Nitrit, Si- Nitrit, Zr-Wolframat oder ein Gemisch dieser Stoffe. Es ist aber genauso denkbar, anstelle der Glaseinschmelzung ein anderes einschmelzbares Material zu verwenden, wie beispielsweise ein Metall-Lot. Die Öffnung 46 in der Metallhülse 40 zur Durchführung des Sensorelements 12 ist dabei zweckmäßigerweise annähernd spaltfrei ausgebildet, so daß durch die Öffnung 46 kein Glas der Glasdichtung 50 beim EinschmelzVorgang dringen kann.
Das Verschweißen der inneren Metallhülse 40 geschieht zweckmäßigerweise unter Einwirkung eines Drucks auf dieselbe, so daß das Keramikformteil 20 mit der Ringfläche 24 auf die ringförmige Schulter 17 gedrückt wird. Eine Dichtwirkung muß sich jedoch zwischen der schulterförmigen Ringfläche 17 und der Ringfläche 24 nicht zwingend einstellen. Die Dichtwirkung wird von der Schweißnaht 49 realisiert .
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßfühlers geht aus Figur 2 hervor. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 41 der inneren Metallhülse 40 ohne Boden ausgeführt, so daß die referenzgasraumseitige Stirnfläche 23 innerhalb der Aufnahme 41 freiliegt. In der Aufnahme 41 befindet sich auf der referenzgasraumseitigen Stirnfläche 23 ein thermischer
Isolierkörper 72 mit einer schlechten Wärmeleitung. Über dem thermischen Isolierkörper 72 liegt die Glasdichtung 50. Der thermischer Isolierkörper 72 ist beispielsweise eine Pulverpackung, die zum Beispiel durch einen bei ca. 650° vorgesinterten Steatitring hergestellt wird, der vor dem Einbringen der Glaseinschmelzung durch eine Preßkraft verdichtet wird, so daß sich der Steatitring zu Pulver umformiert. Die Pulverpackung dient dabei gleichzeitig zur Vorfixierung des Sensorelements 12 im Keramikformteil 20.
Die innere Metallhülse 40 ist bei der Ausführungsfσrm gemäß Figur 2 außerdem derart geformt, daß sie einen am Gehäuse 10 ausgebildeten Bund 75 umfaßt. Darüber ist die äußere Metallhülse 35 gestülpt, so daß die innere Metallhülse 40 und die äußere Metallhülse 35 mit einer einzigen Schweißnaht 76 am Gehäuse 10 gasdicht verschweißt werden können. Diese Ausführung erfordert keinen Axialdruck auf die innere Metallhülse 40 während des Schweißvorgangs, denn das Keramikformteil 20 ist vorher in die Längsbohrung 16 eingepreßt worden und ist dadurch fixiert. Der Einsatz eines thermischen Isolierkörpers 72 in Form einer Pulverpackung ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur l möglich.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist ferner die Längsbohrung 16 abgestuft mit einer großen Bohrung 61 und einer kleinen Bohrung 62 und einer zwischen den Bohrungen 61 und 62 ausgebildeten planen Ringfläche 63 ausgeführt. Das Keramikformteil 20 ist ebenfalls stufenförmig ausgeführt mit einem ersten Zylinder 65 und einem zweiten Zylinder 66 und einer zwischen den Zylindern 65, 66 ausgebildeten ringförmigen Druckfläche 67. Der Durchmesser des ersten Zylinders 65 ist an den Durchmesser der großen Bohrung 61 und der Durchmesser des zweiten Zylinders 66 an den Durchmesser der kleinen Bohrung 62 angepaßt, wobei zwischen dem zweiten Zylinder 66 und der Innenwand der kleinen Bohrung 62 ein weitestgehend geringfügiger Spalt 68 vorliegt. In der Längsbohrung 16 befindet sich ferner eine Pulverdichtung 70, die in gleicher Weise wie die Pulverpackung des thermischen Isolierkörpers 72 hergestellt werden kann, wobei der dazu notwendige Steatitring zwischen der ringförmigen Druckfläche 67 des Keramikformteil 20 und der ebenen Ringfläche 63 des Gehäuses 10 verpreßt wird.
Eine weitere Ausführungsform für die Ausbildung der inneren Metallhülse 40 besteht darin, daß die Aufnahme 41 eine an den Querschnitt des Sensorelements 12 angepaßten Querschnitt aufweist. Fertigungstechnisch problemlos ausführbar ist dabei eine ovale Form, die einen umlaufenden, weitgehend gleichmäßigen geringen Abstandsunterschied zwischen dem Sensorelement 12 und der Seitenwand 45 der Aufnahme 41 schafft. Dadurch wird eine weitestgehend gleichmäßige Ξpannungsverteilung im Einschmelzglas der Glasdichtung 50 erreicht .
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Ausbildung einer
Sensorelementdichtung geht aus Figur 3 hervor. Dort ist, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, in der Aufnahme 41 auf der referenzgasraumseitigen Stirnfläche 23 des Keramikformteils 20 der thermische Isolierkörper 72 angeordnet. Auf dem thermischen Isolierkörper 72 liegt ein keramisches Formteil 80 mit einer Durchführung 81 für das Sensorelement 12 auf. Das Formteil 80 ist dabei so dimensioniert, daß zur Seitenwand 45 der Aufnahme 41 hin ein äußerer Spalt 83 und in der Durchführung 81 zum Sensorelement 12 hin ein innerer Spalt 84 ausgebildet wird. In die Spalte 83, 84 ist eine Glaseinschmelzung 86 als Glasdichtung 50 eingebracht, so daß das Formteil 80 in der Aufnahme 41 eingeschmolzen ist. Diese Anordnung bildet die Sensorelementdichtung 19. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß durch eine geeignete Wahl für das Material des keramischen Formteils 80, z.B. aus Zr02 , ein an das Sensorelement 12 angepaßtes thermisches Ausdehnungsverhalten für die Sensorelementdichtung 19 erzielbar ist. Dadurch können zwischen Sensorelement 12 und Formteil 80 sowie zwischen Formteil 80 und der inneren Metallhülse 40
Spaltmaße gewählt werden, die für eine optimale Dichtung günstig sind. Außerdem kann dabei das Einschmelzglas für die Glaseinschmelzung 86 mit einem an das empfindliche Sensorelement 12 angepaßten thermischen Ausdehnungsverhalten gewählt werden.
Bei einem in Figur 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 12 mittels einer Pulverpackung 90 im Gehäuse 10 fixiert. Dazu ist in der Längsbohrung 16 des Gehäuses 10 ein meßgasseitiges Keramikformteil 91 und ein referenzgasraumseitiges Keramikformteil 92 angeordnet. Über das referenzgasraumseitige Keramikformteil 92 ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel mit einem einzigen Keramikformteil in Figur 1, die innere Metallhülse 40 gestülpt. Zwischen den zwei Keramikformteilen 91, 92 wird beispielsweise ein vorgepreßter und vorgesinterter Steatitring eingesetzt, der eim Aufpressen der inneren Metallhülse 40 auf das referenzgasraumseitige Keramikformteil 92 zu Pulver umformiert wird, so daß sich die Pulverpackung 90 ausbildet. Dabei preßt sich das Steatitpulver am Sensorelement 12 und an der Längsbohrung 16 an. Dadurch wird das Sensorelement 16 im Gehäuse 10 zumindest vorfixiert. Die Pulverpackung 90 bildet gleichzeitige im Gehäuse 10 eine Primärdichtung für das Sensorelement 19 aus.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensorelementdichtung 19 mit einer Dichtungsanordnung 89. Bei dieser Ausführungsform ist in die topfförmige Aufnahme 41 der inneren Metallhülse 40 übereinanderliegend eine auf dem referenzgasraumseitigen Keramikformteil 92 aufliegende, untere Pulverdichtung 94, die Glasdichtung 50, eine obere Pulverdichtung 95 und eine Keramikhülse 96 angeordnet. Die Pulverdichtungen 94, 95 werden, wie bei der Herstellung der Pulverpackung 90, beispielsweise als vorgepreßte und vorgesinterte Statitringe eingesetzt. Zur Herstellung der Glasdichtung 50 wird ein warmverformbare Glasvorform zwischen die Statitringen eingesetzt. Bei Erwärmung der Glasvorform auf die Erweichungstemperatur des verwendeten Glases wird eine
Preßkraft auf die Keramikhülse 96 aufgebracht. Dabei werden die Statitringe zu den Pulverdichtungen 94, 95 analog der Herstellung der Pulverpackung 90 umformiert. Gleichzeitig wird die warmverformbare Glasvorform zur Glasdichtung 50 verpreßt.
Das Verpressen der Dichtunsganordnung 89 erfolgt nach der Fixierung des Sensorelements 12 im Gehäuse 10 mittels der Pulverpackung 90. Dadurch wirken keine Montagekräf e auf die Sensorelementdichtung 19 beim späteren Verschweißen der inneren und äußeren Metallhülsen 35, 40. Auf die als Preßstempel wirkende Keramikhülse 96 kann aber auch verzichtet werden, wobei dann die Preßkraft unmittelbar auf den oberen Statitring einwirkt. Die beschriebene Dichtungsanordnung 89 hat außerdem den Vorteil, daß beim Einschmelzen oder Verpressen der Glasdichtung 50 eine Wärmeentkopplung in Richtung des sensitiven Teils des Sensorelements 12 erfolgt und zusätzlich eine gleichmäßige Druckverteilung entsteht. Dadurch wird das Sensorelement 12 im Bereich der Glasdichtung 50 nicht über die Maßen belastet.
Das Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind beliebige
Kombinationen von Pulverpackungen und Pulverdichtungen mit einer oder mit mehreren Glasdichtungen möglich.

Claims

Ansprüche
1. Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit in einem metallischen Gehäuses mit einem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil angeordneten Sensorelement und mit einer Sensorelementdichtung, die einen Referenzgasraum hermetisch von einem Meßgasraum trennt, wobei der Referenzgasraum im wesentlichen vom referenzgasraumseitigen Gehäuseteil umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des referenzgasraumseitigen Gehäuseteils (35) eine das Sensorelement (12) an einem Längsabschnitt umfassende Hülse (40) vorgesehen ist, die eine Aufnahme (41) für die Sensorelementdichtung (19) bildet.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (40) mit dem referenzgasraumseitigen Gehäuseteil (35) gasdicht verbunden ist.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (10) ein Keramikformteil (20, 92) mit einer in den Referenzgasraum (53) weisenden Stirnfläche (23) angeordnet ist und daß die Aufnahme (41) die Stirnfläche (23) umfaßt, derart, daß die Stirnfläche (23) einen Boden für die Aufnahme (41) bildet.
4. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (10) ein Keramikformteil (20, 92) mit einer in den Referenzgasraum (53) weisenden Stirnfläche (23) angeordnet ist und daß die Aufnahme (41) topfförmig mit einem Boden (44) mit einer Aussparung (46) zur Durchführung des Sensorelements (12) ausgeführt ist.
5. Meßfühler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelementdichtung (19) zumindest eine Glasdichtung (50) enthält.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Glasdichtung (50) mindestens ein thermisches Isolierteil (72, 94) vorgesehen ist, das meßgasraumsei ig unterhalb der Glasdichtung (50) angeordnet ist.
7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Isolierteil (72) eine zusätzliche Pulverdichtung bildet.
8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasdichtung (50) zwischen mindestens zwei
Pulverdichtungen (94, 95) angeordnet ist.
9. Meßfühler nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , daß referenzgasraumseitig über der äußeren Pulverdichtung (95) ein keramisches Formteil (96) aufliegt.
10. Meßfühler nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverdichtung (72, 94, 95) als vergepreßter keramischer Ring eingesetzt und unter der Einwirkung einer Preßkraft zu Pulver umformierbar ist.
11. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Glasdichtung (50) ein keramisches Formteil (80) mit einer Durchführung (81) für das Sensorelement (12) eingeschmolzen ist.
12. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (12) im Gehäuse 10 mittels einer zusätzlichen Pulverpackung (90) fixiert ist.
13. Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpackung (90) zwischen einem ersten Keramikformteil (91) und einem zweiten Keramikformteil (92) im verpreßten Zustand angeordnet ist .
14. Meßfühler nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpackung (90) aus einem vorgepreßten und vorgesinterten Steatitring herstellbar ist, derart, daß sich beim Verpressen der Steatitring zu Pulver umformiert .
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