EP0923723A1 - Dichtung für ein sensorelement eines messfühlers - Google Patents

Dichtung für ein sensorelement eines messfühlers

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EP0923723A1
EP0923723A1 EP97953669A EP97953669A EP0923723A1 EP 0923723 A1 EP0923723 A1 EP 0923723A1 EP 97953669 A EP97953669 A EP 97953669A EP 97953669 A EP97953669 A EP 97953669A EP 0923723 A1 EP0923723 A1 EP 0923723A1
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EP
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sensor according
ceramic
seal
glass
sensor
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EP97953669A
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Inventor
Karl-Hermann Friese
Helmut Weyl
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • 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 feedthrough of a molded ceramic part by means of a sealing element.
  • the ceramic molded part has a recess on the end face facing away from the exhaust gas, which surrounds the feedthrough and into which a glass melt is introduced.
  • the melted glass encloses the sensor element in a gas-tight manner at this point and creates a gas-tight connection to the ceramic molded part.
  • the glass melting is the only sealing element that realizes the seal between the sensor element and the molded ceramic part.
  • the sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that a pre-fixation of the sensor element in the ceramic molded body can be realized when producing the glass melt by means of the press-in additional seal, the pre-fixation being retained even during the joining process with the associated melting of the glass package. Furthermore the pressed-in additional seal relieves the strain on the sensor element / glass melt joint at cooling after the joining process because of the then only radially acting stresses on the glass seal and upon thermal and mechanical stress on the sensor, particularly when the sensor is shaken. In addition, the additional seal during the melting process prevents the flow of glass into the front area of the sensor element, which is thermally highly stressed when the sensor is used.
  • a powder pack made of graphite or graphite-containing material as the additional seal, since graphite is not or only partially wetted by molten glass.
  • Powder packs made of steatite or similar ceramic materials which are preferably pre-sintered or pressed in such a way that no disruptive reactions between the powder pack and the sealing glass can occur, are inexpensive.
  • Another embodiment of the additional seal consists in the use of ceramic foils, for example made of Al2O3 and / or Zr0 2 , which are introduced into the depression of the ceramic molded body and pressed there, so that the sensor element is pre-fixed in the ceramic molded body.
  • Li-Al-silicate glass or Li-Ba-Al-silicate glass have proven to be suitable glasses for melting down the glass.
  • An electrochemical sensor for determining the oxygen content in exhaust gases from internal combustion engines has a section 10 shown on the measuring gas side and a not shown, well-known connection-side section. Means for electrically contacting the sensor element 26 are accommodated in the connection-side section.
  • the measuring sensor has a metallic housing 12 in which a plate-shaped sensor element 26 with an end section 27 on the measuring gas side and an end section 28 on the connection side is arranged.
  • the housing 12 is designed with a thread 13 as a fastening means for installation in an exhaust pipe, not shown.
  • a longitudinal bore 15 with a shoulder-shaped annular surface 16 is also formed in the housing 12.
  • a ceramic molded part 20 is inserted with an end face 21 on the measuring gas side and an end face 22 on the connection side, as well as with an axially extending passage 24.
  • the ceramic molded part 20 consists, for example, of Al 2 O 3 and rests on the sealing ring 18 with its end face 21 on the measuring gas side.
  • a recess 30 surrounding the leadthrough 24 is introduced into the connection-side end face 22 of the ceramic molded part 20.
  • a seal 31 which holds the sensor element 26 gas-tight in the ceramic molded part 20.
  • the seal 31 has one powdery sealing pack 32 and a glass melt 33, the glass melt 33 being arranged above the seal pack 32.
  • the sealing packing 32 consists, for example, of steatite,
  • Graphite, boron nitride or a mixture of these substances for the production of the powdery sealing packing 32, for example, a pre-sintered and / or compressed molded body is produced from the material mentioned, which is inserted into the recess 30.
  • the molded body is deformed into its powder components.
  • the powder rests on the sensor element 26 and on the wall of the depression 30.
  • the sensor element 26 is pre-fixed in the bushing 24 and, at the same time, a first seal is achieved.
  • An alternative to the production of the sealing packing 32 is that a ceramic film made of, for example, Al 2 O 3 or ZrO 2 is inserted into the depression 30 in the green state and sintered in at 80 ° C., for example, under the influence of a pressing force.
  • the action of the press-in force also produces a powder pack during sintering, so that the ceramic powder contacts the wall of the depression 30 and the sensor element 26.
  • the glass melt consists for example of a Li-Al-silicate or a Li-Ba-Al-silicate glass.
  • the glass melt is produced in that glass powder or glass grains are introduced into the depression 30 after the powdery sealing pack 32 has been produced. In this state, the sealing arrangement is heated to the melting temperature of the glass used. The glass powder or glass grains fuse and connect to the wall of the depression 30 and the sensor element 26. This makes the gas-tight and gas-tight Seal 31 of the sensor element 26 realized in the ceramic molding.
  • a gas-tight and gasoline-tight seal between the ceramic molding 20 and the housing 12 is by means of
  • the metal sleeve 40 has, for example, evenly distributed a plurality of claws 37 pointing inwards which engage in notches 38 formed in the housing 12. However, it is also conceivable to weld the metal sleeve 40 to the housing 12.
  • the measuring gas-side end section 27 of the sensor element 26 protrudes from the housing 11 and is surrounded by a protective tube 40.
  • the protective tube has a plurality of gas inlet and gas outlet openings 41.
  • connection contacts 43 are formed on the sensor element 26, the connection contacts 43 are contacted with a connection plug, not shown, and provided with connection cables.
  • the connection-side end section 28 protruding from the housing 11 is also surrounded by an encapsulation, not shown, which surrounds the connector plug and protects the end section 28 from environmental influences.
  • sealing arrangement according to the invention is not limited to the sealing of solid electrolyte sensor elements. It is also suitable for other temperature-stable and gas-tight seals between ceramic bodies.

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Abstract

Es wird ein Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, bei dem ein plättchenförmiges Sensorelement (26) in einem Keramikformteil (20), das in einem metallischen Gehäuse (12) angeordnet ist, mittels einer Dichtung (31) gasdicht eingesetzt ist. Die Dichtung (31) besteht aus einer pulverförmigen Dichtpackung (32) und einer darüberliegenden Glaseinschmelzung (33). Mit der Dichtung (31) wird eine gasdichte und benzinfeste Fixierung des Sensorelements (26) im Keramikformteil (20) realisiert.

Description

Dichtung für ein Sensorelement eines Meßfühlers
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger Meßfühler ist aus der US- PS 5 467 636 bekannt, bei dem ein planares Sensorelement in einer Durchführung eines Keramikformteils mittels eines Dichtelements gasdicht fixiert ist. Das Keramikformteil hat an der dem Abgas abgewandten Stirnfläche eine Vertiefung, die die Durchführung umgibt und in die eine Glaseinschmelzung eingebracht ist. Die Glaseinschmelzung umschließt gasdicht das Sensorelement an dieser Stelle und stellt eine gasdichte Verbindung zum Keramikformteil her. Die Glaseinschmelzung ist das einzige Dichtelement, das die Dichtung zwischen Sensorelement und Keramikformteil realisiert .
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mittels der einpreßbaren Zusatzdichtung eine Vorfixierung des Sensorelements im Keramikformkörper beim Herstellen der Glaseinschmelzung realisierbar ist, wobei die Vorfixierung auch während des Fügeprozesses mit dem damit verbundenen Aufschmelzen des Glaspakets erhalten bleibt. Darüberhinaus erfolgt durch die eingepreßte Zusatzdichtung eine Entlastung der Sensorelement/Glaseinschmelzung-Fügestelle bei Abkühlrung nach dem Fügeprozeß wegen der dann nur noch radial einwirkenden Spannungen der Glasdichtung sowie bei thermischer und mechanischer Beanspruchung des Meßfühlers, im besonderen Maße bei Schüttelbeanspruchung des Meßfühlers . Außerdem verhindert die Zusatzdichtung beim Einschmelzprozeß das Vordringen von Glasfluß in den vorderen, beim Sensoreinsatz thermisch hoch beanspruchten Bereich des Sensorelements.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, als Zusatzdichtung eine Pulverpackung aus Graphit oder graphithaltigem Material zu verwenden, da Graphit von schmelzflüssigem Glas nicht oder nur partiell benetzt wird. Kostengünstig sind Pulverpackungen aus Steatit oder ähnlichen keramischen Materialien, die vorzugsweise so vorgesintert bzw. vorgepreßt sind, daß keine störenden Reaktionen zwischen Pulverpackung und Einschmelzglas auftreten können. Eine weitere Ausführungsform der Zusatzdichtung besteht in der Verwendung von keramischen Folien, beispielsweise aus AI2O3 und/oder Zr02 , die in die Vertiefung des Keramikformkörpers eingebracht und dort verpreßt werden, so daß eine Vorfixierung des Sensorelements im Keramikformkörper entsteht. Als zweckmäßige Gläser für die Glaseinschmelzung haben sich Li-Al-Silikatglas oder Li- Ba-Al-Silikatglas herausgestellt .
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch einen meßgasseitigen Teil eines elektrochemischen Meßfühlers .
Ausführungsbeispiel
Ein elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren weist einen dargestellten meßgasseitigen Abschnitt 10 und einen nicht dargestellten, hinlänglich bekannten anschlußseitigen Abschnitt auf. Im anschlußseitigen Abschnitt sind Mittel zum elektrischen Kontaktieren des Sensorelements 26 untergebracht .
Der Meßfühler hat ein metallisches Gehäuse 12, in dem ein plättchenförmiges Sensorelement 26 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 27 und einem anschlußseitigen Endabschnitt 28 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 ist mit einem Gewinde 13 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ausgeführt. Im Gehäuse 12 ist ferner eine Längsbohrung 15 mit einer schulterförmigen Ringfläche 16 ausgebildet. Auf der schulterförmigen Ringfläche 16 befindet sich beispielsweise ein metallischer Dichtring 18.
In die Längsbohrung 15 ist ein Keramikformteil 20 mit einer meßgasseitigen Stirnfläche 21 und einer anschlußseitigen Stirnfläche 22 sowie mit einer axial verlaufenden Durchführung 24 eingesetzt. Das Keramikformteil 20 besteht beispielsweise aus AI2O3 und liegt mit seiner meßgasseitigen Stirnfläche 21 auf dem Dichtring 18 auf.
In der anschlußseitigen Stirnfläche 22 des Keramikformteils 20 ist eine die Durchführung 24 umgebende Vertiefung 30 eingebracht. In der Vertiefung 30 befindet sich eine Dichtung 31, die das Sensorelement 26 gasdicht im Keramikformteil 20 hält. Die Dichtung 31 weist eine pulverförmige Dichtpackung 32 und eine Glaseinschmelzung 33 auf, wobei die Glaseinschmelzung 33 über der Dichtpackung 32 angeordnet ist.
Die Dichtpackung 32 besteht beispielsweise aus Steatit,
Graphit, Bornitrid oder aus einer Mischung dieser Stoffe. Zur Herstellung der pulverförmigen Dichtpackung 32 wird beispielsweise ein vorgesinterter und/oder vergepreßter Formkörper aus dem genannten Material herstellt, der in die Vertiefung 30 eingesetzt wird. Mittels einer auf den
Formkörper einwirkenden Einpreßkraft wird der Formkörper zu seinen Pulverbestandteilen verformt. Beim Verformen legt sich das Pulver an das Sensorelement 26 und an die Wandung der Vertiefung 30 an. Dadurch wird das Sensorelement 26 in der Durchführung 24 vorfixiert und gleichzeitig eine erste Dichtung erzielt. Eine Alternative zur Herstellung der Dichtpackung 32 besteht darin, daß eine Keramikfolie aus beispielsweise AI2O3 oder Zr02 im grünen Zustand in die Vertiefung 30 eingelegt und unter Einwirkung einer Einpreßkraft bei beispielsweise 80° C eingesintert wird. Durch die Einwirkung der Einpreßkraft entsteht beim Einsintern ebenfalls eine Pulverpackung, so daß sich das Pulver der Keramik an die Wandung der Vertiefung 30 und an das Sensorelement 26 anlegt.
Die Glaseinschmelzung besteht beispielsweise aus einem Li- Al-Silikat- oder einem Li-Ba-Al-Silikat-Glas . Die Glaseinschmelzung wird dadurch hergestellt, daß Glaspulver oder Glaskörner nach dem Herstellen der pulverförmigen Dichtpackung 32 in die Vertiefung 30 eingebracht werden. In diesem Zustand wird die Dichtungsanordnung auf die Schmelztemperatur des verwendeten Glases erwärmt. Dabei verschmelzen die Glaspulver bzw. Glaskörner und verbinden sich mit der Wand der Vertiefung 30 und dem Sensorelement 26. Dadurch wird eine absolut gasdichte und benzinfeste Dichtung 31 des Sensorelements 26 im Keramikformteil realisiert .
Eine gasdichte und benzinfeste Abdichtung zwischen Keramikformteil 20 und Gehäuse 12 wird mittels des
Dichtrings 18 erzeugt, wobei das Keramikformteil 20 mittels einer Metallhülse 36 auf den Dichtring 18 gedrückt wird. Die Metallhülse 40 hat beispielsweise gleichmäßig verteilt mehrere, nach innen -weisende Krallen 37, die in am Gehäuse 12 eingeformten Einkerbungen 38 eingreifen. Es ist aber genauso denkbar, die Metallhülse 40 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen .
Der meßgasseitige Endabschnitt 27 des Sensorelements 26 ragt aus dem Gehäuse 11 heraus und ist von einem Schutzröhr 40 umgeben. Das Schutzrohr weist mehrere Gasein- und Gasauslaßöffnungen 41 auf.
Am anschlußseitigen Endabschnitt 28 sind am Sensorelement 26 Anschlußkontakte 43 ausgebildet, die Anschlußkontakte 43 werden mit einem nicht dargestellten und mit Anschlußkabeln versehenen Anschlußstecker kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 11 herausragende anschlußseitige Endabschnitt 28 ist ferner von einer nicht dargestellten Umkapselung umgeben, die den Anschlußstecker umgibt und den Endabschnitt 28 vor Umgebungseinflüssen schützt.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist nicht auf die Abdichtung von Festelektrolyt-Sensorelementen beschränkt. Sie ist ebenfalls für andere temperaturstabile und gasdichte Abdichtungen zwischen Keramikkörpern geeignet.

Claims

Ansprüche
1. Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des
Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in einer Längsbohrung eines metallischen Gehäuses angeordneten Kereramikformteil, in dem ein Sensorelement mittels einer Dichtung mit einer Glaseinschmelzung gasdicht aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (31) zusätzlich zur Glaseinschmelzung (33) mindestens eine pulverförmige Dichtpackung (32) aufweist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmige Dichtpackung (32) zwischen Keramikformteil (20) und Glaseinschmelzung (33) angeordnet ist.
3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Keramikformteil (20) eine Vertiefung (30) eingebracht ist, in der die pulverförmige Dichtpackung (32) und in direktem Kontakt mit der Dichtpackung (32) die Glaseinschmelzung (33) angeordnet sind.
4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (30) an einer dem Meßgas abgewandten
Stirnfläche ( 22) des Keramikformteils (20) angeordnet ist.
5. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmige Dichtpackung (32) aus einer Keramik besteht.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmige Dichtpackung (32) als Formkörper in die Vertiefung (30) einsetzbar ist und anschließend unter Einwirkung einer Einpreßkraft zu Pulver verformt wird.
7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper vorgesintert und/oder vorgepreßt ist.
8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Steatit, Graphit, Bornitrid AI2O3, Zr02 oder einer Mischung dieser Stoffe besteht.
9. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper als grüne Keramikfolie in die Vertiefung (30) einsetzbar ist, wobei die Verformung durch Warmpressen der Keramikfolie erzeugt wird.
10. Meßfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfolie aus AI2O3 oder Zrθ2 oder einem Gemisch dieser Stoffe besteht.
11. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaseinschmelzung (33) aus einem Li-Al-Silikatglas oder einem Li-Ba-Al-Silikatglas besteht.
EP97953669A 1997-02-25 1997-12-24 Dichtung für ein sensorelement eines messfühlers Withdrawn EP0923723A1 (de)

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