EP2002252A1 - Sensorelement zur bestimmung eines gasanteils mit verbesserten thermischen eigenschaften - Google Patents

Sensorelement zur bestimmung eines gasanteils mit verbesserten thermischen eigenschaften

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Publication number
EP2002252A1
EP2002252A1 EP07712176A EP07712176A EP2002252A1 EP 2002252 A1 EP2002252 A1 EP 2002252A1 EP 07712176 A EP07712176 A EP 07712176A EP 07712176 A EP07712176 A EP 07712176A EP 2002252 A1 EP2002252 A1 EP 2002252A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
heating
region
heat
element according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07712176A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Wahl
Lothar Diehl
Ralf Liedtke
Philipp Spies
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2002252A1 publication Critical patent/EP2002252A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • the present invention relates to a sensor element for determining a gas content in a measurement gas, which is used for example in a lambda probe for determining an oxygen content in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the sensor element according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that it has a very short warm-up time and still occur significantly reduced mechanical stresses in the sensor element.
  • the meandering path comprises a first and second outer Heating area and a first and second inner heating area.
  • the heating regions are preferably located in a plane in the sensor element. According to the invention, the heating power of the heater is thus used efficiently for heating, while still a uniform temperature distribution within the sensor element for reducing mechanical stresses is possible.
  • the first outer and the first inner heating regions are connected to one another via a first curved heating region.
  • the first and second inner heating regions are connected by a second arcuate heating region and the second inner and second outer heating regions are connected by a third arcuate heating region.
  • the two outer and the two inner heating regions are arranged substantially parallel to one another.
  • the two outer and the two inner heating regions are further preferably designed as straight heating regions.
  • the heating element preferably has different cross sections over its heating length formed by the inner and outer heating regions.
  • the introduced heating energy can be selectively introduced into desired areas depending on the cross section.
  • a cross section of the first and second inner heating regions is particularly preferably larger than a cross section of the first and second outer heating regions.
  • the changing cross sections of the heating element are preferably achieved by different widths of the heating areas.
  • a width of the first and second inner heating regions is greater than a width of the first and second outer heating regions.
  • the sensor element has a very low thermal mass (Vpc p : V:
  • the sensor element preferably comprises a heat-insulating region, which is arranged on a side of the heating element facing away from the electrodes of the sensor element.
  • the very low thermal mass at the side of the heating element facing away from the electrodes can be achieved by reducing the thickness and / or density of the non-functional carrier film of the heating element.
  • no carrier foil is particularly preferably arranged below the heating element, so that the gas mixture surrounding the sensor element can be used for thermal insulation.
  • Distance from the outer edge of the first outer heating region to the outer edge of the second outer heating region and j is a total width of the sensor element.
  • the heating element of the sensor element satisfies the condition that a ratio of the cross section of the outer heating regions to the inner heating regions is between 0.7 to 1.1.
  • the sensor element preferably also satisfies the condition f / (e + f + g)> 0.18, where f is the thickness of the heat-insulating region and f is at the same time greater than or equal to 50 ⁇ m.
  • the heat-insulating region has a length r and is arranged at a distance m to an end face of the sensor element.
  • the heating element is further arranged at a distance t from the end face and has the outer heating region of the heating element - A -
  • the pre-chamber and the pumping chamber from a top of the sensor element at a distance a, a thickness b and a distance c to the heater on.
  • the condition c / (a + b) 0.1 to 0.35 is satisfied.
  • the heat-insulating region is a cavity, which is filled in particular with air. This provides a high thermal insulation with a particularly simple manufacturability. It should be noted, however, that, alternatively, the heat-insulating region may also be a heat-insulating layer of an insulating material.
  • At least one side surface of the heat-insulating region is convex or concave.
  • the heater and in particular the heating element of the heater is located approximately in a central region of the sensor element, based on the sealing device.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a sensor element according to an exemplary embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view taken along the line H-II of Figure 1 and
  • Figure 3 is a plan view of a longitudinal section in the region of the heater of the sensor element shown in Figures 1 and 2.
  • the sensor element 1 in a known manner comprises a main body made up of a plurality of layers 2 a, 2 b made of a solid electrolyte material.
  • the sensor element comprises a heater 3, which comprises a heating element 4, which is embedded in an insulation 5.
  • the sensor element 1 comprises an antechamber 8 and a pump chamber 7, which are separated from one another by a diffusion barrier 9.
  • the structure of the diffusion barrier can be linear, as in the embodiment, or even annular.
  • the sensor element 1 shown schematically in the figures is a lambda probe for determining an oxygen content in exhaust gas, and is designed as a broadband lambda probe.
  • electrodes preferably electrodes with a metallic component, in particular platinum.
  • the thermal mass is also reduced.
  • a heat-insulating region 6 on the side facing away from the pump chamber 7 and the antechamber 8 side.
  • the heat-insulating region 6 is rectangular.
  • the heat-insulating region 6 is filled with air and allows a faster heating of the sensor element in the region of the pump chamber 7 and the antechamber 8, since the heat emitted by the heater 3 down slowly passes through the heat-insulating region 6 to the bottom 10 of the sensor element. As a result, more heat can be conducted to the pump chamber 7 or the prechamber 8.
  • a reduction of the thermal mass can also be achieved by a thin heater foil 2b. As a result, less heat is transferred to the side facing away from the functional areas and more heat is available for the functionally important area of the sensor element.
  • the temperature of the sensor element can be determined.
  • the heater 3 is constructed such that it has a meander-shaped heating element 4.
  • the meander-shaped heating element 4 is formed by a first outer heating region 41, a second outer heating region 42, a first inner heating region 43 and a second inner heating region 44.
  • the first outer heating region 41 and the first inner heating region 43 are connected to one another via a first arcuate heating region 45.
  • the first inner heating area 43 and the second inner heating area 44 are connected to each other via a second arcuate heating area 46.
  • Heating area 44 and the second outer heating area 42 are connected via a third arcuate heating area 47.
  • the heating element 4 is arranged by three meandering Heating loops formed.
  • the connecting regions of the heating element 4 shown in FIG. 3 are identified by reference numbers 48 and 49.
  • the distance between the respective adjacent outer or inner heating regions is substantially the same. Furthermore, the heating areas 41, 42, 43, 44 are essentially formed as straight sections and arranged parallel to each other.
  • a different cross section x * D a of the two outer heating regions 41, 42 relative to the cross section W 515 D 1 of the two inner heating regions 43, 44 is advantageous. This has the goal of controlling the heat flow in such a way that the most uniform possible temperature distribution in the longitudinal and transverse directions of the sensor element is achieved. High temperature gradients are to be avoided, as these result in high mechanical stresses and lead to failure of the sensor element. Only by a uniform heating fast light-off times can be achieved. If there are no restrictions with regard to the width z of the heating area, then the cross section x * D a of the two outer ones is
  • Heating regions 41, 42 smaller than the cross-section W 515 D 1 of the two inner heating regions 43, 44.
  • the widest possible heating range, based on the total width of the sensor element, is advantageous in any case.
  • the different cross sections are achieved by different widths and thicknesses of the heating regions.
  • a width w of the two inner heating regions 43, 44 is greater than a width x of the two outer heating regions 41, 42, wherein the two inner heating regions 43, 44 are arranged below the pump chamber 7 and the antechamber 8.
  • the arrangement of the heat-insulating region 6 below the heater 3 a uniform temperature distribution is achieved. As a result, a very short light-off time of less than 3 seconds can be realized.
  • the two outer heating regions 41, 42 have a thickness Da which is smaller than a thickness Di of the two inner heating regions 43, 44.
  • a distance e between the heater 3 and the heat-insulating region 6 also significantly influences the temperature distribution in the sensor element, since this intermediate, heat-conducting layer to a homogenization of the temperature field contributes.
  • a length r of the heat-insulating region 6 and its distance m from an end face 13 of the sensor element are adapted to the meander-shaped heating element 4.
  • the degree of thermal insulation does not necessarily have to be homogeneous in the heat-insulating region 6.
  • the ratio between the thermal conductivity of the heating foil 2b and the insulation 5 must be between 0.01 to 0.03.
  • the degree of insulation is defined by the choice of material as well as the thickness and optionally the provision of conductive thermal bridges.
  • a thickness f of the heat-insulating region 6 with respect to a total thickness of the heater 3 fulfills the condition f / (e + f + g)> 0.18, where f is also larger than 50 ⁇ m at the same time.
  • a temperature distribution if as much or more heating power drops off at the outer heating regions 41, 42 than at the inner heating regions 43, 44.
  • the cross section over the length of each heating region 41, 42, 43, 44 may additionally vary.
  • the condition v / (s + n + o + p + q) 0.85 to 1.2 is to be fulfilled for the length v of the first and second inner heating regions 43, 44, where s a distance of the pre-chamber 8 from the end face 13, n is a length of Prechamber 8 in the axial direction of the sensor element, o is a distance between the pre-chamber 8 and the pump chamber 7, p is a length of the pump chamber 7 in the axial direction of the sensor element and q is a distance of the pump chamber 7 of the thermal device 12.
  • a sensor element according to the invention can also be constructed such that the lower layer 2b below the heater 3 can be completely dispensed with. An insulation of the heater 3 down then takes place through the gas mixture surrounding the sensor element.
  • the sensor element according to the invention thus has, in comparison with the prior art, a significantly shorter warm-up time until the operating temperature of the sensor element is reached. Furthermore, the sensor element according to the invention has significantly reduced mechanical stresses, so that it has a longer life.
  • Sensor element is particularly preferably used in conjunction with lambda probes, in particular with broadband lambda probes.
  • lambda probes in particular with broadband lambda probes.
  • Table four examples are given, which each have a meandering designed heating element.
  • Example 1 shows a sensor element according to the prior art without heat-insulating area. In example 4, no heat-insulating region 6 is likewise provided.
  • Examples 1 and 4 have significantly higher heating times than Examples 2 and 3, which each have a heat-insulating region 6.
  • the last three lines of the table show the different heat-up times, the maximum principal stresses and the calculated probability of failure in absolute values. It follows that the probability of failure of Example 2 is lowest. As a comparison of Examples 2 and 3 shows, however, is also in providing a heat-insulating Area 6 does not ensure that a minimum probability of default is achieved. In particular, if the maximum principal stresses are very large, this adversely affects the probability of default.
  • Example 3 shows an exemplary embodiment of an optimized design, in which the width z of the heating area relative to the overall width of the sensor element can not be selected to be wider due to production-related boundary conditions.
  • the target is a design as listed in Example 2.
  • the probability of failure can be significantly reduced by broadening the heater. It can be seen from example 3 that, under certain boundary conditions, the cross section x * D a of the two outer heating regions 41, 42 is greater than the cross section W 515 D 1 of the two inner heating regions 43, 44.
  • Example 4 shows an exemplary embodiment without heat-insulating region, in which case the thermal mass of the heater foil (2b) has been reduced.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung eines Gasanteils in einem Messgas, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, einen zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyt, einen Heizer (3) mit einem Heizelement (4) und eine das Heizelement umgebende Isolation (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) einen mäanderförmigen Verlauf mit einem ersten äußeren Heizbereich (41), einem zweiten äußeren Heizbereich (42), einem ersten inneren Heizbereich (43) und einem zweiten inneren Heizbereich (44) aufweist.

Description

Sensorelement zur Bestimmung eines Gasanteils mit verbesserten thermischen Eigenschaften
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung eines Gasanteils in einem Messgas, welches beispielsweise in einer Lambdasonde zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.
Sensorelemente in Lambdasonden sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Derartige Sonden werden üblicherweise bei Temperaturen zwischen 7500C und 8000C betrieben. Um möglichst niedrige Emissionen bei der Verbrennung sicherzustellen, muss die Lambdasonde nach einem Motorstart eine sehr schnelle Betriebsbereitschaft aufweisen. Dies wird durch Verwendung eines elektrischen Heizers, welcher in das Sensorelement integriert ist, erreicht. Wird die Sonde eingeschaltet, so benötigt der Heizer eine gewisse Zeit, bis die Sonde auf Betriebstemperatur aufgeheizt ist. Diese Zeit wird auch Light-Off-Zeit genannt. Die über den Heizer eingebrachte elektrische Energie kann nun während des sehr kurzen Aufheizprozesses von ca. 4 Sekunden zu starken mechanischen Spannungen im Sensorelement aufgrund ungleicher Temperaturverteilung führen. Diese hohen mechanischen Spannungen können jedoch einen Ausfall der Sonde zur Folge haben.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es eine sehr kurze Aufwärmzeit aufweist und trotzdem signifikant reduzierte mechanische Spannungen im Sensorelement auftreten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Heizelement einen mäanderförmigen Verlauf aufweist. Dadurch kann eine relativ große Fläche des Sensorelements schnell und gleichmäßig erwärmt werden. Der mäanderförmige Verlauf umfasst einen ersten und zweiten äußeren Heizbereich sowie einen ersten und zweiten inneren Heizbereich. Die Heizbereiche liegen dabei vorzugsweise in einer Ebene im Sensorelement. Erfindungsgemäß wird somit die Heizleistung des Heizers effizient zur Erwärmung eingesetzt, wobei trotzdem eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Sensorelements zur Reduzierung von mechanischen Spannungen ermöglicht wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist der erste äußere und der erste innere Heizbereich über einen ersten bogenförmigen Heizbereich miteinander verbunden. Der erste und zweite innere Heizbereich ist über einen zweiten bogenförmigen Heizbereich verbunden und der zweite innere und der zweite äußere Heizbereich ist über einen dritten bogenförmigen Heizbereich verbunden.
Besonders bevorzugt sind die beiden äußeren und die beiden inneren Heizbereiche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die beiden äußeren und die beiden inneren Heizbereiche sind weiter bevorzugt als gerade Heizbereiche ausgebildet.
Um eine gezielte und unterschiedliche Erwärmung verschiedener Abschnitte des Sensorelements zu ermöglichen, weist das Heizelement über seine durch die inneren und äußeren Heizbereiche gebildete Heizlänge vorzugsweise unterschiedliche Querschnitte auf. Dadurch kann die eingebrachte Heizenergie abhängig vom Querschnitt gezielt in gewünschte Bereiche eingebracht werden. Besonders bevorzugt ist dabei ein Querschnitt der ersten und zweiten inneren Heizbereiche größer als ein Querschnitt der ersten und zweiten äußeren Heizbereiche.
Die sich ändernden Querschnitte des Heizelements werden vorzugsweise durch unterschiedliche Breiten der Heizbereiche erreicht. Vorzugsweise ist dabei eine Breite der ersten und zweiten inneren Heizbereiche größer als eine Breite der ersten und zweiten äußeren Heizbereiche.
Vorzugsweise besitzt das Sensorelement eine sehr geringe thermische Masse (V-p-cp: V:
Volumen, p: Dichte, cp: spez. Wärmekapazität) an der den Elektroden abgewandten Seite des Heizelementes. Die thermische Masse muss vor allem unterhalb des Heizbereiches reduziert werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen wärmedämmenden Bereich. Vorzugsweise umfasst das Sensorelement hierzu einen wärmedämmenden Bereich, welcher an einer von den Elektroden des Sensorelements abgewandten Seite des Heizelements angeordnet ist. Der wärmedämmende Bereich ist dabei derart angeordnet, dass die Bedingung e/(e+f+g)=0,2-0,45 erfüllt ist, wobei e ein Abstand zwischen dem Heizer und dem wärmedämmenden Bereich ist, f eine Dicke des wärmedämmenden Bereichs ist und g ein Abstand des wärmedämmenden Bereichs zu einer Unterseite des Sensorelements ist. Alternativ kann die sehr geringe thermische Masse an der von den Elektroden abgewandten Seite des Heizelements durch eine Reduzierung der Dicke und/oder Dichte der nicht- funktionalen Trägerfolie des Heizelements erreicht werden. Besonders bevorzugt ist hierbei überhaupt keine Trägerfolie unterhalb des Heizelements angeordnet, so dass zur Wärmedämmung das das Sensorelement umgebende Gasgemisch verwendet werden kann.
Weiter bevorzugt erfüllt das Sensorelement die Bedingung z/j=0,7 bis 0,95, wobei z der
Abstand vom Außenrand des ersten äußeren Heizbereichs zum Außenrand des zweiten äußeren Heizbereichs ist und j eine Gesamtbreite des Sensorelements ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfüllt das Sensorelement die Bedingung y/z=0,05 bis 0,35, wobei y einen Abstand zwischen dem ersten inneren und dem zweiten inneren Heizbereich des Heizelements ist und z der Abstand vom Außenrand des ersten äußeren Heizbereichs zum Außenrand des zweiten äußeren Heizbereichs ist.
Vorzugsweise erfüllt das Heizelement des Sensorelements die Bedingung, dass ein Verhältnis des Querschnitts der äußeren Heizbereiche zu den inneren Heizbereichen zwischen 0,7 bis 1,1 liegt.
Vorzugsweise erfüllt das Sensorelement ferner die Bedingung f/(e+f+g) > 0,18, wobei f die Dicke des wärmedämmenden Bereichs ist und f gleichzeitig auch größer oder gleich 50 μm ist.
Weiter bevorzugt erfüllt das Sensorelement die Bedingung h/j = 0,25 bis 0,75, wobei h eine Breite des wärmedämmenden Bereichs ist und j eine Gesamtbreite des Sensorelements ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Sensorelement eine Vorkammer und eine Pumpkammer, wobei eine Breite h der Vorkammer gleich einer Breite der Pumpenkammer ist und die Bedingung k/j = 0,2 bis 0,5 erfüllt ist, wobei j die Gesamtbreite des Sensorelements ist.
Weiter bevorzugt weist der wärmedämmende Bereich eine Länge r auf und ist in einem Abstand m zu einer Stirnseite des Sensorelements angeordnet. Das Heizelement ist ferner in einem Abstand t von der Stirnseite angeordnet und der äußere Heizbereich des Heizelements weist - A -
eine Länge u in Axialrichtung des Sensorelements auf. Dabei erfüllt das Sensorelement noch die Bedingung m/t = 0,25 bis 0,4 und r/u = 1,3 bis 1,45.
Vorzugsweise weisen die Vorkammer und die Pumpkammer von einer Oberseite des Sensorelements einen Abstand a auf, eine Dicke b auf und einen Abstand c zum Heizer auf. Dabei ist die Bedingung c/(a+b) = 0,1 bis 0,35 erfüllt.
Besonders bevorzugt ist der wärmedämmende Bereich ein Hohlraum, welcher insbesondere mit Luft gefüllt ist. Dies stellt eine hohe Wärmedämmung bei einer besonders einfachen Herstellbarkeit bereit. Es sei jedoch angemerkt, dass alternativ der wärmedämmende Bereich auch eine wärmedämmende Schicht aus einem Dämmmaterial sein kann.
Um gezielt Wärme in Randbereiche des Sensorelements zu leiten, ist wenigstens eine Seitenfläche des wärmedämmenden Bereichs konvex oder konkav ausgebildet.
Weiter bevorzugt liegt der Heizer und insbesondere das Heizelement des Heizers ungefähr in einem mittleren Bereich des Sensorelements, bezogen auf dessen Dichteinrichtung.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einem Aus- führungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine Schnittansicht entlang der Linie H-II von Figur 1 und
Figur 3 eine Draufsicht auf einen Längsschnitt im Bereich des Heizers des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Sensorelements.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein Sensorelement 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Wie insbesondere aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das Sensorelement 1 in bekannter Weise einen Hauptkörper aus mehreren Schichten 2a, 2b aus einem Festelektrolytmaterial. In den Figuren sind schematisch nur zwei Schichten dargestellt, es können jedoch mehrere Schichten vorgesehen sein. Ferner umfasst das Sensorelement einen Heizer 3, welcher ein Heizelement 4 umfasst, das in einer Isolation 5 eingebettet ist. Weiter umfasst das Sensorelement 1 eine Vorkammer 8 und einen Pumpraum 7, welche durch eine Diffusionsbarriere 9 voneinander getrennt sind. Der Aufbau der Diffusionsbarriere kann dabei linear, wie im Ausführungsbeispiel, oder auch ringförmig sein. Das in den Figuren schematisch dargestellte Sensorelement 1 ist eine Lambdasonde zur Bestimmung eines Sauerstoffsgehalts in Abgas, und ist als Breitbandlambdasonde ausgebildet. Im Pumpraum 7 bzw. der Vorkammer 8 sind dabei in bekannter Weise Elektroden, vorzugsweise Elektroden mit einer metallischen Komponente, insbesondere Platin, angeordnet.
An einer vom Pumpenraum 7 bzw. der Vorkammer 8 abgewandten Seite des Heizers 2 ist ferner die thermische Masse zu reduzieren. Dies wird im Ausführungsbeispiel durch das Vorsehen eines wärmedämmenden Bereichs 6 an der vom Pumpenraum 7 bzw. der Vorkammer 8 abgewandten Seite erreicht. Wie insbesondere aus Figur 1 und 3 ersichtlich ist, ist der wärmedämmende Bereich 6 rechteckig ausgebildet. Der wärmedämmende Bereich 6 ist mit Luft gefüllt und ermöglicht ein schnelleres Aufheizen des Sensorelements im Bereich des Pumpraums 7 bzw. der Vorkammer 8, da die vom Heizer 3 nach unten abgegebene Wärme nur langsam durch den wärmedämmenden Bereich 6 zur Unterseite 10 des Sensorelements gelangt. Dadurch kann mehr Wärme zum Pumpraum 7 bzw. der Vorkammer 8 geleitet werden.
Es sei angemerkt, dass eine Reduzierung der thermischen Masse auch durch eine dünne Heizerfolie 2b erreicht werden kann. Dadurch gelangt weniger Wärme in die von den Funktionsräumen abgewandte Seite und es steht mehr Wärme für den funktionalen wichtigen Bereich des Sensorelements zur Verfügung.
Über eine Thermovorrichtung 12 kann z.B. durch Messen des Widerstands durch die Thermovorrichtung 12 die Temperatur des Sensorelements bestimmt werden.
Wie in Figur 3 gezeigt, ist der Heizer 3 derart aufgebaut, dass er ein mäanderförmiges Heizele- ment 4 aufweist. Das mäanderförmige Heizelement 4 ist durch einen ersten äußeren Heizbereich 41, einen zweiten äußeren Heizbereich 42, einen ersten inneren Heizbereich 43 und einen zweiten inneren Heizbereich 44 gebildet. Der erste äußere Heizbereich 41 und der erste innere Heizbereich 43 sind dabei über einen ersten bogenförmigen Heizbereich 45 miteinander verbunden. Der erste innere Heizbereich 43 und der zweite innere Heizbereich 44 sind über einen zweiten bogenförmigen Heizbereich 46 miteinander verbunden. Der zweite innere
Heizbereich 44 und der zweite äußere Heizbereich 42 sind über einen dritten bogenförmigen Heizbereich 47 verbunden. Somit ist das Heizelement 4 durch drei mäanderartig angeordnete Heizschleifen gebildet. Die in Figur 3 verbreitert dargestellten Anschlussbereiche des Heizelements 4 sind mit den Bezugszeichen 48 und 49 gekennzeichnet.
Der Abstand zwischen den jeweils benachbarten äußeren bzw. inneren Heizbereichen ist dabei im Wesentlichen gleich. Ferner sind die Heizbereiche 41, 42, 43, 44 im Wesentlichen als gerade Streckenabschnitte gebildet und parallel zueinander angeordnet.
Wie ferner aus Figur 3 ersichtlich, ist ein unterschiedlicher Querschnitt x*Da der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 zu dem Querschnitt W515D1 der beiden inneren Heizbereiche 43, 44 vorteilhaft. Dies hat zum Ziel, den Wärmefluss derart zu steuern, dass eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in Längs- und Querrichtung des Sensorelementes erreicht wird. Hohe Temperaturgradienten sind zu vermeiden, da diese hohen mechanische Spannungen zur Folge haben und zum Versagen des Sensorelementes führen. Erst durch ein gleichmäßiges Aufheizen können schnelle Light-Off-Zeiten erreicht werden. Bestehen bzgl. der Breite z des Heizbereiches keine Einschränkungen, so ist der Querschnitt x*Da der beiden äußeren
Heizbereiche 41, 42 kleiner als der Querschnitt W515D1 der beiden inneren Heizbereiche 43, 44. Ein möglichst breiter Heizbereich, bezogen auf die Gesamtbreite des Sensorelementes, ist in jedem Fall vorteilhaft.
Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, werden die unterschiedlichen Querschnitte durch unterschiedliche Breiten und Dicken der Heizbereiche erreicht. Eine Breite w der beiden inneren Heizbereiche 43, 44 ist größer als eine Breite x der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42, wobei die beiden inneren Heizbereiche 43, 44 unterhalb des Pumpraums 7 und der Vorkammer 8 angeordnet sind. Durch die Anordnung des wärmedämmenden Bereichs 6 unterhalb des Heizers 3 wird eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht. Dadurch kann eine sehr kurze Light-Off-Zeit von unter 3 Sekunden realisiert werden.
Wie ferner aus Figur 1 ersichtlich ist, weisen die beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 eine Dicke Da auf, welche kleiner ist als eine Dicke Di der beiden inneren Heizbereiche 43, 44.
Nachfolgend werden noch Auslegungsmerkmale eines erfmdungsgemäßen Sensorelements 1 dargelegt, welches insbesondere eine thermomechanische Robustheit einer Lambdasonde verbessert. Hinsichtlich des wärmedämmenden Bereichs 6, welcher mit Luft gefüllt ist, ist eine Breite h bezogen auf eine Gesamtbreite j des Sensorelements 1 in einem Bereich von h/j=0,25 bis 0,75. Ein Abstand e zwischen dem Heizer 3 und dem wärmedämmenden Bereich 6 beeinflusst ebenfalls maßgeblich die Temperaturverteilung im Sensorelement, da diese dazwischenliegende, wärmeleitende Schicht zu einer Homogenisierung des Temperaturfeldes beiträgt. Hierbei ist jedoch ein Verhältnis von e/(e+f+g)=0,2 bis 0,45 zu erfüllen, wobei f die Dicke des wärmedämmenden Bereichs 6 ist und g die Dicke des Sensorelements zwischen einer Unterseite 10 und dem wärmedämmenden Bereich 6. Wie ferner aus Figur 2 ersichtlich ist, ist eine Länge r des wärmedämmenden Bereichs 6 und dessen Abstand m von einer Stirnseite 13 des Sensorelements an das mäanderförmige Heizelement 4 angepasst. Hierbei sind insbesondere die Verhältnisse m/t=0,25 bis 0,4 und r/u=l,3 bis 1,45 einzuhalten, wobei t ein Abstand des Heizelements 4 von der Stirnseite 13 ist und u eine Länge der äußeren Heizbereiche 41, 42 des Heizelements 4 in Längsrichtung des Sensorelements ohne die Anschlussbereiche 48, 49 (vgl. Figur 3).
Ferner sei angemerkt, dass der Grad der Wärmedämmung nicht zwangsläufig homogen im wärmedämmenden Bereich 6 sein muss. Das Verhältnis zwischen Wärmeleitfähigkeit der Heizfolie 2b und der Isolation 5 muss zwischen 0,01 bis 0,03 liegen. Der Grad der Isolation wird durch die Wahl des Werkstoffs sowie die Dicke und gegebenenfalls dem Vorsehen von leitenden Wärmebrücken definiert. Eine Dicke f des wärmedämmenden Bereichs 6 bezogen auf eine Gesamtdicke des Heizers 3 erfüllt dabei die Bedingung f/(e+f+g)>0,18, wobei f gleichzeitig auch größer als 50 μm ist.
Hinsichtlich der Geometrie des mäanderförmigen Heizelements 4 sei ferner angemerkt, dass eine Breite z des Heizelements 4, welche zwischen dem Außenrand des ersten äußeren
Heizbereichs 41 und dem Außenrand des zweiten äußeren Heizbereichs 42 liegt, im Verhältnis zur Gesamtbreite j des Sensorelements die Bedingung z/j=0,7 bis 0,95 erfüllt. Ein Abstand y zwischen dem ersten inneren Heizbereich 43 und dem zweiten inneren Heizbereich 44 erfüllt bezogen auf die Gesamtbreite z des Heizelements 4 die Bedingung y/z=0,05 bis 0,35. Eine Breite k der Funktionsräume Pumpenraum 7 und Vorkammer 8 erfüllt dabei bezogen auf die Gesamtbreite j des Sensorelements die Bedingung k/j=0,2 bis 0,5.
Vorteilhaft für eine Temperaturverteilung ist ferner, wenn an den äußeren Heizbereichen 41, 42 genauso viel oder mehr Heizleistung abfällt als an den inneren Heizbereichen 43, 44. Hierzu ist ein Querschnitt der äußeren Heizbereiche 41, 42 (x*Da) zu einem Querschnitt der inneren Heizbereich 43, 44 (w*Di) in einem Bereich von (x*Da/w*Di)=0,7 bis 1,1. Ferner sei angemerkt, dass der Querschnitt über die Länge jedes Heizbereichs 41, 42, 43, 44 zusätzlich noch variieren kann.
Um die Funktionssicherheit des Sensorelements zu verbessern, ist für die Länge v des ersten und zweiten inneren Heizbereichs 43, 44 die Bedingung v/(s+n+o+p+q)=0,85 bis 1,2 zu erfüllen, wobei s ein Abstand der Vorkammer 8 von der Stirnseite 13 ist, n eine Länge der Vorkammer 8 in Axialrichtung des Sensorelements ist, o ein Abstand zwischen der Vorkammer 8 und dem Pumpraum 7 ist, p eine Länge des Pumpraums 7 in Axialrichtung des Sensorelements ist und q ein Abstand des Pumpraums 7 von der Thermo Vorrichtung 12 ist. Für die Länge der ersten und zweiten äußeren Heizbereiche 41, 42 ist die Bedingung u/(s+n+o+p+q)=0,95 bis 1,25 zu erfüllen. Ferner ist für den Abstand des Heizelements 4 von der Stirnseite 13 die Bedingung t/(s+n)=0,45 bis 0,85 zu erfüllen.
In den Zuleitungen und Anschlussbereichen 48, 49 des Heizelements 4 soll dabei möglichst wenig Heizleistung abfallen. Von daher soll ein Verhältnis der Heizleistung des mäanderförmigen Heizelements 4 zur Heizleistung der Zuleitung von 1 erreicht werden. Ein Abstand c der Funktionsräume Pumpenraum 7 und Vorkammer 8 vom Heizer 3 muss bezogen auf eine Gesamtdicke der Festelektrolytschicht (Pumpfolie) die Bedingung c/(a+b)=0,l bis 0,35 erfüllen, wobei a ein Abstand der Funktionsräume von einer Oberseite 11 des Sensorelements ist, b eine Dicke der Funktionsräume ist und c ein Abstand der Funktionsräume vom Heizer 3 ist (vgl. Figur 1).
Es sei angemerkt, dass alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein erfindungsgemäßes Sensorelement auch derart aufgebaut sein kann, dass auf die untere Schicht 2b unterhalb des Heizers 3 vollständig verzichtet werden kann. Eine Isolation des Heizers 3 nach unten erfolgt dann durch das das Sensorelement umgebende Gasgemisch.
Das erfindungsgemäße Sensorelement weist damit im Vergleich mit dem Stand der Technik eine signifikant kürzere Aufwärmzeit auf, bis die Betriebstemperatur des Sensorelements erreicht ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Sensorelement deutlich reduzierte mechanische Spannungen auf, so dass es eine längere Lebensdauer aufweist. Das erfindungsgemäße
Sensorelement wird dabei besonders bevorzugt in Verbindung mit Lambdasonden, insbesondere mit Breitband-Lambdasonden, verwendet. In der nachfolgenden Tabelle sind vier Beispiele angegeben, welche jeweils ein mäanderformig ausgebildetes Heizelement aufweisen. Beispiel 1 zeigt dabei ein Sensorelement nach dem Stand der Technik ohne wärmedämmenden Bereich. Beim Beispiel 4 ist ebenfalls kein wärmedämmender Bereich 6 vorgesehen.
Wie in der Tabelle gezeigt, weisen die Beispiele 1 und 4 jedoch deutlich höhere Aufheizzeiten auf, als die Beispiele 2 und 3, welche jeweils einen wärmedämmenden Bereich 6 aufweisen. Die letzten drei Zeilen der Tabelle zeigen die unterschiedlichen Aufheizzeiten, die maximalen Hauptspannungen sowie die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit in absoluten Werten. Hieraus ergibt sich, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit des Beispiels 2 am geringsten ist. Wie ein Vergleich der Beispiele 2 und 3 zeigt, ist jedoch auch bei Vorsehen eines wärmedämmenden Bereichs 6 nicht sichergestellt, dass eine minimale Ausfallwahrscheinlichkeit erreicht wird. Insbesondere, wenn die maximalen Hauptspannungen sehr groß sind, wirkt sich das nachteilig auf die Ausfallwahrscheinlichkeit aus.
In den Beispielen 2, 3 konnte die Light-Off-Zeit gegenüber Beispiel 1 durch einen wärmedämmenden Bereich deutlich verringert werden. Beispiel 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein optimiertes Design, bei dem die Breite z des Heizbereiches bezogen auf die Gesamtbreite des Sensorelementes aufgrund fertigungstechnischer Randbedingungen nicht breiter gewählt werden kann. Zielführender ist jedoch ein Design wie in Beispiel 2 aufgeführt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit kann durch Verbreiterung des Heizers deutlich reduziert werden. Aus Beispiel 3 ist ersichtlich, dass unter gewissen Randbedingungen der Querschnitt x*Da der beiden äußeren Heizbereiche 41, 42 größer als der Querschnitt W515D1 der beiden inneren Heizbereiche 43, 44 zu wählen ist. Beispiel 4 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel ohne wärmedämmenden Bereich, wobei hier die thermische Masse der Heizerfolie (2b) reduziert wurde.
Die letzten drei Zeilen der Tabelle zeigen die unterschiedlichen Aufheizzeiten, die maximalen Hauptspannungen sowie eine berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit. Hieraus wird deutlich, dass es mit den drei optimierten Geometrien (Beispiel 2, 3, 4) gelingt die Light-Off Zeit von ca. 5 s aus dem Stand der Technik des Beispiels 1 auf ca. 3 s zu verkürzen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit wird bei den verbesserten Beispielen 2, 3 und 4 gegenüber Beispiel 1 nicht erhöht.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement zur Bestimmung eines Gasanteils in einem Messgas, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, einen zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyt, einen Heizer (3) mit einem Heizelement (4) und eine das Heizelement umgebende Isolation (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) einen mäanderförmigen Verlauf mit einem ersten äußeren Heizbereich (41), einem zweiten äußeren Heizbereich (42), einem ersten inneren Heizbereich (43) und einem zweiten inneren Heizbereich (44) aufweist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste äußere Heizbereich (41) und der erste innere Heizbereich (43) über einen ersten bogenförmigen Heizbereich (45) verbunden sind, der erste und zweite innere Heizbereich (43, 44) über einen zweiten bogenförmigen Heizbereich (46) miteinander verbunden sind, und der zweite innere
Heizbereich (44) und der zweite äußere Heizbereich (42) über einen dritten bogenförmigen Heizbereich (47) miteinander verbunden sind.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Heizbereiche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) über seine Heizlänge einen sich ändernden Querschnitt aufweist.
5. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnitt der ersten und zweiten inneren Heizbereiche (43, 44) größer ist als eine Querschnitt der ersten und zweiten äußeren Heizbereiche (41, 42).
6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (w) der ersten und zweiten inneren Heizbereiche (43, 44) größer ist als eine Breite (x) der ersten und zweiten äußeren Heizbereiche (41, 42).
7. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen wärmedämmenden Bereich (6), welcher an einer von den Elektroden abgewandten Seite des Heizers (3) angeordnet ist, wobei insbesondere die Bedingung
e/e+f+g = 0,2 bis 0,45 erfüllt ist, wobei e ein Abstand zwischen dem Heizer (3) und dem wärmedämmenden Bereich (6) ist, f eine Dicke des wärmedämmenden Bereichs (6) ist und g ein Abstand des wärmedämmenden Bereichs (6) zu einer Unterseite (10) des Sensorelements ist.
8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung z/j=0,7 bis 0,95
erfüllt ist, wobei z der Abstand von einem Außenrand des ersten äußeren Heizbereichs (41) zum Außenrand des zweiten äußeren Heizbereichs (42) ist und j eine Gesamtbreite des Sensorelements ist.
9. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung y/z=0,05 bis 0,35
erfüllt ist, wobei y ein Abstand zwischen dem ersten inneren Heizbereich und dem zweiten inneren Heizbereich (44) ist, und z der Abstand von einem Außenrand des ersten äußeren Heizbereichs (41) zum Außenrand des zweiten äußeren Heizbereichs (42) ist
10. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) die Bedingung
x*Da/w*Di = 0,7 bis 1
erfüllt, wobei x eine Breite und Da eine Dicke der äußeren Heizbereiche (41, 42) ist und w eine Breite und Di eine Dicke der inneren Heizbereiche (43, 44) ist.
11. Sensorelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung
f/(e+f+g)>0,18
erfüllt ist, wobei e ein Abstand zwischen dem Heizer (3) und dem wärmedämmenden Bereich (6) ist, f eine Dicke des wärmedämmenden Bereichs (6) ist und g ein Abstand des wärmedämmenden Bereichs (6) zu einer Unterseite (10) des Sensorelements ist, wobei f gleichzeitig auch größer oder gleich 50 μm ist.
12. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung
h/j=0,25 bis 0,75
erfüllt ist, wobei h eine Breite des wärmedämmenden Bereichs (6) ist und j eine Gesamtbreite des Sensorelements ist.
13. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorkammer (8) und eine Pumpkammer (7), wobei eine Breite k der Vorkammer (8) gleich einer Breite der Pumpenkammer (7) ist und die Bedingung
k/j=0,2 bis 0,5
erfüllt ist, wobei j die Gesamtbreite des Sensorelements ist.
14. Sensorelement nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmedämmende Bereich (6) eine Länge r in Axialrichtung des Sensorelements aufweist und einen Abstand m zu einer Stirnseite (13) des Sensorelements aufweist und das Heizelement (4) einen Abstand t von der Stirnseite (13) aufweist und das Heizelement (4) eine Länge u in Axialrichtung des Sensorelements aufweist und die Bedingungen
m/t=0,25 bis 0,4 und r/u=l,3 bis 1,45 erfüllt sind.
15. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (8) und die Pumpkammer (7) von einer Oberseite des Sensorelements einen Abstand a und eine Dicke b aufweisen sowie einen Abstand c zum Heizer (3) aufweisen und dass die Bedingung c/(a+b)=0,l bis 0,35 erfüllt ist.
16. Sensorelement nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmedämmende Bereich (6) ein Hohlraum ist, welcher insbesondere mit Luft gefüllt ist.
17. Sensorelement nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmedämmende Bereich (6) wenigstens eine konvexe oder konkave Seitenfläche aufweisen kann.
18. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (3), insbesondere das Heizelement (4) des Heizers, bezogen auf eine Gesamtdicke des Sensorelements ungefähr in der Mitte angeordnet ist.
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