ES2306887T3 - Dispositivo de calentamiento. - Google Patents

Abstract

Elemento sensor (10), en especial para usarse en el análisis de gases de escape de motores de combustión interna, con dispositivo de calentamiento (40) que comprende un elemento de calentamiento (43) que presenta una capa resistiva eléctrica, que está aislado eléctricamente de al menos una capa de electrolito sólido (23, 24) mediante una capa que contiene bario, caracterizado porque el elemento de calentamiento (43) está incrustado en un primer aislamiento (43) en un primer aislamiento (41), con el que limita un segundo aislamiento (42), en donde la proporción de bario indicada en porcentaje de peso del primer aislamiento (41) es mayor que la proporción correspondiente del segundo aislamiento (42).

Description

Dispositivo de calentamiento.

Estado de la técnica

La invención se basa en un elemento sensor con dispositivo de calentamiento según el preámbulo de la reivindicación independiente.

Se conoce un dispositivo de calentamiento de este tipo por ejemplo del documento DE 198 34 276 A1 para calentar un elemento sensor, que se usa en una sonda de medición de gas para analizar el gas de escape en motores de combustión interna. El elemento sensor presenta capas de electrolito sólido y electrodos así como un dispositivo de calentamiento estructurado en forma de capas. El dispositivo de calentamiento está dispuesto sobre una capa de electrolito sólido o entre una capa de electrolito sólido y una capa de electrolito sólido adicional. El dispositivo de calentamiento contiene un elemento de calentamiento, por ejemplo de una capa de resistencia eléctrica, así como un aislamiento en el que está incrustado el elemento de calentamiento. El aislamiento se compone fundamentalmente de óxido de aluminio. Mediante el aislamiento se aísla eléctricamente el elemento de calentamiento frente a las capas de electrolito sólido y los electrodos, es decir tanto con relación a conducción de electrones como a iones, de tal modo que mediante el funcionamiento del dispositivo de calentamiento no se limita el funcionamiento del elemento sensor.

El dispositivo de calentamiento se produce por medio de que sobre una llamada lámina verde, es decir una lámina cerámica no sinterizada, mediante técnica de capa fina o gruesa se aplica una capa inferior del aislamiento, el elemento de calentamiento y una capa superior del aislamiento. A continuación se une por laminación la lámina verde estampada con el dispositivo de calentamiento a otras láminas verdes, sobre las que pueden estar impresos por ejemplo electrodos, y se sinteriza.

El aislamiento está configurado con frecuencia porosamente. La proporción de poros del aislamiento se consigue mediante la adición de un formador de poros antes del sinterizado. Durante el sinterizado se quema el formador de poros, de tal modo que se obtiene una estructura porosa.

Mediante la cantidad adicionada del formador de poros, por ejemplo carbón tipo vidrio, se ajusta la proporción de poros.

Del documento DE 198 53 601 A1 se conoce asimismo una llamada sonda lambda de banda ancha para determinar el contenido de oxígeno en gases de escape de motores de combustión interna. El elemento sensor de la sonda comprende un dispositivo de calentamiento, que está aislado eléctricamente mediante un aislamiento respecto a una capa de electrolito sólido. Para evitar corrientes de fuga el aislamiento contiene una mezcla de óxido de aluminio, óxido de bario y/o óxido de estroncio.

En el caso de un elemento sensor de este tipo es desventajoso que la capa de electrolito sólido y el aislamiento adyacente, que contiene bario y/o estroncio, se diferencie claramente en su comportamiento de sinterizado, en especial con relación a la contracción de sinterizado. Del mismo modo se diferencian los coeficientes de dilatación térmica del aislamiento y de la capa de electrolito sólido. De la mala conexión del aislamiento a la capa de electrolito sólido resultan, por ejemplo en el caso de rápidos cambios de temperatura, grietas que limitan el funcionamiento del elemento sensor.

Del documento EP0845669 se conoce un elemento de calentamiento con dos capas de aislamiento, de las que la primera contiene hasta el 5% de MgO o CaO.

Ventajas de la invención

El elemento sensor conforme a la invención con las particularidades características de la reivindicación independiente tiene la ventaja, frente a esto, de que por una parte se impiden en gran medidas corrientes de fuga procedentes del elemento de calentamiento y de que, por otra parte, se reduce mucho el riesgo de grietas en el elemento calefactor a causa de una mala conexión a una lámina de electrolito sólido adyacente al dispositivo de calentamiento.

Para esto el elemento de calentamiento es circundado por un primer aislamiento, con el que limita un segundo aislamiento. El primer aislamiento presenta una mayor proporción (indicada en porcentaje de peso) de bario que el segundo aislamiento. El segundo aislamiento está situado con ello, con relación a su comportamiento de sinterizado y su coeficiente de dilatación térmica, entre las características del primer aislamiento y de la capa de electrolito sólido.

Mediante las medidas citadas en las reivindicaciones subordinadas son posibles perfeccionamientos ventajosos del elemento sensor indicado en la reivindicación independiente.

Ha demostrado ser especialmente ventajoso que el primer aislamiento contenga bario con una proporción del 3% al 15% en peso y el segundo aislamiento bario con una proporción del 0% al 4% en peso. Como componente adicional el primer aislamiento y el segundo presentan óxido de aluminio.

El grosor de capa del primer aislamiento es ventajosamente de 5 a 40 \mum y el grosor de capa del segundo aislamiento 5 a 20. Con ello el primer aislamiento puede presentar una capa superior y una inferior, entre las cuales está dispuesto el elemento de calentamiento. Por grosor de capa del primer aislamiento debe entenderse en este caso la suma de los grosores de capa de la capa superior y de la inferior del primer aislamiento. De igual modo el segundo aislamiento puede presentar una capa superior y una inferior, entre las cuales están previstos el primer aislamiento y el elemento de calentamiento. El grosor de capa del segundo aislamiento se refiere en este caso al grosor de capa aislado de la capa superior o de la inferior del segundo aislamiento. Los grosores de capa indicados son ventajosos, ya que con grosores de capa superiores a 5 \mum se evita en gran medida una limitación de la acción aislante a causa de puntos defectuosos, y debido a que con grosores de capa inferiores a 40 \mum para el primer aislamiento y 20 \mum para el segundo aislamiento se evita el riesgo de la formación de grietas.

Si puede entrar humedad por ejemplo a través de contacto en el elemento de calentamiento del dispositivo de calentamiento, pueden producirse grietas en el aislamiento. La formación de grietas se impide de forma especialmente eficaz si el primer aislamiento presenta un mayor porcentaje de poros que el segundo aislamiento - ejemplo de ejecución de un elemento sensor plano con un dispositivo de calentamiento conforme a la invención.

Descripción del ejemplo de ejecución

La figura muestra como ejemplo de ejecución de la invención un elemento sensor 10 plano, estructurado en capas, con una primera, segunda, tercera y cuarta capas de electrolito sólido 21, 22, 23, 24 conductoras de iones de oxígeno de óxido de circonio estabilizado con óxido de itrio. Sobre la primera capa de electrolito sólido 21 está dispuesto en un lado exterior del elemento sensor 10 un primer electrodo 31, que está expuesto a un gas de medición. Asimismo está dispuesto sobre la primera capa de electrolito sólido 21, en el lado alejado del primer electrodo 31, un segundo electrodo 32 que está expuesto a un gas de referencia en un canal de gas de referencia 33. El canal de gas de referencia 33 está introducido en la segunda capa de electrolito sólido 22 y está unido a una atmósfera de gas de referencia, situada por fuera del elemento sensor 10 (no representado).

Los electrodos primero y segundo 31, 32 así como la primera capa de electrolito sólido 21 forman una celda electroquímica, que se hace funcionar por ejemplo potenciométricamente. En el caso de diferente presión parcial de oxígeno entre el gas de medición y el gas de referencia, se establece entre el primer y el segundo electrodo 31, 32 la llamada tensión de Nemst, con la que puede determinarse la presión parcial de oxígeno en el gas de medición.

Debido a que la capacidad de conducción de iones del electrolito sólido depende de la temperatura, es necesario calentar el elemento sensor 10 hasta una temperatura uniforme. Para esto está previsto entre la tercera y la cuarta capa de electrolito sólido 23, 24 un dispositivo de calentamiento 40, que está circundado lateralmente por un reborde obturador 45.

El dispositivo de calentamiento 40 presenta un elemento de calentamiento 43, que se compone de una capa resistiva que contiene platino. El elemento de calentamiento 43 está incrustado entre una capa superior y una inferior 41a, 41b de un primer aislamiento 41. El primer aislamiento 41 con el elemento de calentamiento 43 está dispuesto entre una capa superior y una inferior 42a, 42b de un segundo aislamiento 42. El primer y el segundo aislamiento 41, 42 contienen como componente principal óxido de aluminio. La producción de estos aislamientos 41, 42 es de conocimiento general para el experto y no se ha representado en detalle.

En una primera forma de ejecución del ejemplo de ejecución el primer aislamiento 41 presenta en el elemento sensor sinterizado 10, además del óxido de aluminio, bario en una proporción del 9% en peso. El segundo aislamiento 42 no contiene bario. La suma de los grosores de capa de la capa superior y de la inferior 41a, 41b del primer aislamiento 41 es de 25 \mum. El grosor de capa de la capa superior o de la inferior 42a, 42b del segundo aislamiento 42 es en cada caso de 10 \mum.

El dispositivo de calentamiento conforme a la invención puede usarse también con otros tipos de sensores, por ejemplo una sonda lambda de banda ancha o un sensor NOx. En el caso de una sonda lambda de banda ancha, como la que se describe por ejemplo en el documento DE 198 53 601 A1 o en "Automotive Electronics Handbook", 2ª edición de 1999, editado por Ronald K. urgen, McGraw-Hill, capítulo 7 así como en los documentos allí citados, el elemento sensor contiene un celda de Nemst electroquímica y una celda de bombeo electroquímica. Mediante la celda de bombeo se bombea de tal modo oxígeno hacia fuera de la cámara de gas de medición, que en la cámara de gas de medición se establece una presión parcial de oxígeno de lambda = 1. La celda de bombeo se regula para esto a través de la celda de Nemst, que mide la presión parcial de oxígeno en la cámara de gas de medición. A partir de la corriente de bombeo que fluye en la celda de bombeo puede establecerse la presión parcial de oxígeno del gas de escape. Mediante el dispositivo de calentamiento conforme a la invención pueden reducirse acoplamientos y corrientes de error tanto en la celda de Nemst como en la celda de bombeo de una sonda lambda de banda ancha y, de este modo, aumentarse notablemente la precisión de la sonda lambda de banda ancha.

Claims (10)

1. Elemento sensor (10), en especial para usarse en el análisis de gases de escape de motores de combustión interna, con dispositivo de calentamiento (40) que comprende un elemento de calentamiento (43) que presenta una capa resistiva eléctrica, que está aislado eléctricamente de al menos una capa de electrolito sólido (23, 24) mediante una capa que contiene bario, caracterizado porque el elemento de calentamiento (43) está incrustado en un primer aislamiento (43) en un primer aislamiento (41), con el que limita un segundo aislamiento (42), en donde la proporción de bario indicada en porcentaje de peso del primer aislamiento (41) es mayor que la proporción correspondiente del segundo aislamiento (42).

2. Elemento sensor según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer y el segundo aislamiento (41, 42) contienen óxido de aluminio.

3. Elemento sensor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el primer aislamiento (41) presenta una proporción de bario del 3% al 15% en peso, con preferencia del 7% en peso.

4. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo aislamiento (42) presenta una proporción de bario del 0% al 4% en peso.

5. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor de capa del primer aislamiento (41) es de 5 a 40 \mum, con preferencia de 25 \mum.

6. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor de capa del segundo aislamiento (42) es de 5 a 20 \mum, con preferencia de 10 \mum.

7. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bario se añade al primer y/o segundo aislamiento (41, 42) antes del sinterizado en forma de un compuesto de bario adecuado, en especial en forma de BaCO_{3}, BaSO_{4}, Ba(NO_{3})_{2} o BaO_{2}.

8. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre el primer y el segundo aislamiento (41, 42) está previsto al menos un aislamiento adicional, cuya proporción de bario está situada entre la del primer aislamiento (41) y la del segundo aislamiento (42).

9. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer aislamiento (41) presenta una mayor proporción de poros que el segundo aislamiento (42).

10. Elemento sensor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo de calentamiento (40) está circundado lateralmente por un borde obturador (45) de material conductor de iones.