JP2002181770A - ガスのための測定フィーラ - Google Patents

ガスのための測定フィーラ

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JP2002181770A
JP2002181770A JP2001319818A JP2001319818A JP2002181770A JP 2002181770 A JP2002181770 A JP 2002181770A JP 2001319818 A JP2001319818 A JP 2001319818A JP 2001319818 A JP2001319818 A JP 2001319818A JP 2002181770 A JP2002181770 A JP 2002181770A
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ヴァイル ヘルムート
Hans-Martin Wiedenmann
ヴィーデンマン ハンス−マルティン
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    • 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
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    • Y10T436/208339—Fuel/air mixture or exhaust gas analysis

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ体の方向に連行される水滴をセンサ体
に到達する前に蒸発させることができるようにする。 【解決手段】 保護ケーシング３，４が、二重周壁を備
えており、該二重周壁の内周壁４が加熱されるようにな
っているようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定ガスの酸素含
有率の検出に用いられる、ガスのための測定フィーラ、
特にＯ２センサであって、測定ガスに対して透過性の保
護ケーシング内に配置されたセラミックス製のセンサ体
が設けられており、該センサ体が、測定運転時に固有の
ヒータによって３００℃よりも高い温度に加熱されるよ
うになっているかもしくは該温度に保たれるようになっ
ている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】現代の内燃機関の排ガスシステムには、
特に自動車において今日では一般的に、有害な排ガスを
触媒作用によって分解するための触媒が設けられてい
る。触媒の良好な機能のためには、エンジンに空気と燃
料とを、設定された比率で供給することが必要となる。
このために設けられたエンジン制御装置はその入力側
で、いわゆる「Ｏ２センサ」に接続されている。このＯ
２センサの信号は排ガスの組成比を再現しかつ燃料と燃
焼空気との比率を触媒のために最適な形式で調整するこ
とをエンジン制御装置によって可能にする。
【０００３】冒頭に記載した測定フィーラでは、セラミ
ックス製のセンサ体が少なくとも部分的に固体電解質と
して形成されている。この固体電解質は酸素イオンに対
して伝導性である。この伝導性は、排ガスの酸素濃度に
関連した電気的な信号を形成するために使用される。
【０００４】酸素イオンに対する伝導性の作用は著しく
温度に関連しているので、センサ体は測定運転の間、評
価可能な信号を形成することができるように加熱されな
ければならない。センサ体の典型的な運転温度は３００
℃〜４５０℃の間にある。
【０００５】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３０３５
６０８号明細書には、冒頭に記載した形式の測定フィー
ラが示してある。この場合、センサ体は、外壁に配置さ
れたヒータを備えたセラミックス製の固体電解質管とし
て形成されていて、有利には、排ガスを流入させるため
の開口を備えた保護管内に収納されている。
【０００６】ドイツ連邦共和国特許出願公開第２９４２
４９４号明細書にも同様に測定フィーラが示してある。
この測定フィーラのセンサ体はセラミックス製の固体電
解質管として形成されている。ヒータが保護ケーシング
の内側に配置されている。この保護ケーシングはセンサ
体を収容していて、排ガスのための開口を備えている。
すなわち、ケーシングはセンサ体のための加熱・保護管
を形成している。この加熱・保護管はこの装置では直接
加熱される。
【０００７】ドイツ連邦共和国特許第３６２８５７２号
明細書には、セラミックス製の管状のセンサ体が示して
ある。このセンサ体はその測定ガス側の端部で導電性の
セラミックス材料から成っていて、その他の部分で電気
的に絶縁性のセラミックス材料から成っている。この場
合、電気的に絶縁性のセラミックス材料から成る領域は
外側に電気的な加熱導体路を支持している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式の測定フィーラを改良して、センサ体の方
向に連行される水滴をセンサ体に到達する前に蒸発させ
ることができるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、保護ケーシングもしくは保護管
が、二重周壁を備えており、該二重周壁の内周壁が加熱
されるようになっているようにした。
【００１０】
【発明の効果】本発明は、場合によって測定ガス内で連
行される水滴が、センサ体に衝突し得る前に高い確率で
蒸発するという利点を提供している。これに相応して、
水滴が、極端な温度勾配に伴う随時激しい温度低下をセ
ンサ体に生ぜしめることと、材料剥離を生ぜしめ得るこ
ととが回避される。
【００１１】自動車の始動後に測定フィーラの迅速な運
転特性を形成するために、センサ体のヒータは、数秒後
にすでに３００℃よりも高い温度に到達するように設計
されている。これに対して、自動車の排ガス系統は、温
度が低い場合には特に相当ゆっくりとしか加熱されず、
結果的に、排ガス温度は比較的長い間水のための露点よ
りも低いままとなり、これに相応して、測定フィーラは
水滴によって「取り囲まれて」しまう。本発明による手
段に基づき、センサ体は実際に水蒸気によってしか負荷
されない。この水蒸気は、センサ体の耐用年数と機能性
とに関して非臨界的である。
【００１２】本発明の特に有利な構成によれば、センサ
体の周囲に設けられた付加的なヒータによって、センサ
体の表面に向かって上昇する温度に伴う温度勾配が形成
される。これによって、水滴の特に有効な蒸発が達成さ
れる。
【００１３】この温度勾配は特に、保護ケーシングが、
加熱されない外周壁と、この外周壁から間隔室によって
分離された加熱される内周壁とを有しており、この内周
壁の温度が、一方ではセンサ体の表面温度よりも著しく
低くなっていて、他方では外周壁の温度よりも高くなっ
ており、しかも、有利には水の蒸発温度の近くにあるか
または水の蒸発温度をかろうじて上回っていることによ
って実現することができる。
【００１４】さらに、所望される水滴の蒸発は、保護ケ
ーシング、特にこの保護ケーシングの内周壁が、水に対
して容易に湿潤可能な表面を有していることよって一層
改善することができる。
【００１５】保護ケーシングの二重周壁は、外周壁が、
水滴流をセンサ体に対して絞り、これによって、加熱さ
れた内周壁の蒸発作業が容易になり得るという別の利点
を提供している。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。
【００１７】図１に示した測定フィーラ１は、外側の保
持体としてねじ込みスリーブ２を有している。このねじ
込みスリーブ２は外側の雄ねじ山２′によって自動車の
排ガス系統（図示せず）の相応のねじ山付き孔内にねじ
り込むことができる。ねじ込みスリーブ２は、排ガス系
統内に突入する、図面で見て下方の端部に外側の保護管
３と内側の保護管４とを支持している。この内側の保護
管４は外側の保護管３の内面から間隔を置いて配置され
ている。両保護管３，４にはミシン目が設けられている
ので、内側の保護管４の内室と外側の保護管４の外側の
周囲との間のガス交換が可能である。
【００１８】ねじ込みスリーブ２だけでなく両保護管
３，４も金属製部分として形成することができる。この
場合、両保護管３，４はねじ込みスリーブ２に溶着する
ことができるかまたはピン留めによってまたは別の形式
で結合することができる。
【００１９】ねじ込みスリーブ２の内部には、セラミッ
クス製の充填体５と、シールパッキン６とが配置されて
いる。この充填体５とシールパッキン６とはセラミック
製のガスセンサ素子７を保持している。このガスセンサ
素子７は、図面で見て下側の端部で内側の保護管４の内
室内に突入している。ガスセンサ素子７のこの端部は、
セラミック製のセンサ体内に埋め込まれたヒータ（図示
せず）によって極めて高い温度、たとえば３００℃〜４
５０℃にもたらされる。このヒータの電気的な接続部と
ガスセンサ素子７の電極（図示せず）の接続部とは、ガ
スセンサ素子７の、図面で見て上側の端部に設けられて
いる。
【００２０】さらに、充填体５とシールパッキン６と
は、内側の保護管４の内部に配置された加熱螺旋体８を
保持している。この加熱螺旋体８の、発熱のために働く
電気的な抵抗線材は、この抵抗線材に対して電気的に絶
縁された周壁管内に配置されている。この周壁管は２つ
の端部領域で充填体５とシールパッキン６とを貫通して
いて、加熱線材接続部９を支持している。
【００２１】すなわち、発熱のために働く電気的な抵抗
線材を、この線材に対して絶縁された周壁管内に配置す
ることによって、発熱のために働く抵抗線材と、充填体
５もしくはシールパッキン６またはセンサ素子７との間
に電位が生じることはあり得なくなる。
【００２２】測定フィーラ１の運転時に加熱螺旋体８
は、螺旋体表面にもしくは内側の保護管４の表面に水の
蒸発温度に近い温度、有利には８０℃〜１５０℃の間の
温度が達成されて保たれるように加熱される。この場
合、加熱螺旋体８は、前述した温度が測定運転の開始後
に少なくとも最大で１０秒の同一の期間内で達成される
ように設計されている。この期間内では、ガスセンサ素
子７がそのヒータによって約３００℃〜４５０℃の運転
温度にもたらされる。
【００２３】前述したこれら全ての温度は、測定フィー
ラ１の周囲、特に自動車の、測定フィーラ１を取り付け
る排ガス系統（図示せず）が、極めて低い周囲温度に基
づき完全に冷却されている場合でも、前述した期間内で
達成されるので、排ガス系統内の温度は比較的長い間水
の露点よりも低いままとなり、これによって、排ガスが
水滴を連行することが考慮されなければならない。
【００２４】この水滴は確かに測定フィーラ１を負荷す
るが、ガスセンサ素子７にまでは到達することはできな
い：加熱されていないことに相応して排ガス系統と同じ
低い温度に保たれている外側の保護管３は、極めて狭幅
の横断面を備えた多数の孔から成る、外側の保護管３に
形成されたミシン目に基づき、衝突する水滴のための流
れ絞りのように作用する。このことは、水滴が単に一層
減速されて、減少させられた数でミシン目を通って外側
の保護管３の内室内に流入することができることとほぼ
同じ意味である。
【００２５】そこでは、水滴が最も高い確率で、水滴を
迅速に蒸発させる内側の保護管４に衝突する。なぜなら
ば、内側の保護管４の温度は水の蒸発温度の近くにある
からである。それにもかかわらず、なおも内側の保護管
４の狭幅のミシン目を通過する水滴は、先行する部分的
な蒸発に基づき、減少させられた水滴質量しかすでに有
しておらず、さらに、内側の保護管４の放熱に基づき、
水の蒸発温度に近い温度を有している。すでに加熱され
たこの残滴は、極めて熱いセンサ素子７に衝突し得る前
にセンサ素子７への残存経路において最終的に蒸発させ
られる。
【００２６】水滴の前記蒸発プロセスは、水滴が外側の
保護管３からセンサ素子７への経路において、センサ素
子７に向かって上昇する温度勾配を伴う領域を貫通し、
これによって、水滴を高い効率で加熱することができか
つ最終的に蒸発させることができることによって助成さ
れる。
【００２７】すなわち、結果的に、極めて熱いセンサ体
７は水蒸気によってしか負荷され得ない。これによっ
て、センサ素子７の機能性と耐用年数とは決して損なわ
れ得ない。このことは、センサ素子７の領域における蒸
気密度が実際にセンサ素子７の全表面に均一の値を有し
ており、これに相応して、どこにでも同じ表面温度がセ
ンサ素子７に提供されていることにほぼ起因していても
よい。
【００２８】これに対して、いずれにせよ、センサ素子
７に衝突する水滴によって随時激しい温度低下がセンサ
素子７の表面に生ぜしめられ、この温度低下に基づき材
料剥離が生ぜしめられ得ることが回避される。
【００２９】図２の実施例は、主として、内側の保護管
４が電気的な抵抗ヒータとして形成されている点で前述
した実施例と異なっている。この場合、電気的な加熱電
流回路は、充填体５とシールパッキン６とを貫通しかつ
有利には充填体５とシールパッキン６とに対して電気的
に絶縁された、内側の保護管４に導電的に接続された接
続線材１０と、内側の保護管４と、この内側の保護管４
に導電的に接続された、金属から成るねじ込みスリーブ
２とにわたって延びている。このねじ込みスリーブ２自
体は、電気的なアース線路として接続されている部分も
しくは電気的な電流源の極に電気的に接続されている部
分に電気的に接続されている。
【００３０】図３には、有利な構成による内側の保護管
４の周面の、展開された部分の平面図が示してある。図
面から分かるように、周壁は、周方向に延びるスリット
状のミシン目を備えた網状の構造を有している。
【００３１】このフィリグリ構造（ｆｉｌｉｇｒａｎ．
Ｓｔｒｕｋｔｕｒ）に基づき、内側の保護管４は、一方
では電気的な抵抗ヒータの加熱素子として適している。
他方では、水滴による良好な濡れ性もしくは湿潤性が達
成される。結果的に、この湿潤性によって水滴は、高め
られた確率で内側の保護管４に付着し続けかつ大きい面
にわたって流れ拡がるので、水滴を内側の保護管４の加
熱に基づき容易にかつ有効に蒸発させることができる。
【００３２】基本的に、外側の保護管３は内側の保護管
４と同様に形成することができる。外側の保護管３を、
高められた機械的な安定性を備えて形成することも同様
に有利である。
【００３３】また、両保護管３，４は多孔性にまたはフ
ォーム状に構造化された金属または多孔性のもしくはフ
ォーム状のセラミックスから成っていてもよい。
【００３４】説明した全ての構成では、周囲温度、たと
えば内燃機関の排ガス系統の温度が十分に上昇させられ
ていて、水の結露をもはや見込む必要がない限りにおい
て、水滴を蒸発させるために設けられたヒータをスイッ
チオフすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による測定フィーラの第１の有利な構成
の断面図である。
【図２】図１に示した測定フィーラの、変更された構成
の相応の断面図である。
【図３】センサ体の二重周壁保護ケーシングの内周壁
の、展開された内面の平面図である。
【符号の説明】
１ 測定フィーラ、 ２ ねじ込みスリーブ、 ２′
雄ねじ山、 ３ 外側の保護管、 ４ 内側の保護管、
５ 充填体、 ６ シールパッキン、 ７ガスセンサ
素子、 ８ 加熱螺旋体、 ９ 加熱線材接続部、 １
０ 接続線材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス−マルティン ヴィーデンマン ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ブ ルックナーシュトラーセ 20 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC02 BF13 BF15 BF18 BF27 BJ02 BJ05

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定ガスの酸素含有率の検出に用いられ
    る、ガスのための測定フィーラであって、測定ガスに対
    して透過性の保護ケーシング（３，４）内に配置された
    セラミックス製のセンサ体（７）が設けられており、該
    センサ体（７）が、測定運転時に固有のヒータによって
    ３００℃よりも高い温度に加熱されるようになっている
    かもしくは該温度に保たれるようになっている形式のも
    のにおいて、 保護ケーシング（３，４）が、二重周壁を備えており、
    該二重周壁の内周壁（４）が加熱されるようになってい
    ることを特徴とする、ガスのための測定フィーラ。
  2. 【請求項２】 内周壁（４）のヒータ（４，８）によっ
    て、センサ体（７）の表面に向かって上昇する温度に伴
    う温度勾配が形成可能である、請求項１記載の測定フィ
    ーラ。
  3. 【請求項３】 内周壁（４）もしくは該内周壁（４）の
    ヒータ（４，８）が、水の蒸発温度よりも高い表面温度
    を有している、請求項１または２記載の測定フィーラ。
  4. 【請求項４】 内周壁（４）もしくは該内周壁（４）の
    ヒータ（４，８）が、水の蒸発温度よりもやや低い表面
    温度を有している、請求項３記載の測定フィーラ。
  5. 【請求項５】 保護ケーシングが、加熱されない外周壁
    （３）を有しており、加熱される内周壁（４）が、外周
    壁（３）から間隔室によって分離されている、請求項１
    から４までのいずれか１項記載の測定フィーラ。
  6. 【請求項６】 内周壁（４）のヒータ（８）が、内周壁
    （４）の内面に片持ち式に配置されている、請求項１か
    ら５までのいずれか１項記載の測定フィーラ。
  7. 【請求項７】 内周壁（４）が、加熱素子として形成さ
    れている、請求項１から６までのいずれか１項記載の測
    定フィーラ。
  8. 【請求項８】 内周壁（４）の少なくとも外面が、水に
    対して容易に湿潤可能である、請求項１から７までのい
    ずれか１項記載の測定フィーラ。
  9. 【請求項９】 外周壁（３）も水に対して容易に湿潤可
    能である、請求項８記載の測定フィーラ。
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