JP2006113067A - ガス測定センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサエレメントの測定機能が圧力脈動によって損なわれない、またはごく僅かしか損なわれないようなガス測定センサを提供する。
【解決手段】特に測定ガスの物理的特性を検出するための、有利には内燃機関の排ガスの酸素濃度を検出するためのガス測定センサであって、層状に形成されたセンサエレメント１０が設けられており、該センサエレメントには測定ガス室４４が設けられており、該測定ガス室内では固体電解質２１，２２に電極３１，３２が配置されている形式のものにおいて、センサエレメントが第１の拡散バリア４１、第２の拡散バリア４２、これら第１の拡散バリアと第２の拡散バリアとの間に配置された中空室４３を有しており、測定ガス室４４が、第１の拡散バリア、中空室４３、第２の拡散バリアを介して、センサエレメントの外側にある測定ガスに接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に測定ガスの物理的特性を検出するための、有利には内燃機関の排ガスの酸素濃度を検出するためのガス測定センサであって、層状に形成されたセンサエレメントが設けられており、該センサエレメントには測定ガス室が設けられており、該測定ガス室内では固体電解質に電極が配置されている形式のものに関する。

測定ガス、例えば内燃機関の排ガス内の酸素濃度を検出するために働くこのような形式のガス測定センサはドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１５４８６９号明細書により公知である。このガス測定センサは、いわゆる広帯域ラムダセンサであって、その機能は例えば、オートモティブ・エレクトロニクス・ハンドブック（Automotive Electronics Handbook, Editor in chief : Ronald K. Jurgen, Second Edition, 1999, McGraw-Hill）に記載されている。

ガス測定センサは、扁平で縦長の層状に形成されたセンサエレメントを有していて、このセンサエレメントはガス測定センサのケーシングに気密に固定されている。センサエレメントは、第１の固体電解質層と第２の固体電解質層とを有していて、これらの固体電解質層の間には測定ガス室と拡散バリアとが配置されている。センサエレメントの外側に位置する測定ガスは、第１の固体電解質層に設けられたガス流入開口と、拡散バリアとを通って測定ガス室へと到る。測定ガス室には電極が配置されていて、この電極は第１の固体電解質シートによって、例えばセンサエレメントの外面上に配置されている別の電極に電気的に接続されている。電極間のポンプ電圧の印加により、酸素は一方の電極から他方の電極へと、ひいてはポンピング方向に応じて、測定ガス室へと、または測定ガス室からポンピングされ、これにより測定ガス室ではラムダ＝１酸素分圧が生じる。測定ガスがラムダ＝１よりも大きいまたは小さい酸素分圧を有するならば、拡散バリアにおいて酸素分圧に関して勾配が生じる。

（酸素濃度が同じ高さの場合に）測定ガスの圧力が高まると、測定ガス室におけるガスの圧力も高まる。このような圧力上昇の際に、拡散バリアの内側にあるガスは測定ガス室へと押し出される。しかしながら圧力上昇の前には、拡散バリア内にあるガスは、測定ガス室に面した側でのみ約ラムダ＝１の酸素分圧を有している。逆の側では、酸素分圧は、センサエレメントの外側に位置する測定ガスの（高い）酸素分圧にほぼ相当する。高い酸素濃度（即ちラムダ＞１）を有する測定ガスの場合、圧力上昇により拡散バリアから測定ガス室へと押し出された測定ガスはラムダ＝１よりも大きい酸素分圧を有する。これにより、測定ガス室における突然の圧力上昇の際に、酸素分圧の突然の上昇が生じるが、この場合、センサエレメントの外側の測定ガスの酸素濃度は実際には上昇していない。

従ってこのような形式のセンサエレメントでは、いわゆる圧力脈動の際に、即ちセンサエレメントの外側で突然著しく圧力が上昇した際に、拡散バリア内の測定ガスが測定ガス室へと押し出され、これによりセンサエレメントの測定機能は悪化してしまう。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１５４８６９号明細書 オートモティブ・エレクトロニクス・ハンドブック（Automotive Electronics Handbook, Editor in chief : Ronald K. Jurgen, Second Edition, 1999, McGraw-Hill）

そこで本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガス測定センサを改良して、センサエレメントの測定機能が圧力脈動によって損なわれない、またはごく僅かしか損なわれないようなガス測定センサを提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、センサエレメントが第１の拡散バリア、第２の拡散バリア、これら第１の拡散バリアと第２の拡散バリアとの間に配置された中空室を有しており、測定ガス室が、第１の拡散バリア、中空室、第２の拡散バリアを介して、センサエレメントの外側にある測定ガスに接続されているようにした。

本発明によれば、センサエレメントの測定機能が圧力脈動によって損なわれない、またはごく僅かしか損なわれないという利点が得られる。

このために、センサエレメントは第１の拡散バリアと第２の拡散バリアとを有しており、これら両拡散バリアの間に中空室が設けられている。測定ガスは（拡散抵抗Ｄ２を有する）第２の拡散バリア、中空室、（拡散抵抗Ｄ１を有する）第１の拡散バリアを介して測定ガス室と該測定ガス室内に配置された電極へと到る。中空室には、静止した状態でＤ２／Ｄ１の商により規定される平均的な酸素分圧を有する測定ガスが均衡を保って存在している。センサエレメントの外側に存在する測定ガスにおける圧力脈動の際には、測定ガスが第２の拡散バリアから中空室へと押し出され、これにより中空室において圧力が上昇する。このことは第１の拡散バリアを介して測定ガス室にまで続けられる。

この場合、主に測定ガスは中空室から測定ガス室へと押し出される。これにより、測定ガスが第２の拡散バリアから、極めて高い酸素分圧をもって測定ガス室に到る恐れが回避される。さらに中空室は貯え容積として働き、これにより測定ガス室の方向での圧力波の伝播を遅延させられる。圧力脈動に続いて排ガスにおける圧力減少が生じると、中空室の貯え機能に基づき、次の圧力減少による圧力脈動が少なくともほぼ補償される。

従属請求項に記載の手段により、独立請求項で記載したガス測定センサの有利な別の構成が得られる。

有利には第１の拡散バリアはリング状であって、リング状の測定ガス室によって取り囲まれている。この場合、第１の拡散バリアの内側に第２の拡散バリアが配置されており、第１の拡散バリアと第２の拡散バリアとの間にリング状の中空室が形成されている。測定ガス室と第１の拡散バリアと中空室と第２の拡散バリアとは、第１の固体電解質層と第２の固体電解質層との間に配置されている。排ガスは例えば、第１の固体電解質層に設けられたガス流入開口を介して第２の拡散バリアと到る。円筒状に配置されていることにより、測定ガス室へと拡散する測定ガスのために拡散横断面が拡大する。これにより、圧力脈動のために提供される貯え容積も第２の拡散バリアから測定ガス室へと増大する。これにより、センサエレメントの外側に存在する測定ガスから、ガス流入開口と第２の拡散バリアと、中空室と、第１の拡散バリアとを介して測定ガス室へと伝播する圧力脈動は円筒状のジオメトリにより付加的に弱められる。

第２の拡散バリアの外径が、０．５〜１．５ｍｍの範囲、特に１．０ｍｍであって、第１の拡散バリアの内径が０．７〜２．０ｍｍの範囲、特に１．５ｍｍであって、及び／又は第１の拡散バリアの外径が１．５〜３．０ｍｍの範囲、特に２．３ｍｍであると、特に効果的に圧力脈動の伝播が減じられる。第２の拡散バリアは円筒状であって良く、真ん中に内径が０．２５〜０．７ｍｍの範囲、特に０．５ｍｍの切欠を有していて良い。

第１の拡散バリアと第２の拡散バリアの孔もしくは層厚さが、ガス分子の２つの衝突の間の平均自由行程よりも小さいならば壁衝突が生じる。これにより、気相拡散からクヌーセン拡散へと拡散メカニズムは変化する。粒子衝突しかパルスの伝達を生ぜしめないので、粒子衝突しか圧力脈動の伝播のために作用しない。従って、クヌーセン拡散への移行は流れ抵抗を高め、圧力脈動の作用を低下させる。従って有利には多孔質の拡散バリアの平均的な孔直径は最大で５μｍ、特に最大で３μｍである。このような形式の多孔質の拡散バリアの有利な層厚さは、少なくとも１５μｍ、特に少なくとも２５μｍである。選択的に第１の拡散バリア及び／又は第２の拡散バリアは、高さの低い中空室（即ち多孔質の充填物を有さない）によっても実現される。この場合、中空室として形成された拡散バリアの高さは最大で１０μｍ、特に最大で５μｍである。

中空室によって圧力脈動の伝播が減じられ、中空室自体において圧力脈動なお存在するので、センサエレメントの測定信号に直接的にまたは間接的に生ぜしめる電極は中空室内にではなく、中空室に後置されて、即ち測定ガス室内に配置されている。相応に中空室内には、触媒として活性の材料を含む電極は設けられていない。

この明細書では中空室とは、ガス循環もしくはガス拡散がこの室の内側で多孔質の材料によって、多量ではなく特に拡散バリアの内側におけるよりも僅かに防止されるならば、多孔質の材料が充填された室とも理解される。極めて僅かなガス循環は例えば、中空室内に配置された多孔質の材料の孔の割合が、拡散バリアの多孔質の材料の少なくとも３倍であれば存在する。

次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。

図１及び図２には本発明の実施例として、扁平な層状に形成されたセンサエレメント１０が示されている。このセンサエレメント１０はケーシング内にシール装置によって気密に配置されていて、内燃機関の排ガス中の酸素分圧を検出するために働く。図１には、センサエレメント１０の、測定エレメントを有する測定側の区分が示されている。センサエレメント１０の、図示されていない接続側の区分は導線領域とコンタクト領域とを有している。センサエレメントの構成と、ガス測定センサのケーシングにおけるセンサエレメントの取り付けとは、例えば、オートモティブ・エレクトロニクス・ハンドブック（Automotive Electronics Handbook, Editor in chief : Ronald K. Jurgen, Second Edition, 1999, McGraw-Hill）に記載されている。

センサエレメント１０は、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２と第３の固体電解質層２３とを有している。センサエレメント１０には、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間にリング状（中空円筒状）の測定ガス室４４が設けられている。この測定ガス室４４の真ん中には第１のリング状（中空円筒状）の拡散バリア４１が配置されており、その中心にはさらに１つの第２の拡散バリア４２が配置されている。両拡散バリア４１，４２は中空室４３によって分離されている。第１の固体電解質層２１にはガス流入開口４５が設けられており、このガス流入開口４５は第２の拡散バリア４２の中央に開口している。センサエレメント１０の外側に位置する排ガスは、ガス流入開口４５、第２の拡散バリア４２、中空室４３、第１の拡散バリア４１を介して測定ガス室４４に到る。測定ガス室４４は側方でシールフレーム２５によって取り囲まれていて、シールされている。

第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間にはさらに基準ガス室４６が設けられている。この基準ガス室４６は測定ガス室４４とは気密に分離されていて、センサエレメント１０の長手方向軸線の方向で延びている。基準ガス室４６は基準ガスとして高い酸素含有率をもったガス、例えば周囲の空気を有している。

第２の固体電解質層２２と第３の固体電解質層２３との間には加熱エレメント５１が設けられている。この加熱エレメント５１は加熱回路を有しており、この加熱回路は加熱絶縁体５２によって周囲の固体電解質層２２，２３から分離されている。加熱エレメント５１は側方で加熱フレーム２６によって取り囲まれていて、この加熱フレーム２６は加熱エレメント５１をガス密にシールする。

測定ガス室４４では、第１の固体電解質層２１にリング状の第１電極３１が、第２の固体電解質層２２に、この第１電極３１に向かい合って位置するリング状の第２電極３２が取り付けられている。第１の固体電解質層２１の外面には、リング状の第３電極３３が設けられていて、その中央にはガス流入開口４５が位置している。第３電極３３は多孔質の保護層３５によってカバーされている。第４電極３４は基準ガス室４６内に設けられている。

第１電極３１と第３電極３３と、これら両電極３１，３３の間に位置する固体電解質層２１は１つの電気化学的なセルを形成しており、この電気化学的なセルはセンサエレメント１０の外側に配置された回路によってポンプセルとして働く。第２電極３２と第４電極３４と、これら両電極３２，３４の間に位置する固体電解質層２２とは、ネルンストセルとして働く別の電気化学的なセルを形成している。ネルンストセルは測定ガス室４４における酸素分圧を測定する。ポンプセルは、測定ガス室４４における酸素分圧がラムダ＝１であるように、酸素を測定ガス室４４へとポンピングし、または測定ガス室４４からポンピングする。このような形式のセンサエレメントは当業者には広域ラムダプローブとして公知である。

第２の拡散バリア４２の内径は０．５ｍｍ、外径は１．０ｍｍである。第１の拡散バリア４１の内径は１．５ｍｍ、外径は２．３ｍｍである。中空室４３が直接第１の拡散バリア４１と第２の拡散バリア４２に隣接しているので、第２の拡散バリア４２の外径は中空室４３の内径に相応し、第１の拡散バリア４１の内径は中空室４３の外径に相応する。さらに、第１の拡散バリア４１の外径は測定ガス室４４の内径に相応する。

測定ガス室４４、第１の拡散バリア４１、第２の拡散バリア４２、中空室４３の層厚さ、即ち第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２の間隔は３０μｍである。

選択的な図示していない実施例では、第２の拡散バリア４２は円筒状に成形されており、第２の拡散バリア４２へのガス流入開口４５は真ん中に配置されていて、第１の固体電解質層２１と第２の拡散バリア４２との間の層平面で終わっている。

図３に示した本発明の第２実施例の一部は、図２に示したセンサエレメント１０の横断面に相応し、第１の実施例との相違点は、第１の拡散バリア４１ａと、第２の拡散バリア４２ａとが、高さの低い中空室（即ちセンサエレメント１０の大面積側に対して垂直方向での拡がりが小さい中空室）として形成されていることにある。第２の固体電解質層２２と、第１の固体電解質層２１上に取り付けられた狭隘部材４８，４９との間に位置する第１の拡散バリア４１ａと第２の拡散バリア４２ａとは、２．５μｍの高さを有する。狭隘部材４８，４９は勿論（個々にまたは一緒に）第２の固体電解質層２２に設けることもできる。

本発明は勿論、拡散方向で相前後して配置された、中空室によって分離される２つ以上の拡散バリアに転用することもできる。

本発明の第１実施例であるセンサエレメントの図２のＩ−Ｉ線に沿った縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の第２実施例の部分図である。

符号の説明

１０ センサエレメント、 ２１ 第１の固体電解質層、 ２２ 第２の固体電解質層、 ２３ 第３の固体電解質層、 ２５ シールフレーム、 ２６ 加熱フレーム、 ３１ 第１電極、 ３２ 第２電極、 ３３ 第３電極、 ３４ 第４電極、 ３５ 保護層、 ４１ 第１の拡散バリア、 ４２ 第２の拡散バリア、 ４３ 中空室、 ４４ 測定ガス室、 ４５ ガス流入開口、 ４６ 基準ガス室、 ４８，４９ 狭隘エレメント、 ５１ 加熱エレメント、 ５２ 加熱絶縁体

Claims (13)

1. 特に測定ガスの物理的特性を検出するための、有利には内燃機関の排ガスの酸素濃度を検出するためのガス測定センサであって、層状に形成されたセンサエレメント（１０）が設けられており、該センサエレメント（１０）には測定ガス室（４４）が設けられており、該測定ガス室（４４）内では固体電解質（２１，２２）に電極（３１，３２）が配置されている形式のものにおいて、
   センサエレメント（１０）が第１の拡散バリア（４１）、第２の拡散バリア（４２）、これら第１の拡散バリア（４１）と第２の拡散バリア（４２）との間に配置された中空室（４３）を有しており、測定ガス室（４４）が、第１の拡散バリア（４１）、中空室（４３）、第２の拡散バリア（４２）を介して、センサエレメント（１０）の外側にある測定ガスに接続されていることを特徴とするガス測定センサ。
2. 第１の拡散バリア（４１）がリング状であって、第２の拡散バリア（４２）が第１の拡散バリア（４１）の内側に配置されている、請求項１記載のガス測定センサ。
3. 第２の拡散バリア（４２）が円筒状の外周面を有しており、該外周面が中空室（４３）に隣接している、請求項１または２記載のガス測定センサ。
4. 第１の拡散バリア（４１）が中空円筒状であって、内周面と外周面とを有しており、第１の拡散バリア（４１）の内周面が中空室（４３）に隣接しており、第１の拡散バリア（４１）の外周面が測定ガス室（４４）に隣接している、請求項１または２記載のガス測定センサ。
5. 第１の拡散バリア（４１）と中空室（４３）と第２の拡散バリア（４２）とが、第１の固体電解質層（２１）と第２の固体電解質層（２２）との間の層平面に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
6. 第２の拡散バリア（４２）の内径が０．２５〜０．７ｍｍの範囲、特に０．５ｍｍであって、及び／又は第２の拡散バリア（４２）の外径が、０．５〜１．５ｍｍの範囲、特に１．０ｍｍであって、及び／又は第１の拡散バリア（４１）の内径が０．７〜２．０ｍｍの範囲、特に１．５ｍｍであって、及び／又は第１の拡散バリア（４１）の外径が１．５〜３．０ｍｍの範囲、特に２．３ｍｍである、請求項２から５までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
7. 第１の拡散バリア（４１）及び／又は第２の拡散バリア（４２）が多孔質の材料を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
8. 第１の拡散バリア（４１）及び／又は第２の拡散バリア（４２）の多孔質の材料の平均孔直径が最大で５μｍ、特に最大で３μｍである、請求項７記載のガス測定センサ。
9. 第１の拡散バリア（４１）及び／又は第２の拡散バリア（４２）及び／又は中空室（４３）及び／又は測定ガス室（４４）の層厚さが少なくとも１５μｍ、特に少なくとも２５μｍである、請求項６または７記載のガス測定センサ。
10. 第１の拡散バリア（４１）及び／又は第２の拡散バリア（４２）が、最大１０μｍの、特に最大５μｍの高さを有した中空室である、請求項１から５までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
11. 第１の固体電解質層（２１）にガス流入開口（４５）が、排ガスがこのガス流入開口（４５）を介して第２の拡散バリア（４２）へと到るように設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
12. 中空室（４４）に隣接する材料が触媒として不活性である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
13. 中空室（４４）には電極が配置されていない、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガス測定センサ。

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