JP2014500481A - ガスおよび液体の混合環境のための加熱されるセンサ・エレメント - Google Patents

Abstract

ガス・センサのための加熱される基材エレメントは、第１の表面および前記第１の表面とは反対側の第２の表面を有するセラミック基材エレメントと、前記第１の表面上に形成された加熱エレメントと、前記第２の表面上に形成された受動的な熱伝導層と、を包含する。前記基材エレメントは、液滴が前記基材エレメントに当たった時に生じるような、温度での突然の局所的変化による亀裂応力に抵抗することができる。
【選択図】図２

Description

いくつかのタイプの高温ガス・センサは、高温熱源として金属電気導体（通常、プラチナ）がめっきされたセラミック基材エレメントを含む。これらのセンサは、電気導体によってコンジット内のガスの温度より高い温度まで加熱され、かつそのセンサの加熱されたエリアがガス流に露出される。これらのセンサには、酸素、ＮＯｘ、質量流、および専用センサが含まれ、たとえばヘビー・デューティ・ディーゼル・エンジンの吸気および排気コンジット内において使用されている。

内燃エンジンの吸気および排気コンジット内においては、意図せずしてガス・ストリーム内に液体が存在することがある。たとえば、始動の間に、または冷媒に伴う問題に起因して温分の凝縮による水が、燃料噴射装置の問題に起因してエンジン燃料が、エンジンのシールまたはターボ・チャージャの問題に起因してエンジン・オイルが、シリンダのシールまたは排気ガス再循環クーラーの問題に起因して冷媒が存在することがある。

現在のディーゼル排気ガス処理システムでは、処理システムの一部として、高温ガス・センサが使用されているエリア内において排気システム内に液体が意図的に噴射される。たとえばＮＯｘの還元を行なう選択的触媒還元システムのための尿素の噴射、およびディーゼル排気微粒子フィルタ・システムを加熱するための炭化水素燃料のように、多くの場合に液体が、エンジンの標準的な使用の間にわたって周期的に噴射される。

問題は、ガス・ストリーム内に液体が存在するとき、加熱されたセラミック基材エレメントを伴って生じ得る。加熱されたエレメントに液体滴が接触すると、接触エリアのセラミック基材がその液体の温度まで瞬時に冷却され、その温度差が材料内に応力を生じさせる。セラミック材料は、結晶質であり、かつ脆く、これらの温度差がセラミックに割れを生じさせる可能性があり、最終的にそれは、基材エレメントおよび加熱導体の故障を導く。

たとえば、加熱される基材エレメントは、７００℃において動作することができる。１００℃まで液体である水滴がエレメントに当たったとすると、そのエレメントの局所的なエリアが１００℃までの温度に冷却される。この液体接触エリアの境界を横切る温度差は、約６００℃であり、セラミック基材内に温度差による応力を生み出す。

通常、加熱される基材センサのためのコントロール・システムが温度の低下を検知し、ヒータに対してより多くの電力を供給することによってそれに応答する。しかしながら、追加の電力の印加は、冷スポットと残りのヒータ温度との間における不平衡を高めることになり、それが温度差による応力を増幅する。

セラミック基材内の割れは、金属の電気ヒータ導体内に緊張を生み出す可能性がある。緊張下にある導体の部分は、電気抵抗の増加を経験することがあり、それがヒータ導体内に温度的なホット・スポットを結果的にもたらす可能性があり、それがまた金属の溶解およびヒータ回路の開放を生じさせる可能性がある。

したがって、センサ内における液体接触熱応力故障の問題を解決することが重要である。

この問題を解決するための１つのアプローチが、加熱されるセンサのソフトウエア・コントロールである。特許文献１は、センサ本体の故障を防止するべく加熱サイクルのコントロールを行なうためのアルゴリズムを開示している。しかしながら、ソフトウエアは、温度変化が検出された後においてのみ応答可能である。

米国特許第７，０８４，３７８号明細書

本発明は、金属（プラチナ）導体がめっきされたセラミック・ヒータ基材を含むセンサにおける改良である。

本発明は、セラミック基材上の高温ヒータとは反対側に受動的な伝熱層を、めっきまたはそのほかの手段によって提供することを提案する。この熱伝導層は、好ましくは金属材料とするが、セラミックより良好な熱エネルギの伝導体である。この熱伝導層は、熱エネルギを吸収し、かつ分散させることによって熱ダンパとして作用し、基材に割れを生じさせる過度に急激なセラミック基材の加熱を防止すると考えられる。この『受動的』という用語は、金属層が電気的接続を有してなく、かつセラミック基材との接触以外には熱源またはシンク接続を有していないことを意味する。

受動的な金属層はまた、液体接触エリアより大きい基材のエリアにわたって熱を伝達することによって、センサ基材と接触する湿分または液体の冷却効果を下げると考えられる。

受動的な金属層は、セラミック基材の長さ方向に熱を分散させ、そのことが故障モードとしての部位の過熱の防止を補助すると考えられる。

本発明の１つの実施態様によれば、セラミック基材が、上に加熱エレメントが配置される先端であって、より狭幅であり、かつより小さい断面の領域の先端、および、より幅広であり、より大きな断面の領域のベースを伴って形成される。めっきは、先端からベースの一部の上まで広がり、それが、基材の質量がより小さいエリアから質量がより大きいエリアへの熱エネルギの分散を促進する。

また金属層が、セラミック基材の機械的な増強を行なうべく作用し、完全性を維持し、かつ基材の撓曲を最小化すると考えられる。

受動的な金属コーティングには、湾曲されているか、または波状の終端エッジ・ラインがベースの端部上に伴って形成され、基材のラテラル方向における有効加熱距離を増加することができる。

本発明は、円柱状の基材においても具体化することができる。１つの実施態様によれば、円柱状の基材がセラミック材料の中実の円柱であり、端部の表面上に備えられる加熱エレメント、および同じ端部のそれとは反対側に備えられる受動的な金属コーティングを伴う。

別の実施態様によれば、センサ基材が中空の円柱として形成され、端部の外側表面上に形成されるか、または堆積される加熱エレメント、および加熱エレメントが位置する場所とは反対側の内側表面に備えられる受動的な金属コーティングを伴う。それに代えて、受動的な金属コーティングが、中空円柱内の金属コアを包含することができる。

本発明は、次にリストする添付図面とともに読まれる以下の詳細な説明を参照することによってより良好な理解が得られるであろう。

第１の表面に適用された加熱エレメントを伴ったセンサ基材エレメントの平面図である。 本発明の実施態様による受動的な金属めっきを図解した図１のセンサ基材エレメントとは反対側の平面図である。 代替実施態様による円柱状センサ基材エレメントの断面図である。 円柱状センサ基材エレメントの第２の実施態様の断面図である。

本発明の第１の実施態様によるガス・センサのための加熱される基材エレメントが図１および２に示されている。セラミック基材エレメント１０は、図示されているとおり、アルミナ等のセラミック材料のプレートとすることができる。基材エレメント１０は、第１の表面１２および当該第１の表面とは反対側の第２の表面１４を有する。図解されている実施態様のエレメント１０は、第１の端部またはベース１６、および第２の端部または先端１８を有する。ベース１６は、先端１８より幅が広く、かつベースは、ベースの幅を先端の幅に移行させるテーパー状の領域１９を含む。基材エレメント１０は、ガス流内に位置決めできる加熱される部分を提供するそのほかの形状を取るとしてもよい。

第１の表面にはヒータ２０が形成されている。ヒータ２０は、たとえば堆積およびエッチング、またはプリント等の任意の好都合な手段によって第１の表面１２上に配置されたプラチナ層等の抵抗膜エレメントとすることができる。ヒータ２０は、電源に接続するためのそれぞれの端子２６、２８を有するリード２２、２４を含む。ヒータ２０は、先端１８に形成された加熱エレメント３０を含み、それがＳ字状の部分として示されている。

先端１８および加熱コイル３０は、加熱される基材エレメント１０が使用されるとき、ガスに露出される。

熱伝導層４０が、先端１８の第２の表面１４上に形成されている。熱伝導層４０は、加熱エレメント３０とは反対側であり、このことは加熱エレメントからこのエレメントを通って最短の距離にそれが位置することを意味する。熱伝導層４０は、高い熱伝達特性を有する材料、好ましくは金属から形成される。熱伝導層４０は、第２の表面１４上において少なくとも先端１８およびベース１６の一部を覆うべく広がっている。

この分野において周知のとおり、セラミックは、熱伝導性の低い材料であり、セラミック基材は、安定した温度を維持することが可能なサーマル・マスを提供する。本発明の熱伝導層４０は、熱伝達が比較的高い層を提供し、接触エリア内におけるセラミック基材にわたって迅速に熱を分散させることが可能である。熱伝導層４０は、受動的であり、言い換えるとそれは、外部熱源または熱シンクに対して接続されていない。

本発明によれば、熱伝導層４０が、基材エレメント１０のベース１６の上まで広がっており、先端１８とベースの間の熱伝導を提供する。ベース１６における熱伝導層４０のエッジは直線ではなく、言い換えるとそれは、波状または湾曲されたラインとして形成されており、ベースを横切る距離の拡張を提供している。

テストにおいては、本発明によるところの加熱されるセラミック基材センサは、熱伝導層を伴わない基材と比較したとき、センサのサービス寿命における４４４％の改善を経験した。

図３に図解されている代替実施態様によれば、本発明によるところの加熱されるセラミック基材エレメントは、円柱状の本体１００として形成することもできる。図３は、楕円形の断面を有する基材エレメントを示している。基材エレメントは、円形の断面を取ることもできる。基材エレメント１００は、第１の表面１１２上に形成されたヒータ１２０、および反対側の表面１１４上の熱伝導層１４０を有する。

追加の代替実施態様が図４に示されており、それにおいては基材エレメント２００が中空の円柱状の本体を有する。この実施態様によれば、エレメント２００の外側の表面２１２上にヒータ２２０が備えられ、このエレメントの、ヒータとは反対側の内側の表面２１４上に熱伝導層２４０が備えられる。これに代えて、熱伝導層を金属のコアとして形成してもよい。

図３および４の実施態様は、基材エレメントが狭幅の先端部分を有し、当該先端部分の第１の表面にヒータが形成されるといったことを含めて、図１および２に関して述べたそのほかの面を含むことができる。

以上、例示的な実施態様および構成要素に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、付随する特許請求の範囲によって定義されるとおりの本発明の範囲から逸脱することなく置き換えが行ない得ることを認識するであろう。

１０ セラミック基材エレメント、基材エレメント
１２ 第１の表面
１４ 第２の表面
１６ ベース
１８ 先端
１９ テーパー状の領域
２０ ヒータ
２２ リード
２４ リード
２６ 端子
２８ 端子
３０ 加熱エレメント、加熱コイル
４０ 熱伝導層
１００ 本体、基材エレメント
１１２ 第１の表面
１１４ 反対側の表面
１２０ ヒータ
１４０ 熱伝導層
２００ 基材エレメント
２１２ 外側の表面
２１４ 内側の表面
２２０ ヒータ
２４０ 熱伝導層

Claims (11)

1. ガス・センサのための加熱される基材エレメントであって、
   第１の表面および前記第１の表面とは反対側の第２の表面を有するセラミック基材エレメントと、
   前記第１の表面上に形成された加熱エレメントと、
   前記第２の表面上に形成された受動的な熱伝導層と、
   を包含するガス・センサのための加熱される基材エレメント。
2. 前記セラミック基材エレメントは、プレートとして形成される、請求項１に記載の加熱される基材エレメント。
3. 前記セラミック基材エレメントは、ベースから延びる先端であって前記ベースより狭い先端と、前記先端と前記ベースの間における遷移部分とを有し、それにおいて前記加熱エレメントは、前記先端の前記第１の表面上に形成され、かつそれにおいて前記熱伝導層は、前記先端の前記第２の表面上に形成される、請求項１に記載の加熱される基材エレメント。
4. 前記熱伝導層は、前記先端の前記第２の表面上、前記遷移部分、および前記ベースの一部に形成される、請求項３に記載の加熱される基材エレメント。
5. 前記加熱エレメントは、薄膜抵抗加熱エレメントである、請求項１に記載の加熱される基材エレメント。
6. 前記熱伝導層は、金属から形成される、請求項１に記載の加熱される基材エレメント。
7. 前記熱伝導層は、前記第１の表面に沿って長さ方向に延びる前記加熱エレメントと少なくとも同じ程度に前記第２の表面に沿って長さ方向に延びる、請求項１に記載の加熱される基材エレメント。
8. 前記熱伝導層は、第１の端部から第２の端部まで延び、それにおいて前記第２の端部における前記熱伝導層のエッジは直線でない、請求項１に記載の加熱される基材エレメント。
9. 前記セラミック基材エレメントは円柱として形成され、それにおいて前記第１の表面および前記第２の表面は、円周に関して反対側となる、請求項１に記載の加熱される基材。
10. 前記セラミック基材エレメントは中空の円柱として形成され、それにおいて前記第１の表面は前記中空の円柱の外側表面であり、前記第２の表面は、前記中空の円柱の内側表面である、請求項１に記載の加熱される基材。
11. 前記受動的な熱伝導層は、前記中空の円柱内に金属材料のコアを包含する、請求項１０に記載の加熱される基材。

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