JP2015052597A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】非対称的にセンサに作用する熱負荷であっても、強いレベルの動的プロセスにあっても好適な測定特性が維持することができるように、適正化することができるようにフロント側の遮蔽体の改良を提案する。
【解決手段】測定変換器（３）を収容するセンサハウジング（２）と、環状の可撓部（１２）に囲まれた中央の押圧部（１１）を有する圧力側に配置されたダイヤフラム（１０）とを具え、圧力側において、押圧部（１１）には、ダイヤフラム（１０）への伝熱に影響を及ぼす遮蔽体が取り付けられている構成の圧力センサ（１）に関し、遮蔽体は、該遮蔽体の中央領域（２４）が押圧部（１１）と伝熱接合された分配キャップ（２０）として形成されている。たとえば、中央の凹部ないし開口部（２３）が形成され、押圧部（１１）の凸部（１６）を収容することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、測定変換器を収容するセンサハウジングと、環状の可撓部に囲まれた中央の押圧部を有する、圧力側に配置されたダイヤフラムとを具え、圧力側において、押圧部には、ダイヤフラムへの伝熱に影響を及ぼす遮蔽体が取り付けられている構成の、特に、高温の動的プロセスに使用するための圧力センサに関する。

たとえば内燃機関またはタービンの燃焼室境界の測定孔に配設される、高温の動的プロセスにおいて圧力測定するためのセンサは、極度の熱流と圧力パルスに曝されている。こうした熱流は、動的負荷によりセンサ素子に緊張をもたらすとともに、測定特性の悪化を招来し得る非常な高温をセンサにもたらすことになる。こうしたことから、センサの敏感なフロント部分、特にそこに配置されたダイヤフラムを保護するための様々な対策がすでに知られているが、その際、こうした保護装置により、できる限り、センサの測定挙動に支障が生じないようにしなければならない。

この点に関して欧州特許第２４４０９００号明細書から、圧力側において圧力センサのダイヤフラムの前方に僅かに離間して配置される熱保護素子が知られており、ダイヤフラムは、中央の押圧部、環状の可撓部、およびセンサハウジングと溶接されたフランジ部からなっている。ダイヤフラム表面全体を被覆する熱保護素子は、センサ膜の領域に、平行に延びる、または円弧片として形成された、膜面の４０％から６０％を被覆する複数の薄板を有し、その断面高さに比較して非常に薄い各薄板間には狭小なスリットが形成されている。ダイヤフラム全体を被覆する、この典型的な熱保護素子にあっては、可撓部と熱保護素子との間に僅かな隙間が形成されており、この隙間に燃焼残滓が侵入し得る。これにより、隙間が炭化してしまうことがあり、そのため、センサの測定特性が変化する、あるいは定期的な清掃が必要となる。

墺国特許発明第３７４９２２号明細書は、高温媒体の圧力を測定する圧力センサを開示している。測定される圧力の作用を受けるダイヤフラムは、強化された中央部を有するとともに、それに隣接して半径方向に環状の可撓部を有しており、その外側リングはセンサハウジングと溶接されている。さらに、前記環状の可撓部にまで及ぶ熱遮蔽体が、直接、ダイヤフラムの強化された前記中央部に配されており、そのため、強いレベルの動的圧力測定のための前記ダイヤフラムの可撓部は、自由にアクセス不可能である。さらに、熱遮蔽体と環状の可撓部との間の狭小な隙間は炭化し易く、これにより、圧力センサの測定特性が損なわれる。

欧州特許第２０８７３３３号明細書から、さらに、センサのダイヤフラムが、環状の可撓部を有するとともに、内部に押圧部が形成された、高温の動的プロセスにおける測定用の圧力センサが知られている。このセンサの、本来の膜平面を越えて突出した円筒状のハウジング突出部は熱遮蔽体を具えており、あるいは熱遮蔽体で被覆されており、熱遮蔽体は隙間を介して円筒状のハウジング突出部から離間し、その縁部でのみハウジングと溶接されている。ハウジング突出部の内部に配置された押圧部も、このような熱遮蔽体で被覆されており、該熱遮蔽体は環状の可撓部の内側基礎部で押圧部と溶接されている。したがって、ダイヤフラムの大部分は外側および内側の熱遮蔽体により熱から十分に保護されており、圧力作用のためのダイヤフラムの環状の可撓部は、自由にアクセス可能である。圧力センサのフロント領域に非対称的に衝突する熱流により、内側基礎部を介して、環状の可撓部に非対称的な伝熱がもたらされ、これにより測定エラーが生じ得ることがこの実施形態の短所である。

欧州特許第２４４０９００号明細書 墺国特許発明第３７４９２２号明細書 欧州特許第２０８７３３３号明細書

本発明の目的は、冒頭に述べたタイプの圧力センサから出発して、非対称的にセンサに作用する熱負荷であっても、強いレベルの動的プロセスにあっても好適な測定特性が維持することができるように、適正化することができるようにフロント側の遮蔽体の改良を提案することである。

上記課題は、本発明により、熱遮蔽体を、その中央領域が押圧部と伝熱接合された分配キャップとして形成することにより解決される。たとえば、分配キャップは、押圧部の凸部を収容する中央の凹部または開口部を有してよい。また、分配キャップは、その中央領域が閉じられて形成され、押圧部と（たとえば抵抗溶接により）溶接またはハンダ付けされていてもよい。

押圧部の中央に配置されたこの凸部または溶接部を介して、分配キャップにより、該キャップの個々の周縁領域からそれぞれ異なった量で吸収された熱エネルギーは、中央部で、ダイヤフラムに伝達される。中央の押圧部との接合および形状（配置）を適切に選択することにより、ダイヤフラム全体の動的熱膨張ならびに温度勾配が測定特性に好適な影響をもたらすようにすることができる。こうして、分配キャップは、（ダイヤフラム全体を被覆し、伝熱を減少させるだけの熱保護素子と比較して）ダイヤフラムへの動的な伝熱の改良に資することになる。

本発明によれば、分配キャップは、中央の凹部または開口部の領域で、押圧部の凸部と摩擦係合接合されていても、好ましくは溶接されていてもよい。

本発明の実施形態において、押圧部は基本的に円筒状に形成された外周部を有し、該外周部は少なくとも部分的に分配キャップの円筒状の保持フランジにより被覆または包囲されている。

分配キャップの伝熱のより良い改良のために、該キャップはその半径方向領域に複数の開口部を有していても、異なった材料厚さ（強度）を有していてもよい。複数の開口部は異なった形状および大きさを有し、半径方向に非対称的に分布していてよい。
以下、複数の実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。各図は以下を示している。

点火プラグに組み込まれた本発明による圧力センサの部分縦断面図である。 測定孔に配設された本発明による圧力センサの部分縦断面図である。 ダイヤフラムの領域における、図１または図２に示した圧力センサの拡大詳細断面図である。 別途実施例の、図３と同様な拡大詳細断面図である。 別途実施例の、図３と同様な拡大詳細断面図である。 別途実施例の、図３と同様な拡大詳細断面図である。 図３または図４に示したダイヤフラムの異なる分配キャップの断面図ならびに平面図である。 図３または図４に示したダイヤフラムの異なる分配キャップの断面図ならびに平面図である。 図３または図４に示したダイヤフラムの異なる分配キャップの断面図ならびに平面図である。

図１は、圧力センサ１が、たとえば、ここには詳細不図示の内燃機関の点火プラグ４の側方に組み込まれた実施形態を示している。点火プラグ４は、内燃機関のシリンダヘッド６に設けられたプラグホール５に配設されており、圧力センサ１は、燃焼室７内の圧力の作用を直接に受ける。圧力センサはプラグホール５内の側方に配置されているとともに、燃焼室７内の動的進行プロセスに起因して、センサのダイヤフラム１０には非対称的な熱負荷が生ずることになるが、これは、本発明による圧力センサ１が、中央分配キャップ２０を具えていることにより補整される。

図２に示した実施形態において、圧力センサ１は、燃焼室７の内壁（たとえばシリンダヘッド６）に配された個々の測定孔８に配置されており、同様に、燃焼室７内の圧力の作用を直接に受ける。この場合にも、センサのダイヤフラム１０には非対称的な熱負荷が生ずることになるが、これは、本発明による圧力センサ１が中央分配キャップ２０を具えていることにより補整される。

以下に挙げる図３から図９に示した詳細は、図１および図２に示した双方の実施形態にあてはまる。

図３の拡大詳細図に示した圧力センサ１のダイヤフラム領域は、センサハウジング２のフロント領域と、測定変換器３と、基本的に、中央の押圧部１１、環状の可撓部１２、およびセンサハウジング２に溶接されたフランジ部１３からなる圧力側に配置されたダイヤフラム１０とを示している。

測定変換器３は、たとえば、ここには詳細不図示の圧電効果測定素子を有するが、電歪効果素子、またはひずみゲージとして形成されていてもよい。

非対称的に衝突する熱流（矢印９、参照）の輸送および分配のため、押圧部１１の圧力側には、図３および図４に示した実施形態において、押圧部１１の中央の凸部１６を収容して熱的に接触する中央の凹部または開口部２３を有する分配キャップ２０が配置されている。強いレベルの動的圧力測定のための環状の可撓部１２は、自由にアクセスが可能なままになっている。

分配キャップ２０は、押圧部１１の中央領域における最適な伝熱を確保するため、中央の開口部２３の領域で、押圧部１１の凸部１６と摩擦係合接合され、または、好ましくは溶接されている。

押圧部１１は基本的に円筒状に形成された外周部１４を有し、該外周部は少なくとも部分的に（たとえば先端領域が）、分配キャップ２０の円筒状の保持フランジ２１により被覆または包囲されている。

図４に示した実施形態から判明するように、分配キャップ２０の保持フランジ２１は、燃焼残滓の侵入を防止するために、押圧部１１の外周部１４を摩擦係合により包囲していてよく、または押圧部１１の圧力側表面１５の近傍で、外周部１４と少なくとも部分的に（たとえば点状に）溶接されていてよいが、伝熱は主に溶接部を介し、押圧部１１の中央の凸部１６で生じることに注意しなければならない。

図５および図６に示した実施形態において、分配キャップ２０は中央の開口部を有さず、中央領域２４において直接に、押圧部１１の圧力側表面１５の中央部（図５、参照）、または押圧部１１の中央の凸部１６と溶接またはハンダ付けされている。押圧部１１と分配キャップ２０とは抵抗溶接により接合されるのが好ましい。

すべての実施形態において、押圧部１１の圧力側表面１５と分配キャップ２０との間には、中央領域２４に隣接して半径方向に、この領域における伝熱を低減ないし阻止する隙間１８が形成されていてよい。

分配キャップ２０の半径方向領域２２は、中央の開口部２３を除いて閉じられていても（図７、参照）、伝熱のより良い改良を図るため、複数の開口部２５、２６（図８、または図９、参照）を具えていてもよい。

図８は、図５および図６に示したように、中央領域２４において押圧部１１と溶接またはハンダ付け可能な中央の開口部を有しない分配キャップ２０を示している。

複数の開口部２６（図９、参照）は、半径方向に非対称的に分布、あるいは配置されていても、異なった形状と大きさを有していてもよい。

Claims (12)

1. 測定変換器（３）を収容するセンサハウジング（２）と、環状の可撓部（１２）に囲まれた中央の押圧部（１１）を有する圧力側に配置されたダイヤフラム（１０）とを具え、圧力側において、押圧部（１１）には、ダイヤフラム（１０）への伝熱に影響を及ぼす遮蔽体が取り付けられている構成の、特に、高温の動的プロセスに使用するための圧力センサ（１）であって、
   前記遮蔽体は、該遮蔽体の中央領域（２４）が前記押圧部（１１）と伝熱接合された分配キャップ（２０）として形成されていることを特徴とする圧力センサ（１）。
2. 前記分配キャップ（２０）は、前記押圧部（１１）の凸部（１６）を収容する中央の凹部ないし開口部（２３）を具えていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ（１）。
3. 前記分配キャップ（２０）は、前記中央の凹部ないし開口部（２３）の領域で、前記押圧部（１１）の前記凸部（１６）と摩擦係合または溶接されていることを特徴とする、請求項２に記載の圧力センサ（１）。
4. 前記分配キャップ（２０）は、該キャップの前記中央領域（２４）で、前記押圧部（１１）の中央部と溶接ないしハンダ付けされていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ（１）。
5. 前記押圧部（１１）は、基本的に円筒状に形成された外周部（１４）を有し、
   該外周部は少なくとも部分的に前記分配キャップ（２０）の円筒状の保持フランジ（２１）により被覆ないし包囲されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 前記分配キャップ（２０）の前記保持フランジ（２１）は、前記押圧部（１１）の前記外周部（１４）を摩擦係合により包囲しているか、または前記押圧部（１１）の圧力側表面（１５）の近傍で、前記外周部（１４）と少なくとも部分的に溶接されていることを特徴とする、請求項５に記載の圧力センサ（１）。
7. 前記押圧部（１１）の前記圧力側表面（１５）と前記分配キャップ（２０）との間には、前記中央領域（２４）に隣接して半径方向に、この領域における伝熱を低減ないし阻止する隙間（１８）が形成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。
8. 前記分配キャップ（２０）は、該キャップの半径方向領域（２２）に、複数の開口部（２５，２６）を有していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。
9. 前記分配キャップ（２０）の前記複数の開口部（２６）は半径方向に非対称的に分布していることを特徴とする、請求項８に記載の圧力センサ（１）。
10. 前記分配キャップ（２０）は、形状および大きさの異なる複数の開口部（２５，２６）を有していることを特徴とする、請求項８または９に記載の圧力センサ（１）。
11. 前記圧力センサ（１）は点火プラグに組み込まれていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。
12. 前記測定変換器（３）は圧電効果素子または電歪効果素子またはひずみゲージを有していることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。

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