JP2016515713A

JP2016515713A - 遮熱付ガスセンサ

Info

Publication number: JP2016515713A
Application number: JP2016509041A
Authority: JP
Inventors: ボイド，デーヴィッド; マジェラ，クレイグ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2016-05-30
Also published as: CN105122014A; DE112014002035T5; WO2014172404A1; US20140311212A1

Abstract

ガスセンサは、本体内に少なくとも部分的に配置され、第１の端部で露出されて、第１の端部と接触するガスを測定するガス検知素子を有する。ガス検知素子は軸方向を規定する。フランジは、本体から、軸方向に対して横方向に延在する。フランジは、第１の端部の方を向く第１の側、およびガスセンサの遠隔端部の方を向く第２の側を有する。Ｏリングは、孔の中でガスセンサを封止的に配置するように構成される。ガスセンサの挿入部は、壁によって画定され、Ｏリングを保持するように構成される。挿入部の壁は、Ｏリングの軸位置で、本体から距離を置いて配置されて、それらの間に隙間を設ける。【選択図】図２

Description

関連出願への相互参照
[0001]本出願は、その内容全体が本明細書に参照によって援用される、２０１３年４月１９日出願の米国仮特許出願第６１／８１３，９２２号、および２０１３年７月２２日出願の米国特許出願第１３／９４７，８０３号の優先権を主張する。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
[0002]本発明は、エネルギー省によって授与されたＤＥ−ＥＥ０００５９７５に基づき政府支援によって実施された。政府は、本発明に一定の権利を有する。

[0003]本発明は、様々なガス（例えば、酸素）センサの設計に関する。現在、酸素センサは高温用途のために設計されている。これらのセンサは、排気マニホルドまたは排気システムに取り付けられ、それらは、通常、１０３０℃以上の高温排気ガスに曝されるために、高温に対処するように本質的に設計される。様々なプラスチックまたは樹脂の構成部品を含み得る、低温環境に適応するため、センサ自体（例えば、内部にある加熱検知素子）は、主要な熱源となる。動作温度において、従来のガスセンサは、本来そのような熱に対して考慮されていない隣接の構造体を歪ませたり、溶かしたり、または損傷を与えたりする場合がある。

[0004]一態様において、本発明は、本体内に少なくとも部分的に配置され、第１の端部で露出されて、第１の端部と接触するガスを測定するガス検知素子を有するガスセンサを提供する。ガス検知素子は軸方向を規定する。フランジは、本体から、軸方向に対して横方向に延在する。フランジは、第１の端部の方を向く第１の側、およびガスセンサの遠隔端部の方を向く第２の側を有する。Ｏリングは、孔の中にガスセンサを封止して配置するように構成される。ガスセンサの挿入部は、壁によって画定され、Ｏリングを保持するように構成される。挿入部の壁は、Ｏリングの軸位置において、本体から距離を置いて配置されて、それらの間に隙間を設ける。

[0005]別の態様では、本発明は、本体内に少なくとも部分的に配置され、第１の端部で露出されて、第１の端部と接触するガスを測定するガス検知素子を有するガスセンサを提供する。ガス検知素子は軸方向を規定する。フランジは、本体から、軸方向に対して横方向に延在する。フランジは、第１の端部の方を向く第１の側、およびガスセンサの遠隔端部の方を向く第２の側を有する。Ｏリングは、孔の中にガスセンサを封止して配置するように構成される。ガスセンサの挿入部は、壁によって画定され、Ｏリングを保持するように構成される。Ｏリングの軸位置において、挿入部の壁と本体との間で、半径方向に伝熱経路がない。

[0006]本発明の一態様によるガスセンサの正面図である。 [0007]図１のガスセンサの断面図である。 [0008]本発明の一態様によるガスセンサの正面図である。 [0009]図３のガスセンサの断面図である。 [0010]本発明の一態様によるガスセンサの正面図である。 [0011]図５のガスセンサの断面図である。 [0012]本発明の一態様によるガスセンサの正面図である。 [0013]図７のガスセンサの断面図である。 [0014]遮熱を有しないガスセンサの概略的な熱モデルの図である。 [0015]遮熱を有するガスセンサの概略的な熱モデルの図である。

[0016]金属の酸素センサハウジングから吸気マニホルドまたは他の取付箇所への直接の伝導は、隙間（例えば、エアギャップ）を導入する、および吸気マニホルドと接触する材料の質量を小さくすることによって減少する。ハウジングから取付領域までの熱の流れは、対流および小さな断面を通る伝導による。これによって、従来の配置を表す図９の熱モデルに比較して、図１０の熱モデルに示すような吸気マニホルドおよびＯリングへの伝熱量は減少する。本明細書で開示される様々な構造では、Ｏリングの取付面はセンサハウジングから移動される。取付面の温度上昇は、センサハウジングと取付面との間の隙間によって減少する。センサが、取付けのため、およびシールのために、弾性Ｏリングを使用する場合、Ｏリングは、熱によって溶けたり、永久変形したりしないように保護される。

[0017]Ｏリングの遮熱にはいくつかの構造を取ることができ、その中のいくつかを本明細書で説明し図示する。図１および２は、フランジおよび保護管においてセンサに取り付けられたＯリング遮熱部材を示す。図３および４は、一体化されたフランジとＯリング遮熱体を示し、ここでは、図１および２と同様なＯリング遮熱部材は一体化されたフランジをさらに含む。図５および６は、一体化されたＯリング遮熱体と保護管を示し、ここでは、図１および２と同様なＯリング遮熱部材は、一体化された外側保護管をさらに含む。図７および８は、一体化されたフランジ、Ｏリング遮熱体、保護管を示し、ここでは、図１および２と同様なＯリング遮熱部材は、図３および４と同様な一体化されたフランジと図５および６と同様な一体化された外側保護管をさらに含む。

[0018]すべての場合で、装置は単一品に、あるいは、同じまたは異なる材料の部品からの組立体として作ることができる。
[0019]図１および２は、第１の構造によるガスセンサ１００を示す。ガスセンサ１００は、例えば、内燃機関の吸気マニホルド２０などの低温（排気ではない）環境で使用するように特に構成される。吸気マニホルド２０は非金属の場合があり、例えば、プラスチックまたは樹脂で構成される場合がある。さらに、ガスセンサ１００は、内燃機関の吸気システムの別の部分で使用することができる。例えば、ガスセンサ１００は、スロットル弁および吸気マニホルドの上流で、ターボチャージャからの圧縮吸入ガスを受け入れる中間冷却器の下流の給気冷却器管に使用することができる。給気冷却器管もまた非金属（例えば、プラスチックまたは樹脂）の場合がある。

[0020]ガスセンサ１００は、センササブハウジングまたは本体１０６内に配置されて軸Ｘを規定するガス検知素子１０４を含むセンサ部分組立体（または「短いセンサ組立体」）１０２を含む。本体１０６は金属とすることができる。セラミックブッシュ１０８および軟質セラミックシールパッキン１１０は、ガス検知素子１０４を本体１０６内に配置するために使用することができる。本体１０６の外側には、挿入部１１２および横フランジ部１１４が設けられる。挿入部１１２はＯリング１１６を受け入れ、吸気マニホルド２０の孔１１７内に封止関係で受け入れられるように構成される。挿入部１１２およびＯリング１１６によって、センサ１００は吸気マニホルド２０の孔１１７の中に簡単に「差し込む」ことができる（例えば、ねじが切られていない孔の中に簡単に軸方向に挿入することができる）。フランジ部１１４は、センサ１００を吸気マニホルド２０または他の構造物に固定するための締結具（図示せず）を受け入れるために、１つまたは複数の開口１１８を含むことができる。ガスケットもまた、フランジ部１１４と吸気マニホルド２０との間に設けることができる。ガスセンサ１００の第１の端部または検知端Ａにおける１つまたは複数の保護管１２０は、検知素子１０４の検知端を覆うが、通過するガスとの流体連通を可能としている。検知素子１０４の第１の端部は、本体１０６から延在し、保護管１２０を除いては、周囲ガスに曝されている。センサ部分組立体１０２は、通電されると、ガスセンサ１００（例えば、ポンプ−基準広帯域（ｐｕｍｐｅｄ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｗｉｄｅ−ｂａｎｄ）酸素センサなどの酸素センサ）のガス検知機能を働かせることができる。

[0021]ガスセンサ１００の検知端Ａの反対側の第２の端部Ｂには、コネクタハウジング（図示せず）が設けられて、検知素子１０４の遠隔または内部端部を覆い、プラグハウジングまたはプラグコネクタ部および電気端子またはコネクタが設けられて、ガスセンサ１００の遠隔端部Ｂにおいて、外部のプラグ部材と接続することができる。その代わりに、従来のワイヤハーネスが、第２の端部Ｂにおいて、検知素子１０４に結合することができる。

[0022]挿入部１１２は、本体１０６の厚さよりかなり薄い壁１１３によって与えられ、さらに、挿入部１１２を形成する壁１１３は、本体１０６の外側から半径方向に間隔を置いて配置されて、それらの間に隙間（例えば、エアギャップ）が導入されていることに気付くであろう。いくつかの構造では、隙間は、プロセスガス（すなわち、センサ１００でサンプリングするガス）または基準ガス室のどちらにも流体連通しない空間を画定する。壁１１３はＯリング遮熱体とすることができ、ガスセンサ１００の動作中、検知素子１０４からＯリング１１６へ伝わる熱量を制限するために設けられる。Ｏリング１１６（および挿入部１１２）への伝熱を制限するようにガスセンサ１００を構成することによって、Ｏリング１１６および周囲の構造体（例えば、吸気マニホルド２０）の材料は、高温に適応するために特別に変更する必要がない。例えば、Ｏリング１１６は、非常に高価なパーフロロエラストマーＯリングではなく、一般的な合成ゴム（例えば、Ｖｉｔｏｎ（商標）などのフルオロポリマーエラストマー）より構成することができる。いくつかの構造では、壁１１３の材料厚さは、約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）と約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）の間である。いくつかの構造では、本体１０６と挿入部との間の隙間は、Ｏリング１１６の軸位置で半径方向に測って、約１．０２ｍｍ（０．０４０インチ）と約６．３５ｍｍ（０．２５０インチ）の間である。挿入部１１２は、いくつかの構造では、プレス加工された金属（例えば、鋼）とすることができる。挿入部１１２は、本体１０６およびフランジ部１１４の一方または両方に（例えば、圧接、レーザ溶接、接着接合などによって）、各端部において固定および／または封止することができるが、挿入部１１２の端部間のいかなる点においても本体１０６とは伝熱関係にはない。言い換えれば、挿入部１１２の軸方向長さはＬ_１であり、その端部間で、壁１１３の内側と本体１０６の任意の部分、セラミックブッシュ１０８、シールパッキン１１０、および検知素子１０４との間に空間が維持される。長さＬ_１は、断面においてマニホルド２０の孔１１７に一致して重なり合う部分として規定される。挿入部の長さＬ_１は、長さＬ_１内のどこかに配置されるＯリング１１６の軸方向高さまたは長さＬ_２の少なくとも２倍とすることができる。図９および１０は、本体１０６に取り付けられたＯリング１１６を、本体１０６から隙間で空間を設けられた挿入部１１２に取り付けられたＯリング１１６と比較する熱モデルである。

[0023]本体１０６の外側と壁１１３の内側との間の空間は、上記のように、閉じた、または封止された空間とすることができるが、いくつかの構造では、通気空間とすることもできる。いくつかの構造では、壁１１３は、第１の軸方向端部で封止され（例えば、レーザ溶接または別の手段によって横フランジ１１４に周囲を固定することによって）、反対側の第２の端部では封止されない。壁は第２の端部で本体１０６に接触することも、しないこともできるが、第２の端部は本体１０６には全く接続しないようにできる。いくつかの構成では、１つまたは複数の通気開口が壁１１３に設けられる。

[0024]図３および４は、第２の構造によるガスセンサ２００を示す。ガスセンサ２００は、低温（排気ではない）環境で使用するように特に構成される。ガスセンサ２００の特徴は、ガスセンサ１００と同様であり、再び詳細には説明しない。また、同様の参照符号が、１００を足して使用される。

[0025]ガスセンサ２００は、挿入部２１２の壁２１３が横フランジ部２１４と単一品として一体的に形成されていることを除けば、図１および２のガスセンサ１００と同一である。例えば、挿入部２１２の壁２１３と横フランジ部２１４は、単一の連続した物としてプレス加工することができる。フランジ部２１４の壁厚さは、壁２１３と実質的に同じとすることができる。図１および２のフランジ部１１４の壁厚さは他の構造ではより薄くすることができるが、これは、フランジ部１１４の厚さよりかなり薄くすることができる。

[0026]図５および６は、第３の構造によるガスセンサ３００を示す。ガスセンサ３００は、低温（排気ではない）環境で使用するように特に構成される。ガスセンサ３００の特徴は、ガスセンサ１００、２００と同様であり、再び詳細には説明しない。また、同様の参照符号が、１００を足して使用される。

[0027]ガスセンサ３００は、挿入部３１２の壁３１３が保護管３２０と単一品として一体的に形成されていることを除けば、図１および２のガスセンサ１００と同一である。例えば、挿入部３１２の壁３１３と一対の保護管３２０の外側保護管３２０は、単一の連続した物として形成（例えば、プレス加工）することができる。保護管３２０の壁厚さは、壁３１３と実質的に同じとすることができる。

[0028]図７および８は、第４の構造によるガスセンサ４００を示す。ガスセンサ４００は、低温（排気ではない）環境で使用するように特に構成される。ガスセンサ４００の特徴は、ガスセンサ１００、２００、３００と同様であり、再び詳細には説明しない。また、同様の参照符号が、１００を足して使用される。

[0029]ガスセンサ４００は、挿入部４１２の壁４１３が、図３および４のガスセンサ２００のように、横フランジ部４１４と単一品として一体的に形成されていること、ならびに図５および６のガスセンサ３００のように、保護管４２０と単一品として一体的に形成されていることを除けば、図１および２のガスセンサ１００と同一である。例えば、挿入部４１２の壁４１３と横フランジ部４１４、保護管４２０（例えば、外側保護管）は、単一の連続した物としてプレス加工することができる。フランジ部４１４および保護管４２０の壁厚さはそれぞれ、壁４１３と実質的に同じとすることができる。

[0030]本発明の様々な特徴および利点は特許請求の範囲に示される。

Claims

本体内に少なくとも部分的に配置され、第１の端部で露出されて、前記第１の端部と接触するガスを測定するガス検知素子であって、軸方向を規定するガス検知素子と、
前記本体から、軸方向に対して横方向に延在するフランジであって、前記第１の端部の方を向く第１の側、および前記ガスセンサの遠隔端部の方を向く第２の側を有するフランジと、
孔の中に前記ガスセンサを封止して配置するように構成されたＯリングと、
壁によって画定され、前記Ｏリングを保持するように構成された挿入部と
を備えるガスセンサであって、
前記挿入部の前記壁が、前記Ｏリングの軸位置において、前記本体から距離を置いて配置されて、それらの間に隙間を設ける、ガスセンサ。
前記挿入部が、前記フランジと単一品として一体的に形成される、請求項１に記載のガスセンサ。
前記挿入部と前記フランジが、単一の連続した物としてプレス加工される、請求項１に記載のガスセンサ。
前記ガス検知素子の前記第１の端部を覆って実質的に取り囲む保護管をさらに備え、前記挿入部が前記保護管と単一品として一体的に形成される、請求項１に記載のガスセンサ。
前記挿入部と前記保護管が、単一の連続した物としてプレス加工される、請求項４に記載のガスセンサ。
前記Ｏリングがフルオロポリマーエラストマーより構成される、請求項１に記載のガスセンサ。
前記挿入部が、前記挿入部の各軸方向端部間のいかなる点においても前記本体とは伝熱関係にはない、請求項１に記載のガスセンサ。
前記挿入部の軸方向長さが、前記Ｏリングの軸方向長さの少なくとも２倍である、請求項１に記載のガスセンサ。
本体内に少なくとも部分的に配置され、第１の端部で露出されて、前記第１の端部と接触するガスを測定するガス検知素子であって、軸方向を規定するガス検知素子と、
前記本体から、軸方向に対して横方向に延在するフランジであって、前記第１の端部の方を向く第１の側、および前記ガスセンサの遠隔端部の方を向く第２の側を有するフランジと、
孔の中に前記ガスセンサを封止して配置するように構成されたＯリングと、
壁によって画定され、前記Ｏリングを保持するように構成された挿入部と
を備え、
前記Ｏリングの軸位置において、前記挿入部の前記壁と前記本体との間で、半径方向に伝熱経路がない、ガスセンサ。
前記挿入部が、前記フランジと単一品として一体的に形成される、請求項９に記載のガスセンサ。
前記挿入部と前記フランジが、単一の連続した物としてプレス加工される、請求項９に記載のガスセンサ。
前記ガス検知素子の前記第１の端部を覆って実質的に取り囲む保護管をさらに備え、前記挿入部が前記保護管と単一品として一体的に形成される、請求項９に記載のガスセンサ。
前記挿入部と前記保護管が、単一の連続した物としてプレス加工される、請求項１２に記載のガスセンサ。
前記Ｏリングがフルオロポリマーエラストマーより構成される、請求項９に記載のガスセンサ。
前記挿入部が、前記挿入部の各軸方向端部間のいかなる点においても前記本体とは伝熱関係にはない、請求項９に記載のガスセンサ。
前記挿入部の軸方向長さが、前記Ｏリングの軸方向長さの少なくとも２倍である、請求項９に記載のガスセンサ。