JP4099391B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の加熱装置を起点としている。
【０００２】
このような形式の加熱装置は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８３４２７６号明細書により、内燃機関における排ガス分析のためのガス測定センサで使用されるセンサエレメントを加熱するためのものとして公知である。センサエレメントは、固体電解質層と電極と層状に形成された加熱装置とを有している。加熱装置は、１つの固体電解質層上に、または１つの固体電解質層と別の固体電解質層との間に配置されている。加熱装置は例えば電気的な抵抗層から成る加熱エレメントと、絶縁体とを有しており、この絶縁体内に加熱エレメントが埋め込まれている。絶縁体は、単一的な材料組成と、特に気孔率に関して単一的な構造とを有している。絶縁体により加熱エレメントは固体電解質層と電極とに対して、電気的にかつイオン的に絶縁されるべきであって、これにより加熱装置の作動によりセンサエレメントの機能が損なわれることはない。
【０００３】
加熱装置は、いわゆるグリーンシート、すなわち焼結されていないセラミックシートに、薄膜技術または厚膜技術により、絶縁体の下方層と、加熱エレメントと、絶縁体の上方層とを設けることにより製造される。次いで、加熱装置が印刷されたグリーンシートが、例えば電極を印刷することができるグリーンシートに重ね合わされて焼結される。
【０００４】
絶縁体はしばしば多孔性に形成されている。絶縁体の気孔率は、焼結前に造孔材を加えることにより得られる。焼結の際には、造孔材が燃焼するので、多孔質構造が形成される。造孔材、例えばガラス状炭素の添加量により、気孔率が調節される。
【０００５】
気孔率が比較的高い絶縁体では、作動中にリーク電流が生じる恐れがあるという欠点がある。このようなリーク電流は、例えば加熱エレメントの金属構成部分、例えばプラチナの蒸発による、または加熱装置の水分による、絶縁体の内側の不純物により生じる。絶縁体の気孔率が高ければ高いほど、不純物は絶縁体に浸透し、絶縁体の孔に沈着し、リーク電流が増加する。
【０００６】
これに対し、気孔率が比較的少ない絶縁体の欠点は、気孔率が減少するにつれ絶縁体の弾性が減じられ、これにより亀裂が形成しやすくなることである。これにより、作動中に加熱エレメントが破損する恐れがある。亀裂形成の危険は、水分が、例えば加熱エレメントのコンタクトを介して加熱装置に進入した場合にも生じる。絶縁体の気孔率が減少するほど、加熱時に生じるガスを収容することのできる容積が減少し、亀裂形成の可能性が増大する。
【０００７】
単一的な気孔率を有した絶縁体しか有していない公知の加熱装置では、即ち、比較的高い気孔率を有した絶縁体の上記欠点または比較的低い気孔率を有した絶縁体の上記欠点が生じる。
【０００８】
発明の効果
請求項１の特徴を備えた本発明による加熱装置はこれに対して、一方では加熱エレメントと電極との間のリーク電流がほぼ防止され、他方では、加熱エレメントに亀裂が形成される危険を著しく減じることができるという効果を有している。
【０００９】
異なる気孔率を備えた第１の絶縁体と第２の絶縁体とによって加熱エレメントが取り囲まれているならば、気孔率が高い、ひいては弾性が高い絶縁体により、亀裂形成の危険を減じることができ、気孔率が低い絶縁体によりリーク電流を著しく減じることができる。
【００１０】
従属請求項に記載された措置により、有利には、請求項１に記載した加熱装置の有利な別の構成が得られる。
【００１１】
加熱エレメントが、第１の絶縁体を取り囲む第２の絶縁体よりも高い気孔率を有する第１の絶縁体に埋め込まれているならば、水分が例えばコンタクトを介して加熱装置の加熱エレメントに進入する場合に、亀裂の形成は特に効果的に防止される。
【００１２】
第１の絶縁体のために連続気孔が設けられているならば特に有利である。いわゆる連続気孔では、孔が互いに接続されているので、連続気孔を有した絶縁体はガス透過性である。第１の絶縁体が、連続気孔有している場合には、比較的多量の水分が加熱装置に進入した場合にも亀裂の形成を防止できる。即ち孔は互いに上下に接続されているので、比較的多量の蒸発水分を受容できる。
【００１３】
第２の絶縁体のために独立気孔が設けられていると特に有利である。独立気孔では孔が閉鎖されている。即ち孔は、少なくとも比較的大きな領域にわたって互いに接続されていない。従って独立気孔を備えた絶縁体はガス密である。独立気孔を有する第２の絶縁体では、第２の絶縁体に不純物が進入するのを防止し、これによりリーク電流が特に効果的に防止される。
【００１４】
加熱エレメントを取り囲む第１の絶縁体が、第２の絶縁体よりも僅かな気孔率を有しているならば、加熱エレメントの金属製の構成部分の蒸発を特に効果的に防止することができる。これにより、加熱エレメントの横断面の減少を防止できる。さもなければ、長い作動期間中に、蒸発過程により横断面の減少が生じる恐れがある。第２の絶縁体が多孔性の層であるこのような装置は、加熱エレメントにおける水分がないまたはほとんどない使用例で提供される。
【００１５】
実施例の説明
図面には本発明の実施例として、層状に形成された平面状のセンサエレメント１０が示されており、このセンサエレメントは、イオン伝導材料から成る第１、第２、第３、第４の固体電解質層２１，２２，２３，２４を有している。第１の固体電解質層２１には、第１の電極３１が配置されていて、この電極３１は測定ガスにさらされている。さらに第１の固体電解質層２１には第１の電極３１とは反対側に第２の電極３２が配置されていて、この第２の電極３２は、基準ガス通路３３における基準ガスにさらされている。基準ガス通路３３は第２の固体電解質層２２に設けられており、センサエレメント１０の外側に位置する基準ガス媒体に接続されている（図示せず）。
【００１６】
第１の電極３１と第２の電極３２と第１の固体電解質層２１とは、例えば電位差測定法によって作動される電気化学的なセルを形成している。測定ガスおよび基準ガスの酸素分圧が異なる場合、第１の電極３１と第２の電極３２との間にいわゆるネルンスト電圧がかかる。このネルンスト電圧により、測定ガス中の酸素分圧を検出することができる。
【００１７】
固体電解質のイオン伝導性は温度に依存しているので、センサエレメント１０を、一定の均一な温度に加熱しなければならない。このためには第３および第４の固体電解質層２３，２４の間に加熱装置４０が設けられていて、この加熱装置４０は側方でシールフレーム４５によって取り囲まれている。
【００１８】
加熱装置４０は加熱エレメント４３を有している。加熱エレメント４３はプラチナを有した抵抗層から成っている。加熱エレメント４３は、第１の絶縁体４１の上方層４１ａと下方層４１ｂとの間に埋め込まれている。加熱エレメント４３を有した絶縁体４１は、第２の絶縁体４２の上方層４２ａと下方層４２ｂとの間に配置されている。第１の絶縁体４１と第２の絶縁体４２とは、主要構成部分としてＡｌ_２Ｏ_３を有している。このような絶縁体の製造は当業者では公知であり、詳しくは説明しない。
【００１９】
実施例の第１の構成では、それぞれ焼結過程後に、第１の絶縁体４１が８体積％の気孔率を有しており、第２の絶縁体４２が３体積％の気孔率を有している。このために第１の絶縁体４１には、焼結されていない状態で、Ａｌ_２Ｏ_３の割合に関して５質量％の割合の造孔材が添加されており、第２の絶縁体４２には、焼結されていない状態で、Ａｌ_２Ｏ_３割合に関して２質量％の部分の造孔材が添加されている。
【００２０】
焼結された絶縁体４１，４２における所定の気孔率のために必要な造孔材の量は、焼結過程の経過、粒度、焼結したい層の化学的な組成に応じて変化する。しかしながら初期量の適当な組み合わせのためには、造孔材の適当な分量を実験により簡単に算出することができる。
【００２１】
造孔材としては炭素がが使用される。デグッサ社（Ｆｉｒｍａ Ｄｅｇｕｓｓａ）のランプブラック１０１（Ｆｌａｍｍｒｕｓｓ１０１）が特に適していることがわかっている。何故ならばこれは特に微細かつ均一な粒子を有しているからである。造孔材の平均的な粒子サイズは例えば０．０１〜１μｍの範囲である。
【００２２】
使用例に応じて、他の気孔率を選択することもできる。従って、亀裂の入りやすいものでは、絶縁体４１，４２のために、高い気孔率を選択することができる。リーク電流を特に少なくする必要がある使用例では、これに応じて、絶縁体４１，４２のために低い気孔率を選択することができる。一般的には、第１の絶縁体のために５〜１６体積％の気孔率が、第２の絶縁体４２のためには、１．５〜５体積％の気孔率が適当とされている。このことは、焼結されていない状態で、第１の絶縁層４１における、Ａｌ_２Ｏ_３の割合に関して３〜１０質量％の造孔材の割合ならびに、焼結されていない状態で、第２の絶縁体４２における、Ａｌ_２Ｏ_３の割合に関して１〜３質量％の造孔材の割合に相当する。
【００２３】
実施例の第２の構成では、第１の絶縁体の気孔率は、第１の構成の第２の絶縁体４２の気孔率に相当し、第２の絶縁体の気孔率は、第１の構成の第１の絶縁体４１の気孔率に相当する。
【００２４】
別の実施例（図示せず）では、加熱エレメントと第１の絶縁体と第２の絶縁体とが、少なくとも所定の領域で、第１の絶縁体とも第２の絶縁体とも異なる少なくとも１つの別の絶縁体によって取り囲まれている。この絶縁体の気孔率は、第２の絶縁体の気孔率とは異なる。別の絶縁体の気孔率は例えば第１の絶縁体の気孔率に相当する。
【００２５】
本発明による加熱装置は、もちろん別のセンサタイプ、例えば全領域空燃比センサにも転用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による加熱装置を備えた平面状のセンサエレメントの１つの実施例を示した横断面図である。

Claims (8)

1. 固体電解質体を用いた内燃機関の排ガス分析で使用するガス測定センサのための加熱装置であって、電気的な抵抗層を有する加熱エレメントを有しており、該加熱エレメントが電気的に絶縁されていて第１の絶縁体（４１）に埋め込まれており、第１の絶縁体（４１）は、少なくとも所定の領域で第２の絶縁体（４２）によって取り囲まれていて、第２の絶縁体（４２）の気孔率が、第１の絶縁体（４１）の気孔率よりも小さい形式のものにおいて、
   第１の絶縁体（４１）が焼結された状態で、５〜１６体積％の気孔率を有していて、第２の絶縁体（４２）が焼結された状態で、１．５〜５体積％の気孔率を有していることを特徴とする、ガス測定センサのための加熱装置。
2. 第１の絶縁体（４１）が連続気孔を有している、請求項１記載の加熱装置。
3. 第２の絶縁体（４２）が独立気孔を有している、請求項１記載の加熱装置。
4. 第１の絶縁体（４１）及び／又は第２の絶縁体（４２）が、Ａｌ_２Ｏ_３を有している、請求項１記載の加熱装置。
5. 第１の絶縁体（４１）が焼結されていない状態で、Ａｌ_２Ｏ_３の割合に関して、３〜１０質量％の造孔材を有している、請求項４記載の加熱装置。
6. 第２の絶縁体（４２）が焼結されていない状態で、Ａｌ_２Ｏ_３の割合に関して、１〜３質量％の造孔材を有している、請求項４記載の加熱装置。
7. 造孔材として、０．０１〜１μｍの範囲の平均粒子サイズを有した炭素が使用されている、請求項５または６記載の加熱装置。
8. 第２の絶縁体（４２）が少なくとも所定の領域で、少なくとも１つの別の絶縁体によって取り囲まれており、該絶縁体は、前記第１の絶縁体（４１）とも第２の絶縁体（４２）とも異なる絶縁体であって、第２の絶縁体（４２）よりも高い気孔率を有している、請求項１記載の加熱装置。

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