JP4170391B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載した形式の、特に内燃機関の排ガスの酸素含有量を測定するためのガスセンサに関するものである。
アメリカ合衆国特許第４５９７８５０号明細書により公知の、センサエレメントを備えたガスセンサの場合、センサエレメントは、排ガス側の端部で、外側および内側の円筒部材を有する２重壁の保護管によって包囲されている。外側円筒部材の外套面と、内側円筒部材の上端とには、それぞれガス開口が配置されているので、排ガスが両円筒部材の壁部間で変向される。これにより、排ガスがセンサエレメントの感知区域に直線的に流れ当たることが防止される。センサエレメントに排ガスが直接に流れ当たると、排ガスに連行されて来た粒子、例えば不純物や凝縮水等で、センサエレメントの感知区域が損傷されるおそれがある。
発明の利点
これに対して、請求項１の特徴を有する本発明によるガスセンサは、保護管が、製造技術的かつ組立技術的に簡単に構成されているという利点を有している。本発明の請求項１に記載した構成によれば、内燃機関の排ガス中に連行された粒子、例えば不純物や凝縮水が、外側および内側の保護スリーブ相互間の中間室へ侵入するのが妨げられる。排ガスは外側保護スリーブ内の端面側の開口に基づき、流入時に付加的に変向される。また、本発明の請求項１２に記載した構成によれば、外側保護スリーブの利用可能な内径が小さい場合に、内側保護スリーブ内のセンサエレメントが、すべての側に向かって内側保護スリーブの内壁に対して十分な安全間隔を維持できる利点を有している。この安全間隔が必要なのは、衝撃負荷時にセンサエレメントが内側保護スリーブ内で弾性的な振れを生じ、内壁に衝突した場合には損傷したり破断したりすることがあるからである。
前記請求項に記載したガスセンサの別の構成および改善が、それ以外の請求項に記載した手段により可能になる。ガスの入口および／または出口として、外側保護スリーブと内側保護スリーブとの間の間隙を利用するのが、特に有利である。これにより、外側保護スリーブに、ガスの流入および／または流出のための開口を製作する付加的な製造工程が不要となる。内側保護スリーブのフランジにガス流入開口を設けることにより、排ガス中に連行されてくる凝縮水が、直接にはセンサエレメントの感知区域に達することがなくなる。この効果は、ガス開口をシールド状の壁部分を直立させる構成によって補助される。
図面
本発明の実施例を図面に示し、以下に説明する。第１図は、測定フィーラの排ガス側の部分の第１実施例を横断面で示した図である。第２図は、本発明によるガスセンサの第２実施例である２重壁保護管の横断面図である。第３図は、内側保護スリーブの長手側の図である。第４図は、第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿った内側保護スリーブの断面図である。第５図は、第４図のＶ−Ｖ線に沿った内側保護スリーブ断面図である。第６図は、内側保護スリーブの外側底部の平面図である。
実施例
第１図は、測定フィーラ、例えば電気化学式の酸素センサの排ガス側部分１０の第１実施例を示した図である。この酸素センサは、金属製のハウジング１１内にガス密に固定された平面的なセンサエレメント１２を備えている。ハウジング１１は、排ガス側では、円筒形のハウジング部分１４によって形成されている。
センサエレメント１２は、酸素イオン伝導性の、電極（図示せず）を有する固体電解質セラミックススから成っている。少なくとも１つの電極が、排ガスに晒されており、その電極は、センサエレメント１２に感知区域１３を形成する。平面的なセンサエレメント１２は、複数のセラミックスシートから成層され、焼結されており、焼結状態では、方形横断面を有している。センサエレメント１２の感知区域１３は、２重壁の保護管１６によって取り囲まれている。保護管１６は、外側保護スリーブ１７と内側保護スリーブ１８とを有している。
外側保護スリーブ１７は、第１実施例では、ハウジング部分１４と一体結合された円筒形のスリーブ２５により形成されている。円筒形のスリーブ２５は、長手方向方向の延びが、センサエレメント１２を超えて突出しており、円筒形内壁２６を有している。
内側保護スリーブ１８の詳細は、第３図〜第６図に示してある。内側保護スリーブ１８は、排ガス側の端部に底部３１が形成された壁部３０を有している。内側保護スリーブの他端には、壁部３０からフランジ３４が成形されている。壁部３０は、ガス室３３を取り囲み、ガス室内へはセンサエレメント１２の感知区域１３が突入している（第１図）。底部３１には、中心線に対して整合するようにガスの流出入のための開口３２が配置されている。フランジ３４は、例えば壁部３０に対して直角に延びる結合部分３５と、結合部分３５に続いて設けられた取付け部分３６とを有している。この取付け部分は、壁部３０に対して平行に延びており、底部３１に向いている。この取付け部分３６は、スリーブ２５の円筒形内壁２６に当て付けられており、この円筒形内壁２６に、例えば周方向のレーザ溶接シーム、または複数のレーザ溶接点によって固定されている。スリーブ２５の円筒形内壁２６と、内側保護スリーブ１８との間には、環状の中間室４１が設けてある。中間室４１は、半径方向に環状に延びる間隙４２で、排ガスに向って開かれている（第１図）。
内側保護スリーブ１８によって取囲まれた測定用のガス室３３は、第５図から分かるように、センサエレメント１２の方形横断面に相応して、方形の横断面を有している。ガス室３３の横断面をセンサエレメント１２の横断面に適合させることによって、センサエレメント１２の４つの側面は、内側保護スリーブ１８の隣り合う壁部３０に対して少なくともほぼ等間隔を有している。ガス室３３の横断面が円形の場合は、センサエレメント１２の４つのかどが、４つの側面よりも、内側保護スリーブ１８の壁部３０に近くなる。しかし、外側保護スリーブ１７によって十分な組付空間が設けられていない場合には、ガス室３３の円形横断面に十分な寸法付けはできない。さらに、外側保護スリーブ１７と内側保護スリーブ１８との間には、排ガスを通流させる中間室４１に十分な寸法付けをしておかねばならない。
ハウジング部分１４は、１個所に、半径方向で内方へ突出する成形部２８を有するように構成されている。この成形部２８により、第１の中心貫通孔２１を有する第１のセラミックス成形部材２０と、第２の中心貫通孔２３を有する第２のセラミックス成形部材２２と、その間に配置された、ステアタイト粉末から成る予めプレスされたシール部材２４とが、シール部材２４に作用する圧着力で保持されている。双方の成形部材２０，２２は、例えばＡｌ_２Ｏ_３から成っている。この圧着力により、シール部材２４のステアタイト粉末は、センサエレメント１２とハウジング部分１４の内壁とに圧着され、それによってセンサエレメント１２は、ガス密にハウジング部分１４内に保持される。センサエレメント１２の接触接続部と、接続ケーブル出力部とを有するセンサ接続側部分については、詳しい説明は割愛する。ガスセンサの接続側部分については、種々の構成がよく知られている。
排ガスは、図示されていない排気管内を、第１図の矢印で示した方向に流れる。その場合、排ガスは、間隙４２を介して中間室４１内へ侵入し、開口３８を通過してガス室３３内へ達する。排ガスは、開口３２を通過して、最終的にはガス室３３から流出する。しかし、排ガスは、開口３２からガス室３３内へ流入することも不可能ではない。その場合、ガス室３３内と中間室４１内との流れは逆になる。
内側保護スリーブ１８の組付けを容易にするため、スリーブ２５の円筒形内壁２６は、例えば環状面２７を有しており、この環状面２７に保護スリーブ１８のフランジ３４が当接する。これにより、保護スリーブ１８は、円筒形のスリーブ２５内で規定の軸線方向位置を得る。
開口３８は、壁部３０の材料から、例えば２つのシールド状の壁部分３９が折り出されることにより形成されると有利である。これらの壁部分３９は例えばセンサエレメント１２に対して平行に延びて壁部３０の延長部を成している。壁部分３９を有する開口３８の構成により、ガス流入時に、おそらく中間室４１に達する凝縮水が、成形部材２０の方向に変向される利点が得られる。凝縮水は、加熱された成形部材２０に衝突すると蒸発するので、センサエレメント１２のセラミックスには何ら損傷を与えることがない。
第２図に示した第２実施例の場合は、２重壁の保護管５０に、外側保護スリーブ１７を形成する外側スリーブ５２が設けられている。スリーブ５２内へは、第１実施例の内側保護スリーブ１８が配置されている。スリーブ５２は、中心開口５５が加工成形された底部５４を有し、中心開口５５を内側保護スリーブ１８が貫通している。中心開口５５のほかに、底部５４には、別の開口５７が配置されている。これらの開口５７が、スリーブ５２と内側保護スリーブ１８との間に形成された中間室５９に対するガスの流入および／または流出のための、第１実施例の場合の間隙４２同様の機能を有している。しかし、中心開口５５を、内側保護スリーブ１８とスリーブ５２の端面側の端部との間にガスの流出入用の間隙が設けられるように寸法付けすることも考えられる。
第１実施例とは異なり、外側保護スリーブ１７を形成するスリーブ５２は、ハウジング部分１４と一体結合しておらず、ハウジング部分１４とは別の個別部材である。他方、第２実施例のガスセンサの、ハウジング側の構成に関しては、第１実施例に相当する。しかしながら、このハウジング部分１４は、第２実施例のガスセンサの場合、第１実施例の溶接シームの箇所で終わっている。
保護管５０をハウジング１１もしくはハウジング部分１４に、より組付け易くするために、スリーブ５２は、ハウジング部分１４の内径に相当する内径に構成されている。同時に、内側保護スリーブ１８のフランジ３４は、スリーブ５２の上端を超えて突出している。前組立てされた保護管５０は、フランジ３４のこの突出部分で、ハウジング部分１４の排ガス側の開口内へはめ込まれる。その場合、スリーブ５２とハウジング部分１４とが接触する突き合わせ箇所のところで、例えば環状のレーザ溶接シームまたはレーザ溶接点によって、保護管５０はハウジング部分１４に結合される。この溶接動作時にはスリーブ５２内に予めプレス結合または圧縮結合（Press-od.Quetchverbindung）によってのみ固定された内側保護スリーブ１８も、一緒に溶接される。

Claims (11)

1. ハウジング内に固定されたセンサエレメントと、外側および内側の保護スリーブを有する２重壁の保護管とを備えたガスセンサであって、両保護スリーブが、それぞれガスの流入および／または流出のための開口を有しており、内側保護スリーブがガス室を形成しており、このガス室内へ、センサエレメントの排ガス側の部分が突入しており、更に、外側保護スリーブと内側保護スリーブとの間に、ガスをガス室へさらに案内するための中間室が形成されている形式のものにおいて、
   外側保護スリーブ（１７）が、閉じられた外套面を有するスリーブ（２５，５２）であり、中間室（４１，５９）に対するガスの流入および／または流出のための少なくとも１つの開口（４２，５７）が、スリーブ（２５，５２）の端面側に配置されていることを特徴とする、ガスセンサ。
2. 内側保護スリーブ（１８）がフランジ（３４）を有しており、このフランジの外径が、スリーブ（２５，５２）の内径に適合しており、内側保護スリーブ（１８）のフランジ（３４）がスリーブ（２５，５２）の内壁に固定されている、請求項１記載のガスセンサ。
3. フランジ（３４）が結合部分（３５）を有しており、この結合部分が内側保護スリーブ（１８）をスリーブ（２５，５２）と結合しており、結合部分（３５）にガス室（３３，５９）に対するガスの流入および／または流出のための開口（３８）が配置されている、請求項２記載のガスセンサ。
4. 開口（３８）が、フランジ（３４）の区域にシールド状の壁部分（３９）を有しており、この壁部分が内側保護スリーブ（１８）の壁材料から成形されており、センサエレメント（１２）を開口（３８）に対し遮蔽している、請求項３記載のガスセンサ。
5. 内側保護スリーブ（１８）が底部（３１）を有しており、この底部に、ガスの流入および／または流出のための少なくとも１つの別の開口（３２）が配置されている、請求項２記載のガスセンサ。
6. 内側保護スリーブ（１８）がスリーブ（２５，５２）の端面側を超えて突出している、請求項２記載のガスセンサ。
7. 開口（４２）が、スリーブ（２５）と内側保護スリーブ（１８）の外壁との間に形成される半径方向に環状に延びる間隙（４２）として形成されている、請求項１記載のガスセンサ。
8. ガス室（３３）が、センサエレメント（１２）の延在方向に対して横方向に、センサエレメント（１２）の横断面に適合する横断面を有している、請求項１記載のガスセンサ。
9. ガス室（３３）の横断面が方形であり、内側保護スリーブ（１８）の内壁とセンサエレメント（１２）との間隔が、横断面において少なくともほぼ一様である、請求項８記載のガスセンサ。
10. スリーブ（２５）が、ハウジング（１１）またはハウジング部分（１４）から一体的に形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガスセンサ。
11. スリーブ（５２）が、内側保護スリーブ（１８）と共に、前組立てされた２重壁の保護管（５０）を形成しており、この保護管（５０）が、ハウジング（１１）またはハウジング部分（１４）の排ガス側の端面に付設可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガスセンサ。

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