WO2006056493A1 - Gasmessfühler enthaltend ein schutzrohr - Google Patents

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WO2006056493A1
WO2006056493A1 PCT/EP2005/054203 EP2005054203W WO2006056493A1 WO 2006056493 A1 WO2006056493 A1 WO 2006056493A1 EP 2005054203 W EP2005054203 W EP 2005054203W WO 2006056493 A1 WO2006056493 A1 WO 2006056493A1
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WO
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deep
drawn part
tube
gas
sensor element
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Application number
PCT/EP2005/054203
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Inventor
Juergen Wilde
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
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    • Y10T29/49082—Resistor making
    • Y10T29/49087—Resistor making with envelope or housing

Definitions

  • the invention is based on a gas sensor for determining a physical
  • the housing is rotated from a metal blank in which a central longitudinal bore is introduced. On the outside of the blank, a hexagon is tapped, and an external thread for the installation of the gas sensor cut at the site.
  • a collar turned on the one designed as a double tube, placed in its tube jacket gas passage holes protective tube is placed and welded. Trained as a deep-drawn part retaining cap with an inwardly facing indentation is pushed onto the smaller diameter collar and connected via a weld with the housing.
  • a ceramic molding is supported, wherein the welding of the retaining cap on the smaller diameter collar of the housing is made under the action of pressure on the retaining cap, so that the ceramic molding pressed onto the annular shoulder in the housing becomes.
  • the retaining cap is completely enclosed by a concentric protective sleeve, which on the larger diameter collar of the housing deferred and welded on this.
  • a cable feedthrough is used, which is caulked gas-tight with the protective sleeve.
  • a sensor element seal In the molded into the retaining cap invagination is a sensor element seal, which provides a hermetic separation between the measuring gas space enclosed by the protective tube and the enclosed by the protective sleeve
  • the sensor element seal is preferably a glass seal made of a sealing glass.
  • a gas sensor (DE 197 14 203 C2) is in an embodiment formed as a solid body with a longitudinal bore housing in the longitudinal bore an arrangement of two
  • the one ceramic molded part is supported on a formed in the longitudinal bore radial shoulder of the housing, while on the other ceramic molding a retaining cap is placed, which engages by means of inwardly facing claws in the housing molded notches.
  • an axial force is exerted on the retaining cap, for example by means of a punch, which acts on the seal via the ceramic shaped parts and deforms them such that the material of the seal presses against the sensor element on the one hand and against the inner wall of the housing on the other hand , The protruding from the housing, measured gas side of the
  • Sensor element is surrounded by a trained as a double tube protective tube, which is inserted into the end face of the housing and secured therein.
  • the gas sensor or gas sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that a sufficiently good gas seal between the on the one hand the measurement gas and on the other hand a reference gas, e.g. Air, exposed end portions of the sensor element and at the same time a simpler construction of the gas sensor is achieved. Due to the formation of the protective tube with a bottom for pressing the reference gas, e.g. Air, exposed end portions of the sensor element and at the same time a simpler construction of the gas sensor is achieved. Due to the formation of the protective tube with a bottom for pressing the reference gas, e.g. Air, exposed end portions of the sensor element and at the same time a simpler construction of the gas sensor is achieved. Due to the formation of the protective tube with a bottom for pressing the reference gas, e.g. Air, exposed end portions of the sensor element and at the same time a simpler construction of the gas sensor is achieved. Due to the formation of the protective tube with a bottom for pressing the reference gas, e.g. Air, exposed end portions of the sensor element and at the
  • Seal is used and to maintain the compressive stress on the seal, simplifies the construction of the gas sensor by eliminating additional ceramic moldings, so that the production costs are reduced. At the same time, the height of the gas sensor can be significantly reduced by eliminating the ceramic moldings.
  • Protective cap integrally formed as a first deep-drawn part and the protective tube with integrally formed tube sheet as a second deep-drawn part and provided in the cap bottom and tube bottom each have a central opening for the implementation of the sensor element.
  • the first deep-drawn part, the second deep-drawn part is formed across, and the two deep-drawn parts are connected to each other in the overlap region by a circumferential weld.
  • the weld results in an additional seal of the connection-side end portion of the sensor element relative to the sample gas. If such an additional seal is dispensed with, the connection between the deep-drawn parts can also be achieved by rolling,
  • the protective tube with integrally formed tube sheet and on the other hand, the holding cap each formed as a deep-drawn with stamped in the tube sheet or cap bottom central opening, while the housing is a semi-finished tube.
  • the semi-finished tube engages each with an end portion of the two deep-drawn parts and is firmly connected to them by spot welding or a circumferential weld.
  • the circumferential weld offers the advantage of an additional seal against the sample gas.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a gas sensor in installation position at the measuring gas
  • Fig. 2 is a longitudinal section of a gas sensor according to a second
  • the gas sensor shown schematically in longitudinal section in FIG. 1 is designed as a lambda probe for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. It has a planar sensor element 11 with a
  • Measuring gas exposed, measuring gas side end portion 111 which is gas sensitive, and with a connection-side end portion 112, which serves for electrically connecting the sensor element 11 to an electrical connection line 12, on.
  • 112 contact surfaces are arranged on the connection-side end portion, which arranged on the one hand via conductor tracks with on the measuring gas side end portion 111
  • Electrodes and on the other hand via a connector 13 with connecting conductors 121 of the connecting line 12 are connected.
  • the sensor element 11 is surrounded by a casing with a radial spacing, which has a protective tube 14, a holding cap 16 with a central passage opening 23 for the sensor element 11 in the cap base 161 and a housing 15 arranged between the protective tube 14 and the holding cap 16.
  • Sensor element 11 protrudes with its connection-side end portion 112 out of the enclosure and is here covered by a protective sleeve 17, which is firmly connected to the enclosure and closed at its reduced diameter end portion with a gas-tight caulked in the protective sleeve 17 grommet 18.
  • the protective tube 14 is closed at its end facing the retaining cap 16 tube end with a one-piece, a central passage opening 24 for the sensor element 11 having, tube bottom 141.
  • a sealing element 19 is preferably made of steatite, on the one hand at a lying between the measuring gas side end portion 111 and the terminal end portion 112 of the sensor element 11 section Sensor element 11 and on the other hand on the inner wall of the housing 15 presses radially.
  • the radial contact force is effected by an axial pressing force acting on the sealing element 19, which is applied by the cap base 161 of the retaining cap 16 and the tube bottom 141 of the protective tube 14.
  • the housing 15 is a semi-finished tube 20, and the retaining cap 16 is formed as a deep-drawn part 21 and the protective tube 14 with tube plate 141 as a deep-drawn part 22, wherein in the cap base 161 and in the tube plate 141, respectively, the passage opening 23 and 24 for the sensor element 11 is provided.
  • the open end of the deep-drawn part 21 On the side facing away from the cap base 161, the open end of the deep-drawn part 21, an annular flange 25 is formed.
  • the deep-drawn part 21 is attached to the one end of the semi-finished tube 20 that the cap base 161 is immersed in the tube blank 20 and the annular flange 25 engages over the annular end face of the semi-finished tube 20 and projects radially beyond the tube blank 20.
  • Tubular semi-finished product 20 and deep-drawn part 21 are fixedly connected to each other, preferably by a circumferential weld 26.
  • the protective sleeve 17 is with its deep drawn part 21 facing the end with a one-piece flange 171 provided, which rests on the annular flange 25 of the deep-drawn part 21 and is fixed thereto, for example by a circumferential weld 28.
  • the deep-drawn part 21 is placed with its flange 25 on the tube blank 20 that the retaining cap 16 projects into the interior of the housing 15.
  • the deep-drawn part 21 can also be placed on the semi-finished tube 20 that the holding cap 16 protrudes from the housing 15 to the outside.
  • an opening 31 is provided in the exhaust pipe 30, in which a cylindrical connector 32 is welded.
  • the connecting piece 32 carries on its side facing away from the exhaust pipe 30
  • the gas sensor is inserted into the connecting piece 32, wherein the annular flange 25 rests on the retaining cap 16 forming the first deep-drawn part 21 on the annular surface 321 and the protective tube 14 forming second deep-drawn part 22 through the Opening 31 in the exhaust pipe 30 is immersed in the interior of the exhaust pipe 30.
  • One on the protective sleeve 17th guided union nut 34 is screwed onto the threaded portion 33 of the fitting 32.
  • the union nut 34 presses with an inner annular surface 341 on the flange 171 of the protective sleeve 17 and thus presses the annular flange 25 on the first deep-drawn part 21 on the flat annular surface 321 of the connecting piece 32.
  • the described gas sensor is manufactured according to the following procedure:
  • the retaining cap 16 with integrally formed annular flange 25 on the one hand and the protective tube 14 with integrally formed tube plate 141 on the other hand are thermoformed from a 0.3 - 0.6 mm thick sheet metal.
  • sheet material are stainless, heat-resistant steels or
  • Nickel alloys used in the cap base 161 of the first deep-drawn part 21 on the one hand and in the tube plate 141 of the second deep-drawn part 22 on the other hand, in each case the passage opening 23 and 24 is punched out centrally for the sensor element 11.
  • a semi-finished tube 20 is used, on one end face of the first deep-drawn part 21, so the retaining cap 16 with annular flange 25, placed and welded to it.
  • the sealing element 19 is manufactured with a central through-passage 29, whose clear cross-section is adapted to the cross-section of the sensor element 11, in a powder pressing process. Possibly. the end faces of the sealing element 19 are sintered in order to avoid trickling out of the powder in the mounted state in this area.
  • the sealing element 19 is pushed onto the sensor element 11 in the correct position.
  • the sensor element 11 is inserted into the housing 15 until the sealing element 19 bears against the cap base 161 of the retaining cap 16. Then the protective tube 14 via its passage opening 141 in the tube plate 141 on the
  • Sensor element 11 is pushed until it dips into the housing 15 at the end and the tube plate 141 rests against the sealing element 19. Then in the protective tube 14 a punch and in the retaining cap 16 is inserted a counter punch and applied between the punch and counter punch an axial pressing force which squeezes the sealing member 19 and thereby inside the sensor element 11 and the outside of the inner wall of the
  • Gas sensor differs from the gas sensor described above insofar as housing 15 and retaining cap 16 are formed as a one-piece deep-drawn part 21 'with in turn punched out of the cap base 161 through opening 23 for the sensor element 11.
  • the annular flange 25 is formed, which during installation of the gas sensor at the measuring location, ie in the connecting piece
  • the protective tube 14 is formed in the same way as in Fig. 1 as a deep-drawn part 22, inserted into the deep-drawn part 21 'and firmly connected thereto (weld seam 35).
  • the formed in the same manner as in Fig. 1 protective sleeve 17 with integrally formed flange 171 is pushed over the TielfShiteil 21 'and lies with its flange 171 on the formed on the deep-drawn part 21' annular flange 25.
  • Tielfsedeil 21 'and protective sleeve 17 are firmly connected to each other via the two annular flanges 25, 171 (weld 28).
  • the sealing element 19 produced in the same way as described with reference to FIG. 1 is pushed onto the sensor element 11 in a positionally correct manner and is inserted together with the sensor element 11 into the first deep-drawn part 21 ', the sensor element 11 being guided through the passage opening 161 in the cap base 161. Thereafter, in the same manner as in Fig. 1, the thermowell 14 with tube sheet 141 forming the second deep-drawn part 22 is pushed onto the sensor element 11 until it reaches the first
  • Deep-drawn part 21 is immersed, that the tube sheet 141 rests against the sealing element 19.
  • the further procedure is as in the method previously described in connection with FIG. 1, wherein also here by applying an axial pressing force by means of two punches, the sealing element 19 is deformed and while maintaining the pressing force, the two deep-drawn parts 21 'and 22 firmly together connected, preferably welded together, (weld 35).
  • the circumferential weld 35 forms an additional seal against the sample gas.
  • the invention can equally advantageously be used with gas sensors, e.g. detect as nitrogen oxide sensors, the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas of internal combustion engines or internal combustion engines or designed as a temperature meter for detecting the exhaust gas temperature.
  • gas sensors e.g. detect as nitrogen oxide sensors, the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas of internal combustion engines or internal combustion engines or designed as a temperature meter for detecting the exhaust gas temperature.

Abstract

Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, aufweisend ein Sensorelement (11) mit einem messgasseitigen und einem anschlussseitigen Endabschnitt (111, 112), eine das Sensorelement (11) mit Radialabstand umgebende Umhüllung mit Schutzrohr (14), Gehäuse (15) und Haltekappe (16) sowie ein das Sensorelement (11) gegen die Umhüllung dichtendes Dichtungselement (19) , das zwischen dem messgasseitigen und dem anschlussseitigen Endabschnitt (111, 112) des Sensorelements (11) auf dem Sensorelement (11) angeordnet ist. Zur Erzielung eines kostengünstig herstellbaren Gasmessfühlers mit reduzierter axialer Bauhöhe und ausreichend guter Abdichtung gegenüber dem Messgas ist das Schutzrohr (14) an seinem dem Dichtungselement (19) zugekehrten Rohrende mit einem Rohrboden (141) versehen, der eine zentrale Durchtrittsöffnung (24) für das Sensorelement (11) aufweist und unmittelbar an dem Dichtungselement (19) anliegt, und das Dichtungselement (19) zwischen Kappenboden (161) und Rohrboden (141) axial verpresst.

Description

GASMΞSSFUHLER ENTHALTEND EIN SCHÜTZROHR
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wie das Abgas einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Gasmessfühler oder Gassensor (DE 197 51 424 Al) ist das Gehäuse aus einem Metallrohling gedreht, in dem eine zentrale Längsbohrung eingebracht ist. Außen am Rohling ist ein Sechskant abgestochen, und ein Außengewinde für den Einbau des Gasmessfühlers am Messort eingeschnitten. An dem einen Stirnende des Gehäuses sind zwei axial unmittelbar hintereinanderliegende Bunde mit unterschiedlichen Durchmessern und am anderen Stirnende ein Bund angedreht, auf den ein als Doppelrohr ausgebildetes, in seinem Rohrmantel Gasdurchtrittslöcher tragendes Schutzrohr aufgesetzt und verschweißt ist. Eine als Tiefziehteil ausgebildete Haltekappe mit einer nach innen weisenden Einstülpung ist auf den durchmesserkleineren Bund aufgeschoben und über eine Schweißnaht mit dem Gehäuse verbunden. Zwischen dem Boden der Einstülpung und einem in der Längsbohrung des Gehäuses ausgebildeten Radialschulter stützt sich ein Keramikformteil ab, wobei das Verschweißen der Haltekappe am durchmesserkleineren Bund des Gehäuses unter Einwirkung eines Drucks auf die Haltekappe vorgenommen wird, so dass das Keramikformteil auf die Ringschulter im Gehäuse gepresst wird. Die Haltekappe wird vollständig von einer konzentrischen Schutzhülse umschlossen, die auf den durchmessergrößeren Bund des Gehäuses aufgeschoben und auf diesem verschweißt ist. In das vom Gehäuse abgekehrte Ende der Schutzhülse ist eine Kabeldurchführung eingesetzt, die mit der Schutzhülse gasdicht verstemmt ist. In der in die Haltekappe eingeformte Einstülpung befindet sich eine Sensorelementdichtung, die eine hermetische Trennung zwischen dem vom Schutzrohr umschlossenen Messgasraum und dem von der Schutzhülse eingeschlossene
Referenzgasraum realisiert. Die Sensorelementdichtung ist vorzugsweise eine Glasdichtung aus einem Einschmelzglas.
Bei einem ebenfalls bekannten Gassensor (DE 197 14 203 C2) ist in einem als Vollkörper mit Längsbohrung ausgebildeten Gehäuse in der Längsbohrung eine Anordnung aus zwei
Keramikformteilen und einer dazwischen liegenden Dichtung aus einer Bornitrid-Steatit- Mischung eingesetzt, die auf das Sensorelement aufgeschoben ist. Das eine Keramikformteil stützt sich auf einer in der Längsbohrung ausgebildeten Radialschulter des Gehäuses ab, während auf das andere Keramikformteil eine Haltekappe aufgesetzt ist, die mittels nach innen weisender Krallen in am Gehäuse eingeformte Einkerbungen eingreift. Beim Zusammenbau des Gasmesssensors wird auf die Haltekappe, beispielsweise mittels eines Stempels, eine axiale Kraft ausgeübt, die über die Keramikformteile auf die Dichtung einwirkt und diese so verformt, dass sich das Material der Dichtung einerseits an das Sensorelement und andererseits an die Innenwand des Gehäuses anpresst. Der aus dem Gehäuse vorstehende, messgasseitige Abschnitt des
Sensorelements ist von einem als Doppelrohr ausgebildeten Schutzrohr umgeben, das in die Stirnseite des Gehäuses eingesetzt und in diesem befestigt ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmessfühler oder Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine ausreichend gute Gasdichtung zwischen den einerseits dem Messgas und andererseits einem Referenzgas, z.B. Luft, ausgesetzten Endabschnitten des Sensorelements und gleichzeitig eine einfachere Bauweise des Gasmessfühlers erreicht wird. Durch die Ausbildung des Schutzrohrs mit einem Boden, der zum Pressen der
Dichtung und zum Aufrechterhalten der Pressspannung auf die Dichtung herangezogen wird, vereinfacht sich der Aufbau des Gasmessfühlers durch Wegfall zusätzlicher Keramikformteile, so dass die Fertigungskosten gesenkt werden. Zugleich lässt sich die Bauhöhe des Gasmessfühlers durch Wegfall der Keramikformteile signifikant reduzieren. Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gasmessfühlers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Gehäuse und
Schutzkappe einstückig als erstes Tiefziehteil und das Schutzrohr mit einstückig angeformten Rohrboden als zweites Tiefziehteil ausgebildet und im Kappenboden und Rohrboden jeweils eine zentrale Öffnung zur Durchführung des Sensorelements vorgesehen. Dadurch ist einerseits eine einfache und kostengünstige Fertigung der Hülle erreicht und andererseits heißere Einbaubedingungen für den Gasmessfühler akzeptierbar, da die Wärmeleitung aus dem heißen Messgas in Richtung Anschlussseite des Sensorelements durch die dünnwandigen Tiefziehteile und der von dem Dichtungselement bewirkten Wärmeisolierung geringer ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das erste Tiefziehteil das zweite Tiefziehteil übergreifend ausgebildet, und die beiden Tiefziehteile sind im Übergreifungsbereich durch eine umlaufende Schweißnaht miteinander verbunden. Die Schweißnaht ergibt eine zusätzliche Dichtung des anschlussseitigen Endabschnitts des Sensorelements gegenüber dem Messgas. Wird auf eine solche zusätzliche Dichtung verzichtet, so kann die Verbindung zwischen den Tiefziehteilen auch durch Rollieren,
Verstemmen oder Punktschweißen herbeigeführt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist einerseits das Schutzrohr mit einstückig angeformten Rohrboden und andererseits die Haltekappe jeweils als Tiefziehteil mit im Rohrboden bzw. Kappenboden ausgestanzter zentraler Öffnung ausgebildet, während das Gehäuse ein Rohrhalbzeug ist. Das Rohrhalbzeug übergreift jeweils mit einem Endabschnitt die beiden Tiefziehteile und ist mit diesen durch Punktschweißen oder einer umlaufenden Schweißnaht fest verbunden. Die umlaufende Schweißnaht bietet den Vorteil einer zusätzlichen Abdichtung gegenüber dem Messgas.
Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung des Gasmessfühlers sind in Anspruch 9 und 11 angegeben. - A -
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Gasmessfühlers in Einbaulage am Messgasort,
Fig. 2 einen Längsschnitt eines Gasmessfühlers gemäß einen zweiten
Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 schematisiert im Längsschnitt dargestellten Gasmessfühler ist als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine konzipiert. Er weist ein planares Sensorelement 11 mit einem dem
Messgas ausgesetzten, messgasseitigen Endabschnitt 111, der gassensitiv ist, und mit einem anschlussseitigen Endabschnitt 112, der zum elektrischen Anschließen des Sensorelements 11 an eine elektrische Anschlussleitung 12 dient, auf. In bekannter Weise sind auf dem anschlussseitigen Endabschnitt 112 Kontaktflächen angeordnet, die einerseits über Leiterbahnen mit auf dem messgasseitigen Endabschnitt 111 angeordneten
Elektroden und andererseits über einen Verbindungsstecker 13 mit Anschlussleitern 121 der Anschlussleitung 12 verbunden sind. Das Sensorelement 11 ist von einer Umhüllung mit Radialabstand umgeben, die ein Schutzrohr 14, eine Haltekappe 16 mit einer zentralen Durchtrittsöffnung 23 für das Sensorelement 11 im Kappenboden 161 und ein zwischen Schutzrohr 14 und Haltekappe 16 angeordnetes Gehäuse 15 aufweist. Das
Sensorelement 11 steht mit seinem anschlussseitigen Endabschnitt 112 aus der Umhüllung vor und ist hier von einer Schutzhülse 17 abgedeckt, die fest mit der Umhüllung verbunden und an ihrem im Durchmesser reduzierten Endabschnitt mit einer in der Schutzhülse 17 gasdicht verstemmten Kabeldurchführung 18 verschlossen ist. Das Schutzrohr 14 ist an seinem der Haltekappe 16 zugekehrten Rohrende mit einem einstückigen, eine zentrale Durchtrittsöffnung 24 für das Sensorelement 11 aufweisenden, Rohrboden 141 verschlossen. Zwischen dem Rohrboden 141 und dem Kappenboden 161 der Haltekappe 16 liegt ein Dichtungselement 19 vorzugsweise aus Steatit ein, das sich einerseits an einem zwischen dem messgasseitigen Endabschnitt 111 und dem anschlussweiten Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 liegenden Abschnitt des Sensorelements 11 und andererseits an der Innenwand des Gehäuses 15 radial anpresst. Die radiale Anpresskraft wird durch eine auf das Dichtungselement 19 wirkende axiale Presskraft bewirkt, die vom Kappenboden 161 der Haltekappe 16 und dem Rohrboden 141 des Schutzrohrs 14 aufgebracht wird.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Gehäuse 15 ein Rohrhalbzeug 20, und die Haltekappe 16 ist als Tiefziehteil 21 und das Schutzrohr 14 mit Rohrboden 141 als Tiefziehteil 22 ausgebildet, wobei im Kappenboden 161 und im Rohrboden 141 jeweils die Durchtrittsöffnung 23 bzw. 24 für das Sensorelement 11 vorgesehen ist. An dem vom Kappenboden 161 abgekehrten, offenen Ende des Tiefziehteils 21 ist ein Ringflansch 25 angeformt. Das Tiefziehteil 21 ist so an das eine Stirnende des Rohrhalbzeugs 20 angesetzt, dass der Kappenboden 161 in das Rohrhalbzeug 20 eintaucht und der Ringflansch 25 die ringförmige Stirnfläche des Rohrhalbzeugs 20 übergreift und über das Rohrhalbzeug 20 radial hinausragt. Rohrhalbzeug 20 und Tiefziehteil 21 sind miteinander fest verbunden, vorzugsweise durch eine umlaufende Schweißnaht 26. Das Tiefziehteil
22 ist auf der anderen Stirnseite des Rohrhalbzeugs 20 in dieses unter Aufbringen einer axialen Presskraft auf das Dichtungselement 19 in das Rohrhalbzeug 20 eingesetzt und mit diesem fest verbunden, vorzugsweise über eine Schweißnaht 27. Die Schutzhülse 17 ist mit ihrem dem Tiefziehteil 21 zugekehrten Ende mit einem einstückigen Flansch 171 versehen, der auf dem Ringflansch 25 des Tiefziehteils 21 aufliegt und auf diesem fixiert ist, z.B. durch eine umlaufen Schweißnaht 28.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Tiefziehteil 21 mit seinem Flansch 25 so auf das Rohrhalbzeug 20 aufgesetzt, dass die Haltekappe 16 ins Innere des Gehäuses 15 hineinragt. Alternativ kann das Tiefziehteil 21 auch so auf das Rohrhalbzeug 20 aufgesetzt werden, dass die Haltekappe 16 von dem Gehäuse 15 nach außen absteht.
Zur Befestigung des Gasmessfühlers im Abgasrohr 30 einer Brennkraftmaschine ist im Abgasrohr 30 eine Öffnung 31 vorgesehen, in die ein zylindrisches Anschlussstück 32 eingeschweißt ist. Das Anschlussstück 32 trägt an seiner vom Abgasrohr 30 abgekehrten
Stirnseite eine ebene Ringfläche 321 und außen einen Gewindeabschnitt 33. Der Gasmessfühler wird in das Anschlussstück 32 eingesetzt, wobei der Ringflansch 25 an dem die Haltekappe 16 bildenden ersten Tiefziehteil 21 auf der Ringfläche 321 aufliegt und das das Schutzrohr 14 bildende, zweite Tiefziehteil 22 durch die Öffnung 31 im Abgasrohr 30 in das Innere des Abgasrohrs 30 eintaucht. Eine über die Schutzhülse 17 geführte Überwurfmutter 34 wird auf dem Gewindeabschnitt 33 des Anschlussstücks 32 verschraubt. Die Überwurfmutter 34 drückt mit einer inneren Ringfläche 341 auf den Flansch 171 der Schutzhülse 17 und presst somit den Ringflansch 25 am ersten Tiefziehteil 21 auf die ebene Ringfläche 321 des Anschlussstückes 32 auf.
Der beschriebene Gasmessfühler wird nach folgendem Verfahren hergestellt:
Die Haltekappe 16 mit angeformten Ringflansch 25 einerseits und das Schutzrohr 14 mit angeformten Rohrboden 141 andererseits werden aus einem 0,3 - 0,6 mm dicken Blech tiefgezogen. Als Blechmaterial werden nichtrostende, hitzebeständige Stähle oder
Nickellegierungen verwendet. In dem Kappenboden 161 des ersten Tiefziehteils 21 einerseits und in dem Rohrboden 141 des zweiten Tiefziehteils 22 andererseits wird jeweils die Durchtrittsöffnung 23 bzw. 24 für das Sensorelement 11 mittig ausgestanzt. Als Gehäuse 15 wird ein Rohrhalbzeug 20 verwendet, auf dessen eine Stirnseite das erste Tiefziehteil 21, also die Haltekappe 16 mit Ringflansch 25, aufgesetzt und mit diesem verschweißt wird.
Das Dichtungselement 19 wird mit einem zentralen Durchgangskanal 29, dessen lichter Querschnitt an den Querschnitt des Sensorelements 11 angepasst ist, in einem Pulverpressverfahren hergestellt. Ggf. werden die Stirnseiten des Dichtungselements 19 angesintert, um in diesem Bereich ein Herausrieseln des Pulvers im montierten Zustand zu vermeiden. Das Dichtungselement 19 wird auf das Sensorelement 11 lagerichtig aufgeschoben. Das Sensorelement 11 wird in das Gehäuse 15 eingeführt, bis das Dichtungselement 19 an dem Kappenboden 161 der Haltekappe 16 anliegt. Dann wird das Schutzrohr 14 über seine Durchtrittsöffnung 141 im Rohrboden 141 auf das
Sensorelement 11 aufgeschoben, bis es endseitig in das Gehäuse 15 eintaucht und der Rohrboden 141 am Dichtungselement 19 anliegt. Dann wird in das Schutzrohr 14 ein Stempel und in die Haltekappe 16 ein Gegenstempel eingeführt und zwischen Stempel und Gegenstempel eine axiale Presskraft aufgebracht, die das Dichtungselement 19 quetscht und dadurch innen an das Sensorelement 11 und außen an die Innenwand des
Gehäuses 15 anpresst. Während die Presskraft zwischen den Stempeln aufrechterhalten wird, wird das Schutzrohr 14 an dem Gehäuse 15 verschweißt (umlaufende Schweißnaht 27). Danach wird die Schutzhülse 17 mit vormontiertem Verbindungsstecker 13 und durch die Kabeldurchführung 18 eingezogener Anschlussleitung 12 auf das Gehäuse 15 aufgesetzt, wobei der Verbindungsstecker 13 auf dem messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 aufgeschoben wird. Schutzhülse 17 und Haltekappe 16 werden an ihren Flanschen 171 und 25 miteinander fest verbunden, vorzugsweise lasergeschweißt (Schweißnaht 28).
Der als weiteres Ausführungsbeispiel in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellte
Gasmessfühler unterscheidet sich von dem eben beschriebenen Gasmessfühler insoweit, als Gehäuse 15 und Haltekappe 16 als einstückiges Tiefziehteil 21' mit wiederum aus dem Kappenboden 161 ausgestanzter Durchtrittsöffnung 23 für das Sensorelement 11 ausgebildet sind. Am offenen Ende des Tiefziehteils 21' ist wiederum der Ringflansch 25 angeformt, der beim Einbau des Gasmessfühlers am Messort, also in das Anschlussstück
32 gemäß Fig. 1, als Einspannflansch dient und durch die Überwurfmutter 34 auf dem Anschlussstück 32 festgespannt wird. Das Schutzrohr 14 ist in gleicher Weise wie in Fig. 1 als Tiefziehteil 22 ausgebildet, in das Tiefziehteil 21' eingeschoben und mit diesem fest verbunden (Schweißnaht 35). Die in gleicher Weise wie in Fig. 1 ausgebildete Schutzhülse 17 mit angeformtem Flansch 171 ist über das Tielfziehteil 21' geschoben und liegt mit ihrem Flansch 171 auf dem am Tiefziehteil 21' ausgebildeten Ringflansch 25 auf. Über die beiden Ringflansche 25, 171 sind Tielfziehteil 21' und Schutzhülse 17 fest miteinander verbunden (Schweißnaht 28).
Zur Herstellung dieses Gasmessfühlers werden Schutzrohr 14 mit angeformtem
Rohrboden 141 einerseits und Gehäuse 15 und Haltekappe 16 mit angeformten Ringflansch 25 andererseits jeweils einstückig aus einem 0,3 - 0,6 mm dicken Blech tiefgezogen und im Kappenboden 161 des ersten Tiefziehteils 21' und im Rohrboden 141 des zweien Tiefziehteils 22 die Durchtrittsöffnungen 141 und 161 mittig ausgestanzt. Das in gleicher Weise wie zu Fig. 1 beschrieben hergestellte Dichtungselement 19 ist lagegerecht auf das Sensorelement 11 aufgeschoben und wird zusammen mit dem Sensorelement 11 in das erste Tiefziehteil 21' eingesetzt, wobei das Sensorelement 11 durch die Durchtrittsöffnung 161 im Kappenboden 161 hindurchgeführt wird. Danach wird in gleicher Weise wie in Fig. 1 das das Schutzrohr 14 mit Rohrboden 141 bildende zweite Tiefziehteil 22 auf das Sensorelement 11 aufgeschoben, bis es soweit in das erste
Tiefziehteil 21 eingetaucht ist, dass der Rohrboden 141 an dem Dichtungselement 19 anliegt. Die weitere Verfahrensweise ist wie bei dem zuvor in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Verfahren, wobei auch hier durch Aufbringen einer axialen Presskraft mittels zweier Stempel das Dichtungselement 19 verformt wird und während des Aufrechterhaltens der Presskraft die beiden Tiefziehteile 21' und 22 fest miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschweißt, werden (Schweißnaht 35). Die umlaufende Schweißnaht 35 bildet eine zusätzliche Abdichtung gegenüber dem Messgas.
Die Erfindung kann in gleich vorteilhafter Weise auch bei Gasmessfühlern eingesetzt werden, die z.B. als Stickoxid-Sensoren die Konzentration von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren erfassen oder als Temperaturmesser zur Erfassung der Abgastemperatur ausgeführt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem einen messgasseitigen und einen anschlussseitigen Endabschnitt (111, 112) aufweisenden Sensorelement (11), mit einer das Sensorelement (11) mit Radialabstand umgebenden Umhüllung, die ein Schutzrohr
(14), ein Gehäuse (15) und eine Haltekappe (16) aufweist, und mit einem das Sensorelement (11) gegen die Umhüllung dichtenden Dichtungselement (19), insbesondere aus Steatit, das zwischen dem messgasseitigen Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) und dessen aus der Umhüllung axial vorstehendem anschlussseitigen Endabschnitt (112) auf dem Sensorelement (11) angeordnet und mit axial gegen die Haltekappe (16) gerichteter Druckkraft verpresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (14) an seinem den Dichtungselement (19) zugeordneten Rohrende mit einem Rohrboden (161) versehen ist, der eine zentrale Durchtrittsöffnung (24) für das Sensorelement (11) aufweist und unmittelbar an dem Dichtungselement (19) anliegt, und dass die Verpressung des Dichtungselement (19) durch den Rohrboden (141) vorgenommen ist.
2. Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuse (15) und Haltekappe (16) als einstückiges erstes Tiefziehteil (21') und das Schutzrohr (14) mit einstückig angeformtem Rohrboden (141) als zweites Tiefziehteil (22) ausgebildet sind und dass im Kappenboden (161) des ersten Tiefziehteils (21') und im Rohrboden (141) des zweiten Tiefziehteils (22) jeweils eine zentrale Durchtrittsöffnung (23, 24) zur Durchführung des Sensorelements (11) vorgesehen ist.
3. Gasmessfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Tiefziehteil (21) das zweite Tiefziehteil (22) an dessen einem Ende übergreifend ausgebildet ist und dass die beiden Tiefziehteile (21', 22) im Übergreifungsbereich fest miteinander, vorzugsweise über eine umlaufende Schweißnaht (35), verbunden sind.
4. Gasmessfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Übergreifungsende des ersten Tiefziehteils (21') ein bei Einbau des Gasmessfühlers am Messort als Einspannflansch dienender Ringflansch (25) angeformt ist.
5. Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltekappe (16) einerseits und das Schutzrohr (14) mit einstückig angeformtem Rohrboden (141) andererseits jeweils als Tiefziehteil (21, 22) ausgebildet sind und das Gehäuse (15) ein Rohrhalbzeug (20) ist und dass in dem Rohrboden (141) und in dem Kappenboden (161) der beiden Tiefziehteile (21, 22) jeweils eine zentrale Durchtrittsöffnung (24, 23) für das Sensorelement (11) vorgesehen ist.
6. Gasmessfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrhalbzeug (20) mit seinem einen Ende das eine Tiefziehteil (21) und mit seinem anderen Ende das andere Tiefziehteil (22) übergreift und in den Übergreifungsbereichen mit den Tiefziehteilen (21, 22) fest verbunden ist, vorzugsweise mittels jeweils einer umlaufenden Schweißnaht (26, 27).
7. Gasmessfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am offenen Ende des die Haltekappe (16) bildenden Tiefziehteils (21) ein beim Einbau des Messgasfühlers am Messort als Einspannflansch dienender Ringflansch (25) angeformt ist, der über den Umfang des Rohrhalbzeugs (20) radial vorsteht.
8. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 2 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehteile (21, 22; 21', 22) aus Blechen von nichtrostenden, hitzebeständigen Stählen oder Nickellegierungen bestehen.
9. Verfahren zur Herstellung eines Gasmessfühlers zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, der ein Sensorelement (11) mit einem messgasseitigen und einem anschlussseitigen Endabschnitt (111, 112), eine das Sensorelement (11) mit Radialabstand umgebende Umhüllung aus Schutzrohr (14), Gehäuse (15) und Haltekappe (16) sowie ein das Sensorelement (11) gegen die Umhüllung dichtendes Dichtungselement (19) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Gehäuse (15) und Haltekappe (16) einerseits und Schutzrohr (14) mit einem angeformten Rohrboden (141) andererseits werden jeweils einstückig aus einem Blech tiefgezogen, in dem Kappenboden (161) des ersten Tiefziehteils (21') und in dem Rohrboden (141) des zweiten Tiefziehteils (22) wird jeweils eine Durchtrittsöffnung (23, 24) zentral ausgestanzt, das Sensorelement (11) mit lagerichtig aufgeschobenem Dichtungselement (19) wird durch die zentrale Durchtrittsöffnung (23) im Kappenboden (161) des ersten Tiefziehteils (21') hindurchgeschoben, bis das Dichtungselement (19) am Kappenboden (161) des ersten Tiefziehteils (21') anliegt, - das zweite Tiefziehteil (22) wird über die Durchtrittsöffnung (24) in seinem
Rohrboden (141) auf das Sensorelement (11) soweit aufgeschoben, bis es in das erste Tiefziehteil (21') eintaucht und der Rohrboden (141) an dem Dichtungselement (19) anliegt, mittels zweier einerseits am Rohrboden (141) des ersten Tiefziehteils (21') und andererseits am Kappenboden (161) des zweiten Tiefziehteils (22) angreifender
Stempel wird das Dichtungselement (19) axial verpresst und während der Wirkung der Presskräfte werden die beiden Tiefziehteile (21', 22) fest miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vom
Kappenboden (161) abgekehrten Ende des ersten Tiefziehteils (21') beim Tiefziehen ein Ringflansch (25) mit angeformt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Gasmessfühlers zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, der ein Sensorelement (11) mit einem messgasseitigen und einem anschlussseitigen Endabschnitt (111, 112), eine das Sensorelement (11) mit Radialabstand umgebende Umhüllung aus Schutzrohr (14), Gehäuse (15) und Haltekappe (16) sowie ein das Sensor dement (11) gegen die Umhüllung dichtendes Dichtungselement (19) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Haltekappe (16) einerseits und Schutzrohr (14) mit einem angeformten Rohrboden (141) andererseits werden jeweils aus einem Blech tiefgezogen, - im Kappenboden ( 161 ) des ersten Tiefziehteils (21) und im Rohrboden (141) des zweiten Tiefziehteils (22) wird jeweils eine Durchtrittsöffnung (23, 24) zentral ausgestanzt, das die Haltekappe (16) bildende erste Tiefziehteil (21) wird auf die eine Stirnseite eines als Gehäuse (15) verwendeten Rohrhalbzeugs (20) aufgesetzt und mit diesem fest verbunden, vorzugsweise verschweißt, das Sensorelement (11) mit lagerichtig aufgeschobenem Dichtungselement (19) wird durch die zentrale Durchtrittsöffnung (23) im Kappenboden (161) des ersten Tiefziehteils (21) hindurchgeschoben, bis das Dichtungselement (19) am Kappenboden (161) des ersten Tiefziehteils (21) anliegt, - das zweite Tiefziehteil (22) wird über die Durchtrittsöffnung (24) in seinem
Rohrboden (141) auf das Sensorelement (11) soweit aufgeschoben, bis es in das erste Tiefziehteil (21) eintaucht und der Rohrboden (141) an dem Dichtungselement (19) anliegt, mittels zweier einerseits am Rohrboden (141) des ersten Tiefziehteils (21) und andererseits am Kappenboden (161) des zweiten Tiefziehteils (22) angreifender
Stempel wird das Dichtungselement (19) axial verpresst und während der Wirkung der Presskräfte werden die beiden Tiefziehteile (21, 22) fest miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vom
Kappenboden (161) abgekehrten Ende des Tiefziehteils (21') beim Tiefziehen ein Ringflansch (25) angeformt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (19) mit einem zentralen Durchgangskanal (29), dessen lichter
Querschnitt an den Querschnitt des Sensorelements (11) angepasst ist, in einem Pulverpressverfahren hergestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des Dichtungselements (19) angesintert werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehteile (21, 22); 21') aus 0,3 - 0,6 mm dickem Blech eines nichtrostenden, hitzebeständigen Stahls oder einer Nickellegierung gezogen werden.
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