WO2007048660A1 - Gasmessfühler und verfahren zur herstellung des gasmessfühlers - Google Patents

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Gregor Jaehnig
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor according to the preamble of claim 1 and a method for producing the gas sensor according to claim 9.
  • the gas sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that in a simple way an improvement in the sealing of the sensor element is achieved within the sensor housing by the sealing element has an outer layer which melts at a predetermined temperature and with the sensor element and / or the sensor housing forms a tight connection.
  • the outer layer is glass-like, since glass has a high melting point and thereby melting of the outer layer in the range of the operating temperature of the gas sensor is prevented.
  • the outer layer is a coating, since this is particularly inexpensive to produce. It is very advantageous if the sealing element is made of steatite and / or boron nitride and has a coating, since the coating increases the strength of the pre-pressed, powdery sealing element, so that its bulk material capability is improved.
  • FIG. 1 shows, in section, a view of the gas sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a top view of the sealing element according to the invention.
  • FIG. 1 shows a gas sensor according to the invention.
  • the gas sensor serves, for example, for determining the oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine or the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the gas sensor can be used expressly to determine any physical quantities of any gas.
  • the gas sensor has a sensor housing 1, in which a sensor element 2 is provided, by means of which the physical size of the gas to be measured, for example the oxygen concentration, can be determined.
  • the sensor housing 1 has a passage 3, which is penetrated by the sensor element 2.
  • the sensor element 2 is at least partially surrounded by a seal arrangement 4 in the through-channel 3.
  • the sealing arrangement 4 has, for example, a measuring gas-side ceramic shaped part 5, a connection-side ceramic shaped part 6 and a sealing element 7 arranged between the two ceramic shaped parts 5, 6.
  • the seal assembly 4 may consist only of the sealing element 7.
  • the seal assembly 4 is penetrated by the sensor element 2 through a sensor element channel 8.
  • the sensor element 2 is designed, for example, rod-shaped, cuboid or cylindrical.
  • the sensor element 2 has a measuring gas-side portion 10 and a connection-side portion 11, wherein the measuring gas-side portion 10 is exposed to the exhaust gas and on the connection-side section 11 electrical connection contacts 12 are provided, for example, for deriving the measurement signals of the sensor element 2.
  • the sensor element 2 has at the measuring gas side portion 10, a measuring element 13, which passes a correlating with the physical quantity to be measured measurement signal via an electrical connection, not shown, in the sensor element 2 to the electrical connection contacts 12.
  • Sensor element 2 is tapped via the electrical connection contacts 12 and passed via an electrical connection 14 connected to the electrical connection contacts 12 to an evaluation unit 15.
  • the measuring gas side portion 10 of the sensor element 2 protrudes from the sensor housing 1 and is surrounded by a protective tube 18 which is arranged on the sensor housing 1 and fixedly connected thereto.
  • the protective tube 18 has inlet and outlet openings 19 for the gas to be measured.
  • the gasket of the gas sensor 4 is arranged and formed in the passage 3 so that no gas from a gas side 20 of the gas sensor, starting between the passage 3 and the sensor element 2 and / or between the sensor element channel 8 and the sensor element 2 to a connection side 21 of the gas sensor arrives.
  • the seal assembly 4 seals the passageway 3 and the sensor element channel 8 of the gas sensor in this manner.
  • a cover 24 is provided, which exerts a pressure on the seal assembly 4 and is penetrated by the sensor element 2.
  • the seal assembly 4 is pressed by means of the cover 24 against a trained in the passage 3 shoulder 25 and is biased in this way in the axial direction with respect to a sensor axis 26 between the shoulder 25 and the cover 24 to pressure.
  • the cover 24 is connected to the sensor housing 1 positively, non-positively and / or cohesively.
  • the sealing element 7 is made, for example, from a powdery material, for example steatite and / or boron nitride.
  • the sealing element 7 is pre-pressed for mounting to an example cylindrical body.
  • the sealing element 7 has an outer layer 30 which melts at a predetermined temperature and forms a dense, for example gas-tight, connection with the sensor element 2 and / or the sensor housing 1. - A -
  • the outer layer 30 is for example a coating of the sealing element 7, which melts above the predetermined temperature and in this way generates the additional seal between the through-channel 3 and the sensor element 2 and / or between the sensor element channel 8 and the sensor element 2.
  • the coating 30 is, for example, vitreous and made of a glass milk powder.
  • the sealing element 7 is immersed in a glass milk powder suspension and obtained in this way a coating 30 which completely covers the sealing element 7.
  • the coating 30 may also be formed only in sections on the sealing element 7.
  • the coating 30 increases the strength of a pre-pressed from a powder sealing element 7 and thereby improves its bulk material capability, so that during assembly of the sealing elements 7, for example during transport in vibration conveyors, less sealing elements 7 are damaged.
  • the sealing element 7 may also consist entirely of the material of the outer layer 30.
  • the gas sensor is heated in the manufacturing process over the predetermined temperature, so that the outer layer 30 melts, for example in the form of the coating.
  • the outer layer 30 enters into a gas-tight connection with the sensor element 2 and / or the wall of the through-channel 3.
  • the predetermined temperature is above one

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Abstract

Es sind schon Gasmessfühler bekannt mit einem Sensorelement, das innerhalb eines Sensorgehäuses zumindest abschnittsweise von einer Dichtungsanordnung umgeben ist, wobei die Dichtungsanordnung zumindest ein Dichtelement aufweist, das aus einem pulverförmigen Material besteht und eine vorgepresste Form aufweist. Die Abdichtung des Sensorelementes in dem Sensorgehäuse erfolgt durch Erzeugen eines Drucks auf das Dichtelement, das dadurch zumindest teilweise pulverisiert wird. Das feine Pulver des Dichtelementes verschließt dabei Spalte sowohl am Sensorelement als auch am Sensorgehäuse. Bei dem erfindungsgemäßen Gasmessfühler wird die Abdichtung des Sensorelementes innerhalb des Sensorgehäuses verbessert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Dichtelement (7) eine äußere Schicht (30) aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt und mit dem Sensorelement (2) und/oder dem Sensorgehäuse (1) eine dichte Verbindung eingeht.

Description

GASMESSFUHLER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES GASMESSFÜHLERS
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung des Gasmessfühlers nach Anspruch 9.
Es ist schon ein Gasmessfühler aus der DE 100 22 958 Al bekannt mit einem Sensorelement, das innerhalb eines Sensorgehäuses zumindest abschnittsweise von einer Dichtungsanordnung umgeben ist, wobei die Dichtungsanordnung zumindest ein Dichtelement aufweist, das aus einem pulverförmigen Material besteht und eine vorgepresste Form aufweist. Die Abdichtung des Sensorelementes in dem Sensorgehäuse erfolgt durch Erzeugen eines Drucks auf das Dichtelement, das dadurch zumindest teilweise pulverisiert wird. Das feine Pulver des Dichtelementes verschließt dabei Spalte sowohl am Sensorelement als auch am Sensorgehäuse.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise eine Verbesserung der Abdichtung des Sensorelementes innerhalb des Sensorgehäuses erreicht wird, indem das Dichtelement eine äußere Schicht aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt und mit dem Sensorelement und/oder dem Sensorgehäuse eine dichte Verbindung eingeht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Gasmessfühlers möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die äußere Schicht glasartig ist, da Glas einen hohen Schmelzpunkt aufweist und dadurch ein Schmelzen der äußeren Schicht im Bereich der Betriebstemperatur des Gassensors verhindert ist.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die äußere Schicht eine Beschichtung ist, da diese besonders kostengünstig herstellbar ist. Sehr vorteilhaft ist es, wenn das Dichtelement aus Steatit und/oder Bornitrid hergestellt ist und eine Beschichtung aufweist, da die Beschichtung die Festigkeit des vorgepressten, pulverförmigen Dichtelementes erhöht, so dass sich dessen Schüttgutfähigkeit verbessert.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.l im Schnitt eine Ansicht des erfmdungsgemäßen Gassensors und Fig.2 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Dichtelementes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig.1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gassensor.
Der Gassensor dient beispielsweise der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine oder der Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine. Der Gassensor kann aber ausdrücklich zur Bestimmung beliebiger physikalischer Größen eines beliebigen Gases verwendet werden.
Der Gassensor weist ein Sensorgehäuse 1 auf, in dem ein Sensorelement 2 vorgesehen ist, mittels dem die zu messende pyhsikalische Größe des Gases, beispielsweise die Sauerstoffkonzentration, ermittelbar ist.
Das Sensorgehäuse 1 weist einen Durchgangskanal 3 auf, der von dem Sensorelement 2 durchragt wird. Das Sensorelement 2 ist in dem Durchgangskanal 3 zumindest abschnittsweise von einer Dichtungsanordnung 4 umgeben. Die Dichtungsanordnung 4 weist beispielsweise ein messgasseitiges Keramikformteil 5, ein anschlussseitiges Keramikformteil 6 und ein zwischen den beiden Keramikformteilen 5,6 angeordnetes Dichtelement 7 auf. Die Dichtungsanordnung 4 kann aber auch nur aus dem Dichtelement 7 bestehen. Die Dichtungsanordnung 4 wird von dem Sensorelement 2 durch einen Sensorelementkanal 8 durchragt.
Das Sensorelement 2 ist beispielsweise stäbchenförmig, quaderförmig oder zylinderförmig ausgeführt.
Das Sensorelement 2 weist einen messgasseitigen Abschnitt 10 und einen anschlussseitigen Abschnitt 11 auf, wobei der messgasseitige Abschnitt 10 dem Abgas ausgesetzt ist und an dem anschlussseitigen Abschnitt 11 elektrische Anschlusskontakte 12 beispielsweise zur Ableitung der Messsignale des Sensorelementes 2 vorgesehen sind. Das Sensorelement 2 hat an dem messgasseitigen Abschnitt 10 ein Messelement 13, das ein mit der zu messenden physikalischen Größe korrelierendes Messsignal über eine nicht dargestellte elektrische Verbindung im Sensorelement 2 an die elektrischen Anschlusskontakte 12 leitet. Das Messsignal des
Sensorelementes 2 wird über die elektrischen Anschlusskontakte 12 abgegriffen und über eine an die elektrischen Anschlusskontakte 12 angeschlossene elektrische Leitung 14 an eine Auswerteeinheit 15 geleitet.
Der messgasseitige Abschnitt 10 des Sensorelementes 2 ragt aus dem Sensorgehäuse 1 heraus und ist von einem Schutzrohr 18 umgeben, das an dem Sensorgehäuse 1 angeordnet und fest mit diesem verbunden ist. Das Schutzrohr 18 weist Ein- und Austrittsöffnungen 19 für das zu messende Gas auf.
Die Dichtungsanordnung 4 des Gassensors ist in dem Durchgangskanal 3 derart angeordnet und ausgebildet, dass kein Gas von einer Messgasseite 20 des Gassensors ausgehend zwischen dem Durchgangskanal 3 und dem Sensorelement 2 und/oder zwischen dem Sensorelementkanal 8 und dem Sensorelement 2 zu einer Anschlussseite 21 des Gassensors gelangt. Die Dichtungsanordnung 4 dichtet den Durchgangskanal 3 und den Sensorelementkanal 8 des Gassensors auf diese Weise ab.
Am anschlussseitigen Sensorgehäuse 1 ist ein Deckel 24 vorgesehen, der einen Druck auf die Dichtungsanordnung 4 ausübt und von dem Sensorelement 2 durchragt wird. Die Dichtungsanordnung 4 wird mittels des Deckels 24 gegen eine im Durchgangskanal 3 ausgebildete Schulter 25 gepresst und ist auf diese Weise in axialer Richtung bezüglich einer Sensorachse 26 zwischen der Schulter 25 und dem Deckel 24 auf Druck vorgespannt. Der Deckel 24 ist mit dem Sensorgehäuse 1 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden.
Das Dichtelement 7 ist beispielsweise aus einem pulverförmigen Material, beispielsweise Steatit und/oder Bornitrid, hergestellt. Das Dichtelement 7 wird für die Montage zu einem beispielsweise zylinderförmigen Körper vorgepresst.
Erfmdungsgemäß ist vorgesehen, dass das Dichtelement 7 eine äußere Schicht 30 aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt und mit dem Sensorelement 2 und/oder dem Sensorgehäuse 1 eine dichte, beispielsweise gasdichte Verbindung eingeht. - A -
Die äußere Schicht 30 ist beispielsweise eine Beschichtung des Dichtelementes 7, die oberhalb der vorbestimmten Temperatur schmilzt und auf diese Weise die zusätzliche Abdichtung zwischen dem Durchgangskanal 3 und dem Sensorelement 2 und/oder zwischen dem Sensorelementkanal 8 und dem Sensorelement 2 erzeugt. Die Beschichtung 30 ist beispielsweise glasartig und aus einem Glasmilchpulver hergestellt. Gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel wird das Dichtelement 7 in eine Glasmilchpulver-Suspension eingetaucht und erhält auf diese Weise einen Überzug 30, der das Dichtelement 7 vollständig bedeckt. Die Beschichtung 30 kann aber auch nur abschnittsweise an dem Dichtelement 7 ausgebildet sein. Die Beschichtung 30 erhöht die Festigkeit eines aus einem Pulver vorgepressten Dichtelementes 7 und verbessert dadurch dessen Schüttgutfähigkeit, so dass bei der Montage der Dichtelemente 7, beispielsweise beim Transport in Vibrationsförderern, weniger Dichtelemente 7 beschädigt werden. Als Beschichtungsmaterial können aber auch andere Materialien als Glasmilchpulver verwendet werden. Das Dichtelement 7 kann auch vollständig aus dem Material der äußeren Schicht 30 bestehen.
Der Gassensor wird beim Herstellverfahren über die vorbestimmte Temperatur aufgeheizt, so dass die äußere Schicht 30 beispielsweise in Form der Beschichtung schmilzt. Beim nachfolgenden Abkühlen und Erhärten der geschmolzenen äußeren Schicht 30 geht die äußere Schicht 30 mit dem Sensorelement 2 und/oder der Wandung des Durchgangskanals 3 eine gasdichte Verbindung ein. Die vorbestimmte Temperatur liegt oberhalb einer
Betriebstemperatur, so dass die äußere Schicht 30 nach der Herstellung nicht mehr aufgeschmolzen wird.
Fig.2 zeigt eine Draufsicht des erfmdungsgemäßen Dichtelementes.
Bei dem Dichtelement nach Fig.2 sind die gegenüber dem Gassensor nach Fig.1 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Claims

Ansprüche
1. Gassensor mit einem Sensorelement, das innerhalb eines Sensorgehäuses zumindest abschnittsweise von einer Dichtungsanordnung umgeben ist, wobei die Dichtungsanordnung zumindest ein Dichtelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) eine äußere Schicht (30) aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt und mit dem Sensorelement (2) und/oder dem Sensorgehäuse (1) eine dichte Verbindung eingeht.
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (30) glasartig ist.
3. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (30) eine Beschichtung ist.
4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (30) aus einem Glasmilchpulver hergestellt ist.
5. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) aus Steatit und/oder Bornitrid hergestellt ist.
6. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) aus einem pulverförmigen Material hergestellt und in eine vorbestimmte Form vorgepresst ist.
7. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) zylinderförmig ausgebildet ist.
8. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) zwischen zwei im Sensorgehäuse (1) vorgesehenen Keramikformteilen (5,6) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (2) das Dichtelement (7) und die zwei Keramikformteile (5,6) durchragt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Gassensors mit einem Sensorelement, das innerhalb eines Sensorgehäuses zumindest abschnittsweise von einer Dichtungsanordnung umgeben ist, wobei die Dichtungsanordnung zumindest ein Dichtelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) mit einer äußeren Schicht (30) beschichtet und der Gassensor derart über eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, dass die äußere Schicht (30) geschmolzen und eine dichte Verbindung zwischen dem Sensorelement (2) und dem Sensorgehäuse (1) gebildet wird.
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