WO2018036768A1 - Dichtung für einen sensor zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum - Google Patents

Dichtung für einen sensor zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum Download PDF

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WO2018036768A1
WO2018036768A1 PCT/EP2017/069521 EP2017069521W WO2018036768A1 WO 2018036768 A1 WO2018036768 A1 WO 2018036768A1 EP 2017069521 W EP2017069521 W EP 2017069521W WO 2018036768 A1 WO2018036768 A1 WO 2018036768A1
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WO
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sensor
side molding
seal
measuring gas
connection
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/069521
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Jaeger
Marc Rosenland
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing

Definitions

  • Sample gas chamber known. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be in the form of a
  • Partial pressure and / or in the form of a percentage are detectable, such as the temperature.
  • Other properties of the measuring gas are detectable, such as the temperature.
  • Such sensors are based on the use of appropriately trained
  • Lambda probes designed as, for example, Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165 are known.
  • broadband lambda probes in particular with planar broadband lambda probes, for example, the oxygen concentration in the exhaust gas in a large
  • the air ratio ⁇ describes this air-fuel ratio.
  • ceramic sensor elements are known from the prior art which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, ie on ion-conducting properties of these
  • these solids can be ceramic solid electrolytes, such as, for example, zirconium dioxide, in particular Yttrium-stabilized zirconia and scandium-doped zirconia, which may contain minor additions of alumina and / or silica.
  • ceramic solid electrolytes such as, for example, zirconium dioxide, in particular Yttrium-stabilized zirconia and scandium-doped zirconia, which may contain minor additions of alumina and / or silica.
  • the steatite sealing discs are unsintered steatite raw material.
  • the boron nitride is hexagonal hot-pressed boron nitride.
  • a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space, which has the disadvantages known sensors at least largely avoids and in which in particular an improved sealing effect against moisture and exhaust gases is realized and the sensor function is improved.
  • a sensor according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprises a sensor housing and a sensor element for detecting the at least one property of the measurement gas.
  • the sensor housing has a longitudinal bore.
  • the sensor element is arranged in the longitudinal bore.
  • the sensor element is surrounded by at least one seal.
  • Molding are made of stainless steel.
  • a molded part is to be understood as a component which has a certain contact pressure on the seal or the
  • Exercises seals At the measuring gas side end and at the connection-side end of the seal or the seals in each case a molded part is arranged, so that the seal is surrounded on both sides by the molded parts.
  • the molded parts can clamp the seal or the seals.
  • the molded parts made of stainless steel can be produced by stamping or extrusion.
  • the term "produced from a specific material” is to be understood as meaning that the respective component is produced to at least 80% by volume and preferably at least 90% by volume and preferably completely to technically unavoidable impurities
  • a manufacture of the stainless steel gasket involves making the gasket of at least 80% by volume, and preferably at least 90% by volume, and preferably completely, except for technically unavoidable stainless steel contaminants.
  • stainless steel in the context of the present invention is an alloyed or unalloyed steel with a particular degree of purity according to the definition of EN 10020 to understand.
  • stainless steel may be a steel whose sulfur and phosphorus content (so-called iron companion) does not exceed 0.025%.
  • the sensor can be used in the automotive field, it is understood that the stainless steel must be heat resistant to withstand operating temperatures of about 600 ° C to 700 ° C.
  • the molded parts Due to the significantly higher shear strength of stainless steel in comparison to the usual materials of the support ceramic bushings, in particular steatite, the molded parts can be made thinner than the conventional support ceramic bushings with constant mounting force for compression of the sealing package.
  • the moldings could be designed in comparable dimensions as the conventional support ceramic bushings.
  • the mounting force for compression of the sealing pack entprechend be increased what a
  • Thermal expansion coefficient between support ceramic bushes and the sensor housing can be significantly reduced by the use of stainless steel moldings.
  • the thermal expansion coefficient of the stainless steel fittings can be adapted to the respective housing type.
  • the measuring gas side molding and the connection side molding can be electrically isolated from the sensor housing. The same
  • Isolation property is thus given as in the conventional support ceramic sockets.
  • the measuring gas side molding and the connection side molding can be coated with at least one electrically insulating material at least on a surface facing the sensor housing.
  • the measuring gas side molding and the connection side molding are completely coated with at least one electrically insulating material.
  • Insulation coating there are also several possible methods such as the wet-chemical sol-gel process (electrically insulating Material: Al2O3, S1O2; Insulation layer thickness 1 ⁇ ), atomic layer deposition ALD (electrically insulating material: Al2O3, Zr02, ⁇ 2, TiC, TiN;
  • Insulation layer thickness 60-120 nm) or plasma spraying PCVD electrically insulating material: Al 2 O 3, insulation layer thickness 100 ⁇ m.
  • the measuring gas side molding and the connection side molding can be annular and each have a thickness of 2 mm to 6 mm. Due to the significantly higher shear strength of stainless steel compared to the usual materials of the support ceramic bushings, in particular steatite, the molded parts can thus be made thinner than the conventional support ceramic sockets with constant mounting force for compression of the sealing packing, which offers several technical possibilities. Thus, the sealing pack can be realized with more volume, resulting in improvements in the seal against exhaust gas and moisture. Thus, it is also possible to realize a retraction of the measuring gas side molding or a shortening of the sensor housing, which causes a better flow of the sensor element and an improvement of the dynamics. Alternatively, the moldings could be made comparably thick as the conventional support ceramic bushings, which offers the opportunity to densify the steatite pack with a greater assembly force to increase the tightness.
  • the at least one seal may be annular and have a thickness of 6 mm to 15 mm.
  • the packing can be made thicker than conventional, which improves the tightness.
  • the measuring gas side molding, the connection side molding and the seal may be integrally formed.
  • a great cost advantage can be achieved if the two moldings and the seal are made in one piece.
  • the shaped parts can have a structuring at the interface with the seal, such as, for example, a knurling, tabs or the like, so that a connection results between the seal and the molded parts.
  • the measuring gas side molding, the connection side molding and the seal are, for example, positively connected to each other.
  • a basic idea of the present invention is that in the above
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a sensor element according to the invention according to a first embodiment
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a sensor element according to the invention according to a second embodiment
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a sensor element according to the invention according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a sensor 10 for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a portion of a gas component in the measurement gas space
  • the sensor 10 can in particular for Evidence of physical and / or chemical properties of the
  • Measuring gas can be used, wherein one or more properties can be detected.
  • the invention is hereinafter in particular
  • the oxygen content may, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a
  • the invention is particularly applicable in the field of automotive technology, so that it is in the
  • Measuring gas chamber can act in particular to an exhaust gas tract of an internal combustion engine and the measuring gas in particular to an exhaust gas.
  • the sensor 10 has a sensor housing 12.
  • the sensor housing 12 may be, for example, a metallic housing.
  • the sensor housing 12 has a thread 14 as a fastening means for installation in a wall of the
  • the sensor housing 12 has a longitudinal bore 16.
  • the longitudinal bore 16 extends along a
  • the longitudinal bore 16 has a shoulder-shaped annular surface 20.
  • the annular surface 20 is located adjacent to a measuring gas space facing the front end 22 of the sensor housing 12.
  • the protective tube assembly 24 has at least one protective tube.
  • the protective tube assembly has an outer protective tube 26 and at least one inner protective tube 28 disposed therein. Both the outer protective tube 26 and the inner protective tube 28 have inlet and outlet openings 30, through which the sample gas can enter into an inner space of the inner protective tube 28 or emerge from it.
  • the sensor 10 furthermore has a sensor element 32 for detecting the at least one property of the measurement gas.
  • the sensor element 32 is planar.
  • the sensor element 32 extends in one
  • the sensor element 32 has a
  • connection-side end 36 and a messgas workedes end 38 The terminal-side end 36 is formed with electrical terminals 40 of the Sensors 10 to be contacted electrically.
  • the measuring gas side end 38 is designed to be exposed to the measuring gas inside the inner protective tube 28.
  • the sensor element 32 is surrounded by at least one seal 42, for example annular, ie perpendicular to the longitudinal extension direction 34.
  • the seal 42 is made of steatite.
  • the at least one seal 42 has a thickness 44 of 6 mm to 15 mm.
  • the sensor element 32 may be surrounded by a plurality of seals. In the case of multiple seals, these may be made of different or identical materials.
  • At least one seal of it is made of steatite.
  • all seals are made of steatite. In the case of multiple seals, these together have a thickness of 6 mm to 15 mm.
  • a measuring gas side molding 46 and a connection-side molding 48 are arranged in the longitudinal bore 16 of the sensor housing spaced apart from each other.
  • the seal 42 is arranged between the measuring gas side molding 46 and the connection side molding 48.
  • the measured gas side molding 46 abuts one on the annular surface 20.
  • the seal 42 is between the measuring gas side molding 46 and the terminal side molding 48
  • the measuring gas side molding 46 and the connection side molding 48 are made of stainless steel.
  • the measuring gas side molding 46 and the connection side molding 48 are electrically insulated from the sensor housing 12.
  • the measuring-gas-side molding 46 and the connection-side molding 48 are coated with at least one electrically insulating material 52 at least on a surface 50 facing the sensor housing 12.
  • the sample gas side mold 46 and the terminal side mold 48 are completely, i. all sides, with the electrically insulating material 52 coated.
  • the electrically insulating material is Al2O3, S1O2, ZrCh, ⁇ 2, TiC, or TiN.
  • the measured gas side molding 46 and the connection side molding 48 are annular and each have a thickness 54 of 2 mm to 4 mm, for example, 3 mm.
  • the measuring gas side molding 46, the connection side molding 48 and the seal 42 may be integrally formed.
  • the measuring gas side molding 46, the connection side molding 48 and the Seal 42 positively connected to each other, for example by means of a knurling or by means of tabs.
  • the sensor housing 12 is shortened as compared with the housing of the above-mentioned prior art.
  • the volume of the seal 42 or its thickness is identical to the volume or the thickness of the sealing pack from the above-mentioned prior art.
  • the mold parts 46, 48 are thinner than the
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a sensor 10 according to a second
  • the sensor housing 12 is not shortened.
  • the gasket 42 is thicker than that
  • the seal 42 in the sensor 10 of the second embodiment has a thickness 44 of 10 mm to 15 mm, for example 12 mm.
  • the sealing pack has an increased volume, which increases the tightness.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a sensor 10 according to a third embodiment of the invention.
  • the sensor housing 12 is not shortened.
  • the gasket 42 is thicker than the sensor 10 of the first embodiment.
  • the gasket 42 has a thickness 44 of 6 mm to 11 mm, for example 10 mm.
  • the measured gas side molding 46 and the terminal side molding 48 are thicker than the sensor 10 of the first one
  • the measuring gas-side molding 46 and the connection-side molding 48 each have a thickness 54 of 4 mm to 6 mm, for example, 5 mm.
  • the sealing pack has an increased volume and greater assembly forces for pressing the seal 42 are possible, which further increases the tightness in comparison to the sensor 10 of the second embodiment.
  • these are pulverized and compacted during assembly by axial force. This joint gaps are closed and the tightness increased.
  • the pressing takes place at at least 1000 bar.

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Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst ein Sensorgehäuse (12) und ein Sensorelement (32) zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases. Das Sensorgehäuse (12) weist eine Längsbohrung (16) auf. Das Sensorelement (32) ist in der Längsbohrung (16) angeordnet. Das Sensorelement (32) ist von mindestens einer Dichtung (42) umgeben. In der Längsbohrung (16) des Sensorgehäuses (12) sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil (46) und ein anschlussseitiges Formteil (48) angeordnet. Die Dichtung (42) ist zwischen dem messgasseitigen Formteil (46) und dem anschlussseitigen Formteil (48) angeordnet. Das messgasseitige Formteil (46) und das anschlussseitige Formteil (48) sind aus Edelstahl hergestellt.

Description

Beschreibung
DICHTUNG FÜR EINEN SENSOR ZUR ERFASSUNG MINDESTENS EINER EIGENSCHAFT EINES MESSGASES IN EINEM MESSGASRAUM Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem
Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines
Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur. Derartige Sensoren beruhen auf der Verwendung entsprechend ausgebildeter
Sensorelemente. Beispiele für derartige Sensoren sind als so genannte
Lambdasonden ausgestaltet, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 160-165 bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen
Bereich bestimmt und damit auf das Luft- Kraftstoff- Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft- Kraftstoff- Verhältnis. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser
Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid, die geringe Zusätze an Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid enthalten können.
Aus der DE 197 14 203 AI und der DE 195 32 090 C2 sind Lambdasonden mit einem Dichtpackungssystem bekannt, welches aus einer Kombination mehrerer
Dichtscheiben aus Steatit und Bornitrid besteht. Bei den Steatitdichtscheiben handelt es sich um ungesinterten Steatitrohstoff. Beim Bornitrid handelt es sich um hexagonales heißgepresstes Bornitrid. Bei der Montage wird das
Dichtpackungssystem durch zwei angrenzende Stützkeramikbuchsen aus hartgesintertem Steatit oder AI2O3 im Sensorgehäuse gekammert und durch axiale Krafteinleitung pulverisiert und verdichtet. Dabei werden Fügespalte geschlossen und die Dichtheit gesteigert. Das Dichtsystem hat die Aufgabe, Abgas und Feuchtigkeit vom Referenzluftraum des Sensors zu trennen. Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Zwar weist das oben
beschriebene Dichtpackungssystem gute Dichteigenschaften gegenüber Gasen und Flüssigkeiten auf, jedoch sind die Stützkeramikbuchsen hinsichtlich ihrer Festigkeit grenzwertig ausgelegt, da diese aus hauptsächlich aus Steatit oder Aluminiumoxid hergestellt sind. Aufgrund von Materialschwankungen und
Prozessschwankungen beim Herstellen, wie beispielsweise Werkzeugverschleiß, Werkzeugausrichtung usw., kommt es häufig zu Rissen oder Abplatzungen beim Verdichten der Dichtpackungen. Es besteht dadurch ein Risiko, dass
Abplatzungen beim Kabelbaumfügen zwischen Sensorelement und
Crimpkontakte eingeklemmt werden, was Signalfehler zur Folge hat. Ein weiterer
Nachteil der genannten Materialien der Stützkeramikbuchsen ist der Unterschied der Wärmeausdehungskoeffizienten zum Sensorgehäuse. Bei
Betriebstemperatur von ungefähr 600 °C bis 700 °C entstehen so axiale und radiale Spalte, die die Vorspannung auf die Steatitpackung reduzieren. Dadurch kann es Zerrüttung der Dichtpackungen und Bruch des Sensorelements kommen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine verbesserte Dichtwirkung gegenüber Feuchtigkeit und Abgasen realisiert ist sowie die Sensorfunktion verbessert ist. Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Sensorgehäuse und ein Sensorelement zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases. Das Sensorgehäuse weist eine Längsbohrung auf. Das Sensorelement ist in der Längsbohrung angeordnet.
Das Sensorelement ist von mindestens einer Dichtung umgeben. In der
Längsbohrung des Sensorgehäuses sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil und ein anschlussseitiges Formteil angeordnet. Die Dichtung ist zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet. Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige
Formteil sind aus Edelstahl hergestellt.
Unter einem Formteil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das eine bestimmte Anpresskraft auf die Dichtung oder die
Dichtungen ausübt. Am messgasseitigen Ende und am anschlussseitigen Ende der Dichtung oder der Dichtungen ist dabei jeweils ein Formteil angeordnet, so dass die Dichtung beidseitig von den Formteilen umgeben ist. Die Formteile können die Dichtung oder die Dichtungen einspannen. Die aus Edelstahl hergestellten Formteile können durch Stanzen oder Fließpressen hergestellt werden.
Unter dem Ausdruck„hergestellt aus einem bestimmten Material" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das jeweilige Bauteil zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen hergestellt ist. So beudeutet eine Herstellung der Dichtung aus Edelstahl beispielsweise, dass die Dichtung zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen aus Edelstahl hergestellt ist.
Unter Edelstahl ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein legierter oder unlegierter Stahl mit besonderem Reinheitsgrad gemäß der Definition der EN 10020 zu verstehen. Bei Edelstahl kann es sich zum Beispiel um einen Stahl handeln, dessen Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet. Da der Sensor im kraftfahrzeugteschnischen Bereich einsetzbar ist, versteht es sich, dass der Edelstahl hitzebeständig sein muss, um bei Betriebstemperaturen von ungefähr 600 °C bis 700 °C beständig zu sein.
Aufgrund der deutlich höheren Scherfestigkeit von Edelstahl im Vergleich zu den üblichen Materialien der Stützkeramikbuchsen, insbesondere Steatit, können die Formteile bei gleichbleibender Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung dünner als die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen ausgeführt werden.
Alternativ könnten die Formteile in vergleichbaren Abmessungen wie die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gestaltet werden. Die Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung entprechend gesteigert werden was eine
Verbesserung der Dichtwirkung der Dichtpackung zur Folge hat. Ein weiterer großer Vorteil bietet ein ultraschallunterstütztes Aufbringen der Montagekraft, was im Gegensatz zu sprödharten Keramiken bei Edelstahl aufgrund seiner duktilen Eigenschaft möglich ist. Hierdurch kann die Verdichtung der
Dichtpackung und damit die Dichtwirkung nochmals signifikant gesteigert werden. Zudem können die negativen Auswirkungen des Unterschieds der
Wärmeausdehungskoeffizienten zwischen Stützkeramikbuchsen und dem Sensorgehäuse durch den Einsatz der Edelstahlformteile deutlich verringert werden. Der Wärmeausdehungskoeffizient der Edelstahlformteile kann auf die jeweilige Gehäusetype angepasst werden.
Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können gegenüber dem Sensorgehäuse elektrisch isoliert sein. Die gleiche
Isolationseigenschaft ist also wie bei den herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gegeben.
Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können zumindest auf einer dem Sensorgehäuse zugewandten Oberfläche mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Bevorzugt sind das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil vollständig mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Für die
Isolationsbeschichtung gibt es ebenfalls mehrere mögliche Verfahren wie beispielsweise das nasschemische Sol-Gel-Verfahren (elektrisch isolierendes Material: AI2O3, S1O2; Isolationsschichtdicke 1 μηι), Atomlagenabscheidung ALD (elektrisch Isolierendes Material: AI2O3, Zr02, ΤΪΟ2, TiC, TiN;
Isolationsschichtdicke 60-120 nm) oder Plasmaspritzen PCVD(elektrisch Isolierendes Material: AI2O3; Isolationsschichtdicke 100 μm).
Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können ringförmig ausgebildet sein und jeweils eine Dicke von 2 mm bis 6 mm aufweisen. Aufgrund der deutlich höheren Scherfestigkeit von Edelstahl im Vergleich zu den üblichen Materialien der Stützkeramikbuchsen, insbesondere Steatit, können die Formteile bei gleichbleibender Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung somit dünner als die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen ausgeführt werden, was mehrere technische Möglichkeiten bietet. So lässt sich die Dichtpackung mit mehr Volumen realisieren, was Verbesserungen der Dichtigkeit gegenüber Abgas und Feuchtigkeit bewirkt. So lässt sich zudem ein ein Zurückziehen des messgasseitigen Formteils oder eine Verkürzung des Sensorgehäuses realisieren, was eine bessere Anströmung des Sensorelements und eine Verbesserung der Dynamik bewirkt. Alternativ könnten die Formteile vergleichbar dick wie die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gestaltet werden, was die Möglichkeit bietet, die Steatitpackung mit einer größeren Montagekraft zu verdichten, um die Dichtigkeit zu steigern.
Die mindestens eine Dichtung kann ringförmig ausgebildet sein und eine Dicke von 6 mm bis 15 mm aufweisen. Somit lässt sich die Dichtpackung dicker als herkömmlich realisieren, was die Dichtigkeit verbessert.
Das messgasseitige Formteil, das anschlussseitige Formteil und die Dichtung können einteilig ausgebildet sein. Ein großer Kostenvorteil kann erzielt werden, wenn die beiden Formteile und die Dichtung einteilig ausgeführt werden. Die Formteile können hierzu an der Grenzfläche zur dichtung eine Strukturierung aufweisen, wie beispielsweise eine Rändelung, Laschen oder dergleiche, damit sich zwischen der Dichtung und den Formteilen eine Verbindung ergibt.
Das messgasseitige Formteil, das anschlussseitige Formteil und die Dichtung sind beispielsweise formschlüssig miteinander verbunden sind. Eine
Formschluss ergibt eine erhöhte Festigkeit bzw. Stabilität für Handling und Transport. Es können mehrere Dichtungen zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet sein, wobei zumindest eine Dichtung der mehreren Dichtungen aus Steatit hergestellt ist. Bevorzugt sind alle
Dichtungen aus Steatit hergestellt. Durch ein reines Steatit-Dichtsystem ergibt sich sich durch die beschriebene mögliche Erhöhung der Montagekraft und ggf. Ultraschallunterstützung bei der Montage eine deutliche Steigerung der Dichtheit.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die in dem oben
beschriebenen Stand der Technik erwähnten Stützkeramikbuchsen durch aus Edelstahl hergestellte Scheiben zu ersetzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform und
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem
Messgas oder einer Temperatur des Messgases, gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 10 kann insbesondere zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des
Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter
Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer
Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines
Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere
Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem
Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Der Sensor 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf. Das Sensorgehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Sensorgehäuse 12 weist ein Gewinde 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des
Messgasraums (nicht näher gezeigt) auf. Das Sensorgehäuse 12 weist eine Längsbohrung 16 auf. Die Längsbohrung 16 erstreckt sich entlang einer
Längsachse 18. Die Längsbohrung 16 weist eine schulterförmige Ringfläche 20 auf. Die Ringfläche 20 befindet sich angrenzend an einem dem Messgasraum zugewandten stirnseitigen Ende 22 des Sensorgehäuses 12. An dem
stirnseitigen Ende 22 ist eine Schutzrohrbaugruppe 24 festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Die Schutzrohrbaugruppe 24 weist mindestens ein Schutzrohr auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr 26 und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr 28 auf. Sowohl das äußere Schutzrohr 26 als auch das innere Schutzrohr 28 weisen Ein- und Austrittsöffnungen 30 auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs 28 eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann.
Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 32 zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 32 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 32 erstreckt sich in einer
Längserstreckungsrichtung 34. Das Sensorelement 32 weist ein
anschlussseitiges Ende 36 und ein messgasseitiges Ende 38 auf. Das anschlussseitige Ende 36 ist ausgebildet, mit elektrischen Anschlüssen 40 des Sensors 10 elektrisch kontaktiert zu werden. Das messgasseitige Ende 38 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des inneren Schutzrohrs 28 ausgesetzt zu werden. Das Sensorelement 32 ist von mindestens einer Dichtung 42 umgeben, beispielsweise ringförmig, d.h. senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 34. Die Dichtung 42 ist aus Steatit hergestellt. Die mindestens eine Dichtung 42 weist eine Dicke 44 von 6 mm bis 15 mm auf. Das Sensorelement 32 kann von mehreren Dichtungen umgeben sein. Im Fall von mehreren Dichtungen können diese aus unterschiedlichen oder identischen Materialien hergestellt sein.
Zumindest eine Dichtung davon ist aus Steatit hergestellt. Bevorzugt sind im Fall von mehreren Dichtungen alle Dichtungen aus Steatit hergestellt. Im Fall von mehreren Dichtungen weisen diese zusammen eine Dicke von 6 mm bis 15 mm auf.
In der Längsbohrung 16 des Sensorgehäuses sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil 46 und ein anschlussseitiges Formteil 48 angeordnet. Die Dichtung 42 ist zwischen dem messgasseitigen Formteil 46 und dem anschlussseitigen Formteil 48 angeordnet. Das messgasseitige Formteil 46 liegt eines an der Ringfläche 20 an. Die Dichtung 42 ist zwischen dem dem messgasseitigen Formteil 46 und dem anschlussseitigen Formteil 48
eingespannt. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind aus Edelstahl hergestellt. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind gegenüber dem Sensorgehäuse 12 elektrisch isoliert. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind zumindest auf einer dem Sensorgehäuse 12 zugewandten Oberfläche 50 mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material 52 beschichtet. Bevorzugt sind das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 vollständig, d.h. allseitig, mit dem elektrisch isolierenden Material 52 beschichtet. Das elektrisch isolierende Material ist AI2O3, S1O2, ZrCh, ΤΪΟ2, TiC, oder TiN.
Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind ringförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Dicke 54 von 2 mm bis 4 mm auf, beispielsweise 3 mm. Das messgasseitige Formteil 46, das anschlussseitige Formteil 48 und die Dichtung 42 können einteilig ausgebildet sein. Beispielsweise sind das messgasseitige Formteil 46, das anschlussseitige Formteil 48 und die Dichtung 42 formschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer Rändelung oder mittels Laschen.
Bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 im Vergleich zu dem Gehäuse aus dem oben genantnen Stand der Technik verkürzt ausgebildet. Dabei ist das Volumen der Dichtung 42 bzw. deren Dicke identisch mit dem Volumen bzw. der Dicke der Dichtpackung aus dem oben genannten Stand der Technik. Allerdings sind die Formteile 46, 48 dünner als die
Stützkeramikbuchsen aus dem oben genannten Stand der Technik. Dadurch ragt das Sensorelement 32 weiter in die Schutzrohrer 26, 28 hinein, was die Dynamik und die Funktion des Sensorelements 32 verbessert. Ein weiteres Verkürzen des Sensorgehäuses 12 ist bei einer Änderung der anbindung der Schutzrohre 26, 28 an das Sensorgehäuse 12 möglich. Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 nicht verkürzt ausgebildet. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist die Dichtung 42 dicker als bei dem
Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weist die Dichtung 42 bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform eine Dicke 44 von 10 mm bis 15 mm auf, beispielsweise 12 mm. Dadurch weist die Dichtpackung eine vergrößertes Volumen auf, was die Dichtheit erhöht.
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 nicht verkürzt ausgebildet. Bei dem
Sensor 10 der dritten Ausführungsform ist die Dichtung 42 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weist die Dichtung 42 bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform eine Dicke 44 von 6 mm bis 11 mm auf, beispielsweise 10 mm auf. Zudem sind das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten
Ausführungsform. So weisen das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 jeweils eine Dicke 54 von 4 mm bis 6 mm auf, beispielsweise 5 mm. Dadurch weist die Dichtpackung eine vergrößertes Volumen auf und es sind größere Montagekräfte zum Verpressen der Dichtung 42 möglich, was die Dichtheit im Vergleich zu dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform nochmals erhöht. Beim Einsetzen der oben beschriebenen Dichtungen 42 werden bei der Montage durch axiale Krafteinwirkung diese pulverisiert und verdichtet. Dabei werden Fügespalten geschlossen und die Dichtheit gesteigert. Das Einpressen erfolgt dabei bei mindestens 1000 bar.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorgehäuse (12) und ein Sensorelement (32) zur
Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorgehäuse (12) eine Längsbohrung (16) aufweist, wobei das
Sensorelement (32) in der Längsbohrung (16) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (32) von mindestens einer Dichtung (42) umgeben ist, wobei in der Längsbohrung (16) des Sensorgehäuses (12) beabstandet
voneinander ein messgasseitiges Formteil (46) und ein anschlussseitiges Formteil (48) angeordnet sind, wobei die Dichtung (42) zwischen dem messgasseitigen Formteil (46) und dem anschlussseitigen Formteil (48) angeordnet ist, wobei das messgasseitige Formteil (46) und das
anschlussseitige Formteil (48) aus Edelstahl hergestellt sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, wobei das messgasseitige Formteil (46) und das anschlussseitige Formteil (48) gegenüber dem Sensorgehäuse (12) elektrisch isoliert sind.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das messgasseitige Formteil (46) und das anschlussseitige Formteil (48) zumindest auf einer dem Sensorgehäuse (12) zugewandten Oberfläche (50) mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material (52) beschichtet sind.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das messgasseitige
Formteil (46) und das anschlussseitige Formteil (48) vollständig mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material (52) beschichtet sind.
5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei das elektrisch isolierende Material (52) AI2O3, Si02, Zr02, Ti02, TiC, oder TiN ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das messgasseitige
Formteil (46) und das anschlussseitige Formteil (48) ringförmig ausgebildet sind und jeweils eine Dicke (54) von 2 mm bis 6 mm aufweisen.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Dichtung (42) ringförmig ausgebildet ist und eine Dicke (44) von 6 mm bis 15 mm aufweist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das messgasseitige
Formteil (46), das anschlussseitige Formteil (48) und die Dichtung (42) einteilig ausgebildet sind.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das messgasseitige
Formteil (46), das anschlussseitige Formteil (48) und die Dichtung (42) formschlüssig miteinander verbunden sind.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mehrere Dichtungen (42) zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet sind, wobei zumindest eine Dichtung (42) der mehreren
Dichtungen (42) aus Steatit hergestellt ist.
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