WO2020083566A1 - Hülse zur abdeckung eines sensors - Google Patents

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WO2020083566A1
WO2020083566A1 PCT/EP2019/074646 EP2019074646W WO2020083566A1 WO 2020083566 A1 WO2020083566 A1 WO 2020083566A1 EP 2019074646 W EP2019074646 W EP 2019074646W WO 2020083566 A1 WO2020083566 A1 WO 2020083566A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sleeve
sensor
coating
aluminum
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/074646
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matsvei Zinkevich
Matthias Muziol
Domenik RÜHL
Stefan Dietmann
Original Assignee
Heraeus Nexensos Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Nexensos Gmbh filed Critical Heraeus Nexensos Gmbh
Publication of WO2020083566A1 publication Critical patent/WO2020083566A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G01K1/12—Protective devices, e.g. casings for preventing damage due to heat overloading
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2205/00—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle
    • G01K2205/04—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle for measuring exhaust gas temperature

Definitions

  • the present invention relates to a sleeve for covering a sensor, in particular for covering a temperature sensor, the sleeve being formed from a steel or a steel alloy, and the sleeve having an inside with an inside surface and an outside with an outside surface, at least the inside surface is coated with a diffusion barrier. Furthermore, the invention relates to a method for producing a sleeve for covering a sensor and a temperature measuring device with a sleeve for covering a sensor.
  • Sleeves for covering temperature sensors or temperature sensors are known from the prior art. These sleeves can for example be composed of several sleeves with a different shape and welded into a single sleeve.
  • WO 2018/002023 A1 describes a further developed sleeve which is inexpensive and easy to manufacture, is designed in one piece and can withstand temperatures of over 950 ° C.
  • the sleeves known from the prior art have the disadvantage that the steels from which the sleeves are made emerge at temperatures above approximately 1000 ° C., metal ions in particular chromium, Cr, and manganese, Mn, and a sensor structure of an in contaminate the sleeve arranged sensor, for example a temperature sensor.
  • metal ions in particular chromium, Cr, and manganese, Mn
  • a sensor structure of an in contaminate the sleeve arranged sensor for example a temperature sensor.
  • the actual sensor is usually burned into a potting material inside the sleeve and the potting material often consists of high-purity aluminum oxide, Al 2 0 3 , it has been shown that the potting material also diffuses metal ions from the sleeve to the sensor structure of the sensor, for example a platinum thin-film structure cannot prevent. This contamination leads to an undesirable drift of the sensor.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved sleeve for covering a sensor and a method for producing a sleeve for covering a sensor, which overcome the disadvantages of the prior art.
  • the sleeve according to the invention for covering a sensor is formed from a steel or a steel alloy, and has an inside with an inside surface and an outside with an outside surface, at least the inside surface being coated with a diffusion barrier.
  • the term “sleeve” can generally be understood as a protective partial or complete covering of the sensor.
  • the term “sleeve” can also be used to describe a protective cap.
  • “covering” does not necessarily mean that the sensor bears or touches the sleeve. Rather, the sleeve or the sleeve components are arranged at a distance from the sensor. The sleeve thus protects the sensor. In other words, the sleeve shields the sensor.
  • the sleeve according to the invention has a very high temperature resistance of at least 1000 ° C. and can therefore be used as a component of a temperature measuring device for a turbo internal combustion engine, in particular for a turbo gasoline engine.
  • the temperature sensor can be based on a platinum sensor at the T3 position, namely the turbo monitoring. Due to the sleeve according to the invention, such a platinum sensor can be adequately protected from the exhaust gas atmosphere prevailing in the engine system, in particular in turbo monitoring.
  • the sensor in particular the temperature sensor, can be a platinum sensor, as described above. Furthermore, it is also conceivable that an NTC element, for example made of langasite, serves as a sensor.
  • the sleeve described can be filled with a ceramic mass and / or a cement. As a result, the sensor can be mechanically fixed with the ceramic mass and / or the cement in the sleeve.
  • the sleeve according to the invention is preferably connected to a tube of a temperature measuring device, for example welded.
  • the term “diffusion barrier” can be understood to mean a layer or a coating on the inner surface of the sleeve.
  • the layer or the covering prevents or at least impedes diffusion of elements from the material of the sleeve in a potting material arranged in the sleeve and / or into the sensor structure of the sensor.
  • the sleeve includes a potting material and a sensor, both of which are disposed within the sleeve.
  • the sleeve according to the invention is filled with the potting material in which the sensor is embedded.
  • the potting material can be an oxidic material, in particular a ceramic material, preferably high-purity aluminum oxide.
  • the potting material is fired after inserting the sensor into the sleeve.
  • the potting material sinters and fixes the sensor.
  • the invention is based on the surprising finding that the sleeve according to the invention with the diffusion barrier has an improved drift resistance of the sensor at high operating temperatures of greater than / equal to 1000 ° C.
  • the sleeve is formed from a nickel-chromium-iron-aluminum alloy.
  • a sleeve which is formed from a nickel-chromium-iron-aluminum alloy is particularly advantageous and is particularly temperature-resistant.
  • such an alloy is designed to withstand temperatures of over 1000 ° C. permanently.
  • a sleeve which consists of or has a nickel-chromium-iron-aluminum alloy can accordingly be used in particular in motor systems of vehicles.
  • the alloy of the sleeve according to the invention has good processability, ie good formability or deep-drawability or weldability. This material also shows good corrosion resistance. The material is also characterized by good heat resistance and good creep resistance.
  • the entire surface of the inner surface and the outer surface are coated with the diffusion barrier.
  • the drift resistance of the temperature sensor can advantageously be increased further by a full-surface coating.
  • the diffusion barrier comprises a metal oxide material, in particular the diffusion barrier comprises an aluminum oxide.
  • the aluminum oxide can have a stoichiometry corresponding to Al 2 O x , with x greater than or equal to 1 and x less than or equal to 5.
  • the aluminum oxide has a stoichiometry corresponding to Al 2 0 3 .
  • a coating with an aluminum material and subsequent oxidation to Al 2 0 3 is advantageously easy to manufacture in terms of production technology.
  • the coating also has very good adhesion to the surface.
  • the sleeve according to the invention with the Al 2 O 3 diffusion barrier layer also enables the temperature sensor to have very good drift resistance at high operating temperatures.
  • the sleeve is formed, in particular deep-drawn, in particular the elongation at break of the starting material before the sleeve is formed, in particular before the sleeve is deep-drawn, is at least 50%, preferably at least 60%, and / or the sleeve has a material thickness of 0.10 mm - 0.40 mm, in particular 0.15 mm - 0.35 mm, in particular 0.20 mm - 0.30 mm, in particular 0.22 mm - 0.28 mm.
  • the sleeve can thus be formed in one piece or monolithically.
  • no further method steps are necessary to connect individual sleeve parts to one another.
  • the design of the sleeve as a deformed component, in particular as a deep-drawn component is advantageous in that the sleeve cannot be loosened and / or destroyed at a connection point.
  • a one-piece sleeve can advantageously be destroyed and / or break apart only to a small extent.
  • the sleeve has a high temperature resistance and a low tendency to oxidize. In particular, there is a low tendency to oxidize even at temperatures of over 1000 ° C.
  • the sleeve also has a cost-optimized geometry. Since the sleeve can be produced in a deep-drawing process, less material is used to manufacture the sleeve, so that the overall manufacturing costs for a sleeve constructed in this way are reduced.
  • the elongation at break of the starting material of the sleeve can be at least 50%, preferably at least 60%, before the sleeve is deformed, in particular before the sleeve is deep-drawn.
  • the sleeve can have a material thickness of 0.10 mm - 0.40 mm, in particular 0.15 mm - 0.35 mm, in particular 0.20 mm - 0.30 mm, in particular 0.22 mm - 0.28 mm.
  • the sleeve thus has a very small wall thickness or a very small material thickness in comparison to sleeves known from the prior art.
  • the sleeve is extremely temperature-resistant.
  • the sleeve has at least two sections, in particular at least three sections, which have different outside diameters, in particular wherein a first section has an outside diameter (D1) of 1.5 mm - 2.5 mm, preferably 1.8 mm - 2 , 2 mm, and a second section has an outer diameter (D2) of 3.0 mm - 5.0 mm, preferably 3.5 mm - 4.5 mm, preferably between the first section and the second section third section is formed, which has a frustoconical contour.
  • D1 outside diameter
  • D2 outer diameter
  • the sleeve can have at least two sections, in particular at least three sections, which have different outer diameters.
  • the sleeve is preferably adapted to the geometry of the sensor to be covered, in particular the temperature sensor to be covered.
  • the frustoconical contour can have dimensions such that a smooth transition from the outside diameter of the first section to the outside diameter of the second section is formed.
  • the sleeve can also have a sleeve bottom.
  • the bottom of the sleeve can also be referred to as a cover.
  • the first section with the first outer diameter adjoins the sleeve base or sleeve cover. This is preferably followed by the third section, which has a frustoconical contour.
  • the first section and / or the second section can also have a frustoconical contour.
  • the first section can have approximately the same length as the third section.
  • the second section can be shorter than the first section and / or the third section.
  • the second section serves for connection to a further component, in particular a tube of a temperature measuring device and / or a transition sleeve.
  • the sleeve has an aluminum layer arranged on the diffusion barrier, the aluminum oxide layer having a stoichiometry corresponding to Al 2 O x , with x greater than or equal to 1 and x less than or equal to 5.
  • the known high-temperature-resistant nickel-chromium-iron-aluminum alloys have an aluminum content of approx. 2%, which allows the formation of an oxide layer on the alloy, but the aluminum content is not high enough to form a very dense oxide layer.
  • the alloy on the inner surface of the sleeve can be subsequently enriched with aluminum so that a stable aluminum oxide layer can form.
  • the invention also proposes a method for producing a sleeve for covering a sensor, in particular a sleeve according to the invention, in particular for covering a temperature sensor, comprising:
  • the method can further comprise the steps:
  • the method has:
  • the coating comprises:
  • the deployment includes:
  • coating shows:
  • Coating with a powder pack method comprising the successive steps: introducing the sleeve into a powder bed with coating material, in particular an aluminum powder,
  • this can be the coating in another example:
  • Evaporation of the sleeve with a reactive steam in particular with a reactive steam comprising aluminum chloride and hydrogen at a temperature of 800 ° C to 1000 ° C, to the coating material to 5 to 50 pm in the material of the sleeve, in particular in the nickel-chromium-iron Diffuse aluminum alloy; and Heat the sleeve in an oven in air to a temperature in the range of 600 ° C to 1100 ° C to obtain a closed oxide layer up to 5 pm high.
  • the coating has very good adhesion to the material of the sleeve.
  • the layer is homogeneous and has no pores or cracks.
  • the method has:
  • Alit after coating, at least the inner surface of the sleeve.
  • the invention relates to a temperature measuring device, in particular for use in a turbo internal combustion engine, comprising a sensor, in particular a temperature sensor, in particular a platinum sensor, the sensor being produced at least in sections with a sleeve according to the invention and / or with a sleeve with a method according to the invention is covered.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a sleeve according to a
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an area at the front end of a
  • Temperature measuring device with a sleeve according to the invention according to an embodiment of the invention.
  • 1 shows a sleeve 1 according to the invention.
  • the outside is shown with the outer surface 3a and in the inner region of the sleeve 1 the inside is shown with the inner surface 3b.
  • the sleeve 1 shown is a deformed, in particular deep-drawn, component.
  • the sleeve 1 is thus formed in one piece or monolithically.
  • the hatched material thickness of the sleeve 1 is preferably 0.22 mm - 0.28 mm. In the embodiment shown, the material thickness is formed uniformly over the entire sleeve 1.
  • the sleeve 1 can be formed from a nickel-chromium-iron-aluminum alloy. This material is particularly deep-drawable. The material is therefore particularly well suited for the production of the sleeve 1. Furthermore, the nickel-chromium-iron-aluminum alloy is particularly temperature-resistant.
  • a diffusion barrier 5 is arranged on the inner surface 3b of the sleeve 1 as a continuous layer or a continuous covering.
  • the diffusion barrier 5 prevents or at least impedes the diffusion of elements from the material of the sleeve 1 into a potting material arranged in the sleeve 1 and / or into the sensor structure of the sensor (not shown in FIG. 1).
  • the diffusion barrier 5 can comprise a metal oxide material, in particular an aluminum oxide, Al2O3.
  • an aluminum layer can be arranged on the diffusion barrier in order to further reduce the evaporation of alloy components into the interior of the sleeve and to prevent / reduce further oxidation of the sleeve material under operating conditions.
  • the sleeve 1 shown in FIG. 1 has three sections, namely the first section 7, the second section 11 and the third section 9.
  • the third section 9 is formed between the first section 7 and the second section 11.
  • the first section 7 has an outer diameter D1.
  • the second section 11 of the sleeve 1 has an outer diameter D2.
  • the third section 9, on the other hand, is frustoconical, so that a varying outer diameter is formed.
  • the third section 9 is formed between the first section 7 and the second section 11, so that the region with a smaller outer diameter adjoins the first section 7 is trained.
  • the area with the largest outer diameter of the third section 9 is formed adjacent to the second section 11.
  • the outer diameter D1 of the first section 7 can be 1.5 mm - 2.5 mm, in particular 1.8 mm - 2.2 mm.
  • the outer diameter D2 of the second section 11 has 3.0 mm - 5.0 mm, in particular 3.5 mm - 4.5 mm.
  • the outer diameter D1 of the first section 7 is smaller than the outer diameter D2 of the second section 11.
  • the sleeve bottom 13 is formed at the lower end of the first section 7.
  • the sleeve base has a round base surface.
  • the sleeve 1 is rotationally symmetrical about the longitudinal axis L. This has the advantage that such a sleeve 1 is easy to manufacture. In particular, it is possible to manufacture the sleeve 1 using a deep-drawing process.
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an area at the front end of a
  • Temperature measuring device 15 with a sleeve 1 according to the invention according to a
  • the front end of the temperature measuring device 15 is the sensor area of the temperature measuring device 15. It can be seen that the sleeve 1 is partially arranged within a transition sleeve 17. In the transition area, the sleeve 1 inserted into the transition sleeve 17 can be welded, in particular laser-welded, to the transition sleeve 17.
  • the area between the diffusion barrier 5 on the inner surface 3b of the sleeve 1 and surrounding the sensor 19 is filled with a potting material 21 in the embodiment shown.
  • the sensor 19 is embedded in the potting material 21.
  • the potting material 21 can be an oxidic material, in particular a ceramic material, preferably high-purity aluminum oxide.
  • the potting material 21 is burned after inserting the sensor 19 into the sleeve 1.
  • the potting material 21 sinters and fixes the sensor 19 in the sleeve 1.

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Abstract

Eine Hülse zur Abdeckung eines Sensors, insbesondere zur Abdeckung eines Temperatursensors, wobei die Hülse aus einem Stahl oder einer Stahllegierung gebildet ist, und wobei die Hülse eine Innenseite mit einer Innenfläche und eine Außenseite mit einer Außenfläche hat, wobei zumindest die Innenfläche mit einer Diffusionssperre beschichtet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors und eine Temperaturmessvorrichtung mit einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors.

Description

HÜLSE ZUR ABDECKUNG EINES SENSORS
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hülse zur Abdeckung eines Sensors, insbesondere zur Abdeckung eines Temperatursensors, wobei die Hülse aus einem Stahl oder einer Stahllegierung gebildet ist, und wobei die Hülse eine Innenseite mit einer Innenfläche und eine Außenseite mit einer Außenfläche hat, wobei zumindest die Innenfläche mit einer Diffusionssperre beschichtet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors und eine Temperaturmessvorrichtung mit einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors.
Aus dem Stand der Technik sind Hülsen zur Abdeckung von Temperaturfühlern bzw. Temperatursensoren bekannt. Diese Hülsen können beispielsweise aus mehreren Hülsen mit einer unterschiedlichen Formgebung zusammengesetzt sein und zu einer einzigen Hülse verschweißt sein. In der WO 2018/002023 A1 wird eine weiterentwickelte Hülse beschrieben, die kostengünstig und einfach herstellbar ist, einteilig ausgestaltet ist und die Temperaturen von über 950 °C standhalten kann.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Hülsen weisen jedoch den Nachteil auf, dass aus den verwendeten Stählen aus denen die Hülsen aufgebaut sind bei Temperaturen ab ungefähr 1000°C, Metallionen insbesondere Chrom, Cr, und Mangan, Mn, austreten und eine Sensorstruktur eines in der Hülse angeordneten Sensors, beispielsweise eines Temperatursensors, kontaminieren. Obwohl der eigentliche Sensor gewöhnlich in einem Vergussmaterial innerhalb der Hülse eingebrannt ist und das Vergussmaterial oftmals aus hochreinem Aluminiumoxid, Al203, besteht, hat sich gezeigt, dass auch das Vergussmaterial die Diffusion von Metallionen aus der Hülse zu der Sensorstruktur des Sensors, beispielsweise einer Platindünnschichtstruktur nicht verhindern kann. Diese Kontamination führt zu einer unerwünschten Drift des Sensors. Dieser nachteilige Effekt tritt im Speziellen bei hohen Betriebstemperaturen von größer/gleich 1000°C auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Hülse zur Abdeckung eines Sensors und ein Verfahren zum Herstellen einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwinden. Insbesondere eine Hülse und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen die Diffusion von Metallionen aus der Stahlhülse möglichst vollständig unterbunden werden kann, um eine Kontamination der Sensorstruktur zu verhindern, oder zumindest zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hülse gemäß des Gegenstands des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Hülse zur Abdeckung eines Sensors, insbesondere zur Abdeckung eines Temperatursensors, ist aus einem Stahl oder einer Stahllegierung gebildet, und hat eine Innenseite mit einer Innenfläche und eine Außenseite mit einer Außenfläche, wobei zumindest die Innenfläche mit einer Diffusionssperre beschichtet ist.
Unter dem Begriff „Hülse“ kann allgemein ein schützendes teilweises oder vollständiges Abdecken des Sensors verstanden werden. Der Begriff „Hülse“ kann auch dazu verwendet werden eine Schutzkappe zu beschreiben. Als„Abdecken“ ist in diesem Fall nicht zwangsläufig ein Anliegen bzw. Berühren des Sensors mit der Hülse zu verstehen. Vielmehr ist die Hülse bzw. sind die Hülsenbestandteile vom Sensor beabstandet angeordnet. Die Hülse schützt somit den Sensor. Mit anderen Worten, die Hülse schirmt den Sensor ab.
Die erfindungsgemäße Hülse weist eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit von mindestens 1000 °C auf und kann deshalb als Komponente einer Temperaturmessvorrichtung für einen Turbo-Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Turbo-Ottomotor, eingesetzt werden. Der Temperatursensor kann auf einem Platin-Sensor an der T3-Position, nämlich der Turboüberwachung, basieren. Ein solcher Platin-Sensor kann aufgrund der erfindungsgemäßen Hülse ausreichend vor den im Motorsystem, insbesondere der in der Turboüberwachung, herrschenden Abgasatmosphäre geschützt werden.
Bei dem Sensor, insbesondere dem Temperatursensor kann es sich um einen Platin-Sensor handeln, wie es zuvor beschrieben wurde. Des Weiteren ist es aber auch denkbar, dass ein NTC-Element, z.B. aus Langasit, als Sensor dient. Die beschriebene Hülse, kann mit einer keramischen Masse und/oder einem Zement befüllt sein. Dadurch kann der Sensor mit der keramischen Masse und/oder dem Zement in der Hülse, mechanisch fixiert werden.
Die erfindungsgemäße Hülse ist vorzugsweise mit einem Rohr einer Temperaturmessvorrichtung verbunden, beispielsweise verschweißt.
Unter dem Begriff „Diffusionssperre“ kann eine Schicht oder ein Belag auf der Innenfläche der Hülse verstanden werden. Die Schicht oder der Belag verhindert oder zumindest erschwert eine Diffusion von Elementen aus dem Material der Hülse in einem in der Hülse angeordneten Vergussmaterial und/oder in die Sensorstruktur des Sensors. In einem Beispiel umfasst die Hülse ein Vergussmaterial und einen Sensor, die beide innerhalb der Hülse angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Hülse ist in diesem Beispiel mit dem Vergussmaterial gefüllt, in das der Sensor eingebettet ist. Das Vergussmaterial kann ein oxidisches Material sein, insbesondere ein keramisches Material, vorzugsweise hochreines Aluminiumoxid. Das Vergussmaterial wird nach Einführen des Sensors in die Hülse gebrannt. Dabei sintert das Vergussmaterial und fixiert den Sensor.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass die erfindungsgemäße Hülse mit der Diffusionssperre eine verbesserte Driftbeständigkeit des Sensors bei hohen Einsatztemperaturen von größer/gleich 1000 °C aufweist.
In einem Beispiel ist die Hülse aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung gebildet.
Vorteilhaft ist eine Hülse, die aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung gebildet ist, besonders temperaturbeständig. Insbesondere ist eine derartige Legierung dazu ausgelegt, Temperaturen von über 1000 °C dauerhaft standzuhalten.
Eine Hülse, die aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung besteht oder diese aufweist, kann demnach insbesondere in Motorsystemen von Fahrzeugen verwendet werden.
Bei ausreichend hohen Nickelgehalten und/oder Chromgehalten und/oder Aluminiumgehalten, weist die Legierung der erfindungsgemäßen Hülse eine gute Verarbeitbarkeit, d.h. eine gute Umformbarkeit oder Tiefziehbarkeit oder Schweißbarkeit auf. Außerdem weist dieses Material eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Des Weiteren ist das Material durch eine gute Warmfestigkeit und durch eine gute Kriechbeständigkeit gekennzeichnet.
In einem weiteren Beispiel sind die Innenfläche und die Außenfläche vollflächig mit der Diffusionssperre beschichtet.
Vorteilhaft kann durch eine vollflächige Beschichtung die Driftbeständigkeit des Temperatursensors weiter gesteigert werden.
In einem Beispiel umfasst die Diffusionssperre ein Metalloxidmaterial, insbesondere umfasst die Diffusionssperre ein Aluminiumoxid.
Das Aluminiumoxid kann eine Stöchiometrie entsprechend AI2Ox auf, mit x größer gleich 1 und x kleiner gleich 5 aufweisen. Insbesondere weist das Aluminiumoxid eine Stöchiometrie entsprechend Al203 auf.
Vorteilhaft ist eine Beschichtung mit einem Aluminiummaterial und nachträglichem Oxidieren zu Al203 fertigungstechnisch einfach herstellbar. Weiterhin weist die Beschichtung eine sehr gute Haftung auf der Oberfläche auf. Auch ermöglicht die erfindungsgemäße Hülse mit der Al203- Diffusionssperrschicht eine sehr gute Driftbeständigkeit des Temperatursensors bei hohen Einsatztemperaturen.
In noch einem Beispiel ist die Hülse umgeformt, insbesondere tiefgezogen, insbesondere ist die Bruchdehnung des Ausgangsmaterials vor dem Umformen der Hülse, insbesondere vor dem Tiefziehen der Hülse, mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60 %, und/oder wobei die Hülse eine Materialdicke hat von 0,10 mm - 0,40 mm, insbesondere von 0,15 mm - 0,35 mm, insbesondere von 0,20 mm - 0,30 mm, insbesondere von 0,22 mm - 0,28 mm.
Die Hülse kann somit einteilig bzw. monolithisch ausgebildet sein. Vorteilhaft sind keine weiteren Verfahrensschritte notwendig, um einzelne Hülsenteile miteinander zu verbinden. Des Weiteren ist die Ausbildung der Hülse als umgeformtes Bauteil, insbesondere als tiefgezogenes Bauteil, dahingehend vorteilhaft, als dass die Hülse nicht an einer Verbindungsstelle gelöst und/oder zerstört werden kann. Vorteilhaft kann eine einteilig ausgebildete Hülse nur im geringen Maße zerstört werden und/oder auseinanderbrechen. Des Weiteren weist die Hülse eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine geringe Oxidationsneigung auf. Insbesondere ist eine geringe Oxidationsneigung auch bei Temperaturen von über 1000 °C gegeben. Die Hülse weist des Weiteren eine kostenoptimierte Geometrie auf. Da die Hülse im Rahmen eines Tiefziehverfahrens hergestellt werden kann, wird zur Herstellung der Hülse weniger Material verwendet, so dass insgesamt die Herstellungskosten für eine derartig aufgebaute Hülse reduziert sind.
Die Bruchdehnung des Ausgangsmaterials der Hülse kann vor dem Umformen der Hülse, insbesondere vor dem Tiefziehen der Hülse, mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60 %, betragen.
Die Hülse kann eine Materialdicke von 0,10 mm - 0,40 mm, insbesondere von 0,15 mm - 0,35 mm, insbesondere von 0,20 mm - 0,30 mm, insbesondere von 0,22 mm - 0,28 mm, aufweisen. Die Hülse weist somit im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Hülsen eine sehr geringe Wandstärke, bzw. eine sehr geringe Materialdicke auf. Gleichzeitig ist die Hülse äußerst temperaturbeständig.
In einem Beispiel weist die Hülse mindestens zwei Abschnitte auf, insbesondere mindestens drei Abschnitte, die unterschiedliche Außendurchmesser haben, insbesondere wobei ein erster Abschnitt einen Außendurchmesser (D1 ) von 1 ,5 mm - 2,5 mm, bevorzugt von 1 ,8 mm - 2,2 mm, aufweist und ein zweiter Abschnitt einen Außendurchmesser (D2) von 3,0 mm - 5,0 mm, bevorzugt von 3,5 mm - 4,5 mm, aufweist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein dritter Abschnitt ausgebildet ist, der eine kegelstumpfförmige Kontur aufweist.
Die Hülse kann mindestens zwei Abschnitte, insbesondere mindestens drei Abschnitte, die unterschiedliche Außendurchmesser haben, aufweisen. Die Hülse ist vorzugsweise an die Geometrie des abzudeckenden Sensors, insbesondere des abzudeckenden Temperatursensors, angepasst.
Die kegelstumpfförmige Kontur kann derartige Abmaße aufweisen, dass ein gleichmäßiger Übergang vom Außendurchmesser des ersten Abschnitts zum Außendurchmesser des zweiten Abschnitts gebildet wird. Die Hülse kann auch einen Hülsenboden aufweisen. Der Hülsenboden kann auch als Deckel bezeichnet werden. An den Hülsenboden bzw. Hülsendeckel schließt sich der erste Abschnitt mit dem ersten Außendurchmesser an. Vorzugsweise folgt darauf der dritte Abschnitt, der eine kegelstumpfförmige Kontur aufweist. Der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt kann/können weiterhin auch eine kegelstumpfförmige Kontur aufweisen.
Der erste Abschnitt kann in etwa die gleiche Länge wie der dritte Abschnitt aufweisen. Der zweite Abschnitt kann hingegen kürzer als der erste Abschnitt und/oder der dritte Abschnitt ausgebildet sein. Insbesondere dient der zweite Abschnitt zur Verbindung mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem Rohr einer Temperaturmessvorrichtung und/oder einer Übergangshülse.
In einem weiteren Beispiel weist die Hülse eine Aluminiumschicht auf, angeordnet auf der Diffusionssperre, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Stöchiometrie entsprechend AI2Ox aufweist, mit x größer gleich 1 und x kleiner gleich 5.
Die bekannten hochtemperaturbeständigen Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen haben einen Aluminiumgehalt von ca. 2%, der zwar das Bilden einer Oxidschicht auf der Legierung ermöglicht, allerding ist der Aluminiumgehalt nicht hoch genug, um eine sehr dichte Oxidschicht zu bilden.
Deshalb kann beispielsweise mittels Alitierens die Legierung an der Innenfläche der Hülse nachträglich mit Aluminium angereichert werden, damit sich eine stabile, Aluminiumoxidschicht bilden kann.
Vorteilhaft kann hierdurch das Abdampfen von Legierungsbestandteilen in den Hülseninnenraum weiter verringert werden und ein Weiteroxidieren des Hülsenwerkstoffes unter Betriebsbedingungen verhindert, aber zumindest verringert wird.
Auch schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors vor, insbesondere einer erfindungsgemäßen Hülse, insbesondere zur Abdeckung eines Temperatursensors, aufweisend:
Bereitstellen einer Hülse gebildet aus einem Stahl oder einer Stahllegierung, wobei die Hülse eine Innenseite mit einer Innenfläche und eine Außenseite mit einer Außenfläche hat; und Beschichten zumindest der Innenfläche mit einer Diffusionssperre.
Weiter kann das Verfahren die Schritte aufweisen:
Anordnen eines Sensors und eines Vergussmaterials innerhalb der Hülse, wobei der Sensor in dem Vergussmaterial eingebettet ist; und
Einbrennen des Vergussmaterials nach Einfuhren des Sensors, wobei durch das Einbrennen das Vergussmaterial sintert und den Sensor in der Hülse fixiert.
In einem Beispiel weist das Verfahren auf:
Beschichten mit Aluminium und Oxidieren der Oberfläche des Aluminiums zu Aluminiumoxid, insbesondere zu Al203.
In einem weiteren Beispiel weist das Beschichten auf:
Vollflächiges Beschichten der Innenfläche und der Außenfläche.
In einem Beispiel weist das Bereitstellen auf:
Bereitstellen einer Hülse aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung.
In noch einem Beispiel weist das Beschichten auf:
Beschichten mit einem Pulverpack-Verfahren, umfassend die aufeinanderfolgenden Schritte: Einbringen der Hülse in ein Pulverbett mit Beschichtungsmaterial, insbesondere einem Aluminiumpulver,
Erhitzen der Hülse auf eine Temperatur in einem Bereich von 800°C bis 1000°C, um das Beschichtungsmaterial auf 5 bis 50 gm in die Nickel-Chrom-Aluminium-Eisen-Legierung zu diffundieren; und
Erhitzen der Hülse in einem Ofen an Luft auf eine Temperatur in einem Bereich von 600°C bis 1 100°C zum Erhalten einer geschlossenen Oxidschicht mit einer Höhe von bis zu 5 gm.
Alternativ kann das das Beschichten in einem weiteren Beispiel aufweisen:
Beschichten mit einem chemischen Gasphasenabscheidungs-Verfahren, umfassend die aufeinanderfolgenden Schritte:
Bedampfen der Hülse mit einem Reaktivdampf, insbesondere mit einem Reaktivdampf umfassend Aluminiumchlorid und Wasserstoff bei einer Temperatur von 800°C bis 1000°C, um das Beschichtungsmaterial auf 5 bis 50 pm in das Material der Hülse, insbesondere in die Nickel-Chrom- Eisen- Aluminium-Legierung zu diffundieren; und Erhitzen der Hülse in einem Ofen an Luft auf eine Temperatur in einem Bereich von 600°C bis 1 100°C zum Erhalten einer geschlossenen Oxidschicht mit einer Höhe von bis zu 5 pm.
Im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren wie PVD, ADM oder Plasmaspritzen haben Pulverpack- / CVD- Verfahren die Vorteile:
• Es werden auch die Bereiche im Inneren der Hülse, die durch Abschattungen einem Bedampfungsverfahren nicht zugänglich wären, beschichtet.
• Die Beschichtung weist eine sehr gute Haftung zum Material der Hülse auf.
• Die Schicht ist homogen und weist keine Poren oder Risse auf.
• Eine aufwendige Reinigung der Hülse ist nicht notwendig.
In noch einem Beispiel weist das Verfahren auf:
Alitieren, nach dem Beschichten, zumindest der Innenfläche der Hülse.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Temperaturmessvorrichtung, insbesondere zur Anwendung in einem Turbo-Verbrennungsmotor, umfassend einen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor, insbesondere einen Platin-Sensor, wobei der Sensor zumindest abschnittsweise mit einer erfindungsgemäßen Hülse und/oder mit einer Hülse hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren abgedeckt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Hülse gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Bereichs am vorderen Ende einer
Temperaturmessvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Hülse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Im Folgenden werden für gleiche und gleichwirkende Teile gleiche Bezugsziffern verwendet. In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Hülse 1 dargestellt. Im von der Längsachse L aus gesehenen äußeren Bereich der Hülse 1 ist die Außenseite mit der Außenfläche 3a dargestellt und im inneren Bereich der Hülse 1 ist die Innenseite mit der Innenfläche 3b dargestellt.
Bei der gezeigten Hülse 1 handelt es sich um ein umgeformtes, insbesondere tiefgezogenes, Bauteil. Die Hülse 1 ist somit einteilig, bzw. monolithisch ausgebildet. Die schraffiert dargestellte Materialdicke der Hülse 1 beträgt vorzugsweise 0,22 mm - 0,28 mm. In der gezeigten Ausführungsform ist die Materialdicke über die gesamte Hülse 1 hinweg gleichmäßig ausgebildet.
Die Hülse 1 kann aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung gebildet sein. Dieses Material ist besonders tiefziehfähig. Das Material eignet sich also besonders gut zur Herstellung der Hülse 1. Des Weiteren ist die Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung besonders temperaturbeständig.
An der Innenfläche 3b der Hülse 1 ist eine Diffusionssperre 5 als eine durchgängige Schicht oder ein durchgängiger Belag angeordnet. Die Diffusionssperre 5 verhindert oder zumindest erschwert die Diffusion von Elementen aus dem Material der Hülse 1 in ein in der Hülse 1 angeordnetes Vergussmaterial und/oder in die Sensorstruktur des Sensors (nicht gezeigt in Figur 1 ). Die Diffusionssperre 5 kann ein Metalloxidmaterial umfassen, insbesondere ein Aluminiumoxid, AI2O3. Weiterhin kann in Ausführungsformen der Erfindung eine Aluminiumschicht auf der Diffusionssperre angeordnet sein, um das Abdampfen von Legierungsbestandteilen in den Hülseninnenraum weiter zu verringern und ein Weiteroxidieren des Hülsenwerkstoffes unter Betriebsbedingungen zu verhindern/verringern.
Die in Figur 1 gezeigte Hülse 1 weist drei Abschnitte, nämlich den ersten Abschnitt 7, den zweiten Abschnitt 1 1 und den dritten Abschnitt 9 auf. Der dritte Abschnitt 9 ist zwischen dem ersten Abschnitt 7 und dem zweiten Abschnitt 1 1 ausgebildet.
Der erste Abschnitt 7 weist einen Außendurchmesser D1 auf. Der zweite Abschnitt 1 1 der Hülse 1 weist einen Außendurchmesser D2 auf. Der dritte Abschnitt 9 ist hingegen kegelstumpfförmig ausgebildet, so dass ein variierender Außendurchmesser ausgebildet ist. Der dritte Abschnitt 9 ist zwischen dem ersten Abschnitt 7 und dem zweiten Abschnitt 1 1 ausgebildet, so dass der Bereich mit einem geringeren Außendurchmesser an den ersten Abschnitt 7 anschließend ausgebildet ist. Der Bereich mit dem größten Außendurchmesser des dritten Abschnitts 9 ist an den zweiten Abschnitt 1 1 angrenzend ausgebildet.
Der Außendurchmesser D1 des ersten Abschnitts 7 kann 1 ,5 mm - 2,5 mm, insbesondere 1 ,8 mm - 2,2 mm, betragen. Der Außendurchmesser D2 des zweiten Abschnittes 1 1 weist 3,0 mm - 5,0 mm, insbesondere 3,5 mm - 4,5 mm, auf. Der Außendurchmesser D1 des ersten Abschnittes 7 ist geringer als der Außendurchmesser D2 des zweiten Abschnittes 1 1 .
Am unteren Ende des ersten Abschnitts 7 ist der Hülsenboden 13 ausgebildet. Der
Hülsenboden weist im vorliegenden Fall eine runde Bodenfläche auf.
In Figur 1 ist außerdem zu erkennen, dass die Hülse 1 um die Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine derartige Hülse 1 einfach herzustellen ist. Insbesondere ist es möglich, die Hülse 1 im Rahmen eines Tiefziehverfahrens herzustellen.
Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Bereichs am vorderen Ende einer
Temperaturmessvorrichtung 15 mit einer erfindungsgemäßen Hülse 1 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Das vordere Ende der Temperaturmessvorrichtung 15 ist der Sensorbereich der Temperaturmessvorrichtung 15. Es ist zu erkennen, dass die Hülse 1 teilweise innerhalb einer Übergangshülse 17 angeordnet ist. Im Übergangsbereich kann die in die Übergangshülse 17 eingeführte Hülse 1 mit der Übergangshülse 17 verschweißt, insbesondere laserverschweißt, werden.
Im Querschnitt ist zu erkennen, dass ein Sensor 19, in der gezeigten Ausführungsform als Temperatursensor dargestellt, insbesondere innerhalb des ersten Abschnitts der Hülse 1 angeordnet ist. Der Bereich zwischen der Diffusionssperre 5 auf der Innenfläche 3b der Hülse 1 und den Sensor 19 umgebend ist in der gezeigten Ausführungsform mit einem Vergussmaterial 21 gefüllt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Sensor 19 in dem Vergussmaterial 21 eingebettet. Das Vergussmaterial 21 kann ein oxidisches Material sein, insbesondere ein keramisches Material, vorzugsweise hochreines Aluminiumoxid. Das Vergussmaterial 21 wird nach Einführen des Sensors 19 in die Hülse 1 gebrannt. Dabei sintert das Vergussmaterial 21 und fixiert den Sensor 19 in der Hülse 1 . Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Figuren dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
Bezuaszeichenliste
1 Hülse
3a Außenfläche
3b Innenfläche
5 Diffusionssperre
7 erster Abschnitt
9 dritter Abschnitt
1 1 zweiter Abschnitt
13 Hülsenboden
15 T emperaturmessvorrichtung
17 Übergangshülse
19 Sensor
21 Vergussmaterial
Di Außendurchmesser erster Abschnitt
D2 Außendurchmesser zweiter Abschnitt
L Längsachse

Claims

Ansprüche
1. Hülse zur Abdeckung eines Sensors (19), insbesondere zur Abdeckung eines Temperatursensors, wobei die Hülse aus einem Stahl oder einer Stahllegierung gebildet ist, und wobei die Hülse eine Innenseite mit einer Innenfläche (3b) und eine Außenseite mit einer Außenfläche (3a) hat;
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die Innenfläche (3b) mit einer Diffusionssperre (5) beschichtet ist.
2. Hülse nach Anspruch 1 , wobei die Hülse aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium- Legierung gebildet ist.
3. Hülse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenfläche (3b) und die Außenfläche (3a) vollflächig mit der Diffusionssperre (5) beschichtet sind.
4. Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diffusionssperre (5) ein Metalloxidmaterial umfasst, insbesondere umfasst die Diffusionssperre (5) ein Aluminiumoxid.
5. Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse umgeformt, insbesondere tiefgezogen, ist, insbesondere wobei die Bruchdehnung des Ausgangsmaterials vor dem Umformen der Hülse, insbesondere vor dem Tiefziehen der Hülse, mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60 %, ist, und/oder, wobei die Hülse eine Materialdicke hat von 0,10 mm - 0,40 mm, insbesondere von 0,15 mm - 0,35 mm, insbesondere von 0,20 mm - 0,30 mm, insbesondere von 0,22 mm - 0,28 mm.
6. Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse mindestens zwei Abschnitte aufweist, insbesondere mindestens drei Abschnitte, die unterschiedliche Außendurchmesser haben, insbesondere wobei ein erster Abschnitt (7) einen Außendurchmesser (Di) von 1 ,5 mm - 2,5 mm, bevorzugt von 1 ,8 mm - 2,2 mm, aufweist und ein zweiter Abschnitt (1 1 ) einen Außendurchmesser (D2) von 3,0 mm - 5,0 mm, bevorzugt von 3,5 mm - 4,5 mm, aufweist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Abschnitt (7) und dem zweiten Abschnitt (1 1 ) ein dritter Abschnitt (9) ausgebildet ist, der eine kegelstumpfförmige Kontur aufweist.
7. Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:
eine Aluminiumoxidschicht, angeordnet auf der Diffusionssperre (5), wobei die Aluminiumoxidschicht eine Stöchiometrie entsprechend AI2Ox aufweist, mit x größer gleich 1 und x kleiner gleich 5.
8. Verfahren zum Herstellen einer Hülse zur Abdeckung eines Sensors (19), insbesondere einer Hülse nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere zur Abdeckung eines Temperatursensors, aufweisend:
Bereitstellen einer Hülse gebildet aus einem Stahl oder einer Stahllegierung, wobei die Hülse eine Innenseite mit einer Innenfläche (3b) und eine Außenseite mit einer Außenfläche (3a) hat; und
Beschichten zumindest der Innenfläche (3b) mit einer Diffusionssperre (5).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Beschichten aufweist:
Beschichten mit Aluminium und Oxidieren der Oberfläche des Aluminiums zu Aluminiumoxid, insbesondere zu AI2O3.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Beschichten aufweist:
Vollflächiges Beschichten der Innenfläche (3b) und der Außenfläche (3a).
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Bereitstellen aufweist:
Bereitstellen einer Hülse aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei das Beschichten aufweist:
Beschichten mit einem Pulverpack-Verfahren, umfassend die aufeinanderfolgenden Schritte:
Einbringen der Hülse in ein Pulverbett mit Beschichtungsmaterial, insbesondere einem Aluminiumpulver,
Erhitzen der Hülse auf eine Temperatur in einem Bereich von 800°C bis 1000°C, um das Beschichtungsmaterial auf 5 bis 50 pm in die Nickel-Chrom-Aluminium-Eisen- Legierung zu diffundieren; und Erhitzen der Hülse in einem Ofen an Luft auf eine Temperatur in einem Bereich von 600°C bis 1 100°C zum Erhalten einer geschlossenen Oxidschicht mit einer Höhe von bis zu 5 gm.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei das Beschichten aufweist:
Beschichten mit einem chemischen Gasphasenabscheidungs-Verfahren, umfassend die aufeinanderfolgenden Schritte:
Bedampfen der Hülse mit einem Reaktivdampf, insbesondere mit einem Reaktivdampf umfassend Aluminiumchlorid und Wasserstoff bei einer Temperatur von 800°C bis 1000°C, um das Beschichtungsmaterial auf 5 bis 50 gm in das Material der Hülse, insbesondere in die Nickel-Chrom- Eisen- Aluminium-Legierung zu diffundieren; und
Erhitzen der Hülse in einem Ofen an Luft auf eine Temperatur in einem Bereich von 600°C bis 1 100°C zum Erhalten einer geschlossenen Oxidschicht mit einer Höhe von bis zu 5 pm.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, aufweisend:
Alitieren, nach dem Beschichten, zumindest der Innenfläche (3b) der Hülse.
15. Temperaturmessvorrichtung, insbesondere zur Anwendung in einem Turbo- Verbrennungsmotor, umfassend einen Sensor (19), insbesondere einen Temperatursensor, insbesondere einen Platin-Sensor, wobei der Sensor (19) zumindest abschnittsweise mit einer Hülse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mit einer Hülse hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14 abgedeckt ist.
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