WO2023193991A1 - Sensor zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum - Google Patents

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WO2023193991A1
WO2023193991A1 PCT/EP2023/054668 EP2023054668W WO2023193991A1 WO 2023193991 A1 WO2023193991 A1 WO 2023193991A1 EP 2023054668 W EP2023054668 W EP 2023054668W WO 2023193991 A1 WO2023193991 A1 WO 2023193991A1
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WO
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housing
sensor
heat shielding
shielding element
section
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PCT/EP2023/054668
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Harrer
Vratislav Tichy
Tomas HOMOLKA
Pavel Tichanek
Vojtech RUBAS
Marian FRIC
Gerald Scheday
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing
    • 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
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases

Definitions

  • a property is to be understood as any physical and/or chemical property of the measurement gas, whereby one or more properties of the measurement gas can be recorded.
  • a qualitative and/or quantitative detection of at least one property of a measurement gas can take place, for example a detection of at least one gas component of the measurement gas, in particular a detection of a gas component in an air-fuel mixture, and/or a detection of a particle concentration in the Measuring gas, in particular a soot mass concentration.
  • other properties of the measurement gas can also be recorded.
  • a sensor for detecting a gas property can, for example, be designed as a lambda probe as in Konrad Reif (editor) “Sensors in Motor Vehicles”, 2nd edition 2012, pp. 160 - 165, with one embodiment being both a two-point lambda sensor.
  • Probe as well as a broadband lambda probe, in particular as a planar broadband lambda probe is described.
  • a broadband lambda probe can be used to determine a large range of ⁇ .
  • These lambda probes described include a sensor element, usually a ceramic solid electrolyte, preferably made of zirconium dioxide and yttrium oxide or solid layers, preferably made of zirconium dioxide.
  • Such sensors have a heat shielding element that shields the upper part of a housing against radiant heat from the exhaust system or exhaust pipe.
  • the heat shielding element only acts as a shield against radiant heat from areas behind the shield, but cannot act against radiant heat from other directions because there is no shielding effect there.
  • the heat shield element is commonly used in conjunction with a separate sealing ring that prevents the heat shield element from falling from its position below the hex head of the housing. The sealing ring inside the
  • Screw connection assembly which includes the sensor thread, seal ring, lubricant and exhaust pipe connection point, has three functions. It is intended to contribute to the tightness of the screw connection, to prevent the sensor from coming loose during vehicle operation and to prevent the sensor from seizing at the exhaust pipe connection point after vehicle operation in the workshop.
  • a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known sensors and in particular facilitates the assembly of a heat shielding element and requires fewer components for the heat shielding effect.
  • a sensor according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space comprises a sensor element, a housing and a heat shielding element.
  • the sensor element is partially arranged inside the housing and protrudes from the housing with an end section on the measuring gas side.
  • the end section on the sample gas side is surrounded by the protective tube.
  • the housing has a housing base.
  • the housing also has a threaded section for mounting on the measuring gas space.
  • the heat shielding element has an opening.
  • the heat shielding element is arranged on a side of the housing base facing the threaded section in such a way that the housing with the threaded section extends through the opening.
  • the heat shielding element is integrally formed with a sealing element which is arranged surrounding the opening on a housing section between the housing base and the threaded section.
  • a basic idea of the present invention is to integrate the heat shielding element and the sealing element into a single component. This means that fewer work steps are required when assembling the heat shielding element than when assembling two separate components. In addition, fewer components are required. Furthermore, the heat shielding element with integrated sealing element is lighter than a combination of two separate components because it can be made thinner. The sensor can also be produced more cost-effectively because fewer components and work steps are required for assembly. The heat-shielding effect is also stronger or more pronounced. The functionality of the heat shielding element is thus improved.
  • the heat shielding element can completely surround the housing section between the housing base and the threaded section in a circumferential direction. This provides a complete heat shielding effect in the circumferential direction.
  • the heat shielding element can be designed to be essentially rotationally symmetrical. This makes it easier to manufacture and assemble regardless of its orientation in the circumferential direction.
  • the heat shielding element can be essentially cup-shaped or cup-shaped. This allows the housing to be particularly well protected or shielded from heat.
  • the heat shielding element can have a wall that at least partially surrounds the housing in a connection-side housing section. This allows the housing to be well protected or shielded from heat along its longitudinal direction.
  • the wall can extend completely in a circumferential direction around the connection-side housing section. This allows the housing to be completely protected or shielded from heat in the circumferential direction.
  • the protective tube can have the housing section between the housing base and the threaded section, which extends in a circumferential direction, wherein the heat shielding element can engage in the recess. As a result, the heat shielding element is held particularly well in its position.
  • the heat shielding element can have an end facing the threaded section.
  • the end facing the protective tube can have a flange.
  • the flanging can attach the sealing element. This creates a particularly stable combination of heat shielding element and sealing element.
  • the heat shielding element can have a bottom.
  • the floor can have at least one drainage opening. This allows water to drain out of the heat shielding element.
  • the heat shielding element may have a larger diameter than a height. In other words, the heat shielding element can be wider than it is tall. This increases the heat-shielding area.
  • the sensor element can be a sensor element for a lambda sensor, as described, for example, in Konrad Reif (ed.): Sensors in Motor Vehicles, 1. Edition 2010, pp. 160-165.
  • a sensor element has a solid electrolyte and two electrodes separated from one another by the solid electrolyte.
  • the solid electrolyte can be formed from one or more solid electrolyte layers.
  • the sensor element can have a substantially cuboid basic shape, the axial end faces of the sensor element forming the two smallest side surfaces of the basic shape, the top and bottom of the sensor element forming the two largest side surfaces of the basic shape and the side surfaces of the sensor element forming the side surfaces of the basic shape Size is larger than that of the smallest side surfaces of the basic shape and smaller than that of the largest side surfaces of the basic shape.
  • a solid electrolyte or a solid electrolyte layer is generally understood to mean a body or object with electrolytic properties, that is to say with ion-conducting properties.
  • it can be a ceramic solid electrolyte, such as zirconium dioxide (ZrOj), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), which can contain small additions of aluminum oxide (AI2O3) and/or silicon oxide (SiOj).
  • ZrOj zirconium dioxide
  • YSZ yttrium-stabilized zirconium dioxide
  • ScSZ scandium-doped zirconium dioxide
  • This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green body or brown body, which only becomes a solid electrolyte after sintering.
  • the solid electrolyte can be formed as a solid electrolyte layer or from several solid electrolyte layers.
  • an electrode is generally understood to mean an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained through the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode can comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte and/or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode, which can be applied, for example, as a metal-ceramic electrode or on the solid electrolyte or can be connected to the solid electrolyte in some other way.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, can also generally be used.
  • sensors or sensor elements are also included in the present invention, such as nitrogen oxide sensors, hydrogen sensors, particle sensors, humidity sensors, hot film air mass meters.
  • end region of the sensor element basically means only a contiguous partial region of the sensor element, which includes the relevant end of the sensor and does not make up more than 50% of the length of the sensor element. It can be somewhat more limited an end region of the sensor element can in particular also be understood as a contiguous partial region of the sensor element, which includes the relevant end of the sensor element and makes up no more than a third or even no more than a quarter of the length of the sensor element.
  • a heat-shielding element is generally understood to mean an element or component with heat-shielding or heat-insulating properties.
  • the heat shielding element can be made comparatively thin or with a small thickness, for example from a sheet of metal.
  • Figure 1 is a side view of a sensor according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view of a heat shielding element according to the invention.
  • Figure 3 is an enlarged view of a detail of the heat shielding element
  • Figure 4 is a top view of the heat shielding element.
  • Figure 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 proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, according to a first embodiment of the invention.
  • the sensor 10 can be used in particular to detect physical and/or chemical properties of the measurement gas, whereby one or more properties can be detected.
  • the invention is 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 recorded, for example, in the form of a partial pressure and/or in the form of a percentage.
  • the sample gas can be recorded.
  • the invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measurement gas space can in particular be an exhaust gas tract of an internal combustion engine and the measurement gas can in particular be an exhaust gas.
  • the sensor 10 has a housing 12.
  • the housing 12 can be a metallic housing, for example.
  • the housing 12 has a threaded section 14 for mounting on the measuring gas space (not shown in detail). More specifically, the threaded section 14 serves as a fastening means for installation in a wall of the measuring gas space.
  • the housing 12 also has a housing base 16.
  • the housing base 16 is designed as a hexagon, onto which a wrench can be attached to mount the sensor 10 on the measuring gas space.
  • On a side 18 of the housing base 16 facing away from the threaded section 14, the housing 12 has a connection-side housing section 20.
  • the housing section 24 between the housing base 16 and the threaded section 14 has a recess 26 or recess.
  • the recess 26 extends completely in a circumferential direction around the housing section 24 between the housing base 16 and the threaded section 14.
  • the recess 26 is designed, for example, as an annular groove.
  • At least one protective tube 30 is fixed, for example welded, to a front end 28 of the housing 12, which lies opposite the connection-side housing section 20.
  • Several protective tubes 30 can also be provided, which form a protective tube assembly.
  • a protective tube assembly has, for example, at least one protective tube and preferably several protective tubes.
  • the protective tube assembly has an outer protective tube and at least one inner protective tube arranged therein.
  • the protective tube assembly can, for example, have two inner protective tubes that are arranged concentrically to one another. Both the outer protective tube and the inner protective tube have inlet and outlet openings through which the measuring gas can enter or exit an interior of the inner protective tube.
  • the sensor 10 also has a sensor element 32 for detecting at least one property of the measurement gas.
  • the sensor element 32 is planar.
  • the sensor element 32 extends in a longitudinal direction.
  • the sensor element 32 has a connection-side end region or end section 34, which faces away from the measurement gas, and a measurement-gas-side end region or end section 36, which faces the measurement gas.
  • the end section 36 on the measuring gas side lies opposite the end section 34 on the connection side when viewed in the longitudinal direction.
  • the sensor element 32 has contact surfaces (not shown in detail) on an upper side and/or underside for electrical contacting.
  • the contact surfaces are designed, for example, as so-called pads.
  • the sensor element 20 has an essentially cuboid basic shape.
  • End faces of the sensor element 32 form two smallest side surfaces of the basic shape
  • the top and bottom of the sensor element 32 form two largest side surfaces of the basic shape and form side surfaces of the sensor element 32 side surfaces of the basic shape, the size of which is larger than that of the smallest side surfaces of the basic shape and is smaller than that of the largest side surfaces of the basic shape.
  • the end faces can also be referred to as axial end faces.
  • the end section 32 on the measuring gas side is designed to be exposed to the measuring gas inside the protective tube 30. Accordingly, the end section 36 on the measuring gas side protrudes from the housing 12.
  • the contact surfaces are designed to be electrically contacted with electrical connections of a cable harness (not shown in detail). The electrical contacting of the contact surfaces with the connections is realized, for example, by means of contact springs.
  • the sensor 10 also has a heat shielding element 38.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of the heat shielding element 38.
  • the heat shielding element 38 has an opening 40.
  • the Heat shielding element 38 is designed to be essentially rotationally symmetrical.
  • the heat shielding element 38 is essentially cup-shaped or cup-shaped.
  • the heat shielding element 38 has a wall 42.
  • the wall 42 forms the cup shape.
  • the heat shielding element 38 has a larger diameter 44 than a height 46 at least at the end opposite the opening 40.
  • FIG 3 shows an enlarged detail of the heat shielding element 38.
  • the heat shielding element 38 is integrally formed with a sealing element 48.
  • the heat shielding element 38 has an end 50 which faces the threaded section 14 in the assembled state.
  • the end 50 facing the threaded section 14 has a flange 52.
  • the flange 52 fastens the sealing element 48.
  • the heat shielding element 38 has a base 54.
  • the bottom 54 extends in the radial direction.
  • the bottom 54 delimits the opening 40.
  • Figures 2 and 3 show the heat shielding element 38 in a state before assembly in which the end 50 has not yet been pre-pressed and the flange 52 is spaced from the bottom 54.
  • Figure 4 shows a top view of the heat shielding element 38.
  • the base 54 has at least one drainage opening 56.
  • the bottom 54 has, for example, four drainage openings 56, which are evenly distributed in the circumferential direction. It is explicitly emphasized that more or fewer than four drainage openings 56 can also be provided, such as two, three, five, six or even more drainage openings 56.
  • the heat shielding element 38 is arranged on the side 22 of the housing base 16 facing the threaded section 14 in such a way that the housing 12 with the threaded section 14 extends through the opening 40.
  • the sealing element 48 is arranged surrounding the opening 40 on the housing section 24 between the housing base 16 and the threaded section 14.
  • the heat shielding element 38 engages in the recess 26 with the end 50 facing the threaded section 14.
  • the wall 42 surrounds the housing 12 in the connection-side housing section 20 at least partially.
  • the wall 42 extends completely in a circumferential direction around the connection-side housing section 20.
  • the heat shielding element 38 completely surrounds the housing section 24 between the housing base 16 and the threaded section 14 in a circumferential direction.
  • Figure 1 shows the heat shielding element 38 in a state after assembly, in which the end 50 is pre-pressed and the flange 52 rests on the base 54.

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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 Sensorelement (32), ein Gehäuse (12) und ein Wärmeabschirmelement (38). Das Sensorelement (32) ist teilweise innerhalb des Gehäuse (12) angeordnet und ragt mit einem messgasseitigen Endabschnitt (36) aus dem Gehäuse (12) heraus. Das Gehäuse (12) weist einen Gehäusesockel (16) und einen Gewindeabschnitt (14) zur Montage an dem Messgasraum auf. Das Wärmeabschirmelement (38) weist eine Öffnung (40) auf. Das Wärmeabschirmelement (38) ist auf einer dem Gewindeabschnitt (14) zugewandten Seite (22) des Gehäusesockels (16) derart angeordnet, dass sich das Gehäuse (12) mit dem Gewindeabschnitt (14) durch die Öffnung (40) erstreckt. Das Wärmeabschirmelement (38) ist integral mit einem Dichtungselement (48) ausgebildet, das die Öffnung (40) umgebend an einem Gehäuseabschnitt (24) zwischen dem Gehäusesockel (16) und dem Gewindeabschnitt (14) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem um
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedener Sensoren zur Erfassung von mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer Eigenschaft eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Messgases zu verstehen, wobei eine oder auch mehrere Eigenschaften des Messgases erfasst werden können. Mit einem solchen Sensor kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases erfolgen, beispielsweise eine Erfassung mindestens einer Gaskomponente des Messgases, insbesondere eine Erfassung einer Gaskomponente in einem Luft- Kraftstoff-Gemisch, und/oder eine Erfassung einer Partikelkonzentration in dem Messgas, insbesondere einer Rußmassenkonzentration. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar.
Ein Sensor zur Erfassung von einer Gaseigenschaft kann beispielsweise wie in Konrad Reif (Herausgeber) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, S. 160 - 165, als eine Lambda-Sonde ausgestaltet werden, wobei eine Ausgestaltung sowohl als Zweipunkt-Lambda-Sonde als auch als Breitband-Lambda-Sonde, insbesondere als eine planare Breitband-Lambda-Sonde beschrieben wird. Mit einer Lambda-Sonde kann ein Gasanteil eines Gasgemisches in einem Brennraum bestimmt werden, beispielsweise die Luftzahl , die das Luft- Kraftstoff-Verhältnis angibt. Mit Zweipunkt-Lambda-Sonden ist eine Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur in einem engen Bereich, bei stöchiometrischen Gemischen (Ä=1), möglich. Dagegen kann mit einer Breitband- Lambda-Sonde eine Bestimmung über einen großen Bereich von Ä erfolgen. Diese beschriebenen Lambda-Sonden umfassen ein Sensorelement, meist ein keramischer Festkörperelektrolyt, bevorzugt aus Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid oder auch Festkörperschichten, bevorzugt aus Zirkoniumdioxid.
Derartige Sensoren weisen ein Wärmeabschirmelement auf, das den oberen Teil eines Gehäuses gegen Strahlungswärme vom Abgassystem bzw. Abgasrohr abschirmt. Das Wärmeabschirmelement wirkt nur als Abschirmung gegen Strahlungswärme aus Bereichen hinter der Abschirmung, kann aber nicht gegenüber Strahlungswärme aus anderen Richtungen wirken, da es dort keinen abschirmenden Effekt gibt. Das Wärmeabschirmelement wird üblicherweise zusammen mit einem separaten Dichtungsring verwendet, der verhindert, dass das Wärmeabschirmelement von seiner Position unterhalb des Sechskantkopfs des Gehäuses abfällt. Der Dichtungsring innerhalb der
Schraubverbindungsbaugruppe, die das Sensorgewinde, den Dichtungsring, das Schmiermittel und Abgasrohranschlussstelle umfasst, hat drei Funktionen. Er soll zur Dichtheit der Schraubverbindung beitragen, ein Selbstlosen des Sensors während des Fahrzeugbetriebs verhindern und ein Festfressen des Sensors an der Abgasrohranschlussstelle nach einem Fahrzeugbetrieb in der Werkstatt verhindern.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So muss zum Befestigen des Wärmeabschirmelements das Wärmeabschirmelement und der Dichtungsring über das Gewinde des Sensors geschoben und anschließend erfolgt ein Vorpressen des Dichtungsrings, das erforderlich ist, um den Dichtungsring mit dem Wärmeabschirmelement an dem Sensor unterhalb des Sechskants zu befestigen. Ohne das Vorpressen würden Wärmeabschirmelement und der Dichtungsring abfallen. Entsprechend sind zur Montage viele Arbeitsschritte erforderlich. 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 insbesondere die Montage eines Wärmeabschirmelements erleichtert und weniger Bauteile für den Wärmeabschirmungseffekt benötigt.
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 Sensorelement, ein Gehäuse und ein Wärmeabschirmelement. Das Sensorelement ist teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet und ragt mit einem messgasseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse heraus. Der messgasseitige Endabschnitt ist von dem Schutzrohr umgeben. Das Gehäuse weist einen Gehäusesockel auf. Das Gehäuse weist weiterhin einen Gewindeabschnitt zur Montage an dem Messgasraum auf. Das Wärmeabschirmelement weist eine Öffnung auf. Das Wärmeabschirmelement ist auf einer dem Gewindeabschnitt zugewandten Seite des Gehäusesockels derart angeordnet, dass sich das Gehäuse mit dem Gewindeabschnitt durch die Öffnung erstreckt. Das Wärmeabschirmelement ist integral mit einem Dichtungselement ausgebildet, das die Öffnung umgebend an einem Gehäuseabschnitt zwischen dem Gehäusesockel und dem Gewindeabschnitt angeordnet ist.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, das Wärmeabschirmelement und das Dichtungselement zu einem einzigen Bauteil zu integrieren. Dadurch sind weniger Arbeitsschritte bei der Montage des Wärmeabschirmelements erforderlich als bei einer Montage von zwei separaten Bauteilen. Außerdem werden weniger Bauteile benötigt. Weiterhin ist das Wärmeabschirmelement mit integriertem Dichtungselement leichter als eine Kombination aus zwei separaten Bauteilen, da es dünner hergestellt werden kann. Auch ist der Sensor kostengünstiger herstellbar, da weniger Bauteile und Arbeitsschritte zur Montage benötigt werden. Auch ist der wärmeabschirmende Effekt stärker bzw. deutlicher ausgeprägt. Somit ist die Funktionalität des Wärmeabschirmelements verbessert. Das Wärmeabschirmelement kann den Gehäuseabschnitt zwischen dem Gehäusesockel und dem Gewindeabschnitt in einer Umfangsrichtung vollständig umgeben. Dadurch wird ein vollständiger Wärmeabschirmungseffekt in der Umfangsrichtung vorgesehen.
Das Wärmeabschirmelement kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Dadurch lässt sich diese leichter herstellen und unabhängig von seiner Orientierung in der Umfangsrichtung montieren.
Das Wärmeabschirmelement kann im Wesentlichen becherförmig oder tassenförmig ausgebildet sein. Dadurch lässt sich das Gehäuse besonders gut vor Wärme schützen bzw. abschirmen.
Das Wärmeabschirmelement kann eine Wand aufweisen, die das das Gehäuse in einem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt zumindest teilweise umgibt. Dadurch lässt sich das Gehäuse entlang seiner Längserstreckungsrichtung gut vor Wärme schützen bzw. abschirmen.
Die Wand kann sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt erstrecken. Dadurch lässt sich das Gehäuse in Umfangsrichtung vollständig vor Wärme schützen bzw. abschirmen.
Das Schutzrohr kann der Gehäuseabschnitt zwischen dem Gehäusesockel und dem Gewindeabschnitt aufweisen, die sich in einer Umfangsrichtung erstreckt, wobei das Wärmeabschirmelement in die Ausnehmung eingreifen kann. Dadurch wird das Wärmeabschirmelement besonders gut in seiner Lage gehalten.
Das Wärmeabschirmelement kann ein dem Gewindeabschnitt zugewandte Ende aufweisen. Das dem Schutzrohr zugewandte Ende kann eine Bördelung aufweisen. De Bördelung kann das Dichtungselement befestigen. Dadurch wird ein besonders stabiler Verbund aus Wärmeabschirmelement und Dichtungselement geschaffen. Das Wärmeabschirmelement kann einen Boden aufweisen. Der Boden kann mindestens eine Drainageöffnung aufweisen. Dadurch kann Wasser aus dem Wärmeabschirmelement ablaufen.
Das Wärmeabschirmelement kann einen größeren Durchmesser als eine Höhe aufweisen. Mit anderen Worten kann das Wärmeabschirmelement breiter als hoch sein. Dadurch wird die wärmeabschirmende Fläche vergrößert.
Bei dem Sensorelement kann es sich um ein Sensorelement für eine Lambdasonde handeln, wie es beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 160-165, bekannt ist. Ein derartiges Sensorelement weist einen Festelektrolyten und zwei durch den Festelektrolyten voneinander getrennte Elektroden auf. Der Festelektrolyt kann aus einer oder mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
Das Sensorelement kann eine im wesentlichen quaderförmige Grundform aufweisen, wobei die axialen Stirnflächen des Sensorelements die zwei kleinsten Seitenflächen der Grundform bilden, die Oberseite und die Unterseite des Sensorelements die zwei größte Seitenflächen der Grundform bilden und die Seitenflächen des Sensorelements die Seitenflächen der Grundform bilden, deren Größe größer ist als die der kleinsten Seitenflächen der Grundform und kleiner ist als die der größten Seitenflächen der Grundform.
Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrOj), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (SiOj) enthalten können. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Bräunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall- Keramik- Elektrode oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Auch andere Arten von Sensoren bzw. Sensorelemente sind jedoch von der vorliegenden Erfindung umfasst, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, Wasserstoffsensoren, Partikelsensoren, Feuchtesensoren, Heißfilmluftmassenmesser.
Unter dem Begriff „Endbereich des Sensorelements" ist mit Bezug auf eine Längsrichtung im Rahmen dieser Erfindung grundsätzlich lediglich ein zusammenhängender Teilbereich des Sensorelements zu verstehen, der das betreffende Ende des Sensors umfasst und nicht mehr als 50% der Länge des Sensorelements ausmacht. Etwas eingeschränkter kann ein Endbereich des Sensorelements insbesondere auch als ein zusammenhängender Teilbereich des Sensorelements verstanden werden, der das betreffende Ende des Sensorelements umfasst und nicht mehr als ein Drittel oder sogar nicht mehr als ein Viertel der Länge des Sensorelements ausmacht.
Unter einem Wärmeabschirmelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element oder Bauteil mit wärmeabschirmenden bzw. wärmeisolierenden Eigenschaften zu verstehen. Das Wärmeabschirmelement kann dabei vergleichsweise dünn bzw. mit geringer Dicke ausgebildet sein, wie beispielsweise aus einem Blech. 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 Seitenansicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeabschirmelements,
Figur 3 eine vergrößerte Ansicht eines Details des Wärmeabschirmelements, und
Figur 4 eine Draufsicht des Wärmeabschirmelements.
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 Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Gehäuse 12 weist einen Gewindeabschnitt 14 zur Montage an dem Messgasraum (nicht näher gezeigt) auf. Genauer dient der Gewindeabschnitt 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des Messgasraums auf. Das Gehäuse 12 weist weiterhin einen Gehäusesockel 16 auf. Der Gehäusesockel 16 ist als Sechskant ausgebildet, an dem zum Montieren des Sensors 10 an dem Messgasraum ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. Auf einer dem Gewindeabschnitt 14 abgewandten Seite 18 des Gehäusesockels 16 weist das Gehäuse 12 einen anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 auf.
Auf einer dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 befindet sich zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 ein Gehäuseabschnitt 24. Der Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 weist eine Ausnehmung 26 oder Vertiefung auf. Die Ausnehmung 26 erstreckt sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14. Die Ausnehmung 26 ist beispielsweise als Ringnut ausgebildet.
An einem stirnseitigen Ende 28 des Gehäuses 12, das dem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 gegenüberliegt ist mindestens ein Schutzrohr 30 festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Es können auch mehrere Schutzrohre 30 vorgesehen sein, die eine Schutzrohrbaugruppe bilden. Eine solche Schutzrohrbaugruppe weist beispielsweise mindestens ein Schutzrohr und bevorzugt mehrere Schutzrohre auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr auf. Die Schutzrohrbaugruppe kann beispielsweise zwei innere Schutzrohre aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Sowohl das äußere Schutzrohr als auch das innere Schutzrohr weisen Ein- und Austrittsöffnungen auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann.
Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 32 zur Erfassung der mindestens einer Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 32 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 32 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung. Das Sensorelement 32 weist einen anschlussseitigen Endbereich bzw. Endabschnitt 34, der dem Messgas abgewandt ist, und einen messgasseitigen Endbereich bzw. Endabschnitt 36, der dem Messgas zugewandt ist, auf. Der messgasseitige Endabschnitt 36 liegt dem anschlussseitigen Endabschnitt 34 in der Längserstreckungsrichtung gesehen gegenüber. In dem anschlussseitigen Endabschnitt 34 weist das Sensorelement 32 auf einer Oberseite und/oder Unterseite Kontaktflächen (nicht näher gezeigt) zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Kontaktflächen sind beispielsweise als sogenannte Pads ausgebildet. Insgesamt weist das Sensorelement 20 eine im wesentlichen quaderförmige Grundform auf. Dabei bilden Stirnflächen des Sensorelements 32 zwei kleinste Seitenflächen der Grundform, bilden die Oberseite und die Unterseite des Sensorelements 32 zwei größte Seitenflächen der Grundform und bilden Seitenflächen des Sensorelements 32 Seitenflächen der Grundform, deren Größe größer ist als die der kleinsten Seitenflächen der Grundform und kleiner ist als die der größten Seitenflächen der Grundform. Aufgrund der Orientierung des Sensorelements 32 im montierten Zustand können die Stirnflächen auch als axiale Stirnflächen bezeichnet werden. Der messgasseitige Endabschnitt 32 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des Schutzrohrs 30 ausgesetzt zu werden. Entsprechend ragt der messgasseitige Endabschnitt 36 aus dem Gehäuse 12 heraus. Die Kontaktflächen sind ausgebildet, mit elektrischen Anschlüssen eines Kabelbaums (nicht näher gezeigt) elektrisch kontaktiert zu werden. Die elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen mit den Anschlüssen ist dabei beispielsweise mittels Kontaktfedern realisiert.
Der Sensor 10 weist weiterhin ein Wärmeabschirmelement 38 auf. Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Wärmeabschirmelements 38. Das Wärmeabschirmelement 38 weist eine Öffnung 40 auf. Das Wärmeabschirmelement 38 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist das Wärmeabschirmelement 38 im Wesentlichen becherförmig oder tassenförmig ausgebildet. Entsprechend weist das Wärmeabschirmelement 38 eine Wand 42 auf. Die Wand 42 bildet die Becherform. Das Wärmeabschirmelement 38 weist zumindest an dem der Öffnung 40 gegenüberliegenden Ende einen größeren Durchmesser 44 als eine Höhe 46 auf.
Figur 3 zeigt ein vergrößertes Detail des Wärmeabschirmelements 38. Das Wärmeabschirmelement 38 ist integral mit einem Dichtungselement 48 ausgebildet. Das Wärmeabschirmelement 38 weist ein Ende 50 auf, das im montierten Zustand dem Gewindeabschnitt 14 zugewandt ist auf. Das dem Gewindeabschnitt 14 zugewandte Ende 50 weist eine Bördelung 52 auf. Die Bördelung 52 befestigt das Dichtungselement 48. Das Wärmeabschirmelement 38 weist einen Boden 54 auf. Der Boden 54 erstreckt sich in radialer Richtung. Der Boden 54 begrenzt die Öffnung 40. Die Figuren 2 und 3 zeigen dabei das Wärmeabschirmelement 38 in einem Zustand vor einer Montage, in dem das Ende 50 noch nicht vorgepresst ist und die Bördelung 52 von dem Boden 54 beabstandet ist.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht des Wärmeabschirmelements 38. Der Boden 54 weist mindestens eine Drainageöffnung 56 auf. Wie in Figur 4 zu erkennen ist, weist der Boden 54 beispielsweise vier Drainageöffnungen 56 auf, die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind. Es wird explizit betont, dass auch mehr oder weniger als vier Drainageöffnungen 56 vorgesehen sein können, wie beispielsweise zwei, drei, fünf, sechs oder noch mehr Drainageöffnungen 56.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, ist das Wärmeabschirmelement 38 auf der dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 derart angeordnet, dass sich das Gehäuse 12 mit dem Gewindeabschnitt 14 durch die Öffnung 40 erstreckt. Das Dichtungselement 48 ist dabei die Öffnung 40 umgebend an dem Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 angeordnet. Das Wärmeabschirmelement 38 greift dabei mit dem dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Ende 50 in die Ausnehmung 26 ein. Die Wand 42 umgibt das Gehäuse 12 in dem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 zumindest teilweise. Die Wand 42 erstreckt sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20. Das Wärmeabschirmelement 38 umgibt den Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 in einer Umfangsrichtung vollständig. Figur 1 zeigt dabei das Wärmeabschirmelement 38 in einem Zustand nach einer Montage, in dem das Ende 50 vorgepresst ist und die Bördelung 52 an dem Boden 54 anliegt.
Zur Montage des Wärmeabschirmelements 38 an dem Gehäuse 12 ist es lediglich erforderlich, das Wärmeabschirmelement 38 mit dem integrierten Dichtungselement 48 mit seiner Öffnung 40 über den Gewindeabschnitt 14 zu schieben, bis es an der dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 anliegt und in die Ausnehmung 26 eingreift. Dann wird das Ende 50 und das integrale Dichtungselement 48 vorgepresst und die Bördelung 52 liegt schließlich an dem Boden 54 an.

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 Sensorelement (32), ein Gehäuse (12) und ein Wärmeabschirmelement 38, wobei das Sensorelement (32) teilweise innerhalb des Gehäuse (12) angeordnet ist und mit einem messgasseitigen Endabschnitt (36) aus dem Gehäuse (12) herausragt, wobei das Gehäuse (12) einen Gehäusesockel (16) und einen Gewindeabschnitt (14) zur Montage an dem Messgasraum aufweist, wobei das Wärmeabschirmelement (38) eine Öffnung (40) aufweist, wobei das Wärmeabschirmelement (38) auf einer dem Gewindeabschnitt (14) zugewandten Seite (22) des Gehäusesockels (16) derart angeordnet ist, dass sich das Gehäuse (12) mit dem Gewindeabschnitt (14) durch die Öffnung (40) erstreckt, wobei das Wärmeabschirmelement (38) integral mit einem Dichtungselement (48) ausgebildet ist, das die Öffnung (40) umgebend an einem Gehäuseabschnitt (24) zwischen dem Gehäusesockel (16) und dem Gewindeabschnitt (14) angeordnet ist.
2. Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Wärmeabschirmelement (38) den Gehäuseabschnitt (24) zwischen dem Gehäusesockel (16) und dem Gewindeabschnitt (14) in einer Umfangsrichtung vollständig umgibt.
3. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabschirmelement (38) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabschirmelement (38) im Wesentlichen becherförmig oder tassenförmig ausgebildet ist. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabschirmelement (38) eine Wand (42) aufweist, wobei die Wand (42) das Gehäuse (12) in einem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt (24) zumindest teilweise umgibt. Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wand (42) sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt (24) erstreckt. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäuseabschnitt (24) zwischen dem Gehäusesockel (16) und dem Gewindeabschnitt (14) eine Ausnehmung (26) aufweist, die sich in einer Umfangsrichtung erstreckt, wobei das Wärmeabschirmelement (38) in die Ausnehmung (26) eingreift. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabschirmelement (38) ein dem Gewindeabschnitt (14) zugewandtes Ende (50) aufweist, wobei das dem Gewindeabschnitt (14) zugewandte Ende eine Bördelung (52) aufweist, wobei die Bördelung (52) das Dichtungselement (48) befestigt. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabschirmelement (38) einen Boden (54) aufweist, wobei der Boden (54) mindestens eine Drainageöffnung (56) aufweist. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabschirmelement (38) einen größeren Durchmesser (44) als eine Höhe (46) aufweist.
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KONRAD REIF (HERAUSGEBER: "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2010, pages: 160 - 165

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