DE102004063085A1 - Gasmessfühler - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur, oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, z. B. im Abgas einer Brennkraftmaschine, angegeben, der ein rohrförmiges Gehäuse (12) und ein im Gehäuse (12) gehaltenes Sensorelement (11) aufweist, das mit einem messgasseitigen Endabschnitt (111) und mit einem anschlussseitigen Endabschnitt (112) aus dem Gehäuse (12) herausragt und zwischen den Endabschnitten (111, 112) gegen das Gehäuse (12) abgedichtet ist. Zur Erzielung einer fertigungstechnisch einfachen und zuverlässigen Abdichtung des anschlussseitigen Endabschnitts (112) des Sensorelements (11) gegenüber dem Messgas, dem der messgasseitige Endabschnitt (111) des Sensorelements (11) ausgesetzt ist, und zur Reduzierung der axialen Bauhöhe des Gasmessfühlers trägt das Sensorelement (11) einen Ringflansch (13), der im Bereich zwischen den Endabschnitten (111, 112) angeordnet und gasdicht mit dem Sensorelement (11) verbunden ist. Im Gehäuse (12) ist eine ringförmige Radialschulter (123) ausgebildet, an der der Ringflansch (13) über einen zwischen Ringflansch (13) und Radialschulter (123) einliegenden Dichtungsring (14) axial festgespannt ist (Fig. 1).
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wie das Abgas einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Bei einem bekannten Gasmessfühler (
DE 195 32 090 A1 ) erfolgt die mechanische Halterung des Sensorelements im Gehäuse und die gasdichte Abdichtung des anschlussseitigen Endabschnitts des Sensorelements gegenüber dem messgasseitigen Endabschnitt durch zwei Keramikformteile und einer dazwischen angeordneten Dichtungspackung, die auf einen zwischen den beiden Endabschnitten liegenden mittleren Abschnitt des Sensorelements aufgeschoben sind und an der Gehäuseinnenwand anliegen. Die Dichtungspackung besteht aus drei Dichtungsscheiben, von denen die beiden äußeren Dichtungsscheiben aus Steatit und die dazwischenliegende Dichtungsscheibe aus Bornitrid bestehen. Die eine Steatit-Dichtungsscheibe liegt auf dem unteren Keramikformteil auf, das sich seinerseits an einer im Gehäuse ausgebildeten, umlaufenden Schrägschulter abstützt. Auf die obere Steatit-Dichtungsscheibe ist das obere Keramikformteil aufgesetzt, das an seiner von der Dichtungsscheibe abgekehrten Stirnseite von einer metallischen Haltekappe übergriffen ist. Die Haltekappe wird mit axialer Druckkraft auf das Gehäuse aufgeschoben, wobei die Dichtungspackung zusammengedrückt wird. Anschließend wird die Halteklappe im Bereich gehäuseseitiger Einkerbungen verstemmt. Durch diese Pressung der Dichtungspackung werden die drei Dichtungsscheiben axial gequetscht, wodurch sie sich einerseits an das Sensorelement und andererseits an die Gehäuseinnenwand anpressen. - Vorteile der Erfindung
- Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch den Ringflansch am Sensorelement und durch die Radialschulter im Gehäuse in Verbindung mit dem zwischen dem Ringflansch und der Radialschulter einliegenden Dichtungsring eine axiale Abdichtung zwischen Sensorelement und Gehäuse erreicht wird, die bezüglich ihrer Dichtwirkung wesentlich unproblematischer ist als eine radiale Abdichtung zwischen einem das Sensorelement umschließenden Dichtungselement und der Innenwand des Gehäuses. Die bei dem bekannten Gasmessfühlern zur guten, radialen Abdichtung immer vorhandene Dichtungspackung aus mehreren Dichtungsscheiben sowie die die Dichtungsscheiben pressenden Isolierbuchsen können entfallen. Dadurch wird einerseits der Fertigungsprozess vereinfacht, da die auf den Dichtungsring aufzubringende Anpresskraft wesentlich kleiner sein kann als die mittels Stempel und Gegenstempel auf die Dichtungspackung aufzubringende Presskräfte, die zu einer Quetschung der zwischen den Isolierbuchsen angeordneten Dichtungspackung erforderlich sind. Die auf den Dichtungsring wirkende Presskraft kann zudem durch Einbringen einer einfachen Verstemmung oder Rollierung in das Gehäuse auf der von dem Dichtungsring abgekehrten Seite des Ringflansches erzeugt und aufrechterhalten werden, insbesondere dann, wenn der Dichtungsring aus Metall gefertigt ist und einen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse aufweist. Durch Wegfall der bekannten Dichtungspackung kann andererseits die axiale Bauhöhe des Gasmessfühlers deutlich reduziert werden. Zudem übernimmt der Ringflansch bei der Montage des Messfühlers eine Zentrierfunktion sowie im Betrieb des Messfühlers eine Abstützfunktion gegenüber dem Gehäuse, wodurch eigenständige Schwingungen des Sensorelement vermindert werden.
- Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gasmessfühlers möglich.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bilden Sensorelement und Ringflansch eine Montageeinheit, wobei der Ringflansch aus keramischem Material besteht und auf das Sensorelement aufgesintert ist. Der Ringflansch kann dabei auf das im Grünzustand sich befindliche Sensorelement aufgeschoben und im Cofiring-Prozess zusammen mit dem Sensorelement gesintert werden. Ein zwischen dem Sensorelement und dem Ringflansch eingebrachter Folienbinder sorgt für eine gasdichte Verbindung zwischen Sensorelement und Ringflansch beim Sintern. Alternativ wird der Ringflansch auf das bereits gesinterte Sensorelement aufgeschoben und mittels des Folienbinders verklebt und im Postfiring-Prozess auf das bereits gesinterte Sensorelement aufgesintert. In beiden Fällen wird bevorzugt zwischen dem Sensorelement und dem Ringflansch noch eine Schicht, z.B. aus Glaspulver, angeordnet, die beim Sinterprozess entstehende mechanische Spannungen zwischen Sensorelement und Ringflansch reduziert.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der ebenfalls gesinterte Ringflansch mittels einer keramischen Vergussmasse oder eines keramischen Klebers auf dem bereits gesinterten Sensorelement fixiert.
- Gemäß einer optionalen Ausführungsform der Erfindung kann auf mindestens der von der Radialschulter abgekehrten Seite des Ringflansches, vorzugsweise auf beiden Seiten des Ringflansches, ein Dichtungselement aufliegen, das über eine Isolierbuchse, die vorzugsweise aus Keramik besteht, an dem Ringflansch angepresst wird. Die Presskraft wird dabei durch Einbringen einer Verstemmung oder Rollierung in das Gehäuse auf der von dem Dichtungselement abgekehrten Seite der Isolierbuchse erzeugt. Durch diese optionalen Maßnahmen wird neben einer zusätzlichen Dichtwirkung insbesondere eine längere Abstützung des Sensorelements am Gehäuse und damit eine verbesserte Schwingungsdämpfung für das Sensorelement erreicht.
- Zeichnung
- Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
-
1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gasmessfühlers mit Sensorelement, -
2 ausschnittweise eine perspektivische Ansicht des Sensorelements in1 . - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Der in
1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Gasmessfühler ist als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine konzipiert. Er weist ein planares Sensorelement11 mit einem dem Messgas ausgesetzten, messgasseitigen Endabschnitt111 , der gassensitiv ist, und mit einem anschlussseitigen Endabschnitt112 auf, der zum elektrischen Anschließen des Sensorelements11 an eine elektrische Anschlussleitung dient. In bekannter Weise sind auf dem anschlussseitigen Endabschnitt112 Kontaktflächen angeordnet, die einerseits über Leiterbahnen mit auf dem messgasseitigen Endabschnitt111 angeordneten Elektroden und andererseits über einen Verbindungsstecker mit Anschlussleitern der Anschlussleitung verbunden sind. Das Sensorelement11 ist in einem rohrförmigen oder hohlzylindrischen Gehäuse12 mit Abstand von der Gehäuseinnenwand124 gehalten und ragt mit seinen beiden Endabschnitten111 und112 an den Stirnseiten des Gehäuses12 heraus. Das Gehäuse12 ist im Durchmesser gestuft ausgebildet und weist einen oberen Gehäuseabschnitt121 mit kleinerem Durchmesser und einen unteren Gehäuseabschnitt122 mit größerem Durchmesser auf, wobei im Übergangsbereich der beiden Gehäuseabschnitte121 ,122 durch den sich hier ergebenden Versatz der Gehäuseinnenwand124 eine ringförmige Radialschulter123 entsteht, die hin zu dem messgasseitigen Endabschnitt111 des Sensorelements11 weist. Das üblicherweise aus Keramikschichten, vorzugsweise aus dünnen Folien, zusammengesetzte planare Sensorelement11 trägt in seinem zwischen dem messgasseitigen Endabschnitt111 und dem anschlussseitigen Endabschnitt112 liegenden Bereich einen Ringflansch13 , der gasdicht am Sensorelement11 festgelegt ist. Der Ringflansch13 besteht aus keramischem Material und ist auf das Sensorelement11 aufgesintert, so dass das Sensorelement mit Ringflansch13 eine Montageeinheit bildet. Hierzu kann der Ringflansch13 auf das im Grünzustand sich befindliche Sensorelement11 aufgesetzt und zusammen mit dem Sensorelement im sog. Cofiring-Prozess gesintert werden. Alternativ kann der Ringflansch13 auch auf das bereits gesinterte Sensorelement11 aufgeschoben und im sog. Postfiring-Prozess auf das Sensorelement11 aufgesintert werden. In beiden Fällen wird zwischen dem Ringflansch13 und dem Sensorelement11 ein Folienbinder eingebracht, der im Sinterprozess eine gasdichte Verbindung zwischen dem Ringflansch13 und dem Sensorelement11 herstellt. Um beim Sintern eventuell auftretende mechanische Spannungen an der Grenzfläche zwischen Ringflansch13 und Sensorelement11 abzubauen, kann zwischen Ringflansch13 und Sensorelement11 noch eine spannungsreduzierende Schicht, z.B. aus Glaspulver, vorgesehen werden. - Als weitere Alternative kann der gesinterte Ringflansch
13 auf dem ebenfalls gesinterten Sensorelement11 mittels einer keramischen Vergussmasse oder eines keramischen Klebers fixiert werden. - Der Ringflansch
13 ist so dimensioniert, dass er im wesentlichen passgenau in den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt122 eingeschoben werden kann und sich an die ebene Radialschulter123 im Gehäuse12 anzulegen vermag. Zwischen dem Ringflansch13 und der Radialschulter123 ist ein Dichtungsring14 eingelegt, der vorzugsweise ein Metallring ist. Auf der von dem Dichtungsring14 abgekehrten Rückseite des Ringflanschs13 ist in das Gehäuse12 eine vorzugsweise umlaufende, den Ringflansch13 hintergreifende Verstemmung23 so eingebracht, dass der Ringflansch13 mit einer bestimmten Presskraft axial auf den Dichtungsring14 aufgepresst wird. Anstelle einer Verstemmung kann auch eine Rollierung vorgenommen werden. Während des Verstemmens oder Rollierens wird dabei z.B. mittels eines in den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt122 eingeführten Pressstempels eine den Ringflansch13 auf den Dichtungsring14 und die Radialschulter123 aufpressende Axialkraft auf den Ringflansch13 aufgebracht. - Auf den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt
122 des Gehäuses12 ist ein Schutzrohr15 aufgeschoben, das den messgasseitigen Endabschnitt111 des Sensorelements11 mit Radialabstand umgibt. In dem Schutzrohr15 können Gasdurchtrittslöcher16 für das Mess- oder Abgas eingebracht sein. In diesem Fall kann die Stirnseite des Schutzrohrs15 auch durch einen Rohrboden, der ggf. weitere Gasdurchtrittslöcher aufweist, verschlossen sein. Das Schutzrohr15 ist wiederum durch Rollieren oder Verstemmen auf dem Gehäuse12 festgelegt, kann aber auch mit dem Gehäuse12 verschweißt werden. - Optional können im Gehäuse
12 noch zwei Dichtungselemente17 ,18 angeordnet sein, von denen jeweils eines auf einer der voneinander abgekehrten Stirnflächen des Ringflansches13 aufliegt. Auf jedes Dichtungselement17 bzw.18 ist eine Isolierbuchse19 bzw.20 aus keramischem Material aufgesetzt. Auf die Isolierbuchsen19 ,20 wird eine axiale Druckkraft aufgebracht, die die Dichtungselemente17 ,18 gegen den Ringflansch13 und gegen die Gehäuseinnenwand124 pressen. Zur Aufrechterhaltung der Druckkräfte wird auf der von den Dichtungselementen17 ,18 abgekehrten Seite der Isolierbuchsen19 ,20 jeweils eine die Isolierbuchsen19 ,20 hintergreifende Verstemmung21 bzw.22 in das Gehäuse12 eingebracht. Anstelle der Verstemmung21 ,22 kann auch jeweils eine Rollierung vorgenommen werden. - Wie hier nicht weiter dargestellt ist, werden üblicherweise der aus dem Gehäuse
12 herausragende, anschlussseitige Endabschnitt112 des Sensorelements11 und der darauf aufsitzende Verbindungsstecker von einer auf den durchmesserkleineren Gehäuseabschnitt121 des Gehäuses12 aufgeschobenen Schutzhülse umgeben, die auf der vom Gehäuse12 abgekehrten Stirnseite mit einer Kabeldurchführung für die Anschlussleitung abgeschlossen ist. - Die Erfindung kann in gleich vorteilhafter Weise auch bei Gasmessfühlern eingesetzt werden, die z.B. als Stickoxid-Sensoren die Konzentration von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren erfassen oder als Temperaturmesser zur Erfassung der Abgastemperatur ausgeführt sind.
Claims (12)
- Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem Gehäuse (
12 ) und mit einem im Gehäuse (12 ) mit Abstand von dessen Gehäuseinnenwand (124 ) gehaltenen Sensorelement (11 ), das mit einem messgasseitigen Endabschnitt (111 ) und mit einem anschlussseitigen Endabschnitt (112 ) aus dem Gehäuse (12 ) herausragt und zwischen den Endabschnitten (111 ,112 ) gegenüber der Gehäuseinnenwand (124 ) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11 ) einen Ringflansch (13 ) aufweist, der im Bereich zwischen den Endabschnitten (111 ,112 ) angeordnet und mit dem Sensorelement (11 ) gasdicht verbunden ist, und dass der Ringflansch (13 ) an einer an der Gehäuseinnenwand (124 ) ausgebildeten, ringförmigen Radialschulter (123 ) über einen zwischen Radialschulter (123 ) und Ringflansch (13 ) einliegenden Dichtungsring (14 ) axial festgespannt ist. - Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (
11 ) und der Ringflansch (13 ) eine Montageeinheit bilden. - Gasmessfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (
13 ) aus keramischem Material besteht und auf das Sensorelement (11 ) aufgesintert ist. - Gasmessfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung im Cofiring-Prozess von im Grünzustand sich befindlichem Sensorelement (
11 ) und darauf über einen Folienbinder aufsitzendem Ringflansch (13 ) erfolgt ist. - Gasmessfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung im Postfiring-Prozess auf das bereits gesinterte Sensorelement (
11 ) erfolgt ist. - Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensorelement (
11 ) und dem Ringflansch (13 ) eine spannungsreduzierende Schicht, z.B. aus Glaspulver, angeordnet ist. - Gasmessfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (
13 ) aus keramischem Material besteht und auf das Sensorelement (11 ), vorzugsweise mittels einer keramischen Vergussmasse oder eines keramischen Klebers, aufgeklebt ist. - Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Festspannung des Ringflansches (
13 ) auf den Dichtungsring (14 ) durch Einbringung einer Verstemmung oder Rollierung in das Gehäuse (12 ) vorgenommen ist. - Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialschulter (
123 ) am Gehäuse (12 ) so ausgebildet ist, dass sie zu dem messgasseitigen Endabschnitt (111 ) des Sensorelements (11 ) weist. - Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
12 ) hohlzylindrisch mit einem durchmessergrößeren und einem durchmesserkleineren Gehäuseabschnitt (122 ,121 ) ausgebildet ist und dass am Übergang der Gehäuseabschnitte (122 ,121 ) die Radialschulter (123 ) ausgebildet ist. - Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens der von der Radialschulter (
123 ) abgekehrten Seite des Radialflansches (13 ), vorzugsweise auf beiden Seiten des Ringflansches (13 ), ein Dichtungselement (17 ,18 ), vorzugsweise aus Steatit, an dem Ringflansch (13 ) anliegt und dass auf dem Dichtungselement (17 ,18 ) eine Isolierbuchse (19 ,20 ), vorzugsweise aus Keramik, aufliegt, die durch Einbringung einer Verstemmung (21 ,22 ) oder Rollierung in das Gehäuse (12 ) axial gegen das Dichtungselement (17 ,18 ) gepresst ist. - Gasmessfühler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf den durchmessergrößeren Gehäuseabschnitt (
122 ) ein dem messgasseitigen Endabschnitt (111 ) des Sensorelements (11 ) mit Radialabstand umgebendes Schutzrohr (15 ) aufgeschoben und am Gehäuse (12 ) durch Verstemmung, Rollierung oder Schweißen befestigt ist.
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