DE102009002990A1

DE102009002990A1 - Hochdrucksensor

Info

Publication number: DE102009002990A1
Application number: DE102009002990A
Authority: DE
Inventors: Thomas Moelkner; Wilhelm Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Also published as: JP2012526290A; WO2010130478A1; US20120067131A1; EP2430419A1

Abstract

Es wird ein Aufbaukonzept für Hochdrucksensoren vorgeschlagen, das eine einfache und kostengünstige Herstellung von zuverlässigen Hochdrucksensoren auch für Druckbereiche oberhalb 2200 bar ermöglicht. Ein derartiger Hochdrucksensor (10) umfasst ein Sensorelement (1) zur Druckerfassung und ein Anschlussstück (2) zur Ankopplung des Sensorelements (1) an ein Messsystem, wobei im Grundkörper (11) des Sensorelements (1) eine Membran (13) über einer Sacköffnung (12) ausgebildet ist, wobei im Grundkörper (21) des Anschlussstücks (2) ein Druckkanal (22) ausgebildet ist und wobei das Sensorelement (1) so auf dem Anschlussstück (2) montiert ist, dass die Membran (13) über den in die Sacköffnung (12) mündenden Druckkanal (22) mit einem Messdruck beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist die Sacköffnung (12) im Grundkörper (11) des Sensorelements (1) zumindest in einem Abschnitt konisch auf die Membran (13) zulaufend ausgebildet und das dem Sensorelement (1) zugewandte Ende (23) des Druckkanals (22) ist rohrförmig ausgebildet. Dieses rohrförmige Ende (23) des Druckkanals (22) ist in die Sacköffnung (12) eingepresst, so dass die Rohrwandung zumindest in einem Umfangsbereich dichtend gegen die Seitenwandung der Sacköffnung (12) gepresst ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor mit einem Sensorelement zur Druckerfassung und mit einem Anschlussstück zur Ankopplung des Sensorelements an ein Messsystem. Im Grundkörper des Sensorelements ist eine Membran über einer Sacköffnung ausgebildet und im Grundkörper des Anschlussstücks ist ein Druckkanal ausgebildet. Das Sensorelement ist so auf dem Anschlussstück montiert, dass die Membran über den in die Sacköffnung mündenden Druckkanal mit einem Messdruck beaufschlagbar ist.
Üblicherweise werden das Sensorelement und das Anschlussstück unabhängig voneinander jeweils aus einem metallischen Grundkörper gefertigt. Im Falle des Sensorelements wird im Grundkörper eine Sacköffnung erzeugt, um eine Membran in der gegenüberliegenden Oberfläche des Grundkörpers freizulegen. Auf die Membranoberfläche wird eine Funktionsschicht mit Schaltungselementen zur Signalerfassung aufgebracht, wozu bevorzugt Verfahren der Halbleitertechnik eingesetzt werden. Im Grundkörper des Anschlussstücks wird ein Druckkanal ausgebildet. Außerdem kann das Anschlussstück beispielsweise noch mit einem Gewinde zur Ankopplung an das Messsystem versehen werden. Das Sensorelement wird dann so auf dem Anschlussstück montiert, dass der Druckkanal in die rückwärtige Sacköffnung des Sensorelements mündet, wobei die Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Anschlussstück druckdicht sein muss.
Aus der Praxis sind verschiedene Konzepte zum Aufbau derartiger Hochdrucksensoren mit einem Sensorelement und einem Anschlussstück bekannt. Insbesondere wenn der Hochdrucksensor in einem Druckbereich oberhalb 2200 bar eingesetzt werden soll, erweist sich die Montage des Sensorelements auf dem Anschlussstück als problematisch.
Aus Kostengründen wird das Sensorelement meist mit dem Anschlussstück verschweißt. Dabei muss darauf geachtet werden, dass weder der Druckkanal im Anschlussstück noch die Sacköffnung des Sensorelements verschlossen, verschmutzt oder ungünstig deformiert werden, was die Herstellung einer Schweißverbindung mit reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften erschwert. Die Druckfestigkeit der Schweißverbindung wird durch die Geometrie der Schweißnaht und deren Kontaktfläche zum Sensorelement und zum Anschlussstück beeinflusst. Kerben oder Vertiefungen in der Schweißverbindung bilden bei hohen Druckbelastungen, insbesondere bei Pulsationsbelastungen, Ausgangspunkte für Risse. Der Anwendungsbereich derartiger Hochdrucksensoren ist daher typischerweise auf Druckbereiche kleiner 2200 bar limitiert.
Zuverlässiger als eine Schweißverbindung zwischen dem Sensorelement und dem Anschlussstück sind Klemmverbindungen. Diese eignen sich auch für den Einsatz bei Drücken größer 10000 bar. Allerdings sind die damit verbundenen Kosten sehr hoch, so dass diese Aufbau- und Verbindungstechnik nur in Kleinstserien für Spezialapplikationen zur Anwendung kommt.
Schließlich sei noch erwähnt, dass das Sensorelement und das Anschlussstück auch einteilig aus einem metallischen Grundkörper hergestellt werden können. In diesem Fall können die Schaltungselemente zur Signalerfassung aber aufgrund der Bauteilgröße nicht ohne weiteres mit Verfahren der Halbleitertechnik auf die Sensormembran aufgebracht werden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Aufbaukonzept für Hochdrucksensoren vorgeschlagen, das eine einfache und kostengünstige Herstellung von zuverlässigen Hochdrucksensoren auch für Druckbereiche oberhalb 2200 bar ermöglicht.
Dazu ist die Sacköffnung im Grundkörper des Sensorelements erfindungsgemäß zumindest in einem Abschnitt konisch auf die Membran zulaufend ausgebildet, während das dem Sensorelement zugewandte Ende des Druckkanals rohrförmig ausgebildet ist. Dieses rohrförmige Ende des Druckkanals ist erfindungsgemäß in die Sacköffnung eingepresst, so dass die Rohrwandung zumindest in einem Umfangsbereich dichtend gegen die Seitenwandung der Sacköffnung gepresst ist.
Erfindungsgemäß wird die Abdichtung des Mündungsbereichs zwischen Druckkanal des Anschlussstücks und Sacköffnung des Sensorelements von der mechanischen Fixierung des Sensorelements auf dem Anschlussstück entkoppelt. Die Dichtwirkung wird erfindungsgemäß durch Einpressen des rohrförmigen Endes des Druckkanals in die konisch geformte Sacköffnung in der Rückseite des Sensorelements erzielt. Derartige Klemmdichtungen sind auch im Hochdruckbereich oberhalb 2200 bar besonders zuverlässig. Die Dichtwirkung ist hier unabhängig von einer mechanischen Verbindung der Grundkörper von Sensorelement und Anschlussstück. Demnach kann die mechanische Verbindung zwischen den beiden Grundkörpern vom Mündungsbereich zwischen Druckkanal und Sacköffnung beabstandet angeordnet werden. Da diese mechanische Verbindung nicht druckdicht sein muss sondern lediglich der Fixierung des Sensoraufbaus dient, kann hierfür eine beliebige Verbindungstechnik verwendet werden.
In einer einfachsten Variante des erfindungsgemäßen Hochdrucksensors weist das rohrförmige Ende des Druckkanals einen über seine gesamte Länge gleichbleibenden kreisrunden Querschnitt auf. In diesem Fall wird das freie Ende des Druckkanals dichtend gegen die Seitenwandung der Sacköffnung gepresst. Eine im Vergleich dazu bessere Dichtwirkung lässt sich erzielen, wenn das rohrförmige Ende des Druckkanals eine konische Reduzierung aufweist und die Kegelsteigung dieser Reduzierung größer ist als die Kegelsteigung der Sacköffnung. Durch diese Maßnahme kann nämlich die Berührungsfläche zwischen Rohrwandung und Seitenwandung der Sacköffnung insgesamt vergrößert werden. Außerdem vereinfacht sich bei dieser Ausgestaltung des rohrförmigen Endes die Montage des Sensorelements auf dem Anschlussstück.
Wie bereits erwähnt, kann die mechanische Verbindung zwischen den Grundkörpern von Sensorelement und Anschlussstück auf beliebige Art und weise hergestellt werden. In einer besonders kostengünstigen Variante sitzt der Grundkör per des Sensorelements auf dem Grundkörper des Anschlussstücks auf und wird im Randbereich der Verbindungsfläche mit diesem verschweißt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand einer schematischen Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Hochdrucksensor 10 in der einzigen Figur.
Ausführungsform der Erfindung
Der in der einzigen Figur dargestellte Hochdrucksensor 10 umfasst ein Sensorelement 1 zur Druckerfassung und ein Anschlussstück 2 zur Ankopplung des Sensorelements 1 an ein hier nicht dargestelltes Messsystem. Sowohl das Sensorelement 1 als auch das Anschlussstück 2 sind jeweils aus einem metallischen Grundkörper 11 bzw. 21 gefertigt.
Im Grundkörper 11 des Sensorelements 1 wurde eine Sacköffnung 12 erzeugt, um eine Membran 13 in der gegenüberliegenden Oberfläche des Grundkörpers 11 freizulegen. Diese Sacköffnung 12 hat einen konisch auf die Membran 13 zulaufenden Öffnungsbereich 121, der in einen zylinderförmigen Endbereich 122 übergeht. Auf die Membran 13 wurde eine Funktionsschicht 14 mit Schaltungselementen zum Erfassen der Membrandeformationen aufgebracht.
Im Grundkörper 21 des Anschlussstücks 2 ist ein Durchgangskanal als Druckkanal 22 mit einer rohrförmigen Verlängerung 23 ausgebildet. Der kreisrunde Querschnitt des Druckkanals 22 verjüngt sich im Mittelbereich des Grundkörpers 21 bis auf die Querschnittsfläche seiner rohrförmigen Verlängerung 23. Außerdem ist in der Außenseite des Anschlussstücks 2 ein Außengewinde 24 ausgebildet, so dass der Hochdrucksensor 10 in eine entsprechende Anschlussöffnung des Messsystems geschraubt werden kann.
Das Sensorelement 1 wurde so auf dem Anschlussstück 2 montiert, dass der Druckkanal 22 in die Sacköffnung 12 unter der Membran 13 mündet. Damit die Membran 13 über den Druckkanal 22 mit einem Messdruck beaufschlagt werden kann, wurde das rohrförmige Ende 23 des Druckkanals 22 in die Sacköffnung 12 des Sensorelements 1 eingepresst, so dass das freie Ende 231 der zylindrischen Rohrwandung dichtend gegen den konisch auf die Membran 13 zulaufenden Abschnitt der Seitenwandung der Sacköffnung 12 gepresst ist. Diese Klemmdichtung hält auch sehr hohen Drücken stand.
Die Sacköffnung 12 im Grundkörper 11 des Sensorelements 1 und das rohrförmige Ende 23 des Druckkanals 22 sind so dimensioniert und konfiguriert, dass die voranstehend beschriebene Dichtwirkung gegeben ist, wenn der Grundkörper 11 des Sensorelements 1 auf dem Grundkörper 21 des Anschlussstücks 2 aufsitzt. Diese Anordnung wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine an der Verbindungsfläche der beiden Grundkörper 11 und 21 umlaufende Schweißnaht 25 fixiert.

Claims

Hochdrucksensor (10) mit einem Sensorelement (1) zur Druckerfassung und mit einem Anschlussstück (2) zur Ankopplung des Sensorelements (1) an ein Messsystem, wobei im Grundkörper (11) des Sensorelements (1) eine Membran (13) über einer Sacköffnung (12) ausgebildet ist, wobei im Grundkörper (21) des Anschlussstücks (2) ein Druckkanal (22) ausgebildet ist, und wobei das Sensorelement (1) so auf dem Anschlussstück (2) montiert ist, dass die Membran (13) über den in die Sacköffnung (12) mündenden Druckkanal (22) mit einem Messdruck beaufschlagbar ist; dadurch gekennzeichnet, – dass die Sacköffnung (12) im Grundkörper (11) des Sensorelements (1) zumindest in einem Abschnitt konisch auf die Membran (13) zulaufend ausgebildet ist, – dass das dem Sensorelement (1) zugewandte Ende (23) des Druckkanals (22) rohrförmig ausgebildet ist und – dass das rohrförmige Ende (23) des Druckkanals (22) in die Sacköffnung (12) eingepresst ist, so dass die Rohrwandung zumindest in einem Umfangsbereich dichtend gegen die Seitenwandung der Sacköffnung (12) gepresst ist.
Hochdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Ende des Druckkanals eine konische Reduzierung aufweist, wobei die Kegelsteigung dieser Reduzierung größer ist als die Kegelsteigung der Sacköffnung.
Hochdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (11) des Sensorelements (1) auf dem Grundkörper (21) des Anschlussstücks (2) aufsitzt und durch mindestens eine Schweißverbindung (25) fixiert ist.