DE102021108441A1

DE102021108441A1 - Befestigungsvorrichtung für ein temperaturstabiles, transparentes Element, sowie Partikelsensor, umfassend die Befestigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021108441A1
Application number: DE102021108441.5A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Sußebach; Christian MIx; Helmut Hartl
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-10-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Befestigungsvorrichtung für ein temperaturstabiles Element mit hoher Transparenz, etwa ein Glas, eine Keramik oder eine Glaskeramik. Die Erfindung betrifft ferner einen Partikelsensor, umfassend eine derartige Befestigungsvorrichtung.Vorgeschlagen wird eine Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes, insbesondere dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen oberhalb von 300 °C, bevorzugt oberhalb von 350 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 380 °C, umfassend einen Grundkörper und ein temperaturstabiles Element, wobei der Grundkörper eine durchgehende Öffnung umfasst, welche im Bereich des Halteabschnittes ausgebildet ist zur Aufnahme und Halterung des temperaturstabilen Elementes, und wobei das temperaturstabile Element im Betrieb für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm eine Transparenz von wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 84 % und besonders bevorzugt wenigstens 86 % aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Befestigungsvorrichtung für ein temperaturstabiles Element mit hoher Transparenz, etwa ein Glas, eine Keramik oder eine Glaskeramik. Die Erfindung betrifft ferner einen Partikelsensor, umfassend eine derartige Befestigungsvorrichtung.
Im Zuge eines steigenden Umweltbewusstseins kommt den Emissionen von Verbrennungskraftmaschinen eine zunehmende Bedeutung zu. Von besonderem Interesse in diesem Zusammenhang sind häufig Partikel, etwa Rußpartikel, welche sich in dem Abgasstrom derartiger Verbrennungskraftmaschinen befinden können.
So ist aus der US 4,567,750 ein Rußpartikelsensor basierend auf einer Widerstandmessung mit elektrisch beheizbaren Flächen bekannt, wobei eine der Flächen beheizt wird und sich Rußpartikel auf den Flächen ablagern können.
Eine Weiterentwicklung dieses resistiven Sensorprinzips ist in der DE 103 40 748 dargestellt.
Weitere Entwicklungen betreffen opto-elektronische Partikelsensoren, wie sie etwa aus der DE 10 2017 104 378 A1 bekannt sind. Diese arbeiten mit einem emittierenden und einem detektierenden opto-elektronischen Halbleiterchip. Nachteilig bei diesen Verfahren ist der Zeitverzug bei der Messung.
Neuere Entwicklungen gehen in Richtung optischer Verfahren, etwa basierend auf der laserinduzierten Inkandeszenz zur Messung oder Analyse von Partikelströmen, etwa zur Bestimmung von Rußvolumenanteilen.
Eine gute Datenbasis hinsichtlich der Eigenschaften der Partikelströme, etwa einem Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschinen, kann wertvoll sein, um die Funktionalität der Verbrennungskraftmaschine zu überprüfen oder auch die Verbrennungskraftmaschine zu regeln oder zu optimieren. Damit ist es beispielsweise möglich, einen Dieselpartikelfilter in seiner Funktionalität zu überwachen, und, wenn die gewonnenen Daten entsprechend genutzt werden, die Emissionen zu reduzieren.
Hierzu kann es erforderlich sein, optische Komponenten bzw. die Messeinrichtung oder Teile davon in die Nähe oder sogar in den Partikelstrom einzubringen. In diesen Fällen ist es allerdings notwendig, die zugehörigen Komponenten vor Gas oder Partikeln zu schützen, um Abrasion und Verschmutzungen zu vermeiden, und, etwa bei Abgasströmen von Verbrennungskraftmaschinen, die Komponenten auch vor der auftretenden Wärme, die mehrere 100 °C betragen kann.
Wünschenswert ist demnach eine Vorrichtung zum Unterbringen und/oder Haltern von Komponenten, etwa optischer Komponenten einer Messeinrichtung, welche zum einen dicht, vorzugsweise fluiddicht oder hermetisch dicht ist, um die Komponenten zu schützen, insbesondere, wenn sie in den Partikelstrom hineinragen. Zum anderen sollte diese Vorrichtung auch hohen Temperaturen und Vibrationen, wie sie etwa in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine auftreten können, widerstehen können.
Dabei sollte die Vorrichtung auch zumindest in einem Abschnitt oder Bereich eine hohe Transparenz aufweisen, so dass Lichtstrahlen, zum Beispiel Anregungslicht einer Lichtquelle, die Vorrichtung verlassen können bzw. in diese eintreten, etwa reflektierte Lichtstrahlen.
Schließlich sollte die Vorrichtung auch einfach und flexibel in der Nähe des Partikelstromes, also beispielsweise an einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, montiert werden können.
Dabei sollte die Vorrichtung auch dauerbetriebsfest bei den auftretenden Temperaturen sein.
Dieser Aufgabe haben sich die Erfinder angenommen.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch eine Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes, insbesondere dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen oberhalb von 300 °C, bevorzugt oberhalb von 350 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 380 °C, sowie einem Partikelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Das temperaturstabile Element kann von Vorteil eine geringe Wärmeausdehnung aufweisen. Hierunter wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient verstanden, welcher vorliegend als linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE = „Coefficient of Thermal Expansion“) angegeben wird.
Eine geringe Wärmeausdehnung des temperaturstabilen Elements meint damit im Sinne der Erfindung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten des temperaturstabilen Elements von nicht größer ist als 9 * 10-6/K in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C, bevorzugt nicht größer als 7,5 * 10-6/K, weiterhin bevorzugt nicht größer als 7 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht größer als 6,5 * 10-6/K.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Befestigungsvorrichtung

- einen Grundkörper mit zumindest einem Halteabschnitt, einem an diesen Halteabschnitt angrenzenden Rohrabschnitt mit einer umlaufenden Wandung sowie mit einem an diesen Rohrabschnitt angrenzenden Befestigungsabschnitt, und
- ein temperaturstabiles Element,

Das temperaturstabile Element ist dabei derart ausgewählt, dass es sowohl bei Raumtemperatur als auch im Betrieb, also auch bei hohen Temperaturen, wie sie bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung auftreten können, für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm eine Transparenz von wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 84 % und besonders bevorzugt wenigstens 86 % aufweist.
Transparenz bedeutet, dass das temperaturstabile Element insbesondere für die angegebene elektromagnetische Strahlung transmittierend ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Befestigungsvorrichtung

- einen Grundkörper mit zumindest einem Halteabschnitt, einem an diesen Halteabschnitt angrenzenden Rohrabschnitt mit einer umlaufenden Wandung sowie mit einem an diesen Rohrabschnitt angrenzenden Befestigungsabschnitt,
- ein temperaturstabiles Element, und
- ein Haltemittel,

Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist das temperaturstabile Element derart ausgewählt, dass es sowohl bei Raumtemperatur als auch im Betrieb für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm eine Transparenz von wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 84 % und besonders bevorzugt wenigstens 86 % aufweist.
Eine Verbesserung der Transparenz kann erreicht werden, wenn das temperaturstabile Element beispielsweise auf der dem Partikelstrom abgewandten Seite eine Beschichtung, beispielsweise eine einschichtige Antireflex-Beschichtung, umfasst.
Hierdurch kann das Streuverhalten des temperaturstabilen Elements bei Durchtritt von elektromagnetischen Strahlen reduziert werden, so dass die Transparenz um beispielsweise 2 % oder sogar 4 % verbessert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das temperaturstabile Element demnach eine Transparenz für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm von wenigstens 90 %, bevorzugt wenigstens 92 % und besonders bevorzugt wenigstens 94 % auf.
Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung ermöglicht es, optische Komponenten oder andere Komponenten einer Messeinrichtung in der Nähe eines Partikelstromes anzuordnen oder sogar in einen Partikelstrom einzubringen, wobei sie durch die Befestigungsvorrichtung bzw. den Grundkörper der Befestigungsvorrichtung geschützt sein können. In anderen Worten, die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung kann eine Art Interface zwischen einem Messvolumen und einer Messeinrichtung darstellen.
Der Partikelstrom kann ein strömendes Fluid umfassen, beispielsweise ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Für eine einfache und flexible Montage in der Nähe des Partikelstromes ist der Befestigungsabschnitt des Grundkörpers vorgesehen, über den oder mit dem der Befestigungsabschnitt montiert und fest mit einer den Partikelstrom führenden Einheit verbunden werden kann. Dies kann beispielsweise der Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine sein.
Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung kann somit beispielsweise mittels Schweißen dauerhaft fest mit der den Partikelstrom führenden Einheit, also zum Beispiel dem Abgasstrang, verbunden werden, womit eine dichte und dauerbetriebsfeste Verbindung geschaffen werden kann. Die Befestigungsvorrichtung kann somit einfach und flexibel in der Nähe des Partikelstromes angebracht werden. Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, auch an einer Innenseite eines Abgasstranges, welche zu dem Partikelstrom hinweist, montiert werden zu können, so dass zumindest ein Teil der Befestigungsvorrichtung in den Partikelstrom hineinragt.
Eine Schweißverbindung ist insofern günstig, als dass sie neben möglicherweise im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen auch im Betrieb auftretenden Vibrationen, wie sie etwa in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine auftreten können, widerstehen kann und somit als dauerbetriebsfest, auch bei Hochtemperatur-Anwendungen oberhalb von 300 °C, bevorzugt oberhalb von 350 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 380 °C, angesehen werden kann.
Der Grundkörper umfasst ferner einen Rohrabschnitt mit einer umlaufenden Wandung, welcher an den Befestigungsabschnitt angrenzt, sowie einen an den Rohrabschnitt angrenzenden Halteabschnitt, welcher demnach an der dem Befestigungsabschnitt gegenüberliegenden Seite des Rohrabschnittes angeordnet ist. Die durchgehende Öffnung des Grundkörpers ist im Bereich des Halteabschnittes von Vorteil ausgebildet zur Aufnahme und/oder Halterung des temperaturstabilen Elementes.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das temperaturstabile Element, vorzugsweise mit seiner Seitenwand, mit einem Haltemittel in der Öffnung gehaltert. Das Haltemittel, auf welches weiter unten vertiefend eingegangen wird, ist von Vorteil derart ausgewählt, dass die durchgehende Öffnung des Grundkörpers im Bereich des Halteabschnittes fluiddicht, vorzugsweise hermetisch dicht, verschlossen werden kann.
Auf diese Weise ist es möglich, optischen Komponenten oder sonstige Bauteile der Messeinrichtung vor den Partikeln zu schützen, wenn sie auf der dem Partikelstrom entgegengesetzten Seite der Befestigungseinrichtung angeordnet sind, und, etwa bei Abgasströmen von Verbrennungskraftmaschinen, auch vor Wärmeeinwirkung. Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung kann somit auch derart angeordnet werden, dass sie in den Partikelstrom, beispielsweise einen Abgasstrom, hineinragt bzw. zumindest abschnittsweise in einem Partikelstrom angeordnet ist.
Die transparente Ausbildung des temperaturstabilen Elementes ermöglicht es, dass elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm, beispielsweise sichtbares Licht, Anregungslicht oder gestreutes oder reflektiertes Licht, oder Laserlicht, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 820 bis 840 nm, aus der Befestigungsvorrichtung austreten bzw. von außen in die Befestigungsvorrichtung durch dieses „Fenster“ eintreten kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Befestigungsvorrichtung dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen ab wenigstens 400 °C, bevorzugt ab wenigstens 500 °C und besonders bevorzugt ab wenigstens 600 °C. Eine derartige Ausbildung der Befestigungsvorrichtung ermöglicht insbesondere die Anordnung in Partikelströmen wie Abgasströmen von Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen Temperaturen von mehr als 500 °C oder auch deutlich darüber auftreten können.
Als hochtemperaturfest oder hochtemperaturstabil wird vorliegend ein Material und/oder ein Bauteil bezeichnet, wenn es bei der geforderten Temperatur, also ab vorzugsweise wenigstens 400 °C, bevorzugt ab wenigstens 500 °C und besonders bevorzugt ab wenigstens 600 °C und mehr eingesetzt werden kann, insbesondere mehr 100 h oder mehr, vorzugweise 500 h oder mehr und besonders bevorzugt 1000 h oder mehr. Insbesondere kann das Material und/oder das Bauteil bei diesen Temperaturen über die genannten Zeiträume stabil gegen Verformungen ausgebildet sein.
Eine Dauerbetriebsfestigkeit in diesen Temperaturbereichen ermöglicht es zudem in vorteilhafter Weise, im Betrieb pyrolytische Reinigungsverfahren anzuwenden, also thermochemische Umwandlungsprozesse zur Zersetzung von organischen Verbindungen, welche in der Regel ab etwa 400 °C bis 500 °C stattfinden. Gerade bei sehr warmen Partikelströmen wie etwa Abgasströmen mit beispielsweise Rußpartikeln ist dies ein sehr großer Vorteil, da andernfalls das transparente Element rasch verschmutzen und die Transparenz schnell abnehmen würde.
Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung ist demnach dauerbetriebsfest auch bei betrieblich sehr hohen Temperaturen von 400 °C, 500 °C, 600 °C oder mehr. Bevorzugt ist dabei die Befestigungsvorrichtung rüttel- und vibrationsstabil gemessen nach ISO 16750-3.
Die durchgehende Öffnung des Grundkörpers ist mittels des temperaturstabilen Elements und/oder mittels des temperaturstabilen Elements und des Haltemittels fluiddicht, vorzugsweise hermetisch dicht, verschlossen.
Als fluiddicht wird eine solche Verbindungen bezeichnet, beispielsweise eine Metall-Glas-Verbindung, wenn diese Verbindung abdichtet, also gegen den Austritt oder Durchtritt von fluiden Medien dicht ist und bevorzugt im Wesentlichen vollständig (hermetisch) dicht ist. Die Dichtigkeit kann dabei durch einen Lecktest, üblicherweise mittels eines Helium-Lecktesters, bestimmt werden.
Helium-Leckraten kleiner 2 * 10^-8mbar*l/s oder 1 * 10^-8 mbar*l/s bei Raumtemperatur zeigen an, dass eine im Wesentlichen vollständig hermetische Dichtung vorliegt. Vorzugsweise kann diese Messung mit einer Druckbeaufschlagung von einem Bar erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung eine Helium-Leckrate von höchstens 5 * 10^-8 mbar*l/s auf. Besonders niedrige Helium-Leckraten der Befestigungsvorrichtung von höchstens 2 * 10^-8 mbar*l/s und besonders bevorzugt höchstens 1 * 10^-8 mbar*l/s können erreicht werden, wenn zwischen Grundkörper und temperaturstabilen Element ein besonderes Haltemittel eingebracht ist, wobei gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein zumindest teilweise kristallisiertes Glas, auf welches weiter unten näher eingegangen wird, als Haltemittel verwendet wird.
Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft, da auf diese Weise sowohl eine ausreichende mechanische Steifigkeit erzielt wird, jedoch eine solche Verbindung noch über eine gewisse Elastizität verfügt. Dies ist vorteilhaft bei Temperaturwechselbelastungen und führt daher in vorteilhafter Weise zu einer besonders temperaturstabilen Verbindung in der Verbindungszone, in welcher der Halteabschnitt des Grundkörpers mit dem temperaturstabilen Element und/oder dem Haltemittel in Kontakt steht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnung und/oder der Grundkörper, insbesondere der Halteabschnitt, der Rohrabschnitt und/oder der Befestigungsabschnitt kreisförmig, bevorzugt zylindersymmetrisch, ausgebildet. Dies führt, gerade bei hohen Temperaturen und Temperaturwechselbelastungen, zu einer vergleichsweise homogenen Temperaturverteilung in dem Grundkörper, so dass Temperaturspitzen oder Bereiche mit stärkeren Temperaturdifferenzen, wie sie etwa bei Ecken oder Kanten entstehen können, vermieden und mechanische Spannungen reduziert werden können.
Der Grundkörper kann demnach von Vorteil hülsenförmig ausgebildet sein mit einer Mittenachse, wobei die Öffnung zur Aufnahme und Halterung des temperaturstabilen Elementes vorzugsweise ebenfalls kreisförmig, bevorzugt zylindersymmetrisch, ausgebildet und koaxial zu dem Grundkörper angeordnet ist.
Grundsätzlich sind auch andere Geometrien bzw. Querschnitte vorstellbar, etwa viereckige oder mehreckige, mit geraden oder gebogenen Wandabschnitten. Allerdings sind diese zum einen aufwendiger in der Fertigung, zum anderen auch ungünstiger in Bezug auf die Temperaturverteilung wie vorstehend ausgeführt. Es versteht sich, dass die Öffnung zumindest im Bereich des Halteabschnitts von Vorteil passgenau gegengleich zu dem aufzunehmenden temperaturstabilen Element ausgebildet ist.
Geeignete, hochtemperaturstabile und transparente oder im Wesentlichen transparente Elemente, beispielsweise bestimmte Gläser oder Glaskeramiken, verfügen häufig über einen niedrigen oder sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Da das temperaturstabile Element bzw. das temperaturstabile Element mit dem Haltemittel bündig und im Betrieb dauerhaft abdichtend in die Öffnung des Grundkörpers eingepasst werden muss, um die Öffnung fluiddicht bzw. hermetisch dicht auch bei den geforderten Temperaturen zu verschließen, kann es daher günstig sein, für den Grundkörper ebenfalls ein Material zu wählen, welches über einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügt wie das temperaturstabile Element.
Derartige Materialien sind aber häufig nicht hinreichend temperaturstabil, um dauerbetriebsfest bei den geforderten hohen Temperaturen zu sein. So kann es bei einigen grundsätzlich geeigneten Werkstoffen zu einem Kriechen kommen, was zu irreversiblen Verformungen des Grundkörpers führen und damit die Dichtigkeit beeinträchtigen kann. Des Weiteren sind derartige Materialien häufig kostenintensiv in der Beschaffung und/oder aufwendig in der Bearbeitung oder auch bei der Montage.
Überraschend haben die Erfinder herausgefunden, dass eine bestimmte Gestaltung des Grundkörpers dazu führen kann, dass für den Grundkörper auch Materialien bzw. Werkstoffe ausgewählt werden können, welche über einen höheren oder sogar deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen als das temperaturstabile Element, und wobei dennoch auch bei den geforderten Temperaturen die Öffnung dauerbetriebsfest fluiddicht bzw. hermetisch dicht verschlossen werden kann.
Von Vorteil umfasst der Grundkörper dazu Kompensationsmittel, welche es ermöglichen, Kräfte, welche bei größeren Temperaturwechseln entstehen können, derart abzufangen bzw. zu kompensieren, dass sie nicht in vollem Umfang auf das temperaturstabile Element bzw. die Verbindungszone einwirken. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass in der Verbindungszone zu hohe mechanische Spannungen auftreten, welche zu Rissen oder Ablösungen führen können, und welche in der Konsequenz zu Undichtigkeiten führen können.
Der erfindungsgemäße Grundkörper ist daher in einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt zumindest einen ersten Abschnitt umfasst, welcher an den Befestigungsabschnitt angrenzt und als Übergangsabschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten Abschnitt, welcher als Kompensationsabschnitt ausgebildet ist. Der Kompensationsabschnitt grenzt an den Halteabschnitt des Grundkörpers an. Im Sinne der Erfindung stellt der Kompensationsabschnitt Kompensationsmittel zur Verfügung, um Unterschiede im Wärmeausdehnungsverhalten bei Temperaturwechseln in den geforderten Bereichen zumindest zum Teil zu kompensieren. Der Übergangsabschnitt und der Kompensationsabschnitt bilden demnach zusammen den Rohrabschnitt des Grundkörpers und umfassen jeweils eine umlaufende Wandung, welche aneinander grenzt.
In axialer Richtung kann der Kompensationsabschnitt eine Ausdehnung aufweisen, welche wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 % und besonders bevorzugt wenigstens 70 % der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts entspricht. Dies ermöglicht eine entsprechend kompakte Bauform, da aus Stabilitätsgründen eine gewisse Mindestlänge bzw. Ausdehnung in axialer Richtung für den Übergangsabschnitt günstig sein kann.
Der Kompensationsabschnitt kann auch eine axiale Ausdehnung von 100 % der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts aufweisen, was bedeutet, dass in diesem Fall beide Abschnitte in ihrer axialen Ausdehnung gleich sind. Die axiale Ausdehnung des Kompensationsabschnitts kann grundsätzlich auch größer sein als die axiale Ausdehnung des Übergangsabschnitts, wobei hier aber darauf zu achten ist, dass die Gesamtlänge des Grundkörpers nicht zu groß wird. Im Allgemeinen kann es hinreichend sein, wenn die axiale Ausdehnung des Kompensationsabschnitts nicht mehr als das Fünffache der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts beträgt.
In einer Ausführungsform weist der Kompensationsabschnitt zumindest einen verjüngten Abschnitt als Kompensationsmittel mit einer Querschnittsfläche auf, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche des Übergangsabschnitts. Dies führt dazu, dass Hebelkräfte, welche bei den Temperaturwechseln entstehen und welche in radialer Richtung wirken können, nicht vollständig bzw. deutlich abgeschwächt von dem Befestigungsabschnitt auf den Halteabschnitt des Grundkörpers übertragen werden können. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform grenzt daher der Kompensationsabschnitt mit der verringerten Querschnittsfläche direkt an den Halteabschnitt an.
Dies reduziert die mechanischen Spannungen, welche auf die Verbindungszone einwirken können, deutlich, wodurch die Gefahr von Ablösungen oder Rissen in der Verbindungszone minimiert und die Gefahr von Undichtigkeiten im Betrieb verringert werden kann.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es zudem auch, den Grundkörper kostengünstig aus mehreren Teilen zu fertigen, beispielsweise den Rohrabschnitt einerseits und den Halteabschnitt andererseits, und dann beide Bauteile dauerhaft fest miteinander zu verbinden, etwa mittels Schweißen oder Löten. Hierdurch kann auch in einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Halteabschnitt mit dem temperaturstabilen Element verbunden werden, bevor der Rohrabschnitt gefügt wird.
Es hat sich gezeigt, dass bereits eine geringe Reduzierung der Querschnittsfläche um ca. 1 %, besser wenigstens 5 %, bevorzugt um wenigstens 10 % und besonders bevorzugt um wenigstens 20 % diese Hebelwirkung deutlich reduziert. Eine zu große Reduzierung der Querschnittsfläche, beispielsweise um mehr als 70 %, hat sich als ungünstig herausgestellt, da die Struktur des Grundkörpers dann insgesamt geschwächt werden oder die Steifigkeit nicht mehr gegeben sein könnte.
Wenn der Halteabschnitt des Grundkörpers den gleichen Querschnitt aufweist wie der Übergangsabschnitt, führt die Verjüngung der Querschnittsfläche im Kompensationsabschnitt dazu, dass der Halteabschnitt nicht außen bündig mit dem Kompensationsabschnitt verbunden ist, sondern nach innen zur Mittenachse des Grundkörpers hin versetzt. Eine radial wirkende Kraft wird dadurch von dem Rohrabschnitt des Grundkörpers nicht mehr auf die Außenkanten des Halteabschnittes übertragen, was einer ungünstigen Krafteinleitung ähnlich einem Biegebalken entspricht, sondern die Krafteinleitung erfolgt nach innen versetzt, was die Durchbiegung verringert.
Auf diese Weise ist es etwa auch möglich, die Befestigungsvorrichtung mittels Schweißen an einem Abgasstrang zu befestigen, ohne durch die hierbei erforderliche Wärmeeinwirkung bereits eine Vorschädigung in der Verbindungszone zwischen temperaturstabilen Element, Haltemittel und Halteabschnitt zu bewirken.
In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kompensationsabschnitt zumindest einen reduzierten Abschnitt als Kompensationsmittel, bei welchem die Dicke der Wandung des Kompensationsabschnittes gegenüber der Dicke der Wandung des Übergangsabschnitts reduziert ist.
Bereits eine geringe Reduzierung der Wanddicke, etwa in einem Längenbereich von 5-10 %, kann dazu beitragen, dass der Rohrabschnitt insgesamt elastischer reagiert, insbesondere bei den geforderten Temperaturwechseln. Auch hierdurch kann die Krafteinleitung von dem Rohrabschnitt in den Halteabschnitt reduziert werden, wodurch ebenfalls unerwünschte mechanische Spannungen, welche zu Ablösungen und/oder Rissen in der Verbindungszone führen können, verringert werden können. Mechanische Spannungen infolge unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens von Rohrabschnitt und Halteabschnitt können als Querkraft im Übergang zum Halteabschnitt wirken und für eine hochtemperaturstabile und dauerbetriebsfeste Abdichtung ungünstig sein.
Dies ist dem Umstand geschuldet, dass der Halteabschnitt mit dem eingebetteten temperaturstabilen Element eine geringere Wärmeausdehnung in radialer Richtung aufweisen kann als der Grundkörper in den übrigen Abschnitten. Die Querkontraktion bei Temperaturbeanspruchung kann in dem Halteabschnitt demnach anders ausgeprägt sein als in den übrigen Abschnitten, insbesondere, sofern das temperaturstabile Element einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Grundkörpers.
Eine geringe Reduzierung der Wanddicke hat insofern Vorteile, da die Strukturstabilität des Grundkörpers dadurch kaum oder nur wenig beeinträchtigt wird. Es hat sich gezeigt, dass, eine entsprechende Wandstärke im Übergangsabschnitt vorausgesetzt, eine Reduzierung um wenigstens 25 %, bevorzugt um wenigstens 35 % und besonders bevorzugt um wenigstens 40 %, insbesondere um etwa oder genau 50 %, in Verbindung mit den geforderten Temperaturen, den zusätzlichen Belastungen durch Vibrationen und den raschen Temperaturwechseln einen sehr guten Kompromiss zur Erhöhung der Elastizität ohne Schwächung der Strukturstabilität des Grundkörpers darstellt. Dies gilt beispielsweise für Grundkörper mit einer Wanddicke im Rohrabschnitt bzw. im Übergangsabschnitt von etwa 0,6 mm, wobei die Wanddicken aber auch zwischen zum Beispiel 0,4 mm und 1 mm liegen können. In einer besonders günstigen Ausführungsform beträgt die Wanddicke im Übergangsabschnitt 0,6 mm und im Kompensationsabschnitt 0,3 mm, was einer Reduzierung um 50 % entspricht. Es ist allgemein günstig, im Übergang zwischen Übergangsabschnitt zu Kompensationsabschnitt keine Kanten oder scharfkantige Einstiche vorzusehen, sondern Radien bzw. Übergangsradien, um eine Kerbwirkung zu vermeiden.
Eine zu starke Reduzierung der Wanddicke, etwa um mehr als 75 %, erscheint ungünstig, da dann die Querkontraktion und die sich daraus ergebenden mechanischen Spannungen in den beiden Abschnitten zu unterschiedlich ist und die Steifigkeit des Grundkörpers insgesamt gefährdet sein könnte. Die Reduzierung der Wanddicke sollte daher nicht mehr als 75 %, bevorzugt nicht mehr als 65 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 60 % betragen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kompensationsabschnitt zumindest einen auskragenden Abschnitt als Kompensationsmittel, bei welchem die Wandung in einem Winkel α mit α > 0° zu der Mittenachse des Grundkörpers steht. Die Auskragung erfolgt dabei vorzugsweise in Richtung des Halteabschnitts. In einer besonders günstigen Ausführungsform grenzt der auskragende Abschnitt direkt an den Halteabschnitt an. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass Kräfte von dem Rohrabschnitt des Grundkörpers abgefangen werden und Querkräfte besser kompensiert werden können, da der auskragende Abschnitt eine zusätzliche elastische Komponente bei unterschiedlicher Querkontraktion zur Verfügung stellt. Der Winkel α kann dabei zwischen 5° und 75°, bevorzugt zwischen 10° und 70°, und besonders bevorzugt zwischen 15° und 65 °, beispielsweise 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40° oder 45°, betragen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können auch mehrere Kompensationsmittel wie vorstehend dargestellt miteinander kombiniert werden, beispielsweise die Reduzierung der Wanddicke mit der Auskragung. In anderen Worten, der auskragende Rohrabschnitt umfasst den Kompensationsabschnitt mit der reduzierten Wanddicke. Auf diese Weise kann die Auskragung besonders einfach realisiert werden, und die Elastizität kann nochmals gesteigert werden.
Der Grundkörper kann aus einem temperaturstabilen Material ausgebildet sein, bevorzugt einem temperaturstabilen Metall aus der Gruppe der Stähle, beispielsweise der Normalstähle, Edelstähle, nichtrostenden Stähle und der hochtemperaturstabilen ferritischen oder austenisitschen Stähle. Bevorzugt sind dabei Stähle, welche gut schweißbar sind und bei der Durchführung der Erfindung rostfrei bleiben.
Die Erfindung ermöglicht es wie vorstehend ausgeführt, in besonders vorteilhafter Weise Materialien bzw. Werkstoffe für den Grundkörper auszuwählen, welche über einen anderen, auch höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das temperaturstabile Element verfügen. Dies bedeutet, dass auch Materialien ausgewählt werden können, welche sich besonders einfach an die den Partikelstrom führenden Einheit befestigen lassen und bei den geforderten Temperaturen dauerbetriebsfest sind.
Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundkörpers größer ist als der des temperaturstabilen Elements, übt dieser eine mit ansteigender Temperatur zunehmende Zug- bzw. Druckspannung infolge unterschiedlicher Querkontraktion auf das temperaturstabile Element aus. Um dennoch auch bei den geforderten Temperaturen die Öffnung dauerbetriebsfest fluiddicht bzw. hermetisch dicht zu verschließen, ist es günstig, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Grundkörpers nicht höher ist als 15 * 10-6/K in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C, bevorzugt nicht höher als 14 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht höher als 13 * 10-6/K.
Es versteht sich, dass ein geringerer Wärmeausdehnungskoeffizient die Differenz zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des temperaturstabilen Elements weiter reduzieren kann und somit grundsätzlich günstiger ist, sofern die übrigen Werkstoffeigenschaften für den vorgesehenen Einsatz hinreichend sind.
Das Material für den Grundkörper kann somit ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend die folgenden Stähle: Thermax, beispielsweise Thermax 4016, Thermax4742, oder Thermax4762 oder Crofer22 APU oder CroFer22 H oder NiFe-basierte Materialien, beispielsweise NiFe45, NiFe47, oder bekannt unter dem Markennamen Inconel, beispielsweise Inconel 718 oder X-750, oder Stähle, beispielsweise bekannt unter den Bezeichnungen CF25, Alloy 600, Alloy 625, Alloy 690, SUS310S, SUS430, SUH446 oder SUS316, oder austenitische Stähle wie 1.4828 oder 1.4841 oder ferritische Stähle wie 1.4762 oder Incolloy 909.
Das temperaturstabile Element kann scheibenförmig ausgebildet sein und insbesondere planparallele Hauptoberflächen aufweisen. Ferner verfügen auch zumindest die Hauptoberflächen vorzugsweise über eine optische Politur.
In anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, das temperaturstabile Element plankonvex, plankonkav, bikonvex, bikonkav, konvexkonkav oder konkavkonvex zu formen. Hierbei kann das temperaturstabile Element auch ein Teil eines diesem zugeordneten bildgebenden Systems sein.
Das temperaturstabile Element kann Glas, Glaskeramik oder Keramik umfassen oder daraus bestehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das temperaturstabile Element Saphirglas, also synthetisches Korund. Gründe hierfür liegen in den sehr guten optischen Eigenschaften aufgrund des kristallinen Aufbaus, der hohen Härte und der besonders hohen Temperaturbeständigkeit. Aus optischen Gründen ist es günstig, wenn das temperaturstabile Element im Wesentlichen monokristallin ausgebildet ist.
Zudem erweist sich auch der Wärmeausdehnungskoeffizient von Saphirglas als günstig, welcher etwa 7,5 * 10-6/K (Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C) beträgt, da hierdurch die Differenz zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers nicht zu hoch wird.
In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform umfasst das temperaturstabile Element Quarzglas bzw. Kieselglas, welches mittels Aufschmelzen und Wiedererstarren von Quarz hergestellt werden kann. Auch hier lassen sich besonders gute optische Eigenschaften erzielen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt allerdings mit etwa 0,5 * 10-6/K deutlich niedriger, was dazu führt, dass die mechanischen Spannungen bei Temperaturwechseln zwischen temperaturstabilen Element und Grundkörper im Vergleich zu Saphirglas größer sind.
Allgemein wird im Sinne der Erfindung daher bevorzugt, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des temperaturstabilen Elements nicht größer ist als 9 * 10-6/K in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C, bevorzugt nicht größer als 7,5 * 10-6/K, weiterhin bevorzugt nicht größer als 7 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht größer als 6,5 * 10-6/K.
Erfindungsgemäß kann der Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem temperaturstabilen Element und dem Grundkörper wenigstens 2,5 * 10^-6/K, bevorzugt mehr als 3 * 10^-6/K und besonders bevorzugt mehr als 4 * 10^-6/K betragen. Diese Differenz sollte allerdings auch nicht zu hoch sein, da sonst selbst die vorstehend beschriebenen Kompensationsmittel nicht ausreichen könnten, um die auftretenden Spannungen sicher abzufangen. Die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem temperaturstabilen Element und dem Grundkörper sollte daher nicht mehr als 20 * 10^-6/K, bevorzugt nicht mehr als 15 * 10^-6/K betragen.
Zum Haltern des temperaturstabilen Elementes in der Öffnung des Grundkörpers kann ein Haltemittel vorgesehen oder umfasst sein, vorzugsweise zur Ausbildung einer hochtemperaturstabilen und/oder mechanisch hochfesten Fügeverbindung.
Grundsätzlich sind beispielsweise Laserschweißen oder Metalllote, insbesondere Hartlote, denkbar. Zur Herstellung von stabilen Fügeverbindungen, die betrieblich sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sein sollen, beispielsweise Temperaturen von 400 °C oder mehr, bieten sich bestimmte Lotgläser an, die zum einen diesen hohen Temperaturen standhalten und zum anderen in ihrem Ausdehnungsverhalten den zu fügenden Materialien angepasst sein können. Dies ermöglicht es, die Fügeverbindungen fluiddicht bzw. hermetisch dicht auszubilden und dabei auch dauerbetriebsfest.
Kommerziell erhältliche Glaslote mit hoher thermischer Ausdehnung weisen allerdings im Allgemeinen niedrige Einschmelztemperaturen auf, womit ihre thermische Stabilität begrenzt ist und diese Glaslote somit nicht bei hohen Temperaturen einsetzbar sind.
Erfindungsgemäß wird daher als Haltemittel ein kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas vorgeschlagen. Ein derartiges kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas wird in der Patentanmeldung EP 19 181 866.5 der Anmelderin vorgeschlagen, welche hiermit vollumfänglich inkorporiert und zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Das kristallisierbare bzw. zumindest teilweise kristallisierte Glas nach den in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen erlaubt die Ausbildung von hochtemperaturstabilen und/oder mechanisch hochfesten Fügeverbindungen. So ist es mit einem kristallisierbaren bzw. zumindest teilweise kristallisierten Glas möglich, ein besonders stabiles Gefüge im zumindest teilweise kristallisierten Glas auszubilden, insbesondere ein Gefüge, welches auch bei hohen Temperaturen oberhalb von 400 °C, bevorzugt oberhalb von 500 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 600 °C oder sogar bis 1000 °C oder darüber mechanisch stabil ausgebildet ist.
Die Erfindung umfasst demnach in einer bevorzugten Ausführungsform ein temperaturstabiles Element, welches über ein Haltemittel zur Ausbildung einer Fügeverbindung in einer Öffnung eines Grundkörpers gehaltert ist, umfassend ein zumindest teilweise kristallisiertes Glas, wobei das zumindest teilweise kristallisierte Glas einen Restglasanteil von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, bezogen auf das Volumen, umfasst. Das zumindest teilweise kristallisierte Glas umfasst dabei Kristallaggregate. Die Kristallaggregate sind gebildet aus einer Vielzahl von Kristalliten. Vorzugsweise sind die Kristallite nadelig und/oder plättchenförmig ausgebildet. Vorzugsweise können die Kristallite radialstrahlig, wie sphärolithisch und/oder fächerförmig, und/oder stabförmig und/oder plättchenförmig das zumindest teilweise kristallisierte Glas durchsetzend angeordnet sein.
Eine derartige Ausgestaltung der Fügeverbindung zum Haltern des temperaturstabilen Elementes weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Insbesondere wird durch den geringen Restglasanteil von weniger als 10 Vol.-%, vorzugsweise sogar von weniger als 5 Vol.-%, eine hohe Formstabilität der Fügeverbindung erzielt. Die hohe Formstabilität der Fügeverbindung wird weiterhin vorteilhaft dadurch gewährleistet, dass die vom kristallisierten Glas umfassten Kristallite aggregiert sind. Eine nadelige und/oder plättchenförmige Ausbildung der Kristallite ist dabei besonders vorteilhaft. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die nadelige und/oder plättchenförmige Ausbildung der Kristallite in den Kristallaggregaten zu einer mechanisch stabilen Ausbildung des zumindest teilweise kristallisierten Glases führt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die vorzugsweise nadelig und/oder plättchenförmig ausgebildeten Kristallite beispielsweise sphärolithisch und/oder fächerförmig und/oder stabförmig bzw. plättchenförmig das zumindest teilweise kristallisierte Glas durchsetzend angeordnet sind.
Es wird vermutet, dass es durch die vorzugsweise nadelige und/oder plättchenförmige Ausbildung der Kristallite und deren Anordnung in beispielsweise Sphärolithen oder radialstrahlig oder auch stabförmig-regellos das zumindest teilweise kristallisierte Glas durchsetzend es zu einer Verzahnung der Kristallite kommt, was die mechanische Stabilität des zumindest teilweise kristallisierten Glases, beispielsweise gegen Scher-, Druck- oder Zugkräfte, vorteilhaft erhöht. Diese Verzahnung kann auch in der Form erfolgen, dass eine Art „Kartenhausstruktur“ vorliegt.
Die Kristallite können auch plättchenförmig ausgebildet sein, also als kleine Plättchen das kristallisierte Glas durchsetzen. Im Schnittbild stellt sich eine solche Ausbildung ebenfalls als Stab dar, weswegen eine Unterscheidung im Einzelfall schwierig ist. Als Plättchen wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine geometrische Form verstanden, bei welchem die laterale Abmessung in einer Raumrichtung eines kartesischen Koordinatensystems (die Dicke) eine Größenordnung geringer ausgebildet ist als die lateralen Abmessungen (Länge, Breite) in den beiden anderen, zur ersten Richtung senkrechten Richtungen.

Das Glas umfasst dabei vorzugsweise:

La₂O₃	größer 0,3 Mol-% bis kleiner 5 Mol-%, vorzugsweise kleiner oder gleich 4,5 Mol-%, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 4 Mol-%,
Nb₂O₅	0 Mol-% bis 9 Mol-%,
Ta₂O₅	0 Mol-% bis 7 Mol-%,

wobei

Σ (A₂O₅)

größer 0,2 Mol-% bis 9 Mol-%,

wobei A ein Element ist, welches in Oxiden üblicherweise die Oxidationszahl V+ aufweist, und beispielsweise Nb und/oder Ta oder P und / oder Mischungen hiervon umfasst oder umfassen kann.

Es hat sich gezeigt, dass eine feste Fügeverbindung, beispielsweise eine hochtemperaturstabile und/oder eine mechanisch hochbelastbare Fügeverbindung, durch eine ausreichende, d.h. eine in den oben genannten Grenzen liegende, Zugabe der Oxide La₂O₃, Ta₂O₅ und / oder Nb₂O₅ sowie ggf. weiterer Oxide des Zusammensetzung A₂O₅ erzielt werden kann.
Die Oxide La₂O₃, Nb₂O₅ und Ta₂O₅ sowie gegebenenfalls weitere vom Glas umfasste Oxide A₂O₅ werden dabei im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als „Glasmatrix bildende Oxide“ bezeichnet, wobei unter diesem Begriff zu verstehen ist, dass solche Oxide nach der thermischen Behandlung des kristallisierbaren Glases, also wenn das Glas als zumindest teilweise kristallisiertes Glas vorliegt, zunächst in der Glasmatrix verbleiben. Der Begriff der „Glasmatrix-bildende Oxide“ unterscheidet sich damit vom allgemeineren Begriff der „glasbildenden Oxide“.
Insbesondere sind die Oxide von MgO und CaO im Rahmen der vorliegenden Offenbarung keine Glasmatrix-bildenden Oxide, auch wenn beispielsweise CaO ein üblicher Bestandteil herkömmlicher Gläser, beispielsweise von Kalk-Natron-Gläsern, ist. In den Gläsern gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden Oxide wie CaO und MgO in die Kristallphasen eingebaut, verbleiben also gerade nicht in der Glasmatrix und sind daher auch keine Glasmatrix-bildenden Oxide.
Es ist aber durchaus möglich, dass zumindest ein Teil der Glasmatrix-bildenden Oxide, beispielsweise La₂O₃, im weiteren Verlauf der Keramisierung zumindest teilweise in Kristallphasen eingebaut werden können. Jedoch verbleibt normalerweise ein wenn auch geringer Restgehalt an glasiger Phase, welcher insbesondere durch die Glasmatrix-bildenden Oxide gebildet wird.
Die Ausbildung der Fügeverbindung mit den Oxiden La₂O₃ sowie Nb₂O₅ und/oder Ta₂O₅ sowie ggf. weiterer Oxide A₂O₅ in den oben genannten Grenzen ist vorteilhaft, da das zumindest teilweise kristallisierte Glas auf diese Weise besonders günstig so ausgestaltet ist, dass während einer Temperaturbehandlung zur Erzeugung der Verbindung ein Anglasen erfolgt. Auf diese Weise wird also besonders vorteilhaft eine feste Verbindung zwischen den einzelnen Teilen der Fügeverbindung erzeugt, insbesondere eine feste Verbindung des zumindest teilweise kristallisierten Glases an den Fügepartner, vorliegend also dem Grundkörper und dem temperaturstabilen Element, ermöglicht.
Die Begrenzung der Glasmatrix bildenden Oxide in den vorgenannten Grenzen stellt jedoch vorteilhaft sicher, dass gleichzeitig eine hohe Temperaturstabilität und/oder eine hohe mechanische Festigkeit des Fügeverbundes gegeben ist.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird als kristallisierbares Glas ein Glas verstanden, welches einer Kristallisation, insbesondere einer gesteuerten oder zumindest steuerbaren Kristallisation, zugänglich ist. Unter einer gesteuerten Kristallisation wird hierbei verstanden, dass durch eine gezielte Temperaturbehandlung das kristallisierbare Glas in einen Zustand überführt werden kann, in welchem das Glas zumindest teilweise kristallisiert vorliegt und wobei die kristallographischen Zusammensetzung des zumindest teilweise kristallisierten Glases und / oder dessen Gefüge, d.h. die räumliche Anordnung und / oder die Größe der vom zumindest teilweise kristallisierten Glas umfassten Kristalle und / oder Kristallite vorzugsweise gezielt eingestellt wird.
Vorzugsweise kann durch eine gesteuerte Kristallisation beispielsweise ein Gefüge erhalten werden, bei welchem die Kristallite eine im Wesentlichen einheitliche Größe beispielsweise im einstelligen Mikrometerbereich aufweisen, also beispielsweise alle Kristallite einen Äquivalentdurchmesser von etwa 1 µm bis 3 µm aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere Gefüge mit größeren oder kleineren Kristalliten möglich.
Sofern das zumindest teilweise kristallisierte Glas mehrere unterschiedliche Kristallphasen umfasst, ist es auch möglich, dass die durchschnittliche Kristall- oder Kristallitgröße innerhalb einer Kristallphase relativ ähnlich ist, jedoch möglicherweise zwischen den einzelnen Kristallphasen hinsichtlich der Kristallitgröße starke Unterschiede bestehen.
Im Gegensatz zur vorzugsweise gesteuerten oder steuerbaren Kristallisation ist die spontane Kristallisation eines Glases zu sehen, bei der unerwartet Kristallphasen, häufig auch unerwünschte Kristallphasen auftreten und insbesondere auch eine vollständige Entglasung auftreten kann.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird unter einem Kristallaggregat oder unter einer Kristallvergesellschaftung eine Verwachsung von mindestens zwei Kristallen oder Kristalliten verstanden. Die Kristalle oder Kristallite können dabei insbesondere regellos miteinander verwachsen sein. Dies bedeutet, dass die einzelnen Kristallite oder Kristalle eines Aggregats nicht entlang einer Vorzugsrichtung oder entlang einer bestimmten Kristallebene miteinander verwachsen sein müssen.
Unter einer nadeligen Ausbildung eines Kristalls oder eines Kristallits wird verstanden, dass der Kristall oder Kristallit eine Richtung aufweist, in der seine Abmessung mindestens eine Größenordnung größer ist als die Abmessungen in den beiden anderen Raumrichtungen. Mit anderen Worten kann ein Kristall oder Kristallit mit einer nadeligen Ausbildung nadelförmig oder stabförmig oder in Form eines Prismas ausgebildet sein, wobei die lateralen Abmessungen der prismatischen Grundform mindestens eine Größenordnung kleiner sind als die Länge des Kristalls oder Kristallits. Solche Kristalle oder Kristallite werden auch als prismatisch ausgebildet bezeichnet.
Die Kristallite können auch plättchenförmig ausgebildet sein, also als kleine Plättchen das kristallisierte Glas durchsetzen. Im Schnittbild stellt sich eine solche Ausbildung ebenfalls als Stab dar, weswegen eine Unterscheidung im Einzelfall schwierig ist.
Unter einer radialstrahligen Anordnung von Kristallen oder Kristalliten wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung verstanden, dass nadelig oder plättchenförmig ausgebildete Kristalle, beispielsweise nadelförmige oder prismatische Kristalle oder Kristallite um ein Zentrum herum angeordnet sind, sodass ein Ende in Richtung desselben Punktes zeigt und das jeweilige andere Ende in unterschiedliche Raumrichtungen radial nach außen zeigt. Beispielsweise können sich die Enden, welche in Richtung des Zentrums zeigen, am zentralen Punkt berühren.
Dies ist jedoch nicht notwendig. Eine solche Ausbildung von Kristallaggregaten, die von einem Zentrum aus radial nach außen zeigen, liegt beispielsweise in Form einer sphärolithischen Ausbildung eines Kristallaggregats vor. Eine solche sphärolithische Ausbildung ist eine annähernd kugelige oder ellipsoide Ausgestaltung des Kristallaggregats und kann in zweidimensionaler Darstellung annähernd die Form eines Kreises aufweisen. In der Praxis kommt es jedoch aufgrund der Verwachsungen von Kristallen und Kristallaggregaten in einem Gefüge oft zur Abweichung von der idealen kugeligen oder kreisförmigen Ausbildung eines Sphäroliths. Insbesondere können die den Sphärolith bildenden Kristalle oder Kristallite unterschiedliche Längen und/oder Dicken aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltung einer radialstrahligen Anordnung ist eine fächerförmige Ausbildung im zweidimensionalen Schnitt. Beispielsweise ist es möglich, dass eine Ausbildung der Kristalle oder Kristallite in einer bestimmten Raumrichtung im Gefüge nicht möglich ist. Die Kristallite oder Kristalle streben auch hier von einem Zentrum nach außen, jedoch nur innerhalb eines bestimmten Raumwinkels.
Unter einer stabförmig oder plättchenförmig durchsetzenden Anordnung wird verstanden, dass die einzelnen Kristalle oder Kristallite nicht von einem gemeinsamen Zentrum aus in unterschiedliche Raumrichtungen nach außen streben, sondern regellos, beispielsweise ohne ausgesprochene Vorzugsrichtung, angeordnet sind. Insbesondere können die Kristallite oder Kristalle gegeneinander verzahnt angeordnet sein. Eine solche Struktur kann beispielsweise auch mit dem Aufbau eines „Kartenhauses“ verglichen werden, bei welchem die einzelnen Plättchen (wie die Karten eines Kartenhauses) gegeneinander angeordnet sind und eine stabile Struktur bilden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird unter einem Kristallisationskeim ein Ausgangspunkt für eine Kristallisation verstanden. Der Kristallisationskeim begünstigt die Anlagerung von Atomen zum Aufbau eines kristallinen Gitters beispielsweise thermodynamisch oder kinetisch. Insbesondere kann es sich bei einem Kristallisationskeim um eine Gitterfehlstehle und/oder eine Anordnung von Atomen handeln. Häufig können Grenzflächen Ausgangspunkte für Kristallisation sein bzw. umfassen Grenzflächen solche Ausgangspunkte für eine Kristallisation.
Gemäß einer Ausführungsform der Fügeverbindung umfassen die Kristallite zumindest teilweise an den Korngrenzen Kristallisationskeime und/oder sind an den Korngrenzen der Kristallite zumindest teilweise Anreicherungen umfassend Lanthan, insbesondere umfassend Lanthanverbindungen, angeordnet.
Eine solche Ausgestaltung einer Fügeverbindung ist vorteilhaft, um die Ausbildung einer besonders festen Verbindung zwischen zumindest teilweise kristallisiertem Glas und Fügepartner zu ermöglichen. Sofern die Kristallite zumindest teilweise an den Korngrenzen Kristallisationskeime umfassen, fördert dies die Ausbildung des Gefüges des zumindest teilweise kristallisierten Glases umfassend Kristallaggregate mit beispielsweise radialstrahliger oder stabförmig oder plättchenförmig durchsetzender Anordnung, beispielsweise in der Art eines Kartenhauses.
Dies ist ebenfalls der Fall, wenn an den Korngrenzen der Kristallite zumindest teilweise Anreicherungen umfassend Lanthan, insbesondere umfassend Lanthanverbindungen, angeordnet sind. Die Erfinder vermuten, dass Anreicherungen von Lanthan, beispielsweise von Lanthanverbindungen, als effektive Kristallisationskeime wirken können.
Gemäß einer Ausführungsformen umfasst das Glas

SiO₂ 30 Mol-% bis 40 Mol-%,

Al₂O₃ 3 Mol-% bis 12 Mol-%,

CaO 32 Mol-% bis 46 Mol-%,

MgO 5 Mol-% bis 15 Mol-%,

ZnO 0 Mol-% bis 10 Mol-%,

sowie optional

ZrO₂ 0 Mol-% bis 4 Mol-%, vorzugsweise höchstens 3

Mol-%, und/oder

TiO₂ 0 Mol-% bis 4 Mol-%, vorzugsweise höchstens 3

Mol-%, und/oder

MnO₂ 0 Mol-% bis 5 Mol-%.
Optional können gemäß einer Ausführungsform TiO₂, ZrO₂ und/oder MnO₂ vom Glas umfasst sein. Jedoch ist der Gehalt dieser Komponenten im Glas begrenzt. Insbesondere werden TiO₂ und ZrO₂, welches bekannte Keimbildner sind, im kristallisierbaren Glas als Keimbildner nicht benötigt. Darüber hinaus kann ihre Anwesenheit störend sein, da im ungünstigsten Fall für die vorliegende Anwendung unerwünschte niedrigdehnende Kristallphasen entstehen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Gehalt des Glases an CaO zwischen mindestens 35 Mol-% und höchstens 46 Mol-%, vorzugsweise zwischen mindestens 35 Mol-% und weniger als 43,5 Mol-% und/oder der Gehalt des Glases an MgO beträgt zwischen 5 Mol-% und weniger als 13 Mol-%.
Die gemäß einer Ausführungsform begrenzten Gehalte des Glases an CaO und/oder an MgO sind darauf zurückzuführen, dass auf diese Weise die Stabilität des kristallisierbaren Glases gegen spontane Kristallisation weiter erhöht wird. So handelt es sich bei CaO und MgO jeweils um Komponenten, welche in die Kristallphasen eingebaut werden, die durch thermische Behandlung des kristallisierbaren Glases entstehen. Wie vorstehend ausgeführt, ist es hierbei für die adressierten Anwendungen von besonderer Bedeutung, dass Kristallphasen mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erhalten werden. Um zu fördern, dass überwiegend gerade die gewünschten Kristallphasen mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten erhalten werden, werden daher bevorzugt die Gehalte des Glases an CaO und MgO wie vorstehend ausgeführt weiter begrenzt. Diese Begrenzung dient insbesondere dazu, die Entstehung von Wollastonit, Enstatit oder Diopsid bzw. von Mischkristallen dieser kristallinen Phasen zumindest soweit als möglich zu verhindern oder sogar gänzlich zu unterbinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt das Glas als kristallisierbares Glas vor und weist eine Transformationstemperatur von mehr als 720 °C auf.
Die Transformationstemperatur eines Glases ist eine wichtige charakteristische Größe, in der sich sowohl Verarbeitungseigenschaften dieses Glases als auch dessen thermische Beständigkeit widerspiegeln. Insbesondere geht mit einer hohen Transformationstemperatur des Glases auch eine hohe Formbeständigkeit des Glases einher.
Vorzugsweise weist daher das kristallisierbare Glas gemäß einer Ausführungsform eine besonders hohe Formstabilität auf, was sich in der angegebenen hohen Transformations- oder Glasübergangstemperatur T_g von 720 °C oder mehr widerspiegelt.
Gemäß einer Ausführungsform des Haltemittels beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient des kristallisierbaren Glases in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 300 °C mehr als 8 * 10^-6/K sowie vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C mehr als 9 * 10^-6/K. Auf diese Weise ist vorteilhaft bereits mit dem kristallisierbaren Glas vor dem Abschluss der thermischen Behandlung zur Herstellung der vorzugsweise hermetisch dichten Verbindung eine gute Anpassung des glasigen Materials an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu fügenden Materialien des Grundkörpers möglich.
Die Transformationstemperatur T_g ist bestimmt durch den Schnittpunkt der Tangenten an die beiden Äste der Ausdehnungskurve beim Messung mit einer Heizrate von 5K/min. Dies entspricht einer Messung nach ISO 7884-8 bzw. DIN 52324.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Haltemittel ein kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas vorgeschlagen, wobei das zumindest teilweise kristallisierte Glas eine Porosität aufweist. Diese kann zur Grenzfläche des zumindest teilweise kristallisierten Glases mit dem Fügepartner hin abnehmen, und/oder strukturiert verteilt angeordnet sein.
Ein derartiges kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas wird in der Patentanmeldung WO 2017/220700 der Anmelderin vorgeschlagen, welche hiermit vollumfänglich inkorporiert und zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Die Poren sind in dem zumindest teilweise kristallisierten Glas strukturiert verteilt angeordnet. Wenn dabei vorzugsweise die Poren des zumindest teilweise kristallisierten Glases nicht bereits im Sinterkörper vollständig angelegt oder vorhanden sind, sondern vielmehr zum Großteil gleichzeitig mit oder während der Kristallisation entstehen, kann ein vollständiges oder nahezu vollständiges Verschmelzen der glasigen Phase vorliegen, welches zu einer homogeneren und festeren Ausgestaltung des Verbundes aus glasiger Phase und insbesondere später kristallisierenden und nachfolgend kristallisierten Anteilen führt, welche insbesondere Sinterglaskeramiken an Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit überlegen sind.
Der Ausdruck, „im Sinterling angelegte oder vorhandene Poren“, oder auch der Ausdruck „in einem Sinterkörper angelegte oder vorhandene Poren“, bezeichnet im Rahmen dieser Offenbarung jeweils die beim Sintern gebildeten Poren, welche insbesondere durch den mechanischen Vorgang des Pressens des Sinterlings oder Sinterkörpers, jedoch nicht durch eine Kristallisation entstanden sind. Bei dem vorliegend offenbarten Verfahren kommt es zu einer homogeneren Verteilung der Poren und diese homogenere Verteilung führt zu einer nochmals verbesserten mechanischen Beständigkeit sowie zu einer nochmals erhöhten Thermoschockbeständigkeit.
Vorteilhaft ist es bei den bevorzugten zumindest teilweise kristallisierbaren Gläsern auch, dass diese nicht einem zweistufigen thermischen Verfahren, umfassend eine Keimbildungsphase und bei erhöhter Temperatur eine Phase des Kristallwachstums, unterzogen werden müssen, da diese bereits in einem einstufigen thermischen Verfahren, als sogenannte selbstkristallisierende Gläser bereits in glaskeramisches oder keramisches Material überführt werden können. Hierbei kann vorteilhaft beispielsweise eine konstante Temperaturerhöhung mit einer definierten, insbesondere nahezu konstanten Aufheizrate erfolgen. Derartige Temperatur-Zeit-Profile bieten auch prozesstechnische Vorteile, da diese einfacher zu beherrschen sind und mit größeren thermischen Toleranzen eingesetzt werden können.
Im Unterschied zu Kristallisation durch hinzugegebene Kristallisationskeime, keimt die Kristallisation bei diesen selbstkristallisierenden Gläsern auf der Oberfläche des Pulvers des teilweise kristallisierbaren Glases. Dies geschieht bei den erfindungsgemäßen selbstkristallisierenden Gläsern bei den genannten Heizraten ohne weitere Haltezeit. Dadurch wird eine effektive Fertigung ermöglicht. Diese Keimung geschieht zeitlich versetzt und bei niedrigeren Temperaturen als der tatsächliche Kristallisationsprozess.
Das für eine hermetische Einglasung erforderliche Benetzen des zumindest einen Fügepartners, etwa des temperaturstabilen Elements, geschieht nach der Keimung, jedoch vor dem eigentlichen Kristallisationsprozess. Dadurch kann eine hermetische, hochtemperaturstabile Einglasung erzielt werden.
Die Porosität gemäß dieser Ausführungsform kann maßgeblich zur mechanischen Thermoschockbeständigkeit beitragen. Dabei besteht ein Gradient in der Porendichte in Richtung der Grenzfläche zum eingeglasten Material, der eine defektfreie und blasenfreie Benetzung gewährleistet. Die Kombination aus der Porositätsverteilung und homogenen Kristallisation führt zu einer sehr hohen mechanischen Beständigkeit bei Temperaturen bis zu 900 °C oder sogar darüber.
Die Porosität tritt im zumindest teilweise kristallisierten Glas strukturiert verteilt auf, vorzugsweise in Form einer gesteuerten Porosität. Eine gesteuerte Porosität ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität, insbesondere die Poren, nicht überall im Volumen des betreffenden Formkörpers, welcher ein geformter Sinterkörper oder geformter Sinterling ist, in gleicher Form ausgebildet vorliegen.
Insbesondere ist eine gesteuerte Porosität im Sinne der vorliegenden Erfindung dann gegeben, wenn in einem Grenzbereich des Formkörpers die Porosität einen sehr geringen Wert von beispielsweise höchstens 3% annimmt. Insbesondere weist die Oberfläche des zumindest teilweise kristallisierten Glases mit einer gesteuerten Porosität im Wesentlichen keine offenen Poren auf, also Poren, welche sich hin zum die Grenzfläche umgebenden Medium, beispielsweise Luft, öffnen, welches die hohe Hermetizität oder Fluiddichtigkeit nochmals unterstützt.
Eine gesteuerte Porosität und ein Gradient der Porosität ist insbesondere dann erreichbar, wenn die tatsächliche Dichte des Sinterkörpers oder Sinterlings höchstens um 10 % geringer, vorteilhaft höchstens um 5% geringer, als die theoretische Dichte des Glases oder des zumindest teilweise kristallisierenden, aber noch nicht kristallisierten Glases ist. Der Sintergrad beträgt in diesem Fall mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 95 %. Hierbei sind die durch den Sinterling oder Sinterkörper eingetragenen Poren in der Regel von geringer Anzahl und können häufig auch aus dem kristallisierbaren oder zumindest teilweise kristallisierten Glas austreten, sodass durch die bei der Kristallisation entstehenden Poren eine strukturierte Anordnung dieser Poren entsteht.
Das Verhältnis der bereits im Sinterkörper, Sinterling oder Formkörper angelegten oder vorhandenen Poren relativ zu den erfindungsgemäß entstandenen Poren beträgt beispielsweise bei einem Sintergrad von etwa 99% bei den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beträgt etwa mindestens 1,8 oder kann auch höher liegen. Dies bedeutet, dass etwa für jede im Sinterkörper verbliebene Pore zumindest 1,8 Poren entstehen, welche dann zusätzlich im zumindest teilweise kristallisierten Glas vorhanden sind. Dieser Wert ist eine äußerst vorsichtige Angabe der Erfinder, da hierbei vernachlässigt wurde, dass bereits im Sinterkörper, Sinterling oder Formkörper vorhandenen Poren auch während der thermischen Behandlung noch entweichen können. Dabei kommt hinzu, dass sich diese während oder gleichzeitig mit der Kristallisation entstandenen Poren noch stark ausdehnen und somit den sich daraus ergebenden Wert der Porosität nochmals deutlich stärker erhöhen, als es diesem Verhältniswert entspricht.
Dieses Verhältnis ist durch die maximale Sintertemperatur und die Mahlung, insbesondere auch durch den Mahlgrad des gemahlenen Glases, insbesondere Grünglases, in einem weiten Bereich einstellbar und kann beispielsweise in einem Bereich von mindestens 1,5 bis etwa 5 liegen.
Dabei hat sich gezeigt, dass sich Poren des zumindest teilweise kristallisierten Glases nicht bereits im Sinterling oder Sinterkörper, aus welchem das zumindest teilweise kristallisierte Glas hervorgegangen ist, vollständig angelegt oder bereits vorhanden sind, sondern vielmehr zum Großteil während oder gleichzeitig mit der Kristallisation entstehen oder sich vergrößern und ein volumenbezogener Anstieg der Porosität entsteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Kristallanteil des zumindest teilweise kristallisierten Glases mehr als 50 Vol.%, bevorzugt mehr als 60 Vol.%. Dieser hohe Kristallphasenanteil trägt zusätzlich zur Erhöhung der Viskosität bei und führt somit zu einer erhöhten mechanischen Stabilität bei hohen Temperaturen. Weiterhin führt die hohe Kristallisation und damit teilweise auftretende Verzahnung der Kristallite zu einer Lokalisierung der Poren und ermöglicht somit die gesteuerte Porosität maßgeblich.
Somit umfasst ein zumindest teilweise kristallisiertes Glas gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Kristallphase sowie Poren, welche in dem zumindest teilweise kristallisierten Glas strukturiert verteilt angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Poren des zumindest teilweise kristallisierten Glases nicht bereits im Sinterkörper, aus welchem das zumindest teilweise kristallisierte Glas hervorgegangen ist, vollständig angelegt oder bereits vorhanden sind, sondern insbesondere vielmehr zum Großteil gleichzeitig oder während der Kristallisation entstanden sind.
Als Sinterkörper oder Sinterling ist ein formstabiler Sinterkörper mit dem kristallisierbaren Glas bezeichnet, welcher nachfolgend dafür geeignet und bestimmt ist, mit einem Körper, der ein Einhausungsmaterial oder auch ein Dichtelement sein kann, eine Verbindung einzugehen.
Bevorzugt sind die Poren bzw. ist die Porosität dabei so verteilt, dass im Grenzbereich des zumindest teilweise kristallisierten Glases ein Gradient der Porosität vorliegt in der Form, dass von der Grenzfläche und/oder von der Oberfläche des zumindest teilweise kristallisierten Glases hin zu dessen Mitte die Porendichte zunimmt. Der Grenzbereich variiert dabei vorzugsweise hinsichtlich seiner Ausdehnung zwischen minimal 5 µm und höchstens 200 µm Dicke, bevorzugt zwischen 20 µm und 50 µm.
Soweit im Stand der Technik durch die Verwendung von Sinterkörpern, insbesondere von nicht hoch verdichteten Sinterkörpern, Porositäten in Fügematerialien auftraten, waren diese in der Regel homogen und folglich im Sinne der vorstehenden Definition nicht strukturiert, insbesondere nicht gesteuert strukturiert verteilt angeordnet.
Als Grünglas wird ein Glas, hier ein zumindest teilweise kristallisierbares Glas bezeichnet, welches im Wesentlichen noch nicht kristallisiert ist, dies bedeutet einen volumenbezogenen Kristallanteil oder Anteil von Kristallphasen von weniger als 0,1 % aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest teilweise kristallisierte Glas so ausgebildet, dass die Poren zumindest teilweise in der Nähe von Kristallen angeordnet sind. Diese spezielle Erscheinungsform des zumindest teilweise kristallisierten Glases gemäß einer Ausführungsform wird darauf zurückgeführt, dass die Poren während der Kristallisation, insbesondere als Folge der Kristallisation, entstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Kristallgehalt des zumindest teilweise kristallisierten Glases mindestens 25 %, bezogen auf das gesamte Volumen des zumindest teilweise kristallisierten Glases, bevorzugt mindestens 50 % und besonders bevorzugt mindestens 60 %.
Bevorzugt beträgt die Porosität mindestens 3 % bezogen auf das gesamte Volumen des zumindest teilweise kristallisierten Glases, bevorzugt mindestens 5 %, besonders bevorzugt mindestens 10 % oder sogar 20 %.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines zumindest teilweise kristallisierten Glases mit Poren umfasst das zumindest teilweise kristallisierte Glas folgende Oxide in Gew.-%:

SiO₂:	20 bis 60, bevorzugt 25 bis 50
Al₂O₃ :	0,5 bis 20, bevorzugt 0,5 bis 10
CaO:	10 bis 50
MgO:	0,5 bis 50, bevorzugt 0,5 bis 10
Y₂O₃:	0,1 bis 20, bevorzugt 3 bis 20
ZrO₂:	0,1 bis 25, bevorzugt 3 bis 20
B₂O₃:	1 bis 15, bevorzugt 3 bis 12,

wobei weiterhin HfO₂ optional bis zu 0,25 Gew.-% enthalten sein kann.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines zumindest teilweise kristallisierten Glases mit Poren umfasst das zumindest teilweise kristallisierte Glas folgende Oxide in Gew.-%:

SiO₂:	36 bis 54, bevorzugt 40 bis 54
Al₂O₃ :	8 bis 16, bevorzugt 8 bis 13
CaO:	0 bis 35, bevorzugt 5 bis 25
MgO:	0 bis 17, bevorzugt 3 bis 14
RO:	8 bis39, bevorzugt 8 bis 35
ZrO₂:	0 bis 25, bevorzugt 0 bis 17
B₂O₃:	0 bis3, bevorzugt 0 bis 2, besonders
	bevorzugt 0

wobei der Anteil RO die Oxide BaO, SrO, MgO, ZnO jeweils einzeln oder in Summe oder in beliebigen Mischungen bezeichnet.

Bevorzugt beträgt RO einzeln oder in jeder beliebigen Kombination in Gew.-%:

BaO 0 - 36

MgO 0 - 22

CaO 0 - 25.

Ebenso bevorzugt ist Y₂O₃ = 0. Dies konnte durch einen Ersatz des Y₂O₃ mittels MgO und/oder CaO beispielsweise in der Stabilisierung der ZrO₂-Kristallphase erzielt werden.
Dabei beträgt der Kristallanteil des zumindest teilweise kristallisierten Glases mehr als 50 Vol.%, bevorzugt mehr als 60 Vol.%. Dieser hohe Kristallphasenanteil trägt zusätzlich zur Erhöhung der Viskosität bei und führt somit zu einer erhöhten mechanischen Stabilität bei hohen Temperaturen. Weiterhin führt die hohe Kristallisation und damit teilweise auftretende Verzahnung der Kristallite zu einer Lokalisierung der Poren und ermöglicht somit die gesteuerte Porosität maßgeblich.
Dieses zumindest teilweise kristallisierbare Glas erreicht seine hohe Temperaturbeständigkeit insbesondere auch über eine höhere Viskosität der Restglasphase.
Eine wichtige Kristallphase des zumindest teilweise kristallisierbaren Glases ist bei Werten des ZrO₂ > 0 beispielsweise Ca- oder Mg-stabilisiertes ZrO₂. Dies ist eine thermisch stabilere Phase als Y₂O₃-stabilisiertes ZrO₂.
Generell ist jedoch ZrO₂ thermisch schwierig zu stabilisieren, denn bei Absenkung auf niedrigere Temperaturen kann eine Phasenumwandlung in weniger koordinierte Phasen, beispielsweise von tetraklin zu monoklin, zu einem Volumensprung mit einer dabei einhergehenden Volumenverringerung führen, so dass hierdurch Risse entstehen können.
Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden folglich andere als ZrO₂-basierte Kristallphasen in dem zumindest teilweise kristallisierbaren Glas verwendet.
Vorteilhaft beträgt der Anteil von BaO in dem zumindest teilweise kristallisierbaren Glas weniger 36 Gew.%. Hierdurch bildet sich weniger Chromatphase an der Grenzfläche des zumindest teilweise kristallisierbaren Glases mit Cr-haltigen Stählen, beispielsweise Edelstählen, insbesondere, wenn diese Grenzfläche Teil einer Verbindung oder eines Verbindungs- und Durchführungselements ist.
Das zumindest teilweise kristallisierbare Glas ist in einer besonders vorteilhaften Version der zweiten bevorzugten Ausführungsform frei von B₂O₃.
Der mögliche B₂O₃-Gehalt in der ersten bevorzugten Ausführungsform ist für die Nutzung in vielen Anwendungen und Temperaturbereichen vorteilhaft. So führt dieser B₂O₃-Gehalt zu einer sehr guten Benetzung an den Fügepartnern schon vor der Kristallisation bei moderaten Temperaturen. Diese Benetzung ist unerlässlich für eine hermetisch dichte Verbindung, die in vielen Anwendungen benötigt wird. Wird hingegen eine Benutzung des Verbunds bei über 1000 °C beabsichtigt, so ist der B₂O₃-Gehalt nicht unbedingt von Vorteil, da dieser zu einer niedrigen Viskosität der Restglasphase bei diesen Temperaturen führen kann, was zu einer stark verminderten mechanischen Stabilität führen kann.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird daher weitgehend auf die Verwendung von B₂O₃ in der Zusammensetzung des zumindest teilweise kristallisierbaren oder kristallisierten Glases verzichtet, somit werden Restglasphasen mit hohen Viskositäten bei Temperaturen über 1000 °C und somit einer mechanischen Stabilität bei bis zu 1200 °C oder teilweise sogar mehr als 1200 °C, insbesondere bis zu 1270 °C ermöglicht.
Weiterhin konnte auf überraschende Weise bei der zweiten Ausführungsform durch Ersatz mit MgO und CaO sogar auf Y₂O₃ verzichtet werden, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung in der Anwendung führen kann.
Normalerweise wird B₂O₃ für die Benetzung eines Metalls mit Gläsern benötigt. Weil das vorliegend offenbarte zumindest teilweise kristallisierbare Glas zumindest der zweiten bevorzugten Ausführungsform bei höheren Temperaturen an einem Metall anschmelzen kann, welches auch als anglasen oder als einglasen bezeichnet wird, kann in überraschender Weise bei einer bevorzugten Version der zweiten bevorzugten Ausführungsform auf B₂O₃ sogar ganz verzichtet werden. Diese Temperatur, bei welcher das zumindest teilweise kristallisierbare Glas an einem Metall anschmilzt, an- oder in einem Durchführungs- oder Verbindungselement an dessen Einhausung anglast, wird auch als Halbkugeltemperatur bezeichnet.
Mit von der Erfindung umfasst ist ein Partikelsensor insbesondere Abgassensor, beispielsweise Rußpartikelsensor, Drucksensor, Temperatursensor, NO_x-Sensor oder Sauerstoffsensor, umfassend eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes mit geringer Wärmeausdehnung.
Mit von der Erfindung umfasst ist ferner auch ein bildgebendes System, umfassend eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes mit geringer Wärmeausdehnung.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, in Verbindung mit einer Messeinrichtung und/oder einem bildgebenden System umfangreiche Informationen hinsichtlich der Eigenschaften von Partikelströmen zur Verfügung zu stellen, etwa der Rußkonzentration in einem Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschinen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein „Fenster“ zur optischen Analyse von Rußpartikelkonzentrationen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine mittels Laserstrahlung bereitgestellt werden.
Die Ausbildung von Grundkörper und temperaturstabilen Element ermöglicht ferner eine sichere Abdichtung gegen eindringendes Gas, so dass optische Komponenten oder andere Teile einer Messeinrichtung gut geschützt sind, wenn sie auf der dem Partikelstrom abgewandten Seite der Befestigungsvorrichtung angeordnet sind.
Die so gewonnenen Informationen können sehr wertvoll sein, um die Funktionalität der Verbrennungskraftmaschine zeitnah bzw. in Echtzeit zu überprüfen oder auch die Verbrennungskraftmaschine zu regeln oder zu optimieren.
Damit ist es beispielsweise möglich, einen Dieselpartikelfilter in seiner Funktionalität zu überwachen, und, wenn die gewonnenen Informationen entsprechend genutzt werden, die Emissionen zu reduzieren.
Mit von der Erfindung umfasst ist ferner auch die Verwendung der vorgenannten erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes mit geringer Wärmeausdehnung in einem Abgassensor, einem Drucksensor, einem Partikelsensor, wie beispielsweise einem Rußpartikelsensor und/oder einem Temperatursensor und/oder in einem NO_x-Sensor und/oder in einem Sauerstoffsensor, oder in einer Durchführung für einen Kompressor oder in einem Abgaselement oder in einer Brennstoffzelle oder in einer Durchführung für einen chemischen Reaktor oder in einem bildgebenden System.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.
Die Zeichnungen zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes in einer Schnittansicht,
2 ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung gemäß Ausschnitt A,
3 ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung gemäß Ausschnitt B,
4 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes in einer Schnittansicht mit einem verjüngten Abschnitt als Kompensationsmittel,
5 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes in einer Schnittansicht mit einer reduzierten Wanddicke und einer Auskragung als Kompensationsmittel,
6 ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung gemäß Ausschnitt C,
7 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes in einer Schnittansicht mit einer reduzierten Wanddicke, einer Auskragung sowie einer Verjüngung der Querschnittsfläche als Kompensationsmittel,
8 ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung gemäß Ausschnitt D, und
9 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes in einer Schrägansicht.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 10 zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes 20 mit geringer Wärmeausdehnung in einer Schnittansicht.
Die Befestigungsvorrichtung 10 ist dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen oberhalb von 300 °C, bevorzugt oberhalb von 350 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 380 °C.
Die Befestigungsvorrichtung 10 umfasst

- einen Grundkörper 40 mit zumindest einem Halteabschnitt 41, einem an diesen Halteabschnitt angrenzenden Rohrabschnitt 42 mit einer umlaufenden Wandung sowie mit einem an diesen Rohrabschnitt angrenzenden Befestigungsabschnitt 43,
- ein temperaturstabiles Element 20, und
- ein Haltemittel 30,

In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung 10 umfasst diese bereits ein Haltemittel 30, wobei auch eine andere Ausführungsform denkbar ist, in welcher auf dieses Haltemittel 30 verzichtet und eine andere Verbindungsart zur Aufnahme und Halterung des temperaturstabilen Elementes 20 vorgesehen ist.
Das temperaturstabile Element 20 ist dabei derart ausgewählt, dass es sowohl bei Raumtemperatur als auch im Betrieb, also auch bei hohen Temperaturen, wie sie bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung auftreten können, für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm eine Transparenz von wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 84 % und besonders bevorzugt wenigstens 86 % aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine beispielsweise einschichtige Antireflex-Beschichtung zum Beispiel auf der dem Partikelstrom abgewandten Seite 22 aufgebracht sein.
Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 10 ermöglicht es, optische Komponenten oder andere Komponenten einer Messeinrichtung (nicht dargestellt) in der Nähe eines Partikelstromes, welcher mit dem Bezugszeichen 11 in der 1 angedeutet ist, anzuordnen oder sogar in einen Partikelstrom 11 einzubringen, wobei diese durch die Befestigungsvorrichtung 10 bzw. den Grundkörper 40 der Befestigungsvorrichtung 10 geschützt sind. Es versteht sich, dass die zu schützenden Komponenten hierzu auf der dem Partikelstrom 11 abgewandten Seite der Befestigungsvorrichtung 10 angeordnet sein sollten.
Der Partikelstrom 11 kann ein strömendes Fluid umfassen, beispielsweise ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel angenommen.
Für eine einfache und flexible Montage in der Nähe des Partikelstromes 11 ist der Befestigungsabschnitt 43 des Grundkörpers 40 vorgesehen, über den oder mit dem der Grundkörper 40 montiert und fest mit einer den Partikelstrom führenden Einheit (nicht dargestellt) verbunden werden kann.
3 zeigt ein Detail des Befestigungsabschnittes 43 gemäß Ausschnitt B, wobei dies allein eine beispielhafte Ausführungsform darstellt. Selbstverständlich sind verschiedene andere Ausführungsformen des Befestigungsabschnittes 43 vorstellbar und möglich, um die Befestigungsvorrichtung 10 mit einer anderen Einheit, etwa einem Abgasstrang, zu verbinden. Von Vorteil ist sie derart ausgebildet, dass eine dichte und dauerbetriebsfeste Verbindung geschaffen werden kann.
Die Befestigungsvorrichtung 10 kann somit einfach und flexibel in der Nähe des Partikelstromes 11, also beispielsweise an einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, angebracht werden. Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 10 ist dazu ausgelegt, auch an einer Innenseite eines Abgasstranges, welche zu dem Partikelstrom hinweist, angeordnet zu werden, so dass zumindest ein Teil der Befestigungsvorrichtung 10 in den Partikelstrom 11 hineinragt, wie in der 1 angedeutet.
Der Grundkörper 40 umfasst den Rohrabschnitt 42 mit einer umlaufenden Wandung, welcher an den Befestigungsabschnitt 43 angrenzt, sowie einen an den Rohrabschnitt 42 angrenzenden Halteabschnitt 41, welcher demnach an der dem Befestigungsabschnitt 43 gegenüberliegenden Seite des Rohrabschnittes 42 angeordnet ist. Die durchgehende Öffnung 44 des Grundkörpers ist im Bereich des Halteabschnittes 41 als Öffnung 45 ausgebildet zur Aufnahme und Halterung des temperaturstabilen Elementes 20.
In der abgebildeten Ausführungsform ist das temperaturstabile Element 20 mit der Seitenwand 21 mit dem Haltemittel 30 in der Öffnung des Halteabschnittes 41 gehaltert. Das Haltemittel 30 umgibt die Seitenwand 21 vollständig, so dass die durchgehende Öffnung 44 im Bereich des Halteabschnittes 41 fluiddicht, vorzugsweise hermetisch dicht, verschlossen ist.
2 zeigt ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung gemäß Ausschnitt A in einem Schnitt, wobei die Verbindungszone zwischen temperaturstabilen Element 20 und Halteabschnitt 41 zusammen mit einem Haltemittel 30 dargestellt ist. In einer günstigen Ausführungsform ist das Haltemittel 30 derart angeordnet, dass eine annähernd axiale Kontaktfläche zu dem temperaturstabilen Element 20 einerseits und eine weitere annähernd axiale Kontaktfläche zu der der Öffnung zugewandten Seite des Halteabschnittes 41 ausgebildet wird. Demnach weist das Haltemittel in axialer Richtung parallel zur Mittenachse 12 eine gewisse Ausdehnung auf, welche günstigerweise wenigstens der Hälfte der Dicke des temperaturstabilen Elements 20 entspricht. Hierdurch kann eine entsprechend sichere Fügeverbindung realisiert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, optischen Komponenten oder Bauteile der Messeinrichtung (nicht dargestellt), welche u.a. auch in der Öffnung 44 der Befestigungsvorrichtung 10 angeordnet sein können, vor den Partikeln zu schützen. Ferner kann auch ein Schutz vor direkter Wärmeeinwirkung gewährleistet werden.
Die transparente Ausbildung des temperaturstabilen Elementes 20 ermöglicht es, dass elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm, beispielsweise sichtbares Licht, Anregungslicht oder gestreutes oder reflektiertes Licht, oder Laserlicht, aus der Befestigungsvorrichtung 10 austreten bzw. von außen in die Befestigungsvorrichtung 10 durch dieses „Fenster“ eintreten kann. Rein beispielhaft sind in der 1 ein in die Befestigungsvorrichtung 10 eintretender Strahl 13 und ein aus der Befestigungsvorrichtung 10 austretender Strahl 14 angedeutet.
Die Befestigungsvorrichtung 10 gemäß der abgebildeten Ausführungsform ist dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen ab wenigstens 400 °C, bevorzugt ab wenigstens 500 °C und besonders bevorzugt ab wenigstens 600 °C. Sie ist damit stabil gegen Verformungen bei den geforderten Temperaturen.
Im Betrieb ist die Befestigungsvorrichtung 10 auch geeignet zur Durchführung pyrolytischer Reinigungsverfahren.
Ferner ist die abgebildete Befestigungsvorrichtung 10 rüttel- und vibrationsstabil gemessen nach ISO 16750-3.
Die abgebildete Befestigungsvorrichtung 10 weist eine Helium-Leckrate von höchstens 5 * 10^-8 mbar*l/s auf, bevorzugt höchstens 2 * 10^-8 mbar*l/s und besonders bevorzugt höchstens 1 * 10^-8 mbar*l/s.
Begünstigend hierzu ist insbesondere die Anordnung und Ausbildung des Haltemittels 30. Eine solche Ausgestaltung der Befestigungsvorrichtung 10 ist vorteilhaft, da auf diese Weise sowohl eine ausreichende mechanische Steifigkeit erzielt wird, jedoch eine solche Verbindung noch über eine gewisse Elastizität verfügt. Dies ist vorteilhaft bei Temperaturwechselbelastungen und führt daher in vorteilhafter Weise zu einer besonders temperaturstabilen Verbindung in der Verbindungszone.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Öffnungen 44, 45 sowie der Grundkörper 40 und dementsprechend der Halteabschnitt 41, der Rohrabschnitt 42 und der Befestigungsabschnitt 43 zylindersymmetrisch ausgebildet. Dies führt, gerade bei hohen Temperaturen und Temperaturwechselbelastungen, zu einer vergleichsweise homogenen Veränderung der Temperatur in dem Grundkörper 40, so dass Temperaturspitzen oder Bereiche mit stärkeren Temperaturdifferenzen, wie sie etwa bei Ecken oder Kanten entstehen können, vermieden werden.
Der Grundkörper 40 ist, wie dargestellt, hülsenförmig ausgebildet mit einer Mittenachse 12, wobei die Öffnung 45 zur Aufnahme und Halterung des temperaturstabilen Elementes 20 zylindersymmetrisch ausgebildet und koaxial zu dem Grundkörper 40 angeordnet ist.
Grundsätzlich sind auch andere Geometrien bzw. Querschnitte des Grundkörpers 40 vorstellbar, etwa viereckige oder mehreckige, mit geraden oder gebogenen Wandabschnitten. Allerdings sind diese zum einen aufwendiger in der Fertigung, zum anderen auch ungünstiger in Bezug auf die Temperaturverteilung wie vorstehend ausgeführt. Es versteht sich, dass die Öffnung 45 passgenau gegengleich zu dem aufzunehmenden temperaturstabilen Element 20 ausgebildet ist, wobei selbstverständlich ein entsprechender Raum für das Haltemittel 30 vorzusehen ist, sofern ein Haltemittel 30 eingesetzt wird.
Die Erfindung ermöglicht es, hochtemperaturstabile und transparente oder im Wesentlichen transparente Elemente 20, beispielsweise bestimmte Gläser oder Glaskeramiken, zu haltern, welche auch über einen niedrigen oder sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen. Das temperaturstabile Element 20 bzw. das temperaturstabile Element 20 mit dem Haltemittel 30 ist im Betrieb dauerhaft abdichtend in die Öffnung 45 des Halteabschnittes 41 eingepasst und verschließt damit die Öffnung 45 fluiddicht bzw. hermetisch dicht auch bei den geforderten Temperaturen.
Von Vorteil ist der Grundkörper 40 mit hierzu mit Kompensationsmitteln ausgebildet, welche es ermöglichen, Kräfte, die bei größeren Temperaturwechseln und/oder höheren Temperaturen entstehen können, derart abzufangen bzw. zu kompensieren, dass sie nicht in vollem Umfang auf das temperaturstabile Element 20 oder die Verbindungszone einwirken. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass in der Verbindungszone zu hohe mechanische Spannungen auftreten, welche zu Rissen oder Ablösungen führen können, und welche in der Konsequenz zu Undichtigkeiten führen können.
Der erfindungsgemäße Grundkörper 40 ist daher in einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt 42 zumindest einen ersten Abschnitt umfasst, welcher an den Befestigungsabschnitt 43 angrenzt und als Übergangsabschnitt 53 ausgebildet ist, und einen zweiten Abschnitt, welcher als Kompensationsabschnitt 51 ausgebildet ist. Der Kompensationsabschnitt grenzt an den Halteabschnitt 41 des Grundkörpers 40 an. Im Sinne der Erfindung stellt ein Kompensationsabschnitt 51 Kompensationsmittel zur Verfügung, um Unterschiede im Wärmeausdehnungsverhalten einzelner Abschnitte oder Teile der Befestigungsvorrichtung 10 zumindest zum Teil zu kompensieren. Der Übergangsabschnitt 53 und der Kompensationsabschnitt 51 bilden zusammen den Rohrabschnitt 42 des Grundkörpers 40.
In axialer Richtung kann der Kompensationsabschnitt eine Ausdehnung aufweisen, welche wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 % und besonders bevorzugt wenigstens 70 % der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts 53 entspricht. Dies ermöglicht eine entsprechend kompakte Bauform, da aus Stabilitätsgründen eine gewisse Mindestlänge bzw. Ausdehnung in axialer Richtung für den Übergangsabschnitt 53 günstig sein kann.
Der Kompensationsabschnitt 51 kann auch eine axiale Ausdehnung von 100 % der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts 53 aufweisen, was bedeutet, dass in diesem Fall beide Abschnitte in ihrer axialen Ausdehnung gleich sind. Die axiale Ausdehnung des Kompensationsabschnitts 51 kann grundsätzlich auch größer sein als die axiale Ausdehnung des Übergangsabschnitts 53, wobei hier aber darauf zu achten ist, dass die Gesamtlänge des Grundkörpers 40 nicht zu groß wird. Im Allgemeinen kann es hinreichend sein, wenn die axiale Ausdehnung des Kompensationsabschnitts 51 nicht mehr als das Fünffache der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts 53 beträgt.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Kompensationsabschnitts zeigt 4, wobei der dort abgebildete Kompensationsabschnitt 51 zumindest einen verjüngten Abschnitt als Kompensationsmittel mit einer Querschnittsfläche aufweist, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche des Übergangsabschnitts 53. Dies führt dazu, dass Hebelkräfte, welche bei den Temperaturwechseln entstehen können und welche in radialer Richtung wirken können, nicht vollständig bzw. deutlich abgeschwächt von dem Befestigungsabschnitt auf den Halteabschnitt 41 des Grundkörpers 40 übertragen werden.
Dies reduziert die mechanischen Spannungen, welche auf die Verbindungszone einwirken können, deutlich, wodurch die Gefahr von Ablösungen oder Rissen in der Verbindungszone minimiert und die Gefahr von Undichtigkeiten, insbesondere im Bereich der Verbindungszone, im Betrieb verringert werden kann.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es zudem auch, den Grundkörper 40 kostengünstig aus mehreren Teilen zu fertigen, beispielsweise den Rohrabschnitt 42 einerseits und den Halteabschnitt 41 andererseits, und dann beide Bauteile dauerhaft fest miteinander zu verbinden, etwa mittels Schweißen. Hierdurch kann auch in einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Halteabschnitt 41 erst mit dem temperaturstabilen Element 20 mittels An- oder Einglasen verbunden werden, bevor der Rohrabschnitt 42, vorzugsweise mit dem Befestigungsabschnitt 43, gefügt wird.
Es hat sich gezeigt, dass bereits eine geringe Reduzierung der Querschnittsfläche um ca. 1 %, besser wenigstens 5 %, bevorzugt um wenigstens 10 % und besonders bevorzugt um wenigstens 20 % diese Hebelwirkung deutlich reduziert. Eine zu große Reduzierung der Querschnittsfläche, beispielsweise um mehr als 70 %, hat sich als ungünstig herausgestellt, da die Struktur des Grundkörpers dann insgesamt geschwächt werden oder die Steifigkeit nicht mehr gegeben sein könnte.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel wird der Innendurchmesser von ca. 30 mm auf etwa 27 mm in dem Kompensationsabschnitt 51 reduziert, was einer Reduzierung der Querschnittsfläche um etwa 15 % entspricht. Eine derartige Reduzierung hat sich als günstig für die Wanddicke des Rohrabschnittes 42, welche in dem Ausführungsbeispiel bei 0,6 mm liegt, herausgestellt.
Bei größeren Wanddicken kann die Reduzierung der Querschnittsfläche auch stärker sein, da die Wanddicke genügend Stabilität bietet. Bei geringeren Wanddicken wird eine geringere Reduzierung der Querschnittsfläche günstiger sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Halteabschnitt 41 den gleichen Querschnitt auf wie der Übergangsabschnitt 53, so dass die Verjüngung der Querschnittsfläche im Kompensationsabschnitt 51 dazu führt, dass der Halteabschnitt 41 nicht außen bündig mit dem Kompensationsabschnitt 51 verbunden ist, sondern nach innen zur Mittenachse 12 hin versetzt. Es ergibt sich somit eine umlaufende Freifläche 45. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Ausdehnung dieser Freifläche 45 in radialer Richtung wenigstens der Hälfte der Wanddicke des Rohrabschnittes 42, besonders bevorzugt wenigstens dem Einfachen der Wanddicke.
Eine radial wirkende Kraft wird dadurch von dem Rohrabschnitt 42 des Grundkörpers 40 nicht mehr auf die Außenkanten des Halteabschnittes 41 übertragen, was einer ungünstigen Krafteinleitung ähnlich einem Biegebalken entspricht, sondern die Krafteinleitung erfolgt nach innen versetzt, was die Durchbiegung verringert.
In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist ein Kompensationsabschnitt 54 vorgesehen mit zumindest einem reduzierten Abschnitt als Kompensationsmittel, bei welchem die Dicke der Wandung des Kompensationsabschnittes 54 gegenüber der Dicke der Wandung des Übergangsabschnitts 53 reduziert ist.
Bereits eine geringe Reduzierung der Wanddicke, etwa in einem Bereich von 5-10 %, kann dazu beitragen, dass der Rohrabschnitt 42 insgesamt elastischer reagiert, insbesondere bei den geforderten Temperaturwechseln. Auch hierdurch kann die Krafteinleitung in den Halteabschnitt 41 reduziert werden, wodurch ebenfalls unerwünschte mechanische Spannungen, welche zu Ablösungen und/oder Rissen in der Verbindungszone führen können, verringert werden können.
Eine geringe Reduzierung der Wanddicke hat insofern Vorteile, da die Strukturstabilität des Grundkörpers 40 dadurch kaum oder nur wenig beeinträchtigt wird. Es hat sich gezeigt, dass, eine entsprechende Wandstärke im Übergangsabschnitt 53 vorausgesetzt, eine Reduzierung um wenigstens 25 %, bevorzugt um wenigstens 35 % und besonders bevorzugt um wenigstens 40 %, insbesondere um etwa oder genau 50 %, in Verbindung mit den geforderten Temperaturen, den zusätzlichen Belastungen durch Vibrationen und den raschen Temperaturwechseln einen sehr guten Kompromiss zur Erhöhung der Elastizität ohne Schwächung der Strukturstabilität des Grundkörpers 40 darstellt.
Dies gilt beispielsweise für einen Grundkörper 40 wie in 5 gezeigt mit einer Wanddicke von etwa 0,6 mm, wobei die Wanddicken aber auch zwischen zum Beispiel 0,4 mm und 1 mm liegen können. In einer besonders günstigen Ausführungsform beträgt die Wanddicke im Übergangsabschnitt 53 0,6 mm und im Kompensationsabschnitt 54 0,3 mm. Es ist allgemein günstig, im Übergang zwischen Übergangsabschnitt 53 zu Kompensationsabschnitt keine Kanten oder scharfkantige Einstiche vorzusehen, sondern Radien bzw. Übergangsradien 55, um eine Kerbwirkung zu reduzieren.
Eine zu starke Reduzierung der Wanddicke, etwa um mehr als 75 %, erscheint ungünstig, da dann die Querkontraktion und die sich daraus ergebenden mechanischen Spannungen in den beiden Abschnitten zu unterschiedlich ist und die Steifigkeit des Grundkörpers 40 insgesamt gefährdet sein könnte. Die Reduzierung der Wanddicke sollte daher nicht mehr als 75 %, bevorzugt nicht mehr als 65 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 60 % betragen.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Kompensationsabschnitt 54 nicht nur mit einer reduzierten Wanddicke ausgebildet, sondern umfasst zusätzlich ein weiteres Kompensationsmittel in Gestalt einer Auskragung der Wandung. In anderen Worten, der Kompensationsabschnitt 54 ist mit einer reduzierten Wanddicke und einem auskragenden Abschnitt als Kompensationsmittel ausgebildet und kombiniert damit in besonders günstiger Weise zwei erfindungsgemäße Kompensationsmittel miteinander, welche selbstverständlich auch einzeln angewandt werden können.
Bei der Auskragung ist die Wandung unter einem Winkel α mit α > 0° zu der Mittenachse 12 des Grundkörpers 40 ausgerichtet. Die Auskragung erfolgt dabei in Richtung des Halteabschnitts 41. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass axiale Kräfte von dem Rohrabschnitt 42 abgefangen und die resultierenden Querkräfte besser kompensiert werden können, da der auskragende Abschnitt eine zusätzliche elastische Komponente bei unterschiedlicher Querkontraktion zur Verfügung stellt. Der Winkel α kann dabei zwischen 5° und 75°, bevorzugt zwischen 10° und 70°, und besonders bevorzugt zwischen 15° und 60° betragen. In dem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel etwa α = 15°.
6 zeigt ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung 10 gemäß Ausschnitt C, wobei die Auskragung und die Wanddickenreduzierung sowie die Übergangsradien 55 und der Winkel α abgebildet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können mehrere Kompensationsmittel miteinander kombiniert werden, beispielsweise die Reduzierung der Wanddicke mit der Auskragung wie in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Befestigungseinrichtung 10, bei der ebenfalls mehrere Kompensationsmittel miteinander kombiniert sind. In dem abgebildeten Beispiel sind dies die Verjüngung der Querschnittsfläche, die Wandstärkenreduzierung sowie die Auskragung. Der abgebildete Kompensationsabschnitt 56 umfasst demnach einen Abschnitt 57 mit einer Verjüngung des Querschnitts, welcher wiederum einen Abschnitt 58 mit einer Wandstärkenreduzierung sowie einer Auskragung umfasst. Wandstärkenreduzierung und Auskragung sind dabei ausgebildet wie unter dem Ausführungsbeispiel zu 5 erläutert, wobei selbstverständlich auch andere Ausbildungen und Kombinationsmöglichkeiten gegeben sind.
Diese Ausbildung des Kompensationsabschnittes 56 zeigte in Versuchen die höchste Elastizität. Sie ist damit besonders gut geeignet für Befestigungsvorrichtungen 10, bei welchen besonders große Differenzen im Wärmeausdehnungsverhalten zwischen temperaturstabilen Element 20 und Grundkörper 40 vorliegen.
8 zeigt ein Detail der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung 10 gemäß Ausschnitt D, wobei die Auskragung und die Wanddickenreduzierung sowie die Übergangsradien 55 abgebildet sind.
9 schließlich zeigt eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 10 zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes 20 in einer Schrägansicht.
Der Grundkörper 40 umfasst ein temperaturstabiles Material, bevorzugt ein temperaturstabiles Metall aus der Gruppe der Stähle, beispielsweise der Normalstähle, Edelstähle, nichtrostenden Stähle und der hochtemperaturstabilen ferritischen oder austenisitschen Stähle. Bevorzugt sind dabei Stähle, welche gut schweißbar sind und bei der Durchführung der Erfindung rostfrei bleiben.
Die Erfindung ermöglicht es, in besonders vorteilhafter Weise Materialien bzw. Werkstoffe für den Grundkörper 40 auszuwählen, welche über einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das temperaturstabile Element 20 verfügen.
Da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundkörpers 40 in diesen Fällen größer ist als der des temperaturstabilen Elements 20, übt dieser eine mit ansteigender Temperatur zunehmende Zug- bzw. Druckspannung infolge unterschiedlicher Querkontraktion auf das temperaturstabile Element 20 aus. Um dennoch auch bei den geforderten Temperaturen die Öffnung dauerbetriebsfest fluiddicht bzw. hermetisch dicht zu verschließen, ist es günstig, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Grundkörpers 40 nicht höher ist als 15 * 10-6/K in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C, bevorzugt nicht höher als 14 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht höher als 13 * 10-6/K.
Das Material für den Grundkörper 40 kann somit ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend die folgenden Stähle: Thermax, beispielsweise Thermax 4016, Thermax4742, oder Thermax4762 oder Crofer22 APU oder CroFer22 H oder NiFe-basierte Materialien, beispielsweise NiFe45, NiFe47, oder bekannt unter dem Markennamen Inconel, beispielsweise Inconel 718 oder X-750, oder Stähle, beispielsweise bekannt unter den Bezeichnungen CF25, Alloy 600, Alloy 625, Alloy 690, SUS310S, SUS430, SUH446 oder SUS316, oder austenitische Stähle wie 1.4828 oder 1.4841 oder ferritische Stähle wie 1.4762 oder Incolloy 909.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen wurden als Material für den Grundkörper ferritischer Stahl 1.4762 sowie Alloy 600 mit Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 11 * 10-6/K und 14,5 * 10-6/K in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C mit gutem Erfolg verwendet.
Der Grundkörper 40 konnte mit diesen Materialien bei einer Wanddicke von etwa 0,6 mm im Bereich des Übergangsabschnittes 53 und einem Durchmesser von etwa 30 mm im Bereich des Halteabschnittes 41 hinreichend formstabil ausgebildet werden. Selbstverständlich sind auch andere Abmessungen möglich und denkbar.
Das temperaturstabile Element 20 ist scheibenförmig ausgebildet mit planparallelen Hauptoberflächen und verfügt über eine optische Politur, beispielsweise der Güte P3, auf zumindest den Hauptoberflächen.
In den Ausführungsbeispielen beträgt der Außendurchmesser des temperaturstabilen Elementes 20 etwa 23 mm bei einer Dicke von etwa 1,5 mm. Selbstverständlich sind auch andere Abmessungen möglich und denkbar.
In anderen Ausführungsformen ist es beispielsweise auch möglich, das temperaturstabile Element 20 plankonvex, plankonkav, bikonvex, bikonkav, konvexkonkav oder konkavkonvex zu formen.
Dabei kann das temperaturstabile Element 20 auch ein Teil eines diesem zugeordneten bildgebenden Systems sein.
Das temperaturstabile Element 20 kann Glas, Glaskeramik oder Keramik umfassen oder daraus bestehen.
In den Ausführungsbeispielen wurden gute Erfahrungen gemacht mit dem Material Saphirglas bzw. synthetischem Korund für das temperaturstabile Element 20, welches sehr gute optische Eigenschaften aufgrund des kristallinen Aufbaus bietet sowie eine hohen Härte und eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
Zudem erweist sich auch der Wärmeausdehnungskoeffizient von Saphirglas als günstig, welcher etwa 7,5 * 10-6/K (Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C) beträgt, da hierdurch die Differenz zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers 40 nicht zu hoch wird.
In den Ausführungsbeispielen wurden ferner gute Erfahrungen gemacht mit dem Material Quarzglas bzw. Kieselglas für das temperaturstabile Element 20, welches ebenfalls über besonders gute optische Eigenschaften verfügt.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt allerdings mit etwa 0,5 * 10-6/K deutlich niedriger, was dazu führt, dass die mechanischen Spannungen bei Temperaturwechseln zwischen temperaturstabilen Element und Grundkörper im Vergleich zu Saphirglas größer sind.
Allgemein wird im Sinne der Erfindung daher bevorzugt, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des temperaturstabilen Elements 20 nicht größer ist als 9 * 10-6/K in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 400 °C, bevorzugt nicht größer als 7,5 * 10-6/K, weiterhin bevorzugt nicht größer als 7 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht größer als 6,5 * 10-6/K.
Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen beträgt der Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem temperaturstabilen Element 20 und dem Grundkörper 40 wenigstens 2,5 * 10^-6/K, bevorzugt mehr als 3 * 10^-6/K und besonders bevorzugt mehr als 4 * 10^-6/K.
Dies ermöglicht es, sowohl den Grundkörper 40 hinsichtlich seiner bestimmungsgemäßen Eigenschaften als auch das temperaturstabile Element 20 entsprechend auszubilden.
Diese Differenz sollte allerdings auch nicht zu hoch sein, da sonst selbst die vorstehend beschriebenen Kompensationsmittel nicht ausreichend könnten, um die auftretenden Spannungen sicher abzufangen. Die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem temperaturstabilen Element 20 und dem Grundkörper 40 sollte daher nicht mehr als 20 * 10^-6/K, bevorzugt nicht mehr als 15 * 10^-6/K und besonders bevorzugt nicht mehr als 13 * 10^-6/K betragen.
Zum Haltern des temperaturstabilen Elementes 20 in der Öffnung 45 des Grundkörpers 40 ist in den abgebildeten Ausführungsbeispielen ein Haltemittel 30 vorgesehen, um eine hochtemperaturstabile und/oder mechanisch hochfeste Fügeverbindung herzustellen.
Besonders gute Erfahrungen wurden gemacht mit einem Haltemittel 30, welches ein kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas umfasst, wie es in der Patentanmeldung EP 19 181 866.5 der Anmelderin vorgeschlagen ist.
Ebenfalls wurden gute Erfahrungen gemacht mit einem Haltemittel 30, welches ein kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisierten Glas umfasst, wobei das zumindest teilweise kristallisierte Glas eine Porosität aufweist. Diese kann zur Grenzfläche des zumindest teilweise kristallisierten Glases mit dem Fügepartner hin abnehmen, und/oder strukturiert verteilt angeordnet sein.
Ein derartiges kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas wird in der Patentanmeldung WO 2017/220700 der Anmelderin vorgeschlagen.
Derartige kristallisierbare bzw. zumindest teilweise kristallisierte Gläser erlauben die Ausbildung von hochtemperaturstabilen und/oder mechanisch hochfesten Fügeverbindungen. So ist es mit einem kristallisierbaren bzw. zumindest teilweise kristallisierten Glas möglich, ein besonders stabiles Gefüge im zumindest teilweise kristallisierten Glas auszubilden, insbesondere ein Gefüge, welches auch bei hohen Temperaturen oberhalb von 400 °C, bevorzugt oberhalb von 500 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 600 °C oder sogar bis 1000 °C oder darüber mechanisch stabil ausgebildet ist.
Mit der Erfindung kann ein Partikelsensor, insbesondere Abgassensor, beispielsweise Rußpartikelsensor, Drucksensor, Temperatursensor, NO_x-Sensor oder Sauerstoffsensor, zur Verfügung gestellt werden, bei dem optische Komponenten einer Messeinrichtung in der Nähe eines heißen Partikelstromes angeordnet werden können, wobei sie durch die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 10 geschützt vor Wärme und eindringendem Gas sind.
Auf diese Weise kann beispielsweise ein „Fenster“ zur optischen Analyse von Rußpartikelkonzentrationen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine mittels Laserstrahlung bereitgestellt werden.
Mit der Erfindung kann beispielsweise auch ein bildgebendes System zur Verfügung gestellt werden, welches mittels der Befestigungsvorrichtung 10 ein temperaturstabiles „Fenster“ als Interface zwischen Messeinrichtung und Messvolumen umfasst und damit in der Nähe von oder in Partikelströmen 11 oder Fluiden eingesetzt werden kann.
Mit von der Erfindung umfasst ist ferner die Verwendung der Befestigungsvorrichtung 10 zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes 20 mit geringer Wärmeausdehnung in einem Abgassensor, einem Drucksensor, einem Partikelsensor, wie beispielsweise einem Rußpartikelsensor und/oder einem Temperatursensor und/oder in einem NO_x-Sensor und/oder in einem Sauerstoffsensor, oder in einer Durchführung für einen Kompressor oder in einem Abgaselement oder in einer Brennstoffzelle oder in einer Durchführung für einen chemischen Reaktor oder in einem bildgebenden System.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4567750 [0003]
DE 10340748 [0004]
DE 102017104378 A1 [0005]
EP 19181866 [0081, 0235]
WO 2017/220700 [0120, 0237]

Claims

Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes insbesondere dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen oberhalb von 300 °C, bevorzugt oberhalb von 350 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 380 °C, umfassend - einen Grundkörper mit zumindest einem Halteabschnitt, einem an diesen Halteabschnitt angrenzenden Rohrabschnitt mit einer umlaufenden Wandung sowie mit einem an diesen Rohrabschnitt angrenzenden Befestigungsabschnitt, und - ein temperaturstabiles Element, wobei der Grundkörper eine durchgehende Öffnung umfasst, welche im Bereich des Halteabschnittes ausgebildet ist zur Aufnahme und Halterung des temperaturstabilen Elementes, und wobei das temperaturstabile Element im Betrieb für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm eine Transparenz von wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 84 % und besonders bevorzugt wenigstens 86 % aufweist.
Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes insbesondere dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen oberhalb von 300 °C, bevorzugt oberhalb von 350 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 380 °C, insbesondere nach vorstehendem Anspruch, umfassend - einen Grundkörper mit zumindest einem Halteabschnitt, einem an diesen Halteabschnitt angrenzenden Rohrabschnitt mit einer umlaufenden Wandung sowie mit einem an diesen Rohrabschnitt angrenzenden Befestigungsabschnitt, - ein temperaturstabiles Element, und - ein Haltemittel, wobei der Grundkörper eine durchgehende Öffnung umfasst, welche im Bereich des Halteabschnittes ausgebildet ist zur Aufnahme des temperaturstabilen Elementes, wobei das temperaturstabile Element mit dem Haltemittel in der Öffnung gehaltert ist und wobei die Öffnung fluiddicht, vorzugsweise hermetisch dicht, verschlossen ist, und wobei das temperaturstabile Element im Betrieb für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenspektrum von wenigstens 350 bis 1.000 nm eine Transparenz von wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 84 % und besonders bevorzugt wenigstens 86 % aufweist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung dauerbetriebsfest bei Hochtemperatur-Anwendungen ab wenigstens 400 °C, bevorzugt ab wenigstens 500 °C und besonders bevorzugt ab wenigstens 600 °C ist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Befestigungsvorrichtung dicht verschlossen ist, wobei die Helium-Leckrate höchstens 5 * 10^-8 mbar*l/s, bevorzugt höchstens 2 * 10^-8 mbar*l/s und besonders bevorzugt höchstens 1 * 10^-8 mbar*l/s beträgt.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung und/oder der Grundkörper, insbesondere der Halteabschnitt, der Rohrabschnitt und/oder der Befestigungsabschnitt zylindersymmetrisch ausgebildet sind.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt zumindest einen ersten Abschnitt umfasst, welcher an den Befestigungsabschnitt angrenzt und als Übergangsabschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten Abschnitt, welcher als Kompensationsabschnitt ausgebildet ist, wobei der Kompensationsabschnitt in axialer Richtung eine Ausdehnung aufweist, welche wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 % und besonders bevorzugt wenigstens 70 % der axialen Ausdehnung des Übergangsabschnitts entspricht.
Befestigungsvorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsabschnitt zumindest einen verjüngten Abschnitt mit einer Querschnittsfläche aufweist, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche des Übergangsabschnitts, wobei die Querschnittsfläche um wenigstens 5 %, bevorzugt um wenigstens 10 % und besonders bevorzugt um wenigstens 20 % kleiner ist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsabschnitt zumindest einen reduzierten Abschnitt umfasst, bei welchem die Dicke der Wandung gegenüber der Dicke der Wandung des Übergangsabschnitts reduziert ist um wenigstens 25 %, bevorzugt um wenigstens 35 % und besonders bevorzugt um wenigstens 40 %, und um nicht mehr als 75 %, bevorzugt nicht mehr als 65 % und besonders bevorzugt um nicht mehr als 60 %.
Befestigungsvorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsabschnitt zumindest einen auskragenden Abschnitt umfasst, bei welchem die Wandung in einem Winkel α zu der Mittenachse des Grundkörpers steht und wobei die Auskragung vorzugsweise in Richtung des Halteabschnitts erfolgt.
Befestigungsvorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Winkel α zwischen 5° und 75°, bevorzugt zwischen 10° und 70°, und besonders bevorzugt zwischen 15° und 60° beträgt.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einem temperaturstabilen Material ausgebildet ist, bevorzugt einem temperaturstabilen Metall aus der Gruppe der Stähle, beispielsweise der Normalstähle, Edelstähle, nichtrostenden Stähle und der hochtemperaturstabilen Stähle, wobei Wärmeausdehnungskoeffizient CTE des Materials nicht höher ist als 15 * 10-6/K, bevorzugt nicht höher als 14 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht höher als 13 * 10-6/K, und vorzugsweise wenigstens 10 * 10-6/K.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Grundkörpers ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend die folgenden Stähle: Thermax, beispielsweise Thermax 4016, Thermax4742, oder Thermax4762 oder Crofer22 APU oder CroFer22 H oder NiFe-basierte Materialien, beispielsweise NiFe45, NiFe47, oder bekannt unter dem Markennamen Inconel, beispielsweise Inconel 718 oder X-750, oder Stähle, beispielsweise bekannt unter den Bezeichnungen CF25, Alloy 600, Alloy 625, Alloy 690, SUS310S, SUS430, SUH446 oder SUS316, oder austenitische Stähle wie 1.4828 oder 1.4841, oder ferritische Stähle wie 1.4762 oder Incolloy 909.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Element scheibenförmig ausgebildet ist und insbesondere planparallele Hauptoberflächen aufweist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Element Glas, Glaskeramik oder Keramik umfasst oder daraus besteht, insbesondere Saphirglas oder Quarzglas.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Element im Wesentlichen monokristallin ausgebildet ist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Element einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nicht größer als 9 * 10-6/K, bevorzugt nicht größer als 7,5 * 10-6/K, weiterhin bevorzugt nicht größer als 7 * 10-6/K und besonders bevorzugt nicht größer als 6,5 * 10-6/K aufweist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem temperaturstabilen Element und dem Grundkörper wenigstens 2,5 * 10^-6/K beträgt, bevorzugt mehr als 3 * 10^-6/K und besonders bevorzugt mehr als 4 * 10^-6/K.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltemittel ein Glaslot umfasst, vorzugsweise umfassend ein kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas, oder aus diesem besteht.
Befestigungsvorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass (*** P5041) das zumindest teilweise kristallisierte Glas einen Restglasanteil von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, bezogen auf das Volumen, umfasst, wobei das zumindest teilweise kristallisierte Glas Kristallaggregate umfasst, wobei die Kristallaggregate gebildet sind aus einer Vielzahl von Kristalliten, wobei die Kristallite vorzugsweise nadelig und/oder plättchenförmig ausgebildet sind, wobei die Kristallite insbesondere bevorzugt radialstrahlig, wie sphärolithisch und/oder fächerförmig, und/oder stabförmig und/oder plättchenförmig das zumindest teilweise kristallisierte Glas durchsetzend angeordnet sind.
Befestigungsvorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas umfasst La₂O₃ größer 0,3 Mol-% bis kleiner 5 Mol-%, vorzugsweise kleiner oder gleich 4,5 Mol-%, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 4 Mol-%, Nb₂O₅ 0 Mol-% bis 9 Mol-%, Ta₂O₅ 0 Mol-% bis 7 Mol-%,

wobei Σ (A₂O₅) größer 0,2 Mol-% bis 9 Mol-%,

wobei A ein Element ist, welches in Oxiden üblicherweise die Oxidationszahl V+ aufweist, und Nb und/oder Ta oder P und / oder Mischungen hiervon umfassen kann.
Befestigungsvorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas umfasst SiO₂ 30 Mol-% bis 40 Mol-%, Al₂O₃ 3 Mol-% bis 12 Mol-%, CaO 32 Mol-% bis 46 Mol-%, MgO 5 Mol-% bis 15 Mol-%, ZnO 0 Mol-% bis 10 Mol-%,

sowie optional ZrO₂ 0 Mol-% bis 4 Mol-%, vorzugsweise höchstens 3 Mol-%, und/oder TiO₂ 0 Mol-% bis 4 Mol-%, vorzugsweise höchstens 3 Mol-%, und/oder MnO₂ 0 Mol-% bis 5 Mol-%.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 18-21, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise kristallisierte Glas eine Porosität umfasst und die folgende Zusammensetzung aufweist, Angaben in Gew.-%: SiO₂: 20 bis 60, bevorzugt 25 bis 50 Al₂O₃: 0,5 bis 20, bevorzugt 0,5 bis 10 CaO: 10 bis 50 MgO: 0,5 bis 50, bevorzugt 0,5 bis 10 Y₂O₃: 0,1 bis 20, bevorzugt 3 bis 20 ZrO₂: 0,1 bis 25, bevorzugt 3 bis 20 B₂O₃: 1 bis 15, bevorzugt 3 bis 12,

wobei weiterhin HfO₂ optional bis zu 0,25 Gew.-% enthalten sein kann.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 18-22, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise kristallisierte Glas eine Porosität umfasst und die folgende Zusammensetzung aufweist, Angaben in Gew.-%: SiO₂: 36 bis 54, bevorzugt 40 bis 54 Al₂O₃ : 8 bis 16, bevorzugt 8 bis 13 CaO: 0 bis 35, bevorzugt 5 bis 25 MgO: 0 bis 17, bevorzugt 3 bis 14 RO: 8 bis 39, bevorzugt 8 bis 35 ZrO₂: 0 bis 25, bevorzugt 0 bis 17 B₂O₃: 0 bis 3, bevorzugt 0 bis 2, besonders bevorzugt 0

wobei der Anteil RO die Oxide BaO, SrO, MgO, ZnO jeweils einzeln oder in Summe oder in beliebigen Mischungen bezeichnet und bevorzugt RO einzeln oder in jeder beliebigen Kombination in Gew.-%: BaO 0 - 36 MgO 0 - 22 CaO 0

beträgt.
Partikelsensor, insbesondere Abgassensor, beispielsweise Rußpartikelsensor, Drucksensor, Temperatursensor, NO_x-Sensor oder Sauerstoffsensor, umfassend eine Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Befestigungsvorrichtung zum Haltern eines temperaturstabilen Elementes nach einem der vorstehenden Ansprüche nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 23 oder eines Partikelsensor nach vorstehendem Anspruch in einem Abgassensor, einem Drucksensor, einem Partikelsensor, wie beispielsweise einem Rußpartikelsensor und/oder einem Temperatursensor und/oder in einem NO_x-Sensor und/oder in einem Sauerstoffsensor, oder in einer Durchführung für einen Kompressor oder in einem Abgaselement oder in einer Brennstoffzelle oder in einer Durchführung für einen chemischen Reaktor oder in einem bildgebenden System.