DE19532090A1 - Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors - Google Patents
Dichtung für ein Sensorelement eines GassensorsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Dichtung für ein
Sensorelement eines Gassensors nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Eine derartige Dichtung ist aus der
DE-OS 34 18 789 bekannt, bei der das Sensorelement in einer
Längsbohrung eines Gehäuses mittels zwei Dichtkörpern und
einer zwischen den Dichtkörpern angeordneten verformbaren
Zusatzdichtung angeordnet ist. Die beiden Dichtkörper
bestehen aus Magnesium-Aluminium-Silikat (Steatit). Als
Material für die Zusatzdichtung ist vorgepreßtes
Metallpulver oder Graphit angegeben.
Die erfindungsgemäße Dichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß sie sowohl
gasdicht als auch für Flüssigkeiten, insbesondere für
Kraftstoff, undurchlässig ist und zusätzlich eine hohe
Temperaturbeständigkeit aufweist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch
angegebenen Dichtung möglich. Eine gute Handhabbarkeit bei
der Montage der Dichtung wird erreicht, wenn die Steatit-
Dichtkörper in vorgesintertem Zustand und der Bornitrid-
Dichtkörper in heißgepreßtem Zustand als Dichtringe
eingesetzt werden und durch das Einwirken einer Kraft bei
der Montage sich derart verformen, daß sich das Material der
Dichtkörper an das Sensorelement und das Gehäuse anlegt und
somit das Sensorelement im Gehäuse gasdicht gehalten wird.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch
einen Gassensor mit einer Dichtungsanordnung nach einem
ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 den Gassensor mit einer
Dichtungsanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
und Fig. 3 den Gassensor mit einer Dichtungsanordnung nach
einem dritten Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen einen Gassensor 10,
beispielsweise einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, der
ein metallisches Gehäuse 12 hat, das ein Gewinde 13 als
Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes
Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 hat eine Längsbohrung 15
mit einer Schulterförmigen Ringfläche 16. Auf der
Schulterförmigen Ringfläche befindet sich beispielsweise ein
metallischer Dichtring 18, auf dem ein meßgasseitiges
Keramikformteil 21 aufliegt. Das meßgasseitige
Keramikformteil 21 hat in Richtung der Längsbohrung 15
verlaufend einen durchgehenden meßgasseitigen Durchbruch 22.
Beabstandet vom meßgasseitigen Keramikformteil 21 ist in der
Längsbohrung 15 ferner ein anschlußseitiges Keramikformteil
23 angeordnet. Das anschlußseitige Keramikformteil 23 hat
ebenfalls in Richtung der Längbohrung 15 verlaufend einen
zentral angeordneten und durchgehenden anschlußseitigen
Durchbruch 24. Der meßgasseitige Durchbruch 22 des
meßgasseitigen Keramikformteils 21 und der anschlußseitige
Durchbruch 24 des anschlußseitigen Keramikformteils 23
verlaufen fluchtend zueinander. In den Durchbrüchen 22, 24
befindet sich ein plättchenförmiges Sensorelement 27 mit
einem meßgasseitigen Endabschnitt 28 und einem
anschlußseitigen Endabschnitt 29.
Der meßgasseitige Endabschnitt 28 des Sensorelements 27 ragt
aus dem Gehäuse 11 heraus und ist von einem Schutzrohr 31
umgeben, das am Gehäuse 11 festgelegt ist. Das Schutzrohr 31
weist Ein- und Austrittsöffnungen 32 für das zu messende Gas
auf. Der anschlußseitige Endabschnitt 29 besitzt
Anschlußkontakte 34, die ebenfalls aus dem Gehäuse 11
herausragen. Die Anschlußkontakte 34 werden mit einem nicht
dargestellten mit Anschlußkabeln versehenen Kontaktstecker
kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 11 herausragende
anschlußseitige Endabschnitt 29 ist von einer nicht
dargestellten Umkapselung umgeben, die den Endabschnitt 29
vor Umgebungseinflüssen schützt.
Zwischen dem meßgasseitigen Keramikformteil 21 und dem
anschlußseitigen Keramikformteil 23 befindet sich eine
Dichtungsanordnung 35, bestehend aus einem ersten
Dichtelement 36, einem zweiten Dichtelement 37 und einem
dritten Dichtelement 38. Das erste Dichtelement 36 besteht
aus Steatit und sitzt auf dem meßgasseitigen Keramikformteil
21 auf. Daran schließt sich das zweite Dichtelement 37 an,
daß aus hexagonalem Bornitrid besteht. Über dem zweiten
Dichtelement 37 befindet sich das dritte Dichtelement 38,
daß ebenfalls aus Steatit besteht. Auf das dritte
Dichtelement 38 drückt das anschlußseitige Keramikformteil
23. Die Anpreßkraft des anschlußseitigen Keramikformteil 23
wird von einer Metallhülse 40 aufgebracht. Die Metallhülse
40 hat beispielsweise gleichmäßig verteilt mehrere, nach
innen weisende Krallen 41, die in am Gehäuse 12 eingeformten
Einkerbungen 42 eingreifen. Es ist aber auch denkbar, die
Metallhülse 40 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel geht aus Fig. 2 hervor. Bei
diesem Ausführungsbeispiel besteht die Dichtungsanordnung 35
lediglich aus dem zweiten Dichtelement 37 und dem dritten
Dichtelement 38. Das aus Bornitrid bestehende zweite
Dichtelement 37 liegt direkt auf dem meßgasseitigen
Keramikformteil 21 auf.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besteht
die Dichtungsanordnung 35 aus dem ersten Dichtelement 36 und
dem zweiten Dichtelement 37. Hier drückt das anschlußseitige
Keramikformteil 23 direkt auf das zweite Dichtelement 37 aus
Bornitrid.
Als zweckmäßig hat sich herausgestellt, daß das Volumen der
aus Steatit bestehenden Dichtelemente 36, 38 etwa doppelt so
groß ist als das Volumen des aus Bornitrid bestehende
Dichtelements 37. Dies führt dazu, daß bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Dicke der
Dichtelemente 36, 37, 38 etwa gleich groß ist. Bei den
beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 3 ist dagegen
das erste Dichtelement 36 beziehungsweise das dritte
Dichtelement 38 etwa doppelt so dick ausgeführt als das
zweite, aus Bornitrid bestehende Dichtelement 37.
Die aus Steatit bestehenden Dichtelemente 36, 38 werden vor
dem Einbau in die Längsbohrung 15 des Gehäuses 12 durch
Sintern bei einer niedrigen Temperatur von beispielsweise
500°C zu Ringen vorgeformt. Das aus hexagonalem Bornitrid
bestehende zweite Dichtelement 37 wird dagegen bei
ca. 2000°C heißgepreßt. Die so gebildeten ringförmigen
Dichtelemente 36, 37, 38 werden gemäß dem entsprechenden
Ausführungsbeispielen in die das Sensorelement 27 bereits
enthaltende Längsbohrung 15 eingesetzt. Über der
entsprechend ausgeführten Dichtungsanordnung 35 wird dann
das anschlußseitige Keramikformteil 23 angeordnet. Danach
wird auf das anschlußseitige Keramikformteil die Metallhülse
40 aufgesetzt. Anschließend wird beispielsweise mittels
eines Stempels eine Kraft auf die Metallhülse 40 ausgeübt,
die über das anschlußseitige Keramikformteil 23 auf die
Dichtelemente 36, 37, 38 der Dichtungsanordnung 35 einwirkt.
Dabei werden die vorgefertigten Ringe der Dichtelemente 36,
37, 38 derart verformt, daß sich das Material der
Dichtelemente 36, 37, 38 an das Sensorelement 27 und das
Gehäuse 12 anpreßt.
Es hat sich gezeigt, daß die Dichtwirkung im wesentlichen
vom hexagonalen Bornitrid des zweiten Dichtelements 37
bestimmt wird. Das Bornitrid hat aufgrund seiner
Kristallstruktur eine sehr gute Gas- und
Kraftstoffdichtheit.
Wesentlich für die Erzielung einer Gas- und
Kraftstoffdichtheit über einen weiten Temperaturbereich ist,
daß auf die Dichtungsanordnung 35 ständig eine von der
Metallhülse 40 ausgehende und auf die Dichtelemente 26, 37,
38 einwirkende Kraft vorliegt. Aufgrund des höheren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Steatit
(8,8×10-6 K-1) gegenüber Bornitrid
(ca. 4,4×10-6 K-1) wird erreicht, daß auch bei höheren
Temperaturen die von der Metallhülse 40 ausgehende
Anpreßkraft auf die Dichtungsanordnung 35 einwirkt.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 35
ist nicht auf die Abdichtung von planaren Sensorelementen in
metallischen Gehäusen beschränkt. Es ist durchaus denkbar,
eine derartige Dichtungsanordnung 35 auch zum Abdichten von
sogenannten Fingersonden einzusetzen. Bei diesem
Anwendungsfall muß dann lediglich die Ausführung der
vorgefertigten Ringe für die Dichtelemente 36, 37, 38 der
Geometrie der Längsbohrung und der Auflagefläche von Gehäuse
und von fingerförmigen Sensorelement angepaßt werden.
Claims (10)
1. Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors,
insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen
von Verbrennungsmotoren, welche das Sensorelement in einer
Längsbohrung eines metallischen Gehäuses abdichtet, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Dichtanordnung (35) aus mindestens
zwei übereinander liegenden Dichtelementen (36, 37, 38)
vorgesehen ist und daß das eine Dichtelement (37) aus
Bornitrid und das andere Dichtelement (36, 38) aus Steatit
besteht.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bornitrid in einer hexagonalen Kristallstruktur vorliegt.
3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dichtelemente (36, 37, 38) als verformbare Ringe eingesetzt
und in die Längsbohrung (15) des Gehäuses (12) eingepreßt
sind, wobei sich beim Verpressen die Ringe derart verformen,
daß sich das Material der Dichtelemente (36, 37, 38) an das
Sensorelement (27) und das Gehäuse (12) anpreßt.
4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Volumen des aus Steatit bestehenden Dichtelements (36, 38)
größer ist als das Volumen des aus Bornitrid bestehenden
Dichtelements (37).
5. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Volumen des aus Steatit bestehenden Dichtelements (36, 38)
etwa doppelt so groß ist als das Volumen des aus Bornitrid
bestehenden Dichtelements (37).
6. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Längsbohrung (15) des Gehäuses (12) beabstandet
voneinander ein meßgasseitiges Keramikformteil (21) und ein
anschlußseitiges Keramikformteil (23) angeordnet sind und
daß zwischen den beiden Keramikteilen (21, 24) die
Dichtungsanordnung (35) angeordnet ist.
7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein
mit dem Gehäuse (12) verbundenes Druckelement (40)
vorgesehen ist, welches auf das anschlußseitige
Keramikformteil (23) drückt.
8. Dichtanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem meßgasseitigen Keramikformteil (21) das
Dichtelement (36) aus Steatit aufliegt, auf dem sich das
Dichtelement (37) aus Bornitrid befindet, und daß auf dem
Dichtelement (37) aus Bornitrid ein weiteres Dichtelement
(38) aus Steatit liegt, auf das das anschlußseitige
Keramikformteil (23) drückt.
9. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf
dem meßgasseitigen Keramikformteil (21) das Dichtelement
(37) aus Bornitrid aufliegt und daß sich über dem
Dichtelement (37) das Dichtelement (38) aus Steatit
befindet, auf das das anschlußseitige Keramikformteil (23)
drückt.
10. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
auf dem meßgasseitigen Keramikformteil (21) das Dichtelement
(36) aus Steatit aufliegt und daß sich über dem Dichtelement
(36) das Dichtelement (37) aus Bornitrid befindet, auf das
das anschlußseitige Keramikformteil (23) drückt.
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