DE19714203A1

DE19714203A1 - Dichtelement für Sensoren

Info

Publication number: DE19714203A1
Application number: DE19714203A
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl; Hans-Martin Dr Wiedenmann; Anton Hans; Johann Wehrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: GB2330207A; CN1222975A; DE19714203C2; JP2000511645A; GB9826887D0; WO1998045696A1; KR20000016317A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors nach der Gattung des Hauptanspruches. Eine derartige Dichtung ist beispielsweise aus der DE 195 32 090 bekannt, bei der das Sensorelement in einer Längsbohrung eines Gehäuses mittels mindestens zweier Dichtkörper und einer zwischen den Dichtkörpern angeordneten verformbaren Zusatzdichtung angebracht ist. Die beiden Dichtkörper bestehen aus Magnesiumaluminiumsilicat oder Steatit und der zwischen diesen Dichtkörpern angebrachte Dichtkörper aus dem hexagonalen Allotropen des Bornitrides.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Dichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß sie sowohl gasdicht als auch für Flüssigkeiten, insbesondere für Kraftstoffe, undurchlässig ist und darüber hinaus eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Dies wird erreicht durch eine Mischung aus dem hexagonalen Allotropen des Bornitrides (BN) und wenigstens einer oxidkeramischen Komponente. Darüber hinaus weist die Verwendung einer Mischung aus der oxidkeramischen Komponente und BN anstelle eines Dichtungsaufbaus aus Dichtelementen verschiedener chemischer Zusammensetzung eine vereinfachte Handhabung und Montage auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dichtung möglich.

In besonders vorteilhafter Weise wird Steatit, d. h. das Brennprodukt des Specksteins mit der ungefähren chemischen Formel 3 MgO.4 SiO₂.H₂O in einer Mischung mit dem hexagonalen Allotropen von BN verwendet. Damit wird eine besonders hohe Temperaturstabilität gewährleistet. Durch die Verwendung von Bornitrid, dessen hexagonales Allotropes eine sehr feinkörnige und, ähnlich seinem Isosteren Graphit, eine gut verformbare Verbindung ist wird die Dichtigkeit entscheidend verbessert.

In besonders bevorzugter Ausführung beträgt der BN-Anteil im Dichtelement 5 bis 10 Gewichtsprozent. Eine gute Handhabbarkeit bei der Montage der Dichtung wird erreicht, wenn der Steatit/BN Dichtkörper im vorgesinterten Zustand eingesetzt wird und durch das Einwirken einer Kraft bei der Montage sich derart verformt, daß sich das Material des oder der Dichtkörper an das Sensorelement und das Gehäuse anlegt und somit das Sensorelement im Gehäuse gasdicht gehalten wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gassensor mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.

Ausführungsbeispiel

Die einzige Figur zeigt einen Gassensor 10, beispielsweise einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, der ein metallisches Gehäuse 12 besitzt, 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 16 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 Längsbohrung 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 verlaufend 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 Dichtung 37, bestehend aus einer BN/Steatit-Mischung. Bornitrid liegt als hexagonales Allotrope vor, und hat beispielsweise einen Anteil von 10 Gew.-% an dem Dichtelement 37. Auf dieses Dichtelement 37 drückt das anschlußseitige Keramikformteil 23. Die Anpreßkraft des anschlußseitigen Keramikformteils 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. Das aus der Bn/Steatitmischung bestehende Dichtelement 37 wird vor dem Einbau in die Längsbohrung 15 des Gehäuses 12 durch Sintern bei einer niedrigen Temperatur von beispielsweise 500°C zu einem Ring vorgeformt. Das so gebildete ringförmige Dichtelement 37 wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel in die das Sensorelement 27 bereits enthaltende Längsbohrung 15 eingesetzt. Über der Dichtung 37 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 das Dichtelement 37 einwirkt. Dabei wird der vorgefertigte Ring des Dichtelements 37 derart verformt, daß sich das Material des Dichtelementes 37 an das Sensorelement 27 und das Gehäuse 12 anpreßt.

Es hat sich gezeigt, daß die Dichtwirkung im wesentlichen von dem Anteil des hexagonalen BN-Allotropen bestimmt wird.

Wesentlich für die Erzielung einer Gas- und Kraftstoffdichtheit über einen weiten Temperaturbereich ist, daß auf das Dichtungselement 37 ständig eine von der Metallhülse 40 ausgehende Kraft einwirkt. Aufgrund des höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Steatit (8,8 × 10^-6 K^-1) gegenüber Bornitrid (ca. 4,4 × 10^-6K^-1) wird durch die entsprechende Mischung beider Komponenten erreicht, daß auch bei höheren Temperaturen die von der Metallhülse 40 ausgehende Anpreßkraft auf das Dichtelement 37 einwirkt.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Dichtelements 37 ist nicht auf die Abdichtung von planaren Sensorelementen in metallischen Gehäusen beschränkt. Es ist durchaus denkbar, ein derartiges Dichtelement 37 auch zum Abdichten von sogenannten Fingersonden einzusetzen. Bei diesem Anwendungsfall muß dann lediglich die Ausführung des vorgefertigten Ringes für das Dichtelement 37 der Geometrie der Längsbohrung und der Auflagefläche zwischen Gehäuse und fingerförmigem Sensorelement angepaßt werden.

Claims

1. Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, welche das Sensorelement in einer Längsbohrung eines metallischen Gehäuses abdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtanordnung aus mindestens einem Dichtelement (37) vorgesehen ist, und daß das Dichtelement (37) aus einer Mischung von Bornitrid (BN) und wenigstens einer oxidkeramischen Verbindung besteht.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die oxidkeramische Verbindung im wesentlichen Steatit ist.

3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hexagonale Allotrope von BN vorliegt.

4. Dichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der BN-Anteil im Dichtelement (37) 5 bis 10 Gew.-% beträgt.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (37) als verformbarer Körper eingesetzt und in die Längsbohrung des Gehäuses (22) eingepreßt ist, wobei sich beim Verpressen der Körper derart verformt, daß sich das Material des Dichtelementes an das Sensorelement (27) und das Gehäuse (12) anpreßt.

6. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Längsbohrung des Gehäuses (12) beabstandet voneinander ein meßgasseitiges Keramikformteil (22) und ein anschlußseitiges Keramikformteil (23) angeordnet sind und daß zwischen den beiden Keramikteilen das Dichtelement (37) angeordnet ist.

7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Gehäuse verbundenes Druckelement (40) vorgesehen ist, welches auf das anschlußseitige Keramikformteil (23) drückt.

8. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung des Dichtelementes (37) aus BN und der oxidkeramischen Komponente zu einem Formteil gepreßt und anschließend gesintert wird, derart, daß das Formteil unter Einwirkung einer Preßkraft bei der Montage des Gassensors in seinen Pulverbestandteilen verformt wird.