DE19714203C2

DE19714203C2 - Dichtelement für Sensoren

Info

Publication number: DE19714203C2
Application number: DE19714203A
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl; Hans-Martin 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: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: WO1998045696A1; DE19714203A1; GB2330207A; CN1222975A; GB9826887D0; KR20000016317A; JP2000511645A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Dichtung für ein Sen sorelement eines Gassensors nach der Gattung des Hauptan spruches. 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 angeord neten verformbaren Zusatzdichtung angebracht ist. Die bei den Dichtkörper bestehen aus Magnesiumaluminiumsilicat oder Steatit und der zwischen diesen Dichtkörpern ange brachte Dichtkörper aus dem hexagonalen Allotropen des Bornitrides.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Dichtung mit den kennzeichnen den 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 ver schiedener chemischer Zusammensetzung eine vereinfachte Handhabung und Montage auf.

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

In besonders vorteilhafter Weise wird Steatit, d. h. das Brennprodukt des Specksteins mit der ungefähren chemi schen Formel 3MgO . 4SiO₂ . H₂O in einer Mischung mit dem hexagonalen Allotropen von BN verwendet. Damit wird eine besonders hohe Temperaturstabilität gewährlei stet. Durch die Verwendung von Bornitrid, dessen hexago nales 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-An teil im Dichtelement 5 bis 10 Gewichtsprozent. Eine gute Handhabbarkeit bei der Montage der Dichtung wird er reicht, 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 Ma terial des oder der Dichtkörper an das Sensorelement und das Gehäuse anlegt und somit das Sensorelement im Ge häuse gasdicht gehalten wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung nä her erläutert. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gas sensor mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.

Ausführungsbeispiel

Die einzige Figur zeigt einen Gassensor 10, beispiels weise einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, der ein metallisches Gehäuse 12 besitzt, das ein Gewinde 13 als Be festigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 hat eine Längsboh rung 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 Keramik formteil 21 hat in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufend einen durchgehenden meßgasseifigen Durchbruch 22. Beab standet vom meßgasseifigen Keramikformteil 21 ist in der Längsbohrung 15 ferner ein anschlußseitiges Keramikform teil 23 angeordnet. Das anschlußseitige Keramikformteil 23 hat ebenfalls in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufend einen zentral angeordneten und durchgehenden anschlußsei tigen Durchbruch 24. Der meßgasseitige Durchbruch 22 des meßgasseitigen Keramikformteils 21 und der anschlußsei tige Durchbruch 24 des anschlußseitigen Keramikformteils 23 verlaufend fluchtend zueinander.

In den Durchbrüchen 22, 24 befindet sich ein plättchen förmiges Sensorelement 27 mit einem meßgasseitigen End abschnitt 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 Ge häuse 11 herausragen. Die Anschlußkontakte 34 werden mit einem nicht dargestellten mit Anschlußkabeln versehenen Kontaktstecker kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 11 heraus ragende 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 bei spielsweise einen Anteil von 10 Gew-% an dem Dichtele ment 37. Auf dieses Dichtelement 37 drückt das anschluß seitige Keramikformteil 23. Die Anpreßkraft des anschluß seitigen Keramikformteils 23 wird von einer Metallhülse 40 aufgebracht. Die Metallhülse 40 hat beispielsweise gleich mäßig verteilt mehrere, nach innen weisende Krallen 41, die in am Gehäuse 12 eingeformten Einkerbungen 42 eingrei fen. Es ist aber such denkbar, die Metallhülse 40 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen. Das aus der Bn/Steatitmi schung bestehende Dichtelement 37 wird vor dem Einbau in die Längsbohrung 15 des Gehäuses 12 durch Sintern bei ei ner niedrigen Temperatur von beispielsweise 500°C zu ei nem Ring vorgeformt. Das so gebildete ringförmige Dicht element 37 wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel in die das Sensorelement 27 bereits enthaltende Längsbohrung 15 eingesetzt. Über der Dichtung 37 wird dann das an schlußseitige 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 Dicht element 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 Ge häuse 12 anpreßt.

Es hat sich gezeigt, daß die Dichtwirkung im wesentli chen von dem Anteil des hexagonalen BN-Allotropen be stimmt wird.

Wesentlich für die Erzielung einer Gas- und Kraftstoff dichtheit über einen weiten Temperaturbereich ist, daß auf das Dichtungselement 37 ständig eine von der Metallhülse 40 ausgehende Kraft einwirkt. Aufgrund des höheren ther mischen Ausdehnungskoeffizienten von Steatit (8,8 × 10^-6 K^-1) gegenüber Bornitrid (ca. 4,4 × 10^-6 K^-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 Sensorelemen ten in metallischen Gehäusen beschränkt. Es ist durchaus denkbar, ein derartiges Dichtelement 37 auch zum Abdich ten von sogenannten Fingersonden einzusetzen. Bei diesem Anwendungsfall muß dann lediglich die Ausführung des vorgefertigten Ringes für das Dichtelement 37 der Geome trie der Längsbohrung und der Auflagefläche zwischen Ge häuse und fingerförmigem Sensorelement angepaßt werden.

Claims

1. Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors, insbe sondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit mindestens einem Dichtelement, wel ches das Sensorelement in einer Längsbohrung eines metalli schen Gehäuses abdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (37) aus einer Mischung von Bornitrid (BN) und wenigstens einer oxidkeramischen Verbindung besteht und daß der Bornitridanteil im Dichtelement (37) 5 bis 10 Gew.-% be trägt.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die oxidkeramische Verbindung im wesentli chen Steatit ist.

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

4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Dichtelement (37) als verformbarer Kör per 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 Ge häuse (12) anpreßt.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß in der Längsbohrung des Gehäuses (12) beab standet voneinander ein meßgasseitiges Keramikform teil (22) und ein anschlußseitiges Keramikformteil (23) angeordnet sind und daß zwischen den beiden Kera mikteilen das Dichtelement (37) angeordnet ist.

6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß ein mit dem Gehäuse verbundenes Druckele ment (40) vorgesehen ist, welches auf das anschlußsei tige Keramikformteil (23) drückt.

7. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mischung des Dichtelementes (37) aus BN und der oxidkeramischen Komponente zu ei nem Formteil gepreßt und anschließend gesintert wird, derart, daß das Formteil unter Einwirkung einer Preß kraft bei der Montage des Gassensors in seinen Pulver bestandteilen verformt wird.