DE60114305T2

DE60114305T2 - Dichtungsanordnung für Gassensor

Info

Publication number: DE60114305T2
Application number: DE60114305T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kariya-city SHIRAI
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: EP1167960B1; EP1167960A1; US20020000375A1; DE60114305D1; US6623612B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1 Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Gassensor, der in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors zur Luft/Kraftstoff-Regelung installiert werden kann, und weiter im Besonderen auf eine verbesserte Struktur einer mechanischen Dichtung, die eine Referenzgas-Kammer und eine Gas-Kammer in einem Gassensor luftdicht beibehält.
2. Stand der Technik
Gassensoren sind bekannt, die hergestellt werden durch Einfügen eines Sensorelements in ein isolierendes Porzellan, Anbringen des isolierenden Porzellans in einem Gehäuse, Installieren einer Gasabdeckung und einer Luftabdeckung jeweils an einem vorderen Ende und einem hinteren Ende des Gehäuses, und hermetischem Abdichten einer Lücke zwischen dem isolierenden Porzellan und dem Gehäuse. Diese Dichtung definiert eine Messgaskammer und eine Luftkammer innerhalb des Gassensors.
Das Sensorelement hat eine Messelektrode, die einem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und eine Referenzelektrode, die einem Referenzgas oder Luft ausgesetzt ist, und gewährleistet ein Signal in der Form eines Ionenstroms, der durch die Mess- und Referenzelektroden fließt, oder eine Potentialdifferenz zwischen den Meß- und Referenzelektroden, um die Konzentration des Gases zu bestimmen. Das Austreten des Gases aus der Messgaskammer zur Luftkammer wird somit in einer Abnahme der Genauigkeit der Messung der Gaskonzentration führen. Um dieses Problem zu vermeiden, haben typische Gassensoren Pulvermaterial wie Talk in der Lücke zwischen dem isolierenden Porzellan und dem Gehäuse gepackt, um die Messgaskammer und die Luftkammer hermetisch abzutrennen.
Die Verwendung eines Pulvermaterials wie Talk führt allerdings zu einem ökonomischen Nachteil, dass der Druck, der für das Packen des Pulvermaterials erforderlich ist, und die Menge des Pulvermaterials fein und präzise gesteuert werden müssen.
Um eine derartige Beeinträchtigung abzumildern, wurde eine aus Füllgut hergestellte Dichtung als Dichtungselement vorgeschlagen. Beispielsweise schlägt U.S. Patent Nr. 5,795,454 vor einen Keramikring, der bei niedriger Temperatur gebacken wird, um eine Lücke zwischen einem Sensorelement und einem Gehäuse abzudichten, um eine Messgaskammer und eine Referenzgaskammer hermetisch zu definieren. Allerdings verbleibt gewöhnlich ein gewisser Grad an Porösität bei dem Keramikring, auch nachdem der Keramikring unter hohem Druck installiert wird, was zu einem Mangel an Luftdichtheit zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse führen kann.
U.S. Patent Nr. 5,795,454 offenbart ebenfalls die Verwendung eines metallischen Ringes niedriger Porösität zusammen mit dem Keramikring, um den Grad der Luftdichtheit zu erhöhen, allerdings führt dies zu einer Erschwerung des Herstellungsverfahrens und zu einem Anstieg der Herstellungskosten. Darüber hinaus kann der metallische Ring frühzeitig in Abhängigkeit von der Art des zu messenden Gases korrodieren, was zu einer Abnahme des Grads der Luftdichtheit zwischen der Messgaskammer und der Referenzgaskammer führt.
U.S. Patent Nr. 5,795,454 offenbart ferner eine mit Nickel oder Kupfer beschichtete metallische Dichtung, allerdings erfordert sie ein Plattieren oder Verkleiden der gesamten Oberfläche der metallischen Dichtung, was zu einem Anstieg der Herstellungskosten führt.
WO-A-98 15820 offenbart einen elektrochemischen Sensor, der beinhaltet ein keramisches Element, das mit einem Dichtungsring in einem Gehäuse eingefügt ist. Der Dichtungsring ist aus verschiedenen Metallschichten aufgebaut. Die Anordnung der Metallschichten verläuft von einem metallischen Träger, der aus einer Stahllegierung besteht. Der Dichtungsring ist auf beiden Seiten mit einer walzplattierten Kupferschicht bedeckt.
DE-A-197 07 456 offenbart einen Sensor, der einen Behälter für ein Fühlelement beinhaltet, angeordnet in einer Längsbohrung eines Metallgehäuses. Das Fühlelement ist im Behälter in einer gasdichten Weise über eine Fühlelement-Dichtung enthalten, die eine Glasdichtung enthält. Der Behälter hat ein keramisches, geformtes Element auf der Seite des Messgases und ein keramisches, geformtes Element auf der Seite des Konnektors, die axial eins nach dem anderen angeordnet sind. Eine Kavität, in die die Glasdichtung, während sie heiß ist, gepresst wird, ist zwischen den beiden keramischen, geformten Elementen angeordnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine hauptsächliche Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Struktur eines Gassensors bereitzustellen, die eine mechanische Dichtung gewährleistet, die für das Beibehalten einer Referenzgaskammer und einer Gaskammer im Gassensor in sehr luftdichter Weise erforderlich ist.
Gemäss der Erfindung wird bereitgestellt ein Gassensor, wie in Anspruch 1 definiert, der eine mechanische Dichtung besitzt, und der in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors zur Luft/Kraftstoff-Regelung installiert werden kann. Der Gassensor umfasst: (a) ein Hohlgehäuse mit einer Dichtungsschulter, die auf einer Innenwand dessen gebildet ist; (b) ein Sensorelement mit einer Länge, die einen ersten und einen zweiten Abschnitt beinhaltet; (c) ein isolierendes Element, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, das Sensorelement darin hermetisch aufbewahrt, wobei das isolierende Element darauf eine Dichtungsoberfläche gebildet hat; und (d) ein Metalldichtungselement, eingefügt zwischen der Dichtungsschulter des Gehäuses und der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements, um hermetisch zu definieren eine erste Kammer, in der der erste Abschnitt des Sensorelements angeordnet ist, und eine zweite Kammer, in der der zweite Abschnitt des Sensorelements angeordnet ist. Das Metalldichtungselement kann aus mindestens einem von Nickel, Nickellegierung, Titan und Edelstahl hergestellt sein.
Im bevorzugten Modus der Erfindung führt die erste Kammer zur Atmosphäre. Die zweite Kammer ist so aufgebaut, dass sie das Messen eines Gases darin zulässt.
Eine Luftabdeckung ist an einem Ende des Gehäuses installiert, um darin die erste Kammer zu definieren.
Das Metalldichtungselement hat eine Vickers-Härte von 200 oder weniger und eine Dicke von 0,1 mm oder mehr.
Das Metalldichtungselement kann aufgebaut sein aus einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht. Die erste Schicht ist in Kontakt mit der Dichtungsschulter des Gehäuses. Die zweite Schicht ist in Kontakt mit der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements und hat eine Härte, die niedriger ist als die der ersten Schicht. Die zweite Schicht hat eine Vickers-Härte von 200 oder weniger.
Die Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements ist kegelförmig. Die Dichtungsschulter des Gehäuses ist so orientiert, dass sie auf der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements über das Metalldichtungselement anhaftet.
Das isolierende Element ist aus einer Aluminiumoxid-Keramik mit einer Aluminiumoxid-Reinheit von 90% oder mehr hergestellt.
Die Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements hat eine Zehnpunktedurchschnitts-Rauigkeit von 10 μm oder weniger.
Im bevorzugten Modus der Erfindung ist die Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements geglättet.
Die Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements kann in alternativer Weise plattiert sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird deutlicher anhand der unten angegebenen ausführlichen Beschreibung ersichtlich und anhand der beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die allerdings nicht als die Erfindung auf spezielle Ausführungsformen einschränkend, sondern allein in der Absicht der Erklärung und des Verstehens aufgefasst werden sollten.
In den Zeichnungen:
1 ist eine Längsschnittansicht, die einen Gassensor gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine partielle Schnittansicht, die die Installation eines Metalldichtungsrings zwischen einem isolierenden Porzellan und einem Gehäuse zeigt;
3 ist eine partielle Schnittansicht, die einen Metalldichtungsring gemäss der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ist eine partielle Längsschnittansicht, die einen Gassensor gemäss der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ist eine Auftragung, die eine Beziehung zwischen der Rauigkeit einer mit dem Dichtungsring zusammengesetzten Oberfläche eines ersten isolierenden Porzellans und einer Gas-Undichtheit zeigt;
6 ist eine Ansicht, die eine Undichtheits-Prüfvorrichtung zeigt; und
7 ist eine Auftragung, die eine Beziehung zwischen der Rauigkeit einer mit einem Dichtungsring zusammengesetzten Oberfläche eines ersten isolierenden Porzellans und einer Aluminiumoxid-Reinheit des ersten isolierenden Porzellans zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Teile in mehreren Ansichten beziehen, besonders in 1 und 2, wird gezeigt ein Gassensor 1 gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung, der angewandt werden kann in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelungssystem für Kraftfahrzeuge, um die Konzentration eines Bestandteils wie NOx, CO, HC oder O₂, der in Abgasen des Motors enthalten ist, zu messen.
Der Gassensor 1 beinhaltet im Allgemeinen ein Sensorelement 15, ein erstes isolierendes Porzellan 21, ein zweites isolierendes Porzellan 22, ein zylindrisches Hohlgehäuse 10 und eine Luftabdeckung 12. Das Sensorelement 15 ist aus einer laminierten Platte hergestellt. U.S. Patent 5,573,650, erteilt am 12. November 1996 an Fukuya et al. beschreibt ein typisches laminiertes Sensorelement. Das erste isolierende Porzellan 21 ist innerhalb des Gehäuses 10 eingepasst und hält darin das Sensorelement 15 über ein Glasdichtungselement 219. Das zweite isolierende Porzellan 22 ist auf dem ersten isolierenden Porzellan 21 angebracht und umgibt einen Grundabschnitt des Sensorelements 15. Die Luftabdeckung 12 ist an einem Ende dessen auf dem Gehäuse 10 installiert und umgibt das zweite isolierende Porzellan 22, um eine Luftkammer 142 zu definieren.
Das zweite isolierende Porzellan 22 ist aus einem hohlen zylindrischen isolierenden Element hergestellt und hat darin vier Leitungen 16 (der Einfachheit der Darstellung halber sind nur zwei gezeigt), wobei jede aus einem elastisch gefalteten Draht hergestellt ist, um an einem Ende einen elektrischen Kontakt mit einem Elektrodenanschluss (nicht gezeigt), gebildet auf dem Sensorelement 15, herzustellen. Die Leitungen 16 erstrecken sich am anderen Ende über Löcher, gebildet an einem Ende des zweiten isolierenden Porzellans 22, und sind jeweils mit vier Leitungen 18 über Konnektoren 17 verknüpft, zur Übertragung von Sensorsignalen zwischen dem Sensorelement 15 und einer externen Vorrichtung und zur Versorgung von elektrischer Energie an einem Heizelement, installiert auf dem Sensorelement 15.
Der Gassensor 1 beinhaltet auch eine Schutzabdeckungsgruppe 13, bestehend aus einer äußeren Abdeckung 131 und einer inneren Abdeckung 132. Die Schutzabdeckungsgruppe 13 ist in einem Kopf des Gehäuses 10 installiert, um eine Gas-Kammer 141 zu definieren, in die ein zu messendes Gas über Gas-Löcher 130, gebildet in den äußeren und inneren Abdeckungen 131 und 132, zugegeben wird.
Das erste isolierende Poorzellan 21, wie deutlich in 2 gezeigt, hat eine ringförmige Schulter 211 und eine abgeschrägte Oberfläche 214, die auf deren Kopf gebildet ist. Die abgeschrägte Oberfläche 214 befindet sich gegenüber einer inneren Schulter 102, wie in 1 gezeigt, gebildet im Gehäuse 10, wenn das erste isolierende Porzellan 21 innerhalb des Gehäuses 10 eingepasst ist. Die Schulter 211 hat eine kegelförmige Oberfläche 213, die über einen Metalldichtungsring 11 auf einer Sitzoberfläche 103, gebildet auf einer ringförmigen Schulter 101 auf einer inneren Wand des Gehäuses 10, angeordnet ist. Insbesondere ist eine Lücke zwischen dem Gehäuse 10 und dem ersten isolierenden Porzellan 21 hermetisch durch den Metalldichtungsring 11 abgedichtet, um die Luftkammer 142 und die Gas-Kammer 141 luftdicht beizubehalten. Die Sitzoberfläche 103 ist nach unten geneigt, wie in 1 gezeigt, um den Adhäsionsgrad an der kegelförmigen Oberfläche 213 über den Metalldichtungsring 11 zu erhöhen. Der Metalldichtungsring 11 ist, wie später ausführlich beschrieben, aus reinem Nickel hergestellt.
Die Luftabdeckung 12 ist, wie oben beschrieben, auf dem Ende der Basis des Gehäuses 10 angepasst. Eine äußere Abdeckung 121 ist um die Luftabdeckung 12 angeordnet, und verformt oder gewellt, um einen wasserabweisenden Filter 122 an der Peripherie der Luftabdeckung 12 beizubehalten. Die Luftabdeckung 12 und die äußere Abdeckung 121 haben darin Luftdurchlässe 120 gebildet, durch die Luft in die Luftkammer 142 gelassen wird. Die Luftabdeckung 12, wie deutlich in 1 gezeigt, hat eine Schulter 129, um einen Abschnitt von kleinem Durchmesser und einen Abschnitt von großem Durchmesser zu definieren. Eine Tellerfeder 220 ist zwischen der Schulter 129 und einem Ende des zweiten isolierenden Porzellans 22 angeordnet, um das zweite isolierende Porzellan 22 in elastischer Weise zu einer konstanten Einstellung mit dem ersten isolierenden Porzellan zu drängen, um den Grad der Luftdichtheit, gewährleistet durch den Metalldichtungsring 11, zu erhöhen. Ein isolierender Halter 23, hergestellt aus Kautschuk, ist innerhalb des Abschnitts von kleinem Durchmesser der Luftabdeckung 12 angeordnet.
Das Sensorelement 15, wie oben beschrieben, hat darin ein Heizelement eingebaut, das das Sensorelement 15 auf eine Temperatur erwärmt, die erforderlich ist, damit das Sensorelement 15 empfindlich auf ein korrekt zu messendes Gas reagiert. Das Sensorelement 15 hat darauf vier Elektrodenanschlüsse gebildet, von denen zwei für das Ausgeben von Sensorsignalen, und die anderen zur Versorgung des Heizelements mit elektrischer Energie verwendet werden. Die Elektrodenanschlüsse sind elektrisch mit den Enden der Leitungen 16 in einer veranschaulichten Weise verbunden. Die Leitungen 16 erstrecken sich jeweils über die Löcher, die im Ende der Wand des zweiten isolierenden Porzellans 22 gebildet sind, und werden jeweils in die Konnektoren 17 eingeführt. Die Konnektoren 17 sind gekuppelt mit den Leitungen 18, beibehalten in Löchern, die im isolierenden Halter 23 gebildet sind. Diese Struktur ist kein wesentlicher Teil dieser Erfindung und im Stand der Technik bekannt, und eine ausführliche Erklärung wird hier ausgelassen.
Das erste isolierende Porzellan 21 wird, wie oben beschrieben, an der Schulter 211 auf der Schulter 101 des Gehäuses 10 über den Metalldichtungsring 11 getragen. Der Metalldichtungsring 11 ist hergestellt aus reinem Nickel mit einer Reinheit von 99%, das eine geringe Menge von Verunreinigungen wie Cobalt etc. enthält. Der Metalldichtungsring 11 hat daher eine sehr dichte Oberfläche, die einen hohen Grad von Luftdichtheit zwischen dem zweiten isolierenden Porzellan 21 und dem Gehäuse 10 gewährleistet. Der Metalldichtungsring 11 kann als Alternative aus einer Nickellegierung, Titan, Edelstahl oder einem Gemisch von mindestens zwei von diesen (einschließlich reines Nickel) hergestellt sein. Als Nickellegierung kann verwendet werden eine Nickel/Eisen-Legierung, eine Nickel/Kupfer-Legierung, eine Nickel/Chrom-Legierung, eine Nickel/Chrom/Eisen-Legierung, eine Nickel/Molybdän-Legierung, oder eine hochwärmefeste Legierung auf Basis von Nickel. Als Titan wird ein reines Titan bevorzugt, das Verunreinigungen von 1% oder weniger enthält, wie eines, das angegeben ist in einem der Japanischen Industriestandards (JIS) Klasse 1 bis Klasse 3, oder einem nach ASTMG 1 bis ASTMG 4 in U.S. Als Edelstahl kann verwendet werden ein martensitischer, ein Ferrit-, ein Austenit- oder ein Austenit-Ferrit-Stahl. Im Falle, dass der Gassensor 1 in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors zum Messen der Konzentration eines Bestandteils wie NOx, CO, HC oder O₂, enthalten in Abgasen des Motors, installiert ist, wird der Gassensor 1 einer intensiven Wärme unterzogen und ist Schwefel ausgesetzt, daher ist Nickel oder eine Nickellegierung, die eine hohe Korrosionsfestigkeit hat, bevorzugt. Nickel oder Nickellegierung ist billig im Vergleich mit Edelmetallen, und ermöglicht das Herstellen des Gassensors 1 bei geringen Kosten.
Der Metalldichtungsring 11 hat eine Vickers-Härte von 200 Hv oder weniger, vorzugsweise 150 Hv oder weniger. In dieser Ausführungsform ist die Härte des Metalldichtungsrings 11 etwa 70 Hv. Wenn die Härte des Metalldichtungsrings 11 mehr als 200 Hv beträgt, ist es erforderlich, dass die Schulter 211 des ersten isolierenden Porzellans 21 unter hohem Druck gegen die Schulter 101 des Gehäuses 10 gepresst wird, um den Metalldichtungsring 11 fest zu kneifen, was das erste isolierende Porzellan 21 beschädigen kann. Wenn das erste isolierende Porzellan 21 aus einem Material hergestellt ist, das im Stande ist, einem derartigen hohen Druck standzuhalten, führt dies zu einer Erhöhung der Herstellungskosten.
Der Metalldichtungsring 11 hat eine Dicke von 0,1 mm oder mehr (0,4 mm in dieser Ausführungsform). Wenn er weniger als 0,1 mm beträgt, unterzieht sich der Metalldichtungsring 11 frühzeitig einer Korrosion, was zu einer Abnahme der Haltbarkeit dessen führt. Zusätzlich ist ein Bearbeiten des Metalldichtungsrings 11 schwierig, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform darin unterscheidet, dass der Metalldichtungsring 11 aus zwei Schichten hergestellt ist: einer ersten Schicht 111 und einer zweiten Schicht 112. Der restliche Aufbau ist identisch, und eine ausführliche Erklärung wird hier ausgelassen.
Die erste Schicht 111 und die zweite Schicht 112 sind, wie deutlich in 3 gezeigt ist, so angeordnet, dass sie einander überlappen. Die erste Schicht 111 ist aus dem gleichen Material hergestellt wie das des Metalldichtungsrings 11 der ersten Ausführungsform. Die zweite Schicht 112 ist aus einem Material mit einer geringeren Härte als die der ersten Schicht 111 hergestellt. Zum Beispiel ist die erste Schicht 111 aus reinem Nickel oder aus reinem Titan hergestellt. Die zweite Schicht 112 ist aus einem Edelstahl hergestellt, der in der mechanischen Eigenschaft weicher ist als die erste Schicht 111. Der Grund hierfür wird unten beschrieben. Das Gehäuse 10 wird gewöhnlich aus einem leicht zu bearbeitenden metallischen Material hergestellt, das eine relativ geringere Härte hat. Die Installation des ersten isolierenden Porzellans 21 im Gehäuse 10 wird bewerkstelligt durch Anordnen des ersten isolierenden Porzellans 21, in dem das Sensorelement 15 eingepasst ist, innerhalb des Gehäuses 10 über den Metalldichtungsring 11, Legen des zweiten isolierenden Porzellans 22, innerhalb dessen sich die Leitungen 16 befinden, in die Luftabdeckung 12 zusammen mit der Tellerfeder 220, Anpassen der Luftabdeckung 12 auf dem Basisabschnitt des Gehäuses 10, und Verschweißen der Luftabdeckung 12 am Basisabschnitt des Gehäuses 10, während die Luftabdeckung 12 nach unten gepresst wird, wie in 1 gezeigt, so dass die kegelförmige Oberfläche 213 des ersten isolierenden Porzellans an der Sitzoberfläche 103 des Gehäuses 10 über den Metalldichtungsring 11 anhaftet. Daher wird das Pressen des ersten isolierenden Porzellans 21 gegen das Gehäuse 10 eine Deformation der Sitzoberfläche 103 des Gehäuses 10 verursachen, um dadurch den Grad der Adhäsion der ersten Schicht 111 an der Sitzoberfläche 103 des Gehäuses 10 zu erhöhen. Andererseits hat das erste isolierende Porzellan 21 eine relativ hohe Härte. Das Pressen des ersten isolierenden Porzellans 21 gegen das Gehäuse 10 wird daher verursachen, dass die zweite Schicht 112, die weicher als die erste Schicht 111 ist, deformiert wird, um dadurch den Adhäsionsgrad der zweiten Schicht 112 an der kegelförmigen Oberfläche 213 des ersten isolierenden Porzellans 21 zu erhöhen.
4 zeigt einen Gassensor 1 gemäss der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Der Metalldichtungsring 11 ist zwischen der abgeschrägten Oberfläche 214, gebildet auf dem Kopf des ersten isolierenden Porzellans 21, und der ringförmigen Schulter 102, gebildet auf der inneren Wand des Gehäuses 10, angeordnet, um dadurch die Luftkammer 142 und die Gas-Kammer 141 luftdicht beizubehalten. Der restliche Aufbau ist mit dem in der ersten Ausführungsform identisch, und eine ausführliche Erklärung dessen wird hier ausgelassen.
In den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen ist das erste isolierende Porzellan 21 hergestellt aus einer Aluminiumoxid-Keramik mit einer Reinheit von 90% oder mehr (vorzugsweise 92% oder mehr, weiter bevorzugt 95% oder mehr). Zum Beispiel ist das erste isolierende Porzellan 21 aus einer Aluminiumoxid-Keramik mit einer Reinheit von 98% hergestellt. Ferner hat die kegelförmige Oberfläche 213 des ersten isolierenden Porzellans 21, auf die der metallische Dichtungsring 11 gelegt wird, eine relative Rauigkeit von 10 μm oder weniger (vorzugsweise 2 μm), wie ausgedrückt durch Annehmen eines Durchschnitts von 10 Proben (was auch als Zehnpunktedurchschnitt bezeichnet wird), um somit ein sehr luftdichtes Abdichten zwischen dem ersten isolierenden Porzellan 21 und dem Gehäuse 10 zu gewährleisten. Die obige Rauigkeit der kegelförmigen Oberfläche 213 kann durch Glätten oder Plattieren mit Nickel, Kupfer oder Gold erreicht werden.
Der Metalldichtungsring 11 kann aus einem mit Nickel-Kupfer plattierten Edelstahl hergestellt werden.
Undichtheitstests wurden durchgeführt unter Verwendung einer Prüfvorrichtung, wie in 6 gezeigt, um eine Beziehung aufzufinden zwischen der Rauigkeit der kegelförmigen Oberfläche 213 des ersten isolierenden Porzellans 21 und einer Gasundichtheit.
Die Prüfvorrichtung beinhaltet eine die Undichtheit messende Einheit 72, ausgestattet mit einem Luftregulierventil 71 und einer Gassensor-Halterungsbasis 74. Die die Undichtheit messende Einheit 72 und die Gassensor-Halterungsbasis 74 sind über ein Ventil 73 verbunden. Der Kopf des Gassensors 1 ist in einer Lufthöhlung 740 der Gassensor-Halterungsbasis 74 hermetisch über eine Kautschukdichtung 741 installiert.
10 Minuten nach Zufuhr von Luft 70 zur Lufthöhlung 740 bei 4 atm wurde eine Abnahme des Drucks in der Lufthöhlung 740 gemessen, um die Menge der aus der Gas-Kammer 141 zur Luftkammer 142 entweichenden Luft (cc/min) zu bestimmen. Diese Messung wurde fünfmal durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen sind in einer Auftragung von 5 gezeigt. Die Auftragung zeigt, dass wenn die Zehnpunktedurchschnitts-Rauigkeit der kegelförmigen Oberfläche 213 weniger als 10 μm beträgt, die Menge der in die Luftkammer 142 entweichenden Luft weniger als 1 cc/min ist, und wenn Zehnpunktedurchschnitts-Rauigkeit mehr als 15 μm beträgt, die Luft-Undichtheit eine obere zulässige Grenze von 10 cc/min übersteigt.
Ferner wurde die Rauigkeit von Teststücken des ersten isolierenden Porzellans 21, hergestellt aus Aluminiumoxid unterschiedlicher Reinheit, gemessen, um eine Beziehung zwischen der Rauigkeit der kegelförmigen Oberfläche 213 und der Aluminiumoxid-Reinheit des ersten isolierenden Porzellans 21 aufzufinden. Die Messung der Rauigkeit jedes der Teststücke wurde dreimal über eine Länge von 0,8 mm gemäss JISB0601 unter Verwendung einer Nadel, deren Spitzenwinkel 90° und der Radius der Krümmung an der Spitze 2 μm ist. Die Ergebnisse der Messungen sind in einer Auftragung von 7 gezeigt. Die Auftragung zeigt, dass wenn die Reinheit von Aluminiumoxid 90% übersteigt, die Rauigkeit der kegelförmigen Oberfläche 213 des ersten isolierenden Porzellans 21 in hohem Maße abnimmt.
Während die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis hiervon zu ermöglichen, sollte erkannt werden, dass die Erfindung auf zahlreichen Wegen verkörpert werden kann, ohne das Prinzip der Erfindung zu verlassen. Daher ist zu verstehen, dass die Erfindung alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen der gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die, ohne das Prinzip der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, zu verlassen, verkörpert werden können.

Claims

Gassensor, umfassend: ein Hohlgehäuse (10) mit einer Dichtungsschulter (101), die auf einer Innenwand dessen gebildet ist; ein Sensorelement (15) mit einer Länge, die einen ersten und zweiten Abschnitt einschließt; ein isolierendes Element (21), das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Sensorelement darin hermetisch festhält, wobei das isolierende Element aus einer Aluminiumoxidkeramik mit einer Aluminiumoxid-Reinheit von 90% oder mehr hergestellt ist und darauf eine Dichtungsoberfläche mit einer Zehnpunktedurchschnitts-Rauigkeit von 10 μm oder weniger gebildet hat; und ein Metalldichtungselement (11), eingefügt zwischen der Dichtungsschulter des Gehäuses und der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements, um in hermetischer Weise eine erste Kammer zu bestimmen, in der der erste Abschnitt des Sensorelements angeordnet ist, und eine zweite Kammer, in der der zweite Abschnitt des Sensorelements angeordnet ist, wobei das Metalldichtungselement eine Vickers-Härte von 200 oder weniger hat.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements plattiert ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Metalldichtungselement aus mindestens einem von Nickel, Nickellegierung, Titan und Edelstahl hergestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei die erste Kammer zur Atmosphäre führt, und die zweite Kammer zulässt, dass darin ein Gas gemessen wird.
Gassensor nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Luftabdeckung, die an einem Ende des Gehäuses eingerichtet ist, um darin die erste Kammer zu bestimmen.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei das Metalldichtungselement eine Dicke von 0,1 mm oder mehr hat.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei das Metalldichtungselement umfasst eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei die erste Schicht in Kontakt mit der Dichtungsschulter des Gehäuses ist, die zweite Schicht in Kontakt mit der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements ist und eine Härte, die niedriger als die der ersten Schicht ist, hat.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei die Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements kegelförmig ist, und die Dichtungsschulter des Gehäuses so orientiert ist, dass sie über das Metalldichtungselement an der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements anhaftet.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement ein laminiertes Sensorelement umfasst.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Zehnpunktedurchschnitts-Rauigkeit der Dichtungsoberfläche des isolierenden Elements auf der Reinheit des isolierenden Elements basiert.
Gassensor nach Anspruch 7, wobei die zweite Schicht eine Vickers-Härte von 150 oder weniger hat.