JP2007532869A - 吸湿性コーティングが施された保護装置を備えるガスプローブ - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスと接触するガスプローブ（１）の感度の高いセンサ要素（３）を少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つの保護装置（２）を備える、車両の内燃機関からの排気ガスを分析するためのガスプローブ（１）、特にラムダプローブに関する。少なくとも１つの保護装置（２）は、少なくとも部分的に吸湿面を有するガス接触面（４）を備える。

Description

本発明は、車両の内燃機関の排気ガスを分析するためのガスプローブ、特にラムダプローブに関する。

通常この種のガスプローブは、ガス、特に内燃機関の排気系統の排気ガスを分析するために使用可能である検知部品（センサ要素）を有する。これを機械的または熱的作用に起因する損傷から保護するために、センサ要素は従来、分析されるガスが適切な開口部を通りセンサ要素に達することを可能にする保護パイプに取り囲まれており、ラムダプローブのセンサ要素は、保護パイプ内に設けられている。この保護パイプは主に、輸送時の損傷および取り付け時の損傷を回避するため、またガスフロー内の水蒸気により形成される水滴との接触に起因する、ラムダプローブの加熱された検知部品の熱衝撃負荷を回避するために用いられる。

通常ガスプローブは、ガスプローブを通り流れる高温の排気ガスフローと接触するため、公知のガスプローブでは排気ガス内の水蒸気が保護パイプ上に集積することが観察される。水蒸気は、ガスプローブの表面で凝結し、センサ要素を危険にさらす水滴を形成する。

本発明の目的は、センサ要素が水滴と接触するにもかかわらず、公知のガスプローブより信頼性の高いガスプローブを製造することである。またガスプローブは、簡単な設計であり、量産において高い費用を必要とせず、費用効率が高く、生産が可能であるべきである。現在あるガスプローブの公知の技術的問題が、これによって少なくとも低減される。

上記の目的は、独立装置クレームに記載の特徴にしたがったガスプローブ、および独立方法クレームに記載されるガスプローブの製造方法によって達成される。その他の有利な実施形態はそれぞれの従属クレームに記載される。クレームに記載される特徴、適切な場合には明細書の特徴も含め、それらの技術的に目的に適った組合せは、本発明の有利な実施形態になり得る。

本発明に係るガスプローブ、特に車両の内燃機関の排出ガスを分析するためのラムダプローブは、少なくとも１つの保護装置を有し、これは、ガスプローブのガスと接触する検知部品（センサ要素）を少なくとも部分的に取り囲む。ガスプローブは、少なくとも１つの保護装置が、少なくとも部分的に吸湿面を有するガス接触面を有することを特徴とする。

一方で、少なくとも１つの保護装置−ある条件によっては（適切な場合は相互に同心的に設けられる）２つまたは３つのこのような保護装置が備えられていてもよい−は、輸送による損傷および／または取り付けによる損傷から保護し、そのため比較的安定した設計である。保護装置は、センサ要素がガスフロー内の不純物（粒子状物質、すす等）および／または水滴と接触しないことも保証する。しかしながら、同時に保護装置は、分析されるガスがセンサ要素まで通過することを可能にする。上記の種の保護装置は従来、ハウジング、キャップ、チューブ、グリル等の形式を有しており、センサ要素がある内側部分へガスが流れることを可能にする開口部を備える。

保護装置、特に全ての保護装置が、分析されるガスフローと接触する面に少なくとも部分的に吸湿面を有することを提案される。「吸湿性の」とは特に、表面がガスフローからの水蒸気を吸収可能である、および／またはガス接触面上に水滴が形成するのを回避可能であることを意味する。この目的のために、たとえば表面粗さの特殊な設計および／または孔隙率によってガス接触面自体が吸湿性であってもよい。しかし、ガス接触面が、保護装置の材料とは異なる別の材料からなる追加的な層によって被覆されていることも可能である。

この関連では、吸湿面が、高温に対して耐熱性を有する乾燥剤を有利に含むコーティングを少なくとも部分的に備えることが特に有利である。たとえば各種塩類または有機物質が乾燥剤として使用可能である。コーティングは、水による衝撃および特に侵食および腐食に対しても耐性を有することが有利である。

さらに、ガスプローブが１０μｍ（マイクロメートル）から５０μｍの範囲内の層厚さのコーティングを有することが提案される。層厚さは、好適には１５μｍから２５μｍである。たとえば自動車の排気系統内における強い熱負荷のため、保護装置のコーティングは特に粘着性を有することが必要である。コーティングが保護装置上に恒久的に残ることを確実にするために、剥離を防ぐよう層厚さは比較的小さくされる。

ガスプローブの他の実施形態に係り、コーティングの孔隙率は、コーティングの単位体積あたりの細孔容積が３０％から９０％である範囲にある。言い換えると、所定の単位体積では細孔による体積（統計的平均）は３０％から９０％、好適にはおよそ５０％である。

さらに、ガスプローブが酸化コーティングを備え、特にコーティングが、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムのうち少なくとも１つの酸化物を備えることも提案される。これらの酸化物は高温に強く、コーティングの吸湿動作に関して好ましいものである。

特に、上記の種のガスプローブが自動車の排気系統内に設けられている場合、触媒作用を備える成分、特に貴金属（たとえばプラチナ、ロジウム等）をコーティングが有することが有利である。これは、排気ガスと接触する面が、同時に排気ガスに含まれる汚染物質を変換させるためにも使用されるということである。しかし、分析されるガスフローの組成が悪影響を受けないことをある程度保証するために、コーティングが、たとえば酸素などのガスプローブによって計測されるガスフローの成分に影響を及ぼすこと（たとえば蓄積能力）がないことが一般的に提案される。

ガスプローブの１改良案では、ガスと接触する他の構成部品、特にガスプローブのベース体も少なくとも部分的に吸湿面を有する。ベース体は検知部品の容器を構成し、ガスプローブをハウジング内に固定するために外周にねじ山を従来有する。このベース体に水滴が形成することを回避するために、ベース体にも吸湿面が備えられる。これに代えて、またはこれに加えて、上述の吸湿面は、対象の構成部品を少なくとも部分的に覆う、または取り囲む少なくとも１つの別に形成される本体によって形成されることが可能である。上述のように形成された本体は、１つまたは複数の構成部品に、結合および／または密着によって、特に係留保持によって接続されるよう形成可能である。

上記の種のガスプローブの費用効率の高い製造方法に関しては、少なくとも１つの保護装置が、高温に強い材料からなり、深絞りが可能であるキャップであることも提案される。キャップはしたがって、特に量産において非常に正確に大量生産することが可能である
。ここでは、深絞り可能な材料に必要な特性は、特に深絞りの最大絞り比（β_ｍａｘ）が１．６から２．０の範囲であることである。最大絞り比は、深絞り試験（たとえばＳｗｉｆｔに従って）によって決定される。円筒状カップが、円形の金属薄板の塊から絞られ、その直径は段階的に徐々に直径が大きくなる（ｄ_０ｍａｘ）が、パンチの直径（ｄ_１）は一定のままである。特性値は、カップベースが破砕する前に金属板の絞り限界に達する最大絞り比である（β_ｍａｘ＝ｄ_０ｍａｘ／ｄ_１）。

少なくとも１つの保護装置とベース体を備えるガスプローブは、少なくとも１つの構成部品用の酸化物を形成する面を有する。これは、保護装置および／またはベース体が少なくとも部分的に熱処理されることが可能であり、これにより酸化物、特に酸化アルミニウムがその表面に形成されるということである。上記の酸化物により、それに続くコーティングが、表面に高い熱および動的荷重が加わった場合でも不変であるように塗布されることが可能になる。

少なくとも１つの保護装置が電気的に加熱されうるガスプローブの実施形態も有利である。この加熱は特に、コーティング内に含まれる水を気化させるために短周期かつ非連続的に実施可能である。これは、排気ガスが比較的低温の時、たとえばエンジンの始動前または直後およびエンジンのアイドリング状態で行うことが有利である。

本発明の別の態様では、ガスプローブ、特に車両の内燃機関の排気ガスを分析するためのラムダプローブの製造方法が提案される。このガスプローブは、ガスプローブのガスと接触する検知部品（センサ要素）を少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つの保護装置を有し、またこのガスプローブはベース体も有する。少なくとも１つの保護装置またはベース体は、少なくとも部分的に吸湿コーティングを備えることが提案される。この方法によって、特に、上述のように本発明に係るガスプローブを製造することが可能である。

ここでは、適切な場合、特に表面が他の機能面と近接して設けられている場合には、自由領域が設けられる。機能面は、たとえば構成部品間の接続面、（電気）接面、ラベル面等として用いられるというように明確な機能を有する。したがって、たとえばベース体および／または保護装置が、相互にまたはガスセンサのその他の構成部品と、密着（圧着）接続および／または接合（溶接、はんだ付け等）によって接続される点においてコーティングが施されていないことが有利である。

ここでは、コーティングが施される面が、特に表面に形成される酸化物で前処理されることが特に有利である。酸化物は、少なくとも１つの保護装置またはベース体の材料が対応する成分を有する場合は、熱処理によって表面に形成可能である。しかし、追加的な製造ステップにおいて、まず材料を表面に塗布し、続いて材料を合金にすることも可能である。

ある条件下では、少なくとも１つの保護装置またはベース体に、コーティングされる前にアルミめっきを施すことが有利である。これは、たとえばアルミニウム鍛錬用合金が表面に塗布され、続く熱処理によって表面に固定されるということである。アルミニウムの塗布は、酸化アルミニウムの事後的な形成を可能にし、この酸化アルミニウムは、続く吸湿コーティング用の担体層として特に適切である。

この関連で、少なくとも１つの保護装置は、成形部品、特に深絞りされた部品であることが特に有利である。その際、アルミめっき工程は成形工程の前に行われ、均質化工程は成形ステップの後で有利に行われる。

本発明の別の有利な実施形態では、コーティングの塗布は、吹付け、浸漬、スパッタリ
ング、溶射のうちの少なくとも１つの製造ステップを含む。

吹付けまたはスパッタリングの場合は、担体、たとえば空気が、コーティングされる面にコーティングが塗布される際に使用される。浸漬の場合は、コーティングされる部品がコーティング浴に浸される。恒久的なコーティングを施すために、前述の３つの工程のうち、酸化皮膜が先に形成されることが有利である。コーティングを溶射によって行う際には、この場合の温度範囲では表面とコーティングとの間の十分な凝縮力または粘着力が保証されるため、前述の種の酸化物形成手段によって施すことが可能である。溶射においては、５００℃を越える温度、好適には９００℃を越える温度（プラズマ溶射）が塗布の際に従来使用され、適切な場合は、より薄い層を設けることが可能である（たとえば４０μｍ未満）。

コーティングの均一な分布または概ね均等な層厚さを確実にするために、さらなる工程ステップ、たとえば部品の回転（遠心力の利用）、ノッキング（インパルス作用の利用）、送風（高圧ガスフローの利用）等が必要になることもある。特に、保護装置のガス吸入開口部およびガス排出開口部が過度に塞がれてしまわないことを確実にしなくてはならない。

ガスプローブは、排気ガス浄化部品と組み合わせられると特に有利である。この「排気ガス浄化部品」という表現は、特に触媒コンバータ、フローミキサ、フィルタ、吸着装置、炭化水素の捕捉装置またはすすの捕捉装置のような排気ガスの後処理に適した部品全てに該当する一般的な用語として用いられている。

ガスプローブは、車両、特に自動車の排気系統に特に有利に設けられる。

以下に、図面を参照して本発明および技術分野についてより詳細に説明する。ここでは、本発明の特に好ましい例としての実施形態が示されているが、本発明はこれに限定されない。

図１は、ベース体１０と、保護装置２とを有するガスプローブ１の設計を図示する。ガスプローブ１は、ハウジング１２（たとえば排気ガス管路または排気ガス浄化部品のハウジング）を通り、これに固定されている。ここでは、保護装置２を備えるガスプローブ１の一部が、分析されるガスフローと接触する。保護装置２もベース体１０も１つまたは複数のガス接触面４を有し、この面は分析されるガスと接触する面である。ここでは、少なくとも場合によっては、分析されるガスフローが蒸気を含み、ある状況下では蒸気がガス接触面４に凝結することがあり得る。センサ要素３は、保護装置２の内部（図１には図示されず）に配置される。保護装置２内の開口部１１によって、分析されるガスフローが検知部品（センサ要素３）と接触することが可能になる。

図１に示されるように、図２は、ガスプローブ１の保護装置２の断面を示す。ここでは、保護装置２は端部側で閉鎖される実質的に円筒形の部品として示される。保護装置２の周囲には、ガスが内部領域へ入れ替えられることを可能にする細長い孔として複数の開口部１１が設けられる。保護装置２は、内側および外側にコーティング５を有し、このコーティングは図２の左下に部分的に拡大されて図示される。

コーティング５は、保護装置２の内側および外側ガス接触面４に設けられる。コーティング５の層厚さ７は、１０μｍから５０μｍの範囲内である。コーティング５の単位体積あたりのコーティング５の細孔８の比率は、およそ５０％である。コーティング５は、ガスフローから蒸気を抽出するための乾燥剤６および排気ガス内の汚染物質を触媒によって
変換する貴金属９を有する。

ここで提案するガスプローブは、特に自動車の排気系統の作動信頼性を向上させる。また、このガスプローブは量産において製造が簡単でもある。

ガスプローブの詳細を示す図である。 図１に係るガスプローブの断面図である。

符号の説明

１ ガスプローブ
２ 保護装置
３ 構成部品
４ ガス接触面
５ コーティング
６ 乾燥剤
７ 層厚さ
８ 細孔
９ 貴金属
１０ ベース体
１１ 開口部
１２ ハウジング

Claims (17)

1. 特に車両の内燃機関の排気ガスを分析するためのラムダプローブであり、ガスプローブ（１）の感度の高いセンサ要素（３）を少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つの保護装置（２）を有し、該感度の高いセンサ要素（３）がガスと接触するガスプローブ（１）であって、少なくとも１つの保護装置（２）が、少なくとも部分的に吸湿面を有するガス接触面（４）を有することを特徴とするガスプローブ。
2. 請求項１に記載のガスプローブ（１）であって、吸湿面に、高温に強い乾燥剤（６）を有利に備えるコーティング（５）が少なくとも部分的に形成されることを特徴とするガスプローブ。
3. 請求項２に記載のガスプローブ（１）であって、コーティング（５）が、１０μｍから５０μｍの範囲内の層厚さ（７）を有することを特徴とするガスプローブ。
4. 請求項２または３に記載のガスプローブ（１）であって、コーティング（５）の単位体積あたりの細孔の量が３０％から９０％の範囲内にある孔隙率をコーティング（５）が有することを特徴とするガスプローブ。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）であって、コーティング（５）が酸化物、特に酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムのうち少なくとも１つを備えることを特徴とするガスプローブ。
6. 請求項２から５のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）であって、コーティング（５）が触媒作用を有する成分、特に貴金属（９）を有することを特徴とするガスプローブ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）であって、ガスと接触する他の構成部品、特にガスプローブ（１）のベース体（１０）も、少なくとも部分的に吸湿面を有することを特徴とするガスプローブ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）であって、少なくとも１つの保護装置（２）が、高温に強く、深絞りが可能である材料からなるキャップであることを特徴とするガスプローブ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の、構成部品として少なくとも１つの保護装置（２）と、ベース体（１０）とを少なくとも備えるガスプローブ（１）であって、少なくとも１つの構成部品が、酸化物を形成する表面を備える材料からなることを特徴とするガスプローブ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）であって、少なくとも１つの保護装置（２）が電気的に加熱可能であることを特徴とするガスプローブ。
11. ガスプローブ（１）のガスと接触する感度の高いセンサ要素（３）を少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つの保護装置（２）と、ベース体（１０）とを有するガスプローブ（１）、特に車両の内燃機関の排気ガスを分析するためのラムダプローブの製造方法であって、少なくとも１つの保護装置（２）またはベース体（１０）の少なくともいずれかが、少なくとも部分的に吸湿コーティング（５）を備える方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、コーティング（５）が施される表面が前処理され、
    特に酸化物が形成される方法。
13. 請求項１１または１２に記載の方法であって、少なくとも１つの保護装置（２）またはベース体（１０）の少なくともいずれかに、コーティングの前にアルミめっきが施される方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、少なくとも１つの保護装置（２）が、成形部品、特に深絞り部品であり、成形工程前にアルミめっき工程が行われ、均質化工程が成形ステップの後に有利に行われる方法。
15. 請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法であって、コーティング（５）の塗布が、吹付け、浸漬、スパッタリング、溶射の製造ステップの少なくともいずれか１つを備える方法。
16. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）を少なくとも１つ備える排気ガス浄化部品。
17. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のガスプローブ（１）を少なくとも１つ備える排気系統を有する車両。

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