Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung von Gasen in Gasgemischen und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Gassensoren zur Bestimmung von Gasen in Abgasen von Verbrennungsmotoren sind üblicherweise auf der Basis eines keramischen Sensorelementes ausgeführt, das in einem metallischen Gehäuse des Sensors fixiert und mittels einer geeigneten Dichtung gegenüber den in Verbrennungsraum oder im Abgastrakt auftretenden korrosiven Gasen abgedichtet ist.

So ist aus der DE 100 09 597 Al ein elektrochemischer Messfühler bekannt, bei dem ein plättchenförmiges keramisches Sensorelement innerhalb eines metallischen Gehäuses gehaltert ist. Zur Abdichtung des Sensorelementes weist der Messfühler eine Dichtungsanordnung auf, die aus zwei Dichtelementen besteht, die eine Mischung aus Steatitpulver und Bornitridpulver umfassen, wobei zwischen den beiden Dichtelementen ein weiteres Dichtelement aus Bornitrid vorgesehen ist. Die Dichtungsanordnung ist innerhalb des Gehäuses jeweils in Längsrichtung des Sensors von je einem keramischen Formteil begrenzt. Bei der Herstellung des Sensors wird auf das anschlussseitige Formteil ein Druck ausgeübt, sodass es zu einem Verpressen der einzelnen Dichtelemente mit dem Sensorelement bzw. dem Gehäuse kommt. Eine ausreichende Dichtungswirkung wird jedoch nur erreicht, wenn es gelingt, auch die das Sensorelement enthaltenden Durchbrechungen in den keramischen Formteilen abzudichten. Da diese Durchbrechungen fertigungsbedingt eine relativ große Toleranz aufweisen, ist eine derartige

Abdichtung nicht in allen Fällen gewährleistet und es kommt gegebenenfalls zu einem frühen Ausfall des Gassensors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Bestimmung von Gasen in Gasgemischen bereitzustellen, der eine wirkungsvolle Abdichtung eines in den Sensor integrierten Sensorelementes aufweist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor bzw. das erfϊndungsgemäße Verfahren zu dessen Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche löst in vorteilhafter Weise die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Der Sensor zeigt bedingt durch eine gleichmäßige Verpressung der pulverförmigen Dichtelemente insbesondere unmittelbar im Bereich des Sensorelementes sehr gute Dichteigenschaften. Durch eine Anschrägung der die Dichtelemente begrenzenden keramischen Formkörper kommt es beim Verpressen des Sensors zu einer Materialbewegung des Dichtpulvers hin zur Längsachse der Sensors und dort zum Aufbau eines erhöhten Drucks. Auf diese Weise werden Spalten zwischen keramischem Formkörper und Sensorelement wirkungsvoll mit Dichtmaterial ausgefüllt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Sensors bzw. Verfahrens möglich.

So ist von Vorteil, wenn eine den Dichtelementen zugewandte Begrenzungsfläche mindestens eines der Formkörper eine im wesentlichen kegelförmige oder kegelstumpfförmige Aussparung aufweist, wobei die Kegelfläche des Kegels oder Kegelstumpfes mit dessen Grundfläche einen Winkel von 1 bis 38°, insbesondere von 1 bis 10° einschließt. Auf diese Weise wird eine ausreichende Menge des Dichtpulvers beim Verpressen in Richtung der Längsachse des Sensors verlagert, ohne dass es gleichzeitig zu einem Herausschieben eines Formkörpers aus dem Gehäuse des Sensors kommt.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn eine Kante des Formkörpers, die durch eine dem Gehäuse des

Sensors zugewandte Begrenzungsfläche des Formkörpers und durch eine den Dichtelementen zugewandte Begrenzungsfläche des Formkörpers gebildet wird, eine Fase, Abschrägung oder Abrundung aufweist. Durch die Abschrägung der Außenkante des oder der Formkörper wird ein Teil des pulverförmigen Dichtmaterials beim Verpressen des Sensors in Richtung der Gehäusewand verschoben, sodass auch ein dort existierender Außenspalt zwischen Gehäusewand und Formkörper abgedichtet wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der durch die Grundfläche des Kegels oder Kegelstumpfes und durch dessen Kegelfläche gebildete Winkel nach der Höhe des Anpressdrucks gewählt, wobei bei einer Reduzierung des Anpressdrucks eine Vergrößerung des Winkels vorgesehen wird. Auf diese Weise kann eine optimale Abdichtung angepasst an den jeweils vorgesehenen Anpressdruck realisiert werden.

Zeichnung

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

■ Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Sensor gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

■ Figur 2 einen Ausschnitt des in Figur 1 dargestellten Sensors in der Ausführung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

■ Figur 3 einen Ausschnitt des in Figur 1 dargestellten Sensors in der Ausführung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und

■ Figur 4 einen Ausschnitt des in Figur 1 dargestellten Sensor in der Ausführung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Sensors zur Bestimmung von Gasen in Gasgemischen. Der Sensor 10, beispielsweise ein elektrochemischer Sauerstoffsensor, umfasst ein metallisches Gehäuse 12, das ein Gewinde 13 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein

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nicht dargestelltes Messgasrohr, das beispielsweise als abgasführendes System ausgebildet ist, 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 weist einen in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufenden, zentral angeordneten und durchgehenden messgasseitigen Durchbruch 22 auf. Beabstandet vom messgasseitigen Keramikformteil 21 ist in der Längsbohrung 15 ferner ein anschlussseitiges Keramikformteil 23 angeordnet. Das anschlussseitige Keramikformteil 23 weist einen ebenfalls in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufenden, zentral angeordneten und durchgehenden anschlussseitigen Durchbruch 24 auf.

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 12 heraus und ist von einem Schutzrohr 31 umgeben, das am Gehäuse 12 fixiert ist. Das Schutzrohr 31 weist Ein- und Austrittsöffnungen 32 für das zu messende Gas auf. Der anschlussseitige Endabschnitt 28 besitzt Anschlusskontakte 34, die ebenfalls aus dem Gehäuse 12 herausragen. Die Anschlusskontakte 34 werden mit einem nicht dargestellten, mit Anschlusskabeln versehenen Kontaktstecker kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 12 herausragende anschlussseitige Endabschnitt 29 ist von einer nicht dargestellten Umkapselung umgeben, die den anschlussseitigen 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 sitzt auf dem messgasseitigen Keramikformteil 21 auf. Daran schließt sich das zweite Dichtelement 37 an. Über dem zweiten Dichtelement 37 befindet sich das dritte Dichtelement 38, das in Kontakt mit dem anschlussseitigen Keramikformteil 23 steht.

Bei der Herstellung des Sensors wird eine Anpresskraft auf eine Metallhülse 40 ausgeübt, die diese an das anschlussseitige Keramikformteil 23 weitergibt. Die Metallhülse 40 hat beispielsweise mehrere nach hinten weisende Krallen 41, die in am Gehäuse 12 eingeformte Einkerbungen 42 eingreifen. Es ist aber auch denkbar, die Metallhülse 40 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen.

Das erste und dritte Dichtelement 36, 38 bestehen vorzugsweise aus einer Mischung aus Steatitpulver und hexagonalem Bornitridpulver. Der Anteil des Bornitrids liegt vorzugsweise bei über 10 Gewichtsprozent. Ein optimaler Bornitrid- Anteil liegt dabei zwischen 15 und 30 Gew.%, vorzugsweise 20 Gew.%, da in diesem Bereich optimale Gleiteigenschaften vorliegen.

Das Steatitpulver weist einen Teilchenradius von 200 bis 300 μm, vorzugsweise 250 μm auf und das Bornitridpulver einen Teilchenradius von 2 bis 3 μm, vorzugsweise 2,5 μm. Das zweite Dichtelement 37 besteht beispielsweise aus hexagonalem Bornitrid.

Es ist eine weitere, nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung denkbar, in der die Dichtungsanordnung 35 nur aus einem einzigen Dichtelement besteht, das die Eigenschaften des bei Figur 1 beschriebenen ersten Dichtelements 36 aufweist. Es ist weiterhin denkbar, dass die Dichtungsanordnung 35 aus einer beliebigen Kombination von zwei der in Figur 1 dargestellten drei Dichtelemente 36, 37, 38 besteht.

Vor dem Einbau in die Längsbohrung 15 des Gehäuses 12 werden die Dichtelemente 36, 37, 38 vorzugsweise vorverdichtet, vorgeformt und bei einer Temperatur vorgeglüht, die mindestens der späteren Einsatztemperatur von beispielsweise 630 ⁰ C entspricht. Die so gebildeten ringförmigen Dichtelemente 36, 37, 38 werden entsprechend dem Ausführungsbeispiel in die das Sensorelement 27 bereits enthaltende Längsbohrung 15 eingesetzt. Über der Dichtungsanordnung 35 wird dann das anschlussseitige Keramikformteil 23 angeordnet. Danach wird auf das anschlussseitige Keramikformteil 23 die Metallhülse 40 aufgesetzt. Anschließend wird 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 an das Gehäuse 12 anpresst.

Vor und/oder nach dem Verbau kann beispielsweise durch Induktionserwärmung Restwasser aus den Dichtelementen 36, 37, 38 ausgetrieben werden.

Um eine Eignung des Sensors für einen Dauerbetrieb zu erreichen, ist eine ausreichende Abdichtung des Sensorelements 27 innerhalb des Sensors 10 essentiell. Problematisch ist die Abdichtung jedoch insbesondere im Bereich der Durchbrechungen 22, 24 der Keramikformteile 21, 23, da diese Durchbrechungen fertigungsbedingt eine gewisse Toleranz aufweisen, um eine Durchführung des Sensorelements 27 durch die Durchbrechungen 22, 24 zu ermöglichen. Da beim Verpressen des Sensors auf die Hülse 40 eine Kraft in Längsrichtung des Sensors ausgeübt wird, wird das Material der Dichtelemente 36, 37, 38 oft nicht ausreichend in Richtung des Sensorelementes 27 bewegt und die erreichte Dichtwirkung ist im unmittelbaren Bereich des Sensorelementes 27 ggf. mangelhaft.

Dem wird begegnet, indem mindestens eines der Keramikformteile 21, 23, insbesondere das anschlussseitige Keramikformteil 23, an seiner der Dichtanordnung 35 zugewandten Grenzfläche mit einer kegelförmigen bzw. kegelstumpfförmigen Vertiefung 50 versehen wird, deren Spitze bzw. Mittelachse insbesondere mit der Längsachse des Gehäuses 12 zusammenfällt und deren Durchmesser im wesentlichen dem Durchmesser des Keramikformteils 21, 23 entspricht. Auf diese Weise wird bei Ausübung einer Kraft in Längsrichtung des Sensors 10 auf die Hülse 40 eine Kraftkomponente in Richtung des Sensorelementes 27 aufgebaut und es kommt zu einer Verdichtung des pulverförmigem Dichtmaterials der Dichtelemente 36, 38 im Bereich des Sensorelementes 27.

Wird für das Verpressen des Sensors ein Anpressdruck von 25 bis 28 kN auf die Hülse 40 vorgesehen, so ist es ausreichend, wenn die kegel- bzw. kegelstumpfförmige Vertiefung eine relativ geringe Tiefe aufweist. Dabei schließt die Kegelfläche der kegel- bzw. kegelförmigen Vertiefung 50 mit der Grundfläche des Kegels bzw. Kegelstumpfes vorzugsweise einen Winkel von 1 bis 10° ein, insbesondere von 2 bis 5°. Dies ist bereits ausreichend, um bei Ausübung des Anpressdrucks eine Kraftkomponente in Richtung des Sensorelementes 27 zu generieren, so dass es in unmittelbarer Umgebung des Sensorelementes zu einer ausreichenden Verdichtung des pulverförmigen Dichtungsmaterials des Dichtelementes 36 kommt. Dabei wird unter der Kegelfläche eines Kegels dessen kegelmantelförmige, an dessen Grundfläche angrenzende Begrenzungsfläche verstanden.

Wird ein geringerer Anpressdruck als der oben beschriebene übliche Anpressdruck zur Verpressung des Sensors vorgesehen, so ist es von Vorteil, wenn der von der Kegelfläche des Kegels bzw. Kegelstumpfes und dessen Grundfläche eingeschlossene Winkel einen höheren Wert von bis zu ca. 38° aufweist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass bei einem geringeren Anpressdruck auch eine geringere, in Richtung des Sensorelementes 27 wirkende Kraftkomponente anzunehmen ist. Um jedoch diese Kraftkomponente im wesentlichen konstant zu halten, wird im Gegenzug ein größerer Winkel zwischen der Grundfläche und dem Kegelmantel des die Vertiefung 50 beschreibenden Kegels bzw. Kegelstumpfes vorgesehen.

Es besteht insbesondere die Möglichkeit, eine Abhängigkeit der Relation b, die aus einem Maß für den vorgesehenen Anpressdruck im Verhältnis zu dem normal notwendigen Anpressdruck gebildet ist, und dem von Grundfläche und Kegelfläche des die Vertiefung 50 beschreibenden Kegels bzw. Kegelstumpfes eingeschlossenen Winkel α zu beschreiben. Dies geschieht nach folgender Formel:

α = arccos (b * c) (1)

Dabei nimmt b einen Zahlenwert von 0,8 bis 1 an, wobei b = 1 einen Anpressdruck von 25 bis 28 kN repräsentiert und b = 0.8 einen reduzierten Anpressdruck, der 80% des notwendigen Anpressdrucks entspricht. Der Faktor c repräsentiert einen Korrekturfaktor für Reibungsanteile und Verformbarkeit des Dichtungsmaterials.

Der die Vertiefung 50 beschreibende Kegel bzw. Kegelstumpf weist nicht notwendigerweise eine runde Grundfläche auf. Vielmehr kann die Grundfläche auch durch eine ovale Fläche gebildet sein, wobei die Bereiche geringen Durchmessers des Ovals insbesondere mit den Längsseiten des abzudichtenden plättchenförmigen Sensorelementes zusammenfallen. Es sind aber auch sonstige zweckmäßige Ausgestaltungen der Grundfläche, bspw. in einer rechteckförmigen Ausführung möglich.

Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Anpressdruck im Bereich der Schmalseiten eines plättchenförmigen Sensorelementes geringer ausfallen kann als im Bereich der Längsseiten desselben. Somit schließt die Kegelfläche des Kegels oder Kegelstumpfes im Bereich einer Längsseite des Sensorelementes 27 mit dessen Grundfläche einen kleineren Winkel ein als im

Bereich einer Schmalseite des Sensorelementes 27.

In Figur 2 ist ein Sensor gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in Figur 1.

Hier weist die Grundfläche des die Vertiefung 50 beschreibenden Kegels bzw. Kegelstumpfes einen geringeren Durchmesser auf als die Keramikformteile 21, 23. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass durch die Ausbildung einer Vertiefung 50 zwar eine ausreichende Abdichtung des Sensorelementes 27 erreicht wird, dies jedoch auf Kosten einer ausreichenden Abdichtung der Keramikformteile 21, 23 gegenüber dem Gehäuse 12 geschieht. Durch die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform wird gewährleistet, dass Dichtungsmaterial in ausreichender Menge im Bereich der Außenkanten der Keramikformteile 21, 23 verbleibt.

In Figur 3 ist ein Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen weiterhin gleiche Bauteilkomponenten wie in den Figuren 1 und 2.

In Figur 3 ist die Vertiefung 50 so ausgeführt, dass sie durch einen Kegel beschrieben werden kann, dessen Spitze mit dessen Grundflächenumfang nicht linear verbunden ist, sondern durch einen hyperbolischen Verlauf angenähert ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist insbesondere darin zu sehen, dass bei Anlegen eines Anpressdrucks an die Hülse 40 insbesondere in den dem Sensorelement 27 nahen Bereichen des Dichtelementes 38 mit einer besonders hohen Kraftkomponente in Richtung des Sensorelementes 27 zu rechnen ist. Dies verbessert die Dichtwirkung weiter.

In Figur 4 ist ein Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den Figuren 1 bis 3.

Die in Figur 4 abgebildete Ausführungsform entspricht der in Figur 2 dargestellten, jedoch weist das Keramikformteil 23 eine Anschrägung 52 der Außenkante, die durch die dem Dichtelement 38 zugewandte Begrenzungsfläche und die dem Gehäuse 12 zugewandte Begrenzungsfläche gebildet wird, auf. Auf diese Weise wird bei Anlegen eines Anpressdrucks an die Hülse 40 zusätzlich im Bereich der Außenkante eine zusätzliche Kraftkomponente in Richtung des Gehäuses 12 generiert, die zu einer verbesserten Abdichtung in diesem Bereich

führt. Alternativ zu einer Abschrägung kann die Außenkante auch eine Abrundung oder eine Fase aufweisen.

Grundsätzlich können eines oder beide Keramikformteile 21, 23 gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 4 oder Kombinationen derselben ausgeführt sein. Dabei können beide Keramikformteile 21, 23 gleich oder in verschiedener Weise hinsichtlich ihrer den Dichtelementen 36, 38 zugewandten Grenzflächen ausgestaltet sein.

Der erfindungsgemäße Sensor ist zur Aufnahme verschiedenster elektrochemischer Sensorelemente geeignet, die der Bestimmung von Gasen wie beispielsweise Sauerstoff, Stickoxide, Schwefeloxide, Ammoniak, Ruß oder Kohlenwasserstoffe dienen.