AT515200B1

AT515200B1 - Drucksensor mit Wärmeleitelement

Info

Publication number: AT515200B1
Application number: ATA50033/2014A
Authority: AT
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Michelitsch; Martin Dipl Ing Baumgartner; Dietmar Dr Kröger
Original assignee: Piezocryst Advanced Sensorics
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-15
Also published as: CH709195A2; AT515200A4; DE102014116760A1; CH709195B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (1) mit einem Sensorgehäuse (2) und einem druckseitig angeordneten Membranelement (10), das einen zentralen Membranstempel (11), eine kreisringförmige, flexible Membran (12) und einen Membranflansch (13) aufweist, wobei der Membranflansch (13) am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt ist. Der Drucksensor weist zur besseren Wärmeabfuhr ein Wärmeleitelement (20) auf, das die Frontseite (14) des Membranflansches (13) großteils bedeckt, dessen Außenkante (15) umfasst und am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Sensorgehäuse und einem drucksei¬tig angeordneten Membranelement, das einen zentralen Membranstempel, eine kreisringförmi¬ge, flexible Membran und einen Membranflansch aufweist, wobei der Membranflansch amdruckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt ist.

[0002] Sensoren für die Druckmessung in heißen Prozessen, beispielsweise eingesetzt in eineMessbohrung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, sind extremen Wärmeströmen undDruckpulsen ausgesetzt. Diese Wärmeströme führen zu sehr hohen Temperaturen im frontsei¬tigen Bereich des Sensors, insbesondere der Sensormembran, die zu einer Verschlechterungder Messeigenschaften bzw. zur Zerstörung der Sensormembran führen können. Es sind daherbereits unterschiedliche Maßnahmen bekannt geworden, die sensible Frontpartie des Sensors,insbesondere die Sensormembran, zu schützen, wobei jedoch durch die Schutzeinrichtung dasdynamische Messverhalten des Sensors möglichst ungestört bleiben soll.

[0003] Aus der EP 2 087 333 B1 ist ein schulterdichtender Drucksensor bekannt, dessen ring¬förmige Membran hinter einem druckseitigen Gehäusefortsatz angeordnet ist, der mit einemHitzeschild ummantelt ist. Der Hitzeschild ist durch einen Spalt, der eine Wärmebarriere bildet,vom Gehäusefortsatz beabstandet und nur über seinen inneren und äußeren Rand mit demSensorgehäuse verbunden, vorzugsweise dicht mit diesem verschweißt. Der innere Rand be¬findet sich in unmittelbarer Nähe des äußeren Auflagers der flexiblen Sensormembran.

[0004] Nachteilig ist der Wärmeeintrag aus dem Hitzeschild über seinen inneren Rand in dendünnen, flexiblen Teil der Membran, was zu einer thermomechanischen Überlastung der Sen¬sormembran führt.

[0005] Durch den beabstandeten Hitzeschild wird die Oberflächentemperatur und auch diemittlere Temperatur des Hitzeschildes deutlich erhöht, was die Gefahr von Glühzündungen alsAusgangspunkt klopfender Verbrennung erhöht und zu Motorschäden führen kann.

[0006] Die gasdichte Anbindung des Hitzeschildes im Bereich seines inneren Randes führt zueiner mechanischen Einkoppelung von Verformungen des Hitzeschildes direkt in den dünnen,flexiblen Bereich der Sensormembran, wodurch Messfehler generiert werden.

[0007] Aus der EP 2 024 710 B1 ist ein Membranschutz für einen Schulter- oder frontdichten-den Drucksensor bekannt, der eine zentrale Öffnung und ein Clipsystem aufweist, welches ineine Nut im Inneren des Frontbereichs des Sensors eingreift und den Membranschutz amdruckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt. Eine effiziente Ableitung des Wärmestromesaus kurzzeitigen Hitzestößen ist durch diese Anbindung zumindest bei der schulterdichtendenAusführungsvariante nicht gewährleistet.

[0008] Weiters ist aus der GB 2 217 846 A ein Drucksensor bekannt, dessen Membranelementeinen Flanschbereich aufweist, der mit dem druckseitigen Ende des Sensorgehäuses ver¬schweißt ist. Ein topfförmiger Hitzeschild ist am Membranflansch befestigt, vorzugsweise ange¬schweißt, und bildet zum Membranelement einen frontseitigen Zwischenraum aus. Für denDruckausgleich zum frontseitigen Zwischenraum sind im Hitzeschild Öffnungen vorgesehen.

[0009] Ein Drucksensor mit einem frontseitigen Membranelement, das aus einem zentralenMembranstempel, einer kreisringförmigen, flexiblen Membran und einem äußeren Memb¬ranflansch besteht, wobei der Membranflansch mit dem frontseitigen Ende des Sensorgehäu¬ses verschweißt ist, ist beispielsweise aus der AT 509.919 B1 bekannt. Der Membranflanschbildet hier eine topfförmige Aufnahme, in die ein Thermoschutzelement eingeklipst werdenkann. Der Drucksensor wird frontdichtend in eine Messbohrung eingesetzt.

[0010] Aus der AT 002 036 U1 ist ein schulterdichtender Sensor zur Druckmessung in heißenMedien bekannt, wobei eine Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 ein topfartiges Thermoschutze¬lement für die Sensormembran aufweist. Die Sensormembran weist auf der dem heißenDruckmedium zugewandten Seite eine Beschichtung aus einem weichen, wärmeisolierenden

Material auf, beispielsweise eine Beschichtung aus Silikonkautschuk, wobei das Thermoschut-zelement in geringem Abstand zu dieser Beschichtung angeordnet ist.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, die sensible Frontpartie eines Drucksensors der eingangsbeschriebenen Art auf eine konstruktiv einfache Weise vor den negativen Auswirkungen kurz¬zeitiger Hitzestöße zu schützen, wobei das Messverhalten des Drucksensors möglichst nichtbeeinflusst werden soll.

[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Drucksensor ein Wärme¬leitelement aufweist, das die Frontseite des Membranflansches großteils bedeckt, dessen Au¬ßenkante umfasst und außen am druckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt ist. DasWärmeleitelement kann durch Schweißen, Löten, Aufpressen oder Aufschrumpfen mit demdruckseitigen Ende des Sensorgehäuses verbunden sein.

[0013] Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement nimmt den nur kurzzeitig nach der Zündungauftretenden, erhöhten Wärmestrom auf und leitet diesen entfernt von den kritischen Bereichendes Membranelementes in das Sensorgehäuse ab. Um die maximale Oberflächentemperatur zubegrenzen und um Glühzündungen zu vermeiden, ist ein ganzflächiger, thermischer Kontaktdes Wärmeleitelementes im Bereich des Membranflansches anzustreben.

[0014] Erfindungsgemäß weist das Wärmeleitelement einen ringförmigen Flanschbereich auf,der den äußeren Membranflansch abdeckt, an welchen ein zylindrischer Mantelbereich an¬schließt, der an der Außenfläche des Sensorgehäuses befestigt ist.

[0015] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist der ringförmigeFlanschbereich des Wärmeleitelementes durch Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen inmehrere Abschnitte unterteilt, wobei sich die Einschnitte oder schlitzförmigen Öffnungen ineinem anschließenden Teilbereich des zylindrischen Mantelbereichs fortsetzen können.

[0016] Das Wärmeleitelement reagiert zwar auf den durch einen Hitzestoß kurzzeitig erhöhtenWärmestrom an dessen Oberfläche durch sich ausbildende innere Spannungen. Um diese nichtin die kritischen Bereiche des Membranelementes einzuleiten, ist das Wärmeleitelement durchdie Einschnitte bzw. die schlitzförmigen Öffnungen mechanisch weich ausgeführt. Dadurchkann der kurzzeitige Wärmestrom das Wärmeleitelement an der Oberfläche verformen, ohnenegative Auswirkungen auf das Messverhalten des Sensors auszuüben.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsvariantenäher erläutert. Es zeigen: [0018] Fig. 1 eine Frontpartie eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem am

Membranelement des Sensors anliegenden Wärmeleitelement im Axi¬alschnitt, [0019] Fig. 2 den Detailbereich A des Drucksensors gemäß Fig. 1 in einer vergrö¬ ßerten Darstellung, [0020] Fig. 3 das Wärmeleitelement gemäß Fig. 2 in einer Draufsicht, [0021] Fig. 4 das Wärmeleitelement in einer Schnittdarstellung nach Linie IV-IV in

Fig. 3, [0022] Fig. 5 das Wärmeleitelement gemäß Fig. 1 bis Fig. 4 in einer dreidimensiona¬ len Darstellung, sowie [0023] Fig. 6 und Fig. 7 unterschiedliche Ausführungsvarianten des Wärmeleitelements in drei¬ dimensionalen Darstellungen.

[0024] Die Schnittdarstellungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zeigen das druckseitige Ende einesDrucksensors 1, der in eine nur strichliert angedeutete Messbohrung 17 einer Brennkraftma¬schine einsetzbar ist und dessen Membranelement 10 den kurzzeitigen, intensiven Hitzestößender inneren Verbrennung der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist.

[0025] Das Sensorgehäuse 2 weist eine Dichtschulter 8 auf, die bei der bestimmungsgemäßen

Montage des Drucksensors 1, ggf. unter Zwischenlage eines Dichtelementes 9, schulterdich¬tend am Absatz 16 der Messbohrung 17 zur Anlage kommt.

[0026] Das Membranelement 10 des Drucksensors 1 bildet im zentralen Bereich einen Memb¬ranstempel 11 aus, welcher auf ein Druckmesselement 5, beispielsweise aus mehreren piezoe¬lektrischen Elementen 6, einwirkt. Daran schließt eine im Vergleich zum Membranstempelwesentlich dünnere, flexible, kreisringförmige Membran 12 an, die in einen äußeren Memb¬ranflansch 13 von zumindest doppelter Wandstärke übergeht, der mit dem Gehäuse 2 desDrucksensors 1 verschweißt ist (siehe Schweißnaht 7). Als kritische Bereiche sind insbesonde¬re der Membranflansch 13, dessen Außenkante 15 und der Übergang zur flexiblen Membran 12anzusehen.

[0027] Im ungeschützten Fall kann sich der Membranflansch 13 durch einen Hitzestoß ausdeh¬nen und teilweise aufstülpen, wodurch Kräfte auf die inneren Membranteile 11, 12 ausgeübtwerden, die zu einem Fehlsignal führen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wärmeleitelementes20, das am druckseitigen Ende des Drucksensors 1 angeordnet ist, werden diese negativenEinflüsse weitgehend vermieden.

[0028] Das Wärmeleitelement 20 liegt fugenlos an der Frontseite 14 des Membranflansches 13an, umfasst dessen Außenkante 15 sowie die Schweißnaht 7 und ist hinter der Befestigungs¬ebene ε der Membran am druckseitigen Ende 3 an der zylindrischen Außenfläche 4 des Ge¬häuses 2 befestigt. An dieser Stelle kann die vom Wärmeleitelement 20 abgeführte Wärmeohne negative Auswirkungen in das Sensorgehäuse 2 eingeleitet werden. Durch das Wärmelei¬telement 20 wird die Stoßbelastung des Wärmeeintrags ausgeglichen und der Wärmestrom inunkritische Bereiche des Sensorgehäuses 2 abgeführt.

[0029] Das Wärmeleitelement 20 weist einen ringförmigen Flanschbereich 21 auf, an welchenein zylindrischer Mantelbereich 22 im Querschnitt rechtwinkelig anschließt und an der Außen¬fläche 4 des Sensorgehäuses 2 befestigt ist. Die Befestigung des Mantelbereichs 22 erfolgtdurch Schweißen (siehe Schweißpunkt 18), Löten, Aufpressen oder Aufschrumpfen am druck¬seitigen Ende 3 des Sensorgehäuses 2.

[0030] Erfindungsgemäß weist der ringförmige Flanschbereich 21 des Wärmeleitelements 20 inradialer Richtung eine Breite auf, die im Wesentlichen der radialen Breite des Membranflan¬sches 13 entspricht, sodass die drucksensiblen Bereiche des Membranelements 10 durch einezentrale Öffnung 25 des Wärmeleitelements 20 frei zugängig bleiben.

[0031] Zum besseren Ausgleich thermischer Spannungen im Wärmeleitelement 20 ist derringförmige Flanschbereich 21 des Wärmeleitelementes 20 mechanisch weich ausgeführt unddurch Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen 23 in mehrere Abschnitte 24 unterteilt. Imdargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die schlitzförmigen Öffnungen 23 ausgehendvom inneren Rand der zentralen Öffnung 25 radial nach außen und können sich in einem an¬schließenden Teilbereich des zylindrischen Mantelbereichs 22, beispielsweise bis zur halbenHöhe des Mantelbereichs, fortsetzen (siehe Fig. 2 bis Fig. 4).

[0032] Wie in den Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt, kann der ringförmige Flanschbereich 21und/oder der zylindrische Mantelbereich 22 des Wärmeleitelementes 20 eine Vielzahl von Boh¬rungen 26, Öffnungen und/oder Einschnitten 27 aufweisen, um diese Bereiche des Wärmelei¬telementes mechanisch weich einzustellen und thermische Spannungen abzubauen. Die Boh¬rungen 26, Öffnungen oder Einschnitte 27 können beispielsweise durch Laserschneiden, vor¬zugsweise durch Laserstrahlschmelzschneiden oder durch Laserstrahlbrennschneiden herge¬stellt werden.

[0033] Es ist auch möglich, den Flanschbereich 21 und/oder der zylindrische Mantelbereich 22des Wärmeleitelementes 20 durch Bördeln, Falten, etc. mechanisch weich auszubilden, solan¬ge gewährleistet ist, dass wesentliche Teile des Membranflansches 13 abgedeckt bleiben undder Flanschbereich 21 großteils an der Frontseite des Membranflansches 13 anliegt.

[0034] Das Wärmeleitelement 20 besteht aus einer hochtemperaturbeständigen, gut wärmelei- tenden und chemisch widerstandsfähigen Metalllegierung und kann wie das Membranelement10 beispielsweise aus einer Chromstahllegierung bestehen.

Claims

Patentansprüche 1. Drucksensor (1) mit einem Sensorgehäuse (2) und einem druckseitig angeordneten Memb¬ranelement (10), das einen zentralen Membranstempel (11), eine kreisringförmige, flexibleMembran (12) und einen Membranflansch (13) aufweist, wobei der Membranflansch (13)am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt, vorzugsweise mit diesemverschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1) ein Wärmeleitele¬ment (20) aufweist, das die Frontseite (14) des Membranflansches (13) großteils bedeckt,dessen Außenkante (15) umfasst und außen am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäu¬ses (2) befestigt ist.
2. Drucksensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) durch Schweißen, Löten, Aufpressen oder Aufschrumpfen mit dem druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) verbunden ist.
3. Drucksensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmelei¬telement (20) einen ringförmigen Flanschbereich (21) aufweist, an welchen ein zylindri¬scher Mantelbereich (22) anschließt, der an der Außenfläche (4) des Sensorgehäuses (2)befestigt ist.
4. Drucksensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmigeFlanschbereich (21) des Wärmeleitelements (20) in radialer Richtung eine Breite aufweist,die im Wesentlichen der Breite des Membranflansches (13) entspricht, wobei die druck¬sensiblen Bereiche des Membranelementes (10) durch eine zentrale Öffnung (25) desWärmeleitelementes (20) frei zugängig sind.
5. Drucksensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmigeFlanschbereich (21) des Wärmeleitelementes (20) durch bevorzugt radial verlaufende Ein¬schnitte oder schlitzförmige Öffnungen (23) in mehrere Abschnitte (24) unterteilt ist.
6. Drucksensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einschnitteoder schlitzförmigen Öffnungen (23) des Flanschbereiches (21) in einem anschließendenTeilbereich des zylindrischen Mantelbereichs (22) fortsetzen.
7. Drucksensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmigeFlanschbereich (21) und/oder der zylindrische Mantelbereich (22) des Wärmeleitelementes (20) eine Vielzahl von Bohrungen (26), Öffnungen und/oder Einschnitten (27) aufweisen.
8. Drucksensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (26),Öffnungen und/oder Einschnitte (27) durch Laserschneiden, beispielsweise durch Laser¬strahlschmelzschneiden oder durch Laserstrahlbrennschneiden hergestellt sind.
9. Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dasWärmeleitelement (20) aus einer hochtemperaturbeständigen, gut wärmeleitenden undchemisch widerstandsfähigen Metalllegierung, beispielsweise aus Chromstahl, besteht.
10. Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dasSensorgehäuse (2) eine Dichtschulter (8) aufweist, die bei der bestimmungsgemäßen Mon¬tage des Drucksensors, ggf. unter Zwischenlage eines Dichtelementes (9), schulterdich¬tend am Absatz einer Messbohrung zur Anlage kommt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen