具有隔热罩的气体传感器的制造方法
【专利说明】具有隔热罩的气体传感器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年4月19日提交的美国临时专利申请No. 61/813, 922和2013年 7月22日提交的美国专利申请No. 13/947,803的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
[0003] 对于联邦政府资助的研究或开发的声明
[0004] 本发明在由能源部（Department of Energy)资助的政府支持DE-EE0005975下进 行。政府对本发明具有一定权利。
【背景技术】
[0005] 本发明涉及各种气体（例如，氧气）传感器设计。当前氧传感器被设计用于高温 应用场合。传感器安装在排气歧管或排气系统中，从而由于通常暴露于1030C或更高的热 废气而固有地被设计成用于应对高温。对于适应低温环境（可包括各种塑料或树脂构件）， 传感器本身（例如，其中被加热的感测元件）成为主要热源。在操作温度下，传统气体传感 器可能扭曲、熔化或以其他方式损害原本不是针对这种热情况的邻近结构。
【发明内容】
[0006] -方面，本发明提供了一种气体传感器，其具有气体感测元件，所述气体感测元件 至少部分地定位在本体内且在第一端部处暴露，以便测量与第一端部接触的气体。所述气 体感测元件限定出轴向方向。凸缘从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸。所述凸缘具有 朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧。〇环被构造成将气体传感器 密封地定位在孔内。气体传感器的嵌入部分由壁限定且被构造成用于保持所述0环。所述 嵌入部分的所述壁在所述0环的轴向位置处与所述本体隔开一距离，以便在所述壁与所述 本体之间提供间隙。
[0007] 另一方面，本发明提供了一种气体传感器，其具有气体感测元件，所述气体感测元 件至少部分地定位在本体内且在第一端部处暴露，以便测量与第一端部接触的气体。所述 气体感测元件限定出轴向方向。凸缘从本体沿着横向于轴向方向的方向延伸。所述凸缘具 有朝向第一端部的第一侧和朝向气体传感器的远端部的第二侧。〇环被构造成将气体传感 器密封地定位在孔内。气体传感器的嵌入部分由壁限定且被构造成用于保持所述〇环。在 所述〇环的轴向位置处在所述嵌入部分的所述壁与所述本体之间没有径向的传热路径。
【附图说明】
[0008] 图1是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
[0009] 图2是图1的气体传感器的剖视图。
[0010] 图3是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
[0011] 图4是图3的气体传感器的剖视图。
[0012] 图5是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
[0013] 图6是图5的气体传感器的剖视图。
[0014] 图7是根据本发明的一个方面的气体传感器的前视图。
[0015] 图8是图7的气体传感器的剖视图。
[0016] 图9是没有隔热罩的气体传感器的示意性热模型。
[0017] 图10是具有隔热罩的气体传感器的示意性热模型。
【具体实施方式】
[0018] 从金属氧传感器壳体到进气歧管或其他安装部位的直接传导通过引入间隙（例 如，空气间隙）和较少量的材料与进气歧管接触而被降低。从壳体到安装区域的热量流动 由对流并由通过较小横截面的传导来进行。与代表传统布置结构的图9的热模型相比，如 图10的热模型所示，这降低了被传递到进气歧管和〇环的热量。在本文所公开的各种构造 中，〇环的安装表面相对于传感器壳体移位。安装表面的温度上升由于传感器壳体与安装 表面之间的间隙而被降低。如果传感器使用弹性体0环来安装和密封，则0环就被防止熔 化或相对于热永久定型。
[0019] 0环隔热罩可具有多种构造，其中的一些在本文中描述和示出。图1和2示出了在 凸缘处和在防护管处附接至传感器的0环隔热罩件。图3和4示出了一体的凸缘和0环隔 热罩，其中，类似于图1和2的0环隔热罩件还包括一体的凸缘。图5和6示出了一体的0 环隔热罩和防护管，其中，类似于图1和2的0环隔热罩件还包括一体的外防护管。图7和 8示出了一体的凸缘、0环隔热罩和防护管，其中，类似于图1和2的0环隔热罩件还包括类 似于图3和4的一体的凸缘以及类似于图5和6的一体的外防护管。
[0020] 在所有情况下，该装置可制造成单件或类似或不同材料的部件的组件。
[0021] 图1和2示出了根据第一构造的气体传感器100。气体传感器100尤其适于用于 例如内燃机的低温（非排放）环境、比如进气歧管20中。进气歧管20可以是非金属的，例 如由塑料或树脂构造。另外，气体传感器100可用于内燃机的进气系统的其他部分中。例 如，气体传感器100可用于增压空气冷却管、节气门和进气歧管上游以及接收来自涡轮增 压器的压缩进气的中冷器下游。增压空气冷却管也可以是非金属的（例如，塑料或树脂）。
[0022] 气体传感器100包括传感器子组件（或"短传感器组件（short sensor assembly) ") 102,传感器子组件102包括气体感测元件104,气体感测元件104定位在传感 器子壳体或本体106内并限定出轴线X。本体106可以是金属的。陶瓷衬套108和软陶瓷 密封垫110可用于将气体感测元件104定位在本体106内。在本体106外侧，设有嵌入部 分112和横向凸缘部分114。嵌入部分112接收0环116,且被构造成：以密封关系被接收 在进气歧管20中的孔117内。嵌入部分112和0环116使得传感器100能够简单地"塞 到"进气歧管20中的孔117中（例如，简单地轴向嵌入到非螺纹孔中）。凸缘部分114可 包括用于接收紧固件（未示出）的一个或多个孔眼118,以便将传感器100固定至进气歧 管20或其他结构。垫圈也可设置在凸缘部分114与进气歧管20之间。在气体传感器100 的第一端部或感测端部A处的一个或多个防护管120覆盖感测元件104的感测端部，同时 允许与经过的气体流体连通。感测元件104的第一端部从本体106延伸，且如果没有防护 管120的话就暴露于环境气体。当通电时，传感器子组件102能够进行气体传感器100 (例 如，氧传感器，比如栗式参考型宽域氧传感器）的气体感测功能。
[0023] 在气体传感器100的与感测端部A相反的第二端部B处，可设置连接器壳体（未 示出），以便覆盖感测元件104的远端部或内端部，并提供插头壳体或插头连接器部分以及 电端线或连接器，以便与气体传感器100的远端部B处的外部插头件连接。替代性地，传统 的线束可在第二端部B处联接至感测元件104。
[0024] 应当注意，嵌入部分112由壁113提供，壁113的厚度明显小于本体106的厚度， 且另外，形成嵌入部分112的壁113相对于本体106的外侧径向地隔开，以便在壁113与本 体106之间引入间隙（例如，空气间隙）。在某些构造中，该间隙限定出与处理气体（即，待 由传感器100采样的气体）和参考气体室中的任一个都不流体连通的空间。壁113可以是 0环隔热罩，其被提供用于在气体传感器100的操作过程中限制从感测元件104传递到0环 116的热量。通过构造气体传感器100以限制到0环116 (以及到嵌入部分112)的热传递， 0环116和周围结构（例如，进气歧管20)的材料不必被特别修改来适应高温。例如，0环 116可由普通合成橡胶（例如，含氟聚合物弹性体，比如Viton? )构造，而不是昂贵得多的 全氟橡胶0环。在某些构造中，壁113的材料厚度在大约0. 010英寸与大约0. 030英寸之 间。在某些构造中，本体1