Нагреваемый несущий элемент датчика для сред, содержащих смесь газа и жидкости

В изобретении описан нагреваемый несущий элемент для газового датчика, содержащий: керамическое, выполненное как пластина основание (10), имеющее первую поверхность (12) и вторую поверхность (14), противолежащую первой поверхности; нагреватель (20), сформированный на первой поверхности и содержащий нагревательный элемент (30); и пассивный теплопроводный слой из металла (40), сформированный на второй поверхности. Нагреваемый несущий элемент способен противостоять механическим напряжениям, возникающим в результате локальных перепадов температуры, которые могут являться, например, результатом попаданий на элемент капли жидкости. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Уровень техники

Некоторые типы высокотемпературных газовых датчиков содержат керамическое основание, покрытое слоем металлического проводника электрического тока (обычно платина), являющегося источником высокой температуры. Такие датчики нагреваются электрическим проводником до температуры, превышающей температуру газа в трубопроводе, и нагретая поверхность датчика подвергается действию потока газов. Такие датчики, включая, например, датчики кислорода, NOx и массового расхода, используются, например, во впускных и выпускных трубопроводах дизельных двигателей, предназначенных для тяжелого режима работы.

Во впускных и выпускных трубопроводах двигателей внутреннего сгорания в потоке газа могут присутствовать жидкости, попавшие в него случайно. Например, в потоке газа может присутствовать сконденсировавшаяся влага при запуске двигателя или в связи с неисправностью системы охлаждения, топливо в связи с проблемами с топливными форсунками, масло из-за нарушения уплотнений или в связи с проблемами с турбонагнетателем или охлаждающая жидкость в результате нарушения уплотнения блока цилиндров или в связи с проблемами охладителя системы рециркуляции отработавших газов.

Кроме того, в современных системах обработки отработавших газов дизельных двигателей могут специально впрыскиваться жидкости в зоны систем выпуска отработавших газов, где в качестве компонентов систем обработки используются высокотемпературные газовые датчики. Во многих случаях жидкости впрыскиваются периодически в процессе нормальной работы двигателя, например, для системы селективного каталитического восстановления, снижающей уровень NOx в отработавших газах, впрыскивается мочевина, а для нагрева сажевых фильтров дизельных двигателей впрыскивается углеводородное топливо.

Если в потоке газа присутствует жидкость, то могут возникать проблемы для нагреваемого керамического основания. Когда капельки жидкости попадают на нагреваемый несущий элемент, керамика в этой зоне сразу же охлаждается до температуры жидкости, и разность температур вызывает напряжения в материале. Керамика - это достаточно хрупкий кристаллический материал, и разность температур может приводить к растрескиванию керамики, что в конечном результате может приводить к разрушению основания и нагревающего проводника.

Например, нагреваемый несущий элемент может работать при температуре 700°С. Если на элемент попадает капелька воды с температурой до 100°С, происходит местное охлаждение элемента до температуры 100°С. В результате на границе зоны контакта с жидкостью возникает перепад температур примерно 600°С, создающий температурные напряжения в керамическом основании.

Обычно система управления датчиком с нагреваемым несущим элементом определяет падение температуры и реагирует путем повышения мощности, подаваемой в электрический нагреватель. Однако повышение мощности нагрева усиливает дисбаланс температур охлажденной зоны и остальной части нагревателя, в результате чего температурные напряжения увеличиваются.

Растрескивание керамического основания может вызывать механические напряжения в металлическом электрическом нагревателе. Электрическое сопротивление части проводника, подвергающейся действию механических напряжений, может повышаться, в результате чего на поверхности нагревателя может появиться зона повышенной температуры, что может приводить к плавлению металла и разрыву цепи нагревателя.

Соответственно, существует потребность в решении проблемы отказов датчиков в результате тепловых напряжений, вызываемых контактом с жидкостью.

Один из подходов в решении этой проблемы заключается в программном управлении нагреваемым датчиком. В патенте US 7084378 раскрывается алгоритм управления циклом нагрева для предотвращения повреждений корпуса датчика. Однако программы могут действовать только после обнаружения изменения температуры.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается усовершенствованный датчик, который содержит керамическое нагреваемое основание, покрытое металлическим проводником (платина).

В настоящем изобретении предлагается использовать пассивный теплопроводный слой, обеспечиваемый электролитическим осаждением или иным способом на стороне, противолежащей высокотемпературному нагревателю, керамического основания. Теплопроводный слой, предпочтительно выполненный из металлического материала, лучше проводит тепло по сравнению с керамикой. Можно считать, что теплопроводный слой действует как средство ослабления тепловых колебаний путем поглощения и распределения тепловой энергии, в результате чего предотвращается слишком быстрый местный нагрев керамического основания, который вызывает его растрескивание. Термин "пассивный" означает в настоящем описании, что металлический слой не имеет никаких электрических соединений или контактов с источниками или поглотителями тепла, кроме контакта с керамическим основанием.

Также можно считать, что пассивный металлический слой понижает охлаждающий эффект влаги или жидкости, попадающей на основание датчика, путем передачи тепла с большой площади поверхности основания к зоне контакта с жидкостью.

Можно считать, что пассивный металлический слой распределяет тепло по керамическому основанию в продольном направлении, в результате чего предотвращается местный перегрев, приводящий к повреждению.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения керамическое основание имеет суженный (более узкий) конец, на котором размещен нагреватель, причем суженный конец имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с более широкой основной частью керамического основания. Нанесенное покрытие проходит с суженного конца на некоторую зону основной части, в результате чего улучшается распределение тепловой энергии из зоны керамического основания с меньшей массой в зону с большей массой.

Также можно считать, что металлический слой обеспечивает механическое усиление керамического основания, поддерживая его целостность и минимизируя изгибные деформации.

Пассивное металлическое покрытие может иметь криволинейную или волнистую концевую кромку на основной части керамического основания для увеличения расстояния эффективного нагрева в поперечном направлении основания.

Изобретение также может быть реализовано с основанием, имеющим цилиндрическую форму. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения цилиндрическое основание представляет собой твердый цилиндр из керамического материала с нагревателем, обеспеченным на поверхности на концевой части, и с металлическим покрытием, обеспеченным на противолежащей стороне этой концевой части.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения основание датчика представляет собой полый цилиндр с нагревателем, сформированным или осажденным на внешней поверхности концевой части, и с пассивным металлическим покрытием, обеспеченным на внутренней поверхности, противолежащей зоне, в которой расположен нагреватель. В альтернативном варианте пассивное металлическое покрытие может представлять собой сердечник в полом цилиндре.

Краткое описание чертежей

Изобретение можно будет лучше понять из нижеприведенного подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид в плане элемента датчика с нагревателем, нанесенным на первую поверхность;

на фиг.2 - вид в плане противолежащей стороны элемента датчика, показанного на фиг.1, на котором представлено пассивное металлическое покрытие по одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.3 - вид сечения цилиндрического элемента датчика по альтернативному варианту осуществления изобретения;

на фиг.4 - вид поперечного сечения второго варианта цилиндрического элемента датчика.

Осуществление изобретения

На фиг.1 и 2 показан нагреваемый несущий элемент 10 газового датчика по первому варианту осуществления изобретения. Нагреваемый несущий элемент 10 может представлять собой пластинку керамического материала, такого как корунд. Нагреваемый несущий элемент (керамическое основание) 10 имеет первую поверхность 12 и вторую поверхность 14, противолежащую первой поверхности. Нагреваемый несущий элемент 10 в рассматриваемом варианте осуществления изобретения имеет первый конец или основную часть 16 и второй суженный конец 18. Основная часть 16 шире второго конца 18, и она имеет суживающийся участок 19 перехода от широкой основной части ко второму суженному концу. Нагреваемый несущий элемент 10 может иметь и другие формы, обеспечивающие нагреваемую часть, которая может быть установлена в потоке газа.

На первой поверхности сформирован нагреватель 20. Нагреватель 20 может представлять собой резистивный пленочный элемент, такой как слой платины, нанесенный на первую поверхность 12 любым подходящим способом, таким как, например, осаждение с травлением или печать. Нагреватель 20 содержит проводники 22, 24 с клеммами 26, 28, соответственно, для подсоединения к источнику питания. Нагреватель 20 содержит нагревательный элемент 30, показанный змеевидной частью, сформированной на суженном конце 18.

Суженный конец 18 и нагревательный змеевик 30 при использовании нагреваемого несущего элемента 10 открыты для обтекающего потока газа.

На второй поверхности 14 на суженном конце 18 сформирован теплопроводный слой 40. Теплопроводный слой 40 находится напротив нагревательного элемента 30, то есть он находится на кратчайшем расстоянии от нагревательного элемента, которое определяется толщиной основания. Теплопроводный слой 40 формируется из материала с высокой теплопроводностью, предпочтительно из металла. Теплопроводный слой 40 проходит по второй поверхности 14 для покрытия по меньшей мере суженного конца 18 и некоторой зоны основной части 16.

Как это хорошо известно специалистам в данной области техники, керамика имеет низкую теплопроводность, и керамическое основание обеспечивает достаточную теплоемкость, которая может поддерживать установившуюся температуру. Теплопроводный слой 40 по настоящему изобретению обеспечивает сравнительно высокую теплопроводность, которая обеспечивает быстрое распределение тепла по керамическому основанию в зоне контакта. Теплопроводный слой 40 является пассивным элементом, то есть он не соединен с внешним источником тепла или с теплоотводящим элементом.

В соответствии с настоящим изобретением теплопроводный слой 40 заходит на основную часть 16 керамического основания для обеспечения передачи тепла между суженым концом 18 и основной частью 16. Кромка теплопроводного слоя 40 на основной части 16 проходит по извилистой или дугообразной линии для обеспечения увеличенной длины на этой основной части.

При проведении испытаний датчик с нагреваемым керамическим основанием по настоящему изобретению показал улучшение срока службы на 444% по сравнению с основанием, не имеющим теплопроводного слоя.

В соответствии с альтернативным вариантом, представленным на фиг.3, нагреваемое керамическое основание по настоящему изобретению может быть сформировано так же, как цилиндрическое тело 100. На фиг.3 показан несущий элемент, имеющий в сечении эллиптическую форму. Элемент может иметь в сечении круглую форму. Несущий элемент 100 имеет нагреватель 120, сформированный на первой поверхности 112 основания, и теплопроводный слой 140 на противолежащей стороне 114.

На фиг.4 показан еще один вариант, в котором полый элемент 200 имеет цилиндрическую форму. В соответствии с этим вариантом на внешней поверхности 212 основания элемента 200 обеспечивается нагреватель 220, а на внутренней поверхности 214 основания напротив нагревателя обеспечивается теплопроводный слой 240. В другом варианте теплопроводный слой может быть сформирован как металлический сердечник.

Варианты, представленные на фиг.3 и 4, могут включать другие признаки, описанные со ссылками на фиг.1 и 2, включая основание с суженым концом и нагреватель, сформированный на первой поверхности суженного конца.

Изобретение описано в заявке на примерах предпочтительных вариантов и используемых компонентов, однако специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны некоторые замены без выхода за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой.

1. Нагреваемый несущий элемент для газового датчика, содержащий:
керамическое основание, выполненное как пластина, имеющая первую поверхность и вторую поверхность на стороне, противолежащей первой поверхности;
нагреватель, сформированный на первой поверхности; и
пассивный теплопроводный слой, сформированный на второй поверхности.

2. Нагреваемый несущий элемент по п. 1, в котором керамическое основание имеет прямоугольную основную часть, суживающийся переходный участок и концевой участок, отходящий от переходного участка, причем концевой участок уже основной части, и нагреватель сформирован на первой поверхности на концевом участке, а теплопроводный слой сформирован на второй поверхности на концевом участке.

3. Нагреваемый несущий элемент по п. 2, в котором теплопроводный слой сформирован на второй поверхности на концевом участке, на переходном участке и участке основной части.

4. Нагреваемый несущий элемент по п. 1, в котором нагреватель представляет собой тонкопленочный резистивный нагреватель.

5. Нагреваемый несущий элемент по п. 1, в котором теплопроводный слой сформирован из металла.

6. Нагреваемый несущий элемент по п. 1, в котором теплопроводный слой проходит в продольном направлении по второй поверхности по меньшей мере на такое расстояние, на которое нагреватель проходит в продольном направлении по первой поверхности.

7. Нагреваемый несущий элемент по п. 1, в котором керамическое основание имеет первый концевой участок и второй концевой участок, и теплопроводный слой проходит от первого концевого участка до второго концевого участка, и кромка теплопроводного слоя на втором концевом участке имеет криволинейную форму.

8. Нагреваемый несущий элемент по п. 1, в котором керамическое основание сформировано в виде цилиндра, причем первая поверхность и вторая поверхность расположены радиально напротив друг друга.

9. Нагреваемый несущий элемент для газового датчика, содержащий:
керамическое основание, имеющее первую поверхность и вторую поверхность, противолежащую первой поверхности;
нагреватель, сформированный на первой поверхности; и
пассивный теплопроводный слой, сформированный на второй поверхности,
причем керамическое основание имеет форму полого цилиндра, и первая поверхность является внешней поверхностью полого цилиндра, а вторая поверхность является внутренней поверхностью полого цилиндра.

10. Нагреваемый несущий элемент по п. 9, в котором пассивный теплопроводный слой представляет собой сердечник из металлического материала в полом цилиндре.

11. Нагреваемый несущий элемент по п. 9, в котором нагреватель представляет собой тонкопленочный резистивный нагреватель.

12. Нагреваемый несущий элемент по п. 9, в котором теплопроводный слой сформирован из металла.

13. Нагреваемый несущий элемент по п. 9, в котором теплопроводный слой проходит в продольном направлении по второй поверхности по меньшей мере на такое расстояние, на которое нагреватель проходит в продольном направлении по первой поверхности.