[发明专利]用于气液混合环境的受热传感器元件

说明书

背景技术

一些高温气体传感器包括陶瓷衬底元件，该陶瓷衬底元件镀有作为高温热源的金属导电体(通常是铂)。这些传感器被该导电体加热到比管道中的气体温度高的温度，并且所述传感器的受热区域暴露于气流中。这些传感器(包括氧气传感器、氮氧化物传感器、质量流量传感器及其他的专用传感器)例如用在重型柴油机的进气管道和排气管道中。

在内燃机的进气管道和排气管道中，气流中可能意外地存在有液体。例如，在起动期间或由于冷却剂的问题而可能存在由冷凝的湿气形成的水、由于燃料喷射器的问题而泄漏的发动机燃料、由于发动机密封或涡轮增压器的问题而泄漏的发动机机油，或者由于气缸密封或排气再循环冷却器的问题而泄漏的冷却剂。

在目前的柴油机排气处理系统中，将液体在如下区域有意地注入到排气系统中，高温气体传感器作为该处理系统的一部分用在该区域处。很多情况下，在发动机的常规使用期间定期注入液体，例如，注入尿素以用于减少NOx的选择性催化还原系统，以及，注入碳氢化合物燃料以用于加热柴油微粒过滤器系统。

如果气流中存在有液体，那么，受热的陶瓷衬底元件可能存在问题。当液滴接触该受热的元件时，位于接触区域处的陶瓷衬底被立即冷却到该液体的温度，并且该温差导致此材料中产生应力。陶瓷材料呈晶体状且具有脆性，该温差可以导致陶瓷破裂，这最终导致所述衬底元件和加热导体的故障。

例如，受热衬底元件可能运行在700℃。如果水滴(它是最高为100℃的液体)落到该元件上，该元件的局部区域将被冷却到100℃。该液体接触区域的边界两侧的温差约为600℃，从而在该陶瓷衬底中产生温差应力。

典型地，用于该受热衬底传感器的控制系统检测温度的降低并通过向加热器供应更多的电力来进行响应。然而，增加额外的电力会增大该冷点与加热器的其余部分之间的温度不均衡，从而会使温差应力扩大。

陶瓷衬底中的裂缝可能在所述金属电加热器导体中产生应变。该导体的处于应变下的部分的电阻可能会增大，这可能导致在该加热器导体中产生温度过热点，从而会使金属融化并使加热器电路断开。

因此，解决传感器中的液体接触热应力故障的问题是非常重要的。

此问题的一种解决方案是对受热传感器进行软件控制。美国专利No.7,084,378公开了一种算法，用于控制加热周期来防止传感器本体的故障。然而，该软件仅在检测到温度变化之后才能作出响应。

发明内容

本发明涉及如下传感器的改进：该传感器包括镀有金属(铂)导体的陶瓷加热器衬底。

本发明提出了在陶瓷衬底上的高温加热器的两个相反侧通过电镀或其他方式来提供被动式导热层。该导热层是比陶瓷更好的传热导体，优选为金属材料。该导热层被视为用来吸收和分散热能的热阻尼器，以防止陶瓷衬底的过快加热而导致该衬底破裂。“被动式”是指：除了与陶瓷衬底接触之外，该金属层不具有电连接且没有热源或散热器连接。

该被动式金属层也被认为能够通过将该衬底的更大区域上的热量传递到液体接触区域来减轻与传感器衬底接触的湿气或液体的冷却效应。

该被动式金属层被认为能够纵向地分散该陶瓷衬底的热量，这有助于防止部位过热而进入故障模式。

根据本发明的一个实施例，该陶瓷衬底形成有末端和基部，该末端上布置有加热元件，该末端是横截面较窄、较小的区域，而所述基部是横截面较宽、较大的区域。所述镀层从该末端延伸到所述基部的一部分上，这便于将热能从衬底的较小面积散布到较大面积。

该金属层也被认为能够用于机械地加强该陶瓷衬底、保持衬底的完整性并使其屈曲最小化。

该被动式金属覆层可以在基部端形成有弯曲或波浪状的末端边缘线，以便增加该衬底的横向方向上的有效散热距离。

本发明也可以实施在圆柱形的衬底中。根据一个实施例，该圆柱形衬底是陶瓷材料的实心圆柱体，在一个端部处的表面上设有加热元件，并在该同一端部的相反侧设有被动式金属覆层。

根据另一个实施例，传感器衬底被形成为空心圆柱体，在一个端部处的外表面上形成或布置有加热元件，并在与加热元件的位置相反的内表面上设有被动式金属涂层。替代地，该被动式金属覆层也可以包括位于所述空心圆柱体中的金属芯。

附图说明

通过参考以下详细描述并结合附图来阅读，将能更好地理解本发明，在附图中：

图1示出了传感器衬底元件的平面图，该传感器衬底元件的第一表面上被施加有加热元件；