DE102007015476A1

DE102007015476A1 - Druckübertragungsmedium und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102007015476A1
Application number: DE102007015476A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckübertragungsmedium (6). Die Aufgabe, eine präzise und zuverlässige Druckübertragung auch bei auftretenden Temperaturänderungen zu ermöglichen, wird dadurch gelöst, dass das Druckübertragungsmedium (6) aus einer mindestens eine Flüssigkeit und mindestens einen Festkörper aufweisenden Mischung besteht. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Druckübertragungsmediums (6) und eine Drucksensoreinrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckübertragungsmedium und ein Verfahren zum Herstellen eines Druckübertragungsmediums. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Drucksensoreinrichtung. Die Drucksensoreinrichtung weist insbesondere einen Raum auf, in den ein Druckübertragungsmedium eingebracht ist, der teilweise von einem Gehäuse umschlossen ist, der in einem ersten Bereich von einer ersten Membran begrenzt ist, die einerseits mit dem Druckübertragungsmedium und andererseits mit einem Arbeitsmedium in Kontakt steht, wobei ein Sensorelement vorgesehen ist, das den Druck des Druckübertragungsmediums erfasst.
Bei derartigen Drucksensoreinrichtungen handelt es sich beispielsweise um Mitteldrucksensoren. Die Drucksensoreinrichtungen können für Hydrauliksysteme, Bremssysteme, Druckölschmiersysteme, Luftmassenmesser usw. eingesetzt werden. Auch ist es möglich die Drucksensoreinrichtungen zum Erfassen des Kraftstoffdrucks in einer Kraftstoffversorgung einer Dieselbrennkraftmaschine einzusetzen, wo Drücke bis über 2000 bar zu erfassen sind. Die Einrichtung kann auch zum Erfassen des Druckes des Kühlmittels einer Klimaanlage eingesetzt werden.
Es existiert eine Vielzahl von verschiedenen Drucksensorkonzepten, beispielsweise solche, die Membranen zur Medientrennung verwenden und einen zu messenden Druck über die Membran auf einen Drucksensor übertragen. Dieses Konzept erfordert eine Membran mit möglichst geringer Steifigkeit, was grundsätzlich kein Problem darstellt, da die Membran selbst keiner sonstigen Belastung ausgesetzt ist. Eine Ausdehnung oder Schwindung des Übertragungsmediums bewirkt keine Druckänderung am Sensor.
Derartige Drucksensoreinrichtungen erfordern allerdings teure Sensoren, teure Medientrennungen und teure druckdichte elektrische Durchführungen nach außen. Insbesondere sind zur Messung hoher Drücke entsprechend aufwendige und teure Drucksensoren erforderlich.
Aus der DE 100 06 657 A1 ist eine Drucksensoreinrichtung bekannt mit einem Raum, in den ein Druckübertragungsmedium eingebracht ist, der teilweise von einem Gehäuse umschlossen ist, der in einem ersten Bereich von einer ersten Membran begrenzt ist, die einerseits mit dem Druckübertragungsmedium und andererseits mit einem Arbeitsmedium in Kontakt steht, der in einem zweiten Bereich von einer zweiten Membran begrenzt ist, die einerseits mit dem Druckübertragungsmedium in Kontakt steht, wobei die zweite Membran so ausgebildet ist, dass der Druck im Arbeitsmedium in einen niedrigeren Druck im Druckübertragungsmedium transformiert wird, und ein Sensorelement vorgesehen ist, das den Druck des Fluids erfasst.
Die bekannte Drucksensoreinrichtung untersetzt einen zu messenden hohen Druck des Arbeitsmediums in einen niedrigeren Druck des Druckübertragungsmediums. Dieser untersetzte Druck des Druckübertragungsmediums wird von dem Sensorelement erfasst. Auf diese Weise ist es möglich, mit einem kostengünstigen Sensor zum Messen kleinerer Drücke einen höheren Druck des Arbeitsmediums zu messen. Als Druckübertragungsmedium wird dabei insbesondere ein Öl eingesetzt.
Trotz der genannten Vorteile der bekannten Drucksensoreinrichtung besteht das Problem, dass das für die Druckübertragung eingesetzte Medium (z. B. Öl) bei Temperaturänderungen sein Volumen stark verändert. Eine Ausdehnung bei einer Temperaturerhöhung bewirkt dabei ein Drucksignal am Sensorelement, das die Messung verfälscht. Das durch die Ausdehnung erzeugte Drucksignal ist bei den in der Praxis auftretenden Temperaturschwankungen oftmals größer, insbesondere ein Mehrfaches des tatsächlich zu messenden Drucks. Daher lässt sich das durch die Ausdehnung erzeugte Drucksignal nicht anhand einer Temperaturmessung rechnerisch nachträglich im Rahmen einer Kalibrierung eliminieren.
Ausgehend von dem voran erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Druckübertragungsmedium sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Druckübertragung in definierter und zuverlässiger Weise auch bei Temperaturänderungen möglich ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drucksensoreinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine Druckmessung in definierter und zuverlässiger Weise auch bei Temperaturänderungen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche 1, 13 und 25 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Druckübertragungsmedium besteht aus einer mindestens eine Flüssigkeit und mindestens einen Festkörper aufweisenden Mischung. Entsprechend wird das Druckübertragungsmedium durch Mischen mindestens einer Flüssigkeit und mindestens eines Festkörpers hergestellt.
Um Druck definiert zu transformieren, ist ein Druckübertragungsmedium erforderlich, das sein Volumen weder durch Temperatur, Druck noch Alterung usw. wesentlich ändert. Außerdem sollten auch die das Medium einschließenden Wände derartige Eigenschaften besitzen. Eine Volumenänderung durch eine Temperaturänderung ist zulässig, wenn sie klein und langzeitstabil ist. Insbesondere, wenn das durch eine thermische Volumenänderung erzeugte Drucksignal klein ist gegenüber dem zu messenden Drucksignal, kann das durch die Volumenänderung erzeugte Drucksignal nachträglich rechnerisch anhand einer Temperaturmessung korrigiert werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Mischung eines Festkörpers und einer Flüssigkeit der aufgrund von Temperaturänderungen entstehende Volumenänderungsfehler soweit reduziert werden kann, dass dieser nachträglich rechnerisch korrigiert werden kann. Während Flüssigkeiten eine höhere thermische Ausdehnung als Festkörper aufweisen, können mit Festkörpern grundsätzlich zwar Kräfte, aber keine Drücke übertragen werden. Die aufgrund einer thermischen Volumendehnung auftretenden Messfehler sind bei einem flüssigen Medium als Druckübertragungsmedium proportional zum Volumen. Ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen wird jedoch benötigt, um einen zu messenden Druck durch das Druckübertragungsmedium zuverlässig zu übertragen. Indem der Festkörperanteil an der Mischung so hoch gewählt wird, dass der Druck im Wesentlichen gerade noch durch den verbleibenden Flüssigkeitsanteil übertragen werden kann, lässt sich somit eine weitgehende Reduzierung der Ausdehnungseffekte erreichen.
Bei einer geeigneten Wahl der Mischungskomponenten und Mischungsanteile von Festkörpern und Flüssigkeiten bleibt die druckübertragende Eigenschaft der Flüssigkeit also erhalten, während sich gleichzeitig die thermische Ausdehnung (räumlicher Temperaturkoeffizient) der Mischung minimieren lässt. Mit dem Druckübertragungsmedium sind somit auch geringe Drücke exakt definiert übertragbar.
Neben der thermischen Ausdehnung wirkt sich auch die Kompressibilität der zur Druckübertragung eingesetzten Flüssigkeit, beispielsweise eines Öls, unvorteilhaft auf die Messung aus. Dieser nachteilige Einfluss der Kompressibilität der Flüssigkeit wird ebenfalls durch den in die Mischung gegebenen Festkörper verringert, so dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung weiter gesteigert wird.
Die Mischung besteht dabei im Wesentlichen nur aus flüssigen und festen Bestandteilen. Sie kann beispielsweise eine breiartige Konsistenz bilden. Indem in der Mischung insbesondere kein Gas enthalten ist, wird sichergestellt, dass die üblicherweise starke thermisch bedingte Volumenänderung von Gasen die Messung nicht beeinträchtigt. Außerdem stellt die Flüssigkeit in der Mischung sicher, dass zwischen einzelnen Festkörperpartikeln keine schädliche Reibung oder Abnutzung auftritt. Eine solche würde kein zuverlässiges und stabiles Messergebnis ermöglichen. Bei dem Festkörper handelt es sich insbesondere um einen Feststoff, der bei dem im Betrieb des Druckübertragungsmediums auftretenden Temperaturen einen festen Aggregatzustand besitzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Festkörper in Form einer Vielzahl von Partikeln vor. Der Festkörper wird gemäß dieser Ausgestaltung also in Form einer Vielzahl von Partikeln in die Mischung gegeben. Mit einer Vielzahl von Festkörperpartikeln in der Mischung lässt sich eine besonders gleichmäßige Füllung eines für das Druckübertragungsmedium vorgesehenen Raums erreichen. Die Druckübertragung kann dann besonders gleichmäßig und zuverlässig erfolgen. Die Partikel sind insbesondere von der Flüssigkeit umgeben. Es kann dabei eine Art Brei aus Festkörperpartikeln und Flüssigkeit gebildet werden.
Die Partikel können beispielsweise kugelförmig ausgebildet sein. Dadurch ist eine noch gleichmäßigere Füllung möglich. Ein Verhaken der Partikel und ein dadurch auftretender Messfehler kann sicher vermieden werden.
Sofern der Festkörper nicht kugelförmig vorliegt, kann der Flüssigkeitsanteil an der Mischung entsprechend erhöht werden und/oder die Schmiereigenschaft der Flüssigkeit verbessert werden, um dennoch eine gleichmäßige Druckübertragung zu ermöglichen und ein Verhaken der Partikel zu vermeiden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung können die Partikel unterschiedlich groß sein. Mit Kugeln gleichen Durchmessers kann man nur ca. 50% eines vorgegebenen Volumens füllen. Mit einem geeigneten Spektrum an Partikelgrößen kann man theoretisch hingegen praktisch das gesamte Volumen füllen.
Die Partikel besitzen gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung einen maximalen Durchmesser von 80 μm, vorzugsweise von 30 μm. Der maximale Durchmesser bezeichnet dabei den über das Verteilungsspektrum der Partikelgrößen auftretenden maximalen Partikeldurchmesser. Beispielsweise wenn die Partikel in unterschiedlicher Größe vorliegen, können sie einen mittleren Durchmesser von höchstens 20 μm, vorzugsweise höchstens 10 μm besitzen. So kann der mittlere Durchmesser beispielsweise 9 μm betragen. Der mittlere Partikeldurchmesser bezeichnet den durchschnittlichen Partikeldurchmesser über das Verteilungsspektrum der Partikelgrößen. Mit solchen Partikelgrößen lassen sich Mischungen herstellen, die eine besonders genaue, zuverlässige und temperaturunabhängige Druckmessung ermöglichen. Dabei werden die druckübertragenden Eigenschaften der Flüssigkeit gewahrt und es lässt sich eine für den erfindungsgemäßen Zweck besonders günstige Konsistenz der Mischung erreichen.
Anbieter geeigneter Festkörper sind beispielsweise die Quarzwerke GmbH oder die Firma Denko.
Als Festkörper kann insbesondere ein keramischer Werkstoff, ein glaskeramischer Werkstoff oder ein Glaswerkstoff verwendet werden. Derartige Werkstoffe weisen eine besonders geringe Temperaturdehnung auf und eignen sich daher für den vorliegenden Zweck besonders gut. Der keramische Werkstoff ist vorzugsweise eine Glaskeramik. Es kann beispielsweise die Alumino-Lithio-Silikat-Glaskeramik β-Eukryptit eingesetzt werden, die ein kristalliner Bestandteil von CERAN-Kochfeldern ist. Solche Festkörper verdanken ihre Temperaturfestigkeit der geringen thermischen Dehnung. β-Eukryptit weist fast keine Volumenänderung bei einer Temperaturänderung auf, da es in einer Kristallrichtung mit steigender Tempera tur doppelt so stark schrumpft, wie es sich in den anderen Richtungen ausdehnt. Natürlich sind auch andere Stoffe denkbar, bevorzugt solche mit einer geringen Temperaturdehnung.
Auch an die Flüssigkeit werden hohe Anforderungen gestellt. Vor allem sollte sie eine möglichst geringe Temperaturdehnung aufweisen und weitgehend inkompressibel sein. Trotzdem sind grundsätzlich auch definiert kompressible Flüssigkeiten denkbar, diese haben jedoch in der Regel auch eine höhere Temperaturdehnung. Als Flüssigkeit für die Mischung hat sich in der Praxis insbesondere Öl bewährt. Neben den hervorragenden druckübertragenden Eigenschaften von Öl sorgt dieses auch für eine ausreichende Schmierung des Festkörpers.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass neben beispielsweise einem keramischen Festkörper und dem Öl noch weitere Festkörper und/oder Flüssigkeiten in der Mischung enthalten sind.
Bevorzugt beträgt der Volumenanteil des Festkörpers an der Mischung mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80%. Der übrige Volumenanteil wird durch die Flüssigkeit gebildet. Mit derartigen Mischungsverhältnissen zwischen Festkörper und Flüssigkeit kann die Druckübertragung durch die Flüssigkeit sicher gewährleistet werden und gleichzeitig eine temperaturbedingte Volumenänderung des Druckübertragungsmediums ausreichend vermieden werden. Wenn man theoretisch 96% des Volumens des Druckübertragungsmediums mit einem Festkörper, wie beispielsweise β-Eukryptit, und die restlichen 4% mit einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, füllt, verschwindet die temperaturbedingte Volumenänderung im Wesentlichen vollständig.
Um zu verhindern, dass durch Gase, die im Feststoff oder der Flüssigkeit gelöst sind, die Druckmessung verfälscht wird, kann eine Einrichtung zum Anlegen eines Unterdrucks an die Mischungskomponenten und/oder die Mischung vorgesehen sein, um in der Flüssigkeit oder dem Festkörper gelöste Gase zu entfernen. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann vor und/oder bei dem und/oder nach dem Herstellen der Mischung ein Unterdruck an die Mischungskomponenten bzw. die Mischung angelegt werden, um in der Flüssigkeit oder dem Festkörper gelöste Gase zu entfernen. Dabei wird bevorzugt ein Vakuum angelegt. Mit dieser Einrichtung kann also eine Evakuierung durchgeführt werden, um etwaige in der Flüssigkeit oder dem Festkörper gelöste Gase aus der Mischung zu entfernen. Der Unterdruck kann an die bereits hergestellte Mischung angelegt werden. In vorteilhafter Weise wird der Unterdruck aber bereits vor dem Mischvorgang und/oder während des Mischvorgangs angelegt, damit gegebenenfalls vorhandene Gase bereits im Zuge des Mischvorgangs sicher entfernt werden. Nach dem Herstellen der Mischung ist das Entfernen von Gasen durch einen Unterdruck in der Regel nur noch schwierig möglich.
Um eine Verfälschung des Messergebnisses durch eine Diffusion der Flüssigkeit in den Festkörper zu vermeiden, kann weiterhin eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Mischung mit einem Überdruck, also einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks, vorgesehen sein. Entsprechend kann die Mischung mit einem Überdruck beaufschlagt werden, um eine Diffusion der Flüssigkeit in den Festkörper zu begünstigen. Gemäß dieser Ausgestaltung wird also durch einen von außen angelegten Druck gezielt der Diffusionsvorgang begünstigt. Der Druck kann dabei eine derartige Größe aufweisen und so lange angelegt werden, bis der Diffusionsvorgang im Wesentlichen vollständig abgeschlossen ist. Bei anschließenden Messungen ist dann keine Verfälschung des Messergebnisses aufgrund von Diffusion mehr zu erwarten. Dabei ist es bevorzugt, als Überdruck ein Mehrfaches des späteren Betriebsdrucks anzulegen, um sicherzustellen, dass es im späteren Betrieb nicht mehr zu einem unerwünschten Diffusionsvorgang kommt. Der anzulegende Überdruck hängt also von dem zu erwartenden Betriebsdruck ab. Beispielsweise ölgekapselte Sensoren werden bis zu Drücken von 2000 bar vorgesehen.
Sofern sowohl eine Überdruckbeaufschlagung erfolgt als auch ein Evakuieren, ist es bevorzugt, zuerst zu evakuieren um eventuelle Gase aus der Mischung zu entfernen und anschließend einen Überdruck anzulegen, um den Diffusionsvorgang zu begünstigen.
Um zu vermeiden, dass das Gemisch aus Festkörper und Flüssigkeit klumpt oder sedimentiert, kann die Mischung zusätzlich einen Emulgator aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Mischung im kritischen Punkt der Flüssigkeit hergestellt werden oder die Flüssigkeit beim Herstellen der Mischung aus der Gasphase kondensiert werden. Dazu kann eine entsprechende Einrichtung vorgesehen sein. Auf diese Weise wird verhindert, dass es aufgrund von auftretenden Oberflächenspannungen nicht zu einer vollständigen, hohlraumfreien Mischung von Festkörper und Flüssigkeit kommt.
Das erfindungsgemäße Druckübertragungsmedium muss nicht zur Druckmessung eingesetzt werden. Vielmehr kann es bei allen Vorgängen zum Einsatz kommen, die eine exakt definierte und insbesondere temperaturunabhängige Wegübertragung, beispielsweise über eine Hydraulik erfordern. So sind zum Beispiel entsprechende Vorrichtungen mit Kolben, Membranen etc. denkbar. Selbstverständlich ist eine Vielzahl weiterer Anwendungen denkbar.
In besonders bevorzugter Weise wird das Druckübertragungsmedium jedoch in Drucksensoren eingesetzt. Es kann insbesondere eine Drucksensoreinrichtung vorgesehen sein, die das erfindungsgemäße Druckübertragungsmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, vorzugsweise hergestellt nach einem der Ansprüche 13 bis 24. Auch bei einer Messung geringer Drücke ist mit dem Druckübertragungsmedium dann eine zuverlässige und exakt definierte Druckmessung möglich.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird entsprechend weiterhin durch eine Drucksensoreinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sie ein in der erfindungsgemäßen Weise ausgestaltetes Druckübertragungsmedium aufweist.
Der Raum der Drucksensoreinrichtung wird im Wesentlichen vollständig mit dem Druckübertragungsmedium gefüllt. Sofern das Druckübertragungsmedium eine Flüssigkeit von definierter Kompressibilität aufweist, ist mit der Drucksensoreinrichtung auch mit nur einer ersten Membran bereits eine Druckuntersetzung möglich. Da kompressible Flüssigkeiten aber in der Regel eine höhere Temperaturdehnung aufweisen, ist der Einsatz einer im Wesentlichen nicht kompressiblen Flüssigkeit bevorzugt.
Um auch mit einer solchen Flüssigkeit eine Transformierung eines zu messenden Drucks zu ermöglichen, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Drucksensoreinrichtung vor, dass der Raum in einem zweiten Bereich von einer zweiten Membran begrenzt ist, die mit dem Druckübertragungsmedium in Kontakt steht, wobei die zweite Membran so ausgebildet ist, dass der Druck im Arbeitsmedium in einen niedrigeren Druck im Druckübertragungsmedium transformiert wird. Entsprechend kann auch zum Messen hoher Drücke des Arbeitsmediums ein kostengünstig verfügbares Sensorelement zum Messen geringer Drücke des Druckübertragungsmediums eingesetzt werden. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Membran können also dieselben Niederdrucksensoren praktisch für die Messung beliebiger Drücke eingesetzt werden. So können beispielsweise auch für sehr hohe Druckbereiche des Arbeitsmediums, die z. B. im Bereich von 2000 bar liegen, kostengünstige Sensorelemente eingesetzt werden, deren Druckmessbereich beispielsweise im Bereich von nur 100 bar liegt.
Die Transformation des Drucks im Arbeitsmedium in einen niedrigeren Druck im Druckübertragungsmedium kann beispielsweise erreicht werden, indem die zweite Membran eine kleinere Fe derkonstante hat als die erste Membran. Alternativ oder zusätzlich kann das Elastizitätsmodul der zweiten Membran kleiner sein als das der ersten Membran oder die erste Membran kann dicker sein als die zweite Membran.
Sofern ein Anlegen eines Unterdrucks an das Druckübertragungsmedium oder ein Beaufschlagen des Druckübertragungsmediums mit einem Überdruck erfolgt, kann dies insbesondere in dem Raum der Drucksensoreinrichtung erfolgen. Dazu kann eine entsprechende Einrichtung zum Anlegen eines Unterdrucks oder zum Beaufschlagen mit einem Überdruck vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Drucksensoreinrichtung kann das Sensorelement in einem Kunststoffteil des Gehäuses angeordnet sein. Aufgrund der Druckuntersetzung ist das Sensorelement nicht den hohen Drücken des Arbeitsmediums ausgesetzt. Entsprechend muss auch der das Sensorelement tragende Gehäuseteil nur diesen geringeren Drücken standhalten und kann daher kostengünstig aus einem Kunststoffwerkstoff gefertigt sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Drucksensoreinrichtung kann ein zweiter Raum vorgesehen sein, der durch mindestens ein Gehäuseteil und von der zweiten Membran begrenzt ist. In dem zweiten Raum kann beispielsweise ein Vakuum herrschen oder zumindest ein Unterdruck, also ein Druck unterhalb des Umgebungsluftdrucks. Die zweite Membran kann dann so ausgebildet sein, dass der Druck des Arbeitsmediums in dem Druckübertragungsmedium in einen Druckbereich um den Umgebungsdruck, also im Bereich um 1 bar, transformiert wird. Es ist dann möglich, als Sensorelement ein Drucksensorelement einzusetzen, das z. B. zum Erfassen des Drucks in einem Saugrohr einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Derartige Sensorelemente sind in hohen Stückzahlen und somit kostengünstig verfügbar.
Das in der erfindungsgemäßen Drucksensoreinrichtung vorgesehene Druckübertragungsmedium kann insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Druckübertragungsmediums hergestellt sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1: eine erfindungsgemäße Drucksensoreinrichtung in einer Schnittansicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2: eine erfindungsgemäße Drucksensoreinrichtung in einer Schnittansicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In den 1 und 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
Die Drucksensoreinrichtung umfasst ein Gehäuse 1 und einen Raum 2, der teilweise von dem Gehäuse 1 umschlossen ist. In den Raum 2 ist ein Druckübertragungsmedium 6 eingebracht. Das Druckübertragungsmedium 6 besteht aus einer Mischung aus einer Flüssigkeit und einem Festkörper. Bei der Flüssigkeit handelt es sich um ein Öl. Der Festkörper, der vorliegend in Form einer Vielzahl von kugelförmigen Partikeln unterschiedlicher Größe vorliegt, besteht im dargestellten Beispiel aus β-Eukryptit. Im dargestellten Beispiel besitzen die Partikel einen mittleren Durchmesser von 9 μm und einen maximalen Durchmesser von 30 μm. Die Mischung hat eine breiartige Konsistenz. Der Volumenanteil des Festkörpers an der Mischung beträgt in dem dargestellten Beispiel mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80%.
Um das Druckübertragungsmedium 6 zu entgasen, ist mittels einer nicht näher dargestellten Einrichtung beim Herstellen der das Druckübertragungsmedium 6 bildenden Mischung ein Unterdruck an die Mischungskomponenten angelegt worden. Das Druckübertragungsmedium 6 ist ebenfalls unter Vakuum in den Raum 2 eingebracht worden. Der Raum 2 ist mit einer Stahlkugel 7 verschlossen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Kompressibilität des Druckübertragungsmediums 6 und insbesondere des Öls gering ist.
Der Raum 2 ist in einem ersten Bereich von einer ersten Membran 3 begrenzt, die einerseits mit dem Druckübertragungsmedium 6 und andererseits mit einem Arbeitsmedium 4 in Kontakt steht, dessen Druck mit der Einrichtung bestimmt werden soll.
Die Drucksensoreinrichtung umfasst weiterhin ein Gehäuseteil 8, in dem ein Sensorelement 10 angeordnet ist. Das Sensorelement 10 ist zum Erfassen von Drücken ausgebildet. Ferner umfasst das Gehäuseteil 8 ein Steckerteil 11, in dem elektrische Steckkontakte ausgebildet sind. Das Gehäuseteil 8 ist aus Metall oder vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet. Das Material des Gehäuseteils 8 muss dabei so ausgebildet sein, dass es beispielsweise Drücken von 200 bis 300 bar standhält.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Raum 2 ferner in einem zweiten Bereich von einer zweiten Membran 5 begrenzt, die einerseits mit dem Druckübertragungsmedium 6 und andererseits mit dem die Drucksensoreinrichtung umgebenden Medium, z. B. der Umgebungsluft in Kontakt steht. Dazu ist vorzugsweise in das Gehäuseteil 8 eine Druckausgleichsbohrung 12 eingebracht. Die zweite Membran 5 hat vorteilhaft eine kleinere Federkonstante als die erste Membran 3. Dadurch ist gewährleistet, dass der Druck im Arbeitsmedium 4 in dem Druckübertragungsmedium 6 in einen niedrigeren Druck transformiert wird. Die Federkonstanten der ersten und zweiten Membran 3, 5 sind dabei jeweils geeignet so dimensioniert, dass der im Arbeitsmedium 4 zu erfassende Druckbereich in einen Druckbereich in dem Druckübertragungsmedium 6 transformiert wird, der im Druckmessbereich des Sensorelementes 10 liegt (beispielsweise zwischen 50 und 150 bar). Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Membran 5 zu diesem Zweck ein kleineres Elastizitätsmodul aufweisen als die erste Membran 3 oder die erste Membran 3 kann eine größere Dicke besitzen als die zweite Membran 5.
Die in dem Beispiel dargestellte Drucksensoreinrichtung wird bevorzugt eingesetzt zum Erfassen eines Kraftstoffdrucks, der in einer Kraftstoffverteilerleiste 16 herrscht, die häufig bei Dieselmotoren auch als Common-Rail bezeichnet wird. In diesem Fall ist dann das Arbeitsmedium der Kraftstoff in dem Common-Rail. Eine Hochdruckdichtung 14 ist zwischen der Verteilerleiste 16 und dem Gehäuse 1 vorgesehen. Selbstverständlich können mit der Drucksensoreinrichtung auch andere Drücke gemessen werden, beispielsweise in Hydrauliksystemen, Bremssystemen oder Druckölschmiersystemen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Drucksensoreinrichtung zeigt 2. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 weist die Drucksensoreinrichtung einen Deckel 20 auf, der auch alternativ Teil des Gehäuseteils 8 sein kann. Der Deckel 20 ist vorzugsweise steif und hat ein hohes Elastizitätsmodul, so dass er sich auch bei Druckschwankungen im Bereich von ±1/2 bar nur unwesentlich verbiegt.
Der Deckel 20 begrenzt in einem Bereich einen weiteren Raum 18, der in einem anderen Bereich durch die zweite Membran 5 begrenzt wird. Der Deckel 10 ist vorzugsweise dauerhaft durch eine Schweißverbindung an dem Gehäuse 1 befestigt.
Im Inneren des Raums 18 kann ein Vakuum herrschen oder ein kompressibles Medium eingebracht sein, das vorzugsweise bei einer vorgegebenen Temperatur – z. B. 20°C – und einem vorgegebenen Druck im Arbeitsmedium – z. B. 1 bar – einen Druck von unter 1 bar, also unter dem Umgebungsluftdruck hat.
Die zweite Membran 5 kann dann so ausgebildet sein, dass der zu erfassende Druck im Arbeitsmedium 4 in dem Fluid in dem Raum 2 in einen Druckbereich um den Umgebungsdruck, also im Bereich um 1 bar, transformiert werden. Dies hat den Vorteil, dass als Sensorelement 10 ein Drucksensorelement eingesetzt werden kann, das z. B. auch zum Erfassen des Drucks in einem Saugrohr einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird und somit in hohen Stückzahlen und kostengünstig verfügbar ist.
Das Medium, das in dem weiteren Raum 18 eingeschlossen ist, wird nur vernachlässigbar durch Schwankungen des Umgebungsdrucks beeinflusst, da der Deckel 20 entsprechend steif ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass derartige Druckschwankungen, wie beispielsweise bei Fahrten in Bergregionen mit einem Kraftfahrzeug eine bedeutsame Rolle spielen können, zu keinem Messfehler an dem Sensorelement 10 führen. Ferner hat diese Ausführungsform der Drucksensoreinrichtung den Vorteil, dass das Gehäuseteil 8 aus Kunststoff ausgeführt werden kann ohne dass dieses für die Belastung mit hohen Drücken geeignet sein muss. Alternativ kann auch das Gehäuse 1 oder das Gehäuseteil 8 so ausgebildet sein, dass durch es der Deckel 20 ausgebildet ist.
Das in der Drucksensoreinrichtung nach den 1 und 2 eingesetzte Druckübertragungsmedium 6 ermöglicht eine exakt definierte und zuverlässige Druckübertragung ohne bei einer Temperaturänderung eine für die Messung kritische Volumenänderung zu zeigen. Insbesondere besitzt das erfindungsgemäße Druckübertragungsmedium 6 nur eine geringe thermisch bedingte Volumenänderung. Das durch diese Volumenänderung erzeugte Drucksignal am Sensorelement 10 ist deutlich geringer als der in das Druckübertragungsmedium 6 untersetzte, von dem Sensorelement 10 gemessene Druck. Indem beispielsweise zusätzlich eine Messung der Temperatur des Druckübertragungsmediums vorgenommen wird, kann somit der durch die thermisch bedingte Volumenänderung des Druckübertragungsmediums 6 erzeugte Messfehler nachträglich rechnerisch korrigiert werden.
Mit der Drucksensoreinrichtung ist somit eine präzise, zuverlässige und kostengünstige Messung auch von hohen Drücken möglich.

1: Gehäuse
2: Raum
3: erste Membran
4: Arbeitsmedium
5: zweite Membran
6: Druckübertragungsmedium
7: Stahlkugel
8: Gehäuseteil
10: Sensorelement
11: Steckerteil
12: Druckausgleichsbohrung
14: Hochdruckdichtung
16: Kraftstoffverteilerleiste (Common-Rail)
18: weiterer Raum
20: Deckel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10006657 A1 [0005]

Claims

Druckübertragungsmedium (6), dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer mindestens eine Flüssigkeit und mindestens einen Festkörper aufweisenden Mischung besteht.
Druckübertragungsmedium (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper in Form einer Vielzahl von Partikeln vorliegt.
Druckübertragungsmedium (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel kugelförmig sind.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel unterschiedlich groß sind.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen maximalen Durchmesser von 80 μm, vorzugsweise von 30 μm besitzen.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen mittleren Durchmesser von höchstens 20 μm, vorzugsweise höchstens 10 μm besitzen.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper ein keramischer Werkstoff, ein glaskeramischer Werkstoff oder ein Glaswerkstoff ist.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Öl ist.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Festkörpers an der Mischung mindestens 70 vorzugsweise mindestens 80%, beträgt.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Anlegen eines Unterdrucks an die Mischungskomponenten und/oder die Mischung vorgesehen ist, um in der Flüssigkeit oder dem Festkörper gelöste Gase zu entfernen.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Mischung mit einem Überdruck vorgesehen ist, um eine Diffusion der Flüssigkeit in den Festkörper zu begünstigen.
Druckübertragungsmedium (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Herstellen der Mischung im kritischen Punkt der Flüssigkeit oder zum Kondensieren der Mischung aus der Gasphase vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Druckübertragungsmediums (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Druckübertragungsmedium (6) durch Mischen mindestens einer Flüssigkeit und mindestens eines Festkörpers hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Festkörper ein Festkörper in Form einer Vielzahl von Partikeln verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel kugelförmig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel unterschiedlich groß sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen maximalen Durchmesser von 80 μm, vorzugsweise von 30 μm besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen mittleren Durchmesser von höchstens 20 μm, vorzugsweise höchstens 10 μm besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Festkörper ein keramischer Werkstoff, ein glaskeramischer Werkstoff oder ein Glaswerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit ein Öl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Festkörpers an der Mischung mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80%, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder bei dem und/oder nach dem Herstellen der Mischung ein Unterdruck an die Mischungskomponenten und/oder die Mischung angelegt wird, um in der Flüssigkeit oder dem Festkörper gelöste Gase zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung mit einem Über druck beaufschlagt wird, um eine Diffusion der Flüssigkeit in den Festkörper zu begünstigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung im kritischen Punkt der Flüssigkeit hergestellt wird oder, dass die Flüssigkeit beim Herstellen der Mischung aus der Gasphase kondensiert wird.
Drucksensoreinrichtung mit einem Raum (2), – in den ein Druckübertragungsmedium (6) eingebracht ist, – der teilweise von einem Gehäuse (1) umschlossen ist, – der in einem ersten Bereich von einer ersten Membran (3) begrenzt ist, die einerseits mit dem Druckübertragungsmedium (6) und andererseits mit einem Arbeitsmedium (4) in Kontakt steht, – wobei ein Sensorelement (10) vorgesehen ist, das den Druck des Druckübertragungsmediums (6) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – das Druckübertragungsmedium (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgestaltet ist.
Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (2) in einem zweiten Bereich von einer zweiten Membran (5) begrenzt ist, die mit dem Druckübertragungsmedium (6) in Kontakt steht, wobei die zweite Membran (5) so ausgebildet ist, dass der Druck im Arbeitsmedium (4) in einen niedrigeren Druck im Druckübertragungsmedium (6) transformiert wird.
Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Membran (5) eine kleinere Federkonstante hat als die erste Membran (3).
Drucksensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizi tätsmodul der zweiten Membran (5) kleiner ist als das der ersten Membran (3).
Drucksensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (3) dicker ist als die zweite Membran (5).
Drucksensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Raum (18) vorgesehen ist, der durch mindestens ein Gehäuseteil (8) und von der zweiten Membran (5) begrenzt ist.