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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und genauer einen Drucksensor, der an einer Zu- und Ableitung für ein Reaktionsgas, das einer Brennstoffzelle zugeführt oder aus dieser abgeführt wird, vorgesehen ist und der einen Druck des Reaktionsgases in der Leitung misst.
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Hintergrund
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Eine Brennstoffzelle erzeugt Leistung durch die Zufuhr eines Brenngases zu einem Brennstoffpol (einer Anodenelektrode) und eines Oxidierungsgases zu einem Oxidationsmittelpol (einer Kathodenelektrode), durch welche der Ablauf einer elektrochemischen Reaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidierungsgas ermöglicht wird. In einer Brennstoffzelle sind eine Brenngaszuleitung für die Zufuhr des Brenngases zum Brennstoffzellenkörper, eine Brenngasableitung für die Abfuhr des Brenngases aus dem Brennstoffzellenkörper, eine Oxidierungsgaszuleitung für die Zufuhr des Oxidierungsgases zum Brennstoffzellenkörper und eine Oxidierungsgasableitung für die Abfuhr des Oxidierungsgases aus dem Brennstoffzellenkörper vorgesehen. In dieser Patentschrift werden diese Leitungen gemeinsam als „Reaktionsgas-Zuleitung/Ableitung bezeichnet. Ein Reaktionsgas-Strömungsweg meint einen Strömungsweg in der Reaktionsgasleitung, durch den das Reaktionsgas zirkuliert.
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In einem Brennstoffzellensystem, wie einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) ist normalerweise eine Elektrolytmembran, die eine Ionentauschermembran auf Fluorharzbasis umfasst und bei der es sich um eine Protonen übertragende Struktur handelt, anliegend zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet, die jeweils eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht aufweisen, um eine MEA (Membran/Elektroden-Anordnung) zu bilden. Ein Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, wird der Anodenseite der MEA zugeführt, und ein Oxidierungsgas, wie beispielsweise Sauerstoff, wird der Kathodenseite der MEA zugeführt, so dass eine chemische Reaktion an den Katalysatorschichten stattfindet. Auf der Anodenseite wird Wasserstoff in ein Proton (H+) und ein Elektron (e–) getrennt, und das Proton wandert in der Elektrolytmembran mit dem Wassermolekül. Das Elektron wandert dagegen durch einen externen Kreislauf zur Kathodenseite. Auf der Kathodenseite reagieren der Sauerstoff im Oxidierungsmittel und das Proton und das Elektron, die von der Anodenseite her gewandert sind, miteinander, wodurch Wasser erzeugt wird. Daher kann es sein, dass diese Feuchtigkeit in die Reaktionsgas-Zuleitung/Ableitung fließt.
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Was das Feuchtigkeit enthaltende Reaktionsgas betrifft, das in die Zuleitung bzw. Ableitung strömt, so sinkt nach dem Boyle-Charles-Gesetz die Temperatur des Reaktionsgases, wenn ein Fülldruck des Tanks sinkt. Wenn die Brennstoffzelle in eine Niedertemperaturumgebung gebracht wird, strömt außerdem ein kaltes Reaktionsgas. In einer solchen Situation kann es sein, dass die Feuchtigkeit im Fluid an einem Drucksensorabschnitt oder dergleichen kondensiert, und der Drucksensor kann einfrieren. Genauer kann die Feuchtigkeit in der oben beschriebenen Umgebung gefrieren, wenn das Brennstoffzellensystem angehalten wird und kein Hochtemperatur-Reaktionsgas strömt.
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In der Reaktionsgas-Zuleitung/Ableitung ist ein Drucksensor zum Messen des Reaktionsgasdrucks vorgesehen, und die Menge der vom Brennstoffzellenkörper erzeugten Leistung oder dergleichen wird durch Anpassen des Reaktionsgasdrucks gesteuert. Ein Drucksensor des Standes der Technik weist auf: einen mit einem Gewinde versehenen Eingriffsabschnitt, der in eine Leitungswand einer Reaktionsgasleitung eingreift und der mit einem Dichtungselement abgedichtet ist, einen Flansch, ein Gehäuse, eine Membran, bei der es sich um einen Druckerfassungsabschnitt handelt, der am Gehäuse angebracht ist, und einen Wegsensor, der an der Membran vorgesehen ist. Im Gehäuse des Drucksensors ist eine Verbindungskammer, die mit einem Reaktionsgas-Strömungsweg in Verbindung steht, vorgesehen, und die Verbindungskammer ist auf die druckaufnehmende Oberfläche der Membran gerichtet. Die Membran befindet sich gegenüber der Verbindungskammer und erfasst den Druck des Reaktionsgases in der Reaktionsgasleitung über eine Verformung. Der Wegsensor, mit dem ein Anschluss verbunden ist, misst die Verlagerung der Membran.
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Ein Drucksensor eines anderen Gestaltungsbeispiels des Standes der Technik weist auf: einen mit einem Gewinde versehenen Drucksensor, der in eine Leitungswand einer Reaktionsgasleitung eingreift und der mit einem Dichtungselement abgedichtet ist, einen Flansch, ein Gehäuse, eine Membran, die als Druckerfassungsabschnitt dient und die am Gehäuse angebracht ist, und einen Wegsensor, der an der Membran vorgesehen ist. Eine druckaufnehmende Oberfläche der Membran ist auf einen Reaktionsgas-Strömungsweg der Reaktionsgasleitung gerichtet. Die Membran erfasst über eine Verformung direkt den Druck des Reaktionsgases im Reaktionsgas-Strömungsweg. Der Wegsensor, mit dem ein Anschluss verbunden ist, misst die Verlagerung der Membran.
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Dagegen offenbart
JP 2006-162491 A einen Drucksensor, bei dem eine druckaufnehmende Oberfläche auf einer Seite eines Sensorelements in der Nähe des zu messenden Fluids mit einer flexiblen Struktur abgedeckt und abgedichtet ist und ein Frostschutzmittel zwischen die druckaufnehmende Oberfläche des Sensorelements und die flexible Struktur gefüllt ist.
JP 2005-164538 A offenbart einen Drucksensor, bei dem ein Drucksensorentfroster an einem Drucksensor-Befestigungsauge befestigt ist und die Feuchtigkeit im Drucksensor entfrostet wird.
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Weitere gattungsgemäße Drucksensoren sind offenbart in der
EP 0 090 871 B1 und der
DE 40 08 320 A1 . Hierbei offenbart die
EP 0 090 871 B1 einen Druckaufnehmer bzw. Drucksensor insbesondere für ballistische Druckmessungen, mit einem Sensorteil, mit einem daran angeformten Dichtungsteil und eine das Sensorteil mit Abstand umgebende Montagehohlschraube. Das Senorteil kann mit dem Dichtungsteil in eine Gewindemontagebohrung in dem zu untersuchenden Bauteil eingeschoben werden, wobei die Dichtfläche des Dichtungsteils in abdichtender Beziehung zu einer Absatzfläche der Montagebohrung kommt. Die Montagehohlschraube drückt auf den Dichtungsteil und erzeugt die zur Dichtung notwendige Kraft. Die Dichtfläche des Dichtungsteiles ist einer Membranpartie etwas vorgelagert. Das Dichtungsteil ist über einen schmalen Steg relativ elastisch mit dem Sensorteil verbunden. Die durch die Dichtkraft erzeugten Kraftflusslinien sind in ihrer Auswirkung im wesentlichen auf das Dichtungsteil beschränkt und erreichen das im Sensorteil aufgenommene Sensorelement nicht.
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Die
DE 40 08 320 A1 lehrt einen Drucksensor mit einem elektrische Kontakte aufweisenden Steckergehäuse und einer in einem Gehäuseteil ausgebildeten, druckabhängig verformbaren Membran, deren Verformung mit Hilfe von elektrischen Widerständen, die bei Verformung ihre elektrischen Eigenschaften verändern, erfasst wird, wobei das Gehäuseteil formschlüssig mit dem Steckergehäuse und mittel- oder unmittelbar mit einem Bauteil verbunden ist. Das Gehäuseteil besteht aus einem die Membran aufweisenden Teil und einem Rand zur Anbringung von Befestigungsmitteln, und das Teil und der Rand sind elastisch und beweglich miteinander verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Drucksensor des Standes der Technik ist die Verbindungskammer vorgesehen und der Druckerfassungsabschnitt ist nicht auf den Reaktionsgas-Strömungsweg gerichtet, und wenn die Feuchtigkeit, die auf der druckaufnehmenden Oberfläche des auf die Seite der Verbindungskammer gerichteten Druckerfassungsabschnitts vorhanden ist, gefriert, steigt daher die Temperatur in der Verbindungskammer nicht, selbst wenn ein Reaktionsgas bei einer Temperatur von über 0°C strömt, und es besteht das Problem, dass es beträchtlich lange dauert, bis die Feuchtigkeit entfrostet ist. Deswegen ist die Messung durch den Drucksensor nicht zuverlässig, bis die Feuchtigkeit entfrostet ist und der Drucksensor sich erholt hat.
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Im Drucksensor des Standes der Technik empfängt der Drucksensor durch das Schraubenmoment eine Reaktionsanzugskraft in einer Leitungsrichtung, wenn der Eingriffsabschnitt und die Leitungswand im Zuge der Befestigung des Drucksensors angezogen werden. Die Reaktionsanzugskraft wird vom Eingriffsabschnitt direkt auf den Druckerfassungsabschnitt übertragen. Aufgrund dieser Spannung besteht das Problem, dass es zu einer abnormalen Verformung im Druckerfassungsabschnitt kommt und dass die Messgenauigkeit verringert ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Drucksensors, bei dem dieses Problem gelöst ist, bei dem das Oberflächenwasser im Druckerfassungsabschnitt durch die Temperatur des Reaktionsgases rasch entfrostet wird, auch wenn das Oberflächenwasser gefriert, und bei dem eine abnormale Verformung des Druckerfassungsabschnitts aufgrund des Anziehens der Schraube während der Befestigung des Drucksensors verhindert wird.
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Um zumindest den genannten Vorteil zu erhalten, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Drucksensor geschaffen, der an einer Zu- und Ableitung für ein Reaktionsgas, das einer Brennstoffzelle zugeführt oder aus dieser abgeführt wird, vorgesehen ist und der einen Druck des Reaktionsgases in der Leitung misst, wobei der Drucksensor aufweist: einen Eingriffsabschnitt, der mit einem Gewinde versehen ist und der in eine Leitungswand der Leitung eingreift, einen Druckerfassungsabschnitt, der auf einen Reaktionsgas-Strömungsweg der Leitung gerichtet ist und der einen Druck in der Leitung durch Verlagerung erfasst, einen Wegsensor, der im Druckerfassungsabschnitt vorgesehen ist und der die Verlagerung des Druckerfassungsabschnitts misst, und einen Pufferabschnitt, der den Eingriffsabschnitt und den Druckerfassungsabschnitt über eine zwischen diesen angeordnete Pufferschicht, die mit dem Reaktionsgas-Strömungsweg der Leitung in Verbindung steht, verbindet und eine abnormale Verlagerung durch eine Verformung absorbiert, die im Druckerfassungsabschnitt als Antwort auf eine Spannung entsteht, die auf ein Schraubenmoment zurückgeht, wenn der Drucksensor mit der Leitung in Eingriff gebracht wird. Der Pufferabschnitt im Drucksensor weist dabei auf: einen zylindrischen inneren Pufferabschnitt, der an einem Ende mit dem Druckerfassungsabschnitt verbunden ist und der ungefähr senkrecht zur Reaktionsgasleitung ist, einen zylindrischen externen Pufferabschnitt, der an einem Ende mit dem Eingriffsabschnitt verbunden ist und der ungefähr senkrecht zur Reaktionsgasleitung ist, und eine Bodenendplatte, die mit den anderen Enden des inneren Pufferabschnitts und des äußeren Pufferabschnitts verbunden ist, wobei die Pufferschicht durch den inneren Pufferabschnitt, den äußeren Pufferabschnitt und die Bodenendplatte definiert wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Pufferabschnitt vorzugsweise einen Aufbau auf, der eine Verformung, die in einer Richtung auftritt, die ungefähr senkrecht ist zu einer axialen Richtung der Schraube des Eingriffsabschnitts, absorbiert.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Druckerfassungsabschnitt vorzugsweise weiter innen in der Leitung als ein Dichtungselement, das den Eingriffsabschnitt zwischen der Leitung und dem Drucksensor abdichtet, angeordnet.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Druckerfassungsabschnitt vorzugsweise so angeodnet, dass seine druckaufnehmende Oberfläche an der Innenwandfläche der Leitung ausgerichtet ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen der innere Pufferabschnitt und der äußere Pufferabschnitt in dem Drucksensor vorzugsweise kreisförmige zylindrische Querschnitte auf und die Bodenendplatte weist eine Ringform auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung skizziert.
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2 erläutert die Aufgabe einer Pufferschicht während der Befestigung eines Drucksensors.
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3 erläutert die Verbiegung eines Pufferabschnitts während der Befestigung eines Drucksensors.
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Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
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Nun wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines Drucksensors. Ein Drucksensor 1 weist einen Eingriffsabschnitt 5, eine Membran 6, die als Druckerfassungsabschnitt dient, einen Wegsensor 7 und einen Pufferabschnitt 8 auf.
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Der Eingriffsabschnitt 5 weist ein Gewinde auf und greift in einen Schraubenabschnitt ein, der an einer Leitungswand 3 einer Reaktionsgasleitung 2 vorgesehen ist. Mit dem Eingriffsabschnitt 5 wird die Schraube angezogen und der Drucksensor 1 wird an der Reaktionsgasleitung 2 fixiert. Außerdem ist ein Dichtungselement 10 am Eingriffsabschnitt 5 vorgesehen und dichtet die Struktur ab, so dass das Reaktionsgas oder dergleichen nicht aus der Reaktionsgasleitung 2 entweichen kann. Darüber hinaus weist der Drucksensor 1 einen Flansch 9 an seinem Außenumfang auf. Mit dem Flansch 9 wird die Anzugsstellung des Eingriffsabschnitts 5 bestimmt. Der Flansch 9 drückt außerdem während des Anziehens der Schraube auf das Dichtungselement, so dass die Dichtwirkung des Dichtungselements 10 gewährleistet ist.
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Der Eingriffsabschnitt 5 des Drucksensors 1 wird während des Eingreifens in die Leitungswand 3 der Reaktionsgasleitung 2 in einer Richtung, in der die Leitungswand 3 sich zur Außenseite hin öffnet, eingeschraubt und gepresst. Das heißt, während des Einschraubens wird ein Drehmoment erzeugt und das Drehmoment bewirkt, dass eine Druckkraft in Richtung der Leitungswand 3 wirkt. Mit der Druckkraft wird eine Reaktionsanzugskraft im Eingriffsabschnitt 5 in Schließrichtung nach innen erzeugt.
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Wie in 1 dargestellt, ist die druckaufnehmende Oberfläche 17 der Membran 6, die als Druckerfassungsabschnitt dient, auf den Reaktionsgas-Strömungsweg 4 der Reaktionsgasleitung 2 gerichtet. Auch wenn diese Feuchtigkeit, die auf der druckaufnehmenden Oberfläche 17 der Membran 6 vorhanden ist, gefriert, wird bei diesem Aufbau die Feuchtigkeit durch den Strom des Oxidationsgases, das warmer ist als 0°C, rasch entfrostet. Die druckaufnehmende Oberfläche 17 der Membran 6 erfasst den Druck des Reaktionsgases in der Reaktionsgasleitung 2 und wird verformt. Die Verformung wird vom Wegsensor 7 gemessen, der an einer Seite der Membran 6 gegenüber der druckaufnehmenden Oberfläche 17 angebracht ist, und ein Signal wird über einen Anschluss 16 nach außen ausgegeben.
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Der Pufferabschnitt 8 verbindet den Eingriffsabschnitt 5 und die Membran 6 über eine zwischen diesen angeordnete Pufferschicht 14, die mit dem Reaktionsgasströmungsweg 4 der Gasleitung 2 in Verbindung steht. Die Pufferschicht 14 bezeichnet einen Teil des Reaktionsgas-Strömungsweges 4, der vom Reaktionsgas-Strömungsweg 4 übersteht und der buchtförmig erweitert ist. Anders ausgedrückt, der Eingriffsabschnitt 5 und die Membran 6 sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern sind über einen Umweg um die zwischen ihnen angeordnete Pufferschicht 14, die mit dem Reaktionsgas-Strömungsweg 4 der Gasleitung 2 in Verbindung steht, miteinander verbunden. Da der Eingriffsabschnitt 5, der mit der Leitungswand 3 in Eingriff steht, und die Membran 6, die auf den Reaktionsgas-Strömungsweg 4 der Gasleitung 2 gerichtet ist, sich beide nahe der Leitungswand 3 der Gasleitung 2 befinden, können der Eingriffsabschnitt 5 und die Membran 6 leicht miteinander verbunden werden, wie in 4 dargestellt. Bei einer direkten Verbindung bewirkt jedoch das durch das Anziehen der Schraube bedingte Schraubenmoment eine Reaktionskraft in Leitungsrichtung, die direkt auf die Membran 6 übertragen wird. Um dies zu vermeiden, werden der Eingriffsabschnitt 5 und die Membran 6 auf einem Umweg um die zwischen ihnen liegende Pufferschicht 14 miteinander verbunden.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Pufferabschnitt 8, der einen Rahmen bildet, als Struktur für die Verbindung des Eingriffsabschnitts 5 und der Membran 6 über einen Umweg vorgesehen. Genauer weist der Pufferabschnitt 8 einen zylindrischen inneren Pufferabschnitt 11 auf, der an einem Ende mit der Membran 6 verbunden ist und der ungefähr senkrecht zur Reaktionsgasleitung 2 verläuft, einen zylindrischen äußeren Pufferabschnitt 12, der an einem Ende mit dem Eingriffsabschnitt 5 verbunden ist und der ungefähr senkrecht zur Reaktionsgasleitung 2 verläuft, und eine Bodenendplatte 13, die die anderen Enden des inneren Pufferabschnitts 11 und des äußeren Pufferabschnitts 12 miteinander verbindet. Die Pufferschicht 14 wird vom inneren Pufferabschnitt 11, vom äußeren Pufferabschnitt 12 und von der Bodenendplatte 13 definiert. Bei diesem Aufbau sind der Eingriffsabschnitt 5 und die Membran 6 über einen Umweg um die zwischen ihnen liegende Pufferschicht 14 miteinander verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform weisen der innere Pufferabschnitt 11 und der äußere Pufferabschnitt 12 zylindrische Formen auf, und die Bodenendplatte 13 ist ein ringförmiges Plattenelement. Der innere Pufferabschnitt 11, der äußere Pufferabschnitt 12 und die Bodenendplatte 13 sind einstückig geformt oder sind zusammengeschweißt.
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Der Pufferabschnitt 8 wird als Rahmen gebogen und verformt, wenn der Drucksensor 1 mit der Gasleitung 2 in Eingriff gebracht wird, um die Anzugsspannung zu absorbieren, die in der Membran 6 auftritt. Dieser Mechanismus wird nun mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben. 2 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A von 1 und zeigt eine Ebene des Drucksensors 1 von oben gesehen. 3 erläutert schematisch die Verbiegung des Pufferabschnitts 8. Der in 3 mit einer gestrichelten Linie dargestellte Pufferabschnitt 8 zeigt dessen Gestalt vor der Verformung an, und der mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Pufferabschnitt 8 zeigt dessen Gestalt nach der Verformung an. Wie mit einem Pfeil in 2 angezeigt, wird durch das Anziehen der Schraube eine Anzugsspannung (F) im Eingriffsabschnitt 5 erzeugt, die den Drucksensor 1 zusammendrückt. Die Anzugsspannung (F) ist eine Spannung, die ungefähr gleichmäßig um den ringförmigen Eingriffsabschnitt 5 herum verteilt ist. Aufgrund der Anzugsspannung (F) wird der ringförmige äußere Pufferabschnitt 12 zur Innenseite hin komprimiert und verformt. Dabei bewirkt eine Komponente der Anzugsspannung (F) ein Biegemoment am Pufferabschnitt 8 (am äußeren Pufferabschnitt 12, an der Bodenendplatte 13 und am inneren Pufferabschnitt 11), der einen Teil des Rahmens bildet, und wird übertragen. Jedoch ist die Biegesteifigkeit des Rahmens aus dem Pufferabschnitt 8 im Vergleich zur Kompressionssteifigkeit des ringförmigen Eingriffabschnitts 5 gering. Daher wird ein großer Teil der Anzugsspannung (F), die am Umfang des ringförmigen Eingriffsabschnitts 5 auftritt, als Kompressionsspannung des ringförmigen Eingriffsabschnitts 5 verteilt und wird nicht als Spannung verteilt, die das Biegemoment des Pufferabschnitts 8 bewirkt, der einen Teil des Rahmens bildet. Bei diesem Aufbau wird fast keine Reaktionskraft (R) des Biegemoments, das an der Membran 6 erzeugt wird, wie in 3 dargestellt ist, erzeugt. Außerdem wird der Pufferabschnitt 8, der einen Teil des Rahmens bildet, gemäß der kompressiven Verformung des Eingriffsabschnitts 5 verbogen wie in 3 dargestellt. Anders ausgedrückt, der Pufferabschnitt 8, der einen Teil des Rahmens bildet, der eine geringe Steifigkeit aufweist, verhindert eine Verformung der Membran 6 durch eine Verbiegung und die Anzugsspannung wird an den ringförmigen Eingriffsabschnitt 5 mit der hohen Steifigkeit angelegt.
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Wie oben beschrieben absorbiert im Drucksensor der vorliegenden Erfindung der Pufferabschnitt 8 eine Spannung, die während eines Eingreifens des Drucksensors 1 in die Gasleitung 2 am Eingriffsabschnitt 5 an die Membran 6 angelegt wird. Bei diesem Aufbau kann eine Verringerung der Messgenauigkeit aufgrund einer Verformung des Druckerfassungsabschnitts 6 verhindert werden. Außerdem ist der Wegsensor 7 an einem vorderen Ende des inneren Pufferabschnitts 11 des Pufferabschnitts 8 befestigt. Bei diesem Aufbau kann die Membran 6 auf den Reaktionsgas-Strömungsweg 4 der Reaktionsgasleitung 2 gerichtet angeordnet werden und eine abnormale Verformung der Membran 6 kann verhindert werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind die Querschnittsformen des inneren Pufferabschnitts 11 und des äußeren Pufferabschnitts 12 des Drucksensors 1 kreisförmige Zylinder, aber alternativ dazu können sie beispielsweise polygonale Zylinder sein. Ebenso wird zwar die Bodenendplatte 13 als ringförmiges Plattenelement beschrieben, aber die Bodenendplatte 13 kann alternativ auch ein ringförmiges polyfones Plattenelement sein.
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[Industrielle Anwendbarkeit]
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Wie beschrieben ist der Drucksensor der vorliegenden Erfindung nützlich als Drucksensor, der an einer Zu- und Ableitung für ein Reaktionsgas, das einer Brennstoffzelle zugeführt oder aus dieser abgeführt wird, vorgesehen ist und der einen Druck des Reaktionsgases in der Leitung misst.