WO2003019051A1 - Metallische flachdichtung mit mindestens einer leiterbahn sowie deren verwendung - Google Patents

Metallische flachdichtung mit mindestens einer leiterbahn sowie deren verwendung Download PDF

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Günther Unseld
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    • F16J15/0818—Flat gaskets
    • F16J15/0825—Flat gaskets laminated

Definitions

  • the invention relates to a metal seal with at least one through opening and at least one
  • this metallic flat gasket has at least one conductor track, which functions as contact between a sensor element and a measurement value acquisition unit.
  • This flat gasket is used in the manufacture of cylinder head gaskets, in which sensory measurements of certain parameters are to be carried out directly at the combustion chamber opening.
  • the contact between the sensor and the measured value acquisition unit is a critical point, since as a rule the conductor track that is required for contact between the two units often has to pass through one or more bead areas.
  • the integration of the conductor track into the metallic sealing system has so far been carried out according to the prior art by means of provisional, not long-term stable measures such as by filling with sealing compounds or by gluing the free spaces. Since the conductor track crosses the corrugation, it lies at least at one point in the main force connection. The measures for sealing known from the prior art are therefore inadequate since the conductor track in the bead area represents a local increase, as a result of which the conductor track is exposed to enormous static and cyclically acting forces.
  • the invention relates to a metallic flat gasket with at least one through opening and at least one bead and / or half bead, which is crossed by at least one conductor track.
  • the conductor track is used to make contact between at least one sensor element and a measured value acquisition unit.
  • the bead and / or half bead is now constructed in the area of the crossing conductor track so that it has a lower spring rate than in the rest of the area. This is realized in that the bead and / or half bead has softer properties in the area of the conductor track.
  • the softer properties can be realized in that the bead has a lower height in the area of the crossing conductor track than in the rest of the area. It is also possible that the bead has a larger leg length in the area of the conductor track compared to the other areas. Another possibility is to use a thinner steel in the area of the bead, this thinning e.g. is generated by etching processes.
  • the flat seal preferably has a largely uniform surface pressure over the entire area due to the force-displacement characteristic.
  • Another alternative measure to standardize the surface pressure is the sealing of the crossing conductor track in the area of the bead by an additional coating. These coating measures are carried out for remaining geometrically caused leaks, so that a fine seal can also be made at the transitions.
  • FPM coatings ie fluoropolymer coatings, are preferably used.
  • the conductor track must be extremely flat in order to keep the faults in the sealing function as low as possible, but on the other hand it must also be extremely pressure-resistant so that it is not destroyed by the enormous beading forces.
  • the flat conductors used are preferably conductors with a total thickness between 70 and 200 ⁇ m, particularly preferably between 135 and 200 ⁇ m.
  • pressure stability is understood to mean that the deformation generated by the pressure is reversible and not irreversible.
  • the conductor tracks used according to the invention have a pressure stability of up to 50 N / mm 2 at 120 °, which at the same time proves the temperature stability. Therefore, foil conductors are preferred for the crossing conductor tracks.
  • FPC flexible printed circuit
  • FFC flexible flat cable
  • the metallic flat gasket described here does not necessarily have to be limited to a single-layer gasket, but can also be used in multi-layer gasket systems.
  • the metallic flat gaskets according to the invention are widely used for temperature measurement at combustion chamber openings. However, these metallic sealing systems can also be used to determine other parameters at combustion chamber openings, such as force, displacement, strain, acceleration and / or pressure measurements.
  • Another common field of application relates to the manufacture of metallic sealing systems which are provided with gas detectors near the combustion chamber opening, for example for KW, CO, 0 2 or C0 2 .
  • FIG 1 shows an overview of the different sections through the metallic flat gasket according to the invention.
  • FIG. 4 shows a section perpendicular to the direction of propagation of the conductor track in the area of the bead.
  • 5 shows a force-displacement characteristic diagram for the metallic flat gasket according to the invention.
  • Fig. 2 shows the view of a section A-A (see Fig. 1), i.e. a section that runs in the direction of the conductor track and schematically represents the area of the half bead.
  • the cylinder head 1 is shown here as the component to be sealed. This is followed by the metallic flat gasket according to the invention. This consists of a cover plate 2 and a base plate 5. A stop plate 3 and a spacer plate 4 are arranged between these two plates.
  • a sensor layer 6 adjoins the cylinder head, on which the sensor can be applied. The sensor contact is made via the film conductor 7. An additional seal in the area of the bead can be sealed with the aid of an additional coating 10.
  • FIG. 3 shows the view of a cross section B-B (see FIG. 1) in the direction of the conductor track in the region of the sensor head and the combustion chamber opening.
  • the exact installation of the sensor head is shown here.
  • the sensor head 8, which is contacted via a film conductor 7, is applied to a sensor layer 6.
  • a space 9 that protects against compression is arranged around the sensor head.
  • a stopper 3 and a spacer plate 4 are arranged between the cover plate and base plate 2.
  • FIG. 4 shows the view of a section perpendicular to the direction of propagation of the conductor track in the area of the bead, section CC (see FIG. 1).
  • a sensor layer 6 is arranged on the cylinder head 1, the film conductor 7 lying directly on the sensor layer. It is essential that the bead is adapted according to the invention in this area.
  • the film conductor is surrounded on both sides by a sealing coating 10. This is to ensure the fine sealing in this area.
  • FIG. 5 shows comparative recordings of force-displacement characteristic diagrams of different half beads.
  • a conventional half bead is compared with a half bead according to the invention without a conductor track and a half bead with a conductor track according to the invention. It can be seen from the diagram that the characteristic curve for the conventional semi-recess and for the semi-corrugation with conductor track is identical until the required line compression is achieved. This indicates identical sealing properties for both flat seals.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Metalldichtung mit mindestens einer Durchgangsöffnung und mindestens einer Sicke oder Halbsicke. Zusätzlich weist diese metallische Flachdichtung mindestens eine Leiterbahn (7) auf, die als Kontaktierung zwischen einem Sensorelement (8) und einer Messwerterfassungseinheit fungiert. Verwendung findet diese Flachdichtung bei der Herstellung von Zylinderkopfdichtungen, bei denen direkt an der Brennraumöffnung sensorische Messungen bestimmter Parameter durchgeführt werden sollen.

Description

Metallische Flachdichtung mit mindestens einer Leiterbahn sowie deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Metalldichtung mit inde- stens einer Durchgangsöffnung und mindestens einer
Sicke oder Halbsicke. Zusätzlich weist diese metallische Flachdichtung mindestens eine Leiterbahn auf, die als Kontaktierung zwischen einem Sensorelement und einer Meßwerterfassungseinheit fungiert. Verwen- düng findet diese Flachdichtung bei der Herstellung von Zylinderkopfdichtungen, bei denen direkt an der Brennraumöffnung sensorische Messungen bestimmter Parameter durchgeführt werden sollen.
Der Einsatz metallischer Dichtsysteme als Zylinder- kopfdichtung erforderte bisher vor allem gute Dichteigenschaften, so dass Brennräume, Kühl- und Schmiermitteldurchtritte, Schraubenbolzen sowie Durchgänge für Ventilsteuerteile gegeneinander abge- dichtet werden. Darüber hinaus ist in der letzten Zeit nun aber auch die meßtechnische Datenaufnahme charakteristischer Parameter innerhalb der metallischen Dichtsysteme in den Vordergrund getreten. Hierbei bietet sich die Messung in direkter Nähe der ent- sprechenden Öffnung an, um eine möglichst exakte Datenaufnahme zu realisieren. Die hohen /Anforderungen an die Dimensionierung führen daher zum bevorzugten Einsatz von mikrosensorischen Systemen.
Beim Einsatz sensorischer Systeme in einem metallischen Dichtsystem ist die Kontaktierung zwischen dem Sensor und der Meßwerterfassungseinheit ein kritischer Punkt, da in der Regel die Leiterbahn, die zur Kontaktierung zwischen beiden Einheiten nötig ist, häufig einen oder meherere Sickenbereiche passieren muß . Die Integration der Leiterbahn in das metallische Dichtsystem erfolgt nach dem Stand der Technik bisher durch provisorische, nicht langzeitstabile Maßnahmen wie z.B. durch Auffüllen mit Dichtmassen oder durch Zukleben der Freiräume. Da die Leiterbahn die Sicke durchquert, liegt sie an mindestens einer Stelle im Krafthauptschluß. Die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Abdichtung sind daher unzureichend, da die Leiterbahn im Sickenbereich eine Örtliche Erhöhung darstellt, wodurch die Leiterbahn enormen statischen und zyklisch wirkenden Kräften ausgesetzt ist.
Anhand der hier beschriebenen Nachteile des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallische Flachdichtung bereitzustellen, deren Dichteigenschaften nicht negativ beeinflußt werden und bei der die Funktionalität der Leiterbahn über einen langen Zeitraum gewährleistet werden kann. Gleichzeitig soll diese metallische Flachdichtung die Anforderungen an ein Serienprodukt bezüglich der Au- tomatisierung erfüllen.
Diese Aufgabe wird durch die gattungsgemäße metallische Flachdichtung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Anhand der Ansprüche 12 bis 14 wird die Verwendung dieser metallischen Flachdichtung beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine metallische Flachdichtung mit mindestens einer Durchgangsöffnung und mindestens einer Sicke und/oder Halbsicke, die von mindestens einer Leiterbahn gekreuzt wird. Die Leiterbahn dient dabei der Kontaktierung zwischen mindestens einem Sensorelement und einer Meßwerterfassungseinheit. Die Sicke und/oder Halbsicke ist nun im Bereich der kreuzenden Leiterbahn so konstruiert, dass sie eine geringere Federrate als im restlichen Bereich aufweist. Dies wird dadurch realisiert, dass die Sicke und/oder Halbsicke im Bereich der Leiterbahn weichere Eigenschaften aufweist.
Die weicheren Eigenschaften können dadurch realisiert werden, dass die Sicke im Bereich der kreuzenden Lei- terbahn eine geringere Höhe als im restlichen Bereich aufweist. Ebenso ist es möglich, dass die Sicke eine größere Schenkellänge im Bereich der Leiterbahn gegenüber den anderen Bereichen aufweist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, im Bereich der Sicke einen dünneren Stahl zu verwenden, wobei diese Verdünnung z.B. durch Ätzverfahren erzeugt wird.
Bevorzugt weist die Flachdichtung aufgrund der Kraft- Weg-Kennlinie über den gesamten Bereich dabei eine weitgehend gleichmäßige Flächenpressung auf. Eine weitere, alternative Maßnahme zur Vereinheitlichung der Flächenpressung ist die Abdichtung der kreuzenden Leiterbahn im Bereich der Sicke durch eine zusätzliche Beschichtung. Diese Beschichtungs aßnah- men werden für verbleibende geometrisch verursachte Undichtigkeiten durchgeführt, so dass auch eine Feinabdichtung an den Übergängen erfolgen kann. Bevorzugt werden in diesem Fall FPM-Beschichtungen, also Fluorpolymer-Beschichtungen, eingesetzt .
Zur Herstellung der metallischen Flachdichtung werden hohe Anforderungen an die Leiterbahn gestellt. So muß die Leiterbahn zum einen extrem flach sein, um die Störungen der Dichtungsfunktion möglichst gering zu halten, zum anderen muß sie aber auch extrem druckstabil sein, um durch die enormen Sickenkräfte nicht zerstört zu werden. Als flache Leiter werden bevorzugt Leiter mit einer Gesmatdicke zwischen 70 und 200 μ , besonders bevorzugt zwischen 135 und 200 μm ver- wendet. Unter Druckstabilität wird bei den Leiterbahnen verstanden, dass die durch den Druck erzeugte Verformung reversibel und nicht irreversibel ist. Die erfindungsgemäß eingesetzten Leiterbahnen weisen bei 120° eine Druckstabilität bis 50 N/mm2 auf, was gleichzeitig die Temperaturstabilität belegt. Bevorzugt bieten sich daher für die kreuzenden Leiterbahnen Folienleiter an. Besonders bevorzugt sind hierunter FPC (flexible printed circuit) oder FFC (flexible flat cable) .
Die hier beschriebene metallische Flachdichtung muß sich dabei nicht zwangsläufig auf eine einlagige Dichtung beschränken, sondern kann auch bei mehrlagigen DichtungsSystemen Anwendung finden. Die erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtungen finden im großen Rahmen Anwendung bei der Temperaturmessung an Brennraumöffnungen. Ebenso können diese metallischen Dichtungssysteme aber auch für die Be- Stimmung weiterer Parameter an Brennraumöffnungen, wie z.B. Kraft-, Weg-, Dehnungs-, Beschleunigungsund/oder Druckmessungen eingesetzt werden.
Ein weiteres häufiges Anwendungsfeld betrifft die Herstellung von metallischen Dichtungssystemen, die mit Gasdetektoren in Brennraumöffnungsnähe, z.B. für KW, CO, 02 oder C02, versehen sind.
Anhand der folgenden Figuren soll der erfindungsgemä- ße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf diese beispielhaften Ausführungen einzuschränken.
Fig. 1 zeigt eine Übersicht über die verschiedenen Schnitte durch_ die erfindungsgemäße metal- lische Flachdichtung.
Fig. 2 zeigt einen in Ausbreitungsrichtung der Leiterbahn über die Sicke verlaufenden Schnitt im Bereich der Sicke.
Fig. 3 zeigt einen in Ausbreitungsrichtung der Leiterbahn über die Sicke verlaufenden Schnitt im Bereich des Sensors und der Brennraumöffnung .
Fig. 4 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung .der Leiterbahn im Bereich der Sicke. Fig. 5 zeigt ein Kraft-Weg-Kennliniendiagramm für die erfindungsgemäße metallische Flachdichtung.
Die Fig. 2 zeigt die Ansicht eines Schnittes A-A (s. Fig. 1), d.h. eines Schnittes, der in Richtung der Leiterbahn verläuft und den Bereich der Halbsicke schematisch darstellt. Als abzudichtendes Bauteil ist hierbei der Zylinderkopf 1 abgebildet. An diesen schließt sich die erfindungsgemäße metallische Flachdichtung an. Diese besteht aus einem Deckblech 2 und einem Bodenblech 5. Zwischen diesen beiden Blechen sind ein Stopperblech 3 und ein Distanzblech 4 angeordnet. Direkt an den Zylinderkopf schließt sich eine Sensorlage 6 an, auf der der Sensor aufgebracht werden kann. Die Kontaktierung des Sensorlelerαentes erfolgt dabei über den Folienleiter 7. Eine zusätzliche Abdichtung im Bereich der Sicke kann dabei mit Hilfe einer zusätzlichen Beschichtung 10 abgedichtet wer- den.
Fig. 3 zeigt die Ansicht eines Querschnittes B-B (s. Fig. 1) in Richtung der Leiterbahn im Bereich des Sensorkopfes und der Brennraumöffnung. Hierbei ist der genaue Einbau des Sensorkopfes dargestellt. Der Sensorkopf 8, der über einen Folienleiter 7 kontaktiert ist, wird auf einer Sensorlage 6 aufgebracht. In Richtung des Bodenbleches 5 ist ein gegen Verpres- sung schützender Raum 9 um den Sensorkopf herum ange- ordnet. Zusätzlich ist zwischen Deckblech und Bodenblech 2 ein Stopper 3 sowie ein Distanzblech 4 angeordnet.
Fig. 4 zeigt die Ansicht eines Schnittes senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Leiterbahn im Bereich der Sicke, den Schnitt C-C (s. Fig. 1) . Auch hier ist eine Sensorlage 6 am Zylinderkopf 1 angeordnet, wobei der Folienleiter 7 direkt auf der Sensorlage liegt. Wesentlich ist, daß die Sicke in diesem Bereich erfindungsgemäß angepaßt ist. Der Folienleiter ist da- bei zu beiden Seiten von einer abdichtenden Beschichtung 10 umgeben. Diese soll, die Feinabdichtung in diesem Bereich gewährleisten.
In Fig. 5 sind vergleichende Aufnahmen von Kraft-Weg- Kennliniendiagrammen verschiedener Halbsicken aufgezeichnet. Hierbei wird eine herkömmliche Halbsicke mit einer erfindungsgemäßen Halbsicke ohne Leiterbahn sowie einer erfindungsgemäßen Halbsicke mit Leiterbahn verglichen. Anhand des Diagrammes ist zu erken- nen, dass die Kennlinie für die herkömmliche Halbsik- ke sowie für die Halbsicke mit Leiterbahn bis zum Erreichen der notwendigen Linienverpressung identisch sind. Dies weist auf identische Dichtungseigenschaften beider Flachdichtungen hin.

Claims

Patentansprüche
1. Metallische Flachdichtung mit mindestens einer Durchgangsöffnung und mindestens einer Sicke und/oder Halbsicke, wobei diese von mindestens einer als Kontaktierung zwischen mindestens einem Sensorelement und einer Meßwerterfassungs- einheit fungierenden Leiterbahn gekreuzt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die mindestens eine Sicke und/oder Halbsicke im Bereich der kreuzenden Leiterbahn eine geringere Federrate als im restlichen Bereich aufweist.
2. Metallische Flachdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicke im Bereich der kreuzenden Leiterbahn eine geringere Höhe als im restlichen Bereich aufweist.
3. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicke im Bereich der kreuzenden Leiterbahn eine größere Schenkellänge als im restlichen Bereich aufweist.
4. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdichtung aufgrund der Kraft-Weg-Kennlinie über den gesamten Bereich eine weitgehend gleichmäßige Flä- chenpressung aufweist.
5. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kreuzende Leiterbahn im Bereich der Sicke zusätzlich durch eine zusätzliche Beschichtung, z.B. eine FPM- Beschichtung, abgedichtet ist.
β. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreuzende Leiterbahn aus einem druckstabilen und flachen Leiter besteht.
7. Metallische Flachdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Leiter eine Dicke zwischen 70 und 200 μm, bevorzugt zwischen 135 und 200 μm aufweist.
8. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter bei einer Temperatur von 120°C bis zu einem Druck von 50 N/mm2 druckstabil ist.
9. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kreuzende Lei- terbahn aus einem Folienleiter besteht.
10. Metallische Flachdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kreuzende Leiterbahn aus FFC und/oder FPC besteht.
11. Metallische Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdichtung aus mehreren Lagen aufgebaut ist.
12. Verwendung der metallischen Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 für Temperaturmessungen an Brennraumöffnungen.
13. Verwendung der metallischen Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 für
Kraft-, Weg-, Dehnungs-, Beschleunigungsund/oder Druckmessungen an Brennraumöffnungen.
14. Verwendung der metallischen Flachdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 zusammen mit Gasdetektoren, z.B. für KW, CO, 02 oder C02, an Brennraumöffnungen.
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