本发明一般地涉及用于测定气体中特定成分浓度的气体传感器的改进结构，更具体地，涉及一种气体传感器，其结构达到高的热辐射，使其热损坏最小。

利用废气排放中的氧气浓度控制汽车发动机中的燃烧，在节约燃料以及排放控制方面一般是有效的。
用于测量汽车废气中氧气浓度的典型气体传感器，其内部装有敏感元件。敏感元件包括一个电化学电池，此电化学电池是由固体电解质主体以及装在固体电解质主体上的一对电极制成的。电化学电池使用空气作为基准气体，用于在电极之间产生与废气中的氧气浓度成函数关系的电动势、极限电流。这样，气体传感器的结构是同时暴露在空气和废气中。特别是，气体传感器具有包括两个表面的外壁：一个表面暴露在空气中，另一个表面暴露在废气中。外壁的空气暴露表面中形成空气进入孔，空气由此进入到气体传感器的空气室中。废气暴露表面中形成气体进入孔，废气由此进入气体传感器中的测量气体室。
气体传感器具有圆柱形外壳，它部分插入发动机排气管中形成的安装孔内，用于将气体传感器固定在排气管上。外壁的空气暴露表面在排气管外部从外壳上延伸，而气体暴露表面在排气管内部从外壳上延伸。
上述类型的气体传感器通常装有不耐热的零件。例如，去水过滤器装在外壁空气暴露表面的外部，用于阻挡水侵入到气体传感器；绝缘体，它插入气体传感器主体上远离废气的开放端，用于保持从气体传感器的主体内部到外部延伸的电线或电缆，并对热敏感。去水过滤器通常由多孔树脂制成，例如四氟乙烯，并且在耐热性方面低于金属或陶瓷。绝缘体通常是树脂或橡胶制成，其耐热性方面低于金属或陶瓷。
近些年来，汽车发动机的废气排放法规变得更加严格。由于散热控制，这导致发动机废气的温度升高，从而导致气体传感器出现不希望的温度升高。在一些情况下，气体传感器的温度将超过去水过滤器或绝缘体的耐热性极限，如上所述。为了避免这个问题，气体传感器的长度可以增大，从而减小对去水过滤器或绝缘体的传热量，或者在气体传感器的表面上可以形成突起，用于增强从气体传感器主体上的热辐射。但是，考虑气体传感器的尺寸或生产成本，这些方法不是理想的。
例如，日本专利公报No.10-206373给出一种上述方法，将气体传感器延长。US6,477,877 B1描述了上述类型的气体传感器的典型结构。

因此，本发明的基本目标是避免先前技术的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种气体传感器的改进结构，用于增强从气体传感器内部到外部的热辐射，使气体传感器主体内的温度升高最小。
根据本发明的一个方面，提供一种高热辐射的气体传感器，可以应用于汽车空燃比控制或散热控制。气体传感器包括：(a)敏感元件，敏感元件暴露在被测量气体中，并且工作时产生随被测量气体中特定组分浓度变化的信号；以及(b)其中安装敏感元件的主体。主体具有外壁，外壁包括气体暴露表面和空气暴露表面。气体暴露表面将暴露在被测量气体中。空气暴露表面将暴露大气中。至少一部分空气暴露表面的辐射率为0.7或更大，从而增强从空气暴露表面的内侧到外侧的热辐射，保护气体传感器中不耐热零件不产生热损坏。
在本发明优选的模式中，至少一部分的空气暴露表面的辐射率优选为0.85或更大。
辐射率是从至少一部分空气暴露表面上发出的波长为3-25μm的电磁波的辐射与在相同温度下从理想黑体辐射体上发出的波长为3-25μm的电磁波的辐射之比。
主体的长度是从底端到与底端相对的顶端。顶端将被暴露在被测量气体中。具有辐射率为0.7或更大的至少一部分空气暴露表面占据外壁的面积，超过从底端起沿主体长度方向0.5H的范围，这里H是主体的长度。
至少一部分空气暴露表面覆盖氧化膜。
至少一部分空气暴露表面可以选择性地覆盖预选的涂层。
主体也具有内壁，内壁包括与空气暴露表面相对的内表面。至少一部分内表面的辐射率为0.7或更大。
具有辐射率为0.7或更大的至少一部分内表面占据内壁的面积，超过从底端起沿主体长度方向0.5H的范围，这里H是主体的长度。
根据本发明的第二方面，提供一种气体传感器，包括：(a)敏感元件，敏感元件暴露在被测量气体中，并且工作时产生随被测量气体中特定组分浓度变化的信号；以及(b)其中安装敏感元件的主体。主体具有外壁，外壁包括气体暴露表面和空气暴露表面。气体暴露表面将暴露在被测量气体中。空气暴露表面将暴露大气中。主体还包括内壁，内壁包括与空气暴露表面相对的内表面。至少一部分内表面的辐射率为0.7或更大，从而增强从内表面的内侧到外侧的热辐射，保护气体传感器中不耐热零件不产生热损坏。
在本发明优选的模式中，至少一部分的内表面的辐射率优选为0.85或更大。
辐射率是从至少一部分内壁上发出的波长为3-25μm的电磁波的辐射与在相同温度下从理想黑体辐射体上发出的波长为3-25μm的电磁波的辐射之比。
主体的长度是从底端到与底端相对的顶端。顶端将被暴露在被测量气体中。具有辐射率为0.7或更大的至少一部分内表面占据内壁的面积，超过从底端起沿主体长度方向0.5H的范围，这里H是主体的长度。
至少一部分内表面覆盖氧化膜。
至少一部分内表面可以选择性地覆盖预选的涂层。
在本发明的第一和第二方面中的每一个中，敏感元件包括顶端部分和与顶端部分相对的底端部分。顶端部分将暴露在被测量气体中，并且工作时产生随被测量气体中特定组分浓度变化的信号。气体传感器还包括：(a)中空的圆柱形外壳，所述外壳具有靠近敏感元件顶端部分的顶端以及靠近敏感元件底端部分的底端；(b)第一圆柱形绝缘体，敏感元件穿过第一圆柱形绝缘体，第一圆柱形绝缘体放置在外壳中，具有靠近敏感元件顶端部分的顶端以及靠近敏感元件底端部分的底端；(c)第二圆柱形绝缘体，第二圆柱形绝缘体具有靠近敏感元件底端部分的底端以及靠近敏感元件顶端部分的顶端，第二圆柱形绝缘体在其顶端处放置在第一圆柱形绝缘体的底端，用于覆盖敏感元件的底端部分；(d)被测量气体外罩，所述被测量气体外罩装在外壳的顶端，用于覆盖敏感元件的顶端部分；以及(e)空气外罩，所述空气外罩装在外壳的底端，用于覆盖敏感元件的底端部分。空气外罩将暴露在空气中，并且具有靠近敏感元件顶端的顶端以及靠近敏感元件底端的底端。空气外罩包括底部、顶部、位于底部与顶部之间的中部，以及位于底部与中部之间的肩部。肩部通过一个环形盘簧紧靠在第二圆柱形绝缘体的底端，从而形成第一和第二圆柱形绝缘体的连接。底部的直径为D1，中部的直径为D2，顶部的直径为D3。直径D1、D2和D3满足：D3＜D2＜D1以及(D1+D3)/2≤D2≤0.9D1，从而保证空气外罩、上和下绝缘体以及外壳的装配。

从本发明优选实施例的附图以及下面给出的详细描述中，将能彻底地理解本发明。但是，这并不意味着本发明受限于这些特殊实施例，而仅是为了解释和理解的目的。
在附图中：图1表示根据本发明第一实施例的气体传感器的纵向剖视图；
图2表示图1所示气体传感器装在汽车发动机排气管中的侧视图；图3表示图1所示气体传感器的一种修改的纵向剖视图；图4表示每个测试样品安装在辐射率测量装置上的视图；图5表示列举气体传感器测试样品规格和测试结果的表；图6表示根据本发明第二实施例的气体传感器的空气外罩结构的纵向剖视图；图7表示图6所示空气外罩安装的局部纵向剖视图；以及图8表示测试样品空气外罩的热辐射与空气外罩直径关系的曲线。

参看附图，在几个图中，特别是图1和2中表示出根据本发明第一实施例的气体传感器1，其中相似的参考数字表示相似的零件。气体传感器1内部包括敏感元件2，用于测量待测量气体(下面也称为被测量气体)中含有的具体气体成分的浓度。敏感元件2可以层叠类型或者杯形类型实现，这是本领域公知的。气体传感器1可以设计成测量汽车发动机废气排放中所含的NOx、CO、HC和/或O2浓度，用于发动机的空燃比控制或散热控制。下面的讨论，例如，将参照O2传感器(也称为空燃比传感器)，O2传感器用于测量发动机废气中的O2浓度。
气体传感器1具有预定长度的主体，主体具有外壁100。外壁100具有暴露在被测量气体中的气体暴露表面101和暴露在大气中的空气暴露表面102。在空气暴露表面102以及与空气暴露表面102相对的内空气暴露表面103中，其中每一个的至少一部分的辐射率大于或等于0.7，优选地大于0.85或更高，更优选地等于1.0，用以增强从气体传感器1的外壁100内侧的热辐射，使气体传感器1中耐热性差的零件的热损坏最小。空气暴露表面102和气体暴露表面103中的至少一个，其辐射率满足上述范围中的一个，这是可取的。
在使用时，从图1和2中可以清楚看出，气体传感器1装在汽车内燃机(未图示)的排气管3中。安装过程是通过将外壳10紧固在排气管3中形成的螺纹传感器安装孔(未图示)内来实现的。气体传感器1的顶部(即，附图中所示的下部)暴露在发动机的废气(即，被测量气体)中，用于测量废气中含有的氧气(O2)浓度，这用于确定发动机燃烧室(未图示)内混合物的空燃比与氧气浓度的关系。
敏感元件2本质上包括固体电解质板和固定在固体电解质板上的两个电极(未图示)。电极中的一个暴露在被测量气体环境119(即，废气)中，而另一个电极暴露在空气环境124中。空气环境124是在气体传感器1内利用周围空气形成的，周围空气在测定被测量气体环境119内的氧气浓度时被用作基准气体。这种类型的敏感元件的结构和操作在本领域内是公知的，这里省略对其的详细描述。
气体传感器1包括外壳10和敏感元件2。外壳10是由中空的圆柱形成的。敏感元件2部分装配在下绝缘瓷13中，下绝缘瓷13装在由中空圆柱形成的外壳10中。
在敏感元件2与下绝缘体13之间放置气密封材料29，用于阻止气体的流动。密封材料29形成空气环境124与被测量气体环境119之间的界面。
外壳10在其顶端装有双壁结构的保护性覆盖件11。保护性覆盖件11覆盖敏感元件2的顶部(即，图中所示的下部)，它对被测量气体中的氧气敏感。保护性覆盖件11是由外和内罩形成的，它们具有气体入孔110，被测量气体通过这些孔流入或流出保护性覆盖件11。内罩内形成被测量气体环境119。
由中空圆柱形成的上绝缘瓷14以互相对齐的方式装在下绝缘瓷13上，并覆盖敏感元件2的底部(即，从附图中看，是上部)。空气外罩121在气体传感器的使用过程中暴露在空气中，并在其一个末端焊接在外壳10的底端，用于覆盖上绝缘瓷14。
空气外罩121是由大直径部分、小直径部分以及形成在二者之间的肩部142形成的。肩部142通过环状盘簧141迫使上绝缘瓷14稳定地紧靠在下绝缘瓷13的底端。
外空气外罩122通过中空圆柱形去水过滤器125装在空气外罩121底部的外圆周上。这个安装的实现是通过将外空气外罩122卷曲，使去水过滤器125保持在空气外罩121和外空气外罩122之间。空气外罩121和外空气外罩122中具有通气孔120，由此空气可以通过去水过滤器125进入空气室124。空气室124在通向空气环境124的空气外罩121内部形成。空气外罩121具有一个打开端，打开端通过弹性绝缘支座129气密封。
敏感元件2上具有传感器信号输出和电源电极端子(未图示)，其中弹簧端子151紧靠在其尖端上。弹簧端子151在其底部伸出上绝缘瓷14之外，并通过接头152与导线153连接。导线153保持在绝缘支座129内形成的孔128中，并伸出绝缘支座129。
外壳10是由底部、中部和顶部组成。底部如上所述被焊接在空气外罩121上并具有较小的直径。顶部具有保护性覆盖件11装在其末端，并具有较小的直径。中部形成凸缘并具有较大的直径。弹簧105位于中部下表面之下。顶部在圆周表面上形成螺纹106，与排气管3中形成的传感器安装孔配合。弹簧105位于中部下表面与排气管3的外壁30之间，并作为垫圈。
气体传感器1的一部分外壁100置于排气管3内，即，保护性覆盖件11的侧壁具有气体暴露表面101。外壳10底部的侧壁、空气外罩121和外空气外罩122彼此之间共享空气暴露表面102。
空气外罩121和外空气外罩122中的每一个都是由不锈钢制成的，并且具有被氧化膜覆盖的表面，这些覆盖氧化膜的表面占据一部分外壁100和/或至少一部分内空气暴露表面103。在空气外罩121和外空气外罩122上形成氧化膜，可以通过将空气外罩121和外空气外罩122置于空气气氛中在900℃保持5小时来实现。
耐热的奥氏体不锈钢，例如SUS310或SUS316，可以用作空气外罩121和外空气外罩122的材料。氧化膜使空气外罩121和外空气外罩122的颜色变为褐色，并且外观无光泽，从而为空气外罩121和外空气外罩122提供所需的辐射率。
辐射率，即具有氧化膜的空气外罩121和外空气外罩122的外表面发出的辐射与理想黑体辐射体在相同温度下发出的辐射之比，为0.9或更大。具有氧化膜的空气外罩121的内空气暴露表面103辐射率是0.7或更大。注意，本发明中使用的辐射率，优选地是从气体传感器1主体的表面的选定部分发出的波长为3-25μm的电磁波(即，红外光)的辐射与理想黑体辐射体上发出的辐射之比。
废气的辐射热传递到保护性覆盖件11、外壳10和下绝缘瓷13上，从而导致气体传感器1的温度升高。部分热通过内空气暴露表面103传递到空气暴露表面102，并释放或辐射到气体传感器1外部。因此，增大内空气暴露表面103和空气暴露表面102的辐射率，导致从气体传感器1内部到外部的热传导和热辐射增强，从而减少留在气体传感器1内的热量，使气体传感器1内的温度升高处于最小程度。
去水过滤器125是由四氟乙烯制成的。绝缘支座129是由碳氟橡胶制成的。
通常，汽车发动机废气的最大温度约800℃。气体传感器1，如上所述，在使用过程中被废气加热到最低300℃，最高600℃。如图1所示位于排气管3外部的外壳10的外围部分A(即，凸缘)，其最高耐热约600℃。气体传感器1的部分B(即，外空气外罩122)的最高耐热约300℃。
当置于300℃到600℃的温度下时，气体传感器1的空气暴露部分(即，外壳10，空气外罩121，等等)通常发出波长约为3-25μm的电磁波(即，红外光)。如果包括空气外罩121的外表面和内空气暴露表面103在内的空气暴露表面102被氧化，但外观保持发光或有光泽，并具有较低的辐射率，则将使气体传感器1的温度升高到不希望出现的程度，如下所述，这可以导致去水过滤器125和弹性绝缘支座129的热损坏。此实施例中气体传感器1的空气外罩121如上所述表面具有氧化膜，以具有至少为0.7的辐射率，从而使气体传感器1内的温度升高最小。除了氧化膜以外，空气外罩121和/或外空气外罩122可以至少部分覆盖黑色涂层(如，日本Sensor Corporation生产的高温黑体涂层JSC-3)，以具有0.7或更大的辐射率。
部分环绕空气外罩121周围的外空气外罩122也可以是，如图3所示，伸出到上绝缘瓷14。在此结构的气体传感器1中，仅有一部分空气暴露表面102，如104所示，可以具有0.7或更大的辐射率，而其它部分可以具有小于0.7的辐射率。
空气暴露表面102的部分104，其长度是从气体传感器1的底端(即，图中所示的上端)开始沿其纵向延伸0.5H或大于0.5H，这里H是空气暴露表面102沿气体传感器1纵向的整个长度。
弹性绝缘支座129和去水过滤器125的耐热性比气体传感器1其它部分的低。弹性绝缘支座129，如上所述，气密封地装在空气外罩121的底端。去水过滤器125置于外空气外罩122的内部，以允许空气进入气体传感器1(即，空气环境124)。特别是，弹性绝缘支座129和去水过滤器125位于气体传感器1远离热源(即，排气管3中的废气)的底端。防止弹性绝缘支座129和去水过滤器125热损坏的理想保护是通过使从气体传感器1底端延伸0.5H范围内的一部分气体传感器1的辐射率为0.7或更大，从而使气体传感器1底部的温度升高最小来实现。
如上所述本发明的有益效果也可以通过仅使空气暴露表面102和内空气暴露表面103中的一个具有辐射率为0.7或更大来实现。辐射率的增大，如同已经描述的，也可以通过在气体传感器1所需部分上喷涂或火焰喷涂黑色或暗褐色耐热涂层或铁氧体沉积物。并且，所需部分可以选择性地火焰喷涂耐高温的合金，例如镍铬合金，并接着在高温下氧化。
我们制备了具有不同的辐射率和不同的高辐射面积的气体传感器1的样品，并在气体传感器1内的温度升高被减小的程度方面对样品进行测试。
样品No.0是基准样品，其中空气外罩121、外空气外罩122和外壳10被加热并且颜色从褐色变成暗褐色，但外观保持有光泽。
每个样品No.1到No.8是由三种类型组成：第一种是仅有空气暴露表面102具有选择的辐射率，第二种是仅有内空气暴露表面103具有选择的辐射率，第三种是空气暴露表面102和内空气暴露表面103都有选择的辐射率。
样品No.1具有颜色为褐色并且略微有光泽。样品No.2到5的颜色为暗褐色并且外观无光泽的空气外罩121、外空气外罩122和外壳10。样品No.6在900℃加热5小时，从而其颜色比样品No.2到5更深，外观无光泽。样品No.8的空气外罩121、外空气外罩122和外壳10被日本SensorCorporation生产的高温黑体涂层JSC-3覆盖。
样品No.1、2以及6到8中每一个样品的辐射率从其底端到顶端是均匀的，或者在空气暴露表面102和内空气暴露表面103上是均匀的。每个辐射率的范围利用空气暴露表面102的长度H表示在表中，如图5所示。
每个样品No.3到5在空气暴露表面102和内空气暴露表面103的选择区域上的辐射率为0.7。特别是，第一类型的样品No.3在空气暴露表面102上、从其底端开始0.7H范围内的区域上的辐射率为0.7。第二类型的样品No.3在内空气暴露表面103上、从其底端开始0.7H范围内的区域上的辐射率为0.7。第三类型的样品No.3同时在空气暴露表面102和内空气暴露表面103上、从其底端开始0.7H范围内的区域上的辐射率为0.7。同样地，样品No.4在从其底端开始0.5H范围内的区域上的辐射率为0.7。样品No.5在从其底端开始0.3H范围内的区域上的辐射率为0.7。
每个样品No.1到8的辐射率，如表所示，是使用可买得到的红外辐射率测试仪在三个不同位置上测量的辐射率的平均值。
样品No.1到8的辐射率利用以下的方式进行测量。
首先，每个样品，如图4中的数字1所示，插入静止固定板4的安装孔41中。将固定板4加热到其外表面40的温度为800℃。将样品保持在此状态下30分钟，使样品基准部分42的温度稳定后，利用上面固定的热电偶测量基准部分42的温度。基准部分42位于离开样品底端t为10mm距离的位置。从图中看，空气暴露表面102位于固定板4的左侧，而气体暴露表面101位于固定板4的右侧。基准样品No.0的温度在表中用作评价标准。每个样品No.1到8与评价标准的温度差利用符号A、B和C表示在表中。“A”代表绝对值小于10℃的不可接受温度差。“B”代表绝对值小于15℃的可接受温度差。“C”代表绝对值大于15℃的高度可接受温度差。
表中表示出，等于0.7或更大的辐射率用于按需要减小基准部分42的温度升高。
从样品No.2到5中还发现，在从气体传感器1的底端开始0.5H或更大范围内更加优选提供0.7或更大的辐射率。
下面将参考图6到8描述本发明第二实施例的气体传感器1。
此实施例的气体传感器1在结构上与图1和2所示的实施例完全相同，因此除了下面的描述外，将省略对其的详细解释。
如图6所示，空气外罩121由大直径部分125、中直径部分126和小直径部分127形成。大直径部分125、中直径部分126和小直径部分127的内径分别为D1、D2和D3。直径D1、D2和D3满足：D3＜D2＜D1以及(D1+D3)/2≤D2≤0.9D1。直径D1、D2和D3分别是在部分125、126和127的垂直于气体传感器1纵向中心线的横截面上，穿过横截面的中心在部分125、126和127的内壁上径向相对两点之间的最大距离。
我们制备了气体传感器1的两种类型样品，并进行测试，以便评估从空气外罩121上的热辐射。第一类型样品的D1为20mm，D3为10mm，但D2互不相同。第二类型样品的D1为18mm，D3为10mm，但D2互不相同。我们按与上述第一实施例相同的方式测量第一和第二类型样品的温度。测试结果表示在图8的曲线中。注意，固定板4的外表面40的温度为800℃。
内径D2为10mm的第一类型样品中的一个样品的温度，在曲线中被当作每个第一类型样品的评价标准。同样地，内径D2为10mm的第二类型样品中的一个样品的温度，在曲线中被当作每个第二类型样品的评价标准。每个第一和第二类型样品与评价标准对应的一个样品之间的温度差，表示在纵轴上。
在第一类型样品中，(D1+D3)/2为5mm。在第二类型样品中，(D1+D3)/2是14mm。图8的曲线表示，为了达到形成温度差为10℃或大于10℃的热辐射，空气外罩121满足如下条件是可取的：(D1+D3)/2≤D2。
与第一实施例相似，空气外罩121装在外壳10上，通过环形盘状弹簧141紧靠在上绝缘瓷14上。空气外罩121的肩部142弹性地压紧盘状弹簧141，使其与上绝缘瓷14的肩部140固定接触。将盘状弹簧141固定在肩部140上，需要大直径部分125与中直径部分126之间形成一定的直径差。我们测量了第一和第二类型样品中的这些差值，发现约16mm和18mm或更大的数值，对于空气外罩121的安装或盘状弹簧141分别固定在第一和第二类型样品中的上绝缘瓷14上，是不合适的。空气外罩121满足条件D2≤0.9D1是可取的。
虽然为了更好地理解本发明，已经按照优选的实施例描述了本发明，但应该理解的是，在不偏本发明原理的条件下，本发明可以以多种方式实施。因此，本发明应该被理解成，本发明包括在不偏离如权利要求提出的本发明原理的条件下可以实施的所有可能实施例和对图示实施例的修改。