KR0169126B1 - 가스감지기 - Google Patents
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Abstract
대기내의 할로겐 가스 특히 HFC's 의 존재를 선택적으로 감지하는 감지기. 장치는 두개가 도기내에 공핍층을 형성하도록 함께 놓었을 때 할로겐 가스의 이온과 작용하는 알칼리 금속규산염과 알루미늄 산화물이나 알루미노실리케이트의 혼합물을 포함하는 도기요소를 포함한다. 감지기는 공핍층을 가로지르는 포랜셜 차이를 검출하기 위해 회로안에 연결된 단자를 갖는 도기의 반대측부에 두 전극으로 형성된다. 수단이 포랜셜 차이를 검출하고 그것에 반응하는 구별할 수 있는 신호를 만들도록 갖춰진다.
Description
제1도는 개략적으로 도시된 회로내에 연결된 도시된 발명을 실시하는 감지기의 사시도.
제2도는 제1도에 도시된 것처럼 감지기를 통해 본 확대된 세로 횡단면도.
제3도는 본 발명을 실시하는 마이크로일렉트로닉(micro-electronic)기술로 구축된 감지기의 다른 실시예를 도시하는 다른 실시예의 사시도.
제4도는 제3도에 도시된 감지기의 성분부품을 도시하는 부품분해사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 감지기 11 : 감지요소
14, 114 : 음극 16 : 양극
22, 122 : 암메타(emmeter) 111 : 도기
114 : 전극 116 : 가열요소
119 : 간섭공간 123 : 도자기층
124 : 노치(notch)
본 발명은 대기내의 가스 특히 하이드로플루토카본(hydro-fluorcarbons)(HFC's)와 설퍼 헥사플루오라이드(sulphur hexa-fluoride)와 같은 냉각가스의 존재를 선택적으로 검출하는 개선된 고체상태 감지장치에 관한 것이다.
대기내에 특정한 가스나 증기의 존재를 검출해 낼 필요가 있는 많은 경우가 있다. 가느나 증기나 인간건강에 해로와서 가스나 증기농도가 어떤 문턱수준을 넘지않도록 하기 위해 작업환경을 감시하는 것이 필요할 때가 있다. 또는 오기능을 표시하는 누출 가능성이 있는 압축된 장비를 검사하기 원할 때도 있다. 검출해 낼 수 있는 가스나 증기의 특별한 형태는 냉각제나 불소화제로 사용되는 것과 같은 할로겐함유 가스이다. 적절한 작동을 위해 냉장고, 에어컨디셔너, 소화장비로부터의 누출은 안되거나 최소한으로 되어야 한다. 그리하여 누출이 될 가능성이 있는 성분이나 최종 조립체를 검사할 필요가 있다.
넓게 사용되고 있는 클로로플루오로카본(chlorofluorocarbon)(CFC)냉각제 R-12와 R-11과 불소화제 할로(HALON) 1301과 할론 1211은 상부 대기내의 오존을 파괴할 퍼텐셜(potential)때문에 국제조약에서 언격히 규제되거나 제거되어가고 있는 염소화 및 브롬화된 화합물의 그룹중에 속한다. 대부분의 사용시 이러한 물질의 대체물은 오존을 없앨 퍼텐셜이 없는 하이드로플루오로 카본이나 오존을 없애는 퍼텐셜을 상당히 줄이는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC's)이다. 예를 들어, HFC, R-134a는 엄격한 누출실험이 장비의 적절한 성능을 보장하기 위해 요구되는 냉장고나 에어컨디셔나와 같은 장비에서의 R-12를 교체하고 있다.
누출을 검출해내는 적절한 수단은 오존을 없애지 않는 화학제품을 만드는 회사로 이 산업을 전환하는 중요한 요인이 된다. 현재 상태기술의 가스감지기는 불소화와 브롬화 가스(CFC,s, HCFC's 와 HALONS)를 검출해내는데 매우 효과적이지만 HFC's 를 검출해내는데는 적절히 않다.
대기내의 가스나 증기를 검출하는 종래기술의 감지기는 다수의 다른 검출원리를 사용해왔다. 이것들은 1) 샘플로 되는 대기의 열전도도의 변화로 기인하는 회로성분으로부터의 열손실율에서의 측정변화 2) 낮은 에너지 전자에 노출되었을 때 문제되는 가스로 형성된 이온을 측정하는 전자포획방법 3) 문제되는 가스가 강한 자기장하에서 금속표면으로부터 양이온의 방출을 용이케 하는 양이온 방출방법 4) 문제되는 가스가 표면공핍층내의 종류를 운반하는 전하농도를 바꾸어서 감지기의 내부저항을 변경하는 공핍층 방법을 포함한다.
이러한 종래기술 감지기 모두는 HFC's를 검출하는데 문제가 있다. 열전도 감지기는 주어진 가스에 대해 특정적이지 못해 잘못된 반응을 하기도 한다. 또한 다른 형태의 검출기만한 높은 민감도를 가지지 못한다. 전자포획 검출기는 특별한 조작을 필요로 하고 대부분의 경우 정부로부터 면허를 받아야만 하는 방사능 원을 사용한다. 종래기술 양이온 방출과 표면공핍층 검출기는 HFC's에 매우 낮은 민감도를 갖는다. HFC's에 민감도를 증가시키는 한 방법은 감지기 작동온도를 증가시키는 것이다. 그러나 이것은 감지기의 수명을 상당히 줄이고 다른 가스 특히 염소화 및 브롬화 가스에 대한 민감도를 크게 증가시키는 역화과를 갖는다. 대기에 있는 소량의 불순물에 대한 큰 민감도를 현존하는 감지기로 HFC's를 검출하는데 알맞지 않게 한다.
대기내의 많은 원하지 않은 가스와 증기의 존재를 검출하는 능력을 가진 고체상태 감지기는 미국특허 제 3,751,968호를 제출한 로(Loh)에 의해 발표되었다. 가스와 증기의 음이온을 쉽게 받아들이는 알칼리 금속이온을 포함하는 고체상태요소는 반응적으로 접촉하게 된다. 요소는 특히 이온을 없애는 경계를 따라 외부층을 형성하도록 한다. 반응가스와 증기가 없는 대기내에서 가열된 요소의 전도도는 매우 낮다. 그러나 하나나 그이상의 반응가스와 증기의 존재는 이온으로 하여금 공핍경계를 가로질러 흐르게 하고 요소의 전도도를 증가시킨다. 전기회로수단이 요소의 전도도의 증가를 검출하고 실험되는 대기내의 반응성분의 존재를 표시하는 신호를 내도록 갖춰진다.
로(Loh)형태 장치는 특정한 대기내의 할로겐 가스의 존재나 부존재를 감지하는 극도로 유용한 공구임이 증명되었다. 특별한 적용은 작동실이나 유사한 것내의 잠재적으로 위험한 가스의 존재나 냉각장비내의 누출검출을 포함한다. 그러나 많은 실험되는 대기는 감지되는 요소와 작용하는 하나 이상의 성분을 포함하게 되어 원하지 않는 간섭신호가 가끔 생성되어 직접적으로 문제되는 하나의 가스나 증기의 존재를 구별하기 어렵게 한다. 공기내에 보통 있는 수증기는 감지기를 작동시키게 하고 공기샘플이 요구될때 귀찮은 존재가 된다. 트리클로로에틸렌(tricholoroethylene)과 같은 청정용매를 포함하는 하이드로카본과 불소원자는 산업환경에서 공통적으로 발견되는 귀찮은 백그라운드 가스이다. 대부분의 종래 기술감지기나 HFC's나 설퍼 헥사플로오라이드와 같은 불소나 브룸원자를 포함하지 않는 가스에 낮은 민감도를 가지므로 이러한 가스의 존재 특히 간섭하는 가스가 존재할 때 검출하기가 거의 불가능하였다. 장치는 700℃와 800℃ 사이의 범위에서 재래식으로 작동되었다. 감지기 작동온도를 증가시킬 뿐 아니라 원하지 않는 간섭신호로 증폭시켜 어떠한 잠재적 이득도 없애게 한다.
증가된 작동온도는 또한 감지기의 유용한 수명도 상당히 감소시킨다.
그러므로 비교적 긴 작동수명을 갖고 사용시 빨리 망가지지 않는 할로겐 포함 가스 특히 HFC's의 개선된 검출기를 갖추는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 또다른 목적은 브롬과 불소포함 가스(할론, CFC/s 와 HFC's와 같은)에도 민감한 할로겐 포함가스용의 개선된 검출기를 갖추는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 불소화 또는 브롬화된 가스불순물이 낮은 수준으로 존재시 R-134a와 같은 불소포함가스를 검출하기에 충분한 선택도를 가진 할로겐 포함가스용 개선된 검출기를 갖추는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 높아진 민감도를 갖고 자동기술로 비싸지 않은 가격으로 대량생산할 수 있는 할로겐 포함가스용 소형화된 고체상태 검출기를 갖추는 것이다.
발명의 부가적인 목적과 장점은 첨부된 도면과 관련하여 볼 때 여기에 제시된 기술로부터 기술에 익숙한 사람에게 명백해질 것이다.
발명의 선호된 실시예와 그들의 기능방식의 특정한 상세함은 첨부된 도면과 함께 명백간결 정확한 용어로 특히 명료해질 것이다.
도면의 제1도와 제2도를 특히 참조할 때 일반적으로 (10)으로 표시된 감지기는 대칭적 모양을 갖고 있다. 이 도시된 선호된 실시예는 할로겐 포함가스를 감지하도록 도시되었으며 감지요소(11)는 유리도기물질로 되어있다. 본 발명에서, 도기는 선호적으로 알칼리 금속 규산염의 혼합물과 알루미늄 및/혹은 실리콘의 산화물로 구성되거나 알루미노실리케이트(alumino-silicate)로 구성된다. 도기는 음극(14)과 양극(16)사이에 전기가 통하지 않는 층을 이룬다. 전극은 플라티늄(piatinum), 팔라디움(palladium), 플라티늄이나 팔라디움의 혼합물 또는 높은 작동 온도에 견딜 수 있는 금속이다. 선호된 도기성분은 칼륨 규산염이나 나트륨 규산염 그리고 실리콘 다이옥사이드나 알루미늄 산화물의 혼합물이다. 최대로 선호되는 성분은 칼륨 규산염과 알루미늄 산화물의 혼합물이다. 다양한 중량비율이 사용된다. 중량으로, 약 0.25와 4.0배의 칼륨 규산염 사이까지의 중량으로 한배의 알루미늄 산화물의 중량율은 발명의 실제에 사용된다.
선호된 율은 중량으로 약 1.5와 2.5배의 칼륨 규산염사이까지의 중량으로 한배의 알루미늄 옥사이드이다. 칼륨 규산염의 성분은 중요하지 않고 약 1.6과 2.5배 실리콘 다이옥사이드사이까지의 한배의 칼륨 산화물의 중량비가 사용된다. 특히 유용한 형태의 칼륨 규산염은 카실(KASIL)(PQ 코포레이션, 밸리포지, 펜실바니아) 액체칼륨 규산염이다. 예제로써 KASIL(등록상표) 33 (PQ 코포레이션, 밸리포지, 펜실바니아)는 2.1의 칼륨 산화물 중량률에 실리콘 다이옥사이를 가진 중량으로 36%의 고체를 포함하는 수용액이다.
알루미늄 산화물, 실리콘 다이옥사이드 및/혹은 알루미노실리케이드는 입자크기가 변한다. 전형적인 평균입자크기는 15마이크론(micron)보다 적다. 선호된 평균입자크기는 1 마이크론보다 적다.
히터코일(heater coil)(16)도 또한 양극역할을 한다. 분리된 전도요소는 발명의 정신을 벗어나지 않고 양극으로 작용할 수 있다는 것은 기술에 익숙한 사람에게 이해된다.
음극은 전형적으로 직경이 약 5에서 25 밀(mill)이고 길이가 약 ¼에서 1인치로 변하는 선이다. 양극/가열요소는 전형적으로 직경이 약5 에서 15밀이고 길이가 약 2에서 5인치로 변하는 선이다. 이러한 치수는 중요하지 않고 다른 선크기가 사용될 수 있다.
발명의 한 실시예에서 감지기는 칼륨 규산염과 알루미늄산화물로 만들어진 슬러리(slurry)를 가진 중앙 플라티늄 전극을 코팅하므로서 만들어진다. 다른 방법으로 슬러리는 알루미노 실리케이트로부터 만들어진다. 코팅이 마르게 되면 코팅된 선은 원통형의 나선모양으로 형성된 플라티늄선 양극의 코일안에 위치한다. 부가적인 슬러리는 슬러리의 제1층과 양극코일사이의 어떤 틈새를 채우도록 가해지고 조립체는 그때 구워진다. 선호된 굽는 온도는 600에서 1300℃ 범위에 있는 굽는 단계는 생략 되겠다. 그러나 공급층을 형성하는데 필요한 부가되는 조절단계의 길이는 연장될 것이다. 감지기 요소는 감지기를 통해 흐르는 전류를 감시하고 전극을 가로질러 바이어스(bise) 퍼텐셜을 가하고 히터를 작동시키는 감지기에 전류를 흐르게 하는 전기적으로 격리된 유도도선을 가진 알맞은 호울더안에 장착된다. 감지기는 중앙전극과 히터코일의 하나의 유도도선사이에 직류전압을 동시에 가하고 600서 1000℃의 코일온도를 만들기 충분한 양극 히터코일을 통해 전류를 통과시키므로서 조절된다. 0.5와 5 볼트사이의 바이어스 전압은 중앙전극이 히터코일에 관해 음이 되도록 가해진다. 공핍층은 전극사이를 흐르는 전류에 의해 도기내에 형성된다. 전류는 조절되는 첫번째 몇시간 동안 빨리 감소하나 약 24시간내에 안정화되는데 이것은 공핍층이 형성되었음을 표시한다.
그후, 장치의 작동시 암메타(ammeter)(22)나 단자(15 와 16)사이의 전류흐름에 감응하는 유사한 장치는 회로에 배열된다. 암메타(22)는 감지기(10)와 바이어스 전압전원공급(20)과 일렬으로 배열된 것처럼 제1도에 도시적으로 도시되어있다. 할로겐 포함가스가 감지기(10)에 인접한 대기에 있다면, 감지요소를 통해 흐르는 전류는 증가하고 그 증가는 미터를 읽을 때 변화된 것으로 표시된다.
이러한 물질로 만들어진 감지기는 비교적 긴 시간동안 800과 1,100℃ 사이의 온도에서 작동된다. 이 온도에서 HFC's (R-134a와 같은)에 감응과 CFC's (R-12와 같은)의 감응의 비율은 HFC's가 CFC's의 낮은 백그라운드 수준의 존재내에서 검출되기 충분하도록 낮다. 이러한 감지기는 그러므로 CFC's, HFC's와 할론뿐 아니라 HFC's를 검출하는 이중목적을 갖는다.
발명의 다른 실시예에서, 감지기는 마이크로일렉트로닉스 산업에 알려진 기술로 많은 양을 비싸지 않게 제조되는 작은 평면구조물의 형태이다. 도면의 제3도와 제4도를 참조하며 제1도와 제2도에 있는 유사한 성분이 100만큼 더해진 수를 갖는다.
가열요소(116)는 밑에 놓인 도기(111)가 노출된 간섭공간(119)을 만드는 S자모양 권선으로 도기(111)위에 놓인 얇은 금속필름이다.
도기(111)는 가열요소의 평면금속필름인 음극(114)사이에 장벽을 형성하는 평면층으로 갖춰진다. 도자기층(123)의 층은 조립체의 지지물로 기능하는 음극밑에 있다. 알맞은 구멍(124)과 음극에서 전기적 접촉점(115)에 이를 수 있는 가열요소층내에 갖춰진다.
감지기는 0.5에서 5.0 볼트의 바이아스 직류전압을 가로지르는 가열요소(116)와 음극단자(115)를 연결하므로써 도기(111) 인접한 표면위에 필요한 공핍층을 형성하므로써 위에 기술된 것처럼 조절되며 음극은 500℃를 넘게 코일온도를 만들도록 히터전원공급에 가열요소단자(116 과 116')를 연결하므로써 가열요소에 관해 음이된다. 그후 장치의 작동시 암메타(123) 또는 단자(115와 116)사이의 전류흐름에 감응하는 유사한 장치가 회로내에 배열된다. 암메타(122)는 감지기(110)와 바이아스 전압전원공급(120)과 일련으로 배열된 것처럼 제3도에 예제적으로 도시된다.
할로겐 포함가스가 감지기(110)에 인접한 대기에 존재한다면 감지요소를 흐르는 전류는 암메타에 즉각적으로 표시될 것처럼 증가한다.
도면의 제3도와 제4도를 다시 참조할 때 평면적 감지기는 스크린 인쇄에 의해 만들어지며 도기기층(123)위에 제1의 전도전극층(114)은 플라티늄의 두꺼운 필름잉크를 사용한다. 마르고 이 층을 구운 후, 도기유전층(111)은 묻혀진 전극(114)을 위해 전기적 접촉(115)을 하도록 노치(124)를 갖춘 문양으로 그위에 스크린 인쇄된다. 이 마지막 층이 마르고 건조된다. 그후에 제2의 전극/가열문양(116)이 플라티늄의 두꺼운 필름잉크를 사용하여 표면위에 스크린 인쇄된다. 마지막 층은 그때 마르고 구워진다.
평면적 구조의 많은 변형이 가능하다. 이 변형의 하나는 전극의 기능으로부터 가열기의 기능을 분리하는 것이다. 그러한 구조에서 제2의 전극과 히터요소문양은 분리된 층으로 보충된다. 히터는 전기적으로 절연되는 층에 의해 제1전극으로부터 분리되고 제1전극으로 같은 측부위의 도기기층에 인접하거나 도기기층에 묻힌 제1전극으로부터 도기기층이 반대측부위에 있게 된다.
다양한 층의 응용방법은 스크린 인쇄에 제한되지 않고 스퍼터(sputter)석출, 증기석출, 플라즈마 뿌리고, 스핀 코팅이나 어떠 다른 알맞은 수단을 포함할 수 있다.
발명이 선호된 실시예를 참조로 도면에 도시되고 명세서에 기술되는 동안 다양한 변화가 만들어지고 동등한 것이 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않고 발명의 요소로 대치될 수 있다는 것이 기술에 익숙한 사람에게 이해될 것이다.
Claims (9)
- (a) 양극수단; (b) 음극수단; (c) 언급된 장치가 최소한 약 800℃에서 작동될 때 염소나 브롬을 포함하는 가스의 존재시 불소포함가스와 선택적으로 작용하는 언급한 음극수단과 언급한 양극수단사이에 끼워진 도기; (d) 원하는 수준으로 언급된 도기의 온도를 높이는 가열수단 ; (e) 언급된 양극수단에 관해 언급된 음극수단을 음으로 유지하는 언급한 음극수단과 언급한 양극수단을 가로질러 연결된 전기 회로수단; (f) 주어진 가스와 언급한 도기가 작용할 때 표시하는 언급한 전기회로수단에 연결된 전기적 측정수단; (g) 언급한 전기적 가열요소수단에 연결된 전기적 전원수단; 을 구성하는 대기내에 포함된 할로겐 가스의 존재를 검출하는 고체상태 전기화학적 장치.
- 제1항에 있어서, 언급한 도기가 알칼리 금속규산염과 알루미늄 산화물의 혼합물을 구성하는 장치.
- 제1항에 있어서, 언급한 도기가 중량으로 1배의 알루미늄 산화물에 중량으로 약 0.25-4.0배의 칼륨 규산염사이의 율로 칼륨 규산염과 알루미늄 산화물의 혼합물을 구성하는 장치.
- 제1항에 있어서, 언급한 도기가 중량으로 1배의 알루미늄 산화물에 중량으로 약 1.5-2.5 배의 칼륨 규산염사이의 율로 칼륨 규산염과 알루미늄 산화물의 혼합물을 구성하는 장치.
- 제1항에 있어서, 언급한 도기가 알루미늄 실리케이트를 구성하는 장치.
- 제1항에 있어서, 언급한 음극수단 직경이 약 5에서 25밀이고 길이고 약 ¼(15)에서 1인치 사이에 있는 전기전도선을 구성하고 언급한 양극수단이 직경이 약 5에서 15밀이고 길이가 약 2에서 5인치사이인 전기전도선을 구성하는 장치.
- 제1항에 있어서, 언급된 도기는 언급된 장치가 약 800°보다 적은 온도에서 작동될 때 주어진 할로겐 가스와 작용하는 장치.
- 제1항에 있어서, 언급된 장치가 평면적 구조로 만들어지고 언급된 가열요소수단은 언급한 장치의 하나의 표면위로 회전된 S자 곡선형태로 배열된 전도필름을 구성하고 언급한 음극수단은 전도필름을 구성하고 언급한 양극수단은 언급한 도기에 의해 언급한 도기에 의해 언급한 음극수단으로부터 분리되는 필름을 구성하는 장치.
- 제8항에 있어서, 언급한 제1전도필름과 언급한 제3전도필름은 언급한 도기에 의해 언급한 음극수단으로부터 분리되고 S자 곡선형태로 배열된 하나의 전도필름을 구성하는 장치.
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