KR100422999B1 - 가스센서의센서소자용시일 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소 기관의 배기 가스 내의 산소 함유량을 측정하는 가스 센서(10)의 센서 소자(27)용 시일을 제안한다. 상기 시일은 두 개 이상의 시일 부재(36, 37, 38)로 구성되며, 하우징(12)의 종방향 구멍(15) 내에 삽입되는 한 개의 시일 배열(35)로 형성되며, 상기 경우에 한쪽의 시일 부재(36, 38)가 스테아타이트로 이루어지며, 다른 쪽의 시일 부재(37)가 육방결정계의 질화 붕소로 형성되어 있다.

Description

가스 센서의 센서 소자용 시일{Seal for a sensor component of a gas sensor}
상기 종류의 시일은 독일 연방 공화국 특허 출원 공개 제 34 18 789 호 명세서에서 공지이며, 상기의 경우 센서 소자는 두 개의 시일체와 상기 시일체 사이에 배치된 변형 가능한 부가 시일에 의해서 하우징의 세로 구멍 내에 배치되고 있다. 양쪽의 시일체는 마그네슘-알루미늄-규산염(Mg-Al-Silicate: 스테아타이트)으로 형성된다. 부가 시일을 위한 재료로서는 미리 압축된 금속 분말 또는 그래파이트가 사용된다.
본 발명은 청구 범위 제 1 항의 상위 개념에 기재된 가스 센서의 센서 소자용 시일에 관련된다.
도 1은 제 1 실시예의 시일 배열의 가스 센서의 단면도.
도 2는 제 2 실시예의 시일 배열의 가스 센서의 도면.
도 3은 제 2 실시예의 시일 배열의 가스 센서의 도면.
제 1 항에 기재된 특징을 구비한 본 발명에 의한 시일이 가지는 이점은 기밀일 뿐만 아니라 액체, 특히 연료에 대해서도 불침투성이며, 또한 부가적으로 높은 내열성을 가지는 데 있다.
제 2 항 이하에 기재된 수단에 의하면 제 1 항에 기재된 시일의 구성을 유리하게 한정하는 것이 가능하게 된다. 미리 소결된 상태의 스테아타이트(steatite)의시일체와 열간 프레스된 상태의 질화 붕소의 시일체가 시일용으로 사용되며, 조립시에 힘의 작용에 의해 시일체 재료가 센서 소자 및 하우징에 맞닿아서 센서 소자가 하우징 내에서 기밀로 유지되도록 변형되게 하면 시일의 조립 조작을 양호하게 수행할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 가스 센서(10), 예컨대 전기 화학적인 산소 센서를 도시하며, 상기 센서는 도시가 생략된 측정 가스관 내로 부착하기 위한 고정 수단으로서 나사(13)를 구비한 금속 하우징(12)을 가진다. 상기 하우징(12)은 어깨 형상의 환상면(16)을 구비한 종방향 구멍(15)을 가진다. 어깨 형상의 환상면상에는 예컨대, 금속제의 시일 링(18)이 있으며, 그 위에 측정 가스측의 세라믹 성형부(21)가 맞닿고 있다. 측정 가스측의 세라믹 성형부(21)는 종방향 구멍(15)의 방향으로 관통해서 연장되고 있는 측정 가스측의 관통 개구(22)를 구비한다.
측정 가스측의 세라믹 성형부(21)로부터 일정한 간격을 두고, 또한 종방향 구멍(15) 내에 세라믹 성형부(23)가 접속측에 배치되어 있다. 접속측의 세라믹 성형부(23)는 마찬가지로 종방향 구멍(15)의 방향으로 관통해서 연장되며 중앙에 배치되어 있는 접속측의 관통 개구(24)를 구비한다. 측정 가스측의 세라믹성형부(21)의 측정 가스측의 관통 개구(22)와 접속측의 세라믹 성형부(23)의 접속측의 관통 개구(24)와는 서로 일직선으로 정렬되어 있다. 관통 개구(22, 24) 내에는 측정 가스측의 단부(28)와 접속측의 단부(29)를 구비한 작은 판 형상의 한 개의 센서 소자(27)가 배치된다.
센서 소자(27)의 측정 가스측의 단부(28)는 하우징(12)으로부터 돌출되어 있으며, 하우징(12)에 고정된 보호관(31)에 의해서 둘러싸여 있다. 상기 보호관(31)은 측정해야 하는 가스를 위한 유입, 유출구(32)를 구비한다. 접속측의 단부(29)는 역시 하우징(12)에서 돌출하고 있는 접속 접점(34)을 구비한다. 이들 접속 접점(34)은 접속 케이블을 구비한 도시가 생략된 접점 플러그에 접속된다. 하우징(12)에서 돌출하는 접속측의 단부(29)는 상기 단부(29)를 주위의 영향으로부터 보호하는 도시가 생략된 쟈켓으로 둘러싸여 있다.
측정 가스측의 세라믹 성형부(21)와 접속측의 세라믹 성형부(23) 사이에는 시일 배열(35; seal arrangement)이 설치되며, 상기 시일 배열은 제 1 시일 부재(36), 제 2 시일 부재(37) 및 제 3 시일 부재(38)로 구성된다. 제 1 시일 부재(36)는 스테아타이트로 구성되어 있으며, 측정 가스측의 세라믹 성형부(21) 상에 착좌하고 있다. 이에 이어, 육방결정계의 질화 붕소로 이루어지는 제 2 시일 부재(37)가 배치되어 있다. 제 2 시일 부재(37)의 위쪽에는 마찬가지로 스테아타이트로 이루어지는 제 3 시일 부재(38)가 배치되어 있다. 접속측의 세라믹 형성부(23)는 제 3 시일 부재(38)를 누르며, 접촉력이 접속측의 세라믹 형성부(23)와 금속 슬리브(40)에 의해 발생되어진다. 상기 금속 슬리브(40)는 예를 들어 균일하게 이격된 다수의 대향 압입 성형부(41, claw)를 구비하고 있으며, 이들 압입 성형부는 하우징(12)에 형성된 홈(42) 내에 걸어 맞춤되어 있다. 그러나, 금속 슬리브(40)는 하우징(12)에 용접되는 것도 고려될 수 있다.
제 2 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 본 실시예에서 시일 배열(35)은 제 2 시일 부재(37)와 제 3 시일 부재(38)만으로 형성된다. 질화 붕소로 이루어지는 제 2 시일 부재(37)는 측정 가스측의 세라믹 형성부(21)를 직접 누른다.
도 3에 도시된 제 3 실시예에서는 시일 배열(35)은 제 1 시일 부재(36)와 제 2 시일 부재(37)로 형성된다. 이 경우 접속측의 세라믹 성형부(23)는 질화 붕소로 이루어지는 제 2 시일 부재(37) 상에 직접 맞닿고 있다.
스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(36, 38)의 체적이 질화 붕소로 이루어지는 시일 부재(37)의 체적의 거의 두 배이면 효과적이라는 것이 판명되었다. 이 때문에 도 1에 도시된 실시예에서는 시일 부재(36, 37, 38)의 각각의 두께는 거의 같다. 이것에 대해서 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서는 제 1 시일 부재(36) 또는 제 3 시일 부재(38)가 질화 붕소로 이루어지는 제 2 시일 부재(37)에 비해서 거의 두 배의 두께로 형성되어 있다.
스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(36, 38)는 하우징(12)의 종방향 구멍(15)내에서 조립되기 전에, 예를 들어, 500 ℃의 비교적 저온으로 소결에 의해 링으로 사전-성형(preform)되어 있다. 이에 대해, 육방결정계의 질화 붕소로 이루어지는 제 2 시일 부재(37)는 약 2000 ℃에서 열간 프레스된다. 이와 같이 하여 형성된 링 형상의 시일 부재(36, 37, 38)는 각각의 실시예에 상응해서 센서 소자(27)를 이미 수용하고 있는 종방향 구멍(15) 내에 삽입된다. 이어서 서로 대응하게 형성된 시일 배열(35)의 위쪽에 접속측의 세라믹 성형부(23)가 배치된다. 그런 후에 접속측의 세라믹 성형부 상에 금속 슬리브(40)가 장착된다. 이어서 예를 들어 프레스 공구(die)에 의해서 접속측의 세라믹 성형부(23)를 거쳐서 시일 배열(35)의 시일 부재(36, 37, 38)로 작용하는 힘이 금속 슬리브(40) 상에 가해진다. 그때 시일 부재(36, 37, 38)의 미리 가공된 링은 시일 부재(36, 37, 38)의 재료가 센서 소자(27) 및 하우징(12)을 누르는 방식으로 변형된다.
시일 작용은 주로 제 2 시일 부재(37)의 육방결정계의 질화 붕소에 의해서 결정되는 것으로 보인다. 질화 붕소는 그 결정 구조에 의거해서 매우 양호한 기밀성과 연료 밀봉성(highly impermeable to fuel)을 가지고 있다.
기밀성 및 연료 밀봉성을 넓은 온도 범위에 걸쳐서 얻기 위해서는 금속 슬리브(40)에 의해 시일 부재(36, 37, 38)로 일정하게 제공되는 것이 중요하다. 스테아타이트의 열 팽창 계수(8.8 × 10-6·K-1)가 질화 붕소의 열 팽창 계수(약 4.4 × 10-6·K-1)에 비교해서 크다는 것에 의거하여 비교적 높은 온도에서도 금속 슬리브(40)로부터 시일 배열(35)로의 압착력이 가해진다.
본 발명에 따른 시일 배열(35)의 사용은 금속 하우징 내의 편평한 센서 소자의 밀봉에 대해서만 한정되는 것은 아니다. 물론, 상기 종류의 시일 배열(35)은 소위 핑거형 센서(finger probe)의 밀봉을 위해서도 사용할 수 있다. 이러한 타입 사용예의 경우에는 시일 부재(36, 37, 38)의 사전-형성되는 링을 하우징의 종방향 구멍의 기하학적 형상, 및 핑거형의 센서 소자의 지지면의 기하학적 형상에 맞게 조정하면 된다.

Claims (10)

  1. 금속제 하우징의 종방향 구멍을 밀봉하며, 내연기관의 배기가스의 산소 함량을 측정하기 위한 가스 센서의 센서 소자를 위한 시일(seal)에 있어서,
    서로 상하로 위치하는 2 개 이상의 시일 부재(36, 37, 38)로 구성된 시일 배열(35)이 설치되어 있고, 한쪽 시일 부재(37)가 질화 붕소로 형성되며, 다른쪽 시일 부재(36, 38)가 스테아타이트(steatite)로 형성되는 것을 특징으로 하는 시일.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 질화 붕소는 육방결정계의 결정 구조인 것을 특징으로 하는 시일.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 시일 부재(36, 37, 38)는 변형 가능한 링으로서 구성되며, 하우징(12)의 종방향 구멍(15) 내로 압력 끼워맞춤되어 있고, 압축시에 시일 부재(36, 37, 38)의 재료가 센서 소자(27)와 하우징(12)에 압착되게 링이 변형되는 것을 특징으로 하는 시일.
  4. 제 1 항에 있어서, 스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(36, 38)의 체적이 질화 붕소로 이루어지는 시일 부재(37)의 체적에 비해서 큰 것을 특징으로 하는 시일.
  5. 제 3 항에 있어서, 스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(36, 38)의 체적이 질화 붕소로 이루어지는 시일 부재(37)의 체적의 거의 두 배인 것을 특징으로 하는 시일.
  6. 제 1 항에 있어서, 하우징(12)의 종방향 구멍(15)내에서 서로 간격을 두고 측정 가스측의 세라믹 성형부(21)와 접속측의 세라믹 성형부(23)가 배치되어 있고, 이들 양쪽의 세라믹 성형부(21, 23) 사이에 시일 배열(35)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 시일.
  7. 제 6 항에 있어서, 하우징(12)과 결합된 압착 부재(40)가 설치되어 있으며, 상기 압착 부재가 접속측의 세라믹 성형부(23)를 가압하는 것을 특징으로 하는 시일.
  8. 제 6 항에 있어서, 측정 가스측의 세라믹 성형부(21) 상에 스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(36)가 맞닿아 있고, 그 위에 질화 붕소로 이루어지는 시일 부재(37)가 있으며, 그 위에 스테아타이트로 이루어지는 다른 시일 부재(38)가 맞닿아 있으며, 그 위로부터 접속측의 세라믹 성형부(23)가 가압하고 있는 것을 특징으로 하는 시일.
  9. 제 6 항에 있어서, 측정 가스측의 세라믹 성형부(21) 상에 질화 붕소로 이루어지는 시일 부재(37)가 맞닿아 있으며, 그 위에 스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(38)가 있으며, 그위로부터 접속측의 세라믹 성형부(23)가 가압하고 있는 것을 특징으로 하는 시일.
  10. 제 6 항에 있어서, 측정 가스측의 세라믹 성형부(21) 상에 스테아타이트로 이루어지는 시일 부재(36)가 맞닿아 있으며, 그 위에 질화 붕소로 이루어지는 시일 부재(37)가 있으며, 그 위로부터 접속측의 세라믹 성형부(23)가 가압하고 있는 것을 특징으로 하는 시일.
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