KR102063951B1 - 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 절연유를 내부에 포함하는 변압기의 내부에서 설치되어 상기 절연유에서 발생되는 검출 가스의 농도를 측정하는 변압기용 가스 검출 장치로서, 내부가 중공이며, 검출 가스 유입구 및 검출 가스 유출구를 구비하는 하우징과, 상기 검출 가스 유입구에 장착되며, 상기 절연유가 상기 하우징의 내부로 유입되는 것을 차단하고 상기 절연유에서 발생되는 검출 가스가 상기 하우징의 내부로 유입되도록 하는 선택적 투과 필터를 구비하는 필터 모듈과, 상기 하우징의 내부에 위치하며 상기 필터 모듈을 통과하여 유입되는 검출 가스의 농도를 측정하는 가스 센싱 모듈 및 상기 검출 가스를 상기 하우징의 검출 가스 유입구를 통하여 상기 하우징의 내부로 유입시키는 흡입 모듈을 포함하는 변압기용 가스 검출 장치와 이를 포함하는 변압기를 개시한다.
Description
본 발명은 변압기에 장착되어 변압기의 내부에서 발생되는 아세틸렌과 같은 가스를 검출하는 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기에 관한 것이다.
변압기는 하우징의 내부에 트랜스와 절연유가 위치한다. 변압기는 다양한 원인에 의한 이상 작동으로 열화 또는 과열이 발생될 수 있으며, 폭발 또는 단전 사고가 발생할 수 있다. 변압기에 이상이 발생되는 경우에, 절연유가 분해되면서 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌 또는 아세틸렌과 같은 기체가 발생한다. 이러한 기체 중에서 아세틸렌은 절연유가 아크나 부분 방전등에 의한 고온에 접촉되었을 때 발생하므로, 아세틸렌이 검출되는 경우에 변압기 내부에 중대한 이상이 발생한 것으로 추정될 수 있으며, 미량이라도 검출되는 경우에 주의하여야 한다. 따라서, 아세틸렌은 절연유의 이상 유무를 판단하는데 가장 적합한 기체로 알려져 있다.
현재까지 변압기의 절연유에서 고온 이상 현상에 의해 발생되는 아세틸렌을 검출하기 위한 다양한 방법이 시도되었다. 기존의 아세틸렌 검출 장치로는 반도체 전기식 가스 센서, 촉매 연소식 가스 센서등이 있으나, 작동에 필요한 소모 전력이 크거나 작동 온도가 높은 측면이 있다. 또한, 기존의 아세틸렌 검출 장치는 아세틸렌의 검출 농도가 낮은 측면이 있다. 또한, 기존이 아세틸렌 검출 장치는 가스 센서를 보호하기 위한 별도의 보호층을 구비하지 않아 가스 센서에 절연유가 접촉되면서 수명이 단축되는 측면이 있다.
본 발명은 소모 전력이 작고 작동 온도가 낮으며, 변압기의 절연유에서 발생되는 아세틸렌의 검출이 가능한 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 변압기용 가스 검출 장치는 절연유를 내부에 포함하는 변압기의 내부에서 설치되어 상기 절연유에서 발생되는 검출 가스의 농도를 측정하는 변압기용 가스 검출 장치로서, 내부가 중공이며, 검출 가스 유입구 및 검출 가스 유출구를 구비하는 하우징과, 상기 검출 가스 유입구에 장착되며, 상기 절연유가 상기 하우징의 내부로 유입되는 것을 차단하고 상기 절연유에서 발생되는 검출 가스가 상기 하우징의 내부로 유입되도록 하는 선택적 투과 필터를 구비하는 필터 모듈과, 상기 하우징의 내부에 위치하며 상기 필터 모듈을 통과하여 유입되는 검출 가스의 농도를 측정하는 가스 센싱 모듈 및 상기 검출 가스를 상기 하우징의 검출 가스 유입구를 통하여 상기 하우징의 내부로 유입시키는 흡입 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 변압기는 케이스와, 철심에 코일이 권취되어 형성되며, 상기 케이스 내부에 위치하는 변압기 본체와, 상기 케이스 내부에 충진되어 변압기 본체를 전기적으로 절연시키는 절연유 및 상기의 변압기용 가스 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기는 가스 센싱 모듈이 산화물 나노 구조체를 이용하므로 아세틸렌에 대한 선택성 및 감도를 향상시키고 작동 온도를 낮추는 효과가 있다.
본 발명의 변압기용 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기는 마이크로 히터를 이용하여 가스 센서를 가열하므로 소모 전력을 감소시키는 효과가 있다.
본 발명의 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기는 액체 상태인 절연유를 통과시키지 않고 기체 상태인 아세틸렌을 선택적으로 통과시켜 아세틸렌의 농도를 검출하므로 저농도의 아세틸렌을 검출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기는 가스 센싱 모듈이 절연유와 접촉되지 않도록 하여 가스 센서를 보호하고 수명을 연장시키는 효과가 있다.
본 발명의 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기는 가스 센싱 모듈에서 측정되는 가소 농도에 대한 측정 데이터를 외부의 모니터링 모듈로 실시간으로 전송하여 절연유의 이상 여부를 실시간으로 모니터링함으로써 변압기의 이상 유무를 조기에 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 수직 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 회로 구성도이다.
도 2는 도 1의 가스 센싱 모듈의 수직 확대도이다.
도 3은 도 1의 가스 센싱 모듈의 분해 사시도이다.
도 4a는 도 3의 A-A에 대한 수직 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 B에 대한 부분 확대도이다.
도 4c는 도 4a의 센서 전극과 센싱층에 대한 다른 실시예의 확대된 제품 사진이다.
도 5는 도 1의 가스 센싱 모듈의 센서 보호막에 대한 개념도이다.
도 6은 도 1의 필터 모듈에 대한 개략적인 부분 사시도이다.
도 7a은 도 1의 변압기용 가스 검출 장치가 장착된 변압기의 개략적인 수직 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 C에 대한 부분 확대도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 회로 구성도이다.
도 2는 도 1의 가스 센싱 모듈의 수직 확대도이다.
도 3은 도 1의 가스 센싱 모듈의 분해 사시도이다.
도 4a는 도 3의 A-A에 대한 수직 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 B에 대한 부분 확대도이다.
도 4c는 도 4a의 센서 전극과 센싱층에 대한 다른 실시예의 확대된 제품 사진이다.
도 5는 도 1의 가스 센싱 모듈의 센서 보호막에 대한 개념도이다.
도 6은 도 1의 필터 모듈에 대한 개략적인 부분 사시도이다.
도 7a은 도 1의 변압기용 가스 검출 장치가 장착된 변압기의 개략적인 수직 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 C에 대한 부분 확대도이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기용 가스 검출 장치에 대하여 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 수직 단면도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 회로 구성도이다. 도 2는 도 1의 가스 센싱 모듈의 수직 확대도이다. 도 3은 도 1의 가스 센싱 모듈의 분해 사시도이다. 도 4a는 도 3의 A-A에 대한 수직 단면도이다. 도 4b는 도 4a의 B에 대한 부분 확대도이다. 도 4c는 도 4a의 센서 전극과 센싱층에 대한 다른 실시예의 확대된 제품 사진이다. 도 5는 도 1의 가스 센싱 모듈의 센서 보호막에 대한 개념도이다. 도 6은 도 1의 필터 모듈에 대한 개략적인 부분 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압기용 가스 검출 장치(10)는, 도 1a 내지 도 6을 참조하면, 하우징(100)과 필터 모듈(200)과 가스 센싱 모듈(300) 및 흡입 모듈(400)을 포함하여 형성된다.
상기 변압기용 가스 검출 장치(10)는 절연유(50)를 내부에 포함하는 변압기의 내부에 장착되어 절연유(50)의 이상이 따라 발생되는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌 또는 아세틸렌과 같은 가스(이하 "검출 가스"라 함)를 검출한다. 상기 검출 가스는 바람직하게는 아세틸렌을 검출할 수 있다.
상기 변압기용 가스 검출 장치(10)는 흡입 모듈(400)의 작동에 의하여 검출 가스가 필터 모듈(200)을 통과하여 가스 센싱 모듈(300)로 유입되며, 가스 센싱 모듈(300)에서 검출 가스를 검출한다. 상기 변압기용 가스 검출 장치(10)는 필터 모듈(200)에서 절연유(50)를 차단하고 검출 가스만을 통과시키고 통과된 검출 가스를 가스 센싱 모듈(300)로 유입시켜 검출한다. 특히, 상기 변압기용 가스 검출 장치(10)는 필터 모듈(200)이 절연유(50)를 차단하고 검출 가스만을 통과시키므로 절연유(50)에 잠긴 상태에서 절연유(50)에 포함된 검출 가스를 가스 센싱 모듈(300)로 유입시킬 수 있다. 따라서 상기 변압기용 가스 검출 장치(10)는 저농도의 검출 가스에 대하여도 검출과 농도 측정이 가능하다.
상기 하우징(100)은 하우징 본체(110) 및 지지 프레임(120)을 포함하여 형성된다. 상기 하우징(100)은 내부에 가스 센싱 모듈(300)을 수용하여 지지한다. 상기 하우징(100)은 흡입 모듈(400)을 지지할 수 있다.
상기 하우징 본체(110)는 내부가 중공인 통 형상으로 형성되며, 검출 가스 유입구(111) 및 검출 가스 배출구(113)를 포함한다. 상기 하우징 본체(110)는 내부에 가스 센싱 모듈(300)을 수용하며 검출 가스가 유입되는 경로를 형성한다. 상기 하우징 본체(110)는 내부에 흡입 모듈(400)을 더 수용할 수 있다. 상기 하우징 본체(110)는 내부가 중공인 원통 형상, 원기둥 형상 또는 육면체 형상으로 형성될 수 있다. 상기 하우징 본체(110)는 바람직하게는 육면체 형상으로 형성될 수 있다.
상기 검출 가스 유입구(111)는 하우징 본체(110)가 육면체 형상인 경우에 적어도 하나의 측면에 형성될 수 있다. 상기 검출 가스 유입구(111)는 보다 많은 양의 검출 가스를 유입시키기 위하여 하우징 본체(110)의 일측면 및 일측면과 대향하는 타측면에 동시에 형성될 수 있다. 상기 검출 가스 유입구(111)는 육면체 형상에서 하면에 형성될 수 있다. 상기 검출 가스 유입구(111)는 필요로 하는 검출 가스의 유입량에 따라 적정한 면적으로 형성될 수 있다. 상기 검출 가스 유입구(111)는 검출 가스가 하우징(100)의 내부로 유입되는 경로를 제공한다.
상기 검출 가스 배출구(113)는 육면체 형상에서 상면에 형성될 수 있다. 상기 검출 가스 배출구(113)는 검출 가스 유입구(111)를 통하여 유입되어 가스 센싱 모듈(300)을 통과한 검출 가스가 외부로 배출되는 경로를 제공한다.
상기 지지 프레임(120)은 상부와 하부가 개방된 통 형상으로 형성될 수 있다. 상기 지지 프레임(120)은 내측에 가스 센싱 모듈(300)을 고정하여 지지한다. 상기 지지 프레임(120)은 검출 가스가 하부에서 유입되어 가스 센싱 모듈(300)을 통과하여 상부 방향으로 유출되도록 가스 센싱 모듈(300)을 지지할 수 있다. 상기 지지 프레임(120)은 가스 센싱 모듈(300)을 수평 방향으로 지지할 수 있다.
상기 필터 모듈(200)은 선택적 투과 필터(210)를 포함하여 형성된다. 상기 필터 모듈(200)은 오일 미스트 포집 필터(220)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 필터 모듈(200)은 하우징 본체(110)의 검출 가스 유입구(111)에 결합될 수 있다. 상기 필터 모듈(200)은 하우징 본체(110)의 내측을 기준으로 외측에 선택적 투과 필터(210)가 위치하고 내측에 오일 미스트 포집 필터(220)가 위치하도록 결합될 수 있다. 상기 필터 모듈(200)은, 도 5와 도 6을 참조하면, 절연유(도 5와 도 6에서 노랑색으로 표시)가 하우징 본체(110)의 내부로 유입되는 것을 차단하고, 절연유에서 발생되는 검출 가스(도 5와 도 6에서 녹색으로 표시)를 하우징 본체(110)의 내부로 유입시킨다. 또한, 상기 필터 모듈(200)은 절연유에서 발생되는 오일 미스트(도 6에서 하늘색과 붉은색으로 표시)가 하우징 본체(110)의 내부로 유입되는 것을 차단하고, 검출 가스를 하우징 본체(110)의 내부로 유입시킨다.
상기 선택적 투과 필터(210)는 투과 구조체(211) 및 투과 코팅층(213)을 포함할 수 있다. 상기 선택적 투과 필터(210)는 투과 필터 프레임(215)을 더 포함할 수 있다. 상기 선택적 투과 필터(210)는 하우징 본체(110)의 검출 가스 유입구(111)에 배치될 수 있다. 상기 선택적 투과 필터(210)는 절연유의 통과를 차단하고, 검출 가스를 통과시킨다. 예를 들면, 도 5를 참조하면, 상기 선택적 투과 필터(210)은 절연유(도 5에서 노랑색으로 표시)의 통과를 차단하고, 검출 가스(도 5에서 녹색으로 표시)를 통과시킬 수 있다. 또한, 상기 선택적 투과 필터(210)는 절연유에서 발생되는 오일 미스트를 통과시킬 수 있다.
상기 투과 구조체(211)는 금속, 플라스틱 또는 세라믹과 같은 재질로 형성될 수 있다. 상기 투과 구조체(211)는 내부식성이 우수한 인바 합금, 스테인레스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 은(Ag), 티타늄(Ti), 니켈 코발트 합금, 모넬 합금, 인코넬 및 듀플렉스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함으로 형성되며, 바람직하게는 내부식성과 성형성이 좋은 니켈 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 투과 구조체(211)는 내열 안정성 및 내유성이 우수한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에테르, 폴리케톤, 나일론 및 이들의 공중합체, 불소계 고분자, 또는 화이버 글라스로 형성될 수 있다. 상기 투과 구조체(211)는 바람직하게는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 실란계 화합물로 형성되는 경우에 실란기가 금속산화물 표면의 수산화기(-OH)와 결합될 수 있다. 상기 금속 산화물은 TixOx, FexOy , 또는 AlxOy일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물은 SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy 및 ZrxOy로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 투과 구조체(211)는 플라즈마 처리와 같은 표면처리를 통하여 표면에 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다.
상기 투과 구조체(211)는 일측면에서 타측면으로 관통되는 다수의 기공을 포함하는 다공성 폼으로 형성된다. 예를 들면, 상기 투과 구조체는, 도 5에 도시된 바와 같이, 일측면에서 타측면으로 관통되는 다수의 기공이 형성되는 판상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 투과 구조체(211)는 일측면에서 타측면으로 관통되는 다수의 기공이 형성된 3차원 다공성 폼 형상, 3차원 망상 구조 또는 3차원 네트워크 구조와 같은 3차원 구조체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 투과 구조체(211)는 2차원 메쉬망이 적층되어 형성될 수 있다. 따라서, 상기 투과 구조체(211)는 내부에 존재하는 기공이 서로 연결되며, 표면에 존재하는 기공이 개방되도록 형성된다. 상기 투과 구조체(211)가 3차원 구조로 형성되어 부분적으로 투과 코팅층(213)이 박리되거나 손상되더라도 필터로서의 작용이 손상되지 않도록 한다. 또한, 상기 투과 구조체(211)는 2차원 구조인 3차원 메쉬 형상, 2차원 그물망 형상 또는 직물과 같이 직조된 형상으로 형성될 수 있다.
상기 투과 구조체(211)는 바람직하게는 20㎛~500㎛의 기공 크기를 가지도록 형성된다. 상기 기공의 크기가 너무 작으면 검출 가스의 흐름이 원활하기 않을 수 있다. 또한, 상기 기공의 크기가 너무 크게 되면, 절연유(50)가 차단되지 못하고 통과할 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 투과 구조체(211)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 투과 코팅층(213)은 투과 구조체(211)의 내부에 존재하는 기공의 내면을 포함하는 영역 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 투과 구조체(211)의 표면에 옴니포빅 특성을 부여할 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 CF(탄화불소)기 또는 CH(탄화수소)기를 포함하는 실란계 화합물이 코팅되어 형성된다. 상기 실란계 화합물은 3Cl-Si-[CF2]n-CF3 또는 3Cl-Si-[CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~25이다.)으로 표시되는 화합물로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 삼염화 실란 자기결합 단분자막(trichlorosilane SAM)으로 형성될 수 있다. 상기 삼염화 실란 자기결합 단분자막은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane (HDF-S)일 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 실란계 화합물이 무수톨루엔 또는 무수헥산과 같은 유기 용매에 용해되어 투과 구조체(211)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 실란계 화합물은 0.1 ∼ 10mM의 농도로 용매에 용해되며, 바람직하게는 1 ~ 3mM의 농도로 용매에 용해된다. 상기 실란계 화합물의 농도가 너무 낮으면 자기조립단분자막이 코팅되지 않은 부분이 발생하거나, 자기조립단분자막의 가교결합이 충분히 진행되지 않아 투과 코팅층(213)의 옴니포빅 특성 및 코팅막의 안정도가 저하될 수 있다. 또한, 상기 실란계 화합물의 농도가 너무 높으면 용액 내에서 마이셀이 형성되므로 투과 코팅층(213)의 가공성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 투과 코팅층(213)의 두께가 불필요하게 두꺼워지거나 두께 조절이 어려울 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 실란계 화합물의 실란기가 투과 구조체(211)의 표면에 존재하는 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기결합 단분자막으로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 투과 구조체(211)의 표면에서 가교 결합으로 결합되므로, 결합력이 강화되어 안정도가 향상된다. 한편, 상기 실란계 화합물의 실란기는 대기중에서 수분과 반응하여 용액 내에 마이셀 형태의 입자를 형성하므로, 바람직하게는 수분 함량을 제어하기 위하여 질소분위기에서 진행될 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)이 실란계 화합물로 형성되는 경우에, 투과 구조체(211)는 바람직하게는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 실란계 화합물로 형성되는 경우에 실란기가 금속산화물 표면의 수산화기(-OH)와 결합될 수 있다. 상기 투과 구조체(211)는 플라즈마 처리와 같은 표면처리를 통하여 표면에 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 투과 코팅층(213)은 CF(탄화불소) 또는 CH(탄화수소)를 포함하는 인산계 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물은 HPO3-[CF2]n-CF3 또는 HPO3- [CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~25이다.)으로 표시되는 화합물로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 포스포닉산 자기결합 단분자막(phosphonic acid SAMs)으로 형성될 수 있다. 상기 포스포닉산 자기결합 단분자막은Octadecylphosphonic acid (OD-PA) 또는 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA)일 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 인산계 화합물이 에탄올과 같은 알코올 용매에 용해되어 투과 구조체(211)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 인산계 화합물은 0.1 ~ 10mM의 농도로 용매에 용해되며, 바람직하게는 1 ~ 3mM의 농도로 용매에 용해된다. 상기 인산계 화합물의 농도가 너무 낮으면 자기조립단분자막이 코팅되지 않은 부분이 발생하여 투과 코팅층(213)의 옴니포빅 특성 및 코팅막의 안정도가 저하된다. 또한, 상기 인산계 화합물의 농도가 너무 높으면 용액내에서 마이셀을 형성하여 부착되는 등 투과 코팅층(213) 가공성 측면에서 불리하다.
상기 투과 코팅층(213)은 인산계 화합물의 인산기가 투과 구조체(211)의 표면에 존재하는 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기조립단분자막으로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 투과 구조체(211)의 표면에 존재하는 금속기(-M) 또는 산소 이온기(-O)와 자기결합을 통하여 배위결합되는 자기결합 단분자막(self-assembled monolayer)으로 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물의 인산기는 대기중에서 안정한 상태를 유지하므로 실란계 화합물과 달리 대기중에서 코팅 공정이 진행될 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)이 인산계 화합물로 형성되는 경우에, 투과 구조체(211)는 바람직하게는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 인산계 화합물로 형성되는 경우에 인산기가 금속기와 결합될 수 있다. 상기 금속 산화물은 TixOx, FexOy , 또는 AlxOy일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물은 SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy 및 ZrxOy로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 투과 구조체(211)는 플라즈마 처리와 같은 표면처리를 통하여 표면에 금속기(-M) 또는 산소 이온기(- O)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 투과 구조체(211)는 플라즈마 처리와 같은 표면처리를 통하여 표면에 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 베이스 입자의 표면에 상기의 실란계 화합물 또는 인산계 화합물과 같은 옴니포빅 물질이 코팅되어 형성되는 옴니포빅 입자가 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 옴니포빅 입자는 직접 투과 구조체(211)의 표면에 코팅되어 투과 코팅층(213)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 옴니포빅 입자는 별도의 고분자 수지가 혼합되어 투과 구조체(211)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.
상기 베이스 입자는 TixOy, FexOy , AlxOy, SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy 및 ZrxOy로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 베이스 입자는 그래핀 또는 그래핀옥사이드를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 베이스 입자는 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸과 같은 금속 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 베이스 입자는 1 ~ 200nm의 입경으로 형성될 수 있다. 상기 베이스 입자의 입경이 너무 작으면, 분산이 어려우며 표면에 균일하게 옴니포빅 물질이 코팅되기 어렵다. 또한, 상기 베이스 입자의 크기가 너무 크면 투과 코팅층(213)을 균일한 두께로 형성하기 어렵다.
상기 옴니포빅 물질이 실란계 화합물인 경우에 실란계 화합물의 실란기가 베이스 입자의 표면에 존재하는 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기결합 단분자막으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 옴니포빅 물질이 인산계 화합물인 경우에, 투과 코팅층(213)은 인산기가 베이스 입자의 표면에 존재하는 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기결합 단분자막으로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 금속기(-M) 또는 산소 이온기(-O)와 자기 결합에 의하여 배위결합되는 자기결합 단분자막(self-assembled monolayer)으로 형성될 수 있다. 상기 옴니포빅 물질은 베이스 입자의 표면에 존재하는 금속기 또는 산소 이온기와 공유 결합으로 결합되므로, 베이스 입자와의 결합력이 우수하다. 한편, 상기 베이스 입자는 플라즈마 처리를 통하여 표면에 수산화기(-OH), 금속기(-M) 또는 산소기(-O)를 형성할 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 실란계 화합물 또는 인산계 화합물을 포함하는 코팅액이 붓칠 방법, 스프레이 코팅 방법, 스핀 코팅 방법, 잉크젯 코팅 방법 또는 디핑 방법에 의하여 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 0.1nm ~ 30㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 투과 코팅층(213)은 바람직하게는 1nm ~ 1㎛의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 투과 코팅층(213)은 두께를 특별히 한정될 필요없이 투과 구조체(211)의 표면에 옴니포빅 특성을 부여하는데 필요한 소정의 두께로 형성될 수 있다.
상기 투과 코팅층(213)은 선택적 투과 필터(210)에 옴니포빅 특성을 부여할 수 있다. 따라서, 상기 투과 코팅층(213)은 오일과의 접촉각을 증가시킨다. 예를 들면, 상기 투과 코팅층(213)은 오일과의 접촉각을 110°이상으로 증가시켜 옴니포빅 특성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 투과 코팅층(213)은 선택적 투과 필터(210)의 표면에 접촉되는 오일을 밀어내어 오일이 선택적 투과 필터(210)를 통과하여 하우징 본체(110)의 내부로 유입되지 않도록 한다.
또한, 상기 선택적 투과 필터(210)는 투과 구조체(211)에 소유성 코팅 입자가 임베디드되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 선택적 투과 필터(210)는 투과 구조체(211)의 표면과 내측에 소유성 코팅 입자가 임베디드되어 형성될 수 있다. 상기 선택적 투과 필터(210)는 소유성 코팅 입자가 표면뿐만 아니라 내부에도 고르게 분포되어 옴니포빅 특성을 부여하므로 내충격성이 증가되어 수명이 증가될 수 있다. 상기 소유성 코팅 입자는 베이스 입자의 표면에 실란계 화합물 또는 인산계 화합물이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 베이스 입자는 TixOy, FexOy , AlxOy, SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy 및 ZrxOy로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 베이스 입자는 그래핀 또는 그래핀옥사이드를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 베이스 입자는 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸과 같은 금속 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 투과 필터 프레임(215)은 투과 구조체(211)의 외측을 지지하는 프레임 형상으로 형성될 수 있다. 상기 투과 필터 프레임(215)은 투과 구조체(211)의 외측 형상에 대응되는 링 형상으로 형성될 수 있다. 상기 투과 필터 프레임(215)은 하우징 본체(110)의 검출 가스 유입구(111)에 결합되면서 투과 구조체(211)를 하우징 본체(110)에 고정한다. 한편, 상기 투과 필터 프레임(215)이 생략될 수 있으며, 이러한 경우에 투과 구조체(211)는 하우징 본체(110)에 직접 고정될 수 있다.
상기 투과 필터 프레임(215)은 투과 구조체(211)의 외측을 지지하는 프레임 형상으로 형성될 수 있다. 상기 투과 필터 프레임(215)은 투과 구조체(211)의 외측 형상에 대응되는 링 형상으로 형성될 수 있다. 상기 투과 필터 프레임(215)은 하우징 본체(110)의 검출 가스 유입구(111)에 결합되면서 투과 구조체(211)를 하우징 본체(110)에 고정한다.
상기 오일 미스트 포집 필터(220)는 포집 필터 본체(221)를 포함할 수 있다. 상기 오일 미스트 포집 필터(220)는 포집 필터 프레임(225)을 더 포함할 수 있다. 상기 오일 미스트 포집 필터(220)는 하우징 본체(110)의 검출 가스 유입구(111)에서 선택적 투과 필터(210)보다 하우징 본체(110)의 내측으로 배치될 수 있다. 상기 오일 미스트 포집 필터(220)는 검출 가스와 함께 유입되는 오일 미스트를 포집하여 하우징 본체(110)의 내부로 유입되지 않도록 한다.
상기 포집 필터 본체(221)는 오일 미스트 포집을 위한 일반적인 필터 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 포집 필터 본체(221)는 백필터 재질, 카트리지 재질, 부직포재질로 사용될 수 있다. 상기 포집 필터 본체(221)는 다중 필터 구조로 형성될 수 있다.
상기 포집 필터 프레임(225)은 포집 필터 본체(221)의 외측을 지지하는 프레임 형상으로 형성될 수 있다. 상기 포집 필터 프레임(225)은 포집 필터 본체(221)의 외측 형상에 대응되는 링 형상으로 형성될 수 있다. 상기 포집 필터 프레임(225)은 하우징 본체(110)의 검출 가스 유입구(111)에 결합되면서 포집 필터 본체(221)를 하우징 본체(110)에 고정한다.
상기 가스 센싱 모듈(300)은 메인 지지판(310)과 가스 센서(320) 및 구동 소자(330)를 포함한다. 상기 가스 센싱 모듈(300)은 배터리(340)와 온습도 센서(350) 및 센서 보호막(360)을 더 포함할 수 있다. 상기 가스 센싱 모듈(300)은 하우징(100)의 내부에서 지지 프레임(120)의 내측에 위치할 수 있다. 상기 가스 센싱 모듈(300)은 지지 프레임(120)의 내측에 수평 방향으로 지지될 수 있다. 상기 가스 센싱 모듈(300)은 하우징(100) 내부로 유입되는 검출 가스를 통과시키면서 검출 가스를 검출할 수 있다. 상기 가스 센싱 모듈(300)은 검출 가스의 존재 여부와 함께 검출 가스의 농도를 측정할 수 있다. 한편, 상기 메인 지지판(310) 및 가스 센서(320)는 변압기 내부에 위치하고, 구동 소자(330)가 변압기의 외부에 위치하면서 별도의 전기 배선에 의하여 가스 센서(320)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 메인 지지판(310)은 메인 가스홀(311)을 구비하여 형성될 수 있다. 상기 메인 지지판(310)은 판상으로 형성되며, 지지 프레임(120)의 평면 형상에 대응되는 면적으로 형성될 수 있다. 상기 메인 지지판(310)은 내부식성 금속 또는 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 상기 메인 지지판(310)은 지지 프레임(120)의 내측에 수평 방향으로 배치될 수 있다. 상기 메인 지지판(310)은 상면에 배치되는 가스 센서(320)와 구동 소자(330)를 지지할 수 있다. 또한, 상기 메인 지지판(310)은 상면에 배치되는 배터리(340)와 온습도 센서(350)를 지지할 수 있다. 한편, 상기 메인 지지판(310)의 면적이 작은 경우에는, 배터리(340)는 하면에 배치될 수 있다.
상기 메인 가스홀(311)은 가스 센서(320)가 배치되는 영역에 메인 지지판(310)의 상면에서 하면으로 관통되어 형성된다. 상기 메인 가스홀(311)은 가스 센서(320)의 개수 및 배치 위치에 따라 복수 개로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메인 가스홀(311)은 가스 센서(320)들의 각각 대응되는 위치에 형성되어, 검출 가스가 각각의 가스 센서(320)로 독립적으로 유입되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 메인 가스홀은 복수 개의 가스 센서에 대응되는 영역에 형성되어, 검출 가스가 복수개의 가스 센서에 전체적으로 함께 유입되도록 형성될 수 있다. 상기 메인 가스홀(311)은 메인 지지판(310)의 하부로 유입되는 검출 가스가 메인 지지판(310)의 상부로 흐르는 경로를 제공한다. 상기 메인 가스홀(311)은 검출 가스가 가스 센서(320)와 접촉하면서 상부로 흐르도록 한다.
상기 가스 센서(320)는 센서 기판(321)과 하부 절연층(322)과 히터층(323)과 상부 절연층(324)과 센서 전극(325) 및 센서층(328)을 포함한다.
상기 가스 센서(320)는 센서 기판(321)의 상면에 하부 절연층(322)과 히터층(323)과 상부 절연층(324)과 센서 전극(325) 및 센서층(328)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 상기 하부 절연층(322)은 센서 기판(321)과 히터층(323)을 전기적으로 절연한다. 상기 상부 절연층(324)은 히터층(323)을 센서 전극(325) 및 센서층(328)과 전기적으로 절연한다. 상기 히터층(323)은 상부 절연층(324)을 사이에 두고 배치되는 센서층(328)에 열을 전달하여 센서층(328)의 반응에 필요한 열을 공급한다. 상기 센서 전극(325)은 센서층(328)에 전기를 공급하고, 접촉 가스와의 접촉에 따른 전기 저항의 변화를 센싱한다.
상기 가스 센서(320)는 메인 지지판(310)의 상면에 배치되며, 메인 가스홀(311)로 유입되는 검출 가스에 센서층(328)이 접촉될 수 있도록 배치된다. 예를 들면, 상기 가스 센서(320)는 센서층(328)이 메인 가스홀(311)의 상부에서 메인 가스홀(311)과 대향하도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 가스 센서(320)는 센서 기판(321)이 상부로 향하고, 센서층(328)이 하부로 향하도록 배치될 수 있다. 이때 상기 가스 센서(320)는 별도의 지지 블록(320a)에 의하여 메인 지지판(310)과 이격되도록 배치될 수 있다. 상기 지지 블록(320a)은 가스 센서(320)의 모서리 또는 변의 일부를 지지하여 가스 센서(320)를 메인 지지판(310)에 지지하면서 검출 가스가 가스 센서(320)와 메인 지지판(310) 사이를 통과하는 경로를 형성할 수 있다. 또한, 상기 가스 센서(320)는 센서층(328)이 메인 가스홀(311)의 축 방향에 수직한 방향과 평행한 방향이 되도록 배치될 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 가스 센서(320)는 센서 기판(321)이 메인 지지판(310)의 상면에 수직한 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 가스 센서(320)는 하나의 센서 기판(321)에 복수 개의 단위 센서가 배열되는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 가스 센서(320)는 2x2의 어레이 형태로 단위 센서가 배열되는 구조로 형성될 수 있다. 여기서 상기 단위 센서는, 도 3에 도시되는 바와 같이 각각 하나의 센서층(328)과 센서 전극(325) 및 히터층(323)을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 가스 센서(320)는 복수 개가 메인 지지판(310)에 배열되어 형성될 수 있다. 이러한 경우에 상기 가스 센서(320)는 서로 다른 검출 가스를 감지하도록 형성될 수 있다. 한편, 상기 가스 센서(320)는 메인 지지판(310)에 일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서 기판(321)이 메인 지지판(310)과 일체로 형성되거나 메인 지지판(310)이 센서 기판(321)으로 형성될 수 있다.
상기 센서 기판(321)은 실리콘 기판 또는 유리 기판과 같이 세라믹 기판으로 형성될 수 있다. 상기 센서 기판(321)은 절연유(50)에 대하여 내구성이 있는 수지 재질로 형성되는 수지 기판으로 형성될 수 있다. 상기 센서 기판(321)은 적어도 한 개의 히터층(323)과 센서 전극(325) 및 센서층(328)을 지지하는데 필요한 면적으로 형성될 수 있다. 상기 센서 기판(321)은 상면에 히터층(323)과 센서 전극(325) 및 센서층(328)이 안착되는 안착홈이 형성될 수 있다.
상기 하부 절연층(322)은 센서 기판(321)의 상면에 소정 두께로 코팅되어 형성된다. 상기 하부 절연층(322)은 센서 기판(321)의 상면에 전체적으로 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부 절연층(322)은 하부 절연홀(322a)과 하부 중앙 패턴(322b) 및 하부 연결 패턴(322c)을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 하부 절연층(322)은 절연 특성이 있는 다양한 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 절연층(322)은 다양한 산화물층으로 형성될 수 있다. 상기 하부 절연층(322)은 실리콘산화물(SiO2) 또는 지르코니아(ZrO2)와 같은 산화물을 포함할 수 있다. 상기 하부 절연층(322)은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정과 같은 증착 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 하부 절연홀(322a)은 하부 절연층(322)의 상면에서 하면으로 관통되어 형성될 수 있다. 상기 하부 절연홀(322a)은 내측에 하부 중앙 패턴(322b)과 하부 연결 패턴(322c)이 배치되는데 필요한 면적으로 형성될 수 있다.
상기 하부 중앙 패턴(322b)은 평면 형상이 사각형상, 오각형상, 육각형상과 같은 다각형상 또는 원형상인 패턴으로 형성된다. 상기 하부 중앙 패턴(322b)은 소정 두께의 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 하부 중앙 패턴(322b)은 하부 절연홀(322a)의 중앙에 위치할 수 있다. 상기 하부 중앙 패턴(322b)은 하부 절연층(322)과 동일한 공정으로 형성될 수 있다. 상기 하부 중앙 패턴(322b)은 하부 절연층(322)에서 하부 절연홀(322a)이 식각되면서 형성될 수 있다. 상기 하부 중앙 패턴(322b)은 상면에 배치되는 히터층(323)을 지지하며, 히터층(323)을 센서 기판(321)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
상기 하부 연결 패턴(322c)은 소정 폭을 갖는 띠 형상인 패턴으로 형성된다. 상기 하부 연결 패턴(322c)은 소정 두께의 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 하부 연결 패턴(322c)은 일측이 하부 중앙 패턴(322b)에 연결되고 타측이 하부 절연층(322)에 연결될 수 있다. 상기 하부 연결 패턴(322c)은 적어도 2개가 서로 이격되어 위치할 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 중앙 패턴(322b)이 사각 형상으로 형성되는 경우에, 하부 연결 패턴(322c)은 각각 일측이 서로 인접하는 모서리 또는 변, 서로 대향하는 변에 연결되도록 형성될 수 있다.
상기 히터층(323)는 발열 패턴(323a)과 히터 전극 패턴(323b)을 포함하여 형성된다. 상기 히터층(323)은 히터 전극판(323c)을 더 구비할 수 있다. 상기 히터층(323)은 백금, 알루미늄, 니켈과 같은 도전성 금속으로 형성될 수 있다. 상기 히터층(323)은 하부 절연층(322)의 상면에 증착되어 형성될 수 있다. 상기 히터층(323)은 e-beam 증착 공정 또는 스퍼터링 공정과 같은 공정으로 형성될 수 있다. 상기 히터층(323)은 별도의 공정으로 형성되어 하부 절연층(322)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 히터층(323)은 공급되는 전력에 의하여 발열될 수 있다.
상기 히터층(323)은 멤스(MEMS) 공정 기술을 이용하여 마이크로 히터로 형성되어 소모 전력이 최소화될 수 있다. 또한, 상기 히터층(323)은 발열 패턴(323a)과 연결되는 히터 전극 패턴(323b)이 브리지 형태로 형성되어 하부의 하부 절연층(322) 및 센서 기판(321)과 접촉되는 면적이 감소될 수 있다. 또한, 상기 히터층(323)은 하부 절연층(322)에 의하여 센서 기판(321)과 분리되어 위치하는 공중 부유형 히터로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 히터층(323)은 센서 기판(321)으로 누설되는 열을 감소시키고 상부의 센서층(328)에 대한 가열 효율이 증가된다.
상기 발열 패턴(323a)은 소정 폭을 갖는 패턴이 지그재그로 연장되는 형상으로 형성될 수 있다. 상기 발열 패턴(323a)은 하부 절연층(322)의 하부 중앙 패턴(322b)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 발열 패턴(323a)은 외부에서 공급되는 전기에 의하여 발열된다. 상기 발열 패턴(323a)은 지그재그 형상으로 형성되므로 작은 면적에서도 길이가 증가되어 보다 효율적으로 발열될 수 있다.
상기 히터 전극 패턴(323b)은 소정 폭을 갖는 띠 형상의 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 히터 전극 패턴(323b)은 하부 연결 패턴(322c)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 히터 전극 패턴(323b)은 적어도 2개로 형성되며, + 전극과 - 전극으로 형성될 수 있다. 상기 발열 패턴(323a)은 일측이 각각 발열 패턴(323a)의 일단과 타단에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 히터 전극 패턴(323b)은 외부에서 공급되는 전기를 발열 패턴(323a)으로 공급한다.
상기 히터 전극판(323c)은 소정 면적을 갖는 판상의 패턴으로 형성된다. 상기 히터 전극판(323c)은 하부 관통홀의 외측에서 하부 절연층(322)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 히터 전극판(323c)은 히터 전극 패턴(323b)의 타측에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 히터 전극판(323c)은 외부 전극 패턴(미도시)과 전기적으로 접촉될 수 있다. 상기 히터 전극판(323c)은 히터 전극 패턴(323b)보다 넓은 면적으로 형성되므로 외부 전극 패턴과 보다 효율적으로 접촉될 수 있다.
상기 상부 절연층(324)은 하부 절연층(322) 또는 히터층(323)의 상면에 소정 두께로 코팅되어 형성된다. 상기 상부 절연층(324)은 하부 절연층(322)에 대응되는 영역에 전체적으로 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 절연층(324)은 상부 절연홀(324a)과 상부 중앙 패턴(323b) 및 상부 연결 패턴(323c)을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 상부 절연층(324)은 절연 특성이 있는 다양한 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 절연층(324)은 다양한 산화물층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 절연층(324)은 실리콘산화물(SiO2) 또는 지르코니아(ZrO2)와 같은 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 상부 절연층(324)은 열전도성이 좋은 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 절연층(324)은 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있다. 상기 상부 절연층(324)의 열전도성이 좋은 경우에 히터층(323)에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 센서 전극(325) 및 센서층(328)으로 전달할 수 있다. 상기 상부 절연층(324)은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정과 같은 증착 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 상부 절연홀(324a)은 상부 절연층(324)의 상면에서 하면으로 관통되어 형성될 수 있다. 상기 하부 절연홀(322a)은 내측에 상부 중앙 패턴(323b)과 상부 연결 패턴(323c)이 배치되는데 필요한 면적으로 형성될 수 있다. 상기 상부 절연홀(324a)은 하부 절연홀(322a)에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 상부 중앙 패턴(323b)은 평면 형상이 사각형상, 오각형상, 육각형상과 같은 다각형상 또는 원형상인 패턴으로 형성된다. 상기 상부 중앙 패턴(323b)은 소정 두께의 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 중앙 패턴(323b)은 상부 절연홀(324a)의 중앙에 위치할 수 있다. 상기 상부 중앙 패턴(323b)은 상부 절연층(324)과 동일한 공정으로 형성될 수 있다. 상기 상부 중앙 패턴(323b)은 상부 절연층(324)에서 상부 절연홀(324a)이 식각되면서 형성될 수 있다. 상기 상부 중앙 패턴(323b)은 상면에 배치되는 센서 전극(325)과 센서층(328)을 지지하며, 히터층(323)을 센서 전극(325) 및 센서층(328)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
상기 상부 연결 패턴(323c)은 소정 폭을 갖는 띠 형상인 패턴으로 형성된다. 상기 상부 연결 패턴(323c)은 소정 두께의 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 연결 패턴(323c)은 일측이 상부 중앙 패턴(323b)에 연결되고 타측이 상부 절연홀(324a)의 외측으로 연장될 수 있다. 상기 상부 연결 패턴(323c)은 적어도 2개가 서로 이격되어 위치할 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 중앙 패턴(323b)이 사각 형상으로 형성되는 경우에, 상부 연결 패턴(323c)은 각각 일측이 서로 인접하는 모서리 또는 변, 서로 대향하는 변에 연결되도록 형성될 수 있다.
상기 센서 전극(325)은 제 1 전극(326) 및 제 2 전극(327)을 포함한다. 상기 센서 전극(325)은 상부 절연층(324)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327)은 서로 인접하면서 전기적으로 분리되어 배치될 수 있다. 상기 센서 전극은 전기전도성 물질이 증착되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서 전극은 은, 금, 니켈 또는 알루미늄과 같은 금속이 증착되어 형성될 수 있다. 상기 센서 전극은 e-beam 공정 또는 스퍼터링 공정과 같은 공정으로 형성될 수 있다. 상기 센서 전극은 센서층(328)에 전기를 공급할 수 있다.
상기 제 1 전극(326)은 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 1 연결 패턴(326b)과 제 1 연장 패턴(326c) 및 제 1 전극판(326d)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 접촉 패턴(326a)은 소정 폭을 갖는 적어도 2개의 띠 형상으로 포함할 수 있다. 상기 제 1 접촉 패턴(326a)은 적어도 2개가 서로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다. 상기 제 1 접촉 패턴(326a)은 적어도 2개가 각각 제 1 방향으로 연장되며, 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 연결 패턴(326b)은 소정 폭을 갖는 띠 형상으로 형성된다. 상기 제 1 연결 패턴(326b)은 모든 제 1 접촉 패턴(326a)의 일측에 전기적으로 연결되어 제 1 접촉 패턴(326a)을 서로 전기적으로 연결한다.
상기 제 1 연장 패턴(326c)은 소정 폭을 갖는 띠 형상으로 형성된다. 상기 제 1 연장 패턴(326c)은 일측이 상기 제 1 연결 패턴(326b)에 전기적으로 연결되며, 타측이 상부 절연홀(324a)의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
상기 제 1 전극판(326d)은 소정 면적을 갖는 판상으로 형성된다. 상기 제 1 전극판(326d)은 상부 절연홀(324a)의 외측에서 상부 절연층(324)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 제 1 전극판(326d)은 제 1 연장 패턴(326c)의 타측에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제 1 전극판(326d)은 외부의 전극 패턴(미도시)과 전기적으로 접촉될 수 있다. 상기 제 1 전극판(326d)은 제 1 연장 패턴(326c)보다 넓은 면적으로 형성되므로 외부의 전극 패턴과 보다 효율적으로 접촉될 수 있다.
상기 제 2 전극(327)은 제 2 접촉 패턴(327a)과 제 2 연결 패턴(327b)과 제 2 연장 패턴(327c) 및 제 2 전극판(327d)을 포함할 수 있다.
상기 제 2 접촉 패턴(327a)은 소정 폭을 갖는 적어도 2개의 띠 형상으로 포함할 수 있다. 상기 제 2 접촉 패턴(327a)은 적어도 2개가 서로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다.
상기 제 2 접촉 패턴(327a)은 적어도 2개가 각각 제 1 방향으로 연장되며, 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 상기 제 2 접촉 패턴(327a)은 제 1 접촉 패턴(326a) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 2 접촉 패턴(327a)은 제 2 방향으로 서로 이격되면서 교대로 배치될 수 있다. 상기 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 2 접촉 패턴(327a)은 대략 발열 패턴(323a)에 대응되는 형상으로 배치될 수 있다.
상기 제 2 연결 패턴(327b)은 소정 폭을 갖는 띠 형상으로 형성된다. 상기 제 2 연결 패턴(327b)은 모든 제 2 접촉 패턴(327a)의 일측에 전기적으로 연결되어 제 2 접촉 패턴(327a)을 서로 전기적으로 연결한다.
상기 제 2 연장 패턴(327c)은 소정 폭을 갖는 띠 형상으로 형성된다. 상기 제 2 연장 패턴(327c)은 일측이 제 2 연결 패턴(327b)에 전기적으로 연결되며, 타측이 상부 절연홀(324a)의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
상기 제 2 전극판(327d)은 소정 면적을 갖는 판상으로 형성된다. 상기 제 2 전극판(327d)은 상부 절연홀(324a)의 외측에서 상부 절연층(324)의 상면에 배치될 수 있다. 상기 제 2 전극판(327d)은 제 2 연장 패턴(327c)의 타측에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제 2 전극판(327d)은 외부의 전극 패턴(미도시)과 전기적으로 접촉될 수 있다. 상기 제 2 전극판(327d)은 제 2 연장 패턴(327c)보다 넓은 면적으로 형성되므로 외부의 전극 패턴과 보다 효율적으로 접촉될 수 있다.
상기 센서층(328)은 검출 가스를 감지하기 위한 산화물로 형성될 수 있다. 상기 산화물은 나노 입자로 형성될 수 있다. 상기 산화물은 고 표면적의 입자로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화물은 단위 면적당 표면적이 균일한 입자로 형성될 수 있다. 상기 산화물의 단위 면적당 표면적이 불균일한 경우에 검출 가스에 대한 감도가 불안정할 수 있다. 상기 산화물은 검출 가스의 감도등을 증가시키기 위하여 추가로 산화물이 도핑되어 형성될 수 있다.
상기 센서층(328)은 검출하고자 하는 검출 가스에 따라 적정한 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서층(328)은 아세틸렌 가스를 검출하는 경우에 SnO2를 포함할 수 있다. 상기 SnO2은 나노 입자로 형성될 수 있다. 상기 SnO2은 고 표면적의 입자로 형성될 수 있다. 상기 SnO2은 단위 면적당 표면적이 균일한 입자로 형성될 수 있다. 상기 SnO2의 단위 면적당 표면적이 불균일한 경우에 검출 가스에 대한 감도가 불안정할 수 있다. 상기 센서층(328)은 SnO2에 Sm2O3와 같은 산화물이 도핑되어 형성될 수 있다. 상기 도핑되는 산화물은 센서층(328)의 검출 가스에 대한 민감도를 증가시키고, 작동 온도를 낮출 수 있다.
상기 센서층(328)은 상부 절연층(324)의 상부에서 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327) 사이에 코팅되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는 상시 센서층(328)은 상부 절연층(324)의 상부 중앙 패턴(324b)의 상면에서 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327) 사이의 영역과 제 1 전극(326)의 제 1 접촉 패턴(326a)과 과 제 2 전극(327)의 제 2 접촉 패턴(327a)과 전체적으로 접촉되는 코팅층으로 형성될 수 있다. 상기 센서층(328)은 제 1 전극(326)의 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 2 접촉 패턴(327a)의 상면과 측면을 감싸도록 코팅될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서층(328)은 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 2 접촉 패턴(327a) 사이의 영역과, 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 2 접촉 패턴(327a)의 상면에 코팅되어 전체적으로 대략 판상을 이루도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 센서층(328)은, 도 4c에 도시된 바와 같이, 소정 폭을 갖는 선이 제 1 접촉 패턴(326a)과 제 2 접촉 패턴(327a)을 교대로 가로지르면서 접촉하도록 지그재그 형상으로 형성될 수 있다.
상기 센서층(328)은 화학적 코팅 공정에 의하여 코팅될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서층(328)은 EHD(electrohydrodynamic) 인쇄 공정에 의하여 프린팅되어 형성될 수 있다. 상기 EHD 인쇄공정은 센서층(328)을 구성하는 물질이 분사되는 노즐과 센서 기판(321) 사이에 펄스 형태의 고전압을 인가하여 보다 균일하게 센서층(328)을 프린팅하는 공정이다.
상기 센서층(328)은 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327)에 전기적으로 접촉되며, 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327)으로부터 전기가 인가된다. 상기 센서층(328)은 접촉 가스의 농도에 따라 전기적 특성이 변하게 되며, 접촉 가스의 농도를 측정할 수 있도록 한다. 상기 센서층(328)은 상부 절연층(324)의 하부에 위치하는 히터층(323)으로부터 전달되는 열에 의하여 작동에 적정한 작동 온도로 가열될 수 있다.
상기 구동 소자(330)는 가스 센서(320)와 전기적으로 연결되며, 검출 가스를 검출한다. 상기 구동 소자(330)는 가스 센서(320)의 작동과 제어에 필요한 다양한 소자를 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 구동 소자(330)는 가스 센서(320)에 전류를 인가하는데 필요한 소자들과 스위치, 히터층(323)에 전기를 인가하기 위한 소자와 스위치들, 가스 센서(320)에서 센서층(328)의 전압을 측정하기 위한 소자등을 포함할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 가스 센서(320)에 전기를 공급하여 히터층(323)을 작동시킬 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 센서 전극(325)에 전류를 인가하며, 센서층(328)의 저항 변화를 측정할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 센서층(328)의 저항 변화에 대한 측정 데이터를 산출하여 외부로 전송할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 이를 위하여 무선 통신 칩을 더 포함할 수 있다. 상기 무선 통신 칩은 Wi-Fi 모듈 또는 NFC 모듈일 수 있다. 상기 무선 통신 칩은 측정 데이터를 변압기의 외부에 위치하는 별도의 수신 장치로 전송할 수 있다. 또한, 상기 구동 소자(330)는 유선 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 상기 유선 인터페이스는 RS-232C를 포함하며, 외부의 수신 장치로 측정 데이터를 송부할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 메인 지지판(310)의 상면에 배치되며, 가스 센서(320)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 구동 소자(330)는 측정 저항(331)을 더 구비할 수 있다. 상기 측정 저항(331)은 제 1 전극(326) 또는 제 2 전극(327)과 구동 소자(330) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 구체적으로 도시하지 않았지만, 제 1 전극(326) 또는 제 2 전극(327)과 연결되는 연결되는 제 1 공급 단자와 측정 저항(331)에 연결되는 제 2 공급 단자를 구비할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 제 1 공급 단자와 제 2 공급 단자를 통하여 가스 센서(320)와 측정 저항(331)에 전압을 인가한다. 또한, 상기 구동 소자(330)는 측정 저항(331)의 양단에 연결되는 제 1 측정 단자와 제 2 측정 단자를 구비할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 제 1 측정 단자와 제 2 측정 단자를 이용하여 측정 저항(331)에 인가되는 전압을 측정한다. 상기 구동 소자(330)는 측정 저항(331)의 양단에서 전압을 측정하여 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327) 사이에서의 전압 변화를 감지할 수 있다.
상기 배터리(340)는 충방전이 가능한 2차 전지 또는 충방전이 불가능한 1차 전지로 형성될 수 있다. 상기 배터리(340)는 구동 소자(330)와 전기적으로 연결되며, 구동 소자(330)의 작동에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 배터리(340)는 흡입 모듈(400)과 전기적으로 연결되며 흡입 모듈(400)의 작동에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
한편, 상기 배터리(340)는 구동 소자(330)와 흡입 모듈(400)이 외부로부터 필요한 전력을 공급받는 경우에 생략될 수 있다. 또한, 상기 배터리(340)는 비상용으로 장착되어 외부 전력이 공급되지 않는 경우에 구동 소자(330)와 흡입 모듈(400)에 전력을 공급할 수 있다.
상기 온습도 센서(350)는 가스 센서(320)가 장착되는 공간의 온도와 습도를 측정할 수 있다. 상기 센서층(328)이 주위 온도와 습도에 영향을 받는 경우에 측정 데이터에 온도와 습도를 반영하는 것이 필요하다. 상기 온습도 센서(350)는 구동 소자(330)와 전기적으로 연결되며, 측정된 온도와 습도에 대한 정보를 구동 소자(330)로 전송할 수 있다. 상기 온습도 센서(350)는 일반적인 온습도 센서로 형성될 수 있다. 상기 온습도 센서(350)는 메인 지지판(310)의 상면에 배치될 수 있다.
상기 센서 보호막(360)은 금속 유기 골격체로 형성될 수 있다. 상기 금속유기 골격체(metal organic framework; MOF)는 판상 또는 필름 형상이며, 상면에서 하면으로 관통되는 기공을 포함하는 멤브레인으로 형성될 수 있다. 상기 금속 유기 골격체는 금속 이온과 유기 리간드의 배위 결합에 의하여 형성될 수 있다. 상기 금속유기 골격체를 구성하는 금속 이온은 Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, 및 Bi에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 유기 리간드는 절연유(50)와 친유성이 있는 다양한 유기 리간드로 형성될 수 있다. 상기 금속유기 골격체는 나노 크기의 세공을 구비하여 높은 표면적을 가지며 절연유 입자 또는 절연유 흄을 흡착할 수 있다.
상기 센서 보호막(360)은 메인 지지판(310)의 하부에서 메인 가스홀(311)이 형성되는 영역에 대응되는 영역에 배치된다. 상기 센서 보호막(360)은 검출 가스가 메인 가스홀(311)로 유입되기 전에 통과되도록 한다. 상기 센서 보호막(360)은 검출 가스와 함께 유입되는 절연유 입자 또는 절연유 흄을 흡착하여 제거한다. 상기 센서 보호막(360)은 절연유 입자 또는 절연유 흄이 가스 센서(320)로 유입되지 않도록 함으로써 가스 센서(320)를 보호하고 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 흡입 모듈(400)은 적어도 1개의 흡입 수단을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 흡입 수단은 진공 펌프 또는 블로워와 같은 흡입 수단으로 형성될 수 있다. 상기 흡입 수단은 바람직하게는 마이크로 펌프로 형성될 수 있다. 상기 흡입 수단이 마이크로 펌프로 형성되는 경우에, 적정한 흡입력을 생성하기 위하여 복수 개의 마이크로 펌프를 포함할 수 있다. 상기 흡입 수단은 하우징 본체(110)의 검출 가스 유출구에 배치될 수 있다. 상기 흡입 수단은 하우징 본체(110)의 내부에 음압을 형성하여, 검출 가스 유입구(111)로 검출 가스를 유입시킬 수 있다. 상기 흡입 수단은 외부의 전원으로부터 전력을 공급받거나, 내부의 배터리(340)로부터 전원을 공급받을 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 변압기용 가스 검출 장치가 장착되는 변압기에 대하여 설명한다.
도 7a은 도 1의 변압기용 가스 검출 장치가 장착된 변압기의 개략적인 수직 단면도이다. 도 7b는 도 7a의 C에 대한 부분 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압기는, 도 7a와 7b를 참조하면, 가스 검출 장치(10)와 케이스(20)와 트랜스(30)와 부싱 단자(40) 및 절연유(50)를 포함한다. 상기 변압기는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)를 포함하며, 다른 구성 요소들은 일반적인 변압기와 동일 또는 유사한 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 변압기는 케이스(20)의 내부에 수용되는 절연유(50)를 순환 냉각시키기 위한 냉각 수단을 케이스(20)의 내부 또는 외부에 구비할 수 있다.
상기 가스 검출 장치(10)는 도 1a 내지 도 6의 변압기용 가스 검출 장치로 형성될 수 있다. 상기 가스 검출 장치(10)는 케이스(20)의 내부에서 절연유(50)의 상부에 위치할 수 있다. 또한, 상기 가스 검출 장치(10)는 선택적 투과 필터(210)가 절연유(50)에 소정 깊이로 잠기도록 위치할 수 있다. 또한, 상기 가스 검출 장치(10)는 선택적 투과 필터(210)가 절연유(50)에 완전히 잠기도록 위치할 수 있다. 따라서, 상기 가스 검출 장치(10)는 선택적 투과 필터(210)의 외측면의 적어도 일부가 절연유(50)와 직접 접촉될 수 있다.
상기 케이스(20)는 케이스 본체(21)와 상부 커버(22)를 포함할 수 있다. 상기 케이스(20)는 내부에 가스 검출 장치(10)와 트랜스(30) 및 절연유(50)를 수용할 수 있다.
상기 케이스 본체(21)는 내부가 중공이며 상부가 개방된 통 형상으로 형성되며, 전기 절연 재질로 형성될 수 있다. 상기 케이스 본체(21)는 내부에 가스 검출 장치(10)와 트랜스(30)와 절연유(50)를 수용한다. 상기 가스 검출 장치(10)는 케이스 본체(21)의 내측 상부에 장착될 수 있다.
상기 상부 커버(22)는 대략 판상이며 케이스 본체(21)의 상면에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상부 커버(22)는 케이스 본체(21)의 상부를 밀폐한다. 상기 상부 커버(22)의 하면에는 가스 검출 장치(10)가 고정될 수 있다. 또한, 상기 상부 커버(22)의 하면으로부터 하부 방향으로 소정 높이로 가스 검출 장치(10)가 고정될 수 있다.
상기 트랜스(30)는 1차 코일과 2차 코일로 이루어진 트랜스 코일(미도시) 및 1차 코일과 2차 코일이 권선되며 트랜스 코일의 상호 유도 작용을 증가시키는 계자 철심(미도시)을 포함한다. 상기 트랜스(30)는 1차 코일로 공급되는 상대적으로 고압인 전력을 2차 코일에서 상대적으로 저압인 전력으로 변환하여 외부로 출력한다. 상기 트랜스(30)는 변압기의 구조, 출력 전압, 용도등에 따라 다양한 구조와 용량으로 형성될 수 있다.
상기 부싱 단자(40)는 고압 부싱 단자(41) 및 저압 부싱 단자(42)를 포함할 수 있다. 상기 고압 부싱 단자(41)와 저압 부싱 단자(42)는 케이스(20)의 상부에 서로 이격되어 위치할 수 있다. 상기 고압 부싱 단자(41)와 저압 부싱 단자(42)는 변압기의 구조, 출력 전압, 용도등에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다.
상기 고압 부싱 단자(41)는 케이스(20)의 상부로 연장되어 형성되며, 케이스(20)의 측면에서 상부로 경사지게 형성될 수 있다. 상기 고압 부싱 단자(41)는 트랜스 코일의 1차 코일에 전기적으로 연결되며, 외부로부터 공급되는 상대적으로 고압의 전력을 1차 코일에 공급한다. 상기 고압 부싱 단자(41)는 외부로부터 공급되는 전력을 공급하기 위한 도체와 도체 절연을 위한 부싱을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 저압 부싱 단자(42)는 케이스(20)의 상부로 연장되어 형성되며, 고압 부상 단자와 이격되어 형성될 수 있다. 상기 저압 부싱 단자(42)는 트랜스 코일의 2차 코일에 전기적으로 연결되며, 2차 코일에서 변환된 상대적으로 저압인 전력을 외부로 공급한다.
상기 절연유(50)는 트랜스(30)의 작동 과정에서 발생되는 열을 냉각시킨다. 또한, 상기 절연유(50)는 트랜스 코일에 포함되는 절연물을 감싸서 절연물에 습기등이 유입되지 않도록 하여 트랜스 코일의 절연 상태를 유지시킨다. 상기 절연유(50)는 트랜스(30)에서의 전력 변환 과정에서 발생되는 열등에 의하여 분해되며, 분해 가스가 발생될 수 있다. 또한, 상기 절연유(50)는 트랜스(30)의 작동에 따라 발생되는 열에 의하여 체적이 팽창할 수 있다.
상기 절연유(50)는 케이스 본체(21)의 내부에서 트랜스(30)가 완전히 잠기도록 충진될 수 있다. 상기 절연유(50)는 가스 검출 장치(10)의 하면보다 높은 위치까지 충진될 수 있다. 상기 절연유(50)는 적어도 가스 검출 장치(10)의 필터 모듈(200)의 선택적 투과 필터(210)의 하단보다 높은 높이로 충진될 수 있다. 또한, 상기 절연유(50)는 선택적 투과 필터(210)의 상단보다 높은 높이로 충진될 수 있다. 따라서, 상기 절연유(50)는 선택적 투과 필터(210)의 외측면에 소정 높이로 접촉한 상태를 유지한다. 이때, 상기 선택적 투과 필터(210)는 절연유(50)를 통과시키지 않으므로 하우징(100)의 내부로 절연유(50)가 유입되지 않는다. 상기 가스 검출 장치(10)는 흡입 모듈(400)이 작동되어 절연유(50)에 포함되어 있는 아세틸렌과 같은 검출 가스를 하우징(100)의 내부로 유입시킬 수 있다. 또한, 상기 가스 검출 장치(10)는 절연유(50)의 상부로 배출되는 아세틸렌과 같은 검출 가스들도 하우징(100)의 내부로 유입시킬 수 있다. 이러한 경우에 상기 절연유(50)에서 발생되는 검출 가스들은 상대적으로 단시간 내에 가스 센싱 모듈(300)로 유입될 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 작용에 대하여 설명한다.
상기 선택적 투과 필터(210)의 외측면의 적어도 일부가 절연유(50)와 접촉하도록 가스 검출 장치(10)가 변압기의 케이스(20)의 내부에 장착된다. 상기 가스 검출 장치(10)는 케이스 본체(21)의 내측 상부 또는 상부 커버(22)의 하면에 장착된다.
상기 구동 소자(330)는 가스 센서(320)의 제 1 전극(326)과 제 2 전극(327)에 소정의 전압을 인가한다. 상기 전압은 제 1 전극(326)과 제 1 전극(326) 사이에 인가되며, 동시에 제 1 전극(326) 또는 제 2 전극(327)과 구동 소자(330)의 측정 단자 사이에 형성되는 측정 저항(331)에도 인가된다. 상기 구동 소자(330)에서 히터층(323)에 전기를 공급하여 발열시키며, 가스 센싱 모듈(300)의 센서층(328)을 가열한다. 상기 흡입 모듈(400)을 작동시켜 하우징(100)의 내부에 음압이 형성되도록 한다. 상기 선택적 투과 필터(210)는 절연유(50)의 내부에서 발생되는 아세틸렌 가스와 같은 검출 가스를 통과시키고 절연유(50)가 통과되지 않도록 한다. 상기 선택적 투과 필터(210)는 절연유(50)에서 발생되는 오일 미스트의 일부가 통과시킬 수 있다. 상기 오일 미스트 포집 필터(220)는 오일 미스트를 통과시키지 않으며, 검출 가스만을 통과시킨다. 상기 검출 가스는 선택적 투과 필터(210)와 오일 미스트 필터를 통과하여 가스 센싱 모듈(300)의 가스 센서(320)로 유입된다. 상기 검출 가스는 가스 센서(320)와 접촉하면서 통과하여 하우징(100)의 검출 가스 배출구(113)를 통하여 외부로 배출된다.
상기 검출 가스가 하우징(100)의 내부로 유입되어 가스 센싱 모듈(300)의 센서층(328)과 접촉되면, 센서층(328)의 전기적 특성이 변경될 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 측정 저항(331) 사이의 전압을 측정하며, 측정된 전압으로부터 아세틸렌의 농도를 산출할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 측정 저항(331)의 전압과 아세틸렌의 농도 사이에 룩업 테이블(lookup table)을 포함할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 룩업 테이블을 이용하여 측정 저항(331)의 전압으로부터 아세틸렌의 농도를 산출할 수 있다. 또한, 상기 구동 소자(330)는 측정 저항(331)의 전압과 아세틸렌의 농도 사이의 관계식을 포함할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 관계식을 이용하여 측정 저항(331)의 전압으로부터 아세틸렌의 농도를 산출할 수 있다. 상기 흡입 모듈(400)과 가스 센싱 모듈(300)은 검출 가스의 농도 측정을 필요로 하는 시간동안 구동되며, 검출 가스의 농도를 측정할 수 있다. 상기 구동 소자(330)는 검출 가스의 농도에 대한 데이터를 외부로 전송할 수 있다.
10: 변압기용 가스 검출 장치 20: 케이스
30: 트랜스 40: 부싱 단자
50: 절연유 100: 하우징
110: 하우징 본체 120: 지지 프레임
200: 필터 모듈
210: 선택적 투과 필터 220: 오일 미스트 포집 필터
300: 가스 센싱 모듈 310: 메인 지지판
320: 가스 센서 330: 구동 소자
340: 배터리 350: 온습도 센서
360: 센서 보호막 400: 흡입 모듈
30: 트랜스 40: 부싱 단자
50: 절연유 100: 하우징
110: 하우징 본체 120: 지지 프레임
200: 필터 모듈
210: 선택적 투과 필터 220: 오일 미스트 포집 필터
300: 가스 센싱 모듈 310: 메인 지지판
320: 가스 센서 330: 구동 소자
340: 배터리 350: 온습도 센서
360: 센서 보호막 400: 흡입 모듈
Claims (21)
- 절연유를 내부에 포함하는 변압기의 내부에서 설치되어 상기 절연유에서 발생되는 검출 가스의 농도를 측정하는 변압기용 가스 검출 장치로서,
내부가 중공이며, 검출 가스 유입구 및 검출 가스 유출구를 구비하는 하우징과,
상기 검출 가스 유입구에 장착되며, 상기 절연유가 상기 하우징의 내부로 유입되는 것을 차단하고 상기 절연유에서 발생되는 검출 가스가 상기 하우징의 내부로 유입되도록 하는 선택적 투과 필터를 구비하는 필터 모듈과,
상기 하우징의 내부에 위치하며 상기 필터 모듈을 통과하여 유입되는 검출 가스의 농도를 측정하는 가스 센싱 모듈 및
상기 검출 가스를 상기 하우징의 검출 가스 유입구를 통하여 상기 하우징의 내부로 유입시키는 흡입 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 검출 가스 유입구의 적어도 일부가 상기 절연유에 직접 접촉되도록 상기 변압기의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 하우징은 내부가 중공인 통 형상으로 형성되며 상기 검출 가스 유입구 및 검출 가스 유출구를 구비하는 하우징 본체 및
상기 하우징 본체의 내측에서 상기 검출 가스 유출구에 결합되며, 상기 가스 센싱 모듈이 지지되는 지지 프레임을 구비하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 선택적 투과 필터는 일측면에서 타측면으로 관통되는 다수의 기공을 포함하는 투과 구조체 및 상기 투과 구조체의 기공의 내면을 포함하는 영역에 코팅되어 옴니포믹 특성을 부여하는 투과 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 0.1nm ~ 30㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 3Cl-Si-[CF2]n-CF3 또는 3Cl-Si-[CH2]n-CH3(여기서, n은 4~25이다.)으로 표시되는 실란계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane (HDF-S)을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 TixOy, FexOy, AlxOy, SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy, ZrxOy, 그래핀 및 그래핀옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 베이스 입자의 표면에 상기 실란계 화합물이 코팅된 옴니포빅 입자가 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 투과 구조체는 표면에 산화막이 형성되는 금속 재질이며,
상기 실란계 화합물의 실란기가 상기 투과 구조체의 표면에 존재하는 수산화기(-OH)와 자기 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 HPO3-[CF2]n-CF3 또는 HPO3-[CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~25이다.)으로 표시되는 인산계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 Octadecylphosphonic acid (OD-PA) 또는 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA)을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 투과 코팅층은 TixOy, FexOy, AlxOy, SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy, ZrxOy, 그래핀 및 그래핀옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 베이스 입자의 표면에 상기 인산계 화합물이 코팅되어 형성되는 옴니포빅 입자가 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 투과 구조체는 표면에 산화막이 형성되는 금속 재질이며,
상기 인산계 화합물의 인산기가 상기 투과 구조체의 표면에 존재하는 수산화기(-OH)와 자기 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 투과 구조체는 인바 합금, 스테인레스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 은(Ag), 티타늄(Ti), 니켈 코발트 합금, 모넬 합금, 인코넬 및 듀플렉스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 가스 센싱 모듈은
검출 가스가 유입되는 메인 가스홀을 구비하는 메인 지지판과,
상기 메인 가스홀로 유입되는 검출 가스와 접촉하는 가스 센서 및
상기 가스 센서와 연결되며 상기 검출 가스를 검출하는 구동 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 가스 센서는
센서 기판과,
상기 센서 기판의 상면에 코팅되어 형성되는 하부 절연층과,
도전성 금속으로 형성되며, 상기 하부 절연층의 상면에 배치되는 히터층과,
상기 히터층의 상면에 코팅되어 형성되어 상기 히터층의 상면을 전기적으로 절연하는 상부 절연층과,
상기 상부 절연층의 상면에 배치되며, 제 1 전극과 제 2 전극을 구비하는 센서 전극 및
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 산화물로 코팅되는 센서층을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 히터층은 상기 하부 절연층의 상면에 배치되는 발열 패턴을 구비하며,
상기 제 1 전극은 상기 상부 절연층의 상면에서 상기 발열 패턴의 상부에 대응되는 위치에 배치되는 제 1 접촉 패턴을 구비하며,
상기 제 2 전극은 상기 상부 절연층의 상면에서 상기 발열 패턴의 상부에 대응되는 위치에 배치되는 제 2 접촉 패턴을 구비하며
상기 제 1 접촉 패턴과 제 2 접촉 패턴은 서로 이격되어 배치되며,
상기 센서층은 상기 제 1 접촉 패턴과 상기 제 2 접촉 패턴 사이의 영역 및 상기 제 1 접촉 패턴과 상기 제 2 접촉 패턴의 상면에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 검출 가스는 아세틸렌 가스이며,
상기 산화물은 SnO2 또는 Sm2O3가 도핑된 SnO2을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 가스 센싱 모듈은 금속 유기 골격체로 형성되며, 상기 메인 지지판의 하부에서 상기 메인 가스홀이 형성되는 영역에 대응되는 영역에 배치되는 센서 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기용 가스 검출 장치. - 케이스와,
철심에 코일이 권취되어 형성되며, 상기 케이스 내부에 위치하는 변압기 본체와,
상기 케이스 내부에 충진되어 변압기 본체를 전기적으로 절연시키는 절연유 및
제 1 항 내지 제 19 항중 어느 하나의 항에 따른 변압기용 가스 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기. - 제 20 항에 있어서,
상기 변압기용 가스 검출 장치는 상기 검출 가스 유입구의 적어도 일부가 상기 절연유에 직접 접촉되도록 상기 케이스 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기.
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| KR1020180054048A KR102063951B1 (ko) | 2018-05-11 | 2018-05-11 | 변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기 |
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|---|---|---|---|
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