KR20000022058A - 가스 센서용 센서 소자 밀봉부 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 센서 소자, 특히 내연기관 배기가스의 산소농도 측정용 센서 소자를 제안한다. 센서 소자는 하우징(10)안에 기준가스실 측의 하우징부(35)와 함께 설치된 센서(12) 및 기준가스실(50)과 측정가스실(52)을 단열, 차단하는 센서패킹(19)을 포괄한다. 기준가스실 측의 하우징부(35) 안쪽에서 길이 방향으로 센서(12)를 감싸는 케이스(40)가 설치되며 이 케이스가 센서패킹(19)을 위한 조립부(41)를 구성한다.

Description

가스 센서용 센서 소자 밀봉부
US-PS 5,467,636의 센서 소자는 평면형의 센서가 센서패킹을 통해 세라믹 형상재에 고정된다. 센서패킹은 유리주물로써 센서를 감싸는 배기가스측 세라믹 형상재의 만곡부에 설치하는 유리패킹으로써 이 유리패킹으로 기준가스실과 측정가스실이 서로 분리된다.
US-PS 4,596,132의 또 다른 센서 소자는 센서가 기준 가스실측 바로 근처 금속하우징 내부에 센서패킹으로 고정된다. 센서패킹은 유리주물로써 센서의 기준가스실측 끝단과 연결된 접속케이블을 동시에 감싼다. 이때 센서는 기준 분위기가 없는 상태로 작동한다.
본 발명은 주 청구항에 따른 센서 소자에 관한 것이다.
본 발명의 실시예를 도면으로 설명하였으며 다음에서 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 센서 소자의 종단면,
도 2는 실시예 2에서 본 발명에 따른 센서 소자 부분도,
도 3은 실시예 3의 센서필터 부분도,
도 4는 실시예 4의 센서필터 부분도이다.
청구항1의 특징을 보유한 본 발명에 따른 센서 소자는 안전하며, 가스가 새지 않고, 휘발유에 강한 센서필터라는 장점이 있다. 센서 소자는 간단하게 조립할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다. 기준가스실 측에 있는 조립공간을 최대한 이용하여 센서패킹을 뜨거운 배기가스로부터 가능한 한 멀리 설치하였다. 따라서 센서필터, 센서의 고상 전해질 소재의 상이한 열팽창계수 및 센서필터소재와 센서의 고상 전해질소재사이의 반응의 영향을 최소로 하여 실제 사용기간동안 고온과 온도 변화시에 균열을 방지하고, 필터의 안정성을 높였다.
종속 청구항에 설명한 조치들을 통해 본 발명에 따른 센서 소자의 확장적용 및 개선이 가능하다. 유리패킹은 가스 기밀도가 우수하고 휘발유에 강하여 이 유리패킹은 주물로써 조립부에 설치된다. 세라믹 형상재와 유리주물사이에 열전도성이 나쁜 재질로 구성된 단열재를 설치하여 유리패킹에 열이 전도되는 것을 제한하였다. 즉 이때 일정 압력하에 분말 충전물로 가공한 소결 활석링을 투입하여 이 목적을 달성한다. 세라믹 형상재, 센서, 내부 금속케이스, 유리패킹으로 이루어진 앞선 조립품을 이용하기 위해 세라믹 형상재와 하우징사이에 또 하나의 소결 활석링을 설치하며 이 활석링은 세라믹 형상재를 압착함으로써 하우징 안에 고정된다.
하우징 안에 센서를 미리 설치하여 미리 조립된 부품과 유용한 활용이 가능하다. 이때 센서는 센서의 기밀도 작업을 하기 전에 두 개의 세라믹 형상재 사이에 형성되는 분말 충전층으로 고정된다. 이러한 분말 패킹은 유리주물 생성시에 나타나는 열전도를 차단하는 단열재로써 또 동시에 추가로 일차 기밀도를 유지하는 역할을 한다. 따라서 센서패킹과 분말패킹으로 이루어지는 이러한 패킹의 배치는 센서 소자의 연속 사용 시에 부가적인 장점을 갖는 이중 패킹을 구성한다. 그 외에도 이렇게 구성하는 경우 뒤이어 생성되는 센서패킹에 아무런 조립력도 작용하지 않는다는 장점이 있다.
센서와 주물유리 고상 전해질 소재의 상이한 열팽창 계수 영향을 더욱 감소시키기 위해 주물유리에 센서의 고상 전해질소재와 가장 유사한 열팽창계수를 갖는 센서를 감싸는 세라믹 형상재를 투입한다.
도 1은 내연기관의 배출가스에 포함된 산소 농도측정용의 전기 화학적인 가스 센서 소자이다. 이 센서 소자는 금속 하우징(10)을 가지며, 이 안에 측정가스 측 종단(13) 및 기준 가스실측 종단(14)을 갖는 판상의 센서(12)가 있다. 하우징(10)은 도면에 표시되지 않은 배기가스관에 나사로 연결된다. 또 하우징(10)에 예컨대 턱진 환상면(17)이 있는 천공(16)이 있다.
천공(16)에 센서(12)가 설치되는 관통 구멍(21)을 보유하는 세라믹 형상재(20)가 배치된다. 세라믹 형상재(20)는 측정가스측 전면(22) 및 기준가스실측 전면(23)을 보유한다. 측정가스측 전면(22)은 예컨대 턱진 환상면(17) 위의 원추형 환상면(24)에 닿아있다. 하우징(10)으로부터 돌출된 측정가스측 종단(13)은 측정실(52)로 뻗어 있으며 예컨대 가스 입,출구(28)가 있는 이중 보호관(27)에 의해 일정간격으로 둘러 싸여있다.
센서(12)의 기준가스실 종단(14)은 측정가스실측 하우징부인 바깥쪽 금속케이스(35)로 에워싸져 있으며 이 금속케이스에는 관형상의 개구부(36)가 있고 예컨대 PTE로 된 케이블 연결부(38)가 있다. 이 케이블연결부(38)는 바깥쪽 금속케이스로 기밀도가 유지되도록 받혀져 있다. 케이블 연결부(38)를 통해 연결케이블(32)이 설치된다. 바깥쪽 금속케이스(35)는 하우징(10)과 둘러싸인 용접이음매(39)로 가스가 새지 않도록 땜질된다. 바깥쪽 금속케이스(35)안에 기준가스실(53)이 구성된다. 예컨대 센서(12)의 도면에 나타나지 않은 기준전극 표준분위기를 형성하는 공기가 케이블 연결부(38)를 통해 기준가스실(53)로 유입된다. 센서(12)는 기준가스실 측의 종단(14)에 접속플러그(30)를 통해 연결케이블(32)과 접속된 접점을 가지며 이 접점은 자세히 설명하지 않는다. 안쪽의 금속케이스(40)는 측벽(45)과 실린더벽(42)을 보유한 센서(12)를 감싸는 조립부(41)를 갖는다. 도 1에 나타낸 실시예에서 조립부(41)는 바닥(44)과 함께 냄비모양을 한다. 바닥(44)에는 센서(12)가 설치되는 구멍(46)이 있다. 이 실시예에서 조립부(41)는 안쪽의 금속케이스(40)를 안쪽으로 접어 젖혀서 만든다. 이 실시예에서 바닥(44)이 있는 금속케이스(40)를 일체형 디프 드로잉(deep drawing)가공하여 제작한다. 세라믹 형상재(20)의 기준가스실측 전면(23) 위에 안쪽 금속케이스(40)의 조립부(41) 바닥(44)이 얹혀지며 실린더벽(32)에서 하우징(10)과 용접이음매(49)로 둘러싸여 가스가 새지 않도록 용접된다. 조립부(41)에 센서패킹(19)이 있으며 이 패킹이 기준가스실(53)과 측정가스실(52)을 완전히 밀폐, 차단한다. 도 1에 나타낸 실시예 1에 따라 센서패킹(19)은 유리패킹(50)으로 구성된다.
유리패킹으로는 예컨대 Li-Al-규소유리 또는 Li-Ba-Al-규소유리 같은 주물유리가 적합하다. 유리용액의 유동성을 개선하기 위해 주물유리에 추가재료를 첨가할 수 있다. 추가재료로는 접합과 동시에 유리패킹(50)의 유연성 향상을 위해 분말 형태의 구리, 알루미늄, 철, 황동, 흑연, 보니트리트(Bonitrit), MoS2 또는 이러한 재료의 혼합물을 첨가할 수 있다. 유리패킹(50)의 용제로써 예컨대 리튬-탄산염, 리튬-가성소다, 붕사 또는 붕산이 사용된다. 열팽창 조절을 위해 예컨대 리튬-아질산염, 규소-아질산염, 지르코늄-텅스텐 또는 이러한 재료의 혼합물을 첨가한다. 하지만 유리주물대신 예컨대 금속-땜납과 같은 용해주조가 가능한 소재 사용도 가능하다. 이때 센서(12)가 통과하는 금속케이스(40)의 구멍(46)은 필요에 따라 거의 접힘 부위가 없도록 하였으며 이렇게 함으로써 용해과정동안 구멍(46)을 통해 유리패킹(50)의 유리가 침투하지 못한다. 안쪽의 금속케이스(40) 용접은 자체 압력의 영향하에 일어나며 따라서 세라믹 형상재(20)는 환상선(24)과 함께 원형의 턱진 부위(17)에 눌려진다. 하지만 턱진 형상의 환상면(17)과 환상면(24)사이를 강제로 기밀도를 유지하도록 설정해서는 안된다. 기밀작용은 용접이음매(49)로 실현된다.
도 2는 본 발명에 따른 센서 소자의 실시예 2를 나타낸다. 이 실시예에서 안쪽 금속케이스(40) 조립부는 바닥이 없으며 따라서 기준가스실 측의 전면(23)은 조립부(41)에 구속받지 않은 상태로 놓인다. 조립부(41) 기준가스실 전면(23)에 열전도율이 나쁜 단열재(72)가 있다. 단열재(72) 위에 유리패킹이 있다. 단열재(72)는 분말충전재이며 이 분말충전재는 약 650℃에서 소결된 활석링으로 제작되며 이 활석링은 유리주물이 유입되기 전에 압착력에 의해 밀착되어 분말상태로 변한다. 이때 분말충전재는 세라믹 형상재(20)의 센서(12)를 미리 고정시킨다.
그 외에 실시예 2에서 안쪽 금속케이스(40)는 하우징(10)에 구성된 프레트(75)를 감싸는 형상으로 되어있다. 또한 안쪽 금속케이스(40)와 바깥쪽 금속케이스(35)가 하나의 용접이음매(76)로 하우징(10)과 기밀도가 유지되는 용접을 할 수 있도록 바깥쪽 금속케이스(35)가 씌워져 있다. 이러한 실행은 용접과정동안 안쪽 금속 케이스(40)에 축방향의 압력이 작용하지 않는다. 왜냐하면 세라믹 형상재(20)는 이미 종방향 천공(16)에 강제로 밀어 넣어진 상태로써 이미 그곳에 고정되어 있기 때문이다. 도 1에 따른 실시예에서도 분말충전재 형태의 단열재(72) 투입이 가능하다.
도 2에 따른 실시예에서 종방향 천공(16)은 큰 천공(61)과 작은 천공(62)으로 계단모양을 이루며 천공(61, 62)들 사이에 형성되는 편평한 환상면(63)으로 이어진다. 세라믹 형상재(20) 역시 계단 형상으로 제 1실린더(65) 및 제 2실린더(65)의 직경은 큰 천공(61)의 직경, 제 2실린더(66)의 직경은 작은 천공(62)의 직경에 맞도록 되어 있으며, 이때 제 2실린더(66)와 작은 천공(62)의 안벽사이에 매우 적은 틈새(68)가 있다. 종방향 천공(16)에 단열재(72)의 분말충전재와 동일한 방법으로 제조되는 분말패킹(70)이 있으며, 세라믹형상재(20)의 원형 압력면(67)과 하우징(10)의 편평한 환상면(63)사이에 이 경우 필요한 활석링을 압착한다.
안쪽 금속케이스(40)의 또 다른 실시형태는 조립부(41)의 단면을 센서(12)의 단면과 맞추는 것이다. 제조기술상 센서(12)와 조립부(41) 측벽(45)사이의 간격을 작고 일정하게 유지하는 타원 형태가 무난하다. 이렇게 하면 유리패킹(50)의 주물유리에 월등히 균일하게 분포된 응력분포를 이룰 수 있다.
도 3은 센서 패킹구성에 대한 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 2에서와 마찬가지로 조립부(41)에 있는 세라믹 형상재(20)의 기준가스실측 전면(23)에 단열재(72)가 배치된다. 단열재(72) 위에 센서(12)용 관통 구멍(81)이 있는 세라믹 형상재(80)가 놓인다. 이때 형상부(80)에는 조립부(41) 측벽쪽에 바깥쪽 유격(83), 센서(12)용 관통 구멍(81)쪽에 또 다른 유격(84)이 형성된다. 유격(83, 84)에 유리패킹(50)으로써 유리주물(86)이 유입되어 조립부(41)에서 형상부(80)가 용해한다. 이러한 배치로 센서 패킹(19)이 이루어진다. 이러한 실시형태는 세라믹 형상부(80)에 대한 적절한 예컨대 ZrO2 같은 소재를 선택하면 센서(12)에 맞는 센서패킹(19)의 열팽창 거동을 이룰 수 있다. 즉 기밀이 이상적으로 이루어지도록 센서(12)와 형상부(80), 형상부(80)와 안쪽 금속케이스(40)사이의 유격치수를 정할 수 있다. 그 외에도 민감한 센서(12)에 잘 맞는 열팽창거동을 하는 유리주물용의 주물유리를 선택할 수 있다.
도 4의 실시예는 분말충전재(90)로 센서(12)를 하우징에 고정시킨다. 하우징(10)의 종방향 천공(16)에 측정가스 측 세라믹형상재(91)와 기준가스실 측 세라믹 형상재((92)를 배치한다. 도 1의 실시예 1에서 하나의 세라믹 형상재를 사용하는 것처럼 기준가스실측 세라믹 형상재(92) 위로 안쪽 금속케이스(40)를 씌운다. 두 개의 세라믹 형상재(91, 92)사이에 예컨대 압착, 소결된 활석링을 투입하며, 이 링은 기준가스실측의 세라믹 형상부(92) 위로 안쪽 금속 케이스(40)를 압착할 때 분말 상태로 바뀐다. 이렇게 하여 분말 형상재(90)가 생성된다. 이때 활석분말은 센서(12)와 종방향천공(16)에 압착된다. 이 과정을 통해 센서(16)는 하우징(10)에 미리 고정된다. 동시에 분말충전재(90)는 하우징(10)에서 센서(19)에 대해 일차 기밀작용을 수행한다.
도 4의 실시예는 패킹 배치구조(89)를 갖는 센서패킹(19)의 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태의 경우 안쪽 금속케이스(40)의 냄비모양의 조립부(41)에 기준가스실측 세라믹 형상부(92)위로 하부 분말패킹(94), 유리패킹(50), 상부 분말패킹(95) 및 세라믹케이스(96)가 층을 이루어 배치된다. 분말충전재(90)형성의 경우와 마찬가지로 분말패킹(94, 95)은 예컨대 압착, 소결된 활석링으로써 조립된다. 유리패킹(50)의 형성을 위해 열간 성형된 유리 성형물이 활석링 사이에 설치된다. 여기에 사용된 유리의 연화온도로 유리성형물을 가열하면 세라믹케이스(96)에 압착력이 작용한다. 이때 분말충전재(90)의 경우와 유사하게 활석링은 분말 패킹(94, 95)으로 상태가 변한다. 동시에 열간 성형성이 있는 유리성형물은 유리패킹(50)으로 압착된다.
패킹배치구조(89)는 하우징(10)에서 센서(12)가 고정된 후 분말충전재(90)에 의해 압축된다. 따라서 추후에 안쪽 및 바깥쪽 금속케이스(35, 40)를 용접할 때 센서 패킹(19)에 아무런 조립력이 작용하지 않는다. 하지만 압착금형으로써 영향을 미치는 세라믹케이스(96)는 생략할 수도 있으며 이때 압착력은 상부 활석링에 직접 작용한다.
이 외에도 상술한 패킹구조(89)는 유리패킹(50)이 용해 또는 압착될 때 센서(12)의 예민한 부위로의 열전달을 차단하며, 압력이 균일하게 분산되는 장점이 있다. 따라서 센서(12)는 유리패킹(50) 영역에서 질량에 의한 부하를 받지 않는다.
본 발명은 상술한 실시예에 국한되지 않는다. 즉 분말 충전재 및 분말패킹과 하나 이상의 유리패킹을 임의로 조합하여 사용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 기준가스실측 하우징부에 설치된 센서를 보유한 금속하우징을 가지며, 기준가스실과 측정가스실을 차단 분리하는 센서패킹을 보유하고, 이때 기준가스실 측의 하우징부가 실질적으로 기준가스실을 감싸는 센서 소자 특히 내연기관 배기가스의 산소농도 측정용 센서 소자에 있어서, 기준가스실측 하우징부(35)의 안쪽에서 길이 방향으로 센서(12)를 감싸는 케이스(12)가 설치되며, 이 케이스가 센서패킹(19)을 위한 조립부(41)를 구성하는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 케이스(40)가 기준가스실 측 하우징부(35)와 기밀도를 유지하도록 연결된 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  3. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 하우징안에 기준가스실(53)을 향하는 전면(23)을 갖는 세라믹 형상재(20, 92)가 배치되며, 조립부(41)가 전면(23)을 감싸며, 이때 전면(23)은 조립부(41)의 바닥을 구성하는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하우징 안에 기준가스실(53)을 향하는 전면(23)을 갖는 세라믹 형상재(20, 92)가 배치되며, 조립부(41)는 냄비형상으로 센서(12)가 통과할 수 있는 구멍(46)이 있는 바닥을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 센서패킹(19)이 최소한 하나의 유리패킹(50)을 보유함을 특징으로 하는 센서 소자.
  6. 제 5 항에 있어서, 유리패킹(50) 이외에 유리패킹(50) 아래쪽에 측정가스실 쪽으로 최소한 하나의 단열부품(72, 94)이 설치되는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  7. 제 6 항에 있어서, 단열부품(72)이 추가의 분말패킹을 형성하는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  8. 제 7 항에 있어서, 최소한 두 개의 분말패킹(94, 95) 사이에 유리패킹(50)이 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 바깥쪽 분말패킹(95) 위에 기준가스실측으로 하나의 세라믹 형상재(96)가 놓이는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항에 있어서, 압착된 세라믹링으로써 분말패킹(72, 94, 95)이 투입되며 압축력이 작용하면 분말상태로 변하는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  11. 제 5 항에 있어서, 유리패킹(50)에 센서(12)용의 관통 구멍(81)을 보유한 세라믹 형상재(80)가 용해되는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 센서(12)가 추가의 분말충전재(90)에 의해 하우징(10)에 고정되는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 분말충전재(90)가 제 1세라믹 형상재(91)와 제 2세라믹 형상재(92)사이에 압착된 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 압착될 때 분말상태로 변하는 압착, 소결된 활석링으로 구성되는 분말충전재(90)를 제조하는 것을 특징으로 하는 센서 소자.
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