KR20020000865A - 승용차 및 상용차의 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항소자 - Google Patents

승용차 및 상용차의 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항소자 Download PDF

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린드너프리데리케
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Abstract

본 발명은 온도 측정용, 고온 저항성 수동 저항 소자에 관한 것이고, 상기 소자는 내부에 위치한 하나의 절연층(9, 10)과 외부에 위치하며 세라믹 복합 구조로 된 두 개의 전도층(8)을 포함하며, 상기 전도층은 저항 소자의 팁(11)에서 서로 연결되고, 상기 세라믹 복합 구조는 트리실리콘 테트라니트라이드, 메탈 실리사이드와 이트륨 옥사이드 또는 트리실리콘 테트라니트라이드, 메탈 실리사이드와 SiXOｙCZNW로 이루어진 매트릭스상을 포함하며, 여기서 x 는 1 내지 2, y 는 0 내지 2, z 는 0 내지 2 와 w 는 0 내지 2 를 나타낸다. 또한 상기 저항 소자와 글로우 플러그로 구성된 결합 소자(3)가 또한 제안된다.

Description

승용차 및 상용차의 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항 소자{Passive High-Temperature Resistant Resistance Element For Measuring Temperature In Passenger Vehicles And Commercial Vehicles}
1400℃ 까지의 사용 범위에서의 온도를 측정하기 위해 사용되는 내열 재료는 기계적으로 불안정하기 때문에 일반적으로 독립적 온도 센서 부재로서 사용될 수 없다. 따라서 상기 재료는 보통 보호관 내에 또는 기판 사이에 구성된다. 대부분 세라믹 기판이 사용된다. 배기 가스에 적합한 공지된 온도 센서는, 일반적으로 Pt/PtRh 또는 Ni/CrNi 로 이루어진 귀금속 와이어로 구성된 열전 소자이고, 상기 열전 소자의 연결 단부는 세라믹 관에서 서로 절연되며 상기 열전 소자의 접촉 위치는 금속 외피 또는 세라믹 외피에 의해 보호되거나 또는 글로우 플러그의 금속 외피에 용접되어 보호된다. 두꺼운 층 소자 또는 얇은 층 소자로서 구성된 온도 센서도 또한 공지되어 있고, 상기 온도 센서에서 온도에 민감한 기능층(function layer)은 기판 위에 기상 증착되거나 또는 기판 사이에 삽입된다. 이는 기재에 의한 열전 소자의 관성을 야기시킨다.
내연 기관의 연소실에서의 연소 과정 동안 온도의 측정은 매우 어렵다. 연소실에 대한 접근을 위해, 특히 최근의 4-밸브-직접 분사 엔진의 경우 온도 센서용의 부가적인 보어를 제공하는 것은 종종 불가능하다.
더욱이 -40 내지 1400℃의 측정 온도 또는 온도 범위는 고열 가스 형태의 부식성(aggressive) 분위기와 함께 온도 센서에 대한 많은 요구를 한다.
본 발명은 승용차 및 상용차의 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항 소자에 관한 것이다. 본 발명은 또한 내연 기관의 연소실에서 사용하기 위한 기능 소자를 구비한 저항 소자로 구성된 합성 소자에 관한 것이다.
도 1 은 승용차 또는 상용차의 배기 가스관에서의 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항 소자의 개략적 단면도.
도 2 는 승용차 엔진 또는 상용차 엔진의 연소실에 있는 고온 저항성 수동 결합 소자의 개략적 단면도.
도 3, 도 4 는 각각 구분되는 실시예에서 본 발명에 따른 고온 저항성 수동 저항 소자의 사시도.
본 발명은 1400℃의 매우 높은 온도까지 열 저항성을 가지며 기계적으로 안정된 독립적 저항 센서를 제공하고자 하는 것이고, 상기 저항 센서는 배기 가스 관에서의 배기 가스 온도를 측정할 수 있거나 -40 내지 1400℃의 사용 범위에서 승용차 엔진 및 상용차 엔진의 연소실 온도를 측정할 수 있다. 상기의 경우 연소실에 있는 개구들 중 하나를 거쳐서 온도가 측정되어야 한다.
상기의 과제는 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항 소자를 통해서 본 발명에 따라 해결되고, 상기 소자는, 내부에 위치한 하나의 절연층과 외부에 위치하며 세라믹 복합 구조로 이루어진 두 개의 전도층을 포함하고, 상기 전도층이 저항 소자의 팁(11)에서 서로 연결되며, 상기 세라믹 복합 구조는 트리실리콘 테트라니트라이드, 메탈 실리사이드와 이트륨 옥사이드 또는 트리실리콘 테트라니트라이드, 메탈 실리사이드와 SiXOｙCZNW로 이루어진 매트릭스상을 포함하며, 여기서 x 는 1 내지 2를, y 는 0 내지 2를, z 는 0 내지 2를, w 는 0 내지 2 를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 적합한 실시예에서, 내부에 위치한 절연층도 세라믹 복합 구조를 포함한다.
이때 절연된 구성 부품의 구성과 전도성 구성 부품의 구성이 단지 약간만 다르기 때문에, 합성 재료의 동시-소결 또는 동시 열분해가 가능하다. 소결에 관해서는 EP 0 412 428 A1 및 DE 195 38 695 A1 에 언급되어 있다.
단순한 변형예에서는, 합성 재료로 이루어지고 내부에 위치한 절연층 대신에 절연을 위한 공기틈이 있을 수 있다.
본 발명에 따른 저항 소자의 세라믹 복합 구조는 적합하게는 30 내지 70 중량 % Si3N4, 25 내지 65 중량 % MSi2, 0 내지 5 중량 % Al2O3와 2 내지 9 중량 % Y2O3를 포함하며, 상기 M 은 Mo, Nb, W 또는 Ti 이다.
상기 세라믹 복합 구조에서 SixOyCzNw로 구성된 매트릭스상은, 하나 또는 다수의 실리콘 유기 화합물의 열분해 생성물이다. 유용한 화합물은 Huels 의 NH2100과 같은 폴리실록산과, 일본 회사인 Nichimen Incorp.의 NCP200 과 같은 폴리실라잔이다.
메탈 실리사이드 MSi2의 필러를 가진 트리실리콘 테트라니트라이드를 기로 하는 합성 재료는 열적 및 기계적으로 저항성을 가지며, 상응된 필러 구성 요소의 특정의 성분을 혼합하는 것을 통해, 혼합된 성분에 따라 조절할 수 있고 포지티브 온도 계수를 가지는 저항을 포함한다. EP 0 412 428 A1 과 DE 195 38 695 A1 에 제안된 바와 같이, 상기 특성 결합을 통해 예를 들어 빠르게 가열되는 글로우 플러그를 형성할 수 있다.
본 발명의 적합한 실시예에서 저항 소자의 팁은 가늘어진다. 상기 팁에서 전도성 영역이 가늘어짐으로써 센서의 저항은 조정될 수 있다. 가늘어진 영역의 길이는 온도를 측정하는 지점을 결정한다. 팁의 전도성 합성 재료의 전기 저항은 공급관의 재료에 비한 혼합비의 변동에 의해, 그 열적 및 기계적 특성에 심한 부정적 영향을 주지 않으면서 크게 변동될 수 있으며, 상기 공급관은 저항 소자의 주 본체를 의미한다. 이는 특히 외팔보 형태의 실시예의 경우에 유용하다.
합성 재료의 높은 기계적 고정성은, 외팔보 또는 세라믹 글로우 플러그와 유사하게 적절한 하우징 내에 구성되는 형태로 승용차 또는 상용차의 배기 가스관에 직접 설치될 수 있는 독립적 저항 소자를 형성할 수 있게 한다. 측정하고자 하는 구역에 열감성 재료를 직접 삽입 및, 경우에 따라서는 보호캡 없이 평평하게 삽입함으로써 센서에서 저항 소자는 빠르게 변화될 수 있으며 이로써 유리한 방법으로 전체적으로 활발하게 온도를 측정할 수 있다.
매트릭스 재료 및 사용된 층간 화합물(intercalation compound)의 양호한 산화 안정성에 의해서, 재료는 산화된 대기 및 환원된 대기에서 1400℃까지 안정된다.
상기 재료에서는, -40℃ 내지 1400℃의 범위에서 온도가 증가하는 전기 저항이 거의 선형적으로 증가하기 때문에 전체 범위에서 온도가 측정될 수 있다.
승용차 및 상용차의 배기 가스관에서 온도를 측정하기 위한, 본 발명에 따른 고온 저항성의 저항 소자에 대한 응용예로서는, 예를 들어 가솔린 직접 분사 엔진과 같은 희박 연소(lean-burn)엔진에서 스타트 촉매 컨버터와 메인 컨버터 사이에서 배기 가스 온도를 측정하는 것이 공지되어 있다. 매우 적은 공간으로 독립적 구성을 가능하게 하는 합성 세라믹의 높은 기계적 강도는 배기 가스 중의 적합한 장소에서 온도 센서의 매우 유연한 배치를 허용한다. 촉매 컨버터 전후 이외에도 특히 검출 목적을 위해 촉매 컨버터 내에 직접 조립하는 것도 가능하다.
특히 적합한 실시예에서, 본 발명에 따른 저항 소자는 내연 기관의 연소실로 돌출한 기능 소자와 결합된다. 상기의 기능 소자는 점화 보조부(starting aid), 분사 노즐 또는 밸브일 수 있다. 점화 보조부는 글로우 플러그일 수 있다.
상기의 방법으로, 승용차 또는 상용차 엔진의 연소실에 있는 개구들 중 하나를 거쳐서 온도를 측정할 수 있다.
상기에 언급된 재료들로 구성되고 기능 소자와 결합된 저항 소자는 예를 들어 한편으로 전압을 공급받아서 매우 빠르게 가열되는 글로우 플러그로서 작용을 하고, 다른 한편으로 온도에 따라 변화되는 전기 저항은 능동적 전류 공급 동안, 즉 가열 단계 또는 글로우 단계 동안 그리고, 전류가 흐르지 않는 수동적 휴지 단계 동안 온도 측정을 위해서 측정 신호로서 평가될 수 있다. 합성 재료의 높은 기계적 고정성은 독립적인 결합 소자를 형성할 수 있으며 상기 소자는 종래의 글로우 플러그 대신에, 적절한 하우징에 외팔보로 구성되는 형태로 승용차 및 상용차 엔진의 연소실에 직접 장착될 수 있다. 측정하고자 하는 구역에 열감성 재료를 직접 삽입 및 보호캡 없이 삽입함으로써, 저항 소자는 센서에서 유리한 방법으로 빠르게 변화되고 이로써 전체적으로 활발하게 온도를 측정할 수 있다. 센서 소자의 감도는 공급 라인 저항과 센서 팁 저항의 비율에 의해 조정될 수 있다.
새로운 형태의 결합 소자에 대한 응용예로서는, 디젤 분사 엔진일 경우에 연소실 온도 측정이 알려져 있다. 기능을 통합함으로써 온도 센서와 플러그에 부가적 공간이 필요하지 않는 것은 특히 장점이다. 연소실 온도는 연소 과정을 위한 척도로서 고려될 수 있다.
도 1 에서 합성 세라믹으로 구성된 독립적 PTC-온도 센서는 촉매제를 포함하는 배기 가스관(6)으로 돌출한다. 배기 가스 유동의 방향(7)은 화살표로 표시된다. 두꺼워진 단부에서 온도 센서(4)는 하우징(2)을 통해 나사산과 맞물린다. 여기서 센서는 제어 장치 또는 측정 전자 부품 및 평가 전자 부품과 접촉된다. 리시버에서 측정되고 온도에 좌우되는 저항은 저항 측정 장치 또는, 균형 전자 부품(1)을 구비한 플러그와 함께 표준-Pt-100 또는 Pt-200-소자의 특성에 맞춰질 수 있다.
도 2 에서 글로우 플러그와 온도 센서로 구성된 결합 소자(3)는 엔진의 연소실(5)로 돌출한다.
도 3, 도 4 에서 전도성 합성 재료(8)는 PTC-저항 R1을 포함한다. 도 3 에서 절연된 합성 재료(9)는 전기 저항 R2를 포함하고, 여기서 R2≥ 108·R1이다. 상기의 절연된 합성 재료(9)는 전기 저항 R2(도 4)를 가진 공기틈(10)으로 대체될 수 있다.
R3≥ 102·R1인 PTC-저항 R3을 가진 전도성 합성 재료는 본 발명에 따른 저항 소자의 팁(11)을 형성한다. 결합 재료의 전기 저항은 팁(11)에서 전도성 영역이 가늘어짐으로써 조정될 수 있다. 가늘어진 영역의 길이는, 글로우 핀으로서의 기능 시 전류 공급 동안 뜨거운 구역의 위치 및, 온도 센서로서의 기능 시에 온도 측정 지점을 결정한다.

Claims (12)

  1. 온도 측정용 고온 저항성 수동 저항 소자에 있어서,
    상기 소자는 내부에 위치한 하나의 절연층(9, 10)과 외부에 위치하며 세라믹 복합 구조로 된 두 개의 전도층(8)을 포함하며, 상기 전도층은 저항 소자의 팁(11)에서 서로 연결되고, 상기 세라믹 복합 구조는 트리실리콘 테트라니트라이드, 메탈 실리사이드와 이트륨 옥사이드 또는 트리실리콘 테트라니트라이드, 메탈 실리사이드와 SiXOｙCZNW로 이루어진 매트릭스 상을 포함하며, 여기서 x 는 1 내지 2를, y 는 0 내지 2를, z 는 0 내지 2를, w 는 0 내지 2 를 나타내는 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 내부에 위치한 절연층(9)도 세라믹 복합 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹 복합 구조는 30 내지 70 중량 % Si3N4, 25 내지 65 중량 % MSi2, 0 내지 5 중량 % Al2O3와 2 내지 9 중량 % Y2O3를 포함하고, 상기 M 은 Mo, Nb, W 또는 Ti 인 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹 복합 구조에서 SixOyCzNw로 구성된 매트릭스상은 하나 또는 다수의 실리콘 유기화합물의 열분해 생성물인 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 실리콘 유기화합물은 폴리실록산 또는 폴리실라잔인 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  6. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 내부에 위치한 상기 절연층(10)이 공기틈인 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 소자의 팁(11)이 가늘어지는 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 소자가 하우징 내에 구성되는 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자는 내연 기관의 연소실(5)로 돌출한 기능 소자와 결합되는 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 기능 소자는 점화 보조부, 분사 노즐 또는 밸브인 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 점화 보조부는 글로우 플러그인 것을 특징으로 하는 저항 소자.
  12. 승용차 또는 상용차의 배기 가스관(6)에 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 저항 소자의 사용 방법.
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