KR20150003234A - 용접된 보호 튜브들을 구비한 가스 센서 - Google Patents

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크리스챤 헤스
디르크 헤프너
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후베르트 돔
베른트 라타이
옌스 슈나이더
구이도 조예츠
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성, 특히 내연기관의 배기가스 내 가스 성분의 특히 온도 또는 그 농도를 측정하기 위한 센서(10), 및 상기 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 센서(10)는 가스 측 단부 섹션(28)에 함몰부(32)를 구비한 센서 하우징(18)과, 측정 가스에 노출되는 가스 측 센서 섹션(14)으로 센서(10)의 종축(16)에 대해 평행하게 센서 하우징(18)의 함몰부(32)로부터 돌출하는 센서 부재(12)와, 센서 섹션(14)을 에워싸는 이중 보호 튜브(20)를 포함한다. 이중 보호 튜브(20)는 하나 이상의 외부 보호 튜브(22)와 하나 이상의 내부 보호 튜브(24)를 포함한다. 외부 보호 튜브(22)는 하우징 측 단부 섹션(30)과 가스 측 단부 섹션(31)을 포함한다. 내부 보호 튜브(24)는 하우징 측 단부 섹션(26)과 가스 측 단부 섹션(27)을 포함한다. 외부 보호 튜브(22)의 하우징 측 단부 섹션(30) 및 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션(26)은 용접부(34)에 의해 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28) 상에 고정된다. 용접부(34)의 중심선(38)은 종축(16)에 대해 수직인 평면(36) 쪽을 향해, 그리고 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)으로부터 이격되는 방향으로 경사진다.

Description

용접된 보호 튜브들을 구비한 가스 센서{GAS SENSOR WITH PROTECTIVE TUBES WELDED THERETO}
본 발명은 측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성, 특히 내연기관의 배기가스 내 가스 성분의 특히 온도 또는 그 농도를 측정하기 위한 센서, 및 상기 센서를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
종래 기술로부터, 측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성을 측정하기 위한 다수의 센서 및 그 방법이 공지되어 있다. 상기 하나 이상의 특성은 기본적으로 가스의 임의의 물리적 및/또는 화학적 특성들일 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 특성들이 검출될 수 있다. 본 발명은 하기에서 특히 가스의 가스 성분의 정성적 및/또는 정량적 검출과 관련하여, 특히 가스 내 산소 성분의 검출과 관련하여 설명된다. 산소 성분은 예컨대 부분 압력의 형태로 및/또는 백분율의 형태로 검출될 수 있다. 그러나, 대안으로서 또는 추가로, 예컨대 가스의 온도와 같은 가스의 또 다른 특성들도 검출될 수 있다.
예컨대 상기 유형의 센서는, 예컨대 콘라트 라이프(Konrad Reif)(발행인): "자동차 내 센서(Sensoren im Kraftfahrzeug)", 1판, 2010년, 160 ~ 165쪽에서 공지된 것과 같은 소위 람다 센서로서 형성될 수 있다. 광대역 람다 센서들에 의해, 특히 평면형 광대역 람다 센서들에 의해, 예컨대 배기가스 내 산소 농도가 넓은 범위에서 측정될 수 있고, 그에 따라 연소실 내 공연비가 추론될 수 있다. 그러나 대안으로서, 핑거 센서(finger sensor)로서의 형성도 가능하다. 공기 비(λ)는 상기 공연비를 나타낸다.
일반적으로 센서의 센서 부재는 센서의 길이 방향으로 센서 하우징으로부터 돌출한다. 이 경우, 센서의 종축을 규정하는 상기 길이 방향은 동시에 센서의 대칭 축을 사전 설정할 수 있는데, 그 이유는 공지된 센서들이 상기 종축과 관련하여 회전 대칭 구성을 갖기 때문이다. 그 밖에도, 센서 부재가 측정 가스와 직접 접촉할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 그러므로 상기 유형의 센서들의 경우 외부 보호 튜브 및 내부 보호 튜브와 경우에 따라 추가로 제공되는 중앙 보호 튜브는 주위로 흐르는 측정 가스의 통과를 가능하게 하기 위해 항시 적합한 개구부들을 포함한다.
통상적으로, 외부 보호 튜브 및 내부 보호 튜브는, 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션이 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 상에 끼워지는 방식으로 센서 하우징에 고정된다. 이를 위해, 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션은 횡단면 확대부를 포함할 수 있으며, 그럼으로써 상기 섹션은 환형 견부로서 형성될 수 있다. 외부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션은 다시금 센서의 종축의 방향으로 볼 때 내부 보호 튜브의 상기 하우징 측 단부 섹션, 다시 말해 환형 견부 상에 끼워지고, 그에 따라 마찬가지로, 그러나 간접적으로, 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 상에 끼워진다. 이처럼 형성된 상기 이중 보호 튜브를 센서 하우징 상에 고정하기 위해, 종래 기술에 따라서는, 결국, 외부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션으로부터, 이 아래에 위치하는, 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션을 통과하여, 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 내에까지 도달하는 용접부가 배치된다. 이 경우, 용접 빔은, 센서의 종축에 대해 수직으로, 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 및 그 결합될 하우징 측 단부 섹션을 향해 정렬된다. 용접은 종축을 중심으로 완전한 일 회전으로 이루어지며, 용접 공정의 종료 시 원주방향으로 볼 때 15°만큼 중첩되어 용접이 수행되며, 다시 말하면 종축을 중심으로 완전한 일 회전보다 더 큰 회전이 이루어진다.
전술한 내용의 결과로서, 용접 동안 에너지 유입의 방향이, 센서의 종축에 대해 수직으로, 외부 보호 튜브 및 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션들과 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션으로 이루어진 어셈블리의 방사 방향 외부 영역에서부터 그 방사 방향 내부 영역으로 향하는 방향으로 향하게 된다. 이 경우, 용접 결합의 품질은 용접 위치 아래의 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션의 영역에서 센서 하우징의 재료 두께에 따라 결정된다. 그러므로 이는 입사 용접 방향으로부터 부품의 아래에서 용접부의 편향을 방지하기 위해 중요하다.
그러므로 종래 기술로부터 공지된 센서들, 및 센서 하우징 상에 외부 보호 튜브 및 내부 보호 튜브를 고정하기 위한 방법들의 수많은 장점에도, 상기 센서들 및 방법들은 여전히 개선의 여지가 있다.
센서 부재는 특히 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 내에 삽입된다. 상기 가스 측 단부 섹션에서 센서 하우징은 함몰부를 포함한다. 함몰부는 바람직하게는 원추형으로 형성된다. 그러므로 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션의 재료 두께는 센서 하우징의 하우징 측 영역으로부터 종축에 대해 평행하게 측정 가스 챔버 쪽으로 향하는 방향으로 갈수록 감소한다. 이 경우, 확인된 점에 따르면, 용접 위치 아래의 가스 측 단부 섹션에서 센서 하우징의 재료 두께는 너무 얇았으며, 그에 따라 용접부는 여전히 얇은 재료 두께의 방향으로 갈수록 편향되었다. 이 경우, 재료 분리가 발생할 수 있으며, 그럼으로써 외부 보호 튜브 및 내부 보호 튜브는 제조할 때뿐만 아니라 열 부하 및/또는 기계적 부하가 주어질 때에도 이탈된다.
본 발명의 과제는, 측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성을 측정하기 위한 센서, 및 이 센서를 제조하기 위한 방법에 있어서, 공지된 센서들의 단점들을 적어도 실질적으로 방지하고 특히 센서 하우징과 보호 튜브들의 결합을 향상시키는 센서 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 센서 및 청구항 제 7 항에 따른 제조 방법에 의해 해결된다.
본 발명은 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 상에서 용접 위치가 종축의 방향에서 보호 튜브들의 제조 공정 및 이와 결부된 절단 가장자리들로 인해 제한적으로만 변동될 수 있지만, 용접 방법은 종축에 대한 용접 방향의 통상적인 수직 배향에 대해 소정의 각도로 용접이 수행되도록 변경될 수 있다는 사실을 기초로 한다. 그 결과, 용접부는 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션의 훨씬 더 두꺼운 재료 두께 쪽을 향해 정렬될 수 있다.
측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성, 특히 내연기관의 배기가스 내 가스 성분의 온도 또는 그 농도를 측정하기 위한 센서는 가스 측 단부 섹션에 함몰부를 구비한 센서 하우징을 포함한다. 그 밖에도, 센서는, 측정 가스에 노출되는, 가스 측 센서 섹션으로 센서의 종축에 대해 평행하게 센서 하우징의 함몰부로부터 돌출하는 센서 부재를 포함한다. 그 밖에, 센서는, 하나 이상의 외부 보호 튜브와 하나 이상의 내부 보호 튜브를 구비하여 센서 섹션을 에워싸는 이중 보호 튜브를 포함한다. 외부 보호 튜브는 하우징 측 단부 섹션과 가스 측 단부 섹션을 포함한다. 내부 보호 튜브는 하우징 측 단부 섹션과 가스 측 단부 섹션을 포함한다. 외부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션 및 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션은 용접부에 의해 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 상에 고정된다. 용접부는 종축에 대해 수직인 평면 쪽을 향해, 그리고 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션으로부터 이격되는 방향으로 경사진다.
용접부는 10° 내지 30°, 바람직하게는 15° 내지 25°, 예컨대 20°의 경사 각도로 경사질 수 있다. 용접부는, 실질적으로 함몰부의 반개구각(half-opening angle)의 반인 경사 각도로 경사질 수 있다. 함몰부의 반개구각은 40°일 수 있다. 용접부는 빔 용접 방법에 의해, 특히 레이저 빔 용접에 의해 형성될 수 있다. 센서 하우징은 측정 가스 챔버 상에 센서를 고정하기 위한 하나 이상의 고정 부재를 구비한 환형 견부를 포함할 수 있고, 용접부는 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션에서 환형 견부로부터 0.75㎜ 내지 2.0㎜, 바람직하게는 0.9㎜ 내지 1.6㎜의 이격 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 용접부는 종축을 중심으로 원주방향으로 일 회전 이상 완전하게 형성될 수 있다. 센서는 추가의 중앙 보호 튜브를 포함할 수 있으며, 이 중앙 보호 튜브는 이중 보호 튜브의 내부에서 센서 부재를 에워싸면서 함몰부의 내부에 배치된다.
측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성, 특히 내연기관의 배기가스 내 가스 성분의 온도 또는 그 농도를 측정하기 위한 센서의 제조 방법은
- 가스 측 단부 섹션에 함몰부를 포함하는 센서 하우징을 제공하는 제공 단계와,
- 센서 부재가 측정 가스에 노출되는, 가스 측 센서 섹션으로 센서의 종축에 대해 평행하게 센서 하우징의 함몰부로부터 돌출하는 방식으로 센서 부재를 배치하는 배치 단계와,
- 하나 이상의 외부 보호 튜브와 하나 이상의 내부 보호 튜브를 포함하여 센서 섹션을 에워싸는 이중 보호 튜브이며, 외부 보호 튜브는 하우징 측 단부 섹션과 가스 측 단부 섹션을 포함하고 내부 보호 튜브는 하우징 측 단부 섹션과 가스 측 단부 섹션을 포함하는, 상기 이중 보호 튜브를 배치하는 배치 단계와,
- 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션 상에, 빔 용접 방법을 이용하여, 특히 레이저 빔 용접을 이용하여, 외부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션 및 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션을 고정하는 고정 단계로서, 용접부는 종축에 대해 수직인 평면 쪽을 향해, 그리고 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션으로부터 이격되는 방향으로 경사지는, 상기 고정 단계를 포함한다.
용접부는 10° 내지 30°, 바람직하게는 15° 내지 25°, 예컨대 20°의 경사 각도로 경사질 수 있다. 용접부는 실질적으로 함몰부의 반개구각의 반인 경사 각도로 경사질 수 있다. 반개구각은 40°일 수 있다. 센서 하우징은 측정 가스 챔버 상에 센서를 고정하기 위한 하나 이상의 고정 부재를 구비한 환형 견부를 포함할 수 있고, 용접부는 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션에서 환형 견부로부터 0.75㎜ 내지 2.0㎜, 바람직하게는 0.9㎜ 내지 1.6㎜의 이격 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 용접부는 종축을 중심으로 원주방향으로 일 회전 이상 완전하게 형성될 수 있다. 이중 보호 튜브의 내부에서 센서 부재를 에워싸는 추가의 중앙 보호 튜브는 함몰부의 내부에 배치될 수 있다.
가스 측이란, 본 발명의 범위에서, 측정 가스 챔버로 향해 있으면서 측정 가스 챔버 내에 배치될 수 있는 영역을 의미한다.
그러므로 본 발명의 범위에서, 예컨대 외부 또는 내부 보호 튜브의 가스 측 센서 섹션 또는 그 가스 측 단부 섹션과 같은 부품의 가스 측 섹션이란, 측정 가스 챔버로 향해 있으면서 측정 가스 챔버 내에 또는 그 상에 배치될 수 있는, 외부 또는 내부 보호 튜브의 센서 섹션 또는 단부 섹션을 의미한다.
예컨대 외부 또는 내부 보호 튜브의 하우징 측 단부 섹션과 같은 하우징 측 섹션이란, 본 발명의 범위에서, 센서의 센서 하우징으로 향해 있으면서 센서 하우징 내에 또는 그 상에 배치될 수 있는 섹션을 의미한다.
센서는 예컨대 핑거 센서로서 형성될 수 있으며, 다시 말하면 예컨대 관형 구성을 갖는 람다 센서로서 형성될 수 있다. 센서는 특히 자동차 공학의 분야에서 사용될 수 있기 때문에, 측정 가스 챔버는 특히 내연기관의 배기 시스템일 수 있고 가스는 특히 배기가스일 수 있다.
함몰부란, 본 발명의 범위에서, 오목한 부분, 바람직하게는 원추형의 오목한 부분을 의미한다.
용접부의 경사란, 본 발명의 범위에서, 센서의 종축에 대해, 또는 배향이 종축에 대해 수직인 경우에는 에너지 도입의 방향에 대해 수직인 평면과의 편차를 의미한다. 특히 본 발명의 범위에서, 경사란, 센서 하우징으로부터 이격되면서 측정 가스 챔버 쪽을 향하는 방향으로 종축에 대해 수직인 평면과의 편차를 의미한다. 그에 따라, 개념상, 평면은 측정 가스 챔버의 방향으로 기울어진다. 그러므로 용접부의 경사 각도는, 본 발명의 범위에서, 종축에 대해 수직인 평면과 용접부의 중심선 사이의 경사의 각도를 나타낸다.
"실질적으로"라는 표현은, 본 발명의 범위에서, 명시된 방향 내지 명시된 각도와의 최대 5°의 편차를 의미한다.
센서 하우징의 환형 견부와 용접부의 이격 간격이란, 본 발명의 범위에서, 환형 견부에서부터, 종축에 대해 평행한 방향에서, 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션의 외주면 상에서 용접부의 중심선까지의 치수를 의미한다.
용접부의 폭이란, 본 발명의 범위에서, 종축에 대해 평행한 방향으로 용접부의 치수를 의미한다.
폭은 예컨대 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션의 외주면 상에서 측정될 수 있다.
용접부의 깊이란, 본 발명의 범위에서, 센서 하우징의 가스 측 단부 섹션에서 종축에 대해 수직인 방향으로 용접부의 치수를 의미한다. 깊이는 예컨대 종축에 대해 방사 방향에서 측정된다.
센서의 본 발명에 따른 구성의 경우, 보호 튜브 및 센서 하우징 내로 용접 에너지 도입의 유형의 변동에 의해, 용접 결합의 품질이 직접적으로 영향을 받을 수 있다. 그 외에, 용접 위치, 이송 속도, 용접 출력, 및 용접 에너지가 도입되는 각도도 결정적인 영향을 미친다. 매개변수들의 적합한 조합을 통해, 센서 하우징 내로 용접부의 깊이가 정확하게 제한될 수 있고 용접부는 센서 하우징의 두꺼운 재료 두께의 영역에서 연장되는 것이 달성된다. 그러므로 보호 튜브의 적합한 결합은 용접부의 충분한 깊이로 달성될 수 있으면서, 횡단면과 관련하여 센서 하우징을 약화시키지도 않는다. 특히 각도의 변동, 다시 말하면 용접 에너지 도입의 수직 방향과의 편차는 용접 결합의 내구성을 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 추가의 선택적 세부 사항들 및 특징들은 도면들에 개략적으로 도시되어 있는 바람직한 실시예들에 대한 하기의 기술 내용으로부터 제시된다.
본 발명에 의해, 공지된 센서들의 단점들을 적어도 실질적으로 방지하고 특히 센서 하우징과 보호 튜브들의 결합을 향상시키는, 센서 및 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 센서의 횡단면의 일부분을 도시한 개략도이다.
도 2는 센서의 종축의 방향으로 절단된 횡단면의 확대도이다.
도 3은 변형된 센서의 종축의 방향으로 절단된 횡단면의 확대도이다.
도 4는 센서의 작동 시간에 따르는 균열 크기를 나타낸 그래프이다.
도 1에는, 본 발명에 따르는 센서(10)의 횡단면의 일부분이 도시되어 있다. 센서(10)는, 측정 가스에 노출되는 가스 측 센서 섹션(14)으로 센서(10)의 종축(16)에 대해 평행하게 센서 하우징(18)으로부터 돌출한 센서 부재(12)를 포함한다. 센서(10)의 본 구성에서, 센서(10)는 종축(16)을 중심으로 하는 회전 대칭 구성을 갖는다. 센서 부재(12)의 가스 측 센서 섹션(14)은 종축(16)에 대해 바깥쪽에서 안쪽을 향해 볼 때 맨 먼저 이중 보호 튜브(20)에 의해 에워싸인다. 상기 이중 보호 튜브(20)는 하나 이상의 외부 보호 튜브(22)와 하나 이상의 내부 보호 튜브(24)를 포함한다. 이중 보호 튜브(20)는, 예컨대 이중 보호 튜브(20)의 내부에 배치되어 센서 부재(12)를 에워싸는 중앙 보호 튜브와 같은 복수의 보호 튜브도 포함할 수 있다. 내부 보호 튜브(24)는 하우징 측 단부 섹션(26)과 가스 측 단부 섹션(27)을 포함한다. 이 경우, 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션(26)은, 환형 돌출부로서 형성된, 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28) 상에 끼워진다. 이를 위해, 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션(26)은 횡단면 확대부를 포함하며, 그럼으로써 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션(26)은 환형 견부로서 형성될 수 있다. 외부 보호 튜브(22)는 하우징 측 단부 섹션(30)과 가스 측 단부 섹션(31)을 포함한다. 외부 보호 튜브(22)의 하우징 측 단부 섹션(30)은 다시금 센서(10)의 종축(16)의 방향으로 볼 때 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션(26) 상에 끼워지고, 그에 따라, 그러나 간접적으로, 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28) 상에 끼워진다.
센서 하우징(18)은 함몰부(32)를 포함한다. 함몰부(32)는 가스 측 단부 섹션(28)의 종축(16)의 축 방향으로 형성된다. 센서 부재(12)는 가스 측 센서 섹션(14)으로 종축(16)에 대해 평행하게 센서 하우징(18)의 함몰부(32)로부터 돌출한다. 특히 함몰부(32)는 원추형으로 반개구각(β)을 갖도록 형성된다. 함몰부(32)는 특히 측정 가스 챔버에서부터 센서 하우징(18) 쪽을 향하는 방향으로 갈수록 가늘어지는 방식으로 형성된다. 따라서, 가스 측 단부 섹션(28)의 재료 두께는 가스 측에서부터 하우징 측 쪽으로 갈수록 커진다. 도시된 예시의 경우, 함몰부(32)는 40°의 반개구각(β)을 가질 수 있다.
센서 하우징(18) 상에 이중 보호 튜브(20)의 고정을 위해, 외부 보호 튜브(22)의 하우징 측 단부 섹션(30)으로부터, 이 아래에 위치하는, 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션(26)을 통과하여, 센서 하우징(18) 내에까지, 특히 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28) 내에까지 도달하는 용접부(34)가 배치된다. 용접부(34)는, 종축(16)에 대해 수직으로 연장되는 평면(36) 쪽을 향해, 그리고 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)으로부터 이격되는 방향으로 경사진다. 특히 용접부(34)는 경사 각도(α)로 배치된다. 용접부의 경사 각도(α)의 결정을 위해, 본 발명의 범위에서, 한편으로 용접 동안 에너지 도입의 배향에 상응하는 용접부(34)의 중심선(38)이 사용되고, 다른 한편으로는 평면(36)이 사용된다. 용접부(34)는 특히 10° 내지 30°, 바람직하게는 15° 내지 25°, 예컨대 20°의 경사 각도로 경사진다. 그러므로 용접부(34)는 실질적으로 함몰부(32)의 반개구각(β)의 반인 경사 각도(α)로 경사질 수 있다. 이 경우, 용접부(34)는 빔 용접 방법에 의해, 특히 레이저 빔 용접에 의해 형성될 수 있다.
측정 가스 챔버에 센서(10)를 고정하기 위해, 센서 하우징(18)은, 예컨대 수나사부일 수 있고 측정 가스 챔버의 벽부 내에 그에 상응하게 형성된 암나사부 내로 맞물려 고정될 수 있는 고정 수단(40)을 포함한다. 고정 수단(40)은 센서 하우징(18)의 환형 견부(42) 상에 형성된다. 외부 보호 튜브(22) 및 내부 보호 튜브(24)는 예컨대 하우징 측 단부 섹션들(26, 30)로 환형 견부(42)의 가스 측 단부면(44)과 접촉할 수 있다. 이 경우, 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)의 외주면(46) 상에서 용접부(34)의 위치는, 하기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 종축(16)의 방향으로 특정 범위 내에서 변할 수 있다.
도 2에는, 센서(10)의 종축(16)의 방향으로 절단된 횡단면의 확대도가 도시되어 있다. 도 2에서 알 수 있는 것처럼, 용접부(34)는 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)에서 환형 견부(42)의 단부면(44)으로부터 0.7㎜ 내지 2.00㎜, 바람직하게는 0.9㎜ 내지 1.6㎜의 이격 간격(48)으로 이격되어 형성될 수 있다. 도 2에서, 이격 간격(48)은 예컨대 0.91㎜이고, 외주면(46) 상에서, 환형 견부(42)의 단부면(44)에서부터, 종축(16)에 대해 평행한 방향으로 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)의 외주면(46)과 용접부(34)의 중심선(38)의 교차점까지의 치수로서 결정된다.
또한, 용접부(34)는 예컨대 1.16㎜의 폭(50)과 같은 특정 폭(50)을 가질 수 있다. 폭(50)은 종축(16)에 대해 평행한 방향으로 용접부(34)의 치수로서 결정된다. 치수는 예컨대 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)의 외주면(46) 상에서 측정될 수 있다. 또한, 용접부(34)는, 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)에서, 예컨대 0.74㎜의 깊이(52)와 같은 특정 깊이(52)를 가질 수 있다. 깊이(52)는 종축(16)에 대한 수직인 방향으로 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)의 외주면(50)에서 용접부(34)의 치수로서 결정된다.
도 3에는, 변형된 센서(10)의 종축(16)의 방향으로 절단된 횡단면의 추가 확대도가 도시되어 있다. 도 3에서, 센서는, 용접부(34)의 이격 간격(48)이 예컨대 1.52㎜이고, 그 폭(50)은 예컨대 0.9㎜이며, 그 깊이(52)는 0.63㎜인 점에서, 도 2의 센서와 구별된다. 도 3의 센서(10)의 용접부(34)의 깊이(52)는 도 2의 센서(10)의 용접부(34)의 깊이(52)보다 더 작은데, 그 이유는 이격 간격(48)이 더 크며 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)의 재료 두께는 단부면(44)으로부터의 이격 간격이 증가함에 따라 감소하기 때문이다.
도 4에는, X 축 상에 센서(10)의 사이클들(54)의 횟수, 다시 말하면 작동 과정들의 횟수와 그에 따른 센서(10)의 작동 시간이 표시되어 있고, Y 축 상에는 균열 크기(56)가 백분율로 표시되어 있는, 그래프가 도시되어 있다. 균열 크기란, 본 발명의 범위에서, 원주방향에서 용접부의 전체 길이에 대한 원주방향에서 용접부의 균열 길이의 백분율 비율을 의미한다. 이는, 반드시, 균열 길이가 균열의 연속적인 길이인 것을 전제 조건으로 하지는 않는다. 따라서 균열 길이는 예컨대 원주방향으로 다수의 균열의 각각의 길이로 구성될 수 있으며, 다시 말하면 균열 길이는 원주방향으로 다수의 균열의 길이들의 합이다.
곡선들(58, 60, 62)은 용접부(34)가 종축(16)에 대해 수직으로 형성되는 종래의 센서들을 나타낸다. 곡선들(58, 60, 62)의 센서들은, 이격 간격(48)이 상기 방식으로 변하는 점에서 서로 구별된다. 곡선(58)의 센서에서 이격 간격(48)이 가장 크며, 곡선(62)의 센서에서는 가장 작다. 곡선(60)의 센서의 이격 간격은 곡선들(58 및 62)의 센서들의 이격 간격들(48) 사이에 위치한다. 곡선들(58, 60, 62)로부터, 용접부(34)의 위치로 인해, 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)의 더 두꺼운 재료 두께 쪽으로 갈수록, 다시 말하면 이격 간격(48)이 더 작아짐에 따라 센서 하우징(18) 상에서 보호 튜브들(22, 24)의 내구성이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 곡선(58)에 대한 균열 크기(56)는 센서의 1420회 사이클(54)에서 이미 100%에 달한다. 곡선(60)에 대한 균열 크기(56)는 센서의 1350회 사이클(54)에서 이미 80%이다. 곡선(62)에 대한 균열 크기(56)는 센서의 1400회 사이클(54)에서 이미 80%이다.
비교를 위해, 도 4의 그래프에는, 용접부(34)가 앞에서 언급한 20°의 경사 각도로 형성되어 있는 곡선들(64, 66)이 표시되어 있다. 곡선(64)은 도 2에 도시된 센서에 속한다. 곡선(66)은 도 3에 도시된 센서에 속한다. 도 4의 그래프에서, 곡선들(64, 66)에 의해, 경사 각도(α)가 용접부(34)의 위치에 비해, 센서 하우징(18) 상에서 보호 튜브들(22, 24)의 용접부(34)의 내구성에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 분명하게 확인할 수 있는데, 그 이유는 곡선들(64, 66)의 파형들이 거의 상호 간에 구별되지 않기 때문이다. 곡선들(64, 66) 중 더 낮은 곡선의 경우, 1500회의 사이클(54) 미만에서 50%를 상회하는 균열 크기(56)가 달성된다. 앞에서 언급한 곡선들(58, 60, 62)에 비해 곡선들(64, 66)에 의해서는, 도 2 및 도 3의 센서들의 용접부(34)의 내구성이 곡선들(58, 60, 62)의 센서들에서보다 적어도 두 배라는 것을 확인할 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따르는 센서들에서 보호 튜브들(22, 24)은, 이 보호 튜브들이 본 발명에 따라서 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28)과 용접된다면, 센서 하우징(18) 상에 훨씬 더 오래 고정된다.
본 발명에 따른 센서의 제조를 위해, 예컨대 가스 측 단부 섹션(28)에 함몰부(32)를 포함하는 센서 하우징(18)이 제공된다. 함몰부(32)는 예컨대 상응하는 천공기에 의해 형성될 수 있다. 그리고 나서, 센서 부재(12)는, 이 센서 부재(12)가 가스 측 센서 섹션(14)으로 센서(10)의 종축(16)에 대해 평행하게 센서 하우징(18)의 함몰부(32)로부터 돌출하도록 배치된다. 그 다음에, 상기 실시예에 따라 이중 보호 튜브(20)가 배치되며, 다시 말하면 외부 보호 튜브(22) 및 내부 보호 튜브(24)가 하우징 측 단부 섹션들(26 및 30)로 센서 하우징(18)의 가스 측 단부 섹션(28) 상에 끼워진다. 마지막으로, 외부 보호 튜브(22) 및 내부 보호 튜브(24)의 하우징 측 단부 섹션들(26, 30)이 빔 용접 방법에 의해, 특히 레이저 빔 용접에 의해 센서 하우징(28)의 가스 측 단부 섹션(28) 상에 고정된다. 이 경우, 용접부(34)는 앞에서 언급한, 예컨대 20°의 경사 각도(α)로 제공된다. 예컨대 용접부(34)는 870W의 용접 출력 및 1.06m/min의 이송 속도로 형성될 수 있다. 용접부(34)는, 이격 간격(48)이 예컨대 0.7㎜ 내지 2.0㎜, 바람직하게는 1.20㎜ 내지 1.50㎜가 되도록 제공될 수 있다.
10 센서
12 센서 부재
14 가스 측 센서 섹션
16 종축
18 센서 하우징
20 이중 보호 튜브
22 외부 보호 튜브
24 내부 보호 튜브
26 하우징 측 단부 섹션
27 가스 측 단부 섹션
28 가스 측 단부 섹션
30 하우징 측 단부 섹션
31 가스 측 단부 섹션
32 함몰부
34 용접부
36 평면
38 34의 중심선
40 고정 수단
42 18의 환형 견부
44 42의 단부면
46 28의 외주면
48 34의 이격 간격
50 34의 폭
52 34의 깊이
54 10의 사이클
56 균열 크기
58, 60, 62, 64, 66 곡선

Claims (12)

  1. 측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성, 특히 내연기관의 배기가스 내 가스 성분의 온도 또는 그 농도를 측정하기 위한 센서(10)로서, 가스 측 단부 섹션(28)에 함몰부(32)를 구비한 센서 하우징(18)과, 측정 가스에 노출되는 가스 측 센서 섹션(14)으로 상기 센서(10)의 종축(16)에 대해 평행하게 상기 센서 하우징(18)의 상기 함몰부(32)로부터 돌출하는 센서 부재(12)와, 하나 이상의 외부 보호 튜브(22)와 하나 이상의 내부 보호 튜브(24)를 구비하여 상기 센서 섹션(14)을 에워싸는 이중 보호 튜브(20)를 포함하는, 센서에 있어서,
    상기 외부 보호 튜브(22)는 하우징 측 단부 섹션(30)과 가스 측 단부 섹션(31)을 포함하고,
    상기 내부 보호 튜브(24)는 하우징 측 단부 섹션(26)과 가스 측 단부 섹션(27)을 포함하고,
    상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 하우징 측 단부 섹션(30) 및 상기 내부 보호 튜브(24)의 상기 하우징 측 단부 섹션(26)은 용접부(34)에 의해 상기 센서 하우징(18)의 상기 가스 측 단부 섹션(28) 상에 고정되며,
    상기 용접부(34)는 상기 종축(16)에 대해 수직인 평면(36) 쪽을 향해, 그리고 상기 센서 하우징(18)의 상기 가스 측 단부 섹션(28)으로부터 이격되는 방향으로 경사지는, 센서(10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용접부(34)는 10° 내지 30°, 바람직하게는 15° 내지 25°의 경사 각도(α)로 경사지는, 센서(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 용접부(34)는 실질적으로 상기 함몰부(32)의 반개구각(β)의 반인 경사 각도(α)로 경사지는, 센서(10).
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 반개구각(β)은 40°인, 센서(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 하우징(18)은 상기 측정 가스 챔버 상에 상기 센서(10)를 고정하기 위한 하나 이상의 고정 부재(40)를 구비한 환형 견부(42)를 포함하며, 상기 용접부(34)는 상기 센서 하우징(18)의 상기 가스 측 단부 섹션(28)에서 상기 환형 견부(42)로부터 0.75㎜ 내지 2.0㎜, 바람직하게는 0.9㎜ 내지 1.6㎜의 이격 간격(48)으로 이격되어 형성되는, 센서(10).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접부(34)는 상기 종축(16)을 중심으로 원주방향으로 일 회전 이상 완전하게 형성되는, 센서(10).
  7. 측정 가스 챔버 내에서 측정 가스의 하나 이상의 특성, 특히 내연기관의 배기가스 내 가스 성분의 온도 또는 그 농도를 측정하기 위한 센서(10)의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은
    - 가스 측 단부 섹션(28)에 함몰부(32)를 포함하는 센서 하우징(18)을 제공하는 제공 단계와,
    - 센서 부재(12)가 측정 가스에 노출되는 가스 측 센서 섹션(14)으로 상기 센서(10)의 종축(16)에 대해 평행하게 상기 센서 하우징(18)의 상기 함몰부(32)로부터 돌출하도록, 센서 부재(12)를 배치하는 배치 단계와,
    - 하나 이상의 외부 보호 튜브(22)와 하나 이상의 내부 보호 튜브(24)를 포함하여 상기 센서 섹션(14)을 에워싸는 이중 보호 튜브(20)로서, 상기 외부 보호 튜브(22)는 하우징 측 단부 섹션(30)과 가스 측 단부 섹션(31)을 포함하고 상기 내부 보호 튜브는 하우징 측 단부 섹션(26)과 가스 측 단부 섹션(27)을 포함하는, 상기 이중 보호 튜브(20)를 배치하는 배치 단계와,
    - 상기 센서 하우징(18)의 상기 가스 측 단부 섹션(28) 상에, 빔 용접 방법을 이용하여, 특히 레이저 빔 용접을 이용하여, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 하우징 측 단부 섹션(30) 및 상기 내부 보호 튜브(24)의 상기 하우징 측 단부 섹션(26)을 고정하는 고정 단계로서, 용접부(34)는 상기 종축(16)에 대해 수직인 평면(36) 쪽을 향해 그리고 상기 센서 하우징(18)의 상기 가스 측 단부 섹션(28)으로부터 이격되는 방향으로 경사지는, 상기 고정 단계를 포함하는, 센서의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 용접부(34)는 10° 내지 30°, 바람직하게는 15° 내지 25°의 경사 각도(α)로 경사지는, 센서의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 용접부(34)는 실질적으로 상기 함몰부(32)의 반개구각(β)의 반인 경사 각도(α)로 경사지는, 센서의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 반개구각(β)은 40°인, 센서의 제조 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 하우징(18)은 상기 측정 가스 챔버에 상기 센서(10)를 고정하기 위한 하나 이상의 고정 부재(40)를 구비한 환형 견부(42)를 포함하며, 상기 용접부(34)는 상기 센서 하우징(18)의 상기 가스 측 단부 섹션(28)에서 상기 환형 견부(42)로부터 0.75㎜ 내지 2.0㎜, 바람직하게는 0.9㎜ 내지 1.6㎜의 이격 간격(48)으로 이격되어 형성되는, 센서의 제조 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접부(34)는 상기 종축(16)을 중심으로 원주방향으로 일 회전 이상 완전하게 형성되는, 센서의 제조 방법.
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