KR20150039770A - 접촉형 적외선 온도 센서, 열기기 및 배기 시스템 - Google Patents
접촉형 적외선 온도 센서, 열기기 및 배기 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
열 열화를 억제하여 신뢰성을 확보할 수 있음과 아울러 제조 비용을 줄이는 것이 가능한 접촉형 적외선 온도 센서, 이 접촉형 적외선 온도 센서를 이용하는 열기기 및 배기 시스템을 제공한다. 접촉형 적외선 온도 센서(1)는, 일단을 폐쇄부(21)로 하고 타단을 개구부(22)로 하는 통형상으로서 감온부(23)를 갖는 내열성의 통형상 부재(2)와, 상기 감온부(23)와 대향함과 아울러 이간되어 배열된 적외선 온도 검출 수단(4)과, 상기 감온부(23)로부터 방사되는 적외선을 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내하는 광학 기능부(33)를 구비하고 있다.
Description
본 발명은 열원의 온도를 검출하는 접촉형 적외선 온도 센서, 이 접촉형 적외선 온도 센서를 이용하는 열기기 및 배기 시스템에 관한 것이다.
열원이 설치된 각종 열기기에 있어서, 그 열원의 온도를 검출하고 측정하여 기기를 제어하기 위해 온도 센서가 사용되고 있다. 예를 들면, 디젤 엔진을 탑재한 자동차 등의 배기 가스(열원)를 측정하기 위해 서미스터 소자를 감온 소자(感溫素子)로 한 온도 센서가 사용되고 있다.
구체적으로는, 디젤 엔진을 탑재한 자동차 등에 있어서는, 질소 산화물(NOx)의 억제와 펌핑 손실(pumping loss)의 저감을 위해 배기 가스 재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation) 시스템이 채용되고 있다.
배기 가스 재순환 시스템은, 흡기 중에 다시 배기 가스를 혼합함으로써 배기 가스 중에 포함되는 비활성 물질이 연소를 완만하게 하고 연소 온도를 낮출 수 있다. 또한, 연소 후의 배기 가스이므로 산소 함유량이 적다. 이들에 의해, 고온이면서 산소 과다에서의 연소로 발생하기 쉬운 질소 산화물(NOx)의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 흡기 중의 산소 함유량을 배기 가스량으로 조정함으로써 펌핑 손실을 줄일 수 있는 것이다.
이 배기 가스 재순환 시스템에서는, 배기 가스의 온도를 온도 센서에 의해 측정하고, 최적의 제어가 이루어지도록 되어 있다. 그리고, 이 경우, 온도 센서의 열 응답성의 고속화를 위해, 온도 센서에서의 감온 소자는 직접적으로 고온의 배기 가스 중에 배치되는 등 고온 환경 하에 놓이게 된다.
그러나, 상기와 같이 고온 환경 하에 감온 소자가 놓이는 경우, 고온 영향으로 인해 열 열화가 발생하기 쉬워, 그 전기적 연결부를 포함하여 내열성, 내구성이 높은 구성으로 할 필요가 있다. 따라서, 온도 센서의 제조 비용이 비싸질 가능성이 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 적외선 온도 검출 수단을 열원으로부터 이간시켜 배열할 수 있고, 열 열화를 억제하여 신뢰성을 확보할 수 있음과 아울러 제조 비용을 줄이는 것이 가능한 접촉형 적외선 온도 센서, 이 접촉형 적외선 온도 센서를 이용하는 열기기 및 배기 가스 재순환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 일단을 폐쇄부로 하고 타단을 개구부로 하는 통형상으로서, 감온부를 갖는 내열성의 통형상 부재와, 상기 감온부와 대향함과 아울러 이간되어 배열된 적외선 온도 검출 수단과, 상기 감온부로부터 방사되는 적외선을 적외선 온도 검출 수단으로 안내하는 광학 기능부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
감온부는 열원으로부터의 열을 수열(受熱)하여 적외선을 방사하는 부위로서, 예를 들면, 박육부(薄肉部)로서 구성할 수 있는데, 그 구성이나 형상이 각별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 통형상 부재를 형성하는 재료는 금속이나 세라믹 재료가 바람직한데, 내열성을 갖는 재료이면 되며, 특정한 재료에 한정되는 것은 아니고, 또한, 적외선 온도 검출 수단은 열형이나 양자형 등의 감온 소자를 사용할 수 있는데, 그 형식이나 구성이 한정되는 것은 아니다.
나아가 또한, 광학 기능부는 감온부로부터 방사되는 적외선을 적외선 온도 검출 수단으로 안내하는 기능을 갖는 부분으로서, 특정한 부재나 구성으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 발명에 따르면, 열 열화를 억제하여 신뢰성을 확보할 수 있는 접촉형 적외선 온도 센서의 제공이 가능해진다.
청구항 2에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 감온부는 두께가 얇게 형성되어 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면, 열 응답성이 양호한 접촉형 적외선 온도 센서를 제공할 수 있다.
청구항 3에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 감온부는 통형상 부재에서의 일단의 폐쇄부에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면, 감온부와 적외선 온도 검출 수단 간의 이간 거리를 확보하기 쉬운 구성으로 할 수 있다.
청구항 4에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 통형상 부재는 금속 또는 세라믹으로 제작되는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면, 통형상 부재의 내열성을 확보하기가 쉬워진다.
청구항 5에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1 내지 청구항 4 중어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 광학 기능부는 도광관에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 6에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1 내지 청구항 4 중어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 광학 기능부는 렌즈 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 7에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1 내지 청구항 4 중어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 광학 기능부는 미러 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 8에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 광학 기능부는 시야각 제한 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 9에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서는, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서에 있어서, 상기 적외선 온도 검출 수단에는 적외선 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 10에 기재된 열기기는, 열원과, 이 열원의 온도를 측정하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.
열기기에는, 예를 들면, 배기 가스를 열원으로 하는 엔진, 오븐 렌지, 가스 급탕기, 스토브 등의 열원을 갖는 기기가 포함된다.
청구항 11에 기재된 배기 시스템은, 엔진과, 이 엔진에 연결된 흡기 통로 및 배기 통로와, 상기 배기 통로에 부착된 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면, 배기 시스템에 접촉형 적외선 온도 센서를 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 열 열화를 억제하여 신뢰성을 확보할 수 있는 접촉형 적외선 온도 센서, 이 접촉형 적외선 온도 센서를 이용하는 열기기 및 배기 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 사시도이다.
도 2는 동 접촉형 적외선 온도 센서가 엔진의 배기관에 부착되어 있는 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 1)를 도시한 단면도이다.
도 4는 동 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 2)를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 1)를 도시한 단면도이다.
도 6은 동 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 2)를 도시한 단면도이다.
도 7은 동 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 3)를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 단면도이다.
도 9는 마찬가지로, 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 단면도이다.
도 11은 접촉형 적외선 온도 센서의 온도 검지 특성을 도시한 그래프이다.
도 12는 접촉형 적외선 온도 센서의 응답 특성을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 따른 배기 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 동 접촉형 적외선 온도 센서가 엔진의 배기관에 부착되어 있는 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 1)를 도시한 단면도이다.
도 4는 동 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 2)를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 1)를 도시한 단면도이다.
도 6은 동 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 2)를 도시한 단면도이다.
도 7은 동 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 3)를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 단면도이다.
도 9는 마찬가지로, 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 단면도이다.
도 11은 접촉형 적외선 온도 센서의 온도 검지 특성을 도시한 그래프이다.
도 12는 접촉형 적외선 온도 센서의 응답 특성을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 따른 배기 시스템을 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은 접촉형 적외선 온도 센서를 도시한 사시도이고, 도 2는 접촉형 적외선 온도 센서가 엔진의 배기관에 부착된 개략적인 단면을 도시하고 있다.
접촉형 적외선 온도 센서(1)는, 적외선 에너지를 열로서 흡수하여 그에 따른온도 상승을 이용하여 출력하는 것으로서, 통형상 부재(2)와, 광학 수단(3)과, 적외선 온도 검출 수단(4)과, 홀딩체(5)를 구비하고 있다.
통형상 부재(2)는 내열성을 갖는 금속으로 제작되며, 예를 들면, 스테인리스강으로 만들어져 있어, 일단을 폐쇄부(21)로 하고 타단을 개구부(22)로 하는 바닥 있는 원통형으로 형성되어 있다. 이 통형상 부재(2)는 판재를 프레스 가공 또는 선재를 냉간 단조 가공하는 것 등에 의해 형성된다.
통형상 부재(2)의 일부, 즉, 폐쇄부(21) 측에는 감온부(23)가 형성되어 있다. 이 감온부(23)는 열원에 직접적으로 접촉하여 수열하는 것이 가능하다. 상세하게는, 감온부(23)는 폐쇄부(21) 측에 형성된 박육부로서, 원통부의 두께 치수(t1)가 0.4mm 정도인 데 반해, 박육부의 두께 치수(t2)는 0.2mm 이하로 약 1/2 이하로 설정되어 있다.
또한, 통형상 부재(2)에서의 감온부(23)로서의 박육부는 원통부와 일체로 형성되어 있을 수도 있고, 별체로 형성되어 있을 수도 있다. 별체로 형성되는 경우에는 두께가 얇게 형성된 분리된 부재를 원통부의 일단에 용접 또는 경납땜(brazing) 등에 의해 접합할 수 있다.
또한, 통형상 부재(2)의 형성 재료인 스테인리스강으로는, 내열성이 뛰어난 SUS310S, SUS304나 SUS316 등의 오스테나이트계의 스테인리스강을 사용할 수 있다. 통상적으로는, 오스테나이트계의 스테인리스강으로 하는 것이 바람직한데, 니켈기 합금인 인코넬(Inconel 등록 상표), 코발트기 합금의 코발 및 크롬-알루미늄계 합금의 칸탈(Kanthal) 기타 내열성이 높은 금속 재료를 이용하여 통형상 부재(2)를 형성할 수도 있다.
칸탈은 합금 중에서도 내열, 내산화성이 뛰어나며 최고 사용 온도는 1350℃가 된다. 또한 황화 가스가 많은 경우에는 칸탈을 사용하는 것이 바람직하다.
전기로 등의 용도로, 1400℃ 이상의 고온을 측정하는 경우에는, 알루미나, 지르코니아, 마그네시아, 칼시아(Calcia), 카본, 실리카 등의 세라믹 재료나 이들의 복합 재료, 고융점 금속인 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 백금, 이리듐 등의 금속이나 이들의 합금 등을 사용할 수 있다.
나아가, 강도적으로 만족할만한 경우에는, 통형상 부재(2) 전체를 얇게 형성할 수도 있다. 즉, 원통부를 포함하여 두께를 얇게 형성하도록 할 수도 있다.
광학 수단(3)은, 광학 부품으로서 도광관이다. 이 도광관은, 예를 들면, 구리로 제작된 원통 파이프형으로 형성되어 있어, 양단에 개구부(31, 32)를 가지고 있다. 또한, 도광관의 내면은 거울면으로 연마되어 금 도금이 실시되어 있다. 따라서, 도광관의 내면은 반사율이 높으며, 광학 기능부(33)로서 적외선을 내면을 따라 도광하여 안내하도록 작용한다.
이러한 도광관은 통형상 부재(2)의 내경 치수보다 작은 외경 치수를 가져 통형상 부재(2)의 내측에 수용되도록 배열되어 있다.
구체적으로는, 도광관의 외주면과 통형상 부재(2)의 내주면은 직접 접촉되지않도록 소정의 갭(Gp)이 형성되도록 배치되어 있다. 따라서, 도광관과 통형상 부재(2)는 갭(Gp)에 의해 열 절연층으로서 공기층이 개재되도록 되어 있다. 또한, 도광관의 일단의 개구부(31)는 통형상 부재(2)의 감온부(23)인 박육부에 대향하고, 타단의 개구부(32)는 통형상 부재(2)의 개구부(22) 측에 위치하여 후술하는 적외선 온도 검출 수단(4)과 대향하도록 되어 있다.
따라서, 광학 기능부(33)는 감온부(23)로부터 방사되는 적외선을 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내하도록 기능한다.
적외선 온도 검출 수단(4)은, 적외선을 검지하는 센싱 소자로서의 서모파일(thermopile) 소자(41)와, 온도 보상용의 센싱 소자로서의 서미스터 소자(42)와, 이들 센싱 소자를 수용하는 외위기(外圍器)로서의 패키지(43)를 구비하고 있다. 이러한 적외선 온도 검출 수단(4)은 상기 감온부(23)와 대향함과 아울러 이간되어 통형상 부재(2)의 개구부(22) 측에 배열되어 있다.
서모파일 소자(41)는 기판 위에 형성된 다수 개의 열전대로 구성되어 있으며, 적외선을 수광함으로써 생기는 기전력을 출력 전압으로서 출력한다. 또한, 서미스터 소자(42)는 기판 상에 실장되며, 온도의 변화에 의해 저항값이 변화하는 것으로서, 그 저항값의 변화에 의해 주위 온도를 검출한다.
패키지(43)는 금속으로 제작된 대략 원통형을 이루는 캡(44)과, 마찬가지로금속으로 제작된 대략 원반형을 이루는 스템(45)을 구비하고 있다. 캡(44)의 상면측에는 원형상으로 개구된 창구(48)가 형성되어 있다.
스템(45)의 상면에는 서모파일 소자(41) 및 서미스터 소자(42)가 배열되어 있다. 이 스템(45)에는 4개의 리드 단자(46)가 상하로 관통하여 부착되어 있으며, 이 리드 단자(46)와 서모파일 소자(41) 및 서미스터 소자(42)의 전극이 본딩 와이어에 의해 연결되어 있다. 이에 따라, 서모파일 소자(41) 및 서미스터 소자(42)로의 구동 전원의 공급이나 검출 신호의 송출이 이루어지도록 되어 있다.
또한, 온도 보상용의 센싱 소자로는, 칩 타입의 서미스터, 열전대, 온도 측정 저항체를 사용할 수도 있으며, 이들은 패키지(43) 내에 수용되어 있는 것이 바람직한데, 주위 온도를 검출할 수 있다면, 패키지(43) 바깥에 배치되어 있을 수도 있다.
또한, 적외선 온도 검출 수단(4)은 적외선으로 온도를 검출하는 기능을 가지고 있으면 되며, 그 형식이나 구성이 각별히 한정되는 것은 아니다.
홀딩체(5)는 열전도성이 양호한 금속 재료, 예를 들면, 알루미늄 합금, 스테인리스강이나 황동 등의 재료로 대략 원통형으로 형성되어 있고, 외주면에 수나사부(51)를 가지며, 단부에 플랜지부(52)를 가지고 있다. 또한, 홀딩체(5)의 내주측에는 부품 부착부가 형성되어 있으며, 이 부품 부착부에 전술한 통형상 부재(2), 광학 수단(3) 및 적외선 온도 검출 수단(4)이 끼워져 결합하도록 부착되어 고정 장착되어 있다.
또한, 홀딩체(5)의 플랜지부(52) 측으로부터는 적외선 온도 검출 수단(4)을 절연적으로 홀딩하는 절연 부재(53)가 부착되어 있다. 나아가, 이 절연 부재(53)를 관통하여 돌출되는 리드 단자(46)에는 도시하지 않는 리드선이 연결되어 도출(導出)되도록 되어 있으며, 이들 도출되는 리드선은 금속 파이프나 보호 튜브에 피복되어 보호되도록 되어 있다.
이와 같이 구성되는 접촉형 적외선 온도 센서(1)는 엔진으로부터 배출되는 배기 가스(G)가 관통하는 배기 통로로서의 배기관(Ep) 등의 나사 구멍에 홀딩체(5)의 수나사부(51)가 박혀져들어가 장착된다. 이 경우, 통형상 부재(2)의 감온부(23)는 고온 배기 가스(G) 중에 노출되어 배기 가스(G)의 열을 수열하게 된다.
다음, 접촉형 적외선 온도 센서(1)의 동작 및 작용에 대해 설명한다. 고온 배기 가스(G)(열원)의 분위기 중에 배치된 통형상 부재(2)는 주로 그 감온부(23)에 있어서, 배기 가스(G)의 열을 수열한다.
감온부(23)의 수열에 의거하여, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선은 광학 수단(3)인 도광관의 일단의 개구부(31)로부터 도광관의 내면을 따라, 즉, 광학 기능부(33)에 의해 도광관의 타단의 개구부(32) 측으로 도광되고, 적외선 온도 검출 수단(4)의 패키지(43)에서의 창구(48)를 통과하여 서모파일 소자(41)에 수광된다.
적외선 에너지를 받은 서모파일 소자(41)는 온도차에 의해 생기는 기전력을출력 전압으로서 출력한다. 한편, 주위 온도를 검출하는 서미스터 소자(42)에 의해 주위 온도를 저항값의 변화로서 검출하고, 이 검출 결과와 상기 출력에 의해 감온부(23)로부터 방사된 적외선량을 정확하게 측정하고, 배기 가스(G)의 온도를 측정한다.
이러한 접촉형 적외선 온도 센서(1)에 있어서, 감온부(23)는 적외선 온도 검출 수단(4)과 이간되어 배열되어 있으며, 고온 배기 가스(G) 중에 직접적으로 놓이는 것은 통형상 부재(2)가 된다. 따라서, 적외선 온도 검출 수단(4)이 고온 배기 가스(G) 중에 노출되는 것을 회피할 수 있고, 적외선 온도 검출 수단(4)의 열 열화를 억제할 수 있다. 또한, 감온부(23)는 박육부이기 때문에 열 응답성의 고속화를 구현할 수 있다.
이에 더하여, 도광관과 통형상 부재(2)는 갭(Gp)에 의해 열 절연층이 형성되어 있으므로, 통형상 부재(2)의 열이 도광관에 전도되어 적외선 온도 검출 수단(4)으로 전달되는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 나아가, 홀딩체(5)는 열전도성이 양호한 재료로 형성되어 있기 때문에, 통형상 부재(2)로부터 전도되는 열을 효과적으로 방열할 수 있어, 적외선 온도 검출 수단(4)으로의 열적 영향을 경감하는 것이 가능해진다.
그리고, 본 실시 형태의 접촉형 적외선 온도 센서(1)에 따르면, 통형상 부재(2)의 감온부(23)의 온도가 1000℃인 경우에도 적외선 온도 검출 수단(4)의 온도를 150℃ 이하로 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 전술에 있어서 통형상 부재(2)는 금속 재료로 형성한 것에 대하여 설명했으나, 세라믹 재료에 의해 형성할 수도 있다. 예를 들면, 알루미나를 사용할 수 있다. 알루미나는 내열성이 뛰어난 재료로서, 1600℃의 고온 분위기 중에서도 적용이 가능하다.
세라믹으로 통형상 부재(2)를 형성하는 경우, 원통부의 두께 치수(t1)를 1mm 정도로 하고, 박육부의 두께 치수(t2)를 0.5mm 이하로 약 1/2 이하로 설정한다.
또한, 세라믹 재료로는 알루미나를 사용하는 것이 바람직한데, 탄화 규소, 석영 유리, 질화 규소 등, 지르코니아, 그 밖의 세라믹 재료를 사용할 수도 있다.
이러한 구성으로 함으로써 열 응답성을 고속화하고, 고온 배기 가스(G) 중에 직접적으로 놓이는 것은 세라믹의 통형상 부재(2)가 되기 때문에, 적외선 온도 검출 수단(4)의 열 열화를 억제하여 신뢰성을 높이고, 안정적인 온도 측정이 가능해진다.
또한, 전술에 있어서는, 광학 수단(3)으로서 도광관을 설치하는 경우에 대해설명했으나, 도광관을 설치하지 않고, 예를 들면, 통형상 부재(2)의 내면에 광학 기능부(33)를 형성하도록 할 수도 있다. 이 경우에는, 통형상 부재(2)의 내면의 반사율을 높이기 위해, 거울면 마감을 실시하거나 적외선 반사막을 형성할 수 있다.
이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 고온 배기 가스(G) 중에 직접적으로 놓이는 것은 통형상 부재(2)가 되기 때문에, 적외선 온도 검출 수단(4)의 열 열화를 억제할 수 있고 신뢰성을 확보하는 것이 가능해진다. 따라서, 자동차의 배기 가스(G)의 온도를 측정하기에 적합한 접촉형 적외선 온도 센서(1)를 제공할 수 있다.
다음, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 1)의 단면을 도시하고, 도 4는 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 2)의 단면을 도시하고 있다.
또한, 이하의 각 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 동일 또는 해당 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시 형태는 제1 실시 형태와 통형상 부재(2)에서의 감온부(23)인 박육부의 형상이 다르다.
(실시예 1)
도 3에 도시한 바와 같이, 감온부(23)는 원뿔 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 원뿔 형상의 부분이 박육부로 형성되고, 이 내면에 있어서 광학 수단(3)으로서의 도광관의 개구부(31)가 대향하도록 되어 있다. 또한, 박육부의 내면의 개구부는 흑체로서 기능하여, 높은 방사율이 얻어지게 된다.
나아가, 원뿔 형상의 넓은 외주면에서 배기 가스(G) 등의 유체의 열을 수열할 수 있고, 감온부(23)의 형상으로서 적합한 것이 된다.
이러한 구성에 따르면, 제1 실시 형태와 동일한 작용 효과를 이룰 수 있다.
(실시예 2)
도 4에 도시한 바와 같이, 감온부(23)는 원통 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 원통 형상의 부분이 박육부로 형성되고, 이 내면에 있어서 광학 수단(3)으로서의 도광관의 개구부(31)가 대향하도록 되어 있다.
따라서, 상기 실시예 1과 동일한 작용 효과를 이루는 것이 가능해진다.
다음, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서에 대해 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 5는 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 1)의 단면을 도시하고, 도 6은 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 2)의 단면을 도시하며, 도 7은 접촉형 적외선 온도 센서(실시예 3)의 단면을 도시하고 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 렌즈 부재 등의 광학 수단(3)이 광학 기능부(33)로서 작용하고, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선을 집광하여 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내하도록 기능한다.
(실시예 1)
도 5에 도시한 바와 같이, 광학 기능부(33)로서 작용하는 렌즈 부재(3L)가 통형상 부재(2)의 개구부(22) 측으로서, 적외선 온도 검출 수단(4)에서의 캡(44)에 형성된 창구(48)에 대향하여 배열되어 있다.
이러한 구성에 따르면, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선은 렌즈 부재(3L)에 의해 집광되어 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내된다. 구체적으로는, 렌즈 부재(3L)로부터 창구(48)를 통과하여 서모파일 소자(41)에 집광되어 수광된다.
(실시예 2)
도 6에 도시한 바와 같이, 광학 기능부(33)로서 작용하는 미러 부재(3M)가 통형상 부재(2)의 개구부(22) 측으로서, 적외선 온도 검출 수단(4)에서의 캡(44)에 형성된 창구(48)에 대향하여 배열되어 있다.
미러 부재(3M)는 금속이나 수지 재료에 의해 만들어져 있어, 내면이 회전 포물면을 이룬 반사면에 의해 형성되어 있다. 또한, 이 반사면의 초점에 적외선 온도 검출 수단(4)의 서모파일 소자(41)가 배치되도록 되어 있다.
따라서, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선은 미러 부재(3M)에 의해 집광되어 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내된다. 구체적으로는, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선의 평행광은 반사면에 의해 반사되고, 창구(48)를 통과하여 효율적으로 서모파일 소자(41)에 집광되게 된다.
(실시예 3)
도 7에 도시한 바와 같이, 광학 기능부(33)로서 작용하는 시야각 제한 부재(3V)가 통형상 부재(2)의 개구부(22) 측으로서, 적외선 온도 검출 수단(4)에 대향하여 설치되어 있다. 이 시야각 제한 부재(3V)는 적외선 온도 검출 수단(4)의 캡(44)에 일체적으로 형성되어 있으며, 서모파일 소자(41)의 수광 시야를 적절하게 제한하고, 효율적으로 집광하는 것이다.
따라서, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선은 시야각 제한 부재(3V)에 의해 규제되어, 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내되고, 효율적으로 서모파일 소자(41)에 집광되게 된다.
다음, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서에 대해 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 도 8 및 도 9는 접촉형 적외선 온도 센서의 단면을 도시하고 있다.
본 실시 형태는 적외선 온도 검출 수단(4)에서의 캡(44)에 형성된 창구(48)에 적외선 필터(47)를 설치한 것이다. 적외선 필터(47)는 적외선을 선택적으로 투과하는 기능을 가지고 있어, 본 실시 형태에 있어서는, 파장이 5μm 내지 20μm인 적외선을 투과하는 것이 사용되고 있다. 적외선의 투과 파장은 한정되는 것은 아니며, 측정하는 온도에 따라 적당히 설정하면 된다.
도 8에 도시한 접촉형 적외선 온도 센서(1)는 제1 실시 형태의 접촉형 적외선 온도 센서(1)(도 2)를 기본 구성으로 하며, 도 9에 도시한 접촉형 적외선 온도 센서(1)는 제2 실시 형태의 접촉형 적외선 온도 센서(1)(실시예 1)(도 3)를 기본 구성으로 하고 있다. 그리고, 이들 접촉형 적외선 온도 센서(1)에 있어서, 적외선 온도 검출 수단(4)의 창구(48)에 적외선 필터(47)를 설치한 것이다.
이러한 구성에 의해, 감온부(23)의 수열에 의거하여, 감온부(23)로부터 방사되는 적외선은 광학 기능부(33)에 의해 도광관의 타단의 개구부(32) 측으로 도광되고, 적외선 온도 검출 수단(4)의 창구(48)에서의 적외선 필터(47)를 투과하여 서모파일 소자(41)에 수광된다.
따라서, 목적으로 하는 적외선을 선택적으로 서모파일 소자(41)로 수광할 수 있으므로 온도 측정의 정확성의 향상을 도모할 수 있다.
다음, 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서에 대해 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 접촉형 적외선 온도 센서의 단면을 도시하고 있다.
본 실시 형태는 통형상 부재(2)를 광학 수단(3)으로서의 도광관으로 겸용한 구성을 도시한 것이다.
광학 수단(3)으로서의 도광관은, 예를 들면, 구리로 제작된 원통 파이프형으로 형성되어 있어, 양단에 개구부(31, 32)를 가지고 있다. 또한, 도광관의 내면은 거울면으로 연마되어 금도금이 실시되어, 반사율이 높고, 광학 기능부(33)로서 적외선을 내면을 따라 도광하여 안내하도록 작용한다.
또한, 일단의 개구부(31)에는 원뿔 형상으로 형성된 감온부(23)가 경납땜 등에 의해 접합되어 있다. 감온부(23)는, 예를 들면, 스테인리스강으로 만들어져 있어, 두께가 얇게 형성되어 있다. 한편, 타단의 개구부(32)는 적외선 온도 검출 수단(4)과 대향하도록 되어 있다.
따라서, 광학 기능부(33)는 박육부의 감온부(23)에서 수열되고 감온부(23)로부터 방사되는 적외선을 적외선 온도 검출 수단(4)으로 안내하도록 기능한다.
이러한 구성에 의해서도 제1 실시 형태와 동일한 작용 효과를 이루는 것이 가능해진다.
계속해서, 접촉형 적외선 온도 센서의 특성에 대해 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 구체적으로는, 제4 실시 형태에 따른 접촉형 적외선 온도 센서(1)의 특성을 도시하고 있으며, 도 11은 온도 검지 특성, 도 12는 응답 특성을 나타내고 있다.
도 11에 있어서, 가로축은 피측정 대상(열원)의 온도(℃)를 나타내고, 세로축은 접촉형 적외선 온도 센서(1)의 출력 전압(mV)을 나타내고 있다. 도면에 도시한 바와 같이, 온도의 상승에 따라 출력 전압이 커지고 있으며, 예를 들면, 온도가 200℃인 경우에는 약 25mV, 온도가 1000℃인 경우에는 약 330mV의 전압이 출력되게 된다.
또한, 도 12에 있어서, 가로축은 시간(sec)을 나타내고, 세로축은 출력 전압(mV)을 나타내고 있다. 도면에 도시한 바와 같이, 온도가 200℃(출력 전압 25mV)인 경우에는 약 1초만에 응답하여 응답성이 양호하다는 것을 알 수 있다.
다음, 접촉형 적외선 온도 센서(1)를 이용하는 실시 형태에 대해 설명한다. 접촉형 적외선 온도 센서(1)는, 열원을 갖는 각종 열기기에 있어서, 그 열원의 온도를 측정하기 위해 사용된다.
예를 들면, 배기 가스를 열원으로 하는 엔진, 오븐 렌지, IH 쿠킹 히터, 가스 급탕기, 스토브 등의 열기기에 적용이 가능하다. 또한, 연료 전지의 전해질, 연료의 개질 장치 등의 온도 측정에 사용할 수도 있다.
구체적으로, 접촉형 적외선 온도 센서(1)를 배기 가스 재순환 시스템에 사용한 실시 형태에 대해 도 13을 참조하여 설명한다.
배기 가스 재순환 시스템은, 엔진(E), 흡기 통로(Ap), 배기 통로(Ep), EGR 배기 통로(Rp) 및 엔진 컨트롤 유닛(ECU)을 구비하고 있다. 또한, 흡기 통로(Ap)에는 스로틀 밸브(Tb)가 설치되어 있으며, 배기 통로(Ep)의 하류측에는 디젤 퍼티큘레이트 필터(DPF)와 NOx 정화 촉매 컨버터(Cc)가 설치되어 있다. 나아가, EGR 배기 통로(Rp)에는 EGR 쿨러 및 EGR 밸브가 배열되어 있다.
이러한 구성의 배기 가스 재순환 시스템에 있어서, 배기 통로(Ep)의 복수 부위에 전술한 접촉형 적외선 온도 센서(1)가 부착되어 있다. 접촉형 적외선 온도 센서(1)에서 검출된 배기 가스 검출 온도는 엔진 컨트롤 유닛(ECU)에 입력되어 엔진(E)의 운전 상태가 제어된다.
이상과 같이 접촉형 적외선 온도 센서(1)는 배기 가스 재순환 시스템, 그 밖의 배기 시스템에 바람직하게 사용할 수 있다.
나아가, 접촉형 적외선 온도 센서(1)를 전기로나 가스로에서의 로(爐) 내의 용융 금속의 온도 측정에 사용하는 실시 형태에 대해 설명한다.
이 경우, 전술한 제3 실시 형태에서 설명한 실시예 3의 기본 구성을 바람직하게 사용할 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이 시야각 제한 부재(3V)가 통형상 부재(2)의 개구부(22) 측으로서, 적외선 온도 검출 수단(4)에 대향하여 설치되어 있으며, 이 시야각 제한 부재(3V)는 서모파일 소자(41)의 수광 시야를 제한하도록 되어 있다.
통형상 부재(2)는 세라믹으로 제작되어 있으며, 일단을 폐쇄부(21)로 하고 타단을 개구부(22)로 하는 바닥이 있는 원통형으로 형성되어 있다. 이 통형상 부재(2)의 내측에는 원통 파이프형의 시야각 제한 부재(3V)가 배열되어 있다. 시야각 제한 부재(3V)는 알루미늄 재료로 만들어져 있어, 그 표면은 흑색의 알루마이트(Alumite) 처리가 실시되어 있다. 즉, 시야각 제한 부재(3V)는 반사율이 낮아지도록 구성되어 있다.
따라서, 시야각 제한 부재(3V)에 의해 통형상 부재(2)의 내측으로부터 방사되는 적외선이 적절하게 제한되고, 즉, 폐쇄부(21)인 감온부(23)로부터 방사되는 적외선에 제한되어 적외선 온도 검출 수단(4)에 수광되게 되도록 된다.
또한, 시야각 제한 부재(3V)를 통형상 부재(2)의 내측에 있어서, 축방향으로 진퇴(進退)시켜 시야각을 조정할 수 있도록 할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 시야각 제한 부재(3V)를 홀딩체(5)에 나사 결합하는 구성으로 하고, 시야각 제한 부재(3V)를 회동시키고, 축방향으로 진퇴시키는 조정 방법을 생각할 수 있다.
또한, 감온부(23)는 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직한데, 통형상부와 동일한 두께 치수일 수도 있다. 나아가, 통형상 부재(2) 및 시야각 제한 부재(3V)에서의 축방향의 길이 치수 및 지름 치수는 각별히 한정되는 것은 아니며, 사양에 따라 적당히 선택할 수 있다. 나아가 또한, 시야각 제한 부재(3V)는 흑색의 알루마이트 처리에 한정되지 않으며, 반사율이 낮아지는 처리가 실시되어 있으면 된다.
그리고, 본 발명은, 상기 실시 형태의 구성에 한정되지 않으며, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다. 또한, 상기 실시 형태는 일례로서 제시한 것으로서, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다.
예를 들면, 감온부의 형상은, 평탄형상, 원통형상이나 원뿔형상 또는 이들 형상의 조합 형상 등 적당히 채용할 수 있다. 형상이 각별히 한정되는 것은 아니다.
적외선 온도 검출 수단은, 열형이나 양자형의 감온 소자를 사용할 수 있다. 열형의 경우에는 서모파일, 서미스터, 초전(焦電) 소자를 사용할 수 있고, 양자형의 경우에는 인듐 암티몬(InSb), 수은 카드뮴 텔루륨(HgCdTe)이나 납 주석 텔루륨(PbSnTe)을 사용할 수 있다. 적외선 온도 검출 수단의 형식이나 구성이 특별히 한정되는 것은 아니다.
1…접촉형 적외선 온도 센서
2…통형상 부재
3…광학 수단
4…적외선 온도 검출 수단
5…홀딩체
21…폐쇄부
22…개구부
23…감온부
33…광학 기능부
41…서모파일 소자
42…서미스터 소자
43…패키지
44…캡
45…스템
47…적외선 필터
48…창구
51…수나사부
53…절연 부재
2…통형상 부재
3…광학 수단
4…적외선 온도 검출 수단
5…홀딩체
21…폐쇄부
22…개구부
23…감온부
33…광학 기능부
41…서모파일 소자
42…서미스터 소자
43…패키지
44…캡
45…스템
47…적외선 필터
48…창구
51…수나사부
53…절연 부재
Claims (11)
- 일단을 폐쇄부로 하고 타단을 개구부로 하는 통형상으로서, 감온부를 갖는 내열성의 통형상 부재와,
상기 감온부와 대향함과 아울러 이간되어 배열된 적외선 온도 검출 수단과,
상기 감온부로부터 방사되는 적외선을 적외선 온도 검출 수단으로 안내하는 광학 기능부를 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서. - 청구항 1에 있어서, 상기 감온부는 두께가 얇게 형성되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1에 있어서, 상기 감온부는 통형상 부재에서의 일단의 폐쇄부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1에 있어서, 상기 통형상 부재는 금속 또는 세라믹으로 제작되는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 기능부는 도광관에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 기능부는 렌즈 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 기능부는 미러 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 기능부는 시야각 제한 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 온도 검출 수단에는 적외선 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉형 적외선 온도 센서.
- 열원과,
이 열원의 온도를 측정하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 열기기. - 엔진과,
이 엔진에 연결된 흡기 통로 및 배기 통로와,
상기 배기 통로에 부착된 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 접촉형 적외선 온도 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
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