KR20180091002A - 가스 센서 - Google Patents

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KR20180091002A
KR20180091002A KR1020187015478A KR20187015478A KR20180091002A KR 20180091002 A KR20180091002 A KR 20180091002A KR 1020187015478 A KR1020187015478 A KR 1020187015478A KR 20187015478 A KR20187015478 A KR 20187015478A KR 20180091002 A KR20180091002 A KR 20180091002A
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chamber
gas
inlet
longitudinal direction
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KR1020187015478A
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카렐 바카
마르틴 부흐홀츠
지몬 렌췰러
제바스챤 슐테 암 휠제
알란 셀릭
크리스토퍼 홀츠크네히트
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 측정 가스, 특히 내연 기관의 배기 가스의 적어도 하나의 성분 또는 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 센서에 관한 것이며, 상기 가스 센서는 하우징(11) 내에 설치된 센서 요소(14)를 포함하고, 상기 센서 요소는 가스 센서(1)의 길이 방향(78)을 따라 상기 하우징(11)으로부터 멀리 돌출되어 측정 가스에 노출되는 가스 감지 단부(141)를 포함하며, 상기 가스 센서는 상기 가스 감지 단부(141)를 덮고 상기 하우징(11)에 고정되는 보호 튜브 모듈(20)을 포함하고, 상기 보호 튜브 모듈(20)은 상기 가스 감지 단부(141)를 반경 방향 및 축 방향 간격을 두고 둘러싸는 내부 보호 튜브(21)를 포함하므로, 상기 하우징(11)과 상기 내부 보호 튜브(21) 사이에 내부 챔버(121)가 형성되고, 내부 챔버 내에는 상기 가스 감지 단부(141)가 배치되며, 상기 보호 튜브 모듈(20)은 내부 보호 튜브(21)를 둘러싸는 외부 보호 튜브(22)를 포함하므로, 상기 보호 튜브 모듈(20)의 내부에서 상기 외부 보호 튜브(22)와 상기 내부 보호 튜브(21) 사이에 외부 챔버(122)가 형성되고, 상기 외부 보호 튜브(22)는 상기 외부 챔버(121) 내로 측정 가스의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구(221)를 포함하고, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 적어도 하나의 유입구(221)는 상기 외부 챔버(122) 내에서 길이 방향(78)을 중심으로 소용돌이(적색)를 형성하기 위한 적어도 하나의 소용돌이 요소(221a)를 포함하고, 상기 외부 보호 튜브(22)는 또한 보호 튜브 모듈(20) 내의 상기 외부 챔버(122)로부터 측정 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 배출구(222)를 포함하며, 상기 내부 보호 튜브(21)는 상기 외부 챔버(122)로부터 상기 내부 챔버(121) 내로 측정 가스의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구(211)를 포함하고, 또한 상기 내부 챔버(121)로부터 상기 외부 챔버(122) 내로 측정 가스의 배출을 위한 적어도 하나의 배출구(122)를 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 외부 챔버(122)는 길이 방향(78)으로 외부 챔버 길이방향 길이(lex)만큼 하우징(11)을 넘어 돌출하고, 상기 내부 챔버(121)는 길이 방향(78)으로 내부 챔버 길이방향 길이(lin)만큼 하우징(11)을 넘어 돌출하며, 상기 외부 챔버 길이방향 길이(lex)는 상기 내부 챔버 길이방향 길이(lin)의 적어도 2배이다.

Description

가스 센서
본 발명은 측정 가스, 특히 내연 기관의 배기 가스의 적어도 하나의 성분 또는 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 센서에 관한 것이다.
측정 가스의 적어도 하나의 성분 또는 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 센서는 선행 기술로부터 이미 공지되어 있다.
EP 0 978 721 B1로부터 공지된 가스 센서는 전방 섹션을 갖는 검출 요소; 상기 검출 요소의 전방 섹션에 형성된 검출 섹션; 상기 검출 섹션을 덮는 프로텍터를 포함하고, 상기 프로텍터는 제 1 섹션 및 상기 제 1 섹션의 반경 방향 외측의 제 2 섹션을 포함하며, 상기 제 1 섹션은 제 1 가스 유입구를 갖는 측벽을 포함하고, 상기 측벽은 축 방향 전방 단부 및 테이퍼 섹션을 포함하며, 상기 테이퍼 섹션은 상기 측벽의 축 방향 전방 단부로 형성되고; 상기 제 2 섹션의 측벽 섹션 내에는 적어도 하나의 제 2 측면 가스 유입구가 형성되고, 상기 제 1 섹션 내에는 제 1 가스 배출구가 형성되고, 상기 적어도 하나의 제 2 측면 가스 유입구는 상기 테이퍼 섹션에 반경 방향으로 대향하여 배치되고; 상기 제 2 섹션에는 제 2 가스 배출구가 형성되고, 상기 제 2 섹션의 전방 단부면에는 상기 제 1 가스 배출구가 형성되고, 상기 제 2 섹션의 전방 단부면에는 상기 제 2 가스 배출구가 형성되고, 상기 제 1 섹션의 상기 테이퍼 섹션은 원통형 몸체의 전방 단부에 연결된 원뿔대의 형상으로 형성된다.
본 발명의 과제는 지금까지 서로 상충하는 것으로 여겨졌던 다수의 특성을 가능한 한 동시에 양호하게 실현하는 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 지금까지 서로 상충하는 것으로 여겨졌던 다수의 특성을 가능한 한 동시에 양호하게 실현하는 가스 센서에 대한 요구에 기초한다.
따라서, 가스 센서의 센서 기능 및 가열 가능성과 다이내믹은 가스 센서가 측면의 측정 가스 흐름에 노출되는 경우 그 길이방향 축을 중심으로 하는 그 배향과는 무관해야 한다. 가스 센서는 또한 액적 및/또는 그을음 입자와 같이 측정 가스에 포함된 입자에 대해 강성을 가져야 한다. 그러나 동시에, 가스 센서는 또한 높은 다이내믹을 가져야 한다. 즉, 측정 가스 성분의 농도가 변하거나 측정 가스의 특성이 변할 때 그에 상응하게 변화된 신호를 신속하게 제공해야 한다.
청구항 제 1 항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 가스 센서는 이를 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 센서는 예를 들어 나사산 및 외부 육각형을 갖는 하우징을 포함하므로, 가스 센서의 말단부가 내연기관의 배기관의 수용부 내로 나사 결합될 수 있다.
하우징 내에 센서 요소가 설치된다. 상기 센서 요소는 예를 들어 선행 기술로부터 기본적으로 알려진, 산소 센서 또는 NOx 센서 또는 입자 센서와 같은 배기 가스 센서의 평면형 또는 막대형의, 소결된 세라믹 센서 요소일 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징은 내부 보어를 포함하고, 상기 내부 보어 내에서 상기 센서 요소는 예를 들어 스테아타이트 및/또는 질화 붕소로 이루어진 밀봉 장치에 의해 고정된다. 센서 요소는 예를 들어 2개의 길이방향으로 밀봉 장치를 통해 그리고 하우징을 통해 하우징을 넘어 돌출한다.
센서 요소는 예를 들어 전기 화학 셀의 적어도 하나의 전극을 갖거나 인터디지탈 전극을 갖는 가스 감지 단부를 포함한다. 이 가스 감지 단부는 가스 센서의 길이 방향을 따라 하우징 및 밀봉 장치로부터 멀리 돌출하여 측정 가스에 노출된다.
센서 요소의 가스 감지 단부는 하우징에 고정된 보호 튜브 모듈로 커버되므로, 측정 가스는 센서 요소와 직접 상호 작용하는 것이 아니라, 보호 튜브 모듈의 구조 및 배치에 의해 규정되는 방식으로 상호작용한다. 보호 튜브 모듈은 예를 들어 원주 방향 용접에 의해 하우징에 고정될 수 있다.
보호 튜브 모듈은 내부 보호 튜브 및 외부 보호 튜브를 포함하고, 내부 보호 튜브는 반경 방향 및 축 방향 간격을 두고 센서 요소의 가스 감지 단부를 둘러싸며, 또한 내부 챔버를 둘러싸고, 외부 보호 튜브는 내부 보호 튜브를 둘러싸며, 또한 상기 외부 보호 튜브와 상기 내부 보호 튜브 사이에 형성된 외부 챔버를 둘러싼다.
외부 보호 튜브는 적어도 하나의 유입구를 포함한다. 이 출원의 범위에서, 상기 적어도 하나의 유입구는 정확히 단일 유입구가 있는 경우에는 그 하나의 유입구를 의미하며, 대안으로서 다수의 유입구가 있는 경우에는 모든 유입구를 의미한다.
외부 보호 튜브는 또한 적어도 하나의 배출구를 포함한다. 이 출원의 범위에서, 상기 적어도 하나의 배출구는 정확히 단일 배출구가 있는 경우에는 그 하나의 배출구를 의미하며, 대안으로서 다수의 배출구가 있는 경우에는 모든 배출구를 의미한다.
내부 보호 튜브는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 배출구를 포함한다. 이는 외부 보호 튜브의 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 배출구에 대해 전술한 의미에 따라 이해되어야 한다.
외부 보호 튜브의 하나의 개구가 유입구인지 또는 배출구인지의 여부를 결정하기 위해, 특히 적어도 하나의 배출구가 길이 방향으로 적어도 하나의 유입구의 말단에 배치되고 및/또는 적어도 하나의 배출구가 반경 방향으로 적어도 하나의 유입구의 내부에 배치되는 것이 전제될 수 있다. 설명된 바와 같이, 적어도 하나의 유입구 및/또는 적어도 하나의 배출구는 각각 다수의 개구를 포함할 수 있다. 표시된 관계는 각각의 배출구에 대한 각각의 유입구에 적용된다.
내부 보호 튜브의 하나의 개구가 유입구인지 또는 배출구인지의 여부를 결정하기 위해, 동일한 것이 특히 유사하게 적용된다.
앞 단락에서 수행된, 개구를 유입구와 배출구로 나누는 것은 특히 외부의 측면 가스 흐름에 노출되는 본 발명에 따른 가스 센서에서 어떤 흐름이 형성되는지를 나타내며, 가스 센서의 말단부의 영역에서 그 유속은 가스 센서의 더 근접한 영역에서보다 크다. 이것은 예를 들어, 내연 기관의 배기관의 수용부 내로 의도대로 조여지는, 즉 배기관의 라인의 중심축과 겹치지 않으면서 조여지는 가스 센서에 적용된다.
따라서, 본 발명에 따른 배기 가스 센서의 작동 중에, 특히 측정 가스가 외부 보호 튜브의 적어도 하나의 유입구를 통해 보호 튜브 모듈 내로 그리고 외부 쳄버 내로 유입된다.
외부 보호 튜브의 적어도 하나의 유입구는 소용돌이 요소를 포함하며, 외부 보호 튜브의 유입구가 다수인 경우, 특히 외부 보호 튜브의 각각의 유입구는 소용돌이 요소를 포함하므로, 외부 챔버 내에 가스 센서의 길이 방향 축을 중심으로 소용돌이가 형성된다. 따라서 주 흐름이라고도 할 수 있는 측정 가스의 적어도 일부는 소용돌이를 따라 외부 보호 튜브의 적어도 하나의 배출구에 이르고, 거기서 보호 튜브 모듈을 떠난다. 이로 인해, 배기 가스에 경우에 따라 존재하는 액적 및/또는 그을음과 같은 거대 입자는 외부 보호 튜브를 따라 말단 방향으로 외부 보호 튜브의 배출구로 이송되고, 거기서 센서 요소의 가스 감지 단부와 잠재적인 손상 방식으로 상호 작용하지 않으면서, 보호 튜브 모듈로부터 배출된다.
가스 센서의 길이 방향 축을 중심으로 형성된 소용돌이는 정압이 외부 영역보다 내부에서 더 낮은 효과를 갖는다. 이 경우, 이는 특히 내부 보호 튜브의 유입구의 영역에서의 상대적인 과압 및 내부 보호 튜브의 배출구의 영역에서의 상대적인 저압에 따라, 압력 구배를 야기한다. 압력 구배는 특히 내부 보호 튜브를 통한 상응하는 유동을 유도하며, 측정 가스를 센서 요소의 가스 감지 단부로 이송한다. 특히 내부 보호 튜브를 통과하는 이러한 유동은 주 흐름을 향한 바이패스 흐름을 나타내며, 상기 바이패스 흐름은 외부 챔버 내에서 주 흐름으로부터 분기되어, 특히 비교적 짧은 유동 경로 후에 센서 요소의 가스 감지 단부에 부딪치고, 내부 챔버를 통해 흐르고 외부 챔버 내로 다시 유입된 후에, 다시 주 흐름과 합쳐진다.
즉, 본 발명에 따라, 외부 챔버 내에서 소용돌이의 형성이 전술한 바람직한 효과를 일으킬 수 있음이 인식되었다.
또한, 본 발명에 따라, 외부 챔버에서 소용돌이가 더 방해 없이 형성될 수 있을수록, 즉 외부 챔버 내에서 소용돌이 흐름이 보호 튜브 모듈에서의 마찰에 의해 또는 유동 방해에 의해 덜 제동될수록, 상기 효과가 더 많이 나타난다는 것이 인식되었다.
따라서, 본 발명에 따라, 외부 챔버는 길이 방향으로 외부 챔버 길이방향 길이만큼 하우징을 넘어 멀리 돌출하고, 내부 챔버는 길이 방향으로 내부 챔버 길이방향 길이만큼 하우징을 넘어 멀리 돌출하며, 상기 외부 챔버 길이방향 길이는 상기 내부 챔버 길이방향 길이의 적어도 2배이다. 결과적으로, 소용돌이 흐름이 내부 보호 튜브에 의해 방해받지 않고 자유롭게 그리고 대부분 방해 없이 형성될 수 있는 외부 챔버의 상당히 긴 길이가 나타난다.
이와는 달리, 본 발명에 필수적인 특징을 포함하지 않고 적어도 하나의 제 2 측면 가스 유입구가 테이퍼 섹션에 반경 방향으로 대향하는 위치에 배치되는, 선행 기술로부터 공지된 가스 센서에서는, 실질적으로 상응하는 높은 마찰 손실을 갖는 회전 갭 유동이 형성된다.
환언하면, 특히 본 발명에 따라, 외부 챔버 내에 형성된 소용돌이는 내부 보호 튜브의 유입구와 내부 보호 튜브의 배출구 사이의 정압 구배의 형성에 의해 내부 보호 튜브를 통과하는 흐름을 유도하고, 외부 챔버 내에 형성된 소용돌이는 주로 외부 챔버의 챔버 영역 내에 형성되며, 상기 챔버 영역은 내부 챔버로부터 볼 때 길이 방향으로 하우징에 완전히 대향한다.
외부 보호 튜브의 모든 개구, 즉 외부 보호 튜브의 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 배출구가 내부 보호 튜브의 모든 개구, 즉 내부 보호 튜브의 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 배출구의 말단에 배치되면, 소용돌이의 형성은 내부 보호 튜브 및 외부 보호 튜브의 개구들의 배치에 의해 지원된다.
외부 보호 튜브의 유입구들은 외부 보호 튜브의 외주면 상에 길이 방향으로 동일한 높이로 배치될 수 있는 다수의 유입구에 의해 주어질 수 있다. 따라서, 유입구들은 개구들이 가장 가까운 이웃에 동일한 간격으로 배치되는 구멍 링을 형성할 수 있다. 예를 들어, 6개 또는 8개의 개구가 제공될 수 있다. 각각의 유입구는 소용돌이 요소, 특히 소용돌이 플랩을 포함할 수 있다.
소용돌이 플랩은 외부 보호 튜브에 직선의 컷 형성 및 후속해서 상기 컷에 인접한 외부 보호 튜브 영역의 압입 및 압출에 의해 제조될 수 있다. 바람직하게, 상기 소용돌이 플랩은 외부 보호 튜브 내로의 유동이 외부 보호 튜브에 실질적으로 접선으로만 접하며 방사방향 유동 성분이 적은, 형상을 갖는다. 이는 소용돌이 플랩이 외부로부터 볼 때 상기 컷으로부터 이격된 제 1 영역에서 볼록하게 형성되며 상기 컷을 향한 제 2 영역에서는 오목하게 형성됨으로써 달성될 수 있다.
외부 보호 튜브 내에 강한 흐름, 특히 강한 주 흐름의 형성은, 소용돌이 플랩 또는 소용돌이 플랩들이 말단 길이 방향으로 배향됨으로써, 즉 유입하는 유동에 상기 방향의 속도 성분을 줌으로써 지원될 수 있다. 소용돌이 플랩 또는 소용돌이 플랩들은 예컨대 유입하는 유동의 방향이 접선 방향과 축 방향 사이의 각을 반분하도록(45 °) 배향될 수 있다.
내부 보호 튜브가 센서 요소 상에 밀접하게 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 특히, 가열된 센서 요소와 이에 비해 차가운 배기 가스에서, 내부 보호 튜브는 이러한 방식으로 특히 강하게 가열되며, 결과적으로 열 이동 효과로 인해 내부 보호 튜브 내로 그을음의 유입이 감소한다. 밀접한 배치는 양적으로, 내부 보호 튜브에서 가스 감지 단부의 길이 방향의 간격이 외부 챔버 길이방향 길이의 15 %를 초과하지 않는 것으로 표현될 수 있다.
외부 보호 튜브 내의 소용돌이는, 외부 보호 튜브의 적어도 하나의 유입구와 외부 보호 튜브의 적어도 하나의 배출구 사이의 영역에서, 외부 보호 튜브가 말단 방향으로 만곡되어 연장되며 구형으로 테이퍼되면, 더 양호하게 형성될 수 있다.
개선 예에 따라, 외부 보호 튜브의 말단부에서, 외부 보호 튜브는 외부 보호 튜브의 배출구로 만곡되어 이어지며, 외부 보호 튜브는 그 말단부에 실질적으로 단부면을 포함하지 않는다. 이러한 조치는 말단 방향으로 외부 보호 튜브를 따라 가속되는 거대 입자, 예를 들어 그을음 입자 또는 액적이 외부 보호 튜브의 배출구에 의한 더 이상의 저항 없이 보호 튜브 모듈을 떠날 수 있다는 효과를 갖는다.
본 발명의 개선 예들은 종속 청구항들 및 실시 예 설명에 제시된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참조하여 다음에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 센서의 길이방향 단면도.
도 2는 배기 라인 내에 조립된 발명에 따른 가스 센서의 단면도.
도 3은 도 2에 따라 조립될 때 도 1에 따른 가스 센서의 보호 튜브 모듈 내에 형성되는 가스 흐름을 나타낸 개략도.
도 1은 본 발명에 따른 가스 센서, 예를 들어 광대역 람다 프로브를 도시한다. 가스 센서는 하우징(11)을 포함한다. 세라믹 센서 요소(14)는 하우징(11) 내에, 예를 들어 스테아타이트 및/또는 질화 붕소로 이루어진 시일(15)에 의해 고정된다. 시일(15) 및 하우징(11)으로부터, 센서 요소(14)의 가스 감지 단부(141)는 가스 센서(1)의 길이 방향(78)을 따라 멀리 돌출하고, 측정 가스에 노출된다. 하우징(11)에는 보호 튜브 모듈(20)이 용접에 의해 고정되므로, 상기 보호 튜브 모듈(20)이 가스 감지 단부(141)를 덮는다.
보호 튜브 모듈(20)은 내부 보호 튜브(21) 및 외부 보호 튜브(22)를 포함한다.
내부 보호 튜브(21)는 반경 방향 및 축 방향 간격을 두고 가스 감지 단부(141)를 둘러싼다. 내부 보호 튜브(21)와 하우징(11) 사이에는 가스 감지 단부(141)가 배치되는 내부 챔버(121)가 형성된다. 센서 요소(14)와 내부 보호 튜브(21) 사이의 축 방향 간격(a)은 예를 들어 단지 1 mm이므로, 내부 보호 튜브(21)는 센서 요소(14)의 가열시 마찬가지로 가열되고, 이는 내부 보호 튜브(21) 상에 또는 센서 요소(14) 상에 입자, 예를 들어 그을음 입자의 침적이 열 이동(thermophoresis)에 의해 억제된다는 장점을 갖는다.
내부 챔버(121)는 길이 방향(78)으로 내부 챔버 길이방향 길이(lin)만큼 하우징(11)을 넘어 돌출하며, 상기 길이(lin)는 이 실시 예에서는 4 mm이다. 길이 방향(78)으로 하우징(11)을 넘어 멀리 돌출하는 내부 챔버(121)의 챔버 영역(121')은 말단 방향으로 테이퍼되는 직선의 원뿔대(30)의 형상을 갖는다. 원뿔대(30)의 커버면(31)은 원뿔대(30)의 베이스 면(32)의 대략 절반이다. 원뿔대(30)의 높이(H)는 커버면(31)의 직경(d)보다 작다. 원뿔대(30)의 외주면(33)은 길이 방향(78)에 대해 각도(α)만큼 경사지며, 상기 각도(α)는 실시예에서 23°이다.
내부 보호 튜브(21)는 그 외주면(213) 상에 예를 들어, 10개의 유입구(211)의 구멍 링을 포함하고, 상기 유입구들은 동일한 축 방향 높이에 그리고 서로 동일한 간격을 두고 배치되며, 가스 감지 단부(141)로부터 길이 방향(78)으로 멀리 돌출한다. 내부 보호 튜브(21)는 말단부(214)를 형성하는 단부면 상에 다수의 배출구(212)를 포함한다.
외부 보호 튜브(22)는 내부 보호 튜브(21)를 둘러싸므로, 보호 튜브 모듈(20) 내부의 내부 보호 튜브(21)와 외부 보호 튜브(22) 사이에 외부 챔버(122)가 형성된다. 외부 보호 튜브(22)는 8개의 유입구(221)를 포함하고, 상기 유입구들(221)은 외부 보호 튜브(22)의 외주면(223) 상에서 동일한 축 방향 높이에 그리고 서로 동일한 간격을 두고 구멍 링에 배치된다. 유입구(221)는 길이방향으로 내부 보호 튜브(21)의 말단에 배치된다.
유입구(221)는 소용돌이 요소(221a)를 포함하고, 상기 소용돌이 요소(221a)는 말단 방향으로, 즉 하우징(11)으로부터 멀리 비스듬히 외부 보호 튜브에 대한 접선에 대해 45 °로 연장된다. 소용돌이 요소는 예를 들어 외부 보호 튜브(22) 내에 직선의 컷을 형성한 후에 상기 컷에 인접한 외부 보호 튜브(22)의 영역을 가압함으로써 제조된다. 소용돌이 플랩(221a)은 외부 보호 튜브(22)의 외부로부터 소용돌이 플랩(221a)을 볼 때 상기 컷으로부터 이격된 영역에서 볼록하게 형성되고, 상기 컷을 향한 영역에서 오목하게 형성된다.
외부 보호 튜브(22)는 외부 보호 튜브(22)의 말단부(224)에서 중앙에 배치되는 단일 배출구(222)를 갖는다. 외부 보호 튜브(22)의 유입구들(221)과 외부 보호 튜브(22)의 배출구(222) 사이의 영역에서 외부 보호 튜브(22)는 말단 방향으로 만곡되어 구형으로 테이퍼된다. 말단부(224)에서, 외부 보호 튜브(22)는 외부 보호 튜브(22)의 단일 배출구(222) 내로 이어지며, 외부 보호 튜브(22)는 그 말단부(224)에 단부면을 포함하지 않는다.
외부 챔버(122)는 길이 방향(78)으로 예를 들어 15 mm인 외부 챔버 길이방향 길이(lex)만큼 하우징(11)을 넘어 돌출한다.
상기 방식의 가스 센서(1)는 예를 들어 내연기관의 배기 라인(2) 내에 의도대로 조립된다. 특히, 배기 가스가 측 방향으로, 즉 가스 센서의 길이 방향(78)에 대해 수직으로 가스 센서에 유입되도록 조립된다. 정확하게 수직인 유입과의 편차, 예를 들어 최대 8 °의 편차가 가능하고, 제안된 설계에서 일반적으로 양호하게 허용될 수 있다.
이 경우, 배기 가스 센서(1)의 단부 구멍으로서 형성된 외부 보호 튜브(22)의 배출구(222) 영역에서의 유속(vout)은 외부 보호 튜브(22)의 유입구들(221)의 영역에서의 유속(vin)보다 크다. 이러한 유동 조건은 예를 들면, 배기 라인(2)의 중심축(2a)과 겹치지 않으면서, 도 2에서와 같은 가스 센서(1)의 나사산(11a)이 배기 라인(2)의 벽(2b) 내에 통합된 수용부(2d)의 대응 나사산(2c) 내로 조여지는 경우 주어진다. 가스 센서(1)의 말단부가 아래쪽을 향하므로, 측정 가스 내에 경우에 따라 포함된 액적의 침투가 중력적으로 감소되는 것이 바람직하다.
외부 보호 튜브(22)의 유입구들(221) 및 배출구(222)의 영역에서의 상이한 유속(vout, vin)으로 인해, 외부 보호 튜브(22) 내에는 유입구들(221)로부터 배출구(222)로 외부 보호 튜브(22)를 통한 유동을 유도하는 정압 구배가 형성된다(도 3 참조).
소용돌이 플랩(221a)을 갖는 유입구들(221)의 형성으로 인해, 측정 가스는 접선 속도 성분으로 외부 챔버(122) 내에 유입한다. 따라서, 전체적으로 가스 센서의 길이방향 축(78)을 중심으로 하는 측정 가스의 소용돌이가 생긴다. 소용돌이는 도 3에서 파선으로 도시되어 있다. 소용돌이가 외부 보호 튜브(22)를 통한 유동과 협력하면, 측정 가스는 주 흐름(3)을 따라 나선형 경로(그 중 하나가 도 3에 도시됨)로 외부 보호 튜브의 유입구(221)로부터 배출구(222)로 흐른다. 소용돌이는 내부 챔버(121)의 말단에 완전히 배치된 외부 챔버(122)의 공간 영역(122 ') 내에 주로 형성된다. 따라서, 소용돌이의 형성은 내부 보호 튜브(21)에 의해 크게 방해받지 않는다.
특히, 그을음 입자 및/또는 액적과 같은 거대 입자는 주 흐름(3) 및 관성에 의해 이동되어 외부 보호 튜브(22)의 내부 표면을 따라 나선형 경로로 외부 보호 튜브(22)를 통과한다. 외부 보호 튜브(22)의 말단부(224)에서 상기 거대 입자들은 센서 요소(14)의 가스 감지 단부(141)와 잠재적인 손상 방식으로 상호 작용하지 않으면서, 외부 보호 튜브(22)의 배출구(222)로부터 배출된다.
외부 챔버(122)에서 소용돌이의 형성은 가스 센서의 길이 방향 축(78) 근처의 그 내부의 정압이 외부 영역 내의 정압보다 작다는 추가적인 효과를 갖는다.
이로 인해, 내부 보호 튜브(21)의 유입구(211)의 영역에서 상대적인 과압이 생기고, 내부 보호 튜브(21)의 배출구(212)의 영역에 상대적인 저압이 생긴다. 결과적으로, 주 흐름(3)으로부터 분기된 바이패스 흐름(4)이 내부 보호 튜브(21)를 통해 흐른다. 내부 챔버(121) 내에서, 바이패스 흐름(4)은 비교적 짧은 유동 경로 후에, 즉 매우 짧은 시간 후에 센서 요소(14)의 가스 감지 단부(141)에 부딪친다. 이어서, 바이패스 흐름(4)은 내부 보호 튜브(21)의 배출구(212)로부터 다시 외부 챔버(122) 내로 배출되어 다시 주 흐름(3)과 합쳐진다.
주 흐름(3)으로부터 바이패스 흐름(4)이 분기할 때 비교적 강한 편향으로인해, 액적 및/또는 그을음 입자와 같은 거대 입자는 주로 주 흐름(3)을 따른다. 따라서 이들은 센서 요소(14)의 가스 감지 단부(141)에 잠재적인 손상 방식으로 도달하지 않는다.
1 가스 센서
2 배기 라인
3 주 흐름
11 하우징
14 센서 요소
20 보호 튜브 모듈
21 내부 보호 튜브
22 외부 보호 튜브
78 길이 방향
122 외부 챔버
211, 221 유입구
212, 222 배출구

Claims (15)

  1. 측정 가스, 특히 내연 기관의 배기 가스의 적어도 하나의 성분 또는 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 센서로서, 상기 가스 센서는 하우징(11) 내에 설치되는 센서 요소(14)를 포함하고, 상기 센서 요소는 상기 가스 센서(1)의 길이 방향(78)을 따라 상기 하우징(11)으로부터 멀리 돌출되어 상기 측정 가스에 노출되는 가스 감지 단부(141)를 포함하며, 상기 가스 센서는 상기 가스 감지 단부(141)를 덮고 상기 하우징에 고정되는 보호 튜브 모듈(20)을 포함하고, 상기 보호 튜브 모듈(20)은 상기 가스 감지 단부(141)를 반경 방향 및 축 방향 간격을 두고 둘러싸는 내부 보호 튜브(21)를 포함하므로, 상기 하우징(11)과 상기 내부 보호 튜브(21) 사이에 내부 챔버(121)가 형성되고, 상기 내부 챔버 내에는 상기 가스 감지 단부(141)가 배치되며, 상기 보호 튜브 모듈(20)은 상기 내부 보호 튜브(21)를 둘러싸는 외부 보호 튜브(22)를 포함하므로, 상기 보호 튜브 모듈(20)의 내부에서 상기 외부 보호 튜브(22)와 상기 내부 보호 튜브(21) 사이에 외부 챔버(122)가 형성되고, 상기 외부 보호 튜브(22)는 상기 외부 챔버(121) 내로 측정 가스의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구(221)를 포함하고, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 적어도 하나의 유입구(221)는 상기 외부 챔버(122) 내에서 상기 길이 방향(78)을 중심으로 소용돌이(적색)를 형성하기 위한 적어도 하나의 소용돌이 요소(221a)를 포함하고, 상기 외부 보호 튜브(22)는 또한 상기 보호 튜브 모듈(20) 내의 상기 외부 챔버(122)로부터 측정 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 배출구(222)를 포함하며, 상기 내부 보호 튜브(21)는 상기 외부 챔버(122)로부터 상기 내부 챔버(121) 내로 측정 가스의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구(211)를 포함하고, 또한 상기 내부 챔버(121)로부터 상기 외부 챔버(122) 내로 측정 가스의 배출을 위한 적어도 하나의 배출구(122)를 포함하는, 상기 가스 센서에 있어서,
    상기 외부 챔버(122)는 상기 길이 방향(78)으로 외부 챔버 길이방향 길이(lex)만큼 상기 하우징(11)을 넘어 돌출하고, 상기 내부 챔버(121)는 상기 길이 방향(78)으로 내부 챔버 길이방향 길이(lin)만큼 상기 하우징(11)을 넘어 돌출하며, 상기 외부 챔버 길이방향 길이(lex)는 상기 내부 챔버 길이방향 길이(lin)의 적어도 2배인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 챔버(121) 내에 형성된 소용돌이는 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 유입구(211)와 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 배출구(212) 사이의 정압 구배의 형성에 의해 상기 내부 보호 튜브(21)를 통한 유동을 유도하고, 상기 외부 챔버(122) 내에 형성된 소용돌이는 완전히 또는 주로 상기 외부 챔버(122)의 챔버 영역(122') 내에 형성되며, 상기 챔버 영역은 상기 내부 챔버(121)로부터 볼 때 상기 길이 방향(78)으로 상기 하우징(11)에 완전히 대향하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 적어도 하나의 유입구(211) 및 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 적어도 하나의 배출구(212)는 모두 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 적어도 하나의 유입구(221)와 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 적어도 하나의 배출구(222)의 모두에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 적어도 하나의 유입구(221)는 상기 외부 보호 튜브(22)의 외주면(223) 상에 놓인 다수의 유입구(221)에 의해 형성되고, 상기 유입구들(221)의 각각에 적어도 하나의 소용돌이 요소(221a)가 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 외주면(223) 상에 놓인 상기 다수의 유입구들(221)은 길이 방향으로 상기 하우징(11)으로부터 떨어져 있는 상기 내부 보호 튜브(21)의 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 적어도 하나의 배출구(222)는 상기 외부 보호 튜브(22)의 말단부(224)의 중앙에 배치된 단일 배출구(222)인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 적어도 하나의 유입구(211)는 상기 내부 보호 튜브(21)의 외주면(213) 상에 놓인 다수의 유입구(211)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 적어도 하나의 배출구(212)는 상기 내부 보호 튜브(21)의 말단부(214)에 배치되고, 특히 상기 내부 보호 튜브(21)의 다수의 배출구(212)는 상기 내부 보호 튜브(21)의 말단부(214)에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 적어도 하나의 유입구(211)는, 길이 방향으로 동일한 높이에 놓이며 가장 가까운 이웃에 대해 각각 동일한 간격을 갖는, 상기 내부 보호 튜브(21)의 다수의 유입구(211)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 보호 튜브(22)는 상기 적어도 하나의 유입구(221)와 상기 적어도 하나의 배출구(222) 사이의 영역에서 말단 방향으로 만곡되어 연장되고 구형으로 테이퍼되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 말단부(224)에서 상기 외부 보호 튜브(22)가 만곡되어 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 배출구(222)로 이어지므로, 상기 외부 보호 튜브(22)는 그 말단부(224)에 단부면을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 감지 단부(141)는 길이 방향(78)으로 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 적어도 하나의 유입구(211)를 넘어 멀리 돌출하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이 방향(78)으로 상기 내부 보호 튜브(21)와 상기 가스 감지 단부(141) 사이의 간격(a)은 상기 외부 챔버 길이방향 길이(lex)의 15%보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이 방향(78)으로 상기 하우징(11) 넘어 멀리 돌출하는 상기 내부 챔버(121)의 챔버 영역(121')은 말단 방향으로 테이퍼되는 직선의 원뿔대(30)의 형상을 갖고, 특히 상기 원뿔대(30)의 커버면(31)은 상기 원뿔대(30)의 베이스 면(32)의 약 절반 크기이고, 및/또는 상기 원뿔대(30)의 높이(H)는 상기 커버 면(31)의 직경(d)보다 작고, 및/또는 상기 원뿔대(30)의 외주면(33)은 상기 길이 방향(78)에 대해 15°내지 30°만큼 경사지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 센서는 배기 라인(2) 내에 상기 가스 센서(1)의 의도된 조립시 상기 보호 튜브 모듈(20)의 내부에 주 흐름(3)이 형성되고, 상기 주 흐름은 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 유입구(221)로부터, 상기 가스 센서의 상기 길이 방향(78)을 중심으로 소용돌이(적색)를 형성하면서 상기 외부 챔버(122)를 통해 상기 외부 보호 튜브(22)의 상기 배출구(222)로 안내되고, 또한 상기 주 흐름(3)으로부터 바이패스 흐름(4)이 분기되고, 상기 바이패스 흐름(4)은 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 유입구(211)를 통해 상기 가스 감지 단부(141)로 그리고 거기서부터 상기 내부 보호 튜브(21)의 상기 배출구(212)로 안내되고, 후속해서 상기 외부 챔버(122)에서 다시 상기 주흐름(3)과 합쳐지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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