KR830002019B1 - 고체 전해질 산소 감지기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

고체 전해질 산소 감지기
제1도는 열처리한 후의 디스크, 튜브 및 도선을 도시한 축단면도.
제2도는 제1도의 선 2-2에 따른 단면도.
제3도는 열처리 전의 튜브의 측단면도.
제4도는 제3도의 평면도.
제5도는 겉에 전극이 피복되어 있는 디스크의 사시도.
제6도는 제5도의 디스크의 측면도.
제7도는 튜브와 디스크를 가열시키기 위하여 받쳐놓는 지지구의 측단면도.
제8도는 제7도의 구조물의 평면도.
제9도는 제2도의 감지기를 부분적으로 절개하여 도시한 등각도.
제10도는 본 발명에 따른 개량된 산소 감지기의 양호한 실시예의 측단면도.
본 발명은 안정화된 고체 전해질로 된 디스크를 비-전해질 재료인 세라믹(ceramic)튜브속에 설치하여 만든 형태의 산소감지기 관한 것이다.
이러한 구조에서 야기되는 두가지 문제는 디스크를 튜브속에 고정할 때 밀봉하고, 그 디스크 표면의 얇은 백금 전극에 도선을 부착하는 것이다. 이러한 문제들을 개별적으로 적절히 해결하기 위한 방책들은 모색되었으나, 상당한 작업 시간을 소모 해야지만 완전한 산소 감지기 조립체를 만들 수 있었다. 예컨대, 슘(shum) 등의 미합중국 특히 제 4,119,513호의 감지기는 전압 응답이 지극히 균일하며, 백금족 금속 전극에 연결되는 백금속 금속 도선들이 그 튜브의 전장에 걸쳐서 하나는 내측에, 하나는 외측에 연장되어서 외측의 도선은 튜브의 감지단(sensing end)을 지나 감지 전극에 접속된다. 디스크를 지탱하고 있는 유리질 밀봉체(glass frit seal)는 상당히 만족스러운 성능을 나타내었으며 최소한 700℃의 온도에서 열충격 시험에 의해 손상되지 않았다. 데이비스의 특허 제 4,123,344호에 소개된 디스크형 전해질은 가열 중에 수축되는 세라믹 튜브에 의해 지지된다. 그 디스크는 요부내에 지지되며 접합점이 상이한 재료로된 내부 및 외부 도선과 부가적인 조립부품들을 지니고 있다. 일반적으로 대부분의 세라믹은 수축율이 작기 때문에 디스크의 외경 및 그 디스크가 설치되는 구멍의 직경을 매우 정밀하게 조절해야 한다. 또한 유리질 밀봉체가 사용될 경우 기체에 대해 밀폐되려면 접합면에 사실상 흠이 존재할 수 없다.
본 발명의 목적은 신속하고 저렴하게 조립될 수 있으며, 디스크 및 디스크가 설치되는 세라믹 튜브의 칫수 공차 범위가 넓은 디스크형 관형 산소 감지기를 제공하는 것이다. 다른 목적은 도선을 전극에 연결하는데 있어서 신속하고 간단함은 물론 도선을 손상으로부터 보호하고 도선이 전극과 동일한 재료로 형성되도록 하여서 오차 전압을 발생할 수 있는 2차 전지가 유발되지 못하게 하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 산소 감지기는 전극 피막이 디스크의 감지측면과 기준측면 각각의 주요부분과 디스크의 한 테두리를 따라 좁은 띠에 연속적으로 부착되어 있다. 그 테두리 띠는 서로 이격되어 있으며, 서로 직경방향으로 반대로 위치되는 것이 바람직하다.
감지측면과 기준측면 각각의 작은 부분은 반대측면에 일체로 연결되는 테두리 띠 바로 인접 부위에서는 피복되지 않은채로 남겨진다. 전극으로서 디스크에 부착되는 것과 동일한 것이 바람직한 도선재료의 피막이 한쌍의 띠형태로 튜브내면에 부착된다. 디스크를 지주위에 려놓올고 그 위에 열처리하기전 상태의 튜브를 씌운다음 가열하면 튜브가 수축되어 디스크와 맞물린다. 디스크는 예비-소결(pre-sintered)되고 이트리아 안정화된 지르코니아(yttia stabilzed zirconia)로 만들어지는 것이 바람직한 반면 튜브는 약 1300℃의 온도로 가열될 때 약 25% 수축되는 포스터라이트(forsterite)로 형성하는 것이 바람직하다. 초기 세라믹 튜브의 내경을 디스크의 외경보다 약 20% 정도 더 크게할 경우(각 0.460'' 및 0.383''), 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 전극과 도선은 그 유리질 접합체용으로 튜브가열 온도보다 약 35-95℃ 낮은 융점을 갖는 백금 분말로 형성되는 것이 바람직하다. 가열중에 튜브는 디스크와 약 5% 정도 맞물리도록 수축되어서 디스크가 위치되어 있는 부위가 약간 부풀어 오른다. 또한 튜브와 디스크는 유약과 맞물림 압력에 의해서 기계적으로 밀착된다.
또한 상기한 방법으로 만든 산소 감지기는 가열기가 결합되어질 수도 있다. 이 가열기가 감지기가 사용되는 과정의 최대온도보다 어느정도 더 높은 일정한 온도에서 작동할 수 있도록 한다. 이러한 장치로써 전지 출력은 공지된 네른스트(Nernst) 방정식에 직접 결부되며 변하는 온도를 고려한 복잡한 회로를 설치할 필요없이 산소비율을 표시할 수 있다. 이 가열기는 세라믹 감지기 동체의 디스크형 고체 전해질에 반경 방향으로 인접한 튜브벽 내부에 위치되어진다.
구체적으로 말해서, 고체 전해질 산소 감지기는 디스크형 고체 전해질을 튜브내에 밀봉하기 위하여 튜브벽내에 일체로 가열기가 밀봉되어 있는 세라믹 튜브를 수축시켜 만들어진다.
세라믹으로는 열 수축시에 통상의 고체 전해질인 이트리아 안정화된 이산화 지르코니움에 밀접하게 맞물릴 수 있는 포스터라이트가 바람직하다. 포스터라이트를 압출하여 외경이 1인치이고, 중심구경이 약 0.375''이며, 중심 구멍 주변으로 가열기의 소자들이 들어갈 수 있도록 되어있는 작은 구멍들의 직경이 0.125 인치인 튜브를 만든다. 주변 구멍의 수는 예컨대, 약 4-12개 정도로 광범위하게 조절할 수 있다. 구멍의 수가 많을수록 고체 전해질 디스크를 더욱 균일하게 가열시킬 수 있음은 명백하다. 포스터 라이트가 건조된 초기 상태에서 기계 가공하기가 쉬울때 이 상태에서 일정한 길이로 절단되어지고 측면에 너비가 약 0.125 인치이며 길이가 주변 구멍의 깊이와 같은 주변 홈이 파여진다. 또한 감 지면의 단부면에는 주변 구멍의 축으로 이루어진 원의 직경과 일치하는 직경으로 제홈이 파여진다. 이들 두 홈은 튜브가 열처리된 후에 가열기 코일의 굴곡부가 되돌아갈 공간을 제공한다. 그 다음에 이들 홈은 세라믹으로 채워져서 가열기 코일이 밀봉된다. 가열기 코일과 세라믹 동체 사이의 열도성의 개선하기 위하여 측면 홈을 밀봉한 후에 주변 구멍들 속에 산화 마그네슘이나 기타 적당한 재료의 입자들을 채운다.다음에 세라믹 동체가 가열되어 그 동체의 고유수축과 대표적으로 약 1300℃의 가열온도에서의 포스터라이트 표면의 유리질화에 의한 기계적인 결합에 의하여 고체 전해질은 세라믹 동체속에 밀봉 지지된다.
본 발명을 첨부된 도면을 예로들어 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도에 전반적으로 부호(10)로 도시된 본 발명의 산소감지기 조립체는 세라믹 튜브(12)속의 상부 또는 기체 감지단(12') 부근에 세라믹 고체 전해질 디스크(14)가 설치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 도시된 튜브에서 밖으로 약간 부풀어 오른 부분(12'')은 디스크와 축방향으로 바로 인접한 튜브 부분이 가열시에 수축되어 디스크(14)에 맞물려진다는 사실을 나타낸다. 도시하지는 않았으나 감지기(10)는 사용시에 그 감지단(12')이 감지코자하는 기체속에 잠겨지게 하고 기 외측 또는 기준단(12'')은 대기와 통하도록 하는 하우징에 설치된다. 따라서 전해질의 감지면(14')과 기준면(14'')은 서로 산소분압이 다른 각 기체에 노출된다. 주지된 바와같이, 이 산소 분압의 차이로 인해서 고체 전해질 디스크(14)에 발생된 전압은 기준전극 도선(16) 및 감지 전극도선(18)의 각 단자(16' 및 18')에 연결된 회로(도시되지 않음)에 의해 측정된다. 이들 도선(16 및 18)은 백금으로 만들어지는 것이 바람직하며, 또한 백금으로된 기준 전극(20)과 감지 전극(22)에 단단히 접착 접속되므로 감지기에 동질의 금속만이 존재하게 되기 때문에 불필요한 전압이 유기되지 않는다.
제7도에는 감지기(10) 조립과정에서 첫번째 단계가 도시되어 있다. 이 단계에서, 먼저 소결된(sintered) 고체 전해질 디스크(14)에 제5도 및 제6도에 도시한 바와같이 전극 페이스트 피막(20, 20' 및 22, 22')을 입한 다음 그것을 세라믹 가열 지지구(32) 상에 올려 놓아 제3도 및 제4도에 도시된 열처리전의 세라믹 튜브(12)에 대하여 미리 설정된 축상의 위치에 고정시킨다. 디스크(14)는 전극 띠(22', 22')가 제8도에 도시한 바와같이 튜브(12)의 도선(16, 18)과 제각기 일렬로 되도록 위치된다. 다음에 지지구(32)를 오븐속에 놓고 튜브(12)를 가열 수축시켜서 제1도에 도시한 바와같이 디스크(14)에 단단히 기계적으로 접속시킨다. 튜브 재료가 가열시에 약 25% 수축되는 포스터 라이트인 경우 디스크의 (14)의 경칫수와 튜브(12)의 내경 칫수가 20%만큼 변할수 있어서 여전히 5% 맞물려진다. 이것은 디스크와 압출된 세라믹 튜브의 공차 범위가 넓어 진다는 것을 의미하므로 조립에 있어서 중요한 장점이 되는 것이다. 또한 튜브에 디스크를 설치하기 위하여 홈을 파서는 안된다. 또한 홈으로 인한 튜브벽의 단면 변화가 생기지 않기 때문에 감지기의 열충격에 대한 내력이 증가된다.
제9도는 전반적으로 부호(10)로 표시한 개량된 감지기 및 가열기 조립체를 부분적으로 절개하여 도시한 등각도이다. 튜브(12)에는 감지단(12')과 기준단(12'')이 고체 전해질 디스크(14)에 의해 분리되어 있다. 기준 도선(16)과 감지도선(18)은 각각 기준 전극(20)과 감지전극(22)에 긴밀히 접속되어 있다. 도선과 전극은 모두 똑같은 재료, 바람직하게는 백금 페이스트로 형성하여서 상이한 금속을 사용했을 때 생기는 2차 전압이 발생되지 않게 하는 것이 바람직하다. 중심구멍(26)의 압출과 함께 일련의 서로 이격된 작은 구멍(24)들이 튜브(12)의 길이 방향으로 압출되어 진다. 튜브(12)의 측면에 거의 구멍(24)의 깊이까지 주변 홈(28)이 가공되어 진다. 이 홈은 너비가 약 0.125인치로서 가열선(30)이 인접구멍(24)들 사이에서 용이하게 전후로 삽입되고 가열기의 기준단에서 굴곡부가 수용될 수 있게하는 한편, 단부 홈(32)은 가열선의 굴곡부를 감지단에서 수용한다. 가열선(30)의 양단(30' 30'')은 감지기의 기준단(12'')밖으로 연장되어 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 가열선(30)은 디스크(14)의 전후로 조금 더 연장되어 디스크 및 그 전극을 균일하게 가열하도록 되어있다. 가열선이 들어있는 구멍(24)속의 산화 마그네슘 입자(34)의 패킹(packing)에 의해서 튜브(12)벽과 디스크(14)로의 열전도가 더욱 잘 이루어진다. 세라믹 층(36)이 측부홈(28)을 밀폐하는데 사용되는 반면, 세라믹 층(38)으로는 단부홈(32)을 밀폐한다. 층(36, 38)은 또한 감지기(10)가 통상 처해 있는 연도 기체와 같은 주위 대기에 의해 가열선(30)이 손상을 입는 것을 방지하는 역할도 한다.

Claims (1)

  1. 세라믹 튜브(12) 의 양단부 중간에 일면은 감지면(14')이고 타면은 기준면(14'')으로 되는 고체 전해질 재료의 얇은 디스크(14)가 밀봉되고, 디스크 감지면(14')의 대부분과 디스크 측부 테두리의 좁은 띠를 따라 세공성 전극 피막(22, 22')이 연속적으로 부착되며 디스크 기준면(14'')의 대부분돠 디스크 측부 테두리의 상기 좁은 띠와 반대 방향의 좁은띠를 따라 또 하나의 세공성 전극 피막(20, 20')이 연속적으로 부착되는 동시에 세라믹 튜브의 내측을 따라 기준단부(12'')에서 최소한 디스크 감지면(14')까지 제1 및 제2의 도전성 띠들(16, 18)이 상기 두 피막띠(20' 22')와 전기적으로 접속되는 산소 감지기.
KR1019800002714A 1979-07-09 1980-07-09 고체 전해질 산소 감지기 KR830002019B1 (ko)

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