KR101144682B1 - 흡습성 피복 보호 장치를 가진 가스 탐침 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 탐침 (1), 특히 가동 내연 기관으로부터의 배기 가스의 분석을 위한 람다 탐침으로서,
가스 탐침 (1) 의 민감한 센서 소자 (3) 를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 보호 장치 (2) 를 포함하고, 민감한 센서 소자 (3) 는 가스와 접촉하는 가스 탐침 (1) 에 관한 것이다.
하나 이상의 보호 장치 (2) 는 흡습성 표면을 적어도 부분적으로 가지는 가스 접촉면 (4) 을 포함한다.

Description

흡습성 피복 보호 장치를 가진 가스 탐침{GAS PROBE WITH HYGROSCOPIC COATED PROTECTION DEVICE}
본 발명은 가스 탐침, 특히 가동 내연 기관의 배기 가스를 분석하기 위한 람다 탐침에 관한 것이다.
상기 형태의 가스 탐침은 가스, 특히 내연 기관의 배기 시스템에서의 배기 가스를 분석하는데 사용될 수 있는 민감한 부품(센서 소자)을 일반적으로 가진다. 기계적 및 열적 영향으로 인한 손상으로부터 가스 탐침을 보호하기 위해, 센서 소자는 분석될 가스가 적절한 개구부를 통과해 람다 탐침의 센서 소자로 흐를 수 있게 해주는 보호 파이프에 의해 일반적으로 둘러싸이고, 센서 소자는 보호 파이프 안에 배치된다. 상기 보호 파이프는 우선 운송상 손상과 설치상 손상을 입지 않도록 해주고 가스 유동 내의 수증기로부터 형성되는 물방울과의 접촉으로 인한 람다 탐침의 가열된 민감한 부품의 열적 충격 부하를 방지해 준다.
일반적으로 가스 탐침은 가스 탐침을 지나쳐 흐르는 고온 배기 가스 유동과 접촉하기 때문에, 종래의 가스 탐침에서 배기 가스 내의 수증기가 보호 파이프에 모이는 것을 관찰할 수 있다. 수증기는 가스 탐침의 표면에 응축하고 센서 소자를 위험하게 하는 물방울을 형성한다.
본 발명의 목적은 센서 소자가 물방울과 접촉한다는 사실에도 불구하고 종래의 가스 탐침보다 더 신뢰할 수 있는 가스 탐침을 생산하는 것이다. 또한, 가스 탐침은 간단한 구조이어야 하고 연속 생산할 수 있으면서도 큰 비용 없이 비용 효율적으로 생산할 수 있어야 한다. 현재 사용할 수 있는 가스 탐침의 알려진 기술적 문제점도 최소한 줄일 수 있어야 한다.
상기 목적은 장치에 대한 독립항의 특징에 따른 가스 탐침에 의해, 그리고 방법에 대한 독립항에 따른 가스 탐침의 생산 방법에 의해 달성된다. 다른 유리한 실시형태는 각각의 종속항에서 설명된다. 기술된 특징을 적절하게 포함하였다면, 청구항에 열거된 특징의 기술적으로 편리한 조합으로 본 발명의 유리한 실시형태를 이룰 수 있다는 점에 주목해야 한다.
본 발명에 따른 가스 탐침, 특히 가동 내연 기관의 배기 가스를 분석하기 위한 람다 탐침은 가스 탐침의 민감한 부품(센서 소자)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 보호 장치를 가지고, 민감한 부품은 가스와 접촉한다. 가스 탐침은 하나 이상의 보호 장치가 흡습성 표면을 적어도 부분적으로 가지는 가스 접촉면을 가지는 것을 특징으로 한다.
한편, 하나 이상의 보호 장치 - 어떤 상황에서는 두 개 또는 세 개의 보호 장치(적합하다면, 서로에 대해 동심적으로 배치)가 제공될 수 있다. - 가 운송상 손상 및/또는 설치상 손상에 대한 보호를 제공하고, 따라서 상대적으로 안정된 구조를 가진다. 또한 보호 장치는 센서 소자가 가스 유동에서의 불순물(미립자, 그을음 등) 및/또는 물방울과 접촉하지 않도록 해준다. 그러나, 동시에 보호 장치는 분석될 가스가 센서 소자로 흐를 수 있게 해준다. 일반적으로 상기 형태의 보호 장치는 센서 소자를 가지는 내부 구역으로 가스가 흐를 수 있도록 제공되는 개구부를 가지는 하우징, 캡, 관, 격자 등의 형태이다.
보호 장치, 특히 모든 보호 장치는 분석될 가스 유동과 접촉하는 표면에서 흡습식 표면을 최소한 부분적으로 가질 수 있다. "흡습식" 은 특히 표면이 가스 유동으로부터 수증기를 흡수하고/또는 가스 접촉면에서 물방울의 형성을 방지할 수 있는 것을 의미한다. 이 목적을 위해, 예를 들어 표면 조도 및/또는 다공성의 특별한 구성에 의해 가스 접촉면 자체가 흡습성이 될 수 있다. 그러나 가스 접촉면을 보호 장치의 재료와 다른 재료로 된 추가적인 층으로 덮는 것도 또한 가능하다.
이와 관련해서, 흡습성 표면이 내고온성 흡습제를 유리하게 포함하는 피복에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것은 특히 유리하다. 예를 들어, 다양한 염(salt)이나 유기물이 흡습제로서 사용될 수 있다. 피복은 또한 물에 대한 내충격성, 내부식성, 및 내침식성인 것이 유리하다.
또한 가스 탐침은 10 ㎛ ~ 50 ㎛(마이크로미터) 의 층 두께를 가지는 피복을 가질 수 있다. 층 두께는 15 ㎛ ~ 25 ㎛ 인 것이 바람직하다. 보호 장치에서의 코팅은 예를 들어, 자동차의 배기 시스템에서의 강한 열 부하 때문에 특히 점착성이어야 할 필요가 있다. 피복이 영구적으로 보호 장치에 잔류할 수 있도록 보장할 목적으로, 층 두께는 박리를 피하기 위해 상대적으로 얇다.
가스 탐침의 다른 실시형태에 의하면, 피복은 다공성이어서 피복의 단위 부피당 기공 부피가 30 % ~ 90 % 이다. 바꾸어 말하면, 소정의 부피 단위에 대하여 기공에 의해 형성되는 부피(통계적으로 평균을 구한)가 30 % ~ 90 %, 바람직하게는 약 50 % 를 차지한다.
가스 탐침은 산화 피복을 포함하고, 특히 피복은 산화티탄, 산화지르코늄, 및 산화알루미늄 중 하나 이상의 산화물을 포함한다. 상기 산화물은 내고온성을 가지고, 피복의 흡습 작용에 있어서 유리하다.
특히 상기 형태의 가스 탐침이 자동차의 배기 시스템에 배치될 경우, 피복이 촉매 작용을 하는 성분, 특히 귀금속(예를 들어, 백금, 로듐 등)을 가진다면 유리하다. 이것은 배기 가스와 접촉하는 표면이 동시에 배기 가스에 포함된 오염물을 변환시키는 데에도 사용된다는 것을 의미한다. 그러나, 분석될 가스 유동의 조성이 영향을 받지 않게 적절한 정도로 보장하기 위해서, 피복이 가스 탐침에 의해 계량학적으로 측정되는 가스 유동의 성분, 예를 들어 산소에 어떤 영향(예를 들어, 저장 용량)도 주지 않게 할 수도 있다.
또한 가스 탐침의 한 개량에 의하면, 가스와 접촉하는 다른 부품, 특히 가스 탐침의 기부 본체는 흡습성 표면을 적어도 부분적으로 가진다. 기부 본체는 민감한 부품을 위한 리셉터클을 구성하고, 하우징에 가스 탐침을 고정시키기 위해 일반적으로 외주에 나사산을 가진다. 상기 기부 본체에 물방울이 형성되는 것을 방지하기 위해, 기부 본체는 흡습성 표면을 또한 가진다. 다른 방법으로 또는 이것에 더하여, 대상 부품을 적어도 부분적으로 덮거나 에워싸는 하나 이상의 분리된 형상의 본체에 의해 상기 흡습성 표면이 형성될 수 있다. 상기 형상의 본체는 접착 및/또는 확고한 체결 방식, 특히 포획되어 고정되는 방식으로 부품 또는 다수의 부품에 결합되도록 형성될 수 있다.
상기 형태의 가스 탐침의 비용 효율적인 생산에 관하여, 하나 이상의 보호 장치를 딥드로잉(deep-drawing)될 수 있는 내고온성 재료를 포함하는 캡으로 할 수도 있다. 따라서 상기 캡은 특히 연속 생산에서 많은 수량으로 매우 정밀하게 생산될 수 있다. 여기서, 딥드로잉될 수 있기 위해 필요한 재료의 특성은 특히 그 재료가 1.6 ~ 2.0 의 최대 드로잉비 (βmax) 를 가지는 것이다. 최대 드로잉비는 점진적으로 더 커지는 직경 (d0max) 의 원형의 판금 블랭크로부터 드로잉되는 원통형 컵을 사용하는 딥드로잉 시험(예를 들어, 스위프트)에 의해 결정되고, 상기 직경은 천공 직경 (d1) 이 일정하게 유지되는 동안, 단차식으로 증가한다. 특성값은 컵 기부가 파괴되기 전에 금속판의 드로잉 용량이 한계에 이르는 최대 드로잉비이다(βmax = d0max / d1).
하나 이상의 보호 장치와 하나의 기부 본체를 포함하는 가스 탐침은 부품을 위한 하나 이상의 산화 형성 표면을 제공한다. 이것은 산화물, 특히 산화알루미늄이 그 표면에서 형성되도록 보호 장치 및/또는 기부 본체가 적어도 부분적으로 열처리될 수 있다는 것을 의미한다. 상기 산화물은 표면이 고열과 동적 부하를 받더라도 영구적일 수 있도록 후속의 피복이 도포될 수 있다.
또한 하나 이상의 보호 장치가 전기적으로 가열될 수 있는 가스 탐침의 실시형태도 유리하다. 특히 상기 가열은 피복에 잔존하는 물을 증발시키기 위해 단기간 내에 그리고 불연속적으로 수행될 수 있다. 여기서, 배기 가스가 상대적으로 저온인 상황, 예를 들어 엔진이 시동되기 전이나 시동된 직후 및 엔진의 공회전 단계에서, 상기 가열이 수행되는 것이 유리하다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 가스 탐침, 특히 가동 내연 기관의 배기 가스를 분석하기 위한 람다 탐침을 생산하는 방법이 제안될 수 있다. 가스 탐침은 가스 탐침의 민감한 부품(센서 소자)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 보호 장치를 가지고, 민감한 부품은 가스와 접촉하며, 또한 가스 탐침은 기부 본체를 가진다. 여기서, 하나 이상의 보호 장치 또는 기부 본체에 흡습성 피복이 적어도 부분적으로 제공될 수 있다. 이러한 방법으로 전술한 본 발명에 따른 가스 탐침을 생산하는 것이 가능하다.
여기서, 적합하게는 자유 구역이 제공될 수 있는데, 그 표면은 다른 기능성 표면에 가깝게 배치된다. 기능성 표면은 명확한 기능을 가지고, 예를 들어 부품 사이의 연결면, (전기적) 접촉면, 라벨링면(labeling faces) 등으로서의 역할을 한다. 따라서, 예를 들어 기부 본체 및/또는 보호 장치는 확고한 체결(크림프) 연결 및/또는 결합(용접, 납땜 등)에 의해 만들어지는 연결로 서로 또는 가스 센서의 다른 부품에 연결되는 지점에서 피복을 가지지 않는 것이 유리하다.
여기서, 피복이 제공될 표면이 미리 처리되어, 표면에 산화물이 형성되는 것은 특히 유리하다. 하나 이상의 보호 장치 또는 기부 본체의 재료가 대응하는 성분을 가진다면 산화물은 열처리에 의해 표면에 형성될 수 있다. 그러나, 추가적인 생산 단계에서 처음으로 재료를 표면에 도포하고 그 후에 재료를 합금시키는 것도 가능하다.
어떤 상황에서, 하나 이상의 보호 장치 또는 기부 본체는 피복되기 전에 알루미늄으로 도금될 수 있다. 이것은, 예를 들어 알루미늄으로 가공된 합금이 표면에 도포되고 후속의 열처리에 의해 표면에 고정되는 것을 의미한다. 알루미늄의 제공으로 알루미늄 산화물의 후향적 형성이 가능하고, 상기 알루미늄 산화물은 후속의 흡습성 피복을 위한 기재층으로서 특히 적합하다.
이와 관련하여, 하나 이상의 보호 장치가 특히 딥드로잉된 부품으로 성형되고, 알루미늄 도금 공정이 성형 작업 전에 이루어지며, 균질화 공정은 성형 단계 후에 수행되는 것이 특히 유리하다.
본 발명의 다른 유리한 실시형태에 의하면, 피복의 도포는 하나 이상의 다음 생산 단계를 포함한다: 분무(spraying), 담금(dipping), 스퍼터링(sputtering), 용사(thermal spraying).
분무 또는 스퍼터링의 경우에는, 피복될 표면에 피복을 도포할 때 기재(substrate), 예를 들어 공기가 사용된다. 담금의 경우에는, 피복될 부분은 피복의 욕(bath)에 담궈진다. 영구적인 피복을 제공하기 위해, 전술한 세 공정에서 산화물 피복이 먼저 형성되는 것이 유리하다. 용사에 의해 피복이 도포될 때, 사용되는 온도 범위가 표면과 피복 사이의 충분한 결합력 또는 점착력을 확보해주기 때문에, 상기 형태의 산화물 형성 수단을 생략할 수 있다. 용사 과정에서, 500˚C 이상, 바람직하게는 900˚C (플라즈마 분무) 이상의 온도가 도포 중에 일반적으로 사용되고, 적합하다면 더 얇은 층 두께(예를 들어, 40 ㎛ 이하)를 제공하는 것도 가능하다.
피복의 균일한 분포 또는 현저하게 고른 층 두께를 확보하기 위해, 다른 처리 단계, 예를 들어 부품의 회전(원심력의 이용), 노킹(충격 작용의 이용), 블로잉(고압 가스 유동의 사용) 등이 필요할 수 있다. 특히 보호 장치의 가스 입구 개구부와 가스 출구 개구부가 과도한 각도로 닫히지 않도록 확보해야 한다.
가스 탐침은 배기 가스 정화 부품과 특히 유리하게 조합될 수 있다. "배기 가스 정화 부품" 이라는 표현은 배기 가스의 사후 처리에 적합한 모든 부품, 특히 촉매 변환기, 유동 혼합기, 필터, 흡수기, 탄화수소 트랩 또는 그을음 트랩에 대한 일반적인 용어를 의미한다.
가스 탐침은 차량, 특히 자동차의 배기 가스 시스템에서 특히 유리하게 제공된다.
본 발명과 기술 분야는 도면과 관련하여 더 상세히 설명된다. 여기서, 본 발명의 특히 바람직한 예시적인 실시형태들이 설명되고, 본 발명이 이에 제한되지 않는다는 점에 주목할 것이다.
도 1 는, 가스 탐침의 개략적인 상세도이다.
도 2 는, 도 1 에 따른 가스 탐침에 대한 단면도이다.
도 1 는 기부 본체 (10) 와 보호 장치 (2) 를 가지는 가스 탐침 (1) 의 구조 를 개략적으로 보여준다. 가스 탐침 (1) 은 하우징 (12) (예를 들어, 배기 가스 계통 또는 배기 가스 정화 부품의 하우징)을 통과해 지나가고 하우징 (12) 에 고정된다. 여기서, 보호 장치 (2) 를 포함하는 가스 탐침 (1) 의 일부는 분석될 가스 유동과 접촉한다. 보호 장치 (2) 와 기부 본체 (10) 둘 다는 하나 이상의 가스 접촉면 (4) 즉, 분석될 가스와 접촉하는 표면을 가진다. 여기서 적어도 가끔, 분석될 가스 유동은 수증기를 포함하고, 수증기는 어떤 환경에서 가스 접촉면 (4) 에 응축될 수 있다. 센서 소자 (3) 는 보호 장치 (2) 의 내부에 배치된다(도 1 에서 미도시). 보호 장치 (2) 에서의 개구부 (11) 는 분석될 가스 유동이 민감한 부품(센서 소자 (3))과 접촉할 수 있도록 한다.
도 1 에서 도시된 바와 같이, 도 2 는 가스 탐침 (1) 의 보호 장치 (2) 에 대한 단면을 보여준다. 여기서, 보호 장치 (2) 는 그 단부측에서 폐쇄되는 실질적으로 원통형인 부품으로 도시되었다. 보호 장치 (2) 의 원주에는, 가스가 내부 구역과 교체될 수 있도록 해주는 슬롯으로서 다수의 개구부 (11) 가 제공된다. 보호 장치 (2) 는 내측과 외측에 피복 (5) 을 가지고, 상기 피복은 도 2 의 왼쪽 하단부에서 확대된 일부 구역으로 개략적으로 도시되었다.
피복 (5) 은 보호 장치 (2) 의 내부와 외부 가스 접촉면 (4) 에 제공된다. 피복 (5) 은 10 ㎛ ~ 50㎛ 의 층 두께 (7) 를 가진다. 피복 (5) 의 단위 부피당 피복 (5) 의 기공 (8) 의 비율은 약 50 % 이다. 피복 (5) 은 가스 유동으로부터 수증기를 추출하기 위한 흡습제 (6) 와, 배기 가스에서 오염물을 촉매 작용으로 변환하기 위한 귀금속 (9) 을 가진다.
여기서 제안된 가스 탐침은 특히 자동차의 배기 시스템의 작동 신뢰성을 증가시킨다. 또한, 가스 탐침은 연속 생산할 수 있으면서도 생산이 쉽다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 가스 탐침 2: 보호 장치
3: 부품 4: 가스 접촉면
5: 피복 6: 흡습제
7: 층 두께 8: 기공
9: 귀금속 10: 기부 본체
11: 개구부 12: 하우징

Claims (17)

  1. 가스 탐침 (1) 으로서,
    상기 가스 탐침 (1) 의 민감한 센서 소자 (3) 를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 보호 장치 (2) 를 가지고, 상기 민감한 센서 소자 (3) 는 가스와 접촉하는 가스 탐침 (1) 에 있어서,
    상기 하나 이상의 보호 장치 (2) 는 흡습성 표면을 적어도 부분적으로 가지는 가스 접촉면 (4) 을 가지며,
    상기 흡습성 표면에는 내고온성 흡습제 (6) 를 포함하는 피복 (5) 이 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피복 (5) 은 10 ㎛ ~ 50 ㎛ 의 층 두께 (7) 를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 피복 (5) 은 다공성이어서 상기 피복 (5) 의 단위 부피당 기공 부피가 30 % ~ 90 % 인 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 피복 (5) 은 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 피복 (5) 은 촉매 작용을 하는 성분을 가지는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 가스와 접촉하는 다른 부품은 흡습성 표면을 적어도 부분적으로 가지는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 보호 장치 (2) 는 딥드로잉될 수 있는(deep-drawn) 내고온성 재료를 포함하는 캡인 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 가스 탐침 (1) 은 적어도 다음 부품, 즉 하나 이상의 보호 장치 (2) 와 하나의 기부 본체 (10) 를 포함하고, 하나 이상의 부품이 산화 형성 표면을 제공하는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 보호 장치 (2) 는 전기적으로 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1).
  11. 가스 탐침 (1) 의 제조 방법으로서,
    상기 가스 탐침 (1) 의 민감한 센서 소자 (3) 를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 보호 장치 (2) 를 가지고, 상기 민감한 센서 소자 (3) 는 가스와 접촉하고, 또한 기부 본체 (10) 를 가지며, 상기 하나 이상의 보호 장치 (2) 또는 상기 기부 본체 (10) 에 흡습성 피복 (5) 이 적어도 부분적으로 제공되고,
    상기 흡습성 피복에는 내고온성 흡습제 (6) 를 포함하는 피복 (5) 이 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1) 의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 피복 (5) 이 제공될 표면이 미리 처리되는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1) 의 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 하나 이상의 보호 장치 (2) 또는 기부 본체 (10) 는 피복되기 전에 알루미늄으로 도금되는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1) 의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 하나 이상의 보호 장치 (2) 는 성형된 부품이고, 알루미늄 도금 공정이 성형 작업 전에 이루어지며, 균질화 공정은 성형 단계 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1) 의 제조 방법.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 피복 (5) 의 도포는 하나 이상의 다음 생산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐침 (1) 의 제조 방법.
    -분무(spraying)
    -담금(dipping)
    -스퍼터링(sputtering)
    -용사(thermal spraying)
  16. 제 1 항 또는 제 3 항에 따른 하나 이상의 가스 탐침 (1) 을 포함하는 배기 가스 정화 부품.
  17. 제 1 항 또는 제 3 항에 따른 하나 이상의 가스 탐침 (1) 을 포함하는 배기 시스템을 가지는 차량.
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