KR20070115932A - 세라믹 점화기 - Google Patents
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Abstract
실질적으로 상승된 압력이 존재하지 않는 상태에서의 요소의 소결을 포함하는 세라믹 저항성 점화기 요소를 제조하는 새로운 방법이 제공된다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로부터 얻을 수 있는 세라믹 점화기도 제공된다.
세라믹 점화기 요소, 세라믹 조성물, 소결 보조제 재료, 저항 영역, 점화기
Description
본 발명은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2005년 2월 5일자로 출원된 미국 가출원 제60/650,396호의 이득을 주장한다.
일 양태에서, 본 발명은 성형된 원자재 점화기 요소의 실질적 비가압 소결을 포함하는 세라믹 저항성 점화기 요소를 제조하기 위한 새로운 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로부터 얻을 수 있는 점화기 요소도 제공된다.
세라믹 재료는 예로서, 가스 연소 노, 난로 및 의류 건조기의 점화기로서 큰 성공을 향유하고 있다. 세라믹 점화기 제조는 그 일부가 매우 저항성이면서 와이어 리드에 의한 대전시(electrified) 온도가 상승하는 세라믹 콤포넌트를 통해 전기 회로를 구성하는 것을 포함한다. 예로서, 미국 특허 제6,582,629호, 제6,278,087호, 제6,028,292호, 제5,801,361호, 제5,786,565호, 제5,405,237호 및 제5,191,508호 참조.
전형적인 점화기는 점화기 팁에 고저항 "핫 영역"을 가지는 실질적 직사각형 요소이며, 대향 점화기 단부로부터 핫 영역으로 하나 이상의 전도성 "콜드 영역"이 제공된다. Norton Igniter Products(Milford, M.H.)로부터 입수할 수 있는 한 가 지 현용의 점화기인 Mimi-IgniterTM는 12 볼트 내지 120 볼트 용례를 위해 설계되어 있으며, 알루미늄 질화물("AlN"), 몰리브덴 디실리사이드("MoSi2") 및 실리콘 카바이드("SiC")를 포함하는 조성을 갖는다.
점화기 제조 방법은 적어도 두 개의 서로 다른 저항의 세라믹 조성물이 다이에 탑재되는 일괄형 처리를 포함한다. 형성된 원자재 요소는 그 후 상승된 온도 및 압력에서 밀집화(소결)된다. 상술한 특허 참조. 또한, 미국 특허 제6,184,497호 참조.
이런 제조 방법이 세라믹 점화기 제조에 효과적일 수 있지만, 일괄형 처리는 산출량 및 비용 효율의 견지에서 고유한 한계를 나타낸다.
따라서, 새로운 점화기 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 세라믹 저항 요소를 제조하는 새로운 방법을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 보다 효율적인 제조 방법을 갖는 것이 바람직하다.
이제, 실질적으로 상승된 압력이 없는 상태에서 세라믹 점화기 요소를 소결하는 것을 포함하는 세라믹 점화기 요소를 제조하는 새로운 방법이 제공된다. 이런 비가압 소결 제조는 종래의 접근법에 비해 개선된 산출량 및 비용 효율을 제공할 수 있다.
본 발명의 양호한 방법은 소결 보조제를 포함하는 세라믹 점화기 요소를 형성하고, 그 후, 성형된 요소를 1400℃를 초과하는, 보다 통상적으로는 1600℃를 초과하는 적어도 1700℃ 또는 1800℃ 같은 상승된 온도에서 경화시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 소결은 불활성 분위기, 예로서, 아르곤 또는 질소 같은 불활성 가스의 분위기하에서 수행된다. 경화는 실질적으로 상승된 압력 없이, 예로서, 1, 2, 또는 3 기압 이하의 압력, 보다 통상적으로는 1 또는 2 기압 이하의 압력에서 수행될 수 있다.
경화 처리는 적어도 95% 밀도인 세라믹 요소, 보다 바람직하게는 적어도 96, 97, 98 또는 99% 밀도인 세라믹 요소를 제공한다. 언급된 상승된 온도를 포함하는 경화 프로세스는 이런 밀도를 달성하기에 충분한 시간 동안 수행되며, 이는 수 시간 이상일 수 있다.
언급한 바와 같이, 소결은 통상적으로, 세라믹 요소를 형성하기 위해 사용되는 세라믹 조성물(예로서, 하나 이상의 세라믹 분말)과 혼합되는 하나 이상의 소결 보조제 재료의 존재하에 이루어진다.
하나 이상의 소결 보조제의 사용은 소결 프로세스 동안 상승된 압력이 실질적으로 존재하지 않는 상태에서도 세라믹 조성물의 밀집화를 촉진할 수 있다는 것이 판명되었다.
다양한 소결 보조제 재료가 본 발명에 따른 세라믹 요소를 형성하기 위해 적절히 사용될 수 있다. 양호한 소결 보조제 재료는 이트리아(yttria)(이트륨 산화물 ; yttrium oxide), 가돌리늄(gadolinium) 재료(예로서, 가돌리늄 산화물 또는 Gd2O3), 유로퓸(europium) 재료(예로서, 유로퓸 산화물 또는 Eu2O3), 이터븀(ytterbium) 재료(예로서, 이터븀 산화물 또는 Yb2O3) 또는 란타늄(lanthanum) 재료(예로서, 란타늄 또는 La2O3) 같은 희토류 산화물을 포함한다.
특정 세라믹 조성물 및 원자재 세라믹 요소 형성 방법이 실질적으로 상승된 압력이 존재하지 않는 상태에서의 밀집된 세라믹 요소의 제조를 실행하기 위해 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 세라믹 요소를 형성하기 위해 사용되는 양호한 세라믹 조성물은 실리콘 카바이드 또는 다른 카바이드 재료가 적어도 실질적으로 없거나, 완전히 없을 수 있다. 본 명세서에서 사용시, 세라믹 조성물은 적어도 실질적으로 실리콘 카바이드 또는 다른 카바이드 재료가 없으며, 세라믹 조성물의 총 중량에 기초하여 5wt% 미만의, 보다 통상적으로는 세라믹 조성물의 총 중량에 기초하여 약 4, 3, 2, 1 또는 0.5 미만의 실리콘 카바이드 또는 다른 카바이드 재료를 포함하는 경우이다.
본 발명의 저압 밀집화 프로세스를 통해 세라믹 요소를 형성하기 위해 사용되는 양호한 세라믹 조성물은 유리하게는 알루미나(Al2O3) 및/또는 알루미늄 질화물(AlN)을 포함한다.
알루미나를 포함하는 세라믹 요소를 소결하기 위하여, 바람직하게는 이 요소의 소결은 적어도 실질적으로 질소가 없는 분위기에서(예로서, 총 대기에 기초하여 5체적% 질소 미만), 또는, 보다 바람직하게는 적어도 실질적으로 질소가 없는 (예로서, 총 대기에 기초하여 2 또는 1 체적% 질소 미만, 또는 보다 바람직하게는 질소가 완전히 없는 분위기에서 수행된다. 에로서, 소결은 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다.
AlN을 포함하는 세라믹 요소를 소결하기 위하여, 바람직하게는 이 요소의 소결은 적어도 소정의 질소, 예로서, 적어도 약 5체적%의 질소(즉, 총 대기에 기초하여 적어도 5체적% 질소) 또는 적어도 약 10체적% 질소(즉, 총 대기에 기초하여 적어도 10체적% 질소) 같은 보다 높은 레벨의 질소를 포함하는 분위기에서 수행된다.
또한, 사출 성형 프로세스를 통해 세라믹 요소를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 통상적으로 사용될 때, 용어 "사출 성형된", "사출 성형" 또는 기타 유사 용어는 재료(여기서는 세라믹 또는 프리-세라믹 재료)가 통상적으로, 세라믹 요소의 원하는 형상의 몰드내로 압력하에 사출 또는 다른 방식으로 전진되고, 냉각 및 몰드의 복제본을 보유하는 응고된 요소의 후속 제거가 이어지는 일반적 프로세스를 나타낸다.
본 발명의 점화기 요소의 사출 성형 형성시, 세라믹 재료(세라믹 분말 혼합물, 분산체 또는 기타 조성물 같은) 또는 프리-세라믹 재료나 조성물이 몰드 요소내로 전진될 수 있다.
적절한 제조 방법에서, 다른 저항의 영역(예로서, 전도성 영역(들), 절연체 또는 히트 싱크(heat sink) 영역 및 고 저항 "핫 영역" (들))을 갖는 일체형 점화기 요소가 다른 저항을 갖는 세라믹 또는 프리-세라믹 재료의 순차적 사출 성형에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 예로서, 베이스 원소는 제 1 저항을 갖는 세라믹 재료(예로서, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)의 로드 형상 같은 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소내로의 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 베이스 요소는 이런 제 1 몰드로부터 제거될 수 있고, 제 2, 별개의 몰드 요소내에 배치되며, 다른 저항을 갖는 세라믹 재료-예로서, 전도성 세라믹 재료-가 제 2 몰드에 사출되어 점화기 요소의 전도성 영역(들)을 제고할 수 있다. 유사한 형태로, 베이스 요소는 이런 제 2 몰드로부터 제거되고, 다른 제 3 별개의 몰드 요소에 배치되며, 다른 저항을 갖는 세라믹 재료-예로서, 저항성 핫 영역 세라믹 재료-가 제 3 몰드내에 사출되어 점화기 요소의 저항성 핫 또는 점화 영역(들)을 제공할 수 있다.
본 발명의 양호한 양태에서, 세라믹 콤포넌트를 제조하기 위해 단일 제조 시퀀스, 소위 "다중 샷" 사출 성형 프로세스에서 점화기 요소의 적어도 셋의 부분이 사출 성형되며, 이 제조 시퀀스에서는 점화기 요소의 다수의 부분이 다른 저항값을 가진다(예로서, 핫 또는 고 저항성 부분, 콜드 또는 전도성 부분 및 절연체 또는 히트 싱크 부분). 적어도 특정 실시예에서, 단일 제조 시퀀스는 요소 성형 영역으로부터 요소를 제거가 없는 및/또는 사출 성형 이외의 프로세스에 의한 요소 부재에 대한 세라믹 재료의 침착이 없는 세라믹 재료의 순차적 사출 성형 적용을 포함한다.
예로서, 일 양태에서, 제 1 절연체(히트 싱크) 부분이 사출 성형되고, 그 후, 그 절연체 부분 둘레에 전도성 다리 부분이 제 2 단계에서 사출 성형되고, 제 3 단계에서, 저항성 핫 또는 점화 영역이 절연체와 저항 영역을 포함하는 본체에 사출 성형에 의해 적용될 수 있다.
다른 실시예에서, 저항성 점화기를 제조하는 방법이 제공되며, 이는 세라믹 요소의 하나 이상의 부분을 사출 성형하는 것을 포함하고, 여기서, 세라믹 요소는 셋 이상의 다른 저항의 영역을 포함한다.
본 발명의 제조 방법은 성형된 세라믹 요소에 세라믹 재료를 추가하기 위한 추가 프로세스를 포함할 수 있다. 예로서, 세라믹 조성물 슬러리(slurry)의 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅 등에 의한 방식 같이, 하나 이상의 세라믹 층이 성형된 요소에 적용될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 양호한 세라믹 요소는 제 1 전도성 (zone), 저항성 핫 영역 및 제 2 전도성 영역을 포함하며, 이들 모두는 전기적 순서로 존재한다. 바람직하게는, 장치 사용 동안, 전기 리드의 사용을 통해 제 1 또는 제 2 전도성 영역에 전력이 인가될 수 있다(그러나, 통상적으로 양자 모두에 적용되지는 않는다).
본 발명의 방법의 특히 양호한 점화기는 점화기 길이의 적어도 일부를 따라 둥근 단면 형상을 가진다(예로서, 전기 리드가 점화기에 고정되는 위치로부터 저항성 핫 영역으로 연장하는 길이). 특히, 양호한 점화기는 점화기 길이의 적어도 일부, 예로서, 점화기 길이의 적어도 약 10%, 40%, 60%, 80%, 90% 또는 전체 점화기 길이에 대해 실질적 타원, 원형 또는 기타 라운드형 단면 형상을 가질 수 있다. 이런 로드 구조는 보다 높은 단면 모듈러스를 제공하며, 따라서, 점화기의 기계적 완전성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 세라믹 점화기는 6, 8, 10, 12, 24, 120, 220, 230 및 240 볼트의 공칭 전압을 포함하는 광범위하게 다양한 공칭 전압에서 사용될 수 있다.
본 발명의 점화기는 다양한 장치 및 가열 시스템의 점화기용으로 유용하다. 특히, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 소결된 세라믹 점화기 요소를 포함하는 가열 시스템이 제공된다. 특정 가열 시스템은 가스 조리 유닛, 온수기를 포함하는 상업용 및 주거용 빌딩을 위한 가열 유닛을 포함한다.
본 발명의 다른 양태가 이하에 개시되어 있다.
도 1A 및 도 1B는 각각 본 발명의 점화기의 상면도 및 저면도.
도 2A는 도 1A의 선 2A-2A를 따른 단면도.
도 2B는 도 1A의 선 2B-2B를 따른 단면도.
상술한 바와 같이, 이제, 실질적으로 상승된 압력이 존재하지 않는 상태에서, 성형된 원자재 세라믹 요소를 경화시키는 것(밀집화)을 포함하는 세라믹 점화기 요소 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따라서, 소결은 하나 이상의 소결 보조제 재료의 존재하에 이루어지며, 이들은 통상적으로, 세라믹 요소를 형성하기 위해 사용되는 세라믹 조성물(예로서, 하나 이상의 세라믹 분말)과 혼합된다.
하나 이상의 소결 보조제 재료는 바람직하게는 비교적 낮은 양, 예로서, 하나 이상의 소결 보조제 재료가 사용되는 세라믹 조성물의 중량에 대해 약 10, 8 또 는 5wt%로 사용되는 것이 바람직하다. 보다 통상적으로, 하나 이상의 소결 보조제 재료는 하나 이상의 소결 보조제 재료가 사용되는 세라믹 조성물의 중량에 대하여 약 1, 2 또는 3wt% 같이, 하나 이상의 소결 보조제 재료가 사용되는 세라믹 보조제의 중량에 대한 적어도 약 4wt% 미만으로 세라믹 조성물내에 사용된다. 하나 이상의 소결 보조제는 하나 이상의 소결 보조제 재료가 사용되는 세라믹 조성물의 중량에 대하여 적어도 약 0.1, 0.25 또는 0.5wt%의 양으로 사용되는 것이 적합하다.
상술한 바와 같이, 세라믹 요소는 사출 성형 기술에 의해 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 예로서, 그리고, 상술한 바와 같이, 베이스 요소는 로드 형상 같은 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소내로의 제 1 저항을 갖는 세라믹 재료(예로서, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)의 사출 도입에 의해 형성될 수 있다. 베이스 요소는 이런 제 1 몰드로부터 제거되고, 제 2 별개의 몰드 요소에 배치되며, 다른 저항을 갖는 세라믹 재료-예로서, 전도성 세라믹 재료-가 점화기 요소의 전도성 영역(들)을 제공하도록 제 2 몰드내에 사출성형될 수 있다. 유사한 형태로, 베이스 요소는 이런 제 2 몰드로부터 제거되고, 다른 제 3 별개의 몰드 요소에 배치되며, 다른 저항을 갖는 세라믹 재료-예로서, 저항성 핫 영역 세라믹 재료-가 점화기 요소의 저항성 핫 또는 점화 영역(들)을 제공하도록 제 3 몰드내로 사출될 수 있다.
대안적으로, 이렇게 복수의 별개의 몰드 요소를 사용하는 대신, 다른 저항의 세라믹 재료는 동일 몰드 요소내로 순차적으로 전진 또는 사출될 수 있다. 예로서, 사전결정된 체적의 제 1 세라믹 재료(예로서, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로 서 기능할 수 있는 세라믹 재료)가 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소내로 도입될 수 있고, 그 후, 다른 저항의 제 2 세라믹 재료가 형성된 베이스에 적용될 수 있다.
세라믹 재료는 하나 이상의 세라믹 분말 같은 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 유체 조성물로서 몰드 요소내로 전진(사출)될 수 있다.
예로서, 알콜 등 같은 하나 이상의 혼합성 유기 솔벤트를 포함하는 수성 용액 또는 비수성 용액과 하나 이상의 세라믹 분말의 혼합에 의해 제공되는 페이스트 같은 세라믹 분말의 슬러리 또는 페이스트형 조성물이 준비될 수 있다. 압출을 위한 양호한 세라믹 슬러리 조성물은 선택적으로 셀룰로스 에테르 솔벤트, 알콜 등 같은 하나 이상의 수성 혼합성 유기 솔벤트 같은 하나 이상의 유기 솔벤트와 함께 물의 유체 조성물내에 MoSi2, SiC, Al2O3, 및/또는 AlN 같은 하나 이상의 세라믹 분말을 혼합시킴으로써 준비될 수 있다. 또한, 세라믹 슬러리는 다른 재료, 예로서, 선택적으로 하나 이상의 중합성 바인더와 함께 하나 이상의 유기 가소제 콤파운드를 포함할 수 있다.
형성된 점화기의 원하는 형상에 따른 구조의 요소와 함께, 광범위하게 다양한 형상 성형 또는 유도 요소가 점화기 요소의 형성에 사용될 수 있다. 예로서, 로드 형상 요소를 형성하기 위해, 세라믹 분말 페이스트는 원통형 다이(die) 요소내로 사출될 수 있다. 각주 또는 직사각형 점화기 요소를 형성하기 위해, 직사각형 다이가 사용될 수 있다.
세라믹 재료(들)를 몰드 요소내로 전진시킨 이후, 원하는 세라믹 부품은 예로서, 50℃ 또는 60℃를 초과하여, 임의의 솔벤트(수성 및/또는 유기) 캐리어를 제거하기에 충분한 시간 동안 적절히 건조될 수 있다.
하기의 실시예는 점화기 요소를 형성하기 위한 양호한 사출 성형 프로세스를 설명한다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1A 및 도 1B는 다른 저항의 영역을 사출 성형하는 것을 통해 제조되는 본 발명의 적절한 점화기 요소(10)를 도시한다.
도 1A에서 볼 수 있는 바와 같이, 점화기(10)는 중앙 히트 싱크 또는 절연체 영역(12)을 포함하고, 이는 다른 저항의 영역(들), 즉, 보다 저항이 높은 근위 부분(16)의 전도성 영역(14)내에 수납되며, 점화기 근위 부분(18)에서, 영역은 비교적 감소된 체적을 가지며, 따라서, 저항성 핫 영역(20)으로 기능할 수 있다.
도 1B는 노출된 히트 싱크 영역(12)을 가지는 점화기 저면을 도시한다.
도 2A 및 도 2B의 단면도는 점화기 원위 영역(18)의 대응 저항성 핫 영역(20)과 점화기 근위 영역(16)의 전도성 영역(14A, 14B)을 포함하는 점화기(10)를 추가로 도시한다.
사용시, 전력은 저항성 점화 영역(20)을 통한, 그리고, 그 후, 전도성 영역(14B)을 통한 전기 경로를 제공하는 전도성 영역(14A)내로 점화기(10)에 공급될 수 있다(예로서, 하나 이상의 전기 리드(미도시)를 경유하여). 전도성 영역(14)의 근위 단부(14a)는 사용 동안 점화기에 전력을 공급하는 전기 리드(미도시)에 납땜을 통한 방식 등으로 적절히 고정될 수 있다. 점화기 근위 단부(10a)는 미국 공개 특허 출원 2003/0080103에 개시된 바와 같이, 세라모플라스틱(ceramoplastic) 밀봉제 재료가 전도성 요소를 수납하는 것 같이 다양한 고정부내에 적절히 장착될 수 있다. 점화기 근위 단부를 수납하기 위해, 금속성 고정부도 적절히 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 그리고 도 1A, 도 1B, 도 2A 및 도 2B의 점화기(10)에 의해 예시된 바와 같이, 적어도 점화기 길이의 현저한 부분은 도 1B에 도시된 길이 x 같은 점화기 길이의 적어도 일부를 따라 둥근 단면 형상을 갖는다. 도 1A, 도 1B, 도 2A 및 도 2B의 점화기(10)는 점화기(10)가 로드형 점화기 요소를 제공하도록 점화기의 대략 전체 길이에 대해 실질적 원형 단면 형상을 갖는 특정 양호한 구조를 도시한다. 그러나, 양호한 시스템은 또한, 점화기의 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90 까지의 점화기 길이(도 1B에 점화기 길이 x로 예시된 바와 같이)가 둥근 단면 형상을 갖는 경우 같이 일부만이 둥근 형상을 갖는 것들을 포함할 수 있으며, 이런 디자인에서, 점화기 길이의 나머지는 외부 에지를 갖는 프로파일을 가질 수 있다.
다양한 구조의 점화기가 특정 용례를 위한 필요에 따라 제조될 수 있다. 따라서, 예로서, 특정 구조를 제공하기 위해, 적절한 형상 유도 몰드 요소가 사용되고, 이를 통해 세라믹 조성물(세라믹 페이스트 같은)이 사출될 수 있다.
본 발명의 점화기의 치수는 광범위하게 변할 수 있으며, 점화기의 의도된 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 예로서, 양호한 점화기의 길이(도 1B의 길이 x)는 약 0.5 내지 약 5cm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 3cm일 수 있고, 점화기 단면 폭(도 1B의 길이 y)은 적절하게는 약 0.2 내지 약 3cm일 수 있다.
유사하게, 전도성 및 핫 영역 영역의 길이도 적절히 변할 수 있다. 바람직하게는 도 1A에 도시된 구조의 점화기의 제 1 전도성 영역의 길이(도 1A의 근위 영역(16)의 길이)는 0.2cm으로부터 2, 3, 4, 또는 5cm일 수 있다. 보다 전형적인 제 1 전도성 영역의 길이는 약 0.5 내지 약 5cm이다. 총 핫 전기 경로 길이(도 1A의 길이 f)는 적절하게는 약 0.2 내지 5cm 이상일 수 있다.
양호한 시스템에서, 본 발명의 점화기의 핫 또는 저항 영역은 공칭 전압에서 약 1450℃ 미만의 최대 온도로, 그리고, 공칭 전압의 약 110%인 하이엔드 라인 전압에서 약 1550℃ 미만의 최고 온도로, 그리고, 공칭 전압의 약 85%인 로우-엔드(low-end) 라인 전압에서 약 1350℃ 미만의 최대 온도로 가열한다.
다양한 구조가 본 발명의 점화기를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 양호한 핫 영역 조성은 1) 전도성 재료, 2) 반도체 재료 및 3) 절연 재료 중 둘 이상의 성분을 포함한다. 전도성(콜드) 및 절연성(히트 싱크) 영역은 동일한 성분으로 구성될 수 있지만, 다른 비율로 존재하는 성분을 갖는다. 통상적 전도성 재료는 예로서, 몰리브덴 디실리사이드(molybdenum disilicide), 텅스텐 디실리사이드(tungsten disilicide), 티타늄 질화물(titanium nitride) 같은 질화물 및 티타늄 카바이드 같은 카바이드를 포함한다. 전형적인 반도체는 실리콘 카바이드(도핑된 및 도핑되지 않은) 및 붕소 카바이드 같은 카바이드를 포함한다. 전형적 절연 재료는 알루미나 같은 금속 산화물이나 AlN 및/또는 Si3N4 같은 질화물을 포함한 다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 전기 절연성 재료는 적어도 약 1010 ohms-cm의 실온 저항을 갖는 재료를 나타낸다. 본 발명의 점화기의 전기 절연 재료 성분은 전적으로 또는 주로, 하나 이상의 금속 질화물 및/또는 금속 산화물로 구성되거나, 대안적으로, 절연 성분은 금속 산화물(들) 또는 금속 질화물(들)에 부가하여 재료를 포함할 수 있다. 예로서, 절연 재료 성분은 부가적으로 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 질화물 또는 붕소 질화물 같은 질화물, 희토류 산화물(예로서, 이트리아) 또는 희토류 산질화물을 추가로 포함할 수 있다. 절연 성분의 양호한 추가 재료는 알루미늄 질화물(AlN)이다.
본 명세서에서 사용될 때, 반도체 세라믹(또는 "반도체")은 약 10과 108 ohm-cm의 실온 저항을 갖는 세라믹이다. 반도체 성분이 핫 영역 조성물의 약 45 v/o 보다 많이 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6-10 v/o의 범위일 때), 결과적인 조성물은 고전압 용례에 대하여 너무 전도성이 높아진다(절연체의 결여로 인해). 반대로, 반도체 재료가 약 10v/o 미만으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6-10v/o의 범위일 때), 결과적인 조성물은 너무 저항이 높아진다(너무 많은 절연체로 인해). 역시, 보다 높은 레벨의 전도체에서, 원하는 전압을 달성하기 위해, 보다 많은 저항성 절연체 및 반도체의 혼합물의 비율이 필요하다.
여기서 사용시, 전도성 재료는 약 10-2 ohms-cm 미만의 실온 저항을 갖는 것이다. 전도성 성분이 핫 영역 조성물의 35v/o 보다 많은 양으로 존재할 때, 결과 적인 핫 영역 조성물의 세라믹, 결과적인 세라믹은 전도성이 너무 높아진다. 통상적으로, 전도체는 몰리브덴 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드 및 티타늄 질화물 같은 질화물과 티타늄 카바이드 같은 카바이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 일반적으로, 몰리브덴 디실리사이드가 바람직하다.
일반적으로, 양호한 핫(저항성) 영역 조성물은 (a) 적어도 약 1010 ohm-cm의 저항을 갖는 약 50 내지 약 80v/o의 전기 절연 재료, (b) 약 10 내지 약 108 ohm-cm의 저항을 갖는 약 0(반도체 재료가 사용되지 않음) 내지 약 45v/o의 반도체 재료 및 (c) 약 10-2 ohm-cm 미만의 저항을 갖는 약 5 내지 약 35v/o의 금속 전도체를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 점화기는 핫(저항성) 영역과 전기 접속된 비교적 낮은 저항의 콜드 영역을 포함하며, 이는 점화기에 대한 와이어 리드의 부착을 허용한다. 양호한 콜드 존 영역은 예로서, AlN 및/또는 Al2O3 또는 기타 절연 재료와, SiC 또는 기타 반도체 재료와 MoSi2 또는 기타 전도성 재료로 구성된 것들을 포함한다. 그러나, 콜드 존 영역은 핫 영역 보다 현저히 높은 비율의 전도성 및 반도체 재료(예로서, SiC 및 MoSi2)를 포함한다. 양호한 콜드 존 조성물은 약 15 내지 65 v/o 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물 또는 기타 절연 재료와, 약 20-70v/o의 MoSi2 및 SiC 또는 약 1:1 내지 약 1:3의 제적 비율의 기타 전도성 및 반도체 재료를 포함한다. 제조의 용이성을 위해, 콜드 존 조성물은 핫 영역 조성물과 동일 한 재료로 형성되고, 반도체 및 전도체 재료의 상대적 양이 보다 커지는 것이 바람직하다.
비록, 본 발명의 특정 양호한 점화기가 상술한 바와 같이, 제 1 전도성 영역의 길이의 적어도 대부분과 접촉하는 세라믹 절연체 인슐러(insular)를 가지지 않지만, 적어도 특정 용례에서, 본 발명의 점화기는 비전도성(절연체 또는 히트 싱크) 영역을 포함하는 것이 적절할 수 있다.
사용시, 이런 히트 싱크 영역은 전도성 영역 또는 핫 영역 또는 양자 모두와 정합할 수 있다. 소결된 절연체 영역은 적어도 약 1014 ohms-cm의 실온 저항과, 동작 온도에서 적어도 104 ohms-cm의 저항을 가지고, 적어도 150MPa의 강도를 갖는 것이 바람직하다. 절연체 영역은 핫 영역 영역의 저항 보다 적어도 2배 큰 동작(점화) 온도를 갖는 것이 바람직하다. 적절한 절연체 조성물은 적어도 알루미늄 질화물, 알루미나 및 붕소 질화물 중 하나 이상을 약 90v/o 포함한다.
양호한 점화기 세라믹 재료는 하기의 실시예에 설명되어 있다.
본 발명의 점화기는 노 및 조리 기기, 베이스보드 히터, 보일러 및 스토브 탑 같은 가스성 연료 점화 용례를 포함하는 다수의 용례에 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 점화기는 스톱 탑 가스 버너 및 가스 노를 위한 점화 소스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 점화기는 또한, 액체 연료(예로서, 등유, 가솔린)가 차량의 사전 가열을 제공하기 위해, 예로서, 차량(예로서, 카) 가열기에서 증발 및 점화되는 경 우의 점화를 위해 사용하기에 특히 적합하다.
본 발명의 양호한 점화기는 글로우 플러그(glow plug)로 공지된 가열 요소와는 별개이다. 무엇보다도, 빈번히 사용되는 글로우 플러그는 종종 비교적 낮은 온도, 예로서, 약 800℃, 900℃ 또는 1000℃의 최대 온도로 가열하며, 그에 의해, 연료의 직접 점화를 제공하는 대신 소정 체적의 공기를 가열하는 반면, 본 발명의 양호한 점화기는 연료의 직접 점화를 제공하도록 적어도 약 1200℃, 1300℃ 또는 1400℃ 같은 보다 높은 최대 온도를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 양호한 점화기는 글로우 플러그 시스템에서 통상적으로 사용하는 바와 같이, 가스 연소실을 제공하기 위해 요소 주변에 또는 적어도 그 일부에 가스 밀봉 실링을 포함할 필요가 없다. 또한, 본 발명의 다수의 양호한 점화기는 비교적 높은 라인 전압, 예로서, 60 볼트 이상 또는 220, 230, 240 볼트를 포함하는 120 볼트 이상 같은 24볼트를 초과하는 라인 전압에서 유용한 반면, 글로우 플러그는 통상적으로 단지 12 내지 24 볼트의 전압만을 사용하는 것이 일반적이다.
하기의 비제한적 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이다. 여기에 언급된 모든 문헌은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있다.
제 1
실시예
: 점화기 제조
저항성 조성물(22체적% MoSi2 및 78체적% Al2O3)의 분말이 1-2wt%의 Y2O3, 2-3wt%의 폴리비닐알콜 및 0.3wt%의 글리세롤과 혼합되었다. 3,000psi에서의 건식 가압 및 30,000psi에서의 냉간 이소스태틱(isostatic) 가압에 의해 타일이 형성되 었다. 타일은 SiC 및 Al2O3 의 분말 베드를 갖는 흑연 도가니내에 장입되고, 8시간 동안 Ar 분위기에서 1850℃에서의 비가압(즉, 1기압 이상으로 상승되지 않음) 소결이 이어졌다. 소결 이후, 전기 저항은 실온에서 ~0.1 ohms-cm이고, 이는 1400℃에서 ~0.4 ohms-cm으로 증가되었다.
제 2
실시예
: 다른 점화기 제조
저항성 조성물(20체적% MoSi2 및 78체적% Al2O3)의 분말이 1-2wt%의 Y2O3 및 10-16wt%의 바인더(6-8wt% 식물성 쇼트닝, 2-4wt% 폴리스티렌 및 2-4wt% 폴리에틸렌)와 혼합되었다. 175 내지 200℃에서의 사출 성형에 의해 로드가 형성되었다. 로드는 n-프로필 브로미드내에서 솔벤트 바인더 분리되었으며, SiC 및Al2O3 의 분말 베드를 갖는 흑연 도가니내에 장입되고, N2 분위기에서 60시간 동안 300-500℃로 바인더 분리되었으며, 4시간까지 동안의 Ar 분위기에서의 1800℃로의 비가압(즉, 1 기압을 초과하여 상승되지 않음) 소결이 이어졌다. 소결 이후, 전기 저항은 실온에서 ~0.1 ohms-cm이 되는 것으로 측정되었으며, 1400℃에서, 이는 ~0.4 ohms-cm으로 증가되었다.
제 3
실시예
: 부가적인 점화기 제조
저항성 조성물(20체적% MoSi2, 5체적% SiC 및 75체적% Al2O3)의 분말이 2wt% Gd2O3, 2-3wt% 폴리비닐 알콜 및 0.3wt% 글리세롤과 혼합되었다. 3000psi에서의 건식 가압 및 30,000psi에서의 냉간 이소스태틱 가압에 의해 타일이 형성되었다. 타 일은 소결 베드내에서 흑연 도가니내에 장입되고, 4시간까지 동안 Ar 분위기에서 1750℃에서의 비가압(즉, 1기압 이상으로 상승되지 않음) 소결되었다. 소결 이후, 전기 저항은 실온에서 ~0.1 ohms-cm이 되는 것으로 측정되었고, 1400℃에서는 ~0.375 ohms-cm으로 증가한다.
본 발명을 그 특정 실시예를 참조로 상세히 설명하였다. 그러나, 본 기술의 숙련자는 본 내용을 참고로, 본 발명의 개념 및 범주내에서 변형 및 개선을 안출할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
Claims (16)
- 하나 이상의 소결 보조제 재료들을 포함하는 세라믹 조성물을 포함하는 세라믹 점화기 요소를 형성하는 단계, 및실질적으로 상승된 압력이 존재하지 않는 상태에서, 1400℃를 초과하는 온도에서 상기 요소를 소결하는 단계를 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 점화기 요소는 사출 성형에 의해 형성되는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 점화기 요소는 약 1600℃를 초과하는 온도에서 소결되는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 점화기 요소는 불활성 분위기에서 소결되는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소결 보조제 재료들은 하나 이상의 희토류 산화물을 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 소결 보조제 재료들은 이트리아(yttria)를 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 점화기 요소는 실리콘 카바이드(silicon carbide)를 포함하지 않는 조성물로 형성되는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 요소는 둘 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 요소는 셋 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
- 제 1 항의 방법에 의해 획득가능한 세라믹 점화기 요소.
- 제 10 항에 있어서,상기 요소는 둘 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 세라믹 점화기 요소.
- 제 10 항에 있어서,상기 점화기 요소는 상기 점화기 길이의 적어도 일부에 대하여 실질적으로 둥근 단면 형상을 갖는 세라믹 점화기 요소.
- 제 10 항에 있어서,상기 점화기 요소는 비원형 단면 형상을 갖는 세라믹 점화기 요소.
- 제 10항의 점화기를 가로질러 전기를 인가하는 단계를 포함하는 가스 연료 점화 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 전류는 6, 8, 10, 12, 24, 120, 220, 230 또는 240 볼트의 공칭 전압을 갖는 가스 연료 점화 방법.
- 제 10 항의 점화기를 포함하는 가열 장치.
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