KR100220637B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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KR100220637B1
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겐이치 니시가와
마코토 스기모토
Original Assignee
오카무라 가네오
니혼 도꾸슈 도교 가부시키가이샤
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/38—Selection of materials for insulation

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  • Spark Plugs (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

[과제]
중심축의 단자와 금속 셸 사이에서의 플래시 오버 전압의 저하를 방지하여 플래시 오버가 발생하지 않도록 한 스파크 플러그의 제공.
[해결수단]
외측전극(11)을 가지는 원통상의 금속 셸(1)과, 머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 표면이 유약(3)으로 피복되며 상기 금속 셸(1)내에 고정되는 절연애자(2)와, 상기 절연애자의 축구멍(20)내에 고정되는 중심전극(4)을 구비한 스파크 플러그(A)에 있어서, 유약(3)중의 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량

Description

스파크 플러그
제1도는 본 발명의 실시예에 관한 스파크 플러그의 부분단면도.
제2도는 가열된 상태에서 스파크 플러그의 절연저항을 측정하기 위한 시험장치를 나타낸 설명도.
제3도는 플래시 오버 시험을 나타낸 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
A : 스파크 플러그 1 : 금속 셸
2 : 절연애자 3 : 유약
4 : 중심전극 11 : 외측전극
20 : 축구멍 21 : 머리부
22 : 몸통부
[발명이 속하는 기술분야]
본 발명은 내연기관에 장착되는 스파크 플러그에 관한 것이다.
[종래의 기술]
종래에는 중심축의 단자(단자전극)와 금속 셸 사이의 플래시 오버(flash over)를 방지하기 위하여, 머리부에서 몸통부에 이르는 절연애자의 표면을 유약으로 피복하고 있다.
유약소성(glost firing)이 900 1100사이에서 실행되는 관계상, 유약중의 Pb함유량이 PbO환산으로 20중량이상(PbO가 유약소성온도의 저하에 기여한다)이 되는 조성의 유약슬러리를 사용하고 있다.
본 발명의 발명자들은 절연애자의 노출부분(플러그 캡이 덮여지지 않는 머리부 표면)에서 코로나 방전이 발생되면, 유약이 적색이나 적황색으로 변색되어 스파크 플러그의 플래시 오버 전압이 저하되는 것을 발견하였다.
본 발명자들은, 이러한 변색 및 플래스 오버 전압저하의 원인을 규명한 결과, 이하에 나타낸 이유를 밝혀냈다.
[발명이 해결하려고 하는 과제]
Pb함유량이 PbO환산으로 20중량 40중량인 유약을 절연애자의 표면에 피복한 스파크 플러그는, 통상의 주행상태(시내주행이나 고속도로주행)에서는 전혀 문제가 되지않지만, 오르막길 및 내리막길이 많은 특수한 도로조건하에서 장시간 주행하면, 주로 금속 셸의 코킹부 부근에서 절연체의 몸통부가 강전계가 되어 코로나 방전을 일으킨다. 코로나 방전의 에너지에 의하여, 유약중에 함유되는 Pb가 Pb3O4(적색)나 Pb2O3(적황색)로 변환되어 절연체의 절연저항이 급속히 저하된다.
이 결과, 중심축의 단자와 금속 셸 사이의 플래시 오버 전압이 저하되어 쉽게 플래시 오버가 발생하게 된다.
본 발명의 목적은, 종래의 스파크 플러그에 있어서의 상기 문제점들을 해소하고, 중심축의 단자와 금속 셸 사이에서의 플래시 오버 전압의 저하를 방지하여 플래시 오버가 발생하지 않도록 한 스파크 플러그를 제공하는데 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명에서는 상기한 과제를 해결하기 위하여 이하의 구성을 채용하였다.
(1) 머리부에서 몸통부에 이르는 절연애자의 표면을 유약으로 피복한 스파크 플러그에 있어서, 유약중에 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량이하로 하였다.
(2) 복수의 유약원료분말을 건식 혼합하고, 이 혼합분말을 고온에서 용해시킨 후 수중에서 급냉하여 유리화(vitrification)하고, 이것을 습식 분쇄하고 바인더를 첨가하여 제조한 유약슬러리를 머리부에서 몸통부에 이르는 절연애자의 표면에 도포하고, 유약소성온도로 소성하여 유약을 피복시킨 스파크 플러그에 있어서, 유약중의 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량이하로 하였다.
(3) 외측전극을 가지는 원통상의 금속 셸과, 머리부에서 몸통부에 이르는 표면이 유약으로 피복되며 상기 금속 셸내에 고정되는 절연애자와, 상기 절연애자의 축구멍내에 고정되는 중심전극을 구비하는 스파크 플러그에 있어서, 유약중의 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량이하로 하였다.
(4) 상기 (1)(3)의 구성을 가지며, 상기 유약은 B2O3-SiO2계 유리에 Al2O3, Na2O, CaO, ZnO, BaO, Li2O 및 Bi2O3산화물중 2종류 이상을 함유하는 유리재로 된다.
(5) 상기 (1)(3)의 구성을 가지며, 상기 유약은 49.164.5중량의 SiO2, 5.025.0중량의 B2O3, 010.1중량의 Al2O3, 07.4중량의 Na2O, 05.5중량의 CaO 및 010.2중량의 ZnO를 함유한다.
[작용 및 발명의 효과]
머리부에서 몸통부에 이르는 절연애자의 표면을 유약으로 피복한 스파크 플러그에 있어서, 유약중의 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량이하로 하기 때문에, 절연체 몸통부가 강전계가 되어 코로나 방전이 발생하여도, Pb의 도전성 물질인 Pb3O4나 Pb2O3로의 변화량을 제로(Pb함유량이 0인 경우) 또는 극히 적게 할 수 있다.
따라서, 중심축의 단자와 금속 셸 사이에서의 플래시 오버 전압의 저하가 발생하기 어렵게 되어 스파크 플러그의 실화를 방지할 수 있다.
[발명의 실시형태]
본 발명의 실시예를 제1도제3도에 의거하여 설명한다.
제1도에 나타낸 바와 같이, 스파크 플로그(A)는, 외측전극(11)을 선단면(12)에 돌출설치한 원통상의 금속 셸(1)과, 표면이 유약(3)으로 피복되며 상기 금속 셸(1)내에 고정되는 절연애자(2)와, 상기 절연애자(2)에 형성된 축구멍(20)내에 고정되는 중심전극(4)을 구비하며, 개스킷(10)을 개재하여 내연기관의 실린더 헤드(도시생략)에 장착된다.
금속 셸(1)은, 저탄소강으로 형성되며, 외측둘레에 나사(131)를 형성한 나사부(13)와, 선단측에 개스킷(10)이 부착되며 후단측에 박육부를 형성한 몸통부(14)와, 플러그 스패너를 끼워맞추기 위한 육각부(15)로 이루어져 있다. 또한, 16은 패킹, 17은 링이다.
대략 'L'자 형상을 이루는 외측전극(11)은 그 방전면(111)이 중심전극(4)의 선단면과 대향하도록 배치되어 있다.
절연애자(2)는, 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체로 형성되며, 외측둘레에 파형(corrugation)을 형성한 머리부(21)와, 금속 셸(1)의 육각부(15)와 몸통부(14)의 내측에 위치하는 몸통부(22)와, 나사부(13)의 내측에 위치하는 다리부(23)로 이루어져 있다.
유약(3)은, 유약중의 Pb함유량이 PbO환산으로 0중량 10중량로 설정되며, 절연애자(2)의 머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 애자표면 및 다리부(23)의 기단측(231)의 애자표면에 피복되어 있다.
중심전극(4)은, 심재{동(銅) 등의 열전도성이 좋은 금속}를 봉입한 니켈합금으로 형성되며, 선단부가 절연애자(2)의 선단면에서 돌출되도록 축구멍(20)내에 끼워지며, 후단부가 밀봉유리(seal glass)(도시생략)에 의하여 축구멍(20)내에서 밀봉되어 부착되어 있다. 그리고, 이 밀봉유리를 통하여 중심축(5)에 전기접속된다.
중심축(5)(단자전극)은, 저탄소강으로 형성되며, 밀봉부가 절연애자(2)의 축구멍(20)내에서 유리밀봉되며, 단자부(51)가 절연애자(2)의 머리부(21)의 단면에서 돌출된다. 이 단자부(51) 및 머리부(21)의 단면측에는 도시하지 않은 플러그 캡이 끼워맞춰진다.
이어서, 스파크 플러그(A)의 제조방법{유약(3)의 피복을 중심으로 하여}에 대하여 설명한다.
(1) B2O3-SiO2베이스 유리에, Al2O3, Na2O, CaO, ZnO, Li2O, Bi2O3, BaO 및 PbO로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 2종류 이상의 산화물을 소정비율로 배합하여 건식 혼합한다.
(2) 상기 혼합분말을 도가니에 넣고, 1400의 노(爐)에서 용해시킨다.
(3) 용해된 혼합물을 수중에서 급냉시키고, 이 결과 생성되는 고형물을 도가니에서 습식으로 분쇄하고, 이 분쇄된 분말에 유기 바인더를 약 2첨가하여 유약슬러리를 만든다.
(4) 상기 유약슬러리를 머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 애자표면 및 다리부(23)의 기단측(231)의 애자표면에 스프레이하여 피복한다.
(5) 도포된 유약에 해당하는 소성온도 (표 2 참조)로 절연애자(2)를 약 10분동안 소성하고, 육안에 의한 외관검사를 한다.
표 1은 각각의 유약소성온도로 소성된 절연애자(2)에 피복된 유약(3)을 성분 분석한 결과이다. 또한, 유약중의 Pb함유량이 PbO환산으로 10중량이하인 것은 No.1No.3 및 No.7No.10의 유약이다.
(6) 다리부(23)가 하측이 되도록 절연애자(2)를 고정한 상태에서, 중심전극(4)을 절연애자(2)의 머리부(21)측에서 축구멍(20)내로 끼워넣고, 유리밀봉용 도전성 분말유리 및 저항체 분말을 넣고, 중심축(5)을 절연애자(2)의 머리부(21)측에서 축구멍(20)내로 삽입한다.
(7) 절연애자(2)를 800에서 950로 가열하고(분말유리가 용융되도록), 중심축(5)의 단자부(51)를 압압하여 단자부(51)의 저면이 절연애자(2)의 머리부(21)의 단면에 맞닿게 한다.
(8) 절연애자(2)를 자연 냉각하여 용융상태의 유리를 응고시킴으로써 유리밀봉을 완료한다.
(9) 유리밀봉이 완료된 절연애자(2)를 금속 셸(1)내에 끼워넣고, 유각부(15)의 상측가장자리부(박육부)(18)를 코킹하여 절연애자(2)를 금속 셸(1)내에 부착함으로써 스파크 플러그(A)가 완성된다.
표 2는, 표 1의 각 유약으로 피복한 각 스파크 플러그에 대하여 유약소성직후의 외관색, 가열조건하의 절연저항치(이하, '가열절연저항치'라 한다), 엔진시험후의 외관색, 플래시 오버 전압 및 평가를 나타낸다.
표 2에 있어서, 가열절연저항치는 이하의 방법으로 측정하였다.
제2도에 나타낸 바와 같이, 500±10로 제어된 항온조(恒溫槽)내에 표 1의 각 유약을 피복한 스파크 플러그(A)를 매달아 놓고, 30분 경과후에 있어서의 단자부(51)와 금속 셸(1) 사이의 저항치를 DC-1000V를 인가하는 절연저항계로 측정하였다.
가열절연저항치는 유약(3)중의 알칼리성분(Na2O, Li2O 등)의 함유량이 증가함에 따라 저하되지만, 상기 가열절연저항치 측정실험에 의하여, 플래시 오버전압의 저하원인은 되지 않는 것이 판명되었다.
예를 들면, Na2O나 Li2O의 함유량이 비교적 많은 유약 No.1, No.2, No.7, No.8, No.10으로 각각 피복된 스파크 플러그(A)는, 가열절연저항치가 130 200으로 비교적 낮지만, 플래시 오버 전압은 35kV를 넘는다.
이에 대하여, Na2O의 함유량이 적은 유약 No.4, No.5로 각각 피복된 스파크 플러그(A)는, 가열절연저항치가 800이나 700으로 높지만, 후술하는 엔진시험후에는 가열절연저항치가 수십으로 저하되기 때문에, 플래시 오버 전압은 33kV나 30kV로 낮다.
표 2에 있어서의 엔진시험은 이하와 같이 하였다.
250cc 단기통 4사이를 엔진에 표 1에 열거된 각 유약을 피복한 스파크 플러그(A)를 장착하고, 6500rpm의 전개(全開)상태로 100Hr 연속운전하였다. 또한, 절연애자(2){머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 영역}의 온도는 100 150로 하였다.
Pb함유량이 PbO환산으로 10중량를 초과하는 No.4No.6의 유약으로 절연애자(2)의 머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 애자표면 및 다리부(23)의 기단측(231)의 애자표면을 피복한 스파크 플러그(A)는, 엔진시험중의 고전압인가에 의하여, 금속 셸(1)의 코킹부 부근에 위치한 절연애자(2)의 몸통부(22)가 강전계가 되어 코로나 방전이 빈번하게 발생하였다. 이 코로나 방전의 에너지에 의하여, 표 2에 나타낸 바와 같이, 유약(3)중에 함유된 Pb가 Pb3O4(적색)나 Pb2O3(적황색)로 변화(절연저항이 저하된다)하는 것이 확인되었다.
이 결과, 후술하는 바와 같이 중심축(5)의 단자(51)와 금속 셸(1) 사이의 플래시 오버 전압이 35kV 이하가 된다.
표 2에 있어서, 플래시 오버 전압은 이하에 나타낸 장치를 이용하여 플래시 오버 시험을 하여 측정하였다.
엔진시험을 한 각 스파크 플러그(A)를 제3도에 나타낸 구조의 시험장치(B)에 세트하고, 소정온도(150)에서 1Hr 유지한 후 20kV(초기치)의 직류 임펄스전압을 인가하고, 1분 경과할 때마다 1kV씩 전압치를 높여 가면서, 1분 동안에 3회 이상의 플래시 오버가 발생한 전압치를 플래시 오버 전압으로 하였다.
또한, 제3도에 있어서, 61은 직류 임펄스전원, 스파크 플러그의 대기를 150로 가열하기 위한 62는 가열코일, 63은 가열실, 64는 접지어스, 65는 단자고정구, 66은 수냉재킷이 설치된 챔버, 67은 절연오일(실리콘 오일), 68은 절연보호관이다.
실용상, 스파크 갭에 스파크를 유도하기 위한 고전압의 최대치는 35kV이다. 플래시 오버 전압이 35kV 이하이면, 스파크 갭에서 스파크되지 않고 실화될 가능성이 있기 때문에, 표 2의 합격판정에서 불합격(×)으로 하였다.
이어서, 본 발명의 이점에 대하여 설명한다.
(가) 유약중의 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량이하로 한 No.1No.3 및 No.7No.10의 유약으로 절연애자(2)의 머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 애자표면 및 다리부(23)의 기단측(231)의 애자표면을 피복한 스파크 플러그(A)는, 표 2에 나타낸 바와 같이, 모두 중심축(5)의 단자(51)와 금속 셸(1) 사이에서의 플래시 오버 전압이 35kV를 초과하는 것이 확인되었다.
No.1No.3 및 No.7No.10의 유약으로 피복된 스파크 플러그(A)는, 플래시 오버 전압의 저하억제가 향상되어, 플래시 오버에 기인하는 실화를 방지할 수 있다.
(나) 유약슬러리의 제조방법, 유약슬러리의 애자표면에 대한 도포방법 및 유약슬러리의 소성온도는, 대체적으로 종래와 같으므로 공구나 제조장치 등을 변경할 필요가 없다.
(다) 유약중의 Pb함유량을 PbO환산으로 10중량이하로 하게 되면 유약소성온도를 높일 필요가 있지만, SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, CaO, Li2O, Bi2O2, ZnO 및 BaO의 함유량을 조정함으로써 1150이하로 할 수 있으므로 악영향{절연애자(2)의 강도저하등}이 없다.
본 발명은, 상기 실시예 이외에 다음과 같은 실시형태를 포함한다.
a. 다리부(23)측에서의 플래시 오버를 방지하기 위하여, 상기 실시예에서는 다리부(23)의 기단측(231)의 애자표면에 유약(3)을 피복하였으나, 머리부(21)에서 몸통부(22)에 이르는 애자표면만을 유약(3)으로 피복하여도 된다.
또한, 유약(3)을 다리부(23)의 기단측(231)에 피복함으로써 금속 셸(1)의 단부에 설치한 패킹(16)과의 접촉을 좋게 하여 기밀성을 향상시킬 수 있다.
b. 유약중의 Pb함유량이 PbO환산으로 10중량이하이고 또한 유약소성온도가 적당(1150이하)하다면, 표 1의 유리재에 NaF, AlF3등의 플루오르화물을 혼합한 것이어도 된다.

Claims (20)

  1. 외측전극을 가지는 원통상의 금속셸과; 머리부에서 몸통부에 이르는 표면이 유약으로 피복되며 상기 금속셸 내에 고정되는 절연애자; 및 상기 절연애자의 축구멍내에 고정되는 중심전극을 구비하는 스파크 플러그에 있어서, 상기 유약의 Pb 함유량은 PbO 환산으로 10중량이하이며, 상기 유약은 49.164.5중량의 SiO2, 5.015.0중량의 B2O3, 010.1 중량의 Al2O3, 07.4중량의 Na2O, 05.5중량의 CaO 및 010.2중량의 ZnO을 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유약은 1150이하의 유약 온도에서 가열되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유약은 또한 상기 절여내자의 다리부의 기단측 표면에 피복되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스파크 플러그의 플래시 오버 전압은 최소한 35kV인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 외측전극을 가지는 원통상의 금속셸과; 머리부에서 몸통부에 이르는 표면이 유약으로 피복되며 상기 금속셸 내에 고정되는 절연애자; 및 상기 절연애자의 축구멍내에 고정되는 중심전극을 구비하는 스파크 플러그에 있어서, 상기 유약의 Pb 함유량은 PbO 환산으로 10중량이하이며, 상기 유약은 49.164.5중량의 SiO2, 5.015.0중량의 B2O3, 10.555.9 총중량의 Al2O3, Na2O, CaO, ZnO, BaO, Li2O 및 Bi2O3산화물 중 2종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유약은 또한 상기 절연애자의 다리부의 기단측 표면에 피복되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유약은 1150이하의 유약 온도에서 가열되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  8. 제5항에 있어서, 상기 스파크 플러그의 플래시 오버 전압은 최소한 35kV인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  9. 외측전극을 가지는 원통상의 금속셸과; 머리부에서 몸통부에 이르는 표면이 유약으로 피복되며 상기 금속 셸 내에 고정되는 절연애자; 및 상기 절연애자의 축구멍내에 고정되는 중심전극을 구비하는 스파크 플러그에 있어서, 상기 유약의 Pb 함유량은 PbO 환산으로 10중량이하이며, 상기 유약은 55.064.5중량의 SiO2, 5.025.0중량의 B2O3, 10.555.9 총중량의 Al2O3, Na2O, CaO, ZnO, BaO, Li2O 및 Bi2O3산화물 중 2종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유약은 또한 상기 절연애자의 다리부의 기단측 표면에 피복되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  11. 제9항에 있어서, 상기 유약은 1150이하의 유약 온도에서 가열되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  12. 제9항에 있어서, 상기 스파크 플러그의 플래시 오버 전압은 최소한 35kV인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  13. 외측전극을 가지는 원통상의 금속셸과; 머리부에서 몸통부에 이르는 표면이 유약으로 피복되며 상기 금속셸 내에 고정되는 절연애자; 및 상기 절연애자의 축구멍내에 고정되는 중심전극을 구비하는 스파크 플러그에 있어서, 상기 유약의 Pb 함유량은 PbO 환산으로 10중량이하이며, 상기 유약은 55.064.5중량의 SiO2, 5.025.0중량의 B2O3, 010.1중량의 Al2O3, 07.4중량의 Na2O, 05.5중량의 CaO 및 010.2중량의 ZnO을 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  14. 제13항에 있어서, 상기 유약은 또한 상기 절연애자의 다리부의 기단측 표면에 피복되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  15. 제13항에 있어서, 상기 유약은 1150이하의 유약 온도에서 가열되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  16. 제13항에 있어서, 상기 스파크 플러그의 플래시 오버 전압은 최소한 35kV인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  17. 외측전극을 가지는 원통상의 금속셸과; 머리부에서 몸통부에 이르는 표면이 유약으로 피복되며 상기 금속셸 내에 고정되는 절연애자; 및 상기 절연애자의 축구멍내에 고정되는 중심전극을 구비하는 스파크 플러그에 있어서, 상기 유약의 Pb 함유량은 PbO환산으로 10중량이하이며, 상기 유약은 9.164.5중량의 SiO2, 5.025.0중량의 B2O3, 06.0중량의 Al2O3, 07.4중량의 Na2O, 05.5중량의 CaO 및 010.2중량의 ZnO을 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  18. 제17항에 있어서, 상기 유약은 또한 상기 절연애자의 다리부의 기단측 표면에 피복되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  19. 제17항에 있어서, 상기 유약은 1150이하의 유약 온도에서 가열되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  20. 제17항에 있어서, 상기 스파크 플러그의 플래시 오버 전압은 최소한 35kV인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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