KR100223580B1 - 덮개입힌 히터 및 이에 내장된 온도 자동조절형글로 플러그 - Google Patents

Abstract

이 발명은 절연 파우더에 의하여 열 저항기 및 전류 조절 저항기와 직렬로 연결되는 덮개입힌 튜브내에 배치되는 히터를 갖는 덮개입힌 히터에 관한 것이다. 상기 전류 조절 저항기는 1.0중량% 내지 14중량% 범위의 구리성분을 갖는 코발트-구리 합름으로 만들어진다.

Description

덮개입힌 히터 및 이에 내장된 온도 자동조절형 글로 플러그(glow plug)

제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 덮개입힌 히터의 길이방향 종단면도이다.

제 2 도는 온도 자동조절형 글로 플러그의 일부 종단면도이다.

제 3 도는 온도상승 특성을 나타내는 그래프이다.

제 4 도는 내구성 실험결과를 나타내는 그래프이다.

제 5 도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 덮개입힌 히터의 길이방향 종단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 덮개입힌 히터 2 : 히터

3 : 중앙전극 4 : 금속 셸(metal shell)

11 : 덮개입힌 튜브 12 : 폐쇄끝단

13 : 개방끝단 20 : 저가 저항기

21 : 열 저항기 22 : 전류 조절 저항기

23 : 용접 스폿 31 : 정면끝단

33,34 : 너트 41 : 절연 링

46 : 실린더부 48 : 플랜지

본 발명은 엔진의 시동을 돕기위하여 디젤 엔진과 같은 내연 엔진의 연소실내에 배치되는 덮개입힌 히터 및 온도 자동조절형 글로 플러그에 관한 것이다.

엔진이 빠르게 시동되면, 예열 시간주기를 가능한 한 짧게하는 것이 바람직하다. 이러한 빠른 시동을 위해, 과도한 양의 열의 발생으로 인하여 히터가 절연되는 것을 방지하는 한편, 다량의 전류가 글로 플러그에 제공되어 덮개입힌 히터의 외표면의 온도가 순간 상승하도록 하는 급속 가열형 글로 플러그가 제안되었다. 이러한 유형의 온도 자동조절 글로 플러그는 전류 조절 저항기와 직렬로 연결된 열 저항기를 갖는 2부재 히터로서 제공되며, 상기 전류 조절 저항기는 저항과 온도 사이의 관계에 대하여 보다 큰 양(+)의 온도계수 특성을 갖는다.

일반적으로, 온도 자동조절 글로 플러그는 내열성의 덮개입힌 튜브를 제공하는 덮개입힌 히터를 가지며, 상기 튜브의 정면 끝단은 폐쇄되어, 전류 조절 저항기와 직렬로 연결되는 열 저항기를 갖는 히터를 둘러싸며, 상기 열 저항기와 전류 조절 저항기는 각각 나선형이다. 절연 파우더, 즉 세라믹 파우더가 상기 덮개입힌 튜브내에 제공되어 덮개입힌 히터를 확실하게 지지한다. 상기 덮개입힌 히터는 권통형 금속 셸의 정면 끝단에 배치되어 그 길이치수를 앞쪽으로 연장시킨다. 일반적으로, 덮개입힌 히터의 열 저항기는 철-크롬 합금으로 만들어지고, 전류 조절 저항기는 니켈-도금된 철 또는 코발트-철 합금으로 만들어지며, 상기 각각의 저항기들은 높은 온도계수를 갖는다.

니켈- 도금된 철의 온도계수는 내산화성을 갖기에는 부족하며, 특히 그 온도계수는 온도가 700℃이상에 이르면 저하된다. 코발트-철 합금을 채택하는 경우, 코발트-철 합금은 고온상태에서도 큰 온도계수를 유지하기는 하지만 열 저항기에 대하여 강한 용접력을 갖기에는 부족하다.

따라서, 본 발명의 목적은 고온상태에서도 내산화성, 강한 용접력 및 온도계수에 있어서 우수한 전류 조절 저항기를 갖는 온도 자동조절형 글로 플러그 및 덮개입힌 히터를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 열 저항기와 전류 조절 저항기에 직렬로 연결되는 덮개 튜브내에 배치되는 히터와 상기 덮개튜브에 충전되어 상기 히터를 굳게 지지하는 절연 파우더 및 1.0중량% ∼ 14중량%의 구리성분을 포함하는 코발트-구리합금으로 된 전류 조절 저항기로 이루어진 덮개입힌 히터가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 내연 엔진의 실린더 헤드에 장착되는 수나사를 갖는 금속 셸의 정면 끝단에 덮개입힌 히터가 연결되는 온도 자동조절형 글로 플러그가 제공된다. 상기 열 저항기 및 전류 조절 저항기는 각각 나선형이며, 상기 저항기들은 서로 직렬로 연결되도록 용접된다. 열 전도를 제어하기 위하여 상기 열 저항기와 전류 조절 저항기 사이에 저가 저항기를 직렬 연결함으로써, 열 저항기의 온도가 순간 상승하여 엔진의 시동때 잔광기간(after-glow period)동안 약 800℃를 유지하는 것이 가능하다.

상기 전류 조절 저항기는 1.0중량% ∼ 14중량%의 구리성분을 포함하는 코발트-구리 합금으로 만들어지기 때문에, 우수한 내산화성 및 열 저항기로서 채택된 철-크롬 합금에 대하여 우수한 용접특성을 갖는다. 게다가, 900℃이상의 가혹 환경에서는 상온보다 거의 12배 더 높은 온도계수를 유지하면서, 반복되는 온-오프 작동에도 불구하고 절연 저항성을 갖는다.

1.0%의 구리성분을 추가하면 순 코발트의 밀집 육방 격자구조가 가공이 용이하도록 변형가능한 면심 입방 격자구조로 변화되므로 상기 전류 조절 저항기의 구리성분은 1.0중량%를 초과하도록 결정된다.

상기 전류 조절 저항기의 구리성분은, 그 액상 라인이 상기 온도 자동조절형 글로 플러그의 작동온도의 상한선을 만족스럼게 보상하도록 1400℃이상으로유지쇠므로 14중량%미만으로 결정된다.

본 발명의 상기 목적 및 실시예들은 도면을 참조로 하여 보다 상세하게 설명 된다.

제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 덮개입힌 히터(1)를 도시한다. 상기 덮개입힌 히터(1)는 스테인레스 스틸과 같은 내열 금속으로 된 덮개입힌 튜브(11)내에 배치된 히터(2)를 포함한다. 상기 덮개입힌 튜브(11)는 개방 후면 끝단(13) 및 반구형의 폐쇄 정면 끝단(12)을 갖는다. 상기 히터(2)를 확실하게 지지하기 위해, 상기 덮개입힌 튜브(11)내에 전기 절연 파우더, 즉, 세라믹 파우더(14)가 공급된다.

상기 덮개입힌 튜브(11)의 후면 끝단(13)을 통하여 중앙 전극(3)이 상기 덮개입힌 튜브(11)에 동축으로 삽입된다. 상기 히터(2)는 열 저항기(21) 및 전류조절 저항기(22)를 거쳐, 상기 중앙 전극(3)의 정면 끝단(31)을 상기 덮개입힌 튜브(11)의 정면 끝단(12)의 내벽에 전기적으로 연결시킨다. 상기 덮개입힌 튜브(11)의 개방 후면 끝단(13)은 액체 및 기름 성분과 같은 외부 물질의 유입을 방지하기 위해 실리콘을 주재로 하는 실(seal)(15)로 밀봉된다.

상기 열 저항기(21) 및 전류 조절 저항기(22)는 각각 나선형이며, 용접에 의하여 서로 직렬로 연결되어 히터(2)를 형성한다. 상기 열 저항기(21)는 철-크롬 합금으로 만들어지며, 그 정면 끝단은 상기 덮개입힌 튜브(11)의 정면 끝단(12)의 내벽에 아크 용접된다. 상기 열 저항기(21)의 후면 끝단은 참조부호(23)로 나타낸 바와같이 상기 전류 조절 저항기(22)의 정면 끝단에 아크 용접된다. 상기 전류 조절 저항기(22)는 코발트-구리 합금으로 되어 있으며, 그 정면 끝단은 상기 열 저항기(21)의 후면 끝단에 용접되고, 상기 전류 조절 저항기(22)의 후면 끝단은 상기 중앙 전극(3)의 정면 끝단(31)에 용접된다.

상기 전류 조절 저항기(22)는 1.0중량% ∼ 14중량% 범위의 구리 성분을 포함하는 코발트-구리 합금 와이어로 되어있다. 1.0중량%이상의 구리성분을 첨가함으로써, 육방형 격자구조의 순 코발트자 나선형 구조로 쉽게 변형될 수있는 면심 입방 격자구조로 변한다. 상기 저항기(22)가 14중량%의 구리성분을 포함하여 그 강도를 빠르게 약화시킬 수 있는 액상라인은 약 1400℃에 해당하며, 상기 액상라인은 구리성분이 감소함에 따라 증가된다. 상기 덮개입힌 히터 및 자동 조절형 글로 플러그의 작동온도가 1400℃이상의 상한선에 도달하는 한, 모든 작동조건은 충족된다.

상기 구리성분은 3.0중량% ∼ 12중량%의 범위가 바람직하다. 상기 전류 조절 저항기(22)에는 코발트-구리 합금 와이어가 이용되는데, 이는 철-크롬 합금 및 니켈-크롬 합금에 비해 우수하고 강한 용접특성을 유지하면서, 700℃이상의 고온상태에서도 그 온도계수가 더 높게 유지되기 때문이다. 코발트-철 합금과 비교해 볼 때, 코발트-구리 합금 와이어는 주기적인 가열-냉각 작동조건에서 내구성이 휠씬 더 우수하다.

제 2 도는 온도 자동조절 글로 플러그(A)를 도시하며, 상기 덮개입힌 히터(1)의 후면부는 납땜이나 프레스 끼워맞춤에 의하여 원통형 금속 셸(4)의 정면부(43)에 연결된다. 절연 링(41)은 상기 금속 셸(4)의 후면부(45)내로 삽입되어 중앙 전극(3)을 동축으로 지지한다. 상기 자동조절형 글로 플러그(A)는 키 스위치(K)를 통해 배터리 전지 또는 발전기(V)에 의해 전력을 얻는다. 접지 전극으로서 제공되는 상기 금속 셸(B)은 수나사(42)를 갖는 직경이 작은 정면부(43)를 가짐으로써 내연 엔진의 실린더 헤드에 상기 글로 플러그(A)를 장착시킬 수 있다. 또한, 상기 금속 셸(4)은 직경이 큰 후면부(45)를 가지며, 그 끝단에는 육각형의 후면부(44)를 갖는다.

상기 중앙 전극(3)은 직경이 작은 정면부(31) 및 외표면에 수나사를 갖는 직경이 큰 후면부(32)를 갖는다. 너트(33, 34)는 각각 상기 중앙 전극(3)의 후면부(32)에 나사결합된다. 상기 너트(33)는 절연 링(41)을 고정시키며, 다른 하나의 너트(34)는 와이어 장치(wire harness: 도시않됨)를 고정시킨다. 상기 절연 링(41)은 상기 금속 셸(4)의 육각형부(44)내로 끼워맞춰지는 실린더부(46)를 가지며, 동시에 상기 너트(33)와 상기 금속 셸(4)의 후면 끝단 표면(47) 사이에 확실하게 삽입되는 플랜지(48)를 갖는다.

제 3 도는 전력공급 시간주기(sec)와 온도상승(℃) 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 제 3 도의 그래프에서, 상기 자동조절형 글로 플러그(A)는 10중량%의 구리성분을 포함한다. 제 1 종래 글로플러그(B)는 전류 조절 저항기로서 Co-8Fe 합금 와이어를 채택한다. Co-8Fe 합금 와이어는 8중량%의 철과 92중량%의 코발트가 함유된 것을 의미한다.

제 2 종래 글로 플러그(C)는 전류 조절 저항기로서 니켈- 도금된 순철 와이어를 채택한다. 제 3 도에서 온도상승은 키 스위치(K)를 닫음으로써 각 글로 플러그에 전력이 각각 공급될때 상기 덮개입힌 튜브(11)의 작은 직경부(11a)의 외부온도를 나타낸다.

제 3 도로부터 명백한 바와같이, 상기 글로 플러그(A)는 800℃ 이상에서 급격한 저항증가를 나타내므로, 제 1 종래 글로 플러그(B)에서와 같이 우수한 온도 자동조절 기능을 갖는 것으로 밝혀졌다. 제 2 종래 글로 플러그(C)는 높은 온도계수 (900℃에서 약 11.5)를 나타냄에도 불구하고, 엔진의 부드러운 시동에 필수적인 온도인 800℃ 이상으로 온도 상승되는 데에 오랜 시간이 걸리므로 순간 온도상승 특성이 빈약하다.

제 4 도는 글로 플러그(A, B 및 C)의 절연저항 특성에 대한 실험 결과를 나타낸다. 각 글로 플러그(A, B 및 C)는 교대로 300초 동안 14볼트의 전력을 공급받으며 60초동안 전력공급이 차단되는 것이 주기적으초 반복되었다. 온-오프식 전력공급이 10,000주기를 초과하는 경우, 상기 글로 플러그(A)는 어떠한절연도 나타내지 않았다. 한편, 상기 글로 플러그(B)는 7,000주기에서 절연을나타내며, 상기 글로 플러그(C)는 2,000주기에서 절연을 나타내었다.

제 5 도는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 저가 저항기(20)가 열 저항기(21)와 전류 조절 저항기(22)사이에 연결되어 상기 저항기들(21, 22)이 서로 떨어져서 위치되도록 한다. 본 발명의 제 2 실시예에서, 상기 저가 저항기(20)는 용접 스폿(23)됨으로써 상기 저항기(20)의 주울열(Joule's heat)이 상기 전류 조절 저항기(22)까지 바로 방출되는 것을 방해한다.

상기 저가 저항기(20)의 전기 저항은 전류 조절 저항기(22)의 저항(약 0.17Ω)보다 작으며, 상기 전류 조절 저항기(22)는 일반적으로 열 저항기(21)의 저항(0.33Ω)의 반이다. 이것은 상기 전류 조절 저항기(22) 대 열 저항기(21)의 저항 비율이 대체로 1:2로 예정됨을 의미한다.

이러한 이유로, 상기 저가 저항기(20)의 저항을 약 0.10Ω으로 결정하는 것이 가능하다.

상기 저가 저항기(20)가 제공됨으로써, 상기 저항기(21)의 주울열로 인하여 상기 덮개입친 튜브(11) 외표면의 온도가 급속히 상승할 수 있으며, 따라서 잔광열의 발생을 줄이기 위해 전류 조절 기능을 지연시키도록 상기 전류 조절 저항기(22)의 온도상승을 지연시킴으로써, 상기 글로 플러그의 내구성을 향상시킬 수 있다. 예를들면, 상기 저가 저항기(20)는 나선형의 니켈 또는 니켈-크롬 합금 와이어로 만들어진다. 한편, 니켈 합금은 열 저항기(21) 및 전류 조절 저항기(22) 모두에 이용될 수 있어서 상기 저가 저항기(20)에 강하게 용접될 수 있다.

상기 글로 플러그를 사용하는 대신에, 상기 덮개입힌 히터(1)는 소량의 물을 즉각적으로 가열시키기 위해 화장실 세척기 및 세수용 물의 열원과 연결될 수도 있다.

또한, 상기 저항기(20, 21 및 22)들은 나선형 이외의 다른 모양으로도 적절하게 변형될 수 있다. 예를들면, 상기 저항기(20, 21 및 22)들은 나선형 또는 구불구불한 모양일 수 있다.

본 발명은 특정 실시예를 참조로 하여 설명되었으나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 상기 특정 실시예들에 대하여 다양한 수정 및 첨가를 할 수 있다.

Claims (9)

1. 덮개 튜브내에 배치되며, 열 저항기와 전류 조절 저항기 모두에 직렬로 연결되는 히터와, 상기 히터를 확실하게 지지하기 위하여 상기 덮개 튜브에 충전되는 절연 파우더와; 1.0중량%∼14중량% 범위의 구리 성분을 포함하는 코발트-구리 합금으로 된 상기 전류 조절 저항기;로 이루어지는 덮개입힌 히터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열 저항기 및 상기 전류 조절 저항기는 각각 나선형인 덮개입힌 히터.
3. 제 3 항에 있어서, 저가 저항기가 상기 열 저항기와 상기 전류 조절 저항기 사이에 연결되어, 제한된 시간주기로 전류 조절작용을 지연시키는 덮개 입힌 히터.
4. 제 5 항에 있어서, 상기 저가 저항기는 니켈로 만들어지는 덮개 입힌 히터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 조절 저항기는 약 0.17Ω의 전기저항을 가지며, 상기 열 저항기는 약 0.33Ω의 전기저항을 갖는 덮개입힌 히터.
6. 제 1 항에 의한 상기 덮개입힌 히터가 내연 엔진의 실린더 헤드에 장착되는 수나사를 갖는 금속 셸의 정면 끝단으로 내장되는 온도 자동조절형 글로 플러그.
7. 제 10 항에 있어서, 상기 열 저항기 및 상기 전류 조절 저항기는 각각 나선형인 온도 자동조절형 글로 플러그.
8. 제 11 항에 있어서, 저가 저항기가 상기 열 저항기와 상기 전류 조절 저항기 사이에 연결되고, 상기 저가 저항기의 전기저항은 상기 전류 조절 저항기의 전기저항보다 작은 온도 자동조절형 글로 플러그.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 저가 저항기는 니켈-크롬 합금으로 만들어지는 덮개입힌 히터.