KR100433612B1 - 세라믹 점화기, 이의 이용방법 및 제조방법 - Google Patents

세라믹 점화기, 이의 이용방법 및 제조방법 Download PDF

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KR100433612B1
KR100433612B1 KR10-2002-7009429A KR20027009429A KR100433612B1 KR 100433612 B1 KR100433612 B1 KR 100433612B1 KR 20027009429 A KR20027009429 A KR 20027009429A KR 100433612 B1 KR100433612 B1 KR 100433612B1
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윌킨스크레이그에이.
올젠제임스엠.
하멜스코트엠.
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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/22—Details

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Abstract

본 발명에 의해 삽입된 고온 영역을 갖는, 2개의 저온 영역, 전기적 경로 길이가 0.51cm 내지 약 2cm인 고온 영역을 포함하는 세라믹 점화기가 제공된다. 본 발명의 점화기에 의해 점화기의 조기 열화 및 고장을 야기할 수 있는 고립된 온도 구배를 생성하지 않으면서, 점화기의 고온 영역을 통해 전력 밀도를 효과적으로 분산시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 세라믹 점화기의 신규한 형성방법을 제공된다.

Description

세라믹 점화기, 이의 이용방법 및 제조방법{Ceramic igniters and methods for using and producing same}
1. 발명의 분야
본 발명은 세라믹 점화기 및 당해 점화기의 개량된 제조방법에 관한 것이다.
2. 배경
세라믹 물질은 기체 연소로, 스토브, 의류 건조기 및 기체상 연료의 점화에 요구되는 기타 장치에 있어서 점화기로서 대단히 성공적으로 이용되어져 왔다. 세라믹 점화기 제조에 있어서, 리드선(wire lead)에 의해 전력이 공급되는 경우 저항성이 크며, 온도가 상승되는 부분인, 세라믹 성분에 의한 전기 회로를 조립해야 한다.
하나의 통상적인 점화기로서, 노튼 이그나이터 프로덕츠(Norton Igniter Products)(미국, 뉴 햄프셔주 밀포드 소재)에서 시판되는 미니-이그니터TM(Mini-IgniterTM)는 120볼트 적용을 통한 12볼트용으로 고안되었으며, 알루미늄 니트라이드("AIN"), 몰리브데늄 디실리사이드("MoSi2") 및 규소 카바이드("SiC")를 포함하는 조성물을 갖는다.
미국 특허 제5,786,565호("565 특허")(Willkens et al.)에는 (a)각각의 부분이 제1 말단을 갖는, 한 쌍의 전기 전도성 부분, (b)전기 전도성 부분의 각각의 제1 말단에 전기적으로 연결되어 있으며, 그 사이에 배치된 저항성 고온 영역으로서, 0.5㎝ 미만의 전기적 경로 길이(electrical path length)를 갖는 고온 영역, 및 (c)고온 영역과 접촉되는 전기 비전도성 히트 싱크(heat sink) 물질을 포함하는 매우 유용한 세라믹 점화기가 기재되어 있다.
세라믹 점화기 시스템에는 고속(실온에서 설정 온도까지의 짧은 가열 시간 및 교체없이 연장된 기간동안 작동할 수 있는 충분한 견고성과 같은 다양한 성능 특성이 요구된다. 그러나, 수 많은 통상적인 점화기는 이러한 요구조건을 만족시키지 못한다. 따라서, 신규한 세라믹 점화기 시스템을 개발하는 것이 바람직할 것이다.
발명의 요약
본 발명자들은 장기간의 작동 수명을 포함하는, 뛰어난 성능 특성을 나타낼 수 있는 신규하고 매우 유용한 세라믹 점화기를 개발하였다.
놀랍게도, 상술한 '565 특허에 기재된 세라믹 점화기는 종종 점화기의 고온 영역내에서의 "번아웃(burnout)"으로 인해 작동되지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 상술한 바와 같이, '565 특허에는 0.5cm 미만의 상대적으로 짧은 고온 영역의 전기적 경로 길이를 갖는 점화기가 기재되어 있다. 이론에 의해 한정하지 않는다면, 이러한 점화기의 작동 중, 높은 선 전압에서 발생되는 전력 밀도에 의해 높은 온도구배가 발생되는 것으로 생각된다. 이러한 높은 온도 구배에 의해 점화기의 고온 영역의 편재된 영역의 산화가 가속화되며, 이에 의해 장치가 조기에 고장날 수 있는 것으로 생각된다.
반대로, 본 발명의 점화기는 고온 영역을 통해 보다 확산된 전력 밀도를 제공하며, 이에 의해 팁 히팅(tip heating)을 제공하면서, 고립된 고온 영역내에서 바람직하지 않은 온도 구배를 방지할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 하나의 양태에서, 각각의 부분이 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(a)과 당해 전기 전도성 부분의 각각의 제1 말단에 전기적으로 연결되어 있으며 당해 제1 말단들 사이에 배치되어 있는 저항성 고온 영역으로서, 전기적 경로 길이가 0.51 내지 2cm인 저항성 고온 영역(b)을 포함하는 세라믹 점화기가 제공된다.
본 발명의 바람직한 점화기는 0.6cm 내지 1.5cm, 보다 바람직하게는 0.6cm 내지 약 1.2cm, 보다 더욱 바람직하게는 약 0.7cm 내지 0.9cm의 고온 영역의 전기적 경로 길이를 갖는다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "전기적 경로 길이"는 전기 포텐셜이 점화기의 전기 전도성 말단에 적용되는 경우 점화기의 고온 영역을 통한 전류에 의해 제공되는 가장 짧은 경로의 길이를 지칭한다.
이러한 고온 영역의 길이에 의해 점화기의 열화 및 고장을 촉진시킬 수 있는 고립된 온도 구배를 생성시키기 않으면서, 고온 영역을 통해 전력 밀도를 효과적으로 확산시킬 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 전기적 경로 길이 한계(약 2cm 이하)에 의해 시스템으로 과도한 전력을 공급할 필요 없이, 효과적으로 가열하여, 단시간에 점화 온도를 생성시킬 수 있다.
또한, 본 발명자들은 바람직하게는 고온 영역은 예를 들면, U자형과 같은 비선형 형태를 가지며, 이에 의해 고온 영역은 단전되지 않고 상부 점화기 폭을 가로지른 다음, 점화기 길이의 각각의 면을 따라 연장된다는 사실을 밝혀내었다. 이러한 비선형 형태에 의해 직선형 고온 영역을 갖는 비교될 만한 시스템에 비해, 고온 영역내의 전력 밀도를 보다 효과적으로 확산시키거나 저하시킬 수 있는 것으로 생각된다.
또한, 본 발명의 점화기는 고온 영역과 접촉하고 있는 전기 비전도성 부분(히트 싱크)을 갖는다. 특히, 전기 비전도성 부분은 바람직하게는 전기 전도성 부분 사이에 끼워지거나 삽입되어 있고, 고온 영역과 접촉되어 있다.
또한, 본 발명자들은 고온 영역의 브릿지 높이(직사각형 점화기의 고온 영역의 폭, 아래에 추가로 논의함)는 바람직하게는 약 0.05cm 이상, 보다 바람직하게는 약 0.06cm 이상인 것이 바람직하다는 사실을 발견하였다. 0.05cm 내지 0.4cm의 고온 영역 브릿지 높이가 일반적으로 바람직하며, 0.06cm 내지 약 0.3cm의 고온 영역 브릿지 높이가 보다 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명의 점화기의 고온 영역은 전도성 물질 및 절연 물질을 함유하는 소결된 조성물을 함유하며, 통상적으로는 반도체 물질을 추가로 함유한다. 본 발명의 점화기의 전도성 영역 부분 또는 저온 영역 부분은 전도성 물질의 농도가 상대적으로 높은 유사한 성분의 소결된 조성물을 함유한다.
본 발명의 점화기는 6볼트, 8볼트, 12볼트, 24볼트 및 120볼트의 공칭 전압을 포함하는, 폭 넓은 전압에 걸쳐 적합하게 작동될 수 있다.
단일 강편(billet) 물질로부터 다수의 점화기를 제조함을 포함하는 본 발명의 점화기의 신규한 제조방법이 추가로 제공되는데, 이에 의해 점화기를 매우 효과적으로 제조할 수 있다. 본 발명의 세라믹 점화기의 바람직한 제조방법은 다수의 부착된 점화기 성분을 포함하는 전기 전도성 세라믹 바디(body)를 제공하는 단계(a), 각각의 성분 속에 전기 비전도성 물질을 삽입하는 단계(b), 및 다수의 점화기 성분을 치밀화(densifying)시키는 단계(c)를 포함한다.
본 발명의 기타 양태를 아래에 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 점화기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 점화기 제조방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 하기 실시예 1의 결과를 나타낸 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 2개의 저온 영역 및 하나의 고온 영역을 포함하는 소결된 세라믹 점화기 성분이 제공되는데, 여기서, 고온 영역은 0.51cm 내지 약 2cm의 전기적 경로 길이를 갖는다. 보다 통상적으로는, 전기적 경로 길이는 예를 들면, 약 0.6cm, 0.7cm 또는 0.8cm와 같이, 0.51cm보다 다소 길 수 있다.
도 1은 저온 영역(14a 및 14b)과 접촉되어 있으며, 그 사이에 배열된 고온영역 부분(12)을 포함하는 본 발명의 바람직한 점화기(10)를 도시한 것이다. 히트 싱크(16)는 이러한 저온 영역(14a 및 14b) 사이에 삽입되어 있으며, 고온 영역(12)과 접촉되어 있다. 고온 영역(12)의 원위 말단에 있는 저온 영역 말단(14a' 및 14b')은 통상적으로는 특정한 유형의 리드 프레임 마운팅(lead frame mounting)을 사용한 전력 공급원에 전기적으로 연결된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 고온 영역(12)은 점화기의 각 면의 길이로 연장되는 비선형인, 사실상 U자형인 전기적 경로 길이("c")(최소 경로를 강조하기 위해 점선으로 표시되어 있음)를 갖는다. 상술한 바와 같이, 이러한 비선형의 고온 영역 형태에 의해 전력 밀도가 고온 영역을 통해 보다 효과적으로 확산되며, 점화기의 작동 수명이 향상되는 것으로 생각된다.
전체 고온 영역의 전기적 경로 길이가 본원에 기재된 범위 이내인 경우라면, 고온 영역의 치수는 적합하게 변할 수 있다. 도 1에 나타낸 일반적으로 직사각형인 점화기 구조에서, 저온 영역 사이의 고온 영역의 폭(도 1에 거리 "a"로 나타냄)은 전기 부족 또는 기타 결점을 방지하는데 충분한 것이 바람직하다. 바람직한 시스템에서, 본 거리 a는 0.5cm이다.
또한, 고온 영역 브릿지 높이(도 1에서 거리 "b"로 나타냄)는 상술한 바와 같은 점화기의 훼손 및 고장을 일으킬 수 있는 과도한 편재된 가열과 같은 점화기의 결점을 방지하기에 충분한 치수이어야 한다. 상술한 바와 같이, 고온 영역 브릿지 높이는 바람직하게는 약 0.05cm 이상, 보다 바람직하게는 약 0.06cm 이상이다. 고온 영역 브릿지 높이는 0.05cm 내지 0.4cm인 것이 일반적으로 바람직하며,0.06cm 내지 약 0.3cm의 고온 영역 브릿지 높이가 보다 바람직하며, 0.06 내지 0.035 및 0.040cm의 고온 영역 브릿지 높이가 특히 적합하다. 고온 영역 브릿지 높이가 0.035 내지 0.040cm인 것이 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다. 본원에서 사용된 용어 "고온 영역 브릿지 높이"는 도 1에 나타낸 치수(b)를 예로 든 것과 같이, 일반적으로 직사각형인 점화기의 길이 또는 장축 치수에 평행하게 팽창된 고온 영역의 치수를 의미하는 것으로 이해해야 한다.
점화기의 길이로 연장되는 고온 영역 "레그(leg)"는 전체 고온 영역 전기적 경로 길이를 약 2cm내로 유지시킬 수 있는 크기로 한정된다.
고온 영역(12), 저온 영역(14a 및 14b), 및 히트 싱크 전기 비전도성 영역(16)의 조성물 성분은 적합하게 변할 수 있다. 이러한 영역용으로 적합한 조성물은 본원에 참조문헌으로 인용되는 미국 특허 제5,786,565(Willkens et al.) 뿐만 아니라 미국 특허 제5,191,508호(Axelson et al.)에 기재되어 있다.
보다 특정하게는, 고온 영역은 약 0.01ohm-cm 내지 약 3.0ohm-cm의 고온(즉, 1350℃) 저항률 및 약 0.01ohm-cm 내지 약 3ohm-cm의 실온 저항률을 갖는다. 바람직한 고온 영역 조성물은 절연 물질, 금속성 전도체 및 바람직하게는 추가로 반도체 물질을 함유하는 소결된 조성물을 함유한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 절연 물질은 약 1010ohm-cm 이상의 실온 저항률을 갖는 물질을 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 금속성 전도체 또는 전도성 물질은 약 10-2ohm-cm 미만의 실온 저항률을 갖는 물질을 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 반도체성세라믹(또는 "반도체")은 약 10 내지 108ohm-cm의 실온 저항률을 갖는 세라믹이다.
일반적으로, 바람직한 고온 영역 조성물은 (a) 약 1010ohm-cm 이상의 저항률을 갖는 절연 물질 약 50 내지 약 80용적%(용적% 또는 v/o), (b) 약 10 내지 약 108ohm-cm의 저항률을 갖는 반도체 물질 약 5 내지 약 45v/o, 및 (c) 약 10-2ohm-cm 미만의 저항률을 갖는 금속성 전도체 약 5 내지 약 25v/o를 포함한다. 바람직하게는, 고온 영역은 50 내지 70v/o의 절연성 세라믹, 10 내지 45v/o의 반도체성 세라믹, 및 6 내지 16v/o의 전도성 물질을 포함한다. 특정한 바람직한 양태에서, 전도성 물질은 MoSi2이며, 바람직하게는 고온 영역 조성물의 총 성분 기준으로 하여 약 9 내지 15용적%, 보다 바람직하게는 고온 영역 조성물의 총 성분 기준으로 하여 약 9 내지 13용적%의 양으로 존재한다. 볼트 점화기(24)에 있어서, 특히 바람직한 몰리브데늄 디실리사이드의 농도는 고온 영역 조성물의 총 성분 기준으로 하여 약 9.2 내지 9.5용적%이다.
고온 영역 조성물의 적합한 절연 물질 성분으로는 하나 이상의 금속 옥사이드(예: 알루미늄 옥사이드), 니트라이드(예: 알루미늄 니트라이드, 규소 니트라이드 또는 붕소 니트라이드), 희토류 옥사이드(예: 이트리아), 또는 희토류 옥시니트라이드가 포함된다. 일반적으로 알루미늄 니트라이드(AIN) 및 알루미늄 옥사이드(Al2O3)가 바람직하다.
통상적으로, 금속성 전도체는 몰리브데늄 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드, 및 니트라이드(예: 티탄 니트라이드) 및 카바이드(예: 티탄 카바이드)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 몰리브데늄 디실리사이드가 일반적으로 바람직하다.
일반적으로 바람직한 반도체 물질은 카바이드, 특히 규소 카바이드(도핑된 것 및 도핑하지 않은 것), 및 붕소 카바이드를 포함한다. 일반적으로 규소 카바이드가 바람직하다.
본 발명의 특히 바람직한 고온 영역 조성물은 알루미늄 옥사이드 및/또는 알루미늄 니트라이드, 몰리브데늄 디실리사이드 및 실리콘 카바이드를 함유한다. 상술한 바와 같이, 특정 양태에서, 몰리브데늄 디실리사이드는 9 내지 12용적%의 양으로 존재한다. 볼트 점화기(24)에 있어서, 특히 바람직한 몰리브데늄 디실리사이드 농도는 고온 영역 조성물의 총 성분 기준으로 하여 약 9.2 내지 9.5용적%이다.
상술한 바와 같이, 통상적으로 본 발명의 점화기는 점화기에 리드선의 부착을 가능케 하는 고온 영역과 전기적으로 연결된 하나 이상의 낮은 저항률의 저온 영역을 함유한다. 통상적으로, 고온 영역 조성물은 2개의 저온 영역 사이에 배치된다. 바람직하게는, 이러한 저온 영역은 예를 들면, AIN 및/또는 Al2O3, 또는 기타 절연 물질, SiC 또는 기타 반도체 물질, 및 MoSi2또는 기타 전도성 물질로 이루어진다. 그러나, 저온 영역은 고온 영역에 비해 상당히 더 높은 비율의 전기 전도성 및 반도체성 물질(예: SiC 및 MoSi2)을 갖는다. 따라서, 통상적으로 저온 영역의 저항률은 단지 고온 영역 조성물의 약 1/5 내지 1/1000이며, 고온 영역 수준의 온도까지 상승되지 않는다. 저온 영역의 실온 저항률은 고온 영역의 실온 저항률의 5 내지 20%이다.
본 발명의 점화기에 사용하기에 바람직한 저온 영역 조성물은 약 15 내지 65v/o의 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 니트라이드 또는 기타 절연체 물질, 및 약 20 내지 70v/o의 MoSi2및 SiC 또는 기타 전도성 물질 및 반도체성 물질을 약 1:1 내지 약 1:3의 용적비로 포함한다. 보다 바람직하게는, 저온 영역은 약 15 내지 50v/o의 AIN 및/또는 Al2O3, 15 내지 30v/o의 SiC 및 30 내지 70v/o의 MoSi2를 포함한다. 용이한 제조를 위해서, 바람직하게는 저온 영역 조성물은 고온 영역 조성물과 동일한 물질로 이루어지는데, 반도체성 물질 및 전도성 물질의 상대적인 양이 보다 많다.
전기 절연성 히트 싱크(heat sink)(16)는 고온 영역의 대류적 냉각을 완화시키기에 충분한 열량을 제공하는 조성물로 이루어져야만 한다. 또한, 도 1에 나타낸 시스템으로 예시한 바와 같이 2개의 전기 전도성 레그 사이의 삽입물로서 배치되는 경우, 삽입물(16)에 의해 연장된 저온 영역 부분(14a 및 14b)에 기계적 지지가 제공되어, 점화기가 보다 견고해진다. 몇몇 양태에서, 시스템의 중량을 저하시키기 위해 슬롯을 갖는 삽입물(16)을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 전기 절연성 히트 싱크는 약 104ohm-cm 이상의 실온 저항률 및 약 150MPa 이상의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게는, 히트 싱크 물질은 전체 히트 싱크를 가열하고, 열이 리드선에 전달될 정도로 높지 않으며, 유익한 히트 싱크 기능이 없어질 정도로 낮지 않은 열 전도율을 갖는다. 적합한 히트 싱크용 세라믹 조성물은 알루미늄 니트라이드, 붕소 니트라이드, 규소 니트라이드 알루미나 및 이의 혼합물 중 하나 이상을 약 90용적% 이상 함유하는 조성물을 포함한다. AIN-MoSi2-SiC의 고온 영역 조성물이 사용되는 경우, 적합한 열 팽창 및 치밀화 특성에 있어서 90용적% 이상의 알루미늄 니트라이드 및 10용적% 이하의 알루미나를 포함하는 히트 싱크 물질이 바람직할 수 있다. 바람직한 히트 싱크 조성물은 본원에 참조문헌으로 인용된, 공계류중인 미국 특허원 제09/217,793호에 기재되어 있다.
본 발명의 세라믹 점화기는 6볼트, 8볼트, 12볼트, 24볼트 및 120볼트의 공칭 전압을 포함하는 다양한 전압에 사용될 수 있다. 본 발명의 점화기에 의해 실온에서 작동 온도(예: 약 1350℃)까지 약 4초 미만, 심지어 3초 미만 또는 2.75 또는 2.5초 미만과 같이 신속하게 가열할 수 있다.
또한, 본 발명의 점화기에 의해 고온 영역의 cm2당 60 내지 200watt의 고온 영역 전력 밀도(표면 부하)를 갖는 안정한 점화 온도가 제공될 수 있다. 바람직한 전력 밀도는 70 내지 180watt/cm2이며, 보다 바람직하게는 약 75 내지 150watt/cm2이다.
세라믹 성분의 가공[즉, 미가공 바디(green body) 가공 및 소결 조건] 및 치밀화된 세라믹으로부터의 점화기의 제조는 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. 통상적으로, 이러한 방법은 미국 특허 제5,786,565(Willkens et al.) 및 미국 특허 제5,191,508호(Axelson et al.)에 기재된 방법에 따라 수행된다.
바람직하게는, 점화기는 본 발명의 방법에 따라 제조된다. 이러한 방법은일반적으로 단일 시트 물질(강편)로부터 다수의 점화기(예: 5개 이상의 점화기, 보다 통상적으로는 10 내지 20개의 점화기, 보다 더욱 통상적으로는 약 50, 60, 70, 80, 90 또는 100개 이상의 점화기)의 동시 제조를 포함한다. 보다 통상적으로는, 약 100 또는 200개 이하의 점화기가 실질적으로 동시에 적합하게 제조된다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 바람직한 점화기 제조방법에 있어서, 다수의 부착된 또는 물리적으로 접착된 "잠재적인" 점화기 성분을 포함하는 강편 시트가 제공된다. 강편 시트는 미가공 상태(green state)(이론적 밀도의 약 96% 또는 98% 이상으로 치밀화시키지 않은 상태)에 있지만, 바람직하게는 이론적 밀도의 약 40% 또는 50% 이상 및 적합하게는 이론적 밀도의 90 또는 95% 이하, 보다 바람직하게는 이론적 밀도의 약 60 내지 70% 이하로 소결시킨 고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물을 갖는다. 이러한 부분 치밀화는 가온 프레스 처리(예: 3000psi의 압력 및 아르곤 대기하에서 1300℃와 같은 1500℃ 미만으로 약 1시간 동안 처리하는 것)에 의해 적합하게 성취된다. 강편이 이론 밀도의 75 또는 80% 이상 치밀화된 고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물인 경우, 강편을 그 다음 공정 단계에서 절단하기가 곤란해진다는 사실이 밝혀졌다. 또한, 고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물이 약 50% 미만으로 치밀화되는 경우, 조성물은 종종 후속적인 가공중에 열화된다. 고온 영역 부분은 강편의 두꺼운 부분을 가로질러 연장하며, 나머지는 저온 영역이 된다.
강편은 비교적 폭 넓은 다양한 형태와 치수를 가질 수 있다. 바람직하게는, 강편은 적합하게는 실질적으로 정사각형(예: 9인치 ×9인치의 정사각형)이거나, 다른 적합한 치수 또는 형태(예: 직사각형 등)일 수 있다. 그 다음, 강편은 바람직하게는 다이아몬드 절단 기구를 사용하여 조각들로 절단된다. 바람직하게는 이런 조각들은 사실상 동일한 치수를 갖는다. 예를 들면, 9인치 ×9인치의 강편에 있어서, 바람직하게는 강편은 1/3로 절단되어, 생성된 각각의 부분은 9인치 ×3인치가 된다.
그 다음, 강편을 추가로 절단하여 개별적인 점화기를 제공한다. 첫번째 절단 부분은 강편을 통한 것이므로, 하나의 점화기 성분과 인접한 성분이 물리적으로 분리된다. 교대 절단 부분은 강편 물질의 길이를 통하지 않으므로, 절연 영역(히트 싱크)을 각각의 점화기에 삽입할 수 있다. 각각의 절단 부분(절단에 의한 부분 및 절단에 의하지 않은 부분 둘 다)은 약 0.2인치로 이격될 수 있다.
히트 싱크 영역을 삽입한 후, 점화기를 바람직하게는 이론 밀도의 99% 이상으로 추가로 치밀화시킬 수 있다. 이러한 추가 소결은 바람직하게는 고온(예: 1800℃ 또는 그 보다 약간 높은 온도)에서 열간 정압(hot isostatic) 압력하에서 수행된다.
수 개의 절단 부분을 강편으로 만드는 공정은 강편을 배치하고, 자동 시스템에 의해 절단 기기로 절단하는 자동화 공정(예: 컴퓨터 제어)으로 적합하게 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 점화기 제조방법에 따라 가공된 강판을 나타낸 것이다. 나타낸 바와 같이, 강편(10)은 고온 조성물 영역(12) 및 저온 조성물 영역(14)과 고온 조성물 영역과 저온 조성물 영역의 중간면(16)을 갖는다. 바람직하게는, 도2에 나타낸 제조 단계에서, 고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물은 미가공 상태이지만, 바람직하게는 이론적 밀도의 약 40% 내지 약 95%, 보다 바람직하게는 이론적 밀도의 약 50% 내지 약 70%로 치밀화되어 있다.
적합하게는 바람직한 강편(10)은 사실상 동일한 치수를 갖는다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같은 바람직한 치수(g 및 h)는 대략 동일하며, 예를 들면, 상술한 바와 같이 9인치 ×9인치이다.
그 다음, 강편(10)은 바람직하게는 다이아몬드 절단 기기를 사용하여 조각들로 절단된다. 바람직하게는 이러한 조각들은 사실상 동일한 치수를 갖는다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 강편(10)은 선(18a 및 18b)을 따라 삼등분으로 절단된다.
이어서, 강편(10)을 절단하여(적합하게는 다이아몬드 절단기를 사용함) 점화기(22)와 같은 개별적인 부착되지 않은 점화기 성분을 제공한다. 하나의 절단 부분은 강편을 통한 전체 길이이며[예: 절단 부분(24)], 각각의 교대 절단 부분[예: 절단 부분(26)]은 강편 물질의 길이를 통한 것이 아니므로, 절연 영역(히트 싱크)을 개구(28)를 통해 각각의 점화기내로 삽입할 수 있다. 각각의 절단 부분(24 및 26)은 예를 들면, 0.2인치로 적합하게 이격된다.
히트 싱크 영역을 삽입한 후, 상술한 바와 같이 바람직하게는 열간 정압 압력하에 약 1815℃에서 점화기를 바람직하게는 이론 밀도의 99% 이상으로 추가로 치밀화시킬 수 있다.
본 발명의 점화기는 화로 및 요리 기구, 베이스보드(baseboard) 히터, 보일러 및 스토브 덮개와 같은 기체상 연료 점화 적용을 포함하는 수 많은 적용에 사용될 수 있다.
하기 비제한적인 실시예는 본 발명의 예시이다. 본원에 언급된 모든 문헌은 그 전체가 본원에서 참조문헌으로 인용된다.
실시예 1
본 발명의 점화기를 하기와 같이 제조하고 시험하였다.
고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물을 제1 점화기로서 제조하고, 점화기 A로 지칭한다. 고온 영역 조성물은 70.8용적%(전체 고온 영역 조성물을 기준으로 함)의 AIN, 20용적%(전체 고온 영역 조성물을 기준으로 함)의 SiC, 및 9.2용적%(전체 고온 영역 조성물을 기준으로 함)의 MoSi2를 포함한다. 저온 영역 조성물은 20용적%(전체 고온 영역 조성물을 기준으로 함)의 AIN, 20용적%(전체 고온 영역 조성물을 기준으로 함)의 SiC, 및 60용적%(전체 고온 영역 조성물을 기준으로 함)의 MoSi2를 포함한다. 저온 영역 조성물을 고온의 다이 프레스 다이에 장착하고, 동일한 다이의 저온 영역 조성물의 상부에 고온 영역 조성물을 장착한다. 조성물의 배합물을 함께 가열 및 압축하여 치밀화시켜 점화기 A를 제공한다.
고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물을 제2 점화기로서 제조하고, 점화기 B로서 지칭한다. 점화기 B는 점화기 A와 동일한 형태 및 고온 영역 조성물을 갖는다. 점화기 B의 저온 영역 조성물은 점화기 A와 동일한 성분(AIN, SiC 및 MoSi2)을 갖지만, 점화기 B의 저온 영역은 점화기 B의 고온 영역의 저항과 대략 동일한 저항을 갖는다. 점화기 A에서와 같이, 점화기 B의 저온 영역 조성물을 고온 다이 프레스 다이에 장착하고, 동일한 다이의 저온 영역 조성물의 상부에 고온 영역 조성물을 장착한다.
형성된 점화기 A 및 점화기 B에 12볼트에서 전압을 가하였다. 점화기 A에 있어서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 저항성 가열이 점화기의 고온 영역에 집중되었다. 점화기 B에 있어서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 점화기의 저온 영역과 고온 영역 둘 다 뜨거워졌다.
실시예 2
7개의 추가 점화기(하기 표 1에 시료 1 내지 7로 나타냄)를 상기 실시예 1의 점화기 A에 기재된 바와 같은 동일한 고온 영역 조성물 및 저온 영역 조성물을 이용하여 제조하였다. 시료 1 내지 7의 각각의 고온 영역의 면적은 변하며, 이러한 고온 영역 면적을 하기 표 1에 나타낸 cm2으로서 나타낸다. 총 저항("총 저항"을 Ω으로 나타냄), 고온 영역 저항("고온 영역 저항"을 Ω으로 나타냄), 저온 영역 저항("저온 영역 저항"을 Ω으로 나타냄)을 각각 측정하고, 하기 표 1에 나타낸다.
시료 고온 영역의 면적[cm2] 전체 저항[Ω] 고온 영역 저항[Ω] 저온 영역 저항[Ω] R고온/R저온
1 1.10 36 12 11 1.09
2 1.06 33 12.9 9 1.43
3 8.71 28.3 11.4 8.1 1.41
4 7.84 37 14.1 10.5 1.34
5 7.35 42 17.5 11.3 1.55
6 5.90 45 19.9 11.6 1.72
7 5.81 40.2 22.6 7.7 2.94
이러한 결과로부터 점화기 시료를 팁 히팅시키기 위해서는 최소 상대 저항인 R고온≥1.5(R저온)의 고온 영역 저항(R고온) 대 저온 영역 저항(R저온)이 최적이라는 사실을 알 수 있다.
본 발명을 이의 특정한 양태에 따라 상세히 설명하였다. 그러나, 당해 기술분야의 숙련가들은 본 명세서를 고려함으로써 본 발명의 정신과 범주내에서 개질 및 향상을 수행할 수 있을 것이다.

Claims (32)

  1. 각각의 부분이 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(a)과 당해 전기 전도성 부분의 각각의 제1 말단에 전기적으로 연결되어 있으며 당해 제1 말단들 사이에 배치되어 있는 저항성 고온 영역으로서, 전기적 경로 길이(electrical path length)가 0.51 내지 2cm인 저항성 고온 영역(b)을 포함하는 세라믹 점화기 성분.
  2. 제1항에 있어서, 전기 비전도성 히트 싱크(heat sink) 물질이 고온 영역과 접촉하는 점화기.
  3. 제2항에 있어서, 히트 싱크 물질이 전기 전도성 부분들 사이에 배치되어 있는 점화기.
  4. 제2항에 있어서, 각각의 전기 전도성 부분이 고온 영역으로부터 동일한 방향으로 연장되어 한 쌍의 레그(leg)를 형성하며, 당해 레그들 사이에 전기 비전도성 히트 싱크 물질이 배치되어 있는 점화기.
  5. 제1항에 있어서, 고온 영역이 0.6cm 이상의 전기적 경로 길이를 갖는 점화기.
  6. 제1항에 있어서, 고온 영역이 0.6 내지 1.5cm의 전기적 경로 길이를 갖는 점화기.
  7. 제1항에 있어서, 고온 영역이 0.7 내지 0.9cm의 전기적 경로 길이를 갖는 점화기.
  8. 제1항에 있어서, 고온 영역이 비선형인 점화기.
  9. 제1항에 있어서, 고온 영역이 사실상 U자형인 점화기.
  10. 제1항에 있어서, 고온 영역이 전기 절연성 물질과 금속성 전도체 물질을 포함하는 조성물을 포함하는 점화기.
  11. 제10항에 있어서, 반도체 물질을 추가로 포함하는 점화기.
  12. 제10항에 있어서, 고온 영역 조성물이 25 내지 80용적%의 전기 절연성 물질(a), 3 내지 45용적%의 반도체 물질(b) 및 5 내지 25용적%의 금속성 전도체(c)를 포함하는 점화기.
  13. 제12항에 있어서, 고온 영역이 MoSi2를 9.2 내지 9.5용적%의 양으로 포함하는 점화기.
  14. 제1항에 있어서, 전기 전도성 부분의 실온 저항률이 고온 영역의 실온 저항률의 5 내지 20%인 점화기.
  15. 제1항에 있어서, 고온 영역의 실온 저항률의 비가 저온 영역 부분의 실온 저항률의 1.5배 이상인 점화기.
  16. 전류를 제1항에 따르는 점화기를 통해 인가함을 포함하는, 기체상 연료의 점화방법.
  17. 제16항에 있어서, 전류가 6볼트, 8볼트, 12볼트, 24볼트 또는 120볼트의 공칭 전압을 갖는 점화기.
  18. 각각의 부분이 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(a)과 당해 전기 전도성 부분의 각각의 제1 말단에 전기적으로 연결되어 있으며 당해 제1 말단들 사이에 배치된 저항성 고온 영역으로서, 60 내지 200watt/cm2의 표면 부하에서 안정한 점화 온도를 생성하는 저항성 고온 영역(b)을 포함하는 세라믹 점화기 성분.
  19. 제18항에 있어서, 고온 영역이 0.51 내지 2cm의 전기적 경로 길이를 갖는 점화기.
  20. 전류를 제18항에 따르는 점화기를 통해 인가함을 포함하는, 기체상 연료의 점화방법.
  21. 제20항에 있어서, 고온 영역의 전력 밀도가 60 내지 200watt/cm2인 방법.
  22. 제20항에 있어서, 전류가 6볼트, 8볼트, 12볼트, 24볼트 또는 120볼트의 공칭 전압을 갖는 점화기.
  23. 다수의 부착된 점화기 성분을 포함하는 전기 전도성 세라믹 바디(body)를 제공하는 단계(a),
    각각의 성분 속에 전기 비전도성 물질을 삽입하는 단계(b) 및
    다수의 점화기 성분을 치밀화(densifying)시키는 단계(c)를 포함하는, 세라믹 점화기의 형성방법.
  24. 제23항에 있어서, 점화기 성분을 치밀화시키기 전에 인접한 성분으로부터 물리적으로 분리시키는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 각각의 점화기 성분 속에 슬롯(slot)을 형성시키고, 당해 슬롯 속에 전기 절연성 물질을 삽입하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 슬롯이 점화기 성분의 전체 길이로 연장되지 않는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 슬롯을 형성시키는 동안 점화기 성분을 인접한 성분으로부터 물리적으로 분리시키는 방법.
  28. 제23항에 있어서, 바디가 20개 이상의 부착된 점화기 성분을 포함하는 방법.
  29. 제23항에 있어서, 바디가 50개 이상의 부착된 점화기 성분을 포함하는 방법.
  30. 제23항에 있어서, 바디가 100개 이상의 부착된 점화기 성분을 포함하는 방법.
  31. 제23항에 있어서, 전기 전도성 세라믹 바디가 단계(a)에서 미가공 상태(green state)인 방법.
  32. 제31항에 있어서, 미가공 상태의 전기 전도성 바디가 이론적 밀도의 50% 내지 70%로 치밀화되는 방법.
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