KR101024250B1 - 이리듐-기제 합금으로 제조된 전극을 갖는 점화장치 - Google Patents

Abstract

적어도 하나는 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄을 함유하는 합금으로부터 형성된 점화 팁을 포함하는 접지 및 중심전극을 갖는 스파크 플러그 같은 점화장치가 제공된다. 텅스텐 및 지르코늄을 합금에 포함시킴으로써, 로듐의 비율이 상대적으로 낮게 유지되면서도 내소모성이나 점화 팁의 점화 전압 감소의 희생은 없다. 한 구체예에서, 점화 팁은 2.5 중량% 로듐, 0.3 중량% 텅스텐 및 0.07 중량% 지르코늄 및 잔부는 이리듐을 함유한다.

점화 장치, 스파크 플러그, 이리듐

Description

이리듐-기제 합금으로 제조된 전극을 갖는 점화장치{IGNITION DEVICE HAVING AN ELECTRODE FORMED FROM AN IRIDIUM-BASED ALLOY}

본 발명은 일반적으로, 내연기관에서 사용되는 스파크 플러그 및 다른 점화장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 신규한 금속 점화 팁을 갖는 그와 같은 점화장치에 관한 것이다. 여기에서 사용될 때, 용어 "점화장치"는 스파크 플러그, 점화기 및 가스나 연료의 연소를 개시하는 데 사용되는 이와 같은 다른 장치를 의미한다.

다양한 이리듐-기제 합금이 전극의 점화면의 내부식성을 증가시키기 위하여 스파크 플러그 전극에서 사용되도록 제안되어 왔다. 이리듐은 상대적으로 높은 융점을 갖고, 현재 널리 사용되는 다수의 금속보다 스파크 부식에 대하여 더 내성을 갖는다. 이리듐은 스파크 간극의 어느 한쪽의 중심전극 및 접지전극에 레이저 용접되거나, 아니면 야금학적으로 결합된 패드 또는 리벳 형태로 전형적으로 사용된다. 그러나, 이리듐을 사용하는 것의 알려진 단점이 있는데, 이리듐을 전극에 결합시키는 것의 어려움 및 고온에서의 이리듐의 산화성 휘발화 등이 이에 포함된다. 본 발명은 이들 두 가지 단점 중 후자를 해결한다.

이리듐의 산화성 손실을 감소시키기 위한 알려진 접근법은, 그것을 로듐과 조합된 합금의 형태로 사용하는 것이다. 미국특허 제 6,094,000호 및 공개된 영국 특허출원 GB 2,302,367호, Osamura et al.는 1-60 중량 % 범위의 양으로 로듐이 함유될 수 있는 이 같은 합금을 개시한다. 이트륨이나 지르코늄 같은 3A 및 4A 족 원소 산화물 또한 내소모성을 감소시키기 위하여 첨가될 수 있다. Osamura et al.의 교시는 로듐을 1% 까지의 적은 양으로 사용하는 것이지만, 고온에서 이리듐의 산화적 손실을 최소화하기 위하여는 훨씬 다량의 로듐이 필요하다는 것이 알려져 왔다. 이는 Osamura et al. 에 의하여 제공되는 시험 데이터에서 실증되고 그들의 특허에서는 로듐의 양은 바람직하게는 적어도 3%라고 기재하고 있다.

미국특허 제 5,793,793 호, Matsutani et al.은 유사한 발견을 보고하고 있는데, 거기서 로듐의 양은 3-50 중량% 범위 내에서 유지되고 가장 바람직하게는 적어도 18 %이다. 미국특허 제 5,998,913 호, Matsutani는 로듐을 높은 비율로 함유하는 것의 몇몇 단점을 확인하고, 로듐의 양을 줄이려는 노력으로서 레늄이나 루테늄의 첨가를 제안한다. 이 특허문헌에 따르면, 17 중량 %까지의 레늄 및/또는 루테늄의 첨가에 의하여 양호한 산화적 내소모성을 유지하기 위하여 필요한 로듐의 양이 0.1 중량%까지 감소될 수 있다.

(발명의 요약)

본 발명은 둘 사이의 스파크 간극을 규정하는 한쌍의 전극을 갖고, 적어도 하나의 전극은, 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄의 합금으로부터 형성되는 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치에 관한 것이다. 이들 구성성분 원소의 조합은, 오직 이리듐 및 로듐만을 함유하는 합금에서 바람직한 것으로 알려진 것보다 훨씬 낮은 비율의 로듐으로도, 얻어야 할 양호한 내부식성 및 감소된 점화 전압의 알려진 잇점을 가능하게 한다.

본 발명의 바람직한 대표적 구체예는 이하에서는 첨부된 도면과 연관하여 기재될 것이고, 같은 기호는 같은 구성요소를 나타내며:

도 1은 본 발명의 바람직한 구체예에 따라서 구성된 스파크 플러그의 부분도 및 부분적 단면도이고;

도 2는 도 1의 스파크 플러그 상에서 사용되는 점화 팁 패드 대신에 사용될 수 있는 리벳의 측면도이고; 그리고

도 3은 도 1에 도시된 점화 팁 패드 대신에 사용될 수 있는 와이어를 도시한다.

도 1을 참고하면, 금속 케이싱 또는 하우징(12), 하우징 내에 장착된 절연체(14), 중심전극(16), 접지전극(18), 및 각각 중심 및 접지전극(16, 18) 상에 마주보고 위치하는 한 쌍의 점화 팁(20, 22)을 포함하는 스파크 플러그(10)의 작용 말단이 도시되어 있다. 하우징(12)은 종래 방식으로 구성될 수 있고, 접지전극(18)이 용접되거나 달리 부착된 둥근 하부말단(26)을 따라 표준 나사줄(24)을 포함할 수 있다. 유사하게, 물론 아래에서 기재될 바와 같은 점화 팁(20 및/또는 22)으로 구성되는 접지 및/또는 중심 전극(16, 18)는 제외하고, 스파크 플러그(10)의 모든 다른 성분들은 (도면에 나타나지 않은 성분을 포함하여) 공지의 기술 및 재료를 사용하여 제조될 수 있다.

알려진 바와 같이 하우징(12)의 둥근 말단(26)은 절연체(14)가 돌출하는 개구(28)를 규정한다. 중심전극(16)은 유리밀봉장치 또는 어떤 다른 적당한 기술을 사용하여 절연체(14) 내부에 영구적으로 장착된다. 그것은 노출된 축말단(30)을 통하여 절연체(14)로부터 연장된다. 접지전극(18)은 한 말단(32)에서 기계적으로 및 전기적으로 하우징(12)에 부착되고 그것의 다른 말단(34)에서 반대편 중심전극을 종결하는 종래의 90도 엘보우의 형태이다. 이 자유말단(34)은, 중심전극(16)의 대응 점화 말단과 함께 그들 사이에 스파크 간극(36)을 규정하는 접지전극(18)의 점화 말단을 포함한다.

점화 팁(20, 22)은 각각 그들의 각각의 전극(16, 18)의 점화 말단에 위치하여 스파크 간극(36)을 가로질러 전자의 방출 및 수용을 위한 점화면을 제공하도록 한다. 이들 점화말단은, 이 구체예에서 점화말단 상에 꼭 맞게 용접되는 패드를 포함하는 점화말단을 예시하려는 목적으로 단면으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 점화 팁(20, 22)은 각 전극 상의 부분적 오목면 내로 용접될 수 있다. 선택적으로, 패드 중 하나 또는 둘 다는 그것에 결합된 전극 안으로 완전히 쑥 들어갈 수 있거나, 전혀 쑥 들어가지 않고 전극의 외부표면 상에 용접될 수도 있다.

본 발명에 따라, 각 점화 팁은 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄을 함유하는 합금으로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 합금은 이리듐과 소량 미만의 다른 성분을 갖는, 1 내지 3 중량% 의 로듐, 0.1 내지 0.5 중량%의 텅스텐, 및 0.05 내지 0.1중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성된다. "소량"은 불특정 베이스 금속 및 PGM (백금족 금속) 불순물을 합한 최대 값이 2000ppm 인 것을 의미한다. 고도로 바람직한 구체예에서, 합금은 약 2.5 중량% 로듐, 약 0.3 중량% 텅스텐, 약 0.07 중량% 지르코늄 및 잔부 이리듐으로부터 형성되고 다른성분은 미량으로 함유한다. 합금은 바람직한 양의 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄을 함께 용융함으로써와 같은 알려진 공정에 의하여 제작될 수 있다. 용융 후, 당업자에게 알려진 바와 같이 합금은 분무화 공정에 의하여 분말 형태로 전환될 수 있다. 그 후, 분말화된 합금은 등압적으로 가압되어, 바람직한 최종 형태를 달성하기 위하여 만약 필요하다면 이차적 성형 조작을 동반하여, 솔리드 형태로 될 수 있다. 이들 단계를 달성하기 위한 기술과 방법은 당업자에게 알려져 있다.

비록 전극은 합금으로부터 직접 제작될 수 있지만, 바람직하게는 전극은 더 전통적인 전기적으로 도전성인 물질로부터 별도로 제작되고, 합금을 점화 팁으로 제작한 후 전극에 부착시킨다. 일단 점화 팁과 전극 둘 다가 제작되면, 그 후 점화 팁은 기계적 및 전기적 둘 다로 그것에 연결되는 전극에, 레이져 용접, 레이저 연결 같은 야금학적 결합 또는 다른 적당한 수단에 의하여 영구적으로 부착된다. 이 공정에 의하여 전극 각각은 전극에 대한 노출된 점화표면을 제공하는 통합 점화 팁을 갖게 된다. 당업자에게 주지인 어떤 다수의 기술에 따라 레이저 용접이 수행될 수 있다. 레이저 연결은, 점화 팁의 오목부 또는 다른 표면 특징부 내로 흘러 들어가도록 전극 재료를 용융시키기 위하여 레이저광을 사용하고 그 후 전극을 고화되도록 한고 점화 팁을 제자리에 고정함으로써 전극을 점화 팁에 기계적으로 인터로크 형성시키는 것을 포함한다. 이 레이저 연결 기술은 유럽특허출원 공개번호 제 EP 1 286 442 A1에 더 상세하게 기재되고 그것의 완전한 개시는 여기에 참고문헌으로서 수록된다.

인식되는 바와 같이, 점화 팁(20, 22)은 꼭 패드일 필요가 없고, 리벳(40)(도 2에 도시), 와이어(42)(도 3에 도시), 공(도시하지 않음) 형태 또는 다른 어떤 적당한 형태를 취할 수 있다. 둥근 말단 리벳이 도 2에 도시되지만, 원뿔형 또는 절두(frusto) 원뿔형 머리를 갖는 리벳 또한 사용될 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 점화 팁은 위에서 논의된 레이저 연결 기술을 사용하여 전극에 인터로크되도록 하기 위하여 그루브(44) 같이 하나 이상의 표면 특징부를 포함할 수 있지만, 꼭 그럴 필요는 없다. 이들 다양한 타입의 점화 팁의 구성 및 장착공정은 당업자에게 공지이다. 또한, 중심 및 접지전극 둘 다의 점화 말단은 이리듐/로듐/텅스텐/지르코늄 합금으로부터 형성되는 점화 팁을 갖는 것으로 나타나지만, 합금은 전극 중 단지 하나에만 사용될 수도 있음이 인식될 것이다. 그 외의 전극은 어떤 점화 팁도 없이 사용될 수도 있거나 다른 귀금속 또는 귀금속 합금으로부터 형성되는 점화 팁을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 구체예에서, 중심전극 점화 팁(20)은 이리듐/로듐/텅스텐/지르코늄 합금으로부터 형성될 수 있고 접지전극 점화 팁(22)은 백금 또는 백금 합금으로부터 형성될 수 있다.

이리듐, 로듐, 텅스텐, 및 지르코늄의 조합은 스파크 및 산화성 소모 둘 다에 대하여 양호한 내성을 나타내는 합금을 산출한다는 것이 밝혀졌고, 본 발명은 상대적으로 적은 양의 로듐을 사용하여 이들 잇점이 유지되도록 하였다.

그러므로, 본 발명에 따라서 여기에 특정된 목적과 장점을 달성하는 점화 장치 및 제조 방법이 제공되었음이 명백할 것이다. 물론, 전기한 설명은 본 발명의 바람직한 대표적 구체예이고 본 발명은 나타난 특정 구체예에 제한되지 않음이 이해될 것이다. 다양한 변화와 변형이 당업자에게 명백하게 될 것이다. 예를 들어, 비록 스파크 플러그 형태의 점화장치가 도해로 설명되었지만, 본 발명은 중심전극 및 둥근 접지전극 사이에 배치되는 반도체 재료의 표면을 가로질러 불꽃점화가 발생하는 타입의 점화기 내로 포함될 수 있음이 인식될 것이다. 모든 이 같은 변화와 변형은 본 발명의 의도된 범위 내에 있다.

Claims (26)

1. 하우징;

   상기 하우징 내에 장착되고, 상기 하우징 내 개구에 노출된 축말단을 갖는 절연체;

   상기 절연체에 장착되고, 상기 축말단을 통과하여 상기 절연체로부터 연장되는 중심전극; 및

   상기 하우징 상에 장착되고, 상기 중심전극을 마주보고 위치하는 점화말단에서 종결되어 그 사이에서 스파크 간극을 규정하는 접지전극을 포함하는 내연기관용 점화장치에 있어서,

   상기 전극의 적어도 하나는 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄을 함유하는 합금으로부터 형성된 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 점화장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 이리듐과 1 내지 3 중량% 로듐, 0.1 내지 0.5 중량% 텅스텐 및 0.05 내지 0.1 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 이리듐과 2.5 중량% 로듐, 0.3 중량% 텅스텐 및 0.07 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 점화 팁은 상기 중심전극에 상기 스파크 간극에서 야금학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 점화 팁은 상기 중심 전극에 연결된 와이어 레이저의 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 접지전극의 상기 점화말단은 상기 중심전극의 점화 팁을 마주보고 위치하는 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 접지전극 상의 상기 점화 팁은 백금 또는 백금합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 중심전극 상의 상기 점화 팁은 이리듐과 1 내지 3 중량% 로듐, 0.1 내지 0.5 중량% 텅스텐 및 0.05 내지 0.1 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 중심전극 상의 상기 점화 팁은 이리듐과 2.5 중량% 로듐, 0.3 중량% 텅스텐 및 0.07 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 점화장치는 스파크 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 점화 팁은 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄으로 본질적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 전극 둘 다는 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄으로 본질적으로 구성되는 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 점화 팁은 이리듐과 1 내지 3 중량% 로듐, 0.1 내지 0.5 중량% 텅스텐 및 0.05 내지 0.1 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 합금으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 점화 팁은 이리듐과 2.5 중량% 로듐, 0.3 중량% 텅스텐 및 0.07 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 합금으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
15. 하우징, 제 2 전극, 및 두 전극을 지지하고 전기적으로 분리시키기 위하여 하우징 내에 장착된 절연체를 갖는 점화장치용 전극의 제조방법으로서, 방법은:

    (a) 이리듐, 로듐, 텅스텐 및 지르코늄을 포함하는 합금으로부터 점화 팁을 제조하는 단계,

    (b) 상기 합금 이외의 전기적으로 도전성인 재료로부터 전극을 제조하는 단계, 및

    (c) 상기 점화 팁을 상기 전극의 말단부 상에 부착시킴으로써 상기 전극에 대하여 노출된 점화 표면을 제공하는 통합 점화 팁을 상기 전극에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
16. 제 15 항에 있어서, 단계 (a)는 이리듐과 1 내지 3 중량% 로듐, 0.1 내지 0.5 중량% 텅스텐 및 0.05 내지 0.1 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 만들어진 합금으로부터 상기 점화 팁을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치용 전극의 제조방법.
17. 제 15 항에 있어서, 단계 (a)는 이리듐과 2.5 중량% 로듐, 0.3 중량% 텅스텐 및 0.07 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 만들어진 합금으로부터 상기 점화 팁을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치용 전극의 제조방법.
18. 제 15 항에 있어서, 단계 (a)는 상기 점화 팁을 패드, 리벳, 볼 또는 와이어로서 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치용 전극의 제조방법.
19. 제 15 항에 있어서, 단계 (c)는 상기 점화 팁을 중심전극의 말단면 상에 레이저 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치용 전극의 제조방법.
20. 제 15 항에 있어서, 단계 (c)는 상기 점화 팁을 접지전극의 말단부 상에 부착시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치용 전극의 제조방법.
21. 하우징;

    상기 하우징 내에 장착되고, 상기 하우징 내 개구에 노출된 축말단을 갖는 절연체;

    상기 절연체에 장착되고, 상기 축말단을 통과하여 상기 절연체로부터 연장되는 중심전극; 및

    상기 하우징 상에 장착되고, 상기 중심전극을 마주보고 위치하는 점화말단에서 종결되어 그 사이에서 점화간극을 규정하는 접지전극을 포함하는 내연기관용 점화장치에 있어서, 상기 전극의 적어도 하나는 이리듐, 1 내지 3 중량% 로듐, 0.1 내지 0.5 중량% 텅스텐 및 0.05 내지 0.1 중량% 지르코늄을 함유하는 합금으로부터 형성된 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 점화장치.
22. 삭제
23. 제 21 항에 있어서, 상기 합금은 이리듐과 2.5 중량% 로듐, 0.3 중량% 텅스텐 및 0.07 중량% 지르코늄과의 조합으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
24. 제 21 항에 있어서, 상기 점화 팁은 상기 중심전극에 레이저로 연결되는 것을 특징으로 하는 점화장치.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 접지전극은 백금 또는 백금합금으로부터 형성된 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.
26. 제 21 항에 있어서, 상기 전극 둘 다는 상기 합금으로부터 형성된 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화장치.

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