KR20000070522A - 매치 헤드 세라믹 점화기 및 이의 사용방법 - Google Patents

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윌켄스크레이그에이.
베이트만린다에스.
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보스트 스티븐 엘.
생-고뱅 인더스트리얼 세라믹스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 각각 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분, 전기 전도성 부분의 제1 말단들 사이에 위치하여 제1 말단들 각각에 전기적으로 연결되어 있으며 전기 경로 길이가 0.5cm 미만인 전기 저항성 핫 존, 및 핫 존과 접촉하고 있는 비전기전도성 히트 싱크 물질을 포함하는 세라믹 점화기에 관한 것이다.

Description

매치 헤드 세라믹 점화기 및 이의 사용방법{Match head ceramic igniter and method of using same}
발명의 배경
세라믹 재료는 가스 연료를 연소시키는 난로, 스토브 및 세탁물 건조기에서 점화기로서 대단한 성공을 누리고 있다. 세라믹 점화기는 통상적으로 전도성 말단 부분과 전기 저항률이 매우 큰 중간 부분을 포함하는 U자 형태를 갖는다. 점화기 말단이 대전된 리드에 연결되는 경우, 전기 저항률이 큰 부분(또는 "핫 존(hot zone)")은 온도가 상승한다. 다소의 이들 점화기는 선간 전압(line voltage)에 있어서 변화가 예상되는 설비 및 가열 산업에 의해 정해진 다음 요건들을 충족시켜야 한다:
목적 온도까지 도달하는 데 걸리는 시간: < 5초
목적 전압의 80%에서의 최소 온도: 1100℃
목적 전압의 100%에서의 목적 온도: 1350℃
목적 전압의 110%에서의 최대 온도: 1500℃
핫 존 길이: < 1.5"
전력(W): 65 내지 100.
미국 특허 제5,405,237호와 함께 미국 특허 제5,085,804호(이후 "'804 특허"라고 한다)에는 세라믹 점화기의 핫 존에 적합한 조성물이 기재되어 있는데, 핫 존은 MoSi2(a) 5 내지 50v/o 및 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화알루미늄, 마그네슘 알루미네이트, 옥시질화규소알루미늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질(b) 50 내지 95v/o를 포함한다. '804 특허에 따르면, 이들 조성물은 점화기의 형태를 구속함이 없이 위에서 언급한 요건들을 달성하는 데 필요한 적합한 속도, 실온 전기 저항률 및 고온 전기 저항률을 제공한다.
노턴 캄파니(Norton Company)가 시판하고 있는 하나의 통상적인 점화기인 미니-이그나이터(Mini-IgniterTM)는 질화알루미늄("AlN"), 이규화몰리브덴("MoSi2") 및 탄화규소("SiC")를 포함하는 '804 특허로부터의 핫 존 조성물을 사용하고 핫 존의 총 길이는 약 1.5cm(12V 인가시) 및 6cm(120V 인가시)이다. 미니-이그나이터는 다수 용품에서 잘 작동되지만, 이의 속도(즉, 실온으로부터 목적 온도인 1350℃로 가열하는 데 걸리는 시간)는 통상적으로 3 내지 5초(24V 내지 120V 인가시)이다. 이 점화기의 속도가 3초 미만으로 감소될 수 있다면 이의 적용가능성은 상당히 확대될 수 있을 것으로 믿어진다.
이 점화기의 속도를 증가시키기 위한 시도가 있었다. 예를 들면, 와쉬번(Washburn)과 볼러(Voeller)의 문헌[참조: "Low Power Gas Ignition Device, presented in the Proceedings of the 1988 International Appliance Technical Conference-Europe" (1988), pages 134-149]에는, 핫 존의 질량을 약 0.07 내지 0.08g(즉 길이 약 1.0 내지 1.3cm)으로 감소시킴으로써 1.5초의 낮은 속도를 달성하는 방법이 기술되어 있다. 그러나, 이 점화기는 대류 냉각에 의해 매우 파열되기가 쉬울 것으로 믿어진다. 윌켄스(Willkens) 등의 문헌[참조: "High Voltage Miniature Igniter Development", International Appliance Technical Conference, Madison, Wisconsin (1994)]에는 핫 존의 길이를 120V 점화기에 대하여 0.7inch(1.8cm) 이상으로 되도록 하는 설계 방법이 제안되어 있다. '804 특허에는 핫 존의 길이를 실용적인 최소 한계로서 0.2inch(또는 약 0.5cm) 이상으로 제공하는 방법이 또한 제안되어 있다.
또한, 이 점화기는 일반적으로 통상적인 2 내지 3amps 전류로 고정되기 전에 매우 높은 돌입 전류(inrush current: 즉 1밀리초 이내에 약 10amps의 전류)를 겪게 된다. 이 점화기에 사용하기 위해 고안되는 어떠한 변압기든 이러한 높은 초기 전류를 수용하도록 설계되어야 하기 때문에, 점화기는 낮은 전력용으로 정격된 덜 고가의 변압기 대신에 보다 높은 전력을 수용할 수 있는 변압기와 짝을 이루어야 한다.
핫 존 조성물의 전기 저항률을 (조성물의 전도성 MoSi2함량을 증가시킴으로써) 간단히 낮추는 것은 점화기의 속도를 증가시키는 방법으로서 간주되었다. 그러나, 핫 존 조성물의 전기 저항률을 낮추는 것은 (보다 낮은 실온 전기 저항률로 인해) 돌입 전류를 훨씬 높은 수준으로 증가시키고 통상적인 점화기의 기하학적 구조에 대해 허용되지 않게 높은 전력 수준으로 인해 점화기가 파열되기 쉽도록 하는 것으로 밝혀졌다. 이 점화기는 안정한 온도가 되도록 하기에 충분하도록 에너지를 방사할 수 없다.
마찬가지로, 핫 존 조성물의 전기 저항률을 (조성물의 MoSi2함량을 감소시킴으로써) 높이는 것은 점화기의 돌입 전류를 감소시키는 방법으로 간주되었다. 그러나, 핫 존 조성물의 전기 저항률을 높이는 것은 (보다 높은 실온 전기 저항률로 인해) 점화기의 속도를 감소시킬 뿐만 아니라 (조성물의 고온에서의 음의 전기 저항 온도 계수로 인해) 고온에서 불안정한 점화기를 제공한다.
그러므로, 속도가 빠르고 냉각 효과에 대한 저항성이 있고 돌입 전류가 낮은 세라믹 점화기에 대한 필요성이 있다.
발명의 개요
본 발명에 있어서, 각각 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(a), 전기 전도성 부분의 제1 말단들 사이에 위치하여 제1 말단들 각각에 전기적으로 연결되어 있으며 전기 경로 길이가 0.5cm 미만인 전기 저항성 핫 존(b) 및 핫 존과 접촉하고 있는 비전기전도성 히트 싱크 물질(c)을 포함하는 세라믹 점화기를 제공한다.
본 발명의 목적을 위해서, "전기 경로 길이"는 전위가 점화기의 전도성 말단에 가해지는 경우, 전류가 핫 존을 통과하는 데 취해지는 가장 짧은 경로이다.
또한, 본 발명에 있어서,
각각 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(i), 전기 전도성 부분의 제1 말단들 사이에 위치하여 제1 말단들 각각에 전기적으로 연결되어 있으며 전기 경로 길이가 0.5cm 미만인 전기 저항성 핫 존(ii) 및 핫 존과 접촉하고 있는 비전기전도성 히트 싱크 물질(iii)을 포함하는 세라믹 점화기를 제공하는 단계(a) 및
점화기의 전도성 말단들 사이에 3 내지 60V의 전압을 인가하여 정상 상태 전류 대 돌입 전류의 비가 35% 이상(바람직하게는 50% 이상)으로 되도록 정상 상태 전류와 돌입 전류를 발생시키고 핫 존의 온도를 3초 미만(바람직하게는 2초 미만) 이내에 약 1350℃로 상승시키는 단계(b)를 포함하는 가열방법을 제공한다.
도면의 설명
도 1은 전기 절연성 히트 싱크가 점화기의 전도성 레그(leg)들 사이에 삽입물(insert)로서 위치하고 있는, 본 발명의 바람직한 양태의 점화기의 단면도이다.
도 2는 전기 절연성 히트 싱크가 핫 존의 반대쪽과 접촉하고 있는 본 발명의 바람직한 양태의 점화기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 점화기의 투시도이다.
도 4는 핫 존이 2개의 전기 저항 구역을 포함하는, 본 발명의 점화기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 미가공체의 분해도이다.
도 6은 테이프 캐스트 전도성 레그로 제조된 본 발명의 점화기의 단면도이다.
도 7은 전압 및 온도 면에서 실시예 I의 점화기의 전기 성능을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 점화기(8a) 및 선행 기술의 점화기(8b)에 대한 시간에 따른 돌입 전류를 나타낸다.
발명의 설명
핫 존의 전기 경로 길이를 0.5cm 미만으로 감소시키고 핫 존을 전기 절연성 히트 싱크 물질과 접촉시킴으로써 속도가 빠르고 대류 냉각에 대한 저항성이 높고 돌입 전류가 낮은 시판 가능한 점화기를 제조할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 점화기가 만나는 유효한 전압을 낮추기 위해서 전자 공학 또는 변압기가 사용되는 경우, 본 발명의 돌입 전류가 낮을수록 이러한 광범위하고 비용이 많이 드는 변형에 대한 필요성을 감소시킨다.
이론과 결부시키고 싶지 않지만, 가해진 히트 싱크의 열 부재(thermal mass)는 핫 존의 대류 냉각을 상당히 늦춤시킴으로써 핫 존이 짧은 길이에도 불구하고 대류 냉각 조건하에 뜨겁게 유지되도록 하는 것으로 믿어진다.
바람직한 양태에 있어서, 점화기는 2개의 평행한 전도성 레그들 및, 핫 존과 접촉하고 있는 전기 절연성 히트 싱크 물질(예: 질화알루미늄)로 적어도 부분적으로 충전되어 있는 레그들 사이에 공간을 보유하면서 레그들 사이에 위치하고 있는 연결성 핫 존 브릿지를 포함하는 U자형 구조를 갖는다. 예를 들면, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 점화기의 하나의 바람직한 양태는 전기 저항성 핫 존(11)에 의해 전기적으로 연결되어 있고 핫 존으로부터 동일한 방향으로 연장되어 있는 2개의 전도성 레그들(9 및 13)을 포함하는 U자 형태를 갖는다.
도 1에서 EPL로 표시되어 있는 핫 존의 전기 경로 길이는 0.5cm 미만이다. 절연성 히트 싱크 물질(19)은 핫 존과 접촉하고 핫 존(11)으로부터 연장되어 있는 전도성 레그들 사이의 잔여 공간을 실질적으로 충전시키는 삽입물로서 제공된다. 쌍을 이루는 리드들(50 및 51)이 각각의 전도성 말단들(9 및 13)에 부착되어 있고 전압이 리드에 인가되는 경우, 전류는 제1 리드(50)로부터 제1 전도성 레그(9)로 흘러서 핫 존(11)을 통과하고(이에 의해 핫 존의 온도는 상승한다), 이어서 제2 전도성 레그(13)를 통과한 후 제2 리드(51)를 통해 방류된다.
다른 양태에 있어서, 전기 절연성 히트 싱크 물질은 핫 존의 다른 표면과 접촉할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 전기 절연성 히트 싱크 물질(18)은 평행한 전도성 레그들(9 및 13) 사이에 형성된 공간(20)의 반대쪽에서 핫 존(11)과 접촉하고 있다. 이러한 구조는 점화기의 전기 특성을 변화시킴없이 빠른 속도 및 낮은 돌입 전류에 바람직한 히트 싱크 접촉부를 제공한다.
통상적으로, 핫 존은 고온(즉 1350℃) 전기 저항률이 약 0.001ohm-cm 내지 약 3.0ohm-cm이고 실온 전기 저항률이 약 0.01ohm-cm 내지 약 3ohm-cm이고 통상적으로 양의 전기 저항 온도 계수("PTCR")를 특징으로 한다. 바람직한 양태에 있어서, 핫 존은 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전기 절연재(a) 약 50 내지 약 75용량%, 탄화규소, 탄화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체 물질(b) 약 10 내지 약 45용량% 및 이규화몰리브덴, 이규화텅스텐, 탄화텅스텐, 질화티탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속성 전도체(c) 약 8.5 내지 약 14용량%를 포함하는 제1 전기 저항 물질을 포함한다.
바람직한 양태에 있어서, 핫 존은 50용량% 내지 75용량%의 AlN, 13용량% 내지 41.5용량%의 SiC 및 8.5용량% 내지 12용량%의 MoSi2를 포함하는 제1 전기 저항 물질을 포함한다. 다른 양태에 있어서, 핫 존은 바람직하게는 명세서가 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제5,514,630호에 따라서 1v/o 내지 10v/o의 알루미나를 포함한다.
이제 도 3을 참고하면, 핫 존은 통상적으로 두께(Thz)가 약 0.05 내지 0.2cm, 바람직하게는 약 0.06 내지 0.125cm이다. 이의 길이(Lhz)(이는 도 3에서 전기 경로 길이와 동일하다)는 일반적으로 0.05 내지 0.45cm, 바람직하게는 0.15cm 내지 0.25cm이다. 이의 깊이(Dhz)는 일반적으로 0.05 내지 0.4cm, 바람직하게는 0.1 내지 0.25cm이다.
바람직하게는 압축된 핫 존 속의 출발 분말 및 입자 둘 모두의 입자 크기는 '804 특허에 기술되어 있는 것과 유사하다. 몇몇 양태에 있어서, 압축체(densified body)에서 핫 존 성분들의 평균 입자 크기(d50)는 다음과 같다:
(a) 전기 절연재(즉 AlN): 약 2 내지 10μ; (b) 반도체 물질(즉 SiC): 약 1 내지 10μ; 및 (c) 금속성 전도체(즉 MoSi2): 약 1 내지 10μ).
몇몇 양태에 있어서, 핫 존은 전도성 말단들 사이에 평행하게 위치하는 한 쌍의 전기 저항 구역을 포함한다. 예를 들면, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 핫 존은 제1 전기 저항 구역(15)과 제2 전기 저항 구역(17)을 포함하며, 이들 각각은 각각의 전도성 말단들(9 및 13)과 평행하게 전기적으로 연결되어 있다. 이러한 특정 양태에 있어서, 제1 구역은 제2 구역보다 낮은 전기 저항률을 갖도록 설계된다. 이론과 결부시키고 싶지 않지만, 실온에서 제1 전기 저항 구역은 점화기를 가열하는 데 필요한 속도를 제공하기에 충분히 낮은 전기 저항률을 갖지만, 제2 구역은 돌입 전류를 억제하기에 충분히 높은 전기 저항률을 갖는 것으로 믿어진다. 고온(즉 1350℃)에서, 제2 전기 저항 구역의 비교적 높은 전기 저항률은 점화기에 과잉 전력이 가해지는 것을 방지하기에 (제1 전기 저항 구역에 비해) 충분히 높은 것으로 믿어진다.
바람직하게는, 핫 존의 제2 전기 저항 구역(17)은 두께 및 길이가 제1 전기 저항 구역과 동일하다. 이의 깊이는 일반적으로 약 0.25 내지 약 0.125cm, 바람직하게는 0.05 내지 0.1cm이다. 이의 실온 전기 저항률 및 이의 1350℃에서의 전기 저항률은 통상적으로 제1 전기 저항 구역에 상응하는 것보다 높다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 제2 전기 저항 구역은 제1 전기 저항 구역(15)을 형성시키기 위해 선택된 분말과 통상적인 U자형 점화기의 레그들 사이에 위치하고 있는 전기 절연성 히트 싱크(19)를 형성시키기 위해 선택된 분말과의 반응에 의해 동일 반응계내에서 형성된다. 이론과 결부시키고 싶지 않지만, 제1 전기 저항 구역(15)의 전도성 성분이 우선 전기 절연성 히트 싱크(19)의 분말 속으로 확산되어 이와 반응함으로써 통상적으로 깊이가 제1 전기 저항 구역(15)의 깊이의 약 1 내지 약 20%인 확산 제2 전기 저항 구역(17)을 생성시키는 것으로 믿어진다.
전기 절연성 히트 싱크 물질(19)의 작용은 핫 존의 환류 냉각을 완화시키기에 충분한 열 부재를 제공하는 것이다. 전기 절연성 히트 싱크 물질(19)이 2개의 전도성 레그들 사이에 삽입물로서 위치하는 경우, 이는 또한 전도성 레그들(9 및 13)에 대한 기계적 지지체를 제공하여 점화기를 보다 단단하게 한다. 삽입물은 통상적으로 두께 및 길이가 전도성 레그들(9 및 13)과 유사하고 폭은 레그들을 연결시키고 있는 핫 존 부분과 동일하다. 몇몇 경우에 있어서, 시스템의 질량을 감소시키기 위해서 삽입물에 (도 3에서와 같이) 가늘고 긴 구멍(40)을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 전기 절연성 히트 싱크는 전기 저항률이 약 104ohm-cm 이상이고 강도가 약 150MPa 이상이다. 보다 바람직하게는, 히트 싱크 물질의 열 전도성은 히트 싱크를 전부 가열하고 리드로 열을 전달할만큼 높지 않으며 유리한 히트 싱크 작용을 무효화할만큼 낮지 않다. 히트 싱크에 적합한 세라믹 조성물은 필수적으로 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소, 알루미나 및 이들의 혼합물 중의 하나 이상을 90v/o 이상 포함하는(바람직하게는 이들로 필수적으로 이루어진) 조성물을 포함한다. AlN-MoSi2-SiC 핫 존을 사용하는 양태에 있어서, 질화알루미늄 90용량% 이상과 알루미나 10용량% 이하를 포함하는 히트 싱크가 적합한 열팽창성 및 압축 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 알루미나는 또한 동일반응계 내에서 제2 전기 저항 구역을 효과적으로 형성시키는 데 필요한 반응을 억제하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 제2 전기 저항 구역을 동일 반응계 내에서 형성시키고자 하는 경우, 삽입물은 필수적으로 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 및 이들의 혼합물 중의 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하고 보다 바람직하게는 질화알루미늄으로 이루어지는 것이다. 또한, 핫 존이 덜 중요한 동일 반응계 전기 저항 구역을 갖는 경우, 전기 절연성 히트 싱크 물질은 알루미나를 1 내지 10v/o로 포함한다. 다른 양태에 있어서, 1 내지 10v/o의 삽입물은 알루미나, 칼시아, 마그네시아, 실리카, (바람직하게는) 이트리아 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 압축 조제이다. 바람직한 양태에 있어서, 삽입물의 치수는 4.0cm(깊이) x 0.25cm(폭) x 0.1cm(두께)이다.
전도성 말단들(9 및 13)은 와이어 리드들에 전기적으로 연결되기 위한 수단을 제공한다. 바람직하게는, 이들은 또한 AlN, SiC 및 MoSi2로 이루어져 있지만, 바람직한 핫 존 조성물이 갖는 것보다 상당히 높은 비율의 전도성 물질 및 반도체 물질(즉 SiC 및 MoSi2)을 갖는다. 따라서, 이들은 통상적으로 핫 존보다 전기 저항률이 훨씬 작고 핫 존이 겪는 온도로 가열되지 않는다. 이들은 바람직하게는 질화알루미늄 약 20 내지 65v/o 및 MoSi2약 20 내지 70v/o를 포함하고 SiC의 용량비가 약 1:1 내지 약 1:3이다. 보다 바람직하게는, 전도성 말단들은 약 60v/o AlN, 20v/o SiC 및 20v/o MoSi2를 포함한다. 바람직한 양태에 있어서, 전도성 말단들(9 및 13)의 치수는 0.05cm(폭) x 4.2cm(깊이) x 0.1cm(두께)이다. 다른 양태에 있어서, 전도성 금속이 히트 싱크 물질 및 핫 존 위에 부착되어 전도성 레그를 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 예정된 조성을 갖는 가온 압축된 분말 혼합물로 이루어진 타일이 타일 단면이 전기 회로를 묘사하도록 배열되어 있는, 본 발명의 점화기를 제조하는 방법이 제공되어 있다.
본 발명의 점화기를 제조하는 하나의 바람직한 방법에 있어서(도 5에 도시되어 있는 바와 같이), 필수적으로 전도성 부분으로 이루어진 제1 타일을 편평한 표면(도시되어 있지 않음) 위에 위치시킨다. 이어서, 절연성 부분(26) 및 제1 전기 저항 물질(28)을 갖는 제2 타일(24)을 도시된 방법으로 제1 타일(21) 위에 위치시킨다. 그 다음, 전도성 부분만을 갖는 제3 타일(32)을 제2 타일 위에 위치시킨다. 그 다음, 이 라미네이트를 압축하여 별개의 타일들을 결합시킨다. 이어서, 압축된 라미네이트를 이의 두께를 가로질러 슬라이싱하여 다수의 개별 세라믹 점화기를 형성시킨다.
본 발명의 점화기를 제조하는 데 있어서, 도 5에 도시되어 있는 각각의 미처리 타일은 세라믹 라미네이트인 완전한 층을 포함한다(예를 들면, 제2 타일(24)은 절연성 부분(26)과 전기 저항 구역(28)을 갖는다). 또한, 타일은 1층인 한 부분으로만 이루어질 수 있다. 후자의 경우에 1층인 부분을 포함하는 타일들은 특성에 있어서 부수적인 손실없이 함께 부착될 수 있다.
도 5가 각각의 층을 경질의 미처리 타일로 나타내고 있지만, 이들 부분들은 또한 테이프 캐스팅, 롤 압축, 가온 압축한 후 절단, 건식 압축 또는 스크린 인쇄하여 제조될 수 있다. 또 다른 바람직한 양태에 있어서, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 전도성 조성물을 갖는 미처리 테이프(60)로 전기 절연성 히트 싱크(61)와 핫 존(62)을 갖는 타일의 3면 둘레를 감는다. 압축한 후, 핫 존 둘레를 감고 있는 테이프 부분을 연마에 의해 도 6에서 점선 A로 나타낸 바와 같이 제거하여 목적하는 회로를 제공한다. 임의로, 점화기를 점선 B를 따라 추가로 연마하여 끝이 둥근 성냥 개비와 같은 외관을 형성시킬 수 있다.
점화기가 전기 절연성 히트 싱크 물질을 삽입물로서 사용하는 경우, 점화기는 명세서가 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제5,191,508호에 기술된 일반적인 방법에 의해 제조될 수 있다.
세라믹 성분의 가공(즉, 미처리체 가공 및 소결 조건) 및 압축된 세라믹으로부터 점화기의 제조는 통상적인 방법으로 수행될 수 있다. 통상적으로, 이러한 방법은 실질적으로 명세서가 본원에서 참고문헌으로 인용되는 '804 특허에 따라 수행된다. 바람직한 양태에 있어서, 미처리 라미네이트는 명세서가 본원에서 참고문헌으로 인용되는 미국 특허 제5,514,630호에 기술되어 있는 바와 같이, 유리 매질 속에서의 고온 이소스택틱 압축(hot isostactic pressing)에 의해 압축된다. 압축함으로써 핫 존의 밀도가 이론 밀도의 95% 이상, 바람직하게는 약 99% 이상인 세라믹체(ceramic body)를 수득한다. 압축된 핫 존의 평균 입자 크기는 통상적으로 1 내지 10um, 바람직하게는 1 내지 3um이다.
본 발명의 점화기는 난로 및 요리 기구와 같은 기상 연료 점화 용품, 베이스보드형 히터, 가스 보일러 또는 오일 보일러 및 가스 또는 오일 스토브 탑을 포함하여 다수의 용도로 사용될 수 있다. 하나의 바람직한 양태에 있어서, 본 발명의 30V 점화기 4개를 직렬로 제공하여 120V 가스 범위에서 가스 연소 가열 소자용 점화원으로서 사용한다.
본 발명의 점화기는 통상적으로 3 내지 60V 전압 범위에서 사용되지만, 보다 통상적으로는 12 내지 40V 범위에서 사용된다. 3 내지 9V 범위에서는 핫 존 길이를 보다 짧게 사용하고/하거나 MoSi2함량을 증가시킴으로써 적합한 특성을 나타내는 데 필요한 전기 저항률이 보다 낮은 것으로 믿어진다.
또한, 본 발명의 노출된 전기 저항성 핫 존은 통상적인 '804 특허의 점화기보다 높은 전력의 표면 부하(watt/핫 존 표면적 cm2을 측정)를 나타낸다. 통상적으로 200 내지 400watts/cm2인 본 발명의 점화기의 노출된 전기 저항성 핫 존의 표면 부하는 전소(burnout)되기 전에 단지 약 20 내지 40watts/cm2의 표면 부하를 제공할 수 있는 '804 특허의 점화기('804 특허의 칼럼 7 내지 8 참조)보다 향상되었음을 나타낸다. 이론과 결부시키고 싶지는 않지만, 보다 높은 표면 부하는 본 발명의 점화기의 대류 냉각에 대한 저항성이 훨씬 크기 때문인 것으로 믿어진다.
몇몇 양태에 있어서, 핫 존 및/또는 레그들은 CVD AlN 또는 Si3N4와 같은 보호 세라믹 층으로 피복될 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 피복된 점화기는 카본 또는 매연이 짧은 핫 존에 부착되어 단락(short)을 초래하는 것으로부터 보호된다.
본 발명의 실행은 다음 비제한적 실시예 및 비교실시예로부터 추가로 이해될 수 있다. 본 발명의 목적을 위해서, "안정한" 점화기는 규정된 전압에서 일정한 전기 저항률과 일정한 온도를 유지하는 점화기이다.
실시예 I
미처리 라미네이트를 실질적으로 도 5에 도시되어 있는 형태로 구성한다. 필수적으로 100v/o 질화알루미늄 분말로 이루어진 전기 절연성 히트 싱크 분말 다음에, 64v/o AlN, 25v/o SiC 및 11v/o MoSi2로 이루어진 핫 존 분말 혼합물을 포함하는 복합 분말을 가온 압축시켜 빌릿(billet)을 형성시키고, 이어서 이를 슬라이싱하여 도 5의 미처리 타일(24)을 형성시킨다. 가온 압축된 미처리체인 핫 존 부분의 밀도는 이론 밀도의 약 63%이지만, AlN 부분의 밀도는 이론 밀도의 약 60%이다. 20v/o AlN, 60v/o SiC 및 20v/o MoSi2를 함유하는 분말 혼합물을 가온 압축시켜 밀도가 이론 밀도의 약 63%인 빌릿을 형성시킴으로써 전도성 말단을 나타내는 미처리 타일을 제조하고 이로부터 도 5의 타일들(21 및 32)을 슬라이싱한다. 미처리 타일들을 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 적층시킨 다음, 약 1800℃에서 약 1시간 동안 유리 고온 이소스택틱 압축시킴으로써 압축하여 동일반응계 내에서 형성된 제2 전기 저항 구역을 갖는 세라믹 블록을 형성시킨다. 이어서, 블록을 이의 폭을 가로질러 슬라이싱하여 치수가 1.5" x 0.150" x 0.030"(3.81cm x 0.75cm x 0.076cm)인 다수의 고온 표면 소자를 형성시킨다. 생성된 핫 존은 깊이가 약 0.125cm인 제1 전기 저항 구역과 깊이가 약 0.05cm인 동일 반응계 내에서 형성된 제2 전기 저항 구역을 포함한다. 핫 존 길이(EPL) 및 두께는 각각 약 0.25cm 및 0.076cm이다.
적합한 리드를 고온 표면 부재의 전도성 부분에 부착시키고 약 30V의 전압을 인가한다. 생성된 공칭 24V 점화기의 전기 성능을 전압 및 온도 면에서 도 7에 도시한다. 저온 전기 저항률이 고온 전기 저항률보다 낮기 때문에, 핫 존은 효과적인 PTCR을 갖는다. 점화기는 안정한 가열 성능을 나타내고 단지 약 1.0초 이내에 목적 온도 1100 내지 1350℃에 도달한다. 도 8a에 도시되어 있는 바와 같이, 돌입 전류는 단지 3.2amps인 것으로 밝혀졌다. 54watt에서 측정된 전력은 약 300watt/cm2의 노출된 전기 저항성 핫 존의 표면 부하를 제공한다.
실시예 II
본 실시예는 다음 비교실시예 I에서 제시되는 점화기에 비해 본 발명의 점화기에 의해 제공되는 대류 냉각에 대한 우수한 저항성을 보여주고자 하는 것이다.
점화기를 실질적으로 실시예 I에 따라서 제조한다. 본 발명의 점화기의 전기 경로 길이는 0.25cm이다. 이 점화기에 24V의 전압을 인가하는 경우, 1.8A의 전류를 발생시키고 1408℃의 안정한 온도를 이룬다.
공기 400cc/min(ccm)을 공급하는 가스 통을 점화기로부터 약 1ft 지점에 둔다. 공기 분사로부터의 스트림은 핫 존의 온도를 약 1182℃로 감소시킬 뿐이다. 공기 분사는 점화기를 끄트리지 못한다.
비교실시예 I
'804 특허하에 노턴 캄파니가 시판하고 있는 통상적인 24V 점화기를 비교용으로 선택한다. 이의 핫 존 전기 경로 길이는 약 2.05cm이다. 24V의 전압을 인가하는 경우, 이 점화기는 약 2 내지 3초 이내에 약 1100 내지 1350℃에 도달하고 1410℃의 안정한 온도를 이룬다. 도 8b에 도시되어 있는 바와 같이, 이의 돌입 전류는 약 11amps이고 이는 약 3amps 이상에서 고정된다. 위에서 기술한 공기 분사로부터의 스트림은 핫 존 온도를 목적하는 최소 1100℃ 미만인 약 950℃로 저하시킨다.
'804 특허하에 노턴 캄파니가 시판하고 있는 통상적인 12V 점화기에 12V 전압을 인가하면 약 2.0amps의 안정한 전류를 발생시키고 1400℃의 안정한 온도를 이룬다. 위에서 기술한 공기 분사로부터의 스트림은 핫 존의 온도를 600℃ 미만으로 저하시킨다.
실시예 III
본 실시예는 본 발명의 점화기의 우수한 수명 시험 결과를 보여준다.
실시예 II에서 사용한 것과 유사한 24V 점화기의 수명 사이클을 시험하는데, 여기서 점화기를 20초 동안 켜 놓은 다음 20초 동안 끈다. 543,000 사이클 후에 전류의 감소율은 단지 5.43%이다. 이렇게 작은 변화는 통상적으로 유사한 사이클에 대해 16% 감소율을 나타내는 표준 '804 특허의 점화기보다 개선되었음을 나타낸다. 본 발명의 점화기의 온도는 초기에 약 1393℃이고 수명 사이클 시험을 거치면서 약 1379℃로 감소될 뿐이다.
실시예 IV
본 실시예는 핫 존 조성물이 전기 절연성 히트 싱크 물질과 접촉할 때, 조성물이 동일반응계 내에서 형성되는 전기 저항 구역의 형성을 억제하는 점화기의 거동을 시험한다. 특히, 이는 돌입 전류의 감소에 있어서 동일반응계 내에서 형성된 제2 전기 저항 부분에 의해 제공되는 잇점을 보여준다.
위의 실시예 II에서 기술한 점화기와 거의 유사한 방법으로 점화기를 제조하는데, 단 4v/o 알루미나를 삽입 조성물에 가하여 제2 전기 저항 조성물의 동일반응계 내에서의 형성을 억제한다.
생성된 세라믹의 미소구조체에 대한 시험은 제2 전기 저항 구역의 동일반응계 내에서의 형성도를 감소시키는 것으로 드러났다. 알루미나의 첨가가 제2 전기 저항 구역의 형성을 효과적으로 억제하는 것으로 믿어진다.
24V 전압을 이 점화기에 인가하는 경우, 점화기는 약 1초 이내에 약 1350℃에 도달하고 안정하다. 도 8c에 도시되어 있는 바와 같이, 이의 돌입 전류는 단지 4amps로서, 통상적인 '804 특허의 점화기의 돌입 전류보다는 낮지만 실시예 I의 돌입 전류보다는 높다. 이는 나중에 2amps로 고정된다.
비교실시예 II
본 비교실시예는 본 발명의 점화기의 우수한 표면 부하를 입증한다.
표준 24V 점화기에 24V의 전압을 인가하면 안정한 온도를 이루고 1.57amps를 발생시킨다. 전압을 35V로 증가시키는 경우(이에 의해 2.3amps의 전류가 발생된다), 점화기는 고장난다. 고장시 점화기의 표면 부하는 단지 60watt/cm2이다. 비교해보면, 실시예 I의 점화기는 노출된 전기 저항성 핫 존의 표면 부하가 약 300watt/cm2이다.

Claims (24)

  1. 각각 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(a),
    전기 전도성 부분의 제1 말단들 사이에 위치하여 제1 말단들 각각에 전기적으로 연결되어 있으며 전기 경로 길이가 0.5cm 미만인 전기 저항성 핫 존(hot zone)(b) 및
    핫 존과 접촉하고 있는 비전기전도성 히트 싱크 물질(heat sink material)(c)을 포함하는 세라믹 점화기.
  2. 제1항에 있어서, 핫 존의 실온 전기 저항률이 약 0.01 내지 약 3.0ohm-cm이고 1350℃ 전기 저항률이 약 0.001 내지 약 3.0ohm-cm인 점화기.
  3. 제1항에 있어서, 핫 존이 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전기 절연재(a) 약 50 내지 약 75용량%, 탄화규소, 탄화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체 물질(b) 약 10 내지 약 45용량% 및 이규화몰리브덴, 이규화텅스텐, 탄화텅스텐, 질화티탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속성 전도체(c) 약 8.5 내지 약 14용량%를 포함하는 조성물을 갖는 제1 전기 저항 물질을 포함하는 점화기.
  4. 제3항에 있어서, 비전기전도성 히트 싱크 물질이 AlN, Si3N4, BN, Al2O3및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 세라믹인 점화기.
  5. 제3항에 있어서, 전기 전도성 부분이 핫 존으로부터 동일한 방향으로 연장되어 한 쌍의 레그(leg)를 규정하는 제2 말단들을 추가로 포함하고 비전기전도성 히트 싱크 물질이 레그들 사이에 위치하는 점화기.
  6. 제3항에 있어서, 핫 존이 제1 전기 저항 물질과 비전기전도성 히트 싱크 물질 사이에 위치하는 동일 반응계 내에서 형성된 전기 저항 부분을 추가로 포함하는 점화기.
  7. 제3항에 있어서, 핫 존이, 저항률이 제1 전기 저항 물질의 전기 저항률보다 큰 제2 전기 저항 물질을 추가로 포함하는 점화기.
  8. 제3항에 있어서, 비전기전도성 히트 싱크 물질이 AlN, Si3N4, BN, Al2O3및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 세라믹을 90v/o 이상 포함하는 점화기.
  9. 제8항에 있어서, 비전기전도성 히트 싱크 물질이 필수적으로 AlN으로 이루어지는 점화기.
  10. 제3항에 있어서, 핫 존이 1 내지 10v/o Al2O3를 추가로 포함하는 점화기.
  11. 제3항에 있어서, 제1 전기 저항 물질이 50 내지 75용량%의 AlN, 12 내지 41.5용량%의 SiC 및 8.5 내지 12용량%의 MoSi2를 포함하는 점화기.
  12. 제3항에 있어서, 핫 존의 전기 경로 길이가 0.05 내지 0.45cm인 점화기.
  13. 제3항에 있어서, 핫 존의 전기 경로 길이가 0.15 내지 0.25cm인 점화기.
  14. 제3항에 있어서, 핫 존의 두께가 0.05 내지 0.2cm이고 깊이가 0.05 내지 0.4cm인 점화기.
  15. 제3항에 있어서, 핫 존의 평균 입자 크기가 1 내지 10um인 점화기.
  16. 제3항에 있어서, 핫 존의 평균 입자 크기가 1 내지 3um인 점화기.
  17. 제3항에 있어서, 핫 존의 밀도가 이론 밀도의 95% 이상인 점화기.
  18. 제3항에 있어서, 핫 존의 밀도가 이론 밀도의 99% 이상인 점화기.
  19. 제7항에 있어서, 제2 전기 저항 물질의 깊이가 제1 전기 저항 물질의 깊이의 약 1 내지 약 20%인 점화기.
  20. 제8항에 있어서, 전기 절연성 히트 싱크 물질이 이트리아, 마그네시아, 칼시아, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 소결 조제를 추가로 포함하는 점화기.
  21. 각각 제1 말단을 갖는 한 쌍의 전기 전도성 부분(i),
    전기 전도성 부분의 제1 말단들 사이에 위치하여 제1 말단들 각각에 전기적으로 연결되어 있으며 전기 경로 길이가 0.5cm 미만인 전기 저항성 핫 존(ii) 및
    핫 존과 접촉하고 있는 비전기전도성 히트 싱크 물질(iii)을 포함하는 세라믹 점화기를 제공하는 단계(a) 및
    점화기의 전도성 말단들 사이에 3 내지 60V의 전압을 인가하여 정상 상태 전류 대 돌입 전류(inrush current)의 비가 35% 이상으로 되도록 돌입 전류와 정상 상태 전류를 발생시키고 핫 존의 온도를 약 3초 미만 이내에 약 1350℃로 상승시키는 단계(b)를 포함하는 가열방법.
  22. 제21항에 있어서, 정상 상태 전류 대 돌입 전류의 비가 50% 이상인 방법.
  23. 제21항에 있어서, 전기 저항성 핫 존이 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전기 절연재(a) 약 50 내지 약 75용량%, 탄화규소, 탄화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체 물질(b) 약 10 내지 약 45용량% 및 이규화몰리브덴, 이규화텅스텐, 탄화텅스텐, 질화티탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속성 전도체(c) 약 8.5 내지 약 14용량%를 포함하는 조성물을 갖는 제1 전기 저항 물질을 포함하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 전기 저항성 핫 존이 50 내지 75용량%의 AlN, 13 내지 41.5용량%의 SiC 및 8.5 내지 12용량%의 MoSi2를 포함하는 제1 전기 저항 물질을 포함하는 방법.
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