KR20020062980A

KR20020062980A - 세라믹 점화기용 조성물

Info

Publication number: KR20020062980A
Application number: KR1020027007922A
Authority: KR
Inventors: 린로저제이.; 윌켄스크레이그에이.; 솔로프라케빈씨.; 쉐리단토마스제이.
Original assignee: 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-07-31
Also published as: NO324423B1; TWI231353B; CN1451088A; ES2206068B1; GB0217001D0; CZ20022160A3; SE0201853D0; TR200201612T2; CN1206474C; ES2206068A1; DE10085318T1; BR0016558A; AU2593801A; SE0201853L; GB2380113A; CA2393841A1; NO20022950D0; JP2008116192A; GB2380113B; US6582629B1

Abstract

본 발명은 전도성 재료 성분과 절연 재료 성분(여기서, 절연 재료 성분은 상대적으로 고농도의 금속 산화물을 포함한다)을 함유하는 세라믹 점화기 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 세라믹 점화기는 약 187 내지 264V의 전체 범위를 포함하는 고전압 사용에 특히 효과적이다. 또한, 본 발명의 점화기는 120V 또는 102V와 같은 보다 저전압 및 6, 8, 12 또는 24V와 같은 100V 이하의 전압에 유용하다.

Description

세라믹 점화기용 조성물{Compositions for ceramic igniters}

세라믹 재료는 가스 화염 노, 스토브 및 의류 건조기에서 점화기로서 많이 사용되고 있다. 세라믹 점화기 제조에는, 와이어 납으로 전기를 통하게 하는 경우, 일부분의 저항성이 높고 온도가 상승하는 세라믹 성분에 의한 전기 회로의 구성을 필요로 한다.

한가지 종래의 점화기, 즉 뉴 햄프셔 밀포드 소재의 노톤 이그니터 프로덕츠(Norton Igniter Products)가 시판하고 있는 미니-이그니터(Mini-Igniter^TM)는 12V 내지 120V 인가용으로 설계되어 있고, 질화알루미늄("AlN"), 이규화몰리브덴("MoSi₂") 및 탄화규소("SiC")로 이루어진 조성을 갖는다. 그러나, 미니-이그니터가 매우 효과적인 제품이긴 하지만, 특정한 분야에서는 120V 초과의전압을 필요로 한다.

특히, 유럽에서의 공칭 전압은 220V(예: 이탈리아), 230V(예: 프랑스) 및 240V(예: 영국)를 포함한다. 표준 점화기 승인 시험은 특정 공칭 전압의 85 내지 110% 범위에서의 작동을 요구한다. 따라서, 단일 점화기가 유럽 전체에서 사용할 수 있도록 승인되기 위해서는 약 187 내지 264V(즉, 220V의 85% 및 240V의 110%)에서 작동되어야 한다. 종래 점화기는, 특히 비교적 짧은 고온대(hot zone) 길이(예: 약 12in 이하)가 사용되는 경우, 이러한 높은 및 확장된 전압 범위를 제공하기 어렵다.

예를 들면, 보다 고전압의 인가에서, 종래 점화기는 온도를 뺏어감으로 전압을 단계적으로 저하시키기 위해 제어 시스템에서 변압기를 필요로 한다. 이러한 변압기 장치의 사용은 덜 바람직하다는 것이 명백하다. 따라서, 특히 약 187 내지 264V 범위에 걸쳐 고전압 인가를 위해서는, 고가의 변압기를 요구하지 않지만 여전히 선간 전압 편차를 예측하기 위해 응용 및 가열 산업에서 규정된 다음 요건을 보유하는, 비교적 작은 점화기가 요구된다.

온도에 대한 시간("TTT") : < 5초

디자인 전압의 85%에서 최소 온도 : 1100℃

디자인 전압의 100%에서 디자인 온도 : 1300℃

디자인 전압의 110%에서 최대 온도 : 1500℃

고온대 길이 : < 1.2 내지 1.5"

전력 : < 100W

소정의 점화기 기하에 있어서, 보다 고전압의 시스템을 제공하는 한가지 가능한 경로는 점화기의 저항을 증가시키는 것이다. 특정한 바디의 저항은 일반적으로 다음 방정식에 따른다.

Rs = Ry ×L/A

위의 방적식에서,

Rs는 저항이고,

Ry는 저항률이며,

L은 전도체의 길이이고,

A는 전도체의 단면적이다.

종래 세라믹 점화기의 단일 레그(leg) 길이는 약 1.2in이기 때문에, 레그 길이는 이의 상업적 잇점을 감소시키지 않고서는 현저히 증가시킬 수는 없다. 유사하게는, 보다 작은 점화기, 즉 약 0.0010 내지 0.0025in²점화기의 단면적은 제조 동기를 감소시키지 않을 것 같다.

미국 특허 제5,405,237호("워시번(Washburn) 특허")에는, MoSi₂(a) 5 내지 50용적%("v/o" 또는 "용적%") 및 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화알루미늄, 마그네슘 알루미네이트, 옥시질화알루미늄규소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료(b) 50 내지 95v/o를 포함하는, 세라믹 점화기의 고온대용으로 적합한 조성물이 기재되어 있다.

매우 유용한 추가의 세라믹 조성물 및 시스템은 윌켄스(Willkens) 등의 미국특허 제5,514,630호와 제5,820,789호에 기재되어 있다. 미국 특허 제5,514,630호는 고온대 조성물이 알루미나 20v/o를 초과하지 않아야 함을 기재한다. 미국 특허 제5,756,215호는 탄화규소 2중량% 이하를 함유하는 납 층을 포함하는 추가의 소결된 조성물을 기재한다.

따라서, 신규한 세라믹 고온대 점화기 조성물이 바람직할 것이다. 고전압, 예를 들면, 약 187 내지 264V에서 확실하게 작동할 수 있는, 특히 고온대 길이가 비교적 짧은 신규한 점화기 조성물이 특히 바람직할 것이다.

발명의 요약

본 발명에 이르러, 본 발명자들은 187 내지 264V 범위를 포함하여, 고전압 사용에 특히 효과적인 신규한 세라믹 조성물을 발견하였다.

또한, 본 발명의 세라믹 조성물은 120V, 102V, 24V, 12V, 8V 또는 6V 인가를 포함하여 저전압 인가에 특히 유용하다. 본 발명의 조성물은 매우 효율적인 전력 소비를 나타내므로 이러한 저전압 인가에 매우 유용하다.

보다 구체적으로, 본 발명의 한 가지 양태에서 본 발명의 세라믹 고온대 조성물은 3개 이상의 성분: 즉 전도성 재료(1), 반도체 재료(2) 및 비교적 고농도의 금속 산화물(예: 알루미나)을 포함하는 절연 재료(3)를 함유한다.

놀랍게도, 이러한 고농도(예: 약 25 또는 30v/o 이상의 절연 재료 성분)의 금속 산화물은 220, 230 및 240V를 포함하여 높은 공칭 전압을 확실하게 제공할 수 있는 세락믹 조성물을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

더욱이, 본 발명의 세라믹 고온대 조성물은, 약 187 내지 약 264V를 포함하여, 매우 광범위한 고전압 범위에 걸쳐 선간 전압을 확실하게 제공하는 것으로 반복 입증되었다. 따라서, 본 발명의 점화기는 유럽 전체에서 사용될 수 있고, 다수의 유럽 국가에서 사용된 몇몇 별개의 고전압의 85 내지 110% 이내에서 확실하게 작동한다. 또한, 특정한 종래 고온대 조성물은 특정한 고전압에서 신뢰 전압을 제공할 수 있지만, 이들 조성물은, 전압이 보다 넓은 범위에 걸쳐 변동되기 때문에 종종 고장을 일으킨다는 것을 인지해야 한다. 따라서, 확장된 고전압 범위에 걸쳐 확실한 장기간 성능을 제공하는 본 발명의 조성물은 명백히 현저한 진보를 나타낸다.

본 발명의 고온대 조성물은 위에서 언급한 바와 같이 고전압 사용에 특히 효과적이지만, 본 발명의 조성물은 또한 120V 또는 102V를 포함하는 저전압 인가 또는 100V 이하 인가(예: 6, 8, 12 또는 12V 인가) 등의 보다 저전압 또는 6V 이하 시스템 등의 저전압 인가 시스템에 매우 유용한 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 본 발명의 점화기 및 고온대 조성물은 전지-동력 공급 점화 시스템에서 사용될 수 있다. 본 발명의 세라믹 고온대 조성물은, 특수한 전력 소비 효율을 나타내어 이러한 저전압 인가에 특히 유용한 조성물 및 점화기를 제공하는 것으로 밝혀졌다(참조예: 다음 실시예 6의 결과). 또한, 이러한 향상된 전력 소비 효율은 점화 시스템에서 보다 경제적인 성분을 사용할 수 있게 하고, 예를 들면, 저렴한(보다 낮은 등급) 변압기를 특정한 고온대 조성물로 이루어진 비교용 점화기와 관련하여 본 발명의 점화기로 사용할 수 있다.

본 발명의 세라믹 고온대 조성물 및 점화기는 종래 시스템보다 낮은 열 확산률 및 종래 시스템보다 높은 비열을 나타낼 수 있고, 이는 본 발명의 조성물이 장기간 동안 보다 많은 열 에너지를 보유할 수 있게 한다(참조: 다음 실시예 7의 결과).

본 발명의 바람직한 세라믹 점화기는, 저항이 약 10¹⁰ohmㆍcm 이상인 전기 절연 재료(a), 저항이 약 1 내지 약 10⁸ohmㆍcm인 반도체성 재료(b)(바람직하게는, 고온대 조성물의 약 5 내지 약 45v/o는 반도체성 재료로 이루어져 있다) 약 3 내지 약 45v/o 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(c)(바람직하게는, 고온대 조성물의 약 5 내지 약 25v/o는 금속성 전도체로 이루어져 있다)로 이루어진 고온대 조성물(여기서, 고온대 조성물의 약 21v/o 이상은 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있다)을 포함한다. 바람직하게는, 고온대 조성물의 약 25v/o 이상은 알루미나 등의 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있고, 보다 바람직하게는 고온대 조성물의 약 30, 40, 50, 60, 70 또는 80v/o 이상은 알루미나 등의 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있다. 바람직하게는, 절연 재료의 약 25v/o 이상은 알루미나 등의 금속 산화물로 이루어져 있고, 보다 바람직하게는 절연 재료의 약 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90v/o 이상은 알루미나 등의 금속 산화물로 이루어져 있다. 또한, 단일 절연 재료 성분이 금속 산화물인 경우가 바람직하다. 바람직하게는, 고온대 조성물은 절연 재료 약 25 내지 약 80v/o를 포함하고, 보다 바람직하게는 고온대 조성물의 약 40 내지 약 70v/o는 절연 재료로 이루어져 있다.

본 발명의 추가의 바람직한 세라믹 점화기는 저항이 약 10¹⁰ohmㆍcm 이상인 전기 절연 재료(여기서, 절연 재료의 실질적인 부분은 알루미나 등의 금속 산화물로 이루어져 있다), 약 3, 4, 5 또는 10v/o 이상의 양의 탄화물(예: 탄화규소)인 반도체 재료 및 금속성 전도체로 이루어진 고온대 조성물을 포함한다.

본 발명의 추가의 양태에서, 본 발명의 바람직한 세라믹 점화기는 SiC 등의 탄화물을 실질적으로 포함하지 않는 고온대 조성물을 포함한다. 이러한 조성물은 금속성 전도체 및, 저항이 약 10¹⁰ohmㆍcm 이상인 전기 절연 재료(여기서, 절연 재료의 일부분은 알루미나 등의 금속 산화물로 이루어져 있고, 또한 절연 재료 성분은 산화물이 아닌 추가의 절연 재료, 예를 들면, AlN 등의 질화물을 함유한다)를 포함한다. 이러한 조성물은 절연 재료/반도체 재료/전기 절연 재료의 3원 조성물에 대해 위에서 기재한 양과 용일한 양 또는 유사한 양을 함유할 수 있다.

본 발명의 고온 표면 세라믹 점화기는 매우 작은 고온대 길이, 예를 들면, 약 1.5in 이하 또는 약 1.3, 1.2 또는 1.0in 이하로 제조될 수 있고, 점화기에 대한 전력을 측정하기 위한 특정 유형의 전기 제어 장치의 부재하에 약 187 내지 264V를 포함하는 고전압에서 확실하게 사용될 수 있다. 복수-레그 기하 점화기(예: 헤어핀 슬롯화 디자인)의 경우, 고온대 길이는 본원에서 복수-레그 점화기의 단일 레그를 따르는 고온대의 길이인 것으로 이해될 것이다.

더욱이, 본 발명의 점화기는 작동 온도(예: 약 1300℃, 1400℃ 또는 1500℃)로 약 5 또는 4초 이내 또는 심지어 3, 2.5 또는 2초 이내에 신속히 가열할 수 있다.

본 발명의 바람직한 고온대 조성물은 또한 현저한 고온 성능, 즉 고장 없이 고온에의 반복된 노출을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명은 각각의 연료 점화에서 점화기 요소의 반복 가열을 필요로 하지 않는 점화 방법을 포함한다. 오히려, 본 발명의 점화기는 즉시 점화를 제공하기 위해 장기간 동안, 예를 들면, 화염 소멸 동안 상승된 점화 온도에서 연속적으로 작동시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 점화기는 냉각 기간 없이 장기간 동안 승온(예: 약 800℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1350℃ 등)에서, 예를 들면, 이러한 온도에서 2, 5, 10, 20, 30, 60 또는 120분 이상 동안 작동시킬 수 있다.

본 발명의 점화기는 다양한 디자인 및 배열로 제조할 수 있다. 바람직한 디자인에는 "슬롯화(slotted)" 또는 2-레그 헤어핀 시스템이 포함되며, 여기서 전도성 레그에는 공극이 삽입되어 있고 고온대 영역이 가교되어 있다. 다양한 적용을 위해서는 공극 부분을 포함하지 않는 "무슬롯(slotless)" 디자인이 바람직하다. 통상의 점화기 디자인은, 전도성 레그 사이에 삽입되어 있고 저항성 고온대 영역을 접촉시키는 절연체 영역을 포함한다.

본 발명에 따라 사용된 무슬롯 점화기 디자인(즉, 중심 점화기 영역은 한 쌍의 전도성 영역 사이에 배치되어 있고 저항성 고온대를 접촉시키는 비전도체 또는 절연체를 포함한다)은, 전류가 저항성 고온대 영역으로 유동하기 보다는 오히려 2개의 전도체 영역 사이의 중심 비전도체 영역을 가로지르는, 특히 소위 "아킹(arcing)"에 의해 조기에 고장을 일으킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 달리 말하면, 유전체 파괴는 절연체 영역을 통해 발생한다. 삽입된 비전도체 영역을 통한 전류의 이러한 바람직하지 않은 "아킹"은 고전압 인가, 예를 들면, 200V 초과에서 더욱 우세할 수 있다.

본 발명자들은 무슬롯 점화기 시스템에서 이러한 바람직하지 않은 아킹을 회피하기 위한 몇가지 방법을 발견하였다. 바람직한 방법은 절연체 영역 조성물의 질화알루미늄 함량을 증가시키고 상응하게 산화알루미늄 함량을 감소시키는 것이다. AlN 함량의 이러한 증가는 바람직하지 않은 아킹을 효과적으로 방지할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또다른 방법은 형성된 절연체 영역을 산화시키는 것이다. 이러한 산화(예: 공기 중에서의 열 처리, 화학적 산화제를 사용한 처리)는 절연체 영역을 보다 저항성으로 되게 하고 전기적으로 안정하게 하는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 다른 양태는 하기에 기재되어 있다.

본 발명은 세라믹 점화기 조성물, 보다 특히, 전도성 재료 성분과 비교적 고농도의 금속 산화물을 포함하는 절연 재료 성분을 함유하는 세라믹 점화기 조성물에 관한 것이다.

도 1은 Al₂O₃가 회색이고 SiC가 연회색이며 MoSi₂가 백색인 본 발명의 바람직한 3원 고온대 조성물의 미세구조를 나타낸다.

도 2는, AlN이 회색이고 SiC가 연회색이며 MoSi₂가 백색인, 금속 산화물을 함유하지 않는 종래 고온대 조성물의 미세 구조를 나타낸다.

도 3A 내지 도 3D는 바람직한 "슬롯화" 점화기 디자인 및 "무슬롯" 점화기 디자인을 도시한다.

위에서 기재한 바와 같이, 본 발명의 제1 양태는, 2개의 냉각대(cold zone)와 당해 냉각대 사이에 배치된 전기 절연 재료(a), 반도체성 재료(b) 약 3용적% 이상 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(c)로 이루어진 고온대 조성물(여기서, 고온대 조성물의 약 21용적% 이상은 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있다)을 포함하는 고온대를 포함하는, 소결된 세라믹 점화기 요소를 제공한다.

또한, 전기 절연 재료(a) 25 내지 80용적%, 반도체성 재료(b) 3 내지 45용적% 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(c) 5 내지 25용적%로 이루어진 고온대 조성물(여기서, 고온대 조성물의 약 21용적% 이상은 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있다)을 포함하는 소결된 세라믹이 제공된다.

질화물 및 금속 산화물을 함유하는 전기 절연 재료(a) 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(b)를 포함하고 실질적으로 탄화물 재료를 함유하지 않는 고온대 조성물을 갖는 소결된 세라믹이 추가로 제공된다.

일반적으로, 전류를 본 발명의 점화기에 인가함을 포함하는, 가스 연료의 점화방법이 제공된다.

위에서 언급한 바와 같이, 예상치 않게, 현저한 용적의 금속 산화물을 세라믹 고온대 조성물에 첨가함으로써, 220, 230 또는 240V를 포함하는 높은 공칭 전압하에 효과적으로 사용될 수 있는 세라믹 점화기가 수득되는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 이들 고온대 조성물은 매우 광범위한 전압 범위에 걸쳐 유용할 수 있고, 따라서 당해 조성물은 또한 저전압 인가, 예를 들면, 120V 또는 102V 또는 6 내지 24V 인가 등의 보다 저전압용으로 사용될 수 있다.

위에서 언급되고 다음 실시예에서 입증된 바와 같이, 본 발명의 고온대 조성물 및 점화기는 종래 시스템보다 낮은 열 확산률 및 종래 시스템보다 높은 비열 뿐만 아니라 매우 우수한 전력 소비 효율을 나타낼 수 있다.

어떠한 이론에도 한정되지 않고서, 이러한 특성은 단독으로 또는 조합하여 본 발명의 점화기의 성능을 저전압 인가, 예를 들면, 100V 이하의 인가에서 촉진시킬 수 있을 것으로 생각된다. 특히, 이러한 효율적인 전력 소비 및/또는 열 확산률 특성은 본 발명의 점화기를 전지-동력 공급 점화용으로 유용하게 하고, 예를 들면, 옥외 또는 휴대용 가열 장치 또는 쿡킹 장치, 예를 들면, 레크레이션용 차량 등에 사용되는 바베큐 장치, 쿡킹(그릴) 및 가열 장치에 사용될 수 있게 한다.

절연 재료 성분에서 사용하기에 적합한 금속 산화물에는, 예를 들면, 산화알루미늄, 금속 옥시질화물(예: 옥시질화알루미늄 및 옥시질화규소), 산화알루미늄마그네슘 및 산화알루미늄규소가 포함된다. 본 발명의 경우에는 금속 옥시질화물이 금속 산화물로서 간주된다. 몇몇 양태에 있어서, 금속 산화물은 질소 성분을 함유하지 않는 것, 즉 질소원자를 함유하지 않는 금속 산화물이 바람직할 것이다. 산화알루미늄(Al₂O₃)이 통상 바람직한 금속 산화물이다. 보다 통상적으로는 단일 금속 산화물이 사용되지만, 별개의 금속 산화물의 혼합물도 또한 경우에 따라 사용될수 있다.

본 발명에 있어서, 용어 전기 절연 재료는 실온 저항이 약 10¹⁰ohmㆍcm 이상인 재료를 의미한다. 본 발명의 고온대 조성물의 전기 절연 재료 성분은 하나 이상의 금속 산화물 단독으로 이루어지거나, 달리는 절연 성분은 금속 산화물(들) 이외의 재료를 함유할 수도 있다. 예를 들면, 절연 재료 성분은 질화물(예: 질화알루미늄, 질화규소 또는 질화붕소), 희토류 산화물(예: 이트리아) 또는 희토류 옥시질화물을 추가로 함유할 수 있다. 절연 성분의 바람직한 첨가 재료는 질화알루미늄(AlN)이다. 금속 산화물과 배합하여 질화알루미늄 등의 추가의 절연 재료의 사용은 바람직한 고전압 적합성을 유지하면서 목적하는 열 팽창 화합 특성을 갖는 고온대를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.

위에서 언급한 바와 같이, 절연 재료 성분은 중요 부분으로서 하나 이상의 금속 산화물을 함유한다. 보다 구체적으로, 구성된 절연 재료의 약 25v/o 이상은 하나 이상의 금속 산화물로 이루어져 있고, 보다 바람직하게는 절연 재료의 약 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 98v/o 이상은 하나 이상의 금속 산화물(예: 알루미나)로 이루어져 있다.

본 발명의 바람직한 고온대 조성물에는 단지 금속 산화물과 금속 질화물과의 배합물, 특히 알루미나(Al₂O₃)와 질화알루미늄(AlN)과의 배합물인 절연 재료 성분을 함유하는 것들이 포함된다. 바람직하게는, 금속 산화물은, 예를 들면, 절연 성분이 금속 산화물(예: 알루미나)을 약 50, 55, 60, 70, 80, 90, 95 또는 98v/o 이상함유하고 당해 잔여량이 질화알루미늄 등의 금속 질화물인 당해 배합물의 주요 부분이다.

본 발명의 바람직한 고온대 조성물에는 또한 절연 재료 성분이 하나 이상의 금속 산화물(예: 알루미나)로 완전히 이루어진 것들이 포함된다.

알루미나를 고온대 조성물의 그린 바디에 첨가하는 경우, 임의의 편리한 알루미나 분말을 선택할 수 있다. 전형적으로, 평균 입자 크기가 약 0.1 내지 약 10μ이고 불순물이 단지 약 0.2w/o인 알루미나 분말이 사용된다. 바람직하게는, 알루미나의 입자 크기는 약 0.3 내지 약 10㎛이다. 보다 바람직하게는, 아칸사스 바우자이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스(Alcoa Industrial Chemicals)사가 시판하는 알코아 소결된 알루미나가 사용된다. 또한, 알루미나는, 이로써 제한되는 것은 아니지만, 알루미나 졸-겔 방법 및 질화알루미늄 일부분의 가수분해를 포함하여 분말 이외의 형태로 도입될 수 있다.

일반적으로, 바람직한 고온대 조성물은, 저항이 약 10¹⁰ohmㆍcm 이상인 전기 절연 재료(a) 약 50 내지 약 80v/o, 저항이 약 10 내지 약 10⁸ohmㆍcm인 반도체성 재료(b) 약 5 내지 약 45v/o 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(c) 약 5 내지 약 25v/o를 포함한다. 바람직하게는, 고온대는 전기 절연 세라믹 50 내지 70v/o, 반도체성 세라믹 10 내지 45v/o 및 전도성 재료 6 내지 16v/o를 포함한다.

전기 절연 세라믹 성분이 고온대 조성물의 약 80v/o 이상으로 존재하는 경우, 생성되는 조성물은 과도하게 저항성으로 되고, 고전압에서 목적 온도의 달성이허용되지 않을 정도로 느리다. 반대로, 전기 절연 세라믹 성분이 약 50v/o 미만으로 존재하는 경우(예를 들면, 전도성 세라믹이 약 8v/o로 존재하는 경우), 생성되는 세라믹은 고전압에서 과도하게 전도성으로 된다. 확실하게는, 전도성 세라믹 분획이 8v/o 이상 상승하는 경우, 고온대는 더욱 전도성으로 되고, 절연 분획의 상부 및 하부 경계가 적절하게 상승되어 요구되는 전압을 달성할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 추가의 양태에서는 탄화물(예: SiC) 또는 바람직하게는 다른 어떠한 반도체성 재료를 적어도 실질적으로 함유하지 않는 세라믹 고온대 조성물이 제공된다. 이러한 조성물은 금속성 전도체 및 저항이 약 10¹⁰ohmㆍcm 이상인 전기 절연 재료를 포함하며, 여기서 절연 재료의 실질적인 부분은 알루미나 등의 금속 산화물로 이루어져 있고, 절연 재료 성분은 또한 산화물이 아닌 추가의 재료, 예를 들면, 질화물(예: AlN)을 함유한다. 바람직하게는, 이러한 조성물은 탄화물을 약 5v/o 미만으로 함유하고, 보다 바람직하게는 당해 조성물은 탄화물을 약 2, 1, 0.5v/o 미만으로 함유하거나, 더욱 바람직하게는 당해 고온대 조성물은 탄화물 또는 기타 반도체성 재료를 전혀 함유하지 않는다.

본 발명에 있어서, 반도체성 세라믹(또는 "반도체")는 실온 저항이 약 10 내지 10⁸ohmㆍcm인 세라믹이다. 반도체성 성분이 고온대 조성물의 약 45v/o 이상으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6 내지 10v/o의 범위로 존재하는 경우), 생성되는 조성물은 고전압 인가용으로는 과도하게 전도성으로 된다(절연체의 결핍에 기인함). 역으로, 반도체성 성분이 약 10v/o 미만으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이약 6 내지 10v/o의 범위로 존재하는 경우), 생성되는 조성물은 과도하게 저항성으로 된다(과다한 절연체에 기인함). 또한, 보다 높은 수준의 전도체에서 절연체와 반도체 분획의 보다 저항성인 혼합물은 목적하는 전압을 달성할 필요가 있다. 전형적으로, 반도체는 탄화규소(도우프된 및 도우프되지 않은) 및 탄화붕소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 탄화물이다. 탄화규소가 일반적으로 바람직하다.

본 발명에 있어서, 전도성 재료는 실온 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 것이다. 전도성 성분이 고온대 조성물의 약 25v/o 미만의 양으로 존재하는 경우, 생성되는 세라믹이 고전압 인가용으로는 과도하게 전도성으로 되어, 허용되지 않는 고온 점화기가 생성된다. 역으로, 전도성 성분이 약 6v/o 미만으로 존재하는 경우, 생성되는 세라믹이 고전압 인가용으로는 과도하게 저항성으로 되어, 허용되지 않는 냉각 점화기가 생성된다. 전형적으로, 전도체는 이규화몰리브덴, 이규화텅스텐 및 질화물(예: 질화티탄) 및 탄화물(예: 탄화티탄)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 이규화몰리브덴이 일반적으로 바람직하다.

본 발명의 특히 바람직한 고온대 조성물은 산화알루미늄, 이규화몰리브덴 및 탄화규소를 함유하고, 질화알루미늄이 절연 재료 성분의 추가 재료로서 임의로 사용된다.

워쉬번 특허(미국 특허 제5,405,237호)에 기재된 바와 같은 고온대/냉각대 점화기 디자인이 본 발명에 따라 적합하게 사용될 수 있다. 고온대는 가스 점화를 위한 작용성 가열을 제공한다. 고전압 인가(예: 187 내지 264V)에 있어서, 고온대는 바람직하게는 저항이 1000 내지 1600℃의 온도 범위에서 약 1 내지 3ohmㆍcm이다. 특히 바람직한 고온대 조성물은 Al₂O₃약 50 내지 80v/o, MoSi₂약 5 내지 25v/o 및 SiC 10 내지 45v/o를 포함한다. 보다 바람직하게는, 이는 산화알루미늄 약 60 내지 80v/o, MoSi₂약 6 내지 12v/o 및 SiC 15 내지 30v/o를 포함한다. 특히 바람직한 한 가지 양태에 있어서, 고온대는 Al₂O₃약 66v/o, MoSi₂14v/o 및 SiC 20v/o를 포함한다.

바람직한 양태에 있어서, 치밀화된 바디에서 고온대 성분의 평균 입자 크기(d50)는 다음과 같다:

a) 절연체(예: Al₂O₃, AlN 등): 약 2 내지 10μ,

b) 반도체(예: SiC): 약 1 내지 10μ 및

c) 전도체(예: MoSi₂): 약 1 내지 10μ.

도 1은 Al₂O₃, SiC 및 MoSi₂의 소결된 혼합물로 이루어진 본 발명의 바람직한 고온대 조성물의 미세구조를 기재한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성물은 성분이 배열이 비교적 균질하다. 즉, 당해 성분은 조성물 전체에 걸쳐 양호하게 분포되어 있고, 이의 미세구조에는 적어도 실질적으로 단일 조성물 성분의 거대한 부분(예: 30, 40 또는 50㎛ 폭)이 없다. 더욱이, 전도성 재료(MoSi₂) 성분 부분은점착성의 규정된 엣지를 가지며 깃털 형상이 아니다.

도 2는 금속 산화물을 함유하지 않는 종래의 고온대 조성물의 미세구조를 나타낸다. 도 2에서, 전도성 재료(MoSi₂) 성분 부분은 양호하게 규정된 경계를 갖지 않으며, 대신에 방사 및 "깃털 유사" 형상이다.

본 발명의 점화기는 다양한 배열을 갖는다. 바람직한 디자인은 슬롯화 시스템, 예를 들면, 편자 또는 헤어핀 디자인이다. 또한, 당해 바디의 반대 말단 위에 냉각 말단 또는 단자 연결 말단을 갖는 직선 막대 형상(무슬롯)이 바람직하게 사용된다.

본 발명의 점화기는 또한 전형적으로 점화기에 와이어 납을 부착시키기 위해 고온대와 전기적으로 접속된 하나 이상의 저저항률 냉각대 영역을 함유한다. 전형적으로, 고온대 조성물은 2개의 냉각대 사이에 배치된다. 바람직하게는, 이러한 냉각대 영역은, 예를 들면, AlN 및/또는 Al₂O₃또는 기타 절연 재료; SiC 또는 기타 반도체 재료 및 MoSi₂또는 기타 전도성 재료로 이루어져 있다. 그러나, 냉각대 영역은 고온대보다 현저히 높은 비율의 전도성 및 반도체성 재료(예: SiC 및 MoSi₂)를 가질 것이다. 따라서, 냉각대 영역은 전형적으로 고온대 조성물 저항의 단지 약 1/5 내지 1/1000만을 갖고, 온도가 고온대 수준까지 상승되지 않는다. 바람직한 냉각대 조성물은 산화알루미늄, 질화알루미늄 또는 기타 절연체 재료 약 15 내지 65v/o 및 MoSi₂및 SiC 약 20 내지 70v/o 또는 약 1:1 내지 약 1:3 용적 비의 기타 전도성 재료와 반도체성 재료를 포함한다. 보다 바람직하게는, 냉각대는 AlN 및/또는 Al₂O₃약 15 내지 50v/o, SiC 15 내지 30v/o 및 MoSi₂30 내지 70v/o를 포함한다. 용이하게 제조하기 위해, 바람직하게는 냉각대 조성물은 고온대 조성물과 동일한 재료로 형성되고, 반도체성 및 전도성 재료의 상대량은 보다 많다.

본 발명의 점화기에서 사용하기에 특히 바람직한 냉각대 조성물은 MoSi₂60v/o, SiC 20v/o 및 Al₂O₃20v/o를 함유한다. 본 발명의 점화기에서 사용하기에 특히 바람직한 냉각대 조성물은 MoSi₂30v/o, SiC 20v/o 및 Al₂O₃50v/o를 함유한다.

위에서 언급한 바와 같이, 무슬롯 점화기 디자인은 바람직하게는 2개의 전도성 레그 사이에 삽입된 비전도성 영역을 함유한다. 바람직하게는, 소결된 절연체 영역의 저항은 실온에서 약 10¹⁴ohmㆍcm 이상이고, 작동 온도에서 약 10⁴ohmㆍcm 이상이며, 강도는 약 150MPa 이상이다. 바람직하게는, 무슬롯 시스템의 삽입된 절연체 영역은 작동 온도에서의 저항이 고온대 영역의 저항보다 2배 이상 크다. 적합한 절연체 조성물은 하나 이상의 질화알루미늄, 알루미나 및 질화붕소를 90v/o 이상 포함한다. 일반적으로 바람직한 절연체 조성물은 (1) AlN 및/또는 Al₂O₃와 (2) SiC와의 혼합물이다. 바람직하게는, 당해 조성물은 AlN과 Al₂O₃의 혼합물을 약 90v/o 이상 포함한다.

위에서 언급한 바와 같이, 무슬롯 디자인에서의 아킹을 방지하기 위해, 바람직하게는 당해 절연체 조성물은 기타 저항성 재료, 특히 Al₂O₃등의 금속 산화물 이외에 AlN을 포함한다. AlN의 첨가는 절연체 영역의 이러한 유전체 파괴의 발생을방지할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 발명자들은 또한 놀랍게도, 절연체 조성물에서 AlN의 사용이 점화기의 사용 도중 바람직하지 않은 유전체 파괴를 방지할 수 있고 기타 고저항성 재료의 첨가가 이러한 방식에서 아킹을 감소시키지 않음을 발견하였다.

본 발명의 바람직한 절연체 조성물은 AlN, Al₂O₃및 SiC로 이루어져 있다. 이러한 AlN/Al₂O₃/SiC 절연체 조성물에서, 바람직한 AlN은 Al₂O₃에 대해 약 10, 15, 20, 25 또는 30용적% 이상의 양으로 존재한다. 본 발명의 무슬롯 점화기에서 사용하기에 일반적으로 바람직한 절연체 조성물은 AlN을 약 3 내지 25v/o, 보다 바람직하게는 약 5 내지 20v/o, 보다 더 바람직하게는 약 10 내지 15v/o의 양으로 함유하고, Al₂O₃를 60 내지 90v/o, 보다 바람직하게는 65 내지 85v/o, 보다 더 바람직하게는 70 내지 80v/o, 특히 보다 더 바람직하게는 75 내지 80v/o의 양으로 함유하며, SiC를 5 내지 20v/o, 바람직하게는 8 내지 15v/o의 양으로 함유한다. 본 발명의 무슬롯 점화기를 위한 특히 바람직한 절연체 조성물은 AlN 13v/o, Al₂O₃77v/o 및 SiC 잔여량으로 이루어져 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 점화기의 절연체 영역의 산화 처리가 또한 바람직하지 않은 유전체 파괴를 방지할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 점화기를 약 1300 내지 1700℃, 바람직하게는 약 1500 내지 1600℃에서 공기 속에서 보다 연장된 기간 동안, 예를 들면, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1시간 이상 동안 가열시켜 절연체 영역의 효과적인 산화 처리를 제공할수 있다. 그러나, 이러한 산화 처리는 추가의 가공을 수반하고, 산화 후 전도성 레그를 다시 제조해야 한다.

점화기의 치수는 이의 특성 및 성능에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로, 고온대의 단일 레그 길이는 약 0.5in 이상(냉각 대류 가스 유동이 이의 온도에 현저하게 영향을 주지 않도록 충분한 질량을 제공하기 위해) 내지 약 1.5in 미만(충분한 기계적 거칠기를 제공하기 위해)이어야 한다. 이의 폭은 충분한 강도와 제조 용이성을 제공하기 위해 약 0.1in 이상이어야 한다. 유사하게는, 이의 두께는 충분한 강도와 제조 용이성을 제공하기 위해 약 0.02in 이상이어야 한다. 바람직하게는, 본 발명의 점화기는 전형적으로 총 단일 레그 길이가 약 1.25 내지 약 2.00in이고, 고온대 단면적이 약 0.001 내지 약 0.005in²(보다 바람직하게는, 0.0025in²미만)이며, 2-레그 헤어핀 디자인으로 형성된다.

187 내지 264V의 전압에 걸쳐 유용하고 고온대 조성이 Al₂O₃약 66v/o, SiC 약 20v/o 및 MoSi₂약 13.3v/o인 바람직한 2-레그 헤어핀 점화기의 경우, 다음 점화기 치수가 바람직하다: 길이 약 1.15in, 개개의 레그 폭 약 0.047in 및 두께 약 0.030in. 당해 디자인 및 조성은 또한 6, 8, 12, 24, 102 또는 120V 등의 저저압 인가에도 유용하다.

바람직한 "무슬롯" 점화기 디자인은 총 길이가 약 1.25in 내지 2.00in이고, 고온대 길이가 약 0.1 내지 약 1.2in이며, 고온대 단면적이 약 0.001 내지 약0.005in²이다. 저전압 인가에 있어서는 0.5in 미만과 같은 보다 짧은 고온대 길이가 통상 바람직하다.

도 3A는 전도성(냉각대) 레그(12 및 14), U-형상 고온대(16) 및, 전도성 레그(12 및 14) 사이에 삽입된 "슬롯" 및 공극(18)을 갖는 바람직한 슬롯화 점화기 시스템(10)을 도시한다. 본원에서 언급한 바와 같이, 고온대 길이는 점화기 길이(y) 및 고온대 및 점화기 폭(z)와 함께 도 3A에서 거리 x로서 제시되어 있다. 전류는 각각 전도성 대(12 및 14)의 말단(12' 및 14')에서 납을 통해 점화기(10)에 공급될 수 있다.

도 3B는 전도성(냉각대) 레그(22 및 24), 삽입된 절연체 영역(26) 및 U-형상 고온대(28)를 갖는 바람직한 무슬롯 점화기 시스템(20)을 도시한다. 본원에서 언급한 바와 같이, 무슬롯 시스템에서 고온대 길이는 점화기 길이(y) 및 고온대 및 점화기 폭(z)과 함께 거리 x로서 제시되어 있다. 전류는 전도성 대 말단(22' 및 24')에서 납을 통해 점화기(20)에 공급될 수 있다.

도 3C 및 도 3D는 본 발명의 점화기의 추가의 적합한 무슬롯 디자인을 도시한다. 도 3C 및 도 3D 각각에 있어서, 참조 번호는 도 3B의 참조 번호에 상응하고, 즉 도 3C 및 도 3D 각각에 있어서 무슬롯 점화기 시스템은 삽입된 절연체 영역(26) 및 고온대(28)와 함께 전도성 레그(22 및 24)를 갖는다.

본 발명의 점화기의 특히 바람직한 고온대 조성물은 MoSi₂약 14%, SiC 약 20% 및 Al₂O₃잔여량을 함유한다. 이러한 조성물은 바람직하게는, 고온대 길이가적절하게는 약 0.5in인 무슬롯 점화기 시스템에 사용된다. 추가의 바람직한 고온대 조성물은 MoSi₂약 16%, SiC 약 20% 및 Al₂O₃잔여량을 함유한다. 이러한 조성물은 바람직하게는, 고온대 길이가 적절하게는 약 0.1 내지 1.6in인 무슬롯 점화기 시스템에 사용된다. 위에서 언급한 바와 같이, 100V 이하의 인가와 같이 저전압 인가에서는 통상 0.5in 미만과 같이 보다 짧은 고온대 길이가 바람직하다.

일반적으로, 본 발명의 고온 표면 세라믹 점화기는 매우 작은 고온대 길이, 예를 들면, 약 1.5in 이하, 또는 약 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8in 이하로 제조될 수 있으며, 점화기에 대한 전력을 계량하는 어떠한 유형의 전기 제어 장치의 부재하에 약 220 내지 240V를 포함하는 고전압 범위에서 확실하게 사용된다.

특히 가스가 연료인 세라믹 점화기의 중요한 성능 특성은 온도에 대한 시간("TTT"), 즉 점화기 고온대가 실온에서 연료 (가스) 점화 온도로 상승되는 시간이다. 본 발명의 점화기는 약 5 또는 4초 이내, 심지어 3초 이내 또는 2.75, 2.5, 2.25 또는 2초 이내에 작동 온도, 예를 들면, 약 1300℃, 1400℃ 또는 1500℃로 신속히 가열시킬 수 있다.

본 발명의 고온대 조성물은 극고온 성능, 예를 들면, 심각한 산화 또는 연소 문제 없이 1750℃ 이하의 성능을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 시험된 종래 시스템은 1600℃에의 반복 노출에 대해 고장을 일으킨다. 대조적으로, 본 발명의 바람직한 고온대 조성물은 이러한 고온에서의 "수명 시험(life testing)", 예를 들면, 1450℃에서 30초 온(on):30초 오프(off)의 50,000 사이클에서 존속한다. 또한, 본발명의 점화기는 이러한 가열 시험 사이클에 있어서 종래 조성물에 비해 현저히 감소된 전류량 및 온도 편차를 나타내는 것으로 밝혀졌다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 세라믹 점화기의 반복 가열이 필요하지 않은 점화 방법을 포함한다. 오히려, 본 발명의 점화기는 일정한 온/오프(즉, 가열/냉각) 사이클링의 요구 없이 연료 점화에 충분한 승온에서 장기간 동안 작동시킬 수 있다.

치밀화된 세라믹으로부터 점화기의 제조 및 세라믹 성분의 가공(즉, 그린 바디 가공 및 소결 조건)은 종래 방법으로 실시할 수 있다. 전형적으로, 이러한 방법은 실질적으로 워쉬번 특허에 따라 실시한다(예시적인 조건에 대한 다음 실시예 참조). 고온대 조성물의 소결은 바람직하게는 비교적 고온, 예를 들면, 약 1800℃ 또는 1800℃ 약간 초과의 온도에서 수행한다. 소결은 전형적으로 가압, 일축 압력 (고온 압력) 또는 고온 아이소택틱 압력하에 실시할 수 있다.

또한, 놀랍게도, 본 발명의 고온대 조성물은, 종래 조성물과는 대조적으로, 단일 고온(예를 들면, 약 1800 또는 1850℃ 이상) 일축 압력에서 효과적으로 치밀화할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

종래 고온대 조성물은 2개의 별도의 소결 공정, 즉 제1 가온 가압(예: 1300℃와 같이 1500℃ 미만) 및 이어서 제2 고온 소결(예: 1800 또는 1850℃)를 필요로 한다. 제1 가온 소결은 이론 밀도의 약 65 내지 70% 치밀화를 제공하고, 제2 고온 소결은 이론 밀도의 99% 이상의 최종 치밀화를 제공한다. 종래 고온대 조성물은 허용되는 전기적 특성을 제공하기 위해 99% 초과의 밀도를 요구하였다.

본 발명의 고온대 조성물의 단일 고온 소결은 이론 밀도의 약 95, 96 또는 97% 이상의 밀도를 제공할 수 있다. 더욱이, 밀도가 이론 밀도의 99% 미만(예를 들면, 이론 밀도의 약 95, 96, 97 또는 98%)인 본 발명의 이러한 고온대 조성물은 완전히 허용되는 전기적 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다(예를 들면, 다음 실시예 5에 기재된 결과 참조).

본 발명의 점화기는 가스 상 점화 용도(예: 노 및 쿡킹 용도), 베이스보드 히터, 보일러 및 스토브 상부를 포함하는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 점화기는 또한 점화가 전지(예: 6, 8 또는 24V의 전지)에 의해 동력 공급되는 전지-동력 공급 시스템, 예를 들면, 쿡킹 장치 또는 가열 장치, 및 6V 이하의 시스템 등의 저전압 시스템에서 사용될 수 있다.

본 발명의 점화기는 또한 다양한 시스템에서 가열 요소로서의 용도를 포함하는 다른 용도로 사용될 수 있다. 한 가지 바람직한 적용에 있어서, 본 발명의 점화기는 적외선 공급원(즉, 고온대는 적외선 산출을 제공한다), 예를 들면, 노에서와 같은 가열 요소로서 또는, 분광분석 장치 등을 포함하는 모니터링 또는 검출 장치에서의 백열 플러그로서 활용될 수 있다.

다음 비제한적인 실시예는 본 발명을 설명한다. 본원에서 언급된 모든 참조문헌은 이의 전체가 참조로서 본원에서 인용된다.

실시예 1

본 발명의 점화기는 다음과 같이 제조하여 고전압에서 시험한다.

고온대 및 냉각대 조성물을 제조한다. 고온대 조성물은 Al₂O₃66용적부, MoSi₂14용적부 및 SiC 20용적부로 이루어져 있고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 냉각대 조성물은 Al₂O₃약 50용적부, MoSi₂약 30용적부 및 SiC 약 20용적부로 이루어져 있고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 냉각대 조성물을 가열 가압 다이에 적재하고, 고온대 조성물을 동일한 다이에서 냉각대 조성물의 상부에 적재한다. 조성물의 당해 배합물을 3000psi에서 아르곤하에 1시간 동안 1300℃에서 함께 고온 가압하여 이론 밀도의 약 60 내지 70%의 빌렛을 형성한다. 이어서, 당해 빌렛을 약 2.0in×2.0in×0.250in의 타일로 가공한다. 이어서, 당해 타일을 1790℃에서 1시간 동안 30,000psi에서 고온 아이소택틱 가압(HIP)한다. HIP한 후, 치밀한 타일을 목적하는 헤어핀 기하로 가공한다. 형성된 점화기는 약 1.5ohmㆍcm의 양호한 저항 및 약 4초의 점화 온도에 대한 시간과 함께 230V에서 양호하게 작동하고 적어도 285V 이하에서 안정성을 나타냈으며(285V 시험 전압은 시험 장비의 한계이다), 따라서 이는 당해 점화기가 높은 공칭 전압에서 광범위한 높은 선간 전압에 걸쳐 효과적임을 입증한다.

실시예 2

Al₂O₃67용적부, MoSi₂13용적부 및 SiC 20용적부를 함유하는 추가의 고온대조성물을 제조하고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 동일한 냉각대 조성물을 위의 실시예 1에서와 같이 제조하고, 실시예 1에 기재된 공정과 동일한 공정으로 고온대 및 냉각대 조성물을 처리하여 점화기를 형성한다. 형성된 점화기는 실시예 1의 점화기에 대해 기재한 결과와 유사한 성능 결과를 나타냈으며, 따라서 이는 당해 점화기가 높은 공칭 전압에서 광범위한 높은 선간 전압에 걸쳐 효과적임을 입증한다.

실시예 3

Al₂O₃66.7용적부, MoSi₂13.3용적부 및 SiC 20용적부를 함유하는 본 발명의 추가의 고온대 조성물을 제조하고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 동일한 냉각대 조성물을 위의 실시예 1에서와 같이 제조하고, 실시예 1에 기재된 공정과 동일한 공정으로 고온대 및 냉각대 조성물을 처리하여 점화기를 형성한다. 형성된 점화기는 실시예 1의 점화기에 대해 기재한 결과와 유사한 성능 결과를 나타냈으며, 따라서 이는 당해 점화기가 높은 공칭 전압에서 광범위한 높은 선간 전압에 걸쳐 효과적임을 입증한다.

실시예 4

Al₂O₃66.4용적부, MoSi₂13.6용적부 및 SiC 20용적부를 함유하는 추가의 고온대 조성물을 제조하고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 동일한 냉각대 조성물을 위의 실시예 1에서와 같이 제조하고, 실시예 1에 기재된 공정과 동일한 공정으로 고온대 및 냉각대 조성물을 처리하여 점화기를 형성한다. 형성된 점화기는 실시예 1의 점화기에 대해 기재한 결과와 유사한 성능 결과를 나타냈으며, 따라서 이는 당해 점화기가 높은 공칭 전압에서 광범위한 높은 선간 전압에 걸쳐 효과적임을 입증한다.

실시예 5

본 발명의 추가의 점화기를 다음과 같이 제조하여 고전압에서 시험한다.

고온대 및 냉각대 조성물을 제조한다. 고온대 조성물은 Al₂O₃약 66용적부, MoSi₂약 14용적부 및 SiC 약 20용적부로 이루어져 있고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 냉각대 조성물은 Al₂O₃약 50용적부, MoSi₂약 30용적부 및 SiC 약 20용적부로 이루어져 있고, 이를 고전단 혼합기에서 혼합한다. 냉각대 조성물을 가열 가압 다이에 적재하고, 고온대 조성물을 동일한 다이에서 냉각대 조성물의 상부에 적재한다. 조성물의 당해 배합물을 3000psi에서 아르곤하에 1시간 동안 1800℃에서 함께 고온 가압하여 이론 밀도의 약 97%의 빌렛을 형성한다. 이어서, 당해 빌렛을 약 2.0in×2.0in×0.250in의 타일로 가공한다. 이어서, 당해 타일을 헤어핀 기하를 갖는 점화기 요소로 직접(즉, HIP하지 않음) 가공한다. 형성된 점화기는 약 1ohmㆍcm의 양호한 저항 및 약 5초의 점화 온도에 대한 시간과 함께 230V에서 양호하게 작동하고 적어도 285V 이하에서 안정성을 나타냈으며(285V 시험 전압은시험 장비의 한계이다), 따라서 이는 당해 점화기가 높은 공칭 전압에서 광범위한 높은 선간 전압에 걸쳐 효과적임을 입증한다.

실시예 6

본 발명의 점화기의 전력 소비 수준은 설정 전압에서 전류를 측정하여 결정한다. 본 발명의 점화기는 별개의 고온대 조성을 갖는 비교용 점화기와 비교하여 보다 큰 전력 효율을 일정하게 나타냈다.

구체적으로, 고온대 조성이 Al₂O₃65용적부, MoSi₂약 15용적부 및 SiC 약 20용적부인 본 발명의 슬롯화 점화기는 120V에서 0.25A 내지 0.35A를 요구하였다.

고온대 조성이 AlN 77용적부, MoSi₂약 13용적부 및 SiC 약 10용적부인 본 발명의 비교용 슬롯화 점화기는 120V에서 0.5A 내지 0.6A를 요구하였다.

실시예 7

열 확산률 및 비열 값을 본 발명의 점화기 및 별개의 고온대 조성을 갖는 비교용 점화기에 대해 측정한다. 본 발명의 점화기는 별개의 고온대 조성을 갖는 비교용 점화기보다 낮은 열 확산률과 높은 비열을 나타냈다.

소정 온도에서 다음 열 확산률 값을, 고온대 조성이 Al₂O₃66.7용적부, MoSi₂약 13.3용적부 및 SiC 약 20용적부인 본 발명의 슬롯화 점화기에 대해 측정한다:

온도(℃)	열 확산률(cm²/s)
20	0.1492
128	0.088
208	0.0695
302	0.058
426	0.0472
524	0.0397
619	0.0343
717	0.0307
810	0.0291
921	0.0256
1002	0.0242
1114	0.0224
1228	0.0203
1310	0.0195
1428	0.0182
1513	0.0171
20	0.1503

소정 온도에서 다음 열 확산률 값을, 고온대 조성이 AlN 70용적부, MoSi₂약 10용적부 및 SiC 약 20용적부인 본 발명의 비교용 슬롯화 점화기에 대해 측정한다.

온도(℃)	열 확산률(cm²/s)
20	0.262
126	0.183
204	0.147
325	0.0117
416	0.102
517	0.0902
615	0.0812
714	0.0725
818	0.0668
910	0.0593
1005	0.0552
1105	0.0549
1203	0.0469
1312	0.0425
1414	0.041
1516	0.0369
22	0.274

본 발명은 이의 특정 양태를 참조로 하여 상세히 기재되었다. 그러나, 본원의 기재내용을 고려하면, 당업자는 본 발명의 정신 및 범주 내에서 변형 및 개량할 수 있음이 명백할 것이다.

Claims

2개의 냉각대(cold zone)와 당해 냉각대 사이에 배치된 전기 절연 재료(a), 반도체성 재료(b) 약 3용적% 이상 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(c)로 이루어진 고온대(hot zone) 조성물(여기서, 고온대 조성물의 약 21용적% 이상은 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있다)을 포함하는 고온대를 포함하는, 소결된 세라믹 점화기.
제1항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물을 약 25용적% 이상 함유하는 점화기.
제1항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물로 이루어져 있는 점화기.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄을 포함하는 점화기.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄, 금속 옥시질화물, 산화알루미늄마그네슘 및 산화알루미늄규소 중의 하나 이상을 포함하는 점화기.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료가 질화물, 희토류 산화물 및 희토류 옥시질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 하나 이상 함유하는 점화기.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료가 질화알루미늄을 포함하는 점화기.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 반도체 재료가 탄화규소를 포함하는 점화기.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속성 전도체가 이규화몰리브덴인 점화기.
제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료 약 15 내지 50v/o, 반도체 재료 0 내지 50v/o 및 금속성 전도체 재료 20 내지 70v/o로 이루어진 냉각대 조성물을 추가로 포함하는 점화기.
제10항에 있어서, 냉각대 절연 재료가 질화알루미늄, 산화알루미늄 또는 이들의 혼합물이고, 냉각대 반도체 재료가 탄화규소이며, 냉각대 전도체 재료가 MoSi₂인 점화기.
제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 슬롯화(slotted) 디자인을 갖는 점화기.
제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 무슬롯(slotless) 디자인을 갖는 점화기.
제1항 내지 제11항 및 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화기가 절연체 영역, 전도성 영역 및 고온대 영역을 포함하고, 절연체 영역이 한 쌍의 전도성 영역 사이에 삽입되고 AlN을 포함하며 고온대 영역보다 더욱 저항성인 점화기.
제14항에 있어서, 점화기 영역이 AlN, Al₂O₃및 SiC를 포함하는 점화기.
제1항 내지 제11항 및 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 산화 처리된 절연체 영역, 전도성 영역 및 고온대 영역을 포함하는 점화기.
제13항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, AlN 약 3 내지 25v/o, Al₂O₃약 60 내지 90v/o 및 SiC 약 5 내지 20v/o을 포함하는 절연체 영역을 포함하는 점화기.
제13항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, AlN 약 5 내지 20v/o, Al₂O₃약 65 내지 85v/o 및 SiC 약 8 내지 15v/o을 포함하는 절연체 영역을 포함하는 점화기.
전기 절연 재료(a) 25 내지 80용적%, 반도체성 재료(b) 3 내지 45용적% 및 저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(c) 5 내지 25용적%로 이루어진 고온대 조성물(여기서, 고온대 조성물의 약 21용적% 이상은 금속 산화물 절연 재료로 이루어져 있다)을 포함하는 소결된 세라믹.
제19항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물을 약 50용적% 이상 함유하는 세라믹.
제19항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물을 약 80용적% 이상 함유하는 세라믹.
제19항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물을 약 90용적% 이상 함유하는 세라믹.
제19항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물로 이루어져 있는 세라믹.
제19항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄을 포함하는 세라믹.
제19항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄으로 이루어져 있는 세라믹.
제19항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄, 산화알루미늄마그네슘, 금속 옥시질화물 및 산화알루미늄규소으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 하나 이상 함유하는 세라믹.
제19항 내지 제26항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료가 질화물, 희토류 산화물 및 희토류 옥시질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 하나 이상 함유하는 세라믹.
제19항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료가 질화알루미늄을 포함하는 세라믹.
제19항 내지 제28항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료가 고온대 조성물을 50 내지 80용적% 포함하는 세라믹.
제19항 내지 제29항 중의 어느 한 항에 있어서, 반도체성 재료가 탄화규소를 포함하는 세라믹.
제19항 내지 제30항 중의 어느 한 항에 있어서, 반도체성 재료가 고온대 조성물을 5 내지 30용적% 포함하는 세라믹.
제19항 내지 제31항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속성 전도체가 이규화몰리브덴인 세라믹.
제32항에 있어서, 이규화몰리브덴이 고온대 조성물의 6 내지 16용적%를 구성하는 세라믹.
제19항 내지 제33항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연체 재료 약 15 내지 50v/o, 반도체성 재료 0 내지 50v/o 및 금속성 전도성 재료 20 내지 70v/o로 이루어진 냉각대 조성물을 추가로 포함하는 세라믹.
제34항에 있어서, 냉각대 절연체 재료가 질화알루미늄, 산화알루미늄 또는 이들의 혼합물이고, 냉각대 반도체성 재료가 탄화규소이며, 냉각대 전도성 재료가 MoSi₂인 세라믹.
질화물과 금속 산화물을 함유하는 전기 절연 재료(a) 및

저항이 약 10^-2ohmㆍcm 미만인 금속성 전도체(b)로 이루어져 있고 실질적으로 탄화물 재료를 함유하지 않는 고온대 조성물을 포함하는 소결된 세라믹.
제36항에 있어서, 절연 재료가 금속 산화물을 약 50v/o 이상 함유하는 세라믹.
제36항 또는 제37항에 있어서, 절연 재료가 질화알루미늄을 함유하는 세라믹.
제36항 내지 제38항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄을 포함하는 세라믹.
제36항 내지 제39항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 산화알루미늄, 산화알루미늄마그네슘, 금속 옥시질화물 및 산화알루미늄규소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 하나 이상 함유하는 세라믹.
제36항 내지 제40항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연 재료가 질화물, 희토류 산화물 및 희토류 옥시질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 하나 이상 함유하는 세라믹.
제36항 내지 제41항 중의 어느 한 항에 있어서, 고온대 조성물이 실질적으로 탄화규소를 함유하지 않는 세라믹.
제36항 내지 제42항 중의 어느 한 항에 있어서, 고온대 조성물이 탄화물을 약 2v/o 이하로 함유하는 세라믹.
제36항 내지 제42항 중의 어느 한 항에 있어서, 고온대 조성물이 탄화물을 전혀 함유하지 않는 세라믹.
제36항 내지 제44항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연체 재료 약 15 내지 50v/o, 반도체성 재료 0 내지 50v/o 및 금속성 전도성 재료 20 내지 70v/o로 이루어진 냉각대 조성물을 추가로 포함하는 세라믹.
제45항에 있어서, 냉각대 절연체 재료가 질화알루미늄, 산화알루미늄 또는이들의 혼합물이고, 냉각대 반도체성 재료가 탄소규소이며, 냉각대 전도성 재료가 MoSi₂인 세라믹.
제17항 또는 제36항에 있어서, 단일 고온 소결공정에 의해 이론 밀도의 약 95, 96, 97 또는 98%까지 치밀화되어 있는 세라믹.
제1항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 따르는 점화기에 전류를 인가함을 포함하는, 가스 연료의 점화방법.
제48항에 있어서, 전류의 선간 전압이 약 187 내지 264V인 방법.
제48항 또는 제49항에 있어서, 전압이 약 6, 8, 12, 24, 120, 220, 230 또는 240V인 방법.
제48항 또는 제49항에 있어서, 전압이 100V 미만인 방법.
제48항에 있어서, 전압이 약 6, 8, 12, 24 또는 102V이거나 약 6V 미만인 방법.
제48항 내지 제52항 중의 어느 한 항에 있어서, 전압이 전지 공급원에 의해 공급되는 방법.
제48항 내지 제53항 중의 어느 한 항에 있어서, 세라믹이 약 1.2in 이하의 고온대 길이를 갖는 방법.
제48항 내지 제53항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화기 고온대가 가스 연료를 점화시키기에 충분한 온도에서 0.5시간 이상 동안 중단 없이 유지되는 방법.