KR20040005876A - 다중 고온 구역 점화기 - Google Patents

다중 고온 구역 점화기 Download PDF

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KR20040005876A
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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 세라믹 점화장치, 더욱 특히, 예를 들면, 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 2개 이상의 분리된 고온 구역 영역을 포함하는 당해 장치에 관한 것이다. 당해 장치는 디젤 연료 여과기를 포함하는 각종 장치에 적합하게 도입된다.

Description

다중 고온 구역 점화기{Multiple hot zone igniters}
배경
1. 발명의 분야
본 발명은 세라믹 점화장치, 더욱 특히, 예를 들면, 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 2개 이상의 고온 구역 영역을 포함하는 당해 장치에 관한 것이다. 당해 장치는 디젤 연료 여과기 및 가스 버너 장치를 포함하는 각종 장치에 적합하게 도입된다.
2. 배경
세라믹 물질은 기체-발화되는 로(furnace), 스토브 및 의류 건조기에서 점화기로서 매우 성공적이다. 세라믹 점화기 제조는 그 일부가 매우 저항성이고 와이어 리드(wire lead)에 의해 충전되는 경우 온도가 상승하는 세라믹 성분을 통해 전기 회로를 구성함을 포함한다[참조: 미국 특허 제6,028,292호, 제5,801,361호, 제5,405,237호 및 제5,191,508호].
전형적인 점화기는 점화기 말단에 매우 저항성인 "고온 구역"을 갖고 대향하는 점화기 말단으로부터 고온 구역까지 하나 이상의 전도성 "냉각 구역"이 제공되어 있는 일반적으로 직사각형인 부재이다. 현재 시판중인 점화기인 미니-이그나이터(Mini-IgniterTM)[제조사: 미국 뉴 햄프셔주 밀포드 소재의 노턴 이그나이터 프로덕츠(Norton Igniter Products)]는 12 내지 120V 제품용으로 고안되었고 질화알루미늄("AlN"), 이규산몰리브덴("MoSi2") 및 탄화규소("SiC")를 포함하는 조성물을 포함한다.
현재의 세라믹 점화기는 다수의 제품에 양호한 성능을 제공하는 반면, 적어도 특정 제품의 경우, 특성이 개선된 세라믹 점화기가 계속 요구되고 있다. 여러가지 이유로 인해, 또한 세라믹 점화기는 그럼에도 불구하고 가열 또는 점화 부재를 필요로 하는 다른 제품에 적합하지 않은 것으로 생각되어 왔다.
따라서, 신규한 세라믹 점화기를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 신규한 제품에 사용할 수 있는 신규한 세라믹 점화기를 제공하는 것이 바람직하다.
발명의 요약
본 발명자들은 본원에서 다중 "가열" 또는 점화 구역을 포함하는 신규한 세라믹 점화기를 제공한다. 당해 점화기는 광범위한 제품에 유용하다. 본 발명자들은 본 발명의 점화기가 확장된 영역에 걸쳐 가열 또는 점화 부재를 제공하는 데 특히 유용함을 밝혀냈다. 본 발명의 점화기는 확장된 영역에 걸쳐 연료 배출구를 갖는 기체 연료 버너 뿐만 아니라, 연료 트랩(fuel trap)용 점화 부재로서 특히 유용하다.
본 발명의 바람직한 점화기는 단일의 소결된 일체식 세라믹 점화기 부재 중에 2개 이상, 적합하게는 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 고온 구역을 포함한다. 각각의 고온 구역은 분리되어 있으며, 예를 들면, 삽입된 절연성 및/또는 전도성 영역에 의해 인접한 고온 구역으로부터 전기적 및/또는 열적으로 분리되어 있다. 절연성 영역은 인접 고온 구역보다 저항률이 높다. 전도성 구역은 고온 구역 영역에 전류를 제공한다.
본 발명의 바람직한 절연체는 점화기 부재의 실질적인 길이에 걸쳐 1개 이상, 바람직하게는 2개의 전도성 영역을 포함한다. 다중 고온 구역 영역은 점화기 부재 전체에 걸쳐 배치되어 있고 1개 이상의 전도성 영역과 통한다.
본 발명의 소결된 부재의 다중 고온 구역은 적합하게는 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 상태로 배열되어 있다. 점화장치를 가로지르는 전압 차이의 적용은 실질적으로 동시에 각각의 고온 구역에 에너지를 제공하여 각각의 고온 구역이 대략 동일한 시간 대 온도(TTT; time to temperature) 내에 대략 동일한 작동 온도에 도달한다.
본 발명자들은 다중 고온 구역을 포함하는 본 발명의 점화기가 광범위한 영역에 걸쳐 효과적인 가열 부재 및 점화 공급원을 제공할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 특히, 본 발명자들은 본 발명의 점화기를 디젤 트랩과 같은 연료 배기 시스템에 도입하여 점화 및 트랩 장치 내에 침착된 고체의 제거를 효과적으로 수행할 수 있음을 밝혀냈다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 1개 이상의 세라믹 다중 점화기 부재를 포함하는 여과기, 특히 디젤 배기 여과기를 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 점화기는 확장된 영역에 걸쳐 연료 점화를 수행하는 데 특히 유용하다. 본 발명의 점화기를 연료가 확장된 영역에 걸쳐 분배되는 기체 연료 시스템, 예를 들면, 다수의 수준(level)의 기체 배출구를 포함하는 가스 버너에 사용하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 다중 점화기 부재 및 관련 여과기를 제조하는 방법이 제공된다. 추가의 방법은 본 발명의 다중 점화기 부재를 사용하여, 디젤 트랩 여과기 부재를 포함하는 여과기 부재에 침착된 물질을 점화시킴을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 아래에 기재되어 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 점화기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 점화기를 포함하는 여과기 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 점화기가 내부에 세로 방향으로 배치된 여과기 부재를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 굽은 형태의 점화기를 포함하는 여과기 부재를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 슬로팅(slotting)된 점화기 고안을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 점화기를 포함하는 가스 버너 장치를 나타낸다.
위에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 직렬 또는 병렬로 적합하게 배열된 다수 개의 고온 구역을 포함하는 소결된 세라믹 다중 점화기 부재를 제공하며, 여기서바람직하게는 각각의 고온 구역은 전도성 냉각 구역과 접촉하고, 바람직하게는 각각의 고온 구역은 2개의 냉각 구역 사이에 배치되어 병렬 회로 배열을 제공한다. 적합한 일련의 고안은, 삽입된 전도성 구역으로 다중 고온 구역을 분리시킴을 포함한다. 본 발명의 부재를 가로질러 전압 전위를 적용하면 실질적으로 동시에 부재의 다중 고온 구역 각각에 에너지를 공급할 수 있다.
본 발명의 바람직한 점화기는 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있는, 다수 개의 고온 구역 영역을 포함하는 소결된 세라믹 점화기 부재를 포함한다.
본 발명의 추가의 바람직한 점화기는 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있고 당해 2개의 분리된 고온 구역 영역이 공동의 전도성 구역에 인접해 있는, 다수 개의 고온 구역을 포함하는 세라믹 부재를 포함한다. 더욱 특히, 본 발명의 바람직한 점화기는 공동(단일)의 전도성 구역이, 동일한 일체식 점화기 부재의 다수 개의 고온 구역에 인접하거나, 이와 접촉하거나 접면(interface)하도록 구성된 것들을 포함한다. 따라서, 바람직한 점화기는 각각 공동(단일)의 전도성 구역 또는 경로로부터 전류를 공급받는 2개 이상의 가열(점화) 구역을 갖는다. 이러한 바람직한 공유된 전도성 구역 시스템은 연장된 길이에 걸쳐 매우 효과적으로 점화를 수행할 수 있다.
위에서 논의한 바와 같이, 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있는, 3개 이상의 고온 구역 영역을 포함하는 세라믹 점화기 부재와 같은, 2개 초과의 고온 구역 영역을 포함하는 세라믹 점화기가 또한 바람직하다.
본 발명의 특히 바람직한 세라믹 다중 점화기 부재는 (1) 2개 이상의 고온 부위(hot spot), (2) 부재의 각각의 고온 부위에 전류 및 전압 전위를 전달하는 2개 이상의 전도성 영역 및 (3) 1개 이상의 절연성 영역을 포함한다. 전도성 영역은 바람직하게는 당해 장치의 각각의 고온 구역에 전류 및 전압을 균일하게 전달하기 위한 레일(rail) 또는 다른 적합한 구조물이다. 고온 구역은 전기적 전위에 의해 에너지를 공급받는 경우, 가열되는, 예를 들면, 고온 부위의 온도가 약 1 내지 10초 내에, 바람직하게는 약 5초, 4초 또는 3초 또는 그 이하 내에 약 800 내지 약 1500℃ 이상까지 상승하는 세라믹 조성물을 포함한다. 절연성 영역은 장치의 단락(shorting)[아킹(arcing)]을 방지하도록 전도성 영역 및 고온 구역에 대해 적합하게 위치하고 있다.
본 발명의 점화기의 다중 고온 구역은 어떤 면에서는 접촉하고 있지 않는 것이 바람직하다. 즉 고온 구역이 온도 또는 가열 영역에 대해 분리되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 1개 이상의 절연성 또는 전도성 구역이, 인접하는 고온 구역들 사이에 삽입될 수 있다. 고온 구역 영역은 고온 구역 영역들 사이에 삽입되어 있는 인접하는 점화기 영역(예를 들면, 전도성 또는 절연성 영역)보다 약 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃ 또는 1200℃ 이상 더 높은 작동 온도에 도달한다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 고온 구역이 병렬 배열로 배치되어 있는 바람직한 세라믹 다중 점화기 부재(40)를 도식적으로 나타낸다. 고온 구역(50, 52, 54, 56 및 58)이 2개의 전도성 층들(60 및 62) 사이에 배치되어 있다. 인접한 고온 구역들, 예를 들면, (50 및 52)은 열 안정성 전기 절연체로 실질적으로 구성된 절연성 구역(70)에 의해 분리되어 있다. 부재의 크기(l1, l2및 l3)는 제품 요구사항 및 전기적 작동 온도, 시간 대 온도 등의 필요사항에 의해 결정된다. 전기 와이어(도시되어 있지 않음)를 소결된 부재(40)의 대향 말단에 연결할 수 있고, 이 때 1개가 각각의 전도성 층(60 및 62)에 부착된다.
본 발명의 바람직한 특정 양태에서, 다중 점화기 부재는 직렬 또는 병렬, 더욱 바람직하게는 병렬로 배열되어 있는 2 내지 약 20개 또는 그 이상의 고온 구역을 포함한다. 부재는 다양한 갯수, 예를 들면, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20개 이상의 고온 구역 부재를 포함할 수 있다. l3의 길이가 특정 용도에 따라 적합하게는 약 1 내지 약 24in가 되도록 부재의 길이를 변화시킬 수 있다. l3의 바람직한 값은 제품의 특성에 따라 달라진다. 명백히, 대형 장치, 예를 들면, 대형 여과기를 포함하는 제품은 작은 장치를 포함하는 제품보다 더 큰 다중 점화기 부재를 필요로 한다. 유사하게, 크기 l1및 l2의 값은 변할 수 있다. 바람직한 양태에서, l1은 적합하게는 약 0.01 내지 0.5in의 범위이고, l3은 약 0.1 내지 약 1in의 범위일 수 있다.
표준 타원형 탄화규소 벌집형 여과기에 사용하기 적합한 본 발명의 특히 바람직한 다중 점화기 부재는, 길이(l3)가 약 6 내지 약 8in이고, l1이 약 0.1 내지 0.4in의 범위이고 l3이 약 0.05 내지 약 0.25in의 범위인 단면적을 갖는 장치 속에병렬로 배열되어 있는 5개의 고온 구역을 포함한다.
고온 구역이 병렬로 배열되어 있는 다중 점화기 부재에 적합한 형태는 직사각형, 사다리꼴 등의 각주 또는 막대를 포함하며, 여기서 직사각형 막대가 특히 바람직하다. 특정 양태에서, 직사각형 각주 형태를 갖는 병렬 다중 점화기 부재는 세 가지 크기 l1, l2및 l3에 의해 한정되고, 이 때 l2및 l3은 부재의 단면을 한정하고 l1은 부재의 길이이고 크기 l3은 크기 l1또는 l2보다 일반적으로 더 길다.
본 발명의 특정 양태에서, 직사각형 막대 형상의 다중 점화기 부재는, 부재의 크기 l2에 의해 한정되는 축을 따라 적층되어 있는 2개의 세라믹 또는 복합 금속/세라믹 전도성 층들 사이에 배치되어 있는 중간 층을 포함하며, 여기서 중간 층은, 구역들이 크기 l3을 따라 배열되어 있고 각각의 고온 구역이 2개의 절연성 구역 사이에 배치되어 있는, 절연 및 고온 구역 조성물의 교대 영역(alternating region)으로 이루어진다. 리드 와이어는 각각의 전도성 세라믹 막에 하나의 리드 와이어가 부착된 상태로 다중 점화기 부재에 부착되어, 고온 구역에 에너지를 공급하는 데 필요한 전압 전위를 제공한다. 2개 이상의 고온 구역을 포함하는 부재를 형성하는, 전도성 고온 구역 및 절연성 영역의 다른 적합한 배열도 또한 본 발명에 포함된다.
본 발명의 특정 양태에서, 다중 점화기 부재의 고온 구역과 도포된 금속 막 사이의 거리가 최대가 되도록, 금속 막을 다중 점화기 부재의 전도성 층 표면, 특히 크기 l1및 l3에 의해 한정되는 표면에 도포한다. 소결된 금속 피막은 전도성 층의 전도성을 증가시켜 고온 구역에 전달되는 전류를 증가시키고 보다 균일한 전압 전위를 제공하여, 각각의 고온 구역이 동일한 전압 전위 및 전류를 갖게 된다. 금속 피막을 미분 금속 입자의 페이스트 또는 유사한 조성물로서 세라믹 다중 점화기 부재의 전도성 층의 외부 표면에 도포하거나 페인팅한 후, 승온에서 소결시켜 금속 막을 생성시킨다. 바람직하게는, 금속 막을 약 800 내지 1000℃에서 소결시켜, 응력이 받지 않는 금속 막을 소결 온도에서 생성시킨다. 금속 피복된 다중 점화기 부재를 냉각시킬 때, 세라믹 성분이 압축되고 금속 막이 인장된 금속/세라믹 복합 전도성 층이 생성된다.
본 발명의 특정 양태에서, 다중 점화기 부재는 부재의 크기 l3을 따라 일정하게 배치된 5개의 고온 구역을 포함하고 각각의 고온 구역은 l3이 약 6in인 2개의 전기 절연성 냉각 구역 사이에 배치되어 있다. 각각의 다중 점화기 부재는 당해 분야에서 수행되는 바와 같이, 열 안정성이고 전기 절연성인 적합한 세라믹 접착제를 사용하여 여과기에 부착된다. 추가로, 각각의 부재는 바람직하게는, 부착된 다중 점화기 부재의 일부 또는 전체 고온 구역이 여과기 부재[예를 들면, 타원형 이비덴 여과기(oval Ibiden filter)]의 2개 이상의 돌출된 부재들의 접합부 상에 또는 당해 접합부 근처에 위치하도록 배열되어 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 다중 고온 구역 점화기(40)를 포함하는 여과기 조립물(80)의 각종 형태를 나타낸다. 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 적합한연료 여과기 부재(80)는 평행하게 직교하는 여과기 베인(cross-hatched filter vane)(82 및 84)을 포함할 수 있으며, 이들 베인을 통해 배기 가스 또는 다른 기체가 유동할 수 있다. 바람직한 배열에서, 점화기(40)의 고온 구역(52)은 여과기 베인(82 및 84)의 교차 부위를 덮도록 배열 또는 배치된다.
본 발명의 점화기는 각종 형태로 여과기 부재에 배치될 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 점화기(40)는 여과기(80)의 상부 면 위에 배치될 수 있다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 점화기 부재(40)는 여과기(80)를 통해 세로 방향으로 적합하게 배치될 수 있으며, 추가로 바람직하게는 고온 구역(52)이 여과기 베인(82 및 84)의 접합부에 위치한다. 또한, 점화기 부재는, 일반적으로 여과기(80)의 외부 형상에 상응하거나 일치하는, 점화기(40)로 나타난 바와 같은 굴곡 형태와 같은 비선형 형상을 포함하는 각종 형상일 수 있다.
도 5는 각각의 고온 구역(102)이 인접한 고온 구역으로부터 절연 공극 또는 슬롯 영역(104)에 의해 분리되어 있는 본 발명의 또 다른 적합한 점화기(100)를 나타낸다. 점화기의 대향 면들에 대해 전기적 연결(106)을 수행할 수 있고, 전도성 영역(108)을 통해 전류를 공급할 수 있다.
도 6은 절연성 구역(114)이 삽입되어 있는 다중 고온 구역(112)과 전도성 구역(116)을 포함하는 본 발명의 점화기(110)에 의해, 다수의 이격된 수준의 기체 연료 배출구(120a 및 120b)를 갖는 가스 버너(118)가 점화되는 또 다른 바람직한 시스템을 나타낸다. 가스 버너(118)는 적합하게는 식품 조리용으로서, 상부 연료 배출구(120a)는 더욱 강력한 열 에너지를 제공하는 데 사용되고 하부 버너(120b)는저온 조리, 예를 들면, 약한 불 조정용으로 사용된다. 점화기(110)는 연료 배출구(120a 및 120b) 사이(거리 dl)에 효과적으로 걸쳐 질 수 있다. 거리 dl(즉 각각의 이격된 수준의 연료 배출구 사이의 거리)은 적합하게는 약 0.2cm, 0.5cm, 0.8cm, 1cm, 1.2cm, 1.5cm, 1.8cm, 2cm, 2.2cm, 2.4cm, 2.5cm 2.8cm, 3cm 또는 그 이상이다. 추가로, 본 발명의 점화기는, 예를 들면, 단일의 연장된 길이의 고온 구역 영역을 갖는 점화기에 비해 효율적인 전력 소비와 함께 광범위한 구획에 걸쳐 이러한 점화 에너지를 공급할 수 있다.
당해 가스 버너는 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의, 다수의 이격된 수준의 기체 연료 배출구를 포함할 수 있다. 더욱 특히, 당해 가스 버너는 2개 또는 3개의 다수의 이격된 수준의 기체 배출구를 포함한다. 또한, 본 발명의 점화기는 연장된 길이의 기체 배출구를 포함하는 가스 버너(예를 들면, 주거용 또는 상업용 건물을 위한 가열 로)용으로 적합하게 사용할 수 있다.
각종 조성물을 사용하여 본 발명의 점화기를 형성시킬 수 있다. 일반적으로 바람직한 고온 구역 조성물은 (1) 전도체, (2) 반도체 및 (3) 절연체의 3가지 이상의 성분을 포함한다. 냉각 구역 및 절연성 구역은 동일한 성분으로 이루지지만 존재하는 성분들의 비율이 상이할 수 있다. 전형적인 전도체는, 예를 들면, 이규산몰리브덴, 이규산텅스텐, 질화티탄과 같은 질화물 및 탄화티탄과 같은 탄화물을 포함한다. 전형적인 반도체는 탄화규소(도핑되거나 도핑되지 않은 것) 및 탄화붕소와 같은 탄화물을 포함한다. 전형적인 절연체는 알루미나와 같은 금속 산화물 및 AlN과 같은 질화물을 포함한다.
본 발명의 목적을 위해, 용어 "전기 절연체"는 실온 저항률이 약 1010Ωㆍcm 이상인 물질을 의미한다. 본 발명의 점화기의 전기 절연체 성분은 하나 이상의 금속 산화물로만 구성되거나, 금속 산화물(들) 이외에 다른 물질을 함유할 수 있다. 예를 들면, 절연체 성분은 질화알루미늄(AlN), 질화규소 또는 질화붕소와 같은 질화물; 희토류 산화물[예를 들면, 이트리아(산화이트륨)] 또는 희토류 옥시니트라이드를 추가로 함유할 수 있다. 절연체 성분의 바람직한 첨가 물질은 질화알루미늄(AlN)이다.
본 발명의 목적을 위해, 반도체 세라믹(또는 "반도체")은 실온 저항률이 약 10 내지 108Ωㆍcm인 세라믹이다. 반도체 성분이 고온 구역 조성물의 약 45v/o를 초과하는 양으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6 내지 10v/o의 범위인 경우), 수득된 조성물은 고전압 제품용으로는 지나치게 전도성이 높아진다(절연체가 부족하기 때문). 이와 반대로, 반도체가 약 10v/o 미만의 양으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6 내지 10v/o의 범위인 경우), 수득된 조성물은 저항률이 지나치게 높아진다(절연체가 너무 많기 때문). 또한, 전도체의 비율이 더 높은 경우, 혼합물이 목적하는 전압에 도달하기 위해서는 절연체 및 반도체 분획의 혼합물의 저항률이 더 높아야 한다. 전형적으로 반도체는 탄화규소(도핑되거나 도핑되지 않은 것) 및 탄화붕소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 탄화물이다. 일반적으로 탄화규소가 바람직하다.
본 발명의 목적을 위해, 전도체는 실온 저항률이 약 10-2Ωㆍcm 미만인 물질이다. 전도성 성분이 고온 구역 조성물의 25v/o를 초과하는 양으로 존재하는 경우, 고온 구역 조성물의 수득된 세라믹은 지나치게 전도성이 높아질 수 있다. 전형적으로, 전도체는 이규산몰리브덴, 이규산텅스텐, 질화티탄과 같은 질화물 및 탄화티탄과 같은 탄화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일반적으로 이규산몰리브덴이 바람직하다.
일반적으로, 바람직한 고온 구역 조성물은 (a) 저항률이 약 108Ωㆍcm 이상인 전기 절연체 약 50 내지 약 80v/o, (b) 저항률이 약 10 내지 약 108Ωㆍcm인 반도체 약 5 내지 약 45v/o 및 (c) 저항률이 약 10-2Ωㆍcm 미만인 금속 전도체 약 5 내지 약 25v/o를 포함한다. 바람직하게는, 고온 구역은 전기 절연성 세라믹 50 내지 80v/o 또는 50 내지 70v/o, 반도체 세라믹 10 내지 45v/o 및 전도체 6 내지 16v/o를 포함한다.
위에서 논의한 바와 같이, 또한 본 발명의 점화기는 전형적으로, 점화기에 와이어 리드의 부착시키기 위한, 고온 구역과 전기적으로 연결되어 있는 1개 이상의 저 저항성 냉각 구역 영역을 포함한다. 전형적으로 고온 구역 조성물은 2개의 냉각 구역 사이에 배치되어 있다. 바람직하게는, 이러한 냉각 구역 영역은, 예를 들면, AlN 및/또는 Al2O3또는 다른 절연체; SiC 또는 다른 반도체 및 MoSi2 또는 다른 전도체로 구성된다. 그러나, 냉각 구역 영역은 고온 구역보다 전도체 및 반도체(예를 들면, SiC 및 MoSi2)의 비율(%)이 상당히 더 높다. 따라서, 냉각 구역 영역은 전형적으로 고온 구역 조성물의 저항률의 단지 약 1/5 내지 1/1000이고, 고온 구역의 수준까지 온도가 상승하지 않는다. 바람직한 냉각 구역 조성물은 산화알루미늄, 질화알루미늄 또는 다른 절연체 약 15 내지 65v/o 또는 약 15 내지 50v/o 및 용적 비가 약 1:1 내지 약 1:3인 MoSi2와 SiC 또는 다른 전도체와 반도체 약 20 내지 70v/o를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 냉각 구역은 AlN 및/또는 Al2O3약 15 내지 50v/o, SiC 15 내지 50v/o 및 MoSi230 내지 50 또는 70v/o를 포함한다. 추가의 바람직한 냉각 구역은 AlN 및/또는 Al2O3약 15 내지 50v/o, SiC 15 내지 50v/o 및 MoSi230 내지 50v/o를 포함한다. 제조의 용이성을 위해 적합하게는 냉각 구역 조성물은 고온 구역 조성물과 동일한 물질로부터 형성될 수 있지만 반도체 및 전도체의 상대적 양이 더 많다.
본 발명의 점화기에 사용하는 데 특히 바람직한 냉각 구역 조성물은 Al2O320v/o, SiC 20v/o 및 MoSi260v/o를 함유한다. 본 발명의 점화기에 사용하는 데 특히 바람직한 냉각 구역 조성물은 Al2O350v/o, SiC 20v/o 및 MoSi230v/o를 함유한다. 특히 바람직한 다른 조성물은 실험에 의해 즉시 확인할 수 있다. 즉, 특정 세라믹 조성물을 제조하고 특정 제품에 시험할 수 있다.
위에서 논의한 바와 같이, 적합하게는 본 발명의 점화기의 다중 고온 구역은 고온 구역 영역 사이에 삽입된 비전도성 영역을 포함할 수 있다. 바람직하게는,소결된 절연체 영역은 실온에서 저항률이 약 1014Ωㆍcm 이상이고 작동 온도에서 저항률이 104Ωㆍcm 이상이며 강도가 150MPa 이상이다. 바람직하게는, 삽입된 절연체 영역은 작동 온도에서 저항률이 고온 구역 영역의 저항률보다 102배 이상 크다. 적합한 절연체 조성물은 하나 이상의 질화알루미늄, 알루미나 및 질화붕소 약 90v/o 이상을 포함한다. 본 발명의 점화기의 특히 바람직한 절연체 조성물은 AlN 13v/o, Al2O377v/o 및 나머지량의 SiC로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 다중 점화기 부재는 약 5초 또는 4초 또는 그 이하, 또는 심지어 3초, 2.5초 또는 2초 또는 그 이하의 시간 내에 작동 온도, 예를 들면, 약 1300℃, 1400℃ 또는 1500℃까지 신속하게 가열될 수 있다. 바람직하게는, 다중 점화기 부재의 모든 고온 구역은 작동 온도가 대략 동일하여 당해 온도 범위가 약 50℃ 또는 40℃ 또는 그 이하, 또는 심지어 30℃ 또는 20℃ 또는 그 이하이고, 대략 동일한 시간 내에 작동 온도에 도달, 예를 들면, 부재의 모든 고온 구역이 1초 또는 0.5초 또는 그 이하, 또는 심지어 0.4초, 0.3초, 0.2초 또는 0.1초 또는 그 이하의 시간 내에 작동 온도에 도달한다.
추가로, 본 발명의 바람직한 다중 점화기 부재는 여과기에 부착시 효과적인 열 및 전기적 특성을 유지한다. 추가로, 다중 점화기 부재의 기계적 및 열-기계적 저항성은 부재가 심지어는 혹독한 조건(예를 들면, 연소 엔진의 배기관 내부)에서도 상당한 시간 동안 여과기를 재생시키는 데 효과적이도록, 연장된 시간 동안 입자 여과기에서 하나 이상의 부재의 사용을 허용하기에 충분하다.
바람직한 한 양태에서, 본 발명의 하나 이상의 다중 고온 부위 점화기가 여과기의 흡입 면에 부착되어 있는 연료 배기 여과기가 제공된다. 다중 점화장치는, 전도성 레일과, 각각의 고온 구역의 한 면 모두 여과기의 입구 면과 물리적으로 접촉하도록 평편하게 놓인 상태로 부착되거나, 제1 전도성 레일의 외부 말단이 여과기의 입구 면과 물리적으로 접촉하고 고온 구역과 제2 전도성 레일이 여과기와 직접 물리적으로 접촉하지 않도록, 수직으로 부착되어 있다. 바람직하게는, 2개 이상의 돌출된 부재로 구성된 여과기의 경우, 고온 구역은 인접한 돌출 부재 사이의 일부 또는 모든 교차 부위에 가깝게 위치한다.
본 발명의 다중 점화기 부재는 세라믹 접착제를 사용하여 여과기에 적합하게 부착시킨다. "진탕 시험"에서 부재의 위치변경을 방지하기에 충분히 강한 세라믹 접착제로 여과기 및 다중 점화기 부재(들) 사이를 연결시킨다. 추가로, 바람직하게는 부착 방식은 여과기에서 가능한 한 적은 갯수의 셀 열을 불활성화시켜 여과기에서 최대 연소 증진을 유지한다.
위에서 논의한 바와 같이, 또한 세라믹 다중 점화기 부재의 제조방법이 제공된다. 바람직한 방법은
(a) 교대로 나타나는 절연체 조성물로 구성된 구역 및 고온 구역 조성물로 구성된 구역을, 예를 들면, 승온 프레싱(warm pressing)으로 압축시켜 3개 이상의 교대 구역을 하나의 빌렛(billet)으로 압축시키는 단계,
(b) 전도성 세라믹 조성물, 예를 들면, 전도체, 반도체 및 절연체(예를 들면, AlN, MoSi2및 SiC)의 혼합물을 포함하는 조성물로 이루어진 빌렛을, 예를 들면, 승온 프레싱으로 압축시키는 단계,
(c) 예를 들면, 두께가 약 0.01 또는 0.05 내지 약 0.5, 1 또는 1.5in인 교대 구역으로 구성된 빌렛을 (예를 들면, 절단 또는 기계가공으로) 형성시키는 단계,
(d) 예를 들면, 두께가 약 0.01 또는 0.05 내지 약 1, 1.5, 2 또는 2.5in 또는 그 이상인 전도성 세라믹으로 구성된 빌렛을 (예를 들면, 절단 또는 기계가공으로) 형성시키는 단계,
(e) 다수의 타일, 예를 들면, 3개의 타일, 즉 단계(c)로부터의 1개의 타일과 단계(d)로부터의 2개의 타일을 적층시켜, 각각 전도성 세라믹 조성물로 구성된 말단 타일, 절연성 및 고온 구역으로 구성된 중간 복합 타일 및 전도성 세라믹 조성물로 구성된 말단 타일을 포함하는, 타일로 이루어진 샌드위치(sandwich)를 형성시키는 단계,
(f) 단계(e)에서 제조된 타일로 이루어진 샌드위치 하나 이상을, 예를 들면, 고온 이소택틱 프레싱(hot isotactic pressing)으로 압축시키는 단계 및
(g) 압축된, 타일로 이루어진 샌드위치로부터 점화기 부재(예를 들면, 막대)를 형성시켜, 형성된 각각의 막대가 절연체 및 고온 구역 조성물을 갖는 교대 영역으로 구성된 중간 복합 층 및 전도성 세라믹 조성물을 갖는 말단 층들을 포함하도록 하는 단계를 포함한다.
또한, 바람직한 방법은, 예를 들면, 타일에
(h) 금속, 금속 혼합물, 합금 또는 합금 혼합물을 포함하는 조성물(예를 들면, 페이스트)을 중간 복합 세라믹 층에 대향하는 세라믹 전도성 레일의 외부 표면에 도포하는 단계,
(i) 다중 고온 부위 점화장치를 가열하여 금속 또는 합금 함유 페이스트를 소결시킴으로써, 전도성 세라믹에 금속 피막을 형성시키는 단계 및
(j) 소결된 금속 피복된 장치를 냉각시켜 전도성 세라믹 레일에 압축력이 가해지고 금속 피막에 장력이 가해지도록 하는 단계를 수행함으로써, 제조된 전도성 타일을 금속 피복시킴을 포함한다.
세라믹 성분의 일반적인 가공(예를 들면, 미가공체 가공 및 소결 조건)은 공지된 방법에 따라 수행할 수 있다[참조: 워쉬번(Washburn)에게 허여된 미국 특허 제5,405,237호]. 바람직하게는 고온 구역 조성물의 소결은 비교적 높은 온도, 예를 들면, 1800℃ 또는 약 1800℃에서 수행한다. 소결은 전형적으로 가압하에, 예를 들면, 일축 프레스(고온 프레스) 또는 고온 이소택틱 프레스(HIP)하에 수행한다.
위에서 논의한 바와 같이, 본 발명의 점화기는 기체 상 연료 점화 제품, 예를 들면, 로 및 조리 기구, 베이스보드 가열기(baseboard heater), 보일러 및 스토브 탑(stove top)을 포함하는 다수의 제품에 사용할 수 있다. 위에서 논의한 바와 같이, 본 발명의 다중 점화기 부재의 특히 바람직한 제품은 특히 연료 여과기, 특히 디젤 엔진의 연료 여과기를 포함하는 연료 점화 제품 뿐만 아니라, 특히 연장된기체 배출구를 갖는, 가열 유니트 및 조리 유니트와 같은 가스 버너 설비이다.
또한, 본 발명의 점화기는, 예를 들면, 운송 수단을 예열시키는 운송 수단(예를 들면, 차) 가열기에서 액체 연료(예를 들면, 등유, 가솔린)가 증발 및 점화되는 경우에 사용하는 데 특히 적합하다.
아래의 실시예로 본 발명을 설명하지만, 이에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본원에서 언급한 모든 문헌은 본원에 참고로 인용된다.
실시예 1
본 발명의 다중 점화기 부재를 아래와 같이 제조하고 시험한다.
고온 구역, 전기 절연성 냉각 구역 및 전도성 냉각 구역 조성물을 제조한다. 고온 구역 조성물은 AlN 70용적부, MoSi210용적부 및 SiC 20용적부를 포함하며, 이들은 고 전단력 혼합기 속에서 블렌딩된다. 전도성 냉각 구역 조성물은 AlN 약 15용적부, MoSi2약 40용적부 및 SiC 약 45용적부를 포함하며, 이들은 고 전단력 혼합기 속에서 블렌딩된다. 전기 절연 냉각 구역 조성물은 AlN 약 13용적부, Al2O377용적부 및 나머지량의 SiC를 포함하며, 이들은 고 전단력 혼합기 속에서 블렌딩된다.
전기 절연성 냉각 구역 조성물 및 고온 구역 조성물의 교대 영역으로 구성된 빌렛을, 교대 조성물을 웨이브 프레싱(wave pressing)하여 제조한다. 전도성 냉각 구역 조성물로 구성된 빌렛을 웨이브 프레스로 제조한다. 전도성 냉각 구역 조성물 빌렛 및 전기 절연성 냉각 구역 조성물과 고온 구역 조성물로 이루어진 교대 층을 포함하는 빌렛을 슬라이싱(slicing)하여 두께가 0.100in인 타일을 형성시킨다. 타일이 전기 절연성 조성물과 고온 구역 조성물의 교대 영역을 포함하도록, 전기 절연성 냉각 구역 조성물과 고온 구역 조성물로 이루어진 교대 층을 포함하는 빌렛을 교대 조성물의 적층 방향에 수직으로 슬라이싱한다.
전도성 냉각 구역 조성물 빌렛으로부터 슬라이싱된 외부 타일들 사이에 배치된, 전기 절연성 냉각 구역 조성물과 고온 구역 조성물로 이루어진 교대 층을 포함하는 빌렛으로부터 슬라이싱된 중간 타일을 포함하는, 3개 타일로 구성된 적층물을 제조한다. 타일 적층물을 유리 고온 이소택틱 프레싱으로 프레싱한다. 타일의 적층 방향과, 중간 타일에서의 전기 절연성 냉각 구역 조성물과 고온 구역 조성물로 이루어진 교대 층의 배향 모두에 수직 방향으로, 압축된 타일 적층물을 슬라이싱함으로써 본 발명의 다중 점화기 부재를 제조한다. 수득된 부재는 고온 구역 조성물이 전기 절연성 냉각 구역 조성물의 2개의 구역 사이에 배치되어 있는 교대 구역으로 이루어진 중간 층을 포함하며, 여기서 당해 중간 층은 전도성 냉각 구역 조성물로 구성된 2개의 외부 층 사이에 배치되어 있다. 제조된 다중 점화기 부재의 크기는 l1=0.040in, l2=0.120in 및 l3=4in이다.
실시예 2
복합 금속/세라믹 전도성 냉각 구역 조성물을 함유하는 다중 점화기 부재를다음과 같이 제조한다.
다중 점화기 부재를 일반적으로 위의 실시예 1의 방법에 따라 제조한다. 백금 분말 페이스트[잉글하드(Englehard) INK A 4731]를 다중 점화기 부재의 전도성 냉각 구역 조성물의 대향 면들에 도포하고, 여기서 각각의 표면은 백금 막 두께가 약 0.003 내지 0.005in가 되도록 하는 표면적(l2×l3)을 갖는다. 백금 피복된 부재를 약 800 내지 약 1000℃에서 소결시킨다. 냉각 후, 백금 피복된 다중 점화기 부재는 높이 6in로부터 낙하시킬 때 금속 소리가 나고 촉감이 거칠다.
실시예 3
복합 금속/세라믹 전도성 냉각 구역 조성물을 포함하는 다중 점화기 부재를 다음과 같이 제조한다.
실시예 1의 다중 점화기 부재에 인코넬(Inconel)(Fe/Cr/Ni 합금)이 도포된, 실시예 2의 백금 피복된 부재와 유사한 다중 점화기 부재를 제조한다. 인코넬 함유 부재를 실시예 2에 기재된 백금 함유 부재와 유사하게 소성시킨다.
본 발명은 이의 특정 양태를 참고로 하여 상세하게 기재되어 있다. 그러나, 당해 분야의 숙련가들은 당해 기재사항을 고려하여 본 발명의 정신 및 범위 내에서 변경 및 개선을 실행할 수 있는 것으로 인정된다.

Claims (36)

  1. 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있는, 다수 개의 고온 구역 영역을 포함하는, 소결된 세라믹 점화기 부재.
  2. 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있고 당해 2개의 분리된 고온 구역 영역이 공동의 전도성 구역에 인접해 있는, 다수 개의 고온 구역 영역을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  3. 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있는, 3개 이상의 고온 구역 영역을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  4. 제3항에 있어서, 3개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있는, 세라믹 점화기 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 다수 개의 고온 구역이 전기적으로 직렬로 배열되어 있는, 세라믹 점화기 부재.
  6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 다수 개의 고온 구역이 전기적으로 병렬로 배열되어 있는, 세라믹 점화기 부재.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연체 영역이 2개의 고온 구역 영역 사이에 삽입되어 있는, 세라믹 점화기 부재.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 인접한 고온 구역들 사이에 삽입된 전도성 구역을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 전도성 영역을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  10. 제9항에 있어서, 전도성 영역이 각각 부재의 대향 말단을 따라 연장되어 있고 각각의 고온 구역 영역과 전류가 통하는, 세라믹 점화기 부재.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 전도성 영역이 금속 피막을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  12. 제11항에 있어서, 금속 피막이 Pt, Pd, 또는 Fe 합금을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연성 또는 전도성 구역이인접한 고온 구역들 사이에 삽입되어 있는, 세라믹 점화기 부재.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 인접한 고온 구역들이 실질적으로 전기적으로 분리되어 있는, 세라믹 점화기 부재.
  15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 절연체 약 15 내지 50v/o, 반도체 0 내지 50v/o 및 금속 전도체 20 내지 70v/o를 포함하는 냉각 구역을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  16. 제15항에 있어서, 냉각 구역 절연체가 질화알루미늄, 산화알루미늄 또는 이들의 혼합물이고, 냉각 구역 반도체가 탄화규소이고, 냉각 구역 전도체가 MoSi2인, 세라믹 점화기 부재.
  17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, AlN 약 3 내지 25v/o, Al2O3약 60 내지 90v/o 및 SiC 약 8 내지 15v/o를 포함하는 절연체 영역을 포함하는, 세라믹 점화기 부재.
  18. 제1항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 고온 구역이 전기 절연체 50 내지 70v/o, 반도체 10 내지 45v/o 및 전도체 6 내지 16v/o를 포함하는,세라믹 점화기 부재.
  19. 제1항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 따르는 세라믹 점화기 부재를 포함하는, 연료 배기 처리장치.
  20. 제19항에 있어서, 디젤 연료 트랩인 장치.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 세라믹 점화기 부재가 전기 전위에 연결되어 있는 장치.
  22. 제19항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 있어서, 당해 장치를 통해 연장된 여과기 베인(filter vane)들이 교차되어 있는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 점화기의 1개 이상의 고온 구역이 교차하는 베인에 위치하는 장치.
  24. 제19항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화기 부재가 상부 면에 위치하는 장치.
  25. 제19항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화기 부재가 당해 장치를통해 세로 방향으로 연장되어 있는 장치.
  26. 제1항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 따르는 세라믹 점화기 부재를 포함하는, 연료 연소장치.
  27. 제26항에 있어서, 다수의 이격된 수준(level)의 기체 배출구를 포함하는 가스 버너를 포함하는 장치.
  28. 제1항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 따르는 점화기를 포함하는 가스 버너를 포함하는, 조리 기구.
  29. 제28항에 있어서, 다수의 이격된 수준의 가스 배출구를 포함하는 가스 버너를 포함하는, 조리 기구.
  30. 제29항에 있어서, 점화기 부재가 이격된 기체 배출구의 길이를 따라 배치되어 있는, 조리 기구.
  31. 여과기 및
    여과기에 부착되어 있고 2개 이상의 고온 구역 영역이 서로에 대해 열적으로 분리되어 있는, 다수 개의 고온 구역 영역을 포함하는 소결된 세라믹 점화기 부재를 포함하는, 디젤 여과기 조립물.
  32. 제31항에 있어서, 점화기가 제2항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 따르는 점화기인, 디젤 여과기 조립물.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 점화기 부재가 여과기의 입구 면 전방에 위치하는, 디젤 여과기 조립물.
  34. 제31항 내지 제33항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화기 부재의 고온 구역이 여과기 부재의 교차 지점에 위치하는, 디젤 여과기 조립물.
  35. 제31항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화기 부재가 접착제에 의해 여과기에 부착되어 있는, 디젤 여과기 조립물.
  36. 제31항 내지 제35항 중의 어느 한 항에 있어서, 다수 개의 부재를 포함하는, 디젤 여과기 조립물.
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