KR20070112379A - 세라믹 점화기 - Google Patents

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KR20070112379A
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igniter
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KR1020077020200A
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슈레쉬 안나바라푸
헬지 짐메트
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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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Abstract

성형된 요소의 하나 이상의 층의 사출 성형을 포함하는 세라믹 저항성 점화기 요소를 제조하는 새로운 방법이 제공된다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로부터 얻을 수 있는 세라믹 점화기가 제공된다.
세라믹 요소, 세라믹 조성물, 점화기 요소, 저항 영역

Description

세라믹 점화기{CERAMIC IGNITERS}
본 출원은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2005년 2월 5일자로 출원된 미국 가출원 60/650,353호의 이득을 주장한다.
일 양태에서, 본 발명은 성형된 요소의 하나 이상의 영역의 사출 성형을 포함하는 세라믹 저항 점화기 요소를 제조하기 위한 새로운 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로부터 얻을 수 있는 점화기 요소도 제공된다.
세라믹 재료는 예로서, 가스 연소 노, 난로 및 의류 건조기의 점화기로서 큰 성공을 향유하고 있다. 세라믹 점화기 제조는 그 일부가 매우 저항성이면서 와이어 리드에 의한 대전시(electrified) 온도가 상승하는 세라믹 콤포넌트를 통해 전기 회로를 구성하는 것을 포함한다. 예로서, 미국 특허 제 6,582,629호, 제 6,278,087호, 제 6,028,292호, 제 5,801,361호, 제 5,786,565호, 제 5,405,237호 및 제 5,191,508호 참조.
전형적인 점화기는 점화기 팁에 고저항 "핫 영역"을 가지는 실질적 직사각형 요소이며, 대향 점화기 단부로부터 핫 영역으로 하나 이상의 전도성 "콜드 영역"이 제공된다. Norton Igniter Products(Milford, M.H.)로부터 입수할 수 있는 한 가지 현용의 점화기는 12 볼트 내지 120 볼트 용례를 위해 설계되어 있으며, 알루미 늄 질화물("AlN"), 몰리브덴 디실리사이드("MoSi2") 및 실리콘 카바이드("SiC")를 포함하는 조성을 갖는다.
점화기 제조 방법은 적어도 두 개의 서로 다른 저항의 세라믹 조성물이 다이(die)에 탑재되는 일괄형 처리를 포함한다. 형성된 원자재 요소는 그 후 상승된 온도 및 압력에서 밀집화(소결)된다. 상술한 특허 참조. 또한, 미국 특허 제 6,184,497호 참조.
이런 제조 방법이 세라믹 점화기 제조에 효과적일 수 있지만, 일괄형 처리는 산출량 및 비용 효율의 견지에서 고유한 한계를 나타낸다.
또한, 현용의 세라믹 점화기는 특히, 가스 쿡탑(cooktop) 등을 위해 사용되는 점화기 같이 충격이 수반되는 환경에서의 사용 동안 파괴가 발생한다.
따라서, 새로운 점화기 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 세라믹 저항 요소를 제조하는 새로운 방법을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 양호한 기계적 완전성을 갖는 새로운 점화기를 갖는 것이 바람직하다.
세라믹 점화기 요소를 제조하기 위한 새로운 방법이 제공되며, 이는 세라믹 요소를 형성하기 위한 세라믹 재료의 사출 성형을 포함한다. 이런 사출 성형 제조는 다이 캐스트 방법 같은 종래의 접근법에 비해 개선된 산출량 및 비용 효율을 제공할 수 있으며, 현저한 기계적 강도의 점화기를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명의 양호한 방법은 세라믹 요소를 형성하기 위한 하나 이상의 층의 사출 성형을 포함한다. 단일 요소의 다중층이 사출 성형되는 경우, 바람직하게는 이들 층은 형성된 요소의 별개의 전도성의 영역을 제공하도록 다른 저항을 갖는다. 예로서, 요소는 1) 선택적 절연체(히트 싱크 ; heat sink), 2) 전도성 영역, 3) 저항성 핫 영역, 및 4) 제 2 전도성 영역의 하나 이상의, 다중, 순차적 영역의 사출 성형에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 양호한 양태에서, 세라믹 콤포넌트를 제조하기 위해 단일 제조 시퀀스(sequence), 소위 "다중 샷(multiple shot)" 사출 성형 프로세스에서 점화기 요소의 적어도 세 개의 부분이 사출 성형되며, 이 제조 시퀀스에서는 점화기 요소의 다수의 부분이 다른 저항값을 가진다(예로서, 핫 또는 고 저항성 부분, 콜드 또는 전도성 부분 및 절연체 또는 히트 싱크 부분). 적어도 특정 실시예에서, 단일 제조 시퀀스는 요소 성형 영역으로부터 요소를 제거가 없는 및/또는 사출 성형 이외의 프로세스에 의한 요소 부재에 대한 세라믹 재료의 침착이 없는 세라믹 재료의 순차적 사출 성형 적용을 포함한다.
예로서, 일 양태에서, 제 1 절연체(히트 싱크) 부분이 사출 성형되고, 그 후, 그 절연체 부분 둘레에 전도성 다리 부분이 제 2 단계에서 사출 성형되고, 제 3 단계에서, 저항성 핫 또는 점화 영역이 절연체와 저항 영역을 포함하는 본체에 사출 성형에 의해 적용될 수 있다.
점화기 요소의 세 개 이상의 부분을 사출성형하기 위해(즉, 소위 3-샷 또는 그 이상의 사출 성형 프로세스), 균일하고 효과적인 요소가 제조되는 것을 보증하기 위해, 이전에 침착된 제 1 및 제 2 부분과의 제 3(또는 추가 후속) 사출 성형된 부분의 양호한 정합이 중요할 수 있다. 즉, 제조된 점화기의 양호한 성능 결과는 이전에 침착된 점화기 부분에 관한 점화기 요소의 제 3 또는 그 이상의 사출 성형 부분의 정확한 배치에 의해 추가로 보증될 수 있다.
점화기 요소의 이런 제 3 또는 그 이상의 사출 성형된 부분의 이런 양호한 정합은 사출 성형을 경유하여 세라믹 재료가 침착되는 부위로부터 효과적 공기를 제거함으로써 촉진될 수 있다. 예로서, 침착 부위로부터의 공기의 효과적 배기(제거)는 이전에 침착된 세라믹 점화기 부분과 침착되는 세라믹 재료의 양호한 정합을 도울 수 있다. 이런 배기는 세라믹 재료가 침착되는 일반적 영역에서 미소한 부압(진공 라인)을 유지하는 것을 포함하는 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다.
다른 실시예에서, 저항성 점화기를 제조하는 방법이 제공되며, 이는 세라믹 요소의 하나 이상의 부분을 사출 성형하는 것을 포함하고, 세라믹 요소는 다른 저항의 세 개 이상의 영역을 포함한다. 양호한 양태에서, 점화기 영역(제 1 영역)은 제 1 및 제 2 영역이 실온에서 적어도 10 또는 102 ohms-cm의 고유저항 편차, 또는 보다 적절하게는 실온에서 적어도 103 또는 104 ohms-cm의 고유저항 편차를 가지는 경우, 다른 점화기 영역(제 2 영역)과는 고유 저항이 다른 것으로 고려될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조 방법은 성형된 세라믹 요소를 제조하기 위해, 세라믹 재료의 추가를 위해 부가적인 프로세스를 포함할 수 있다. 예로서, 세라믹 조성물 슬러리(slurry)의 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅 등에 의해 하나 이상의 세라믹 층이 성형된 요소에 인가될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 양호한 세라믹 요소는 모두 전기적으로 순차적인 제 1 전도성 영역, 저항성 핫 영역 및 제 2 전도성 영역을 포함한다. 바람직하게는, 장치의 사용 동안 전력이 제 1 또는 제 2 전도성 영역에 전기 리드의 사용을 통해 인가될 수 있다(그러나, 통상적으로, 전도성 영역 양자 모두에 적용되지는 않는다).
본 발명의 방법의 특히 양호한 점화기는 점화기 길이의 적어도 일부를 따라 둥근 단면 형상을 가진다(예로서, 전기 리드가 점화기에 고정되는 위치로부터 저항성 핫 영역으로 연장하는 길이). 특히, 양호한 점화기는 점화기 길이의 적어도 일부, 예로서, 점화기 길이의 적어도 약 10%, 40%, 60%, 80%, 90% 또는 전체 점화기 길이에 대해 실질적 타원, 원형 또는 기타 라운드형 단면 형상을 가질 수 있다. 이런 로드 구조는 보다 높은 단면 모듈러스를 제공하며, 따라서, 점화기의 기계적 완전성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 세라믹 점화기는 6, 8, 10, 12, 24, 120, 220, 230 및 240 볼트의 공칭 전압을 포함하는 광범위하게 다양한 공칭 전압에서 사용될 수 있다.
본 발명의 점화기는 다양한 장치 및 가열 시스템의 점화기용으로 유용하다. 특히, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 소결된 세라믹 점화기 요소를 포함하는 가열 시스템이 제공된다. 특정 가열 시스템은 가스 조리 유닛, 온수기를 포함하는 상업용 및 주거용 빌딩을 위한 가열 유닛을 포함한다.
도 1A 및 도 1B는 각각 본 발명의 점화기의 상면도 및 저면도.
도 2A는 도 1A의 라인 2A-2A를 따른 단면도.
도 2B는 도 1A의 라인 2B-2B를 따른 단면도.
도 3A 및 도 3B는 각각 본 발명의 다른 양호한 점화기의 상면도 및 측면도.
도 4A는 도 4A의 라인 4A-4A를 따른 단면도.
도 4B는 도 4A의 라인 4B-4B를 따른 단면도.
상술한 바와 같이, 이제, 요소의 하나 이상의 층 또는 영역의 사출 성형을 포함하는 세라믹 점화기 요소 제조를 위한 새로운 방법이 제공된다.
통상적으로 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "사출 성형된", "사출 성형" 또는 기타 유사 용어는 재료(여기서는 세라믹 또는 프리-세라믹 재료)가 통상적으로는 세라믹 요소의 원하는 형상의 몰드내로 압력하에 사출 또는 기타의 방식으로 전진되고, 냉각 및 몰드의 복제본을 보유하는 응고된 요소의 후속 제거가 이어지는 일반적 프로세스를 나타낸다.
본 발명의 점화기 요소의 사출 성형 형성에서, 세라믹 재료(세라믹 분말 혼합물, 분산체 또는 기타 조성물) 또는 프리-세라믹 재료나 조성물은 몰드 요소내로 전진될 수 있다.
본 발명의 적절한 제조 방법에서, 다른 저항의 영역(예로서, 전도성 영역(들), 절연체 또는 히트 싱크 영역 및 고저항 "핫" 영역(들))을 가지는 일체형 점화기 요소는 다른 저항을 가지는 세라믹 또는 프리-세라믹 재료를 순차 사출 성형함으로써 형성될 수 있다.
따라서, 예로서, 베이스 요소는 제 1 저항을 갖는 세라믹 재료(예로서, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)의 로드 형상 같은 원하는 베이스 형상을 규정하는 몰드 요소내로의 사출 도입에 의해 형성될 수 있다. 베이스 요소는 이런 제 1 몰드로부터 제거되고 제 2, 별개의 몰드 요소내에 배치될 수 있으며, 다른 저항을 가지는 세라믹 재료-예로서, 전도성 세라믹 재료-가 제 2 몰드내로 사출되어 점화기 요소의 전도성 영역(들)을 제공할 수 있다. 유사한 형태로, 베이스 요소는 이런 제 2 몰드로부터 제거되고, 다른 제 3 별개의 몰드 요소내에 배치될 수 있으며, 다른 저항을 가지는 세라믹 요소-예로서, 저항성 핫 영역 세라믹 재료-가 제 3 몰드내로 사출되어 점화기 요소의 저항성 핫 또는 점화 영역(들)을 제공할 수 있다.
대안적으로, 이런 복수의 별개의 몰드 요소의 사용 대신, 다른 저항을 가지는 세라믹 요소는 동일 몰드 요소내로 순차적으로 전진 또는 사출될 수 있다. 예로서, 사전결정된 체적의 제 1 세라믹 재료(예로서, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)가 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소내로 도입되고, 그 후, 다른 저항의 제 2 세라믹 재료가 형성된 베이스에 적용될 수 있다.
세라믹 재료는 하나 이상의 세라믹 분말 같은 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 유체 조성물로서 몰드 요소내로 전진(사출)될 수 있다.
예로서, 알콜 등 같은 하나 이상의 혼합성 유기 솔벤트를 포함하는 수성 용액 또는 비수성 용액과 하나 이상의 세라믹 분말의 혼합에 의해 제공되는 페이스트 와 같은 세라믹 분말의 슬러리 또는 페이스트형 조성물이 준비될 수 있다. 압출을 위한 양호한 세라믹 슬러리 조성물은 선택적으로 셀룰로스 에테르 솔벤트, 알콜 등 같은 하나 이상의 수성 혼합성 유기 솔벤트 같은 하나 이상의 유기 솔벤트와 함께 물의 유체 조성물내에 MoSi2, SiC, Al2O3, 및/또는 AlN 같은 하나 이상의 세라믹 분말을 혼합시킴으로써 준비될 수 있다. 또한, 세라믹 슬러리는 다른 재료, 예로서, 선택적으로 하나 이상의 중합성 바인더와 함께 하나 이상의 유기 가소제 콤파운드를 포함할 수 있다.
형성된 점화기의 원하는 형상에 따른 구조의 요소와 함께, 광범위하게 다양한 형상 성형 또는 유도 요소가 점화기 요소의 형성에 사용될 수 있다. 예로서, 로드 형상 요소를 형성하기 위해, 세라믹 분말 페이스트는 원통형 다이 요소내로 사출될 수 있다. 각주 또는 직사각형 점화기 요소를 형성하기 위해, 직사각형 다이가 사용될 수 있다.
세라믹 재료(들)를 몰드 요소내로 전진시킨 이후, 원하는 세라믹 부분은 얘로서, 50℃ 또는 60℃를 초과하여, 임의의 솔벤트(수성 및/또는 유기) 캐리어를 제거하기에 충분한 시간 동안 적절히 건조될 수 있다.
하기의 실시예는 점화기 요소를 형성하기 위한 양호한 사출 성형 프로세스를 설명한다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1A 및 도 1B는 다른 저항의 영역을 사출 성형하는 것을 통해 제조되는 본 발명의 적절한 점화기 요소(10)를 도시한다.
도 1A에서 볼 수 있는 바와 같이, 점화기(!0)는 중앙 히트 싱크 또는 절연체 영역(12)을 포함하고, 이는 다른 저항의 영역(들), 즉, 보다 저항이 높은 근위 부분(16)의 전도성 영역(14)내에 수납되며, 점화기 근위 부분(18)에서, 영역은 비교적 감소된 체적을 가지며, 따라서, 저항성 핫 영역(20)으로 기능할 수 있다.
도 1B는 노출된 히트 싱크 영역(12)을 가지는 점화기 저면을 도시한다.
도 2A 및 도 2B의 단면도는 점화기 원위 영역(18)의 대응 저항성 핫 영역(20)과 점화기 근위 영역(16)의 전도성 영역(14A, 14B)을 포함하는 점화기(10)를 추가로 도시한다.
사용시, 전력은 저항성 점화 영역(20)을 통한, 그리고, 그 후, 전도성 영역(14B)을 통한 전기 경로를 제공하는 전도성 영역(14A)내로 점화기(10)에 공급될 수 있다(예로서, 하나 이상의 전기 리드(미도시)를 경유하여). 전도성 영역(14)의 근위 단부(14a)는 사용 동안 점화기에 전력을 공급하는 전기 리드(미도시)에 납땜을 통한 방식 등으로 적절히 고정될 수 있다. 점화기 근위 단부(10a)는 미국 공개 특허 출원 2003/0080103에 개시된 바와 같이, 세라모플라스틱(ceramoplstic) 밀봉제 재료가 전도성 요소를 수납하는 것 같이 다양한 고정부내에 적절히 장착될 수 있다.
도 3A는 본 발명의 다른 양호한 점화기(30)의 상면도를 도시하며, 이는 전도성 영역(34A, 34B)을 포함하는 중앙 점화기 본체부(32)를 포함한다. 도 3B는 이 점화기(30)의 측면도를 도시한다. 도 4A 및 도 4B는 도 3B의 점화기(30)의 각각의 단면도를 도시한다.
이런 사출 성형 프로세스에 의해 형성된 점화기 요소(10)는 필요에 따라 추가 가공될 수 있다. 예로서, 형성된 점화기(10)는 또한, 온도 및 압력을 포함하는 조건하에서 같이, 추가로 밀집화될 수 있다.
부가적으로, 다른 저항의 점화기 영역은 딥 코팅 이외의 다른 절차에 의해 점화기 베이스 요소에 적용될 수 있다. 예로서, 점화기 요소는 비코팅 점화기 영역의 적절한 차폐와 함께 점화기 영역을 제공하도록 세라믹 조성물 슬러리내에 딥 코팅될 수 있다. 이런 딥 코팅 용례를 위해, 세라믹 조성물의 슬러리 또는 기타 유체형 조성물이 적절히 사용될 수 있다. 슬러리는 물 및/또는 알콜 같은 극성 유기 솔벤트와, 적용된 세라믹 조성물의 균일한 층의 형성을 촉진하기 위한 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 예로서, 슬러리 조성물은 하나 이상의 유기 유화제, 가소제 및 분산제를 포함할 수 있다. 이들 바인더 재료는 점화기 요소의 후속 밀집화 동안 열적으로 적절히 제거될 수 있다.
상술한 바 및 도 1A, 도 1B, 도 2A 및 도 2B의 점화기(10)에 의해 예시된 바와 같이, 적어도 점화기 길이의 현저한 부분은 도 1B에 도시된 길이 x 같은 점화기 길이의 적어도 일부를 따라 둥근 단면 형상을 갖는다. 도 1A, 도 1B, 도 2A 및 도 2B의 점화기(10)는 점화기(10)가 로드형 점화기 요소를 제공하도록 점화기의 대략 전체 길이에 대해 실질적 원형 단면 형상을 갖는 특정 양호한 구조를 도시한다. 그러나, 양호한 시스템은 또한, 점화기의 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90 까지의 점화기 길이(도 1B에 점화기 길이 x로 예시된 바와 같이)가 둥근 다년 형상을 갖는 경우 같이 일부만이 둥근 형상을 갖는 것들을 포함할 수 있으며, 이런 디자인에서, 점화기 길이의 나머지는 외부 에지를 갖는 프로파일을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 방법은 특정 용례를 위해 필요할 수 있는 바와 같은 다양한 구조의 점화기의 제조를 용이하게 할 수 있다. 특정 구조를 제공하기 위해, 적절한 형상 유도 몰드 요소가 사용되며, 이를 통해 세라믹 조성물(세라믹 페이스트 같은)이 사출될 수 있다.
본 발명의 점화기의 치수는 광범위하게 변할 수 있으며, 점화기의 의도된 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 예로서, 양호한 점화기의 길이(도 1B의 길이 x)는 약 0.5 내지 약 5cm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 3cm일 수 있고, 점화기 단면 폭(도 1B의 길이 y)은 적절하게는 약 0.2 내지 약 3cm일 수 있다.
유사하게, 전도성 및 핫 존 영역의 길이도 적절히 변할 수 있다. 바람직하게는 도 1A에 도시된 구조의 점화기의 제 1 전도성 영역의 길이(도 1A의 근위 영역(16)의 길이)는 0.2cm으로부터 2, 3, 4, 또는 5cm일 수 있다. 보다 전형적인 제 1 전도성 영역의 길이는 약 0.5 내지 약 5cm이다. 총 핫 전기 경로 길이(도 1A의 길이 f)는 적절하게는 약 0.2 내지 5cm 이상일 수 있다.
양호한 시스템에서, 본 발명의 점화기의 핫 또는 저항 영역은 공칭 전압에서 약 1450℃ 미만의 최대 온도로, 그리고, 공칭 전압의 약 110%인 하이엔드 라인 전압에서 약 1550℃ 미만의 최고 온도로, 그리고, 공칭 전압의 약 85%인 로우-엔드(low-end)라인 전압에서 약 1350℃ 미만의 최대 온도로 가열한다.
다양한 구조가 본 발명의 점화기를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 양호한 핫 영역 조성은 1) 전도성 재료, 2) 반도체 재료 및 3) 절연 재료 중 둘 이상의 성분을 포함한다. 전도성(콜드) 및 절연성(히트 싱크) 영역은 동일한 성분으로 구성될 수 있지만, 다른 비율로 존재하는 성분을 갖는다. 통상적 전도성 재료는 예로서, 몰리브덴 디실리사이드(molybdenum disilicide), 텅스텐 디실리사이드(tungsten disilicide), 티타늄 질화물(titanium nitride)과 같은 질화물 및 티타늄 카바이드(titanium carbide)와 같은 카바이드를 포함한다. 전형적인 반도체는 실리콘 카바이드(도핑된 및 도핑되지 않은) 및 붕소 카바이드와 같은 카바이드를 포함한다. 전형적 절연 재료는 알루미나 같은 금속 산화물이나 AlN 및/또는 Si3N4 같은 질화물을 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 전기 절연성 재료는 적어도 약 1010 ohms-cm의 실온 저항을 갖는 재료를 나타낸다. 본 발명의 점화기의 전기 절연 재료 성분은 전적으로 또는 주로, 하나 이상의 금속 질화물 및/또는 금속 산화물로 구성되거나, 대안적으로, 절연 성분은 금속 산화물(들) 또는 금속 질화물(들)에 부가하여 재료를 포함할 수 있다. 예로서, 절연 재료 성분은 부가적으로 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 질화물 또는 붕소 질화물 같은 질화물, 희토류 산화물(예로서, 이트리아 ; yttria) 또는 희토류 산질화물(oxynitride)을 추가로 포함할 수 있다. 절연 성분의 양호한 추가 재료는 알루미늄 질화물(AlN)이다.
본 명세서에서 사용될 때, 반도체 세라믹(또는 "반도체")은 약 10과 108 ohm-cm의 실온 저항을 갖는 세라믹이다. 반도체 성분이 핫 영역 조성물의 약 45 v/o 보다 많이 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6-10 v/o의 범위일 때), 결과적 인 조성물은 고전압 용례에 대하여 너무 전도성이 높아진다(절연체의 결여로 인해). 반대로, 반도체 재료가 약 10v/o 미만으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6-10v/o의 범위일 때), 결과적인 조성물은 너무 저항이 높아진다(너무 많은 절연체로 인해). 역시, 보다 높은 레벨의 전도체에서, 원하는 전압을 달성하기 위해, 보다 많은 저항성 절연체 및 반도체의 혼합물의 비율이 필요하다. 통상적으로, 반도체는 실리콘 카바이드(도핑 및 비도핑) 및 붕소 카바이드로 구성되는 그룹으로부터의 카바이드이다. 일반적으로, 실리콘 카바이드가 바람직하다.
여기서 사용시, 전도성 재료는 약 10-2 ohms-cm 미만의 실온 저항을 갖는 것이다. 전도성 성분이 핫 영역 조성물의 35v/o 보다 많은 양으로 존재할 때, 결과적인 핫 영역 조성물의 세라믹, 결과적인 세라믹은 전도성이 너무 높아진다. 통상적으로, 전도체는 몰리브덴 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드 및 티타늄 질화물 같은 질화물과 티타늄 카바이드 같은 카바이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 일반적으로, 몰리브덴 디실리사이드가 바람직하다.
일반적으로, 양호한 핫(저항성) 영역 조성물은 (a) 적어도 약 1010 ohm-cm의 저항을 갖는 약 50 내지 약 80v/o의 전기 절연 재료, (b) 약 10 내지 약 108 ohm-cm의 저항을 갖는 약 0(반도체 재료가 사용되지 않음) 내지 약 45v/o의 반도체 재료 및 (c) 약 10-2 ohm-cm 미만의 저항을 갖는 약 5 내지 약 35v/o의 금속 전도체를 포함한다. 바람직하게는, 핫 영역은 50-70v/o의 전기 절연 세라믹, 10-45v/o의 반도 체 세라믹 및 6-16v/o의 전도성 재료를 포함한다. 본 발명의 점화기에 사용하기 위한 특정 양호한 핫 영역 조성물은 10v/o MoSi2, 20v/o SiC 및 잔여부로서 AlN 또는 Al2O3을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 점화기는 핫(저항성) 영역과 전기 접속된 비교적 낮은 저항의 콜드 영역을 포함하며, 이는 점화기에 대한 와이어 리드의 부착을 허용한다. 양호한 콜드 존 영역은 예로서, AlN 및/또는 Al2O3 또는 기타 절연 재료와, SiC 또는 기타 반도체 재료와 MoSi2 또는 기타 전도성 재료로 구성된 것들을 포함한다. 그러나, 콜드 존 영역은 핫 존 보다 현저히 높은 비율의 전도성 및 반도체 재료(예로서, SiC 및 MoSi2를 포함한다. 양호한 콜드 존 조성물은 약 15 내지 65 v/o 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물 또는 기타 절연 재료와, 약 20-70v/o의 MoSi2 및 SiC 또는 약 1:1 내지 약 1:3의 제적 비율의 기타 전도성 및 반도체 재료를 포함한다. 다수의 용례에 대하여, 보다 바람직하게는, 콜드 존은 약 15 내지 50 v/o AlN 및/또는 Al2O3, 15 내지 30v/o SiC 및 30 내지 70v/o MoSi2를 포함한다. 제조의 용이성을 위해, 콜드 존 조성물은 핫 존 조성물과 동일한 재료로 형성되고, 반도체 및 전도체 재료의 상대적 양이 보다 커지는 것이 바람직하다.
본 발명의 점화기에 사용하기 위한 특히 양호한 콜드 존 조성물은 20 내지 35v/o MoSi2, 45 내지 60 v/o SiC 및 잔여부로서 AlN 및/또는 Al2O3 중 어느 하나를 포함한다.
적어도 특정 용례를 위해, 본 발명의 점화기는 비전도성(절연체 또는 히트 싱크) 영역을 포함하는 것이 적절할 수 있다. 이런 히트 싱크 영역은 점화기 요소내의 다양한 구조에 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 양호한 구조는 점화기 요소의 중앙 본체 영역으로서 히트 싱크 영역을 제공한다.
이런 히트 싱크 영역은 전도성 존 또는 핫 존 또는 양자 모두와 정합할 수 있다. 소결된 절연체 영역은 적어도 약 1014 ohms-cm의 실온 저항과, 동작 온도에서 적어도 104 ohms-cm의 저항을 가지고, 적어도 150MPa의 강도를 갖는 것이 바람직하다. 절연체 영역은 핫 존 영역의 저항 보다 적어도 2배 큰 동작(점화) 온도를 갖는다. 적절한 절연체 조성물은 적어도 알루미늄 질화물, 알루미나 및 붕소 질화물 중 하나 이상을 약 90v/o 포함한다. 본 발명의 점화기의 특히 양호한 절연체 조성물은 60 v/o AlN, 10 v/o Al2O3 및 잔여부로서 SiC로 구성된다. 본 발명의 점화기와 함께 사용하기 위한 다른 양호한 가열 조성물은 80 v/o AlN 및 20 v/o SiC를 포함한다.
본 발명의 점화기는 노 및 조리 기기, 베이스보드 히터, 보일러 및 스토브 탑 같은 가스성 연료 점화 용례를 포함하는 다수의 용례에 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 점화기는 스톱 탑 가스 버너 및 가스 노를 위한 점화 소스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 점화기는 또한, 액체 연료(예로서, 등유, 가솔린)가 차량의 사전 가열을 제공하기 위해, 예로서, 차량(예로서, 카) 가열기에서 증발 및 점화되는 경 우의 점화를 위해 사용하기에 특히 적합하다.
본 발명의 양호한 점화기는 글로우 플러그(glow plug)라 공지된 가열 요소와는 별개이다. 무엇보다도, 빈번히 사용되는 글로우 플러그는 종종 비교적 낮은 온도, 예로서, 약 800℃, 900℃ 또는 1000℃의 초대 온도로 가열하며, 그에 의해, 연료의 직접 점화를 제공하는 것보다는 소정 체적의 공기를 가열하는 반면, 본 발명의 양호한 점화기는 연료의 직접 점화를 제공하도록 적어도 약 1200℃, 1300℃ 또는 1400℃ 같은 보다 높은 최대 온도를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 양호한 점화기는 글로우 플러그 시스템에서 통상적으로 사용하는 바와 같이, 가스 연소실을 제공하기 위해 요소 주변에 또는 적어도 그 일부에 가스 밀봉 실링을 포함할 필요가 없다. 또한, 본 발명의 다수의 양호한 점화기는 비교적 높은 라인 전압, 예로서, 60 볼트 이상 또는 220, 230, 240 볼트를 포함하는 120 볼트 이상 같은 24볼트를 초과하는 라인 전압에서 유용한 반면, 글로우 플러그는 통상적으로 단지 12 내지 24 볼트의 전압만을 사용하는 것이 일반적이다.
하기의 비제한적 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이다. 여기에 언급된 모든 문헌은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있다.
제 1 실시예 : 점화기 제조
저항성 조성물(22체적% MoSi2, 잔여부 Al2O3)과 절연 조성물(100체적% Al2O3)의 분말들이 유기 본더(organic bonder)(약 6-8wt% 식물성 쇼트닝, 2.4wt% 폴리스티렌 및 2-4wt% 폴리에틸렌)와 혼합되어 약 62체적% 고체를 갖는 두 개의 페이스트 를 형성하였다. 두 페이스트는 동시 사출 성형기의 두 배럴(barrel) 내에 탑재되었다. 제 1 샷은 절반-실린더형 공동을 실린더의 길이를 따라 연장하는 핀을 갖는 지지 베이스를 형성하는 절연 페이스트로 충전하였다. 부품은 제 1 공동으로부터 제거되고, 제 2 공동내에 배치되었으며, 제 2 샷은 전도성 페이스트로 공동 벽 코어 및 제 1 샷에 의해 경계지워진 체적을 충전하였다. 성형된 부품은 두 개의 다리를 분리하는 절연체를 갖는 헤어 핀 형 커넥터를 형성하였다. 그 후, 로드는 추가된 10-16wt% 중 10wt%를 용해시켜내는 유기 솔벤트내에서 실온에서 부분적으로 바인더제거되었다. 그 후, 이 부품은 잔류 바인더 중 나머지를 제거하기 위해, 60 시간 동안 300 - 500℃에서 흐르는 불활성 가스(N2)에서 열적으로 바인더제거되었다. 바인더제거된 부품은 아르곤 중에서 1800 - 1850℃에서 이론적으로 95% 내지 97%로 밀집화되었다. 밀집화된 부품은 그리트 블래스팅(grit-blasting)에 의해 세정되었다. 점화기의 두 다리부가 36V의 전압의 전원에 연결될 때, 약 1300℃의 온도의 핫 존이 얻어졌다.
제 2 실시예 : 부가적인 점화기 제조
저항성 조성물(22체적% MoSi2, 잔여부 Al2O3)과 절연 조성물(5체적% SiC, 잔여부 Al2O3)의 분말들이 유기 본더(약 6-8wt% 식물성 쇼트닝, 2.4wt% 폴리스티렌 및 2-4wt% 폴리에틸렌)와 혼합되어 약 62체적% 고체를 갖는 두 개의 페이스트를 형성하였다. 두 페이스트는 동시 사출 성형기의 두 배럴내에 탑재되었다. 제 1 샷은 절반-실린더형 공동을 실린더의 길이를 따라 연장하는 핀을 갖는 지지 베이스를 형 성하는 절연 페이스트로 충전하였다. 부품은 제 1 공동으로부터 제거되고, 제 2 공동내에 배치되었으며, 제 2 샷은 전도성 페이스트로 공동 벽 코어 및 제 1 샷에 의해 경계지워진 체적을 충전하였다. 성형된 부품은 두 개의 다리를 분리하는 절연체를 갖는 헤어 핀 형 커넥터를 형성하였다. 그 후, 로드는 추가된 10-16wt% 중 10wt%를 용해시켜내는 유기 솔벤트내에서 실온에서 부분적으로 바인더제거되었다. 그 후, 이 부품은 잔류 바인더 중 나머지를 제거하기 위해, 60 시간 동안 300 - 500℃에서 흐르는 불활성 가스(N2)에서 열적으로 바인더제거되었다. 바인더제거된 부품은 아르곤 중에서 1800 - 1850℃에서 이론적으로 95% 내지 97%로 밀집화되었다. 밀집화된 부품은 그리트 블래스팅에 의해 세정되었다. 점화기의 두 다리부가 120V 범위의 전압의 전원에 연결될 때, 약 1307℃의 온도의 핫 존이 얻어졌다.
제 3 실시예 : 부가적인 점화기 제조
저항성 조성물(22체적% MoSi2, 20체적% SiC, 잔여부 Al2O3)과 절연 조성물(20체적% SiC, 잔여부 Al2O3)의 분말들이 약 15wt% 폴리비닐 알콜과 혼합되어 약 60체적% 고체를 갖는 두 개의 페이스트를 형성하였다. 두 페이스트는 동시 사출 성형기의 두 배럴내에 탑재되었다. 제 1 샷은 절연 페이스트로 모래시계형 단면을 갖는 공동을 충전하여 지지 베이스를 형성하였다. 부품은 제 1 공동으로부터 제거되고, 제 2 공동내에 배치되었으며, 제 2 샷은 전도성 페이스트로 공동 벽 코어 및 제 1 샷에 의해 경계지워진 체적을 충전하였다. 두 개의 다리를 분리하는 절연체를 갖는 헤어 핀 형 커넥터를 형성하는 성형된 부품은 추가된 10-16wt% 중 10wt%를 용해시켜내는 탭 워터(tap water)내에서 부분적으로 바인더제거되었다. 그 후, 이 부품은 잔류 바인더 중 나머지를 제거하기 위해, 24시간 동안 500℃에서 흐르는 불활성 가스(N2)에서 열적으로 바인더제거되었다. 바인더 제거된 부품은 아르곤 중에서 1800 - 1850℃에서 이론적으로 95% 내지 97%로 밀집화되었다. 밀집화된 부품은 그리트 블래스팅에 의해 세정되었다. 점화기의 두 다리부가 48V의 전압의 전원에 연결될 때, 약 1300℃의 온도의 핫 존이 얻어졌다.
제 4 실시예 : 추가 점화기 제조
저항성 조성물(20체적% MoSi2, 5체적% SiC, 74체적% Al2O3 및 1체적% Gd2O3)과 절연 조성물(28체적% MoSi2, 7체적% SiC, 64체적% Al2O3 및 1체적% Gd2O3)의 분말들이 약 10 내지 16wt% 유기 바인더(약 6-8wt% 식물성 쇼트닝, 2-4wt% 폴리스티렌 및 2-4wt% 폴리에틸렌)와 혼합되어 약 62 내지 64체적% 고체를 갖는 세 개의 페이스트를 형성하였다. 세 페이스트는 동시 사출 성형기의 배럴내에 탑재되었다. 제 1 샷은 절연 페이스트로 모래시계형 단면을 갖는 공동을 충전하여 지지 베이스를 형성하였다. 부품은 제 1 공동으로부터 제거되고, 제 2 공동내에 배치되었다. 제 2 샷은 전도성 페이스트로 공동 벽 코어 및 제 1 샷에 의해 경계지워진 체적의 저면 절반을 충전하였다. 부품은 제 2 공동으로부터 제거되고 제 3 공동에 배치되었다. 제 3 샷은 저항성 페이스트로 공동 벽 및 제 1 샷, 제 2 샷에 의해 경계지워진 체적을 충전하여 역시 절연체에 의해 분리된 전도성 다리부에 연결된, 절연체에 의해 분리된 헤어 핀형 레지스터를 형성하였다. 성형된 부품은 추가된 10-16wt% 중 10wt%를 용해시켜내는 n-프로필 브로마이드(n-propyl bromide)내에서 부분적으로 바인더제거되었다. 그 후, 이 부품은 잔류 바인더를 제거하기 위해, 24시간 동안 500℃에서 저속 Ar 또는 N2에서 열적으로 바인더제거되었으며, 1 기압의 아르곤에서 1750℃에서 이론적으로 95% 내지 97%로 밀집화되었다. 점화기의 두 다리부가 120V의 전압의 전원에 연결될 때, 1300℃의 온도의 핫 존(즉, 저항성 존)이 얻어졌다.
그 특정 실시예를 참조로 본 발명을 상세히 설명하였다. 그러나, 본 기술의 숙련자는 본 내용을 고려하여, 본 발명의 개념 및 범주내에서 개선 및 변형을 안출할 수 있다는 것을 유의하여야 한다.

Claims (20)

  1. 세라믹 요소의 셋 이상의 부분들을 사출 성형하는 단계를 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 요소는 둘 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 요소는 상기 요소의 단면을 통해 다른 저항의 영역들을 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 요소의 적어도 일부에 하나 이상의 세라믹 조성물들을 적용하는 단계를 추가로 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 세라믹 요소에 전도성 세라믹 조성물이 적용되는 저항성 점화기 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 세라믹 요소에 다른 저항을 갖는 적어도 두 개의 별개의 세라믹 조성물들이 적용되는 저항성 점화기 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형된 세라믹 요소를 밀집화하는 단계를 추가로 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 점화기 내부 중 일부가 제거되는 저항성 점화기 제조 방법.
  9. 세라믹 요소의 하나 이상의 부분을 사출 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 세라믹 요소는 셋 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 저항성 점화기 제조 방법.
  10. 세라믹 요소의 셋 이상의 부분들을 사출 성형함으로써 획득가능한 세라믹 점화기 요소.
  11. 셋 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 세라믹 요소의 하나 이상의 부분 들을 사출 성형함으로써 획득가능한 세라믹 점화기 요소.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 요소는 둘 이상의 다른 저항의 영역들을 포함하는 세라믹 점화기 요소.
  13. 제 10 항에 있어서,
    제 1 저항의 영역의 적어도 일부는 별개의 제 2 저항의 영역을 노출시키도록 노출되는 세라믹 점화기 요소.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역보다 낮은 저항을 갖는 세라믹 점화기 요소.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 형성된 세라믹 요소의 적어도 일부에 하나 이상의 세라믹 조성물들이 적용되는 세라믹 점화기 요소.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 점화기 요소는 상기 점화기 길이의 적어도 일부에 대해 실질적으로 둥근 단면 형상을 갖는 세라믹 점화기 요소.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 점화기 요소는 비원형 단면 형상을 갖는 세라믹 점화기 요소.
  18. 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 점화기를 가로질러 전류를 인가하는 단계를 포함하는 가스 연료 점화 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전류는 6, 8, 10, 12, 24, 120, 220, 230 또는 240 볼트의 공칭 전압을 갖는 가스 연료 점화 방법.
  20. 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 점화기를 포함하는 가열 장치.
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