KR20090009294A - 세라믹 가열 요소 - Google Patents
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Abstract
현저히 상승된 압력이 존재하지 않는 상태로 요소를 소결하는 단계를 포함하는 세라믹 저항 점화기 요소를 제조하는 새로운 방법이 제공된다. 또한, 본 발명의 방법으로부터 얻을 수 있는 세라믹 점화기도 제공된다.
세라믹 가열 요소, 점화기, 평균 입자 크기, 압력, 소결
Description
본 출원은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2006년 5월 4일자로 출원된 미국 가출원 번호 제60/798,266호의 이득을 주장한다.
일 양태에서, 본 발명은 성형된 미가공 점화기 요소의 실질적 무압 소결(pressureless sintering)을 포함하는 세라믹 가열 요소를 제조하기 위한 새로운 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로부터 얻어질 수 있는 이런 요소를 포함하는 점화기 요소도 제공된다.
세라믹 재료는 예를 들어, 가스-연소로(gas-fired furnace), 스토브(stove), 의류 건조기 내의 점화기로서 큰 성공을 거두어왔다. 세라믹 점화기 제조는 그 일부가 높은 저항을 가지며 배선 도선(wire lead)에 의해 급전되었을 때 온도가 상승하는 세라믹 요소를 통해 전기 회로를 구성하는 것을 포함한다. 예로서, 미국 특허 제6,582,629호, 제6,278,087호, 제6,028,292호, 제5,801,361호, 제5,786,565호, 제5,405,237호 및 제5,191,508호를 참조하라.
통상적 점화기는 점화기 팁에 고 저항성 "핫 존(hot zone)"을 가지며 하나 이상의 전도성 "콜드 존(cold zone)"이 대향하는 점화기 단부로부터 핫 영역에 제공되는 대체로 직사각형 형상의 요소였다. 한가지 현재 가용한 점화기인, 뉴햄프 셔주 밀포드 소재의 노톤 이그나이터 프로덕츠(Norton Igniter Products)로부터 입수할 수 있는 미니-이그나이터(등록상표)(Mini-IgniterTM)는 12 볼트 내지 120 볼트 용례를 위해 설계되었으며, 질화알루미늄("AlN"), 규화몰리브덴("MoSi2") 및 탄화규소("SiC")을 포함하는 조성물을 갖는다.
점화기 제조 방법은 적어도 두 개의 다른 고유저항의 세라믹 조성물을 다이에 탑재하는 일괄처리형 처리를 포함하여 왔다. 성형된 미가공 요소는 그후 상승된 온도 및 압력에서 밀집화(소결)된다. 상술한 특허를 참조하라. 또한, 미국 특허 제6,184,497호도 참조하라.
이런 제조 방법이 세라믹 점화기 제조에 효과적일 수 있지만, 이 프로토콜은 산출량 및 비용 효율에 관한 고유한 한계를 나타낼 수 있다.
따라서, 새로운 가열 요소 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 세라믹 가열 요소를 제조하기 위한 새로운 방법을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 보다 효율적인 제조 방법을 갖는 것이 바람직하다.
일 양태에서, 약 2.54㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 하나 이상의 세라믹 분말로부터 형성된 새로운 세라믹 물품이 제공된다.
이런 작은 크기의 세라믹 재료로 형성된 세라믹 물품은 종래의 절차에 비해 감소된 압력을 포함하는 크게 더 가벼운 조건 하에서 밀집화될 수 있다는 것을 발견하였다.
다른 양태에서, 다수의 증가하는 압력에 의한 미가공 상태의 세라믹 물품의 처리에 의해 제조되는 세라믹 물품이 제공된다. 바람직하게는, 세라믹 물품은 제1 압력에서 처리되고, 그후, 제1 압력 보다 높은 제2 압력에서 처리된다. 바람직하게는, 가스-압력 소결을 사용하여 다중-압력 밀집화가 수행된다.
다단계 압력 처리는 매우 가벼운 조건하에서 고밀도 물품(예를 들어, 적어도 96, 97, 98 또는 99% 밀도) 세라믹 물품을 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 예로서, 제1 압력 처리는 적합하게는 약 1000 psi 또는 500 psi 이하일 수 있으며, 제2 압력 처리는 4000 psi 이하일 수 있다. 또한, 약 200 psi 이하 또는 150 psi 이하의 제1 압력과, 약 3000 psi 이하, 2000 psi 이하 또는 1500 psi 이하의 제2 압력 같은 현저히 더 낮은 압력도 고밀도 물품을 산출하였다.
본 발명의 특히 바람직한 양태에서, 알루미나 같은 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 세라믹 조성물이 사용된다. 바람직하게는 하나 이상의 금속 산화물은 본 명세서에 개시된 바와 같은 작은 평균 입자 크기를 갖는다. 2.5㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1.5㎛ 이하 또는 1㎛ 이하 같은 본 명세서에 개시된 바와 같은 작은 평균 입자 크기를 갖는 알루미나를 포함하는 세라믹 조성물이 특히 바람직하다.
본 발명의 다른 양태에서, 세라믹 조성물은 소위 소결 보조제가 없이 밀집화된다. 소결 보조 첨가제는 이트리아(yttria)(이트륨 산화물), 가돌리늄 재료(gadolinium material)(예를 들어, 가돌리늄 산화물 또는 Gd2O3), 유로퓸 재료(europium material)(예를 들어, 유로퓸 산화물 또는 Eu2O3), 이터븀 재료(ytterbium material)(예를 들어, 이터븀 산화물 또는 Yb2O3) 또는 란타늄 재료(lanthanum material)(예를 들어, 란타늄 또는 La2O3) 같은 희토류 산화물을 포함한다.
본 발명의 특히 바람직한 제조 방법은 상술한 바와 같은 하나 이상의 작은 입자 크기의 세라믹 재료를 포함하는 세라믹 점화기 요소를 형성하는 단계와, 그후, 상술한 바와 같은 2-단계 압력 처리를 통해 경화하는 단계를 포함한다. 적합하게는, 경화는 1400℃를 초과하는, 보다 통상적으로는 1700℃나 1800℃ 같이 1600℃를 초과하는 것 같은 상승된 온도 하에서 수행된다. 바람직하게는 소결은 불활성 분위기 하에서, 예를 들어, 아르곤이나 질소 같은 불활성 가스의 분위기 내에서 수행된다.
바람직하게는, 경화 처리는 적어도 95 밀도%인, 보다 바람직하게는, 적어도 96, 97, 98 또는 99% 밀도인 세라믹 요소를 제공한다. 전술한 상승된 온도를 포함하는 경화 처리는 이런 밀도를 달성하기에 충분한 시간 동안 수행되며, 이는 수 시간 이상일 수 있다.
실질적으로 상승된 압력이 없는 상태로 고밀도 세라믹 요소를 제조하는 것을 촉진하기 위해 특정 세라믹 조성물 및 미가공 세라믹 요소를 성형하는 방법이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 세라믹 요소를 형성하기 위해 사용되는 바람직한 세라믹 조성물은 탄화규소나 다른 탄화물 재료가 적어도 실질적으로 없거나, 완전히 없을 수 있다. 본 명세서에서 언급될 때, 세라믹 조성물은 세라믹 조성물의 총 체적에 기초하여 10 체적% 미만의 탄화규소나 다른 탄화물 재료를 포함하는 경우, 보다 전형적으로는 세라믹 조성물의 총 체적에 기초하여 약 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 또는 0.5 체적% 미만의 탄화규소나 다른 탄화물 재료를 포함하는 경우 적어도 실질적으로 탄화규소나 다른 탄화물 재료가 없는 상태이다.
알루미나를 포함하는 세라믹 요소의 소결을 위해, 요소의 소결은 적어도 실질적으로 질소가 없는(예를 들어, 총 분위기에 기초하여 5 체적% 미만의 질소), 또는 더욱 바람직하게는 적어도 본질적으로 질소가 없는(예를 들어, 총 분위기에 기초하여 2 또는 1 체적 % 미만의 질소), 또는 더욱 바람직하게는 질소가 완전히 없는 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 예로서, 소결은 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다.
AlN을 포함하는 세라믹 요소를 소결하기 위해, 요소의 소결은 적어도 약간의 질소, 예를 들어, 적어도 약 5 체적 %의 질소(즉, 총 분위기에 기초하여 적어도 5 체적 %의 질소) 또는 적어도 약 10 체적 %의 질소(즉, 총 분위기에 기초하여 적어도 10 체적 %의 질소) 같은 더 높은 수준의 질소를 포함하는 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 사출 성형 프로세스를 통해 세라믹 요소를 형성하는 것이 바람직할 수도 있다. 일반적으로, 본 명세서에서 언급될 때, 용어 "사출 성형된", "사출 성형" 또는 다른 유사 용어는 재료(여기서는 세라믹 또는 예비-세라믹 재료)가 통상적으로 세라믹 요소의 원하는 형상으로 몰드 내로 통상적으로 압력하에 사출 또는 다른 방식으로 전진되고 냉각 및 몰드의 복제형상을 보유하는 고화된 요소의 후속 제거가 이어지는 일반적 처리를 나타낸다.
본 발명의 가열 요소의 사출 성형 형성시, 세라믹 재료[세라믹 분말 혼합물, 분산체 또는 기타 조성체(formulation) 같은] 또는 예비-세라믹 재료나 조성물이 몰드 요소 내로 전진될 수 있다.
적절한 제조 방법에서, 상이한 고유저항의 영역들[예를 들어, 전도성 영역(들), 절연체 또는 히트 싱크 영역 및 보다 고 저항의 "핫" 존(들)]을 갖는 일체형 점화기 요소가 상이한 고유저항을 갖는 세라믹 또는 예비-세라믹 재료의 순차 사출 성형에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 예로서, 베이스 요소는 로드 형상 같은 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소 내로의 제1 고유저항을 갖는 세라믹 재료(예를 들어, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)의 사출 도입에 의해 형성될 수 있다. 베이스 요소는 이런 제1 몰드로부터 제거되고 별개의 제2 몰드 요소 내에 배치될 수 있으며, 다른 고유저항을 갖는 세라믹 재료-예를 들어, 전도성 세라믹 재료-가 점화기 요소의 전도성 영역(들)을 제공하도록 제2 몰드 내로 사출될 수 있다. 유사한 형태로, 베이스 요소는 이런 제2 몰드로부터 제거되고 또 다른 별개의 제3 몰드 요소 내에 배치될 수 있으며, 다른 고유저항을 갖는 세라믹 재료-예를 들어, 저항성 핫 존 세라믹 재료-가 가열 요소의 저항성 핫 또는 점화 영역(들)을 제공하도록 제3 몰드 내로 사출될 수 있다.
본 발명의 양호한 양태에서, 세라믹 콤포넌트를 제조하기 위해 단일 제조 시퀀스에서 세라믹 가열 요소의 적어도 세 개의 부분이 사출 성형되고, 이는 상이한 고유저항값을 갖는 세라믹 점화기의 다수의 부분(예를 들어, 핫 또는 고 저항 부분, 콜드 또는 전도성 부분 및 절연체 또는 히트 싱크 부분)이 동일 제조 시퀀스에서 형성되는 소위 "멀티플 샷(multiple shot)" 사출 성형 프로세스이다. 적어도 특정 실시예에서, 단일 제조 시퀀스는 요소-형성 영역으로부터 요소를 제거하지 않는, 그리고/또는, 사출 성형 이외의 프로세스에 의해 요소 부재에 세라믹 재료를 퇴적시키지 않는 세라믹 재료의 순차 사출 성형 적용을 포함한다.
예로서, 일 양태에서, 제1 절연체(히트 싱크) 부분이 절연체 부분 둘레에 사출 성형되고, 그후, 전도성 다리 부분이 제2 단계에서 사출 성형되고, 제3 단계에서, 저항성 핫 또는 점화 존이 사출 성형에 의해 절연체와 저항성 존을 포함하는 본체에 적용될 수 있다.
다른 실시예에서, 저항 세라믹 가열 요소를 제조하는 방법이 제공되며, 이 방법은 세라믹 요소의 하나 이상의 부분을 사출 성형하는 단계를 포함하고, 세라믹 요소는 다른 고유저항의 세 개 이상의 영역을 포함한다.
본 발명의 제조 방법은 성형된 세라믹 요소를 제조하기 위하여 세라믹 재료의 추가를 위한 부가적인 프로세스를 포함할 수 있다. 예로서, 세라믹 조성물 슬러리의 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅 등에 의한 것 같이 하나 이상의 세라믹 층이 성형된 요소에 적용될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 양호한 세라믹 요소는 전기적 순서로, 제1 전도성 존, 저항성 핫 존 및 제2 전도성 존을 포함한다. 바람직하게는, 장치의 사용 동안, 전기 도선의 사용을 통해 제1 또는 제2 전도성 존에 전력이 인가될 수 있다.
본 발명의 특히 양호한 가열 요소는 가열 요소 길이(예를 들어, 전기 도선이 점화기에 고착되는 위치로부터 저항성 핫 존까지 연장하는 길이)의 적어도 일부를 따라 둥근 단면 형상을 가진다. 특히, 양호한 세라믹 가열 요소는 점화기 길이의 적어도 일부, 예를 들어, 점화기 길이의 약 10%, 40%, 60%, 80%, 90% 또는 전체 점화기 길이에 대해 실질적인 달걀형(oval), 원형 또는 기타 둥근 단면 형상을 가질 수 있다. 로드형 가열 요소를 제공하는 실질적인 원형 단면 형상이 특히 바람직하다. 이런 로드 구조는 더 높은 단면 계수(Section Modulous)를 제공하고, 따라서, 가열 요소의 기계적 완전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 세라믹 가열 요소는 6, 8, 10, 12, 24, 120, 220, 230 및 240 볼트의 공칭 전압을 포함하는 매우 다양한 공칭 전압에서 사용될 수 있다.
본 발명의 가열 요소는 다양한 장치 및 가열 시스템에서 점화를 위해 유용하다. 특히, 본 명세서에서 설명한 바와 같은 소결된 세라믹 점화기 요소를 포함하는 가열 시스템이 제공된다. 특정 가열 시스템은 가스 조리 유닛, 온수기를 포함하는 상업용 및 주거용 건물을 위한 가열 유닛을 포함한다.
본 명세서에서 언급될 때, 용어 "세라믹 재료"는 소결 프로세스 이전 및 이후 양자 모두의 재료를 포함한다. 예로서, 알루미나, Mo2Si2, SiC, AlN 및 본 명세서에서 언급된 기타 재료는 이들 재료의 소결전 상태를 포함하여 세라믹 재료로 고려된다.
본 발명의 다른 양태는 아래에 개시되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 가열 요소의 상면도 및 저면도.
도 2a는 도 1a의 선 2A-2A를 따른 단면도.
도 2b는 도 1a의 선 2B-2B를 따른 단면도.
제1 양태에서, 약 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기, 더욱 바람직하게는 약 2㎛ 이하의 평균 입자 크기 또는 1.5, 1.25 또는 1㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 하나 이상의 세라믹 분말로부터 형성된 새로운 세라믹 물품이 제공된다. 이런 세라믹 재료는 통상적으로 적어도 약 0.2, 0.3, 0.4 또는 0.5㎛의 평균 입자 크기를 갖는다.
양호한 세라믹 조성물에서, 특정 세라믹 재료의 적어도 대부분(예를 들어, 50, 60, 70, 80 또는 90 중량% 초과)은 본 명세서에 개시된 바와 같은 작은 입자 크기를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 특정 세라믹 재료의 전체 부분이 이런 작은 입자 크기를 갖는다. 예로서, 세라믹 조성물은 2㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 알루미나를 포함하는 것으로 표시되는 경우, 바람직하게는 세라믹 조성물에 사용된 알루미나의 적어도 대부분(50, 60, 70, 80 또는 90 중량% 초과 같은)은 2㎛ 이하의 평균 입자를 가지며, 더욱 바람직하게는 세라믹 조성물 내에 존재하는 알루미나의 전체 부분이 2㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는다.
본 명세서에서 기재된 바와 같이, 본 발명의 가열 요소를 제조하기 위해 사용되는 세라믹 조성물은 Al2O3, AlN, Mo2Si2, SiC 등 같은 둘, 셋 또는 그 이상의 별개의 재료를 적절히 포함할 수 있다. 적합하게는, 이런 별개의 재료 중 하나 이상은 여기에 설명된 바와 같은 작은 평균 입자 크기로 사용될 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, 세라믹 조성물의 모든 재료가 이런 작은 평균 입자 크기로 사용될 필요는 없다. 본 발명의 이 양태에서, 다중 재료 조성물의 적어도 하나의 재료는 이런 작은 평균 입자 크기로 이루어지지만, 필요시, 다중 재료 조성물의 하나 이상의 재료 또는 모든 재료가 이런 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
상술된 바와 같이, 특정 실시예에서, Al2O3 같은 작은 평균 입자 크기의 금속 산화물의 사용이 특히 바람직하다.
어떠한 이론에도 구속되지 않고, 이런 더 작은 평균 입자 크기의 재료의 사용은 성형된 미가공 상태의 가열 요소의 감소된 압력 소결을 촉진할 수 있는 것으로 믿어진다.
다른 양태에서, 상술한 바와 같이, 이제, 감소된 상승된 압력 하에서 성형된 미가공 세라믹 요소의 경화(밀집화)를 포함하는 세라믹 점화기 요소를 제조하기 위한 새로운 방법이 제공된다.
이 양태에서, 다수의 증가된 압력에 의한 미가공 상태의 세라믹 물품의 처리에 의해 제조되는 세라믹 물품이 제공된다. 바람직하게는, 세라믹 물품은 제1 압력에서 처리되고, 그후, 제1 압력 보다 높은 제2 압력에서 처리된다.
적어도 특정 용례를 위해, 제1 및 제2 압력 처리는 적어도 500 psi, 더욱 바람직하게는 적어도 1000 psi, 2000 psi 또는 2500 psi 만큼 다르다.
적어도 특정 용례를 위해, 제1 압력 처리는 적합하게는 약 3,000 psi 이하, 2000 psi 이하, 1000 psi 이하, 500 psi 이하 또는 200 psi 이하일 수 있으며, 제2 압력 처리는 6000 psi 이하, 5000 psi 이하, 4000 psi 이하, 3000 psi 이하, 2000 psi 이하, 1500 psi 이하 또는 1000 psi 이하일 수 있다.
적어도 특정 용례에 대해, 제1 압력 처리 및 제2 압력 처리는 각각 5000 psi를 초과하지 않는다.
또한, 제1 압력 처리가 제2 압력 처리 보다 낮은 수준에 있다면, 제1 및 제2 압력 처리를 위해 다른 압력이 사용될 수 있다.
다시, 이론에 얽메이기를 바라지 않고, 제1 더 낮은 압력 처리는 물품 내의 포획된 가스를 피하는 초기 밀집화를 제공할 수 있는 것으로 믿어진다. 제1 압력 처리에 의해 공극이 현저히 폐쇄되고 나서, 상승된 제2 압력 처리에서 더 높은 밀집화가 달성될 수 있다.
바람직하게는, 가스-압력 소결을 사용하여 다중-압력 밀집화가 수행된다. 상업적 가스상 소결 오븐(gas phase sintering oven)이 사용될 수 있다. 바람직하게는 소결은 질소 또는 아르곤 분위기 같은 불활성 분위기 하에서 수행된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 양태에서, 세라믹 조성물은 소위 소결 보조제 없이 밀집화된다.
상술한 바와 같이, 세라믹 요소는 사출 성형 기술에 의해 바람직하게 형성될 수 있다. 따라서, 예로서, 그리고, 상술한 바와 같이, 베이스 요소는 로드 형상 같은 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소 내로의 제1 고유저항을 가지는 세라믹 재료(예를 들어, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)의 사출 도입에 의해 형성될 수 있다. 베이스 요소는 이런 제1 몰드로부터 제거되고, 별개의 제2 몰드 요소 내에 배치될 수 있으며, 다른 고유저항을 갖는 세라믹 재료-예를 들어, 전도성 세라믹 재료-가 가열 요소의 전도성 영역(들)을 제공하도록 제2 몰드 내로 사출될 수 있다. 유사한 형태로, 베이스 요소는 이런 제2 몰드로부터 제거되고 또 다른 별개의 제3 몰드 요소 내에 배치될 수 있으며, 다른 고유저항을 갖는 세라믹 재료-예를 들어, 저항성 핫 존 세라믹 재료-가 가열 요소의 저항성 핫 또는 점화 영역(들)을 제공하도록 제3 몰드 내로 사출될 수 있다.
대안적으로, 이런 복수의 별개의 몰드 요소의 사용 이외에, 다른 고유저항의 세라믹 재료들이 동일 몰드 요소 내로 순차적으로 전진 또는 사출될 수 있다. 예로서, 사전결정된 체적의 제1 세라믹 재료(예를 들어, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)가 원하는 베이스 형상을 형성하는 몰드 요소 내로 도입될 수 있고, 그후, 다른 고유저항의 제2 세라믹 재료가 성형된 베이스에 적용될 수 있다.
세라믹 재료는 하나 이상의 세라믹 분말 같은 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 유체 조성체로서 몰드 요소 내로 전진(사출)될 수 있다.
예로서, 수성 용액 또는 알코올 등 같은 혼화성 유기 용매를 포함하는 수성 용액과 하나 이상의 세라믹 분말을 혼합시킴으로써 제공되는 페이스트 같은 하나 이상의 세라믹 분말의 슬러리 또는 페이스트형 조성물이 준비될 수 있다. 압출을 위한 양호한 슬러리 조성물은 선택적으로 셀룰로스 에테르 용매, 알코올 등 같은 하나 이상의 수성 혼화성 유기 용매 같은 하나 이상의 유기 용매와 함께 물의 유체 조성물 내에 MoSi2, Al2O3 및/또는 AlN 같은 하나 이상의 세라믹 분말을 혼합함으로써 준비될 수 있다. 또한, 세라믹 슬러리는 선택적으로 하나 이상의 중합성 바인더와 함께 다른 재료, 예로서, 하나 이상의 유기 가소제 콤파운드를 포함할 수 있다.
형성된 점화기의 원하는 형상에 대응하는 구조의 요소와 함께, 매우 다양한 형상 형성 또는 유도 요소가 점화기 요소를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 로드 형상 요소를 형성하기 위해, 세라믹 분말 페이스트는 원통형 다이 요소 내로 사출될 수 있다. 각주형 또는 직사각형 형상의 점화기 요소를 형성하기 위해, 직사각형 다이가 사용될 수 있다.
세라믹 재료(들)를 몰드 요소 내로 전진시킨 이후, 형성된 세라믹 부분은 예를 들어, 50℃ 또는 60℃를 초과하여, 임의의 용매(수성 및/또는 유기) 캐리어를 제거하기에 충분한 시간 동안 적절하게 건조될 수 있다.
하기의 실시예는 점화기 요소를 형성하기 위한 양호한 사출 성형 프로세스를 설명한다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 적절한 가열 요소(10)를 도시한다.
도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이, 점화기(10)는 중앙 히트 싱크 또는 절연체 영역(12)을 포함하며, 이 중앙 히트 싱크 또는 절연체 영역(12)은 더 저항이 커지는 기단 부분(16)에서 다른 고유저항의 영역(들), 즉, 전도성 영역(14) 내에 둘러싸여져 있으며, 점화기 기단 부분(18)에서, 영역은 비교적 감소된 체적을 가지며, 따라서, 저항성 핫 존(20)으로서 기능할 수 있다.
도 1b는 히트 싱크 영역(12)이 노출되어 있는 점화기 저면을 도시한다.
도 2a 및 도 2b의 단면도는 점화기 말단 존(18) 내의 대응 저항성 핫 존(20)과 점화기 기단 영역(16) 내의 전도성 존(14A, 14B)을 포함하는 가열 요소(10)를 추가로 도시한다.
사용시, 저항성 점화 존(20)을 통한, 그리고, 그후, 전도성 존(14B)을 통한 전기 경로를 제공하는 전도성 영역(14A) 내로 가열 요소(10)에 전력이 공급[예를 들어, 하나 이상의 전기 도선(미도시)을 거쳐]될 수 있다. 전도성 영역(14)의 근위 단부(14a)는 사용 동안 점화기에 전력을 공급하는 전기 도선(미도시)에 대한 납땜(brazing)을 통한 것 같이, 적절히 고착될 수 있다. 점화기 근위 단부(10a)는 적절하게는 미국 특허 출원 공개 제2003/0080103호에 개시된 것 같이 세라모플라스틱 밀봉 재료(ceramoplastic sealant material)가 전도성 요소 근위 단부(14a)를 둘러싸는 것 같이 다양한 고정부 내에 장착될 수 있다. 가열 요소 근위 단부를 둘러싸기 위해 금속성 고정부도 적절히 사용될 수 있다.
상술되고, 도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b의 가열 요소(10)에 의해 예시된 바와 같이, 점화기 길이의 적어도 대부분은 도 1b에 도시된 길이 x 같은 가열 요소 길이의 적어도 일부를 따라 둥근 단면 형상을 갖는다. 도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b의 점화기(10)는 특히 바람직한 구조를 도시하며, 여기서, 가열 요소(10)는 로드형 가열 요소를 제공하도록 대략 가열 요소의 전체 길이에 대해 실질적으로 원형 단면 형상을 갖는다. 그러나, 양호한 시스템은 또한 가열 요소 길이(도 1b에 가열 요소 길이 x에 의해 예시된 바와 같은)의 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90%가 둥근 단면 형상을 갖는 것 같이 점화기의 단지 일부가 둥근 단면 형상을 가지는 것들도 포함하며, 이런 디자인에서, 가열 요소 길이의 나머지 부분은 외부 에지를 갖는 프로파일을 구비할 수 있다.
다양한 구조의 가열 요소가 특정 용례에 대한 필요에 따라 제조될 수 있다. 따라서, 예로서, 특정 구조를 제공하기 위해, 적절한 형상 유도 몰드 요소가 사용되고, 이를 통해 세라믹 조성물(세라믹 페이스트 같은)이 사출될 수 있다.
본 발명의 가열 요소의 치수는 크게 면할 수 있으며, 가열 요소의 의도된 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 예로서, 양호한 가열 요소의 길이(도 1b의 길이 x)는 적절하게는 약 0.5 내지 5 cm, 보다 바람직하게는 약 1 내지 3 cm일 수 있으며, 가열 요소의 단면 폭(도 1b의 길이 y)은 적절하게는 약 0.2 내지 약 3 cm일 수 있다.
유사하게, 전도성 및 핫 존 영역의 길이도 적절하게 변할 수 있다. 바람직하게는 도 1a에 도시된 구조의 가열 요소의 제1 전도성 영역[도 1a의 근위 영역(16)의 길이]은 0.2 cm 내지 2, 3, 4, 또는 5 cm 이상일 수 있다. 더욱 전형적인 제1 전도성 존의 길이는 약 0.5 내지 약 5 cm이다. 총 핫 존의 전기 경로 길 이(도 1a의 길이 f)는 적절하게는 약 0.2 내지 5 cm 이상일 수 있다.
양호한 시스템에서, 본 발명의 가열 요소의 핫 또는 저항성 존은 공칭 전압에서 약 1450℃ 미만의 최대 온도로 가열되고, 공칭 전압의 약 110%인 하이-엔드 라인 전압에서 약 1550℃ 미만의 최대 온도로 가열되며, 공칭 전압의 약 85%인 로우-엔드 라인 전압에서 약 1350℃ 미만의 최대 온도로 가열된다.
본 발명의 가열 요소를 형성하기 위해, 다양한 조성물이 사용될 수 있다. 일반적으로, 양호한 핫 존 조성물은 1) 전도성 재료, 2) 반도체 재료, 및 3) 절연 재료 중 둘 이상의 콤포넌트를 포함한다. 전도성(콜드) 및 절연성(히트 싱크) 영역은 동일한, 그러나, 다른 비율로 존재하는 콤포넌트로 구성될 수 있다. 전형적인 전도성 재료는 예를 들어, 규화몰리브덴, 규화텅스텐(tungsten desilicide) 및 질화티타늄 같은 질화물을 포함한다. 전형적인 절연 재료는 AlN 및/또는 Si3N4 같은 질화물이나 알루미나 같은 금속 산화물을 포함한다.
본 명세서에서 언급된 바와 같이, 용어, 전기 절연 재료는 적어도 약 1010 Ω-cm의 실온 고유저항을 가지는 재료를 나타낸다. 본 발명의 점화기의 전기 절연 재료 콤포넌트는 하나 이상의 금속 질화물 및/또는 금속 산화물 만으로 또는 주로 이들로 구성될 수 있거나, 대안적으로, 절연 콤포넌트는 금속 산화물(들) 또는 금속 질화물(들)에 추가로 재료들을 포함할 수 있다. 예로서, 절연 재료 콤포넌트는 질화알루미늄(AlN), 질화규소 또는 질화붕소 같은 질화물이나, 희토류 산화물(예를 들어, 이트리아) 또는 희토류 산질화물을 추가로 포함할 수 있다. 양호한 추가된 절연 콤포넌트의 재료는 알루미나(Al2O3)이다.
본 명세서에서 언급된 바와 같이, 반도체 세라믹(또는 "반도체")은 약 10 내지108 Ω-cm 사이의 실온 고유저항을 갖는 세라믹이다. 반도체 콤포넌트가 핫 존 조성물의 약 45 v/o 이상으로 존재하는 경우(전도성 재료가 약 6-10 v/o의 범위 이내일 때), 결과적인 조성물은 고전압 용례에 대해 너무 전도성이 크게 된다(절연체의 결핍으로 인해). 반대로, 반도체 재료가 약 10 v/o 미만으로 존재하는 경우(전도성 세라믹이 약 6-10 v/o의 범위 이내일 때), 결과적인 조성물은 너무 저항이 높아진다(너무 많은 절연체로 인해). 역시, 전도체의 레벨이 높을수록, 원하는 전압을 달성하기 위해 절연체와 반도체 분율의 더 높은 저항성의 혼합이 요구될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 바와 같이, 전도성 재료는 약 10-2 Ω-cm 미만의 실온 고유저항을 갖는 것이다. 전도성 콤포넌트가 핫 존 조성물의 35 v/o를 초과하는 양으로 존재하는 경우, 결과적인 핫 존 조성물의 세라믹은 너무 전도성이 커지게 된다. 통상적으로, 전도체는 규화몰리브덴과, 규화텅스텐과, 질화티타늄 같은 질화물과, 탄화티타늄 같은 탄화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 일반적으로, 규화몰리브덴이 바람직하다.
일반적으로, 양호한 핫(저항성) 영역 조성물은 (a) 약 50 내지 약 80 v/o 사이의 적어도 약 1010 Ω-cm의 고유저항을 갖는 전기 절연 재료 (b) 약 0(어떠한 반 도체 재료도 사용되지 않음) 내지 약 45 v/o 사이의 약 10 내지 약 108 Ω-cm의 고유저항을 갖는 반도체 재료 및 (c) 약 5 내지 35 v/o 사이의 약 10-2 Ω-cm의 고유저항을 갖는 금속성 전도체를 포함한다.
설명한 바와 같이, 본 발명의 가열 요소는 핫(저항성) 존과 전기 접속되어 있는 비교적 낮은 고유저항의 콜드 존 영역을 포함하며, 이는 점화기에 대한 배선 도선의 부착을 가능하게 한다. 양호한 콜드 존 영역은 예를 들어, AlN 및/또는 Al2O3나 다른 절연 재료와, 선택적인 반도체 재료와 MoSi2나 기타 전도성 재료로 구성된 것들을 포함한다. 그러나, 콜드 존 영역은 핫 존 보다 크게 더 높은 전도성 재료(예를 들어, MoSi2)의 비율을 갖는다. 양호한 콜드 존 조성물은 약 15 내지 65 v/o의 산화알루미늄, 질화알루미늄 또는 기타 절연체 재료와, 약 1:1 내지 약 1:3의 체적 비율의, 약 20 내지 70 v/o의 MoSi2 또는 기타 전도성 및 반도체 재료를 포함한다. 제조의 용이성을 위해, 바람직하게는 콜드 존 조성물은 반도체 및 전도성 재료의 상대적 양이 더 큰 상태로, 핫 존 조성물과 동일한 재료로 형성된다.
적어도 특정 용례에서, 비록, 본 발명의 특히 양호한 가열 요소가 상술한 바와 같이 제1 전도성 영역의 길이의 적어도 대부분과 접촉하는 세라믹 절연체를 갖지 않지만, 본 발명의 가열 요소는 적합하게는 비전도성(절연체 또는 히트 싱크 영역)을 포함할 수 있다.
사용되었을 때, 이런 히트 싱크 존은 전도성 존 또는 핫 존 또는 양자 모두 와 짝을 이룰 수 있다. 바람직하게는, 소결된 절연체 영역은 실온에서 적어도 약 1014 Ω-cm의 고유저항을 가지며, 동작 온도에서 적어도 104 Ω-cm의 고유저항을 가지고, 적어도 150 MPa의 강도를 갖는다. 바람직하게는, 절연체 영역은 핫 존 영역의 고유저항 보다 적어도 2배 큰 크기인 동작(점화) 온도에서의 고유저항을 갖는다. 적절한 절연체 조성물은 적어도 약 90 v/o의 하나 이상의 질화알루미늄, 알루미나 및 질화붕소를 포함한다.
양호한 가열 요소 세라믹 재료는 이하의 예에 설명되어 있다.
본 발명의 가열 요소는 노 및 조리 기기, 베이스보드 가열기(baseboard heater), 보일러 및 스토브 탑(stove top) 같은 가스상 연료 점화 용례를 포함하는 다수의 용례에 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 가열 요소는 스톱 탑 가스 버너(stop top gas burner) 및 가스 노를 위한 점화 소스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 한가지 양호한 양태에서, 본 발명의 가열 요소는 글로우 플러그(glow plug)라 공지된 가열 요소와는 별개의 저항 점화기 요소로서 구성 및/또는 사용될 수 있다. 무엇보다도, 빈번히 사용되는 글로우 플러그는 종종 비교적 더 낮은 온도, 예를 들어, 약 800℃, 900℃ 또는 1000℃의 최대 온도로 가열되며, 그에 의해, 연료의 직접 점화를 제공하는 대신 소정의 공기 체적을 가열하는 반면, 본 발명의 양호한 점화기는 연료의 직접 점화를 제공하도록 적어도 약 1200℃, 1300℃ 또는 1400℃ 같은 더 높은 최대 온도를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 양호한 점화기는 글로우 플러그 시스템에서 통상적으로 채용되는 바와 같이, 가스 연소실을 제공하도록 요소 또는 그 적어도 일부 둘레에 기밀 밀봉부를 제공할 필요가 없다. 또한, 본 발명의 다수의 양호한 점화기는 비교적 높은 라인 전압, 예를 들어, 220, 230 및 240 볼트를 포함하는 60 볼트 이상 또는 120 볼트 이상 같은 24 볼트를 초과하는 라인 전압에서 유용한 반면, 글로우 플러그는 통상적으로, 단지 12 내지 24 볼트의 전압에서만 사용된다.
또한, 본 발명의 가열 요소는 예를 들어, 차량의 사전 가열을 제공하는 차량(예를 들어, 자동차) 가열기 내의, 액체(습식) 연료(예를 들어, 등유, 가솔린)가 증발 및 점화되는 점화기에 사용하기에 특히 적합하다.
다른 양호한 양태에서, 가열 요소는 예를 들어, 자동차 내의 점화 소스로서, 글로우 플러그로서 적절히 사용된다.
가열 요소는 적외선 가열기를 위한 가열 요소를 포함하는 부가적인 특정 용례를 위해 유용하다.
하기의 비제한적 예는 본 발명의 예시이다. 본 명세서에 언급된 모든 문헌은 그 전문이 참조로 본 명세서에 통합되어 있다.
예 1 : 점화기 제조
가열 요소의 사출 성형 제조를 위해 전도성 조성물을 제공하도록 이하의 재료가 혼합되었다: 20 체적% MoSi2, 7 체적% SiC 및 63 체적% Al2O3와, 세라믹 재료의 중량에 기초하여, 2-3 중량%의 폴리비닐알콜 및 0.3 중량%의 글리세롤.
가열 요소의 사출 성형 재료를 위해 절연체 조성물을 제공하도록 이하의 재 료가 혼합되었다: 10 체적% MoSi2, 90 체적% Al2O3와, 세라믹 재료의 중량에 기초하여, 2-3 중량%의 폴리비닐알콜 및 0.3 중량%의 글리세롤.
가열 요소의 사출 성형 제조를 위해 저항성 핫 존 조성물을 제공하도록 이하의 재료가 혼합되었다: 25 체적% MoSi2, 5 체적% SiC 및 70 체적% Al2O3와, 세라믹 재료의 중량에 기초하여, 2-3 중량%의 폴리비닐알콜 및 0.3 중량%의 글리세롤.
세 가지 조성물 각각에서, Al2O3는 1.7㎛의 평균 입자 크기를 갖는다. 이트리아나 다른 이런 재료 같은 어떠한 소결 보조제도 조성물내에 포함되지 않는다.
상이한 고유저항의 상술한 세 가지 조성물이 공사출 성형기의 분리된 베럴 내에 탑재되었다. 도면 중 도 1에 도시된 일반적 구조의 내부 절연체 영역을 갖는 로드형 점화기 요소를 형성하기 위해, 제1 샷은 반-원통형 캐비티를 절연 페이스트로 충전하여 캐비티로부터 압출된 절연 페이스트를 형성하였다. 이 부품은 제1 캐비티로부터 제거되고, 제2 캐비티내에 배치되었으며, 제2 샷은 제1 샷에 의해 경계형성된 체적 및 캐비티 벽 코어를 전도성 페이스트로 충전하였다. 그후, 이 부품은 제2 캐비티로부터 제거되고, 제3 캐비티 내에 배치되었으며, 제3 샷은 부품의 상단부를 저항성(핫 존) 페이스트로 충전하였다. 이렇게 성형된 로드형 부품은 그후 추가된 10-16 중량% 중 10 중량%를 분리해내는(dissolving out) 유기 용매 내에서 실온에서 부분적으로 바인더제거(debinder) 되었다. 그후, 이 부품은 잔류 바인더의 잔여부를 제거하기 위해 60 시간 동안 300-500℃에서 흐르는 불활성 가스(N2) 내에서 열적으로 바인더제거 되었다.
바인더 제거된 로드형 부품은 가스상 소결을 사용하는 2-단계 프로세스를 통해 밀집화되었다. 따라서, 로드형 부품은 150 psi의 압력으로 아르곤 가스로 채워진 가스 소결 오븐 내에 배치되었다. 오븐은 약 1.5 시간 동안 1725℃에서 유지되었다. 그후, 오븐은 실온으로 냉각되었고, 그후, 압력이 3000 psi로 증가되었으며, 약 2 시간 동안 1725℃로 유지되었다. 그후, 오븐은 실온으로 냉각되었다. 처리된 로드형 부품은 98% 이상의 밀도를 가졌다. 고밀도 요소는 24 볼트의 전원에 연결되었고, 핫 존은 약 1300℃의 온도로 유지되었다.
본 발명의 특정 실시예를 참조로 본 발명을 상세히 설명하였다. 그러나, 본 기술의 숙련자들은 본 내용을 참고로, 본 발명의 개념 및 범주 내에서 변형 및 개선을 달성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
Claims (20)
- 소결 이전에, 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 저항 세라믹 가열 요소.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가열 요소는 소결 이전에, 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 저항 세라믹 가열 요소.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가열 요소는 소결 이전에, 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 알루미나를 포함하는 저항 세라믹 가열 요소.
- 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 상기 세라믹 재료는 2㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 저항 세라믹 가열 요소.
- 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 상기 세라믹 재료는 1.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 저항 세라믹 가열 요소.
- 저항 가열 요소를 제조하는 방법에 있어서,제1 압력에서 세라믹 조성물을 처리하는 단계와, 그후,제1 압력 보다 큰 제2 압력에서 세라믹 조성물을 처리하여 세라믹 조성물을 밀집화하는 단계를 포함하는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 압력에서의 처리 이전에, 세라믹 조성물은 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 압력에서의 처리 이전에, 세라믹 조성물은 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 가지는 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 압력에서의 처리 이전에, 세라믹 조성물은 2.5㎛ 이하의 평균 입자 크기를 가지는 알루미나를 포함하는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압력은 적어도 1000 psi 만큼 다른 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제2 압력은 약 5000 psi 이하인 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 압력은 약 1000 psi 이하인 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 압력은 약 250 psi 이하인 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압력은 가스상 소결 프로세스로서 인가되는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 세라믹 점화기 요소는 10 체적% 미만의 탄화규소를 갖는 조성물로 형성되는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 세라믹 요소는 다른 고유저항의 둘 이상의 영역을 포함하는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 세라믹 요소는 다른 고유저항의 셋 이상의 영역을 포함하는 저항 가열 요소의 제조 방법.
- 제 6 항의 방법에 의해 얻어질 수 있는 세라믹 점화기 요소.
- 제 18 항의 점화기를 가로질러 전류를 인가하는 단계를 포함하는 가스상 연료 점화 방법.
- 제 18 항의 점화기를 포함하는 가열 장치.
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