KR20090083898A - 세라믹 가열 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역들을 포함하는 가열 소자 몸체를 형성하는 단계, 및 가열 소자를 형성하기 위해 상기 소자의 일부를 처리하는 단계를 포함하는 세라믹 저항 가열 소자의 새로운 제조 방법에 관한 것이다. 점화기 및 백열 플러그와 같은 가열 소자들은 또한 본 발명의 제조 방법들로부터 습득 가능하도록 제공된다.
고유 저항, 가열 소자, 몸체, 세라믹 저항, 점화기
Description
본 출원은 2006년 10월 2일자로 출원되고 참고를 위해 전체로서 본원에 합체된 미국 가출원 제60/849,154호의 이익을 청구한다.
본 발명은 다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역들을 포함하는 가열 소자 몸체를 형성하는 단계, 및 가열 소자를 형성하기 위해 상기 소자의 일부를 처리하는 단계를 포함하는 세라믹 저항 가열 소자의 새로운 제조 방법에 관한 것이다. 점화기 및 백열 플러그와 같은 가열 소자들은 또한 본 발명의 제조 방법들로부터 습득 가능하도록 제공된다.
세라믹 재료들은 예를 들면 가스-연소 노, 스토브 및 의복 건조기에서 점화기로서 큰 성공을 누려왔다. 세라믹 점화기 제조는 와이어 리드에 의해 대전될 때 온도가 상승하고 높은 저항을 갖는 세라믹 소자의 부분을 통한 전기 회로를 구성하는 단계를 포함한다. 이에 대하여는, 예를 들어, 미국특허 제6,582,629호; 제6,278,087호; 6,028,292호; 제5,801,361호; 제5,786,565호; 제5,405,237호; 및 제5,191,508호를 참조한다.
대표적인 점화기들은, 점화기 팁에서 큰 저항의 "고온 영역"을 가지며 대향하는 점화기 단부로부터 상기 고온 영역에 제공되는 하나 이상의 전도성 "냉각 영 역"을 갖는, 일반적으로 장방형 형상의 소자로 구성되었다. 현재 이용 가능한 점화기 중의 하나인, 밀포드 엔. 에이치.(Milford, N. H.)의 노톤 점화기 제품들(Norton Igniter Products)로부터 이용 가능한 Mini-IgniterTM은 12 볼트 내지 120 볼트 용도로 설계되며, 질화 알루미늄("AlN"), 몰리브데늄 디실리사이드("MoSi2"), 및 실리콘 카바이드("SiC")를 포함하는 합성물을 갖는다.
현재의 세라믹 점화기들은 또한 사용하는 동안, 특히 충격이 가스 캐비닛형 레인지(cooktop) 등을 위해 사용되는 점화기와 같이 유지될 수 있는 환경에서, 파손될 수 있다.
따라서, 새로운 점화기 시스템에 대한 필요성이 대두되었다. 특히 세라믹 저항 소자들을 생산하기 위한 새로운 방법들에 대한 필요성이 대두되었다. 또한 양호한 기계적 보전을 갖는 새로운 가열 소자들에 대한 필요성도 대두되었다.
새로이 제공된 세라믹 가열 소자들을 생산하기 위한 새로운 방법들은 다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역들을 포함하는 가열 소자 몸체를 형성하는 단계, 및 기능성 가열 소자를 형성하기 위해 상기 소자의 일부를 처리하는 단계를 포함한다.
적합한 양태에 있어서, 처리 단계는 전기 회로를 한정하고 기능성 가열 소자를 제공하기 위해 전도성 또는 절연체 영역의 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
본 출원인은 그와 같은 방법들이 높은 기계적 강도를 갖는 가열 소자의 효과적인 생산을 제공할 수 있음을 확인했다.
적합한 양태에 있어서, 하나 이상의 세라믹 재료들은 가열 소자 몸체를 형성하기 위한 슬립 캐스팅(slip casting)을 통해 적층된다. 압출, 딥코팅(dip coating), 분무 코팅, 분사 주조, 및 기타 방법과 같은 다른 형성 방법들도 또한 사용될 수 있다.
상기 가열 소자 몸체를 형성하기 위해 세라믹 재료들을 적층한 후, 상기 몸체 소자는 기능성 가열 소자를 제공하도록 추가로 처리될 수 있다. 특히, 적합한 양태들에서, 가열 소자 몸체의 하나 이상의 영역들은 기능성 전기 통로(회로)를 형성하기 위해 기계가공시키는 것과 같이 제거될 수 있다. 즉, 특정 양태들에서, 긍과 같은 공정 이전에, 형성된 가열 소자 몸체는 잠재적이나 비기능성인 전기 회로를 제공하는 하나 이상의 전도성 영역들을 포함한다. 그와 같은 추가의 공정은 전기 회로를 규정할 수 있으며, 그에 따라 형성된 소자가 점화기와 같은 세라믹 히터로서 기능하도록 할 수 있다.
하나의 예시적 시스템에서, 가열 소자 몸체의 외부 영역들은 저항성 가열을 제공하도록 테이퍼진(단면이 감소된 영역) 소자 몸체 원위 단부가 높은 전도성을 갖는다. 그런 다음, 상기 소자 몸체는 몸체 근위 단부로부터 상기 소자 몸체 원위 단부를 향해 대향하는 전도성 영역들을 제거하도록 처리된다. 따라서, 그와 같은 공정은 외부 전도성 영역으로부터 전기 회로를 규정한다.
다른 예시적 시스템에서, 드레인 캐스팅(슬립 캐스팅) 응용법이 채용될 수 있다. 예를 들어, 외부 저항 (고온 또는 점화 영역) 스킨이 드레인 캐스팅 응용법에 의해 형성될 수 있으며, 상기 전도성 스킨은 절연체 영역으로 채워진다. 다음에, 전도성 영역이 예들 들면 소자 원위 단부에 위치한 절연된 저항 영역을 규정하기 위해 소자 근위 단부로부터 상기 소자 원위 단부를 향해 제공될 수 있다. 예를 들어, 그와 같은 전도성 합성물에 의해 제공되는 제 3 영역은 2-영역 소자상에 용이하게 코팅된 딥(dip)일 수 있다.
특정의 적합한 양태들에서, 가열 소자 몸체의 처리{예를 들면, 선택 부분(들)의 제거}는 상기 소자 몸체에 있는 토포그래피를 포함함으로써 용이하게 될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 소자 몸체는 외부 전기 회로를 규정하도록 용이하게 제거될 수 있는 2개 이상의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 적어도 대체로 몸체 길이의 일부를 위해 소자 몸체의 대향면들상으로 연장하는 2개의 부분들일 수 있다.
특정 양태들에 있어서, 상기 처리 공정은 높은 작동 전압을 위해 제공될 수 있는 연장 전기 통로를 제공할 수 있다. 그와 같은 연장 전기 통로들은 보다 큰 길이를 제공하기 위한 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 꾸불꾸불한 뱀형상 또는 나선형 통로가 채용될 수 있다.
본 발명의 적합한 가열 소자들은, 상술된 바와 같은 외부 저항 및/또는 전도성 영역들 및 내부 절연체 영역을 포함하는, 상기 소자의 단면을 통한 다른 고유 저항의 영역들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 내부 전도성 영역 및 외부 절연체 영역이 채용될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 얻어질 수 있는 적합한 세라믹 소자들은 모든 전기 시퀀스에서 제 1 전도성 영역, 저항성 고온 영역, 및 제 2 전도성 영역을 포함한다. 적합하게도, 상기 디바이스를 사용하는 동안, 전력은 전기 리드의 사용을 통해 제 1 또는 제 2 전도성 영역에 제공된다(그러나, 일반적으로 두 전도성 영역 모두에는 제공되지 않는다). 상술된 바와 같이, 가열 소자 몸체를 형성하는 공정은 저항 가열부 뿐만 아니라 제 1 및 제 2 전도성 영역들을 규정할 수 있다.
본 발명의 특히 적합한 가열 소자들은 상기 가열 소자 길이(예를 들면, 전기 리드가 상기 가열 영역에 첨부되는 영역으로부터 저항성 고온 영역으로 연장하는 길이)의 적어도 일부를 따르는 라운드형 단면 형상을 갖는다. 특히, 적합한 가열 소자들은 상기 가열 소자 길이의 적어도 일부, 예를 들면, 상기 가열 소자 길이의 적어도 약 10%, 40%, 60%, 80%, 90% 또는 전체 가열 소자 길이인 일반적으로 타원형, 원형 또는 기타 라운드형 단면 형상을 가질 수 있다. 그와 같은 로드 구성은 높은 섹션 계수를 제공하며, 따라서 상기 가열 소자의 기계적 보전을 강화시킨다.
특히, 적합한 가열 소자들은 또한 집적 소자들이 될 수 있다. 즉, 상기 소자들은 상기 가열 소자의 전체 길이에 대해 상기 소자의 횡단면을 통한 (빈 공간이 없는) 고형 세라믹 소자일 수 있다. 그와 같은 집적 소자들은 상기 소자의 길이/횡단면의 적어도 일부에서 빈 공간(예를 들면, 어떠한 세라믹 조성물도 존재하지 않는 하나 이상의 슬롯)을 포함하는 소자들과는 구분된다.
본 발명의 가열 소자들은 6, 8, 9, 10, 12, 24, 120, 220, 230 및 240의 공칭 전압을 포함하는 폭넓게 다양한 공칭 전압으로 채용될 수 있다.
본 발명의 가열 소자들은 또한 다양한 장치 및 가열 시스템에서 점화를 위해 사용될 수 있다. 특히, 가열 시스템들은 상술된 바와 같이 소결된 가열 소자를 포함한다. 특별한 가열 시스템들은 가스 요리 유닛, 물 가열을 포함하는 상업적 및 거주용 건물을 위한 가열 유닛을 포함한다. 본 발명의 가열 소자들은 또한 예를 들면 내연기관에 사용하기 위한 백열 플러그로서 사용될 수 있다.
본 출원서에 언급된 "슬립 캐스팅(slip casting)"이라는 용어는 금형 안으로 세라믹 조성물을 진입시키고, 이어 금형으로부터 형성된 소자를 회수하는 일반적인 공정을 의미한다.
본 출원서에 일반적으로 언급된 "성형된 사출", "사출성형" 또는 그와 유사한 용어들은 재료(본원의 경우 세라믹 또는 예비-세라믹 재료)가 사출되는 일반적인 공정이나, 또는 일반적으로 압력하에 상기 세라믹 소자의 소정의 형상으로 금형 안에 진입시키고 이어서 냉각시키며, 계속해서 금형의 복제를 보유하는 고형화 소자를 제거하는 공정을 나타낸다.
본 발명의 다른 양태들은 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 적합한 가열 소자를 설명하는 도면.
도 2a 내지 도 2c는 가열 소자를 생산하기 위한 적합한 처리 단계들을 설명하는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 가열 소자를 생산하기 위한 적합한 처리 단계들을 설명하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 추가의 적합한 가열 소자를 설명하는 도면으로 서, 도 4a는 상기 가열 소자의 정면도이고, 도 4b는 상기 가열 소자의 대향 배면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 적합한 가열 소자를 설명하는 도면.
상술된 바와 같이, 제공된 세라믹 저항 가열 소자의 새로운 제조 방법은 다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역들을 포함하는 가열 소자 몸체를 형성하는 단계와 가열 소자를 형성하기 위해 상기 소자의 일부를 처리하는 단계를 포함한다. 적합한 양태에서, 상기 처리 단계는 전기 회로를 한정하고 기능성 가열 소자를 제공하기 위해 전도성 또는 절연체 영역의 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
도면으로 돌아가서, 도 1은 전기 회로를 제공하고 가열 소자의 길이를 따라 연장하는 전도성 영역(12, 14)을 포함하는 적합한 가열 소자(10)를 도시한다. 소자 원위 영역(16)은 상기 영역에 저항성 가열을 제공하기 위해 테이퍼진다(횡단면 영역이 감소됨). 코어 절연체 영역(18)은 전도성 영역(12, 14)을 분리시키며, 다라서 전기 회로를 규정한다.
사용시, 동력은 전도성 영역들(12, 14)의 근위 단부들(12A, 14A)을 통해 (예를 들면, 도시되지 않은 하나 이상의 전기 리드를 통해) 가열 소자(10)에 제공될 수 있다. 전기 리드는 납땜 등에 의해 근위 단부들(12A, 14A)에 부착될 수 있다. 상기 가열 소자 근위단부(10A)는 적합하게도, 세라모플라스틱 실란트 재료가 전도성 근위 단부들(12A, 14A)을 감싸는 것과 같은, 다양한 고정구 내에 장착될 수 있다. 그와 같은 실란트 재료로 감싸는 기술에 대하여는 미국특허 제6933471호에 공 개되어 있다. 또한 적합하게도 금속성 고정구가 상기 가열 소자 근위 단부를 감싸기 위해 채용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 방법에서의 적합한 처리 단계들을 횡단면도(도 1의 2-2 라인을 따라 절취한 바와 같은)로 설명한다.
따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 슬립 주조 금형(20)이 일반적인 형태의 대향 돌출 영역(24, 26)을 갖는 로드형 가열 소자 몸체(22)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 한 시스템에서, 상기 슬립 주조 금형(20)은 절연체 세라믹 조성물로 채워질 수 있다. 결합제의 제거에 의해 강성 소자가 제공될 수 있다.
일반적으로 도 2b에 설명된 바와 같이, 다음에 감싸인 전도성 조성물(30)은 슬립 캐스팅 절연체 영역(28) 주위에 제공될 수 있다. 상기 전도성 조성물(30)은 예를 들면 다른 고유 저항의 2개의 영역(28, 30)을 갖는 가열 소자(22)를 형성하기 위한 딥 코팅과 같은 다른 수단 또는 다른 슬립 캐스팅 용도에 의해 제공될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 다음에 돌출 영역(24, 26)은 전기 통로를 규정하고 또한 기능성 가열 소자(32)를 제공하기 위한 기계 가공 등에 의해 제거될 수 있다. 그와 같은 소자 몸체의 처리는 그린 또는 소결 상태의 소자 몸체에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 영역들(24, 26)의 처리, 특히 그들의 제거에 의해, 절연체(28)는 전기 통로를 규정하는 분리된 전도성 영역(30A, 30B)을 양분한다. 사용시, 전류는 전도성 영역(30A) 및 원위 테이퍼 저항 영역을 통해 가열 소자의 길이를 따라 흐를 수 있으며, 다음에 전도성 영역(30B)을 통해 상기 가열 소자의 길이 를 따라 철회된다.
도 3a 내지 도 3c는 다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역{예를 들어, 다른 고유 저항 및 세라믹 조성물을 갖는 전도성, 절연체 및 저항(고온 또는 점화) 영역과 같은 다른 저항의 3개 이상의 영역들}을 갖는 가열 소자들을 제공하기 위한 본 발명에 따른 방법의 추가의 적합한 처리 단계들을 횡단면도(도 1의 2-2 라인을 따라 절취한 바와 같은)로 설명한다.
따라서, 상술된 도 2a 내지 도 2c와 관련하여 설명된 바와 같이, 도 3a에서, 슬립 주조 금형은 대향 돌출 영역(24, 26)을 갖는 로드형 가열 소자 몸체를 제공하기 위한 일반적인 형태를 사용할 수 있다. 한 시스템에서, 상기 슬립 주조 금형(20)은 절연체 세라믹 조성물(28)로 채워질 수 있다. 결합제의 제거에 의해 강성 소자가 제공될 수 있다.
일반적으로 도 3b에 설명된 바와 같이, 다음에 감싸인 전도성 조성물(30)이 저항성 셸을 제공하기 위해 슬립 주조 금형 주위에 제공될 수 있다. 다음에, 상기 셸 코어는 절연체 영역(28)을 제공하기 위한 절연체 조성물로 채워질 수 있다. 상기 저항성 조성물(30)은 예를 들면 딥 코팅과 같은 다른 수단 또는 다른 슬립 캐스팅 용도에 의해 제공될 수 있다.
다음에, 또한 일반적으로 도 3b에 도시된 바와 같이, 감싸인 전도성 조성물(31)은 저항성 조성물층(30) 주위에 제공될 수 있다. 그와 같은 전도성 조성물(31)은 예를 들면 다른 고유 저항을 갖는 3개의 영역들(27, 30, 31)을 갖는 가열 소자(22)를 형성하기 위한 딥 코팅과 같은 다른 수단 또는 슬립 캐스팅에 의해 제 공될 수 있다.
도 2c 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 다음에 돌출 영역(24, 26)은 전기 통로를 규정하고 또한 기능성 가열 소자(32)를 제공하기 위한 기계 가공 등에 의해 제거될 수 있다. 그와 같은 소자 몸체의 처리는 그린 또는 소결 상태의 소자 몸체에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 영역들(24, 26)의 처리, 특히 그들의 제거에 의해, 절연체(28)는 전기 통로를 규정하는 분리된 전도성 영역들(30A, 30B)을 양분한다. 사용시, 전류는 전도성 영역(30A) 및 원위 테이퍼 저항 영역을 통해 가열 소자의 길이를 따라 흐를 수 있으며, 다음에 전도성 영역(30B)을 통해 상기 가열 소자의 길이를 따라 철회된다.
특정 실시예들에 있어서, 슬립 캐스팅이 가열 소자를 제조하기 위해 적절히 이용되는 반면, 슬립 캐스팅에 추가하여 또는 그를 완전히 대신하는 다른 형성 방법 또한 채용될 수 있다. 예를 들어, 세라믹 조성물의 압출 성형, 사출 성형 및/또는 딥 코팅 응용이 가열 소자 몸체 및 형성된 (기능성) 가열 소자를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 가열 소자를 형성하기 위한 압출 성형은 국제공보 WO 2006/050201에 공개되어 있다. 가열 소자를 형성하기 위한 사출 성형은 국제공보 WO 2006/086227에 공개되어 있다.
도 4a 및 도 4b는 드레인 캐스팅(drain casting) 공정을 통해 제조될 수 있는 가열 시스템 소자들을 설명한다. 특히, 도 4a는 드레인 캐스팅 공정을 통해 형성된 세라믹 저항(고온 또는 점화 영역) 전도성 셸(40)에 대한 절삭도를 도시하며, 여기서 저항성 세라믹 슬러리는 슬립 주조 금형 안으로 주입되고 다음에 상기 슬러 리는 상기 슬러리가 먼저 금형 안으로 도입된 후 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 또는 0.25 분 이하의 짧은 기간 동안 상기 금형으로부터 주입된다. 다음에 저항성 세라믹 코팅층의 나머지는 건조될 수 있으며, 절연체 세라믹 조성물은 상기 슬립 주조 금형 내의 셸 안으로 도입된다. 상기 2개 영역의 합성 몸체는 밤새도록 건조될 수 있으며, 다음에 선택적으로 운동(예를 들면, 진동)의 도움으로 상기 슬립 주조 금형으로부터 제거된다. 따라서 그와 같이 얻어진 가열 소자 몸체(42)(도 4b에 횡단면으로 도시됨)는 원할 경우 예를 들면 100 내지 150 ℃의 상승 온도하에서 1시간 이동 동안 추가로 건조될 수 있다.
전도성 영역은, 전도성 외부층의 적용을 벗어나는 저항성 영역을 규정하도록 소자 근위 단부로부터 소자 원위 단부(46)를 향해 전도성 세라믹 조성물을 딥 코팅하는 것과 같이, 세라믹 몸체 근위 단부 내에 합체될 수 있다. 상기 3개의 구역 또는 영역 세라믹 몸체는 원할 경우 예를 들면 100 내지 150 ℃와 같은 상승 온도하에서 1시간 이동 동안 추가로 건조될 수 있다.
다른 고유 저항을 갖는 다른 영역들도 또한 딥 코팅 또는 다른 응용 방법과 같이 가열 세라믹 몸체 안에 포함될 수 있다. 예를 들어, 특정 시스템에 대하여, 상기 통로의 대부분의 전도성 부분들과 상기 통로의 높은 저항성 (고온) 영역들 사이의 전기 회로 통로에 중간 저항의 강화 영역 또는 파워 부스터(power booster) 영역을 포함하도록 기대될 수 있다. 그와 같은 중간 저항의 부스터 영역에 대하여는 윌켄스에게 허여된 미국특허 공개 제 2002/0150851호에 공개되어 있다.
적합한 부스터 영역은 저항을 위한 양성 온도 계수(PTCR)를 갖는다. 적합하 게도, 상기 부스터 영역은 1) 점화기 고온 영역으로의 효과적인 정류 유동, 및 2) 비록 상기 부스터 영역이 적합하게도 점화기의 사용 동안 고온 영역과 같은 고온으로 가열되지 않을지라도, 상기 점화기의 사용 동안 상기 부스터 영역에 대한 일부 저항성 가열을 허용하는 중간 저항을 갖는다.
사용하는 동안, 가열 소자의 다중 저항 영역들은 명확한 저항 및 온도값을 적절하게 나타낸다. 따라서, 부스터 영역을 포함하는 적합한 시스템들에 있어서, 상기 제 1 전도성 영역은 적합하게도 3개의 영역 중 가장 작은 저항을 나타내고, 상기 부스터 영역은 상대적으로 높은 저항을, 그리고 상기 고온 또는 점화 영역은 상기 점화기의 가장 높은 저항을 나타낸다.
일반적으로 부스터 영역을 포함하는 다중 영역 시스템은 사용하는 동안 유사 온도 구배를 나타낸다. 즉, 상기 전도성 영역은 사용하는 동안 실제로 가열되지 않는다; 고온 또는 점화가 적어도 약 1000℃ 더욱 적합하게는 적어도 약 1200℃ 또는 1300℃와 같은 연료원을 충분히 가열할 수 있는 온도로 가열된다; 그리고 개입된 부스터 영역은 일반적으로 상기 전도성 영역보다 큰 적어도 약 100, 200, 300 또는 400℃ 및 상기 고온 영역보다 작은 적어도 약 100, 200, 300 또는 400℃의 범위 내로 가열된다.
실온(25℃)에서, 상기 전도성 영역은 적합하게도 상기 부스터 영역의 실온 저항의 약 50%, 25%, 10% 또는 5% 이하의 저항을 가지며, 또한 상기 전도성 영역은 적합하게도 상기 부스터 영역의 실온 저항의 약 10%, 5% 또는 1% 이하의 실온 저항을 갖는다. 상기 전도성 영역은 가열되는 동안 최소 저항을 나타낸다.
실온에서, 상기 부스터 영역은 적합하게도 상기 고온 영역의 약 75%, 50%, 25%, 10% 또는 5% 이하의 저항을 갖는다. 그러나 사용 중에, 상기 고온 영역의 저항은 상기 고온 영역의 작동 온도 저항을 적당히 초과할 수 있다. 예를 들어, 작동 온도(예를 들면, 적어도 약 1000℃ 또는 1100℃의 고온 영역)에서 사용 중에, 상기 부스터 영역의 저항은 상기 고온 영역의 작동 온도 저항의 적어도 약 110%, 120%, 130%, 140%, 150%, 160%, 170%, 180%, 190%, 200%, 220%, 250%, 270% 또는 300%일 수 있다.
그 다음, 본 발명의 가열 소자 몸체들에 있어서, 형성된 다중 영역 소자 몸체는, 전기 통로를 규정하도록 세라믹 몸체의 길이를 따라 몸체 원위 단부(46)로부터 몸체 원위 단부의 저항성 영역에 이르는 전도성 영역의 제거에 의해, 전기 회로를 형성하기 위해 처리될 수 있다. 그와 같은 전기 통로를 규정하기 위한 처리가 수행되기 전 또는 후에 소결이 수행될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 절연체 영역(52, 54, 56)이 전도성 영역(58, 60)을 통해 지시된 전기 통로를 규정하는 추가의 적합한 가열 소자 시스템(50)을 나타낸다. 저항 가열은 테이퍼진 단부(62)에서 발생한다.
본 시스템(50)에서, 전도성 영역은 외부 절연체를 갖는 소자(50)의 내부를 형성한다. 상술된 뱀형상의 전기 통로를 규정하는 절연체 영역들(52, 54, 56)은 상기 외부 절연체의 선택적 기계 가공에 의해 제공될 수 있다. 코일형상의 통로와 같은 다른 비선형 전기 통로가 통로 길이를 연장하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 상기 가열 소자가 보다 높은 전압하에 작동할 수 있게 한다.
형성된 가열 소자들은 또한 원하는 대로 처리될 수 있다. 예를 들면, 추가의 세라믹 조성물들이 형성된 소자에 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가열 소자는 소자의 전기 통로의 성능을 강화하기 위해 절연체 조성물로 딥 코팅에 의해, 인접한 전도성 영역들 사이의 휘어짐을 방지하기 위해 감싸여질 수 있다. 그와 같은 휘어짐은 만약 가열 소자에 습식 연료(예를 들면, 등유, 가솔린, 가열 오일 등)가 사용될 때 특히 문제가 될 수 있다. 상기 가열 소자에 내부 절연체 코팅층을 적용시킴으로써 그와 같은 휘어짐을 크게 최소화시킬 수 있다.
딥 코팅의 적용에 관하여, 세라믹 조성물의 슬러리 또는 다른 유체형 조성물이 적합하게 채용될 수 있다. 상기 슬러리는 제공된 세라믹 조성물의 균일층 형성을 균일하게 하기 위한 하나 이상의 첨가물 및 알코올 등과 같은 극성 유기 용매 촉진제 또는 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬러리 조성물은 하나 이상의 유기 유제(organic emulsifier), 가소제(plasticizer), 및 살포제(dispersant)를 포함할 수 있다. 이와 같은 결합제들은 상기 가열 소자의 연속 조밀화 공정 동안 적당히 열적으로 제거될 수 있다.
추가적으로, 가열 소자는 열전쌍 회로, 점화 센서 또는 점화 정류기와 같은 추가의 기능들을 포함할 수 있다.
가열 소자는 또한 명확한 세라믹 조성물의 저항 가열 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 가열 소자는 전도성, 고온 (저항성 가열) 및 절연체 영역(즉, 3개의 영역 시스템)을 포함할 수 있으며, 여기서 그와 같은 각각의 영역들은 다른 세라믹 조성물을 갖는다.
형성된 가열 소자는 상승된 온도 및 압력을 포함하는 상태하에서와 같이 적합하게도 추가적으로 조밀화된다. 특히, 형성 후에 가열 소자는 단일 또는 다중 열적 처리 단계에서 소결될 수 있다.
하나의 다중 단계 프로토콜에서, 슬립 캐스팅 및 딥 코팅 공정을 통해 형성된 가열 소자는 다양한 유기 및 무기 촉진제를 제거하기 위한 제 1 열처리, 예를 들면 결합제 등을 제거하기 위한 아르곤과 같은 불활성 환경하에 1000℃ 이상에서 가열을 겪을 수 있다. 따라서, 상기 가열 소자는 0.5 시간 이상 동안 압력하에서 1600℃ 이상에서 소결될 수 있다.
상술된 바와 같이, 도면들에 도시된 가열 소자들에 의해 예시된 바와 같이, 특정의 적합한 시스템에 있어서, 상기 가열 소자 길이의 적어도 일부는 도 1에 도시된 길이(x)와 같이 상기 가열 소자 길이의 적어도 일부를 따라 라운드된 횡단면 형상을 갖는다. 도 1의 가열 소자(10)는 특히 적합한 형태를 가리키며, 여기서 가열 소자(10)는 로드형 소자를 제공하기 위해 상기 가열 소자의 전체 길이에 대해 대체로 원형 횡단면 형태를 갖는다. 그러나, 적합한 시스템들은 또한 가열 소자의 일부만이 라운드된 횡단면 형태를 갖는 것으로 구성될 수 있으며, 이 경우 가열 소자 길이(도 1의 가열 소자 길이 x에 의해 예시된 바와 같은)의 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90%까지 라운드된 횡단면 형상을 가질 수 있다; 그와 같은 설계에서, 상기 가열 소자 길이의 균형은 외부 에지들을 구비한 프로파일을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 가열 소자들의 치수는 폭넓게 변화될 수 있으며, 상기 가열 소자의 의도된 사용에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 적합한 가열 소자(도 1에서 길이 x)의 길이는 적합하게는 약 0.5 내지 약 5 cm, 더욱 적합하게는 약 1 내지 약 3 cm가 될 수 있고, 상기 가열 소자 횡단면의 폭은 적합하게는 약 0.2 내지 약 3 cm가 될 수 있다.
특정의 적합한 시스템들에서, 본 발명에 따른 가열 소자의 고온 또는 저항성 영역은 공칭 전압하에서 약 1450℃ 이하의 최대 온도로; 그리고, 공칭 전압의 약 110%인 고-단부 라인(high-end line) 전압에서 약 1550℃ 이하의 최대 온도로; 그리고 공칭 온도의 약 85%인 저-단부 라인 전압에서 약 1350℃ 이하의 최대 온도로 가열될 수 있다.
다양한 조성물들이 본 발명의 가열 소자를 형성하기 위해 채용될 수 있다. 적합하게는 다른 고유 저항을 갖는 세라믹 조성물들이 상술된 바와 같은 가열 소자 몸체를 형성하기 위해 적절히 채용된다.
특정 실시예들에서, 만약 개별 세라믹 조성물이 고온 영역을 형성하기 위해 채용될 경우, 일반적으로 적합한 고온 영역 조성물들은 다음과 같은 적어도 3개의 성분들을 포함한다: 1) 전도성 물질; 2) 반도체 물질; 및 3) 절연체 물질. 전도성(냉각) 및 절연체(가열 싱크) 영역은 동일한 성분들을 포함할 수 있으나, 상기 성분들은 다른 특성을 나타낸다. 대표적인 전도성 물질은 예를 들면 몰리브데늄 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드, 질화 티타늄과 같은 질화물, 및 탄화 티타늄과 같은 탄화물을 포함한다. 대표적인 절연체 물질은 알루미나와 같은 금속 산화물 또는 AIN, SiALON(즉, 실리콘 알루미늄 옥시니티라이드 물질)과 같은 질화물 및 /또는 Si3H4을 포함한다.
본원에 언급된 바와 같은, 전기 절연체 물질이란 용어는 적어도 약 1010 ohms-cm의 실온 저항을 갖는 물질을 가리킨다. 본 발명의 가열 소자의 전기 절연 물질 성분은 오직 또는 첫째로 하나 이상의 금속 질화물 및/또는 산화 금속, 또는 선택적으로 상기 산화 금속 또는 질화 금속에 추가하여 물질을 포함할 수 있는 절연체 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 재료 성분은 질화 알루미늄(AIN), 질화 실리콘, SiALON, 또는 질화 보론과 같은 질화물; 희토성 산화물(예를 들면, 이트리아); 또는 희토성 산소질화물을 추가로 포함할 수 있다.
본원에 언급된 바와 같은, 반도체 세라믹(또는 "반도체")은 약 10 내지 108 ohm-cm의 실온 저항을 갖는 세라믹이다. 만약, 상기 반도체 성분이 고온 영역 조성물의 약 45 v/o 이상을 나타낼 경우(전도성 세라믹이 약 6-10 v/o의 범위일 때), 그에 따른 조성물은 (절연체의 부족으로 인해) 높은 전압 적용을 위해 과다한 전도성을 갖게 된다. 역으로, 만약 상기 반도체 물질이 약 5 v/o 이하를 나타낼 경우(전도성 세라믹이 약 6-10 v/o의 범위일 때), 그에 따른 조성물은 (과다한 절연체로 인해) 과다한 저항을 갖게 된다. 또한, 전도체의 높은 레벨에서, 원하는 전압을 성취하기 위해 절연체 및 반도체 부분에 대한 더욱 저항성 혼합을 필요로 하게 된다. 일반적으로, 상기 반도체는 (도핑 또는 언도핑된) 탄화 실리콘과 탄화 보론으로 구성된 그룹으로부터의 탄화물이다.
본원에 언급된 바와 같은, 전도성 물질은 약 10-2 ohm-cm 이하의 실온 저항을 갖는 것이다. 만약 상기 전도성 성분이 상기 고온 영역 조성물의 35 v/o 이상의 양을 나타낼 경우, 그에 따른 고온 영역 조성물의 세라믹, 그에 따른 세라믹은 과다한 전도성을 갖게 된다. 일반적으로, 상기 전도체는 몰리브데늄 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드, 질화 티타늄과 같은 질화물, 및 탄화 티나튬과 같은 탄화물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일반적으로 몰리브데늄 디실리사이드가 적합하다.
일반적으로, 만약 채용될 경우, 적합한 고온 (저항성) 영역 조성물은 (a) 적어도 약 1010 ohm-cm의 저항을 갖는 약 50 내지 약 80 v/o 사이의 전기 절연 물질; (b) 약 10 내지 약 108 ohm-cm 사이의 저항을 갖는 약 5 내지 약 45 v/o 사이의 반도체 물질; 및 (c) 약 10-2 ohm-cm 이하의 저항을 갖는 약 5 내지 약 35 v/o 사이의 금속 전도체를 포함한다. 적합하게도, 상기 고온 영역은 50-70 v/o 전기 절연 세라믹, 5-45 v/o 반도체 세라믹, 및 5-20 v/o 전도성 물질을 포함한다.
적합한 냉각 영역 (전도성) 영역은 예를 들면 AIN 및/또는 Al2O3 또는 기타 절연 물질; SiC 또는 기타 반도체 물질; 및 MoSi2 또는 기타 전도성 물질을 포함한다.
만약 가열 소자에 채용될 경우, 적합한 부스터 영역은 상기 전도성 및 고온 영역 조성물과 동일한 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 적합한 부스터 영역 조성물은 AIN 및/또는 Al2O3 또는 기타 절연 물질; SiC 또는 기타 반도체 물질; 및 MoSi2 또는 기타 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 부스터 물질 조성물은 일반적으로 상기 고온 및 냉각 영역 조성물들에 존재하는 물질의 비율들 사이의 중간물인 전도성 및 반도체 물질(예들 들면, SiC 및 MoSi2)의 상대 비율을 갖는다. 적합한 부스터 영역 조성물은 약 60 내지 70 v/o 질화 알루미늄, 산화 알루미늄, 또는 기타 절연체 물질; 약 10 내지 20 v/o MoSi2 또는 기타 전도성 물질; 및 SiC와 같은 균형 반도체 물질을 포함한다. 본 발명의 점화기에 사용하기 위한 특히 적합한 부스터 영역 조성물은 14 v/o MoSi2, 20 v/o SiC 및 균형 v/o Al2O3를 포함한다. 본 발명의 점화기에 사용하기 위한 특히 적합한 부스터 영역 조성물은 17 v/o MoSi2, 20 v/o SiC 및 균형 v/o Al2O3를 포함한다. 본 발명의 점화기에 사용하기 위한 추가의 특히 적합한 부스터 영역 조성물은 14 v/o MoSi2, 20 v/o SiC 및 균형 v/o AIN을 포함한다. 본 발명의 점화기에 사용하기 위한 추가의 특히 적합한 부스터 영역 조성물은 17 v/o MoSi2, 20 v/o SiC 및 균형 v/o AIN을 포함한다.
본 발명의 가열 소자는, 노와 요리 기구, 베이스보드 히터, 보일러, 및 스토브 탑과 같은 가스상 연료 점화 장치를 포함하는, 다양한 용도로 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 가열 소자는 가스로 뿐만 아니라 스토브 톱 가스 버너를 위한 점화 소스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 가열 소자는 유체 (습식) 연료(예를 들면, 등유, 가솔린)가 증발되고 예를 들면 차량의 개량된 가열을 제공하는 차량(예를 들면, 차) 히터에어 점화되는 점화기에 사용할 경우 특히 적합하다.
본 발명의 가열 소자들은 모터 차량의 점화 소스와 같은 백열 플러그로서 적당히 채용될 수 있다.
본 발명의 가열 소자는 적외선 히터을 위한 가열 소자로서 포함되는 추가의 특수한 용도를 위해 사용될 수 있다.
다음의 비제한적인 실예들로서 본 발명을 설명한다. 보든 문헌들은 전체로 참고로 본원에 합체되었다.
예 1 : 가열 소자 제조
도면의 도 1에 도시된 일반적인 형태의 본 발명에 따른 가열 소자가 다음과 같이 구비될 수 있다.
절연체 조성물의 분말들(90 용적%의 Al2O3 및 약 10 용적%의 MoSi2)이 탈이온수, 구연산 및 2 중량%의 에폭시 수지 결합제와 혼합되었다. 상기 조성물은 6 내지 8시간 동안 보울밀(ball mill)될 수 있다.
상기 절연체 조성물은 도면의 도 2a에 도시된 형태의 슬립 주조 금형 안으로 진입된다. 상기 조성물은 밤새도록 상기 금형 안에 놓여지도록 허용될 수 있으며, 다음에 형성된 소자 몸체는 상기 금형으로부터 제거될 수 있다. 제고된 소자 몸체는 140℃에서 한시간 동안 건조된다.
딥 코팅 적용을 위한 전도성 세라믹 조성물은 혼합 세라믹 분말(63 용적%의 Al2O3, 약 30 용적%의 MoSi2, 및 7 용적%의 SiC)로 물 및 에폭시 수지 결합제와 함께 구비된다.
다음에, 형성된 절연체 몸체 소자는 전도성 세라믹 조성물로 딥 코팅된다. 다음에, 다른 고유 저항의 2개의 세라믹 영역을 갖는 상기 코팅된 소자 몸체가 140℃에서 한시간 동안 건조된다.
다음에, 상기 소자 몸체는 압력하에 1500℃ 내지 1600℃에서 소결된다.
이 후, 돌출 "귀(ear)" 부분들{도 2b의 영역(24 및 26)}은 전기 회로를 규정하기 위해 기계 연삭 가공에 의해 제거되며, 도 1 및 도 2c에 도시된 일반적인 형태의 기능성 가열 소자를 제공한다.
다음에, 전기 리드들이 가열 소자 근위 단부의 전도성 영역에 납땜을 통해 부착된다.
예 2 : 드레인 캐스팅으로 가열 소자 제조
도면 중의 도 4a 및 도 4b에 도시된 일반적인 형태를 갖는 본 발명의 가열 소자가 다음과 같이 구비될 수 있다.
저항성 세라믹 조성물이 세라믹 분말(63 용적%의 Al2O3, 약 22 용적%의 MoSi2, 및 5 용적%의 SiC)을 물 및 에폭시 결합제와 혼합시킴으로써 구비된다. 상기 조성물은 슬립 캐스팅 금형 안에 도입된다. 상기 도입 후 약 5분 이내에, 상기 슬립 캐스팅 금형은 상기 전도성 조성물을 제거하기 위해 뒤집히고, 상기 금형의 벽들상의 세라믹 조성물의 스킨층을 남긴다.
절연체 조성물의 분말들(90 용적%의 Al2O3 및 약 10 용적%의 MoSi2)이 탈이온수, 구연산 및 2 중량%의 에폭시 수지 결합제와 혼합된다. 상기 조성물은 세라믹 조성물의 내부 스킨층과 함께 상기 슬립 캐스팅 금형 안으로 도입된다
상기 절연체 조성물은 도면의 도 2a에 도시된 형태의 슬립 주조 금형 안으로 진입된다. 상기 조성물은 밤새도록 상기 금형 안에 놓여지도록 허용될 수 있으며, 다음에 형성된 소자 몸체는 상기 금형으로부터 제거될 수 있다. 제거된 소자 몸체는 140℃에서 한시간 동안 건조된다.
상기 2 영역 합성 몸체는 밤새도록 건조된 다음, 상기 금형의 진동으로 상기 슬립 캐스팅 금성으로부터 제거된다. 따라서 얻어진 가열 소자 몸체는 140℃에서 한시간 동안 건조된다.
딥 코팅 적용을 위한 전도성 세라믹 조성물은 혼합 세라믹 분말(63 용적%의 Al2O3, 약 30 용적%의 MoSi2, 및 7 용적%의 SiC)로 물 및 에폭시 수지 결합제와 함께 구비된다.
상기 전도성 영역 조성물은 상기 소자 원위 단부의 소자의 저항성 영역을 규정할 때까지 세라믹 몸체 근위 단부 안에 합체된다. 상기 3 영역 세라믹 몸체는 1730℃에서 소결된 다음 140℃에서 한시간 동안 건조된다.
다음에, 소결된 3 영역 소자는 전기 회로를 형성하도록, 특히 상기 몸체 원위 근위 단부로부터 상기 몸체 원위 단부의 저항성 영역을 향해 상기 세라믹 몸체 의 길이를 따르는 전도성 영역을 제거함으로써 처리되어, 전기 통로를 규정한다.
다음에, 전기 리드들이 가열 소자 근위 단부의 전도성 영역에 납땜을 통해 부착된다.
본 발명은 그들의 특별한 실시예들과 관련하여 상세히 설명되었다. 그러나, 당업자라면 그와 같은 설명들을 고려하여 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않은 한도 내에서 수정과 변경이 가능함을 알 수 있을 것이다.
Claims (24)
- 저항성 세라믹 가열 소자를 제조하기 위한 방법으로서,다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역을 포함하는 가열 소자 몸체를 형성하는 단계; 및가열 소자를 형성하기 위해 상기 소자 몸체의 일부를 처리하는 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 가열 소자의 전기 통로를 규정하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 소자 몸체의 하나 이상의 부분을 제거하는 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 가열 소자 몸체의 하나 이상의 돌출부를 제거하는 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제거 단계는 상기 가열 소자 몸체의 2개의 대향부를 제거하는 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자 몸체는 다른 고유 저항을 갖는 3개 이상의 영역을 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 절연체, 전도성 및 저항성 (점화) 영역을 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 절연체, 전도성, 부스터 및 저항성 (점화) 영역을 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 상기 가열 소자의 횡단면을 통해 다른 고유 저항을 갖는 영역들을 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 내부 절연체 영역과 외부 전도성 영역을 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 슬립 캐스팅에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 딥 코팅에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 소자는 상기 가열 소자 길이의 적어도 일부에 대해 일반적으로 라운드된 횡단면 형상을 갖는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 소자는 일체형 소자인 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 저항성 세라믹 가열 소자를 제조하기 위한 방법으로서,가열 소자 몸체를 형성하기 위해 세라믹 물질을 슬립 캐스팅하는 단계와;가열 소자를 형성하기 위해 상기 소자 몸체의 일부를 처리하는 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 슬립 캐스팅 단계는 가열 소자 몸체를 형성하기 위한 적어도 2개의 명확한 세라믹 물질의 적층 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 가열 소자의 전기 통로를 규정하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 소자 몸체의 하나 이상의 부분을 제거하는 단계를 포함하는 저항성 세라믹 가열 소자 제조 방법.
- 상기 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한항에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 세라믹 가열 소자.
- 가열 소자 몸체로서,다른 고유 저항을 갖는 2개 이상의 영역; 및하나 이상의 돌출부를 갖는 가열 소자 몸체.
- 제 20 항에 있어서, 상기 가열 소자 몸체는 내부 절연체 영역과 외부 절연체 영역을 포함하는 가열 소자 몸체.
- 가스 연료를 점화하는 방법으로서,제 19 항의 가열 소자를 가로지르는 전류를 제공하는 단계를 포함하는 가스 연료 점화 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 전류는 6, 8, 9, 10, 12, 24, 120, 220, 230 또는 240 볼트의 공칭 전압을 갖는 가스 연료 점화 방법.
- 제 19 항의 가열 소자를 포함하는 가열 장치.
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