KR20090098972A

KR20090098972A - 고순도 산화알루미늄 세라믹으로 된 절연체를 구비하는 점화플러그

Info

Publication number: KR20090098972A
Application number: KR1020097013565A
Authority: KR
Inventors: 베르너 니스너; 마르틴 노흐; 클라우스 슈테터
Original assignee: 베루 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-09-18
Also published as: ATE467930T1; DE102006061907A1; US20100007260A1; EP2118973B1; EP2118973A1; WO2008074438A1; JP2010514114A; DE502007003810D1

Abstract

옷토-사이클(Otto-cycle) 엔진을 위한 점화플러그는 금속성 점화플러그 본체(5)를 구비하고, 중앙 전극(1)을 구비하고, 상기 중앙 전극(1)과 상기 본체(5) 사이에 배열되며 또한 산화알루미늄에 기초하고 있는 세라믹 절연체(4)를 구비하며, 또한 적어도 하나의 접지 전극(6)을 구비한다. 본 발명에 따라 상기 절연체(4)는 0.01 중량% 내지 1 중량%의 산화마그네슘, 최대 0.3 중량%의 자연적인 불순물 및/또는 제조 과정에서 발생하는 불순물, 잔량의 산화 알루미늄을 함유하고, 고체-상태 소결(solid-phase sintering)에 의하여 형성됨으로써 거의 유리질(glass phase)을 가지지 아니한다.

점화플러그, 절연체, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 소결

Description

고순도 산화알루미늄 세라믹으로 된 절연체를 구비하는 점화플러그{Spark plug and insulator composed of high-purity aluminium oxide ceramic}

본 발명은 청구항1의 전제부에서 한정된 특징을 가지는 점화플러그에 관한 것이다. 이러한 종류의 점화플러그는 EP 0 954 074 B1으로부터 알려져 있다.

발전된 옷토-사이클(Otto-cycle) 엔진은 인렛 밸브들과 아울렛 밸브들을 위하여 실린더 헤드 내에 더 넓은 공간을 필요로 하는데, 이는 현재 종래 점화플러그에 비하여 더 작은 직경을 가지는 점화플러그가 필요로 하게 되는 이유들 중 하나이다. 가느다란 점화플러그는 가느다란 절연체를 필요로 한다. 이는 차례로 점화플러그 내의 절연체의 기계적 강도 및 절연 성질, 특히 절연 파괴 강도가 더 높아야 한다는 것으로 귀결되는데, 이 절연체는 통상적으로는 산화알루미늄 세라믹 물질로 되어 있다.

JP-A 63-190753에는, 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 평균 입자 크기를 가지는 알루미나 분말(alumina powder) 95 중량%에 산화이트리움(yttrium oxide), 산화마그네슘(magnesium oxide) 및 산화란타늄(lanthanum oxide)을 혼합한 혼합물을, 액체-상태 압축 및 소결 처리를 거쳐 얻어지는 산화알루미늄 세라믹으로 된 절연체가 개시되어 있다. 이 산화이트리움, 산화마그네슘 및 산화란타늄은 모두 합쳐서 상기 혼 합물의 5 중량%이고, 또한 산화알루미늄보다 훨씬 낮은 용융점에 의하여 소결 프로세스가 액체 상태로 되도록 하는 소결 보조제(sintering aid)로서 기능한다. 이 액체 상태는 산화알루미늄 입자들의 경계에서 확산되고, 소결된 절연체가 여전히 매우 미세한 입자상 구조(grained structure)를 보일 수 있도록 소결 프로세스 동안에 그 성장이 방해된다고 알려져 있다. JP-A 63-190753의 개시 내용에 따르면, 이 소결 보조제에 의해 보존되는 미세한 구조는 소결 보조제와 함께 풍부해진, 산화알루미늄 입자들의 경계선들을 따라 연장하며 또한 절연 파괴의 경우에 전하들이 이동하는 통로가 되는 경로들의 길이가 증가하도록 하는 효과를 가지는데, 이에 의하여 절연체의 절연 내력(dielectric strength)을 증가시킨다. 다른 한편, 특히 미세한 구조로 소결된 절연체 내에 많으며 또한 절연체 내에서 산화알루미늄의 함량이 증가할수록 그 수가 증가하는 미세한 공극들은 절연 내력에 대하여 정반대의 영향을 끼치는데, 그 이유는 산화알루미늄의 함량이 증가할수록 액체 상태를 취함으로써 이 공극들을 폐쇄할 수 있는 소결 보조제의 비율이 떨어지기 때문이다.

이러한 문제를 극복하기 위하여 EP 0 954 074 B1이 기재하고 있는 절연체를 가진 점화플러그는, JP-A 63-190753으로부터 알려져 있는 절연체보다 더 높은 함량의 산화알루미늄, 즉 95 중량% 내지 99.7 중량%의 산화알루미늄을 포함하는 반면에, 공극의 수를 감소시키기 위하여 JP-A 63-190753으로부터 알려져 있는 절연체 물질의 미세한 입자상 구조를 회피하고, 그 대신에 적어도 절연체의 절반이 20 ㎛ 보다 작지 아니한 입자 크기를 가지는 산화알루미늄 입자들로부터 형성되는 것을 제안하고 있다. 이러한 절연체를 제조하기 위하여, 1 ㎛를 초과하지 아니하는 평균 입자 크기를 가지는 산화알루미늄 분말과 0.3 내지 5 중량%의 소결 보조제를 혼합하고, 압축한 다음, 1450℃ 내지 1700℃ 사이의 온도에서 액체-상태 소결된다. 이 소결 보조제는, 소결 프로세스 동안에 산화알루미늄 분말 입자들의 성장이 금지되는 것을 보장하도록 선택된다. 소결 프로세스는 적어도 절반의 산화알루미늄이 20 ㎛ 이상의 크기의 입자로 성장할 때까지 계속된다. 소결 동안에, 소결 보조제는 작은 공극 부피를 지향하는 액체 상태를 형성한다.

EP 0 954 074 B1의 개시 내용에 따르면, 이 공보에서 주장하기를, 그렇게 얻어진 점화플러그를 위한 절연체의 절연 파괴 강도는 예컨대 37 kV 인데, 이는 한편으로 입자 성장이 절연 파괴가 전파되는 경로가 되는 입자 경계의 수가 감소되었기 때문이며 또한 다른 한편으로 소결 보조제에 의해 형성되는 유리질(glass phase)이 우선적으로 생기며 또한 항복(breakthrough)이 우선적으로 시작되는 곳인 입자 경계들의 3중점(triple point)의 수가 마찬가지로 감소되었기 때문이라는 것이다.

비교해보면, EP 0 954 075 B1에서 논의하고 있는 절연체는 99.9%의 순도를 가진 산화알루미늄 100%로 제조되며, 또한 - 오일 내에서 테스트된 경우 - 이 절연체가 매우 낮은 항복 전압, 매우 많은 수의 공극, 그리고 매우 낮은 절연 저항을 보이며 따라서 적합하지 않다는 것이 발견되었다.

본 발명은 실온 및, 특히 동작 온도에서 옷토-사이클 엔진 내에서 발생하는 고온 양자 모두에서 점화플러그의 절연체의 절연 내력을 더 개선하는 것을 목적으로 한다.

이 목적은 청구항 1에 한정된 특징들을 가지는 점화플러그에 의하여 성취된다. 본 발명의 유리한 추가 특징들은 종속항들에 한정되어 있다.

본 발명에 따른 점화플러그는, 0.01 중량% 내지 1 중량%의 산화마그네슘, 최대 0.3 중량%의 자연적인 불순물 및/또는 제조 과정에서 발생하는 불순물, 잔량의 산화 알루미늄을 함유하고, 고체-상태 소결에 의하여 형성됨으로써 거의 유리질을 가지지 아니하는 절연체를 포함한다.

놀랍게도, 이러한 절연체를 가지는 점화플러그는 종래 기술에 비하여 실질적인 다음의 이점들을 제공한다는 것이 발견되었다:

⊙ 이 절연체의 내전압(withstand voltage)은 종래 기술에 의한 절연체의 내전압보다 더 높다. 실온에서 측정된 항복 전압(breakthrough voltage)은 50 kV/mm 이상이었다. 이는 절연체 벽 두께가 0.8 mm 만큼 작고, 따라서, 항복 전압이 40 kV 이상인 점화플러그의 제조를 가능하게 한다.

⊙ 높은 내전압은 정상적인 동작 온도에서 옷토-사이클 엔진 내에서 발생되는 최대 900℃까지 높아지는 동작 온도에서도 유지된다.

⊙ 이 절연체는 증가된 기계적 강도, 특히 증가된 굽힘 강도(bending strength) 및 교대하는 스트레스 하에서의 굽힘 강도를 보여준다.

⊙ 종래 점화플러그의 절연체와 비교할 때, 본 발명의 절연체는 최대 15% 더 높은 열전도율(thermal conductivity)을 가진다. 이는 점화플러그의 절연체 베이스, 즉 옷토-사이클 엔진의 실린더 내로 돌출되는 절연체 부분이 열적 물성치(thermal value)를 증가함이 없이 더 길게 연장될 수 있게 한다. 이렇게 더 긴 절연체 베이스의 장점은 점화플러그의 더 높은 단락 저항(shunt resistance)이라는 면에서 나타나며, 이에 따라 냉간 시동 및 반복되는 시동 상태하에서 점화 성능의 명백한 향상이라는 면에서 나타난다.

⊙ 본 발명에 따른 점화플러그의 절연체는 더 높은 화학적 저항력을 보이며 이는 점화플러그 유효 수명의 연장에 기여한다.

⊙ 더 높은 내전압은 절연체가 더 얇게 제조될 수 있게 하며, 따라서 더 가느다랗게 제조될 수 있게 한다. 가느다란 점화플러그는 예컨대 M12 및 M10 나사치와 같은 더 좁은 나사치(threads)를 구비할 수 있고, 이에 따라 엔진의 인렛 밸브와 아울렛 밸브를 위하여 실린더 헤드 내에 더 넓은 공간을 제공할 수 있게 한다.

바람직한 실시예에 따라, 신규한 점화플러그의 절연체는 0.03 중량% 내지 0.15 중량%의 산화마그네슘을 함유한다. 작은 양의 산화마그네슘을 추가하는 것으로도 고체-상태 소결 동안에 산화알루미늄의 결정 성장을 감소시킨다. 이러한 효과는 0.03 중량% 이상의 함량에서 기술적으로 의미가 있게 된다. 산화마그네슘의 함량이 0.15 중량%를 초과하는 경우, 이 효과는 더 이상 의미있게 증가하지 않는다.

산화알루미늄과 산화마그네슘에 추가하여, 본 발명의 절연체는 오직 자연적인 불순물 및/또는 제조 프로세스에서 발생하는 불순물만을 함유한다. 구체적으로 말하면, 본 발명은, 산화알루미늄의 고체-상태 소결이 영향을 받을 만한 온도에서 액체 상태를 형성하고 이에 의해 고화된 후 유리질로 전이되는, 산화나트륨(sodium oxide), 산화이트리움, 산화란타늄, 산화실리콘(silicon oxide), 산화바륨(barium oxide), 산화붕소(boron oxide) 등과 같은 종류의 소결 보조제를 전혀 첨가하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 절연체에서 검출될 수 있는 소량의 유리질은 반드시 자연적인 불순물 및/또는 산화알루미늄 내에 존재하는 제조 프로세스로부터 발생된 불순물에 기인해야만 한다. 이것은 청구항 1에서, 본 발명의 절연체가 거의 유리질을 가지지 않는다고 기재한 부분이 의미하는 것이다.

바람직하게, 본 발명에 따른 점화플러그의 절연체는 99.7 중량% 보다 많은 산화알루미늄을 함유한다. 이 경우, 잔량의 불순물에 기인할 수 있는 어떠한 유리질도 특히 이 절연체의 절연 내력을 추가로 손상시킬 가능성이 없다.

본 발명에 따른 점화플러그의 절연체를 위한 바람직한 밀도는 적어도 3.85 g/㎤ 이다. 이렇게 높은 밀도가 달성될 수 있는 것은, 바람직하게는 1 ㎛ 미만의 평균 입자 크기를 가진 매우 미세한 산화알루미늄 분말이 사용되는 경우, 절연체 공백이 소결 전에 바람직하게는 등방 압축(isostatic pressing) 방식으로 충분히 압축되는 경우, 및 90 중량%의 산화알루미늄이 5 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지거나 또는 더 바람직하게 3 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지는 절연체가 얻어질 수 있도록 소결 온도와 소결 시간이 한 지점에서 다른 지점으로 조절되는 경우이다. 고체-상태 소결 프로세스를 위하여 적합한 온도는 1600 ℃ 내지 1700 ℃의 범위 내의 온도, 즉 2000 ℃보다 높은 산화알루미늄의 용융 온도보다 명백하게 낮은 온도이다.

도 1은 본 발명에 따른 점화플러그의 전형적인 구조를 부분 단면도로서 보여주는 측면도.

<도면의 주요 부분의 부호>

1 : 중앙 전극

2 : 점화구

3 : 유리질

4 : 절연체

5 : 본체

6 : 접지 전극

도 1은, 본 발명에 따른 점화플러그의 전형적인 구조를 부분 단면도로서 보여주는 측면도로서, 이 점화플러그는 중앙 전극(1)을 포함하며, 이 중앙 전극(1)과 정렬되어 있는 점화구(igniter)(2)를 포함하는데, 이 점화구(2)와 중앙 전극(1)은 본 발명에 따른 절연체(4) 내에 즉 장방향 채널 내에서 전기 전도성 유리질(3)에 의하여 상호 연결되어 서로 간격을 가지고 배열되어 있다. 절연체(4)는 금속성 본체(5) 내에 끼워져 있는데, 이 본체(5) 내에서 절연체(4)는 비딩(beading)과 전기 업셋팅(electric upsetting)에 의하여 위치된다. 이 본체(5) 상에 장착된 접지 전극(6)은 중앙 전극(1) 쪽으로 구부러져 있으며 이 중앙 전극(1)에 반대로 배열되어 한정된 간격을 가지는 방전 갭(discharge gap)을 형성한다.

절연체는, 예컨대 99.8 중량%의 산화알루미늄과, 대략 0.1 중량%의 산화마그네슘과, 잔량의 자연적인 불순물 및/또는 제조 프로세스에서 발생되는 불순물로 구성된다. 이 절연체는 고체-상태 소결(solid-phase sintering)에 의하여 형성되며, 또한 방사선검사에 의하여 검출될 수 있는 유리질의 2차 상태(glassy secondary phase)를 포함하지 않는다.

본 발명에 따른 절연체는 기존 방식으로 점화플러그의 본체(5) 내에 장착될 수 있으며 따라서, 중앙 전극(1) 및 점화구(2)와 마찬가지로, 절연체(4)의 조립을 위하여 기존 제조 수단과 방법이 그대로 사용될 수 있다. 필요한 세라믹-금속 화합물은 전기 전도성 합성 유리를 사용하여 획득될 수 있다. 전기 전도성의 유리질(3)은 중앙 전극(1)과 점화구(2) 사이의 전기적 연결을 보장하며 또한 추가적으로 절연체(4) 내에 중앙 전극(1)이 기밀하게(in pressure-tight fashion) 위치되도록 하는데 도움을 준다.

Claims

옷토-사이클(Otto-cycle) 엔진을 위한 점화플러그로서, 금속성 점화플러그 본체(5), 중앙 전극(1), 상기 중앙 전극(1)과 상기 본체(5) 사이에 배열되며 또한 산화알루미늄에 기초하고 있는 세라믹 절연체(4), 및 적어도 하나의 접지 전극(6)을 포함하는 점화플러그에 있어서,

상기 절연체(4)는 0.01 중량% 내지 1 중량%의 산화마그네슘, 최대 0.3 중량%의 자연적인 불순물 및/또는 제조 과정에서 발생하는 불순물, 잔량의 산화 알루미늄을 함유하고, 고체-상태 소결(solid-phase sintering)에 의하여 형성됨으로써 거의 유리질(glass phase)을 가지지 아니하는

것을 특징으로 하는 점화플러그.
청구항 1에 있어서, 상기 산화마그네슘의 함량은 0.03 중량% 내지 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는 점화플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 절연체(4)는 99.7 중량%보다 더 많은 산화알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 점화플러그.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체(4)는 적어도 3.85 g/㎤의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 점화플러그.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체(4)는 적어도 3.90 g/㎤ ± 0.02 g/㎤ 의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 점화플러그.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체(4) 내에 존재하는 90 중량%의 산화알루미늄은 평균 직경 5 ㎛ 미만의 결정 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 점화플러그.
청구항 6에 있어서 상기 절연체(4) 내에 존재하는 90 중량%의 산화알루미늄은 평균 직경 3 ㎛ 미만의 결정 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 점화플러그.