KR20090101253A - 스파크 플러그 인슐레이터로서 사용하기 위한 향상된 고온 전기 특성을 가진 세라믹 - Google Patents

스파크 플러그 인슐레이터로서 사용하기 위한 향상된 고온 전기 특성을 가진 세라믹 Download PDF

Info

Publication number
KR20090101253A
KR20090101253A KR1020097014973A KR20097014973A KR20090101253A KR 20090101253 A KR20090101253 A KR 20090101253A KR 1020097014973 A KR1020097014973 A KR 1020097014973A KR 20097014973 A KR20097014973 A KR 20097014973A KR 20090101253 A KR20090101253 A KR 20090101253A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
weight
oxide
glass
spark plug
insulator
Prior art date
Application number
KR1020097014973A
Other languages
English (en)
Inventor
윌리엄 존 워커
존 윌리엄 호프만
Original Assignee
페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 페더럴-모걸 코오포레이숀 filed Critical 페더럴-모걸 코오포레이숀
Publication of KR20090101253A publication Critical patent/KR20090101253A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • C04B35/119—Composites with zirconium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/38—Selection of materials for insulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3203—Lithium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3208—Calcium oxide or oxide-forming salts thereof, e.g. lime
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3208—Calcium oxide or oxide-forming salts thereof, e.g. lime
    • C04B2235/321—Dolomites, i.e. mixed calcium magnesium carbonates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3213—Strontium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3215—Barium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418—Silicon oxide, silicic acids, or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3427—Silicates other than clay, e.g. water glass
    • C04B2235/3436—Alkaline earth metal silicates, e.g. barium silicate
    • C04B2235/3445—Magnesium silicates, e.g. forsterite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3427—Silicates other than clay, e.g. water glass
    • C04B2235/3436—Alkaline earth metal silicates, e.g. barium silicate
    • C04B2235/3454—Calcium silicates, e.g. wollastonite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/349—Clays, e.g. bentonites, smectites such as montmorillonite, vermiculites or kaolines, e.g. illite, talc or sepiolite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/36—Glass starting materials for making ceramics, e.g. silica glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72—Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72—Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • C04B2235/727—Phosphorus or phosphorus compound content
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80—Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

약 90 내지 약 99중량% 양의 알루미나 및 산화붕소, 산화인, 또는 산화붕소와 산화인을 모두 포함하는 산화물 혼합물 또는 유리 혼합물을 포함하는 인슐레이터.
Figure 112009043541538-PCT00012
스파크 플러그, 인슐레이터, 세라믹, 유리, 알루미나, 산화붕소, 산화인

Description

스파크 플러그 인슐레이터로서 사용하기 위한 향상된 고온 전기 특성을 가진 세라믹{CERAMIC WITH IMPROVED HIGH TEMPERATURE ELECTRICAL PROPERTIES FOR USE AS A SPARK PLUG INSULATOR}
본 출원은 2003년 11월 12일자 제출된 미국 가특허출원 제60/519,395호의 우선권을 주장하는 2004년 11월 9일자 제출된 미국 특허출원 제10/984,135호의 일부 계속 출원이며, 각 문헌은 그 전문이 참고자료로서 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 세라믹 재료에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 스파크 플러그의 인슐레이터에 사용되는 세라믹 재료에 관한 것이다.
내연엔진에 사용되는 스파크 플러그, 글로 플러그, 및 기타 이러한 장치들은 약 1,000℃에 가까운 고온 환경에 노출된다. 일반적으로, 스파크 플러그는 내연엔진의 연소 챔버 쪽으로 연장된 장치로서, 스파크를 일으켜 공기와 연료의 연소 혼합물을 점화시킨다. 구체적으로, 스파크 플러그는 전형적으로 엔진의 일부분에 나사로 결합되는 외부 나삿니를 가지고, 또한 스파크 플러그의 점화 단부에서 거기에 부착된 후크 모양의 그라운드 전극을 가진 원통형 금속 외피를 포함한다. 원통형 인슐레이터가 금속 외피 내부에 부분적으로 배치되어, 점화 단부와 종단부를 향해 금속 외피를 넘어 축 연장된다. 점화 단부에 대향하는 스파크 플러그의 종단부에 서 전도성 말단부가 원통형 인슐레이터 내에 배치된다. 점화 단부에서 원통형 중앙 전극이 인슐레이터 내에 배치되고, 그라운드 전극을 향해 인슐레이터를 벗어나 축을 따라 돌출되며, 이로써 전극들 사이에 스파크 플러그 갭이 한정된다.
작동시 약 40,000 볼트까지의 점화 전압 펄스가 스파크 플러그를 통해 중앙 전극에 적용되며, 이로써 스파크가 일어나 중앙 전극과 그라운드 전극 사이의 갭을 점프한다. 스파크에 의해 연소 챔버 내의 공기와 연료 혼합물이 점화되어 고온 연소가 일어나 엔진에 동력이 전달된다. 불행히도, 연소 챔버 내의 높은 전압 및 고온 환경은 스파크 플러그의 성분을 분해할 수 있다. 스파크 플러그가 분해됨에 따라, 점화 펄스의 강도가 변경될 수 있으며, 이로써 스파크의 질이 열화된다. 스파크 플러그 분해는 인슐레이터를 관통한 유전체 천공(dielectric puncture)에 의해 야기될 수 있는데, 이에 의해 대체 전기 경로가 확립되어 결과적으로 스파크가 중앙 전극과 그라운드 전극 사이의 갭을 점프하지 못할 수 있다. 스파크의 질은 공기와 연료 혼합물의 점화에 영향을 미치며(즉, 연소 효율, 연소 온도, 연소 산물), 이로써 동력 출력, 엔진의 연료 효율 성능, 및 공기와 연료의 연소에 의해 생기는 배출물에 좋지 않은 영향을 미친다. 전동 차량의 배출물에 대한 규제가 점점 강화되고 있고, 연료 가격 및 현대적 성능에 대한 요구가 점점 높아지고 있기 때문에, 일관된 엔진 성능과 배출물 질을 위해 높은 질의 스파크를 유지하는 것이 바람직하다. 스파크의 질을 포함하여, 스파크 플러그의 수명은 세라믹 인슐레이터 제료의 조성을 포함하는 몇 가지 요인에 의해 결정된다.
인슐레이터에 사용되는 세라믹 인슐레이터 재료는 유전체 재료이다. 어떤 재 료의 유전 강도(dielectric intensity)는 일반적으로 재료의 고장(breakdown)이나 전기적 천공(electrical puncture)을 일으키지 않고 그 재료에 적용될 수 있는 최대 전기장으로서 정의된다. 스파크 플러그의 유전 강도는 일반적으로 밀 당 킬로볼트(kV/mil)로 측정된다. 주어진 스파크 플러그 디자인에서 인슐레이터의 치수는 고정되며, 따라서 유전 강도는 주로 kV/mil보다는 kV 단위의 고장 전압(breakdown voltage)으로 표시된다. 많은 용도에서 사용되는 표준형 스파크 플러그 디자인에서 스파크 플러그 유전 강도의 전형적인 값은 실온에서 약 40kV 정도이다. 또한, 스파크 플러그에 사용되는 인슐레이터의 유전 강도는 온도의 함수이다. 고온에서는 어떤 이온의 이동도가 증가하고, 이것은 세라믹을 통한 전류 누전을 더 쉽게 한다. 어떤 전류 누전은 국소 가열을 일으켜 유전체 천공에 대한 재료의 저항을 점진적으로 열화시킬 수 있다. 유전 고장(dielectric breakdown)에 대한 인슐레이터의 저항성은 적용된 전기장 하에서 순환하는 스파크 플러그에 대한 열 스트레스와 그에 수반되는 열-전기 피로로 인하여 스파크 플러그의 수명에 걸쳐서 감소하는 경향이 있는 것으로 관찰되었다. 마이크로구조 및/또는 조성 변화의 정확한 성질은 완전히 이해되지 않았지만, 세라믹 재료의 부분적 용융을 야기할 수 있는 충분히 높은 온도까지의 국소 가열과 관련되는 것으로 여겨진다.
특히 스파크 플러그에 사용되는 것들에 대해, 션트 저항(shunt resistance)이 세라믹의 또 다른 측정가능한 특성인데, 이것은 재료의 전기 저항의 척도로서 메가옴(megaohm) 단위로 일반적으로 측정된다. 스파크 플러그 션트 저항의 전형적인 값은 약 1,000℉의 작동 온도에서 약 75 내지 125 메가옴 정도이다. 션트 저항 은 전형적으로 스파크 플러그의 중앙 전극과 금속 외피 사이에 있는 세라믹 인슐레이터의 전기 저항으로서 스파크 플러그에 대해서 측정된다. 따라서, 션트 저항은 중앙 전극과 금속 외피 또는 하우징 사이의 세라믹 인슐레이터를 통한 전류의 누전량을 표시한다. 유전 고장이 갑작스런 사건인 경향이 있는 반면, 션트 저항은 전력의 연속적이며 기생적인 손실인 경향이 있다. 물론, 션트 저항이 낮을수록 스파크 플러그 후 재앙적 유전 실패의 가능성은 높아진다.
유전 강도 및/또는 션트 저항의 고장은 궁극적으로 중앙 전극과 그라운드 전극 사이의 스파크 갭을 가로지른 경로에 더하여, 중앙 전극과 금속 케이싱 사이에 전기적으로 평행한 경로를 가진 스파크 플러그를 유도한다. 스파크 플러그의 션트는 중앙 전극과 그라운드 전극 사이의 스파크 갭을 가로지른 경로에 더하여, 중앙 전극과 금속 케이싱 사이에 바람직하지 않은 평행한 전도 경로가 확립된 상태이다. 그러나, 감소된 또는 불충분한 션트 저항에 의해서 션트가 야기된 경우, 그 영향은 단순히 스파크 성능을 열화시키는 것일 수 있다. 이런 추가 경로는 매우 적은 경우에도 스파크 플러그에 의해 발생되는 스파크의 질에 악영향을 미친다. 평행 전기 경로는 일반적으로 유전 고장으로 인한 것이지만, 그 영향은 일반적으로 재앙적이며, 많은 경우 중앙 전극과 그라운드 전극 사이의 스파크를 상당히 감소시키거나 또는 완전히 제거한다. 감소된 또는 불충분한 션트 저항은 스파크 플러그의 성능을 열화시키고, 그 결과 특히 스파크 플러그의 사용 수명에 걸쳐 엔진 성능이 열화된다. 상기 여러 번 말한 대로, 열화된 션트 저항은 결국 유전 손실로 인한 재앙적 실패를 야기할 것이다.
제조자가 끊임없이 내연엔진의 복잡성을 증가시키고 크기를 줄이고 있기 때문에, 더 작은 직경의 스파크 플러그가 필요하다. 또한, 제조자가 끊임없이 엔진의 압축비를 증가시키고 있기 때문에, 스파크가 스파크 갭을 점프하기 위해서는 더 높은 전압이 필요하다. 현재, 스파크 플러그의 크기는 플러그의 사용 수명에 걸친 인슐레이터에 필요한 유전 강도로 인해 추가의 감소가 제한되고 있는데, 이것은 인슐레이터의 벽에 필요한 두께와 직접 관련된다. 크기 감소를 제한하는 또 다른 요인은 더욱 많은 제조자들이 스파크 플러그로부터 100,000 마일, 150,000 마일, 및 175,000 마일의 사용 수명을 요구하는 등, 스파크 플러그로부터 더 긴 사용 수명을 요구하고 있다는 점이다. 원하는 사용 수명이 길어질수록 필요한 유전 강도는 높아진다. 또한, 필요한 전압이 높아질수록 필요한 유전 강도도 높아진다. 이전에는 스파크 플러그의 사용 수명 또는 유전 강도를 증가시키기 위해서 인슐레이터의 벽 두께를 증가시켰다. 그러나, 현대 엔진에서 더욱 컴팩트한 스파크 플러그를 원하는 현재의 요구는 두꺼운 벽을 가진 인슐레이터의 사용을 제한한다. 따라서, 엔진의 크기가 줄어들고, 스파크 플러그에 필요한 사용 수명이 길어지고, 전압이 높아짐에 따라, 증가된 유전 강도 및 감소된 벽 두께를 갖는 인슐레이터를 가진 스파크 플러그가 필요하다.
따라서, 높은 전압 및 고온에서 연장된 시간 기간 동안 유전 강도의 고장에 덜 민감하며, 따라서 스파크 플러그의 션트 상태에 덜 민감한 높은 션트 저항을 가진 향상된 세라믹 인슐레이터 재료를 사용하여 스파크 플러그를 생산함으로써, 질 높은 스파크의 발생 및 증진된 엔진 성능을 촉진하는 것이 바람직할 것이다.
발명의 개요
상기 주지된 선행기술의 세라믹의 단점들이 세라믹, 특히 스파크 플러그 같은 점화 장치의 인슐레이터로서 사용되는 세라믹을 제공하는 본 발명에 의해 극복된다. 이러한 인슐레이터는 향상된 션트 저항 및 유전 고장 특성을 가지며, 이로써 스파크 플러그의 션트가 감소되고, 스파크 플러그에 의해 발생되는 스파크의 질이 향상되고, 엔진 성능이 향상된다.
본 발명에서, 세라믹 재료, 예를 들어 스파크 플러그 인슐레이터의 유전 강도와 션트 저항은 산화인(P2O5) 또는 산화붕소(B2O3) 중 어느 하나, 또는 P2O5와 B2O3의 조합의 첨가를 통해서 개선된다. 세라믹에 P2O5, B2O3 또는 P2O5와 B2O3의 조합의 첨가는 세라믹의 유리상(glass phase)에 첨가된다. P2O5는 일반적으로 유리의 중량을 기준으로 20%까지 첨가되고, B2O3는 유리의 중량을 기준으로 15%까지 첨가된다. 더 구체적으로, P2O3는 일반적으로 15중량%까지 첨가되고, B2O3는 약 12중량%까지 첨가된다. P2O5와 B2O3의 조합일 때, P2O5와 B2O3는 유리의 중량을 기준으로 약 27%까지, 더 구체적으로는 유리의 중량을 기준으로 약 18%까지 첨가된다. P2O5, B2O3 또는 P2O5와 B2O3의 첨가를 통해 유전 강도는 5%까지 증가하고, 션트 저항은 200%까지 증가하는 것으로 판명되었다.
본 발명의 한 양태에 따라서, 세라믹은 약 90 내지 약 99중량% 양의 알루미나, 약 0.01 내지 약 1중량% 양의 지르코늄 함유 화합물, 및 약 1 내지 약 10중량% 범위의 양의 산화물 혼합물을 포함한다. 지르코늄 함유 화합물은 바람직하게 산화지르코늄(ZrO2)을 포함한다. 산화물 혼합물은 유리 형성제와 망구조 변형제를 포함하며, 이때 유리 형성제 대 망구조 변형제의 몰비는 약 0.8:1 내지 1.2:1의 범위이다. 유리 형성제는 SiO2를 포함할 수 있다. 망구조 변형제는 MgO, CaO, SrO, BaO, Na2O, K2O 및 Li2O 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 따른 양태에 따라서, 중앙 전극, 금속 외피, 및 중앙 전극과 금속 외피 사이에 배치된 인슐레이터를 포함하는 스파크 플러그가 제공된다. 인슐레이터는 약 90 내지 99중량%의 알루미나, 약 0.01 내지 약 1중량%의 지르코늄 함유 화합물, 및 약 1 내지 약 10중량%의 산화물 혼합물을 포함한다. 산화물 혼합물은 유리 형성제 및 망구조 변형제를 포함하며, 이때 유리 형성제 대 망구조 변형제의 몰비는 약 0.8:1 내지 1.2:1의 범위이다. 유리 형성제는 SiO2를 포함할 수 있다. 망구조 변형제는 MgO, CaO, SrO, BaO, Na2O, K2O 및 Li2O 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 금속 외피, 중앙 전극, 및 금속 외피에 배치된 인슐레이터를 포함하며, 중앙에 구멍이 있어서, 이 중앙 구멍에 중앙 전극이 배치된 스파크 플러그가 제공된다. 인슐레이터는 알루미나를 포함하며, 1,000℉에서 1,000 메가옴보다 큰 션트 저항을 가진다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 세라믹 재료, 예를 들어 약 90-99중량%의 알루미나, 및 세라믹 재료의 중량을 기준으로 약 0.05% 이상의 산화인을 포함하는 유 리를 갖는 스파크 플러그 인슐레이터가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 본 발명은 약 90-99중량%의 알루미나, 및 유리의 중량을 기준으로 약 1.5% 이상의 산화붕소를 포함하는 유리를 갖는 스파크 플러그용 인슐레이터를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 약 90-99중량%의 알루미나, 및 유리의 중량을 기준으로 약 0.05% 이상의 산화인 및 약 1.5% 이상의 산화붕소를 포함하는 유리를 갖는 스파크 플러그용 인슐레이터가 제공된다.
다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 함께 고려했을 때 본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점들이 더 쉽게 이해될 것이다. 도면에서 동일한 지정번호는 동일한 요소를 표시한다.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 인슐레이터를 구비한 스파크 플러그의 부분적 단편도이다.
도 2는 본 발명의 세라믹의 몇 가지 재료 조성 변수에 대한 평균 유전체 피크 천공 값에 대한 주 효과 곡선이다.
도 3은 본 발명의 세라믹의 몇 가지 재료 조성 변수에 대한 평균 션트 저항 값에 대한 주 효과 곡선이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 내의 매트릭스 혼합물의 두 가지 재료 조성 변수에 대한 고정된 션트 저항 라인을 나타내는 등고선이다.
도 5는 CaO-SiO2-MgO 상 평형 다이어그램의 도식적 도해이다.
도 6은 CaO-SiO2-MgO의 상 평형 다이어그램의 부분적 도해로서, 션트 저항의 오버레이 등고선을 나타낸다.
도 7은 1,000℉에서 인슐레이터 션트 저항의 혼합물 등고선이다.
도 8은 유전 강도의 혼합물 등고선이다.
도 9는 션트 저항과 유전 강도의 오버로드 혼합물 등고선이다.
도 10은 1,000℉에서 션트 저항의 혼합물 등고선이다.
도 11은 유전 강도의 혼합물 등고선이다.
도 12는 스파크 플러그 인슐레이터의 단면도이다.
본 발명은 일반적으로 스파크 플러그, 점화기, 및 기타 스파크 발생 장치와 같은 고온 용도의 점화 장치에 관한 것이다. 도 1에, 금속 외피(12), 세라믹 인슐레이터(14), 중앙 와이어 어셈블리(16), 및 그라운드 전극(18)을 일반적으로 포함하는 내연엔진(도시하지 않음)에 사용하기 위한 스파크 플러그 어셈블리(10)를 포함하는 점화 장치가 도시된다. 본 분야에 통상적으로 공지된 대로, 외피(12)는 일반적으로 원통형이며, 축 길이를 따라 연장된 중공 구멍(20)을 가진 전기전도성 성분이다. 이 구멍(20) 안에 단면이 직경 방향으로 감소하는 인슐레이터(14)를 지지할 수 있는 크기의 일련의 원주형 숄더가 있다. 외피(12)와 마찬가지로, 인슐레이터(14)도 일반적으로 기다란 축 구멍(22)이 있는 원통형 구성요소이다. 인슐레이터(14)의 하부 축 단부는 일반적으로 외피(12)의 최하부 부분을 지나 연장된 노우즈 부분(24)을 포함한다. 인슐레이터 축 구멍(22)은 전기전도성 중앙 와이어 어셈블리(16)를 수용하도록 설계되며, 이것은 스파크 플러그(10)의 전체 축 길이를 연장하고, 일반적으로 한 단부의 말단 전극(30)과 다른 단부의 중앙 전극(32)을 포함한다. 물론, 여기 도시된 중앙 와이어 어셈블리(16)는 단지 전형적인 구체예이며, 추가의 구성요소를 포함하거나, 또는 구성요소가 생략될 수도 있다. 그라운드 전극(18)은 외피(12)의 하부 축 단부에 기계적으로 또 전기적으로 연결되며, 일반적으로 L-자 형상으로 형성된다. 중앙 전극(32)의 노출 단부 및 그라운드 전극(18)의 측면은 서로 대향하며, 이로써 스파크 플러그(10)의 점화 단부(36)에서 스파크 갭(34)을 한정한다.
작동시 말단 전극(30)은 점화 시스템(도시하지 않음)으로부터 중앙 전극(32)의 하부 노출 단부에 도달할 때까지 중앙 와이어 어셈블리(16)를 따라 이동하는 높은 전압의 점화 펄스를 수용한다. 펄스 에너지가 스파크 갭(34)이 전교될 만큼 충분하다면, 중앙 전극(32)과 그라운드 전극(18) 사이에 스파크가 형성되고, 이것은 차례로 외피(12)를 거쳐 엔진에 접지된다. 스파크에 의해 엔진 내의 연소 챔버에 미리 주입돼 있는 연료/공기 혼합물이 점화되고, 이어서 연소 과정이 개시되어 엔진에 동력이 전달된다. 앞의 설명은 점화 장치의 구성 및 작동에 대한 일반적 개요로서 제공되었다. 세라믹 인슐레이터(14)에 대한 추가의 상세한 설명이 본 발명에 따라서 제공된다.
본 발명의 인슐레이터(14)는 알루미나-기재 세라믹이다. 일반적으로, 알루미나-기재 세라믹은 산화물 혼합물 매트릭스 중에 미세 결정질 Al2O3 입자를 포함한다. 산화물 혼합물은 일반적으로 비정질 유리 매트릭스, 예를 들어 각종 실리케이트 유리인 것이 바람직하지만, 산화물 혼합물의 일부로서 결정질 재료를 포함할 수도 있다. 알루미나-기재 세라믹은 비교적 높은 기계 강도 및 유전 강도를 가지려는 경향이 있을 뿐만 아니라, 높은 전기저항성 및 낮은 유전 손실을 가지려는 경향이 있으며, 이런 특성들을 비교적 넓은 온도 범위에 걸쳐 보유한다고 알려져 있다. 그러나, 알루미나 세라믹의 특성들은 재료 중의 불순물, 열 피로, 높은 전압, 높은 작동 온도 등에 의해 열화된다. Manning의 미국특허 제4,879,260호는 알루미나-기재 세라믹에 지르코니아를 첨가하면, 특히 지르코니아가 조성물에 0.5 내지 1.0중량%로 포함되면, 기계적 강도에 긍정적인 영향을 미치는 경향이 있음을 교시한다.
그러나, 본 발명의 초점은 알루미나-기재 세라믹의 기계적 강도를 향상하는 것이 아니라, 향상된 유전 강도 및 션트 저항을 가짐으로써 점화 장치에의 사용에 특히 적합하게 된 세라믹 인슐레이터를 제공하는 것이다. 이를 위해, 향상된 유전 강도 또는 션트 내성, 또는 이들 양자의 조합을 가진 알루미나-기재 세라믹을 얻기 위하여, 알루미나의 양, 산화물 혼합물 매트릭스를 포함하는 재료 및 관련 양, 그리고 지르코니아의 양을 변화시켜 실험을 수행하였다. 알루미나의 양은 세라믹 조성물의 90 내지 99중량%인 것이 바람직한 것으로 발견되었다. 산화물 혼합물 매트릭스는 유리 형성제로 이루어지며, 이것은 SiO2가 바람직하지만, B2O3, P2O5 등을 포함할 수도 있다. 또한, 산화물 혼합물 매트릭스는 하나 이상의 망구조 변형제, 바람직하게는 CaO, MgO, BaO 및 SrO로 이루어지며, 다른 알칼리 토금속 산화물, 또는 알칼리 금속 산화물, 예를 들어 Na2O, K2O, Li2O 등을 포함할 수도 있다. 망구조 변형제는 융제(flux)로도 알려져 있다. 또한, 산화물 매트릭스는 Al2O3와 같은 망구조 중간체로 이루어질 수 있으며, TiO2, ZnO, ZrO2 등과 같은 다른 망구조 중간체를 포함할 수도 있다. Al2O3는 산화물 혼합물에서 다소 가용성이므로, Al2O3 결정 형태의 주된 Al2O3 성분과 망구조 중간체로서 작용하는 경우 산화물 혼합물에서 해리되는 Al2O3 사이에 평형 반응이 존재할 것이다. 산화물 혼합물에서 해리되는 Al2O3의 양은 분석적으로 측정하기는 것이 매우 어렵지만, 상 평형 다이어그램에 기초하면, 본 발명의 범위의 조성물에서 산화물 혼합물의 40중량% 정도를 구성하는 것으로 여겨진다. 어떤 비교적 소량의 지르코늄-기재 화합물, 예를 들어 지르코니아(ZrO2)를 첨가하면 산화물 매트릭스 내의 결정화를 감소시킬 뿐만 아니라, 세라믹의 기계 강도를 향상시키는 경향이 있는 것으로 발견되었다. 결정화는 전기전도성을 더 높게 하는 경향이 있다. 따라서, 지르코니아의 첨가는 세라믹의 산화물 혼합물 매트릭스 부분의 전기전도성을 저하시키는 경향이 있다.
스파크 플러그 인슐레이터의 성능에 대한 세라믹 재료 조성의 효과를 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 세라믹은 Alcan C-761 알루미나와 적절한 양의 시중에서 입수할 수 있는 전구체 산화물 혼합물 매트릭스 재료, 예를 들어 EPK 카올린, HuberCarb 탄산칼슘, 마그네사이트, 돌로마이트, 규회석 및 Yellowstone 탈크와 가열시 산화물을 형성하는 적절한 양의 Zirox 지르코니아를 혼합하여 제조했다. 본 발명의 세라믹 인슐레이터 재료를 생성하는데 사용된 분말 혼합물 성분들을 약 73중량%의 고형분 또는 약 40부피%의 고형분을 포함하는 수성 슬러리 중에서 볼 밀링했다. 이 재료를 볼 밀링하여 배치 합계 5,000 그램의 분말을 제조한 다음, 타워 스프레이 드라이어에서 분무 건조하였다. 다음에, 분무 과립을 8,500psi에서 드라이-백 등방 가압에 의해 압착하여 인슐레이터(14) 모양으로 성형하고, 산화물 혼합물 매트릭스에 의해 알루미나 입자들이 서로 연결되도록 약 3시간 동안 1,590 내지 1,630℃의 온도에서 소성하여 인슐레이터를 소결시켰다.
재료 조성의 4개 변수의 세 가지 상이한 수준을 평가하기 위한 실험을 설계했다. 하기 표 1에 이 실험에 사용된 변수를 요약한다. 여기 명시된 다양한 재료 조성은 본 발명을 예시 및 설명하기 위한 목적이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것을 구성하지 않는다. 배치 03-B-17 내지 03-B-25로 나타낸 9개의 상이한 재료 배치를 사용하여 실험을 수행하였다.
Figure 112009043541538-PCT00001
망구조 변형제는 일반적으로 RO라고 명명하여 확인할 수 있으며, 이때 RO는 세라믹 조성물에 존재하는 망구조 변형제의 총량을 표시한다. 표 1에서 RO = MgO + CaO이다. 일반적으로, RO는 존재하는 모든 망구조 변형제의 합이다. 망구조 변형제가 CaO, MgO, BaO 및 SrO를 포함하면, RO = CaO + MgO + BaO + SrO이다.
다양한 배치의 재료 조성은 중량 퍼센트와 몰량의 조합으로 기록된다. 산화물 매트릭스의 조성은 본 발명에서 사용될 수 있는 망구조 변형제의 원자량의 변화도 때문에 몰량으로 기록된다. 산화물 혼합물 매트릭스 중의 원자비는 그것의 전기적 성질에 크게 영향을 미친다. 칼슘, 마그네슘, 바륨, 및 스트론튬의 원자량은 상당히 다르므로, 이들은 여기 논의되는 망구조 변형제의 특정 조성을 달성하기 위하여 중량 기준으로는 쉽게 치환될 수 없다. 따라서, 중량 단위보다는 몰 단위로 산화물 혼합물 매트릭스의 성분을 표시하는 것이 바람직하다.
따라서, 표 2A는 다양한 실험 및 각 재료에 사용된 조성 수준을 기록한 실험 행렬로서, 알루미나와 지르코니아는 중량 퍼센트로, 바람직한 망구조 변형제 및 유리 형성제는 몰비로 표시된다. 그러나, 표 2B는 모든 재료를 중량 퍼센트로 기록한다. 유사하게, 표 2C는 배치 조성에 따른 전구체 재료를 중량 퍼센트로 기록한다.
Figure 112009043541538-PCT00002
Figure 112009043541538-PCT00003
Figure 112009043541538-PCT00004
상기 설명된 재료 조성을 사용하여 인슐레이터(14)를 제조하였다. 인슐레이터를 유전체 천공 저항에 대해 시험하였다. 유전체 천공 저항을 시험하기 위하여, 인슐레이터를 인슐레이터의 축 구멍을 통과하는 중앙 전극을 포함하는 고정설치대에 배치하였다. 그라운드 전극을 인슐레이터의 두께가 약 0.100 인치인 지점에서 인슐레이터의 외면 둘레에 배치하였다. 시험 고정설치대와 인슐레이터를 유전 유체에 담가서 인슐레이터 주변의 전류 아크를 방지했다. Hipotronics 유전 시험기를 사용하여 60 헤르츠의 교류 전기장을 인슐레이터에 적용하였다. 인슐레이터의 유전체 천공이 발생할 때까지 전압을 200 볼트/초의 속도로 램프하였다. 실패 순간의 피크 전압을 유전체 천공 전압으로 기록했다. 시험 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
Figure 112009043541538-PCT00005
평균 유전체 천공 값에 대한 주 효과 곡선이 도 2에 킬로볼트(kilovolt) 단위로 예시된다. 보이는 대로, Al2O3 함량 곡선이 세 수준의 Al2O3 변수에 비해 유전체 천공에 대한 저항에서 가장 유의한 증가를 드러낸다. 따라서, 알루미나의 양이 유전체 천공에 대하여 가장 유의한 효과를 가진 변수인 것으로 여겨진다. 일반적으로, 세라믹 중의 알루미나 함량이 높을수록 유전체 천공 값이 높아지려는 경향이 있으며, 그 반대도 마찬가지다. 다시 말해서, 이 데이터는 세라믹의 유전체 천공 저항의 증가가 알루미나 양의 증가에 가장 의존한다는 것을 드러낸다. SiO2:RO 비(이 예에서 RO는 CaO+MgO이다), CaO:RO 비, 및 지르코니아의 양과 같은 다른 변수들은 유전체 천공에 대한 효과가 유의하지 않은 것으로 여겨진다. 그러나, 지르코니아 함량의 효과, 및 지르코니아 함량의 증가에 따라 향상되는 천공 성능과 관련하여 최대값 또는 최소값이 관찰되지 않았으므로, 시험된 것들보다 높은 지르코니아 함량을 포함하는 지르코니아 함량은 이들 세라믹의 유전체 천공 성능을 향상시키기 위한 유용한 수단을 제공할 수 있을 것으로 여겨진다. 본 발명의 세라믹 배합에서 41 킬로볼트 이상의 유전체 천공 역치가 반복적으로 달성될 수 있다고 여겨진다.
또한, 1,000℉에서 션트 저항에 대해 인슐레이터를 시험하였다. 션트 저항을 측정하기 위하여, 인슐레이터를 스파크 플러그에 조립하고 그라운드 전극을 제거하였다. 스파크 플러그를 스파크 플러그의 외피를 수용하도록 나삿니가 있는 구멍이 있는 전기 접지된 Inconel 판을 포함하는 고정설치대에 장착하고, 고정설치대를 전기로에 배치하였다. 전극을 각 스파크 플러그의 말단 위에 리드가 전기로의 문을 통과한 상태로 배치하였다. 전기로를 1,000℉의 온도로 가열하고, Keithley 전위계 모델 번호 6517A을 사용하여 전기 접지된 Inconel 판과 말단 리드 사이에서 각 스파크 플러그의 저항을 측정하였다. 시험한 션트 저항의 결과를 하기 표 4에 메가옴 단위로 나타낸다.
Figure 112009043541538-PCT00006
평균 션트 저항 값에 대한 주 효과 곡선이 도 3에 예시된다. 보이는 대로, SiO2 대 RO 비의 형태로 예시된 SiO2 함량의 함수인 션트 저항의 곡선이 션트 저항에 대해 가장 유의한 효과를 드러낸다. 이 곡선은 1.0 비에서 발생하는 션트 저항에 대해 최대 효과를 나타낸다. 지르코니아 양이 션트 저항에 대해 두 번째로 큰 효과를 갖는 것으로 여겨지며, 약 0.3중량%에서 최대인데, 이것은 시험 샘플 중에서 최고의 지르코니아 함량이었다. 그러나, 명확한 최대값 또는 최소값은 관찰되지 않았으므로, 더 높은 지르코니아 함량은 더 큰 션트 저항 값을 제공할 수 있을 것으로 여겨진다. CaO 대 RO 비의 형태로 곡선에 도시된 CaO 함량이 션트 저항에 대해 세 번째로 큰 효과를 갖는 것으로 여겨지며, 약 0.8의 비에서 최대값을 가진다. 놀랍게도, 유전 고장 시험과는 정반대로, 알루미나 함량은 션트 저항에 대해 유의한 효과를 갖지 않는 것으로 나타났다.
SiO2 대 RO 비 곡선의 비-선형성을 고려하여, SiO2 대 RO 비에 대해 SiO2 제곱항을 포함하는 다중회귀분석을 수행하였다. 초기 분석은 Al2O3가 통계적으로 유의하지 않다는 것을 드러냈으며, 그래서 이 변수는 최종 분석에서 제외하였다. 최종 분석 결과는 회귀로부터의 R-제곱 값이 0.98임을 나타냈는데, 이것은 다중회귀 모델 분석이 션트 저항의 가변성의 98%를 차지한다는 것을 나타낸다.
세라믹의 션트 저항에 대한 매트릭스 조성의 영향이 도 4에 등고선으로 예시된다. 이 등고선은 약 1.0의 SiO2:RO 비와 약 0.8의 CaO:RO 비에서 약 7,000 메가옴의 션트 저항이 1,000℉에서 달성될 수 있음을 예시한다. 이에 더하여, 션트 저항은 CaO:RO의 몰비 변화보다 SiO2:RO의 몰비의 변화에 더 민감하다.
유사하게, 도 6은 도 4와 유사한, SiO2와 CaO의 몰비의 함수로서 션트 저항의 또 다른 등고선을 예시하는데, 이것은 CaO, SiO2 및 MgO의 상 평형 다이어그램의 일부분 위에 오버레이된다. 도 5는 본 발명의 조성에서 이용되는 영역을 일반적으로 예시하는 CaO, SiO2 및 MgO의 3원 상 다이어그램의 도식적 도해로서, 도 6에 더 상세히 설명된다. 도 6의 오버레이에 이용된 상 다이어그램은 American Ceramics Society(오하이오 콜럼버스)로부터 입수할 수 있다. 등고선의 가장 왼쪽의 경계는 상 평형 다이어그램의 가장 왼쪽 경계를 나타내며, 이때 CaO와 SiO2의 양은 나타낸 대로 변하고, MgO의 양은 제로이다. 등고선의 가장 오른쪽의 경계는 약 0.8의 CaO 대 RO 몰비에 의해 한정되며, 이때 망구조 변형제의 80%는 CaO를 포함하고, 망구조 변형제의 20%는 MgO를 포함한다. 등고선의 하부 및 상부 경계는 각각 0.8 및 1.2의 SiO2 대 RO 몰비를 나타낸다. 등고선의 선형 경계 내에 일정한 션트 저항의 부분적으로 타원인 등고선 띠가 몇 개 도시된다. 이 띠는 약 3,500 메가옴에서 적어도 7,000 메가옴까지의 범위이다. 따라서, 이 등고선은 본 발명의 세라믹 재료 조성이 1,000℉에서 적어도 1,000 메가옴의 션트 저항, 지금까지 가장 바람직하게는 1,000℉에서 약 7,000 메가옴까지의 션트 저항을 갖는 스파크 플러그의 제조를 가능하게 한다는 것을 나타낸다.
따라서, 도 5 및 6은 여기 설명된 지금까지 수행된 실험에 기초하여, 세라믹에서 션트 저항의 최적화된 값이 CaO.SiO2와 CaO.MgO.SiO2 사이에서 연장된 상 평형 다이어그램의 상 평형 라인을 따르는 경향이 있다는 것을 증명한다. 이 실험에 기초하여, 또한 이런 발견이 CaO-SiO2와 MgO-SiO2 사이에서 연장된 상 평형 라인을 따라 상 평형 다이어그램을 가로질러 전체적으로 외삽될 수 있다고 여겨진다. 더 구체적으로, 최적화된 션트 저항은 약 0.8:1 내지 1.2:1 사이의 SiO2 대 RO 몰비를 가진다고 설명될 수 있는 상기 설명된 라인의 띠 너비 내에 존재하는 것으로 여겨진다.
상기 실험들에 기초하여, 구성 재료의 바람직한 범위가 결정될 수 있다. 세라믹 재료는 90 내지 99중량%의 알루미나, 0.01 내지 1중량%의 지르코늄-기재 화합물, 및 1 내지 10중량%의 유리 형성제와 망구조 변형제의 산화물 혼합물을 포함하며, 이때 유리 형성제 대 망구조 변형제의 바람직한 몰비는 약 0.8:1 내지 1.2:1의 범위이다. 지르코늄-기재 화합물은 지르코니아(ZrO2)인 것이 바람직하지만, 지르코늄을 함유하는 각종 유기 화합물 및 무기 화합물 및/또는 복합체를 포함할 수도 있다. 본 발명의 지르코늄 함유 화합물은, 세라믹 소결 과정에서 지르코늄이 산화물 혼합물 매트릭스로 편입될 수 있는 한편, 지르코늄 함유 화합물로서 지르코니아를 사용한 것과 관련하여 여기 제시된 결과와 일치하는 션트 저항 및 유전체 천공 저항을 제공하는, 지르코늄을 함유하는 어떤 유기 화합물 또는 무기 화합물 또는 복합체를 포함할 수 있다. 여기 예시된 대로, 지르코니아가 본 발명의 지르코늄 함유 화합물로서 이용될 수 있다. 지르코니아는 단독으로 또는 여기 설명된 다른 지르코늄 함유 화합물과 함께 이용될 수 있다. 본 발명의 다른 지르코늄 함유 화합물은, 예를 들어 지르코늄 오르토실리케이트, 지르코늄 술페이트, 지르코늄 니트레이트, 지르코늄 포스파이드, 지르코늄 수이사이드 및 지르코늄 술파이드와 같은 무기 지르코늄 화합물, 및 지르코늄을 함유하는 각종 유기 화합물 및 무기와 유기의 복합체를 포함할 수 있다. 지르코늄 함유 화합물은 0.01-1.0중량%의 지르코니아와 동등한 지르코늄 양을 함유해야 한다. 또한, Manning 특허에서 논의된 대로, 지르코늄 화합물은 일반적으로 불순물로서 하프늄을 일부 함유한다. 하프늄 및 하프니아는 각기 지르코늄 및 지르코니아와 관련될 때 본원에서 상호 교환하여 대체될 수 있으며, 지르코늄-기재 화합물과 하프늄-기재 화합물의 혼합물이 지르코늄-기재 화합물 대신에 이용될 수 있다고 여겨지며, 이들은 전부 본 발명의 범위 내이다. 바람직하게, 유리 형성제는 SiO2이고, 망구조 변형제는 CaO, MgO, SrO 및/또는 BaO이지만, Na2O, K2O, Li2O 등과 같은 알칼리 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 더 구체적으로, 망구조 변형제는 주 성분 CaO와 부수 성분 MgO로 이루어지는 것이 바람직하다.
재료들의 더 바람직한 범위는 약 94 내지 약 97중량% 양의 알루미나, 약 0.1 내지 약 0.5중량% 양의 지르코니아, 및 약 2.5 내지 약 5.9중량% 양의 유리 형성제와 망구조 변형제의 산화물 혼합물을 갖는 세라믹 재료를 포함하며, 이때 상기 유리 형성제 대 망구조 변형제의 몰비는 약 0.9:1 내지 1.1:1이고, 이로써 산화물 혼합물은 다음과 같은 몰 등식에 의해 설명될 수 있다:
(MgV CaW SrX BaY)O·ZSiO2 (1)
상기 식에서, V+W+X+Y=1, 0.8≤Z≤1.2, 더 바람직하게는 0.9≤Z≤1.1이다.
더욱 바람직한 범위는 약 95 내지 약 96.5중량% 양의 알루미나, 약 0.25 내지 약 0.35중량% 양의 지르코니아, 및 약 3.15 내지 약 4.75중량% 양의 산화물 혼합물을 갖는 세라믹 재료를 포함하며, 이때 망구조 변형제는 약 0.8 몰분율 양의 CaO와 약 0.2 몰분율 양의 MgO를 포함한다. 망구조 변형제는 약 1.38 내지 약 1.95중량% 양의 CaO, 및 약 0.15 내지 약 0.43중량% 양의 MgO를 포함한다. 유리 형성제는 약 1.87 내지 약 2.28중량% 양의 SiO2를 포함한다.
한 특정 구체예에서, 세라믹 재료는 약 95.67중량% 양의 알루미나, 약 0.31중량% 양의 지르코니아, 및 약 3.94중량% 양의 산화물 혼합물을 포함한다. 산화물 혼합물은 약 1.55중량% 양의 CaO, 약 0.27중량% 양의 MgO, 및 약 2.12중량% 양의 SiO2를 포함한다.
또 다른 특정 구체예에서, 세라믹 재료는 약 95.55중량% 양의 알루미나, 약 0.31중량% 양의 지르코니아, 약 2.04중량% 양의 CaO, 약 2.02중량% 양의 SiO2를 포함하고, MgO는 포함하지 않는다.
또 다른 특정 구체예에서, 세라믹 재료는 약 95.84중량% 양의 알루미나, 약 2.05중량% 양의 CaO, 약 2.03중량% 양의 SiO2를 포함하고, 지르코니아는 포함하지 않는다.
앞서 논의된 대로, Al2O3와 같은 망구조 중간체를 첨가하여 알루미노-실리케이트 유리를 만들 수 있으며, 이로써 전하 캐리어의 이동이 또한 방해된다. 한 바람직한 구체예에 따라서, 40중량% 정도 양의 Al2O3가 산화물 혼합물에 첨가될 수 있다. 또한, 산화물 혼합물은 칼슘-알루미노-실리케이트 유리일 수 있으며, 이때 망구조 변형제로서 첨가되는 MgO나 다른 알카리 토금속 산화물은 10중량% 이하이다.
또한, 세라믹은 K2O, TiO2, P2O5, Fe2O3 등과 같은 다양한 불순물을 포함할 수 있다고 고려되며, 이들을 합한 총량은 약 0.01 내지 0.50중량% 이하이다. 그러나, 전형적으로 이러한 불순물은 합해서 약 0.07 내지 0.30%의 총량으로 존재한다.
실험은 SiO2 대 망구조 변형제의 몰비가 약 1 대 1일때 션트 저항의 최대값이 800 내지 1,200℉의 온도 범위에 걸쳐 달성될 수 있음을 나타낸다. 추가하여, 션트 저항은 CaO 대 RO의 비가 약 0.8이고, 지르코니아의 양이 세라믹의 중량을 기준으로 약 0.3%일 때 최적화된다.
또한, 지르코니아는 세라믹이 형성되고 냉각될 때 매트릭스 혼합물 내의 결정화를 감소시킴으로써, 세라믹의 기계 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 션트 저항도 향상시킨다고 여겨진다. 결정상의 형성은 산화물 매트릭스 혼합물의 전도성을 증가시키고, 이에 부수하여 션트 저항을 감소시키는 경향이 있다. 지르코니아가 세라믹에 첨가되는 경우, 지르코니아의 적어도 일부분이 유리 형성제와 망구조 변형제의 혼합물에 용해되어 이들의 결정화를 감소시킨다. 따라서, 지르코니아의 첨가는 산화물 혼합물 매트릭스 내의 결정화를 감소시킴으로써 션트 저항을 증가시키는 경향이 있다. 그렇지만, 지르코니아의 첨가에도 불구하고 산화물 혼합물 매트릭스는 결정상을 일부 함유할 수 있다.
본 발명의 세라믹 재료 조성은 가혹한 조건하에서 재료의 유전 실패에 대한 민감성의 감소 및 재료의 션트 저항의 증가로 인해 스파크 플러그가 높은 전압 및 높은 작동 온도에서 작동될 수 있도록 하며, 이로써 스파크 플러그의 션트 저항도 부수적으로 증가한다.
본 발명의 세라믹 재료 조성은 유전 고장에 저항성이며, 이로써 재료의 전기저항성의 완전성이 유지됨으로써 스파크 플러그에 높은 션트 저항이 제공된다.
또한, 본 발명은 스파크 플러그, 점화기, 및 기타 스파크 발생 장치와 같은 점화 장치에 관한 것이다. 스파크 플러그 어셈블리(10)의 단면도가 도 1에 예시된다. 스파크 플러그(10)는 인슐레이터(14)에 고정된 외부 외피(12)를 포함한다. 외부 외피(12)는 그라운드 전극(18)을 포함한다. 인슐레이터(14)는 중앙 구멍(20)을 가지며, 여기에 말단부(30), 전도성 재료(46), 실링 재료(48), 중앙 전극(32)이 놓인다. 중앙 전극(32)은 스파크 갭(34)을 사이에 두고 그라운드 전극(18)과 대면하는 점화 단부(37)가 있는 팁(56)을 포함한다. 종단부(11)로부터 점화 단부(13)를 향해 연장된 스파크 플러그 인슐레이터(14)는 말단 부분(52), 대형 숄더(56), 소형 숄더(58), 및 점화 단부 부분 또는 코어 노우즈(54)를 포함한다. 또한, 인슐레이터(14)는 중앙 구멍(20)의 내면(64)과 외면(66) 사이의 벽 두께를 변화시켜 형성된다. 내면(64)은 중앙 구멍 시트(68)를 한정하며, 여기에 중앙 전극(32)이 놓인다. 인슐레이터(14)는 대략 적어도 88중량% 알루미나(Al2O3)에서 99.9중량%까지의 알루미나, 더 구체적으로 적어도 90중량% 알루미나에서 99중량%까지의 알루미나를 갖는 재료로부터 형성된다. 알루미나는 세라믹의 중량을 기준으로 약 94% 내지 약 96%로 존재할 수 있다. 인슐레이터(14)의 소결 과정을 돕고 전기 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여, 인슐레이터(14)는 하나 이상의 다양한 금속 산화물 및 유리를 또한 함유하는 재료로부터 제조된다. 유리는 전형적으로 인슐레이터의 약 1-10%를 형성한다.
인슐레이터(14)는 말단부(30), 전도성 재료(46), 실링 재료(48), 및 중앙 전극(32)으로 형성된 전기전도성 중앙 어셈블리(16)를 수용하도록 설계된다. 작동시 중앙 전극(32)은 점화 시스템(도시하지 않음)으로부터 중앙 전극(32)의 하부 노출 단부에 도달할 때까지 중앙 와이어 어셈블리(16)를 따라 이동하는 높은 전압의 점화 펄스를 수용한다. 펄스 에너지가 스파크 갭(102)이 전교될 만큼 충분하다면, 중앙 전극(50)과 그라운드 전극(22) 사이에 스파크가 형성된다. 그라운드 전극(22)은 엔진(도시하지 않음)에 접지된다. 스파크에 의해 엔진 내의 연소 챔버에 미리 주입돼 있는 연료/공기 혼합물이 점화된다. 이 연료/공기 혼합물의 점화에 의해 연소 과정이 개시되고 엔진에 동력이 전달된다.
본 발명의 인슐레이터(14)는 알루미나-기재 세라믹이다. 일반적으로, 알루미나-기재 세라믹은 산화물 혼합물 매트릭스 중에 미세 결정질 Al2O3 입자를 포함한다. 산화물 혼합물은 일반적으로 각종 실리케이트 유리와 같은 비정질 유리 매트릭스인 것이 바람직하지만, 산화물 혼합물의 일부로서 결정질 재료를 포함할 수도 있다. 인슐레이터용 세라믹 재료는 일반적으로 90 내지 99중량%의 알루미나를 포함한다. 션트 저항 및/또는 유전 강도를 향상시키기 위하여, 산화물 혼합물 매트릭스는 SiO2 같은 유리 형성제로 형성되며, 산화붕소(B2O3), 산화인(P2O5), 또는 산화붕소와 산화인의 조합을 적어도 포함한다. 또한, 산화물 혼합물 매트릭스는 기타 망구조 변형제, 예를 들어 CaO, MgO, BaO, 및 SrO, 알칼리 토금속 산화물, 또는 알칼리 금속 산화물을 포함할 수 있다. 알칼리 금속 산화물은 Na2O, K2O 및 Li2O를 포함할 수 있다. TiO2, ZnO, ZrO2 등과 같은 다른 망구조 중간체가 Al2O3에 첨가되어 사용될 수 있다.
비정질 유리 매트릭스는 일반적으로 이산화규소로 형성되지만, 다른 유리 형성제도 사용될 수 있다. 비정질 유리 매트릭스는 다른 성분들, 예를 들어 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화스트론튬, 산화바륨, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화인, 산화붕소, 산화나트륨, 산화리튬, 산화칼륨, 및 유사 산화물들을 포함할 수 있다. 스파크 플러그 인슐레이터와 같은 세라믹 재료의 유전 강도 및 션트 저항은 산화인을 세라믹 재료의 중량을 기준으로 적어도 0.05%, 또는 유리의 중량을 기준으로 약 1%보다 많이 첨가함으로써 향상된다. 산화인은 유리의 중량을 기준으로 약 20%까지, 더 바람직하게는 유리의 중량을 기준으로 약 18%까지, 또는 세라믹의 중량을 기준으로 약 1%까지 첨가된다. 20%를 넘는 양에서는 션트 저항 및 유전 강도 같은 스파크 플러그에 바람직한 세라믹의 특성이 저하될 수 있다. 유리가 유리의 중량을 기준으로 약 1-18%의 산화인, 더 바람직하게는 2.5%-15%의 산화인을 포함할 때 바람직한 특징의 최상의 균형이 얻어질 수 있는 것으로 판명되었다. 산화인이 유리의 약 4-15중량%, 더 바람직하게는 약 9중량%를 형성할 때 최고의 션트 저항 값과 유전 강도 값이 달성된다.
또한, 스파크 플러그 인슐레이터와 같은 세라믹의 유전 강도 및 션트 저항은 유리의 중량을 기준으로 약 2.0% 이상의 산화붕소를 포함하는 유리를 갖는 세라믹을 형성함으로써 향상될 수 있다. 이 유리는 산화붕소를 11중량%까지, 더 바람직하게는 9중량%까지 포함할 수 있다. 본 발명자들은 유리의 중량을 기준으로 약 2.5% 내지 11%의 산화붕소를 포함하는 스파크 플러그 인슐레이터용 세라믹에서 바람직한 특성들이 양호한 균형을 이루는 것을 발견하였다.
또한, 스파크 플러그 인슐레이터와 같은 세라믹의 유전 강도 및 션트 저항은 하기 표 5에서 볼 수 있는 대로 유리에 산화붕소와 산화인을 모두 사용함으로써 향상될 수 있다. 유리는 일반적으로 유리의 중량을 기준으로 약 0.5%-20%의 산화인과 2.0%-11%의 산화붕소를 포함한다. 유리는 세라믹 재료의 약 12% 이하를 형성한다. 표 5에서 볼 수 있는 대로, 유전 강도 및 션트 저항은 유리에 산화인이 약 10중량%로 첨가되고, 유리에 산화붕소가 약 4.5중량%로 첨가될 때 최고이다. 도 7-11 및 특히 도 9의 혼합물 등고선이 세라믹 재료의 션트 저항 및 유전 강도의 최적 범위를 나타낸다. 도 7-9는 (MgCa)SiO2 유리 매트릭스를 사용하고, 도 10 및 11은 3B 유리 매트릭스를 사용한다. 도면에서 용어 3B는 일반적으로 Mg0.2Ca0.8SiO2를 갖는 유리 매트릭스를 말한다. 또한, 3B 세라믹은 약 95-96중량%, 더 구체적으로 약 95.67중량% 양의 알루미나; 약 0.2-0.4중량%, 더 구체적으로 약 0.31중량% 양의 지르코니아; 및 약 3-5중량%, 더 구체적으로 약 3.94중량% 양의 산화물 혼합물을 포함할 수 있다. 산화물 혼합물은 일반적으로 약 1-2중량%, 더 구체적으로 약 1.55중량% 양의 CaO; 약 0.1-0.4중량%, 더 구체적으로 약 0.27중량% 양의 MgO; 및 약 1.5-2.5중량%, 더 구체적으로 약 2.12중량% 양의 SiO2를 포함한다. 표 5의 컬럼 1에서 "ID 번호"는 표 6에 나타낸 대략적으로 계산된 조성을 가진 인슐레이터를 말한다. 표 7 및 8은 세라믹을 형성하는데 사용된 조성물에 관한 추가의 정보를 제공한다. 표 9는 최종 부재에 관한 대략의 몰 퍼센트를 제공한다.
Figure 112009043541538-PCT00007
Figure 112009043541538-PCT00008
Figure 112009043541538-PCT00009
Figure 112009043541538-PCT00010
Figure 112009043541538-PCT00011
표들에 나타낸 대로, 최적 범위는 약 0.08 내지 0.15 몰의 B2O3 및 0.10 몰 미만의 P2O5이다. 전체 배합에 관하여, 범위는 대략 0.18 내지 0.35중량%의 산화붕소 및 0.62중량% 이하의 산화인이다.
상기 교시에 비추어 본 발명에 많은 변형 및 변화가 가능하다는 것이 자명하다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위 내에서 본 발명이 구체적으로 설명된 것 이외의 다른 식으로 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 청구항에 의해 한정된다.

Claims (35)

  1. 인슐레이터의 중량을 기준으로 약 90 내지 99% 양의 알루미나; 및
    상기 인슐레이터의 중량을 기준으로 약 0.05% 이상의 산화인을 포함하는 유리
    를 포함하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  2. 제 2 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 20% 미만의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 1 내지 18%의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 2.5 내지 15%의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 0.5%보다 많은 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 1%보다 많은 산화붕소를 포함 하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 15% 미만의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 2.5 내지 11%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 4 내지 6%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 5.5%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 18% 미만의 산화인을 포함하고, 인슐레이터는 인슐레이터의 중량을 기준으로 약 0.75% 미만의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 4-15%의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 9%의 산화인과 약 5.5%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  14. 인슐레이터의 중량을 기준으로 약 90 내지 99% 양의 알루미나; 및
    유리의 중량을 기준으로 약 2.0% 이상의 산화붕소를 포함하는 유리
    를 포함하는 스파크 플러그 인슐레이터.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 2.5% 내지 11%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 유리는 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 1.0 내지 18% 양의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 9% 양의 산화인과 약 4-6% 양의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  19. 세라믹 재료의 중량을 기준으로 99.9% 미만의 양의 알루미나; 및
    세라믹 재료의 중량을 기준으로 약 12% 이하의 양의 유리
    를 포함하며, 이때 상기 유리는 유리의 중량을 기준으로 적어도 1%의 산화인과 상기 유리의 중량을 기준으로 적어도 0.5%의 산화붕소를 포함하는 세라믹 재료.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 유리는 상기 유리의 중량을 기준으로 약 1.5%보다 많은 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 유리는 약 0.5%-20%의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 1-15%의 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 유리는 상기 유리의 중량을 기준으로 약 2-20%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 2.5-11%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 유리는 중량 기준으로 약 9%의 산화인과 약 5.5%의 산화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 유리는 CaO, MgO, Al2O3, 및 ZrO2를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  27. 제 19 항에 있어서, CaO, MgO, Al2O3, 및 ZrO2를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  28. 제 19 항에 있어서, 상기 산화인은 세라믹 재료의 중량을 기준으로 적어도 0.05%이고, 산화붕소는 세라믹 재료의 중량을 기준으로 적어도 0.09%인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  29. 제 19 항에 있어서, 상기 산화인은 세라믹 재료의 중량을 기준으로 약 1% 미만이고, 산화붕소는 세라믹 재료의 중량을 기준으로 약 0.6% 미만인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  30. 약 90 내지 약 99중량% 양의 알루미나;
    약 0.01 내지 약 1중량% 양의 지르코늄 함유 화합물; 및
    약 1 내지 약 10중량% 양의 산화물 혼합물
    을 포함하며, 이때 상기 산화물 혼합물은 유리 형성제, 망구조 변형제, 산화붕소, 및 산화인을 포함하고, 상기 유리 형성제 대 상기 망구조 변형제의 몰비는 약 0.8:1 내지 1.2:1의 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹.
  31. 제 30 항에 있어서,
    약 0.25 내지 약 0.35중량% 양의 상기 지르코늄 함유 화합물; 및
    약 3.15 내지 약 4.75중량% 양의 상기 산화물 혼합물
    을 포함하며, 이때 상기 망구조 변형제는 MgO, CaO, SrO, BaO, Na2O, K2O 및 Li2O 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 유리 형성제는 약 62 내지 약 92중량% 양의 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹.
  33. 제 32 항에 있어서, 약 3.9중량% 양의 상기 산화물 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 산화물 혼합물은 약 1.4-1.6중량% 양의 상기 CaO;
    약 0.2-0.3중량% 양의 상기 MgO; 및 약 2-2.5중량% 양의 상기 SiO2를 포함하 는 것을 특징으로 하는 세라믹.
  35. 제 30 항에 있어서, 상기 산화물 혼합물은 칼슘 알루미나-실리케이트 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹.
KR1020097014973A 2006-12-20 2007-11-07 스파크 플러그 인슐레이터로서 사용하기 위한 향상된 고온 전기 특성을 가진 세라믹 KR20090101253A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/642,210 US7858547B2 (en) 2003-11-12 2006-12-20 Ceramic with improved high temperature electrical properties for use as a spark plug insulator
US11/642,210 2006-12-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20090101253A true KR20090101253A (ko) 2009-09-24

Family

ID=39562881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020097014973A KR20090101253A (ko) 2006-12-20 2007-11-07 스파크 플러그 인슐레이터로서 사용하기 위한 향상된 고온 전기 특성을 가진 세라믹

Country Status (7)

Country Link
US (2) US7858547B2 (ko)
EP (2) EP2518036A1 (ko)
JP (1) JP5187643B2 (ko)
KR (1) KR20090101253A (ko)
CN (1) CN101616878A (ko)
BR (1) BRPI0720934A2 (ko)
WO (1) WO2008079532A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7858547B2 (en) * 2003-11-12 2010-12-28 Federal-Mogul World Wide, Inc. Ceramic with improved high temperature electrical properties for use as a spark plug insulator
US8614542B2 (en) * 2006-12-18 2013-12-24 Federal-Mogul Ignition Company Alumina ceramic for spark plug insulator
JP5061215B2 (ja) * 2010-04-08 2012-10-31 株式会社デンソー アルミナ質焼結体
KR101932796B1 (ko) * 2012-05-07 2018-12-27 페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니 수축 끼워맞춤 세라믹 중앙 전극
US9698573B2 (en) * 2012-11-21 2017-07-04 Federal-Mogul Ignition Company Extruded insulator for spark plug and method of making the same
US9054502B1 (en) 2014-08-06 2015-06-09 Federal-Mogul Ignition Company Ceramic for ignition device insulator with low relative permittivity
CN105405547B (zh) * 2015-11-24 2018-11-02 黄山半球汽车零部件制造有限公司 一种火花塞电阻粉及其制备方法
JP2019528224A (ja) * 2016-08-01 2019-10-10 テネコ・インコーポレイテッドＴｅｎｎｅｃｏ Ｉｎｃ． 改良されたシールを有するコロナ点火装置
DE102017218032A1 (de) * 2017-10-10 2019-04-11 Robert Bosch Gmbh Zündkerzen-Widerstandselement mit erhöhtem ZrSiO4-Phasenanteil
WO2022265008A1 (ja) * 2021-06-14 2022-12-22 日本特殊陶業株式会社 スパークプラグ

Family Cites Families (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3502595A (en) 1965-10-28 1970-03-24 Sinclair Research Inc Preparation of silica-alumina,titania-alumina,and phosphorous oxide-alumina catalysts
US3615763A (en) * 1969-06-04 1971-10-26 Gen Motors Corp High-alumina ceramic body and method of making same
US3627547A (en) * 1969-06-19 1971-12-14 American Lava Corp High alumina bodies comprising anorthite gehlenite and spinel
JPS5214243B2 (ko) * 1972-01-21 1977-04-20
US3929496A (en) * 1972-01-21 1975-12-30 Ngk Spark Plug Co High alumina ceramic insulator compositions
US3945839A (en) * 1973-10-01 1976-03-23 N L Industries, Inc. Alumina refractory
JPS53126008A (en) 1977-04-11 1978-11-02 Hitachi Chemical Co Ltd Process for making alumina ceramics
JPS586362B2 (ja) * 1977-04-11 1983-02-04 株式会社日本砿油 接触給、集電部材の潤滑
JPS5992943A (ja) * 1982-11-15 1984-05-29 Ngk Spark Plug Co Ltd 結晶化ガラス体
JPS59152263A (ja) * 1983-02-14 1984-08-30 日本特殊陶業株式会社 アルミナ焼結体
US4760038A (en) * 1983-09-01 1988-07-26 Astro Met Associates, Inc. Ceramic composition
US4552852A (en) * 1984-06-27 1985-11-12 Champion Spark Plug Company Alumina ceramic comprising a siliceous binder and at least one of zirconia and hafnia
JPS61183163A (ja) * 1985-02-08 1986-08-15 日本特殊陶業株式会社 アルミナ磁器組成物
BR8602433A (pt) * 1986-05-21 1987-12-29 Ngk Brasil Ceram Velas Ignicao Vela de ignicao
USRE34028E (en) * 1986-08-06 1992-08-11 Champion Spark Plug Company Alumina-zirconia ceramic
US4751207A (en) * 1986-08-06 1988-06-14 Champion Spark Plug Company Alumina-zirconia ceramic
US4879260A (en) * 1986-08-06 1989-11-07 Champion Spark Plug Alumina-zirconia ceramic
US5183610A (en) * 1987-07-22 1993-02-02 Cooper Indusries, Inc. Alumina-zirconia ceramic
EP0300716B1 (en) * 1987-07-22 1993-05-19 Champion Spark Plug Company Alumina-zirconia ceramic
JPH01143368A (ja) 1987-11-30 1989-06-05 Iwasaki Electric Co Ltd Ｌｅｄ表示素子
JP2857639B2 (ja) * 1988-02-19 1999-02-17 日本特殊陶業株式会社 点火プラグ用高アルミナ質絶縁碍子
JPH01242461A (ja) 1988-03-24 1989-09-27 Narumi China Corp 塑性セラミック焼結体およびその製造方法
JPH01242561A (ja) * 1988-03-25 1989-09-27 Fuji Photo Film Co Ltd アミノナフトール類の製造方法
JP2723324B2 (ja) * 1990-01-25 1998-03-09 日本特殊陶業株式会社 アルミナ焼結基板
US5830816A (en) * 1990-08-06 1998-11-03 Cerasiv Gmbh Innovatives Keramik-Engineering Sintered molding
US5545495A (en) * 1991-08-12 1996-08-13 Ngk Insulators, Ltd. Magnesia-based beta alumina sintered bodies and a process for producing the same
US5279779A (en) * 1991-10-29 1994-01-18 Indresco, Inc. High alumina insulating refractory product and method for making same
JP2847681B2 (ja) * 1991-12-03 1999-01-20 日本特殊陶業株式会社 スパークプラグの中心電極の製造方法
EP0564982A3 (en) * 1992-04-04 1995-09-13 Hoechst Ceram Tec Ag Ceramic alumina body with high metallization adherence
DE4215939A1 (de) 1992-05-14 1993-11-18 Bosch Gmbh Robert Gesintertes Aluminiumoxidprodukt
JP2556418B2 (ja) * 1992-07-14 1996-11-20 大光炉材株式会社 不定形耐火材
KR100361113B1 (ko) * 1994-08-18 2003-02-05 닛뽕도구슈우도오교오가부시끼가이샤 세라믹 히터용 알루미나기 소결재료
JP4009339B2 (ja) * 1996-01-29 2007-11-14 関西マテック株式会社 アルミナ−ジルコニア系焼結体、その製造法及びアルミナ−ジルコニア系焼結体を用いた衝撃式粉砕機
US5744412A (en) * 1996-05-13 1998-04-28 Aluminum Company Of America Composition and process for making an insulating refractory material
JP3035582B2 (ja) * 1996-12-26 2000-04-24 日本特殊陶業株式会社 アルミナ質焼結体
JP3859354B2 (ja) * 1998-04-30 2006-12-20 日本特殊陶業株式会社 スパークプラグ及びスパークプラグ用絶縁体及びその製造方法
EP0972755B1 (en) * 1998-07-14 2003-07-30 Ngk Spark Plug Co., Ltd Alumina-based sintered material and process for producing the same
US6239052B1 (en) * 1998-07-23 2001-05-29 Ngk Spark Plug Co. Sintered ceramic body for spark plug, process for preparing the same and spark plug
JP4530380B2 (ja) * 1999-11-29 2010-08-25 日本特殊陶業株式会社 スパークプラグ用絶縁体及びそれを備えるスパークプラグ
FR2804425B1 (fr) * 2000-01-31 2002-10-11 Produits Refractaires Produits electrofondus a base d'alumine-zircone-silice a microstructure amelioree
JP3510172B2 (ja) * 2000-02-29 2004-03-22 日本特殊陶業株式会社 スパークプラグ
BR0103399A (pt) * 2000-06-30 2002-02-13 Ngk Spark Plug Co Vela de ignição
US6399528B1 (en) * 2000-09-01 2002-06-04 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. Porous aluminum oxide structures and processes for their production
JP2003007424A (ja) * 2001-06-26 2003-01-10 Ngk Spark Plug Co Ltd スパークプラグ
JP4578025B2 (ja) 2001-07-06 2010-11-10 日本特殊陶業株式会社 スパークプラグ
US7169723B2 (en) * 2003-11-12 2007-01-30 Federal-Mogul World Wide, Inc. Ceramic with improved high temperature electrical properties for use as a spark plug insulator
US7858547B2 (en) * 2003-11-12 2010-12-28 Federal-Mogul World Wide, Inc. Ceramic with improved high temperature electrical properties for use as a spark plug insulator
WO2007136360A1 (fr) * 2006-05-19 2007-11-29 Kibol Viktor F Composition et procédé pour produire une fibre de basalte continue

Also Published As

Publication number Publication date
CN101616878A (zh) 2009-12-30
US7858547B2 (en) 2010-12-28
JP5187643B2 (ja) 2013-04-24
JP2010513217A (ja) 2010-04-30
WO2008079532A1 (en) 2008-07-03
EP2104653A4 (en) 2010-03-24
US20110177932A1 (en) 2011-07-21
US8012898B2 (en) 2011-09-06
EP2518036A1 (en) 2012-10-31
EP2104653B1 (en) 2014-04-02
US20070123412A1 (en) 2007-05-31
EP2104653A1 (en) 2009-09-30
BRPI0720934A2 (pt) 2014-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7799717B2 (en) Spark plug having a ceramic insulator with improved high temperature electrical properties
JP5187643B2 (ja) スパークプラグ絶縁体として用いるための高度な高温電気特性を備えたセラミック
US8564183B2 (en) Spark plug and method for manufacturing spark plug
US9755404B2 (en) Spark plug
US9653888B2 (en) Spark plug
US2926275A (en) Pgras
EP3178140B1 (en) Ceramic for ignition device insulator with low relative permittivity
JPH09227221A (ja) アルミナ磁器、及びスパークプラグ用の絶縁碍子
JP2017201576A (ja) スパークプラグ
Walker Jr et al. Alumina insulators for high voltage automotive ignition systems
GB2044849A (en) A spark plug
JPH09260019A (ja) 内燃機関用スパークプラグ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application