KR20100093598A - 세라믹 가열 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 리드를 수용하기 위한 요홈부를 갖는 신규의 세라믹 가열 소자를 제공한다. 이러한 세라믹 가열 소자는 전기 리드의 더욱 견고한 맞물림 뿐만 아니라 전기 리드(들)과 접속되는 소자 영역들을 가로질러 횡단면 치수의 감소를 제공할 수 있다. 가열 소자는 차량용 백열 플러그 뿐만 아니라 예를 들어 가스 조리기의 연료 점화를 포함하는 다양한 응용에서 매우 유용할 수 있다.

Description

세라믹 가열 소자{Ceramic Heating Elements}

본 출원은 2007년 12월 29일자로 출원되고 전체가 참고로서 이에 포함되는 미국 가출원 번호 제61/009,381호의 이익을 주장한다.

일 양태에서, 전기 리드를 수용하기 위한 요홈부를 갖는 세라믹 가열 소자를 제공한다. 이러한 세라믹 가열 소자는 가열 소자의 전기 리드와의 맞물림을 더욱 견고하게 할 수 있다. 다른 양태에서, 소자의 길이를 따라 사실상 같거나 증가하는 횡단면을 갖는 전도성 존을 구비한 세라믹 가열 소자를 제공한다. 본 가열 소자는 엄격한 공간적 제약을 갖는 차량용 백열 플러그 뿐만 아니라 예를 들어 가스 조리기의 연료 점화를 포함하는 다양한 응용에서 유용하다.

세라믹 재료들은 예를 들면 가스 풍로, 스토브, 의류 건조기에서 (점화기를 포함하는) 가열 소자로서 큰 성공을 누려왔다. 세라믹 가열 소자의 제조는 그 일부분이 와이어 리드에 의해 통전될 때 온도가 상승하고 고저항이 되는 세라믹 성분을 통해 전기 회로를 구성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 미국 특허공개 제2006/0131295호 및 미국 특허 제6,028,292호, 제5,801,361호, 제5,405,237호, 제5,191,508호를 참조한다.

통상적인 점화기는 가열 소자 선단에 매우 저항성인 "핫 존(hot zone)"을 갖고 대향하는 가열 소자 단부로부터 핫 존으로 제공되는 하나 이상의 전도성 "콜드 존(cold zone)"을 갖는 대체로 장방형의 소자이다. 밀포드 엔. 에이치.(Milford, N. H.)의 노턴 점화기 제품들로부터 입수할 수 있는 현재 이용 가능한 점화기 중의 하나인 미니 가열 소자(Mini-Heating element)는 12볼트 내지 120볼트 응용을 위해 설계되고, 질화 알루미늄(AlN), 몰리브데늄 디실리사이드(MoSi₂), 탄화 실리콘(SiC)을 포함하는 조성물을 갖는다.

이러한 가열 소자는 저항성 가열되기 때문에, 그 단부들 각각이 전도성 리드, 통상적으로는 구리 와이어 리드에 전기적으로 연결되어야 한다. 세라믹 가열 소자는 와이어로의 직접 용접 또는 납땜에 의해, 또는 이후에 와이어에 용접 또는 납땜되는 중간 금속 리드 프레임으로의 납땜에 의해, 전기 접점에 연결되어 있다. 미국 특허 제7,241,975호와 제6,933,471호를 참조한다.

원통형 또는 그 밖의 비장방형 횡단면 구성을 갖는 가열 소자에 대하여, 이러한 전기 접점들의 부착은 (전기 리드가 가열 소자와 접속되는) 절연 섹션의 직경 증가를 초래할 수 있다. 이러한 치수의 증가는 가열 소자의 가열 소자 블록의 외부 치수에 대한 엄격한 사양이 있을 수 있는 자동차 환경 또는 기기 등의 다수의 응용에서 문제가 될 수 있다. 또한, 가열 소자에서 전기 리드를 분리하는 것은 장치 고장을 초래할 수 있다.

그러므로, 새로운 가열 소자 시스템을 구비하는 것이 바람직할 것이다. 원통형 또는 그 밖의 비장방형 횡단면 구성을 갖고 전기 접점과 접속되는 영역을 가로질러 비교적 좁은 횡단면 치수를 갖는 새로운 가열 소자를 구비하는 것이 특히 바람직할 것이다. 가열 소자에 대한 전기 리드의 견고한 맞물림을 이루는 새로운 가열 소자를 구비하는 것이 더욱 바람직할 것이다.

일 양태에서, 전기 리드를 수용하기 위한 요홈부를 갖는 세라믹 가열 소자를 제공한다. 이러한 세라믹 가열 소자는 가열 소자에 대한 전기 리드(들)의 더욱 견고한 맞물림 뿐만 아니라 전기 리드(들)과 접속되는 소자 영역들을 가로질러 횡단면 치수의 감소를 제공할 수 있다. 그 결과로서, 가열 소자는 차량용 백열 플러그 뿐만 아니라 예를 들어 가스 조리기의 연료 점화를 포함하는 다양한 응용에서 매우 유용할 수 있다.

바람직한 양태에서, 가열 소자는 전기 리드를 수용할 수 있는 하나 이상의 리세스(예를 들어, 구멍)를 포함할 수 있고, 여기서 리세스는 가열 소자의 측부와 같은 가열 소자의 그 밖의 영역에도 적합하게 위치될 수 있으나 가열 소자의 하면에 위치된다.

소정의 양태에서, 리세스는 테이퍼, 예를 들어, 내향 테이퍼되고(횡단면 면적이 감소되고), 이는 전기 리드의 가열 소자와의 맞물림을 더욱 견고히 할 수 있다.

바람직하게는, 가열 소자의 전도성 존(즉, 상대적으로 낮은 비저항을 갖는 영역)은 리세스의 벽 표면의 적어도 일부분을 형성한다. 그 결과로서, 리세스의 내부에 배치된 전기 리드의 전력이 이러한 전도성 존을 경유하여 가열 소자를 통해 흐를 수 있다.

다른 양태에서, 가열 소자 길이를 따라 가열 소자의 기단으로부터 사실상 같거나 증가하는 횡단면을 갖는 전도성 존을 구비한 세라믹 가열 소자를 제공한다. 특히, 전기 리드를 수용하기 위한 리세스의 벽 표면의 적어도 일부분을 형성하는 전도성 존의 횡단면 치수는, 리세스와 접촉하는 부분에서, 전도성 존의 길이를 추가로 따르는 동일한 전도성 존의 횡단면 치수와 사실상 같거나 더 큰 횡단면 치수를 가질 것이다.

이러한 전도성 존의 구성은 가열 소자의 소결 시에 원치 않는 왜곡을 방지할 수 있다고 알려져 있다.

본 발명의 바람직한 가열 소자는 외부 전기 경로 또는 사실상 U자형 또는 L자형 전기 경로를 구비하고, 즉 여기서 전기 경로는 (i) 외부 전도성 존으로부터 (ii) 핫 또는 점화 존까지 연장되며, 다음으로 (iii) 제2 외부 전도성 존을 통해 연장된다. 이러한 외부 또는 U자형 또는 L자형 전기 경로는 외부 전도성 존에 의해 에워싸이는 제1 내부 전도성 존을 포함하는 동축 경로와 구별되고 상이하다.

본 발명의 특히 바람직한 가열 소자는 원통형 또는 그 밖의 비장방형 횡단면 구성을 가질 수 있다. 바람직한 양태에서, 본 발명의 바람직한 가열 소자는 가열 소자 길이의 적어도 일부분(예를 들어, 전기 리드가 가열 소자에 부착되는 곳으로부터 저항성 핫 존까지 이어지는 길이)을 따라 라운딩된 횡단면 형상을 갖는다. 더 구체적으로는, 바람직한 가열 소자는 가열 소자 길이의 적어도 일부분, 예를 들어 가열 소자 길이의 적어도 약 10%, 40%, 60%, 80%, 90%, 또는 가열 소자의 전체 길이에 대해 사실상 타원형, 원형, 또는 그 밖의 라운딩된 횡단면 형상을 가질 수 있다. 로드 형상의 가열 소자를 제공하는 사실상 원형인 횡단면이 특히 바람직하다. 본 발명은 또한 가열 소자 길이의 적어도 일부분에 대해 라운딩되지 않거나 원형이 아닌 횡단면 형상을 갖는 가열 소자를 제공한다.

바람직한 가열 소자는 상이한 전기 비저항을 갖는 다수의 영역을 포함하고, 즉 바람직한 세라믹 가열 소자는 제1 전도성 존, 저항성 핫 존, 제2 전도성 존을 모두 전기 시퀀스로 포함할 수 있다. 본 발명의 가열 소자는 다양한 전기 구성을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 바람직한 시스템에 있어서, 가열 소자는 사실상 U자형 전기 경로를 가질 수 있고, 예를 들어 여기서 대향하는 전도성 존들이 그 사이에 개재된 핫 또는 점화 존에 의해 분리된다.

본 발명의 세라믹 가열 소자는 6볼트, 8볼트, 10볼트, 12볼트, 24볼트, 120볼트, 220볼트, 230볼트, 240볼트의 공칭 전압을 포함하는 매우 다양한 공칭 전압에서 사용될 수 있다.

언급된 바와 같이, 본 발명의 가열 소자는 다양한 장치와 가열 시스템의 점화를 위해 유용하다. 더 구체적으로는, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 소결된 세라믹 가열 소자를 포함하는 가열 시스템을 제공한다. 특정한 가열 시스템은 상업 및 주거 건물의 가열 유닛, 가스 조리 유닛과 같은 기기들을 포함한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 소결된 세라믹 가열 소자를 포함하는 차량용(예를 들어, 자동차용, 수상용) 백열 플러그를 또한 제공한다.

본 발명의 그 밖의 양태들도 이하에 기술된다.

도 1 내지 도 4는 바람직한 가열 소자 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 다른 바람직한 가열 소자의 절단도를 도시한다.
도 6(도 6a 내지 도 6c)은 다른 바람직한 가열 소자의 평면도를 도시하되, 도 6b는 도 6a의 B-B 선을 따른 절단도이고, 도 6c는 도 6a의 C-C선을 따른 절단도이다.

전술한 바와 같이, 일 양태에서, 전기 리드 부품의 접속을 위한 새로운 구성을 포함하는 세라믹 가열 소자 시스템을 제공한다. 다른 양태에서, 소결 시 왜곡의 감소를 포함하여 주목할만한 이점들을 제공할 수 있는 전도성 영역(들)을 포함하는 세라믹 가열 소자 시스템을 제공한다. 본 발명의 바람직한 세라믹 가열 소자는 사실상 외부 또는 U자형 또는 L자형 전기 경로를 구비한다.

이제 도면을 참조하면, 도 1 내지 도 4는 전도성 존들(12A, 12B)이 그 사이에 개재된 핫(점화) 존(14)과 접속되어 전기 경로를 형성하는 바람직한 가열 소자(10)의 개략적인 절단도를 도시한다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 외부 전도성 존들(12A, 12B)은 그 사이에 개재된 핫(점화) 존과 함께 가열 소자(10)의 외부 또는 주변부를 가로지르는 사실상 U자형 또는 L자형 전기 경로를 형성한다.

전도성 존(12A)은 소자(10)의 사용 동안에 전기 리드(18)와 맞물리는 리세스(16)를 부분적으로 정의한다. 바람직한 시스템에 있어서, 가열 소자(10)는 금속 고정구(20)로 에워싸이고 예를 들어 금속 납땜(22)을 통해 이에 부착될 수 있다. 전도성 존들(12A, 12B)과 점화 존(14)에 의해 에워싸이는 내부 영역(24)은 공동이거나 절연성(히트 싱크) 조성물을 구비할 수 있다.

금속 고정구(20)와 접촉하는 가열 소자의 부분에 외부 절연층(25)을 포함하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 이러한 외부 절연층은 절연성 세라믹 조성물의 딥 코팅 또는 그 밖의 응용에 의해 적절하게 형성될 수 있다.

도 5는 전도성 존(12A)이 전기 리드를 수용하는 리세스(16)의 벽들(16A)의 일부분을 형성하는 특히 바람직한 가열 소자의 부분 절단도를 도시한다. 이러한 바람직한 구성에서, 전도성 존들(12A, 12B)은 그 사이에 개재된 핫(점화) 존(14)과 접속되어 전기 경로를 형성한다. 가열 소자는 또한 제1 전도성 존(12A)의 적어도 일부분을 에워싸는 외부 절연체(25A)와 제2 전도성 존(12B)의 적어도 일부분을 에워싸는 외부 절연체(25B)와 함께 중앙 절연체 영역(24)을 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 바람직한 구성에서, 리세스(16)는 전도성 존(12A)과 접촉하고, 따라서 리세스의 벽들(16A)은 전도성 존(12A)에 의해 형성된다. 다른 덜 바람직한 실시예에 있어서, 리세스(16)를 정의하는 전체 벽 표면이 전도성 존(12A)의 일부분이 된다.

도시된 바람직한 구성에서, 전도성 존(12A)의 일부분인 리세스(16)를 정의하는 벽들의 단지 일부분에 의해, 전도성 존(12A)은 소자의 길이를 따라 사실상 같거나 증가하는 횡단면을 가질 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 소자의 기단에서 전도성 존(12A)의 횡단면 치수는(치수 a로 나타냄), 존의 길이(도 5에 도시된 길이 y)의 상당 부분에 대해, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같은 존의 길이(y)의 적어도 약 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 또는 100%에 대해, 전도성 존의 횡단면 치수와 사실상 같거나 더 작다. 그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 치수(a)는 도시된 치수(a') 또는 치수(a")와 거의 같거나 더 작을 것이다. 본 명세서에 참조된 바와 같이, 그 길이를 따라 "사실상 같은" 또는 "거의 같은" (또는 그 밖의 유사한 표현의) 횡단면을 갖는 제1 전도성 존에 대한 참조는 (도 5에 도시된 a'와 a"에 상대적인 a와 같은) 횡단면 치수가 5%, 10%, 또는 20%를 초과하여 변화되지 않는다는 것을 의미한다. 소정의 양태에서, 전도성 존의 횡단면 치수에 대한 참조는 전도성 존과 이에 접속되는 점화 존의 결합을 포함하지 않는다.

전술한 바와 같이, 이러한 제1 전도성 존의 횡단면 치수의 구성은 가열 소자의 소결 시에 원하지 않는 왜곡의 감소를 포함하여 주목할만한 이점들을 제공한다.

도 5는 또한 리세스(16)의 바람직한 구성을 도시하고, 여기서 리세스(16)는 내향 테이퍼되고, 즉 리세스(16)는 그 길이를 따라 감소하는 횡단면을 갖는다. 이러한 테이퍼된 구성으로 인해 리세스의 내부에 배치된 전기 리드의 더욱 견고한 맞물림을 제공할 수 있다.

사용 시에, 전기 리드는 리세스(16)의 내부에 배치되고 전도성 존(12A)으로부터 핫(점화) 존(14)까지 이어지는 도시된 전기 경로(도 5에 화살표로 나타낸 경로 참조)를 통해 전력을 제공한다. 내부 세라믹 절연체(24)는 가열 소자에 추가적인 기계적 강도를 제공할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 리세스(16)의 단지 일부분이 전도성 존(12A)에 접촉되는 다른 가열 소자(10)의 바람직한 구성을 도시한다. 즉, 리세스(16)를 정의하는 표면의 단지 일부분만이 전도성 존(12A)의 부분이다. 도 6에 도시된 시스템에 있어서, 리세스(16)를 정의하는 벽들의 잔여 부분은 절연체 영역(24)의 부분이다. 예시적인 바람직한 시스템에 있어서, 리세스(16) 벽들의 표면적은 약 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90%까지 전도성 존(12A)의 부분일 수 있고, 리세스 벽들(16A)의 표면적의 잔여 부분은 중앙 또는 내부 절연체 영역(24)의 부분이다.

도 5의 소자와 같이, 사용 시에, 전기 리드는 리세스(16)의 내부에 배치되고, 사실상 U자형 또는 L자형 외부 전기 경로를 제공하기 위해 전도성 존(12A)에서 시작하여 핫(점화) 존(14)을 통과하고 다음으로 전도성 존(12B)을 통과하는 도시된 전기 경로를 통해 전력을 제공한다.

도 5와 도 6a에 도시된 바와 같이, 바람직한 시스템에 있어서, 리세스(16)에 접촉하는 제1 전도성 존(12A)의 길이는 저항성(점화) 존(14)의 말단 측의 제2 전도성 존(12B)의 길이보다 크다. 예를 들어, 소정의 바람직한 구성에 있어서, 제2 전도성 존(12B)의 길이(도 5에 y'로 나타냄)는 제1 전도성 존(12A)의 길이(도 5에 y로 나타냄)의 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10% 이하이다. 소정의 바람직한 구성에 있어서, 제2 전도성 존(12B)은 도 5, 도 6a, 도 6b에 도시된 바와 같이 리세스(16)를 포함하지 않거나 접촉하지 않는다.

앞서 검토되고 도 5와 도 6에 예시된 바와 같이, 바람직하게는, 가열 소자 길이의 적어도 상당 부분은 도 6a에 도시된 길이와 같이 가열 소자 길이의 적어도 일부분을 따라 라운딩된 횡단면 형상을 갖는다. 도 5와 도 6은 로드 형상의 가열 소자를 제공하기 위해 가열 소자(10)가 대략 그 전체 길이에 대해 사실상 원형인 횡단면 형상을 갖는 특히 바람직한 구성을 도시한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 바람직한 시스템은 또한 가열 소자 길이의 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90%까지와 같이 가열 소자의 단지 일부분이 라운딩된 횡단면 형상을 갖는 가열 소자를 포함할 수 있고, 예를 들어 이러한 설계에서는 가열 소자 길이의 잔여 부분이 외부 모서리를 갖는 프로파일을 가질 수 있다.

또한, 라운딩된 횡단면 형상이 많은 응용에서 바람직하지만, 본 발명의 바람직한 가열 소자는 또한 가열 소자 길이의 적어도 일부분에 대해 라운딩되지 않거나 원형이 아닌 횡단면 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 여기서 가열 소자 길이(도 6a에 가열 소자 길이 a로 나타냄)는 적어도 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90%, 또는 그에 이르기까지 라운딩되지 않거나 원형이 아닌 횡단면 형상을 갖거나, 또는 전체 가열 소자 길이(도 6a에 가열 소자 길이 a로 나타냄)가 라운딩되지 않거나 원형이 아닌 횡단면 형상을 갖는다.

본 발명의 가열 소자의 치수는 가열 소자의 의도된 용도에 기반하여 선택되고 폭넓게 변화될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 가열 소자의 길이(도 6a의 길이 a)는 적절하게 약 0.5㎝ 내지 약 5㎝, 보다 바람직하게 약 1㎝ 내지 약 3㎝일 수 있고, 가열 소자의 최대 횡단면 폭(도 6a의 폭 b)은 적절하게 약 0.2㎝ 내지 약 3㎝일 수 있다.

마찬가지로, 전도성 및 핫 존 영역들의 길이도 또한 적절하게 변화될 수 있다. 바람직하게는, 도 6a에 도시된 가열 소자의 제1 전도성 존의 길이(도 6a의 길이 c와 도 5의 길이 y)는 0.2㎝ 내지 2㎝, 3㎝, 4㎝, 또는 5㎝ 이상일 수 있다. 제1 전도성 존의 더욱 통상적인 길이는 약 0.5㎝ 내지 약 5㎝일 것이다. 핫 존의 높이(도 6a의 길이 d)는 약 0.1㎝ 내지 약 2㎝, 3㎝, 4㎝, 또는 5㎝일 수 있고, 전체 핫 존의 전기 경로 길이(도 6a에 파선으로 나타냄)는 약 0.5㎝ 내지 5㎝ 이상이고, 약 0.5㎝ 내지 1㎝, 2㎝, 또는 3㎝까지의 길이가 대체로 바람직하다.

바람직한 시스템에 있어서, 본 발명의 가열 소자의 핫 또는 저항성 존은 공칭 전압에서 약 1450℃ 미만의 최대 온도까지; 공칭 전압의 약 110%인 고단 라인 전압에서 약 1550℃ 미만의 최대 온도까지; 및 공칭 전압의 약 85%인 저단 라인 전압에서 약 1350℃ 미만의 최대 온도까지 가열될 것이다.

다양한 조성물들이 본 발명의 가열 소자를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 대체로 바람직한 핫 존 조성물은 1) 전도성 재료; 2) 반도체 재료; 및 3) 절연 재료 중 적어도 세 개의 성분을 포함한다. 전도성(콜드) 및 절연성(히트 싱크) 영역은 동일한 성분으로 이루어질 수 있으나, 이러한 성분들이 상이한 비율로 존재한다. 통상의 전도성 재료들은 예를 들어 몰리브데늄 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드, 질화 티타늄과 같은 질화물, 탄화 티타늄과 같은 탄화물을 포함한다. 통상의 반도체들은 (도핑 및 언도핑된) 탄화 실리콘과 탄화 보론과 같은 탄화물을 포함한다. 통상의 절연 재료들은 알루미나와 같은 금속 산화물 또는 AlN 및/또는 Si₃N₄와 같은 질화물을 포함한다.

본 명세서에 참조된 바와 같이, 전기 절연 재료라는 용어는 적어도 약 10¹⁰Ω-㎝의 실온 비저항을 갖는 재료를 나타낸다. 본 발명의 가열 소자의 전기 절연 재료 성분은 단독으로 또는 주로 하나 이상의 금속 질화물 및/또는 금속 산화물로 이루어질 수 있고, 또는 대신으로 절연 성분은 금속 산화물(들) 또는 금속 질화물(들)에 더하여 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 재료 성분은 질화 알루미늄(AlN), 질화 실리콘, 또는 질화 보론과 같은 질화물; 희토성 산화물(예를 들어, 이트리아); 또는 희토성 산질화물을 추가로 포함할 수 있다. 절연 성분의 바람직한 추가 재료는 질화 알루미늄(AlN)이다.

본 명세서에 참조된 바와 같이, 반도체 세라믹(또는 "반도체")은 약 10Ω-㎝ 내지 10⁸Ω-㎝의 실온 비저항을 갖는 세라믹이다. 반도체 성분이 핫 존 조성물의 약 45v/o 초과로 존재하면(전도성 세라믹이 약 6v/o 내지 10v/o의 범위인 경우), 그에 따른 조성물은 (절연체의 부족으로 인해) 높은 전압 응용에 대해 지나치게 전도성이 된다. 반대로, 반도체 재료가 약 10v/o 미만으로 존재하면(전도성 세라믹이 약 6v/o 내지 10v/o의 범위인 경우), 그에 따른 조성물은 (과다한 절연체로 인해) 지나치게 저항성이 된다. 다시 말하면, 더 높은 전도체 레벨에서, 원하는 전압을 달성하기 위해서는 절연체와 반도체 비율에 대한 더욱 저항성인 혼합이 필요하다. 통상적으로, 반도체는 (도핑 또는 언도핑된) 탄화 실리콘과 탄화 보론으로 이루어진 군의 탄화물이다. 탄화 실리콘이 대체로 바람직하다.

본 명세서에 참조된 바와 같이, 전도성 재료는 약 10²Ω-㎝ 미만의 실온 비저항을 갖는 재료이다. 전도성 성분이 핫 존 조성물의 35v/o 초과의 양으로 존재하면, 그에 따른 핫 존 조성물의 세라믹은 지나치게 전도성이 된다. 통상적으로, 전도체는 몰리브데늄 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드, 질화 티타늄과 같은 질화물, 및 탄화 티타늄과 같은 탄화물로 이루어진 군에서 선택된다. 몰리브데늄 디실리사이드가 대체로 바람직하다.

일반적으로, 바람직한 핫(저항성) 존 조성물은 (a) 적어도 약 10¹⁰Ω-㎝의 비저항을 갖는 약 50v/o 내지 약 80v/o의 전기 절연 재료; (b) 약 10Ω-㎝ 내지 약 10⁸Ω-㎝의 비저항을 갖는 약 5v/o 내지 약 45v/o의 반도체 재료; 및 (c) 약 10^-2Ω-㎝ 미만의 비저항을 갖는 약 5v/o 내지 약35 v/o의 금속 전도체를 포함한다. 바람직하게는, 핫 존은 50v/o 내지 70v/o의 전기 절연 세라믹, 10v/o 내지 45v/o의 반도체 세라믹, 6v/o 내지 16v/o의 전도성 재료를 포함한다. 본 발명의 가열 소자에서 사용되기 위한 특히 바람직한 핫 존 조성물은 10v/o의 MoSi₂, 20v/o의 SiC, 잔여 성분으로 AlN 또는 Al₂O₃를 포함한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 가열 소자는 핫(저항성) 존과의 전기적 연결에서 상대적으로 낮은 비저항의 콜드 존 영역을 포함하고, 이는 와이어 리드의 가열 소자에 대한 부착을 허용한다. 바람직한 콜드 존 영역은 예를 들어 AlN 및/또는 Al₂O₃ 또는 그 밖의 절연 재료로 이루어진 재료; SiC 또는 그 밖의 반도체 재료; 및 MoSi₂ 또는 그 밖의 전도성 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 콜드 존 영역은 핫 존보다 현저히 높은 비율의 전도성 및 반도체 재료들(예를 들어, SiC와 MoSi₂)을 구비할 것이다. 바람직한 콜드 존 조성물은 약 15v/o 내지 65v/o의 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 또는 그 밖의 절연체 재료; 및 약 20v/o 내지 70v/o의 MoSi₂와 SiC 또는 그 밖의 전도성 및 반도체 재료를 약 1:1 내지 약 1:3의 체적비로 포함한다. 많은 응용을 위해, 더욱 바람직하게는, 콜드 존은 약 15v/o 내지 50v/o의 AlN 및/또는 Al₂O₃, 15v/o 내지 30v/o의 SiC, 30v/o 내지 70v/o의 MoSi₂를 포함한다. 제조의 용이함을 위하여, 바람직하게는, 콜드 존 조성물은 핫 존 조성물과 동일한 재료들로 이루어지고, 반도체 및 전도성 재료들의 상대적인 양이 더 크다.

본 발명의 가열 소자에서 사용되기 위한 특히 바람직한 콜드 존 조성물은 20v/o 내지 35v/o의 MoSi₂, 45v/o 내지 60v/o의 SiC, 잔여 성분으로 AlN 및/또는 Al₂O₃를 포함한다.

임의의 세라믹 조성물(예를 들어, 절연체, 전도성 재료, 반도체 재료, 저항성 재료)에 대해, 세라믹 조성물은 하나 이상의 상이한 세라믹 재료(예를 들어, SiC, Al₂O₃와 같은 금속 산화물, AlN과 같은 질화물, Mo₂Si₂와 그 밖의 Mo를 포함하는 재료, SiAlON, Ba를 포함하는 재료, 등)를 포함할 수 있다. 대신으로, 별개의 세라믹 조성물들(즉, 단일 가열 소자에서 절연체, 전도체, 저항성(점화) 존들의 역할을 하는 별개의 조성물들)은 동일한 배합의 세라믹 재료들(예를 들어, 2원, 3원, 또는 더 높은 순위로 배합된 별개의 세라믹 재료들)을 포함할 수 있고, 그러나 여기서 이러한 배합 요소들의 상대적인 양은 상이하고, 예를 들어 하나 이상의 배합 요소는 각각의 별개의 세라믹 조성물들 사이에서 적어도 5vol%, 10vol%, 20vol%, 25vol%, 또는 30vol% 만큼 상이하다.

히트 싱크 또는 절연체는 전도성 존, 핫 존, 또는 전도성 존과 핫 존 모두와 적절하게 접속될 수 있다. 바람직하게는, 소결된 절연체 영역이 실온에서 적어도 약 10¹⁴Ω-㎝의 비저항과 작동 온도에서 적어도 10⁴Ω-㎝의 비저항을 갖고, 적어도 150MPa의 강도를 갖는다. 바람직하게는, 절연체 영역이 동작(점화) 온도에서 핫 존 영역의 비저항 보다 적어도 2배 크기의 비저항을 갖는다. 적절한 절연체 조성물은 적어도 약 90v/o의 하나 이상의 질화 알루미늄, 알루미나, 질화 보론을 포함한다. 본 발명의 가열 소자의 특히 바람직한 절연체 조성물은 60v/o의 AlN; 10v/o의 Al₂O₃; 및 잔여 성분인 SiC로 이루어진다. 본 발명의 가열 소자와 함께 사용되기 위한 다른 바람직한 히트 싱크(절연체) 조성물은 80v/o의 AlN과 20v/o의 SiC를 포함한다.

소정의 시스템에 대하여, 경로의 대부분의 전도성 부분들과 경로의 매우 저항성인 (핫) 영역들 사이의 전기 회로 경로에 중간 저항의 파워 부스터(power booster) 또는 강화 영역을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 중간 저항의 부스터 존들은 윌킨스(Willkens)의 미국 특허공개 제2002/0150851호에 기술되어 있다. 일반적으로, 부스터 존은 1) 핫 존으로의 효과적인 전류 유동, 및 2) 바람직하게는 부스터 존이 가열 소자의 사용 동안 핫 존과 같은 고온으로 가열되지 않을지라도, 점화기의 사용 동안 부스터 존에 대한 일부 저항성 가열을 허용하는 중간 저항과 양성 온도 계수의 저항(PTCR)을 가질 것이다.

가열 소자에서 사용된다면, 바람직한 부스터 존 조성물은 전도성 및 핫 존 영역 조성물과 동일한 재료들을 포함할 것이고, 바람직한 부스터 존 조성물은 예를 들어 AlN 및/또는 Al₂O₃ 또는 그 밖의 절연 재료; SiC 또는 그 밖의 반도체 재료; 및 MoSi₂ 또는 그 밖의 전도성 재료를 포함할 수 있다. 부스터 존 조성물은 통상적으로 상대적인 비율의 전도성 및 반도체 재료들(예를 들어, SiC와 MoSi₂)을 구비할 것이고, 이는 핫 및 콜드 존 조성물의 이러한 재료들의 비율의 중간에 해당한다. 바람직한 부스터 존 조성물은 약 60v/o 내지 70v/o의 질화 알루미늄, 산화 알루미늄, 또는 그 밖의 절연체 재료; 및 약 10v/o 내지 20v/o의 MoSi₂ 또는 다른 전도성 재료와, 잔여 성분으로 SiC와 같은 반도체 재료를 포함한다. 본 발명의 점화기에서 사용되기 위한 특히 바람직한 부스터 존 조성물은 14v/o의 MoSi₂, 20v/o의 SiC, 잔여 v/o의 Al₂O₃를 포함한다. 본 발명의 점화기에서 사용되기 위한 특히 바람직한 부스터 존 조성물은 17v/o의 MoSi₂, 20v/o의 SiC, 잔여 성분으로 Al₂O₃를 포함한다. 본 발명의 점화기에서 사용되기 위한 다른 특히 바람직한 부스터 존 조성물은 14v/o의 MoSi₂, 20v/o의 SiC, 잔여 v/o의 AlN을 포함한다. 본 발명의 점화기에서 사용되기 위한 또 다른 특히 바람직한 부스터 존 조성물은 17v/o의 MoSi₂, 20v/o의 SiC, 잔여 성분으로 AlN을 포함한다.

세라믹 성분을 가공하는 것(즉, 그린 몸체 및 소결 조건들)과 조밀화된 세라믹으로 가열 소자를 제조하는 것은 종래의 방법들에 의해 또한 전술한 바와 같이 수행될 수 있다. 윌킨스의 미국 특허 제5,786,565호와 액셀슨 등(Axelson et al.)의 미국 특허 제5,191,508호를 참조한다.

바람직한 제조 방법은 사출 성형 기술의 사용을 포함한다. 그러므로, 예를 들어, 베이스 소자는 제1 비저항을 갖는 세라믹 재료(예를 들어, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)를 로드 형상과 같은 원하는 베이스 형상을 정의하는 금형 소자로 사출 도입하여 형성될 수 있다. 베이스 소자는 이러한 제1 금형에서 분리되어 별개의 제2 금형 소자에 위치될 수 있고, 상이한 비저항을 갖는 세라믹 재료-예를 들어, 전도성 세라믹 재료-가 점화기 소자의 전도성 영역(들)을 제공하기 위해 제2 금형으로 사출될 수 있다. 유사한 방식으로, 베이스 소자는 이러한 제2 금형에서 분리되어 다른 별개의 제3 금형 소자에 위치될 수 있고, 상이한 비저항을 갖는 세라믹 재료-예를 들어, 저항성 핫 존 세라믹 재료-가 점화기 소자의 저항성 핫 또는 점화 영역(들)을 제공하기 위해 제3 금형으로 사출될 수 있다.

대신으로, 다수의 별개의 금형 소자를 사용하는 것보다는, 상이한 비저항을 갖는 세라믹 재료들이 동일한 금형 소자에 순차적으로 진입되거나 사출될 수 있다. 예를 들어, 소정 체적의 제1 세라믹 재료(예를 들어, 절연체 또는 히트 싱크 영역으로서 기능할 수 있는 세라믹 재료)가 원하는 베이스 형상을 정의하는 금형 소자로 도입될 수 있고, 이후에 상이한 비저항을 갖는 제2 세라믹 재료가 형성된 베이스에 적용될 수 있다.

세라믹 재료는 하나 이상의 세라믹 분말과 같은 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 유체 형태로 금형 소자에 진입(사출)될 수 있다.

예를 들어, 하나 이상의 세라믹 분말을 알코올 등과 같은 하나 이상의 혼화성 유기 용매를 포함하는 수용액 등의 수용액과 혼합하여 제공된 페이스트와 같이, 세라믹 분말의 슬러리 또는 페이스트형 조성물을 제조할 수 있다. 압출을 위한 바람직한 세라믹 슬러리 조성물은 물의 유체 조성물 내에서 MoSi₂, Al₂O₃, 및/또는 AlN과 같은 하나 이상의 세라믹 분말을 선택적으로 셀룰로오스 에테르 용매, 알코올 등과 같은 하나 이상의 수용성-혼화성 유기 용매와 같은 하나 이상의 유기 용매와 함께 혼합하여 제조될 수 있다. 세라믹 슬러리는 또한 그 밖의 재료들, 예를 들어 하나 이상의 유기 가소제 화합물을 선택적으로 하나 이상의 고분자 바인더와 함께 포함할 수 있다.

매우 다양한 형상-성형 또는 유도 소자들이 점화기 소자를 형성하기 위해 사용될 수 있고, 소자는 형성된 점화기의 원하는 형상에 대응하는 구성을 갖는다. 예를 들어, 로드 형상의 소자를 형성하기 위해, 세라믹 분말 페이스트는 원통형 다이 소자로 사출될 수 있다. 각주형 또는 장방형 점화기 소자를 형성하기 위해, 장방형 다이를 사용할 수 있다.

세라믹 재료(들)을 금형 소자로 진입한 후에, 정의된 세라믹 부분은 적절하게 임의의 용매 (수용성 및/또는 유기) 캐리어를 제거하는데 충분한 시간 동안 예를 들어 50℃ 또는 60℃ 초과에서 건조된다.

이후에, 가열 소자는 1500℃, 1600℃, 1700℃, 또는 1800℃ 초과와 같은 열처리에 의해 (예를 들어, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99% 초과까지) 추가로 조밀화될 수 있다. 최종 밀도를 달성하기 위해 원하는 만큼 단일 또는 다수의 열처리를 수행할 수 있다.

본 발명의 가열 소자는 노와 요리 기구와 같은 기체상 연료 점화 응용, 베이스보드 히터, 보일러, 스토브 탑을 포함하여, 다양한 응용에서 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 가열 소자는 가스로 뿐만 아니라 스토브 톱 가스 버너를 위한 점화 소스로서도 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 가열 소자는 순간 온수기 등을 위한 가열 연료(가스)의 점화에서와 같이 신속한 점화가 유리하거나 요구되는 경우에 특히 유용하다. 가열 소자는 또한 다양한 차량용(자동차용, 수상용) 백열 플러그로서 사용될 수 있다.

본 발명은 후술하는 비제한적인 예들에 의해 설명된다. 본 명세서에 언급된 모든 문헌들은 전체가 참고로서 이에 포함된다.

예 1: 가열 소자 제조

저항성 조성물(20vol%의 MoSi₂, 5vol%의 SiC, 74vol%의 Al₂O₃, 1vol%의 Gd₂O₃), 전도성 조성물(28vol%의 MoSi₂, 7vol%의 SiC, 64vol%의 Al₂O₃, 1vol%의 Gd₂O₃), 절연성 조성물(10vol%의 MoSi₂, 89vol%의 Al₂O₃, 1vol%의 Gd₂O₃)의 분말들을 10wt% 내지 16wt%의 유기 바인더(약 6wt% 내지 8wt%의 야채 쇼트닝, 2wt% 내지 4wt%의 폴리스티렌, 2wt% 내지 4wt%의 폴리에틸렌)와 혼합하여, 약 62vol% 내지 64vol%의 고체가 로딩된 세 개의 페이스트를 형성한다. 세 개의 페이스트는 공동 사출 성형기의 용기 내부로 로딩된다. 제1 단계는 지지 베이스를 형성하는 절연성 페이스트에 의해 모래 시계 형상의 횡단면을 갖는 공동을 채우는 것이다. 상기 부분은 제1 공동에서 분리되어 제2 공동에 배치된다. 제2 단계는 전도성 페이스트에 의해 공동 벽과 제1 단계에 의해 한정된 체적의 하부 절반을 채우는 것이다. 상기 부분은 제2 공동에서 분리되어 제3 공동에 배치된다. 제3 단계는 도 5에 도시된 구성을 가지며 전도성 레그에 연결되고 절연체에 의해 분리되는 머리핀 형상의 저항기를 형성하는 저항성 페이스트에 의해 공동 벽과 제1 단계와 제2 단계에 의해 한정된 체적을 채우는 것이다. 다음으로, 상기 부분은 잔여 바인더를 제거하기 위해 24 시간 동안 500℃로 Ar 또는 N₂ 내에서 열적으로 바인더 제거되고, 1 대기압의 아르곤 내에서 1750℃로 이론상으로는 95% 내지 97%까지 조밀화된다.

본 발명은 특정한 실시예들을 참조하여 상세히 설명되었다. 그러나, 당해 기술의 숙련자들이 본 개시의 고려 시에 본 발명의 정신 및 범주 내에서 변형 및 개선을 이룰 수 있음은 물론이다.

Claims (19)

1. 외부 전기 경로, 및 전기 리드를 수용하기 위한 요홈부를 포함하는 세라믹 가열 소자.
2. 제1항에 있어서, 전도성 존은, 가열 소자의 상당 길이에 대해, 가열 소자의 베이스 부의 전도성 존의 횡단면과 대략적으로 같거나 더 큰 횡단면을 갖는, 세라믹 가열 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가열 소자는 가열 소자 길이의 적어도 일부분에 대해 라운딩된 횡단면 형상을 갖는, 세라믹 가열 소자.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 소자는 상이한 전기 비저항을 갖는 다수의 영역을 포함하는, 세라믹 가열 소자.
5. 제1 내지 제4 중 어느 한 항에 있어서, 가열 소자는 제1 전도성 존, 저항성 핫 존, 제2 전도성 존을 전기 시퀀스로 포함하는, 세라믹 가열 소자.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 소자는 가열 소자 길이의 적어도 상당 부분에 대해 사실상 일정한 폭을 갖는, 세라믹 가열 소자.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 요홈부의 벽들은 전도성 존과 절연체 존의 부분들을 포함하는, 세라믹 가열 소자.
8. 제7항에 있어서, 요홈부 벽들의 표면적은 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90%까지 전도성 존에 의해 형성되고, 요홈부 벽들의 표면적의 잔여 부분은 절연체 존에 의해 형성되는, 세라믹 가열 소자.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 요홈부는 내향 테이퍼된, 세라믹 가열 소자.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 소자는 그 사이에 더 저항성인 점화 존이 개재되는 제1 전도성 존과 제2 전도성 존을 포함하고, 제1 전도성 존은 제2 전도성 존보다 더 큰 길이를 갖는, 세라믹 가열 소자.
11. 제10항에 있어서, 제2 전도성 존의 길이는 제1 전도성 존의 길이의 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10% 이하인, 세라믹 가열 소자.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 가열 소자의 전기 경로는 제1 전도성 존으로부터 점화 존까지 연장되고 다음으로 제2 전도성 존까지 차례로 연장되는, 세라믹 가열 소자.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전도성 존이 아닌 제1 전도성 존이 요홈부에 접촉하는, 세라믹 가열 소자.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 가열 소자를 가로질러 전류를 인가하는 단계를 포함하는 가스 연료의 점화 방법.
15. 제14항에 있어서, 전류는 6볼트, 8볼트, 10볼트, 12볼트, 24볼트, 120볼트, 220볼트, 230볼트, 또는 240볼트의 공칭 전압을 갖는, 가스 연료의 점화 방법.
16. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 가열 소자를 포함하는 가열 장치.
17. 제16항에 있어서, 가열 장치는 점화기 소자를 포함하는 조리 유닛인, 가열 장치.
18. 제16항에 있어서, 가열 장치는 백열 플러그인, 가열 장치.
19. 제16항에 있어서, 가열 장치는 차량용 백열 플러그인, 가열 장치.
    

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