KR20100098702A

KR20100098702A - 시이드형 예열 플러그

Info

Publication number: KR20100098702A
Application number: KR1020107015756A
Authority: KR
Inventors: 존 호프만; 산드로 고렛티; 카밀로 레나; 윌리암 월커; 마르셀로 키노
Original assignee: 페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-09-08
Also published as: WO2009079530A3; CN101896772B; WO2009079530A2; CN101896772A; US20090184101A1; EP2229557A2; JP2011506910A

Abstract

환형 금속 셸, 열전도성 관형 시이드, 중앙 전극, 저항가열 소자, 및 전기 절연성, 열전도성 파우더를 포함하는 예열 플러그는 상기 관형 시이드 내에서 시일된 공동을 형성하기 위하여 상기 시이드 및 전극과 실링결합되는 글래스 시일을 포함한다. 상기 글래스 시일은 규산염, 붕산염 및 붕규산염 글래스를 포함하고, 크롬, 코발트, 니켈, 철 및 구리의 산화물과 같은 하나 이상의 천이 금속 산화물을 포함한다. 상기 글래스는 또한 석영, 유크립타이트, 백류석, 근청석, 베타-스포듀민, 글래스-세라믹, 저-팽창 글래스(CTE<5ppm/℃), 멀라이트, 지르콘, 지르코니아 및 알루미나로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 한 구성요소인 세라믹 옥사이드를 포함한 필러를 포함한다. 시일된 공동은 보호용 불활성 가스를 수용한다. 저항가열 소자는 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오브, 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함한 합금, 텅스텐, 또는 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속으로 형성될 수 있다.

Description

시이드형 예열 플러그{SHEATHED GLOW PLUG}

본 발명은 전반적으로 예열 플러그에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시이드형 예열 플러그에 관한 것이다.

디젤 엔진 장치에 사용되는 플러그와 같은 시이드형 예열 플러그는, 일반적으로 와선형으로 감긴 저항 와이어와 같은 하나 이상의 저항 소자를 포함하는 전기 저항 가열기를 구비하는데, 이 저항 소자는 전기 절연성이고 열전도성인 파우더, 예컨대 마그네슘 산화물에 묻혀 있어서 관형 시이드의 폐쇄된 자유 단부와의 전기적 접속을 제외하고는그것이 수용되어 있는 관형 시이드와 전기적으로 절연되어 있다. 하나의 전기 저항 소자를 사용하는 예열 플러그는 포지티브 온도 계수 특성(PTC 특성)을 가지며, 2개의 직렬 접속된 전기 저항이 사용되는 경우에, 예열 플러그의 전극과 접속된 전기 저항이 관형 시이드의 폐쇄된 자유 단부와 접속된 저항 보다 높은 PTC 특성을 가진다.

하나 이상의 저항 소자를 구비하는지에 대한 여부에 상관없이 상기 기재한 타입의 예열 플러그는 저항 소자가 절연 파우더에 완전하게 파묻히도록 하고, 상기 절연 파우더는 엘라스토머제의 O링(O-ring) 시일이나 여러 시일 형상을 사용하여 관형 시이드내에 실링된다. 이들 O링시일은 Dupont사가 Vit^®이라는브랜드로 판매하는 것과 같은 다양한 불소중합체를 포함하는 다양한 엘라스토머나 플라스틱을 사용하여 만들어져 왔다. 시일을 형성할 때, 산소가 파우더의 틈 내에 통상적으로 존재하며, 따라서, 저항 소자가 산소의 영향을 받아서 잠재적으로 산화되기 쉽다. O링시일이 예열 플러그 장치에 사용되어 오고 있지만, 이들의 유효한 작동 온도 범위는 대략 150-200℃ 정도이다. 최근에는, 작동 온도 범위가 보다 고온이어서 O링시일의 사용이 부적합한 예열 플러그 장치가 요구되고 있다.

예열 플러그가 작동되는 동안에 발생하는 열 사이클링 내내, 와이어의 표면은 산화되고, 상기 와이어의 유효 단면적이 감소되어, 결국 와이어의 과열과 가열 소자의 파손을 야기시키는 보다 고밀도의 전류가 와이어 부분에서 발생한다. 이러한 파손에 영향을 미치는 요인은 고무나 플라스틱 개스킷 또는 O링에 의해 제공된 불완전한 시일인데, 이에 따라 산소 및 수증기가 패킹된 파우더 베드에 스며들어 가열 소자 와이어와 반응하며, 상기 기재한 바와 같은 산화 및 유효 단면적 감소를 초래한다. 산화마그네슘과 수증기가 반응하게 되면 금속 저항 와이어를 부식시키거나 산화시킬 수 있는 수산화마그네슘을 형성하게 되고, 이에 따라, 예열 플러그가 사용되지 않을 때조차도 부품이 파손될 수 있다. 또한 산화마그네슘 파우더의 표면상에서 흡수되는 가스와 같은 다른 물질들 또한 가열 소자 와이어의 열화에 기여할 수 있다. 이와 같은 파손 메카니즘은 예열 플러그의 작동 수명을 감소시키거나 제한하게 된다.

상기 사항을 감안하면, 200℃를 넘는 작동 온도에서 사용될 수 있고, 고온에서 견딜 수 있는 저항 소자를 구비하고, 또한 전극과 시이드 사이의 시일을 향상시킬 수 있는 예열 플러그가 요구된다.

본 발명의 일 태양에 의해, 예열 플러그용 시이드형 가열기가 제공되며, 상기 시이드형 가열기는 축방향으로 뻗어있는 보어를 구비한 환형 금속 셸; 상기 환형 금속 셸과 전기 접속된 상태로 상기 보어 내에 배치된 개방 단부와, 상기 보어로부터 돌출한 폐쇄 단부를 구비한 전기 전도성 및 열전도성 관형 시이드; 상기 관형 시이드의 상기 개방 단부로 뻗어있는 전극; 상기 전극과 전기 접속되는 근접 단부와, 상기 시이드의 상기 폐쇄 단부와 전기 접속되는 원위단부를 구비하며 상기 관형 시이드 내에 배치되는 저항가열 소자; 상기 시이드 내에 배치되고 상기 저항가열 소자를 둘러싸는 전기 절연성, 열전도성 파우더; 및 개방 단부에 배치되고 상기 시이드 및 상기 전극과 실링결합되는 글래스 시일;을 포함한다. 상기 가열기 조립체는 예열 플러그를 형성하기 위하여 상기 환형 셸 내로 삽입된다. 사용된 글래스 시일은 기밀특성(hermeticity)을 향상시켜서 저항가열 소자의 주위환경의 열화에 대한 저항을 향상시키고, 예열 플러그의 작동 온도 범위가 600-800℃에 이르게 한다.

또 다른 태양으로서, 시일의 글래스는 규산염 글래스(silicate glass), 붕산염 글래스(borate glass) 및 붕규산염 글래스(borosilicate glass)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 상기 글래스는 실질적으로 납을 포함하지 않는 것이 바람직하다.

또 다른 태양으로서, 상기 글래스는 상기 글래스의 구성요소로서 천이 금속의 산화물(oxide)을 포함한다. 상기 천이 금속은 크롬, 코발트, 니켈, 철 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 옥사이드는 글래스의 10 몰 퍼센트 이하 일 수 있다.

또 다른 태양으로서, 글래스는 재결정화된 미세조직(microstrusture)을 포함한다.

재결정화된 미세조직은 글래스의 90 볼륨 퍼센트 이상을 포함할 수 있다.

또 다른 태양으로서, 글래스는 상기 글래스의 성분(constituent)로서 필러(filler)를 포함한다. 상기 필러는 세라믹 옥사이드를 포함한다. 상기 세라믹 옥사이드는 석영(quartz), 유크립타이트(eucryptites), 근청석(cordiertes), 글래스-세라믹, 멀라이트(mullite), 알루미나, 지르콘(zircon), 지르코니아(zirconia), 베타-스포듀민(beta-spodumene), 저-팽창 글래스(low-expansion glass, CTE<5ppm/℃) 및 백류석(leucite)으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

또 다른 태양으로서, 상기 관형 시이드는 개방 단부 근방에서 직경감소부가 구비되도록 상기 관형 시이드의 그 길이방향을 따라서 변화하는 외경을 가진다. 외경과 직경감소부의 직경차이는 대략 0.4mm이다. 글래스 시일은 일정한 길이를 가지고 있고, 직경감소부도 일정한 길이로를 가지고 있으며, 상기 직경감소부의 길이는 상기 글래스 시일의 길이보다 더 길다. 일 실시예에 있어서, 직경감소부의 길이는 대략 8mm이다. 시이드는 금속으로 이루어질 수 있다. 시이드는 변형된 미세조직을 구비할 수 있다.

또 다른 태양으로서, 글래스 시일은 시이드에 의해 제공된 공동을 둘러싸는 기밀 시일을 포함하고, 상기 공동 내에 배치된 보호 가스를 더 포함한다. 보호 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

또 다른 태양으로서, 저항가열 소자는 금속 와이어 스파이럴을 포함한다. 금속 와이어 스파이럴은 순수 니켈, 니켈 합금, 니켈-철-크롬 합금 및 철-코발트 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어질 수 있다.

또 다른 태양으로서, 저항가열 소자는 금속 와이어 스파이럴을 포함한다. 상기 금속 와이어 스파이럴은 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오븀(niobium), 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함하는 합금들, 텅스텐, 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어진다.

또 다른 태양으로서, 열 전도성, 전기 절연성 파우더는 마그네슘 옥사이드를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따라, 예열 플러그용 가열기 조립체를 만드는 방법이 제공된다. 본 발명의 방법은 개방 단부와 폐쇄 단부를 구비한 전기 전도성 및 열전도성 관형 시이드를 제공하는 단계를 포함하고, 전극의 일단부와 전기 접속되는 저항가열 소자를 구비한 전극을 제공하는 단계를 더 포함한다. 더욱이, 본 발명의 방법은 저항가열 소자를 시이드의 개방 단부로 연장하는 단계와, 상기 시이드의 폐쇄 단부를 형성하기 위하여 저항가열 소자의 한 단부를 상기 시이드의 말단부와 연결하는 단계를 포함한다. 그리고 나서, 본 발명은 시이드와 저항가열 소자 사이의 공동 내에 전기 전도성, 열전도성 파우더를 배치하는 단계를 포함한다. 이후, 수증기 및/또는 산소의 공동으로의 잠재적인 침투를 방지하기 위해 상기 공동을 폐쇄하기 위하여, 시이드의 개방단부에 그리고 시이드와 전극과의 기밀결합부사이에 기밀 시일을 형성한다.

또 다른 태양으로서, 본 발명의 방법은 기밀 시일을 형성하기 전에 불활성 가스를 공동 내로 불어 넣음으로써 상기 공동 내에 있는 산소를 빼내는 단계를 더 포함한다.

불활성 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

또 다른 태양으로서, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오브, 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함하는 합금들, 텅스텐, 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 저항가열 소자를 선택하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 태양으로서, 본 발명의 방법은 글래스 시일으로서 기밀 시일을 형성하는 단계를 포함한다.

또 다른 태양으로서, 본 발명의 방법은 시일의 글래스를 규산염 글래스, 붕산염 글래스 및 붕규산염 글래스로 이루어진 한 그룹으로부터 선택하는 단계를 포함한다.

또 다른 태양으로서, 본 발명의 방법은 글래스의 구성요소로서 천이 금속의 옥사이드를 포함하는 글래스를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 천이 금속은 크롬, 코발트, 니켈, 철 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

또 다른 태양으로서, 본 발명의 방법은 글래스의 구성요소로서 필러를 포함하는 글래스를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 필러는 세라믹 옥사이드를 포함한다. 세라믹 옥사이드는 석영, 유크립타이트, 근청석, 글래스-세라믹, 규산알루미늄, 알루미나, 지르콘, 지르코니아, 베타-스포듀민, 저-팽창 글래스 (CTE<5ppm/℃) 및 백류석으로 이루어진 그룹으로 선택될 수 있다.

또 다른 태양으로서, 본 발명의 방법은 글래스 프리포옴을 시이드의 개방 단부로 삽입하고, 글래스를 용융시켜 글래스 시일을 형성하기에 충분한 시간과 온도로 글래스 프리포옴을 가열함으로써 글래스 시일을 형성하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 시이드형 가열기 조립체와 예열 플러그의 부분 단면도이고;
도 2는 본 발명의 관형 시이드의 프리포옴의 단면도이고;
도 3은 본 발명의 저항가열 소자의 정면도이고;
도 4A는 전극과 관형 시이드 사이의 환형 갭에 삽입된 글래스 프리포옴의 개략적인 단면도이고;
도 4B는 도 4A의 글래스 프리포옴을 용융시켜서 만든, 전극과 관형 시이드 사이의 환형 갭의 글래스 시일의 개략적인 단면도이고; 및
도 5는 본 발명의 예열 플러그를 제조하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.

본 발명의 구성에 의하면 향상된 시일과 가열 소자 조립체를 구비한 예열 플러그가 제공되며, 상기 가열 소자 조립체는 파우더에 삽입된 스파이럴 와이어 가열 소자와 열전도성 및 전기 절연성 파우더가 산소 및 수증기에 보다 적게 노출되게 하고, 이에 따라 상기 기재한 바와 같은 열화 과정을 제거하거나 실질적으로 감소시킨다. 본 발명의 예열 플러그에 있어서 시일이 설치되는 동안에 산소 및 수증기가 파우더 베드 내에서 제거되거나 실질적으로 감소하는 방식으로 구성요소가 처리된다. 일단 시일이 설치되면, 상기 시일은 산소 및 수증기가 포함된 주위 대기가 절연 파우더에 스며들어 와이어 가열 소자에 도달할 수 있는 능력을 제거하거나 크게 감소시키고, 이에 따라 상기 기재한 바와 같이 와이어 가열 소자의 잠재적인 열화가 방지된다.

본 발명의 예열 플러그 조립체와 예열 플러그 가열기 조립체는 O링 시일과 같은 엘라스토머 시일이나 플라스틱 시일 대신에 글래스 또는 글래스-세라믹 시일을 사용한다. 글래스나 글래스-세라믹 시일은 셸과 전극 사이에 전기 저항을 제공하고, 저항가열 소자를 포함한 파우더 베드와 주변 대기 사이에 기밀 시일을 생성한다. 글래스 실링재는 프리포옴으로서, 또는 그 자리에서 탬핑(tamping)이나 압축(compaction)에 의해 성형된 느슨한 파우더로 된 것으로서 예열 플러그 조립체에 위치된다. 프리포옴은 압축된 파우더나 미소결 분말성형체나 실질적으로 완전 조밀한 글래스 튜브의 일부를 포함할 수 있다. 글래스 프리포옴은 글래스를 용융시켜 글래스가 전극 및 시이드에 접합되도록 가열된다. 글래스 실링재는 글래스가 변태시키고, 재결정화된 글래스 세라믹이 형성되도록 열처리될 수도 있다. 시일을 형성하기 위하여 예열 플러그 가열기 조립체를 가열하면 마그네슘 옥사이드 파우더에서 기체가 건조되며, 이는 가열 소자 와이어를 열화시키는 것으로 알려진 산소 및 물과 같은 잠재적인 반응물 종(reactant species)을 제거한다. 본 발명의 바람직한 방법은 가열기 조립체를 진공 및/또는 불활성 가스 분위기에서 가열하여 상기 반응물 종을 보다 완벽하게 제거하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따라 예열 플러그를 제조할 시, 상기 예열 플러그는 엘라스토머 시일이나 플라스틱 시일과 관련하여 상기 기재한 바와 같은 잠재적인 악영향이 실질적으로 발생하지 않도록 그 사용 수명이 길어질 수 있는 한편, 초 고온의 엔진 장치의 사용 환경에서도 작동될 수 있다.

도면을 보다 상세하게 살펴보면, 도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 예열 플러그(10)가 도시되어 있다. 예열 플러그(10)는 환형 금속 셸(12)을 구비하며, 상기 환형 금속 셸은 상기 금속 셸(12)의 길이방향 축선(15)을 따라서 뻗어있는 보어(14)를 구비한다. 금속 셸(12)은 다양한 등급의 스틸과 같은 임의의 적당한 금속으로부터 형성되고, 또한 상기 금속 셸은 외측면(16) 및 보어(14)를 포함하는 표면에 니켈 코팅이나 니켈 합금 코팅과 같은 도금층이나 코팅층을 포함하며, 고온 산화 및 부식에 대한 셸(12)의 저항성을 향상시킨다. 즉, 셸(12)의 내고온산화성과 내부식성을 향상시킨다. 예열 플러그(10)는 또한 가열기 조립체(18)를 포함한다. 가열기 조립체(18)는 관형 시이드(20), 전극(22), 저항가열 소자(24), 절연 파우더 패킹재(26), 고체 상태의 물질에 의해 점유되지 않은 임의의 공간을 차지하고 있는 불활성 가스(27), 및 기밀 시일(특별히 언급되지 않았다면 이후 글래스 시일(28)이라 함)를 구비하여, 예를 들면, 산소 및 수증기와 같은 대기 종(atmospheric species)이 관형 시이드(20) 내의 시일된 영역에 들어가는 것을 방지한다.

관형 시이드(20)는 바람직하게는 금속으로 형성되어, 전기 전도 및 열전도 될 수 있다. 임의의 적당한 금속이 관형 시이드(20)를 형성하는데 사용되지만, 상기 금속은 고온, 특히 내연 기관의 작동과 관련하여 연소 가스와 반응물 종에 대한 내열 및 내부식성을 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예로서의 적당한 금속 합금은 니켈-크롬-철-알루미늄 합금이다. 관형 시이드(20)는 금속 셸(12)의 보어(14) 내에 배치되고 상기 금속 셸(12)과 전기 접속되는 개방 단부(30)와, 보어(14)로부터 돌출한 폐쇄 단부(32)를 구비한다. 관형 시이드(20)의 외경(D1)은, 개방 단부(30) 근방에서 직경감소부(34)를 가지도록 길이방향을 따라 변화한다. 외경(D1)은 임의의 적당한 크기를 가질 수 있는데, 여러 종류의 예열 플러그 장치에 대한 전형적인 외경의 크기는 예를 들면 대략 4mm이다. 직경감소부(34)의 길이는 일반적으로 글래스 시일(28)의 길이보다 더 크다. 일 실시예에 있어서, 이로써 한정되는 것은 아니지만, 직경감소부(34)의 길이는 대략 8mm이다. 외경(D1)과 직경감소부(34)의 직경 차이는 필요에 따라 소정량 만큼일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 있어서는, 그 차이가 대략 0.4mm이다. 관형 시이드(20)는 냉간가공된 미세조직(cold-worked microstructure)와 같은 변형된 미세조직을 가지며, 이러한 냉간가공된 미세구조에서, 시이드 프리포옴(36)(도 2)은 직경을 감소시키고 시이드(20)의 절연 파우더(26)의 밀도를 증가시키기 위해 스웨이징 등의 방법으로 성형된다. 일 실시예에 있어서, 도 2에서 점선으로 개략적으로 도시한 바와 같이, 이와 같은 변형은 시이드 프리포옴(36)의 벽 두께를 대략 20% 감소시키는 정도에 이를 수 있다.

전극(22)은 시이드(20)의 개방 단부(30)로 뻗어있다. 상기 전극(22)은 임의의 적당한 전기 전도성 재료로 만들어질 수 있으나, 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 전극(22)은 스틸로부터 만들어진다. 스틸의 적당한 등급의 예에는 AISI 1040, AISI 300/400 군, EN 10277- 3 군; Kovar*UNS K94610 및 ASTM F15, 29-17 합금이 포함된다. 전극(22)의 외측면(38)은 일반적으로 가열기 조립체(18)에 조립되기 이전에 전극의 면에서 오일과 같은 휘발성 오염물이 제거되도록 완전하게 깨끗해져서, 전극(22)에 접합되는 글래스 시일(28)의 능력을 보강시킨다. 글래스 시일(28) 근방에서 전극(22)의 외측면(38) 또한 산화될 수 있다. 산화가 시작될 때, 산화물 층은 필요한 접착력을 제공하기에 충분한 두께로 형성되는데, 대부분의 산화층의 범위는 대략 0.2-5.0 미크론이다. 또한, 전극(22)의 원위(遠位)단부(39)가 직경이 감소하는 식으로 형성되어, 저항가열 소자(24)가 전극(22)에 용이하게 끼워맞춰지고, 쇼울더(41)가 제공되어 상기 저항가열 소자를 착좌시켜서, 필요하다면, 상기 저항가열 소자의 부착부를 전극(22)과 결합된다.

저항가열 소자(24)는, 임의의 적당한 가열 장치를 제공받을 수 있으며, 예열 플러그(10)에 요구되는 시간/온도 가열 응답 특성에 따라 작동하는 동안에 임의의 적당한 저항 특성을 가지며, 그리고 대략 2000-3422℃ 사이의 초고온의 작동 온도를 견딜 수 있도록 제공될 수 있다. 포지티브 온도 계수 특성(PTC 특성)을 갖는 단일의 전기 저항 소자, 또는 직렬로 접속된 2개의 전기 저항 소자(도 3)를 포함한 소자가 제공될 수 있으며, 여기서 예열 플러그(10)의 전극(22)과 접속되는 제 1 저항 소자(40)는 관형 시이드(20)의 폐쇄 단부(32)와 접속되는 제 2 저항 소자(42)보다 PTC 특성이 뛰어나다. 따라서, 제 1 저항 소자(40)는 전류 리미터, 또는 레귤레이터 소자로서 작동하고, 제 2 저항 소자(42)는 가열 소자로서 작동한다. 스파이럴 와이어 저항가열 소자는 예를 들면 순수 니켈, 및 다양한 니켈, 니켈-철-크롬 합금 및 철-코발트 합금과 같은 금속으로 이루어진 임의의 적당한 재료로 만들어질 수 있다. 그러나, 초고온의 사용분야가 있다면, 저항가열 소자는 예를 들면, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오브, 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함하는 합금, 텅스텐, 몰리브덴과 같은 고온 저항 재료로부터 형성되는 것이 바람직하다. 다시 도 1 및 도 3을 살펴보면 스파이럴 와이어, 즉 2개의 저항 가열 소자(24)가 근접 단부(44)와 원위단부(46)를 갖는 관형 시이드(20)에 배치되며, 상기 근접 단부(44)는 전극(22)에 전기적으로 접속되고 용접과 같은 야금학적 접합(metallurgical bond)에 의해 기계적으로 고정되고, 상기 원위단부(46)는 시이드(20)의 폐쇄 단부(32)에 전기 접속되고 메탈본딩에 의해 기계적으로 고정된다. 저항가열 소자(24)의 원위단부(46)가 시이드 프리포옴(36)의 말단부(48)에 용접될 때, 이러한 기계적인 부착과 야금학적 접합이 형성된다(도 2). 이러한 용접은 또한 시이드 프리포옴(36)의 말단부의 개구(50)를 실링함으로써 관형 시이드(20)의 폐쇄 단부(32)를 형성한다.

전기 절연성, 열전도성 패킹 파우더(26)는 시이드(20)내에 배치되어, 전극(22)을 둘러싸고 시이드(20)의 공동(52)의 내부 공간과 저항가열 소자(24) 사이의 모든 공간을 완전하게 채운다. 파우더(26)는 마그네슘 산화물, 알루미늄 이산화물, 또는 멀라이트와 같은 임의의 적당한 전기 절연성 및 열전도성 파우더로 이루어질 수 있다. 압축되지 않은 파우더는 시이드 프리포옴(36)의 공동(52)에 삽입되는데, 상기 공동은, 저항가열 소자(24)를 시이드 프리포옴(36)에 부착하고 상기 부재들을 서로 부착시키는 용접에 의해 개구(50)를 폐쇄한 이후에, 환형 갭(54)을 사이에 두고 배치된 시이드(20)의 내부면(58)과, 전극(22)의 외측면(38) 및 저항가열 소자(24)의 외측면의 조합 사이의 공간이다. 환형 갭(54)의 두께는 임의의 적당한 두께일 수 있으나, 그러나, 대략 0.2-1.0 mm 사이의 환형 갭(54)의 폭이 저항 가열기 조립체(18)의 다양한 사용분야에 적당하다고 여겨진다. 환형 갭(54)의 폭은 시이드 프리포옴(36)의 근접 단부(30)에서의 전극(22)의 외경과 시이드 프리포옴(36)의 내경과의 직경 차이에 의해 결정된다. 일반적으로 공동(52)은 시이드 프리포옴(36)의 근접 단부에서의 목감소부(necked-down portion)인 환형 갭(54)의 공간을 포함하지 않는데, 이는 환형 갭(54)이 글래스 프리포옴(56)을 수용하도록 작동가능한 공간이기 때문이다; 그러나, 파우더는 글래스 시일(28)이 소정의 형상을 형성할 수 있도록 충분한 공간이 제공된다면 환형 갭(54)의 말단부 내로 약간 뻗어있을 수 있다. 파우더(26)를 시이드(20)의 공동에 투입한 이후, 흡수되어 있던 물을 파우더(26)로부터감소시키거나 제거하기 위하여 산소 분위기에 놓인 파우더(26)를 가열하는 것과 관련하여 시이드(20) 및 전극(22) 둘 다 산화될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전기 절연성, 열전도성 파우더(26)는 저항가열 소자저항가열 소자시이드 프리포옴(36)의 직경을 감소시켜 시이드(20)를 성형함에 따라 저항 가열 소자(24)의 주변에서 압축될 수 있는 마그네슘 산화물이다. 압축된 파우더(26)는 소정의 열 전도성을 제공하는 한편으로 저항 가열 소자(24)를 시이드(20)로부터 전기적으로 절연시키는 것을 제공한다. 또한 파우더(26)는 예열 플러그(10)의 넓어진 작동 온도 범위에서 반드시 사용될 수 있도록 작동해야 하며, 초 고온의 엔진 환경에서, 대략 2000-3422℃에 이르는 온도 범위에서도 작동될 수 있어야 한다.

불활성 가스(27)는 제한하고자 하는 의도 없이 예를 들면, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 또는 크세논일 수 있으며 이들에 한정되는 것은 아니다. 불활성 가스(27)는 공동이 산소로 채워지기 전에 공동의 모든 공간을 채우며, 이에 따라, 산소는 상기 공동으로부터 완전하게 빼내어진다. 따라서, 불활성 가스(27)는 시이드(20), 전극(22) 및 저항가열 소자(24) 사이의 모든 공간과 파우더(26)의 각각의 알갱이 사이의 모든 공간을 채우게 된다.

글래스 시일(28)은 시이드(20)의 개방 단부(30)에 위치하고, 환형 갭(54)에서 시이드(20) 및 전극(22)과 실링 결합한다. 파우더(26)를 공동(52)에 삽입한 다음에, 불활성 가스(27)를 그 자리에 채워넣음으로써 공동(52) 내의 모든 산소를 빼낼 때, 도 4A에 도시된 바와 같이 글래스 프리포옴(56)이 환형 갭(54)에 삽입된다. 글래스 시일그리고 나서, 바람직하게는 글래스를 용융시킨 후 냉각시키는 방식으로, 글래스 프리포옴(56)이 완전히 응집되고, 전극(22)의 외측면과 시이드(20)의 내측면(58)에 결합되도록 충분히 가열하여 도 4B에 도시된 바와 같이 글래스 시일(28)을 형성한다. 글래스 시일(28)은 셸(12)의 공동(52)과 파우더(26)와 보어(14) 사이에 기밀 시일을 형성하고, 이에 따라 보어(14)에 침투하는 연소 가스 및 주위 산소나 수증기와 같은 임의의 오염물이 공동(52)에 들어가는 것을 방지하게 된다.

글래스 프리포옴(56)의 성형은 글래스 파우더나, 압축된 미성형 분말성형체 프리포옴이나, 완전히 조밀한 글래스 튜브를 공급하는 것을 포함할 수 있는데, 글래스 파우더는 환형 갭(54)에 쏟아부어지고 다져져서 파우더가 압축되어 글래스 프리폼(56)을 형성하도록 하는 것이고, 압축된 미성형 분말성형체 프리포옴은 별도로 성형되고 환형 갭(54)에 단순히 삽입되는 것이며, 완전히 조밀한 글래스 튜브 조각은 적당한 길이로 절단되어 환형 갭(54)에 삽입된다. 예비-압축된 프리포옴이 사용되는 경우에, 가열기 조립체에 위치된 이후에 그리고 글래스 시일(28)을 형성하기 위하여 글래스를 용융시키기 이전에 압축이 또한 행해질 수 있다. 모든 방식의 프리포옴이 본 발명의 범주내에서 고려되며, 본 발명의 범주에는 상기 프리포옴이 단일 축 성형(Uniaxial Pressing)으로 또는 등방압 성형(Isostatical Pressing) 등으로 압축되어, 글래스의 연화점 이하의 온도로 소결하여, 예를 들면 가열기 조립체 내로의 배치와 같은 프리포옴의 처리가 원활해지기 위해 이론적으로 필요한 것의 약 95%에 이르도록 재료를 고결화 및 소결시킨다. 글래스 파우더는 가루식, 입자식, 및 분사-건조식 글래스 재료를 포함한다. 글래스 프리포옴이 가열기 조립체 내부의 그자리에서 압축되건 독립적인 별도의 프리포옴에서 압축되건 간에, 글래스 프리포옴(56)은 일반적으로 1-50 kpsi(6.9-340 MPa) 범위의 압력을 사용하여 압축될 것이다.

글래스 시일(28)은 규산염 글래스, 붕산염 글래스 또는 붕규산염 글래스를 포함하는 임의의 적당한 글래스로부터 임의로 조합하여 형성될 수 있다. 글래스나 글래스 조합물이 어느 하나의 타입 이상으로 사용되는 경우에, 보다 많은 양의 글래스의 글래스 천이 온도가 보다 적은 양의 글래스의 글래스 천이 온도보다 더 높은 것이 바람직하며, 상기 글래스 천이 온도의 차이는 대략 30℃ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한 보다 적은 양의 글래스의 양은 총 글래스 조성물의 대략 45 볼륨 퍼센트 이하인 것이 바람직하며, 상기 보다 적은 양의 글래스의 양은 대략 5-45 볼륨 퍼센트인 것이 보다 바람직하다. 사용된 글래스에는 실질적으로 납이 포함되지 않아야 바람직하다고 여겨진다. 글래스 재료는 글래스 가열기 조립체(18)가 작동되는 동안에, 특정 최대 작동 온도 이상의 대체로 100-300℃에서, 글래스가 연화되지 않는다는 것을 보장하도록 선택되어진다. 따라서, 대략 100-150℃의 종래기술의 예열 플러그의 최대 작동 온도와 유사한 최대 작동 온도를 갖는 장치에 사용되는 가열기 조립체(18)인 경우에, 일반적으로 글래스 천이 온도는 대략 200℃ 이상일 것이다. 보다 고온의 작동 온도, 예를 들면 600-800℃에서 사용하기 위한 가열기 조립체인 경우에, 일반적으로 글래스 천이 온도는 대략 700℃ 이상일 것이다. 글래스 시일(28)은 또한 글래스의 구성요소로서 천이 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 천이 금속 산화물은 크롬, 코발트, 니켈, 철 또는 구리의 산화물을 각각 포함하거나 이들을 조합하여 포함할 수 있다. 천이 금속 산화물이 사용되는 경우에, 일반적으로 상기 천이 금속 산화물은 글래스의 대략 10 몰 퍼센트 이하의 양만큼 사용될 것이고, 본 명세서에 기재한 바와 같이 글래스 프리포옴을 형성하기 전에 글래스 파우더에 또는 용융된 글래스를 글래스 프리포옴에 형성하기 전에 용융된 글래스에 직접적으로 미세한 특정 산화물 파우더로서 첨가될 수 있다. 글래스 시일(28)의 글래스는 그 조성으로서, 하나 이상의 세라믹 옥사이드의 필러로 이루어진 필러를 포함할 수도 있다. 세라믹 옥사이드는 석영, 유크립타이트, 백류석, 근청석, 베타-스포듀민, 글래스-세라믹스, 저-팽창 글래스(CTE<5ppm/℃), 멀라이트, 지르콘, 지르코니아 또는 알루미나를 각각 포함하거나 이들을 조합하여 포함할 수 있다. 필러가 사용된다면, 상기 필러는 글래스의 대략 45 볼륨 퍼센트 이하의 양이 사용되는 것이 바람직하다. 필러가 사용되는 경우에, 필러의 열팽창 계수(CTE)는 사용된 임의의 글래스의 열팽창 계수보다 대체로 작은 것이 바람직하다. 필러의 한 목적은 글래스의 파괴인성과 같은 인성을 강화시키는 것이다. 그러나 어느 경우에 있어서는, 백류석과 같은 글래스보다 더 높은 열 팽창 계수를 갖는 필러가 조합물의 열 팽창 특성을 조정하는데 있어서 바람직할 수 있다.

시이드(20)에 대해 전극(22)의 전기 절연을 제공하기 위하여, 일반적으로 글래스 시일(28)은 대략 -40 내지 3422℃의 가열기 조립체(18)의 작동 온도 범위에 걸쳐 인가되는 24V DC에 이르는 전압에 대해 적어도 대략 1kΩ의 저항을 갖는 것이 바람직하며, 상기 글래스 시일(28)은 그 두께를 통해, 그리고 시이드(20)와 전극(22)와의 접합면에서 10 bar에 이르는 외력에 견딜 수 있는 인장방향 및 전단방향으로의 기계적 강도를 가질 것이다.

글래스 시일(28)은 다른 여러 글래스에서 전형적으로 나타나는 비결정질 미세조직(microstructure)을 가지며, 적당한 서냉 공정으로 이어지는, 단일 공정의 램프(ramp), 소킹(soak) 또는 온도 유지 공정을 이용해서 형성된다. 부가적으로, 글래스 시일(28)을 적당한 조성물로써 열처리(즉, 램프 가열 이후 일정 온도에서 소킹)하여 재결정화된 미세조직을 형성할 수도 있다. 재결정화된 미세조직이 생기기 시작하면, 글래스의 90 볼륨 퍼센트 이상을 차지하는 것이 바람직하다. 글래스 프리포옴(56)은 임의의 적당한 열원이나 가열 방법을 사용하여 가열될 수 있으며, 상기 가열 방법에는 글래스 프리포옴(56)을 용융시키는데 충분하도록 전극(22)과 시이드(20) 중 어느 하나 또는 둘 다를 유도 가열하는 방법이 포함된다. 불활성 가스 분위기에 의해 가압된 챔버에서와 같이 임의의 적당한 열처리 분위기를 사용하여 열처리가 행해질 수 있다. 고압의 불활성 가스(27)를 사용함으로써, 잔여량의 불활성 가스(27)가 글래스 시일(28)이 형성되는 동안에 공동(52) 내에서 시일된다. 이러한 구성에 의한 장점은, 예열 플러그(10)가 작동 중일 경우에 저항가열 소자(24)를 계속 보호하기 위해 시일된 공동(52) 내에 있는 잔여량의 불활성 가스(27)를 실링할 뿐만 아니라, 파우더(26)에서 산소 및 수증기와 같은 흡수된 오염물을 빼낸다는 것이다.

전극(22), 시이드(20) 및 글래스 시일(28) 용 재료는 가열기 조립체의 전 작동 범위에 걸쳐 이런 접촉면에서 잠재적인 인장 응력을 회피하거나 최소화하기 위해, 또는 글래스에서 크랙의 발생이나 성장을 피하기에 충분한 정도에서 그러한 응력을 유지하도록, 특히 이들 재료의 상대적인 CTE의 관점에서 선택되어야 한다. 이들 재료는 특히 전극(22) 및 시이드(20)와의 각각의 접촉면에서 글래스 시일(28)을 압축 상태로 유지하는 CTE에 의해 선택되는 것이 바람직하다. 상기 기재한 응력 상태를 유지하기 위한 한 방법은 글래스 시일(28)의 CTE가 시이드(20) 및 전극(22)의 CTE와 거의 동일하게 되도록, 또는 글래스의 모든 조성물을 포함하는 글래스 시일(28) 재료의 CTE가 글래스 시일(28)을 형성하기 위해 필요한 공정을 포함하여 가열기 조립체의 작동 온도 범위에 걸쳐 시이드(20) 및 전극(22)의 CTE의 10% 이내에 있도록 상기 재료를 선택하는 것이다. 상기 기재한 응력 상태를 유지하기 위한 다른 방법은 글래스 시일(28)의 CTE가 시이드(20) 및 전극(22)의 중간 정도의 CTE가 되도록, 특히, 가열기 조립체의 작동 온도 범위에서 CTE_전극 < CTE_글래스 < CTE_시이드 이 되도록 상기 재료를 선택하는 것이다.

도 5를 살펴보면, 본 발명의 또 다른 태양에 따라, 예열 플러그(10)용 가열기 조립체(18)를 만들기 위한 본 발명의 방법(100)이 도시되어 있고, 상기 예열 플러그(10)는 개방 단부(30)와 폐쇄 단부(32)를 구비한 전기 전도성 및 열전도성 관형 시이드(20); 상기 관형 시이드의 상기 개방 단부로 뻗어있는 전극(22); 상기 전극(22)과 전기 접속되는 근접 단부(44)와, 상기 시이드(20)의 폐쇄 단부(32)와 전기 접속되는 원위단부(46)를 구비한 시이드(20)에 배치된 저항가열 소자(24); 상기 저항가열 소자(24)를 둘러싸고 상기 시이드(20) 내에 배치된 전기 절연성, 열전도성 파우더(26); 상기 관형 시이드(20), 전극(22), 저항가열 소자(24) 사이의 공간과 파우더(26)의 각각의 알갱이 사이의 공간을 완전하게 점유하고 있는 불활성 가스(21); 및 개방 단부(30)에 배치되고, 상기 관형 시이드(20) 및 상기 전극(22)과 실링 결합되는 글래스 시일(28);을 포함하며, 상기 예열 플러그(10)용 가열기 조립체(18)를 만들기 위한 본 발명의 방법(100)은 관형 시이드 프리포옴(36), 상기 전극(22) 및 저항가열 소자(24)를 형성하는 단계(110); 상기 전극(22)의 말단부(39)를 상기 저항가열 소자(24)의 근접 단부(44)에 부착하는 단계(120); 상기 저항가열 소자(24) 및 전극(22)을 관형 시이드 프리포옴(36)에 삽입하는 단계(130); 상기 관형 시이드(20)의 폐쇄 단부(32)를 형성하기 위하여 저항가열 소자(24)의 원위단부(46)를 관형 시이드 프리포옴(20)의 말단부(32)에 부착하는 단계(140); 상기 저항가열 소자(24)를 둘러싸기 위하여 파우더(26)를 시이드 프리포옴(36)에 삽입하는 단계(150); 글래스 프리포옴(56)을 개방 단부(30)에 삽입하는 단계(155); 글래스 프리포옴 및 파우더를 시이드 프리포옴(20)에 유지시키기 위하여 임시 시일을 삽입하는 단계(160); 관형 시이드(20)를 형성하기 위하여 시이드 프리포옴(36)의 외경부를 선택적으로 감소시키는 단계(165); 임시 시일을 증발시키는데 충분한 온도와 시간 동안에 글래스 프리포옴(56)을 진공에서 가열하는 단계(170); 글래스를 용융시키고 글래스 시일(28)을 형성하는데 충분한 온도와 시간 동안에 상대적 양압으로 글래스 프리포옴을 불활성 가스(27)에서 추가 가열하는 단계(175); 불활성 가스(27)에서 상대적 양압으로 예열 플러그를 냉각하는 단계(180); 및 가열기 조립체(18)를 환형 금속 셸(12)의 축방향으로 뻗어있는 보어(14)에 결합하는 단계(190)를 포함한다.

관형 시이드 프리포옴(36), 전극(22) 및 저항가열 소자(24)를 형성하는 단계(110)는 임의의 적당한 방법을 사용하며, 상기 적당한 방법에는 적당한 전극 재료의 와이어나 로드를 인발하는 단계처럼 상기 구성요소들을 형성하는 단계, 와이어나 로드를 적당한 길이로 절단하는 단계, 및 코이닝(coining)하는 단계, 기계가공하는 단계 또는 도 1에 도시된 바와 같이 요구되는 릴리프 특성을 형성하는 단계가 포함된다. 저항가열 소자(24)는 적당한 저항가열 재료의 와이어를 인발하고, 맨드릴 주변을 소정의 형태로 와인딩하며, 그리고, 2개의 부품으로 이루어진 가열 소자인 경우에, 제 1 저항 소자를 제 2 저항 소자에 결합함으로써 만들어질 수 있다. 관형 시이드 프리포옴(36)은 적당한 시이드 재료로 원통형 관을 형성함으로써 그리고 직경이 감소되는 단부를 형성함으로써 만들어져서, 이러한 특징적인 부분을 형성하는데 공지된 공정을 사용하여 소정의 테이퍼나 반경을 형성한다.

전극(22)의 말단부(39)를 저항가열 소자(24)의 근접 단부(44)에 부착하는 단계(120)는 저항가열 소자의 근접 단부와 전극 단부의 말단부의 외경이 접촉면을 형성하도록 성형하고 상기 전극의 말단부가 가열 소자의 근접 단부로 억지끼워맞춤되는 것으로 이루어질 수 있다. 이 단계 이후 각각의 재료를 결합하는데 적합한 임의의 용접 공정을 사용하여, 저항가열 소자의 근접 단부를 전극의 말단부에 용접하는 단계가 순차로 이어질 수 있다.

일반적으로, 저항가열 소자(24) 및 전극(22)을 관형 시이드 프리포옴(36)에 삽입하는 단계(130)는 저항가열 소자(24)의 원위단부(46)를 관형 시이드 프리포옴의 말단부(48)에 부착하여 시이드(20)의 폐쇄 단부(32)를 형성하는 단계와 결합될 것인데, 이는 상기 삽입하는 단계가 상기 부착하는 단계에 선행하여 필요한 단계이기 때문이다. 상기 삽입하는 단계(130)는 상기 구성요소가 서로에 대해 상기 기재한 바와 같이 방향 및 위치가 설정되게 하는 정착 고정구(dwelling fixture), 즉 지그를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 부착하는 단계(140)는 저항가열 소자(24) 및 시이드 프리포옴(36)을 결합하는 한편시이드 프리포옴(36)에서 개구(50)를 폐쇄하는 임의의 적당한 방법을 포함할 수 있다. 바람직하게, 부착하는 단계(140)는 이들 구성요소를 함께 용접하고, 시이드 프리포옴(36)의 개구(50)를 그 용접에 의해 폐쇄하는 단계를 포함한다.

저항가열 소자(24)를 둘러싸도록 파우더(26)를 시이드 프리포옴(36)에 삽입하는 단계(150)는 파우더(26)를 시이드 프리포옴에 넣는 임의의 적당한 방법을 사용하여 행해지는데, 상기 임의의 적당한 방법에는 압축되지 않은 파우더를 시이드 프리포옴(36)의 시일된 공동(52)으로 넣는 것이 포함된다. 전형적으로, 파우더가 삽입된 이후에 시이드 전극 조립체를 진동시켜 압축하는 것과 같이, 공동 내의 압축되지 않은 파우더를 다져서 저항가열소자(24) 내부 및 주변 공간을 채우는 방법도 사용되는 것이 바람직하다.

글래스 프리포옴(56)을 개방 단부(30)로 삽입하는 단계(155)는, 압축되지 않은 파우더, 미소결 분말성형체 프리포옴, 또는 완전 조밀한 글래스 튜브나 다른 형태의 프리포옴을 포함하는 임의의 적당한 글래스 프리포옴(56)을 사용하며, 프리포옴(56)을 환형 갭(54)에 배치시키는 임의의 적당한 방법을 사용하고, 이러한 임의의 적당한 방법에는 자유-유동식(free-flowing)으로 파우더를 쏟아붓거나, 또는 압력에 의해 파우더를 주입하거나, 또는 고정된 형상을 유지하고 있는 프리포옴을 환형 갭(54)에 배치시키는 것이 포함된다.

글래스 프리포옴(56) 및 파우더를 프리포옴 내에 유지시키기 위하여 임시 시일을 삽입하는 단계(160)는 글래스 프리포옴(56)을 시이드(20)의 개방 단부(30) 내에 부착시키기 위해 PTFE 시일 링을 삽입하는 것에 의해 행해질 수 있다.

본 발명의 방법(100)은 또한 선택적으로 관형 시이드(20)를 형성하도록 시이드 프리포옴(36)의 외경부를 감소시키는 단계(165)를 포함할 수 있다. 이로써 파우더(26)가 더욱 압축되고, 따라서 파우더의 열 전도성이 증가된다. 이는 또한 저항가열 소자(24)를 보다 단단하게 고정시키고, 시일된 공동(52) 내에서 저항가열 소자(24)가 이동하거나 진동할 기회를 감소시키는 데에 기여한다. 이 단계는 시이드 프리포옴(36)과 같은 관형 금속 프리포옴을 축소시키는 임의의 적당한 메카니즘과 방법에 의해 행해지며, 상기 임의의 적당한 메카니즘과 방법에는 스웨이징, 코이닝, 롤 성형 및 금속관의 직경을 감소시키기 위한 여러가지 공지된 방법이 포함된다. 시일을 파손시키거나 방해하는 것을 피하기 위해, 시이드 프리포옴(36)의 외측면을 축소시키는 것은 글래스 시일(28)과 인접한 외측면 부분에 대해서는 행해지지 않는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 글래스 시일(28)에 인접한 시이드 프리포옴(36)의 일부분의 직경이 시이드(20)의 외경(D1) 보다 더 작은 것이 바람직하다.

임시 시일을 증발시키는데 충분한 시간 동안에 글래스 프리포옴(56)을 진공에서 가열하는 단계(170)는 임시 시일을 증발시키는 한편, 존재할지도 모르는 임의의 산소를 공동(52)으로부터 제거하는 것도 포함한다.

글래스를 용융시키고 글래스 시일(28)을 형성하는데 충분한 온도에서 상대적 양압으로 글래스 프리포옴(56)을 불활성 가스(27)에서 가열하는 단계(175)는 시일된 공동(52)내의 산소가 빠져나와 생긴 임의의 공간을 불활성 가스(27)로 채우는 단계를 포함하며, 여기서의 가열에는 상기 기재한 바와 같은 방법을 포함하여, 임의의 적당한 가열 기구 및 방법을 이용할 수 있다. 예열 플러그(10)를 불활성 가스(27)에서 상대적적 양압으로 냉각하는 단계(180)는 시일된 공동(52) 내에 불활성 가스(27)를 유지시키고 사용 중일지라도 공동 외측의 산소가 공동 내로 들어가지 않게 하는 기밀 시일의 형성을 마무리하는 것을 포함한다.

예열 플러그(10)를 형성하기 위하여, 본 발명의 방법(100)은 또한 가열기 조립체(18)를 환형 금속 셸(12)의 축방향으로 뻗어있는 보어(14)에 결합하는 단계(190)를 추가적으로 포함할 수 있다. 이 단계는 체결 간극을 두고 가열기 조립체(18)를 보어(14)에 억지끼워맞춰서 시이드(20)의 말단부가 소정 길이만큼 노출되도록 시이드(20)의 외경부와 셸(12)의 축방향으로 뻗어있는 보어(14)의 크기를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

엘라스토머 시일의 사용을 배제하고, 보다 고온의 용융점과 고온에서 우수한 기계적 및 전기적 특성을 갖는 글래스 시일(28)을 사용하며, 전극(22), 시이드(20), 전기 저항 소자(24) 및 열전도성, 전기 절연성 파우더(26)용으로 고온 재료를 선택하고 사용함으로써, 본 발명의 예열 플러그(10)의 가열기 조립체(18)는 200℃ 보다 높은 온도에서의 작동에도 적합하다. 보다 특징적으로, 본 발명은 600℃ 보다 더 높은 온도, 더욱 특징적으로는 대략 3422℃에 이르는 작동에도 적합하다.

이상의 발명은 관련 규정에 따라 설명되었으며, 이런 설명은 본질적으로 한정적이기보다는 예시적이다. 개시된 실시예에 대한 변경이나 수정은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이며 본 발명의 범위에 속할 것이다. 따라서, 본 발명에 부여되는 법률적인 보호의 범위는 청구범위의 해석에 의해서만 결정될 수 있다.

Claims

축방향으로 뻗어있는 보어를 구비한 환형 금속 셸;
상기 환형 금속 셸과 전기 접속되는 상태로 상기 보어 내에 배치된 개방 단부와, 상기 보어로부터 돌출된 폐쇄 단부를 구비한 전기 전도성 및 열전도성 관형 시이드;
상기 전기 전도성 및 열전도성 관형 시이드의 개방 단부로 뻗어있는 전극;
상기 전극과 전기 접속되는 근접 단부와, 상기 관형 시이드의 상기 폐쇄 단부와 전기 접속되는 원위 단부를 구비하며 상기 관형 시이드에 배치되는 저항가열 소자;
상기 관형 시이드 내에 배치되고, 상기 저항가열 소자를 둘러싸는 전기 절연성, 열전도성 파우더; 및
상기 개방 단부에 배치되고, 상기 관형 시이드 및 상기 전극과 실링 결합하는 글래스 시일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 1 항에 있어서, 상기 글래스 시일은 규산염 글래스, 붕산염 글래스 및 붕규산염 글래스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 글래스를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 2 항에 있어서, 상기 글래스의 조성으로서 천이 금속의 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 3 항에 있어서, 상기 천이 금속은 크롬, 코발트, 니켈, 철 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 3 항에 있어서, 상기 옥사이드는 상기 글래스의 10 몰 퍼센트 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 2 항에 있어서, 상기 글래스는 재결정화된 미세조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 6 항에 있어서, 상기 재결정화된 미세조직은 상기 글래스의 90 볼륨 퍼센트 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 2 항에 있어서, 상기 글래스는 실질적으로 납을 포함하고 있지 않은 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 2 항에 있어서, 상기 글래스의 성분으로서 필러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 9 항에 있어서, 상기 필러는 세라믹 옥사이드인 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 10 항에 있어서, 상기 세라믹 옥사이드는 석영, 유크립타이트, 백류석, 근청석, 베타-스포듀민, 글래스-세라믹스, 저-팽창 글래스(CTE<5ppm/℃) , 멀라이트, 지르콘, 지르코니아 및 알루미나로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 1 항에 있어서, 상기 관형 시이드는 상기 개방 단부 부근에서 직경감소부가 구비되도록 상기 관형 시이드의 길이방향을 따라서 변화하는 외경을 가진 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 12 항에 있어서, 상기 글래스 시일은 길이를 가지며, 상기 직경감소부도 길이를 가지되, 상기 직경감소부의 상기 길이는 상기 글래스 시일의 상기 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 1 항에 있어서, 상기 공동 내에 배치되는 보호 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 14 항에 있어서, 상기 보호 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 1 항에 있어서, 상기 저항가열 소자는 금속 와이어 스파이럴로 이루어지는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 16 항에 있어서, 상기 금속 와이어 스파이럴은 순수 니켈, 니켈 합금, 니켈-철-크롬 합금 및 철-코발트 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
제 16 항에 있어서, 상기 금속 와이어 스파이럴은 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오브, 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함하는 합금, 텅스텐, 또는 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그.
개방 단부와 폐쇄 단부를 구비한 전기 전도성 및 열전도성 관형 시이드;
상기 관형 시이드의 상기 개방 단부로 뻗어있는 전극;
상기 관형 시이드에 배치되고, 상기 전극과 전기 접속되는 근접 단부와, 상기 관형 시이드의 상기 폐쇄 단부와 전기 전속되는 원위 단부를 구비한 저항가열 소자;
상기 관형 시이드 내에 배치되고, 상기 저항가열 소자를 둘러싸는 전기 절연성, 열전도성 파우더; 및
상기 개방 단부에 배치되고, 상기 관형 시이드 및 상기 전극과 실링 결합되는 글래스 시일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 19 항에 있어서, 상기 글래스 시일은 규산염 글래스, 붕산염 글래스 및 붕규산염 글래스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 글래스를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 20 항에 있어서, 상기 글래스의 조성으로서 천이 금속의 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 21 항에 있어서, 상기 천이 금속은 크롬, 코발트, 니켈, 철 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 20 항에 있어서, 상기 글래스의 성분으로서 필러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 23 항에 있어서, 상기 필러는 세라믹 옥사이드인 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 24 항에 있어서, 상기 세라믹 옥사이드는 석영, 유크립타이트, 백류석, 근청석, 베타-스포듀민, 글래스-세라믹스, 저-팽창 글래스(CTE<5ppm/℃), 멀라이트, 지르콘, 지르코니아 및 알루미나로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 19 항에 있어서, 상기 관형 시이드는 상기 개방 단부 근방에서 직경감소부가 구비되도록, 상기 관형 시이드의 길이방향으로 따라서 변화하는 외경을 가진 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 26 항에 있어서, 상기 글래스 시일은 길이를 가지며, 상기 직경감소부도 길이를 가지되, 상기 직경감소부의 상기 길이는 상기 글래스 시일의 상기 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 19 항에 있어서, 상기 공동에 배치된 보호 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 28 항에 있어서, 상기 보호 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 19 항에 있어서, 상기 저항가열 소자는 순수 니켈, 니켈 합금, 니켈-철-크롬 합금 및 철-코발트 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 금속 와이어 스파이럴을 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
제 19 항에 있어서, 상기 저항가열 소자는 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오브, 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함한 합금, 텅스텐 또는 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 금속 와이어 스파이럴을 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체.
관형 시이드 프리포옴, 전극 및 저항가열 소자를 형성하는 단계;
상기 전극의 말단부를 저항가열 소자의 근접 단부에 부착하는 단계;
상기 저항가열 소자 및 전극을 상기 관형 시이드 프리포옴에 삽입하는 단계;
상기 저항가열 소자의 말단부를 상기 관형 시이드 프리포옴의 말단부에 부착하여 상기 관형 시이드의 폐쇄 단부를 형성하는 단계;
전기 절연성, 열전도성의 파우더를 상기 시이드 프리포옴에 배치하여 상기 저항가열 소자를 둘러싸는 단계;
글래스 프리포옴을 상기 개방 단부에 삽입하는 단계; 및
글래스를 용융하여 글래스 시일을 형성하기에 충분한 시간 및 온도로 상기 글래스 프리포옴을 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체의 제조 방법.
제 32 항에 있어서, 상기 관형 시이드를 형성하기 위하여, 상기 시이드 프리포옴의 외경을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체의 제조 방법.
제 32 항에 있어서, 보호 가스의 블랭킷 아래에서 또는 진공하에서 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체의 제조 방법.
제 34 항에 있어서, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논으로 이루어진 그룹으로부터 상기 보호 가스를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체의 제조 방법.
제 32 항에 있어서, 상기 글래스 시일이 위치한 근방에 상기 전극이나 상기 시이드 중 어느 한 곳에 옥사이드 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체의 제조 방법.
제 32 항에 있어서, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 탄탈, 니오브, 티타늄, 바나듐, 오스뮴 및 크롬을 포함하는 합금, 텅스텐 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로 선택된 금속으로 상기 저항가열 소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예열 플러그용 가열기 조립체의 제조 방법.