KR20120026500A - 코로나 팁 절연기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대체로 자동차 등에서 공기/연료 혼합물을 점화시키는데 사용되는 코로나 방전 점화기에 관한 것이다. 상기 코로나 방전 점화기에 전압이 가해질 때 아크가 형성되는 것을 억제하기 위해서, 코로나 방전 점화기는 절연기의 팁에 경사진 오목부 또는 그루브와 같은, 다양한 형상과 구성을 가지고 있다. 팁의 형상 및 구성은 보다 강화된 전계를 생성하는 작은 반경을 제공하고 보다 우수한 연소를 제공한다.

Description

코로나 팁 절연기{CORONA TIP INSULATOR}
본 발명은 대체로 자동차 등에서 공기/연료 혼합물을 점화시키는데 사용되는 코로나 방전 점화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절연기의 팁에 경사진 오목부 또는 그루브를 가지고 있는 코로나 방전 점화기에 관한 것이다.
대체로 종래의 점화 플러그는 부분적으로 금속 셸 내에 배치되어 있으며 말단부를 향해서 축방향으로 뻗어 있는 세라믹 절연기를 이용한다. 전도성 단자는 말단부에서 중심 보어 내에 배치되어 있으며, 전도성 단자는 중심 보어 내에 배치되어 있는 중심 전극 조립체의 일부분이다. 반대쪽/코로나 형성 단부에는, 중심 전극이 절연기 내에 배치되어 있고 셸에 배치된 접지 전극과 함께 불꽃 간격(spark gap)을 한정하는 노출된 불꽃점화 표면을 가지고 있다. 광범위하게 다양한 단자, 셸 및 전극 구성을 수용하기 위해 다양한 상이한 절연기 구성이 사용된다.
미국 특허 제6,883,507호는 코로나 방전 공기/연료 점화 시스템에 사용하기 위한 점화기를 개시하고 있다. 전형적인 내연엔진에서는, 점화 플러그 소켓에 의해 점화 플러그의 전극이 연소실과 연통하도록 점화 플러그가 내연엔진에 부착될 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 피드스루(feed-through) 절연기(71a)는, 피드스루 절연기(71a)가 실린더 헤드(51)를 통과하여 연소실(50)로 뻗어나가면서 전극(40)을 둘러싸고 있다. 피드스루 절연기(71a)는 금속 실린더로 될 수 있는 전극 하우징(72)에 고정되어 있다. 전극 하우징(72)과 전극(40) 사이의 공간(73)은 유전성 기체(dielectric gas) 또는 압축 공기로 채워질 수 있다. 제어 전자장치 및 1차 코일 유닛(60), 2차 코일 유닛(70), 전극 하우징(72), 전극(40) 그리고 피드스루 절연기(71a)는 함께 공간(52) 속으로 삽입될 수 있는 점화기(88)를 형성한다. 점화기(88)는 작동하는 동안 실린더 헤드(51)속에 끼워질 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 전극(40)은 연소실(50) 내의 연료-공기 혼합물 속에 직접 배치된다. 다시 말해서, 전극(40)이 피드스루 절연기(71a)를 통해서 뻗어나와 연료-공기 혼합물에 직접 노출된다. 다른 실시예에서는, 전극(40)이, 연료-공기 혼합물에 직접 노출되도록 피드스루 절연기의 둘러싸는 절연 물질 바깥으로 뻗어나오지 않는다. 오히려, 전극(40)은 피드스루 절연기에 의해 덮혀있는 채로 남아있으며 피드스루 절연기의 전극 통과 부분의 전계에 따라 연소실(50) 내에 전계를 발생시킨다.
상기 점화기에 있어서, 피드스루 절연기는 질화붕소(BN)로 제작되어 있다. 질화붕소(BN)는 상기 사용처에 매우 바람직한 특성인 우수한 절연파괴강도(dielectric breakdown strength) 및 매우 작은 유전 상수를 가지고 있지만, 매우 연질의 재료이므로, 자동차 엔진 및 산업용 엔진에 실용적으로 사용하기에는 내구성이 불충분하다. 또한 질화붕소(BN)는 매우 비싼 재료이며 대량 생산을 위해 효율적인 방식으로 원하는 기하학적 구조의 절연기로 가공하기가 곤란하다.
렐바 씨 부카난(Relva C. Buchanan)이 저술한 출판물 "전자장치용 세라믹 재료(Ceramic Materials for Electronics)" 제3 판, 개정 확장본은 전기 회로를 절연시키고 전도체들을 물리적으로 분리시키며 전도체들 사이에 전류가 흐르는 것을 제한하거나 방지하는 역할을 수행하는 세라믹 절연기를 개시하고 있다. 절연체로서 세라믹의 주된 장점은 화학적 특성, 기계적 특성, 또는 유전적 특성(dielectric property)에 있어서 심각한 저하를 나타내지 않고서 고온에서 작동하는 능력이다. 특히, 상기 출판물에 개시된 재료의 종류는 선형 유전체(linear dielectrics)로 알려져 있고, 이 선형 유전체에서는 전기 변위(electrical displacement)(D)가 전계(electric field)(E)에 정비례하여 증가하는데, 여기서 비례상수는 물질의 비유전율(relative permittivity)(εr)과 진공의 비유전율(ε0)이다. 이것은 다음식 D = ε0εrE 로 표현되고, 상기 식에서 D = 전기 변위(V/m), E = 전계(V/m), ε0= 진공의 비유전율, 및 εr = 물질의 비유전율이다.
일반적으로, 본 발명은 자동차의 사용예 등과 같은 사용예에서 공기/연료 혼합물을 점화시키는데 사용되는 코로나 방전 점화기, 특히 절연기의 팁부분에 경사진 오목부 또는 그루브를 가지고 있는 코로나 방전 점화기를 제공하는 것이다.
본 발명은 폐쇄 단부 세라믹 절연기를 포함하고 있다. 절연기의 단부에는, 경사진 오목부 또는 그루브가 서로 직각으로 배향되어 있다. 경사진 오목부 또는 그루브로 인해, 그 주위 구역에서 전계 강도가 상승된다.
본 발명의 한 실시예에서는, 말단부 및 코로나 형성 단부를 가지고 있는 세라믹 절연기를 포함하고 있고, 상기 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는 코로나 형성 단부의 구역에서 전계 강도를 증가시키도록 형성되어 있는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기가 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상부 표면과 연소실 사이에서 반경방향으로 뻗어 있는 상부 쇼울더를 가지고 있으며 상기 상부 표면으로부터 상기 연소실까지 뻗어 있는 점화기 개구를 가지고 있는 실린더 헤드와, 코로나 점화기를 포함하고 있고, 상기 코로나 점화기는 말단부 및 코로나 형성 단부를 가지고 있는 세라믹 절연기를 포함하고 있고, 상기 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는 코로나 형성 단부의 구역에서 전계 강도를 증가시키도록 형성되어 있는 내연엔진이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 셸에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 세라믹 절연기를 가진 코로나 점화기를 제공하는 단계; 그리고 코로나 형성 단부의 구역에서 전계 강도를 증가시키기 위해서 점화기의 코로나 형성 단부를 형성하는 단계를 포함하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기를 형성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시형태에서는, 세라믹 절연기가 코로나 형성 단부에서 폐쇄되어 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 제1항에 있어서, 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는, 서로 직각으로 배향되어 있는 한 쌍의 경사진 오목부 또는 그루브; 편평한 원형 정상부; V자 형상으로 된 하나의 경사진 오목부 또는 그루브; 둥근 정상부; 별모양을 형성하는 오목부 또는 그루브를 가진 편평한 원형 정상부; 및 편평한 원형 정상부를 가진 원뿔 형상 중의 하나로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서는, 세라믹 절연기가 말단부로부터 코로나 형성 단부까지 길이방향의 보어 축을 따라서 뻗어 있는 내측 보어; 및 상기 내측 보어 내에 수용되어 있으며 코로나 형성 단부에서 세라믹 절연기에 의해 둘러싸여 있는 전극을 더 포함하고 있다.
본 발명의 상기 특징 및 장점과 본 발명의 다른 특징 및 장점은 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참고하면 당해 기술분야의 전문가가 보다 명확하게 이해할 수 있게 된다. 도면이 상세한 설명을 수반하여 아래에 설명되어 있다.
도 1은 종래 기술에서 알려져 있는 내연엔진의 코로나 방전 연소 시스템의 구성요소들을 나타내고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 코로나 팁 절연기를 나타내고 있다.
도 3A는 본 발명에 따른 경사진 오목부를 가진 예시적인 코로나 팁 절연기를 타나내고 있다.
도 3B는 도 3A에 도시된 절연기의 코로나 팁의 예시적인 평면도이다.
도 4A는 본 발명에 따른 도 3A에 도시된 코로나 팁 절연기의 예시적인 단면도이다.
도 4B는 도 4A의 코로나 팁 절연기의 예시적인 평면도이다.
도 5A 내지 도 5F는 폐쇄된 단부 팁이 다양한 형상으로 바깥쪽으로 뻗어 있는, 다양한 실시예의 경사진 오목부 또는 그루브를 가진 본 발명의 다양한 예시적인 실시예를 나타내고 있다.
도 6A 내지 도 6F는 도 5A 내지 도 5F의 실시예의 단면도를 나타내고 있다.
코로나 점화 시스템에서는, 전자 회로에서 라디오 주파수 신호가 발생되어 동축 케이블을 통하여 점화기로 전송된다. 전압이 지나치게 높으면, 원치 않는 아크(arc)가 전극 팁으로부터 헤드로 형성될 수 있다. 대체로, 아크 발생을 방지하는 것은 아크를 검출하여 중단시키는 회로나, 전극 둘레에 배치되어 있는 기계적인 장벽을 이용하여 이루어진다. 그러나, 상기 기계적인 장벽은 점화를 일으키는데 필요한 전계 강도를 감소시키는데 기여한다. 본 발명은 아크 발생없이 또는 이러한 아크 발생을 검출하는 데 필요한 장치없이 점화를 일으키기에 충분히 큰 전계 강도를 제공하는 역할을 한다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 대체로 세라믹으로 만들어져 있으며 비전도성인 절연기(5)가 코로나 형성 단부(10)와 말단부(15) 사이에 뻗어 있다. 말단부(15)로부터 코로나 형성 단부(10)로 뻗어 있는, 코로나 형성 단부 조립체 절연기(5)는 말단 부분(20), 큰 쇼울더(25), 작은 쇼울더(30), 그리고 코로나 형성 단부 부분(35)을 포함하고 있다. 코로나 형성 단부(10)에는, 아래에 상세하게 기술되어 있는 바와 같이, 절연기가 다양한 형상, 구성 및 실시예로 형성될 수 있다. 도면에 도시되어 있으며 본 명세서에 기술되어 있는 세라믹 절연기는 자동차 엔진에 사용하기 위한 것과 같은 내연엔진에 사용되는 전형적인 점화 플러그에서 볼 수 있는 것과 유사한 특징을 가지고 있으며, 당해 기술분야의 전문가는 상기 절연기가 원하는 사용처에 따라 다양한 형상, 크기 및 구성으로 형성될 수 있다는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들면, 다수의 실시예에서는, 큰 쇼울더(25)가 생략될 수 있다.
전극(40)은 절연기(5) 내에 수용되어 있으며 코로나 형성 단부(10)에서 전극 팁(40a)을 형성하고 있다. 전극 팁(40a)도 절연기(5) 내측에 자리잡고 있으며, 상기 절연기는 금속 입자를 내장하고 있다. 전극 팁(40a)은 절연기의 금속 입자 주위에 전계를 발생시킨다. 유도된 전계는 코로나를 형성하게 하는 가스에 비열성 플라즈마(non-thermal plasma)를 발생시킨다. 그러나, 고밀도 플라즈마가 형성되면, 아크가 전극 팁과 금속 입자 사이에 높은 임피던스(impedance)를 형성할 수 없게 된다.
도 3A는 도 2에 도시된 것과 유사한 본 발명에 따른 예시적인 코로나 팁 절연기를 나타내고 있다. 도시된 실시예에서는, 폐쇄 단부 세라믹 절연기가 코로나 형성 단부로 형성된 경사진 오목부 또는 그루브(50)를 가지고 있다. 이 경우에서는, 서로 직교하게 배향된 한 쌍의 경사진 오목부가 절연기의 코로나 형성 단부에 형성되어 있다. 이러한 배치는 절연기의 단부를 4개의 뿔(horn)로 형성되게 하고, 이 4개의 뿔은 자신의 구역에서 전계 강도를 증가시키는데 기여한다. 이러한 전계 강도의 증가는, 윤곽이 뚜렷한 강력한 코로나를 제공함과 동시에 발생을 검출하는 회로에 대한 필요성을 배제시킨다. 경사진 오목부 및 그루브는 당해 기술 분야의 전문가 알고 있는 기계가공 또는 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다. 도 3B는 도 3A에 도시된 절연기의 코로나 팁의 예시적인 평면도이다.
도 4A는 본 발명에 따른 도 3A의 코로나 팁 절연기의 예시적인 단면도이다. 상기한 바와 같이, 절연기 재료는 전극이 수용되는 캐버티를 가지고 있다. 절연기의 코로나 형성 단부에는, 팁이 경사진 오목부 또는 그루브(50)로 형성되어 있다. 경사진 오목부 또는 그루브(50)는 각도 a 및 깊이 d로 형성되어 있다. 상기 각도 a 및 깊이 d는 다양한 작동 조건 및 특정 엔진의 요구사항을 수용하기 위해서 변경될 수 있다. 마찬가지로, 절연기 팁의 형상, 크기 및 구성은, 예를 들면 도 5A 내지 도 5F에 도시되어 있는 바와 같은 다양한 실시예를 만들도록 형성될 수 있다. 도 5A는 절연기 팁이 편평한 원형 정상부(top)로 형성된 실시예를 도시하고 있다. 도 5B는 절연기 팁이 V자 형상으로 된 하나의 경사진 오목부 또는 그루브로 형성된 실시예를 도시하고 있다. 도 5C는 절연기 팁이 둥근 정상부로 형성된 실시예를 도시하고 있다. 도 5D는 절연기 팁이 도 5A와 유사한 편평한 원형 정상부로 형성된 실시예를 도시하고 있는데, 도 5D에서는 정상부에 오목부 또는 그루브가 형성되어 있다. 개시된 실시예에서는, 오목부 또는 그루브가 별모양을 형성하고 있다. 도 5E는 절연기 팁이 원뿔 형상으로 형성되어 있으며, 팁이 뾰족하게 된 실시예를 도시하고 있다. 도 5F는 절연기 팁이 도 5E와 유사한 원뿔 형상으로 형성된 실시예를 도시하고 있는데, 도 5F에서는 절연기의 팁이 편평한 원형 정상부로 되어 있다. 도 6A 내지 도 6F는 각각 도 5A 내지 도 5F에 도시된 실시예의 단면도를 도시하고 있다.
본 발명은, 예를 들면, 다음과 같은 방식으로 작동한다. 세라믹 절연기(5)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 중심부에 있는 금속 전도체(전극)(40)를 가지고 있다. 전압이 전극(40)에 가해지는데, 이때 전압은 대체로 사인곡선 형태(sinusoidal fashion)로 가해진다. 절연기(5)가 세라믹이므로, 본질적으로 전기적으로 저항성을 가지고, 이는 전하를 보유할 수 있는 유전율을 제공한다. 전압에 대한 저항성은 절연파괴 전압 레벨에 도달할 때까지 전류가 흐르는 것을 방지한다. 가해진 전압으로 인해 코로나가 형성된다. 일단 절연파괴 전압 레벨에 도달하면, 전류가 흐르고 절연기(5)의 코로나 형성 단부(10)에서는 코로나가 형성된다.
당해 기술분야에서 알고 있는 바와 같이, 절연파괴가 발생하기 전에는, 전계가 전극(40) 주위에 형성된다. 전계는 세라믹 절연기(5)를 둘러싸고 전극과 유사한 전압 레벨에서 변한다. 따라서 전극이 연소실 속으로 뻗어 있을 필요가 없도록 코로나가 세라믹에서 형성된다. 다시 말해서, 전극(40)은 연소실로부터 전기적으로 절연되어 있으며 코로나를 형성하기 위해 절연체(세라믹)를 이용한다. 도 3A 내지 도 3B 및 도 4A 내지 도 4B의 실시예에 있어서, 중요한 것은, 경사진 오목부 또는 그루브가 절연기 팁의 근처에서 작은 반경을 이루는 뽀족한 끝부분(point) 또는 뿔(horn)을 형성한다. 보다 작은 반경은 보다 양호한 이온화를 제공하는 보다 강한 전계를 발생시킨다. 부가적으로, 도 5A 내지 도 5F 및 도 6A 내지 도 6F에 도시되어 있는 바와 같이, 도 3A 내지 도 3B 및 도 4A 내지 도 4B의 실시예와 마찬가지로, 팁은 다양한 각도로 형성될 수 있고, 오목부 및 그루브는 절연기 팁 근처에서 보다 작은 반경을 형성함으로써 강한 전계로 코로나를 제공하는 팁을 형성한다. 본 발명은 도시된 실시예에만 국한되지 않으며, 코로나를 형성할 수 있는 임의의 형상 또는 구성을 포함할 수 있다.
상기한 발명은 관련된 법적 기준에 따라 설명되어 있으므로, 상기 설명은 본질적으로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것이다. 개시된 실시예에 대한 여러가지 변형 및 수정은 당해 기술분야의 전문가에게 자명할 수 있으며 본 발명의 영역 내에 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명에 제공되는 법적 보호 범위는 아래의 청구항들에 의해서 결정될 수 있다.

Claims (12)

  1. 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기로서,
    말단부 및 코로나 형성 단부를 가지고 있는 세라믹 절연기를 포함하고 있고, 상기 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는 코로나 형성 단부의 구역에서 전계 강도를 증가시키도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기.
  2. 제1항에 있어서, 세라믹 절연기가 코로나 형성 단부에서 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기.
  3. 제1항에 있어서, 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는,
    서로 직각으로 배향되어 있는 한 쌍의 경사진 오목부 또는 그루브;
    편평한 원형 정상부;
    V자 형상으로 된 하나의 경사진 오목부 또는 그루브;
    둥근 정상부;
    별모양을 형성하는 오목부 또는 그루브를 가진 편평한 원형 정상부; 및
    편평한 원형 정상부를 가진 원뿔 형상;
    중의 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기.
  4. 제1항에 있어서, 세라믹 절연기가
    말단부로부터 코로나 형성 단부까지 길이방향의 보어 축을 따라서 뻗어 있는 내측 보어; 및
    상기 내측 보어 내에 수용되어 있으며 코로나 형성 단부에서 세라믹 절연기에 의해 둘러싸여 있는 전극;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기.
  5. 내연엔진으로서,
    상부 표면과 연소실 사이에서 반경방향으로 뻗어 있는 상부 쇼울더를 가지고 있으며 상기 상부 표면으로부터 상기 연소실까지 뻗어 있는 점화기 개구를 가지고 있는 실린더 헤드와, 코로나 점화기를 포함하고 있고,
    상기 코로나 점화기는 말단부 및 코로나 형성 단부를 가지고 있는 세라믹 절연기를 포함하고 있고, 상기 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는 코로나 형성 단부의 구역에서 전계 강도를 증가시키도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연엔진.
  6. 제5항에 있어서, 세라믹 절연기가 코로나 형성 단부에서 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 내연엔진.
  7. 제5항에 있어서, 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는,
    서로 직각으로 배향되어 있는 한 쌍의 경사진 오목부 또는 그루브;
    편평한 원형 정상부;
    V자 형상으로 된 하나의 경사진 오목부 또는 그루브;
    둥근 정상부;
    별모양을 형성하는 오목부 또는 그루브를 가진 편평한 원형 정상부; 및
    편평한 원형 정상부를 가진 원뿔 형상;
    중의 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연엔진.
  8. 제5항에 있어서, 세라믹 절연기가
    말단부로부터 코로나 형성 단부까지 길이방향의 보어 축을 따라서 뻗어 있는 내측 보어; 및
    상기 내측 보어 내에 수용되어 있으며 코로나 형성 단부에서 세라믹 절연기에 의해 둘러싸여 있는 전극;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연엔진.
  9. 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기를 형성하는 방법으로서,
    셸에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 세라믹 절연기를 가진 코로나 점화기를 제공하는 단계; 그리고
    코로나 형성 단부의 구역에서 전계 강도를 증가시키기 위해서 점화기의 코로나 형성 단부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기를 형성하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 세라믹 절연기가 코로나 형성 단부에서 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기를 형성하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 세라믹 절연기의 코로나 형성 단부는,
    서로 직각으로 배향되어 있는 한 쌍의 경사진 오목부 또는 그루브;
    편평한 원형 정상부;
    V자 형상으로 된 하나의 경사진 오목부 또는 그루브;
    둥근 정상부;
    별모양을 형성하는 오목부 또는 그루브를 가진 편평한 원형 정상부; 및
    편평한 원형 정상부를 가진 원뿔 형상;
    중의 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기를 형성하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 세라믹 절연기가
    말단부로부터 코로나 형성 단부까지 길이방향의 보어 축을 따라서 뻗어 있는 내측 보어; 및
    상기 내측 보어 내에 수용되어 있으며 코로나 형성 단부에서 세라믹 절연기에 의해 둘러싸여 있는 전극;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 연료/공기 점화 시스템의 점화기를 형성하는 방법.
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