KR20140043310A - 향상된 에너지 효율을 가진 코로나 점화기 - Google Patents

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KR20140043310A
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존 에이 버로우즈
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페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
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Abstract

코로나 점화기(20)는 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있는 복수의 구리 권선(26)을 가진 코일(24)을 포함하고 있다. 자기 코어(30)는 상기 구리 권선(26)들의 사이에서 코일 중심축(ac)을 따라서 배치되어 있으며 복수의 분리된 부분(32)을 포함하고 있다. 상기 복수의 분리된 부분(32)은 비자성 틈새 충전제(78)로 채워진 코어 틈새(34)에 의해 서로 축방향으로 이격되어 있다. 자기 코어(30)는 코어 길이(lm)를 가지고 있고 코일(24)은 상기 코어 길이(lm)보다 짧은 코일 길이(lc)를 가지고 있다. 형성기 두께(tf)를 가진 코일 형성기(62)는 코일(24)을 자기 코어(30)로부터 이격시킨다. 코어 길이(lm)와 코일 길이(lc) 사이의 길이 차이(ld)는 형성기 두께(tf)보다 크거나 같은 것이 바람직하다.

Description

향상된 에너지 효율을 가진 코로나 점화기{CORONA IGNITER WITH IMPROVED ENERGY EFFICIENCY}
본 발명은 대체로 연소실 내의 연료-공기 혼합물을 점화시키는 점화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코로나 점화기의 에너지 효율에 관한 것이다.
코로나 방전 점화 시스템의 한 가지 예는 프린(Freen)에게 부여된 미국 특허 제6,883,507호에 개시되어 있다. 이 코로나 방전 점화 시스템은 고 라디오 주파수 전압 전위(voltage potential)로 충전된 전극을 가진 코로나 점화기를 포함하고 있다. 다른 유형의 점화 시스템의 점화기와 마찬가지로, 코로나 점화기는 자기 코어를 둘러싸고 있으며 전원으로부터 전극으로 에너지를 전달하는 복수의 권선을 가진 점화 코일을 포함하고 있다. 코로나 점화기의 점화 코일의 한 가지 예가 도 4에 도시되어 있다. 코로나 점화기는 제1 전압으로 에너지를 수용하여, 통상적으로 제1 전압보다 15배 내지 50배 더 높은 제2 전압으로 전극에 에너지를 전달한다. 그러면 전극이 강한 라디오 주파수 전기장을 발생시켜서 연소실 내의 연료와 공기의 혼합물의 일부를 이온화시키고 절연 파괴(dielectric breakdown)시키기 시작하고, 연료-공기 혼합물의 연소를 촉진시킨다. 상기 전기장은 연료-공기 혼합물이 유전 특성(dielectric property)을 유지하고 저온 플라즈마(non-thermal plasma)라고도 하는 코로나 방전을 발생시키도록 제어되는 것이 바람직하다. 연료-공기 혼합물 중의 이온화된 부분은 불꽃면(flame front)을 형성하고, 이 불꽃면은 자발 착화(self-sustaining)하여 연료-공기 혼합물의 나머지 부분을 연소시킨다.
코로나 점화기의 점화 코일은, 발화 단부 조립체와 함께, 적절한 전압과 주파수의 신호를 받으면 고전압 사인파를 생성할 수 있는 공진 L-C 시스템을 만들도록 설계되어 있다. 코로나 점화기가 작동하는 동안, 코일을 통하여 전류가 흘러서, 코일 주위에 자기장을 형성한다. 이상적으로는, 자속선이 코일의 전체 길이에 걸쳐서 자기 코어를 따라 뻗어서, 자기 코어의 단부를 빠져나온 다음, 코일의 외측을 돌아서 복귀한다. 이러한 이상적인 상황에서는, 모든 자속이 모든 권선과 연결되고, 자속 밀도는 자기 코어의 모든 반경방향 단면에서 동일하다. 또한, 자기 코어는 원하는 전기적인 작용(electrical behavior)과 재료 특성에 따라 이상적으로 크기가 정해지며, 그 결과 전기적인 손실과 에너지 손실을 줄일 수 있다.
그러나, 실제로는, 보다 어두운 구역이 보다 큰 자속 밀도에 대응하는 것으로 표현되어 있는 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이, 자속 밀도는 자기 코어의 중심에서 매우 크다. 대응하는 자속선은 도 7에 도시되어 있다. 자기 코어의 중심에 큰 자속 밀도가 존재하는 이유는, 많은 양의 자속이 부분적으로 자기 코어를 통과한 다음 자기 코어의 단부에 도달하기 전에 권선을 통하여 반경방향으로 되돌아오기 때문이다. 자기 코어의 중심에서의 강화된 자속 밀도로 인해 자성 재료는 자기 포화상태로 되고 종국적으로 많은 열손실과 많은 에너지 손실을 초래한다.
자기 코어의 단부에 도달하기 전에 자기 코어를 빠져나가는 자속은 권선을 통하여 흐르는 전류에 부정적인 효과를 미친다. 자기 코어의 양 단부에 인접해 있는, 자속이 권선을 통과하는 곳에서, 권선 내의 전류 밀도는, 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 권선의 단면에 걸쳐서 전류 밀도가 동일하지 않도록 국소적으로 증가한다. 증가된 전류 밀도는 증가된 저항을 초래하고 결과적으로 많은 에너지가 열로 손실된다. 부정적인 영향을 받은 권선을 통하여 흐르는 전류는 와이어의 중심에서 작으며, 이 전류는, 와이어의 외측 표면에 인접한, 부정적인 영향을 받은 와이어의 전체 단면적에 비해, 비교적 작은 단면적을 통과하게 된다. 이것은 와이어의 기능적이며 작동적인 단면을 실질적으로 감소시키고 훨씬 큰 저항을 발생시켜서, 큰 에너지 손실을 초래한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있는 코로나 점화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시형태는 연소실 내의 연료-공기 혼합물을 연소시키는 점화기를 제공한다. 상기 점화기는 제1 전압으로 에너지를 받아들여서, 제1 전압보다 더 높은 제2 전압으로 에너지를 전달하는 코일 중심축을 따라서 길이방향으로 뻗어 있는 코일을 포함하고 있다. 상기 코일은 복수의 권선을 포함하고 있고, 상기 복수의 권선은 각각 코일 중심축 둘레로 원주방향으로 뻗어 있다. 자기 코어는 상기 복수의 권선의 사이에서 코일 중심축을 따라서 배치되어 있고, 상기 자기 코어는 복수의 분리된 부분을 포함하고 있다. 상기 복수의 분리된 부분은 각각 코어 틈새에 의해 상기 복수의 분리된 부분들 중의 인접한 하나의 분리된 부분으로부터 축방향으로 이격되어 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 점화기는 연료-공기 혼합물의 일부분을 이온화하여 연소실에 코로나 방전을 제공하기 위해 라디오 주파수 전기장을 제공하는 코로나 점화기이다. 상기 코로나 점화기는 코일과 분리된 부분을 가진 자기 코어를 포함하고 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 점화기를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 코일 중심축 둘레로 원주방향으로 각각 뻗어 있는 복수의 권선을 포함하는 코일을 제공하는 단계, 자기 코어의 분리된 부분들을 상기 복수의 권선의 사이에서 코일 중심축을 따라서 배치하는 단계, 그리고 상기 분리된 부분들을 각각 코어 틈새에 의해 상기 분리된 부분들 중의 인접한 하나의 분리된 부분으로부터 이격되게 하는 단계를 포함하고 있다.
분리된 부분들을 가진 자기 코어를 형성하는 것에 의해서 자속과 전류 밀도를 자기 코어와 권선의 전체에 걸쳐서 보다 균일하게 분산시킬 수 있다. 본 발명의 점화기는 히스테리시스 손실과 코일의 저항을 감소시키며, 향상된 성능 계수(Q)를 의미하는 코일과 자기 코어의 원치 않는 가열의 감소를 가져온다. 따라서, 상기 점화기는 분리된 부분을 가지지 않은 점화기에 비하여, 향상된 에너지 효율과 성능을 제공한다.
아래의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 고려하면 본 발명의 다른 장점을 용이하게 알 수 있으며, 보다 잘 이해할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 점화기를 포함하는 코로나 점화 시스템의 일부분의 단면도이고;
도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따른 점화기의 점화 코일 및 자기 코어를 나타내는 단면도이고;
도 2a는 도 2의 일부분의 확대도이고;
도 2b는 한 층의 권선을 나타내는 대체 실시예의 단면도이고;
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 점화기의 점화 코일 및 자기 코어를 나타내는 단면도이고;
도 3a는 도 3의 일부분의 확대도이고;
도 4는 비교 점화기의 점화 코일 및 자기 코어를 나타내는 단면도이고;
도 4a는 도 4의 일부분의 확대도이고;
도 5a는 도 4의 코일 및 자기 코어를 따라서 분포하는 자속을 나타내고 있고;
도 5b는 도 2의 코일 및 자기 코어를 따라서 분포하는 전류 밀도 및 자속을 나타내고 있고;
도 6a는 도 4의 권선의 전류 밀도를 나타내고 있고;
도 6b는 도 2의 권선의 전류 밀도를 나타내고 있고;
도 7은 도 4의 코일 및 자기 코어를 따라서 분포하는 자속선을 나타내고 있고; 그리고
도 8은 도 4의 비교 점화기에 대해서 도 2의 점화기의 향상된 에너지 효율을 나타내고 있다.
본 발명의 한 실시형태는 연료-공기 혼합물을 이온화시켜서 점화시키는 방전을 제공하기 위해서 연료-공기 혼합물을 수용하는 연소실 내에 배치된 점화기(20)를 포함하는 점화 시스템을 제공한다. 본 명세서에 기술된 점화 시스템은, 도 1에 도시되어 있는 것과 같은, 코로나 점화기(20)를 포함하는 코로나 점화 시스템이다. 그러나, 본 발명은 다른 유형의 점화기, 예를 들면, 불꽃 점화 시스템, 마이크로파 점화 시스템, 또는 다른 유형의 점화 시스템에도 적용된다.
코로나 점화기(20)는 연소실 내에 배치되어 있으며 라디오 주파수 전기장을 방출하여 연료-공기 혼합물의 일부분을 이온화시키고 연소실 내에 코로나 방전(22)을 제공한다. 코로나 점화기(20)는 전원(도시되어 있지 않음)으로부터 에너지를 받아서 고전압으로 전극(28)(도 1에 도시되어 있음)에 에너지를 전달하는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 복수의 권선(26)을 포함하는 점화 코일(24)을 포함하고 있다. 코로나 점화기(20)는 또한 권선(26)들 사이에 배치된 자기 코어(30)를 포함하고 있다. 자기 코어(30)는 코어 틈새(34)에 의해 서로 축방향으로 이격되어 있는 복수의 분리된 부분(32)을 포함하고 있다. 바람직하게는, 코어 틈새(34)가 비자성 재료로 채워져 있으며 자기 코어(30)는 권선(26)을 지나서 뻗어 있는 코어 길이(lm)를 가지고 있다. 자기 코어(30)의 상기 설계형태는 히스테리시스와 점화 코일(24)의 저항에 의해서 유발된 에너지 손실을 감소시키고, 이로 인해 자기 코어(30)의 분리된 부분(32)이 없는 코로나 점화기(20)에 비하여 향상된 에너지 효율과 성능을 제공한다.
코로나 점화기(20)는 코일(24)과 자기 코어(30)를 수용하기 위한 하우징 내부공간을 제공하는 복수의 벽(38)을 가진 하우징(36)을 포함하고 있다. 상기 벽(38)은 전원(도시되어 있지 않음)으로부터 코일(24)까지 에너지가 전달될 수 있게 하는 저전압 입구(40)를 제공한다. 상기 벽(38)은 또한 코일(24)로부터 전극(28)까지 에너지가 전달될 수 있게 하는 고전압 출구(42)를 제공한다. 저전압 입구(40)와 고전압 출구(42)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 통상적으로 코일 중심축(ac)을 따라서 배치되어 있다. 하우징(36)은 코일 중심축(ac)과 평행하게 뻗은 측면 벽(38)을 포함할 수 있다. 6보다 작은 비투전율(relative permittivity)을 가진 전기 절연 요소(44), 예를 들면, 압축 가스, 대기(ambient air), 절연유, 또는 저 투전율(low permittivity)의 고체가 하우징(36)을 채우고 있다. 코로나 점화기(20)는 또한 전자기적 간섭(electro-magnetic interference)의 방사선을 제한하기 위해서 하우징(36)을 둘러싸는 알루미늄과 같은 도전 재료로 형성된 차폐막(46)을 포함할 수도 있다.
점화 코일(24)은 하우징(36)의 중심에 배치되어 있으며 제1 전압으로 에너지를 받아들여서 제1 전압보다 적어도 15배 더 높은 제2 전압으로 에너지를 전달한다. 점화 코일(24)은 저전압 입구(40)에 인접한 코일 저전압 단부(48)로부터 고전압 출구(42)에 인접한 코일 고전압 단부(50)까지 뻗어 있다. 저전압 연결기(52)는 저전압 입구(40)를 통하여 하우징(36)속으로 뻗어 있으며 전원으로부터 점화 코일(24)의 저전압 단부로 에너지를 전달한다. 전극(28)(도 1에 도시되어 있음)은 고전압 연결기(54)에 의해 코일(24)에 전기적으로 결합되어 있다. 고전압 연결기(54)는 고전압 출구(42)를 통하여 뻗어 있으며 점화 코일(24)로부터 전극(28)으로 에너지를 전달한다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 점화 코일(24)은 코일 중심축(ac)을 따라서 코일 저전압 단부(48)로부터 코일 고전압 단부(50)까지 길이방향으로 뻗어 있는 코일 길이(lc)를 가지고 있다. 점화 코일(24)은 통상적으로 구리 또는 구리 합금으로 형성되어 있으며 적어도 500 마이크로 헨리의 인덕턴스를 가지고 있다.
점화 코일(24)은 복수의 권선(26)을 포함하고 있고, 이 복수의 권선(26)은 각각, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 코일 중심축(ac) 둘레로 원주방향으로 그리고 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있다. 각각의 권선(26)은 권선(26)들 중의 인접한 권선과 수평방향으로 정렬되어 있다. 점화 코일(24)은 복수의 권선 틈새(56)를 제공하고, 각각의 권선 틈새(56)는 권선(26)들 중의 하나를 인접한 권선(26)으로부터 이격시킨다. 한 가지 실시예에서는, 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 코일(24)이 복수층의 권선(26)을 포함하고 있다. 다른 실시예에서는, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 코일(24)이 단일층의 권선(26)을 포함하고 있다.
상기 권선(26)은 코일 중심축(ac)을 향하는 내측 권선 표면(58)과 내측 권선 표면(58)과 반대쪽으로 향하는 외측 권선 표면(60)을 가지고 있다. 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 내측 권선 표면(58)은 코일 중심축(ac)에 가장 가까운 권선(26)을 따라서 존재하는 한 지점에 있고, 외측 권선 표면(60)은 코일 중심축(ac)으로부터 가장 멀리 떨어진 권선(26)을 따라서 존재하는 한 지점에 있다. 점화 코일(24)이 복수층의 권선(26)을 포함하는 경우, 내측 권선 표면(58)은 코일 중심축(ac)에 가장 가까운 권선(26)상에 있고 외측 표면은 코일 중심축(ac)으로부터 가장 멀리 떨어진 권선(26)상에 있다.
상기 권선(26)은 내측 권선 표면(58)의 대향하는 양 측면 사이에 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 뻗은 내측 권선 직경(Dw)을 가지고 있다. 한 가지 예시적인 실시예에서는, 내측 권선 직경(Dw)이 10mm 내지 30mm이다. 내측 권선 반경(rw)은 내측 권선 표면(58)으로부터 내측 권선 직경(Dw)을 따라서 코일 중심축(ac)으로 뻗어 있다. 예시적인 실시예에서, 내측 권선 반경(rw)은 5mm 내지 15mm이다. 상기 권선(26)은 또한 외측 권선 표면(60)의 대향하는 양 측면 사이에 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 뻗은 권선 외주(Pw)를 가지고 있다. 예시적인 실시예에서, 권선 외주(Pw)는 10.5mm 내지 40mm이다. 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 권선 두께(tw)는 내측 권선 표면(58)과 외측 권선 표면(60)의 사이에 뻗어 있다.
전기 절연성의 비자성 재료로 만들어진 코일 형성기(62)는 통상적으로 권선(26)을 코일 중심축(ac)과 자기 코어(30)로부터 이격시키기 위해서 사용된다. 코일 형성기(62)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있다. 코일 형성기(62)는 내측 권선 표면(58)과 맞닿는 형성기 외측 표면(64)과 코일 중심축(ac)쪽으로 형성기 외측 표면(64)과 반대쪽으로 향하며 코일 중심축(ac) 둘레로 원주방향으로 뻗어 있는 형성기 내측 표면(66)을 가지고 있다. 상기 코일 형성기는 형성기 내측 표면(66)의 대향하는 양 측면 사이에 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 뻗은 형성기 내측 직경(Df)을 가지고 있다. 형성기 두께(tf)는 형성기 내측 표면(66)과 형성기 외측 표면(64) 사이에 제공되며, 예시적인 실시예에서, 형성기 두께(tf)는 1mm 내지 5mm이다. 도 2 내지 도 3a에 도시된 코일 형성기(62)는 저장통(bin)이 있다. 그러나, 대체 실시형태로서 코일 형성기(62)는 저장통이 없이 편평한 튜브로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 단일층의 권선(26)은 통상적으로 편평한 튜브의 표면을 따라서 배치되어 있다.
전기 절연 재료로 형성된 코일 충전제(68)는 통상적으로 권선(26) 둘레의 권선 틈새(56)에 배치되어 있다. 상기 전기 절연 재료의 예는 실리콘 수지와 에폭시 수지를 포함하고 있고, 상기 실리콘 수지와 에폭시 수지는 점화 코일(24)에 배치된 다음, 점화 코일(24)을 하우징(36)에 배치하기 전에 경화된다. 코일 충전제(68)는 바람직하게는, 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 권선(26)을 인접한 권선(26)으로부터 이격시킨다. 코일 충전제(68)는 적어도 3kV/mm의 절연 강도, 적어도 0.125 W/m.K의 열전도율과 6보다 작은 비투전율을 가지고 있다.
자기 코어(30)는 자성 재료로 형성되어 있고 코일 중심축(ac)을 따라서 권선(26)들의 사이에 배치되어 있다. 자기 코어(30)는 코일 형성기(62)에 수용되고 형성기 내측 표면(66)과 맞닿는다. 예시적인 실시예에서, 자기 코어(30)는 9.9mm 내지 25mm의 직경을 가지고 있다. 자기 코어(30)의 자성 재료는 적어도 125의 비투자율(relative permeability)을 가지고 있으며, 통상적으로 페라이트(ferrite) 또는 분말 철 재료(powdered iron material)이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 자기 코어(30)는 코일 저전압 단부(48)에 인접한 코어 저전압 단부(70)로부터 코일 고전압 단부(50)에 인접한 코어 고전압 단부(72)까지 코일 중심축(ac)을 따라서 축방향으로 뻗어 있는 코어 길이(lm)를 가지고 있다. 자기 코어(30)는 또한 형성기 내측 표면(66)을 따라서 연속적으로, 그리고 형성기 내측 직경(Df) 전체에 걸쳐서 연속적으로 코일 중심축(ac) 둘레로 뻗어 있다. 코어 길이(lm)와 코일 길이(lc)는 그들 사이에 길이 차이(ld)를 가지고 있다. 코어 길이(lm)가 코일 길이(lc)보다 더 긴 것이 바람직하다. 한 가지 실시예에서는, 상기 길이 차이(ld)가 형성기 두께(tf)보다 크거나 같고, 보다 바람직하게는 상기 길이 차이(ld)가 내측 권선 반경(rw)보다 크거나 같다. 예시적인 실시예에서, 코어 길이(lm)는 20mm 내지 75mm이다. 연장된 코어 길이(lm)는 자기 코어(30)의 크기를 증가시키거나, 권선(26)의 수를 감소시키는 것에 의해서 제공될 수 있다.
자기 코어(30)의 분리된 부분(32)들은 함께 코어 길이(lm)를 제공한다. 각각의 분리된 부분(32)은 통상적으로 고전압 출구(42)쪽으로 향하는 편평한 하부 표면(74)과 저전압 입구(40)쪽으로 향하는 편평한 상부 표면(76)을 포함하고 있다. 분리된 부분(32)들 중의 하나의 분리된 부분의 하부 표면(74)은 인접한 분리된 부분(32)의 상부 표면(76)과 평행하게 마주 대하고 있다. 각각의 분리된 부분(32)은 코어 틈새(34)들 중의 하나의 코어 틈새에 의해 코일 중심축(ac)을 따라서 인접한 분리된 부분(32)으로부터 완전히 이격되어 있다. 각각의 코어 틈새(34)는 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 형성기 내측 직경(Df) 전체에 걸쳐서 연속적으로 뻗어 있고 코일 중심축(ac)을 따라서 축방향으로 뻗은 틈새 두께(tg)를 가지고 있다. 도 2 내지 도 2b의 실시예에서, 코로나 점화기(20)는 한 쌍의 분리된 부분(32)을 이격시키는 하나의 코어 틈새(34)를 포함하고 있다. 그러나, 대체 실시형태로서 코로나 점화기(20)는, 도 3 및 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 코어 틈새(34)가 코일 저전압 단부(48)와 코일 고전압 단부(50) 사이에 배치되어 있는, 복수의 코어 틈새(34)를 포함할 수 있다. 각각의 코어 틈새(34)의 틈새 두께(tg)는 코어 길이(lm)의 1% 내지 10%인 것이 바람직하고, 모든 코어 틈새(34)의 틈새 두께(tg)는 함께 코어 길이(lm)의 25% 이하인 전체 틈새 두께를 제공한다.
코로나 점화기(20)는 또한 코어 틈새(34)에 배치된 비자성 재료로 형성된 틈새 충전제(78)를 포함하고 있다. 상기 비자성 재료는 15이하의 비투자율(relative permeability)을 가지고 있으며, 예를 들면, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)이다. 한 실시예에 있어서, 틈새 충전제(78)는 고무 스페이서(rubber spacer)이다.
[0040] 본 발명의 다른 실시형태는 상기한 코로나 점화기(20)를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗은 점화 코일(24)을 제공하는 단계, 자기 코어(30)의 분리된 부분(32)을 코일 중심축(ac)을 따라서 권선(26)들 사이에 배치시키는 단계, 그리고 자기 코어(30)의 분리된 부분(32)들의 각각을 코어 틈새(34)들 중의 하나의 코어 틈새에 의해 인접한 분리된 부분(32)으로부터 축방향으로 이격시키는 단계를 포함하고 있다. 상기 방법은 또한 통상적으로 비자성 재료로 형성된 틈새 충전제(78)를 코어 틈새(34)에 배치시키는 단계와, 전극(28)을 점화 코일(24)에 전기적으로 결합시키는 단계를 포함하고 있다.
분리된 부분(32)을 가진 자기 코어(30)를 포함하는 코로나 점화기(20)는 점화 시스템의 기생 저항(parasitic resistance)에 대한 임피던스(시스템의 순 인덕턴스(pure inductance)로 인한 임피던스)의 비와 동일한 향상된 성능 계수(Q)를 제공한다. 향상된 성능 계수(Q)는 코로나 점화기(20)가 작은 히스테리시스 손실을 가지며, 점화 코일(24)의 저항이 작으며, 점화 코일(24)과 자기 코어(30)의 원치 않는 가열이 작다는 것을 의미한다. 따라서, 자기 코어(30)의 분리된 부분(32)을 가지지 않은 점화기(20)에 비해, 점화기(20)는 향상된 에너지 효율과 성능을 제공한다. 도 5a 및 도 5b는 도 2의 코로나 점화기(20)(분리된 부분(32)을 가지고 있는 것)의 자기 코어(30)의 자속이 도 4의 비교 코로나 점화기(20)(분리된 부분(32)이 없는 것)보다 훨씬 작다는 것을 나타내고 있다. 도 5a 및 도 5b의 어두운 부분은 높은 자속 밀도에 해당한다. 도 6a 및 도 6b는 도 2a의 권선(26)에서의 전류가 도 4의 비교 코로나 점화기(20)(분리된 부분(32)이 없는 것)에 사용된 동일한 권선(26)에서의 전류보다 훨씬 균일하게 분포되어 있다는 것을 나타내고 있다. 도 6a 및 도 6b의 어두운 부분은 높응 전류 밀도에 해당한다. 도 8은 도 2의 코로나 점화기(20)와 도 4의 코로나 점화기(20)의 입력 전압 대 출력 전압의 그래프이다. 도 8은 도 4의 비교 코로나 점화기(20)에 대하여 도 1의 코로나 점화기(20)의 향상된 에너지 효율을 나타내고 있다.
명백히, 상기의 개시내용에 기초하여 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 가능하며, 첨부된 청구범위의 기술영역 내에서 본 발명은 상기한 것과 다르게 실시될 수 있다. 또한, 청구범위에 있는 참고번호는 단지 편의를 위한 것이며 결코 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 연소실 내의 연료-공기 혼합물을 점화시키는 점화기(20)로서,
    제1 전압으로 에너지를 받아들여서 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 에너지를 전달하는, 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있는 코일(24)을 포함하고 있고,
    상기 코일(24)은 상기 코일 중심축(ac) 둘레로 원주방향으로 각각 뻗어 있는 복수의 권선(26)을 포함하고 있고,
    상기 복수의 권선(26) 사이에서 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 배치된 자기 코어(30)를 포함하고 있고,
    상기 자기 코어(30)는 복수의 분리된 부분(32)을 포함하고 있고, 그리고
    상기 복수의 분리된 부분(32)의 각각은 코어 틈새(34)에 의해 상기 복수의 분리된 부분(32) 중의 인접한 분리된 부분으로부터 축방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어 틈새(34)에 배치된 비자성 재료로 형성된 틈새 충전제(78)를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  3. 제2항에 있어서, 상기 틈새 충전제(78)는 15이하의 비투자율을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 분리된 부분(32)은 상기 코어 틈새(34)에 의해 서로 완전히 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 분리된 부분(32)의 각각은 평면인 하부 표면(74)과 평면인 상부 표면(76)을 포함하고 있고, 상기 복수의 분리된 부분(32) 중의 하나의 분리된 부분의 상기 하부 표면(74)은 상기 복수의 분리된 부분(32) 중의 인접한 분리된 부분의 상기 상부 표면(76)과 평행인 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  6. 제1항에 있어서, 상기 자기 코어(30)는 코어 저전압 단부(70)로부터 코어 고전압 단부(72)로 뻗어 있고, 상기 복수의 분리된 부분(32)은 함께 상기 코어 저전압 단부(70)로부터 상기 코어 고전압 단부(72)까지 뻗은 코어 길이(lm)를 가지며, 상기 코어 틈새(34)의 각각은 상기 코어 길이(lm)의 1% 내지 10%의 틈새 두께(tg)를 가지는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  7. 제6항에 있어서, 상기 코어 틈새(34)의 각각의 상기 틈새 두께(tg)는 함께 상기 코어 길이(lm)의 25% 이하의 전체 틈새 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  8. 제1항에 있어서, 상기 코일(24)은 에너지를 제1 전압으로 받아들이는 코일 저전압 단부(48)로부터 에너지를 제2 전압으로 받아들이는 고전압 단부까지 길이방향으로 뻗어 있고, 상기 코일(24)은 상기 코일 저전압 단부(48)와 상기 코일 고전압 단부(50) 사이의 코일 길이(lc)를 가지고, 상기 자기 코어(30)는 상기 코일 저전압 단부(48)에 인접한 코어 저전압 단부(70)로부터 상기 코일 고전압 단부(50)에 인접한 코어 고전압 단부(72)까지 뻗어 있고, 상기 자기 코어(30)의 상기 복수의 분리된 부분(32)은 함께 상기 코어 저전압 단부(70)로부터 상기 코어 고전압 단부(72)까지 뻗어 있는 코어 길이(lm)를 가지며, 상기 코어 길이(lm)는 상기 코일 길이(lc)보다 더 긴 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  9. 제8항에 있어서, 전기 절연성의 비자성 재료로 만들어져 있으며, 상기 권선(26)을 상기 자기 코어(30)로부터 이격시키는 형성기 두께(tf)를 가진 코일 형성기(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  10. 제9항에 있어서, 상기 코일 길이(lc)와 상기 코어 길이(lm)의 사이에는 길이 차이(ld)가 있으며, 상기 길이 차이(ld)는 상기 형성기 두께(tf)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  11. 제8항에 있어서, 상기 코일 길이(lc)와 상기 코어 길이(lm)의 사이에는 길이 차이(ld)가 있으며, 상기 권선(26)은 상기 코일 중심축(ac)으로 향하는 내측 권선 표면(58)을 포함하고 있고, 상기 내측 권선 표면(58)으로부터 상기 코일 중심축(ac)까지 뻗어 있는 내측 권선 반경(rw)을 가지며, 상기 길이 차이(ld)는 상기 내측 권선 반경(rw)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수의 권선(26)의 각각을 상기 복수의 권선(26) 중의 인접한 권선으로부터 길이방향으로 이격시키는 전기 절연 재료로 형성된 코일 충전제(68)를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  13. 제1항에 있어서, 상기 코일(24)과 상기 자기 코어(30)를 수용하기 위한 하우징 내부공간을 제공하는 복수의 벽(38)을 가진 하우징(36)과, 상기 하우징(36)을 채우는 6보다 작은 비투전율을 가진 전기 절연 요소(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  14. 제1항에 있어서, 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있으며 상기 권선(26)을 상기 코일 중심축(ac)으로부터 이격시키는 전기 절연성의 비자성 재료로 만들어진 코일 형성기(62)를 포함하고 있고, 상기 코일 형성기(62)는 내측 권선 표면(58)을 따라서 뻗어 있는 형성기 외측 표면(64)과 상기 자기 코어(30)와 맞닿아 있는 형성기 내측 표면(66)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  15. 제1항에 있어서, 상기 코일(24)은 적어도 500 마이크로 헨리의 인덕턴스를 가지고 있고 상기 자기 코어는 적어도 125의 비투자율을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  16. 제15항에 있어서, 상기 코일(24)은 구리로 형성되어 있으며 상기 자기 코어(30)는 페라이트 또는 분말 철 재료로 형성되어 있는 것은 특징으로 하는 점화기(20).
  17. 제1항에 있어서, 상기 코일(24)로부터 에너지를 받아들이기 위해 상기 코일(24)에 전기적으로 결합된 전극(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  18. 라디오 주파수 전기장을 제공하여 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화시키고 연소실 내에 코로나 방전(22)을 제공하는 코로나 점화기(20)로서,
    복수의 벽(38)을 포함하고 있고 이 복수의 벽 사이에 하우징 내부공간을 제공하는 하우징(36)을 포함하고 있고,
    상기 벽(38)은 저전압 입구(40) 및 고전압 출구(42)를 제공하고 있고, 상기 저전압 입구(40) 및 고전압 출구(42)는 각각 상기 하우징 내부공간을 통하여 에너지가 전달될 수 있도록 하기 위해 코일 중심축(ac)을 따라서 배치되어 있고,
    상기 하우징(36)을 둘러싸는 도전 재료로 된 차폐막(46)을 포함하고 있고,
    상기 하우징(36) 내에 배치되어 있으며, 제1 전압으로 에너지를 받아들여서 제1 전압보다 적어도 15배 더 높은 제2 전압으로 에너지를 전달하는 코일(24)을 포함하고 있고,
    상기 코일(24)은 제1 전압으로 에너지를 받아들이는 상기 저전압 입구(40)에 인접한 코일 저전압 단부(48)로부터 제2 전압으로 에너지를 전달하는 상기 고전압 출구(42)에 인접한 코일 고전압 단부(50)까지 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있는 코일 길이(lc)를 가지고 있고,
    상기 코일(24)은 적어도 500 마이크로 헨리의 인덕턴스를 가지고 있고,
    상기 코일(24)은 복수의 권선(26)을 포함하고 있고, 상기 복수의 권선(26)은 각각 상기 코일 중심축(ac) 둘레로 원주방향으로 뻗어 있으며 또한 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있고,
    상기 복수의 권선(26)의 각각의 권선은 상기 복수의 권선(26) 중의 인접한 권선과 수평방향으로 정렬되어 있으며 상기 복수의 권선(26)의 각각의 권선(26)을 상기 인접한 권선(26)으로부터 이격시키는 권선 틈새(56)를 가지고 있고,
    상기 복수의 권선(26)은 상기 코일 중심축(ac)을 향하는 내측 권선 표면(58) 및 상기 내측 권선 표면(58)과 반대쪽으로 향하는 외측 권선 표면(60)을 가지고 있고,
    상기 복수의 권선(26)은 상기 내측 권선 표면(58)의 양측면 사이에 상기 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 뻗어 있는 내측 권선 직경(Dw)을 가지고 있고,
    상기 복수의 권선(26)은 상기 내측 권선 표면(58)으로부터 상기 내측 권선 직경(Dw)을 따라서 상기 코일 중심축(ac)까지 뻗어 있는 내측 권선 반경(rw)을 가지고 있고,
    상기 복수의 권선(26)은 상기 외측 권선 표면(60)의 양측면 사이에 상기 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 뻗어 있는 권선 외주(Pw)를 가지고 있고,
    상기 복수의 권선(26)은 각각 상기 내측 권선 표면(58)으로부터 상기 외측 권선 표면(60)까지 뻗어 있는 권선 두께(tw)를 가지고 있고,
    에너지를 전원으로부터 상기 코일(24)의 상기 저전압 단부까지 전달하는 저전압 연결기(52)를 포함하고 있고,
    상기 코일(24)로부터 에너지를 받아들이기 위해 상기 코일(24)에 전기적으로 결합된 전극(28)을 포함하고 있고,
    상기 코일(24) 및 상기 전극(28)에 전기적으로 결합되어 있으며 상기 코일(24)로부터 상기 전극(28)까지 에너지를 전달하는 고전압 연결기(54)를 포함하고 있고,
    전기 절연성의 비자성 재료로 만들어져 있고 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있으며 상기 권선(26)을 상기 코일 중심축(ac)으로부터 이격시키는 코일 형성기(62)를 포함하고 있고,
    상기 코일 형성기(62)는 상기 내측 권선 표면(58)과 맞닿는 형성기 외측 표면(64) 및 상기 코일 중심축(ac)쪽으로 상기 형성기 외측 표면(64)과 반대쪽으로 향하며 상기 코일 중심축(ac) 둘레로 원주방향으로 뻗어 있는 형성기 내측 표면(66)을 가지고 있고,
    상기 형성기 내측 표면(66)은 상기 코일 중심축(ac)에 대해 수직으로 뻗어 있는 형성기 내측 직경(Df)을 가지고 있고,
    상기 코일 형성기(62)는 상기 형성기 내측 표면(66)과 상기 형성기 외측 표면(64) 사이에 형성기 두께(tf)를 가지고 있고,
    상기 코일 형성기(62)와는 다른 전기 절연 재료로 형성되어 있고 상기 권선 틈새(56)에 배치되어 있으며 상기 복수의 권선(26)의 각각의 권선을 상기 복수의 권선(26) 중의 인접한 권선으로부터 이격시키는 코일 충전제(68)를 포함하고 있고,
    상기 코일 충전제(68)는 적어도 3kV/mm의 절연 강도, 적어도 0.125 W/m.K의 열전도율, 그리고 6보다 작은 비투전율을 가지고 있고,
    상기 코일 중심축(ac)을 따라서 상기 복수의 권선(26) 사이에 배치된 자성 재료로 형성된 자기 코어(30)를 포함하고 있고,
    상기 자기 코어(30)는 상기 코일 형성기(62) 내에 수용되어 있으며 상기 형성기 내측 표면(66)과 맞닿아 있고,
    상기 자성 재료는 적어도 125의 비투자율을 가지고 있고,
    상기 자기 코어(30)는 상기 코일 저전압 단부(48)에 인접한 코어 저전압 단부(70)로부터 상기 코일 고전압 단부(50)에 인접한 코어 고전압 단부(72)까지 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 축방향으로 뻗어 있는 코어 길이(lm)를 가지고 있고,
    상기 자기 코어(30)는 상기 형성기 내측 표면(66)을 따라서 연속적으로 그리고 상기 형성기 내측 직경(Df)을 가로질러서 연속적으로 상기 코일 중심축(ac) 둘레로 뻗어 있고,
    상기 자기 코어(30)는 복수의 분리된 부분(32)을 포함하고 있으며, 이 복수의 분리된 부분들이 함께 상기 코어 길이(lm)를 제공하고,
    상기 복수의 분리된 부분(32)의 각각은 상기 고전압 출구(42)쪽으로 향하는 하부 표면(74) 및 상기 저전압 입구(40)쪽으로 상기 하부 표면(74)과 반대쪽으로 향하는 상부 표면(76)을 포함하고 있고,
    상기 복수의 분리된 부분(32) 중의 하나의 분리된 부분의 상기 하부 표면(74)은 상기 복수의 분리된 부분(32) 중의 인접한 분리된 부분의 상부 표면(76)에 대해 평행하게 향하고 있고,
    상기 복수의 분리된 부분(32)의 상기 상부 표면(76)과 상기 하부 표면(74)은 평면이고,
    상기 복수의 분리된 부분(32)은 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 서로 축방향으로 완전히 이격되어 있고,
    상기 복수의 분리된 부분(32)의 각각은 코어 틈새(34)에 의해 상기 복수의 분리된 부분(32) 중의 인접한 분리된 부분으로부터 축방향으로 이격되어 있고,
    상기 코어 길이(lm)는 상기 코일 길이(lc)보다 더 길고,
    상기 코어 길이(lm)와 상기 코일 길이(lc)의 사이에는 길이 차이(ld)가 있고,
    상기 길이 차이(ld)는 상기 형성기 두께(tf)보다 크거나 같고,
    상기 길이 차이(ld)는 상기 내측 권선 반경(rw)보다 크거나 같고,
    상기 코어 틈새(34)의 각각은 상기 형성기 내측 직경(Df)을 가로질러서 연속적으로 뻗어 있고,
    상기 코어 틈새(34)의 각각은 상기 코일 중심축(ac)을 따라서 축방향으로 뻗어 있는 틈새 두께(tg)를 가지고 있고,
    상기 코어 틈새(34)의 각각의 상기 틈새 두께(tg)는 상기 코어 길이(lm)의 1% 내지 10%이고,
    상기 코어 틈새(34) 전부의 상기 틈새 두께(tg)는 함께 상기 코어 길이(lm)의 25% 이하인 전체 틈새 두께를 제공하고, 그리고
    15이하의 비투자율을 가진 비자성 재료로 형성되어 있으며 상기 코어 틈새(34)에 배치되어 있는 틈새 충전제(78)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  19. 라디오 주파수 전기장을 제공하여 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화시키고 연소실 내에 코로나 방전(22)을 제공하는 점화기(20)를 형성하는 방법으로서,
    코일 중심축(ac)을 따라서 길이방향으로 뻗어 있으며 코일 중심축(ac) 둘레로 원주방향으로 각각 뻗어 있는 복수의 권선(26)을 포함하는 코일(24)을 제공하는 단계,
    자성 재료로 형성된 자기 코어(30)의 복수의 분리된 부분(32)을 코일 중심축(ac)을 따라서 복수의 권선(26) 사이에 배치시키는 단계, 그리고
    자기 코어(30)의 복수의 분리된 부분(32)의 각각을 코어 틈새(34)에 의해 복수의 분리된 부분(32) 중의 인접한 분리된 부분으로부터 축방향으로 이격시키는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20)를 형성하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 비자성 재료로 형성된 틈새 충전제(78)를 코어 틈새(34)에 배치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20)를 형성하는 방법.
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