KR20170041249A - 개선된 시일을 가진 점화 플러그 - Google Patents

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윌리엄 제이. 주니어 워커
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페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
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Abstract

전기 도전성 컴포넌트와 점화 플러그의 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하기 위한 전기 도전성 유리 시일이 제공된다. 상기 유리 시일은 유리 프릿, 바인더, 팽창제 및 전기 도전성 금속 입자를 혼합하여 형성된다. 상기 유리 프릿은 실리카(SiO2), 산화붕소(B2O3), 산화알루미늄(Al2O3), 산화비스무트(Bi2O3) 및 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있고; 상기 바인더는 나트륨 벤토나이트 또는 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 덱스트린을 포함할 수 있고; 상기 팽창제는 탄산 리튬을 포함할 수 있고; 상기 전기 도전성 금속 입자는 구리를 포함할 수 있다. 상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 완성된 유리 시일은 총량이 50.0 내지 85.0 중량(wt.%) 인 유리 및 15.0 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함한다.

Description

개선된 시일을 가진 점화 플러그{SPARK PLUG WITH IMPROVED SEAL}
(관련 출원에 대한 상호 참조)
본 미국특허출원은 2014년 8월 10일자로 출원된 미국가출원 번호 62/035,453 및 2015년 8월 10일자로 출원된 미국출원 번호 14/822,159의 효익을 주장하며, 그 전체 내용은 참조에 의해 본원에 통합된다.
본 발명은 일반적으로 점화 장치용 유리 시일에 관한 것으로, 특히 유리 시일을 포함하는 점화 플러그 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다.
유리 시일은 종종 중심 전극과 같은 전기 도전성 컴포넌트와 예를 들면 점화 플러그와 같은 점화 장치의 절연체 사이에 밀폐 결합(hermetic bond)을 형성하는데 사용된다. 점화 플러그의 유리 시일은 전형적으로 절연체의 보어(bore)에 유리 분말을 배치하고, 그런 다음, 절연체, 중심 전극 및 유리 분말을 노 내에서 함께 소성시킴으로써 형성된다. 열은 또한 유리 시일의 특정 성분이 팽창하도록 하여 절연체와 중심 전극 사이에 밀폐 결합을 형성한다. 그러나 중심 전극과 절연체 사이의 유리 분말이 녹고 팽창하면서, 유리 시일이 실온으로 냉각된 후에도 기포 또는 가스 공극(pore)이 형성되고 완성된 점화 플러그의 유리 시일에는 기포 또는 공극이 남아있게 된다. 따라서, 점화 플러그가 내연 기관에서 사용되고 높은 전기장을 받을 때, 전기장은 기포 또는 공극에 함유된 가스가 이온화되어 코로나를 형성하게 한다. 이온화된 가스는 주변의 고체 절연체에 열을 전달하는 이온화된 전하의 캐스케이드를 생성한다. 열 파괴(thermal breakdown) 메커니즘이 발생하여 절연 파괴가 발생할 수 있다. 가스에 의해 야기된 이러한 절연 파괴의 효과는 기포 또는 공극이 큰 경우에 특히 현저하며, 이 경우 절연체의 유전체 파괴가 발생할 수 있다. 절연체를 통해 팽창된 유리 시일까지 유전체가 파고 들어가면 점화 플러그가 파손될 수 있다.
본 발명에 따르면 유리 시일을 포함하는 점화 플러그 및 이를 형성하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 전기 도전성 컴포넌트와 점화 플러그의 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하기 위해 9 x 106 S/m 내지 65 x 106 S/m의 범위의 전기 도전율을 갖는 전기 도전성 유리 시일을 제공한다. 상기 유리 시일은 상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여 총량이 50.0 내지 85.0 중량(wt.%)인 적어도 하나의 유리 및 15.0 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함한다. 상기 유리 시일은 또한 상기 유리 시일의 총 체적을 기초로 하여 25.0 내지 75.0 체적 퍼센트(vol.%)의 양의 가스 충전 공극을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 전기 도전성 컴포넌트를 둘러싸는 절연체와, 상기 전기 도전성 컴포넌트와 상기 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하는 전기 도전성 유리 시일을 포함하는 점화 플러그를 제공한다. 상기 유리 시일은 상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여 총량이 50.0 내지 85.0 중량(wt.%)인 적어도 하나의 유리 및 15.0 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함한다. 상기 전기 도전성 유리 시일은 9 x 106 S/m 내지 65 x 106 S/m 범위의 전기 도전율을 갖는다. 상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 유리 시일은 또한 25.0 내지 75.0 체적 퍼센트(vol.%)의 양의 가스 충전 공극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기 도전성 컴포넌트와 점화 플러그의 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하기 위한 전기 도전성 유리 시일의 제조 방법을 포함한다. 상기 방법은 혼합물의 총 중량에 기초하여 총량이 48.8 내지 85.0 wt.%인 적어도 하나의 유리 프릿(frit), 0.1 내지 3.0 wt.%의 양의 바인더, 0.1 내지 1.0 wt.%의 양의 팽창제(expansion agent), 및 14.8 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함하는 상기 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 유리 시일을 형성하기 위해 상기 혼합물을 소성하는 단계;를 포함하고, 여기서 상기 유리 시일은 9 x 106 S/m 내지 65 x 106 S/m 범위의 전기 도전율을 갖는다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기 도전성 컴포넌트와 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하는 전기 도전성 유리 시일을 포함하는 점화 플러그의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 전기 도전성 컴포넌트와 상기 절연체 사이에 혼합물을 배치하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 혼합물의 총 중량에 기초하여, 상기 혼합물은 총량이 48.8 내지 85.0 wt.%인 적어도 하나의 유리 프릿, 0.1 내지 3.0 wt.%의 양의 바인더, 0.1 내지 1.0 wt.%의 양의 팽창제, 및 14.8 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함한다. 상기 방법은 상기 유리 시일을 형성하기 위해 상기 혼합물을 소성하는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 유리 시일은 9 x 106 S/m 내지 65 x 106 S/m 범위의 전기 도전율을 갖는다.
상기 전기 도전성 입자는 상기 유리 시일의 소성 단계 동안 형성되는 가스 충전 공극을 둘러싼다. 상기 전기 도전성 입자는 상기 점화 플러그가 내연 기관에서 사용되고 높은 전기장에 놓일 때 상기 공극을 가로지르는 전기장을 제거한다. 따라서, 상기 점화 플러그의 절연체를 통한 절연 파괴 및 유전체 천공을 일으킬 수 있는 가스의 이온화가 제거된다.
본 발명의 다른 이점은 첨부 도면과 연결하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되고, 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전기 도전성 유리 시일을 포함하는 점화 플러그의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 예시적인 일 실시예에 따른 전기 도전성 유리 시일을 포함하는 점화 플러그의 단면도이다.
도 3은 유리, 도전성 금속 입자 및 가스 충전 공극을 포함하는 소성 단계 후의 라인 A-A를 따른 도 1의 전기 도전성 유리 시일의 도면이다.
도 3a는 도 3의 유리 시일의 일부 확대도이다.
본 발명의 일 양태는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 중심 전극(24)과 같은 적어도 하나의 전기 도전성 컴포넌트와 절연체(26) 사이에 밀폐 결합을 제공하는 전기 도전성 유리 시일(22)을 포함하는 점화 플러그(20)를 제공한다. 중심 전극(24) 또는 점화 플러그(20)의 다른 전기 도전성 컴포넌트가 내연 기관에서의 사용 중에 에너지를 수용할 때, 유리 시일(22)의 조성은 절연체(26)를 통한 절연 파괴 가능성 및 그에 따른 유전체 천공 가능성을 감소시킨다.
전기 도전성 유리 시일(22)은 전기 도전성 입자, 적어도 하나의 바인더, 팽창제 및 유리 프릿을 포함하는 전형적으로 분말 혼합물의 재료로 형성된다. 예시적인 실시예에서, 유리 시일(22)은 유리 시일(22)의 총 중량에 기초하여 15.0 내지 50.0 중량 퍼센트(wt.%), 바람직하게는 20.0 wt.%의 양의 전기 도전성 입자를 포함한다. 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말 혼합물은 14.8 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 입자를 포함한다. 전기 도전성 입자는 단일 재료 또는 상이한 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 임의의 도전성 금속이 전기 도전성 입자를 형성하는데 사용될 수 있지만, 예시적인 실시예에서, 전기 도전성 입자는 구리로 구성되거나 본질적으로 구리로 이루어진다. 또한, 전기 도전성 입자는 다양한 형태를 포함할 수 있지만, 예시적인 실시예에서 325 메쉬 이하 또는 45 미크론 이하의 입자 크기를 갖는 구리 박편(flake) 형태로 제공된다. 전기 도전성 입자는 유리 시일(22)이 전기 도전성이 되게한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 유리 시일(22)은 9 x 106 S/m 내지 65 x 106 S/m 또는 9 x 106 S/m 이상, 바람직하게는 30 x 106 S/m 이상의 범위의 전기 도전율을 갖는다.
상술한 바와 같이, 비도전성 유리 시일을 포함하는 비교 점화 플러그에서, 기포 또는 공극은 이온화되어 서비스 중에 코로나를 형성하여, 절연체의 유전체 파손을 초래할 수 있다. 그러나, 본 발명의 전기 도전성 유리 시일(22)이 점화 플러그(20)에 사용될 때, 전기 도전성 입자는 기포 또는 공극을 둘러싸고, 따라서 에너지가 점화 플러그(20)에 인가될 때 기포 또는 공극을 가로지르는 전기장을 제거한다. 코로나 방전이 전기 도전성 유리 시일(22)의 기포 또는 공극을 따라 형성되지 않기 때문에, 절연체(26)를 통한 이온화 파괴 및 유전체 천공을 위한 개시 메커니즘이 제거된다.
도전성 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 전기 도전성 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말은 또한 3.0 wt.%까지의 양의 적어도 하나의 바인더를 포함한다. 바람직하게는, 유리 시일(22)은 무기 바인더와 합성 또는 천연 유기 바인더의 혼합물을 포함한다. 바인더는 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 성분을 부착하는 것을 돕는다. 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말이 소성 단계 동안 유리 용융 온도로 가열될 때, 바인더의 적어도 일부, 전형적으로는 유기 바인더는 연소되고, 따라서 소성된 유리 시일(22)의 조성에 존재하지 않는다.
예시적인 실시예에서, 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말은 2.0 wt.%까지, 또는 0.1 내지 2.0 wt.%, 및 바람직하게는 1.0 wt.%의 양의 무기 바인더를 포함한다. 무기 바인더는 단일 재료 또는 상이한 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 임의의 유형의 무기 바인더 재료가 유리 시일(22)에 사용될 수 있지만, 전형적으로 무기 바인더는 천연 또는 가공된(engineered) 크레이를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 무기 바인더는 Veegum®이라는 이름으로 판매되는 나트륨 벤토나이트 또는 마그네슘 알루미늄 실리케이트로 구성되거나 본질적으로 구성된다.
유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 예시적인 실시예의 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말은 또한 2.0 wt.%까지, 또는 0.1 내지 2.0 wt.%, 및 바람직하게는 0.65 wt.%의 양의 합성 또는 천연 유기 바인더를 포함한다. 합성 또는 천연 유기 바인더는 단일 재료 또는 상이한 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 임의의 유형의 합성 또는 천연 유기 바인더 재료가 유리 시일(22)에 사용될 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예에서, 합성 또는 천연 유기 바인더는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 말토덱스트린 또는 덱스트린으로 이루어지거나 또는 필수적으로 이루어진다. 이 실시예에서, 유리 시일(22)을 형성하는데 이용되는 분말의 총 중량에 기초하여, PEG는 0.15 wt.%의 양으로 존재하고, 말토덱스트린 또는 덱스트린은 0.5 wt.%의 양으로 존재한다.
유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 전기 도전성 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말은 또한 1.0 wt.%까지, 또는 0.1 내지 1.0 wt.%, 및 바람직하게는 0.5 wt.%의 양의 팽창제를 포함한다. 팽창제는 단일 재료 또는 상이한 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 임의의 유형의 팽창제가 유리 시일(22)에 사용될 수 있지만, 예시적인 실시예에서, 팽창제는 탄산 리튬으로 구성되거나 필수적으로 이루어진다. 소성 단계 동안 유리 용융 온도로 가열될 때, 팽창제의 적어도 일부가 고체로부터 가스로 변환되어 유리 시일(22)을 팽창시킨다.
전기 도전성 유리 시일(22)은 또한 미분(finely powdered) 유리를 포함하는 유리 프릿으로 형성된다. 유리 시일(22)의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 소성된 유리 시일이 50.0 내지 85.0 wt.%, 바람직하게는 80.0 wt.%의 양의 유리를 포함하도록 하는 양으로 존재한다. 예시적인 실시예에서, 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 50 내지 84.8 wt.% 또는 48.8 내지 85.0 wt.%, 및 바람직하게는 80.0 wt.%의 양으로 존재한다. 일 실시예에서, 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 유리 프릿의 양은 유리 프릿과 전기 도전성 입자 사이의 비율이 약 4 대 1이 되도록 선택된다.
유리 프릿은 분쇄된(ground) 유리를 포함하고 화학적으로 결합되고 단일 재료로 융합된 다수의 화학 원소를 함유할 수 있다. 당 업계에 공지된 임의의 유형의 유리 프릿이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 한 유형의 유리만 사용되지만, 다른 경우에는, 다수의 상이한 유형의 유리가 사용된다. 유리 시일(22)은 단일 유리 프릿 또는 함께 배합된 상이한 화학적 조성 및 상이한 특성을 갖는 다수의 유리 프릿으로 함께 제형화될(formulated) 수 있다. 예시적인 실시예에서, 유리 프릿의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿의 전체 조성은 35.0 내지 40.0 wt.%, 바람직하게는 38.6 wt.%의 양의 실리카(SiO2)를 포함한다. 유리 프릿의 총 중향에 기초하여, 유리 프릿은 또한 20.0 내지 28.0 wt.%, 바람직하게는 26.9 wt.%의 양의 산화붕소(B2O3); 10.0 내지 15.0 wt.%, 바람직하게는 11.7 wt.%의 양의 산화알루미늄(Al2O3); 10.0 내지 15.0 wt.%, 바람직하게는 6.0 내지 8.0 wt.%, 보다 바람직하게는 7.3 wt.%의 양의 산화비스무트(Bi2O3); 및 3.0 내지 5.0 wt.%, 바람직하게는 4.8 wt.%의 양의 산화 아연(ZnO)을 포함한다. 유리 프릿의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 총량 2.0 내지 6.0 wt.%의 양의 리튬(Li), 나트륨(Na) 및 칼륨(K)의 산화물과 같은 알칼리 금속 산화물을 더 포함한다. 예시적인 실시예에서, 유리 프릿의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 총량이 4.7 wt.%인 알칼리 금속 산화물을 포함하고, 여기서 1.5 wt.%는 리튬 산화물이고 3.1 wt.%는 산화나트륨이다. 유리 프릿의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 또한 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)의 산화물과 같은 알칼리 토금속 산화물을 총량 3.0 내지 7.0 wt.%를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 유리 프릿은 알칼리 토금속 산화물을 총량 5.9 wt.%로 포함하고, 여기서 적어도 2.95 wt.%는 산화 스트론튬이고 약 1.9 wt.%는 산화마그네슘이다. 그러나, 다른 양의 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물이 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 유리 프릿 및 전체 유리 시일(22)은 또한 소량의 다른 성분 및/또는 불순물을 포함할 수 있다.
표 1은 유리 시일(22)을 형성하는데 사용된 분말의 총 중량에 기초하여, 본 발명에 따른 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 하나의 예시적인 분말 조성물을 중량 퍼센트(wt.%)로 제공한다.
Figure pct00001
표 2는 유리 프릿 조성의 총 중량에 기초하여 본 발명에 따른 예시적인 유리 프릿 조성을 중량 퍼센트(wt.%)로 제공한다.
Figure pct00002
표 2의 예시적인 조성에서, 알칼리 금속 산화물은 산화리튬, 산화나트륨 및 산화칼륨을 구비하는 그룹 중 하나 이상을 포함한다. 일 예시에서, 알칼리 금속 산화물의 약 1/3은 산화리튬이고, 약 2/3는 산화나트륨이다. 그러나, 임의 비율의 알칼리 금속 산화물이 사용될 수 있다. 예시적인 조성의 알칼리 토금속 산화물은 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화스트론튬 및 산화바륨을 구비하는 그룹 중 하나 이상을 포함한다. 일 예시에서, 알칼리 토금속 산화물의 1/2 이상이 산화스트론튬이고, 약 1/3이 산화마그네슘이다. 그러나, 임의의 비율의 알칼리 토금속 산화물이 사용될 수 있다. 그러나, 당업자는 다른 유형의 알칼리 금속 및 알칼리 토금속이 열거된 것들에 추가하여 또는 대신에 사용될 수 있음을 이해한다.
또 다른 예시적 실시예에 따르면, 유리 시일(22)은 유리 프릿, 전기 도전성 입자, 팽창제 및 무기 바인더(유기 바인더는 아님)의 혼합물로 형성된다. 이 조성은 자동차 점화 플러그보다 높은 온도에서 작동하는 산업 점화 플러그와 같은 특정 유형의 점화 플러그에 사용하기에 적합하다. 더 높은 작동 온도로 인해, 유리 프릿은 더 높은 연화(softening) 온도를 갖는다. 또한, 팽창제는 유리 프릿과 양립할 수 있도록 고온에서 가스 배출된다(off-gas).
본 예시적인 실시예에 따르면, 유리 시일(22)의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 소성된 유리 시일(22)이 유리를 72.0 내지 82.0 wt.%의 양으로 함유하게 하는 양으로 존재한다. 유리 시일(22)을 형성하기 위해 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 유리 시일(22)을 형성하기 위해 사용되는 분말은 전형적으로 72.0 내지 82.0 wt.%의 양의 유리 프릿, 15.0 내지 25.0 wt.%의 양의 전기 도전성 입자, 1.0 내지 5.0 wt.%의 양의 무기 바인더, 및 0.10 내지 0.50 wt.%의 양의 팽창제를 포함한다. 바람직하게는, 전기 도전성 입자는 구리 박편이고, 무기 바인더는 벤토나이트이고, 팽창제는 탄산칼슘이다.
표 3은 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 분말의 총 중량에 기초하여, 대안의 실시예에 따라 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 예시적인 분말 조성을 중량 퍼센트(wt.%)로 제공한다.
Figure pct00003
표 4는 유리 프릿 조성의 총 중량에 기초하여 바람직하게는 표 3의 분말 조성에서 사용되는 다른 예시적인 유리 프릿 조성을 중량 퍼센트(wt.%)로 제공한다. 표 4에 열거된 다른 산화물들은 임의의 유형의 산화물을 포함할 수 있다.
Figure pct00004
표 4의 예시적인 조성에서, 알칼리 금속 산화물은 산화리튬, 산화나트륨 및 산화칼륨을 구비하는 그룹 중 하나 이상을 포함한다. 예시적인 조성의 알칼리 토금속 산화물은 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화스트론튬 및 산화바륨을 구비하는 그룹 중 하나 이상을 포함한다. 일 예시적 실시예에서, 유리 프릿의 총 중량에 기초하여, 유리 프릿은 3.3 내지 4.3 wt.%의 양의 산화나트륨(Na2O), 3.4 내지 4.4 wt.%의 양의 산화칼륨(K2O), 0.2 내지 0.4 wt.%의 양의 산화마그네슘과 산화칼슘의 화합물(MgO + CaO) 및 총량 0.0 내지 0.1 wt.%의 기타 산화물을 포함한다. 그러나, 당업자는 다른 양 및 다른 유형의 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물이 열거된 것들에 추가하여 또는 그 대신에 사용될 수 있음을 이해한다.
전기 도전성 유리 시일(22)을 형성하는데 사용되는 전기 도전성 재료는 당 업계에 공지된 임의의 방법을 포함하는 다양한 상이한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 전형적으로, 상기 방법은 전기 도전성 입자, 바인더, 팽창제 및 유리 프릿을 획득하는 단계, 및 이들 성분을 함께 혼합하는 단계를 포함한다. 성분들이 함께 혼합되면, 전기 도전성 재료는 절연체(26)의 보어에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 절연체(26) 내에 전기 도전성 재료를 배치하기 전에, 재료들은 건식 혼합(dry mixing)에 의해 함께 혼합된다. 대안적으로, 상기 재료들은 습식 분쇄(wet ground)되거나 물과 혼합되어 슬러리를 형성할 수 있고, 이어서 분무 건조(spray dried)되어 복수의 과립화된(granulated) 입자 또는 분말을 형성할 수 있다. 분무 건조 단계는 가열된 분무 건조기에서 슬러리를 배치하는 단계를 포함하고, 여기서, 슬러리는 가열된 분무 건조기에서 튀어나온 물을 가진 액적을 형성하고, 작은 구형 과립형 입자를 남긴다. 그러나, 미립자 또는 분말 형태의 전기 도전성 재료를 제공하기 위해 다른 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 분말 혼합물로 하여금 과립형 입자로 응집되도록 하고, 후속하여 건조되거나 부분적으로 건조될 수 있는, 후속적으로 부가되는 소량의 물을 가진 건조 분말은 믹서 또는 블렌더에서 건조 혼합될 수 있다. 과립 또는 분말은 취급하기가 비교적 쉽고, 먼지를 거의 생성하지 않으며, 중심 전극(24) 및 단자(30) 주변의 절연체(26)의 보어에서 쉽게 탬핑되거나 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 도전성 재료는 중심 전극(24) 주위에만 배치된다. 분말은 또한 필요하다면 다른 전기 도전성 컴포넌트 주변에 배치될 수 있다.
전기 도전성 재료가 절연체(26)의 보어에 배치되면, 절연체(26), 중심 전극(24) 및 전기 도전성 재료는 당 업계에 공지된 임의의 방법에 따라 노내에서 함께 소성된다. 소성 단계 동안, 전기 도전성 재료의 성분은 용융 및 팽창되어 중심 전극(24) 및 단자(30) 주변의 절연체(26)의 보어의 적어도 일부를 채우고, 따라서 중심 전극(24)과 절연체(26) 사이에 밀폐 결합을 제공하는 전기 도전성 유리 시일(22)을 형성한다. 소성 온도는 전기 도전성 재료의 조성, 특히 유리 프릿의 조성에 따라 다르지만, 전형적으로는 600 내지 1000℃의 범위이다. 예를 들면, 유리 프릿이 표 2의 제1 예시의 조성을 포함하는 경우, 소성 온도는 750 내지 800℃의 범위이고, 유리 프릿이 표 2의 제2 예시의 조성을 포함하는 경우, 소성 온도는 650 내지 700℃의 범위이다. 유리 프릿이 표 4의 대안의 예시적 양을 포함하는 경우, 소성 온도는 850 내지 900℃이다. 각각의 경우에 있어서, 소성 온도는 점화 플러그(20)의 작동 중 유리 시일(22)의 최대 온도보다 높다.
소성 단계 동안, 유리 프릿은 점성 혼합물로 용융되어 균질한 재료를 형성한다. 팽창제의 적어도 일부는 고체로부터 가스로 변환되고 소성 단계에서 재료 내에 기포를 발생시켜 재료가 팽창하게 한다. 팽창제는 재료가 거품과 같은 구조를 가지도록 한다. 재료의 체적 증가 및 전기 도전성 유리 시일(22)에 의해 점유된 보어 체적은 변활 수 있다. 가스 충전 기포는 소성 단계 이후 및 유리 시일(22)이 실온으로 냉각될 때 전기 도전성 유리 시일(22) 내에 잔류하는 가스 충전 공극으로 이어진다. 점화 플러그(20)가 내연 기관에서 사용될 때 가스 충전 공극은 또한 유리 시일(22) 내에 남아있다. 전형적으로, 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 소성된 유리 시일(22)은 25.0 내지 75.0 vol.%, 바람직하게는 35.0 내지 45.0 vol.%의 양으로 복수의 가스 충전 공극을 포함한다. 전기 도전성 입자는 가스 충전 공극으로 인해 발생할 수 있는 고장 가능성을 방지한다. 팽창제 및 연소된 바인더의 질량 변화 이외에, 조성은 소성 단계 동안 실질적으로 변화하지 않으며, 소성된 유리 시일(22)은 처음 분말과 실질적으로 동일한 조성을 가진다.
도 3 및 도 3a는 소성 단계 후에 유리(21), 전기 도전성 금속 입자(23) 및 가스 충전 공극(25)을 포함하는 도 1의 전기 도전성 유리 시일(22)을 도시한다. 공극(25)은 대략 구형 형상이고 유리(21) 내에 분포된 금속 입자(23)를 포함하는 매트릭스(27)에 의해 서로 이격되어 있다. 금속 입자(23)는 유리 시일(22)이 전기 도전성이 되도록 자신들 사이에 충분한 전기 접촉을 가지고 분포된다. 공극(25)은 서로 근접해있지만, 이들은 서로 분리되어 있어 이들 사이에 가스의 이동이 없으며, 따라서 유리 시일(22)을 통한 가스의 운반이 없도록 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 전기 도전성 유리 시일(22)은 전형적으로 중심 전극(24)의 말단부(terminal end)(28)를 둘러싸고 있다. 그러나, 유리 시일(22)은 또한, 레지스터 또는 스프링과 같은, 절연체(26)의 보어에 배치된 다른 전기 도전성 컴포넌트를 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 전기 도전성 유리 시일(22)을 포함하는 점화 플러그(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 설계를 포함하는(그러나, 이에 한정되지 않는) 다양한 상이한 설계를 가질 수 있다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 중심 전극(24)은 단자(30), 스프링(62), 레지스터(64) 및 와이어(36) 아래의 절연체(26)의 보어에 배치된다. 중심 전극(24)은 니켈 또는 니켈 합금과 같은 전기 도전성 재료로 형성된다. 중심 전극(24)은 말단부(28)로부터 점화단(32)까지 중심축 A를 따라 연장되는 길이를 가지며, 여기서, 중심 전극(24)의 길이의 대부분은 절연체(26)로 둘러싸여 있다. 중심 전극(24)의 말단부(28)는 절연체(26)의 보어를 따라 소정의 축 위치에서 지지 및 유지된다. 점화 플러그(20)의 중심 전극(24)은 스파크를 제공하기 위해 점화단(32)에 중심 점화면을 또한 포함한다. 중심 전극(24)의 점화면은 또한 중심 전극(24)의 다른 부분을 형성하는데 사용되는 재료와 비교하여 보다 내구성 있는 재료로 형성된 중심 점화 팁(68)을 포함한다.
점화 플러그(20)의 단자(30)는 복수의 나사에 의해 절연체(26)에 결합된다. 도 1의 실시예에서, 스프링(62)은 단자(30)를 레지스터(64)에 연결하고, 와이어(36)는 중심 전극(24)의 말단부(28)로부터 레지스터(64)를 향해 연장된다. 전기 도전성 유리 시일(22)은 중심 전극(24) 및 와이어(36)의 말단부(28) 주변의 절연체(26)의 보어의 일부를 채운다. 이 실시예에서, 패킹 재료(66)는 와이어(36)와 레지스터(64) 사이의 공간을 채운다. 도 2의 실시예에서, 레지스터(64)는 스프링(62)과 단자(30) 사이에 배치되고, 스프링(62)은 레지스터(64)를 와이어(36)에 연결한다. 전기 도전성 유리 시일(22)은 중심 전극의 말단부(28)와 와이어의 주변의 절연체(26)의 보어의 일부를 채운다. 도시되지는 않았지만, 패킹 재료(66)는 와이어(36)와 스프링(64) 사이의 공간을 채울 수 있다.
점화 플러그(20)의 절연체(26)는 일반적으로 예를 들면 알루미나와 같은 세라믹 재료와 같은 절연 재료로 형성된다. 예시적인 실시예에서, 절연체(26)는 중심축 A를 따라 절연체 상단부(38)에서 절연체 노우즈 단부(40)까지 종방향으로 연장된다. 절연체(26)는 또한 중심 전극(24), 단자(30) 및 가능한 다른 전기 도전성 컴포넌트를 수용하기 위해 절연체 상단부(38)로부터 절연체 노우즈 단부(40)까지 종방향으로 연장된 보어를 둘러싸는 절연체 내부면(42)을 제공한다. 절연체 내부면(42)은 중심축 A를 가로 질러 수직으로 연장되는 절연체 내경(Di)을 제공한다. 절연체 내경(Di)은 전형적으로 중심 전극(24)의 일부분을 지지하고 소정의 축 위치에서 중심 전극(24)을 유지하도록 절연체 노우즈 단부(40)를 향해 이동하는 절연체(26)의 일부분을 따라 감소한다.
예시적인 실시예의 절연체(26)는 또한 중심축 A를 가로 질러 수직으로 연장되는 절연체 외경(Do)을 갖는 절연체 외부면(44)을 제공한다. 절연체 외부면(44)은 절연체 상단부(38)로부터 절연체 노우즈 단부(40)로 종방향으로 연장된다. 예시적인 실시예에서, 절연체 외경(Do)은 절연체 노우즈 영역(46)을 제공하기 위해 절연체 노우즈 단부(40)를 항해 이동하면서 절연체 노우즈 단부(40)에 인접한 절연체(26)의 일부분을 따라서 감소한다. 절연체 하부 숄더(48)를 제공하기 위해, 절연체 외경(Do)은 절연체(26)의 대략 중간에서 절연체 노우즈 영역(46)으로부터 이격된 위치에서 절연체 노우즈 단부(40)를 향해 이동하는 방향으로 감소한다. 절연체 외경(Do)은 또한 절연체 상부 숄더(50)를 제공하기 위해 절연체 하부 숄더(48)로부터 이격된 위치에서 절연체 상단부(38)를 향해 이동하는 절연체(26)의 일부분을 따라서 감소한다.
점화 플러그(20)는 또한 절연체(26)의 일부를 둘러싸고, 금속으로 형성된 쉘(52)을 포함한다. 쉘(52)은 절연체(26)를 내연 기관의 실린더 블록(도시되지 않음)에 연결하는데 일반적으로 사용된다. 쉘(52)은 쉘 상단부(54)에서 쉘 하단부(56)로 중심축 A를 따라 연장된다. 쉘 상단부(54)는 절연체 상부 숄더(50)와 절연체 상단부(38) 사이에 배치되고 절연체(26)와 맞물린다. 쉘 하단부(56)는 절연체 노우즈 영역(46)의 적어도 일부가 쉘 하단부(56)의 축방향으로 외측으로 연장되도록 절연체 노우즈 영역(46)에 인접하여 배치된다.
점화 플러그(20)는 또한 전기 도전성 재료로 형성된 접지 전극(58)을 포함한다. 접지 전극(58)은 쉘 하단부(56)로부터 중심 전극(24)을 향해 연장된다. 접지 전극(58)은 점화면 사이에 스파크 갭을 제공하기 위해 중심 점화면에 면하는 접지 점화면을 포함한다. 도 2의 실시예에서, 접지 점화면은 접지 전극(58)의 다른 부분을 형성하는데 사용되는 재료와 비교하여 더 내구성 있는 재료로 형성된 접지 점화 팁(70)을 포함한다.
명백하게, 본 발명의 다수의 변형과 변경이 상기 교시에 따라 가능하고 하기의 청구범위의 범위 내에서 구체적으로 기술된 것과 다르게 실시될 수 있다.

Claims (27)

  1. 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일로서:
    상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 총 중량 50.0 내지 85.0 중량(wt.%)의 적어도 하나의 유리;
    상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 15.0 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자;
    를 포함하고,
    상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 유리 시일은 25.0 내지 75.0 체적 퍼센트(vol.%)의 양의 가스 충전(gas-filled) 공극을 포함하고;
    상기 유리 시일은 전기적으로 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 유리는 실리카(SiO2), 산화붕소(B2O3), 산화알루미늄(Al2O3), 산화비스무트(Bi2O3) 및 산화아연(ZnO)을 구비하고;
    상기 전기 도전성 금속 입자는 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 유리의 총 중량에 기초하여, 상기 유리는 35.0 내지 40.0 wt.%의 양의 실리카(SiO2), 20.0 내지 28.0 wt.%의 양의 산화붕소(B2O3), 10.0 내지 15.0 wt.%의 양의 산화알루미늄(Al2O3), 10.0 내지 15.0 wt.%의 양의 산화비스무트(Bi2O3), 및 3.0 내지 5.0 wt.%의 양의 산화아연(ZnO)을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 유리의 총 중량에 기초하여, 상기 유리는 총량 2.0 내지 6.0 wt.%의 알칼리 금속 산화물 및 총량 3.0 내지 7.0 wt.%의 알칼리 토금속 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 가스 충전 공극은 35.0 내지 45.0 vol.%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 가스 충전 공극은 상기 유리 및 상기 전기 도전성 금속 입자에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 전기 도전성 금속 입자는 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 전기 도전성 금속 입자는 구리의 박편(flake)을 포함하고 45 미크론 이하의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 유리 시일은 9 × 106 S/m 내지 65 × 106 S/m 범위의 전기 도전율을 가지는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 유리 시일은 30 x 106 S/m 이상의 전기 도전율을 가지는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  11. 점화 플러그로서:
    전기 도전성 컴포넌트;
    상기 전기 도전성 컴포넌트를 둘러싸는 절연체;
    상기 전기 도전성 컴포넌트와 상기 절연체 사이에 밀폐 결합(hermetic bond)을 제공하는 전기 도전성 유리 시일;
    을 포함하고,
    상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 상기 전기 도전성 유리 시일은 총량 50 내지 85.0 wt.%의 적어도 하나의 유리, 및 15.0 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함하고;
    상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 유리 시일은 25.0 내지 75.0 vol.%의 양의 가스 충전 공극을 포함하고;
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 가스 충전 공극은 35.0 내지 45.0 vol.%의 양으로 존재하고, 상기 가스 충전 공극들은 상기 유리 및 상기 전기 도전성 금속 입자들에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
  13. 제11 항에 있어서, 상기 전기 도전성 유리 시일은 9 × 106 S/m 내지 65 × 106 S/m의 전기 도전율을 가지는 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
  14. 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법으로서:
    혼합물의 총 중량에 기초하여, 총량 48.8 내지 85.0 wt.%의 적어도 하나의 유리 프릿, 0.1 내지 3.0 wt.%의 양의 바인더, 0.1 내지 1.0 wt.%의 양의 팽창제, 및 14.8 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 구비하는 상기 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 유리 시일을 형성하기 위해 상기 혼합물을 소성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 팽창제는 상기 소성 단계 동안 가스로 변환되고 상기 가스로 충전되는 복수의 공극을 제공하고, 상기 공극은 상기 유리 시일이 실온으로 냉각되도록 한 후에 상기 전기 도전성 금속 입자 및 상기 유리에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법.
  16. 제14 항에 있어서, 상기 혼합물의 총 중량에 기초하여, 상기 혼합물의 바인더는 0.1 내지 2.0 wt.%의 양의 무기 바인더 및 0.1 내지 1.0 wt.%의 양의 유기 바인더를 포함하고; 소성 단계 동안 상기 바인더의 적어도 일부는 연소되는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법.
  17. 점화 플러그의 제조 방법으로서:
    전기 도전성 컴포넌트와 절연체 사이에 혼합물을 배치하는 단계로서, 상기 혼합물의 총 중량에 기초하여, 상기 혼합물은 총량 48.8 내지 85.0 wt.%의 적어도 하나의 유리 프릿, 0.1 내지 3.0 wt.%의 양의 바인더, 0.1 내지 1.0 wt.%의 양의 팽창제, 및 14.8 내지 50.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 구비하는 단계; 및
    상기 유리 시일을 형성하기 위해 상기 혼합물을 소성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그의 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 유리 시일은 상기 소성 단계 후에 상기 전기 도전성 컴포넌트와 상기 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그의 제조 방법.
  19. 제17 항에 있어서, 상기 팽창제는 소성 단계 동안 가스로 변환되고 상기 가스로 충전되는 복수의 공극을 제공하고, 상기 공극은 상기 유리 시일이 실온으로 냉각되도록 한 후에 상기 전기 도전성 금속 입자 및 상기 유리에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 점화 플러그의 제조 방법.
  20. 제17 항에 있어서, 상기 혼합물의 총 중량에 기초하여, 상기 혼합물의 바인더는 0.1 내지 2.0 wt.%의 양의 무기 바인더 및 0.1 내지 1.0 wt.%의 양의 유기 바인더를 포함하고; 상기 소성 단계 동안 상기 바인더의 적어도 일부가 연소되는 것을 특징으로 하는 점화 플러그의 제조 방법.
  21. 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일로서:
    상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 총량 72.0 내지 82.0 중량(wt.%)의 적어도 하나의 유리; 및
    상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 15.0 내지 25.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자;
    를 포함하고,
    상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 유리 시일은 25.0 내지 75.0 체적 퍼센트(vol.%)의 양의 가스 충전 공극을 포함하고; 및
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 전기 도전성 금속 입자는 구리 박편을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  23. 제21 항에 있어서, 상기 유리의 총 중량에 기초하여, 상기 유리는 60.0 내지 70.0 wt.%의 양의 실리카(SiO2), 17.0 내지 25.0 wt.%의 양의 산화붕소(B2O3), 4.0 내지 10.0 wt.%의 양의 산화알루미늄(Al2O3), 3.0 내지 10.0 wt.%의 양의 알칼리 금속 산화물, 및 0.0 내지 5.0 wt.%의 양의 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전기 도전성 유리 시일.
  24. 점화 플러그로서:
    전기 도전성 컴포넌트;
    상기 전기 도전성 컴포넌트를 둘러싸는 절연체;
    상기 전기 도전성 컴포넌트와 상기 절연체 사이에 밀폐 결합을 제공하는 전기 도전성 유리 시일;
    을 포함하고,
    상기 유리 시일의 총 중량에 기초하여, 상기 전기 도전성 유리 시일은 총량이 72.0 내지 82.0 wt.%인 적어도 하나의 유리, 및 15.0 내지 25.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 포함하고;
    상기 유리 시일의 총 체적에 기초하여, 상기 유리 시일은 25.0 내지 75.0 vol.%의 가스 충전 공극을 포함하고
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
  25. 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법으로서:
    혼합물의 총 중량에 기초하여, 총량 72.0 내지 82.0 wt.%의 적어도 하나의 유리 프릿, 1.0 내지 5.0 wt.%의 양의 무기 바인더, 0.1 내지 0.5 wt.%의 양의 팽창제, 및 15.0 내지 25.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 구비하는 상기 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 유리 시일을 형성하기 위해 상기 혼합물을 소성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 무기 바인더는 벤토나이트를 포함하고, 상기 팽창 제는 탄산칼슘을 포함하고, 상기 전기 도전성 금속 입자는 구리 박편을 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 유리 시일의 제조 방법.
  27. 점화 플러그의 제조 방법으로서:
    전기 도전성 컴포넌트와 절연체 사이에 혼합물을 배치하는 단계로서, 상기 혼합물의 총 중량에 기초하여, 상기 혼합물은 총량 72.0 내지 82.0 wt.%인 적어도 하나의 유리 프릿, 1.0 내지 5.0 wt.%의 양의 무기 바인더, 0.1 내지 0.5 wt.%의 양의 팽창제, 및 15.0 내지 25.0 wt.%의 양의 전기 도전성 금속 입자를 구비하는 상기 혼합물을 배치하는 단계; 및
    상기 유리 시일을 형성하기 위해 상기 혼합물을 소성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 유리 시일은 전기 도전성인 것을 특징으로 하는 점화 플러그의 제조 방법.
KR1020177006506A 2014-08-10 2015-08-10 개선된 시일을 가진 점화 플러그 KR20170041249A (ko)

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