BRPI0711313A2 - elementos cerámicos de aquecimento - Google Patents

Abstract

ELEMENTOS CERáMICOS DE AQUECIMENTO. São providos novos métodos de fabricar elementos cerâmicos de acendedor resistivo que inclui a sinterização dos elementos na ausência de pressões substancialmente elevadas. São também provido acendedores cerâmicos que são obteníveis de métodos de fabricação da invenção.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTOS CERÂMICOS DE AQUECIMENTO".

O presente pedido reivindica o benefício do pedido provisório U.S. No. 60/798,266 arquivado em 4 de maio de 2006, incorporado aqui co- mo referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES

1. Campo da Invenção

Em um aspecto, a invenção prove novos métodos para fabricar elementos cerâmicos de aquecimento que incluem substancialmente sinteri- zação sem pressão do elemento de acendedor verde formado. Elementos de acendedor são também providos, incluindo tais elementos obteníveis de mé- todos de fabricação da invenção.

2. Antecedentes

Materiais cerâmicos gozaram de grande sucesso como acende- dores em, por exemplo, fornos a gás, fogões e secadores de roupas. A pro- dução de acendedor cerâmico inclui construir um circuito elétrico através de um componente cerâmico, uma parte do qual é altamente resistiva e aumen- ta a temperatura quando eletrificada por um fio condutor. Veja, por exemplo, as Patentes U.S 6,582,629; 6,278,087; 6,028,292; 5,801,361; 5,786,565; 5,405,237; e 5,191,508.

Acendedores típicos foram elementos geralmente retangulares conformados com uma zona altamente resistiva "zona quente" na ponta do acendedor com uma ou mais "zonas frias" condutoras provendo para a zona quente desde a extremidade oposta do acendedor. Um acendedor atualmen- te disponível, o Mini-IgniterTMj disponível desde a Norton Igniter Products of Milford, N.H., é projetado para aplicações de 12 volts a 120 volts e tem uma composição compreendendo nitreto de alumínio ("AIN"), disilisiureto de mo- libdênio ("MoSi2"), e carboneto de silício ("SiC").

Os métodos de fabricação de acendedor incluíram processa- mento tipo batelada onde um molde é carregado com composições cerâmi- cas de pelo menos duas resistividades diferentes. O elemento verde forma- do é então adensado (sinterizado) a temperatura e pressão elevada. Veja as acima mencionadas patentes. Veja também a Patente U.S 6,184,497.

Embora tais métodos de fabricação possam ser efetivos para produzir acendedores cerâmicos, os protocolos podem apresentar limitações inerentes com respeito a eficiências de produção e custo.

Deste modo seria desejável ter novos sistemas de elemento de aquecimento. Seria particularmente desejável ter novos métodos para pro- duzir elementos cerâmicos de aquecimento. Seria também desejável ter mé- todos de produção mais eficientes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um aspecto, são providos novos artigos cerâmicos que são formados de um ou mais pós cerâmicos que têm um tamanho médio de par- tícula de cerca de 2.5 mícrons ou menos.

Foi verificado que artigos cerâmicos feitos de tais materiais ce- râmicos de tamanho pequeno podem ser adensados sob condições signifi- cativamente mais brandas, incluindo sob pressões reduzidas relativamente a procedimentos anteriores.

Em outro aspecto, são artigos cerâmicos que são fabricados por tratamento do artigo cerâmico de estado verde por múltiplas pressões, cres- centes. Preferencialmente, o artigo cerâmico é tratado a uma primeira pressão e então tratado em uma segunda pressão que é mais alta que a primeira pressão. Preferencialmente, o adensamento de pressão múltipla é conduzido com uso de sinterização de pressão de gás.

Foi verificado que os tratamentos de pressão de múltiplos está- gios podem prover um artigo cerâmico altamente denso (por exemplo, pelo menos 96, 97, 98 ou 99 por cento denso) sob condições bastante brandas. Por exemplo, o primeiro tratamento de pressão pode ser adequadamente a aproximadamente 6,895 mPa (1000 psi) ou 3,447 mPa (500 psi) ou menos e o segundo tratamento de pressão pode ser a 27,579 mPa (4000 psi) ou me- nos. As pressões significativamente mais baixas também produziram artigos altamente densos, tal como uma primeira pressão de cerca de 1,379 mPa (200 psi) ou menos ou 1,034 mPa (150 psi) ou menos e um segundo trata- mento de pressão de cerca de 20,684 mPa (3000 psi) ou menos, 13,789 mPa (2000 psi) ou menos ou 10,342 mPa (1500 psi) ou menos.

Em aspectos da invenção particularmente preferidos, são utiliza- das composições cerâmicas que incluem um ou mais óxidos de metal tal como alumina. Preferencialmente, um ou mais óxidos de metal têm um ta- manho médio de partícula pequeno como descrito aqui.

Particularmente preferida são composições cerâmicas que com- preendem alumina com tamanho médio de partícula pequeno como descrito aqui, tal como 2,5 mícrons ou menos, 2 mícrons ou menos, 1,5 mícrons ou menos ou 1 mícron ou menos.

Em um aspecto adicional da invenção, composições cerâmicas são adensadas na ausência de uma denominada ajuda de sinterização. Adi- tivos de ajuda de sinterização incluíram óxidos de terra rara, tal como ítria (óxido de itrio), um material de gadolinio (por exemplo, um oxido de gadolínio ou Gd203), um material de európio (por exemplo, um óxido de európio ou EU2O3), um material de itérbio (por exemplo, um óxido de itérbio ou Yb203), ou um material de lantânio (por exemplo, lantânio ou La203).

Métodos de fabricação particularmente preferidos da invenção incluem formar um elemento de acendedor cerâmico que compreende um ou mais materiais cerâmicos de tamanho de partícula pequeno materiais como discutidos acima e então endurecendo através de um tratamento de pressão de duas fases como discutido acima. Adequadamente, o endurecimento é conduzido sob temperaturas elevadas tais como mais do que 1400°C, mais tipicamente mais do que 1600°C tais como pelo menos 1700°C ou 1800°C. Preferencialmente, a sinterização é conduzida sob uma atmosfera inerte, por exemplo em uma atmosfera de um gás inerte como argônio ou nitrogênio.

Preferencialmente, o tratamento de endurecimento prove um elemento cerâmico que é pelo menos 95 por cento denso, mais preferenci- almente um elemento cerâmico que é pelo menos 96, 97, 98 ou 99 por cento denso. O processo de endurecimento que inclui as temperaturas elevadas observadas é conduzido por um tempo suficiente para alcançar tais densi- dades, que pode ser várias horas ou mais.

Composições cerâmicas particulares e método de formar o ele- mento cerâmico verde, pode ser utilizado para facilitar a produção de um elemento cerâmico denso na ausência de pressões substancialmente eleva- das.

Mais especificamente, composições cerâmicas preferidas em- pregadas para formar um elemento cerâmico podem ser pelo menos subs- tancialmente livres ou completamente livres de carboneto de silício, ou outro material de carboneto. Como referido aqui, uma composição cerâmica está pelo menos substancialmente livre de carboneto de silício ou outro material de carboneto se ela contiver menos do que 10 por cento de volume de car- boneto de silício ou outro material de carboneto baseado no volume total da composição cerâmica, mais tipicamente menos do que mais ou menos 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 ou 0,5 por cento de volume baseado no volume total da composição cerâmica.

Para sinterizar um elemento cerâmico que compreende alumina, a sinterização do elemento preferencialmente é conduzida em uma atmosfe- ra que é pelo menos substancialmente livre de nitrogênio (por exemplo me- nos do que 5 % de volume de nitrogênio baseado na atmosfera total), ou mais preferencialmente pelo menos essencialmente livre de nitrogênio (por exemplo menos do que 2 ou 1 % de volume de nitrogênio baseado na atmos- fera total), ou mais preferencialmente completamente livre de nitrogênio. Por exemplo, a sinterização pode ser conduzida em uma atmosfera de Argônio.

Para sinterizar um elemento cerâmico que inclui AIN, a sinteriza- ção do elemento é conduzida preferencialmente em uma atmosfera que con- tém pelo menos algum nitrogênio, por exemplo pelo menos mais ou menos 5 por cento de volume de nitrogênio (i.é. pelo menos 5 % de volume de nitro- gênio baseado na atmosfera total), ou níveis mais altos como pelo menos mais ou menos 10 por cento de volume de nitrogênio (i.é. pelo menos 10 % de volume de nitrogênio baseado na atmosfera total).

Pode também ser preferido formar os elementos cerâmicos por meio de um processo de moldagem por injeção. Como referido tipicamente aqui, o termo "moldado por injeção, "moldagem por injeção" ou outro termo semelhante indica o processo geral onde um material (aqui um material ce- râmico ou pré-cerâmico) é injetado ou de outro modo avançado tipicamente sob pressão em um molde na forma desejada do elemento cerâmico seguido pelo resfriamento e subseqüente remoção do elemento solidificado que re- tém uma réplica do molde.

Na formação de elementos de aquecimento da invenção por moldagem por injeção, um material cerâmico (tal como uma mistura, disper- são ou outra formulação de pó cerâmico,) ou um material pré-cerâmico ou composição pode ser avançada em um elemento de molde.

Em métodos de fabricação adequados, um elemento de acen- dedor integral que tem regiões de diferentes resistividades (por exemplo, região condutora(s), região isoladora ou escoadora de calor e zona quente resistiva mais alta(s)) pode ser formado por moldagem por injeção seqüenci- al de materiais cerâmicos ou pré-cerâmicos tendo diferentes resistividades. Deste modo, por exemplo, pode ser formado um elemento básico pela intro- dução por injeção de um material cerâmico tendo uma primeira resistividade (por exemplo, material cerâmico que pode funcionar como uma região iso- Iante ou escoadora de calor) em um elemento de molde que define uma for- ma básica desejada como uma forma de barra. O elemento básico pode ser removido de um tal primeiro molde e posicionado em um segundo elemento de molde distinto e pode ser injetado no segundo molde um material cerâmi- co tendo diferente resistividade - por exemplo, um material cerâmico condu- tor - para prover a região condutora(s) do elemento de acendedor. De modo semelhante, o elemento básico pode ser removido do tal segundo molde e posicionado em ainda um terceiro elemento de molde distinto, e pode ser injetado no terceiro molde, material cerâmico tendo diferente resistividade- por exemplo um material cerâmico de zona resistiva quente - para prover região resistiva quente ou de ignição(s) do elemento de aquecimento.

Em aspectos preferidos da invenção, pelo menos três partes de um elemento de aquecimento cerâmico são moldadas por injeção em se- qüência de fabricação única para produzir um componente cerâmico, um denominado processo de moldagem por injeção de "tiro múltiplo" onde na mesma seqüência de fabricação onde partes múltiplas de um elemento de acendedor tendo valores de resistividade diferente (por exemplo partes, quente ou parte altamente resistiva, fria ou condutora, e isoladora ou escoa- dora de calor). Em pelo menos certas modalidades, uma única seqüência de fabricação inclui aplicações seqüenciais de moldagem por injeção de um material cerâmico sem remoção do elemento da área de formação de ele- mento e/ou sem deposição de material cerâmico a um membro de elemento por um outro processo diferente de moldagem por injeção.

Por exemplo, em um aspecto, uma primeira parte isoladora (es- coadora de calor) pode ser moldada por injeção, ao redor daquela parte iso- ladora então podem ser moldadas por injeção partes de perna condutora em um segundo passo, e em um terceiro passo uma, zona resistiva quente ou de ignição pode ser aplicada por moldagem por injeção ao corpo contendo zonas isoladora e resistiva.

Em outra modalidade, são providos métodos para produzir um elemento de aquecimento cerâmico resistivo, que incluem moldagem por injeção de uma ou mais partes de uma elemento cerâmico, em que o ele- mento cerâmico inclui três ou mais regiões de diferentes resistividades.

Os métodos de fabricação da invenção podem incluir processos adicionais para adição de material cerâmico para produzir o elemento cerâ- mico formado. Por exemplo, uma ou mais camadas cerâmicas podem ser aplicadas a um elemento formado, tal como por revestimento por imersão profunda, revestimento por jato, e semelhante de uma pasta semifluida de composição cerâmica.

Os elementos cerâmicos preferidos obteníveis por métodos da invenção compreendem uma primeira zona condutora, uma zona quente resistiva, e uma segunda zona condutora, todas em seqüência elétrica. Pre- ferencialmente, durante a uso do dispositivo pode ser aplicada potência elé- trica à primeira ou à segunda zonas condutoras através do uso de um con- dutor elétrico.

Elementos de aquecimento da invenção particularmente preferi- dos, terão um formato de seção transversal arredondado ao longo de pelo menos uma parte do comprimento do elemento de aquecimento (por exem- pio, o comprimento que se estende desde onde um condutor elétrico é afixa- do ao acendedor até uma zona quente resistiva). Mais particularmente, os elementos cerâmicos de aquecimento preferidos podem ter um formato de seção transversal substancialmente oval, circular ou outro formato arredon- dodado, por pelo menos uma parte do comprimento do acendedor, por e- xemplo, pelo menos mais ou menos 10 por cento, 40 por cento, 60 por cen- to, 80 por cento, 90 por cento do comprimento do acendedor, ou o compri- mento do acendedor inteiro. É particularmente preferido um formato de se- ção transversal substancialmente circular que prove um elemento de aque- cimento conformado como barra. Tais configurações de barra oferecem Mó- dulo de Seção maior e podem aumentar conseqüentemente a integridade mecânica do elemento de aquecimento.

Elementos cerâmicos de aquecimento da invenção podem ser empregados em uma grande variedade de voltagens nominais, incluindo voltagens nominais de 6, 8, 10, 12, 24,120, 220, 230 e 240 volts.

Os elementos de aquecimento da invenção são úteis para igni- ção em uma variedade de dispositivos e sistemas de aquecimento. Mais par- ticularmente, são providos sistemas de aquecimento que compreendem um elemento de acendedor cerâmico sinterizado como descrito aqui. Sistemas de aquecimento específicos incluem unidades de cozinha a gás, unidades de aquecimento para edifícios comerciais e residenciais, incluindo aquece- dores de água.

Como referido aqui, o termo "material cerâmico" inclui materiais tanto antes quanto depois de processos de sinterização. Por exemplo, alu- mina, M02SÍ2, SiC, AIN e outros materiais referidos aqui são considerados materiais cerâmicos incluindo no estado pré-sinterizado daqueles materiais.

Outros aspectos da invenção são descritos abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As Figuras 1A e 1B mostram respectivamente vistas de topo e inferior de um elemento de aquecimento da invenção;

A Figura 2A mostra uma vista de corte transversal ao longo da linha 2A-2A da Figura 1 A; e A Figura 2B mostra uma vista de corte transversal ao longo da linha 2B-2B da Figura 1A.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Em um primeiro aspecto, novos artigos cerâmicos são providos que são formados de um ou pós mais cerâmicos que têm tamanho de partí- cula de cerca de 2.5 mícrons ou menos, mais preferencialmente um tama- nho médio de partícula de cerca de 2 mícrons ou menos, ou 1,5, 1,25 ou 1 mícron ou menos. Tais materiais cerâmicos têm tipicamente um tamanho médio de partícula de pelo menos mais ou menos 0,2, 0,3, 0,4 ou 0,5 mí- crons.

Em composições cerâmicas preferidas, pelo menos uma parte principal (por exemplo maior do que 50, 60, 70, 80 ou 90 por cento em peso) de um material cerâmico especificado terá um tamanho pequeno de partícu- la como descrito aqui. Mais preferido, é que toda a parte do material cerâmi- co especificado tenha um tal tamanho pequeno de partícula. Por exemplo, se uma composição cerâmica é indicada para incluir alumina tendo um ta- manho médio de partícula de 2 mícrons ou menos, preferencialmente pelo menos uma parte principal (tal como maior que 50, 60, 70, 80 ou 90 por cen- to em peso) da alumina utilizada na composição cerâmica terá uma partícula média de 2 mícrons ou menos, e mais preferencialmente a parte inteira de alumina presente na composição cerâmica terá um tamanho médio de partí- cula de 2 mícrons ou menos.

Como discutido aqui, as composições cerâmicas empregadas para produzir elementos de aquecimento da invenção podem compreender adequadamente dois, três ou mais materiais distintos como AI2O3, AIN, Mo2Si2, SiC1 e semelhante. Adequadamente, um ou mais de tais materiais distintos podem ser empregados em tamanho médio pequeno de partícula como descrito aqui. Porém, em certas modalidades, nem todos os materiais de uma composição cerâmica necessita ser empregados em tamanho de partícula médio pequeno. Neste aspecto da invenção, pelo menos um mate- rial de uma composição de múltiplos materiais é de um tal tamanho de partí- cula médio pequeno, mas mais do que um ou todos os materiais de uma composição de múltiplos materiais podem ter tais tamanhos de partícula médios pequenos, se desejado.

Como discutido acima, em certas modalidades, o uso de um oxi- do de metal de tamanho de partícula médio pequeno como o AI2O3 pode ser particularmente preferido.

Sem estar limitado por qualquer teoria, acredita-se que uso de tais materiais de partícula de tamanho médio pequeno podem facilitar a sin- terização de pressão reduzida do elemento de aquecimento de estado verde formado.

Em outro aspecto, como discutido acima, novos métodos são agora providos para produzir elementos de acendedor cerâmico que inclui endurecimento (adensamento) de um elemento cerâmico verde formado sob pressões elevadas reduzidas.

Neste aspecto, são providos artigos cerâmicos que são fabrica- dos por tratamento do artigo cerâmico de estado verde por pressões múlti- plas, crescentes. Preferencialmente, o artigo cerâmico é tratado em uma primeira pressão e então tratado em uma segunda pressão que é mais alta do que a primeira pressão.

Para pelo menos certas aplicações, o primeiro e segundo trata- mentos de pressão diferem por pelo menos 3,447 mPa (500 psi), mais prefe- rencialmente por pelo menos 6,895 mPa (1000 psi), 13,789 mPa (2000 psi) ou 17,237 mPa (2500 psi).

Para pelo menos certas aplicações, o primeiro tratamento de pressão pode ser adequadamente a aproximadamente 20,684 mPa (3000 psi) ou menos, 13,789 mPa (2000 psi) ou menos, 6,895 mPa (1000 psi) ou menos, 3,447 mPa (500 psi) ou menos, ou 1,379 mPa (200 psi) ou menos, e o segundo tratamento de pressão ser a 41,368 mPa (6000 psi) ou menos, 34,474 mPa (5000 psi) ou menos, 27,579 mPa (4000 psi) ou menos, 20,684 mPa (3000 psi) ou menos, 13,789 mPa (2000 psi) ou menos, 10,342 mPa (1500 psi) ou menos ou 6,895 mPa (1000 psi) ou menos.

Para pelo menos certas aplicações, cada um do primeiro trata- mento de pressão e do segundo tratamento de pressão não excederá 34,474 mPa (5000 psi).

Outras pressões podem ser também empregadas para o primei- ro e segundo tratamentos de pressão desde que o primeiro tratamento de pressão seja em um nível mais baixo que o segundo tratamento de pressão.

Novamente, sem desejar ser limitado pela teoria, acredita-se que um primeiro tratamento de pressão mais baixa pode prover um adensamento inicial que evita gases aprisionados dentro do artigo. Uma vez que a porosi- dade está significativamente fechada pelo primeiro tratamento de pressão, adensamentos mais altos podem ser alcançados no segundo tratamento de pressão elevada.

Preferencialmente, o adensamento de pressão múltipla é condu- zido com sinterização de pressão de gás. Podem ser empregados fornos de sinterização de fase gasosa comerciais. Preferencialmente, a sinterização é conduzida sob uma atmosfera inerte, tal como uma atmosfera de nitrogênio ou argônio.

Como discutido acima, em um aspecto adicional da invenção, composições cerâmicas são adensadas na ausência de uma assim chama- da ajuda de sinterização.

Como discutido acima, elementos cerâmicos podem ser prefe- rencialmente formados por técnicas de moldagem por injeção. Deste modo, por exemplo e como discutido acima, um elemento básico pode ser formado por introdução de injeção de um material cerâmico tendo uma primeira resis- tividade (por exemplo, material cerâmico que pode funcionar como um isola- dor ou região escoadora de calor) em um elemento de molde que define uma forma básica desejada como uma forma de barra. O elemento básico pode seja removido do tal primeiro molde e posicionado em um segundo, elemento de molde distinto e material cerâmico tendo diferente resistividade - por exemplo um material cerâmico condutor - podendo ser injetado no se- gundo molde para prover região condutora(s) do elemento de aquecimento. De modo semelhante, o elemento básico pode ser removido do tal segundo molde e posicionado em ainda um terceiro, elemento de molde distinto e ma- terial cerâmico tendo resistividade diferente - por exemplo um material cerâ- mico de zona quente resistiva - podendo ser injetado no terceiro molde para prover região resistiva quente ou de ignição(s) do elemento de aquecimento.

Alternativamente, em lugar do tal uso de uma pluralidade de e- Iementos de molde distintos, materiais cerâmicos de diferentes resistividades podem ser seqüencialmente avançados ou injetados no mesmo elemento de molde. Por exemplo, um volume predeterminado de um primeiro material cerâmico (por exemplo material cerâmico que pode funcionar como um iso- Iador ou região escoadora de calor) pode ser introduzido em um elemento de molde que define uma forma básica desejada e depois disso um segundo material cerâmico de resistividade diferente pode ser aplicado à base forma- da.

Material cerâmico pode ser avançado (injetado) em um elemento de molde como uma formulação fluida que inclui um ou mais materiais ce- râmicos como um ou mais pós cerâmicos.

Por exemplo, uma pasta semifluida ou composição como pasta de pós cerâmicos pode ser preparada, como uma pasta provida misturando um ou mais pós cerâmicos com uma solução aquosa ou uma solução aquo- sa que contém um ou mais solventes orgânicos miscíveis como alcoóis e semelhantes. Uma composição de pasta semifluida cerâmica preferida para extrusão pode ser preparada misturando um ou mais pós cerâmicos como MoSi2, AI2O3, e/ou AIN em uma composição fluida de água opcionalmente junto com um ou mais solventes orgânicos como um ou mais solventes or- gânicos miscível em água como um solvente de éter de celulose, um álcool, e semelhante. A pasta semifluida cerâmica pode conter também outros ma- teriais, por exemplo um ou mais compostos orgânicos plastificadores opcio- nalmente junto com um ou mais aglomerantes poliméricos.

Uma grande variedade elementos de conformação ou indução de forma podem ser empregados para formar um elemento de acendedor, com o elemento de uma configuração correspondente ao formato desejado do acendedor formado. Por exemplo, para formar um elemento na forma de barra, uma pasta de pó cerâmico pode ser injetada em um elemento de mol- de cilíndrico. Para formar um elemento semelhante a "stilt" ou elemento a- cendedor conformado retangular, pode ser empregado um molde retangular.

Depois de avançar material(is) cerâmico(s) em um elemento de molde, a parte cerâmica definida pode ser adequadamente secada por e- xemplo em excesso de 50°C ou 60°C por um tempo suficiente para remover qualquer veículo solvente (aquoso e/ou orgânico).

Os exemplos que seguem descrevem processos preferidos de moldagem por injeção para formar um elemento de acendedor. Referindo-se agora aos desenhos, as Figuras 1 a e 1B mostram um elemento de aqueci- mento adequado 10 da invenção.

Como pode ser visto na Figura 1A, o acendedor 10 inclui uma região central escoadora ou isoladora de calor 12 que é encaixada dentro da região(s) de resistividade diferente, isto é zonas condutoras 14 na parte pró- xima 16 que se torna mais resistiva onde, na parte próxima de acendedor 18, a região tem um volume comparativamente diminuído, e deste modo po- de funcionar como zona quente resistiva 20.

A Figura 1B mostra a face da parte inferior do acendedor com a região escoadora de calor exposta 12.

As vistas em corte transversal das Figuras 2A e 2B representam adicionalmente o elemento de aquecimento 10 que inclui zonas condutoras' 14A e 14B na região próxima do acendedor 16 e correspondente zona quen- te resistiva 20 na zona distante do acendedor 18.

Em uso, pode ser suprida potência ao elemento de aquecimento (por exemplo, via um ou mais condutores elétricos, não mostrados) na zona condutora 14A que prove um caminho elétrico através da zona de igni- 25 ção resistiva 20 e então através da zona condutora 14B. As extremidades próximas 14a das regiões condutoras 14 podem ser adequadamente afixa- das tal como por meio de solda forte a um condutor elétrico (não mostrado) que supre potência para o acendedor durante o uso. A extremidade próxima do acendedor 10a pode ser adequadamente montada dentro de uma varie- dade de peças de fixação, tal como onde um material vedante ceramoplásti- co a extremidade próxima de elemento condutor 14a como descrito no Pedi- do de Patente Publicado U.S 2003/0080103. As peças de fixação metálicas também podem ser adequadamente empregadas para encaixar a extremi- dade próxima de elemento de aquecimento.

Como discutido acima, e exemplificado pelo elemento de aque- cimento 10 das Figuras 1A, 1B, 2A e 2B, pelo menos uma parte substancial do comprimento de acendedor tem uma forma de corte transversal arredon- dado ao longo de pelo menos uma parte do comprimento do elemento de aquecimento, tal como o comprimento χ mostrado na Figura 1 Β. O acende- dor 10 das Figuras 1A, 1B, 2A e 2B representam uma configuração particu- larmente preferida onde o elemento de aquecimento 10 tem uma forma de corte transversal substancialmente circular para mais ou menos o compri- mento inteiro do elemento de aquecimento para prover um elemento de a- quecimento na forma de barra. Porém, sistemas preferidos incluem também aqueles onde somente uma parte do acendedor tem uma seção transversal de forma arredondada, tal como onde até mais ou menos 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ou 90 % do comprimento do elemento de aquecimento (como e- xemplificado pelo comprimento do elemento de aquecimento χ na Figura 1 B) tem uma forma de corte transversal arredondada; em tais projetos, o ba- lanço do comprimento de elemento de aquecimento pode ter um perfil com bordas exteriores.

O elemento de aquecimento pode ser fabricado de uma varieda- de de configurações como desejado para uma aplicação particular. Deste modo, por exemplo, para prover uma configuração particular, é empregado um elemento de molde apropriado de indução forma ao qual uma composi- ção cerâmica (como uma pasta cerâmica) pode ser injetada.

As dimensões dos elementos de aquecimento da invenção po- dem variar amplamente e podem ser selecionadas baseado no uso preten- dido do elemento de aquecimento. Por exemplo, o comprimento de um ele- mento de aquecimento preferido (comprimento χ na Figura 1B) pode ser a- dequadamente desde mais ou menos 0,5 a mais ou menos 5 cm, mais pre- ferencialmente desde 1 a mais ou menos 3 cm, e a largura da seção em cor- te transversal do elemento de aquecimento (comprimento y na Figura 1B) pode ser adequadamente desde mais ou menos 0,2 a mais ou menos 3 cm. Semelhantemente, os comprimentos das regiões de zona condu- tora e quente também podem variar adequadamente. Preferencialmente, o comprimento de uma primeira zona condutora (comprimento da região pró- xima 16 na Figura 1A) de um elemento de aquecimento da configuração re- presentada na Figura 1A pode ser desde 0,2 cm a 2, 3, 4, 5, ou mais cm de comprimento. Comprimentos mais típicos da primeira zona condutora serão de mais ou menos 0.5 a mais ou menos 5 cm. O comprimento total de cami- nho elétrico da zona quente (comprimento f na Figura 1A) pode ser adequa- damente mais ou menos 0,2 a 5 ou mais centímetros.

Em sistemas preferidos, a zona quente ou resistiva de um ele- mento de aquecimento da invenção aquecerá a uma temperatura máxima de menos do que mais ou menos 1450°C em voltagem nominal; e uma tempe- ratura máxima de menos do que mais ou menos 1550°C em altas voltagens de extremidade de linha que são mais ou menos 110 por cento da voltagem nominal; e uma temperatura máxima de menos do que mais ou menos 1350°C em baixas voltagens de extremidade de linha que são mais ou me- nos 85 por cento da voltagem nominal.

Uma variedade de composições podem ser empregadas para formar um elemento de aquecimento da invenção. As composições de zona quente geralmente preferidas compreendem dois ou mais componentes de 1) material condutor; 2) material semicondutor; e 3) material isolante. As re- giões condutora (fria) e isolante (escoadora de calor) podem ser compreen- didas dos mesmos componentes, mas com os componentes presentes em diferentes partes. Os materiais condutores típicos incluem por exemplo dissi- Iisiureto de molibidênio, dissilisiureto de tungstênio, e nitretos como nitreto de titânio. Os materiais isolantes típicos incluem óxidos de metal tal como alumina ou um nitreto tal como AIN e/ou Si3N4.

Como referido aqui, o termo material eletricamente isolante indi- ca um material que tem uma resistividade à temperatura ambiente de pelo menos mais ou menos 101° ohms-cm. O componente de material eletrica- mente isolante de acendedores da invenção pode ser compreendido somen- te ou principalmente de um ou mais nitretos de metal e/ou óxidos de metal, ou alternativamente, o componente isolante pode conter materiais além do óxido de metal(s) ou nitreto de metal(s). Por exemplo, o componente de ma- terial isolante pode conter adicionalmente um nitreto tal como nitreto de alu- mínio (AIN), nitreto de silício, ou nitreto de boro; um óxido de terra rara (por exemplo óxido de ítrio); ou um óxinitreto da terra rara. Um material adiciona- do preferido do componente isolante é alumina (AI2O3).

Como referido aqui, um semicondutor cerâmico (ou "semicondu- tor") é uma cerâmica tendo uma resistividade à temperatura ambiente de entre aproximadamente 10 e 10 ohm-cm. Se o componente semicondutor está presente como mais que mais ou menos 45 % em volume de uma com- posição de zona quente (quando a cerâmica condutora estiver na faixa de cerca de 6-10 % em volume), a composição resultante se torna muito condu- tora para aplicações de voltagem alta (devido à falta de isolante). Recipro- camente, se o material semicondutor está presente como menos do que mais ou menos 10 % em volume (quando a cerâmica condutora estiver na faixa de cerca de 6-10 % em volume, a composição de resultante torna-se muito resistiva (devido à isolante demais). Novamente, em níveis mais altos de condutor, misturas mais resistivas das frações de isolante e semicondutor podem ser necessárias para alcançar a voltagem desejada.

Como se referido aqui, um material condutor é um que tem uma resistividade á temperatura ambiente de menos do que mais ou menos 10 ohm-cm. Se o componente condutor está presente em uma quantidade de mais do que 35 % em volume da composição da zona quente, a cerâmica resultante da composição da zona quente, a resultante cerâmica pode se tornar muito condutora. Tipicamente, o condutor é selecionado do grupo que consiste em dissilisiureto de molibidênio, disilisiureto de tungstênio, e nitretos como nitreto de titânio, e carboneto como carboneto de titânio. O disilisiureto de molibidênio é geralmente preferido.

Em geral, composições preferidas de zona quentes (resistivas) incluem (a) entre mais ou menos 50 e mais ou menos 80 % em volume de um material eletricamente isolante tendo um resistividade de pelo menos mais ou menos 1010 ohm-cm; (b) entre aproximadamente 0 (onde nenhum material semicondutor é empregado) e mais ou menos 45 % em volume de um material semicondutor que tem uma resistividade entre aproximadamen- te 10 e mais ou menos 10 ohm-cm; e (c) entre aproximadamente 5 e mais ou menos 35% em volume de um condutor metálico tendo um resistividade de menos do que mais ou menos 10 ohm-cm.

Como discutido, o elemento de aquecimento da invenção con- tém uma região de zona fria de resistividade relativamente baixa em cone- xão elétrica com a zona quente (resistiva) e que permite a fixação dos con- dutores ao acendedor. Regiões de zona fria preferidas incluem aquelas que são compreendidas de por exemplo AIN e/ou AI2O3 ou outro material isolan- te; material semicondutor opcional; e MoSi2 ou outro material condutor. Po- rém, regiões de zona fria terão uma porcentagem significativamente mais alta dos materiais condutores (por exemplo, MoSi2) do que a zona quente. Uma composição de zona fria preferida compreende mais ou menos 15 a 65 % em volume oxido de alumínio, nitreto de alumínio ou outro material isolan- te; e mais ou menos 20 a 70 % em volume de MoSi2 ou outro material con- dutor e semicondutor em uma relação de volume de mais ou menos 1:1 para mais ou menos 1:3. Para facilidade de fabricação, preferencialmente a com- posição da zona fria é formada dos mesmos materiais, como a composição de zona quente, com as quantidades relativas de materiais semicondutores e condutores sendo maiores.

Em pelo menos certas aplicações, os elementos de aquecimento da invenção podem compreender adequadamente uma região não conduto- ra (isolante ou escoadora de calor), embora particularmente preferido os e- lementos de aquecimento da invenção não terem um isolador cerâmico que contate pelo menos uma parte significativa do comprimento de uma primeira zona condutora, como discutido acima.

Se empregada, uma tal zona escoadora de calor pode combinar com uma zona condutora ou uma zona quente, ou ambas. Preferencialmen- te, uma região isolante sinterizada tem uma resistividade de pelo menos mais ou menos 1014 ohm-cm a temperatura ambiente e uma resistividade de pelo menos 1014 ohm-cm em temperaturas operacionais e tem uma resistên- cia de pelo menos 150 MPa. Preferencialmente, uma região isolante tem uma resistividade em temperaturas operacionais (ignição) que é pelo menos 2 ordens de magnitude maior do que a resistividade da região de zona quen- te. Composições isolantes adequadas compreendem pelo menos mais ou menos 90 % em volume de um ou mais nitreto de alumínio, alumina e nitreto de boro.

Materiais cerâmicos preferidos do elemento de aquecimento são descritos nos exemplos que seguem.

Os elementos de aquecimento da invenção podem ser usados em muitas aplicações, incluindo aplicações de ignição de combustível de fase gasosa tais como fornos e eletrodomésticos de cozinha, aquecedores de rodapé, caldeiras, e topos de fogão. Em particular, um elemento de aque- cimento da invenção pode ser usado como uma fonte de ignição para parar queimadores de gás de topo como também fornos a gás.

Em um aspecto preferido da invenção, elementos de aquecimen- to da invenção podem ser configurados e/ou utilizados como elementos de acendedores resistivos distintos dos elementos de aquecimento conhecidos como plugues aquecedores. Entre outras coisas, freqüentemente emprega- dos os plugues aquecedores aquecem a temperaturas relativamente mais baixas, por exemplo, uma temperatura máxima de cerca de 800°C, 900°C ou 1000°C e assim aquecem um volume de ar ao invés de prover ignição direta de combustível, enquanto acendedores preferidos da invenção podem pro- ver temperaturas máximas mais altas tais como pelo menos mais ou menos 1200°C, 1300°C ou 1400°C para prover ignição direta de combustível. Os acendedores preferidos da invenção também não precisam incluir vedação hermética a gás em torno do elemento ou pelo menos uma parte dele para prover uma câmara de combustão de gás, como tipicamente empregada com um sistema de plugues aquecidos. Ainda mais, muitos acendedores preferidos da invenção são úteis em voltagens de linha relativamente altas, por exemplo uma voltagem de linha em excesso de 24 volts, tal como 60 volts ou mais ou 120 volts ou mais incluindo 220, 230 e 240 volts, enquanto que plugues aquecidos são tipicamente empregados somente em voltagens de 12 a 24 volts.

Os elementos de aquecimento da invenção são também particu- larmente adequados para uso para ignição onde combustíveis líquidos (úmi- dos) (por exemplo, querosene, gasolina) são evaporados e acesos, por e- xemplo em veículo (por exemplo, carro) aquecedores que provem aqueci- mento em avanço do veículo.

Em outros aspectos preferidos, elementos de aquecimento são adequadamente empregados como plugues aquecedores, por exemplo, co- mo uma fonte de ignição em um veículo a motor.

Elementos de aquecimento serão úteis para aplicações específi- cas adicionais, incluindo como elementos de aquecimento para um aquece- dor infra-vermelho.

Os seguintes exemplos não Iimitantes são ilustrativos da inven- ção. Todos os documentos mencionados aqui são incorporados aqui como referência em sua totalidade.

Exemplo 1: Fabricação de acendedor

Os seguintes materiais foram misturados para prover uma com- posição condutora para fabricação por moldagem por injeção de um elemen- to de aquecimento: 30 % por vol. de MoSi2, 7 % por vol. de SiC, e 63 % por vol. de Al203, e baseado no peso de materiais cerâmicos 2-3 % de peso de álcool polivinílico e 0.3 % de peso de glicerol.

Os seguintes materiais foram misturados para prover uma com- posição isolante para fabricação por moldagem por injeção de um elemento de aquecimento: 10 % por vol. de MoSi2, 90 % por vol. de AI2O3, e baseado no peso de materiais cerâmicos 2-3 % de peso de álcool polivinílico e 0.3 % de peso de glicerol.

Os seguintes materiais foram misturados para prover uma com- posição de zona quente resistiva para fabricação por moldagem por injeção de um elemento de aquecimento:25 % por vol. de MoSi2, 5 % por vol. de SiC, e 70 % por vol. de AI2O3, e baseado no peso de materiais cerâmicos 2-3 % de peso de álcool polivinílico e 0.3 % de peso de glicerol.

Em cada uma das três composições, o AI2O3 teve um tamanho médio de partícula de 1,7 mícrons. Nenhuma ajuda de sinterização como oxido de ítrio ou outros de tais materiais foram incluídos nas composições.

As três composições acima, de diferentes resisitividades foram carregadas em barris separados de um moldador de co-injeção. Para con- formar o elemento de acendedor na forma de barra com região interna iso- lante de configuração geral mostrada na Figura 1 dos desenhos, uma primei- ra injeção encheu uma metade da cavidade conformada como cilindro com pasta isolante formando a pasta isolante extrudada da cavidade. A parte foi removida da primeira cavidade, colocada em uma segunda cavidade e uma segunda injeção encheu o volume limitado pela primeira injeção e o núcleo de parede de cavidade com a pasta condutora. A parte foi então removida da segunda cavidade, colocada em uma terceira cavidade e uma terceira injeção encheu a parte de topo da parte com a pasta resistiva (zona quente). A parte conformada na forma de barra assim moldada foi então parcialmente desaglomerada à temperatura ambiente em um solvente orgânico dissolven- do para fora 10 % em peso dos 10-16 % em peso adicionado. A parte foi então termicamente desaglomerada em gás inerte corrente (N2) à 300-500°C por 60 horas para remover o remanescente do aglomerante residual.

A parte conformada na forma de barra desaglomerada foi aden- sada através de um processo de duas fases usando sinterização de fase gasosa. Deste modo, a parte conformada na forma de barra foi colocada em um forno de sinterização de gás que foi enchido com gás de argônio a uma pressão de 1,034 mPa (150 psi). O forno foi mantido à 1725°C por mais ou menos 1,5 hora. O forno era então permitido esfriar até a temperatura ambi- ente e então aumentada a pressão para 20,684 mPa (3000 psi) e mantida a 1725°C para mais ou menos 2 horas. O forno era então permitido esfriar até a temperatura ambiente. O parte conformada como barra tratada, teve uma densidade maior do que 98 por cento. O elemento denso foi conectado a um suprimento de potência de 24 volts e a zona quente atingiu uma temperatura de cerca de 1300°C.

A invenção foi descrita em detalhe com referência a modalida- des particulares dela. Porém, será observado que aqueles qualificados na técnica, em consideração a esta divulgação, podem fazer modificação e a- perfeiçoamentos dentro do espírito e âmbito da invenção.

Claims (20)

1. Elemento cerâmico resistivo de aquecimento compreendendo: antes de sinterizar, um ou mais materiais cerâmicos que têm um tamanho médio de partícula de 2.5 mícrons ou menos.

2. Elemento de aquecimento de acordo com a reivindicação 1, em que o elemento de aquecimento compreende antes da sinterização um ou mais óxidos de metal tendo um tamanho médio de partícula de 2,5 mí- crons ou menos.

3. Elemento de aquecimento cerâmico de acordo com a reivindi- cação 1, em que o elemento de aquecimento compreende antes da sinteri- zação alumina tendo um tamanho médio de partícula de 2,5 mícrons ou me- nos.

4. Elemento de aquecimento de acordo com a reivindicação 1, em que o um ou mais materiais cerâmicos têm um tamanho médio de partí- cuia de 2 mícrons ou menos.

5. Elemento de aquecimento de acordo com a reivindicação 1, em que o um ou materiais mais cerâmicos têm um tamanho médio de partí- cula de 1,5 mícrons ou menos.

6. Método para produzir um elemento de aquecimento resistivo, compreendendo: tratar uma composição cerâmica em uma primeira pressão; e depois disso tratar a composição cerâmica em uma segunda pressão que é maior do que a primeira pressão para assim adensar a composição cerâ- mica.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, em que antes do tratamento na primeira pressão a composição cerâmica compreende um ou mais materiais cerâmicos tendo um tamanho médio de partícula de 2,5 mí- crons ou menos.

8. Método de acordo com a reivindicação 6, em que antes do tratamento na primeira pressão a composição cerâmica compreende um ou mais óxidos de metal tendo um tamanho médio de partícula de 2,5 mícrons ou menos.

9. Método de acordo com a reivindicação 6, em que antes do tratamento na primeira pressão a composição cerâmica compreende alumi- na tendo um tamanho médio de partícula de 2,5 mícrons ou menos.

10. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a primeira e segunda pressões diferem por pelo menos 6,895 mPa (1000 psi).

11. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a segunda pressão é mais ou menos 34,474 mPa (5000 psi) ou menos.

12. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a primeira pressão é mais ou menos 6,895 mPa (1000 psi) ou menos.

13. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a primeira pressão é mais ou menos 1,724 mPa (250 psi) ou menos.

14. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a primeira e segunda pressões são aplicados como um processo de sinterização de fase de gás.

15. Método de acordo com a reivindicação 6, em que o elemento de acendedor cerâmico é formado de uma composição que tem menos do que 10 por cento de volume de carboneto de silício.

16. Método de acordo com a reivindicação 6, em que o elemento cerâmico compreende duas ou mais regiões de resistividade diferente.

17. Método de acordo com a reivindicação 6 em que o elemento cerâmico inclui três ou mais regiões de diferir resistividade.

18. Elemento de acendedor cerâmico obtenível pelo método co- mo definido na reivindicação 6.

19. Método de acender combustível gasoso, compreendendo aplicar uma corrente elétrico através de um acendedor de acordo com a rei- vindicação 18.

20. Aparelho de aquecimento compreendendo um acendedor de acordo com a reivindicação 18.