CN114667415A - 具有陶瓷加热器的热致动气体阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可热致动气体阀组件，所述可热致动气体阀组件包括陶瓷加热器。所述气体阀组件包括外壳，所述外壳具有气体入口和气体出口。双金属热致动器具有阀塞，所述阀塞可移除地密封所述气体出口与所述外壳的内部。所述陶瓷加热器为可通电的，以引起所述热致动器偏转，所述偏转使所述阀塞从所述气体出口脱开，从而将所述气体出口放置成与所述气体入口和所述外壳的所述内部流体连通。还示出并描述了气体加热系统，其中所述气体阀组件将烹饪气体选择性地供应至氮化硅陶瓷点火器。所述点火器和所述加热器串联，使得当施加横穿所述点火器和所述加热器的交流源时，所述点火器在所述阀组件打开之前达到所述燃烧气体的自动点火温度。

Description

具有陶瓷加热器的热致动气体阀
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2019年8月19日的美国临时专利申请No.62/888,872的权益；该临时专利申请的整体据此以引用方式并入。
技术领域
本公开涉及气体控制阀和气体加热系统，该气体控制阀通过陶瓷加热器进行热致动，该气体加热系统包括具有陶瓷点火器的此类控制阀。
背景技术
美国和国外的许多炉腔通过气体利用陶瓷点火器进行加热，诸如碳化硅热表面点火器。碳化硅陶瓷点火器包括具有终端的半导电陶瓷本体，电势差施加横穿该终端。流动通过陶瓷本体的电流引起该本体升温和温度增加，从而向燃烧气体提供点火源。在此类炉加热系统中，标准的是包括热致动气体控制阀组件，有时称为双金属气体阀组件，以确保一旦可燃烧气体已达到表面温度，则可燃烧气体仅供应至碳化硅点火器，燃烧气体和空气的可燃烧混合物将在该表面温度下点燃。
气体阀组件和碳化硅点火器通过开关或继电器串联连接至AC(标称120VAC)电源，该开关或继电器控制了电力至电路的流动。当炉需要热量时，开关闭合并且电力首先流动至碳化硅点火器并然后流动至双金属阀组件。该点火器具有负电阻温度系数并且在室温下具有高电阻，该高电阻限制了双金属阀组件的电压和电流。初始高电阻防止了阀在热表面点火器已达到燃烧气体的点火温度之前打开。随着热表面点火器开始升温，其电阻开始下降(由于负电阻系数)并且最终在116VAC下稳定于大约35Ω和2700℉(最大温度)。
随着点火器的电阻下降，电流开始流动至双金属阀组件。组件内侧为线材电阻元件和可热偏转双金属条。线材电阻元件包裹于一部分的双金属条周围，并且随着电流开始流动，电阻元件开始升温。随着电阻元件升温，双金属条达到偏转温度，双金属条在该偏转温度下偏转以使阀塞从气体阀组件的气体出口脱开，从而将组件的内部和其气体入口放置成与气体出口流体连通并且允许气体流动。电路未提供3.03VAC至3.30VAC和3.2安至3.6安的所需电压，直至碳化硅点火器处于期望操作温度下。双金属条包括具有不同膨胀系数的两种金属。不同膨胀系数引起该条弯曲，因此双金属条的阀塞端部偏离并且从气体出口脱开。
这种设计的优点在于，用以打开双金属气体阀所需的电流将不存在，直至热表面点火器处于其操作温度下。这确保了，未允许可燃烧气体的流动，直至热表面点火器处于将保证气体点火的温度下。
遗憾的是，已知热致动气体控制阀组件和气体加热系统存在一些缺点：它们结合碳化硅点火器来利用。首先，碳化硅点火器(特别地，M电路设计)为非常脆弱的，并且在工厂安装、运输，以及炉在最终用户家庭中的安装期间易于破裂。此外，碳化硅点火器为升温缓慢的，并且在大多数情况下，耗用10秒至20秒来达到其期望操作温度。
此外，双金属阀也为缓慢的，从而在碳化硅点火器达到其期望操作温度之后，需要额外20秒至40秒来打开。因此，点火的总体时间大约在30秒至60秒之间。另外，碳化硅热表面点火器将在碳化硅颗粒和引线的表面上形成二氧化硅绝缘层，从而随着时间而产生点火器的室温电阻的增加。这种电阻增加还增加了整体温度时间，从而使系统的整体性能下降。另外，碳化硅为半导体，并且整个点火器为导电的。这要求，炉的操作者必须保护免于不慎接触，来防止烧伤或电气短路。
氮化硅点火器长期以来用于热水器和火炉应用，并且具有相比于碳化硅点火器的数个优点。首先，氮化硅点火器具有优异强度和断裂韧性，从而使它们在各种应用中为非常耐用的。此外，氮化硅点火器的表面为绝缘的，因此电气短路的风险得以消除。此外，相比于碳化硅，达到温度的时间为50％至75％较快的，并且功率消耗相比于碳化硅为80％较低的。还值得注意的是，氮化硅点火器具有正电阻温度系数，如同大多数材料。
在炉腔内采用氮化硅点火器的障碍为用以接通和断开点火器所需的控制系统的费用。典型氮化硅点火器的消耗电流不足以引起气体阀组件以典型线材电阻元件进行打开。因此，双金属阀将需要以诸如电磁阀的阀来替换，并且将需要添加控制板以接通点火器，感测其已达到温度的时间，并且将信号发送至电磁阀来打开。这些特征的组合使得接受成本过高。相比之下，结合双金属气体阀的碳化硅点火器为极具成本竞争力的。因此，产生了对于解决前述问题的气体阀组件的需求。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种可热致动气体阀组件，该可热致动气体阀组件包括外壳、热致动器、阀塞和陶瓷加热器。外壳具有气体入口、气体出口和内部体积，该内部体积与气体出口选择性流体连通。热致动器设置于内部体积中，并且阀塞操作地连接至热致动器。阀塞定位成从内部体积选择性地密封气体出口，并且陶瓷加热器与热致动器热连通。在某些实例中，热致动器包括双金属构件或双金属构件组件，该双金属构件或双金属构件组件当加热至偏转温度时偏转。在相同或其它实例中，陶瓷加热器包括陶瓷本体和导电油墨图案，该导电油墨图案设置与陶瓷本体中。在相同或其它实例中，陶瓷本体包括氮化硅。同时或在其它实例中，陶瓷加热器的导电油墨图案具有约6.5x10-5Ω·cm至约2x10-4Ω·cm的室温电阻率。同时或在其它实例中，导电油墨图案具有约5Ω至约15Ω的室温电阻。
根据本发明的第二方面，提供了一种气体加热系统，该气体加热系统包括陶瓷点火器和热致动气体阀组件，该热致动气体阀组件包括外壳、热致动器、阀塞和陶瓷加热器。外壳具有气体入口、气体出口和内部体积，该内部体积与气体出口选择性流体连通。热致动器设置于内部体积中，并且阀塞操作地连接至热致动器。阀塞定位成从气体阀组件的内部体积选择性地密封气体出口，并且陶瓷加热器与热致动器热连通。在某些实例中，热致动器包括双金属构件或双金属构件组件，该双金属构件或双金属构件组件当加热至偏转温度时偏转。在某些实例中，陶瓷点火器的室温电阻对于陶瓷加热器的室温电阻的比率为约1.9至约4.0。同时，陶瓷点火器的室温电阻和陶瓷加热器的室温电阻的总和为约25Ω至约65Ω。
根据本公开的第三方面，提供了一种气体加热系统，该气体加热系统包括陶瓷点火器和热致动气体阀组件，该陶瓷点火器包括导电油墨图案，该导电油墨图案具有正电阻率温度系数。热致动气体阀组件包括：(i)外壳，该外壳具有气体入口、气体出口和内部体积，该内部体积与气体出口选择性流体连通；(ii)热致动器，该热致动器设置于内部体积中；(iii)阀塞，该阀塞操作地连接至热致动器并且定位成使气体出口与内部体积选择性地密封；和(iv)加热器，该加热器与热致动器热连通。在某些实例中，加热器为包括导电油墨图案的陶瓷加热器。同时或在其它实例中，陶瓷加热器具有正电阻率温度系数。
根据本公开的第四方面，提供了一种点燃气体的方法。该方法包括提供燃烧气体源，该燃烧气体源与陶瓷点火器选择性流体连通；提供气体阀组件，该气体阀组件可操作以将燃烧气体源选择性地放置成与陶瓷点火器流体连通；使陶瓷点火器通电，使得其达到不小于燃烧气体的点火温度的表面温度；和使陶瓷加热器通电，以将燃烧气体源放置成与陶瓷点火器流体连通。气体阀组件包括热致动器和陶瓷加热器，该陶瓷加热器与热致动器热连通。在某些实例中，热致动器为可偏转构件，并且使陶瓷加热器通电以将燃烧气体源放置成与陶瓷点火器流体连通的步骤包括加热该热致动器，使得热致动器偏转。同时或在其它实例中，陶瓷点火器室温电阻对于陶瓷加热器室温电阻的比率为约1.9至约4.0。同时或在其它实例中，陶瓷点火器的室温电阻和陶瓷加热器的室温电阻的总和为约25Ω至约65Ω。同时或在其它实例中，使陶瓷加热器通电的步骤包括将至少约15V AC rms的电势差施加横穿陶瓷加热器。同时或在其它实例中，使陶瓷点火器通电的步骤包括将至少约75V AC rms的电势差施加横穿陶瓷点火器。同时或在其它实例中，气体阀组件包括气体入口和气体出口，热致动器在相对于陶瓷绝缘体的一个端部处固定于气体阀组件中并且具有连接至阀塞的自由端部，并且阀塞可移除地位于气体出口中，使得当热致动器偏转时，该阀塞从气体出口脱开以将气体入口放置成与气体出口流体连通。同时或在其它实例中，不早于当陶瓷点火器达到燃烧气体的自动点火温度时，气体入口放置成与气体出口流体连通。
附图说明
图1A为现有技术热致动气体阀组件的顶部分解透视图；
图1B为图1A的现有技术气体阀组件的底部分解透视图；
图1C为第一配置的图1A的气体阀组件的剖视图，其中气体入口未与气体出口流体连通；
图1D为图1C的气体阀组件的剖视图，其中气体入口与气体出口流体连通；
图2为彼此串联并且与交流源串联的陶瓷点火器和陶瓷加热器的电路图；
图3A为包括陶瓷加热器的可热致动气体阀组件的第一实施例的顶部透视图，其中外壳移除；
图3B为图3A的气体阀组件的底部透视图；
图4A为包括陶瓷加热器的可热致动气体阀组件的第二实施例的顶部透视图，其中外壳移除；
图4B为图4A的气体阀组件底部透视图；
图5A为包括陶瓷加热器的可热致动气体阀组件的第三实施例的底部透视图，其中外壳移除；
图5B为图5A的气体阀组件的顶部平面图；
图6A为包括陶瓷加热器的可热致动气体阀组件的第四实施例的顶部透视图，其中外壳移除；
图6B为图6A的气体阀组件的底部透视图；
图7A为横穿陶瓷点火器和陶瓷加热器的电势差相对于电路输入电压的图表，该陶瓷点火器和该陶瓷加热器具有相当电阻并且彼此串联；
图7B为横穿彼此串联的陶瓷点火器和陶瓷加热器的电势差相对于输入电压的图表，其中陶瓷加热器电阻显著地低于陶瓷点火器电阻；
图8为横穿彼此串联的陶瓷点火器和陶瓷加热器并由其消耗功率的电势差相对于电路输入电压的图表，其中陶瓷加热器和陶瓷点火器具有第一比率的室温电阻；
图9为横穿彼此串联的陶瓷点火器和陶瓷加热器并由其消耗功率的电势差相对于电路输入电压的图表，其中陶瓷加热器和陶瓷点火器具有第二比率的室温电阻；
图10为横穿彼此串联的陶瓷点火器和陶瓷加热器并由其消耗功率的电势差相对于电路输入电压的图表，其中陶瓷加热器和陶瓷点火器具有第三比率的室温电阻；
图11为横穿彼此串联的陶瓷点火器和陶瓷加热器并由其消耗功率的电势差相对于电路输入电压的图表，其中陶瓷加热器和陶瓷点火器具有第四比率的室温电阻；和
图12为用于生成图7A至图11的图表的电路的视图。
类似附图标号指代图中的类似部分。
具体实施方式
下文描述了热致动气体阀组件和气体加热系统的实例，该热致动气体阀组件包括陶瓷加热器，该气体加热系统包括此类气体阀组件和陶瓷点火器。气体阀组件包括热绝缘体，该热绝缘体当经受偏转温度时偏转，从而使阀塞从气体阀组件的出口端口脱开并且将出口端口放置成与入口端口流体连通。在某些实例中，陶瓷点火器为氮化硅点火器。在相同或其它实例中，陶瓷加热器为氮化硅加热器。相比于已知气体阀组件，本文所描述的那些为更耐受断裂的，并且更快速地点燃燃烧气体。
参考1A，示出了现有技术气体阀组件20。气体阀组件20包括外壳22和顶部25，顶部25装配于外壳22上以限定封闭内部24。封闭内部24包括一定体积的可燃烧气体。气体入口端口38准许气体从气体源(未示出)至封闭内部24。气体出口端口40连接至燃烧器(未示出)。氮化硅点火器(未示出)与燃烧器流体连通，以点燃由气体阀组件20所选择性地提供的燃烧气体。
热致动器26附接至阀塞42，阀塞42选择性地并密封地接合气体出口端口40的入口43。当阀塞42密封地接合入口43时，气体出口端口40未与气体阀组件20的气体入口端口38或气体阀组件20的外壳22的内部24流体连通，在这种情况下，可燃烧气体将未从气体阀组件20流动至燃烧器，气体出口端口40连接至该燃烧器。
热致动器26优选地响应于热量而偏转，以使阀塞42与气体出口端口40接合和脱离。在某些优选实例中，热致动器26包括双金属构件组件23，双金属构件组件23由具有不同热膨胀系数的两种金属来形成。在图1A和图1B的实例中，双金属构件组件23包括两个双金属构件28和30，其各自包括具有不同热膨胀系统的两种金属。两种金属为沿着z轴线彼此相邻的。
双金属构件组件23具有沿着x轴线彼此隔开的第一端部34和第二端部37。双金属构件组件23为悬臂式的。第一端部34经由铆钉35固定地附接至绝缘体块36。绝缘体块36固定地附接至外壳22的内部。第二端部37附接至阀塞42，阀塞42未固定地附接至外壳，直接地或间接地。当双金属构件组件23加热至偏转温度时，第二端部37在沿着z轴线的方向上移动远离气体出口端口40的入口43，以使阀塞从气体出口端口40的气体入口43脱开并且将可燃烧气体提供至燃烧器，气体出口端口40连接至该燃烧器。
第一双金属构件28在第一端部34处附接至绝缘体块36，并且在第二端部39处附接至第二双金属构件30。第一双金属构件28在沿着x轴线的方向上附接至第二双金属构件30并与之重叠。线材电阻加热器44沿着第一双金属构件28来提供并且包裹于第一双金属构件28周围，并且为选择性地可通电的，以将双金属构件组件23加热至高于偏转温度的温度(双金属构件组件23在该温度下充分地偏转以使阀塞42从气体出口端口40的气体入口43脱开)。在一个已知实例中，线材电阻加热器44包括镍铬合金线圈，该镍铬合金线圈包裹于第一双金属构件28的至少一部分周围并且沿着构件28的至少一部分长度(沿着x轴线)延伸。
绝缘体块36优选地包括陶瓷材料，并且包括两个铆钉(未单独地标识)，这两个铆钉具有上铆钉头部45a和45b，上铆钉头部45a和45b用于将线材电阻加热器44放置于电气电路中并且与交流源电气连通。两个铆钉的每一者沿着z轴线方向延伸通过绝缘体块36。上铆钉头部45a和45b设置于相应铆钉的端部上，该铆钉延伸通过绝缘体块36并且延伸通过相应硅氧烷O形环密封件51a和51b。在绝缘体块下方(图1B)，下铆钉头部48a和48b为导电的，其对应上铆钉头部45a和45b也为导电的。当盖25接合外壳22时，上铆钉头部45a和45b位于开口46a和46b中(图1B)，并且突出通过云母绝缘体29，使得它们与对应导电尖头47a和47b电气连通。尖头47a和47b插入交流源中，该交流源优选地在约102VAC rms至132VAC rms的范围内。塑料绝缘体42覆盖上铆钉头部45a和45b。
再次参考图1B，线材电阻加热器44经由电气连接器49a电气地连接至下铆钉头部48a，电气连接器49a可为例如电阻焊接部或可为线材电阻加热器44的一部分，线材电阻加热器44可延伸至下铆钉头部48a并且然后电阻焊接至下铆钉头部48a。从线材电阻加热器44至下铆钉头部48b的连接是接地连接，并且在图1B中为不可视的。然而，如图1B所示，中心铆钉35通过经由连接器49b将其电气地连接至铆钉48b进行接地，连接器49b可为例如连接至铆钉33和下铆钉头部48b的电阻焊接部或金属条。
参考图1C和图1D，气体阀组件20示为处于第一操作配置(图1C)，其中气体出口端口40未与外壳22的内部体积24或未与入口端口38流体连通。在这种配置中，可燃烧气体未从气体阀组件20供应至燃烧器，气体出口端口40连接至该燃烧器。双金属构件组件23处于未偏转配置，并且阀塞42密封地接合气体出口端口40的气体入口43。在该第一配置中，线材电阻加热器44尚未将双金属构件组件23加热至偏转温度。
在第二操作配置(图1D)，线材电阻加热器44已选择性地通电，诸如通过将其放置成与交流源并且与碳化硅点火器串联。因此，双金属构件组件23已加热至超出最小偏转温度的温度。由于双金属构件组件23和绝缘体块36之间的悬臂式连接，第一双金属构件28沿着z轴线向下弯曲，从而将向下(z轴线)力施加至第二双金属构件30。此外，第二双金属构件30也相对于第一双金属构件28偏转以使阀塞42从气体出口端口40的气体入口43脱开。在图1D的第二配置中，气体入口端口38与气体出口端口40和与外壳22的内部24流体连通。因此，可燃烧气体将从气体入口端口38流动通过气体出口端口40并且流动至燃烧器，气体出口端口40连接至该燃烧器。
图1A至图1D的现有技术气体阀组件20与陶瓷点火器一起使用，该陶瓷点火器具有正电阻温度系数(即，碳化硅点火器)，以限定气体加热系统。在用于炉腔的已知可热致动气体阀组件20的某些实例中，线材电阻加热器44必须提供有3.03VAC至3.30VAC(rms)电势差和3.2安至3.6安的rms交流，以引起热致动器26偏转并且使阀塞42从气体出口端口40的气体入口43脱开。在此类情况下，在热致动构件26从气体出口端口40的气体入口43脱开阀塞42之前，碳化硅点火器达到可燃烧气体的点火温度，从而防止未点燃燃烧气体至燃烧器中的流动。
根据本公开，可热致动气体阀组件与氮化硅点火器一起使用。不同于碳化硅点火器，氮化硅点火器具有正电阻温度系数。如果放置成与当前可用热致动气体控制阀中所见类型的线材电阻加热器和120VAC(rms)电流源串联，那么阀塞42将从不与气体出口端口40的气体入口43脱开，因为电流消耗将为太低的。已知线材电阻加热器的长度将必须显著地延伸，并且必须不切实际地提供充分热量以使双金属构件组件23偏转。
已发现，陶瓷加热器可用于取代线材电阻加热器以生成充分热量来使阀塞42从气体出口端口40脱开并且将可燃烧气体从阀组件供应至流体联接燃烧器。根据一个实施例，氮化硅点火器52提供并放置成与交流源50和陶瓷加热器54串联，如图2所示。交流源优选地具有102V至132V的rms AC电压。点火器52和加热器54的电阻优选地选择成使得在加热器54达到用于限定热致动器的一个或多个双金属构件的最小偏转温度(“最小偏转温度”为可使阀72从气体出口端口40脱开的最低温度)之前，点火器52达到气体的自动点火温度。还提供了熔丝55以在电流达到陶瓷加热器54中的热致动器可过度加热并超过其最大偏转温度的水平的情况下打开电路。目前可热致动气体阀组件和碳化硅点火器不可与熔丝一起使用，因为可用于致动气体阀的电压将不足以在添加熔丝的情况下打开该阀。虽然图中未示出，但是开关可提供用以允许使陶瓷点火器52和陶瓷加热器54选择性地通电。
结合本文所描述的气体阀组件可用的陶瓷点火器包括美国专利申请16/366,479所描述的那些，该专利申请的全部内容据此以引用方式并入。
尽管在图2中示出为电阻器52，但是本文所描述的气体加热系统中可用的陶瓷点火器包括热表面点火器，该热表面点火器具有陶瓷本体，该陶瓷本体具有限定长度轴线的长度、限定宽度轴线的宽度，和限定厚度轴线的厚度。点火器包括1第一和第二瓷砖，该第一和第二瓷砖具有相应外表面。导电油墨图案设置于第一和第二瓷砖之间。点火器具有沿着厚度轴线的约0.047英寸至约0.060英寸，优选地约0.050英寸至约0.058英寸，和更优选地约0.052英寸至约0.054英寸的厚度。参见美国专利申请16/366,479的图3A至图3H和对应文本。
本文所描述的陶瓷点火器一般为长方体的形状，并且包括两个主要刻面、两个次要刻面、顶部和底部。主要刻面由陶瓷点火器本体的第一(长度)和第二(宽度)最长尺寸来限定。次要刻面由点火器本体的第一(长度)和第三(厚度)最长尺寸来限定。点火器本体还包括顶部表面和底部表面，该顶部表面和底部表面由点火器本体的第二(宽度)和第三(厚度)最长尺寸来限定。
点火器砖为陶瓷的，并且优选地包括氮化硅。导电油墨电路设置于砖之间并且当通电时生成了热量。陶瓷砖为电气绝缘的，但充分地导热以在期望时间段内达到用以点燃可燃烧气体所需的外表面温度，诸如天然气、丙烷、丁烷和丁烷1400(加热值为1400Btu/ft3的丁烷和空气混合物)。
如下文更详细地描述，在某些实例中，陶瓷砖包括氮化硅、氧化镱和二硅化钼。在相同或其它实例中，导电油墨电路包括碳化钨，并且在某些特定实施方式中，导电油墨额外地包括氧化镱、氮化硅和碳化硅。
在某些实例中，当经受120V AC的电势差时，本文所描述的陶瓷点火器达到至少1400°F，优选地不小于1800°F，更优选地不小于2100°F，和甚至更优选地不小于2130°F的表面温度。这些温度优选地在施加该电势差之后的不超过八秒内实现，更优选地在不超过六秒内实现，和仍更优选地在不超过四秒内实现。
在相同或额外实例中，在施加全波132V AC电势差之后(包括在实现稳态温度之后)的任何时间，火器的表面温度未超过2600°F，优选地未超过2550°F，更优选地未超过2500°F，并且仍更优选地未超过2450°F。
在根据本公开的陶瓷点火器的相同或其它实例中，当经受102V AC的电势差时，在首先施加102V AC电势差之后的的不超过十七秒，优选地不超过十秒和更优选地不超过约七秒内，陶瓷点火器达到至少1400°F，优选地至少1800°F，和仍更优选地至少2100°F的表面温度。这些温度优选地在不超过四秒内实现，并且更优选地在不超过三秒内实现。
在相同或额外实例中，热表面点火器的导电油墨电路的厚度(沿着厚度轴线所截取)不超过约0.002英寸，优选地不超过约0.0015英寸，并且更优选地不超过约0.0009英寸。在相同或额外实例中，导电油墨电路的厚度(沿着厚度轴线所截取)不小于约0.00035英寸，优选地不小于约0.0003英寸，和更优选地不小于约0.0004英寸。
本公开的热表面点火器还优选地具有至少50％理论密度(更优选地至少55％，和仍更优选地至少60％理论密度)的生坯密度。
如美国专利申请16/366,479所讨论，本文所描述的气体加热系统所用的陶瓷点火器通过烧结陶瓷组合物来制备。在烧结后，用于形成点火器52的砖(不包括导电油墨电路)具有室温电阻率，该室温电阻率不小于1012Ω·cm，优选地不小于1013Ω·cm，和更优选地不小于1014Ω·cm。在相同或其它实例中，砖具有根据ASTM C-1525的热冲击值，该热冲击值不小于900°F，优选地不小于950°F，和更优选地不小于1000°F。
包括导电油墨电路的导电油墨具有约1.4x10-4Ω·cm至约4.5x10-4Ω·cm，优选地约1.8xl0-4Ω·cm至约4.1x10-4Ω·cm，和更优选地约2.2x10-4Ω·cm至约3.7x10-4Ω·cm的(烧结后)室温电阻率。在材料具有沿着其长度的恒定横截面积的情况下，根据以下周知公式，给定温度T下的电阻率p与相同温度T下的电阻R相关：
(1)R(T)＝p(T)(l/A)，其中
p＝导电电路材料在温度T下的电阻率(Ω·cm)；
R＝温度T下的电阻，单位为欧姆(Ω)；
T＝温度(°F或℃)；
A＝垂直于电流流动方向的导电油墨电路的横截面积(cm2)；和
l＝导电油墨电路沿着电流流动方向的总长度(cm)。
在沿着导电电路的长度所改变的横截面积的情况下，电阻可表示为：
(2)
Figure BDA0003598678020000091
其中，L＝电路沿着电流流动方向的总长度，并且其余变量如对于公式(1)所定义。
本文包括陶瓷点火器的陶瓷本体优选地包括氮化硅和稀土氧化物烧结助剂，其中稀土元素为镱、钇、钪和镧的一者或多者。烧结助剂可提供为共掺杂剂，该共掺杂剂选自前述稀土氧化物并选自硅石、氧化铝和氧化镁的一者或多者。还优选地包括也增强致密化的烧结助剂保护试剂。优选烧结助剂保护试剂为二硅化钼。稀土氧化物烧结助剂(具有或不具有共掺杂剂)优选地以按陶瓷本体的重量计的约2％至约15％，更优选地约8％至约14％，和仍更优选地约12％至约14％范围内的量存在。二硅化钼优选地以按陶瓷本体的重量计的约3％至约7％，更优选地约4％至约7％，和仍更优选地约5.5％至约6.5％的范围内的量存在。其余部分为氮化硅。
导电油墨电路优选地印刷于瓷砖之一的表面上，以产生约20Ω至约60Ω，优选地约25Ω至约55Ω，和更优选地约30Ω至约50Ω的陶瓷点火器(烧结后)室温电阻(RTR)。同时，在2138°F至2700°F的温度范围内，陶瓷点火器高耐温性(HTR)优选地为约115Ω至约280Ω，优选地约120Ω至约270Ω，和更优选地约128Ω至约260Ω。
点火器中的导电油墨应包括碳化钨，其量按油墨的重量计在约20％至约80％，优选地约30％至约80％，和更优选地约70％至约75％的范围内。氮化硅优选地以按油墨的重量计在约15％至约40％，优选地约15％至约30％，和更优选地约18％至约25％范围内的量来提供。还优选地包括对于陶瓷本体所描述的相同烧结助剂或共掺杂剂，其量按油墨的重量计在约0.02％至约6％，更优选地约1％至约5％，和更优选地约2％至约4％的范围内。
本申请的陶瓷加热器54(图2)通常以与陶瓷点火器相同的方式来构造。然而，为保证陶瓷点火器52达到可燃烧气体的点火温度，点火器52的室温电阻优选地显著高于陶瓷加热器54的室温电阻。对于确定点火器是否将达到可燃烧气体自动点火温度和陶瓷加热器是否将达到热致动器56的偏转温度，陶瓷点火器52和陶瓷加热器54的总室温电阻也为重要的。本文陶瓷点火器的室温电阻对于本文陶瓷加热器的室温电阻的比率优选地为约1.9至约4.0，更优选地约2.0至约3.8，和仍更优选地约2.2至约3.6。同时，在2138°F至2700°F的温度范围内，本文陶瓷点火器的高温电阻对于本文陶瓷加热器的高温电阻的比率为约1.9至约8.0，更优选地约2.2至约7.8，和更优选地约2.5至约7.3。同时，陶瓷点火器52和陶瓷加热器54的室温电阻的总和优选地为约25Ω至约60Ω，更优选地约30Ω至约60Ω，和仍更优选地约35Ω至约55Ω；并且在2138°F至2700°F的温度范围内，本文的陶瓷加热器和陶瓷点火器的高温电阻的总和为约145Ω至约288Ω，优选地约150Ω至约280Ω，和更优选地约170Ω至约260Ω。
根据本公开的可热致动气体阀组件的实例现将参考图3A至图6B进行描述。可热致动气体阀组件的每一者类似于图1A至图1D所示一者进行构造并操作，不同的是其利用陶瓷加热器替代线材电阻加热器以使阀热致动。参考图3A和图3B，描述了根据本公开的气体阀组件60的第一实例。外壳22和盖25(图1A至图1D)未示出于图3A和图3B中。然而，它们在本实例中将为大体类似的。提供了包括双金属构件的热致动器66并且在第一端部74处连接(图3B)至绝缘体块76并在第二端部77处连接至阀塞72。双金属构件66包括高热膨胀系数材料和低热膨胀系数材料，其中该低热膨胀系数材料处于双金属构件66的底侧上(面向陶瓷加热器64)，并且该高热膨胀系数材料处于面向盖25的双金属构件66的上表面上(在沿着z轴线远离陶瓷加热器64的方向上)。高和低热膨胀系数材料的这种取向引起双金属构件弯曲，使得当沿着z轴线向上观察时(如图3B中)，双金属构件66的底部表面(面向加热器64的表面)为凹面的。
阀塞72和连接器67限定了耐受高温的一体形成的弹性结构。阀塞72在双金属构件第二端部77处连接至双金属构件66，其中连接器67在双金属构件66的第二端部77处插入通过孔(未示出)以将第二端部77连接至阀塞72。铆钉69将热致动器66的第一端部74连接至绝缘体块76。铆钉69的铆钉头部68(图3A)位于绝缘体块76的上表面中的开口80中。热致动器66的第一端部74和第二端部77沿着长度(x)轴线隔开，并且致动器66具有沿着y轴线的宽度和沿着z轴线的厚度。
陶瓷加热器64优选地类似于美国专利申请16/366,479所描述的氮化硅热表面点火器，并且根据其中所描述的方法和技术来制成。陶瓷加热器64提供与热致动器66的第一端部74附近，并且沿着z轴线与热致动器66隔开，使得热致动器66沿着z轴线处于顶部25(图1A)和陶瓷加热器64之间。z轴线间距优选地为足够大的，以当热致动器66沿着z轴线偏转来允许气体穿过气体出口端口40(图1A至图1D)时避免热致动器66和陶瓷加热器64之间的接触。陶瓷加热器64优选地为氮化硅加热器，该氮化硅加热器包括两个绝缘瓷砖，其中导电油墨电路印刷于砖之一的一个表面上并且夹持于砖之间。陶瓷加热器64具有沿着y轴线的长度和沿着x轴线的宽度，以及沿着z轴线的厚度。长度大于宽度，并且宽度大于厚度。连接器84a和84b沿着y轴线钎焊于陶瓷加热器64的相对端部上，并且将导电油墨电路放置成与终端柱78a和78b(由相应铆钉形成)的相应一者电气连通，终端柱78a和78b连接至气体阀组件盖25上的尖头47a和47b(图1A)。叉状部分86a和86b(图3B)将每个连接器84a和84b连接至终端88a和88b，终端88a和88b的每一者电气地连接至铆钉90a和90b的一者。铆钉90a和90b由导电金属形成并且沿着z轴线延伸通过绝缘体块76。铆钉69将热致动器66固定至绝缘体块76。终端柱78a和78b沿着z轴线延伸远离绝缘体块76，并且延伸通过相应硅氧烷O形环密封件82a和82b，并且经由其底侧上的46a和46b延伸至盖25中以电气地连接至导电尖头47a和47b，如先前相对于图1A和图1B所描述。
双金属构件66优选地沿着y轴线位于陶瓷加热器64的y轴线端部内侧，其幅度足以确保连接器84a和84b未使电路与双金属构件66短路。陶瓷加热器64具有沿着y轴线的约0.4英寸至约1.0英寸，优选地约0.5英寸至约0.8英寸，和更优选地约0.55英寸至约0.75英寸的长度。陶瓷加热器64具有沿着x轴线的约0.15英寸至约0.35英寸，优选地约0.18英寸至约0.30英寸，和更优选地约0.24英寸至约0.26英寸的宽度；和沿着z轴线的约0.030英寸至约0.08英寸，优选地约0.040英寸至约0.070英寸，和更优选地约0.05英寸至约0.06英寸的厚度。
陶瓷加热器64优选地包括瓷砖，该瓷砖限定了陶瓷本体，其中导电油墨嵌入该陶瓷本体内。陶瓷本体包括选自氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷的至少一者。优选碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化钛和碳化钽。优选氧化物选自由氧化铝和堇青石组成的组。优选氮化物包括氮化硅和氮化铝。陶瓷加热器64优选地具有正电阻温度系数和正电阻率温度系数。
包括陶瓷加热器64的瓷砖之间的导电油墨图案在烧结之前优选地具有约0.0002英寸至约0.003英寸，更优选地约0.0003英寸至约0.0025英寸，和仍更优选地约0.0004英寸至约0.002英寸的预烧制厚度。包括导电油墨图案的油墨包括氮化硅(其量不超过导电油墨的约30％重量)和至少一种导电组分(其量不小于导电油墨的约70％重量)，其中该导电组分选自由以下项组成的组：钨、碳化钨、钼、二硅化钼和氮化钛。
烧结助剂还可以这样的量来使用：不大于导电油墨的约8％重量，优选得不大于导电油墨的约7％重量，和仍更优选地不大于导电油墨的约6％重量。在相同和其它实例中，烧结助剂可以导电油墨的至少0.01％重量的量存在。合适烧结助剂选自由氧化物、金属和稀土氧化物组成的组。合适氧化物包括Y2O3、MgO、A12O3和SiO2。合适金属包括Ni、Co、Cu、Pd、Ru和Rh。合适稀土氧化物包括Yb、Sc、La和Hf。陶瓷加热器54的导电油墨具有约6.5x10-5Ω·cm至约2x10-4Ω·cm，优选地约8.0x10-5Ω·cm至约1.8x10-4Ω·cm，和更优选地约1.0x10-4Ω·cm至约1.2x10-4Ω·cm的烧结后室温电阻率。导电油墨具有约5Ω至约15Ω，优选地约6Ω至约11Ω，和更优选地约8Ω至约10Ω的室温电阻。稳态(即，在2138°F至约2700°F的温度下)下的高温电阻为约17Ω至约28Ω，优选地约19Ω至约26Ω，和更优选地约23Ω至约25Ω。导电油墨图案根据油墨的电阻率而选择成实现期望电阻。
在图3A和图3B的实例中，热致动器优选地为单个双金属构件66，单个双金属构件66包括具有不同热膨胀系数的两种金属。适合于在经受偏转温度时偏转的各种双金属材料的细节提供于由工程材料解决方案公司(Engineered Materials Solutions)所发布的《恒温双金属设计者指南(Thermostatic Bimetal Designer’s Guide)》中，其据此全文以引用方式并入并且可得自https://www.emsciad.com/fileadmin/Data/Divisions/EMS/Header/Bimetal Desingers Guide.pdf。
双金属构件优选地具有约150°F至约1000°F，优选地约200°F至约800°F，和更优选地约250°F至约750°F的偏转温度。当在图2的电路中实施时，熔丝55额定成确保电流保持于将超过最大偏转温度的水平下方。
双金属材料优选地基于气体阀设备的尺寸和期望偏转温度和性质进行选择。在一个实例中，可使用ASTM型TM4双金属(ASTM D388-06)。TM4供应为马萨诸塞州阿特尔伯勒的工程材料解决方案公司(Engineered Materials Solutions of Attleboro,Massachusetts)的TruflexTM E4。
在一个实例中，双金属构件66包括第一金属，该第一金属包括镍、铬和铁，优选地基本上包括镍、铬和铁，并且更优选地包括镍、铬和铁。同时，双金属构件66包括第二金属，该第二金属包括镍和铁，优选地基本上包括镍和铁，并且更优选地包括镍和铁。第一金属以约40％重量至约60％重量的双金属构件，优选地约45％重量至约55％重量的双金属构件，和更优选地约48％重量至约52％重量的双金属构件的范围内的量存在。在优选实例中，第一金属具有大于第二者的热膨胀系数。
在相同或其它实例中，双金属构件66具有约0.251b/in3至约0.351b/in3，优选地约0.271b/in3至约0.331b/in3，和更优选地约0.281b/in3至约0.321b/in3的密度。在相同或其它实例中，双金属构件66具有约23x10-6psi至约27x10-6psi，优选地约24x10-6psi至约26.5x10-6psi，和更优选地约25x10-6psi至约26x10-6psi的弹性模量。
在相同或其它实例中，双金属构件66在100°F至300°F(根据ASTM D388-06所测量)下具有约7.0x10-6°F-1至约11.0x10-6°F-1，优选地约7.5x10-6°F-1至约10.5x10-6°F-1，和更优选地约8.5x10-6°F-1至约9x10-6°F-1的挠性。
根据此类实例，双金属构件66具有约1.0英寸至约3.0英寸，优选地约1.25英寸至约2.75英寸，和更优选地约1.5英寸至约2.375英寸的长度(沿着x轴线)。同时，双金属构件66具有约0.200英寸至约0.625英寸的宽度，和约0.012英寸至约0.022英寸，优选地约0.014英寸至0.020英寸，和更优选地约0.016英寸至约0.018英寸的厚度(沿着z轴线)。
气体加热系统可通过将气体阀组件60的气体出口端口40放置成与燃烧器流体连通和通过将先前所描述类型的陶瓷点火器52(图2)放置成与陶瓷加热器54和交流源串联来提供。交流源优选地具有不小于120V和不超过132V的AC rms电压。此类系统的示例性电气电路提供于图2中，如先前所讨论。
气体阀组件70的第二实例(其中外壳22和盖25移除)示出于图4A和图4B中。气体阀组件70在热致动器之外的所有方面为与图3A和图3B的气体阀组件60等同的。气体阀组件70包括热致动器，该热致动器包括双金属构件组件96。双金属构件组件96包括第一双金属构件98和第二双金属构件100。双金属构件组件96的第一端部97沿着x轴线与双金属构件组件96的第二端部99隔开(图4B)。第一双金属构件98的第一端部97也为双金属构件组件96的第一端部97，并且第二双金属构件100的第二端部99也为双金属构件组件96的第二端部99。第一双金属构件98以悬臂方式在第一端部97处通过铆钉69固定至绝缘体块76的底侧，其中第一双金属构件98的第二端部105沿着x轴线与双金属构件98的第一端部97隔开。第一双金属构件的第二端部105附接至第二双金属构件100的第一端部107，使得第一双金属构件98的一部分沿着x轴线重叠第二双金属构件的一部分。第二双金属构件100的第二端部99通过连接器67附接至阀塞72，如先前相对于图3A和图3B所描述。
在图4A和图4B的情况下，高和低热膨胀系数材料的取向在第一双金属构件98和第二双金属构件100中相对于彼此逆转。在第一双金属构件98中，低热膨胀系数材料沿着z轴线面向陶瓷加热器64，并且高热膨胀系数材料背离陶瓷加热器64。然而，在第二双金属构件100中，高热膨胀系数材料在沿着z轴线的方向上面向加热器64，然而低热膨胀系数材料在沿着z轴线的方向上背离陶瓷加热器64。高和低膨胀合金的这种z轴线反向对于给定长度的双金属构件组件96提供了降低阀塞72的z轴线偏转的手段。
简单悬臂元件(诸如图3A和图3B的双金属构件66)(其在从初始温度T1加热之后经受偏转温度T2)根据下述关系沿着z轴线在其自由端部处偏转了量B：
(3)B＝(0.53F(T2-T1)L2)/t
其中B＝悬臂式构件的自由端部的z轴线偏转(英寸)
T2-T1＝温度变化(°F)；
L＝悬臂式构件的长度(英寸)；
F＝挠性°F-1；和
t＝z轴线厚度(英寸)。
图3A至图3B和图6A至图6B(下文所讨论)的设计中的z轴线偏转可利用上述公式进行计算。
参考图4A和图4B，还可能的是涉及反向悬臂元件，其中第一双金属构件98的高热膨胀系数合金在顶部(沿着z轴线面向盖25)上进行取向；并且在第二双金属构件100中，高热膨胀系数合金位于底部(沿着z轴线背离盖25)上。第一双金属构件98和第二双金属构件100的长度无需为等同的，并且其相应厚度也无需为等同的。下述关系用于描述由不同厚度和长度的两种不同材料所制成的搭接焊接悬臂元件。
(4)B＝0.53F(T2-T1)[(Fb b2)/tb-(Fa(a2+2ab))/ta]
其中B＝悬臂式构件的自由端部的z轴线偏转(英寸)
T2-T1＝温度变化(°F)
Fa＝第一双金属构件98的挠性
Fb＝第二双金属构件100的挠性
ta＝第一双金属构件98的厚度，单位为英寸
tb＝第二双金属构件100的厚度，单位为英寸
a＝第一双金属构件98沿着x轴线的长度，单位为英寸；
和
b＝第二双金属构件100沿着x轴线的长度，单位为英寸。
通过改变每个双金属构件98和100的长度和厚度，z轴线偏转(B)可通过利用上述公式进行优化。图1A至图1D和图4A至图5B的设计中的z轴线偏转可利用上述公式2进行计算。
参考图5A和图5B，描述了可热致动气体阀组件75的第三实例，其中外壳22和盖25移除。可热致动气体阀组件75与组件60和70不同之处在于，其具有不同热致动器，但在所有其它方面为相同的。热致动器为双金属构件组件104，双金属构件组件104包括第一双金属构件105，第一双金属构件105为大致矩形形状但包括切口107。切口107限定了双金属构件部段106a和106b，其每一者具有沿着x轴线的长度和沿着y轴线的宽度，使得每个构件部段106a和106b的x轴线长度超过其相应y轴线宽度。切口107减小了第一双金属构件105的热质量，并且改善了双金属构件组件104响应时间。双金属构件部段106a和106b的x轴线长度优选地为等同的，每个双金属构件部段106a和106b的y轴线宽度也为等同的。第一双金属构件105的近侧端部74(图5A)也为双金属构件组件104的近侧端部，并且为一体的(未分裂成多个双金属构件部段)。双金属构件组件的近侧端部74(图5A)利用铆钉69固定至绝缘体块76，如先前所描述。第一双金属构件105的远侧端部79(图5A)也为一体的，并且重叠第二双金属构件108的近侧端部109。
第二双金属构件108为一体的，远侧端部开口除外；铆钉67设置通过该远侧端部开口以将双金属构件组件104的远侧端部77固定至阀塞72。每个双金属构件105和108优选地由与双金属构件66(图3A至图3B)和双金属构件组件96(图4A至图4B)相同的双金属材料来构成。
在示例性气体阀组件60,70和75中，陶瓷加热器64以其长度(最长尺寸)正交于双金属构件66或双金属构件组件96,104的长度(最长尺寸)进行取向，使得陶瓷加热器64的最长尺寸沿着y轴线延伸，而双金属构件66或双金属构件组件96,104的最长尺寸沿着x轴线延伸。这种布置的一种益处在于，加热器终端88a和88b未必须进行弯曲来接触铆钉90a和90b。如图3A至图3B、图4A至图4B和图5A至图5B所示，连接器84a和84b具有沿着x轴线的长度，终端88a和88b也是如此，其中连接器84a和84b的长度相比于其相应y轴线宽度或z轴线厚度为较长的。虽然这种布置为有益的，但是还可使用其它布置。
参考图6A和图6B，示出了气体阀组件101(其中外壳22和盖25移除)。在图6A和图6B中，气体阀组件101与图3B中的气体阀组件60不同之处在于，提供了陶瓷加热器120替代陶瓷加热器64。陶瓷加热器120包括对于陶瓷加热器64所描述的相同陶瓷材料和导电油墨。然而，陶瓷加热器120具有沿着x轴线所取向的长度，即，平行于双金属构件66的长度轴线。陶瓷加热器120具有近侧端部121(图6B)，近侧端部121沿着x轴线与远侧端部123隔开。在近侧端部121处，连接器122a和122b钎焊于陶瓷加热器120的侧部边缘上，并且沿着y轴线彼此隔开。终端124a和124b相应地连接至对应连接器122a和122b，并且垂直于连接器122a和122b进行取向。每个终端124a和124b电气地连接至对应铆钉90a和90b以将双金属构件66固定至绝缘体块76。陶瓷加热器120优选地沿着z轴线与双金属构件66隔开，使得当双金属构件66偏转以使阀塞72从气体出口端口40脱开时以及当双金属构件66处于未偏转条件时，双金属构件66未接触陶瓷加热器120。然而，如与图3A至图3B、图4A至图4B和图5A至图5B的实例相对，陶瓷加热器120沿着x轴线延伸至沿着双金属构件66的位置，其中当将气体阀组件输出端口40放置成与入口端口38流体连通(图1A至图1D)时，将发生特定z轴线偏转。因此，陶瓷加热器优选地沿着z轴线在防止双金属构件66在偏转时损坏陶瓷加热器120的程度上与双金属构件66隔开。
点燃气体的方法现将参考图3A至图3B进行描述。然而，其等同地适用于图3A至图6B的气体阀组件的任一者。如先前所指示，据假设，气体阀组件包括图1A至图1D的外壳22和顶部25，但已以其它方式进行修改，如图3A至图3B所示。根据该方法，燃烧气体源放置成与陶瓷点火器(未示出)选择性流体连通。燃烧气体源可放置成与陶瓷点火器选择性流体连通，例如，通过将燃烧气体源流体地联接至气体阀组件入口端口38(图1A)和将气体出口端口40流体地联接至燃烧器，其中一个或多个气体孔口位于陶瓷点火器附近。
陶瓷点火器进行通电，使得其达到不小于燃烧气体的点火温度的表面温度；并且陶瓷加热器进行通电，从而引起双金属构件66偏转并且将阀塞72牵拉离开与气体出口端口40的入口43的密封接合，此时气体出口端口40与气体阀组件的内部24(图1A)和气体阀组件的气体入口端口38(图1A)流体连通。优选的是，陶瓷点火器在气体阀组件20放置成与点火器流体连通之前达到燃烧气体点火温度。
陶瓷点火器和陶瓷加热器通过将它们放置成与交流源串联进行通电，该交流源具有102V至132V的rms电压，如图2所示。将该源电压施加至电路优选地将至少约75V，优选地至少80V，和更优选地至少约85V的电势差施加横穿陶瓷点火器；并且其还优选地将至少约12V，优选地至少约15V，和更优选地至少约20V的电势差施加横穿陶瓷加热器。此时，陶瓷点火器功率消耗优选地为至少约45W，优选地至少约50W，和更优选地至少约55W；而陶瓷加热器功率消耗优选地为约7.5W至小于约20W，优选地约10W至小于约20W，和更优选地约15W至小于约20W。此时，为确保阀塞72从气体出口端口40脱开，陶瓷加热器功率消耗优选地为至少8W，优选地至少8.5W，和更优选地至少9W。在前述数值下，供应至陶瓷点火器和陶瓷加热器(其具有相同电流)rms电流优选地为约400mA至约700mA，优选地约450mA至约650mA，和更优选地约500mA至约600mA。在一个实例中，该方法在炉腔中执行。
如图2所反映和先前所讨论，图当放置成彼此串联并且与交流源串联时，陶瓷加热器52,64,120和陶瓷点火器52的电阻的总和以及比率将决定陶瓷点火器52是否达到点火温度和其是否在可接受时间范围内达到点火温度。电阻的总和以及比率还将确定陶瓷加热器52,64,120是否达到双金属构件66或双金属构件组件96,104的偏转温度，而未过度加热和损坏双金属构件66或双金属构件组件96,104。改变点火器和加热器电阻的影响示出于下述实例中。
实例
在下述实例中，陶瓷加热器放置成与陶瓷点火器和交流源串联，如图12所示。对于陶瓷加热器的输入电压为Vin。从陶瓷加热器的输出电压表示为Vout。因此，横穿陶瓷加热器的电势差为Vin-Vout。对于陶瓷点火器的输入电压为Vout，并且从陶瓷点火器的输出电压为零(接地)。R1为陶瓷加热器的电阻，并且R2为陶瓷点火器的电阻。
根据欧姆定律，对于陶瓷加热器的rms输入电压可与对于陶瓷加热器和陶瓷点火器的每一者的rms电流相关，如下：
(5)Vin＝I(R1+R2)
其中，Vin＝陶瓷加热器rms输入电压(伏)；
I＝至陶瓷加热器和陶瓷点火器的rms电流(安)；
R1＝陶瓷加热器电阻(Ω)；和
R2＝陶瓷点火器电阻(Ω)。
对于陶瓷加热器的输入电压和从陶瓷加热器的输出电压(其为对于陶瓷点火器的输入电压)可利用分压器公式进行关联，如下：
(6)Vout＝Vin[R2/(Rl+R2)]
实例1
参考图7A至图7B，提供了具有室温电阻Rl＝42Ω的陶瓷加热器，以及提供了两个陶瓷点火器，一个陶瓷点火器具有R2＝34Ω的室温电阻，并且另一陶瓷点火器具有92Ω的室温电阻。每个点火器选择性地放置于电路中，其中加热器和交流源如图12所示；并且AC源的输入电压(Vin)改变。横穿加热器的理想电势差(Vin-Vout)根据公式(3)进行计算，并且还测量为横穿点火器的电势差(Vout-0＝Vout)。点火器和加热器两者的陶瓷本体包括82％重量的氮化硅、13％重量的氧化镱，和5％重量的二硅化钼。陶瓷点火器和陶瓷加热器两者的油墨组合物为75％重量的碳化钨、20％重量的氮化硅，和2％重量的碳化硅。点火器和加热器导电油墨厚度改变以将电阻控制至规定数值。
图7A示出了对于其中Rl＝42Ω和R2＝34Ω情况的横穿陶瓷加热器和陶瓷点火器的稳态电势差，如通过相对于输入电压Vin的公式(6)所预测和所测量。图7A中的上图表(“V1理想”)和上组数据点表示横穿陶瓷加热器的电势差(Vin-Vout)。图7A中的下图表(“V2理想”)和下组数据点表示横穿陶瓷点火器的电势差(Vout)。
图7B示出了对于其中Rl＝42Ω和R2＝94Ω情况的横穿陶瓷加热器和陶瓷点火器的稳态电势差，如通过相对于输入电压Vin的公式(6)所预测和所测量。图7A中的上图表(“V2理想”)和上组数据点表示横穿陶瓷点火器的稳态电势差(Vout)，然而下图表(“V1理想”)和下组数据点表示横穿陶瓷加热器的稳态电势差(Vin-Vout)。当陶瓷点火器的室温电阻(R2)显著地大于陶瓷加热器的室温电阻(R1)时，横穿点火器的总电势差(Vin)相对于加热器的比例随着输入电压Vin增加而增加。所测量电势差和通过公式(6)所预测的那些之间的偏差可能归因于这样的事实：氮化硅陶瓷加热器和点火器具有正电阻温度系数，从而意味着电阻与温度一起增加。因此，当点火器具有显著较高的室温电阻(图7B)时，点火器生成了成比例较高量的热量，从而引起其电阻以相比于陶瓷加热器电阻的较快速率增加。相比之下，当室温电阻的量值类似时，点火器和加热器将以类似速率加热，从而引起其相应电势差更紧密地符合公式(6)。
在下述实例中，陶瓷点火器用于炉腔中，并且在102V rms AC至130V rms AC范围内的输入rms电压下具有2138°F至2700°F的期望稳态温度。同时，陶瓷加热器(图12中的R1)具有横穿输入电压Vin的相同范围的约200°F至1000°F的稳态双金属构件偏转温度。用以实现期望稳态温度所需的最小点火器功率消耗为至少45W。用以保持低于最大双金属构件偏转温度的最大加热器功率消耗不超过20W。为实现期望温度，点火器R1的室温电阻对于加热器R2的室温电阻的比率优选地为约1.9至约4.0，更优选地约2.0至约3.8，和仍更优选地约2.2至约3.6。同时，陶瓷点火器和陶瓷加热器的室温电阻的总和优选地为约25Ω至约60Ω，更优选地约30Ω至约60Ω，和仍更优选地约35Ω至约55Ω。
实例2
提供了一种陶瓷加热器(图12)并且包括两个氮化硅瓷砖，其中嵌入导电油墨电路处于该砖之间。导电油墨电路的室温电阻率为1.1x10-4Ω·cm，并且该电路为约13微米厚的。室温电阻为14Ω。导电油墨包括100％重量的钨。
提供了一种陶瓷点火器(图12)并且包括两个氮化硅砖，其中嵌入导电油墨电路处于该砖之间。导电油墨的室温电阻率为3.5x10-4Ω·cm，并且该电路为约25微米厚的。导电油墨包括75％重量的碳化钨、20％重量的氮化硅、3％重量的氧化镱，和2％重量的氮化硅。室温电阻R2为31Ω。陶瓷加热器和点火器放置成彼此串联并且与交流源串联，如图12所示。室温电阻比率R2/R1为2.2，并且室温电阻的总和R1+R2为45Ω。
在本实例和下述那些实例中，点火器和加热器两者的陶瓷本体包括82％重量的氮化硅、13％重量的氧化镱，和5％重量的二硅化钼。参考图12，输入rms电压(Vin)从0改变至130V rms。测量横穿加热器(R1)和点火器(R2)的电阻(单位为Ω)，还测量横穿加热器(V1)和点火器(V2)的电势差，单位为伏。rms电流I(安)也进行测量并且对于点火器和加热器为相同的。还确定加热器功率消耗P1(瓦)和点火器功率消耗P2(瓦)。结果示出于表1和图8中：
表1
Figure BDA0003598678020000181
在这种情况下，100V rms下的点火器功率消耗P2仅为约38W，小于用以达到期望稳态温度所需的功率消耗。此外，在130V下，加热器功率消耗P2为21W，其对应于约997°F的过量双金属构件温度。因此，电阻R1和R2的组合未满足对于陶瓷点火器和热致动气体阀组件的要求。
实例3
提供了具有1.1x10-4Ω·cm的室温电阻率的陶瓷加热器。其导电油墨电路包括100％重量的钨，并且具有17微米的厚度。室温电阻R1为9Ω。
提供了具有3.5x10-4Ω·cm的室温电阻率的陶瓷点火器。其导电油墨电路包括75％重量的碳化钨、20％重量的氮化硅、3％重量的氧化镱，和2％重量的碳化硅。电路为约25微米厚的。室温电阻R2为32Ω。陶瓷加热器和陶瓷点火器放置成彼此串联并且与交流源串联，如图12所示。输入电压Vin从0改变至130V AC rms；并且功率消耗、电流、电压和电阻如实例2进行确定。结果提供于表2和图9中：
表2
Figure BDA0003598678020000182
Figure BDA0003598678020000191
从100V AC rms至130V AC rms，点火器功率消耗P2超过45W，并且加热器功率消耗P1超过8W以允许气体流动至燃烧器，但保持低于20W以放置热致动器过度加热。因此，点火器具有充分功率来达到其期望点火温度，而加热器未超过最大双金属构件偏转温度。因此，R1和R2的这种组合(其中室温电阻的比率R2/R1为3.6并且室温电阻的总和R1+R2为41Ω)实现了期望点火器和热致动气体阀要求。
实例4
提供了具有2.9x10-4Ω·cm的室温电阻率的陶瓷加热器。其导电油墨电路包括100％的碳化钨，并且为约17微米厚的。室温电阻R1为25Ω。
提供了具有3.5x10-4Ω·cm的室温电阻率的陶瓷点火器。其导电油墨电路包括75％重量的碳化钨、20％重量的氮化硅、3％重量的氧化镱，和2％重量的碳化硅。电路为约20微米厚的。室温电阻R2为42Ω。室温电阻的比率R2/R1为1.7，并且室温电阻的总和R1+R2为67Ω。输入电压Vin从0改变至130V AC rms；并且功率消耗、电流、电压和电阻如实例2进行确定。结果提供于表3和图10中：
表3
Figure BDA0003598678020000192
Figure BDA0003598678020000201
虽然加热器未超过20W的其最大期望功率消耗，但是甚至在130V的源电压Vin下，点火器无法达到45W的其最小期望功率消耗来达到其期望点火温度。这主要由于电路中的总高电阻R1+R2。因此，R1和R2的这种组合未满足期望点火器和热致动气体阀标准。
实例5
提供了具有2.8x10-4Ω·cm的室温电阻率的陶瓷加热器。其导电油墨电路包括84％重量的碳化钨、12％重量的氮化硅、3％重量的氧化镱，和2％重量的碳化硅。电路为约17微米厚的。室温电阻R1为37Ω。
提供了具有3.5x10-4Ω·cm的室温电阻率的陶瓷点火器。导电油墨电路包括75％重量的碳化钨、20％重量的氮化硅、3％重量的氧化镱，和2％重量的碳化硅。电路为约20微米厚的。室温电阻R2为42Ω。室温电阻的比率R2/R1为1.1，并且室温电阻的总和R1+R2为79Ω。
输入电压Vin从0改变至130V AC rms；并且功率消耗、电流、电压和电阻如实例2进行确定。结果提供于表4和图11中：
表4
Figure BDA0003598678020000202
点火器功率消耗P2太低而无法在102V AC rms至130V AC rms的输入电压(Vin)范围内满足点火器的点火要求。此外，加热器功率消耗在120V AC rms或以上为太高的，并且将导致超过双金属构件的最大偏转温度的温度。因此，电阻R1和R2的这种组合未满足陶瓷点火器或热致动气体阀的要求。
前述实例示出，3.6的室温电阻比率R2/R1和41Ω的室温总电阻R1+R2实现了期望点火器和热致动气体阀性能。45Ω总电阻下的2.2的比率R2/R1为不充分的。然而，如果实例2的热致动器由具有1000°F以上的最大偏转温度的双金属构件制成，那么45Ω总电阻下的2.2比率可为令人满意的。

Claims (45)

1.一种热致动气体阀组件，包括：
外壳，所述外壳具有气体入口、气体出口和内部体积，所述内部体积与所述气体出口选择性流体连通；
热致动器，所述热致动器设置于所述内部体积中；
阀塞，所述阀塞操作地连接至所述热致动器并且定位成从所述内部体积选择性地密封所述气体出口；和
陶瓷加热器，其中所述陶瓷加热器与所述热致动器热连通。
2.根据权利要求1所述的热致动气体阀组件，其中所述陶瓷加热器包括陶瓷本体和导电油墨图案，所述导电油墨图案设置与所述陶瓷本体中。
3.根据权利要求2所述的热致动气体阀组件，其中所述陶瓷本体包括氮化硅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热致动气体阀组件，其中所述陶瓷加热器具有导电油墨电路，所述导电油墨电路具有正电阻率温度系数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的热致动气体阀组件，其中所述热致动器包括至少一个双金属构件，所述双金属为可热偏转的，以使所述阀塞与所述气体出口选择性地密封接合和脱离。
6.根据权利要求1所述的热致动气体阀组件，其中所述热致动器包括双金属构件，所述双金属构件具有第一端部和第二自由端部，所述第一端部固定与所述外壳的内部内的位置，所述第二自由端部沿着所述双金属构件的长度轴线与所述第一端部隔开，并且其中所述阀塞连接至所述双金属构件的所述第二自由端部，使得当所述双金属构件经受偏转温度时，所述双金属构件的所述第二端部将所述阀塞移出与所述气体出口的密封接合。
7.根据权利要求6所述的热致动气体阀组件，其中所述偏转温度为约150°F至约1000°F。
8.根据权利要求6所述的热致动气体阀组件，其中所述双金属构件具有约7.0x 10-6°F-1至约11.0x 10-6°F-1的根据ASTM D388-06所测量的挠性。
9.根据权利要求1所述的热致动气体阀，其中所述陶瓷加热器具有导电油墨图案，所述导电油墨图案具有约5Ω至约15Ω的室温电阻。
10.根据权利要求9所述的热致动气体阀，其中在2138°F至2700°F的温度范围内，所述导电油墨图案具有17Ω至28Ω的高温电阻。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的热致动气体阀组件，其中所述导电油墨图案具有约6.5x l0-5Ω·cm至约2x l0-4Ω·cm的室温电阻率。
12.根据权利要求1所述的热致动气体阀组件，其中所述陶瓷加热器包括导电油墨图案，并且所述导电油墨包括氮化硅和指示一种导电组分，所述氮化硅的量不超过所述导电油墨的约30％重量，所述至少一种导电组分的量不小于所述导电油墨的约70％重量，其中所述至少一种导电组分选自由以下项组成的组：钨、碳化钨、锰、二硅化钼、氧化铝和硅石。
13.根据权利要求12所述的热致动气体阀组件，其中所述导电油墨包括不大于约6％重量的烧结助剂，所述烧结助剂选自由氧化物、金属和稀土氧化物组成的组。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热致动气体阀组件，其中所述陶瓷加热器具有沿着长度轴线的约0.4英寸至约1.0英寸的长度，沿着宽度轴线的约0.15英寸至约0.35英寸的宽度，沿着厚度轴线的约0.03英寸至约0.08英寸的厚度，所述长度大于所述宽度，并且所述宽度大于所述厚度。
15.根据权利要求1所述的热致动气体阀组件，其中所述陶瓷加热器具有沿着长度轴线的长度、沿着宽度轴线的宽度、沿着厚度轴线的厚度，并且所述导电油墨图案具有沿着所述厚度轴线的不小于约0.0002英寸并不大于约0.003英寸的预烧制厚度。
16.一种气体加热系统，包括：
根据权利要求1所述的热致动气体阀组件；和
陶瓷点火器，所述陶瓷点火器与所述气体出口流体连通，其中所述陶瓷点火器和所述陶瓷加热器选择性地连接至交流源并且相对于彼此串联。
17.根据权利要求16所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器具有室温电阻，所述陶瓷加热器具有室温电阻，并且所述陶瓷点火器室温电阻对于所述陶瓷加热器室温电阻的比率为约1.9至约4.0。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器具有高温电阻，所述陶瓷加热器具有高温电阻，并且在2138°F至2700°F的温度范围内，所述陶瓷点火器高温电阻对于所述陶瓷加热器高温电阻的比率为约1.9至约8.0。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器具有约20Ω至约60Ω的室温电阻。
20.根据权利要求17所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器具有室温电阻，所述陶瓷加热器具有室温电阻，并且所述陶瓷点火器室温电阻和所述陶瓷加热器室温电阻的总和为约25Ω至约65Ω。
21.根据权利要求20所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器具有高温电阻，所述陶瓷加热器具有高温电阻，并且在2138°F至2700°F的温度范围内，所述陶瓷加热器的所述高温电阻和所述陶瓷点火器的所述高温电阻的总和为约145Ω至约288Ω。
22.根据权利要求16所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器具有陶瓷本体，所述陶瓷本体具有限定长度轴线的长度、限定宽度轴线的宽度，和限定厚度轴线的厚度，所述陶瓷点火器包括：
第一和第二瓷砖，所述第一和第二瓷砖具有相应外表面；
导电油墨图案，所述导电油墨图案设置于所述第一和第二瓷砖之间，其中所述点火器具有沿着所述厚度轴线的约0.047英寸至约0.060英寸的厚度，并且当经受120V AC rms的电势差时，所述相应点火器外表面的至少一者在不超过8秒内达到1400°F的温度。
23.根据权利要求22所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器导电油墨具有沿着所述厚度轴线的约0.0004英寸至约0.002英寸的厚度。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的气体加热系统，其中包含所述陶瓷点火器的导电油墨图案的所述导电油墨包括氮化硅和碳化钨。
25.根据权利要求16所述的气体加热系统，其中所述陶瓷点火器包括导电油墨图案，所述导电油墨图案具有正电阻率温度系数。
26.根据权利要求25所述的气体加热系统，其中所述陶瓷加热器包括导电油墨图案，所述导电油墨图案具有正电阻率温度系数。
27.一种气体加热系统，包括：
陶瓷点火器，所述陶瓷点火器包括导电油墨图案，所述导电油墨图案具有正电阻率温度系数；
热致动气体阀组件，所述热致动气体阀组件包括：(i)外壳，所述外壳具有气体入口、气体出口和内部体积，所述内部体积与所述气体出口选择性流体连通；(ii)热致动器，所述热致动器设置于所述内部体积中；(iii)阀塞，所述阀塞操作地连接至所述热致动器并且定位成使所述气体出口与所述内部体积选择性地密封；和(iv)加热器，所述加热器与所述热致动器热连通。
28.根据权利要求27所述的气体加热系统，其中所述加热器为陶瓷加热器，所述陶瓷加热器包括导电油墨图案。
29.根据权利要求28所述的气体加热系统，其中所述陶瓷加热器导电油墨图案具有正电阻率温度系数。
30.一种点燃气体的方法，所述方法包括：
提供燃烧气体源，所述燃烧气体源与陶瓷点火器选择性流体连通；
提供气体阀组件，所述气体阀组件包括热致动器和陶瓷加热器，所述陶瓷加热器与所述热致动器热连通，其中所述气体阀组件可操作以将所述燃烧气体源选择性地放置成与所述陶瓷点火器流体连通；
使所述陶瓷点火器通电，使得所述陶瓷点火器达到不小于所述燃烧气体的点燃温度的表面温度；
使所述陶瓷加热器通电，以将所述燃烧气体源放置成与所述陶瓷点火器流体连通。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述热致动器包括可偏转构件，并且使所述陶瓷加热器通电以将所述燃烧气体源放置成与所述陶瓷点火器流体连通的步骤包括加热所述热致动器，使得所述热致动器偏转。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述陶瓷点火器具有室温电阻，所述陶瓷加热器具有室温电阻，并且所述陶瓷点火器室温电阻对于所述陶瓷加热器室温电阻的比率为约1.9至约4.0Ω。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中所述陶瓷加热器具有高温电阻，并且其中在2138°F至2700°F的温度范围内，所述陶瓷加热器高温电阻为约17Ω至约28Ω。
34.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中所述陶瓷点火器具有高温电阻，所述陶瓷加热器具有高温电阻，并且其中在2138°F至2700°F的温度范围内，所述陶瓷点火器高温电阻对于所述陶瓷加热器高温电阻的比率为约1.9至约8.0。
35.根据权利要求30所述的方法，其中所述陶瓷点火器具有约20Ω至约60Ω的室温电阻。
36.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，其中在2138°F至2700°F的温度范围内，所述陶瓷点火器具有约115Ω至约280Ω的高温电阻。
37.根据权利要求30所述的方法，其中所述陶瓷点火器具有室温电阻，所述陶瓷加热器具有室温电阻，并且所述陶瓷点火器室温电阻和所述陶瓷加热器室温电阻的总和为约25Ω至约65Ω。
38.根据权利要求30至32、35和37中任一项所述的方法，其中所述陶瓷点火器具有高温电阻，所述陶瓷加热器具有高温电阻，并且在2138°F至2700°F的温度范围内，所述陶瓷加热器的所述高温电阻和所述陶瓷点火器的所述高温电阻的总和为约145Ω至约288Ω。
39.根据权利要求30至38中任一项所述的方法，其中所述气体阀组件包括气体入口和气体出口，所述热致动器在相对于陶瓷绝缘体的一个端部处固定于所述气体阀组件中并且具有连接至阀塞的自由第二端部，所述阀塞可移除地位于所述气体出口中，使得当所述热致动器偏转时，所述阀塞从所述气体出口脱开以将所述气体入口放置成与所述气体出口流体连通。
40.根据权利要求39所述的方法，其中不早于当所述陶瓷点火器达到所述燃烧气体的点火温度时，所述气体入口放置成与所述气体出口流体连通。
41.根据权利要求30至40中任一项所述的方法，其中所述陶瓷点火器和所述陶瓷加热器彼此串联，并且与交流源串联。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述交流源具有约102V AC至约132V AC的rms电压。
43.根据权利要求30所述的方法，其中使所述陶瓷点火器通电的步骤包括使所述陶瓷点火器通电，使得所述陶瓷点火器的表面温度在不小于约八秒内达到所述燃烧气体的点火温度。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述点火温度不小于约1400°F。
45.根据权利要求30至44中任一项所述的方法，其中所述热致动器包括双金属构件，所述双金属构件具有沿着第一轴线的长度和沿着第二轴线的宽度，并且所述陶瓷加热器包括本体，所述本体具有沿着所述第二轴线的长度和沿着所述第一轴线的宽度。
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