CN1245556A - 陶瓷点火器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷点火器,它包括一对各自有第一端的导电部分,位于和导电部分之间和各自第一端电连接的电阻加热区,加热区有小于0.5厘米的电路长度,以及接触加热区的不导电的散热材料。

Description

陶瓷点火器及其使用方法
发明背景
陶瓷材料的点火器已在煤气炉、取暖器和衣物烘干机领域取得很大成功。陶瓷点火器通常为发夹型，包括导电的末端部分和高电阻的中段部分。当点火器的末端与通电的导线连接时，高电阻部分(即“加热区”)温度升高。这些点火器中的一些必须满足由设备和加热工业规定的以下要求，以预料线路电压的变化：
达到设计温度的时间                                      ＜5秒
在85％设计电压下最低温度                                1100℃
在100％设计电压下的设计温度                             1350℃
在110％设计电压下最高温度                               1500℃
加热区长度                                              ＜1.5英寸
功率(W)                                                 65-100
美国专利5,085,804(‘804专利)和姐妹专利5,405,237公开了适用于陶瓷点火器加热区的组合物，该加热区包括：
(a)5-50％(体积)MoSi2，和
(b)50-95％(体积)的一种材料，选自碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼、氧化铝、铝酸镁、氧氮化硅铝和它们的混合物。根据‘804专利，这些组合物提供了达到上述要求所需的适当速度、室温电阻和高温电阻，而不会限制点火器形状。
新罕布什尔州Milford市Norton公司生产的一种常规点火器Mini-IgniterTM，采用了一种‘804专利的加热区组合物，包含氮化铝(“AlN”)、二硅化钼(“MoSi2”)和碳化硅(“SiC”)，加热区总长度在约1.5厘米(对12V的应用)至6厘米(对120V应用)之间。尽管Mini-IgniterTM在许多应用中性能优良，其速度(即从室温加热至1350℃设计温度所需时间)通常在3-5秒之间(对24V-120V应用)。据信，如果其速度可以降低至3秒以下，这些点火器的应用范围可以极大地增加。
曾经试图提高这些点火器的速度。例如，Washburn and Voller在“Low PowerGas Ignition Device，presented in the Proceedings of the 1988 International ApplianceTechnical Confenrence-Europe”(1988)，Page 134-149公开通过将加热区质量减少至约0.07-0.08克(即长度约为1.0-1.3厘米)，可使速度低至1.5秒。然而，这些点火器很容易由对流冷却引起熄火。Willkens等人在“High Voltage MiniatureIgniter Development”，International Appliance Technical Conference，Madison，Wisconsin(1994)中建议120V点火器的加热区设计长度应至少为0.7英寸。‘804专利也建议以至少0.2英寸(或0.5厘米)的加热区长度作为实际应用中的最低限。
另外，这些点火器一般在降低至常规的2-3安培电流之前经历了非常高的冲击电流(in-rush current)(即，在开始一毫秒内约10安培的电流)。由于设计用于这些点火器的任何变压器必须设计成能接受这样的最初高电流，这些点火器必须配用能接受较高功率的变压器配合，代替成本较低、额定功率较低的变压器。
简单地降低加热区组合物的电阻率(通过增加其导电MoSi2的含量)被认为是提高点火器速度的一种方法。然而，业已发现这样做会使冲击电流达到甚至更高值(由于降低了室温电阻)，并由于典型点火器结构不能接受高功率，使点火器极易烧坏。这些点火器不能辐射足以产生稳定温度的能量。
同样，提高加热区组合物的电阻率(通过降低MoSi2含量)被认为是减小点火器冲击电流的一种方法。然而，业已发现这样做不仅降低了点火器速度(由于较高的室温电阻)，而且使点火器在高温时不稳定(由于其在高温时负的电阻温度系数)。
因此，需要一种具有高速度，还能抵御冷却效应，并具有低冲击电流的陶瓷点火器。
发明概述
本发明提供具有以下部分的陶瓷点火器：
a)一对导电部分，每一部分都有一个第一端，
b)位于两导电部分之间与各自第一端电连接的电阻加热区，加热区的电路长度小于0.5厘米，和
c)接触加热区的不导电的散热材料。
对本发明目的，“电路长度”指在点火器导电端施加电压时，电流通过加热区所取的最短路径。
根据本发明，还提供了加热方法，它包括下列步骤：
a)提供包含下列部分的陶瓷点火器：
i)一对导电部分，每一部分都有一个第一端，
ii)位于两导电部分之间与各自第一端电连接的电阻加热区，加热区的电路长度不大于0.5厘米，和
iii)接触加热区的不导电的散热材料，
b)在点火器的导电端之间施加3-60V电压，产生冲击电流和稳定态电流，稳定态电流与冲击电流比值至少为35％(至少为50％为宜)，并在小于3秒(小于2秒为宜)内将加热区温度升高至1350℃。
附图说明
图1是本发明优选实施方案的横截面图，其中，电绝缘散热器作为插件位于点火器导电分支之间。
图2是本发明优选实施方案的横截面图，其中，电绝缘散热器与加热区的背面相接触。
图3是本发明优选点火器的透视图。
图4是本发明点火器的横截面图，其中，加热区包括两个电阻部分。
图5是本发明优选坯件分解图。
图6是本发明用带式浇注导电分支制成的点火器的横截面图。
图7是实施例I的以电压和温度表示的电气性能。
图8a和8b是本发明点火器(8a)和现有技术点火器(8b)的冲击电流强度和时间的函数。
本发明描述
业已发现，将加热区电路长度减小至小于0.5厘米，并使加热区与电绝缘的散热材料接触，可以制得具有高速、对于对流冷却的高阻力和低冲击电流的点火器产品。而且，当使用电子学方法或变压器，降低点火器受到的有效电压时，本发明较低的冲击电流减轻了对这样广泛和昂贵的改进的需要。
不希望受理论束缚，可以认为增加散热器的热质量可显著减缓加热区的对流冷却，可以使加热区在对流冷却条件下，尽管其长度较小，仍能保持为热。
在优选的实施方案中，点火器为发夹型，包含两个平行的导电分支和位于其间的连接它们的加热区桥，分支之间余下的空间至少部分地填有电绝缘的散热材料(如氮化铝)，与加热区接触。例如，如图1所示，本发明优选点火器为发夹型，包含二根与电阻加热区11电连接的分支9和13，两分支13以相同方向从加热区延伸出去。
在图1中加热区电路长度示为EPL，它小于0.5厘米。提供绝缘的散热材料19作为与加热区接触的插件，基本上填满了从加热区11延伸出的导电分支之间的剩余空间。将成对的引线50和51与导电端9和13连接并施加电压时，电流从第一根引线50流向第一导电分支9，通过加热区11(从而使加热区温度上升)，然后通过第二导电分支13，在该处电流流出至第二引线51。
在另外的实施方案中，电绝缘的散热材料与加热区的其它表面接触。如图2所示，电绝缘材料18在平行导电分支9和13间形成的空间20的背面与加热区11接触。这样的设计仍能够提供高速和低冲击电流所要求的散热接触，而不改变点火器的电气性能。
通常，加热区的高温(即1350℃)电阻率在约0.001-3.0欧姆-厘米之间，室温电阻率在约0.01-3欧姆-厘米之间，其特点是有正的电阻温度系数(“PTCR”)。优选的实施方案中，加热区包括包含下列材料的第一电阻材料：
(a)约50-75％(体积)的选自氮化铝、氮化硼、氮化硅和它们的混合物的电绝缘材料，
(b)约10-45％(体积)的选自碳化硅、碳化硼和它们的混合物的半导体材料，和
(c)约8.5-14％(体积)的选自二硅化钼、二硅化钨、碳化钨、氮化钛和它们的混合物的金属性导体。
在更好的实施方案中，加热区包括包含50-75％(体积)AlN、13-41.5％(体积)SiC和8.5-12％(体积)MoSi2的第一电阻材料。在另外的优选实施方案中，根据美国专利5,514,630，加热区较好还包含1-10％(体积)的氧化铝，此专利的说明书内容在此引用作为参考。
参考图3，加热区厚度Thz一般约为0.05-0.2厘米，约0.06-0.125厘米为宜。其长度Lhz(在图3中，它与电路长度相同)一般在0.05-0.45厘米之间，0.15-0.25厘米为宜。深度Dhz一般约为0.05-0.4厘米，0.1-0.25厘米为宜。
原料粉末和致密化的加热区中颗粒的粒度宜与‘804专利中所述相同。一些实施方案中，致密体中各自加热区组分的平均粒度(d50)如下：a)电绝缘材料(即AlN)：约2-10微米；b)半导体材料(即SiC)：约1-10微米；c)金属导体(即MoSi2)：约1-10微米。
一些实施方案中，加热区包括一对平行放置在导线之间的电阻部分。例如，如图4所示，加热区可以包括第一电阻部分15和第二电阻部分17，各自与导电端9和13并联。在此具体实施方案中，设计为第一部分电阻率小于第二部分。不希望受理论的束缚，认为室温下，第一电阻部分有足够低的电阻率以提供加热点火器所需速度，而第二电阻部分有足够高的电阻率，以抑制冲击电流。高温(即1350℃)时，认为第二电阻部分相对较高的电阻率已足够高(相对第一电阻部分)，可防止点火器功率过大。
加热区第二电阻部分17的厚度和长度与第一电阻部分相同为宜。其深度一般约为0.25-0.125厘米，0.05-0.1厘米为宜。其室温电阻率和1350℃电阻率一般大于第一电阻部分。
本发明的一个实施方案中，通过选择来形成第一电阻部分15的粉末与选择来形成电绝缘散热器19(位于普通发夹型点火器的分支之间)粉末的反应，可就地形成第二电阻部分。不希望受理论的束缚，认为第一电阻部分15的导电组分能择优扩散到电绝缘散热器19的粉末中并与之反应，从而形成扩散的第二电阻部分，其深度约为第一电阻部分15的1-20％。
电绝缘散热材料19的作用是提供足够的热质量，以减轻加热区的对流冷却。当其作为插件放置在两个导电分支之间时，还提供对导电分支9和13的机械支撑，使点火器更坚固。插件的厚度和长度一般与导电分支9和13相同，宽度等于加热区连接分支的部分。一些实施方案中，插件上有一缝隙40(如图3所示)，以减少该体系的质量。较好的电绝缘散热器的电阻率至少约为104欧姆-厘米，强度至少约为150MPa。更好的电绝缘散热材料的热导率不会高到要加热整个散热器，并将热量传递到导线，但也不会低到使其有益的散热功能无效。用于散热材料的合适陶瓷组合物包含至少90％(体积)(最好主要由它们组成)的至少一种选自氮化铝、氮化硼、氮化硅、氧化铝和它们的混合物的组分。使用AlN-MoSi2-SiC加热区的实施方案中，业已发现包含至少90％(体积)氮化铝和多达10％(体积)氧化铝的散热材料具备相容的热膨胀和致密化特性。然而，业已发现氧化铝还会抑制就地有效形成第二电阻部分所需的反应。因此，想要就地形成第二电阻部分时，较好的插件主要由至少一种选自氮化铝、氮化硼、氮化硅和它们的混合物的组分组成，更好的是由氮化硅组成。同样，设计的加热区具有较不明显的就地形成的电阻部分时，电绝缘散热材料可包含1-10％(体积)的氧化铝。其它实施方案中，插件的1-10％(体积)是一种致密化助剂，选自氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化硅和(较好是)氧化钇，以及它们的混合物。优选的实施方案中，插件的尺寸为4.0厘米(深度)×0.25厘米(宽度)×0.1厘米(厚度)。
导电端9和13提供电连接到电线的手段。它们较好也包含AlN、SiC和MoSi2，但是它们的导电材料和半导体材料(即SiC和MoSi2)的百分数明显高于优选加热区组合物的。因此，它们的电阻率一般都比加热区低得多，不会加热到加热区所经受的温度。它们较好的包含约20-65％(体积)氮化铝和约20-70％(体积)的MoSi2和SiC，MoSi2和SiC的体积比值约为1∶1至1∶3。更好的导电端包含约60％(体积)AlN、20％(体积)SiC和20％(体积)MoSi2。优选的实施方案中，导电端9和13的尺寸为0.05厘米(宽度)×4.2厘米(深度)×0.1厘米(厚度)。其它实施方案中，可将导电材料沉积在散热材料和加热区上，形成导电分支。
在本发明中，还提供了一种制造本发明点火器的优选方法，其中，将具有预定组分的热压粉末混合物平片进行排列使平片横截面构成电路。
在本发明点火器的一个优选的制造方法中(如图5所示)，将主要由导电部分构成的第一平片21置于一平面(未示出)上。按图中所示方式将具有绝缘部分26和第一电阻材料28的第二平片24置于第一平片21上。然后将仅具有导电部分的第三平片32置于第二平片上。然后将该层叠物致密化，使不同的平片接合在一起。接着将致密化了的层叠物沿其厚度方向切割，形成许多单独的陶瓷点火器。
在制造本发明的点火器时，图5所示的各平片生坯包含陶瓷层叠物的一个完整的层(例如，第二平片24具有绝缘部分26和电阻部分28)。或者，平片仅由层的一部分组成。在后者情况下，业已发现，仅为层的一部分的平片可粘合在一起而在性能上无任何相应的损失。
虽然图5显示了作为硬质平片生坯的每一层，这些部分也可以按以下方法制成：带式铸造、辊式压实、热挤压，然后切割或丝网印刷。另一个优选实施方案中，如图6所示，导电组合物的带状生坯60被缠绕在有电绝缘散热器61和加热区62的平片的三面。致密化后，通过研磨除去缠绕加热区的那部分带，如图6的虚线A所示，以提供要求的线路。还可任选沿虚线B进一步研磨点火器，提供一弧形端，象火柴棒的外观。
当使用电绝缘散热材料作为插件时，由美国专利5,191,508中公开的常规方法制造点火器，此专利的说明书内容在此引用参考。
陶瓷组分的处理(即，生坯处理和烧结条件)和从致密陶瓷制造点火器均可用任何常规方法进行。通常，这些方法基本上根据‘804专利进行。在优选的实施方式中，层叠物生坯通过在美国专利5,514,630中公开的玻璃介质中的热等静压成形而致密化，此专利说明书内容在此引用参考。致密化产生加热区密度至少为理论值的95％，较好的至少约为99％的陶瓷体。致密化加热区的平均粒度一般在1-10微米之间，1-3微米为宜。
本发明的点火器可用于许多应用，包括气相燃料点火应用，如火炉和烹饪器具、基板加热器、煤气或燃油锅炉和火炉顶。在一个优选实施方案中，连续提供本发明的四个30V点火器，用作在120V煤气范围的燃气加热元件的点火源。
虽然本发明点火器一般用于3V-60V的电压范围，但更多的是用于12V-40V范围。认为在3V-9V范围，采用较小的加热区长度和/或提高MoSi2含量会提供获得合适性能所需的较小电阻。
另外，本发明外露的电阻加热区的表面能量负荷，按瓦/厘米2加热区表面积计量，大于普通的‘804式点火器。本发明点火器的外露的电阻加热区的表面负荷一般在200-400瓦/厘米2，这样的负荷量表明对‘804式点火器进行了改进，而‘804式点火器在烧坏之前仅能提供约20-40瓦/厘米2的表面负荷(见‘804专利第7-8栏的表)。不希望受理论的束缚，认为较大的表面负荷正是本发明点火器对于对流冷却有大得多的阻力的原因。
一些实施方案中，加热区和/或分支可以覆盖保护性的陶瓷层，如CVD的、AlN或Si3N4。这些实施方案中，覆盖过的点火器受到保护，不会有碳和粉尘沉积在小的加热区而引起短路。
通过下面的非限定性实施例和比较例，可进一步理解本发明的实际应用。在本发明中，“稳定的”点火器是指在给定的电压下保持恒定的电阻率和温度的点火器。
实施例I
基本按图5所示式样制造层叠物生坯。热压包含64％(体积)AlN、25％(体积)SiC和11％(体积)MoSi2的加热区粉末混合物以及基本上由100％％(体积)氮化铝粉末构成的电绝缘散热器粉末的组合粉末，热压形成坯料，然后切割为图5中的生片24。热压后生坯体的加热区部分，其密度约为理论密度63％，而AlN部分约为理论密度的60％。通过热压含20％(体积)AlN、60％(体积)SiC和20％(体积)MoSi2的粉末混合物形成坯料，其密度约为理论密度的63％，从该坯料切割出图5中的平片21和32，可制成代表导电端的平片生坯。按图5层压坯料片，然后通过在约1800℃玻璃热等静压成形约1小时进行致密化，形成陶瓷块，陶瓷块有就地形成的第二电阻部分。接着将该陶瓷块在宽度方向上切割，形成许多大小为1.5英寸×0.150英寸×0.030英寸(3.81厘米×0.75厘米×0.076厘米)的热表面元件。制成的加热区包括深度约为0.125厘米的第一电阻部分和就地形成的深度约为0.05厘米的第二电阻部分。加热区长度(EOL)和厚度分别约为0.25厘米和0.076厘米。
将合适的导线连接在热表面元件的导电部分上，施加约30V电压。所得标称24V的点火器的电性能见图7中的电压和温度关系。由于低温电阻小于高温电阻，加热区具有有效的PTCR。点火器显示稳定的加热性能并在仅约1秒钟内达到约1100-1350℃的设计温度。如图8a所示，发现冲击电流仅为3.2安培。测定为54瓦的功率提供外露电阻加热区约300瓦/厘米2的表面负荷。
实施例II
此实施例表明，本发明的点火器与下面的比较例I的点火器相比，可提供优良的对于对流冷却的阻力。
基本上根据实施例I制成点火器。该点火器电路长度为0.25厘米。当该点火器通以24V电源时，产生1.8安培的电流和1408℃的稳定温度。
在离点火器约1英尺处放置一个气体罐，可提供400毫升/分钟(ccm)的空气。空气喷射器发出的气流仅将加热区温度降低至1182℃。空气喷射器未吹熄点火器。
比较例I
选择诺顿公司按‘804专利销售的普通的24V点火器进行比较。该点火器的加热区电路长度约2.05厘米。当提供24V电源时，它可在约2-3秒达到约1100-1350℃，产生1410℃的稳定温度。如图8b所示，有约11安培的冲击电流强度，下降到约3安培。上述空气喷射器发出的气流使加热区温度降低至约950℃，低于要求的最低温度1100℃。
向诺顿公司按‘804专利销售的普通的12V点火器提供12V电源，产生约2.0安培的稳定电流和1400℃的稳定温度。上述空气喷射器发出的气流使加热区温度降至低于600℃。
实施例III
此实施例表明，本发明点火器的寿命试验结果优良。
24V的点火器(与实施例II使用的相同)进行寿命周期试验，点火器接通20秒然后切断20秒。543,000周期后，电流强度仅降低5.43％。这样小的变化表明对‘804专利的改进，‘804专利的点火器在同样周期后电流强度降低16％。本发明点火器的温度原来约为1393℃，寿命周期试验后仅降低至1379℃。
实施例IV
此实施例检测了点火器的性能，点火器的加热区组合物与一种电绝缘的散热材料接触，该材料的组分能抑制就地形成的电阻区段的形成。具体而言，表明了由就地形成的第二电阻部分提供了降低冲击电流强度的好处。
基本上按照实施例II所述的方式制成点火器，不同之处是，在插件组合物中加入4％(体积)的氧化铝以抑制就地形成第二电阻组合物。
对制成的陶瓷的微结构的测定表明，就地形成第二电阻部分的程度较低。认为加入氧化铝有效地抑制了第二电阻部分的形成。
在这种点火器上施加24V电压时，它可以在约1秒达到约1350℃。而且是稳定的。如图8c所示，其冲击电流仅为4安培，低于‘804专利的点火器，但高于实施例I的点火器。后者约为2安培。
比较例II
此比较例证实了本发明点火器优良的表面负荷。
向标准的24V点火器提供24V电源，达到稳定温度并产生1.57安培电流。当电压提高至35V时(产生2.3安培)，点火器失灵。失灵时点火器的表面负荷仅约为60瓦/厘米2。经比较，实施例I的点火器的外露电阻加热区的表面负荷约为300瓦/厘米2。

Claims (24)

1.一种陶瓷点火器，它包括：
a)一对导电部分，每一部分都有一个第一端，
b)位于两导电部分之间与各自第一端电连接的电阻加热区，加热区有小于0.5厘米的电路长度，和
c)接触加热区的不导电的散热材料。
2.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述加热区的室温电阻率约为0.01-3.0欧姆-厘米，1350℃的电阻率约为0.001-3.0欧姆-厘米。
3.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述加热区包括包含下列组分的第一电阻材料：
(a)约50-75％体积的选自氮化铝、氮化硼、氮化硅和它们的混合物的电绝缘材料；
(b)约10-45％体积的选自碳化硅、碳化硼和它们的混合物的半导体材料；和
(c)约8.5-14％体积的选自二硅化钼、二硅化钨、碳化钨、氮化钛和它们的混合物的金属导体。
4.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述的不导电的散热材料是一种选自AlN、Si3N4、BN、Al2O3和它们的混合物的陶瓷。
5.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述的两个导电部分还包含以相同方向从加热区伸出的第二端，形成一对分支，不导电的散热材料位于分支间。
6.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区还包含就地形成的位于第一电阻材料和不导电的散热材料之间的电阻部分。
7.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区还包含电阻率高于第一电阻材料的第二电阻材料。
8.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述不导电的散热材料包含至少90％体积的选自AlN、Si3N4、BN、Al2O3和它们的混合物的陶瓷。
9.如权利要求8所述的点火器，其特征在于，所述不导电散热材料主要由AlN组成。
10.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，加热区还包括1-10％体积的Al2O3。
11.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述第一电阻材料包含50-75％体积的AlN、12-41.5％体积的SiC和8.5-12％体积的MoSi2。
12.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区的电路长度为0.05-0.45厘米。
13.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区的电路长度为0.15-0.25厘米。
14.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区厚度为0.05-0.2厘米，深度为0.05-0.4厘米。
15.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区的平均粒度为1-10微米。
16.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区的平均粒度为1-3微米。
17.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区的密度至少为理论密度的95％。
18.如权利要求3所述的点火器，其特征在于，所述加热区的密度至少为理论密度的99％。
19.如权利要求7所述的点火器，其特征在于，所述的第二电阻材料的深度约为第一电阻材料深度的1-20％。
20.如权利要求8所述的点火器，其特征在于，所述电绝缘的散热材料还包含一种选自氧化钇、氧化镁、氧化钙和氧化硅以及它们的混合物的烧结助剂。
21.一种加热方法，它包括下列步骤：
a)提供包含下列部分的陶瓷点火器：
i)一对导电部分，每一部分都有一个第一端，
ii)位于两导电部分之间与各自第一端电连接的电阻加热区，加热区有小于0.5厘米的电路长度，和
iii)接触加热区的不导电的散热材料；
b)在点火器的导电端之间施加3-60V电压，产生冲击电流和稳定态电流，稳定态电流与冲击电流比值至少为35％，并在约小于3秒内将加热区温度升高至1350℃。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，稳定态电流与冲击电流的比值至少为50％。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电阻加热区包括包含下列组分的第一电阻材料：
(a)约50-75％体积的选自氮化铝、氮化硼、氮化硅和它们的混合物的电绝缘材料；
(b)约10-45％体积的选自碳化硅、碳化硼和它们的混合物的半导体材料；和
(c)约8.5-14％体积的选自二硅化钼、二硅化钨、碳化钨、氮化钛和它们的混合物的金属导体的第一电阻材料。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于所述电阻加热区包括包含50-75％体积的AlN、13-41.5％体积SiC和8.5-12％体积的MoSi2的第一电阻材料。
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