CN1397001A - 陶瓷点火器及其使用和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了陶瓷点火器，它包括两个冷区和介于其中的热区，热区的电路长度约为0.51－2cm。本发明的点火器可有效地将功率密度分散到该点火器的热区中，而不致产生可能导致点火器过早质量变差和失效的隔绝的温度梯度。本发明还提供制造陶瓷点火器的新的方法。

Description

陶瓷点火器及其使用和制造方法
                        发明背景
1.发明领域
本发明涉及陶瓷点火器和制造该点火器的改进方法。
2.背景
陶瓷材料已成功地用作煤气炉、火炉、干衣机和其它需要对气体燃料点火的装置中的点火器。陶瓷点火器的制造需要在陶瓷组件中有一条电路，该电路的一部分的电阻非常高，当由引线通电时这部分的温度升高。
从Norton Igniter Products of Milford，N.H.购得的常用的点火器Mini-IgniterTM设计为在12-120伏特下使用，它的组成是氮化铝(“AlN”)、二硅化钼(“MoSi2”)和碳化硅(“SiC”)。
Willkens等人的美国专利第5786565号(“565号专利”)公开了非常有用的陶瓷点火器，它包括a)一对导电部分，每一部分有个第一末端；b)位于上述两个导电部分的第一末端之间并与其电连结的电阻热区，该热区具有长度小于0.5cm的电路；c)与上述热区接触的不导电吸热材料。
陶瓷点火器系统需要有各种性能，包括高速操作(用较少时间从室温加热至设计温度)并足够坚固可以长时间使用而不用替换。但是，许多常规的点火器不总是能满足这种要求。因而需要有新的陶瓷点火器系统。
                          发明概要
我们现已发现具有优越性能(包括使用寿命长)的非常有用的新陶瓷点火器。
我们惊讶地发现，′565号专利公开的陶瓷点火器有时是不合格的，这是由于该点火器热区“烧尽”的缘故。如上所述，该′565号专利公开的点火器是具有长度小于0.5cm的较短热区电路的点火器。虽然不拟被理论所束缚，但可以认为这种点火器工作时，高的线路电压所产生的功率密度引起了高的温度梯度。据认为这种高的温度梯度会使该点火器热区的局部区域产生加速的氧化作用，这种作用可能导致该装置过早地发生故障。
与此不同，本发明的点火器可给整个热区提供较为分散的功率密度，从而在提供尖头加热时避免了隔绝热区中不利的温度梯度。
更具体而言，本发明的一个方面所提供的陶瓷点火器包括：a)一对导电部分，每一部分有一个末端；b)位于上述两个导电部分的末端之间并与其电连结的一个电阻热区，该热区具有长度为0.51-2cm的电路。
本发明较佳的点火器的热区电路长度为0.6-1.5cm，更佳约为0.6-1.2cm，尤其佳约为0.7-0.9cm。文中使用的术语“电路长度”是指当给该点火器的导电端施加电压时，电流通过该点火器的热区的最短通路的长度。
可认为，这样的热区长度可有效地将功率密度分散到整个热区中，而不致产生可能导致点火器过早质量变差和失效的隔绝的温度梯度。而且，该电路长度范围(最多约2cm)能产生有效的加热并在短时间内达到点火温度，而无需给该系统输入过多的功率。
我们还发现，该热区较佳具有非直线形的几何形状，如基本上为U形，即该热区不被中断横跨过点火器顶部宽度上，然后沿着点火器长度的两边延长。可以认为这种非直线形的结构与直线形热区的可比系统相比，可更有效地分散或减少热区中的功率密度。
本发明的点火器较佳还具有与热区接触的不导电的部分(吸热部分)。具体而言，该不导电部分较佳介于即插入在两个导电部分之间，并与热区接触。
我们还发现，该热区的桥高度(长方形点火器中热区的宽度，下面将进一步讨论)较佳至少约为0.05cm，更佳至少约为0.06cm。通常，以0.05-0.4cm的热区桥高度为佳，0.06cm到约0.3cm更佳。
较佳的是，本发明点火器的热区包含一种烧结组合物，这种组合物含有一种导电材料和一种绝缘材料，一般还含有一种半导体材料。本发明点火器的导电区域即冷区含有一种烧结组合物，该组合物的组分与热区组合物的组分类似，但导电材料的浓度较高。
本发明的点火器可在宽的电压范围内使用，包括6、8、12、24和120的标称电压。
本发明还提供制造上述点火器的新方法，它包括从一个整体坯料中制造许多个点火器，可以大大地提高制造点火器的效率。本发明制造陶瓷点火器的较佳方法包括：a)制造一种导电陶瓷体，其中包括许多个附于其上的点火器元件；b)在各元件中插入一种不导电的材料；c)将这些点火器元件致密化。
下文将描述本发明的其它方面。
                             附图描述
图1表示本发明一个较佳的点火器。
图2图示本发明制造点火器的方法。
图3和4表示下面的实施例1的结果。
                           发明详细描述
如上所述，本发明提供一种烧结的陶瓷点火器元件，它包括两个冷区和一个热区，该热区具有长0.51cm到约2cm的电路。更一般的情况是，该电路长度稍微长于0.51cm，如至少约0.6cm、0.7cm或0.8cm。
图1显示本发明的一种较佳点火器10，它包括与两个冷区14a和14b接触并置于其间的一个热区12。吸热区16介于冷区14a和14b之间并与热区12接触。距离热区12远的两个冷区末端14a′和14b′与电源连接，一般使用某种类型的引线框连接。
如图1所示，热区12具有非直线形(基本上为U形)电路长度“e”(以虚线表示最短的通路)，它沿着该点火器的两边延伸。如上所述，这种非直线形热区的几何形状可以认为能很有效地将功率密度分散到整个热区中，从而提高该点火器的使用寿命。
该热区的尺寸可适当改变，只要总的热区电路长度在上述范围之内。在图1中所示的一般的长方形点火器结构中，两个冷区之间的热区宽度(在图1中“a”表示的距离)应足以避免短路或其它故障。在一个较佳的系统中，该距离a是0.5cm。
该热区的桥高度(图1中“b”表示的距离)也应具有足够的大小，以避免点火器产生故障，包括会导致如上述点火器质量变差和失效的过度局部加热。如上所述，该热区桥高度较佳至少约为0.05cm，更佳至少约为0.06cm。通常以0.05-0.4cm热区的桥高度为佳，0.06cm到约0.3cm的桥高度更佳，尤其佳的是0.06cm到0.035cm乃至到0.040cm的热区桥高度。已发现，0.035-0.040cm的热区桥高度特别合适。文中使用的术语“热区的桥高度”指热区平行延伸于通常为长方形的点火器的长度方向上的长度，如图1中b所表示的长度。
沿着该点火器的长度方向延伸的热区两个“腿部”应限制在一个尺寸内，以便维持该热区电路的总长度在约2cm之内。
热区12、冷区14a和14b以及吸热不导电区16的组合物成分可以适当改变。Willkens等人的美国专利第5786565号和Axelson等人的美国专利第5191508号中公开了用于这些区域的合适的组合物，本文将这两篇专利的公开内容纳入作为参考。
更具体而言，热区具有约0.01-3.0ohm-cm的高温(即1350℃)电阻率和约0.01-3ohm-cm的低温电阻率。较佳的热区组合物含有由电绝缘材料和金属导体，较佳还含有半导体材料的烧结组合物。本文中使用的术语电绝缘材料指室温电阻率至少约为1010ohm-cm的材料。文中使用的术语金属导体或导电材料指室温电阻率约小于10-2ohm-cm的材料。文中使用的术语半导体材料(或“半导体”)是室温电阻率约为10-108ohm-cm的陶瓷。
通常，较佳的热区组合物包含：(a)约50-80体积％的电阻率小于约1010ohm-cm的电绝缘材料；(b)约5-45体积％电阻率约为10-108ohm-cm的半导体材料；(c)约5-25体积％电阻率约小于10-2ohm-cm的金属导体。较佳的是，热区包含50-70体积％电绝缘陶瓷、10-45体积％半导体陶瓷和6-16体积％的导电材料。在有些较佳实施方案中，导电材料是MoSi2，它的量较佳约占热区组合物的所有组分的9-15体积％，更佳约占9-13体积％。对于24伏点火器，二硅化硅特别优选的浓度约为热区组合物中所有组分的9.2-9.5体积％。
热区组合物的合适电绝缘材料组分包括一种或多种金属氧化物如氧化铝；氮化物如氮化铝、氮化硅或氮化硼；稀土金属氧化物(如氧化钇)；或稀土金属氧氮化物。通常较佳的是氮化铝(AlN)和氧化铝(Al2O3)。
金属导体通常选自二硅化钼、二硅化钨、氮化物如氮化钛、碳化物如碳化钛。一般较佳使用二硅化钼。
通常较佳的半导体材料包括碳化物，具体是碳化硅(掺杂或未掺杂的)和碳化硼。一般优选使用碳化硅。
本发明特别优选的热区组合物含有氧化铝和/或氮化铝、二硅化钼和碳化硅。如上面所述，在至少某些实施方案中，二硅化钼的量为9-12体积％。对于24伏点火器，特别优选的二硅化钼浓度约为热区组合物所有组分的9.2-9.5体积％。
如上所述，本发明的点火器一般还包括至少一个或多个与热区电连接的低电阻率冷区，以便使引线连接到点火器上。一般情况下，一个热区组合物置于两个冷区之间。较佳的是，这些冷区由如AlN和/或Al2O3或其它绝缘材料、SiC或其它半导体材料、以及MoSi2或其它导电材料组成。但是，冷区所具有的导电材料和半导体材料(如SiC和MoSi2)的百分数应明显高于热区。因此，冷区的电阻率一般仅约为热区组合物的1/5-1/1000，因此其温度不会上升到热区的温度。更佳的是，冷区室温电阻率是热区的5-20％。
用于本发明点火器的较佳冷区组合物含有约15-65体积％的氧化铝、氮化铝或其它绝缘体材料；约20-70体积％的MoSi2和SiC或者其它导电材料和半导体材料(两者的比例约为1∶1到3∶1)。更佳的是，冷区含有约15-50体积％的AlN和/或Al2O3、15-30体积％的SiC和30-70体积％的MoSi2。为了便于制造，较佳使用与热区组合物相同的一些材料制造冷区组合物，但半导体材料和导电材料的量相对高些。
电绝缘吸热部分16应由能提供足够的热质量以减少热区对流冷却的组合物组成。另外，当它以该嵌入物16形式位于如图1所示的示范性系统的两个导电腿部之间时，它给延伸的冷区部分14a和14b部分提供了机械支持，并使得点火器更为结实。在一些实施方案中，嵌入物16可以有个槽子，以便减少系统的质量。较佳的是，电绝缘吸热部分的室温电阻率至少约为104ohm-cm，强度至少约为150MPa。更佳的是，该吸热材料的导热性不可太高以致使整个吸热部分加热并将热量传递到引线、也不可太低以致影响它有益的吸热功能。吸热部分的合适的陶瓷组合物包含至少约90体积％选自氮化铝、氮化硼、氮化硅、氧化铝中的至少一种以及它们的混合物。当使用组成为AlN-MoSi2-SiC的热区时，含有至少90体积％氮化铝和最多10体积％氧化铝的吸热材料是较佳的，因为它具有相容的热膨胀和致密化特性。待批美国专利申请第09/217793号中公开了一种较佳的吸热组合物，本文将该文的全部内容纳入作为参考。
本发明的陶瓷点火器可在各种电压下使用，包括6、8、12、24和120伏的标称电压。本发明的点火器可以从室温快速地加热到操作温度，如在约4秒钟以内、甚至在3秒钟以内、或者甚至在2.75秒钟乃至2.5秒钟以内加热到约1350℃。
本发明的点火器还可以60-200瓦特/厘米2的热区的功率密度(表面负荷)提供稳定的点火温度。较佳的功率密度包括70-180瓦特/厘米2，更佳约为75-150瓦特/厘米2。
可采用常规的方法来加工陶瓷组分(即生坯加工条件和烧结条件)并从致密化的陶瓷制造点火器。通常，基本上可按Willkens等人的美国专利第5786565号和Axelson等人的美国专利第5191508号所述实施这些常规方法。
较佳的是，采用本发明的方法制造点火器。这些方法一般包括许多个点火器的同时制造，如从一整块板状材料(坯块)制造至少5个点火器，更一般至少10或20个点火器，还更一般至少约50、60、70、80、90或100个点火器。更一般的情况是，基本上可同时适当地制造多达约100或200个点火器。
具体而言，在本发明制造点火器的较佳方法中，先提供一个其中有许多个附在一起的即物理上连接着的“潜在”点火器元件的坯块。该坯块具有生坯状态(没有致密化到大于约96％或98％的理论密度)的热区组合物和冷区组合物，但较佳已被烧结成大于约40％或50％理论密度和适当地达到90％或95％的理论密度，更佳的是达到约60-70％的理论密度。采用中等温度例如在低于1500℃(如1300℃)在3000psi的压力和氩气气氛中热压1小时，可适当地实现这种部分致密化作用。已发现，如果该坯块的热区组合物和冷区组合物被致密化到大于75％或80％的理论密度，那么它在随后的加工步骤中将难以切割。此外，如果热区组合物和冷区组合物致密化到小于约50％理论密度，那么这两种组合物常常在随后的加工中质量变差。热区部分在坯块的厚度上占一部分，余下的部分是冷区。
该坯块可以是各种各样的形状和尺寸。较佳的是，适当形状基本上为正方形，如9×9英寸的正方形，或者是其它合适的尺寸或形状，如长方形等。然后，较佳使用金刚石切割工具将坯块切成许多部分。这些部分的尺寸较佳基本上相同。例如，对9×9英寸的坯块，较佳将其且成3块，所得的每一块都是9×3英寸。
然后进一步(使用金刚石切割工具合适)切割该坯块，得到一些单独的点火器。第一次切割穿透坯块，得到物理上与邻近的元件分离的点火器元件。另外的切割则不穿透坯块的长度，以便将绝缘区(吸热部分)插入各点火器中。每一个切割(穿透的和不穿透的)可以隔开约0.2英寸。
将吸热区插入后，可进一步使点火器致密化，较佳使其达到大于99％的理论密度。这种进一步的烧结较佳在在高温(如在1800℃或稍微高于该温度)使用热等静压机进行。
可适当采用自动的方法在坯块中切出几个切口，在此加工过程中，将坯块放到适当的位置上，然后在自动化系统如电脑控制的系统作用下采用切割工具进行切割。
图2显示由本发明的点火器制造方法要加工的坯块。如图所示，坯块10中有加热组合物区12和冷却组合物区14，其交界面为16。较佳的是，在图2中所述的制造阶段，热区组合物和冷区组合物都处于生坯状态，但较佳被从约40％的理论密度致密化到约95％的理论密度，更佳从约50％致密化到约70％的理论密度。
较佳的坯块10在长和宽上具有基本相同的尺寸，即较佳的是，图2中所示的尺寸g和h大约相等，如上述的9×9英寸。
之后，较佳使用金刚石切割工具将坯块10切成许多部分。较佳的是，这些部分的尺寸基本上相同。例如，如图2所描述，较佳沿着线18a和18b将坯块10切成3块。
之后，(适当地使用金刚石切割工具)进一步切割坯块10，得到单独的不连在一起的点火器元件，如点火器22。一个切割操作是全长上穿透坯块(如切割24)，另一切割操作(如切割26)则不穿透坯料的长度，这样使得可通过如开口28将电绝缘区(吸热部分)插入各点火器中。每次的切割24和26适当地间隔如0.2英寸。
将吸热区插入后，进一步致密化这些点火器，如上所述，较佳将其致密化至大于99％的理论密度，较佳是用热等静压机在约1815℃的温度下进行致密化操作。
本发明的点火器可在许多用途中使用，包括气体燃料点火用途如工业用炉和烹调器具、护壁板式加热器、锅炉和火炉顶部。
下述一些非限制性实施例是用来说明本发明的。文中提及的所有文件的内容参考结合于本文中。
                                 实施例1
如下制造和测试本发明的点火器。
为第一个点火器(本文指点火器A)中制备热区组合物和冷区组合物。热区组合物由70.8体积％(以总的热区组合物计)的AlN、20体积％(以总的热区组合物计)的SiC和9.2体积％(以总的热区组合物计)的MoSi2组成。冷区组合物由20体积％(以总的冷区组合物计)的AlN、20体积％(以总的冷区组合物计)的SiC和60体积％(以总的冷区组合物计)的MoSi2组成。将冷区组合物先加入到热压模子中，再将热区组合物加入到在该模子中的冷区组合物上面。在加热和施加压力的条件下使这两种组合物一起致密化，得到点火器A。
为第二点火器(文中称为点火器B)制备热区组合物和冷区组合物。点火器B的几何形状和热区组合物与点火器A的相同。点火器B的冷区组合物的各组分与点火器A的相同，但它的冷区的电阻约等于它的热区的电阻。与点火器A一样，先将点火器B的冷区组合物加入到热压模子中，再将它的热区组合物加到该模子中冷区组合物的上面。在加热和施加压的条件下将这两种组合物一起致密化，得到点火器B。
对所形成的点火器A和B施加12伏特的电压。对于点火器A，电阻加热如图3所示，集中在它的热区。对于点火器B，如图4所示，它的冷区和热区都同样变热。
                           实施例2
使用与实施例1中点火器A的热区组合物和冷区组合物相同的两种组合物制造另外7个点火器(下表中的样品1-7)。样品1-7中的各个样品的热区面积有所不同；这些热区面积以cm2表示在下表中。分别测量总电阻(以Ω表示)、热区电阻(以Ω表示)、冷区电阻(以Ω表示)，将所得结果列在下表中。
                                       表
  样品   热区面积   总电阻   热区电阻   冷区电阻     R热区/R冷区
    1     1.10     36     12     11     1.09
    2     1.06     33     12.9     9     1.43
    3     8.71     28.3     11.4     8.1     1.41
    4     7.84     37     14.1     10.5     1.34
    5     7.35     42     17.5     11.3     1.55
    6     5.90     45     19.9     11.6     1.72
    7     5.81     40.2     22.6     7.7     2.94
结果显示，最小的相对电阻即热区电阻(R热区)与冷区电阻(R冷区)的比值大于等于1.5〔即R热区≥1.5(R冷区)〕，这对于获得点火器样品的尖头加热是最佳的。
已经结合文中的具体实施例对本发明进行了详细的描述。但是应当知道，在考虑到本文上述公开的内容之后，本领域中的熟练技术人员可在本发明的实质和范围之内对其进行改动和改进。

Claims (32)

1.一种陶瓷点火器元件，它包括：
a)一对导电部分，每一部分有个第一末端；
b)位于所述两个导电部分的第一末端之间并与其电连接的一个电阻热区；
其中，该热区的电路长度为0.51-2cm。
2.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，有一不导电的吸热材料与所述热区接触。
3.如权利要求2所述的点火器，其特征在于，所述吸热材料在所述两个导电部分之间。
4.如权利要求2所述的点火器，其特征在于，所述两个导电部分各自以相同的方向从所述热区延伸，形成一对腿部，所述不导电吸热材料位于这两个腿部之间。
5.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区的电路长度至少为0.6cm。
6.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区的电路长度为0.6-1.5cm。
7.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区的电路长度为0.7-0.9cm。
8.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区是非直线形状的。
9.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区基本上呈U形。
10.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区材料包含一种含有一种电绝缘材料和一种金属导体材料的组合物。
11.如权利要求10所述的点火器，其特征在于，所述点火器还包含一种半导体材料。
12.如权利要求10所述的点火器，其特征在于，所述热区组合物含有：
(a)25-80体积％的电绝缘材料；
(b)3-45体积％的半导体材料；
(c)5-25体积％的金属导体材料。
13.如权利要求12所述的点火器，其特征在于，所述热区组合物含有约9.2-9.5体积％的MoSi2。
14.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述导电部分的室温电阻率约为所述热区电阻率的5-20％。
15.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述热区的室温电阻率至少约为所述冷区部分室温电阻率的大约1.5倍。
16.一种点燃气体燃料的方法，它包括给权利要求1所述的点火器通入电流。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电流的标称电压是6、8、12、24或120伏特。
18.一种点火器元件，它包括：
a)一对导电部分，每一部分有个第一末端；
b)位于所述两个导电部分的第一末端之间并与其电连接的电阻热区；
其中，该热区以60-200瓦特/厘米2的表面负荷产生稳定的点火温度。
19.如权利要求18所述的点火器，其特征在于，所述热区的电路长度为0.51-2cm。
20.一种点燃气体燃料的方法，它包括给权利要求18所述的点火器通入电流。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述热区中的功率密度是60-200瓦特/厘米2。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述电流的标称电压为6、8、12、24或120伏特。
23.一种制造点火器的方法，它包括：
a)制造一种导电的陶瓷体，它包括许多个附于其上的点火器元件；
b)将不导电的材料插入各个元件中；
c)将这些点火器元件致密化。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，一个个点火器元件在被致密化之前与相邻的元件在物理上是分开的。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法还包括在各个点火器元件中形成一个槽子，将一种非绝缘材料插入此槽子中。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述槽子不贯穿所述点火器元件的整个长度。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，在形成槽子的过程中，点火器元件在物理上是与相邻的元件分开的。
28.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述陶瓷体中包括至少约20个附于其上的点火器元件。
29.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述陶瓷体中包括至少约50个附于其上的点火器元件。
30.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述陶瓷体中包括至少约100个附于其上的点火器元件。
31.如权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤a)中的导电陶瓷体是生坯状态的。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述生坯状态的导电陶瓷体被从约50％的理论密度致密化到约70％的理论密度。
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