CZ20022160A3

CZ20022160A3 - Zapalovací svíčka, slinutý keramický materiál, zejména pro zapalovací svíčku, a způsob zažehování plynného paliva

Info

Publication number: CZ20022160A3
Application number: CZ20022160A
Authority: CZ
Inventors: Roger J. Lin; Craig A. Willkens; Kevin C. Solofra; Thomas J. Sheridan
Original assignee: Saint-Gobain Ceramics And Plastics, Inc.
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2003-04-16
Also published as: NO324423B1; TWI231353B; CN1451088A; ES2206068B1; GB0217001D0; SE0201853D0; TR200201612T2; CN1206474C; ES2206068A1; DE10085318T1; BR0016558A; AU2593801A; SE0201853L; GB2380113A; CA2393841A1; NO20022950D0; JP2008116192A; GB2380113B; US6582629B1; US7195722B2

Description

Vynález se týká kompozic pro keramické zapalovací svíčky a zejména takových kompozic, které obsahují složky vodivého materiálu i izolačního materiálu, kde složka izolačního materiálu obsahuje relativně vysokou koncentraci oxidu kovu.

Dosavadní stav techniky

Keramické materiály mají velké úspěchy jako zapalovací svíčky u topenišť, sporáků a sušáren prádla vytápěných plynem. Výroba keramických zapalovacích svíček vyžaduje zkonstruování elektrického obvodu včetně keramické složky, jejíž část je vysoce odporová a roste při teplotě, kdy je elektricky nabíjena drátovým vodičem.

Jedna běžná zapalovací svíčka označená Mini-Igniter ™, která je dostupná u Norton Igniter Products v Milfordu, N.H., je zkonstruovaná pro aplikace 12 volt až 120 volt a má složení, které zahrnuje nitrid hliníku (AlN), dvojkřemičitan molybdenu (MoSi₂) , a karbid křemíku (SiC). Avšak zatímco je tento Mini-Igniter™ vysoce výkonný výrobek, některé aplikace vyžadují napětí více než 120 V.

Zejména v Evropě zahrnují nominální napětí 220 V (např. Itálie), 230 V (např. Francie) a 240 V (např. VB). Standardní schvalovací zkoušky zapalovací svíčky vyžadují funkci v rozsahu od 85 procent do 110 procent specifického nominálního napětí. Pro jednotlivou zapalovací svíčku, která se má schvalovat pro použití po celé Evropě, tak musí být tato zapalovací svíčka funkční asi od 187 do 164 V, to jest 85% z 220 V a 110% z 240 V. Běžné zapalovací svíčky mají problém poskytovat takový vysoký a široký napěťový rozsah, zejména tam, kde je použita relativně krátká délka horké zóny, např. kolem 1,2 palce nebo méně.

- 2 • · 4 4 ·· • 4 4 4 ·

4 4·

Například u aplikací vyššího napětí mohou být běžné zapalovací svíčky vystaveny teplotnímu úprku, a tak vyžadují v regulačním systému transformátor pro snižování napětí. Použití takového transformačního prostředku je samozřejmě méně žádoucí. Proto existuje potřeba relativně malých zapalovacích svíček pro aplikace vysokého napětí, zejména nad rozpětí asi od 187 do 264 V, které by nevyžadovaly nákladný transformátor ale ještě by splňovaly následující požadavky, které jsou stanovené přístrojovým a topným průmyslem, aby se anticipovaly změny napětí ve vedení:

< 5 sec. 1100 °c 1300 °C 1500 °C < 1,2 - 1,5 palce < 100 W.

čas do ohřátí (TTT) minimální teplota při 85% navrženého napětí navržená teplota při 100% navrženého napětí nejvyšší teplota při 110% navrženého napětí délka horké zóny příkon

Pro danou geometrii zapalovací svíčky je jedna možná cesta, jak zajistit systém vyššího napětí, a to zvýšením odporu zapalovací svíčky. Odpor jakéhokoli tělesa je obecně řízený rovnicí

Rs = Ry x L/A, kde Rs je odpor

Ry je měrný odpor L je délka vodiče a

A je plocha příčného průřezu vodiče.

Protože je délka jednoho ramena stávajících keramickýchzapalovacích svíček asi 1,2 palce, nemůže se délka ramena značně zvětšit bez zmenšení její komerční atraktivity. Podobně se z výrobních důvodů pravbděpodobně nezmenší plocha příčného řezu této malé zapalovací svíčky, která je mezi asi 0,0010 a 0,0025 čtverečního palce.

US patent č. 5,405,237 (Washburnův patent) zveřejňuje kompozice vhodné pro horkou zónu zapalovací svíčky, které zahrnují (a) mezi 5 a 50 % objemu (v/o nebo vol%) MoSi₂

- 3 4 4 4 4 4 4 4

4 4 4 4 4 ► 4 «· · · 4444 a (b) mezi 50 a 95 v/o materiálu vybraného ze skupiny, která sestává z karbidu křemíku, nitridu křemíku, nitridu hliníku, nitridu bóru, oxidu hliníku, hlinitanu horečnatého, křemíko hliníkového oxynitridu a jejich směsí.

Další vysoce užitečné keramické kompozice a systémy jsou zveřejněné v patentech US č. 5,514,630 a 5,820,789 původců Willkens a kol. US patent č. 5.514,630 sděluje, že by kompozice pro horkou zónu neměly překročit 20 v/o oxidu hlinitého. US patent č. 5,756,215 uvádí přídavné slinuté kompozice, které zahrnují vodivé vrstvy, které obsahují do 2 % hmotnosti karbidu křemíku.

Bylo by tedy žádoucí mít nové kompozice pro keramickou zapalovací svíčku s horkou zónou. Zejména by bylo žádoucí mít nové kompozice pro zapalovací svíčku, které by mohly spolehlivě pracovat při vysokých napětích, jako od 187 do 264 V, zejména s relativně malou délkou horké zóny.

Podstata vynálezu

My jsme nyní objevili nové keramické kompozice, které jsou zejména účinné pro použití pro vysoké napětí včetně rozsahu nad 187 až 264 V.

Tyto keramické kompozice podle vynálezu jsou také obzvlášť užitečné pro aplikace při nižších napětích, které zahrnují aplikace při 120 V, 102 V, 24 V, 8 V a 6 V. Kompozice podle vynálezu mohou vykazovat zcela vhodnou spotřebu energie a jsou tak vysoce užitečné pro takové nízkonapěťové aplikace.

Specifičtěji, z jednoho aspektu vynálezu, obsahují kompozice pro keramickou horkou zónu podle vynálezu alespoň tři složky: 1) vodivý materiál; 2) polovodičový materiál a

3) izolační materiál, kdy složka izolačního materiálu zahrnuje relativně vysokou koncentraci oxidu kovu, jako je oxid hlinitý.

S překvapením bylo zjištěno, že taková vysoká

- 4 • ·· ·» ·» ·· ·· 9·· 9 · · · 9 9 99 9 • 99 99 99 · 9 9

99999 99 999 9 9 • 9 9999 999

9·· ·· 99 99 99 9999 koncentrace (např. alespoň kolem 25 nebo 30 v/o složky izolačního materiálu) oxidu kovu dává keramickou kompozici, která může spolehlivě poskytovat vysoké nominální napětí, včetně 220, 230 a 240 V.

Navíc bylo opakovaně prokázáno, že kompozice pro keramické horké zóny podle vynálezu spolehlivě poskytují sdružené napětí v mimořádně širokém rozsahu vysokého napětí, který zahrnuje od přibližně 187 asi do 264 V. Zapalovací svíčky podle vynálezu se tak mohou používat v celé Evropě a spolehlivě fungovat mezi 85 procenty a 110 procenty více odlišných vysokých napětí užívaných v různých evropských zemích. Bylo by vhodné si také uvědomit, že zatímco některé běžné kompozice pro horké zóny mohou poskytovat spolehlivé napětí při přesně uvedeném vysokém napětí, tyto kompozice často selžou, když se napětí mění v širokém rozmezí. Oproti tomu představují kompozice podle vynálezu, které poskytují spolehlivý, prodloužený výkon v širokém rozsahu vysokého

Zatímco kompozice pro horkou zónu podle vynálezu jsou obzvlášť účinné pro použití při vysokém napětí, bylo zjištěno, jak bylo pojednáno výše, že jsou tyto kompozice také vysoce užitečné pro aplikace při nižším napětí včetně 120 V nebo 102 V nebo dokonce i nižších napětí, jako jsou aplikace pod 100 V, například aplikace při 6, 8, 12 nebo 24 V nebo u systémů s ještě nižším napětím, jako pod 6 V. Zapalovací svíčky a kompozice pro horkou zónu podle vynálezu se mohou například použít pro zapalovací systémy napájené baterií. Kompozice pro keramickou horkou zónu podle vynálezu byly představeny, aby ukázaly výjimečnou účinnost příjmu energie a tím učinily tyto kompozice a zapalovací svíčky zvlášť užitečné pro takové nízkonapěťové aplikace. Viz například výsledky Příkladu 6, který následuje. Taková zvýšená účinnost potřeby energie může také umožnit použití ekonomičtějších složek v systému zapalování, např. by se

- 5 99 99 » 4 9 1 » 9 4 mohl se zapalovači svíčkou podle vynálezu účinně použít méně nákladný (nižší jakosti) transformátor relativně oproti porovnatelné zapalovací svíčce, která obsahovala odlišnou kompozici horké zóny.

Keramické kompozice pro horkou zónu a zapalovací svíčky podle vynálezu mohou také mít nižší tepelnou difuzivitu a vyšší měrné teplo než známé systémy, což umožňuje kompozicím podle vynálezu podržet více tepelné energie po delší prodlevy. Viz například výsledky Příkladu 7, které následují.

Výhodné keramické zapalovací svíčky podle vynálezu mají kompozici horké zóny, která zahrnuje:

(a) elektricky izolační materiál, který má měrný odpor alespoň kolem 1O¹⁰ ohm-cm;

(b) mezi asi 3 a asi 45 v/o polovodivého materiálu, který má měrný odpor mezi asi 1 a asi 10⁸ ohm-cm, s výhodou mezi asi 5 a asi 45 v/o kompozice horké zóny je složeno z w V AUCA UC X. U. CA JL· \A t (c) kovový vodič, který má měrný odpor méně než kolem 10’² ohm-cm, s výhodou mezi asi 5 a asi 25 v/o kompozice horké zóny je složeno z tohoto kovového vodiče, a kde alespoň kolem 21 v/o kompozice horké zóny zahrnuje izolační materiál oxidu kovu. S výhodou alespoň kolem 25 v/o kompozice horké zóny zahrnuje izolační materiál oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, výhodněji alespoň kolem 30, 40, 50, 60, 70 nebo 80 kompozice horké zóny zahrnuje izolační materiál oxidu kovu, jako je oxid hlinitý. S výhodou alespoň kolem 25 v/o tohoto izolačního materiálu je složeno z oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, výhodněji alespoň kolem 30, 40, 50, 60, 70, 80 nebo 90 v/o izolačního materiálu je složeno z oxidu kovu, jako je oxid hlinitý. Výhodné je také, když je samotná složka izolačního materiálu nějaký oxid kovu. Kompozice horké zóny s výhodou zahrnuje mezi asi 25 a asi 80 v/o izolačního materiálu, výhodněji je mezi přibližně 40 a • 4 4 4 4 4 4 4 444 4 4 ♦ · 4444 444

4 44 4 4 «4 44 4444

- 6 asi 70 v/o kompozice horké zóny složeno z izolačního materiálu.

Další výhodné keramické zapalovací svíčky podle vynálezu mají kompozici horké zóny, která zahrnuje elektricky izolační materiál, který má měrný odpor alespoň kolem 10^1θohm-cm, s podstatnou částí tohoto izolačního materiálu, která je složená z oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, polovodivý materiál, což je nějaký karbid, jako je karbid křemíku v množství alespoň kolem 3, 4, 5 nebo 10 v/o, a kovový vodič.

Z dalšího hlediska vynálezu mají výhodné keramické zapalovací svíčky podle vynálezu kompozici horké zóny, která je v podstatě bez kerbidu, jako je karvid křemíku SiC. Takové kompozice zahrnují nějaký kovový vodič a nějaký elektricky izolační materiál, který má měrný odpor alespoň kolem 10^1θ ohm-cm, s částí takového izolačního materiálu, který je složený z nějakého oxidu kovu, jako je oxid hlinihý, λ složka izolačního materiálu také obsahuje další izolační materiál, který není oxid, například nějaký nitrid, jako je A1N. Takovéto kompozice mohou obsahovat tatáž nebo podobná množství, jaká byla probrána výše, pro ternární kompozice izolační materiál/polovodivý materiál/elektricky vodivý materiál.

Keramické zapalovací svíčky s horkým povrchem podle vynálezu se mohou vyrábět s úplně malými délkami horké zóny, např. kolem 1,5 palce nebo méně, nebo dokonce kolem 1,3, 1,2 nebo 1,0 palce nebo méně a spolehlivě používat při vysokých napětích, včetně asi od 187 do 164 V, při absenci jakéhokoli typu elektronického regulačního prostředku pro měření výkonu pro zapalovací svíčku. Zde je třeba rozumět, že pro zapalovací svíčky s geometrií s několika rameny (např. konstrukce drážkovaná jako vlásenka) je délka horké zóny délka této horké zóny podél jednoho ramena zapalovací svíčky s několika rameny.

: 1

- 7 Navíc se mohou zapalovací svíčky podle vynálezu ohřát rychle na provozní teploty, např. asi na 1300 °C nebo 1500 °C asi během 5 nebo 4 sekund nebo méně, nebo dokonce 3, 2,5 nebo 2 sekund nebo méně.

Výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu mohou také vykazovat dramaticky vysokou teplotní způsobilost, t.j. opakované vystavení vysokým teplotám bez poškození. Vynález tedy zahrnuje způsoby zapalování, které nevyžadují nové ohřátí elementu zapalovací svíčky s každým zapálením paliva. Tato zapalovací svíčka se může spíše provozovat kontinuálně aby se při zvýšené zapalovací teplotě po delší doby, zajistilo okamžité zapálení, např. během zhasnutí plamene. Specifičtěji se mohou zapalovací svíčky podle vynálezu provozovat při zvýšené teplotě (např. kolem 800 °C, 1000 °C,

C, 1350 °C atd.) po delší časové periody, např. při takovýchto 60 nebo 120 minut

1100 °C, 1200 °C, 1300 úseky bez ochlazovací teplotách alespoň po 2, 5, 10, 20, 30, nebo i déle.

Zapalovací svíčky podle konstrukcí a vnějších tvarů.

vynálezu mohou být různých Výhodné konstrukce zahrnují štěrbinové nebo dvouramenné vlásenkové systémy, kde jsou vodivá ramena proložená mezerou a jsou přemostěna oblastí horké zóny. Pro mnohé aplikace je výhodná konstrukce bez štěrbiny, která nemá žádnou prázdnou oblast. Typické konstrukce zapalovacích svíček mají izolační oblast vloženou mezi vodivá ramena a ve styku s odporovou oblastí horké zóny.

Bylo zjištěno, že konstrukce zapalovacích svíček bez štěrbiny vyrobené podle tohoto vynálezu (t.j. kde střední oblast zapalovací svíčky zahrnuje nevodič nebo izolátor vložený mezi dvojicí vodivých oblastí a stýkající se s odporovou horkou zónou) mohou 'tvořením oblouku.

předčasně selhat, zejména kde proud přechází přes takzvaným středovou nevodivou oblast mezi dvěma oblastmi vodiče, spíš • »«· »» φφ ·· Φ· • · φ · ΦΦΦΦ ΦΦΦΦ • · φ i φ φφ * · φ • φφφ φ · φ · · · · · φ • φ ΦΦΦΦ · · · • ΦΦ ·· φφ φφ ·<· ·ΦΦ·

- 8 než aby tekl do oblasti odporové horké zóny. Jinými slovy se elektrický průraz děje přes izolační oblast. Takové nežádoucí tvoření oblouku proudu přes vloženou oblast nevodiče se může stát běžnější u aplikací při vyšším napětí, jako je nad 200 V.

My jsme našli několik přístupů, jak se vyvarovat takovéto nežádoucí tvorbě oblouků u systémů zapalovacích svíček bez štěrbiny. Jedna výhodná strategie je zvýšit obsah nitridu hliníku kompozice izolační oblasti a odpovídajícím způsobem snížit obsah oxidu hliníku. Bylo zjištěno, že takovéto zvýšení obsahu A1N může účinně anulovat nežádoucí tvorbu oblouků. Další přístup se stará o oxidaci tvarované oblasti izolátoru. Bylo zjištěno, že taková oxidace (např. teplo, které je ve vzduchu, úprava chemickým oxidovadlem) může způsobovat izolační oblast více orporovou a elektricky stabilní.

Další aspekty vynálezu jsou zveřejněny níže.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 ukazuje jednu mikrostrukturu výhodné ternární kompozice horké zóny podle vynálezu, kde je AI2O3 šedý, SiC světle šedý a M0SÍ2 bílý.

Obr. 2 ukazuje mikrostrukturu známé kompozice horké zóny, která neobsahuje žádný oxid kovu a kde je A1N šedý,

SiC je světle šedý a M0SÍ2 je bílý.

Obr. 3A až 3D znázorňují štěrbinové konstrukce zapalovacích svíček a konstrukce bez štěrbin.

Příklady provedení vynálezu

Jak je uvedeno výše, z prvního pohledu poskytuje vynález slinutý keramický element zapalovací svíčky, který zahrnuje dvě studené zóny a horkou zónu uspořádanou mezi nimi, přičemž horká zóna obsahuje kompozici horké zóny, která sestává z: (a) elektricky izolačního materiálu; (b) alespoň

- 9 * 9«

4 4 9 «99 9 999 9

9

9 9 9 9

• 9 ·9

4 9 4

4 4

9 4

4 9

4444 kolem 3 obj. % nějakého polovodivého materiálu; (c) nějakého kovového vodiče, který má měrný odpor méně než kolem 10’²ohm-cm, u kterého se alespoň kolem 21 obj. % kompozice horké zóny skládá z izolačního materiálu oxidu kovu.

Poskytuje se také slinutý keramický materiál, který má kompozici horké zóny, která sestává (a) z mezi 25 a 80 obj. % elektricky izolačního materiálu; (b) mezi 3 a 45 obj. % polovodivého materiálu; a (c) mezi 5 a 25 obj. % kovového vodiče, který má měrný odpor méně než kolem 10’² ohm-cm, u kterého se alespoň kolem 21 obj. % kompozice horké zóny skládá z izolačního materiálu oxidu kovu.

Poskytuje se i další slinutý keramický materiál, který má kompozici horké zóny, která zahrnuje (a) elektricky izolační materiál a tento izolační materiál obsahuje nějaký nitrid a oxid kovu; a (b) nějaký kovový vodič, který má měrný odpor menší než kolem 10’² ohm-cm, a tato kompozice horké zóny je v podstatě bez materiálu karbidu.

m 1, A _Λ i í — -.1 ____1 — -- ' .. 1 ' 1 ^ ·

XU.A.C oc píLjOA.j vuj-l -C Clpdx U V CH1J. £> J_y pdl-LVd, které obecně zahrnují přivedení elektrického proudu přes zapalovací svíčku podle vynálezu.

Jak bylo probráno výše, bylo neočekávaně objeveno, že přidání značného objemu nějakého oxidu kovu ke kompozici keramické horké zóny může poskytnout keramickou zapalovací svíčku, která se může efektivně používat při vysokém nominálním napětí včetně 220, 230 nebo 240 V. Navíc mohou být tyto kompozice horké zóny použitelné v mimořádně širokém rozsahu napětí, a tedy se tyto kompozice mohou také používat pro aplikace nižšího napětí, například pro 120 V nebo 102 V nebo dokonce pro aplikace s ještě nižším napětím jako 6 až 24 V.

Jak bylo také zmíněno výše a je demonstrováno v příkladech, které následují, mohou kompozice horké zóny i zapalovací svíčky podle vynálezu vykazovat docela dobrou účinnost spotřeby energie a také nízkou tepelnou difuzivitu ♦ <» ·» ·· 99 ·»*» * > · » 9 9 9 « ··«*<»· t * 9 ··· · » * · · » i » · * · « · 9 · 9 9 9 ··« ·· 99 99 99 9999

- 10 a vyšší měrné teplo než známé systémy.

Aniž by to bylo vázáno nějakou teorií, má se za to, že takové vlastnosti, ať už samostatně nebo v kombinaci, mohou usnadnit provoz zapalovacích svíček podle vynálezu při aplikacích o nízkém napětí, jako jsou aplikace pod 100 V. Zejména taková účinná spotřeba energie a/nebo vlastnosti tepelné difuzivity činí zapalovací svíčky podle vynálezu prakticky upořebitelné pro zapalování napájená z baterie, např. jak se to může použít u venkovních nebo přenosných topných prostředků nebo prostředků na vaření, jako jsou rožnící jednotky, vyvažovači (grilovací) a topné jednotky používané v rekreačních vozidlech a podobně.

Vhodné oxidy kovů pro použití ve složce izolačního materiálu zahrnují např. oxid hliníku, oxynitrid kovu, jako je oxynitrid hliníku a oxynitrid křemíku, oxid hořečnato hlinitý a oxid křemičito hlinitý. Pro účely tohoto vynálezu se za oxid kovu považuje oxynitrid kovu. U některých provedení budou preferovány ηγ-iHy kovů, které neobsahují žádnou složku disíku, t.j. takový oxid kovu neobsahuje žádné atomy dusíku. Oxid hlinitý (AI2O3) je obecně výhodný oxid kovu. Když je to žádoucí, může se použít také nějaká směs rozdílných oxidů kovů, ačkoliv typičtěji se používá jediný oxid kovu.

Pro účely stávajícího vynálezu odkazuje výraz elektricky izolační materiál na materiál, který má měrný odpor při teplotě místnosti alespoň kolem 1O¹⁰ ohm.cm. Tato složka elektricky izolačního materiálu kompozic horké zóny podle vynálezu může být složená pouze z jednoho nebo z více oxidů kovů, nebo alternativně může izolační složka obsahovat materiály navíc ke kovovému oxidu nebo oxidům. Například může složka izolačního materiálu obsahovat navíc nějaký nitrid, jako nitrid hliníku, nitrid křemíku nebo nitrid bóru, nějaký oxid vzácné zeminy (např. yttria) nebo nějaký oxynitrid vzácné zeminy. Jeden výhodný přídavný materiál

♦ ·« » 4 ·	*4	·>	44	44	4 · • 4
»	4	4	4
• 4 4 ·	• »	4	•	4 4	•	•	•
♦ ·	•	4	4	4	4	4	4
• · · ·	« 4			»4		4«	44 44

izolační složky je nitrid hliníku (A1N) . Má se za to, že použití nějakého přídavného izolačního materiálu, jako je nitrid hliníku, v kombinaci s oxidem kovu může poskytnout horkou zónu s požadovanými vlastnostmi kompatibility tepelného rozpínání při zachování požadovaných schopností pro vysoké napětí.

Jak bylo probráno výše, obsahuje složka izolačního materiálu jako významnou část jeden nebo několik oxidů kovů. Přesněji je alespoň kolem 25 v/o složky izolačního materiálu složeno z jednoho nebo více oxidů kovů, výhodněji je alespoň kolem 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 nebo 98 v/o izolačního materiálu složeno z jednoho nebo několika oxidů kovu, jako je oxid hlinitý.

Výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu zahrnují takové, které obsahují složku izolačního materiálu, která je kombinací pouze jednoho oxidu kovu a nitridu kovu, zejména kombinací oxidu hlinitého (AI2O3) a nitridu kovu (A1N). S výhodní] ňř» nvid knvn hlsvní složkou takové V''™)»·’ n .·= , r.Cípí . kde izolační složka obsahuje alespoň kolem '50, 55, 60, 70, 80, 85, 90, 95 nebo 98 v/o oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, se zbytkem, jímž je nitrid kovu, jako nitrid hliníku.

Výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu zahrnují také takové, kde složka izolačního materiálu sestává výhradně z jednoho nebo několika oxidů kovu, jako je oxid hlinitý.

Když se k surovému tělesu kompozice horké zóny přidává oxid hlinitý, může se zvolit jakýkoli běžný prášek oxidu hlinitého. Typicky se používá prášek oxidu hlinitého, který má průměrnou velikost zrna asi mezi 0,1 a asi 10 mikronů a jen kolem 0,2 v/o nečistot. S výhodou má oxid hlinitý velikost zrna mezi asi 0,3 a asi 10 (.im. Výhodněji se používá Alcoa, což je kalcinovaný oxid hlinitý, který je dostupný u Alcoa Industrial Chemicals of Baixite v Ark. Oxid hlinitý se navíc může vnášet i v jiných formách než prášek včetně,

04 99 99 4« 49 »4 0 9 9 4 4 9 >9 * • · 4 0 9 0» 4 φ 9

449 94 40 444 < 4 ♦ 4 *494 449

044 ·· »9 4 0 49 4 4 4 9 avšak nikoli omezených na, přístupy sol-gel oxidu hlinitého a hydrolýzu části nitridu hliníku.

Obecně zahrnují výhodné kompozice horké zóny (a) mezi asi 50 a asi 80 v/é elektricky izolačního materiálu, který má měrný odpor alespoň kolem 1O¹⁰ ohm-cm, (b) mezi asi 5 a asi 45 v/o polovodivého materiálu, který má měrný odpor mezi asi 10 a asi 10⁸ ohm-cm, a (c) mezi asi 5 a 25 v/o kovového vodiče, který má měrný odpor menší než kolem 10'² ohm-cm. S výhodou zahrnuje horká zóna 50-70 v/o elektricky izolačního keramického materiálu, 10-45 v/o polovodivého keramického materiálu a 6-16 v/o vodivého materiálu.

Pokud je složka elektricky izolačního keramického materiálu přítomná ve více než kolem 80 v/o kompozice horké zóny, může se výsledná kompozice stát příliš odporová a je nepřijatelně pomalá při získávání cílových teplot při vysokých napětích. Pokud je naopak přítomná v méně než kolem 50 v/o (např. když je vodivý keramický materiál přítomný v

x.y iiiaLtíiidi prius \t f r\\ • t ~ > t stave, sc výsledný keraiuxuky vodivý za vysokých napětí. Když je frakce vodivého keramického materiálu zvýšená nad asi 8 v/o, je horká zóna jasně více vodivá a horní i spodní meze izolační frakce se mohou vhodně avýšit, aby se dosáhlo požadovaného napětí.

Jak bylo prodiskutováno výše, jsou podle dalšího aspektu vynálezu navrženy keramické kompozice horké zóny, které jsou alespoň hojně bez karbidu, jako je SiC, nebo zejména nějakého dalšího polovodivého materiálu. Takové kompozice zahrnují kovový vodič a nějaký elektricky izolační materiál, který má měrný odpor alespoň kolem 10¹⁰ ohm-cm, s podstatným dílem tohoto izolačního materiálu, který je složený z oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, a složka izolačního materiálu také obsahuje další materiál, který není oxid, například nějaký nitrid jako A1N. Takové kompozice s výhodou obsahují méně než asi 5 v/o karbidu a výhodněji tyto kompozice obsahují méně než kolem 2, 1, 0,5 v/o karbidu, nebo dokonce ft 99 99 99 9» »9 ♦ » » » > 9 9 · • 9 9 9 9 99 9 9 9

999 99 99 999 9 9

9 9 9 9 9 999

99« ·« 99 £« 99 9999 ještě výhodněji jsou takové kompozice horké zóny zcela bez karbidu nebo jiného polovodivého materiálu.

Pro účely stávajícího vynálezu je polovodivý keramický materiál (nebo polovodič) keramický materiál, který má měrný odpor při teplotě místnosti mezi asi 10 a 10⁸ ohm-cm. Pokud je přítomná polovodivá složka ve více než asi 45 v/o kompozice horké zóny (když je vodivý keramický materiál v rozsahu kolem 6-10 v/o), stává se výsledná kompozice příliš vodivá pro vysokonapěťové aplikace (díky nedostatku izolátoru). Opačně pak, když je přítomno méně než asi 10 v/o (když je vodivý keramický materiál v rozsahu kolem 6-10 v/o) , stává se výsledná kompozice příliš odporová (díky příliš mnoho izoloru). Zase, při vyšších úrovních vodiče jsou potřebné odporovější směsi izolátoru a polovodivých frakci, aby se dosáhlo požadovaného napětí. Polovodič je typicky nějaký karbid vybraný ze skupiny sestávající z karbidu křemíku (legovaný i nelegovaný) a karbid bóru. Výhodný je obecně karbid křemíku.

Pro účely stávajícího vynálezu je vodivý materiál materiál, který má měrný odpor při teplotě místnosti méně než kolem 10~² ohm-cm. Pokud je vodivá složka přítomná v množství více než asi 25 v/o kompozice horké zóny, stává se výsledný keramický materiál pro aplikace na vysoké napětí příliš vodivý, což má za následek nepřijatelně horkou zapalovací svíčku. Pokud je obráceně přítomný v méně než kolem 6 v/o, stává se výsledný keramický materiál pro aplikace na vysoké napětí příliš odporový, což má za následek nepřijatelně studenou zapalovací svíčku. Typicky se vodič vybírá ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu, dvojkřemičitanu wolframu a nitridů, jako je nitrid titanu, a karbidů, jako je karbid titanu. Výhodný je obecně dvojkřemičitan molybdenu.

Obzvláště výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu obsahují oxid hliníku, dvojkřemičitan molybdenu a karbid <4 ·» 44 4» 44 44 ·· * » 4443 444 4 • 4 4 4 4 »· 4 4 4 • 444 4 4 44 4 * 4 4 >

4 444> · 4 4 • «4 ·· 44 44 4 <4 4444 křemíku s nitridem hliníku, který se případně použije jako přídavný materiál složky izolačního materiálu.

V souladu se stávajícím vynálezem může být vhodně použita konstrukce zapalovací svíčky horká zóna/studená zóna, jak je popsaná ve Washburnově patentu (U.S. patent 5,405,237). Horká zóna poskytuje funkční ohřátí pro zapálení plynu. Pro aplikace na vysoké napětí (např. 187 až 164 V) má horká zóna s výhodou měrný odpor kolem 1 až 3 ohm-cm v teplotním rozsahu 1000 °C až 1600 °C. Specificky výhodná kompozice horké zóny zahrnuje kolem 50 až 80 v/o A1₂O₃, kolem 5 až 25 v/o MoSi₂ a 10 až 45 v/o SiC. Výhodněji zahrnuje kolem 60 až 80 v/o oxidu hliníku a kolem 6 až 12 v/o MoSi₂ a 15 až 30 v/o SiC. U jednoho speciálně výhodného provedení zahrnuje horká zóna kolem 66 v/o A1₂O₃, 14 v/o

MoSi₂ a 20 v/o SiC.

U výhodných provedení je průměrná velikost zrna (d50) kompozicí horké zóny u zhuštěného tělesa následující:

?.) izolátor (např. A1_ZO_JZ AlU, atd.) mezi přibližně 2 a 10 mikrony,

b) polovodič (např. SiC) mezi přibližně 1 a 10 mikrony a

c) vodič (např. MoSi₂) mezi přibližně 1 a 10 mikrony.

Obrázek 1 ukazuje mikrostrukturu jedné výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu, která sestává ze slinuté směsi A1₂O₃, SiC a MoSi₂. Jak lze z obr. 1 vidět, má tato kompozice relativně homogenní uspořádání složek, to jest složky jsou dobře distribuované po celé kompozici a mikrostruktura je alespoň do značné míry bez jakýchkoli rozsáhlých oblastí (např. o šířce 30, 40 nebo 50 (.im) jediné složky kompozice. Navíc mají oblasti složky vodivého materiálu (MoSi₂) koherentní, definované okraje a nejsou vějířovítě rozrostlé.

Obrázek 2 ukazuje mikrostrukturu kompozice horké zóny podle stavu techniky, která neobsahuje žádný oxid kovu. Na obr. 2 nemají oblasti složky vodivého materiálu (MoSi₂) »» >» >· *>> '« ♦ * 1$ Ο >

·♦*»»<»« » » « * ·*· » * · » * * * « 9 • 9 9 9 9 9 9 9 9 ··* ·♦ 99 »9 99 9999 dobře definované hranice a namísto toho jsou prolínavé a vějířovíté.

Zapalovací svíčky podle vynálezu mohou mít řadu konfigurací. Jedna výhodná konstrukce je drážkovaný systém, jako je podkova nebo konstrukce vlásenky. Také se výhodně používá tvar přímé tyče (bez drážek) se studenými konci nebo připojovacími konci svorek na protějších koncích tělesa.

Zapalovací svíčky podle vynálezu také tipicky obsahují alespoň jednu oblast studené zóny s nízkým měrným odporem v elektrickém spojení s horkou zónou, aby se zajistilo připojení drátěných vodičů k zapalovací svíčce. Typicky je kompozice horké zóny umístěná mezi dvěma studenými zónami. S výhodou jsou takové oblasti studené zóny složené např. z A1N a/nebo Al₂0₃ nebo jiného izolačního materiálu, SiC nebo jiného polovodivého materiálu a MoSi₂ nebo jiného vodivého materiálu. Avšak oblasti studené zóny budou mít značně vyšší procento vodivých a polovodivých materiálů (např. SiC a MoSŤ£) πθζ ip.á íioxRs zóp.h. Podle toho rnsji otissti studeno zóny typicky jen kolem 1/5 až 1/1000 ’ měrného odporu kompozice horké zóny a co do teploty nestoupají na úrovně horké zóny. Jedna výhodná kompozice horké zóny se skládá asi z 15 až 65 v/o oxidu hliníku, nitridu hliníku nebo jiného izolačního materiálu, a asi z 20 až 70 v/o MoSi₂ a SiC nebo jiného vodivého a plovodivého materiálu v objemovém poměru asi od 1:1 přibližně do 1:3. Výhodněji zahrnuje studená zóna kolem 15 až 50 v/o A1N a/nebo A1₂O₃, 15 až 30 v/o SiC a 30 až 70 v/o MoSi₂. Pro snadnost výroby je s výhodou kompozice studené zóny vytvořená z týchž materiálů jako kompozice horké zóny, ale s relatvními množstvími polovodivých a vodivých materiálů, která jsou větší.

Specificky výhodné kompozice studené zóny pro použití u zapalovacích svíček podle vynálezu obsahují 60 v/o MoSi₂, 20 v/o SiC a 20 v/o A1₂O₃. Jedna obzvlášť výhodná kompozice studené zóny pro použití u zapalovacích svíček podle ·*

9» » · • 9 9 ·♦« 9 • 9 • •9' 99

9 9

9

9 9

9 «9 *9 * 9 9 *·

9 9

9

9999

- 16 vynálezu obsahuje 30 v/o M0SÍ2, 20 v/o SiC a 50 v/o AI2O3.

Jak bylo probráno výše, obsahují konstrukce bezdrážkových zapalovacích svíček nevodivou oblast vloženou mezi dvěma vodivými rameny. S výhodou má oblast slinutého izolátoru měrný odpor alespoň kolem 10¹⁴ ohm-cm při teplotě místnosti a měrný odpor při pracovních teplotách alespoň kolem 10⁴ a pevnost alespoň kolem 150 MPa. S výhodou má tato vložená oblast izolátoru systému bez drážek měrný odpor při pracovních teplotách, který je alespoň o dva řády větší než měrný odpor oblasti horké zóny. Vhodné izolátorové kompozice zahrnují alespoň 90 v/o jednoho nebo několika z nitridu hliníku, oxidu hlinitého a nitridu bóru. Obecně jsou výhodné kompozice izolátoru směsí 1) A1N a/nebo AI2O3 a 2) SiC. S výhodou tato kompozice zahrnuje alespoň kolem 90 v/o směsi A1N a AI2O3.

Jak bylo pojednáno výše, aby se vyhnulo tvorbě oblouků u konstrukcí bez drážek, zahrnuje kompozice izolátoru navíc k •i i ným nHpn-rovým materiálům, zejména nějakému cxidu kovu, jako je Al₂O₃, s výhodou A1N. Bylo zjištěno, ^- že přídavek A1N může zabránit výskytu takových průrazů dielektrika této oblasti izolátoru. S překvapením jsme také zjistili, že použití A1N v kompozici izolátoru může předejít nežádoucímu průrazůu dielektrika během užívání zapalovací svíčky, zatímco přidání jiných vysoce odporových materiálů jiskření takovým způsobem nezmenšuje.

Výhodné izolátorové kompozice podle vynálezu sestávají z A1N, AI2O3 a SiC. U takových izolátorových kompozic z AIN/AI2O3/SÍC je s výhodou AlN přítomný v množství alespoň kolem 10, 15, 20 25 nebo 30 objemových procent vzhledem k AI2O3. Všeobecně výhodné izolátorové kompozice pro použiti u bezdrážkových zapalovacích svíček podle vynálezu obsahují AlN v množství asi od 3 do 235 v/o, výhodněji kolem 5 až 20 v/o a ještě výhodněji kolem 10 až 15 v/o, AI2O3 v množství 60 až 90 v/o, výhodněji 65 až 85 v/o, ještě výhodněji 70 až

0»

0* 0» 00 • 0 0 0 0 0000 0 » 4 »4 0 0 * • 0 0 0 0. 0 · 0 0 ·>

··

00

0 0 00 0000

- 17 80 v/o a dokonce ještě výhodněji 75 až 80 v/o a SiC v množství 5 až 20 v/o, výhodněji 8 až 15 v/o. Jedna specificky výhodná izolátorová kompozice pro bezdrážkovou zapalovací svíčku podle vynálezu sestává ze 13 v/o A1N, 77 v/o AI2O3 a zbytku SiC.

Jak bylo probráno výše, bylo zjištěno, že nežádoucímu proražení dielektrika může také zabránit oxidační úprava oblastí izolátoru zapalovacích svíček podle vynálezu. Například se zapalovací svíčka může ohřát, např. asi na 1300 až 1700 °C, s výhodou kolem 1500 až 1600 °C, na vzduchu po nějakou dobu prodlevy, např. 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7,

0,8, 0,9 nebo 1 hodinu nebo více, aby se zajistila účinná oxidační úprava oblasti izolátoru. Avšak takováto oxidační úprava si vynucuje dodatečné zpracování a po oxidaci vyžaduje novou úpravu vodivých ramen.

Rozměry zapalovací svíčky mohou mít vliv na její vlastnosti a výkon. Obecně by délka samotného ramena horké zóny měl a být větší než asi 0,5 paicc (aby dostatečná hmota, aby chladící proud kohvekčního plynu značně neovlivňoval její teplotu), ale menší než asi 1,5 palce (aby se zajistila dostyatečná machanická robustnost). Jeho šířka by měla být větší než asi 0,1 palce, aby se zajistila dostatečná pevnost a snadnost výroby. Podobně by jeho tlouštka měla být větší než asi 0,02 palce, aby se zajistila dostatečná pevnost a snadná výroba. S výhodou má zapalovací svíčka podle vynálezu celkovou délku jednoho ramena typicky asi mezi 1,25 a asi 2,00 palci, příčný průřez horké zóny má mezi asi 0,001 a asi 0,005 čtverečního palce (výhodněji méně než 0,0025 čtverečního palce) a je vlásenkové konstrukce se dvěma rameny.

Pro jednu výhodnou vlásenkovou zapalovací svíčku se dvěma rameny použitelnou pro napětí od 187 di 264 voltů, která má kompozici horké zóny přibližně z 66 v/o AI2O3, kolem 20 v/o SiC a asi 13,3 v/o M0SÍ2, jsou výhodné > ♦» »·• * 4 4 · >♦ · « Í • ··· · · ·« »i · · 9 9 · »····»* ♦ ·* 99 99 99 99 9999 následující rozměry zapalovací svíčky: délka kolem 1,15 palce, šířka jednotlivého ramena kolem 0,047 palce a tloušťka kolem 0,030 palce. Takováto konstrukce a složení je také použitelné pro aplikace na nižší napětí, jako je 6, 8, 12, 24, 102 nebo 120 V.

Jedna výhodná bezdrážková konstrukce zapalovací svíčky má celkovou délku asi mezi 1,25 a 2,00 palce, délku horké zóny od asi 0,1 do přibližně 1,2 palce a plochu příčného řezu horké zóny mezi přibližně 0,001 a asi 0,005 čtverečního palce. Pro aplikace na nižší napětí jsou typicky výhodné kratší délky horké zóny, jako méně než 0,5.

Obrázek 3A znázorňuje jeden výhodný systém 10 drážkovné zapalovací svíčky, která má vodivá (studená zóna) ramena 12 a 14, horkou zónu 16 ve tvaru U a drážku nebo dutinu 1_8 uspořádanou mezi vodivými rameny 12 a 14. Jak se na to odkuzuje zde, je délka horké zóny označená na obr. 3A jako vzdálenost x, délka zapalovací svíčky y a šířka horké zóny a zsnalnvaní svíčky z. Proud se na zapalovací svíčku 10 může přivádět přes vodiče na koncích 12' a 14' ' vodivých zón 12 respektive 14.

Obrázek 3B znázorňuje jeden výhodný systém 20 bezdrážkové zapalovací svíčky, který má vodivá (studená zóna) ramena 22 a 24, izolátorovou oblast 26 vloženou mezi ně a horkou zónu 28 ve tvaru U. Jako u bezdrážkového systému, jak se na něj odkazuje zde, je délka horké zóny označená jako vzdálenost x na obr. 3B, délka zapalovací svíčky y a šiřka horké zóny i zapalovací svíčky z. Proud se může na zapalovací svíčku 20 přivádět přes vodiče na koncích 22' a 24' vodivé zóny.

Obrázky 3C a 3D znázorňují další vhodné bezdrážkové konstrukce zapalovacích svíček podle vynálezu. Na každém z obr. 3C a 3D odpovídají vztahové značky vztahovým značkám z obr. 3B, t.j. v každém z obrázků 3C a 3D má bezdrážkový systém zapalovací svíčky vodivá ramena 22 a 24 s mezilehlou ♦*

4 4

449 444 • 4 4 4

444 44 44

94

4 4 4

4 44 >9 44 *•4 9 4

4, i 4 •I 4 4

4 4

4449 izolátorovou oblastí 26 a horkou zónu 28.

Jedna specificky výhodná kompozice horké zóny zapalovacích svíček podle vynálezu obsahuje kolem 14 procent MoSi₂, kolem 20 procent SiC a zbytek A1₂O₃. Taková kompozice se s výhodou používá na bezdrážkový systém zapalovací svíčky, který má výhodně délku horké zóny kolem 0,5 palce. Jedna další výhodná kompozice horké zóny obsahuje kolem 16 procent MoSi₂, kolem 20 procent SiC a zbytek A1₂O₃. Taková kompozice se s výhodou používá na systém bezdrážkové zapalovací svíčky, který má výhodně délku horké zóny kolem 0,1 až 1,6 palce. Jak bylo zmíněno výše, jsou pro aplikace na nižší napětí, jako jsou aplikace pod 100 V, typicky výhodné kratší délky horké zóny, jako je méně než 0,5.

Obecně mohou být keramické zapalovací svíčky s horkým povrchem podle vynálezu vyráběny se zcela malými délkami horké zóny, např. kolem 1,5 palce nebo méně, nebo dokonce

1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1,0, 0,9, 0,8 palce nebo méně, a spolehl i ve používaný pn vyt>okych napě tových rozsazích, včetně rozsahu asi od 220 do 240 V, při absenci jakéhokoli typu elektronického regulačního prostředku pro měření výkonu na zapalovací svíčce.

Jedna důležitá výkonová vlastnost keramické zapalovací svíčky, zejména tam, kde je palivo plyn, je čas do ohřátí (ΨΤΤ)_t což je doba, za kterou se teplota horké zóny zapalovací svíčky zvýší z teploty místnosti na teplotu zapálení paliva (plynu). Zapalovací svíčky podle vynálezu se mohou ohřát na pracovní teploty, např. kolem 1300 °C, 1400 °C nebo 1500 °C, rychle, přibližně za 5 nebo 4 sekundy nebo méně, dokonce za 3 sekundy nebo dokonce 2,75, 2,5, 2,25 nebo 2 sekundy nebo méně.

Bylo zjištěno, že kompozice horké zóny podle vynálezu vykazují extrémně vysokou teplotní způsobilost, např. do 1750 °C bez vážné oxidace nebo problémů s vypalováním.Testované běžné systémy selhávaly při opakovaném

9 *·9

9» 99 ·9 ·*' r t · ♦ * 9, * • ér i ·· · Ι «V • 9 9» 9 · · 9 9) 9 · • 9 9 9 9 999

99 99 99 9999 *91

- 20 vystavení 1600 °C. Na rozdíl od toho vydrží výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu životní zkoušku při tak vysokých teplotách, jako např. 50.000 cyklů 30 sekund zapnuto a 30 sekund vypnuto při 1450 °C. Také bylo zjištěno, že zapalovací svíčky podle vynálezu vykazují oproti známým kompozicím značně snížené proudové a teplotní změny během těchto cyklů zkoušky žhavení.

Jak bylo probráno výše, zahrnuje vynález způsoby zapalování, které nevyžadují nové žhavení keramické zapalovací svíčky. Tato zapalovací svíčka může spíš běžet po delší doby při zvýšené teplotě dostatečné pro zažehnutí paliva a bez potřeby stálého cyklického opakování zapnuto/vypnuto (t.j. žhavení/chlazení).

Zpracování keramické složky (t.j. podmínky výroby a slinování) a příprava zapalovací svíčky ze zhuštěného keramického materiálu se může dělat běžnými postupy. Typicky se takové postupy mohou provádět v podstatě podle μα uch <_u ±±Ub LldCIlJ.

potreoy

VIZ taxe příklady, které následují. Slinování kompozice horké zóny se s výhodou provádí za relativně vysokých teplot, např. při nebo mírně nad přibližně 1800 °C. Slinování se bude typicky provádět pod tlakem, a to buď pod jednosměrným lisem (horký lis) nebo horkým izostatickým lisem (HIP).

S překvapením se také zjistilo, že kompozice horké zóny podle vynálezů se mohou na rozdíl od kompozic podle stavu techniky účinně zhušťovat v jediném vysokoteplotním jednosměrném lisu (např. alespoň kolem 1800 nebo 1850 °C).

Známé kompozice horké zóny vyžadovaly dvě samostatné a to první lisování za tepla (např. např. 1300 °C) následované druhým slinováním za vysoké teploty (např. 1800 nebo 1850 °C).

První slinování za tepla poskytuje zhuštění kolem 65 až 70 % relativně oproti teoretické hustotě a druhé slinování za vyšší teploty poskytuje konečné zhuštění větší než 99 % slinovací procedury, méně než 1500 °C .44 .:

• • 4 4

4-4

4<· ·· • <4 ·

* ♦ 4

4 ·· »

Λ

44,4

- 21 vzhledem k hustotě teoretické. Známé kompozice horké zóny vyžadovaly hustotu větší než 99 %, aby poskytly přijatelné elektrické vlastnosti.

Jediné slinování za vysoké teploty kompozic horké zóny podle vynálezu může poskytnout hustotu alespoň kolem 95, 96 nebo 97 % teoretické hustoty. Navíc bylo zjištěno, že takové kompozice horké zóny podle vynálezu, které mají hustotu méně než 99 % hustoty teoretické (například kolem 95, 96, 97 nebo 98 % teoretické hustoty) vykazují naprosto přijatelné elektrické vlastnosti. Viz například výsledky uvedené podrobně v příkladu 5, který následuje.

Zapalovací svíčky podle stávajícího vynálezu se mohou používat pro mnoho aplikací včetně aplikací pro zážeh paliva v plynné fázi, jako jsou kotle a spotřebiče na vaření, ohřívače podlahových lišt, bojlery a vrchní části sporáků. Jak bylo zmíněno výše, mohou se zapalovací svíčky podle vynálezu také používat u systémů napájených baterií, __ X-____— t- 2. - .1 .. -1 - i zapálení napájené baterií, jako je 6, 8, nebo 24 V baterie, a dokonce u systémů o nižším napětí, například u systému pod 6 V.

Zapalovací svíčky podle vynálezu se také mohou používat pro jiné aplikace, včetně použití jako topný element v různých systémech. U jedné výhodné aplikace se zapalovací svíčka podle vynálezu využívá jako zdroj infračerveného záření (t.j. horká zóna poskytuje infračervený výstup), například ohřívací element třeba u topeniště, nebo jako žhavící svíčka, v monitorovacím nebo detekčním zařízení včetně spektrometrických přístrojů a podobně.

Následující, neomezující příklady znázorňují vynález. Všechny dokumenty, které jsou zde citované, jsou sem zahrnuty odkazem na celek.

··* »4 * *

4 ·»· >· ·· «4 · ♦4 • · 4 · 4 * · · 4

4« ·· ·♦ Λ· ? V i

4J »1 ♦ · · · 4T4 4

PŘÍKLAD 1

Jedna zapalovací svíčka podle vynálezu byla připravena a zkoušena při vysokých napětích následivně. Připravily se kompozice horké zóny a studené zóny. Kompozice horké zóny obsahovala 66 objemových dílů A1₂O₃, 14 objemových dílů MoSi₂a 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Kompozice studené zóny obsahovala kolem 50 objemových dílů A1₂O₃, kolem 30 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Tato kompozice studené zóny byla naplněna do zápustky vytápěného lisu a kompozice horké zóny byla dána na povrch kompozice studené zóny v téže zápustce. Tato kombinace kompozic se k sobě slisovala za horka při 1300 °C po dobu 1 hodiny v argonu při 3000 psi, aby se vytvořil špalek s 60 až 70 % teoretické hustoty. Tento špalek se pak strojně obrobil na desky, které byly asi 2,0 palce krát 2,0 palce krát 0,250 palce. Následně byly tyto

-J σοοΙ'Ώ+'ΐ 1 ·? e» o «a τ r -» /UTT>\ 4 * ~ ·— ta, o»· »j .ta ta» ta> V “ *»* AA W X» \ +1X X f .X

F'-’ dobu 1 hodiny a při 30.000 psi. Po tomto izostatickém lisování za horka byly zhuštěné desky strojně obráběny na požadovanou geometrii vlásenky. Vytvořená zapalovací svíčka sloužila dobře při 230 V s dobrým měrným odporem kolem 1,5 ohm-cm, časem do zapalovací teploty kolem 4 sekund a projevenou stabilitou alespoň do 285 V (zkušební napětí 285 V je mez testovacího zařízení) a tak demonstrovala, že tato zapalovací svíčka byla účinná při vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

PŘÍKLAD 2

Byla připravena jedna další kompozice horké zóny, která obsahovala 67 objemových dílů Al₂O₃, 13 objemových dílů MoSi₂a 20 objemových dílů SiC, které se smíchaly ve vysokosmykovém mísiči. Byla připravena tatáž kompozice studené zóny jako u výše uvedeného příkladu 1, a tyto •i ·*·

»· ·· ♦ « · ♦ • · · * « · · *· ·· ··

9

9999 kompozice horké zóny a studené zóny byly zpracovány a byla vytvořena zapalovací svíčka týmiž postupy, jak bylo popsáno v příkladu 1. Vytvořená zapalovací svíčka vykazovala podobné výkonové výsledky, jaké byly popsány pro zapalovací svíčku z příkladu 1, a tak demonstrovala, že tato zapalovací svíčka byla účinná při vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

PŘÍKLAD 3

Byla připravena jedna další kompozice horké zóny podle vynálezu, která obsahovala 66,7 objemových dílů A1₂O₃, 13,3 objemových dílů MoSi₂ a 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísící. Byla připravena stejná kompozice studené zóny jako u výše uvedeného příkladu 1 a tyto kompozice horké zóny a studené zóny byly zpracovány a zapalovací svíčka byla vytvarována týmiž postupy, jak bylo popsáno u příkladu 1. Vytvořená zapalovací svíčka vykazovala podobné výkonové výsledky, jako bylo popsáno pro zapalovací svíčku z příkladu 1, což demonstruje, že' tato zapalovací svíčka byla účinná při vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

PŘIKLAD 4

Byla připravena ještě další kompozice horké zóny, která obsahovala 66,4 objemových dílů A1₂O₃, 13,6 objemových dílů MoSi₂ a 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Byla připravena stejná kompozice studené zóny jako u výše uvedeného příkladu 1 a tyto kompozice horké zóny a studené zóny byly zpracovány a zapalovací svíčka byla vytvarována týmiž postupy, jak bylo popsáno u příkladu 1. Vytvořená zapalovací svíčka vykazovala podobné výkonové výsledky, jako bylo popsáno pro zapalovací svíčku z příkladu 1, což demonstruje, že tato zapalovací svíčka byla účinná při vysokých nominálních napětích a v

- 24 4 ··

44 »4 44 **

4*4 · · · · · 4 4 4

4 4 4 4 44 · 1 4

444 4 4 4 4 · 4 ♦ 4 4

444 • 4 4 4

44 • *

4·44 širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

PŘÍKLAD 5

Byla připravena jedna další zapalovací svíčka podle vynálezu a byla zkoušena při vysokých napětích následovně.

Připravily se kompozice horké zóny a studené zóny. Kompozice horké zóny obsahovala kolem 66 objemových dílů A1₂O₃, kolem 14 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Kompozice studené zóny obsahovala kolem 50 objemových dílů Al₂O₃, kolem 30 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Kompozice studené zóny byla naplněna do zápustky vytápěného lisu a kompozice horké zóny byla dána na povrch kompozice studené zóny v téže zápustce. Tato kombinace kompozic se k sobě slisovala za horka při 1800 °C po dobu 1 hodiny v argonu při 3000 psi, aby se vytvořil špalek s přibližně 97 % teorptirknu hustotou. Tento špalek se pak strojně obrobil na desky, které byly asi 2,0 palce krát 2,0 palce krát 0,250 palce. Tyto desky pak byly přímo (t.j. bez HIP) strojně obráběny na elementy zapalovací svíčky, které měly geometrii vlásenky. Vytvořená zapalovací svíčka pracovala dobře při 230 V s dobrým měrným odporem kolem 1 ohm-cm, časem do zapalovací teploty kolem 5 sekund a projevenou stabilitou alespoň do 285 V (zkušební napětí 285 V je mez testovacího zařízení) a tak demonstrovala, že tato zapalovací svíčka byla účinná při vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

PŘÍKLAD 6

Úrovně spotřeby energie zapalovacích svíček podle vynálezu byly stanoveny měřením proudu při předem stanoveném napětí. Zapalovací svíčky podle vynálezu vykazovaly důsledně větší výkonovou účinnost vzhledem k porovnatelným zapalovacím svíčkám, které mají odlišné kompozice horké

- 25 r?

• 44 ·· 44 44

4 4 4 4 4 4 ·

4 4 4 4 44 · • 444 4 4 4 4 <44 • 4 4 4 4 4 4 4 •4* 44 44 >4 44 4444 zóny.

Specificky vyžadovala drážkovaná zapalovací svíčka podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny z 65 objemových dílů Al₂O₃, kolem 15 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC, mezi 0,25 A a 0,35 A při 120 V.

Jedna porovnávací drážkovaná zapalovací svíčka podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny ze 77 objemových dílů AlN, kolem 13 objemových dílů MoSi₂ a kolem 10 objemových dílů SiC, vyžadovala mezi 0,5 A až 0,6 A při 120 V.

PŘIKLAD 7

Teplotní vodivost a hodnoty měrného tepla byly stanoveny pro zapalovací svíčky podle vynálezu a také pro porovnávací zapalovací svíčky, které měly odlišnou kompozici horké zóny. Zapalovací svíčky podle vynálezu vykazolaly shodně nižší teplotní vodivost a vyšší měrné teplo než porovnávací zapalovači svxcky, ktere mely odlišnou kompozici horké zóny.

- 26 • 9 ·· • * 4 • · · · ·

Následujíc! hodnoty teplotní vodivosti při specifických teplotách byly naměřeny pro drážkovou zapalovací svíčku podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny z 66,7 objemových dílů A1₂O₃, kolem 13,3 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC:

Teploty (°C) Teplotní vodivost (cm²/s)

20	0,1492
128	0,088
208	0,0695
302	0,058
426	0,0472
524	0,0397
619	0,0343
717	0,0307
810	0,0291
921	0,0256
1002	0,0242
1114	0,0224
1228	0,0203
1310	0,0195
1428	0,0182
1513	0,0171
20	0,1503

- 27 • φ φφ φφ φφ φ · φ φ φ φ φ φ φφ φ φ φ φ φ φφφ φ φ φ φ φ φ φ φ φφ φφ φφ ΦΦΦΦ

Následující hodnoty teplotní vodivosti při specifických teplotách byly naměřeny pro porovnávací drážkovou zapalovací svíčku podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny ze 70 objemových dílů A1N, kolem 10 objemových dílů M0SÍ2 a kolem 20 objemových dílů SiC:

Teploty (°C) Teplotní vodivost (cm²/s)

20	0,262
126	0,183
204	0,147
325	0,0117
416	0,102
517	0,0902
615	0,0812
714	0,0725
818	0,0668
910	0,0593
1 ΠΛΓ	Λ Λ Γ* r Λ
X W ->
1105	0,0549
1203	0,0469
1312	0,0425
1414	0,041
1516	0,0369
22	0,274

Vynález byl popsán podrobně s odkazem na svá vybraná provedení. Je však třeba si uvědomit, že ti, kdo jsou znalí stavu techniky, mohou po přihlédnutí k tomuto popisu udělat v rámci podstaty a rozsahu vynálezu modifikace i zlepšení.

fy

Claims

1. Zapalovací svíčka, která má slinutý keramický element zahrnující dvě studené zóny s horkou zónou uspořádanou mezi nimi, kde horká zóna obsahuje kompozici horké zóny, která zahrnuje:

(a) elektricky izolační materiál, (b) alespoň kolem 3 objemových % polovodivého materiálu (c) kovový vodič, který má měrný odpor menší než kolem 10‘² ohm-cm, vyznačující se tím, že alespoň kolem 21 objemových % kompozice horké zóny obsahuje izolační materiál oxidu kovu.

2. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se t i m, že izolační materiál obsahuje alespoň 25 objemových % oxidu kovu.

3. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačuj i c i se tím, že izolační materiál sestává z oxidu kovu.

4. Zapalovací svíčka podle nároků laž3, vyznačující se tím, že oxid kovu zahrnuje oxid hliníku.

5. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že oxid kovu sestává z jednoho nebo několika z oxidu hliníku, oxynitridu kovu, oxidu hlinito hořečnatého a oxidu hlinito křemičitého.

6. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje jeden nebo několik materiálů vybraných ze skupiny

9 99 99 94 ·4 ·9

999 9 9 49 9 9 49 4

499 99 99 99 4

4 49494 44 499 4 ·

4 4 4444 494

444 44 94 «4 44 4944

- 29 sestávajíc! z nějakého nitridu, oxidu vzácné zeminy a oxynitridu vzácné zeminy.

7. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje dusičnan hlinitý.

8. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že polovodivý materiál obsahuje karbid křemíku.

9. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, v y z načuj ící s e tím, že kovový vodič je dvojkřemičitan molybdenu. 10 Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 9, v y z načuj ící s e tím, že dále zahrnuje

kompozici studené zóny, která sc skládá z asi 15 až 50 v/o materiálu izolátoru, 0 až 50 v/o polovodivého materiálu a 20 až 70 v/o materiálu kovového vodiče.

11. Zapalovací svíčka podle nároku 10, vyznačující se tím, že izolační materiál studené zóny je nitrid hliníku nebo oxid hliníku nebo jejich směsi, polovodivý materiál studené zóny je karbid křemíku a vodivý materiál studené zóny je M0SÍ2.

12. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že svíčka má drážkovou konstrukci.

13. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že svíčka má bezdrážkovou konstrukci.

·· ·» ·* * * · · · • · · ··

14. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 11 nebo 13, vyznačující se tím, že svíčka sestává z izolátorových oblastí, vodivých oblastí a oblasti horké zóny, přičemž izolátorová oblast je uspořádaná mezi dvojicí vodivých oblastí a izolátorová oblast zahrnuje AlN a je více odporová než oblast horké zóny.

15. Zapalovací svíčka podle nároku 14, vyznačující se tím, že se zapalovací svíčka skládá z AlN, A1₂O₃ a SiC.

16. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 11 nebo 13,vyznačující se tím, že zapalovací svíčka zahrnuje izolátorové oblasti, vodivé oblasti a oblasti horké zóny, které jsou oxidačně upravené.

17. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 13 až Ifi vyznačující ε c tím, že zapalovací svíčka zahrnuje izolátorovou oblast, která zahrnuje asi od 3 do 25 v/o AlN, od asi 60 do 90 v/o A1₂O₃ a od asi 5 do 20 v/o SiC.

18. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 13 až 16, vyznačující se tím, že zapalovací svíčka zahrnuje izolátorovou oblast, která zahrnuje asi od 5 do 20 v/o AlN, od asi 65 do 85 v/o A1₂O₃ a od asi 8 do 15 v/o SiC.

19. Slinutý keramický materiál, který má kompozici horké zóny zahrnující (a) mezi 25 a 80 objemovými % elektricky izolačního materiálu, (b) mezi 3 a 45 objemovými % polovodivého materiálu a • 9

99 99 » 9« «

- 31 (c) mezi 5 a 25 objemovými % kovového vodiče, který má měrný odpor méně než kolem 10'² ohm-cm, vyznačující se t i m, že alespoň kolem 21 objemových % kompozice horké zóny sestává z izolačního materiálu oxidu kovu.

20. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje alespoň kolem 50 objemových % oxidu kovu.

21. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje alespoň kolem 80 objemových % oxidu kovu.

22. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje alespoň kolem 90 objemových % oxidu kovu.

23. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se tím, že izolační materiál sestává z oxidu kovu.

24. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 23, vyznačující se tím, že oxid kovu zahrnuje oxid hliníku.

25. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

23, vyznačující se tím, že oxid kovu sestává z oxid hliníku.

26. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

24, vyznačující se tím, že oxid kovu obsahuje jeden nebo několik materiálů vybraných ze skupiny i

sestávající z oxidu hliníku, nějakého oxynitridu kovu a oxidu

40 ·0

4 4 · 0

4 4 04

4 4 4 ·

4 4 4 4

44 «4

44 44 • 0 ·

4 4

4 9

4 9 9 *4 4944 oxidu hlinito horečnatého, křemičito hlinitého.

27. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 26, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje jeden nebo několik materiálů vybraných ze skupiny sestávající z nějakého nitridu, oxidu vzácné zeminy a oxynitridu vzácné zeminy.

28. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

27, vyznačující se tím, že izolační materiál zahrnuje nitrid hliníku.

29. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

28, vyznačující se tím, že izolační materiál tvoří mezi 50 a 80 objemovými % kompozice horké zóny.

30. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

29, vyznačující se tím, že polovodivý materiál obsahuje karbid křemíku.

31. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

30, vyznačující se tím, že polovodivý materiál tvoří mezi 5 a 30 objemovými % kompozice horké zóny.

32. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až

31, vyznačující se tím, že kovový vodič je dvojkřemičitan molybdenu.

33. Keramický materiál podle nároku 32, vyznačující se tím, že dvojkřemičitan molybdenu tvoří mezi 6 a 16 objemovými % kompozice horké zóny.

- 33 0 00 00 0 0

0 · ·

0 ··· 0 0

000 ·· • 0 00 ·0 ·0 0000 0 · 0 0 0 0 00 0 0 0 • 0 00 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0

00 00 00 0000

34. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 33, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kompozici horké zóny, která zahrnuje přivližně od 15 do 50 v/o izolátorového materiálu, 0 až 50 v/o polovodivého materiálu a 20 až 70 v/o materiálu kovového vodiče.

35. Keramický materiál podle nároku 34, vyznačující se tím, že izolační materiál studené zóny je nitrid hliníku nebo oxid hliníku nebo jejich směsi, polovodivý materiál studené zóny je karbid křemíku a vodivý materiál studené zóny je MoSi₂.

36. Slinutý keramický materiál, vyznačuj ící se t í m, že má kompozici horké zóny zahrnující:

(a) elektricky izolační materiál a tento izolační materiál obsahuje nitrid a nějaký oxid kovu a (b) nějaký kovový vodič, který má měrný odpor méně než x-2 lAOxrCtí ζ,ύύγ jtí materiálu karbidu,

37. Keramický materiál podle nároku 36, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje alespoň kolem 50 v/o oxidu kovu.

38. Keramický materiál podle nároku 36 nebo 37, vyznačující se t obsahuje nitrid hliníku.

39. Keramický materiál podle

38, vyznačující se oxid hliníku.

40. Keramický materiál podle

39, vyznačuj ící i m, ze izolační materiál kteréhokoli z nároků 36 až tím, že oxid kovu tvoří kteréhokoli z nároků 36 až s e tím, že oxid kovu

999 • 9 • 9 9· ·9 99

9 99 9 9 99 9 • · 99 9 9 9

9 99 999 9 9

9 9 9 · «99 ·· ·9 ·9 9999 obsahuje jeden nebo více materiálů vybraných ze skupiny sestávající z oxidu hliníku, oxidu hlinito horečnatého, nějakého oxynitridu kovu a oxidu křemičito hlinitého.

41. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 36 až

40, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje jeden nebo několik materiálů vybraných ze skupiny sestávající z nitridu, oxidu vzácné zeminy a oxynitridu vzácné zeminy.

42. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 36 až

41, vyznačující se tím, že kompozice horké zóny je v podstatě bez karbidu křemíku.

43. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 36 až

42, vyznačující se tím, že kompozice horké zóny obsahuje ne více než kolem 2 v/o karbidu.

44. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 36 až 42,vyznačující se tím, že kompozice horké zóny je zcela bez karbidu.

45. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 36 až 44, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kompozici studené zóny, která obsahuje asi od 15 do 50 v/o izolátorového materiálu, 0 až 50 v/o polovodivého materiálu a 20 až 70 v/o materiálu kovového vodiče.

46. Keramický materiál podle nároku 45, vyznačující se tím, že izolátorový materiál studené zóny je nitrid hliníku nebo oxid hliníku nebo jejich směsi, polovodivý materiál studené zóny je karbid křemíku a vodivý materiál studené zóny je M0SÍ2.

- 35 47. Keramický materiál podle nároku 19 nebo 36, vyznačující se tím, že keramický materiál byl zhuštěný asi na 95, 96, 97 nebo 98 % vzhledem k teoretické hustotě jediným procesem vysokoteplotního slinování.

48. Způsob zažehování plynného paliva, který zahrnuje přivedení elektrického proudu na zapalovací svíčku podle kteréhokoli z nároků 1 až 18.

49. Způsob podle nároku 48, vyznačující se tím, že proud má síťové napětí v rozsahu od asi 187 do 264 volt.

50. Způsob podle nároku 48 nebo 49, vyznačující se t í m, že napětí je kolem 6, 8, 12, 24, 120, 220, 230 nebo 240 V.

52. Způsob podle nároku 48 nebo 49, vyznaču j í c í se t í m, že napětí je menší než 100 V.

53. Způsob podle nároku 48,vyznačující se tím, že napětí je kolem 6, 8, 12, 24, 102 V, nebo méně než kolem 6 V.

54. Způsob podle kteréhokoli z nároků 48 až 53, v y značující se tím, že napětí se dodává z bateriového zdroje.

55. Způsob podle kteréhokoli z nároků 48 až 54, vyznačující se tím, že keramické těleso má délku horké zóny kolem 1,2 palce nebo méně.

56. Způsob podle kteréhokoli z nároků 48 až 54, v y značující se tím, že se horká zóna zapalovací