CZ300985B6

CZ300985B6 - Zapalovací svícka, slinutý keramický materiál pro ni a její použití

Info

Publication number: CZ300985B6
Application number: CZ20022160A
Authority: CZ
Inventors: J. Lin@Roger; A. Willkens@Craig; C. Solofra@Kevin; J. Sheridan@Thomas
Original assignee: Saint-Gobain Ceramics And Plastics, Inc.
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2009-10-07
Also published as: NO324423B1; TWI231353B; CN1451088A; ES2206068B1; GB0217001D0; CZ20022160A3; SE0201853D0; TR200201612T2; CN1206474C; ES2206068A1; DE10085318T1; BR0016558A; AU2593801A; SE0201853L; GB2380113A; CA2393841A1; NO20022950D0; JP2008116192A; GB2380113B; US6582629B1

Abstract

Zapalovací svícka má slinutý keramický element, mezi jehož dvema studenými zónami je usporádaná horká zóna s kompozicí zahrnující elektricky izolacní materiál, alespon 3 objemová % polovodivého materiálu a kovový vodic s merným odporem menším než 10.sup.-2 .n.ohm.cm. Alespon 21 % kompozice horké zóny tvorí izolacní materiál oxidu kovu. Pritom vhodná kompozice horké zóny zahrnuje elektricky izolacního materiálu mezi 25 a 80 objemovými %, polovodivého materiálu mezi 3 a 45 objemovými % a zmíneného kovového vodice mezi 5 a 25 objemovými %. Elektricky izolacní materiál kompozice horké zóny, která je prakticky bez materiálu karbidu, obsahuje s výhodou nitrid a oxid kovu. Zpusob zažehování plynného paliva touto keramickou zapalovací svíckou spocívá v privedení elektrického proudu na zapalovací svícku.

Description

Vynález se týká zapalovací svíčky se slinutým keramickým elementem, kompozic pro takové 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, a také použití těchto zapalovacích svíček.

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 ígníter

Products v Milfordu, N. H., je zkonstruovaná pro aplikace 12 volt až 120 volt a má složení, které zahrnuje nitrid hliníku AIN, disilicid 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.

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 prostředkuje 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:

čas do ohřátí (TTT) minimální teplota pri 85% navrženého napětí navržená teplota při 100% navrženého napětí nejvyšší teplota při 110% navrženého napětí délka horké zóny < 1,2 až 1,5 palce, tj. 30,4 až příkon < 5 sec. 1100°C 1300 °C 1500 °C 38,1 mm <100 W.

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

Ryje měrný odpor L je délka vodiče a A je plocha příčného průřezu vodiče.

Protože je délka jednoho ramena stávajících keramických zapalovacích svíček asi 30,5 mm (1,2 palce), nemůže se délka ramena značně zvětšit bez zmenšení její komerční atraktivity. Podobně se z výrobních důvodů pravděpodobně nezmenší plocha příčného řezu této malé zapalovací svíčky, která je mezi asi 0,0010 a 0,0025 čtverečního palce, tj. 0,645 až 1,613 mm².

Patent US 5 405 237 (Washbumův patent) zveřejňuje kompozice vhodné pro horkou zónu zapalovací svíčky, které zahrnují (a) mezi 5 a 50 % objemu („v/o“ nebo „vol%“) MoSÍ₂ a (b) mezi 50 a 95 obj. % materiálu vybraného ze skupiny, která sestává z karbidu křemíku, nitridu křemíku, nitridu hliníku, nitridu bóru, oxidu hliníku, hlinitanu horečnatého, křemíko hliníkového oxynitriio du a jejich směsí.

Další vysoce užitečné keramické kompozice a systémy jsou zveřejněné v patentech US 5 514 630 a 5 820 789 původců Willkens a kol. patent US 5 514 630 sděluje, že by kompozice pro horkou zónu neměly překročit 20 obj. % oxidu hlinitého. Patent US 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 pravé 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

Původci 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, zjednoho aspektu vynálezu, obsahují kompozice pro keramickou horkou zónu podle vynálezu alespoň tři složky: 1) vodivý materiál; 2) polovodivý 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 koncentrace, např. alespoň kolem 25 nebo 30 obj. % složky izolačního materiálu, oxidu kovu dává keramickou kompozici, která může spo40 lehlivě 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 napětí, jasně značnou výhodu.

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 napětí, 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 mohl se zapalovací 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.

Výše uvedené nedostatky stavu techniky prakticky odstraňuje zapalovací svíčka se slinutým keramickým elementem, který zahrnuje dvě studené zóny a horkou zónu uspořádanou mezi nimi, kde horká zóna obsahuje kompozici horké zóny, která zahrnuje směs elektricky izolujícího materiálu, alespoň kolem 3 obj. % polovodivého materiálu a kovového vodivého materiálu, který má měrný odpor méně než 10“² ohm.cm, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že alespoň 21 obj. % kompozice horké zóny je izolační materiál oxidu kovu.

Výše uvedené nedostatky stavu techniky tak odstraňuje a stanovený požadavek samozřejmě řeší také kompozice horké zóny pro keramické zapalovací svíčky podle vynálezu, která zahrnuje:

(a) elektricky izolační materiál, který má měrný odpor alespoň kolem ÍO¹⁰ ohm.cm;

(b) mezi asi 3 a asi 45 obj. % polovodivého materiálu, který má měrný odpor mezi asi 1 a asi 10⁸ ohm.cm, s výhodou mezi asi 5 a asi 45 obj. % kompozice horké zóny je složeno z tohoto polovodivého materiálu;

(c) kovový vodič, který má měrný odpor méně než kolem 10“² ohm.cm, s výhodou mezi asi 5 a asi 25 obj. % kompozice horké zóny je složeno z tohoto kovového vodiče a jejíž podstata spočívá podle vynálezu vtom, že alespoň kolem 21 obj. % kompozice horké zóny zahrnuje izolační materiál oxidu kovu.

S výhodou alespoň kolem 25 obj. % kompozice horké zóny zahrnuje izolační materiál oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, výhodněji alespoň kolem 30,40, 50,60, 70 nebo 80 obj. % kompozice horké zóny zahrnuje izolační materiál oxidu kovu, jako je oxid hlinitý. S výhodou alespoň kolem 25 obj. % tohoto izolačního materiálu je složeno z oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, výhodněji alespoň kolem 30,40, 50,60, 70, 80 obj. % 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 obj. % izolačního materiálu, výhodněji je mezi přibližně 40 a asi 70 obj. % 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 10¹⁰ ohm.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 obj. %, a kovový vodič.

Z dalšího hlediska vynálezu mají výhodné keramické zapalovací svíčky podle vynálezu kompozici horké zóny, která je v podstatě bez karbidu, jako je karbid křemíku SiC. Takové kompozice zahrnují nějaký kovový vodič a nějaký elektricky izolační materiál, který má měrný odpor ales55 poň kolem 10¹⁰ ohm.cm, s částí takového izolačního materiálu, kteiý je složený z nějakého oxidu kovu, jako je oxid hlinitý, a 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 temární 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) 38,1 mm nebo méně, nebo dokonce kolem (1,3, 1,2 nebo 1,0 palce) 33,0, 31,5 nebo 25,4 mm nebo méně a spolehlivě používat při vysokých napětích, včetně asi od 187 do 164 V, při absenci jakéhokoli typu elektronického regulačního io 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.

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 sekund nebo méně.

Výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu mohou také vykazovat dramaticky vysokou teplotní způsobilost, tj. opakované vystavení vysokým teplotám bez poškození.

Vynález tedy zahrnuje také způsoby zapalování, zejména plynného paliva, resp. použití zapalovací svíčky, které spočívá v přivedení elektrického proudu na zapalovací svíčku a které nevyžadují nové ohřátí elementu zapalovací svíčky s každým zapálením paliva. Tato zapalovací svíčka se může spíše provozovat kontinuálně při zvýšené zapalovací teplotě po delší doby, aby se zajis25 tilo okamžité zapálení, např. během zhasnutí plamene. Specifičtěji se mohou zapalovací svíčky podle vynálezu provozovat při zvýšené teplotě (např. kolem 800 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C, 1300 °C, 1350 °C atd.) po delší časové úseky bez ochlazovací periody, např. při takovýchto teplotách alespoň po 2, 5,10,20, 30, 60 nebo 120 minut nebo i déle.

Zapalovací svíčky podle vynálezu mohou být různých konstrukcí a vnějších tvarů. Výhodné konstrukce zahrnují „drážkové“ nebo dvouramenné vlásenkové systémy, kde jsou vodivá ramena proložená mezerou a jsou přemostěna oblastí horké zóny. Pro mnohé aplikace je výhodná konstrukce bez drážky, 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 drážek vyrobené podle tohoto vynálezu (tj. kde střední oblast zapalovací svíčky zahrnuje nevodič nebo izolátor vložený mezi dvojicí vodivých oblastí a stýkající se s odporovou horkou zónou) mohou předčasně selhat, zejména takzvaným „tvořením oblouku“, kde proud přechází přes středovou nevodivou oblast mezi dvěma oblastmi vodiče, spíš 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 drážky. Jedna výhodná strategie je zvýšit obsah nitridu hliníku kompozice izolační oblasti a odpovídajícím způsobem snížit obsah oxidu hliníku. Bylo zjištěno, že takovéto zvýšení obsahu AIN 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 odporovou a elektricky stabilní.

Další aspekty vynálezu jsou zveřejněny níže.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 ukazuje jednu mikrostrukturu výhodné temámí kompozice horké zóny podle vynálezu, kde je A1₂O₃ šedý, SiC světle šedý a MoSi₂ bílý.

Obr. 2 ukazuje mikrostrukturu známé kompozice horké zóny, která neobsahuje žádný oxid kovu a kde je A1N šedý, SiC je světle šedý a MoSí₂ je bílý.

io Obr. 3 A až 3D znázorňují konstrukce zapalovacích svíček s drážkou a konstrukce bez drážek.

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 J6. 28 uspořádanou mezí nimi, přičemž horká zóna 16, 28 obsahuje kompozici horké zóny, která sestává z: (a) elektricky izolačního materiálu; (b) alespoň kolem 3 obj. % nějakého polovodivého materiálu; (c) nějakého 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 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.

Také se poskytují způsoby zapalování plynného paliva, které obecně zahrnují přivedení elektrického proudu přes zapalovací svíčku 10,20 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 JO, 20, 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 10,20 podle vynálezu vykazovat docela dobrou účinnost spotřeby energie a také nízkou tepelnou difuzivitu 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 10, 20 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 10,20 podle vynálezu prakticky upotřebitelné 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, vyvařovací (grilovací) a topné jednotky používané v rekreačních vozidlech a podobně.

CZ 300985 Bó

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 oxidy kovů, které neobsahují žádnou složku dusíku, tj. 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 io měrný odpor při teplotě místnosti alespoň kolem IO¹⁰ 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 izolační složky je nitrid hliníku (AIN). Má se za to, že použití nějakého přídavného izolačního materiálu, jako je nitrid hliníku, v kombinaci s oxidem kovu může poskytovat horkou zónu J_6, 28 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 obj, % 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 obj. % 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 (AIN). S výhodou je oxid kovu hlavní složkou takové kombinace, např. kde izolační složka obsahuje alespoň kolem 50, 55, 60, 70, 80, 85, 90, 95 nebo jo 98 obj. % 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 mikrometrů a jen kolem 0,2 obj. % nečistot. S výhodou má oxid hlinitý velikost zrna mezi asi 0,3 a asi 10 pm. Výhodněji se používá Alcoa, což je kalcinovaný oxid hlinitý, který je dostupný u Alcoa lndustrial Chemicals of Baixite v Ark, Oxid hlinitý se navíc může vnášet i v jiných formách než prášek včetně, 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 obj. % elektricky izolačního materiálu, který má měrný odpor alespoň kolem 10¹⁰ ohm.cm, (b) mezi asi 5 a asi

45 obj. % polovodivého materiálu, který má měrný odpor mezi asi 10 a asi 10⁸ ohm.cm, a (c) mezi asi 5 a 25 obj. % kovového vodiče, který má měrný odpor menší než kolem 10“² ohm.cm. S výhodou zahrnuje horká zóna 50-70 obj. % elektricky izolačního keramického materiálu, 1045 obj. % polovodivého keramického materiálu a 6-16 obj. % vodivého materiálu.

Pokud je složka elektricky izolačního keramického materiálu přítomná ve více než kolem 80 obj. % 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 obj. %, např. když je vodivý keramický materiál přítomný v asi 8 obj. %, stává se výsledný keramický materiál příliš vodivý za vysokých napětí. Když je frakce vodivého keramického materiálu zvýšená nad asi 8 obj. %, je horká zóna jasně více vodivá a horní i spodní meze izolační frakce se mohou vhodně navýšit, aby se dosáhlo požadovaného napětí.

Jak bylo prodiskutováno výše, jsou podle dalšího aspektu vynálezu navrženy keramické kompo5 zíce 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 10^l° 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, ktetý není oxid, například nějaký nitrid jako A1N. Takové ío kompozice s výhodou obsahují méně než asi 5 obj. % karbidu a výhodněji tyto kompozice obsahují méně než kolem 2, 1,0,5 obj. % karbidu, nebo dokonce 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 is 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 obj. % kompozice horké zóny (když je vodivý keramický materiál v rozsahu kolem 6-10 obj. %), stává se výsledná kompozice příliš vodivá pro vysokonapěťové aplikace (díky nedostatku izolátoru). Opačně pak, když je přítomno méně než asi obj. % (když je vodivý keramický materiál v rozsahu kolem 6-10 obj. %), stává se výsledná kompozice příliš odporová (díky příliš mnoho izolátoru). Zase, při vyšších úrovních vodiče jsou potřebné odporovější směsi izolátoru a polovodivých frakcí, 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, 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 obj. % kompozice horké zóny, stává se výsledný keramický materiál pro aplikace na vysoké napětí příliš vodivý, což má za následek nepřijatelně horku zapalovací svíčku. Pokud je obráceně přítomný v méně než kolem 6 obj. %, 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 disilicidu molybdenu, disilicidu 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, disilicid molybdenu a karbid 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 Washbumově patentu (U. S. patent 5,405,237). Horká zóna 16, 28 poskytuje funkční ohřátí pro zapálení plynu. Pro aplikace na vysoké napětí (např. 187 až 164 V) má horká zóna 16, 28 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 obj. % A1₂O₃, kolem 5 až 25 obj. % MoSi₂ a 10 až 45 obj. % SiC. Výhodněji zahrnuje kolem 60 až

80 obj. % oxidu hliníku a kolem 6 až 12 obj. % MoSi₂ a 15 až 30 obj. % SiC. U jednoho speciálně výhodného provedení zahrnuje horká zóna kolem 66 obj. % Al₂O₃, 14 obj. % MoSi₂ a 20 obj. % SiC.

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

a) izolátor (např. A1₂O₃, A1N, atd.) mezi přibližně 2 a 10 mikrometry,

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

c) vodič (např. MoSi?) mezi přibližně 1 a 10 mikrometry.

Obrázek 1 ukazuje mikrostrukturu jedné výhodné kompozice horké zóny podle vynálezu, která sestává ze slinuté směsi A1₂O₃, SiC a MoSi₂. Jak lze z obr. t 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 gm) jediné složky kompozice. Navíc mají oblasti složky vodivého materiálu (MoSÍ₂) koherentní, definované okraje a nejsou vějířovitě rozrostlé.

io Obrázek 2 ukazuje mikrostrukturu kompozice horké zóny podle stavu techniky, která neobsahuje žádný oxid kovu. Na obr. 2 nemají oblasti složky vodivého materiálu (MoSi₂) dobře definované hranice a namísto toho jsou prolínavé a vějířovité.

Zapalovací svíčky 10, 20 podle vynálezu mohou mít řadu konfigurací. Jedna výhodná konstrukce je systém s drážkou, 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 JO, 20 podle vynálezu také typicky obsahují alespoň jednu oblast studené zóny s nízkým měrným odporem v elektrickém spojení s horkou zónou 16, 28, aby se zajistilo připojení drátěných vodičů k zapalovací svíčce 10,20. Typicky je kompozice horké zóny umístěná mezi dvěma studenými zónami. S výhodou jsou takové oblasti studené zóny složené např. z A1N a/nebo AI₂O₃ nebo jiného izolačního materiálu, SiC nebo jiného polovodivého materiálu a MoSi₂nebo jiného vodivého materiálu. Avšak oblasti studené zóny budou mít značně vyšší procento vodivých a polovodivých materiálů (např. SiC a MoSi₂) než má horká zóna 16, 28. Podle toho mají oblasti studené zóny respektive vodivých ramen 12, 14; 22, 24 typicky jen kolem 1/5 až 1/1000 měrného odporu kompozice horké zóny a co do teploty nestoupají na úrovně horké zóny 16, 28. Jedna výhodná kompozice horké zóny se skládá asi z 15 až 65 obj. % oxidu hliníku, nitridu hliníku nebo jiného izolačního materiálu, a asi z 20 až 70 obj. % MoSi₂ a SiC nebo jiného vodivého a polovodivého materiálu v objemovém poměru asi od 1:1 přibližně do 1:3. Výhodněji zahrnuje studená zóna kolem 15 až 50 obj. % A1N a/nebo A1₂O₃, 15 až 30 obj. % SiC a 30 až 70 obj. % MoSi₂. Pro snadnost výroby je s výhodou kompozice studené zóny vytvořená z týchž materiálů jako kompozice horké zóny, ale s relativními množstvími polovodivých a vodivých materiálů, která jsou větší.

Specificky výhodné kompozice studené zóny pro použití u zapalovacích svíček 10, 20 podle vynálezu obsahují 60 obj. % MoSi₂, 20 obj. % SiC a 20 obj. % A1₂O₃. Jedna obzvlášť výhodná kompozice studené zóny pro použití u zapalovacích svíček 10, 20 podle vynálezu obsahuje 30 obj. % MoSi₂,20 obj. % SiC a 50 obj. % Al₂O₃.

Jak bylo probráno výše, obsahují konstrukce zapalovacích svíček 20 bez drážek nevodivou oblast vloženou mezi dvěma vodivými rameny 22, 24. S výhodou má oblast slinutého izolátoru měrný odpor alespoň kolem IO¹⁴ 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 izoláto45 ru systému bez drážek měrný odpor při pracovních teplotách, který je alespoň o dva řády větší než měrný odpor oblasti horké zóny 28. Vhodné izolátorové kompozice zahrnují alespoň 90 obj. % jednoho nebo několika z nitridu hliníku, oxidu hlinitého a nitridu bóru. Obecně jsou výhodné kompozice izolátoru směsí 1) A1N a/nebo A1₂O₃ a 2) SiC. S výhodou tato kompozice zahrnuje alespoň kolem 90 obj. % směsi A1N a A1₂O₃.

Jak bylo pojednáno výše, aby se vyhnulo tvorbě oblouků u konstrukcí bez drážek, zahrnuje kompozice izolátoru navíc k jiným odporovým materiálům, zejména nějakému oxidu kovu, jako je A1₂O₃, s výhodou A1N. Bylo zjištěno, že přídavek AIN může zabránit výskytu takových průrazů dielektrika této oblasti izolátoru. S překvapením se také zjistilo, že použití AIN v kompozici izoCZ 300985 B6 látoru může předejít nežádoucímu průrazu dielektrika během užívání zapalovací svíčky JJ, 20, zatímco přidání jiných vysoce odporových materiálů jiskření takovým způsobem nezmenšuje.

Výhodné izolátorové kompozice podle vynálezu sestávají z A1N, Al₂O₃ a SiC. U takových izolá5 torových kompozic z AlN/Al₂O₃/SiC je s výhodou A1N přítomný v množství alespoň kolem 10, 15, 20, 25 nebo 30 objemových procent vzhledem kAl₂O₃. Všeobecně výhodné izolátorové kompozice pro použití u zapalovacích svíček 20 bez drážek podle vynálezu obsahují AIN v množství asi od 3 do 25 obj.%, výhodněji kolem 5 až 20 obj. % a ještě výhodněji kolem 10 až 15 obj. %, A1₂O₃ v množství 60 až 90 obj. %, výhodněji 65 až 85 obj. %, ještě výhodněji 70 až

80 obj. % a dokonce ještě výhodněji 75 až 80 obj. % a SiC v množství 5 až 20 obj. %, výhodněji až 15 obj. %. Jedna specificky výhodná izolátorová kompozice pro zapalovací svíčku 20 bez drážky podle vynálezu sestává ze 13 obj. % AIN, 77 obj. % A1₂O₃ a zbytku SiC.

Jak bylo probráno výše, bylo zjištěno, že nežádoucímu proražení dielektrika může také zabránit oxidační úprava oblastí izolátoru zapalovacích svíček 10, 20 podle vynálezu. Například se zapalovací svíčka 10, 20 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 oblastí izolátoru. Avšak takováto oxidační úprava si vynucuje dodatečné zpracování a po oxidaci vyžaduje novou úpravu vodivých ramen 12,14; 22,24.

Rozměry zapalovací svíčky 10, 20 mohou mít vliv na její vlastností a výkon. Obecně by délka x samotného ramena horké zóny 16. 28 měla být větší než asi 12,7 mm (0,5 palce), aby se zajistila dostatečná hmota, aby chladicí proud konvekČního plynu značně neovlivňoval její teplotu, ale menší než asi 38,1 mm (1,5 palce), aby se zajistila dostatečná mechanická robustnost. Jeho šířka z by měla být větší než asi 2,54 mm (0,1 palce), aby se zajistila dostatečná pevnost a snadnost výroby. Podobně by jeho tloušťka měla být větší než asi 0,51 mm (0,02 palce), aby se zajistila dostatečná pevnost a snadná výroba. S výhodou má zapalovací svíčka 10, 20 podle vynálezu celkovou délku y jednoho ramena typicky asi mezi 31,7 mm a asi 50,8 mm (1,25 a asi

2,00 palci), příčný průřez horké zóny 16, 28 má mezi asi 0,645 a asi 3,22 mm², tj, (0,001 a asi

0,005 Čtverečního palce), výhodněji méně než 1,61 mm², tedy méně než 0,0025 čtverečního palce, a je vlásenkové konstrukce se dvěma rameny.

Pro jednu výhodnou vlásenkovou zapalovací svíčku 10, 20 se dvěma rameny použitelnou pro napětí od 187B do 264 voltů, která má kompozici horké zóny přibližně z 66 obj. % A1₂O₃, kolem 20 obj. % SiC a asi 13,3 obj. % MoSÍ₂, jsou výhodné následující rozměry zapalovací svíčky: délka y kolem 29,2 mm (1,15 palce), šířka jednotlivého ramena kolem 1,19 mm (0,047 palce) a tloušťka kolem 0,76 mm (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 konstrukce zapalovací svíčky 20 bez drážky má celkovou délku asi mezi 31,7 a 50,8 mm (1,25 a 2,00 palce), délku x horké zóny od asi 2,54 (0,1) do přibližně 30,48 mm (1,2 palce) a plochu příčného řezu horké zóny 28 mezi přibližně 0,645 a asi 3,22 mm², tedy mezi 0,001 a asi 0,005 čtverečního palce. Pro aplikace na nižší napětí jsou typicky výhodné kratší délky x horké zóny 28, jako méně než 12,7 mm, tedy 0,5 palce.

Obrázek 3A znázorňuje jeden výhodný systém zapalovací svíčky j0 s drážkou, která má vodivá (studená zóna) ramena 12 a 14, horkou zónu 16 ve tvaru U a „drážku“ nebo dutinu JJ uspořádanou mezi vodivými rameny 12 a 14. Jak se na to odkazuje zde, je délka horké zóny označená na obr. 3A jako vzdálenost x, délka zapalovací svíčky y a šířka horké zóny a zapalovací svíčky z. Proud se na zapalovací svíčku JJ může přivádět přes vodiče na koncích 12' a J4' vodivých ramen 12 respektive 14.

Obrázek 3B znázorňuje jeden výhodný systém zapalovací svíčky 20 bez drážky, která má vodivá (studená zóna) ramena 22 a 24, izolátorovou oblast 26 vloženou mezi ně a horkou zónu 28 ve tvaru (J. Jako u systému bez drážky, jak se na něj odkazuje zde, je délka horké zóny označená jako vzdálenost x na obr. 3B, délka zapalovací svíčky y a šířka 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 konstrukce zapalovacích svíček bez drážky podle vynálezu. Na každém z obr. 3C a 3D odpovídají vztahové značky vztahovým značkám z obr. 3B, tj. v každém z obrázků 3C a 3D má bezdrážkový systém zapalovací svíčky vodivá ramena 22 a 24 s mezilehlou izolátorovou oblastí 26 a horkou zónu 28.

io Jedna specificky výhodná kompozice horké zóny zapalovacích svíček JO, 20 podle vynálezu obsahuje kolem 14 procent MoSi₂, kolem 20 procent SiC a zbytek AI₂O₃. Taková kompozice se s výhodou používá na systém zapalovací svíčky 20 bez drážky, který má výhodně délku x horké zóny 28 kolem 12,7 mm (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 pou15 žívá na systém zapalovací svíčky 20 bez drážky, který má výhodně délku x horké zóny 28 kolem 0,1 až 1,6 palce, tj. 2,54 až 40,64 mm. Jak bylo zmíněno výše, jsou pro aplikace na nižší napětí, jako jsou aplikace pod 100 V, typicky výhodné kratší délky x horké zóny, jako je méně než 12,7 mm.

Obecně mohou být keramické zapalovací svíčky 10, 20 s horkým povrchem podle vynálezu vyráběny se zcela malými délkami x horké zóny, např. kolem 38,1 mm (1,5 palce) nebo méně, nebo dokonce 35,5, 33, 30,5, 27,9, 25,4, 22,8, 20,3 mm, tedy 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1,0, 0,9, 0,8 palce nebo méně, a spolehlivě používány při vysokých napěťových rozsazích, včetně rozsahu asi od 220 do 240 V, pri absenci jakéhokoli typu elektronického regulačního prostředku pro měření výkonu na zapalovací svíčce 10, 20.

Jedna důležitá výkonová vlastnost keramické zapalovací svíčky 10,20, zejména tam, kde je palivo plyn, je čas do ohřátí („TTT“), což je doba, za kterou se teplota horké zóny 16, 28 zapalovací svíčky JO, 20 zvýší z teploty místnosti na teplotu zapálení paliva (plynu). Zapalovací svíčky 10,

20 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 způ35 sobilost, např. do 1750 °C bez vážné oxidace nebo problémů s vypalováním. Testované běžné systémy selhávaly při opakovaném vystavení 1600 °C. Na rozdíl od toho vydrží výhodné kompozice horké zóny 16, 28 podle vynálezu „zkoušku životnosti“ 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 L0, 20 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 10,20. Tato zapalovací svíčka 10, 20 může spíš běžet po delší doby při zvýšené teplotě dostatečné pro zažehnutí paliva a bez potřeby stálého cyklického opakování zapnuto/vypnuto (tj. žhavení/chlazení).

Zpracování keramické složky, tj. podmínky výroby a slinování, a příprava zapalovací svíčky 10, 20 ze zhuštěného keramického materiálu se může dělat běžnými postupy. Typicky se takové postupy mohou provádět v podstatě podle Washbumova patentu. Pro ilustrační potřeby viz také so příklady, které následují. Slinování kompozice horké zóny se s výhodou provádí za relativně vysokých teplot, např, pri 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 vynálezu 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 sl inovací procedury, a to první lisování za tepla (např. méně než 1500 °C, 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 % vzhledem k hustotě teoretické. Známé kompozice horké zóny vyžadovaly hustotu ío 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 10, 20 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 podla20 hových lišt, bojlery a vrchní části sporáků. Jak bylo zmíněno výše, mohou se zapalovací svíčky JO, 20 podle vynálezu také používat u systémů napájených baterií, například varných jednotek nebo topných jednotek, kde je 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 10, 20 podle vynálezu se také mohou používat pro jiné aplikace, včetně použití jako topný element v různých systémech. U jedné výhodné aplikace se zapalovací svíčka K), 20 podle vynálezu využívá jako zdroj infračerveného záření (tj. horká zóna poskytuje infračervený výstup), například ohřívací element třeba u topeniště, nebo jako žhavicí svíčka, v monitorovacím nebo detekčním zařízení včetně spektrometrických přístrojů a podobně.

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

Příklad 1

Jedna zapalovací svíčka 10, 20 podle vynálezu byla připravena a zkoušena při vysokých napětích následovně. Připravily se kompozice horké zóny a studené zóny. Kompozice horké zóny obsahovala 66 objemových dílů AI₂O₃, 14 objemových dílů MoSi₂ a 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Kompozice studené zóny obsahovala kolem 50 objemových dílů AI2O3, kolem 30 objemových dílů M0SÍ2 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 20.685 kPa (3000 psi), aby se vytvořil špalek s 60 až 70 % teoretické hustoty. Tento špalek se pak strojně obrobil na desky, které byly asi 50,8 x 50,8 x 6,35 mm (2,0 palce krát 2,0 palce krát 0,250 palce). Následně byly tyto desky izostatícky lisovány za horka (HIP) při 1790 °C po dobu 1 hodiny a při 206 860 kPa (30 000 psi). Po tomto izostatickém lisování za horka byly zhuštěné desky strojně obráběny na požadovanou geometrii vlásenky. Vytvořená zapalovací svíčka 10, 20 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 10, 20 byla účinná pří vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

Příklad 2

Byla připravena jedna další kompozice horké zóny, která obsahovala 67 objemových dílů A1₂O₃, 13 objemových dílů MoSi₂ a 20 objemových dílů SiC, které se smíchaly ve vysokosmykovém mísiči. Byla připravena tatáž kompozice studené zóny jako u výše uvedeného příkladu 1, a tyto kompozice horké zóny a studené zóny byly zpracovány a byla vytvořena zapalovací svíčka 10, 20 týmiž postupy, jak bylo popsáno v příkladu 1. Vytvořená zapalovací svíčka JO, 20 vykazovala podobné výkonové výsledky, jaké byly popsány pro zapalovací svíčku 10, 20 z příkladu 1, a tak demonstrovala, že tato zapalovací svíčka J_0,20 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 AI₂O₃, 13,3 objemových dílů MoSi₂ a 20 objemových dílů SiC, které byly smíchány ve vysokosmykovém mísiči. Byla připravena stejná kompozice horké zóny jako u výše uvedeného příkladu 1, a tyto kompozice horké zóny a studené zóny byly zpracovány a zapalovací svíčka 10, 20 byla vytvarována týmiž postupy, jak bylo popsáno u příkladu 1. Vytvořená zapalovací svíčka 10, 20 vykazovala podobné výkonové výsledky, jako bylo popsáno pro zapalovací svíčku JO, 20 z příkladu 1, což demonstruje, že tato zapalovací svíčka 10, 20 byla účinná při vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

Příklad 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 vysokosmyko25 vém 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 ]0, 20 byla vytvarována týmiž postupy, jak bylo popsáno v příkladu 1. Vytvořená zapalovací svíčka JO, 20 vykazovala podobné výkonové výsledky, jaké byly popsány pro zapalovací svíčku JO, 20 z příkladu 1, což demonstruje, že tato zapalovací svíčka 10, 20 byla účinná při vysokých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

Příklad 5

Byla připravena jedna další zapalovací svíčka 10, 20 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 A1₂O₃, kotem 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 ksobě slisovala za horka při 1800°C po dobu 1 hodiny v argonu při 20 685 kPa (3000 psi), aby se vytvořil špalek s přibližně 97 % teoretickou hustotou. Tento špalek se pak strojně obrobil na desky, které byly asi 50,8x 50,8 x 6,35 mm (2,0 krát 2,0 krát 0,250 palce). Tyto desky pak byly přímo (tj. bez HIP) strojně obráběny na elementy zapalovací svíčky, které měly geometrii vlásenky. Vytvořená zapalovací svíčka JO, 20 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 10, 20 byla účinná při vyso50 kých nominálních napětích a v širokém rozsahu vysokého síťového napětí.

Příklad 6

Úrovně spotřeby energie zapalovacích svíček 10, 20 podle vynálezu byly stanoveny měřením proudu při předem stanoveném napětí. Zapalovací svíčky 10, 20 podle vynálezu vykazovaly důsledně větší výkonovou účinnost vzhledem k porovnatelným zapalovacím svíčkám, které mají odlišné kompozice horké zóny.

Specificky vyžadovala zapalovací svíčka 10 s drážkou podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny z 65 objemových dílů A1₂O₃, kolem 15 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemoio vých dílů SiC, mezi 0,25 A a 0,35 A při 120 V.

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

Příklad 7

Teplotní vodivost a hodnoty měrného tepla byly stanoveny pro zapalovací svíčky 10, 20 podle 20 vynálezu a také pro porovnávací zapalovací svíčky, které měly odlišnou kompozici horké zóny.

Zapalovací svíčky 10, 20 podle vynálezu vykazovaly shodně nižší teplotní vodivost a vyšší měrné teplo než porovnávací zapalovací svíčky, které měly odlišnou kompozici horké zóny.

Následující hodnoty teplotní vodivosti při specifických teplotách byly naměřeny pro zapalovací 25 svíčku j_0 s drážkou podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny z 66,7 objemových dílů

AI₂O₃, kolem 13,3 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC:

Teploty (°C) Teplotní vodivost (crr.²/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

Následující hodnoty teplotní vodivosti při specifických teplotách byly naměřeny pro porovnávací zapalovací svíčku JO s drážkou podle vynálezu, která měla kompozici horké zóny ze 70 objemových dílů A1N, kolem 10 objemových dílů MoSi₂ a kolem 20 objemových dílů SiC:

Teploty (°C) Teplotní vodivost (cm^z/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
1005	0,0552
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.

Claims

1. Zapalovací svíčka (10; 20) se slinutým keramickým elementem zahrnujícím dvě studené zóny (12, 14; 22, 24) a horkou zónu (16; 28) uspořádanou mezi nimi, kde horká zóna (16; 28) obsahuje kompozici horké zóny, která zahrnuje směs (a) elektricky izolujícího materiálu, (b) alespoň kolem 3 objemových % polovodivého materiálu a (c) kovového vodivého materiálu, který má měrný odpor méně než 10'² ohm.cm, vyznačující se tím, že alespoň 21 objemových % kompozice horké zóny je izolační materiál oxidu kovu.

2. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň 25 objemových % izolačního materiálu je oxid kovu.

3. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že izolační materiál sestá5 vá z oxidu kovu.

4. Zapalovací svíčka podle nároků 1 až 3, v y z n a č u j í c í se t í m, že oxid kovu zahrnuje oxid hlinitý.

io 5. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že oxid kovu zahrnuje jeden nebo několik oxidů zvolených z oxidu hliníku, oxynitridu kovu, oxidu hlinito hořečnatého a oxidu hlinitokřemičitého.

6. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že izo15 lační materiál obsahuje jeden nebo několik materiálů vybraných ze skupiny sestávající z nějakého nitridu, oxidu vzácné zeminy a oxynitridu vzácné zeminy.

7. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje nitrid hlinitý.

8. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků laž 7, vyznačující se tím, že polovodivý materiál zahrnuje karbid křemíku.

9. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že

25 kovový vodivý materiál je disilicid molybdenu.

10. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků laž 9, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kompozici studené zóny, která obsahuje 15 až 50 obj. % izolátorového materiálu, 0 až 50 obj. % polovodivého materiálu a 20 až 70 obj. % kovového vodivého materiálu.

11. Zapalovací svíčka podle nároku 10, 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 dvojkřemičitan molybdenu MoSi₂.

35 12. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků lažll, vyznačující se tím, že svíčka (10; 20) má konstrukci s mezerou.

13. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků lažll, vyznačující se tím, že svíčka (10; 20) má konstrukci bez mezery.

14. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 11 nebo 13, vyznačující se tím, že svíčka (10; 20) sestává z izolátorových oblastí (26), vodivých oblastí a oblasti horké zóny (16; 28), přičemž izolátorová oblast (26) je uspořádaná mezi dvojicí vodivých oblastí a izolátorová oblast (26) zahrnuje AIN a je více odporová než oblast horké zóny (16; 28).

15. Zapalovací svíčka podle nároku 14, vyznačující se tím, že se oblast zapalovače skládá z AIN, A1₂O₃ a SiC.

16. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 1 až 11 nebo 13, vyznačující se so t í m, že zapalovací svíčka (10; 20) zahrnuje izolátorové oblasti, vodivé oblasti a oblasti horké zóny (16; 28), přičemž izolátorová oblast (26) je oxidačně upravená.

17. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 13 až 16, vyznačující se tím, že zapalovací svíčka (20) zahrnuje izolátorovou oblast (26), která obsahuje od 3 do 25 obj. % AIN,

55 od 60 do 90 obj. % A1₂O₃ a od 5 do 20 obj. % SiC.

18. Zapalovací svíčka podle kteréhokoli z nároků 13 až 16, vyznačující se tím, že zapalovací svíčka (20) zahrnuje izolátorovou oblast (26), která zahrnuje 5 až 20 obj. % AIN, 65 až 85 obj. % A1₂O₃ a 8 až 15 obj. % SiC.

19. Slinutý keramický materiál zahrnující kompozici studené zóny a kompozici horké zóny, kde kompozice horké zóny zahrnuje:

(a) mezi 25 a 80 obj. % elektricky izolujícího materiálu, (b) mezi 3 a 45 obj. % polovodivého materiálu a (c) mezi 5 a 25 obj, % kovového vodivého materiálu, který má měrný odpor méně než 10“²ohm.cm, vyznačující se tím, že alespoň 21 obj. % kompozice horké zóny sestává z izolačního materiálu oxidu kovu.

20. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se tím, obsahuje alespoň 50 obj. % oxidu kovu.

že izolační materiál

21. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se obsahuje alespoň kolem 80 obj. % oxidu kovu.

22. Keramický materiál podle nároku 19, vyznačující se obsahuje alespoň kolem 90 obj. % oxidu kovu.

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

tím, že izolační materiál tím, že izolační materiál tím, že izolační materiál

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

25. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 23, vyznačující se tím, že oxid kovu je tvořený oxidem hlinitým.

26. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 24, vyznačující se tím, že oxid kovu obsahuje jeden nebo více materiálů vybraných ze skupiny sestávající z oxidu hlinitého, oxidu hlinito-hořečnatého, nějakého oxynitridu kovu a oxidu křemičito-hlinitého.

27. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19až22a24až26, vyznačující se tím, že izolační materiál obsahuje jeden nebo více materiálů vybraných ze skupiny sestávající z nějakého nitridu, oxidu vzácné zeminy a oxynitridu vzácné zeminy.

45 28. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 22 a 24 až 27, vyznačující se tím, že izolační materiál zahrnuje nitrid hlinitý.

29. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 28, vyznačuj ící se tím, že izolační materiál tvoří mezi 50 a 80 obj. % kompozice horké zóny.

30. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až29, vyznačující se tím, že polovodivý materiál obsahuje karbid křemíku.

31. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 30, vyznačující se tím, že 55 polovodivý materiál tvoří mezi 5 a 30 obj, % kompozice horké zóny.

32. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19 až 31, vyznačující se tím, že kovový vodič je disilicid molybdenu.

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

34. Keramický materiál podle kteréhokoli z nároků 19až33, vyznačující se tím, že kompozice studené zóny obsahuje od 15 do 50 obj. % izolátorového materiálu, 0 až 50 obj. % io polovodivého materiálu a 20 až 70 obj. % kovového vodivého materiálu.

35. Keramický materiál podle nároku 34, vyznačující se tím, že izolační materiál studené zóny (12, 14; 22, 24) je nitrid hliníku nebo oxid hliníku nebo jejich směsi, polovodivý materiál studené zóny (12, 14; 22, 24) je karbid křemíku a vodivý materiál studené zóny (12, 14;

15 22,24) je MoSi₂.

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

37. Použití zapalovací svíčky podle kteréhokoli z nároků 1 až 18 pro zažehování plynného paliva, které zahrnuje přivedení elektrického proudu na zapalovací svíčku (10; 20).

38. Použití zapalovací svíčky podle nároku 37, vyznačující se tím, že přivedený

25 proud má síťové napětí v rozsahu od 187 do 264 volt.

39. Použití zapalovací svíčky podle nároku 37, vyznačující se tím, že napětí je 6, 8, 12,24, 120,220,230 nebo 240 V.

30 40. Použití zapalovací svíčky podle nároku 37, vyznačující se tím, že napětí je menší než 100 V.

41. Použití zapalovací svíčky podle nároku 37, vyznačující se tím, že napětí je méně než 6 V nebo kolem 6, 8, 12, 24,102 V.

42. Použití zapalovací svíčky podle kteréhokoli z nároků 37 až 41, vyznačující se tím, že napětí se dodává z bateriového zdroje.

43. Použití zapalovací svíčky podle kteréhokoli z nároků 37 až 42, vyznačující se 40 t í m, že keramické těleso má délku (X) horké zóny 3,05 cm (1,2 palce) nebo méně.

44. Použití zapalovací svíčky podle kteréhokoli z nároků 37 až 42, vyznačující se tím, že se horká zóna (16; 28) zapalovací svíčky (10; 20) udržuje bez přerušení alespoň po 0,5 hodiny na teplotě dostatečné pro zapálení plynného paliva.