DE10085318B4

DE10085318B4 - Zusammensetzungen für keramische Zünder

Info

Publication number: DE10085318B4
Application number: DE10085318T
Authority: DE
Inventors: Roger J. Southboro Lin; Craig A. Sterling Willkens; Kevin C. Milford Solofra; Thomas J. Oakham Sheridan
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: NO324423B1; TWI231353B; CN1451088A; ES2206068B1; GB0217001D0; CZ20022160A3; SE0201853D0; TR200201612T2; CN1206474C; ES2206068A1; DE10085318T1; BR0016558A; AU2593801A; SE0201853L; GB2380113A; CA2393841A1; NO20022950D0; JP2008116192A; GB2380113B; US6582629B1

Abstract

Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) mit zwei Kaltzonen (12, 14, 22, 24) und einer dazwischen angeordneten Heißzone 16, 28), welche eine Heißzonenzusammensetzung enthält, die
(a) ein elektrisch nichtleitendes Material;
(b) mindestens 3 Vol.-% eines halbleitenden Materials und
(c) einen metallischen Leiter mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 10^–2 Ohm-cm
enthält, wobei mindestens 50 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sinterkeramik-Zünderelement und zwei Sinterkeramiken sowie ein Verfahren zum Entzünden von gasförmigem Trennstoff. Diese beziehen sich auf keramische Zünderzusammensetzungen und insbesondere derartige Zusammensetzungen, die Bauteile aus einem leitfähigen Material und einem nichtleitenden Material enthalten, wobei das nichtleitende Material eine verhältnismäßig hohe Metalloxid-Konzentration aufweist.

Keramische Materialien haben mit großem Erfolg als Zünder in gasbeheizten Öfen, Herden und Wäschetrocknern Anwendung gefunden. Die Anfertigung von keramischen Zündern erfordert den Aufbau eines elektrischen Stromkreises durch ein keramisches Bauteil, das zum Teil einen hohen widerstand aufweist und sich beim Anlegen eines elektrischen Stroms mit einer Drahtzuleitung erwärmt.

Ein herkömmlicher Zünder, der Mini-Igniter^TM von Norton Igniter Products, Milford, N.H., ist für Anwendungen von 12 Volt bis 120 Volt ausgelegt und hat eine Zusammensetzung, die Aluminiumnitrid ("AlN"), Molybdändisilicid ("MoSi₂") und Siliciumcarbid ("SiC") enthält. Der Mini-Igniter^TM ist zwar ein hocheffektives Produkt, jedoch erfordern bestimmte Anwendungen Spannungen von mehr als 120 V.

Insbesondere in Europa beträgt die Nennspannung u.a. 220 V (z.B. Italien), 230 V (z.B. Frankreich) und 240 V (z.B. Vereinigtes Königreich). Bei Standard-Zulassungsprüfungen müssen die Zünder in einem Bereich von 85 Prozent bis 110 Prozent einer spezifizierten Nennspannung arbeiten. Somit muß ein Einzelzünder für die Zulassung zur Verwendung in ganz Europa von etwa 187 bis 264 V (d.h. 85% von 220 V und 110% von 240 V) funktionsfähig sein. Mit gegenwärtig verwendeten Zündern ist es schwierig, einen derartigen hohen und ausgedehnten Spannungsbereich abzudecken, insbesondere bei Verwendung einer verhältnismäßig kurzen Heißzonenlänge (z.B. etwa 1,2 Zoll oder weniger).

So kann bei gegenwärtig verwendeten Zündern beispielsweise bei Anwendungen bei höherer Spannung die Temperatur durchgehen und somit ein Transformator im Steuersystem erforderlich sein, um die Spannung herunterzufahren. Die Verwendung eines derartigen Transformatorbauelements ist offensichtlich nicht wünschenswert. Demgemäß besteht Bedarf an verhältnismäßig kleinen Zündern für Hochspannungsanwendungen, insbesondere über einen Bereich von etwa 187 bis 264 V, die keinen teuren Transformator benötigen, aber immer noch die folgenden, von der Haushaltsgeräte- und Heizungsindustrie gestellten Anforderungen zur Absicherung gegen erwartete Netzspannungsschwankungen erfüllen:

Zeit bis zum Erreichen der Temperatur	< 5 s
("TTT")
Mindesttemperatur bei 85% Designspannung	1100°C
Designtemperatur bei 100% Designspannung	1300°C
Höchsttemperatur bei 110% Designspannung	1500°C
Heißzonenlänge	< 1,2–1,5 Zoll
Leistung	< 100 W

Bei gegebener Zündergeometrie kann man ein System für höhere Spannungen u.a. dadurch bereitstellen, daß man den Widerstand des Zünders erhöht. Der Widerstand eines Körpers ist im Allgemeinen durch die folgende Gleichung gegeben: Rs = Ry × L/A, worin:

Rs: = Widerstand;
Ry: = spezifischer Widerstand;
L: = Länge des Leiters und
A: = Querschnittsfläche des Leiters.

Da die Einzelbeinlänge von gegenwärtig verwendeten Zündern etwa 1,2 Zoll beträgt, kann die Beinlänge nicht wesentlich erhöht werden, ohne kommerzielle Attraktivität zu verlieren. Ganz analog wird man aus Fertigungsgründen die Querschnittsfläche des kleineren Zünders, die zwischen etwa 0,0010 und 0,0025 Quadratzoll liegt, wahrscheinlich nicht verringern.

US 58 01 361 A (entsprechend DE 697 07 642 T2 ) beschreibt einen keramischen Zünder umfassend zwei leitfähige Enden, zwischen denen eine Heißzone mit einer Heißzonenzusammensetzung angeordnet ist, die zwischen 50 und 80 Vol.-% eines elektrisch isolierenden Materials, ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid und deren Mischungen, sowie zwischen 10 und 45 Vol.-% eines Halbleitermaterials, ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid und Borcarbid, und zwischen 5 und 25 Vol.-% eines metallischen Leiters, ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisilicid, Wolframdisilicid, Titannitrid und deren Mischungen umfasst. Zusätzlich erfordert der in (2) beschriebene Zünder ein Trägerelement, auf dem die Heißzone angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Heißzone eine Dicke von weniger als 0,019 Inch aufweist. Des Weiteren diskutiert diese Druckschrift in der Würdigung des Standes der Technik, gegenüber dem sich diese Erfindung abgrenzt, auf die beiden zusammenhängenden US-Patente US 50 45 237 A und US 50 85 804 A .

In US-PS 50 45 237 A (Washburn) werden für die Heißzone eines keramischen Zünders geeignete Zusammensetzungen beschrieben, die (a) zwischen 5 und 50 Vol.-% MoSi₂ und (b) zwischen 50 und 95 Vol.-% eines Materials aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Magnesiumaluminat, Siliciumaluminiumoxidnitrid und Gemischen davon enthalten. So auch in US 50 85 804 A . In beiden Fällen steht diese Offenbarung aber isoliert und im direkten Widerspruch mit dem Erfindungsgedanken der dort beschrieben und beanspruchten Erfindungen. In den beiden Druckschriften werden speziell Zusammensetzungen beansprucht, die als einen Bestandteil entweder 50 bis 95 Vol.-% einer Mischung aus Siliciumcarbid und Siliciumnitrid ( US 50 85 804 A der 50 bis 95 Vol.-% einer Mischung aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid verwenden. Auch werden nur solche Ausführungsbeispiele beschrieben.

Weitere sehr nützliche keramische Zusammensetzungen und Systeme werden in den US-Patentschriften US 55 14 630 A und US 58 20 789 A (beide von Willkens et al.) beschrieben. Gemäß US 55 14 630 A sollten die Heißzonenzusammensetzungen höchstens 20 Vol.-% Aluminiumoxid enthalten. In der US 57 56 215 A werden weitere gesinterte Zusammensetzungen beschrieben, die Leitungsschichten mit bis zu 2 Gew.-% Siliciumcarbid enthalten.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 35 19 437 A1 beschreibt die Verwendung von Aluminiumoxid in dem Heizelement einer Glühkerze. Dieses Heizelement besteht aus zwei räumlich getrennten, unterschiedlichen Bereichen, die jeweils aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch von MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-Pulver. Als Vergleichsbeispiel wird ein Heizelement beschrieben, in dem der Innere der beiden Bereiche aus einem gesinterten Körper aus Tonerde (Al₂O₃) besteht. Dieses wird aufgrund auftretender Rißbildung als nachteilig beschrieben.

US 57 86 565 A beschreibt einen keramischen Zünder zur Anwendung bei 3 V bis 60 V, der eine Heißzone umfasst, die maximal 10 Vol.-% Aluminiumoxid umfassen kann.

US-PS 55 64 618 A beschreibt einen keramischen Zünder mit einem Bereich mit hohem elektrischen Widerstand, der aus einer Mischung aus Aluminiumnitrid, Molybdändisilicid und Siliciumcarbid bestehen kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, neue keramische Heißzonenzünderzusammensetzungen sowie ein Verfahren zum Zünden von gasförmigen Brennstoffanzugeben. Weiter ist es besonders wünschenswert, über neue Zünderzusammensetzungen zu verfügen, die bei hohen Spannungen, wie von etwa 187 bis 264 V, zuverlässig arbeiten, insbesondere mit verhältnismäßig kurzer Heißzonenlänge.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 18 oder 33 sowie 44 gelöst.

Positive Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Zuge eigener Arbeiten wurden nun neue keramische Zusammensetzungen entdeckt, die für den Hochspannungseinsatz, einschließlich eines Bereichs von 187 bis 264 V, besonders gut geeignet sind.

Die erfindungsgemäßen keramischen Zusammensetzungen eignen sich auch besonders gut für Anwendungen bei niedrigerer Spannung, einschließlich Anwendungen bei 120 V, 102 V, 24 V, 12 V, 8 V oder 6 V. Erfindungsgemäße Zusammensetzungen können einen recht effizienten Leistungsverbrauch aufweisen und sind daher für derartige Anwendungen bei niedrigerer Spannung sehr gut geeignet.

Im Einzelnen können die erfindungsgemäßen keramischen Heißzonenzusammensetzungen nach einer Ausgestaltung der Erfindung mindestens drei Komponenten enthalten: 1) leitfähiges Material; 2) Halbleitermaterial und 3) nichtleitendes Material, wobei die Nichtleiterkomponente eine verhältnismäßig hohe Konzentration an Metalloxid, wie Aluminiumoxid, aufweist.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß eine derartige hohe Konzentration (z.B. mindestens etwa 25 oder 30 Vol.-% der Nichtleiterkomponente) eines Metalloxids eine keramische Zusammensetzung liefert, die zuverlässig eine hohe Nennspannung einschließlich 220, 230 und 240 V liefern kann.

Außerdem wurde wiederholt gezeigt, daß erfindungsgemäße keramische Heißzonenzusammensetzungen zuverlässig eine Netzspannung über einen extrem breiten, hohen Spannungsbereich einschließlich von etwa 187 bis etwa 264 V liefern. Daher können die erfindungsgemäßen Zünder in ganz Europa eingesetzt werden und zuverlässig innerhalb von 85 Prozent und 110 Prozent der mehreren unterschiedlichen Hochspannungen, die in den verschiedenen europäischen Ländern verwendet werden, arbeiten. Es sei auch darauf hingewiesen, daß bestimmte herkömmliche Heißzonenzusammensetzungen zwar bei einer spezifizierten Hochspannung eine zuverlässige Spannung liefern mögen, diese Zusammensetzungen aber bei Variation der Spannung über einen breiteren Bereich häufig versagen. Demgemäß stellen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, die eine zuverlässige, langlebige Leistungsfähigkeit über einen ausgedehnten Hochspannungsbereich liefern, eindeutig einen wesentlichen Fortschritt dar.

Die erfindungsgemäßen Heißzonenzusammensetzungen sind zwar, wie oben schon erläutert, besonders effektiv für den Hochspannungseinsatz, jedoch hat sich herausgestellt, daß die Zusammensetzungen auch für Anwendungen bei niedrigerer Spannung einschließlich für 120 V oder 102 V oder noch niedrigeren Spannungen, wie Anwendungen bei unter 100 V, z.B. bei 6, 8, 12 oder 24 V, oder sogar noch niedrigere Spannungssysteme, wie z.B. Systeme mit Spannungen unter 6 V, sehr gut geeignet sind. So können erfindungsgemäße Zünder und Heißzonenzusammensetzungen beispielsweise in batteriegespeisten Zündsystemen verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß sich erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen durch außergewöhnliche Effizienz im Leistungsverbrauch auszeichnen, so daß die Zusammensetzungen und Zünder für derartige Niederspannungsanwendungen besonders gut geeignet sind. Siehe beispielsweise die Ergebnisse des nachstehenden Beispiels 6. Eine derartige erhöhte Effizienz im Leistungsverbrauch kann auch die Verwendung von wirtschaftlicheren Bauteilen in einem Zündsystem ermöglichen, z.B. könnte man mit einem erfindungsgemäßen Zünder im Vergleich zu einem vergleichbaren Zünder mit einer anderen Heißzonenzusammensetzung einen billigeren Transformator (schlechterer Güte) effektiv verwenden.

Erfindungsgemäße keramische Heißzonenzusammensetzungen und Zünder können auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere spezifische Wärmekapazität als vorbekannte Systeme aufweisen, so daß die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen über lange Zeiträume mehr Wärmeenergie zurückhalten können. Siehe beispielsweise die Ergebnisse des nachstehenden Beispiels 7.

Bevorzugte erfindungsgemäße keramische Zünder haben eine Heißzonenzusammensetzung, die:

(a) ein elektrisch nichtleitendes Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm;
(b) zwischen etwa 3 und etwa 45 Vol.-% eines halbleitenden Materials mit einem spezifischen Widerstand zwischen etwa 1 und etwa 10⁸ Ohm-cm, wobei vorzugsweise zwischen etwa 5 und etwa 45 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus dem halbleitenden Material bestehen;
(c) einen metallischen Leiter mit einem spezifischen Widerstand von weniger als etwa 10^–2 Ohm-cm, wobei vorzugsweise zwischen etwa 5 und etwa 25 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus dem metallischen Leiter bestehen;

enthält, wobei mindestens etwa 50 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial bestehen. Vorzugsweise bestehen mindestens etwa 60, 70 oder 80 der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial, wie Aluminiumoxid. Vorzugsweise bestehen mindestens 25 Vol.-% des nichtleitenden Materials aus einem Metalloxid, wie Aluminiumoxid, wobei besonders bevorzugt mindestens etwa 30, 40, 50, 60, 70, 80 oder 90 Vol.-% des nichtleitenden Materials aus einem Metalloxid, wie Aluminiumoxid, bestehen. Bevorzugt ist es auch, wenn das nichtleitende Material als einzige Komponente ein Metalloxid enthält. Vorzugsweise enthält die Heißzonenzusammensetzung zwischen etwa 50 und etwa 80 Vol.-% des nichtleitenden Materials, wobei besonders bevorzugt zwischen etwa 50 und etwa 70 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus dem nichtleitenden Material bestehen.

Weitere erfindungsgemäße keramische Zünder haben eine Heißzonenzusammensetzung, die ein elektrisch nichtleitendes Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm, wobei ein wesentlicher Teil des nichtleitenden Materials aus einem Metalloxid, wie Aluminiumoxid, besteht; ein Halbleitermaterial, bei dem es sich um ein Carbid, wie Siliciumcarbid, handelt, in einer Menge von mindestens etwa 3, 4, 5 oder 10 Vol.-% und einen metallischen Leiter enthalten.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung haben bevorzugte erfindungsgemäße keramische Zünder eine Heißzonenzusammensetzung, die weitgehend frei von Carbid, wie SiC, ist. Derartige Zusammensetzungen enthalten einen metallischen Leiter und ein elektrisch nichtleitendes Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm, wobei ein Teil des nichtleitenden Materials aus einem Metalloxid, wie Aluminiumoxid, besteht und die Nichtleitermaterial-Komponente außerdem auch noch ein weiteres nichtleitendes Material enthält, bei welchem es sich nicht um ein Oxid handelt, z.B. ein Nitrid, wie AlN. Derartige Zusammensetzungen können die gleichen oder ähnliche Mengen wie oben für die tertiären Zusammensetzungen aus Nichtleitermaterial, Halbleitermaterial und elektrisch leitendem Material erläutert enthalten.

Erfindungsgemäße Heißoberflächenkeramikzünder können mit ziemlich kleinen Heißzonenlängen, z.B. etwa 1,5 Zoll oder weniger oder sogar etwa 1,3, 1,2 oder 1,0 Zoll oder weniger, hergestellt und bei hohen Spannungen einschließlich von etwa 187 bis 246 V ohne jegliche Art von elektronischer Steuerung zur Dosierung der dem Zünder zugeführten Leistung zuverlässig verwendet werden. Hierbei versteht es sich, daß es sich für Zünder mit Mehrbein-Geometrie (z.B. geschlitzte Haarnadel-Ausführung) bei der Heißzonenlänge um die Länge der Heißzone entlang eines einzigen Beins des mehrbeinigen Zünders handelt.

Außerdem können sich die erfindungsgemäßen Zünder innerhalb von etwa 5 oder 4 Sekunden oder weniger oder sogar 3, 2,5 oder 2 Sekunden oder weniger schnell auf Betriebstemperaturen, z.B. etwa 1300°C, 1400°C oder 1500°C, erwärmen.

Bevorzugte erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen können auch eine dramatische Hochtemperaturtauglichkeit aufweisen, d.h. wiederholte Einwirkung hoher Temperaturen ohne Versagen überstehen. Die Erfindung schließt somit Zündverfahren ein, bei denen das Zünderelement nicht bei jeder Brennstoffentzündung wieder neu erhitzt werden muß. Vielmehr kann der Zünder über einen längeren Zeitraum, kontinuierlich bei einer erhöhten Zündtemperatur betrieben werden, um für sofortige Zündung zu sorgen, beispielsweise während einer Flammenlöschung. Im Einzelnen können erfindungsgemäße Zünder über längere Zeiträume ohne Abkühlungsperiode bei einer erhöhten Temperatur (z.B. etwa 800°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C, 1300°C, 1350°C usw.) betrieben werden, z.B. bei diesen Temperaturen über einen Zeitraum von mindestens 2, 5, 10, 20, 30, 60 oder 120 Minuten oder mehr.

Erfindungsgemäße Zünder können verschiedenartig ausgeführt und konfiguriert sein. Bevorzugte Ausführungen sind u.a. "geschlitzte" oder zweibeinige Haarnadel-Systeme, bei denen zwei leitfähige Beine mit einer dazwischenliegenden Lücke durch einen Heißzonenbereich verbrückt sind. Für viele Anwendungen ist eine "schlitzlose" Ausführung ohne Lückenbereich bevorzugt. Typische Zünderausführungen weisen einen zwischen zwei leitfähigen Beinen angeordneten Nichtleiterbereich auf, der mit einem Widerstandsheißzonenbereich in Kontakt steht.

Es wurde gefunden, daß erfindungsgemäß eingesetzte schlitzlose Zünderausführungen (d.h. wobei ein zentraler Zünderbereich einen zwischen einem Paar von leitfähigen Bereichen angeordneten Nichtleiter bzw. Isolator, der mit einer Widerstandsheißzone in Kontakt steht, umfaßt) vorzeitig versagen können, insbesondere durch sogenanntes "Überschlagen", wobei Strom den zentralen Nichtleiterbereich zwischen den beiden Leiterbereichen durchquert und nicht in den Widerstandsheißzonenbereich fließt. Mit anderen Worten tritt Durchschlag durch den Nichtleiterbereich auf. Ein derartiges unerwünschtes "Überschlagen" von Strom durch einen zwischengeschalteten Nichtleiterbereich kann bei Anwendungen bei höherer Spannung, wie über 200 V, stärker werden.

Bei eigenen Arbeiten wurden mehrere Ansätze zur Vermeidung eines derartigen unerwünschten Überschlagens in schlitzlosen Zündersystemen gefunden. Bevorzugt ist die Erhöhung des Aluminiumnitridgehalts der Zusammensetzung des Nichtleiterbereichs bei entsprechender Verringerung des Aluminiumoxidgehalts. Es wurde gefunden, daß durch eine derartige Erhöhung des AlN-Gehalts unerwünschtes Überschlagen wirksam vermieden werden kann. Bei einem weiteren Ansatz wird der gebildete Nichtleiterbereich oxidiert. Es wurde gefunden, daß eine derartige Oxidation (z.B. Wärmebehandlung an der Luft, Behandlung mit chemischem Oxidationsmittel) dem Nichtleiterbereich einen höheren Widerstand und eine größere elektrische Stabilität verleihen kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
1 zeigt eine Mikrostruktur einer bevorzugten erfindungsgemäßen tertiären Heißzonenzusammensetzung, in der das Al₂O₃ grau, das SiC hellgrau und das MoSi₂ weiß dargestellt ist.
2 zeigt eine Mikrostruktur einer vorbekannten Heißzonenzusammensetzung ohne Metalloxid, in der AlN grau, SiC hellgrau und das MoSi₂ weiß dargestellt ist.
3A bis 3D zeigen bevorzugte "geschlitzte" und "schlitzlose" Zünderausführungen.
Wie oben bereits angegeben, stellt die Erfindung in einer ersten Ausgestaltung ein Sinterkeramik-Zünderelement mit zwei Kaltzonen und einer dazwischen angeordneten Heißzone bereit, welche eine Heißzonenzusammensetzung enthält, die (a) ein elektrisch nichtleitendes Material; (b) mindestens etwa 3 Vol.-% eines halbleitenden Materials und (c) einen metallischen Leiter mit einem spezifischen Widerstand von weniger als etwa 10^–2 Ohm-cm enthält, wobei mindestens etwa 50 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial bestehen.
Bereitgestellt wird auch eine Sinterkeramik mit einer Heißzonenzusammensetzung, die (a) zwischen 50 und 80 Vol.-% eines elektrisch nichtleitenden Materials; (b) zwischen 3 und 45 Vol.-% eines halbleitenden Materials und (c) zwischen 5 und 25 Vol.-% eines metallischen Leiters mit einem spezifischen Widerstand von weniger als etwa 10^–2 Ohm-cm enthält, wobei mindestens etwa 50 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial bestehen.
Bereitgestellt wird ferner eine Sinterkeramik mit einer Heißzonenzusammensetzung, die (a) ein elektrisch nichtleitendes Material, das ein Nitrid und ein Metalloxid enthält, und (b) einen metallischen Leiter mit einem spezifischen Widerstand von weniger als etwa 10^–2 Ohm-cm enthält und weitgegend frei von Carbidmaterial ist, wobei das elektrisch nichtleitende Material der Heißzonenzusammensetzung mindestens 50 Vol.-% Metalloxid enthält.
Bereitgestellt werden außerdem Verfahren zum Entzünden von gasförmigem Brennstoff, bei denen man im Allgemeinen an einen erfindungsgemäßen Zünder einen elektrischen Strom anlegt.
Wie oben bereits erläutert, wurde überraschenderweise gefunden, daß man durch Zusatz eines wesentlichen Volumens eines Metalloxids zu einer keramischen Heißzonenzusammensetzung einen keramischen Zünder erhalten kann, der unter hoher Nennspannung, einschließlich 220, 230 oder 240 V, effektiv verwendet werden kann. Außerdem können diese Heißzonenzusammensetzungen über einen extrem breiten Spannungsbereich brauchbar sein, und somit können die Zusammensetzungen auch für Anwendungen bei niedrigerer Spannung, beispielsweise für Anwendungen bei 120 V oder 102 V oder noch niedrigeren Spannungen, wie 6 bis 24 V, eingesetzt werden.
Wie ebenfalls oben bereits erläutert und in den nachstehenden Beispielen belegt, können erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen und Zünder sich durch eine recht gute Effizienz im Leistungsverbrauch sowie eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere spezifische Wärmekapazität als vorbekannte Systeme auszeichnen.
Ohne Festlegung auf irgendeine bestimmte Theorie wird angenommen, daß derartige Eigenschaften, entweder getrennt oder in Kombination, die Leistungsfähigkeit von erfindungsgemäßen Zündern bei Anwendungen bei niedrigerer Spannung, wie Anwendungen bei unter 100 V, erleichtern können. Insbesondere sind erfindungsgemäße Zünder aufgrund eines derartigen effizienten Leistungsverbrauchs und/oder derartiger Wärmeleitfähigkeitseigenschaften zum praktischen Einsatz für batteriegespeiste Zündungen geeignet, wie sie z.B. bei zur Außenanwendung vorgesehenen oder tragbaren Heiz- oder Kochvorrichtungen, wie Gartengrills, in Verbindung mit Freizeitfahrzeugen verwendeten Kocheinheiten (Grills) und Heizeinheiten, verwendet werden können.
Als Metalloxide zur Verwendung in der Nichtleitermaterial-Komponente eignen sich z.B. Aluminiumoxid, Metalloxidnitrid, wie Aluminiumoxidnitrid und Siliciumoxidnitrid, Magnesiumaluminiumoxid und Siliciumaluminiumoxid. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird ein Metalloxidnitrid als Metalloxid betrachtet. Bei einigen Ausführungsformen werden Metalloxide bevorzugt sein, die keine Stickstoffkomponente enthalten, d.h. das Metalloxid enthält keine Stickstoffatome. Ein allgemein bevorzugtes Metalloxid ist Aluminiumoxid (Al₂O₃). Gewünschtenfalls kann man auch ein Gemisch aus verschiedenen Metalloxiden einsetzen, wenngleich man in der Regel ein einziges Metalloxid einsetzt.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist unter einem elektrisch nichtleitenden Material ein Material mit einem spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm zu verstehen. Die das elektrisch nichtleitende Material bildende Komponente erfindungsgemäßer Heißzonenzusammensetzungen kann ausschließlich aus einem oder mehreren Metalloxiden bestehen; alternativ dazu kann die nichtleitende Komponente aber auch beispielsweise noch zusätzlich ein Nitrid, wie ein Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid oder Bornitrid; ein Seltenerdmetalloxid (z.B. Yttriumoxid) oder ein Seltenerdmetalloxidnitrid enthalten. Ein bevorzugtes Zusatzmaterial der nichtleitenden Komponente ist Aluminiumnitrid (AlN). Es wird angenommen, daß die Verwendung eines zusätzlichen nichtleitenden Materials, wie Aluminiumnitrid, in Kombination mit einem Metalloxid der Heißzone wünschenswerte Wärmeausdehnungskompatibilitätseigenschaften unter Beibehaltung der gewünschten Hochspannungstauglichkeit verleihen kann.
Wie oben bereits erläutert, enthält die Nichtleitermaterial-Komponente als wesentlichen Teil ein oder mehrere Metalloxide. Im Einzelnen bestehen mindestens etwa 50 Vol.-% des nichtleitenden Materials aus einem oder mehreren Metalloxiden, besonders bevorzugt bestehen mindestens etwa 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 oder 98 Vol.-% des nichtleitenden Materials aus einem oder mehreren Metalloxiden, wie Aluminiumoxid.
Bevorzugt sind u.a. diejenigen erfindungsgemäßen Heißzonenzusammensetzungen, die eine Nichtleitermaterial-Komponente enthalten, bei der es sich um eine Kombination aus ausschließlich einem Metalloxid und einem Metallnitrid, insbesondere eine Kombination aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Aluminiumnitrid (AlN), handelt. Vorzugsweise bildet das Metalloxid den Hauptteil dieser Kombination, z.B. wo die nichtleitende Komponente mindestens etwa 50, 55, 60, 70, 80, 85, 90, 95 oder 98 Vol.-% eines Metalloxids, wie Aluminiumoxid, und als Rest ein Metallnitrid, wie Aluminiumnitrid, enthält.
Bevorzugt sind auch u.a. diejenigen erfindungsgemäßen Heißzonenzusammensetzungen, bei denen die Nichtleitermaterial-Komponente ausschließlich aus einem oder mehreren Metalloxiden, wie Aluminiumoxid, besteht.
Bei Zugabe von Aluminiumoxid zum Grünkörper einer Heißzonenzusammensetzung kann man jedes beliebige herkömmliche Aluminiumoxidpulver wählen. In der Regel verwendet man Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße zwischen etwa 0,1 und etwa 10 Mikron und nur etwa 0,2 Vol.-% Verunreinigungen. Vorzugsweise weist das Aluminiumoxid eine Korngröße zwischen etwa 0,3 und etwa 10 μm auf. Besonders bevorzugt verwendet man ein calciniertes Aluminiumoxid von Alcoa Industrial Chemicals, Bauxite, Ark. Des Weiteren kann Aluminiumoxid in anderen Formen als Pulver eingetragen werden, u.a. auch durch Aluminiumoxid-Sol-Gel-Methoden und Hydrolyse eines Teils des Aluminiumnitrids.
Im Allgemeinen enthalten bevorzugte Heißzonenzusammensetzungen (a) zwischen etwa 50 und etwa 80 Vol.-% eines elektrisch nichtleitenden Materials mit einem spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm; (b) zwischen etwa 5 und etwa 45 Vol.-% eines halbleitenden Materials mit einem spezifischen Widerstand zwischen etwa 10 und etwa 10⁸ Ohm-cm und (c) zwischen etwa 5 und etwa 25 Vol.-% eines metallischen Leiters mit einem spezifischen Widerstand von weniger als etwa 10^–2 Ohm-cm. Vorzugsweise enthält die Heißzone 50–70 Vol.-% elektrisch nichtleitende Keramik, 10–45 Vol.-% der halbleitenden Keramik und 6–16 Vol.-% des leitfähigen Materials.
Wenn die elektrisch nichtleitende Keramikkomponente mehr als etwa 80 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung ausmacht, kann die resultierende Zusammensetzung einen zu hohen Widerstand aufweisen und beim Erreichen der Zieltemperatur bei hohen Spannungen unannehmbar langsam sein. Liegt sie dagegen in einer Menge von weniger als etwa 50 Vol.-% vor (z.B. wenn die leitfähige Keramik in einer Menge von etwa 8 Vol.-% vorliegt), so kann die resultierende Keramik bei hohen Spannungen eine zu hohe Leitfähigkeit aufweisen. Es ist klar, daß die Heißzone bei Anhebung des Anteils an leitfähiger Keramik über 8 Vol.-% leitfähiger wird und die Ober- und Untergrenze des Anteils des nichtleitenden Materials zur Erzielung der geforderten Spannung geeignet angehoben werden können.
Wie oben bereits erläutert, werden in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung keramische Heißzonenzusammensetzungen bereitgestellt, die zumindest weitgehend frei von Carbid, wie SiC, oder vorzugsweise jeglichem anderen halbleitenden Material sind. Derartige Zusammensetzungen enthalten einen metallischen Leiter und ein elektrisch nichtleitendes Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm, wobei ein wesentlicher Teil des nichtleitenden Materials aus einem Metalloxid, wie Aluminiumoxid, besteht und die Nichtleitermaterial-Komponente außerdem auch noch ein weiteres Material enthält, bei welchem es sich nicht um ein Oxid handelt, z.B. ein Nitrid, wie AlN. Derartige Zusammensetzungen enthalten vorzugsweise weniger als etwa 5 Vol.-% Carbid, besonders bevorzugt weniger als etwa 2, 1 oder 0,5 Vol.-% Carbid, oder sind noch weiter bevorzugt völlig frei von Carbid oder anderem halbleitendem Material.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist unter einer halbleitenden Keramik (oder einem "Halbleiter") eine Keramik mit einem spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur zwischen etwa 10 und 10⁸ Ohm-cm zu verstehen. Wenn die halbleitende Komponente mehr als etwa 45 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung ausmacht (wenn die leitfähige Keramik in einer Menge im Bereich von etwa 6–10 Vol.-% vorliegt), so wird die resultierende Zusammensetzung zu leitfähig für Hochspannungsanwendungen (aufgrund von mangelndem Nichtleiter). Liegt sie dagegen in einer Menge von weniger als etwa 10 Vol.-% vor (wenn die leitfähige Keramik in einer Menge im Bereich von etwa 6–10 Vol.-% vorliegt), so weist die resultierende Zusammensetzung einen zu hohen Widerstand auf (aufgrund von zu viel Nichtleiter). Wiederum werden bei höheren Leitergehalten einen höheren Widerstand aufweisende Mischungen aus der Nichtleiter- und Halbleiterfraktion benötigt, um die gewünschte Spannung zu erreichen. In der Regel handelt es sich bei dem Halbleiter um ein Carbid aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid (dotiert und undotiert) und Borcarbid. Siliciumcarbid ist im Allgemeinen bevorzugt.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist unter einem leitfähigen Material ein Material mit einem spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von weniger als etwa 10^–2 Ohm-cm zu verstehen. Liegt die leitfähige Komponente in einer Menge von mehr als etwa 25 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung vor, so wird die resultierende Keramik zu leitfähig für Hochspannungsanwendungen, was zu einem unannehmbar heißen Zünder führt. Liegt sie dagegen in einer Menge von weniger als etwa 6 Vol.-% vor, so weist die resultierende Keramik einen für Hochspannungsanwendungen zu hohen Widerstand auf, was zu einem unannehmbar kalten Zünder führt. In der Regel wählt man den Leiter aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisilicid, Wolframdisilicid und Nitriden, wie Titannitrid, und Carbiden, wie Titancarbid, aus. Molybdändisilicid ist im Allgemeinen bevorzugt.
Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen enthalten Aluminiumoxid, Molybdändisilicid und Siliciumcarbid, wobei als zusätzliches Material der Nichtleitermaterial-Komponente gegebenenfalls Aluminiumnitrid eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß kann zweckmäßigerweise die in der US 50 45 237 A (Washburn) beschriebene Heißzone/Kaltzone-Ausführung verwendet werden. Die Heißzone liefert die funktionale Erwärmung für die Gaszündung. Für Hochspannungsanwendungen (z.B. 187 bis 264 V) hat die Heißzone vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von etwa 1–3 Ohm-cm im Temperaturbereich von 1000°C bis 1600°C. Eine speziell bevorzugte Heißzonenzusammensetzung enthält etwa 50 bis 80 Vol.-% Al₂O₃, etwa 5–25 Vol.-% MoSi₂ und 10–45 Vol.-% SiC. Besonders bevorzugt enthält sie etwa 60 bis 80 Vol.-% Aluminiumoxid, etwa 6–12 Vol.-% MoSi₂ und 15–30 Vol.-% SiC. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Heißzone etwa 66 Vol.-% Al₂O₃, 14 Vol.-% MoSi₂ und 20 Vol.-% SiC.
Nach bevorzugten Ausführungsformen nimmt die mittlere Korngröße (d50) der Heißzonenkomponenten im verdichteten Körper die folgenden Werte an:

a) Nichtleiter (z.B. Al₂O₃, AlN usw.): zwischen etwa 2 und 10 Mikron;
b) Halbleiter (z.B. SiC): zwischen etwa 1 und 10 Mikron und
c) Leiter (z.B. MoSi₂): zwischen etwa 1 und 10 Mikron.

1 zeigt eine Mikrostruktur einer bevorzugten erfindungsgemäßen Heißzonenzusammensetzung, die aus einer gesinterten Mischung von Al₂O₃, SiC und MoSi₂ besteht. Wie aus 1 ersichtlich ist, weist die Zusammensetzung eine verhältnismäßig homogene Komponentenanordnung auf, d.h. die Komponenten sind in der Zusammensetzung gut verteilt und die Mikrostruktur ist zumindest im Wesentlichen frei von großen Bereichen (z.B. mit einer Breite von 30, 40 oder 50 μm) einer einzigen Zusammensetzungskomponente. Außerdem haben die Bereiche des leitfähigen Materials (MoSi₂) zusammenhängende, definierte Kanten und sind nicht verästelt.
2 zeigt eine Mikrostruktur einer vorbekannten Heißzonenzusammensetzung ohne Metalloxid. In 2 haben die Bereiche des leitfähigen Materials (MoSi₂) keine wohldefinierten Grenzen und sind stattdessen diffus und verästelt.
Erfindungsgemäße Zünder können verschiedene Konfigurationen aufweisen. Eine bevorzugte Ausführung ist ein geschlitztes System, wie eine Hufeisen- oder Haarnadel-Ausführung. Bevorzugt ist auch die Gestalt eines geraden Stabs (schlitzlos) mit kalten Enden oder Endverbindungsenden an entgegengesetzten Enden des Körpers.
Erfindungsgemäße Zünder enthalten in der Regel auch mindestens einen Kaltzonenbereich mit niedrigem spezifischem Widerstand, der mit der Heißzone in elektrischer Verbindung steht, um das Anbringen von Drahtzuleitungen am Zünder zu ermöglichen. In der Regel ist eine Heißzonenzusammensetzung zwischen zwei Kaltzonen angeordnet. Derartige Kaltzonenbereiche bestehen vorzugsweise z.B. aus AlN und/oder Al₂O₃ oder anderem nichtleitendem Material; SiC oder anderem Halbleitermaterial und MoSi₂ oder anderem leitfähigem Material. Kaltzonenbereiche weisen jedoch einen wesentlich höheren Prozentanteil an den leitfähigen und halbleitenden Materialien (z.B. SiC und MoSi₂) auf als die Heißzone. Demgemäß weisen die Kaltzonenbereiche in der Regel nur etwa 1/5 bis 1/1000 des spezifischen Widerstands der Heißzonenzusammensetzung auf und erwärmen sich nicht nicht so stark wie die Heißzone. Eine bevorzugte Kaltzonenzusammensetzung enthält etwa 15 bis 65 Vol.-% Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder anderes Nichtleitermaterial und etwa 20 bis 70 Vol.-% MoSi₂ und SiC oder anderes leitfähiges und halbleitendes Material in einem Volumenverhältnis von etwa 1:1 bis etwa 1:3. Besonders bevorzugt enthält die Kaltzone etwa 15 bis 50 Vol.-% AlN und/oder Al₂O₃, 15 bis 30 Vol.-% SiC und 30 bis 70 Vol.-% MoSi₂. Zur leichteren Fertigung wird die Kaltzonenzusammensetzung vorzugsweise aus den gleichen Materialien wie die Heißzonenzusammensetzung hergestellt, aber mit größeren relativen Mengen an halbleitenden und leitenden Materialien.
Eine speziell bevorzugte Kaltzonenzusammensetzung zur Verwendung in erfindungsgemäßen Zündern enthält 60 Vol.-% MoSi₂, 20 Vol.-% SiC und 20 Vol.-% Al₂O₃. Eine besonders bevorzugte Kaltzonenzusammensetzung zur Verwendung in erfindungsgemäßen Zündern enthält 30 Vol.-% MoSi₂, 20 Vol.-% SiC und 50 Vol.-% Al₂O₃.
Wie oben bereits erläutert, enthalten schlitzlose Zünderausführungen vorzugsweise einen zwischen zwei leitfähigen Beinen angeordneten nichtleitenden Bereich. Ein gesinterter Nichtleiterbereich hat vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10¹⁴ Ohm-cm bei Raumtemperatur und einen spezifischen Widerstand von mindestens etwa 10⁴ Ohm-cm bei Betriebstemperaturen sowie eine Festigkeit von mindestens etwa 150 MPa. Der zwischengeschaltete Nichtleiterbereich eines schlitzlosen Systems hat vorzugsweise einen spezifischen Widerstand bei Betriebstemperaturen, der mindestens 2 Größenordnungen größer ist als der spezifische widerstand des Heißzonenbereichs. Geeignete Nichtleiterzusammensetzungen enthalten mindestens 90 Vol.-% Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und/oder Bornitrid. Allgemein bevorzugte Nichtleiterzusammensetzungen sind Gemische aus 1) AlN und/oder Al₂O₃ und 2) SiC. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung mindestens etwa 90 Vol.-% AlN und Al₂O₃.
Wie oben bereits erläutert, enthält die Nichtleiterzusammensetzung zur Vermeidung von Überschlagen bei schlitzlosen Ausführungen vorzugsweise neben anderen Widerstandmaterialen, insbesondere einem Metalloxid, wie Al₂O₃, AlN. Es wurde gefunden, daß durch Zusatz von AlN das Auftreten eines derartigen Durchschlags des Nichtleiterbereichs vermieden werden kann. Es wurde außerdem überraschenderweise gefunden, daß durch die Verwendung von AlN in einer Nichtleiterzusammensetzung unerwünschter Durchschlag während der Verwendung eines Zünders vermieden werden kann, wohingegen der Zusatz anderer Materialien mit hohem Widerstand das Überschlagen nicht derartig verringert.
Bevorzugte erfindungsgemäße Nichtleiterzusammensetzungen bestehen aus AlN, Al₂O₃ und SiC. In derartigen AlN/Al₂O₃/SiC-Nichtleiterzusammensetzungen liegt AlN vorzugsweise in einer Menge von mindestens etwa 10, 15, 20, 25 oder 30 Volumenprozent, bezogen auf Al₂O₃, vor. Allgemein bevorzugte Nichtleiterzusammensetzungen zur Verwendung in erfindungsgemäßen schlitzlosen Zündern enthalten AlN in einer Menge von etwa 3 bis 25 Vol.-%. besonders bevorzugt etwa 5 bis 20 Vol.-%, noch weiter bevorzugt etwa 10 bis 15 Vol.-%, Al₂O₃ in einer Menge von 60 bis 90 Vol.-%, besonders bevorzugt 65 bis 85 Vol.-%, noch weiter bevorzugt 70 bis 80 Vol.-% und noch weiter bevorzugt 75 bis 80 Vol.-% und SiC in einer Menge von 5 bis 20 Vol.-%, vorzugsweise 8 bis 15 Vol.-%. Eine speziell bevorzugte Nichtleiterzusammensetzung für einen erfindungsgemäßen schlitzlosen Zünder besteht aus 13 Vol.-% AlN, 77 Vol.-% Al₂O₃ und Rest SiC.
Wie oben bereits erläutert, wurde gefunden, daß unerwünschter Durchschlag auch durch oxidative Behandlung von Nichtleiterbereichen erfindungsgemäßer Zünder verhindert werden kann. Zur effektiven oxidativen Behandlung des Nichtleiterbereichs kann man beispielsweise einen Zünder an der Luft über einen längeren Zeitraum, z.B. 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 oder 1 Stunde oder mehr, erhitzen, z.B. auf etwa 1300–1700°C, vorzugsweise etwa 1500 bis 1600°C. Eine derartige oxidative Behandlung erfordert jedoch zusätzliche Verarbeitung und Neupräparation der leitfähigen Beine nach der Oxidation.
Die Eigenschaften und die Leistung des Zünders können durch seine Abmessungen beeinflußt werden. Im Allgemeinen sollte die Einzelbeinlänge der Heißzone größer als etwa 0,5 Zoll (um so viel Masse zu liefern, daß seine Temperatur durch kühlende Konvektions gasströme nicht wesentlich beeinflußt wird), aber kleiner als etwa 1,5 Zoll (um ausreichende mechanische Robustheit zu liefern) sein. Seine Breite sollte größer als etwa 0,1 Zoll sein, um eine ausreichende Festigkeit zu liefern und eine einfache Anfertigung zu ermöglichen. Ganz analog sollte seine Dicke mehr als etwa 0,02 Zoll betragen, um eine ausreichende Festigkeit zu liefern und eine einfache Anfertigung zu ermöglichen. Vorzugsweise hat ein erfindungsgemäßer Zünder eine typische Gsamteinzelbeinlänge zwischen etwa 1,25 und etwa 2,00 Zoll, einen Heißzonenquerschnitt zwischen etwa 0,001 und etwa 0,005 Quadratzoll (besonders bevorzugt weniger als 0,0025 Quadratzoll) und ist als zweibeinige Haarnadel ausgeführt.
Für einen bevorzugten zweibeinigen Haarnadelzünder, der für einen Spannungsbereich von 187 bis 264 Volt geeignet ist und eine Heißzonenzusammensetzung von etwa 66 Vol.-% Al₂O₃, etwa 20 Vol.-% SiC und etwa 13,3 Vol.-% MoSi₂ aufweist, sind die folgenden Zünderabmessungen bevorzugt: Länge etwa 1,15 Zoll, Einzelbeinbreite etwa 0,047 Zoll und Dicke etwa 0,030 Zoll. Diese Ausführung und Zusammensetzung eignet sich auch für Anwendungen bei niedrigerer Spannung, wie 6, 8, 12, 24, 102 oder 120 V.
Eine bevorzugte "schlitzlose" Zünderausführung hat eine Gesamtlänge zwischen etwa 1,25 und 2,00 Zoll, eine Heißzonenlänge von etwa 0,1 bis etwa 1,2 Zoll und eine Heißzonenquerschnittsfläche zwischen etwa 0,001 und etwa 0,005 Quadratzoll. Für Anwendungen bei niedrigerer Spannung sind in der Regel kürzere Heißzonenlängen bevorzugt, wie z.B. weniger als 0,5.
3A zeigt ein bevorzugtes geschlitztes Zündersystem 10 mit leitfähigen (Kaltzonen-) Beinen 12 und 14, einer U-förmigen Heißzone 16 und einer zwischen den leitfähigen Beinen 12 und 14 angeordneten Lücke ("Schlitz") 18. Die Heißzonenlänge im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist in 3A als Abstand x dargestellt, bei einer Zünderlänge y und einer Heißzonen- und Zünderbreite z. Der Zünder 10 kann über Zuleitungen an den Enden 12' und 14' leitfähiger Zonen 12 bzw. 14 mit Strom versorgt werden.
3B zeigt ein bevorzugtes schlitzloses Zündersystem 20 mit leitfähigen (Kaltzonen-) Beinen 22 und 24, einem dazwischen angeordneten Nichtleiterbereich 26 und einer U-förmigen Heißzone 28. Wie beim schlitzlosen System ist die Heißzonenlänge im Sinne der vorliegenden Beschreibung in 3B als Abstand x dargestellt, bei einer Zünderlänge y und einer Heißzonen- und Zünderbreite z. Der Zünder 20 kann über Zuleitungen an den Enden 22' und 24' leitfähiger Zonen mit Strom versorgt werden.
Die 3C und 3D zeigen weitere geeignete schlitzlose Ausführungen erfindungsgemäßer Zünder. In den beiden 3C und 3D entsprechen Bezugszahlen jeweils denen von 3B, d.h. in jeder der 3C und 3D weist das schlitzlose Zündersystem leitfähige Beine 22 und 24 mit dazwischen angeordnetem Nichtleiterbereich 26 und eine Heißzone 28 auf.
Eine speziell bevorzugte Heißzonenzusammensetzung erfindungsgemäßer Zünder enthält etwa 14 Prozent MoSi₂, etwa 20 Prozent SiC, Rest Al₂O₃. Eine derartige Zusammensetzung wird vorzugsweise bei einem schlitzlosen Zündersystem, zweckmäßigerweise mit einer Heißzonenlänge von etwa 0,5 Zoll, eingesetzt. Eine weitere bevorzugte Heißzonenzusammensetzung enthält etwa 16 Prozent MoSi₂, etwa 20 Prozent SiC, Rest Al₂O₃. Eine derartige Zusammensetzung wird vorzugsweise bei einem schlitzlosen Zündersystem, zweckmäßigerweise mit einer Heißzonenlänge von etwa 0,1 bis 1,6 Zoll, eingesetzt. Wie oben bereits erwähnt, sind für Anwendungen bei niedrigerer Spannung, wie Anwendungen bei unter 100 V, in der Regel kürzere Heißzonenlängen bevorzugt, wie z.B. weniger als 0,5.
Im Allgemeinen können erfindungsgemäße Heißoberflächenkeramikzünder mit recht geringen Heißzonenlängen, z.B. etwa 1,5 Zoll oder weniger, oder sogar etwa 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1,0, 0,9, 0,8 Zoll oder weniger, hergestellt und in hohen Spannungsbereichen einschließlich von etwa 220 bis 240 V und ohne jegliche Art von elektronischer Steuerung zur Dosierung der dem Zünder zugeführten Leistung zuverlässig verwendet werden.
Als wichtige anwendungstechnische Eigenschaft eines Keramikzünders, insbesondere bei Verwendung von Gas als Brennstoff, ist die Zeit bis zum Erreichen der Temperatur ("TTT"), d.h. die Zeit, die die Zünderheißzone zum Erwärmen von Raumtemperatur auf die Brennstoffzündtemperatur (Branngaszündtemperatur) benötigt. Erfindungsgemäße Zünder können sich schnell auf Betriebstemperaturen erwärmen, z.B. auf etwa 1300°C, 1400°C oder 1500°C in etwa 5 oder 4 Sekunden oder weniger, sogar 3 Sekunden oder weniger oder selbst 2,75, 2,5, 2,25 oder 2 Sekunden oder weniger.
Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Heißzonenzusammensetzungen eine extrem hohe Hochtemperaturtauglichkeit, z.B. bis zu 1750°C, ohne schwere Oxidations- oder Ausbrennprobleme aufweisen. Geprüfte herkömmliche Systeme versagten bei wiederholter Einwirkung einer Temperatur von 1600°C. Im Gegensatz dazu überstehen bevorzugte erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen einen "Lebensdauertest" bei derartig hohen Temperaturen, z.B. 50.000 Zyklen (30 Sekunden an und 30 Sekunden aus) bei 1450°C. Es wurde außerdem gefunden, daß erfindungsgemäße Zünder im Vergleich zu vorbekannten Zusammensetzungen wesentlich verringerte Strom- und Temperaturvariationen über derartige Erwärmungstestzyklen aufweisen.
Wie oben bereits erläutert, schließt die Erfindung Zündverfahren ein, bei denen ein Keramikzünder nicht immer wieder neu erhitzt werden muß. Vielmehr kann der Zünder über längere Zeiträume bei einer zur Brennstoffentzündung ausreichenden erhöhten Temperatur und ohne konstante Ein-Aus-Zyklisierung (z.B. Erwärmungs-Abkühlungs-Zyklisierung) betrieben werden.
Die Verarbeitung des keramischen Bauelements (d.h. Grünkörperverarbeitung und Sinterbedingungen) und die Herstellung des Zünders aus der verdichteten Keramik kann nach herkömmlichen Verfahren erfolgen. Derartige Verfahren werden in der Regel weitgehend analog der oben zitierten Patentschrift von Washburn duchgeführt. Siehe auch die folgenden Beispiele für beispielhafte Bedingungen. Das Sintern einer Heißzonenzusammensetzung wird vorzugsweise bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, z.B. bei oder etwas oberhalb von etwa 1800°C durchgeführt. Das Sintern erfolgt in der Regel unter Druck, entweder unter einer uniaxialen Presse (Heißpresse) oder einer heißisostatischen Presse (HIP).
Es wurde außerdem überraschenderweise gefunden, daß erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen im Gegensatz zu vorbekannten Zusammensetzung in einer einzigen uniaxialen Presse bei hoher Temperatur (z.B. mindestens etwa 1800 oder 1850°C) effektiv verdichtet werden können.
Bei vorbekannten Heißzonenzusammensetzungen waren zwei separate Sinteroperationen erforderlich, nämlich ein erstes Warmpressen (z.B. weniger als 1500°C, wie 1300°C) gefolgt von einer zweiten Hochtemperatursinterung (z.B. 1800 oder 1850°C). Das erste Warmsintern liefert eine Verdichtung auf etwa 65 oder 70% der theoretischen Dichte und das zweite Sintern bei höherer Temperatur eine Endverdichtung auf mehr als 99% der theoretischen Dichte. Bei vorbekannten Heißzonenzusammensetzungen war eine Dichte von mehr als 99% erforderlich, um annehmbare elektrische Eigenschaften zu liefern.
Die einzige Hochtemperatursinterung der erfindungsgemäßen Heißzonenzusammensetzungen kann eine Dichte von mindestens etwa 95, 96 oder 97% der theoretischen Dichte liefern. Außerdem wurde gefunden, daß derartige erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen mit einer Dichte von weniger als 99% der theoretischen Dichte (wie etwa 95, 96, 97 oder 98% der theoretischen Dichte) recht annehmbare elektrische Eigenschaften liefern. Siehe beispielsweise die in folgendem Beispiel 5 aufgeführten Ergebnisse.
Die erfindungsgemäßen Zünder können bei vielen Anwendungen eingesetzt werden, u.a. bei Gasphasenbrennstoffentzündungsanwendungen, wie Öfen und Kochgeräten, Fußleistenheizungen, Boilern und Herdplatten. Wie oben bereits erwähnt, können erfindungsgemäße Zünder auch in batteriegespeisten Systemen, z.B. in einer von einer Batterie, wie einer 6-, 8- oder 24-V-Batterie, gespeisten Kocheinheit oder Heizeinheit, und sogar in Systemen mit noch niedrigerer Spannung, wie Systemen mit einer Spannung von weniger als 6 V, eingesetzt werden.
Erfindungsgemäße Zünder können auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, u.a. auch zur Verwendung als Heizelement in verschiedenen Systemen. Bei einer bevorzugten Anwendung wird ein erfindungsgemäßer Zünder als Infrarotstrahlungsquelle (d.h. die Heißzone liefert einen Infrarot-Output), z.B. als Heizelement, wie in einem Ofen oder als Glühkerze, in einem Überwachungs- oder Detektionsgerät einschließlich Spektrometergeräten und dergleichen, eingesetzt.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie einzuschränken. Auf alle in der vorliegenden Beschreibung zitierten Druckschriften wird hiermit in vollem Umfang Bezug genommen.
BEISPIEL 1
Die Herstellung und Hochspannungsprüfung eines erfindungsgemäßen Zünders wurden wie folgt durchgeführt:
Es wurden Heißzonen- und Kaltzonenzusammensetzungen hergestellt. Die Heißzonenzusammensetzung enthielt 66 Volumenteile Al₂O₃, 14 Volumenteile MoSi₂ und 20 Volumenteile SiC, die in einem Schermischer vermischt wurden. Die Kaltzonenzusammensetzung enthielt etwa 50 Volumenteile Al₂O₃, etwa 30 Volumenteile MoSi₂ und etwa 20 Volumenteile SiC, die in einem Schermischer vermischt wurden. Die Kaltzonenzusammensetzung wurde in ein Heißpreßwerkzeug eingetragen und im selben Werkzeug mit der Heißzonenzusammensetzung bedeckt. Diese Kombination von Zusammensetzungen wurde zusammen in Argon 1 Stunde bei 1300°C und 3000 psi heißgepreßt, was einen Barren mit etwa 60–70% der theoretischen Dichte ergab. Der Barren wurde dann maschinell zu etwa 2,0 Zoll mal 2,0 Zoll mal 0,250 Zoll großen Platten verarbeitet. Danach wurden die Platten 1 Stunde bei 1790°C und 30.000 psi heißisostatisch verpreßt. Danach wurden die dichten Platten maschinell auf die gewünschte Haarnadelgeometrie verarbeitet. Der gebildete Zünder arbeitete bei 230 V gut bei einem guten spezifischen Widerstand von etwa 1,5 Ohm-cm und einer Zeit bis zur Entzündungstemperatur von etwa 4 Sekunden und war bis mindestens 285 V (wobei die Prüfspannung von 285 V die Obergrenze des Prüfgeräts darstellt) stabil, woraus hervorgeht, daß der Zünder bei hohen Nennspannungen und über einen weiten Bereich hoher Netzspannung effektiv war.
BEISPIEL 2
Es wurde eine weitere Heißzonenzusammensetzung hergestellt, die 67 Volumenteile Al₂O₃, 13 Volumenteile MoSi₂ und 20 Volumenteile SiC enthielt, die in einem Schermischer vermischt wurden. Nach Herstellung der gleichen Kaltzonenzusammensetzung wie in obigem Beispiel 1 wurden die Heiß- und Kaltzonenzusammensetzungen analog Beispiel 1 verarbeitet und zu einem Zünder geformt. Der gebildete Zünder wies ähnliche Leistungsfähigkeitsergebnisse auf wie der Zünder gemäß Beispiel 1, woraus hervorgeht, daß der Zünder bei hohen Nennspannungen und über einen weiten Bereich hoher Netzspannung effektiv war.
BEISPIEL 3
Es wurde eine weitere Heißzonenzusammensetzung hergestellt, die 66,7 Volumenteile Al₂O₃, 13,3 Volumenteile MoSi₂ und 20 Volumenteile SiC enthielt, die in einem Schermischer vermischt wurden. Nach Herstellung der gleichen Kaltzonenzusammensetzung wie in obigem Beispiel 1 wurden die Heiß- und Kaltzonenzusammensetzungen analog Beispiel 1 verarbeitet und zu einem Zünder geformt. Der gebildete Zünder wies ähnliche Leistungsfähigkeitsergebnisse auf wie der Zünder gemäß Beispiel 1, woraus hervorgeht, daß der Zünder bei hohen Nennspannungen und über einen weiten Bereich hoher Netzspannung effektiv war.
BEISPIEL 4
Es wurde noch eine weitere Heißzonenzusammensetzung hergestellt, die 66,4 Volumenteile Al₂O₃, 13,6 Volumenteile MoSi₂ und 20 Volumenteile SiC enthielt, die in einem Schermischer vermischt wurden. Nach Herstellung der gleichen Kaltzonenzusammensetzung wie in obigem Beispiel 1 wurden die Heiß- und Kaltzonenzusammensetzungen analog Beispiel 1 verarbeitet und zu einem Zünder geformt. Der gebildete Zünder wies ähnliche Leistungsfähigkeitsergebnisse auf wie der Zünder gemäß Beispiel 1, woraus hervorgeht, daß der Zünder bei hohen Nennspannungen und über einen weiten Bereich hoher Netzspannung effektiv war.
BEISPIEL 5
Die Herstellung und Hochspannungsprüfung eines weiteren erfindungsgemäßen Zünders wurden wie folgt durchgeführt:
Es wurden Heißzonen- und Kaltzonenzusammensetzungen hergestellt. Die Heißzonenzusammensetzung enthielt etwa 66 Volumenteile Al₂O₃, etwa 14 Volumenteile MoSi₂ und etwa 20 Volumenteile SiC, die in einem Schermischer vermischt wurden. Die Kaltzonenzusammensetzung enthielt etwa 50 Volumenteile Al₂O₃, etwa 30 Volumenteile MoSi₂ und etwa 20 Volumenteile SiC, die in einem Schermischer vermischt wurden. Die Kaltzonenzusammensetzung wurde in ein Heißpreßwerkzeug eingetragen und im selben Werkzeug mit der Heißzonenzusammensetzung bedeckt. Diese Kombination von Zusammensetzungen wurde zusammen in Argon 1 Stunde bei 1800°C und 3000 psi heißgepreßt, was einen Barren mit etwa 97% der theoretischen Dichte ergab. Der Barren wurde dann maschinell zu etwa 2,0 Zoll mal 2,0 Zoll mal 0,250 Zoll großen Platten verarbeitet. Danach wurden die Platten direkt (d.h. ohne heißisostatisches Pressen) maschinell zu Zünderelementen mit Haarnadelgeometrie verarbeitet. Der gebildete Zünder arbeitete bei 230 V gut bei einem guten spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm-cm und einer Zeit bis zur Entzündungstemperatur von etwa 5 Sekunden und war bis mindestens 285 V (wobei die Prüfspannung von 285 V die Obergrenze des Prüfgeräts darstellt) stabil, woraus hervorgeht, daß der Zünder bei hohen Nennspannungen und über einen weiten Bereich hoher Netzspannung effektiv war.
BEISPIEL 6
Der Stromverbrauch erfindungsgemäßer Zünder wurde durch Messung des Stroms bei fest eingestellter Spannung bestimmt. Erfindungsgemäße Zünder wiesen durchweg eine größere Leistungseffizienz auf als vergleichbare Zünder mit anderen Heißzonenzusammensetzungen.
Im Einzelnen benötigte ein erfindungsgemäßer geschlitzter Zünder mit einer Heißzonenzusammensetzung von 65 Volumenteilen Al₂O₃, etwa 15 Volumenteilen MoSi₂ und etwa 20 Volumenteilen SiC bei 120 V zwischen 0,25 A und 0,35 A.
Ein erfindungsgemäßer geschlitzter Vergleichszünder mit einer Heißzonenzusammensetzung von 77 Volumenteilen AlN, etwa 13 Volumenteilen MoSi₂ und etwa 10 Volumenteilen SiC benötigte bei 120 V zwischen 0,5 A und 0,6 A.
BEISPIEL 7
Die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität wurden sowohl für erfindungsgemäße Zünder als auch für vergleichbare Zünder mit anderer Heißzonenzusammensetzung bestimmt. Erfindungsgemäße Zünder wiesen durchweg eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere spezifische Wärmekapazität auf als die vergleichbaren Zünder mit anderer Heißzonenzusammensetzung.
Für einen erfindungsgemäßen geschlitzten Zünder mit einer Heißzonenzusammensetzung von 66,7 Volumenteilen Al₂O₃, etwa 13,3 Volumenteilen MoSi₂ und etwa 20 Volumenteilen SiC wurden bei den angegebenen Temperaturen die folgenden Wärmeleitfähigkeitswerte gemessen:

Temperaturen (°C) Wärmeleitfähigkeit (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

Für einen erfindungsgemäßen geschlitzten Vergleichszünder mit einer Heißzonenzusammensetzung von 70 Volumenteilen AlN, etwa 10 Volumenteilen MoSi₂ und etwa 20 Volumenteilen SiC wurden bei den angegebenen Temperaturen die folgenden Wärmeleitfähigkeitswerte gemessen:

Temperaturen (°C)	Wärmeleitfähigkeit (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
1005	0,0552
1105	0,0549
1203	0,0469
1312	0,0425
1414	0,041
1516	0,0369
22	0,274

Die Erfindung wurde anhand von besonderen Ausführungsformen davon näher beschrieben. Es verseht sich jedoch, daß der Fachmann in Anbetracht der vorliegenden Offenbarung im Rahmen des Grundgedankens und Schutzbereichs der Erfindung Modifikationen und Verbesserungen vornehmen kann.

Claims

Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) mit zwei Kaltzonen (12, 14, 22, 24) und einer dazwischen angeordneten Heißzone 16, 28), welche eine Heißzonenzusammensetzung enthält, die (a) ein elektrisch nichtleitendes Material; (b) mindestens 3 Vol.-% eines halbleitenden Materials und (c) einen metallischen Leiter mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 10^–2 Ohm-cm enthält, wobei mindestens 50 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial bestehen.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach Anspruch 1, bei dem das nichtleitende Material aus Metalloxid besteht.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Metalloxid Aluminiumoxid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Metalloxid Aluminiumoxid, Metalloxidnitrid, Magnesiumaluminiumoxid und/oder Siliciumaluminiumoxid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das nichtleitende Material ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe bestehend aus einem Nitrid, einem Seltenerdmetalloxid und einem Seltenerdmetalloxidnitrid enthält.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das nichtleitende Material Aluminiumnitrid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das halbleitende Material Siliciumcarbid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem es sich bei dem metallischen Leiter um Molybdändisilicid handelt.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner enthaltend eine Kaltzonenzusammensetzung, die 15 bis 50 Vol.-% eines nichtleitenden Materials, 0 bis 50 Vol.-% eines halbleitenden Materials und 20 bis 70 Vol.-% eines metallischen leitenden Materials enthält.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach Anspruch 9, bei dem es sich bei dem nichtleitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid oder Gemische davon, bei dem halbleitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um Siliciumcarbid und bei dem leitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um MoSi₂ handelt.
Sinterkeramik-Zünderelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in geschlitzter Ausführung.
Sinterkeramik-Zünderelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in schlitzloser Ausführung.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 12 mit Nichtleiter-, leitfähigen und Heißzonenbereichen, wobei der Nichtleiterbereich zwischen einem Paar von leitfähigen Bereichen angeordnet ist, AlN enthält und einen höheren Widerstand als der Heißzonenbereich aufweist.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach Anspruch 13, bei dem der Zündbereich AlN, Al₂O₃ und SiC enthält.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 12 mit Nichtleiter-, leitfähigen und Heißzonenbereichen, wobei der Nichtleiterbereich oxidativ behandelt wird.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 mit einem Nichtleiterbereich, der 3 bis 25 Vol.-% AlN, 60 bis 90 Vol.-% Al₂O₃ und 5 bis 20 Vol.-% SiC enthält.
Sinterkeramik-Zünderelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 mit einem Nichtleiterbereich, der 5 bis 20 Vol.-% AlN, etwa 65 bis 85 Vol.-% Al₂O₃ und etwa 8 bis 15 Vol.-% SiC enthält.
Sinterkeramik (10, 20) mit einer Heißzonenzusammensetzung, die (a) zwischen 50 und 80 Vol.-% eines elektrisch nichtleitenden Materials; (b) zwischen 3 und 45 Vol.-% eines halbleitenden Materials und (c) zwischen 5 und 25 Vol.-% eines metallischen Leiters mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 10^–2 Ohm-cm enthält, wobei mindestens 50 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung aus einem Metalloxid-Nichtleitermaterial bestehen.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 18, bei der das nichtleitende Material mindestens 80 Vol.-% Metalloxid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 18, bei der das nichtleitende Material mindestens 90 Vol.-% Metalloxid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 18, bei der das nichtleitende Material aus Metalloxid besteht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei der das Metalloxid Aluminiumoxid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei der das Metalloxid aus Aluminiumoxid besteht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei der das Metalloxid ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, einem Magnesiumaluminiumoxid, Metalloxidnitrid und/oder Siliciumaluminiumoxid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, bei der das nichtleitende Material ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe bestehend aus einem Nitrid, einem Seltenerdmetalloxid und einem Seltenerdmetalloxidnitrid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der qAnsprüche 18 bis 25, bei der das nichtleitende Material Aluminiumnitrid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 26, bei der das halbleitende Material Siliciumcarbid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 27, bei der das halbleitende Material zwischen 5 und 30 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung ausmacht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 28, bei der es sich bei dem metallischen Leiter um Molybdändisilicid handelt.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 29, bei der das Molybdändisilicid zwischen 6 und 16 Vol.-% der Heißzonenzusammensetzung ausmacht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 18 bis 30, ferner enthaltend eine Kaltzonenzusammensetzung, die 15 bis 50 Vol.-% eines nichtleitenden Materials, 0 bis 50 Vol.-% eines halbleitenden Materials und 20 bis 70 Vol.-% eines metallischen leitenden Materials enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 31, bei der es sich bei dem nichtleitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid oder Gemische davon, bei dem halbleitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um Siliciumcarbid und bei dem leitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um MoSi₂ handelt.
Sinterkeramik (10, 20) mit einer Heißzonenzusammensetzung, die (a) ein elektrisch nichtleitendes Material, das ein Nitrid und ein Metalloxid enthält, und (b) einen metallischen Leiter mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 10^–2 Ohm-cm enthält und weitgegend frei von Carbidmaterial ist, wobei das elektrisch nichtleitende Material der Heißzonenzusammensetzung mindestens 50 Vol.-% Metalloxid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 33, bei der das nichtleitende Material Aluminiumnitrid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 oder 34, bei der das Metalloxid Aluminiumoxid enthält oder daraus besteht.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 bis 35, bei der das Metalloxid ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumoxid, einem Metalloxidnitrid und/oder Siliciumaluminiumoxid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 bis 36, bei der das nichtleitende Material ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe bestehend aus einem Nitrid, einem Seltenerdmetalloxid und einem Seltenerdmetalloxidnitrid enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 bis 37, bei der die Heißzonenzusammensetzung weitgehend frei von Siliciumcarbid ist.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 bis 38, bei der die Heißzonenzusammensetzung höchstens 2 Vol.-% eines Carbids enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 bis 38, bei der die Heißzonenzusammensetzung völlig carbidfrei ist.
Sinterkeramik (10, 20) nach einem der Ansprüche 33 bis 40, ferner enthaltend eine Kaltzonenzusammensetzung, die 15 bis 50 Vol.-% eines nichtleitenden Materials, 0 bis 50 Vol.-% eines halbleitenden Materials und 20 bis 70 Vol.-% eines metallischen leitenden Materials enthält.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 41, bei der es sich bei dem nichtleitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid oder Gemische davon, bei dem halbleitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um Siliciumcarbid und bei dem leitenden Material der Kaltzone (12, 14, 22, 24) um MoSi₂ handelt.
Sinterkeramik (10, 20) nach Anspruch 18 oder 33, die durch einen einzigen Hochtemperatursinterprozeß auf 95, 96, 97 oder 98% der theoretischen Dichte verdichtet worden ist.
Verfahren zum Entzünden von gasförmigem Brennstoff, bei dem man an ein Sinterkeramik-Zünderelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18 einen elektrischen Strom anlegt.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem der Strom eine Netzspannung im Bereich von etwa 187 bis 264 Volt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 44 oder 45 bei dem die Spannung etwa 6, 8, 12, 24, 120, 220, 230 oder 240 V beträgt.
Verfahren nach Anspruch 44 oder 45 bei dem die Spannung weniger als 100 V beträgt.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem die Spannung etwa 6, 8, 12, 24 oder 102 V oder weniger als etwa 6 V beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 48 bei dem die Spannung von einer Batteriequelle geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 49, bei dem das Sinterkeramik-Zünderelements eine Heißzonenlänge von etwa 1,2 Zoll oder weniger aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 50, bei dem die Heißzone des Sinterkeramik-Zünderelements ohne Unterbrechung über einen Zeitraum von mindestens 0,5 Stunden bei einer zum Entzünden des gasförmigen Brennstoffs ausreichenden Temperatur gehalten wird.