DE10195003B4

DE10195003B4 - Keramische Zünder und Verfahren zu ihrer Verwendung und Herstellung

Info

Publication number: DE10195003B4
Application number: DE10195003T
Authority: DE
Inventors: Craig A. Sterling Willkens; James M. Olsen; Scott M. Hamel
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: CN1397001A; BR0107769A; SE525563C2; AU3115301A; GB0219724D0; GB2378748A; PT1250554E; JP2003521663A; TR200201850T2; EP1250554B1; MXPA02007238A; WO2001055645A1; CZ20022597A3; EP1250554A1; KR100433612B1; SE0202229D0; NO20023528L; DK200201040A; CA2395754A1; JP3845017B2

Abstract

Es werden keramische Zünder bereitgestellt, die zwei Kaltzonen mit einer dazwischen angeordneten Heißzone aufweisen, wobei die Heißzone eine elektrische Weglänge von 0,51 cm bis etwa 2 cm aufweist. Erfindungsgemäße Zünder können die Leistungsdichte wirksam über den Heißzonenbereich des Zünders verteilen, ohne isolierte Temperaturgradienten zu erzeugen, die zu vorzeitigem Güteabfall und Versagen des Zünders führen können. Die Erfindung stellt auch neue Verfahren zur Herstellung von keramischen Zündern bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Zünder und verbesserte Verfahren zu ihrer Herstellung.

Keramische Materialien haben mit großem Erfolg als Zünder in gasbeheizten Öfen, Herden, Wäschetrocknern und anderen Vorrichtungen, bei denen gasförmiger Brennstoff entzündet werden muß, 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, beispielsweise 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.

Aus der US 5,786,565 A ist ein keramischer Zünder bekannt, der a) ein Paar elektrisch leitfähiger Abschnitte, die jeweils ein erstes Ende aufweisen, b) eine Widerstandsheißzone, die zwischen den ersten Enden der elektrisch leitfähigen Abschnitte angeordnet ist und mit jedem dieser Enden in elektrischer Verbindung steht und eine elektrische Weglänge von weniger als 0,5 cm aufweist, und c) ein elektrisch nicht leitfähiges Kühlkörpermaterial, das mit der Heißzone in Kontakt steht, aufweist.

Von keramischen Zündersystemen werden verschiedene anwendungstechnische Eigenschaften gefordert, einschließlich hoher Geschwindigkeit (kurze Zeit zum Aufheizen von Raumtemperatur auf Auslegungstemperatur) und ausreichender Robustheit für den Langzeitbetrieb ohne Austausch. Derartige Anforderungen werden jedoch von vielen herkömmlichen Zündern nicht durchweg erfüllt. Es wäre somit wünschenswert, über neue keramische Zündersysteme zu verfügen.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die in der oben besprochenen US 5,786,565 A beschriebenen keramischen Zünder manchmal aufgrund von "Ausbrennen" des Heißzonenbereichs des Zünders versagen. Wie oben bereits erwähnt, wird in der US 5,786,565 A ein Zünder mit einer verhältnismäßig kurzen elektrischen Weglänge der Heißzone von weniger als 0,5 cm beschrieben. Ohne Festlegung auf irgendeine bestimmte Theorie wird angenommen, daß beim Betrieb eines derartigen Zünders die bei hoher Netzspannung erzeugte Leistungsdichte zu einem hohen Temperaturgradienten führt. Es wird angenommen, daß dieser hohe Temperaturgradient zu beschleunigter Oxidation eines lokalisierten Bereichs der Heißzone des Zünders führt, die ein vorzeitiges Versagen der Vorrichtung zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 16 und 18 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäßen Zünder liefern eine diffusere Leistungsdichte in dem Heißzonenbereich und vermeiden dadurch unerwünschte Temperaturgradienten in isolierten Heißzonenbereichen, sorgen dabei aber für eine Aufheizung der Spitze.

Insbesondere werden in einer Ausgestaltung der Erfindung keramische Zünder mit: a) einem Paar elektrisch leitfähiger Abschnitte, die jeweils ein erstes Ende aufweisen; und b) einer Widerstandsheißzone, die zwischen den ersten Enden der elektrisch leitfähigen Abschnitte angeordnet ist und mit jedem dieser Enden in elektrischer Verbindung steht, bei denen die Heißzone eine elektrische Weglänge von 0,51 bis 2 cm aufweist, bereitgestellt.

Bevorzugte erfindungsgemäße Zünder weisen eine elektrische Weglänge der Heißzone zwischen 0,6 und 1,5 cm, besonders bevorzugt von 0,6 bis etwa 1,2 cm und noch weiter bevorzugt von etwa 0,7 bis 0,9 cm auf. Mit "elektrische Weglänge" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Länge des kürzesten Wegs bezeichnet, den ein elektrischen Stroms durch den Heißzonenbereich des Zünders nimmt, wenn an die leitfähigen Enden des Zünders ein elektrisches Potential angelegt wird.

Es wird angenommen, daß derartige Heißzonenlängen die Leistungsdichte wirksam über den Heißzonenbereich verteilen können, ohne isolierte Temperaturgradienten zu erzeugen, die zu vorzeitigem Güteabfall und Versagen des Zünders führen können. Außerdem ergeben die Grenzen für die elektrische Weglänge (bis zu etwa 2 cm) eine wirksame Aufheizung und kurze Zeiten bis zum Erreichen der Zündtemperatur, ohne daß eine allzu große Leistungseinspeisung in das System erforderlich ist.

Es wurde auch gefunden, daß der Heißzonenbereich vorzugsweise eine nichtlineare Geometrie aufweist, z.B. eine weitgehend U-förmige Ausführung, wodurch sich die Heißzone ohne Unterbrechung über die Zünderkopfbreite und dann entlang eines Teils jeder Seite der Zünderlänge erstreckt. Es wird angenommen, daß derartige nichtlineare Ausführungen die Leistungsdichte im Heißzonenbereich gegenüber einem vergleichbaren System mit linearer Heißzone wirksamer verteilen oder vermindern können.

Erfindungsgemäße Zünder enthalten vorzugsweise ferner einen elektrisch nicht leitfähigen Abschnitt (Kühlkörper), der mit dem Heißzonenbereich in Kontakt steht. Insbesondere ist der nicht leitfähige Abschnitt vorzugsweise zwischen den elektrisch leitfähigen Abschnitten angeordnet oder eingeschoben und steht mit dem Heißzonenbereich in Kontakt.

Es wurde auch gefunden, daß die Brückenhöhe der Heißzone (Breite der Heißzone in einem rechteckigen Zünder, wie weiter unten besprochen) vorzugsweise mindestens etwa 0,05 cm und besonders bevorzugt mindestens etwa 0,06 cm beträgt. Eine Heißzonen-Brückenhöhe von 0,05 bis 0,4 cm ist allgemein bevorzugt; und eine Heißzonen-Brückenhöhe von 0,06 bis etwa 0,3 cm ist weiter bevorzugt.

Heißzonen erfindungsgemäßer Zünder enthalten vorzugsweise eine gesinterte Zusammensetzung, die ein leitfähiges Material und ein isolierendes Material sowie in der Regel außerdem auch noch ein Halbleitermaterial enthält. Leitfähige oder Kaltzonenabschnitte erfindungsgemäßer Zünder enthalten eine gesinterte Zusammensetzung aus ähnlichen Komponenten mit relativ höheren Konzentrationen an leitfähigem Material.

Erfindungsgemäße Zünder können zweckmäßigerweise über einen breiten Bereich von Spannungen einschließlich Nennspannungen von 6, 8, 12, 24 und 120 V arbeiten.

Ferner werden neue Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Zündern bereitgestellt, darunter die Herstellung mehrerer Zünder aus einem einzigen Rohblockmaterial, was eine wesentlich effizientere Zünderproduktion ermöglicht. Bei bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines keramischen Zünders geht man so vor, daß man a) einen elektrisch leitfähigen keramischen Körper mit mehreren festgemachten Zünderelementen bereitstellt; b) in jedes Element ein elektrisch nicht leitfähiges Material einschiebt und c) die mehreren Zünderelemente verdichtet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen bevorzugten erfindungsgemäßen Zünder;
2 schematisch ein erfindungsgemäßes Zünderherstellungsverfahren;
sowie die 3 und 4 Ergebnisse des folgenden Beispiels 1.
Wie oben bereits angegeben, stellt die Erfindung ein Sinterkeramik-Zünderelement mit zwei Kaltzonen und einer Heißzone mit einer elektrischen Weglänge von 0,51 cm bis etwa 2 cm bereit. In der Regel ist die elektrische Weglänge etwas größer als 0,51 cm, z.B. mindestens etwa 0,6 cm, 0,7 cm oder 0,8 cm.
1 der Zeichnungen zeigt einen bevorzugten erfindungsgemäßen Zünder 10 mit einem Heißzonenabschnitt 12, der zwischen Kaltzonen 14a und 14b angeordnet ist und damit in Kontakt steht. Zwischen diesen Kaltzonen 14a und 14b ist der Kühlkörper 16 angeordnet, der mit der Heißzone 12 in Kontakt steht. Die von der Heißzone 12 entfernt liegenden Kaltzonenenden 14a' und 14b' stehen in elektrischer Verbindung mit einer Stromquelle, in der Regel mit Hilfe irgendeiner Art von Leiterrahmenhalterung.
Wie in 1 gezeigt, hat die Heißzone 12 eine nichtlineare, weitgehend U-förmige elektrische Weglänge "e" (zur Hervorhebung des Minimalwegs durch eine gestrichelte Linie dargestellt), die sich der Länge jeder Seite des Zünders nach erstreckt. Wie oben besprochen wird angenommen, daß derartige nichtlineare Heißzonengeometrien die Leistungsdichte wirksamer über den Heißzonenbereich verteilen und die Betriebslebensdauer des Zünders erhöhen.
Die Abmessungen des Heißzonenbereichs können geeignet variieren, vorausgesetzt, daß die gesamte elektrische Weglänge der Heißzone in den hier beschriebenen Bereichen liegt. Bei der in 1 dargestellten, allgemein rechteckigen Ausführung des Zünders reicht die Heißzonenbreite zwischen den Kaltzonen (in 1 als Abstand "a" dargestellt) vorzugsweise aus, um elektrische Kurzschlüsse oder andere Defekte zu vermeiden. Bei einem bevorzugten System beläuft sich dieser Abstand a auf 0,5 cm.
Die Heißzonen-Brückenhöhe (in 1 als Abstand "b" dargestellt) sollte ebenfalls groß genug sein, um Zünderdefekte einschließlich übermäßiger lokaler Aufheizung, die, wie oben besprochen, zu Güteabfall und Versagen des Zünders führen können, zu vermeiden. Wie oben besprochen beträgt die Heißzonen-Brückenhöhe vorzugsweise mindestens etwa 0,05 cm, besonders bevorzugt mindestens etwa 0,06 cm. Eine Heißzonen-Brückenhöhe von 0,05 bis 0,4 cm ist allgemein bevorzugt; eine Heißzonen-Brückenhöhe von 0,06 bis etwa 0,3 cm ist weiter bevorzugt und eine Heißzonen-Brückenhöhe von 0,06 bis 0,035 bis 0,040 cm ist besonders bevorzugt. Heißzonen-Brückenhöhen von 0,035 und 0,040 cm haben sich als besonders gut geeignet erwiesen. Unter "Heißzonen-Brückenhöhe" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Abmessung einer Heißzone zu verstehen, die sich parallel zur Länge oder langen Abmessung eines allgemein rechteckigen Zünders erstreckt, wie es in 1 am Beispiel der Abmessung b dargestellt ist.
Die "Beine" der Heißzone, die sich der Länge des Zünders nach erstrecken, sind auf eine solche Größe begrenzt, daß die gesamte elektrische Weglänge der Heißzone innerhalb von etwa 2 cm liegt.
Die Zusammensetzungskomponenten der Heißzone 12, der Kaltzonen 14a und 14b und des nicht leitfähigen Kühlkörperbereichs 16 können geeignet variieren. Geeignete Zusammensetzungen für diese Bereiche werden in der US 5,786,565 A sowie in der US 5,191,508 A beschrieben, worauf hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Insbesondere hat die Heißzone einen spezifischen Widerstand bei hoher Temperatur (d.h. 1350°C) zwischen etwa 0,01 Ohm-cm und etwa 3,0 Ohm-cm und einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur zwischen etwa 0,01 Ohm-cm und etwa 3 Ohm-cm. Bevorzugte Heißzonenzusammensetzungen enthalten eine gesinterte Zusammensetzung aus einem elektrisch isolierenden Material und einem metallischen Leiter sowie vorzugsweise außerdem auch noch ein Halbleitermaterial. Unter einem elektrisch isolierenden Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von mindestens etwa 10¹⁰ Ohm-cm aufweist. Unter einem metallischen Leiter oder leitfähigen Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von weniger als etwa 10^-2 Ohm-cm aufweist. Unter einer halbleitenden Keramik (oder "Halbleiter") ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Keramik zu verstehen, die einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur zwischen etwa 10 und 10⁸ Ohm-cm aufweist.
Im allgemeinen enthalten bevorzugte Heißzonenzusammensetzungen (a) zwischen etwa 50 und etwa 80 Volumenprozent (Vol.-%) eines elektrisch isolierenden 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 isolierende Keramik, 10-45 Vol.-% der halbleitenden Keramik und 6-16 Vol.-% des leitfähigen Materials. Nach bestimmten Ausführungsformen handelt es sich bei dem leitfähigen Material um MoSi₂, das vorzugsweise in einer Menge von etwa 9 bis 15 Vol.-%, bezogen auf die Summe der Komponenten der Heißzonenzusammensetzung, besonders bevorzugt von etwa 9 bis 13 Vol.-%, bezogen auf die Summe der Komponenten der Heißzonenzusammensetzung, vorliegt. Für einen 24-Volt-Zünder beläuft sich eine besonders bevorzugte Molybdändisilicid-Konzentration auf etwa 9,2 bis 9,5 Vol.-%, bezogen auf die Summe der Komponenten der Heißzonenzusammensetzung.
Geeignete Komponenten für das elektrisch isolierende Material von Heißzonenzusammensetzungen sind u.a. ein oder mehrere Metalloxide, wie Aluminiumoxid, ein Nitrid, wie Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid oder Bornitrid, ein Seltenerdmetalloxid (z.B. Yttriumoxid) oder ein Seltenerdmetalloxidnitrid. Bevorzugt sind im allgemeinen Aluminiumnitrid (AlN) und Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Den metallischen Leiter wählt man in der Regel aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisilicid, Wolframdisilicid und Nitriden, wie Titannitrid, und Carbiden, wie Titancarbid, aus. Molybdändisilicid ist im allgemeinen bevorzugt.
Im allgemeinen bevorzugte Halbleitermaterialien sind Carbide, insbesondere Siliciumcarbid (dotiert und undotiert) und Borcarbid. Siliciumcarbid ist im allgemeinen bevorzugt.
Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Heißzonenzusammensetzungen enthalten Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid, Molybdändisilicid und Siliciumcarbid. Wie oben bereits erwähnt, liegt das Molybdändislicid zumindest nach bestimmten Ausführungsformen in einer Menge von 9 bis 12 Vol.-% vor. Für einen 24-Volt-Zünder beläuft sich eine besonders bevorzugte Molybdändisilicid-Konzentration auf etwa 9,2 bis 9,5 Vol.-%, bezogen auf die Summe der Komponenten der Heißzonenzusammensetzung.
Wie oben besprochen enthalten erfindungsgemäße Zünder in der Regel außerdem auch noch mindestens einen oder mehrere Kaltzonenbereiche mit geringem spezifischem Widerstand in elektrischer Verbindung mit der Heißzone, damit an dem Zünder Drahtzuleitungen angebracht werden können. In der Regel wird eine Heißzonenzusammensetzung zwischen zwei Kaltzonen angeordnet. Derartige Kaltzonenbereiche bestehen vorzugsweise aus z.B. AlN und/oder Al₂O₃ oder anderem isolierenden Material; SiC oder anderem Halbleitermaterial und MoSi₂ oder anderem leitfähigem Material. Kaltzonenbereiche enthalten jedoch einen wesentlichen höheren Prozentanteil der leitfähigen und halbleitenden Materialien (z.B. SiC und MoSi₂) 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 so stark wie die Heißzone. Weiter bevorzugt beträgt der spezifische Widerstand der Kaltzone(n) bei Raumtemperatur 5 bis 20 Prozent des spezifischen Widerstands der Heißzone bei Raumtemperatur.
Eine bevorzugte Kaltzonenzusammensetzung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Zünder 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 leitfähigen Materialien.
Der elektrisch isolierende Kühlkörper 16 sollte aus einer Zusammensetzung bestehen, die so viel thermische Mase liefert, daß die Konvektionskühlung der Heißzone gemildert wird. Bei Anordnung als Einschub zwischen zwei leitfähigen Beinen, wie es am Beispiel des in 1 dargestellten Systems gezeigt ist, sollte der Einschub 16 außerdem mechanischen Halt für die verlängerten Kaltzonenabschnitte 14a und 14b liefern und den Zünder widerstandsfähiger machen. Nach einigen Ausführungsformen kann der Einschub 16 mit einem Schlitz versehen sein, um die Masse des Systems zu vermindern. Vorzugsweise hat der elektrisch isolierende Kühlkörper einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von mindestens etwa 10⁴ Ohm-cm und eine Festigkeit von mindestens etwa 150 MPa. Weiter bevorzugt hat das Kühlkörpermaterial eine Wärmeleitfähigkeit, die nicht so hoch ist, daß sich der gesamte Kühlkörper aufheizt und wärme auf die Zuleitungen überträgt, und nicht so niedrig ist, daß seine vorteilhafte Kühlkörperfunktion zunichte gemacht wird. Geeignete keramische Zusammensetzungen für den Kühlkörper sind u.a. Zusammensetzungen mit mindestens etwa 90 Vol.-% Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid und/oder Aluminiumoxid oder Gemischen davon. Bei Verwendung einer AlN-MoSi₂-SiC-Heißzonenzusammensetzung kann ein Kühlkörpermaterial mit mindestens 90 Vol.-%. Aluminiumnitrid und bis zu 10 Vol.-% Aluminiumoxid zwecks kompatibler Wärmeausdehnungs- und Verdichtungseigenschaften bevorzugt sein. Eine bevorzugte Kühl körperzusammensetzung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird in der US 6028292 A beschrieben.
Erfindungsgemäße keramische Zünder können mit verschiedenen Spannungen einschließlich Nennspannungen von 6, 8, 12, 24 und 120 Volt eingesetzt werden. Erfindungsgemäße Zünder können sich schnell von Raumtemperatur auf Betriebstemperaturen aufheizen, z.B. auf etwa 1350°C in 4 Sekunden oder weniger, sogar 3 Sekunden oder weniger oder sogar 2,75 oder 2,5 Sekunden oder weniger.
Erfindungsgemäße Zünder können auch mit einer Heißzonen-Leistungsdichte (Flächenbelastung) von 60 bis 200 Watt pro cm² des Heißzonenbereichs eine stabile Zündtemperatur liefern. Bevorzugte Leistungsdichten liegen bei 70 bis 180 Watt pro cm², weiter bevorzugt von etwa 75 bis 150 Watt pro cm².
Die Verarbeitung der keramischen Komponente (d.h. die Verarbeitungs- und Sinterbedingungen für den Grünkörper) und die Herstellung des Zünders aus der verdichteten Keramik können nach herkömmlichen Verfahren erfolgen. Derartige Verfahren werden in der Regel weitergehend gemäß US 5,786,565 A und US 5,191,508 A , auf die bereits Bezug genommen wurde, durchgeführt.
Zünder werden vorzugsweise mit erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Bei diesen Verfahren werden im allgemeinen mehrere Zünder, z.B. mindestens 5 Zünder, in der Regel mindestens 10 oder 20 Zünder, üblicherweise mindestens etwa 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 Zünder, gleichzeitig aus einem einzigen flächigen Material (Rohblock) hergestellt. Üblicherweise werden bis zu etwa 100 oder 200 Zünder zweckmäßigerweise weitgehend gleichzeitig hergestellt.
Insbesondere wird bei bevorzugten erfindungsgemäßen Zünderherstellungsverfahren ein flächiger Rohblock bereitgestellt, der mehrere festgemachte oder physikalisch befestigte "latente" Zünderelemente aufweist. Der flächige Rohblock weist Heiß- und Kaltzonenzusammensetzungen auf, die sich in einem Grünzustand (zu nicht mehr als etwa 96% bzw. 98% der theroetischen Dichte verdichtet) befinden, aber vorzugsweise auf mehr als etwa 40% oder 50% der theoretischen Dichte und zweckmäßigerweise auf bis zu 90 oder 95% der theoretischen Dichte, weiter bevorzugt auf mehr als etwa 60 bis 70% der theoretischen Dichte gesintert worden sind. Eine derartige Teilverdichtung erreicht man zweckmäßigerweise durch Warmpreßbehandlung, d.h. weniger als 1500°C, wie 1300°C, über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde unter einem Druck wie 3000 psi und unter Argonatmosphäre. Es wurde gefunden, daß der Rohblock bei Verdichtung der Heiß- und Kaltzonenzusammensetzungen auf mehr als 75 oder 80 Prozent der theoretischen Dichte bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten schwer zu schneiden ist. Ferner zeigen die Zusammensetzungen bei Verdichtung der Heiß- und Kaltzonenzusammensetzungen auf weniger als etwa 50 Prozent bei der nachfolgenden Verarbeitung häufig einen Güteabfall. Der Heißzonenabschnitt erstreckt sich über einen Teil der Dicke des Rohblocks, und der Rest bildet die Kaltzone.
Der Rohblock kann relativ viele verschiedene Formen und Abmessungen haben. Vorzugsweise ist er zweckmäßigerweise weitgehend quadratisch, z.B. ein 9 Zoll mal 9 Zoll großes Quadrat, oder hat andere geeignete Abmessungen oder Formen, wie rechteckig usw. Der Rohblock wird dann vorzugsweise in Teile geschnitten, wie mit einem Diamantschneidwerkzeug. Diese Teile haben vorzugsweise weitgehend gleiche Abmessungen. Beispielsweise schneidet man einen 9 Zoll mal 9 Zoll großen Rohblock vorzugsweise in Drittel, wobei jedes der erhaltenen Teile 9 Zoll mal 3 Zoll groß ist.
Der Rohblock wird dann weiter zu einzelnen Zündern geschnitten (zweckmäßigerweise mit einem Diamantschneidwerkzeug). Ein erster Schnitt wird durch den Rohblock gehen, um für eine physikalische Trennung eines Zünderelements von einem benachbarten Element zu sorgen. Alternierende Schnitte gehen nicht durch die Länge des Rohblockmaterials, damit die isolierende Zone (Kühlkörper) in jeden Zünder eingeschoben werden kann. Jeder der Schnitte (sowohl durchgehende als auch nicht durchgehende Schnitte) können z.B. etwa 0,2 Zoll beabstandet sein.
Nach dem Einschub der Kühlkörperzone können die Zünder dann weiter verdichtet werden, vorzugsweise auf mehr als 99% der theoretischen Dichte. Ein derartiges Weitersintern erfolgt vorzugsweise bei hohen Temperaturen, z.B. bei oder etwas über 1800°C, unter einer heißisostatischen Presse.
Die mehreren, in den Rohblock gemachten Schnitte können zweckmäßigerweise in einem automatisierten Verfahren durchgeführt werden, bei dem der Rohblock durch ein automatisiertes System, z.B. unter Computersteuerung, in Position gebracht und mit einem Schneidwerkzeug geschnitten wird.
2 der Zeichnungen zeigt einen nach den erfindungsgemäßen Zünderherstellungsverfahren verarbeiteten Rohblock. Wie zu sehen ist, weist der Rohblock 10 eine Heißzusammensetzungszone 12 und eine Kaltzusammensetzungszone 14 mit einer dazwischenliegenden Grenzfläche 16 auf. In der in 2 dargestellten Fertigungsstufe befinden sich die Heiß- und die Kaltzonenzusammensetzung vorzugsweise in einem Grünzustand, sind aber vorzugsweise zu etwa 40% bis etwa 95% der theoretischen Dichte, weiter bevorzugt von etwa 50% bis etwa 70% der theoretischen Dichte, verdichtet.
Der bevorzugte Rohblock 10 hat zweckmäßigerweise weitgehend gleiche Abmessungen, d.h. vorzugsweise sind die in 2 dargestellten Abmessungen g und h ungefähr gleich, z.B. 9 Zoll mal 9 Zoll, wie oben besprochen.
Der Rohblock 10 wird dann vorzugsweise in Teile geschnitten, wie mit einem Diamantschneidwerkzeug. Diese Teile haben vorzugsweise weitgehend gleiche Abmessungen. Beispielsweise wird der Rohblock 10, wie in 2 dargestellt, vorzugsweise entlang den Linien 18a und 18b in Drittel geschnitten.
Der Rohblock 10 wird dann weiter zu einzelnen, nicht festgemachten Zünderelementen wie Zünder 22 geschnitten (zweckmäßigerweise mit einem Diamantschneidwerkzeug). Ein Schnitt geht ganz durch die Länge des Rohblocks hindurch (z.B. Schnitt 24), und jeder alternierende Schnitt (z.B. Schnitt 26) geht nicht ganz durch die Länge des Rohblocks hindurch, damit die elektrisch isolierende Zone (Kühlkörper) in jeden Zünder eingeschoben werden kann, wie durch Öffnung 28. Jeder Schnitt 24 und 26 ist zweckmäßigerweise beabstandet, z.B. um 0,2 Zoll.
Nach dem Einschub der Kühlkörperzone können die Zünder dann weiter verdichtet werden, vorzugsweise auf mehr als 99% der theoretischen Dichte, wie oben besprochen, vorzugsweise bei etwa 1815°C unter einer heißisostatischen Presse.
Die erfindungsgemäßen Zünder können bei vielen Anwendungen eingesetzt werden, u.a. bei Gasphasenbrennstoffentzündungsanwendungen, wie Öfen und Kochgeräten, Fußleistenheizungen, Boilern und Herdplatten.
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
Erfindungsgemäße Zünder wurden folgendermaßen hergestellt und getestet.
Für einen ersten Zünder, der hier als Zünder A bezeichnet wird, wurden eine Heiß- und eine Kaltzonenzusammensetzung hergestellt. Die Heißzonenzusammensetzung enthielt 70,8 Vol.-% (bezogen auf die gesamte Heißzonenzusammensetzung) AlN, 20 Vol.-% (bezogen auf die gesamte Heißzonenzusammensetzung) SiC und 9,2 Vol.-% (bezogen auf die gesamte Heißzonenzusammensetzung) MoSi₂. Die Kaltzonenzusammensetzung enthielt 20 Vol.-% (bezogen auf die gesamte Kaltzonenzusammensetzung) AlN, 20 Vol.-% (bezogen auf die gesamte Kaltzonenzusammensetzung) SiC und 60 Vol.-% (bezogen auf die gesamte Kaltzonenzusammensetzung) MoSi₂. Die Kaltzonenzusammensetzung wurde in ein Heißpreßwerkzeug eingetragen und im selben Werkzeug mit der Heißzonenzusammensetzung bedeckt. Die Kombination von Zusammensetzungen wurde unter Wärme und Druck zusammen verdichtet, was den Zünder A ergab.
Für einen zweiten Zünder, der hier als Zünder B bezeichnet wird, wurden eine Heiß- und eine Kaltzonenzuasmmensetzung hergestellt. Der Zünder B hatte die gleiche Geometrie und die gleiche Heißzonenzusammensetzung wie Zünder A. Die Kaltzonenzusammensetzung von Zünder B enthielt die gleichen Komponenten (AlN, SiC und MoSi₂) wie Zünder A, aber der Zünder B hatte einen Widerstand, der ungefähr dem Widerstand der Heißzone des Zünders B entsprach. Wie bei Zünder A wurde die Kaltzonenzusammensetzung für Zünder B in ein Heißpreßwerkzeug eingetragen und im selben Werkzeug mit der Heißzonenzusammensetzung bedeckt. Die Kombination von Zusammensetzungen wurde unter Wärme und Druck zusammen verdichtet, was den Zünder B ergab.
Die hergestellten Zünder A und B wurden bei 12 Volt unter Strom gesetzt. Bei Zünder A konzentrierte sich die Widerstandaufheizung im Heißzonenbereich des Zünders, wie in 3 gezeigt. Bei Zünder B wurden sowohl der Kaltzonenbereich als auch der Heißzonenbereich heiß, wie in 4 gezeigt.
BEISPIEL 2
Mit der gleichen Heißzonen- und Kaltzonenzusammensetzung wie für Zünder A in obigem Beispiel 1 wurden sieben weitere Zünder (Proben 1 bis 7 in der nachstehenden Tabelle) hergestellt. Die Heißzonenflächen jeder der Proben 1 bis 7 wurden variiert; diese Heißzonenflächen sind in cm² in nachstehender Tabelle aufgeführt. Der Gesamtwiderstand (in nachstehender Tabelle "Gesamtes.", in Ω), Heißzonenwiderstand (in nachstehender Tabelle "Heißzonenw.", in Ω), Kaltzonenwiderstand (in nachstehender Tabelle "Kaltzonenw.", in Ω) wurden jeweils gemessen und sind in nachstehender Tabelle aufgeführt.
TABELLE
Aus diesen Ergebnissen ging hervor, daß ein minimaler relativer Widerstand, Heißzonenwiderstand (Rhein) zu Kaltzonenwiderstand (R_kalt), von R_heiß ≥ 1,5 (R_kalt) für die Erzielung von Spitzenaufheizung für die Zünderproben optimal war.

Claims

Keramischer Zünder mit: a) einem Paar elektrisch leitfähiger Abschnitte, die jeweils ein erstes Ende aufweisen; und b) einer Widerstandsheißzone, die zwischen den ersten Enden der elektrisch leitfähigen Abschnitte angeordnet ist und mit jedem dieser Enden in elektrischer Verbindung steht, bei dem die Heißzone eine elektrische Weglänge von 0,51 bis 2 cm aufweist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone mit einem elektrisch nicht leitfähigen Kühlkörpermaterial in Kontakt steht.
Zünder nach Anspruch 2, bei dem das Kühlkörpermaterial zwischen den leitfähigen Abschnitten angeordnet ist.
Zünder nach Anspruch 2, bei dem sich jeder der elektrisch leitfähigen Abschnitte in der gleichen Richtung von der Heißzone erstreckt, wodurch ein Paar Beine ausgebildet wird, und das elektrisch nicht leitfähige Kühlkörpermaterial zwischen den Beinen angeordnet ist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone eine elektrische Weglänge von mindestens 0,6 cm aufweist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone eine elektrische Weglänge von 0,6 bis 1,5 cm aufweist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone eine elektrische Weglänge von 0,7 bis 0,9 cm aufweist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone nichtlinear ist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone weitgehend U-förmig ist.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem die Heißzone eine Zusammensetzung enthält, die ein elektrisch isolierendes Material und ein metallisches Leitermaterial enthält.
Zünder nach Anspruch 10, der außerdem auch noch ein Halbleitermaterial enthält.
Zünder nach Anspruch 10, bei dem die Heißzonenzusammensetzung (a) zwischen 25 und 80 Vol.-% eines elektrisch isolierenden Materials; (b) zwischen 3 und 45 Vol.-% eines halbleitenden Materials und (c) zwischen 5 und 25 Vol-% eines metallischen Leiters enthält.
Zünder nach Anspruch 12, bei dem die Heißzonenzusammensetzung MoSi₂ in einer Menge von etwa 9,2 bis 9,5 Vol.-% enthält.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem der spezifische Widerstand der elektrisch leitfähigen Abschnitte bei Raumtemperatur sich auf etwa 5 bis 20% des spezifischen Widerstands der Heißzone bei Raumtemperatur beläuft.
Zünder nach Anspruch 1, bei dem der spezifische Widerstand der Heißzone bei Raumtemperatur sich auf mindestens das 1,5fache des spezifischen Widerstands der Kaltzonenteile bei Raumtemperatur beläuft.
Keramischer Zünder mit: a) einem Paar elektrisch leitfähiger Abschnitte, die jeweils ein erstes Ende aufweisen; und b) einer Widerstandsheißzone, die zwischen den ersten Enden der elektrisch leitfähigen Abschnitte angeordnet ist und mit jedem dieser Enden in elektrischer Verbindung steht, bei dem die Heißzone bei einer Flächenbelastung von 60 bis 200 Watt pro cm² eine stabile Zündtemperatur aufweist.
Zünder nach Anspruch 16, bei dem die Heißzone eine elektrische Weglänge von 0,51 bis 2 cm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Zünders, bei dem man: a) einen elektrisch leitfähigen keramischen Körper mit mehreren festgemachten Zünderelementen bereitstellt; b) in jedes Element ein elektrisch nicht leitfähiges Material einschiebt und c) die mehreren Zünderelemente verdichtet.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem man ein Zünderelement vor dem Verdichten von benachbarten Elementen physikalisch trennt.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem man ferner in jedem Zünderelement einen Schlitz ausbildet und in den Schlitz ein elektrisch nicht isolierendes Material einschiebt.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem sich der Schlitz nicht über die gesamte Länge des Zünderelements erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem man bei der Ausbildung des Schlitzes ein Zünderelement von benachbarten Elementen physikalisch trennt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Körper mindestens etwa 20 festgemachte Zünderelemente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Körper mindestens etwa 50 festgemachte Zünderelemente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Körper mindestens etwa 100 festgemachte Zünderelemente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem sich der elektrisch leitfähige keramische Körper in Schritt a) in einem Grünzustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem man den elektrisch leitfähigen Körper im Grünzustand bei etwa 50% bis etwa 70% der theoretischen Dichte verdichtet.