ES2206068A1 - Composiciones para encendedores ceramicos. - Google Patents
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Abstract
Se proporcionan composiciones de encendedores cerámicos, que contienen componentes de material conductor y de material aislante, en las que el componente del material aislante incluye una concentración relativamente alta de óxido metálico. Los encendedores cerámicos de la invención son particularmente eficaces para usar a voltajes altos, incluyendo completamente el intervalo desde aproximadamente 187 a 264 voltios. Los encendedores de la invención son útiles también para voltajes inferiores tales como 120 V ó 102 V y por debajo de 100 V, tales como 6, 8, 12 ó 24 V.
Description
Composiciones para encendedores cerámicos.
La invención se refiere a composiciones de
encendedores cerámicos, y más particularmente, a composiciones
tales que contienen componentes de un material conductor y un
material aislante, en las que el componente del material aislante
incluye una concentración relativamente alta de óxido metálico.
Los materiales cerámicos han gozado de gran éxito
como encendedores en hornos, estufas y secadores de ropa.,
calentados por gas. La producción de encendedores cerámicos
requiere la construcción de un circuito eléctrico a través de un
componente cerámico, una parte del cual es altamente resistivo (de
gran resistencia eléctrica) y se eleva de temperatura cuando se
electrifica por un hilo conductor.
Un encendedor convencional, el
Mini-Igniter™, disponible de la compañía Norton
Igniter Products of Milford, N.H., está diseñado para aplicaciones
de 12 voltios a 120 voltios y posee una composición que comprende
nitruro de aluminio (''AIN''), disiliciuro de molibdeno
(''MoSi_{2}''), y carburo de silicio (''SiC''). Sin embargo, si
bien el Mini-Igniter™ es un producto altamente
eficaz, ciertas aplicaciones requieren voltajes superiores a
120V.
En particular, en Europa, los voltajes nominales
incluyen 220 V (por ejemplo, Italia), 230 V (por ejemplo, Francia),
y 240 V (por ejemplo Gran Bretaña). Los ensayos estándar de
aprobación de encendedores requieren operación en un intervalo
desde 85 por ciento al 110 por ciento del voltaje nominal
especificado. Así pues, para que un encendedor sea aprobado para
usar en Europa, el encendedor debe poder operar desde
aproximadamente 187 a 264 V (es decir, el 85% de 220 V y el 110% de
240 V), Los encendedores actuales tienen dificultad para
proporcionar tal intervalo de voltaje alto y extendido, en
particular cuando se emplea una longitud de la zona caliente
relativamente corta (por ejemplo, unos 3,05 cm o menos).
Por ejemplo, en aplicaciones de voltajes mayores,
los encendedores actuales pueden estar sometidos a fugas de
temperatura y, por tanto, requieren un transformador en el sistema
de regulación para disminuir el voltaje. El uso de un dispositivo
transformador tal es, claramente, menos deseable. Por consiguiente,
existe la necesidad de encendedores relativamente pequeños para
aplicaciones de alto voltaje, en particular a lo largo de un
intervalo desde aproximadamente 187 a 264 V, que no requieran un
transformador costoso, pero que todavía cumplan los requisitos
siguientes, establecidos por las industrias de instrumentación y
calefacción para prevenir variaciones en el voltaje de la red
eléctrica.
\dotable{\tabskip6pt#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ Tiempo para alcanzar la temperatura (''TTT'') \+ < 5 segundos\cr Temperatura mínima al 85% del voltaje especificado \+ 1100°C\cr Temperatura especificada al 100% del voltaje especificado \+ 1300°C\cr Temperatura máxima al 110% del voltaje especificado \+ 1500°C\cr Longitud de la zona caliente \+ < 3,0 - 3,8 cm\cr Potencia \+ < 100 W.\cr}
Para las características geométricas de un
encendedor dado, una posible vía para proporcionar un sistema de
mayor voltaje consiste en aumentar la resistencia del encendedor.
La resistencia de un cuerpo cualquiera viene regida, en general,
por la ecuación:
en cuya
ecuación
Rs = Resistencia;
Ry = Resistividad;
L = La longitud del conductor; y
A = La superficie en corte transversal del
conductor.
Debido a que la longitud de la rama única de los
encendedores cerámicos actuales es, aproximadamente, 3,05 cm, la
longitud de la rama no puede aumentarse apreciablemente sin reducir
su atractivo comercial. De modo semejante, la superficie en corte
transversal del encendedor más pequeño, entre aproximadamente
0,0064 y 0,016 centímetros cuadrados, no puede ser disminuida,
probablemente, por razones de fabricación.
La patente de EE.UU. no. 5.405.237 (''la patente
de ''Washburn'') describe composiciones adecuadas para la zona
caliente de un encendedor cerámico que comprende (a) entre 5 y 50%
en volumen (''v/o'' o ''vol%'') de MoSi_{2} y (b) entre 50 y 95
v/o de un material seleccionado entre el grupo que consta de
carburo de silicio, nitruro de silicio, nitruro de aluminio, nitruro
de boro, óxido de aluminio, aluminato de magnesio, oxinitruro de
aluminio y silicio, y sus mezclas.
Composiciones cerámicas y sistemas cerámicos
adicionales, sumamente útiles, están descritos en las patentes de
EE.UU. nos. 5.514.630 y 5.820.789, ambas otorgadas a Willkens et
al. La patente de EE.UU. no. 5.514.630 indica que las composiciones
de la zona caliente no deben exceder de 20 v/o de alúmina. La
patente de EE.UU. no. 5.756.215 describe composiciones sinterizadas
adicionales que incluyen capas de plomo que contienen hasta el 2%
en peso de carburo de silicio.
Por tanto, sería deseable disponer de nuevas
composiciones de encendedores cerámicos con zona caliente. Sería
particularmente deseable disponer de nuevas composiciones de
encendedores que pudieran operar con confianza en altos voltajes,
tales como desde aproximadamente 187 a 264 V, en especial con una
longitud de la zona caliente relativamente corta.
Se han descubierto en la actualidad nuevas
composiciones cerámicas que son particularmente eficaces para usar
a altos voltajes, incluso en un intervalo de 187 a 264 V.
Las composiciones cerámicas de la invención son
particularmente útiles para aplicaciones a voltajes inferiores,
incluyendo aplicaciones a 120 V, 102 V, 24 V, 12 V, 8 V ó 6 V. Las
composiciones de la invención pueden poner de manifiesto un consumo
de energía bastante eficaz y por tanto son sumamente útiles para
aplicaciones a tales voltajes inferiores.
Más específicamente, en un aspecto de la
invención, las composiciones cerámicas de la zona caliente, de la
invención, contienen al menos tres componentes : 1) un material
conductor; 2) un material semiconductor; y 3) un material aislante,
en las que el componente de material aislante incluye una
concentración relativamente alta de un óxido metálico, tal como
alúmina.
Se ha descubierto sorprendentemente que tal
concentración alta (por ejemplo, al menos aproximadamente 25 ó 30
v/o del componente del material aislante) de un óxido metálico,
proporciona una composición cerámica que puede habilitar, con
confianza, un voltaje nominal alto, que incluye 220, 230 y 240
V.
Además, se ha demostrado repetidamente que las
composiciones cerámicas de la zona caliente, de la invención,
habilitan fehacientemente un voltaje de la red a lo largo de un
intervalo de voltaje alto, extremadamente ancho, que incluye desde
aproximadamente 187 hasta aproximadamente 264 V. Por tanto, los
encendedores de la invención pueden ser empleados en Europa y
operan con confianza dentro del 85 por ciento y el 110 por ciento de
los diversos voltajes altos, distintos, utilizados en los varios
países de Europa. Ha de apreciarse también que si bien ciertas
composiciones convencionales de las zonas calientes pueden
habilitar un voltaje fidedigno, a un voltaje alto especificado,
esas composiciones a menudo fallan a medida que el voltaje es
variado a lo largo de un intervalo más ancho. Por consiguiente, las
composiciones de la invención que proporcionan un comportamiento
prolongado, digno de confianza, a lo largo de un intervalo de
voltaje alto, amplio, representan, claramente, un avance
importante.
Si bien las composiciones de la zona caliente de
la invención son particularmente eficaces para usar en voltajes
altos, como se ha discutida anteriormente, se ha encontrado que las
composiciones son asimismo sumamente útiles para aplicaciones en
voltajes inferiores, incluyendo 120 V ó 102 V o incluso voltajes
más bajos, tales como aplicaciones por debajo de 100 V, por
ejemplo, aplicaciones a 6, 8, 12 ó 24 V, o sistemas todavía más
bajos tales como sistemas por debajo de 6 V. Por ejemplo, los
encendedores y las composiciones de la zona caliente, de la
invención, pueden usarse en sistemas de ignición accionados por
pilas. eléctricas Se ha puesto de manifiesto que las composiciones
cerámicas de la zona caliente, de la invención, ponen de manifiesto
una eficacia excepcional de consumo de energía, haciendo por ello
particularmente útiles las composiciones y encendedores para tales
aplicaciones a voltajes bajos. Véanse, por ejemplo, los resultados
del Ejemplo 6 que figura seguidamente. Tal eficacia mejorada de
consumo de energía puede permitir también el uso en un sistema de
ignición de componentes más económicos, por ejemplo, pudiera
emplearse con un encendedor de la invención un transformador menos
costoso (de menor calidad), con relación un encendedor comparable
que comprendiera una composición diferente de la zona caliente.
Las composiciones cerámicas de la zona caliente y
los encendedores de la invención también pueden poner de manifiesto
un coeficiente de difusión térmica inferior y mayor calor específico
que los sistemas anteriores, permitiendo que las composiciones de la
invención retengan más energía térmica durante periodos de tiempo
prolongados. Véanse, por ejemplo, los resultados del Ejemplo 7 que
figura más adelante.
Los encendedores cerámicos preferidos, de la
invención, poseen una composición de la zona caliente que
comprende:
- (a)
- un material eléctricamente aislante que posee una resistividad de al menos, aproximadamente, 10^{10} ohm-cm;
- (b)
- entre aproximadamente 3 y aproximadamente 45 v/o de un material semiconductor que posee una resistividad entre aproximadamente 1 y aproximadamente 10^{8} ohm-cm,
estando constituida por el material semiconductor
de preferencia entre aproximadamente el 5 y aproximadamente el 45
v/o de la composición de la zona caliente;
- (c)
- un conductor metálico que posee una resistividad menor que, aproximadamente, 10^{-2} ohm-cm,
estando constituida preferiblemente por el
conductor metálico entre aproximadamente el 5 y aproximadamente el
25 v/o de la composición de la zona caliente,
y en los que al menos aproximadamente el 21 v/o
de la composición de la zona caliente comprende un material
aislante. Preferiblemente, al menos aproximadamente el 25 v/o de la
composición de la zona caliente comprende un material aislante del
tipo de un óxido metálico tal como alúmina, más preferiblemente al
menos aproximadamente 30, 40, 50, 60, 70 u 80 de la composición de
la zona caliente comprende un material aislante del tipo de un
óxido metálico tal como alúmina. Preferiblemente, al menos
aproximadamente el 25 v/o del material aislante está constituido
por un óxido metálico tal como alúmina, más preferiblemente, al
menos aproximadamente el 30, 40, 50, 60, 70, 80 ó 90 v/o del
material aislante está constituido por un óxido metálico tal como
alúmina. También se prefiere cuando el único componente de material
aislante es un óxido metálico. Preferiblemente la composición de la
zona caliente comprende entre aproximadamente 25 y aproximadamente
80 v/o del material aislante, más preferiblemente entre
aproximadamente el 40 y aproximadamente el 70 v/o de la composición
de la zona caliente está constituido por el material aislante.
Los encendedores cerámicos preferidos,
adicionales, de la invención poseen una composición de la zona
caliente que comprende un material eléctricamente aislante que
posee una resistividad de al menos, aproximadamente, 10^{10}
ohm-cm, estando constituida una parte sustancial del
material aislante por un óxido metálico tal como alúmina, un
material semiconductor que es un carburo tal como carburo de
silicio, en una cantidad de al menos, aproximadamente, 3, 4, 5 ó 10
v/o; y un conductor metálico.
En otro aspecto de la invención, los encendedores
cerámicos de la invención preferidos tienen una composición de la
zona caliente que está sustancialmente libre de un carburo tal como
el SiC. Tales composiciones comprenden un conductor metálico y un
material eléctricamente aislante que posee una resistividad de al
menos, aproximadamente, 10^{10} ohm-cm, estando
constituida una parte de tal material aislante por un óxido metálico
tal como alúmina, y conteniendo también el componente del material
aislante otro material aislante que no es un óxido, por ejemplo un
nitruro tal como AIN. Tales composiciones pueden contener la misma
cantidad o cantidades similares como se ha discutido anteriormente
para las composiciones terciarias de material aislante/material
semiconductor/material eléctricamente conductor.
Los encendedores cerámicos de superficie
caliente, de la invención. pueden ser producidos con longitudes de
la zona caliente bastante pequeñas por ejemplo, aproximadamente,
3,81 cm o menos, o incluso, aproximadamente, 3,30, 3,05, ó 2,54 cm
o menos, y usados con confianza a voltajes altos, incluyendo desde
aproximadamente 187 a 264 V, en ausencia de cualquier tipo de
dispositivo electrónico de regulación para medir la energía enviada
al encendedor. Ha de entenderse en esta memoria que pare
encendedores de características geométricas de varias ramas (por
ejemplo, un diseño acanalado en horquilla), la longitud de la zona
caliente es la longitud de la zona caliente a lo largo de una sola
rama del encendedor de varias ramas.
Además, los encendedores de la invención pueden
calentarse rápidamente a las temperaturas de operación, por
ejemplo, a aproximadamente 1300°C, 1400°C ó 1500°C, en
aproximadamente 4 ó 5 segundos o menos, o incluso 3, 2,5 ó 2
segundos o menos.
Las composiciones de la zona caliente preferidas,
de la invención, poner de manifiesto también una capacidad
espectacular de alta temperatura, es decir una exposición repetida a
temperatura altas sin fallo. La invención incluye por tanto,
métodos de ignición que no requieren un calentamiento renovado de
elemento encendedor con cada ignición con combustible. Mas bien, el
encendedor puede ser hecho funcionar continuamente a una temperatura
de ignición elevada durante periodos de tiempo largos proporcionando
una ignición inmediata, por ejemplo, durante una extinción fortuita
de la llama por agotamiento de combustible. Más específicamente,
los encendedores de la invención pueden ser hechos funcionar a una
temperatura elevada (por ejemplo, aproximadamente, 800°C, 1000°C,
1100°C, 1200°C, 1300°C, 1350°C, etc.) durante períodos de tiempo
largos sin periodo de enfriamiento, por ejemplo, a tales
temperaturas durante al menos 2, 5, 10, 20, 30, 60 ó 120 minutos o
más.
Los encendedores de la invención pueden tener una
diversidad de diseños y configuraciones. Los diseños preferidos
incluyen sistemas de horquilla "acanalados" o de dos ramas,
donde las ramas conductoras están interpuestas mediante un espacio
vacío y están punteadas por una región de la zona caliente. Es
preferido para muchas aplicaciones un diseño ''acanalado'', que no
incluye una zona vacía. Los diseños típicos de los encendedores
tienen una región aislante interpuesta entre las ramas conductoras
y que están en contacto con una región resistiva de la zona
caliente.
Se ha encontrado que los diseños acanalados de
los encendedores empleados según la invención (es decir, en los que
una región central del encendedor comprende un no conductor o
aislante interpuesto entre un par de regiones conductoras y en
contacto con una zona caliente resistiva), pueden fallar
prematuramente, en particular por la denominada ''formación de
arco'' cuando la corriente atraviesa la región central no
conductora existente entre las dos regiones conductoras, en vez de
circular hacia la región resistiva de la zona caliente. En otras
palabras, tiene lugar ruptura dieléctrica a través de la región del
aislante. Tal ''formación de arco'' de corriente indeseada a través
de una región no conductora interpuesta, puede llegar a ser más
predominante a aplicaciones de voltajes mayores, tales como por
encima de 200 V.
Los inventores presentes han encontrado diversos
enfoques para evitar tal formación de arco indeseada en sistemas de
encendedores acanalados. Una estrategia preferida es aumentar el
contenido de nitruro de aluminio de la composición de la región
aislante y, correspondientemente, disminuir el contenido de óxido
de aluminio. Se ha encontrado que tal aumento en el contenido de
AIN puede evitar eficazmente la formación de arco indeseada Otro
enfoque tiene en cuenta la oxidación de la región aislante formada.
Se ha encontrado que tal oxidación, (por ejemplo tratamiento por
calor al aire tratamiento con un oxidante químico) puede hacer que
la región aislante sea más resistiva y eléctricamente estable.
Otros aspectos de la invención serán descritos
más adelante.
La Fig. 1 muestra una microestructura de una
composición terciaria preferida, de la zona caliente de la
invención, en la que el Al_{2}O_{3} es gris, el SiC es gris
claro, y el MoSi_{2} es blanco.
La Fig. 2 muestra una microestructura de una
composición anterior de la zona caliente que no contiene óxido
metálico, en la que el AIN es gris, el SiC es gris claro y el
MoSi_{2} es blanco.
Las Fig, 3A a 3D describen diseños de
encendedores ''acanalados'' y ''sin acanalar''.
Como se ha indicado anteriormente, en un primer
aspecto, la invención proporciona un elemento encendedor cerámico
sinterizado que comprende dos zonas frías con una zona caliente
situada entre ellas, comprendiendo la zona caliente una composición
de zona caliente que comprende (a) una materia eléctricamente
aislante; (b) al menos aproximadamente 3% en volumen de un material
semiconductor; y (c) un conductor metálico que posee una
resistividad menor que, aproximadamente, 10^{-2}, en el que al
menos aproximadamente e 21% en volumen de la composición de la zona
caliente comprende una materia aislante del tipo de un óxido
metálico.
Se proporciona también un cuerpo cerámico
sinterizado que tiene una composición de la zona caliente que
comprende (a) entre 25 y 80% en volumen de un material
eléctricamente aislante; (b) entre 3 y 45% en volumen de un
material semiconductor; y (c) entre 5 y 25% en volumen de un
conductor metálico que posee una resistividad menor que,
aproximadamente, 10^{-2} ohm-cm, en el que al
menos, aproximadamente, el 21% en volumen de la composición de la
zona caliente comprende un material aislante del tipo de un óxido
metálico.
Se proporciona otro elemento cerámico sinterizado
que posee una composición de la zona caliente que comprende (a) un
material eléctricamente aislante, cuyo material aislante contiene
un nitruro y un óxido metálico; y (b) un conductor metálico que
tiene una resistividad menor que, aproximadamente, 10^{-2}
ohm-cm, y la composición de la zona caliente está
sustancialmente libre de material de tipo carburo.
Se proporcionan asimismo métodos de someter a
ignición un combustible gaseoso, que comprenden, en general, hacer
pasar una corriente eléctrica a través de un encendedor de la
invención.
Como se ha discutido anteriormente, se ha
descubierto inesperadamente que añadiendo un volumen significante
de un óxido metálico a una composición cerámica de una zona
caliente puede obtenerse un encendedor cerámico que puede ser
utilizado eficazmente bajo un voltaje nominal alto, incluyendo 220,
230 ó 240 V. Además, estas composiciones de la zona caliente pueden
ser útiles a lo largo de un intervalo sumamente amplio de voltajes
y, por tanto, las composiciones pueden emplearse también para
aplicaciones a voltajes más bajos, por ejemplo para aplicaciones a
120 V ó 102 V o incluso voltajes inferiores tales como 6 a 24
V.
Como también se ha discutido anteriormente y se
demuestra en los ejemplos que figuran seguidamente, las
composiciones de la zona caliente y los encendedores de la
invención, pueden poner de manifiesto una eficacia bastante buena
en cuanto al consumo de energía así como también menor difusividad
térmica y mayor calor específico que los sistemas anteriores.
Sin estar ligados a teoría alguna, se piensa que
tales propiedades, tanto por separado como en combinación, pueden
facilitar el comportamiento de los encendedores de la invención en
aplicaciones a voltajes bajos, tales como aplicaciones por debajo
de 100 V. En particular, tales propiedades de consumo eficaz de
energía y/o de difusividad térmica hacen que los encendedores de la
invención sean practicables para igniciones accionadas por pilas
eléctricas, por ejemplo, como pueden emplearse con dispositivos de
calentamiento o de cocina exteriores o portátiles, tales como
unidades de barbacoas, cocina (parrillas) y unidades de
calentamiento usadas con vehículos de recreo, y semejantes.
Los óxidos metálicos adecuados para usar en el
componente del material aislante incluyen, por ejemplo, óxido de
aluminio, un oxinitruro metálico tal como oxinitruro de aluminio y
oxinitruro de silicio, óxido de aluminio y magnesio y óxido de
aluminio y silicio. Para los fines de esta invención, un oxinitruro
metálico se considera un óxido metálico. En algunas realizaciones,
serán preferidos óxidos metálicos que no contengan componente
nitrogenado, es decir, el óxido metálico no contiene átomos de
nitrógeno. El óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}) es el óxido
metálico generalmente preferido. También puede emplearse, si se
desea, una mezcla de diferentes óxidos metálicos, aun cuando más
típicamente se emplea un solo óxido metálico.
Para los fines de la presente invención, la
expresión material eléctricamente aislante alude a un material que
posee una resistividad a temperatura ambiente de al menos 10^{10}
ohm-cm, aproximadamente. El componente del material
eléctricamente aislante de las composiciones de la zona caliente,
de la invención, puede estar constituido únicamente por uno o más
óxidos metálicos, o alternativamente, el componente aislante puede
contener otros materiales además del óxido u óxidos metálicos. Por
ejemplo, el componente del material aislante puede contener
adicionalmente un nitruro tal como un nitruro de aluminio, nitruro
de silicio o nitruro de boro; un óxido de un metal de las tierras
raras (por ejemplo, itrio); o un oxinitruro de un metal de las
tierras raras. Un material del componente aislante añadido,
preferido, es nitruro de aluminio (AIN). Se piensa que el uso de
un material aislante adicional tal como el nitruro de aluminio, en
combinación con un óxido metálico puede dotar a la zona caliente de
propiedades de compatibilidad de expansión térmica deseables al
tiempo que mantener las capacidades deseadas de voltajes altos.
Como se ha discutido anteriormente, el componente
del material aislante contiene como parte importante, uno o más
óxidos metálicos. Más específicamente, al menos el 25 v/o,
aproximadamente, del compuesto del material aislante está
constituido por uno o más óxidos metálicos, más preferiblemente al
menos aproximadamente el 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 ó
98 v/o del material aislante está constituido por uno o más óxidos
metálicos tales como alúmina.
Las composiciones de la zona caliente preferidas,
de la invención, incluyen aquellas que contienen un componente de
material aislante que es una combinación de únicamente un óxido
metálico y un nitruro metálico, en particular una combinación de
alúmina (Al_{2}O_{3}) y nitruro de aluminio (AIN).
Preferiblemente, el óxido metálico es la parte principal de tal
combinación, por ejemplo, cuando el componente aislante contiene al
menos, aproximadamente, 50, 55, 60, 70, 80, 85, 90, 95 ó 98 v/o de
un óxido metálico tal como alúmina, siendo el resto un nitruro
metálico tal como nitruro de aluminio.
Las composiciones de la zona caliente,
preferidas, de la invención, incluyen también aquellas en que el
componente del material aislante está constituido totalmente por
uno o más óxidos metálicos tales como alúmina.
Cuando se añade alúmina al cuerpo sin sinterizar
de una composición de la zona caliente, puede seleccionarse
cualquier polvo de alúmina convencional. Típicamente, se usa polvo
de alúmina de un tamaño medio de grano entre aproximadamente 0,1 y
aproximadamente 10 micrómetros, y sólo aproximadamente 0,2% en peso
de impurezas. Preferiblemente, la alúmina tiene un tamaño de grano
entre aproximadamente 0,3 y aproximadamente 10 µm. Más
preferiblemente, se emplea una alúmina calcinada Alcoa, adquirible
de Alcoa Industrial Chemicals of Bauxite, Ark. Adicionalmente, la
alúmina puede introducirse en otras formas distintas de un polvo,
incluyendo, aun cuando no limitado a ellas, enfoques de alúmina
sol-gel e hidrólisis de una parte del nitruro de
aluminio.
En general, las composiciones preferidas de la
zona caliente incluyen (a) entre aproximadamente 50 y
aproximadamente 80 v/o de un material eléctricamente aislante que
posee una resistividad de al menos, aproximadamente, 10^{10}
ohm-cm; (b) entre aproximadamente 5 y
aproximadamente 45 v/o de un material semiconductor que posee una
resistividad entre aproximadamente 10 y aproximadamente 10^{8}
ohm-cm; y (c) entre aproximadamente 5 y
aproximadamente 25 v/o de un conductor metálico que posee una
resistividad menor que, aproximadamente, 10^{-2}
ohm-cm. Preferiblemente, la zona caliente comprende
50-70 v/o de material cerámico eléctricamente
aislante, 10-45 v/o del material cerámico
semiconductor y 6-16 v/o del material
conductor.
Si el componente cerámico eléctricamente aislante
está presente en más de 80 v/o, aproximadamente, de la composición
de la zona caliente, la composición resultante puede hacerse
demasiado resistiva y ser inaceptablemente lenta para conseguir las
temperaturas diana a voltajes altos. A la inversa, si se encuentra
presente en menos de aproximadamente 50 v/o (por ejemplo, cuando el
material cerámico conductor está presente en aproximadamente 8
v/o), la composición cerámica resultante se hace demasiado
conductora a voltajes altos. Claramente, cuando la fracción
cerámica conductora está elevada por encima del 8 v/o, la zona
caliente es más conductora y los límites superior e inferior de la
fracción aislante pueden elevarse adecuadamente para conseguir el
voltaje requerido.
Como se ha discutido anteriormente, en otro
aspecto de la invención, las composiciones de la zona caliente
cerámica se proporcionan para que estén, al menos sustancialmente,
libres de un carburo tal como el SiC, o preferiblemente cualquier
otro material semiconductor. Tales composiciones comprenden un
conductor metálico y un material eléctricamente aislante que posee
una resistividad de al menos, aproximadamente, 10^{10}
ohm-cm, estando constituida una parte sustancial de
tal material aislante por un óxido metálico tal como alúmina, y
conteniendo también el componente de material aislante otro
material que no es un óxido, por ejemplo, un nitruro tal como AIN.
Preferiblemente, tales composiciones contienen menos de 5 v/o,
aproximadamente, de un carburo, más preferiblemente, las
composiciones contienen menos de 2, 1, 0,5 v/o, aproximadamente, de
un carburo, o todavía más preferiblemente, tales composiciones de
la zona caliente están completamente libres de carburo, u otro
material semiconductor.
Para los fines de la presente invención, un
material cerámico semiconductor (o "semiconductor") es un
material cerámico que posee una resistividad a temperatura ambiente
entre aproximadamente 10 y 10^{8} ohm-cm. Si el
componente semiconductor se encuentra presente en más de 45 v/o
aproximadamente, de la composición de la zona caliente (cuando el
material cerámico conductor está en el intervalo de aproximadamente
6-10 v/o), la composición resultante se hace
demasiado conductora para aplicaciones en voltajes altos (debido a
la ausencia de aislante). Al revés, si se encuentra presente en
menos de 10 v/o, aproximadamente, (cuando el material cerámico
conductor se encuentra en el intervalo de 6-10 v/o,
aproximadamente), la composición resultante se hace demasiado
resistiva (debido a demasiado aislante). De nuevo, a niveles
superiores de conductor, se necesitan mezclas más resistivas de las
fracciones aislante y semiconductora para conseguir el voltaje
deseado. Típicamente, el semiconductor es un carburo seleccionado
entre el grupo que consta de carburo de silicio (impurificado y sin
impurificar), y carburo de boro. En general se prefiere carburo de
silicio.
Para los fines de la presente invención, un
material conductor es uno que posee una resistividad a temperatura
ambiente menor que 10^{-2} ohm-cm,
aproximadamente. Si el componente conductor está presente en una
cantidad mayor de 25 v/o, aproximadamente, de la composición de la
zona caliente, el componente cerámico resultante se hace demasiado
conductor para aplicaciones a voltajes altos, dando por resultado
un encendedor inaceptablemente caliente. Al revés, si está presente
en menos de 6 v/o, aproximadamente, el componente cerámico se hace
demasiado resistivo pare aplicaciones de voltajes altos, dando por
resultado un encendedor inaceptablemente frío. Típicamente, el
conductor se selecciona entre el grupo que consta de disiliciuro de
molibdeno, disiliciuro de wolframio, y nitruros tales como nitruro
de titanio y carburos tales como carburo de titanio. En general, se
prefiere el disiliciuro de molibdeno.
Las composiciones de la zona caliente, de la
invención, particularmente preferidas, contienen óxido de aluminio,
disiliciuro de molibdeno y carburo de silicio, empleándose
opcionalmente nitruro de aluminio como material adicional del
componente de material aislante.
El diseño de encendedor de zona caliente/fría,
tal como se describe en la patente de Washbum (patente de EE.UU.
no. 5.405.237), puede usarse adecuadamente según la presente
invención. La zona caliente proporciona el calentamiento funcional
para la ignición de gas. Para aplicaciones de voltajes altos (por
ejemplo 187 a 264 V), la zona caliente posee preferiblemente una
resistividad de aproximadamente 1-3
ohm-cm en el intervalo de temperaturas de 1000° a
1600°C. Una composición de la zona caliente específicamente
preferida comprende aproximadamente 50 a 80 v/o de Al_{2}O_{3},
aproximadamente 5-25 v/o de MoSi_{2} y
10-45 v/o de SiC. Más preferiblemente, comprende
aproximadamente 60 a 80 v/o de óxido de aluminio y aproximadamente
6-12 v/o de MoSi_{2}, y 15-30 v/o
de SiC. En una realización especialmente preferida, la zona
caliente comprende aproximadamente 66 v/o de Al_{2}O_{3}, 14 v/o
de MoSi_{2} y 20 v/o de SiC.
En realizaciones preferidas el tamaño medio de
grano (d50) de los componentes de la zona caliente en el cuerpo
densificado es como sigue:
- a)
- aislante (por ejemplo Al_{2}O_{3}, AIN, etc): entre 2 y 10 micrómetros, aproximadamente;
- b)
- semiconductor (por ejemplo, SiC): entre 1 y 10 micrómetros aproximadamente; y
- c)
- conductor (por ejemplo, MoSi_{2}): entre 1 y 10 micrómetros aproximadamente.
La Fig. 1 describe la microestructura de una
composición de una zona caliente preferida, de la invención, que
está constituida por una mezcla sinterizada de Al_{2}O_{3}, SiC y
MoSi_{2}. Como puede apreciarse en la Fig. 1, la composición
posee una disposición de los componentes relativamente homogénea,
es decir, los componentes están bien distribuidos a todo lo largo
de la composición y la microestructura está, al menos esencialmente,
desprovista de zonas grandes (por ejemplo de 30, 40 ó 50 µ de
ancho) de un componente solo de la composición. Además, las zonas
del componente del material conductor (MoSi_{2}) poseen bordes
coherentes, definidos, y no están en forma de plumas.
La Fig. 2 muestra una microestructura de una
composición de una zona caliente de la técnica anterior que no
contiene óxido metálico. En la Fig. 2, las zonas de componente del
material conductor (MoSi_{2}) no tienen límites bien definidos y
en lugar de ello son difusos y ''en forma de plumas''.
Los encendedores de la invención pueden tener una
diversidad de configuraciones. Un diseño preferido es un sistema
acanalado, tal como un diseño en herradura o en horquilla. También
se prefiere emplear una configuración de barra recta (sin acanalar)
con extremos fríos o extremos de conexión terminales sobre extremos
opuestos del cuerpo.
Los encendedores de la invención contienen
también típicamente, al menos una región de zona fría de
resistividad baja en conexión eléctrica con la zona caliente para
permitir la fijación de hilos conductores al encendedor.
Típicamente, la composición de la zona caliente está situada entre
dos zonas frías. Preferiblemente, tales regiones de zona fría están
compuestas de, por ejemplo, AIN y/o Al_{2}O_{3} u otro material
aislante; SiC u otro material semiconductor; y MoSi_{2} u otro
material conductor. Sin embargo, las regiones de las zonas frías
pueden tener un porcentaje apreciablemente mayor de los materiales
conductor y semiconductor (por ejemplo, SiC y MoSi_{2}) que la
zona caliente. Por consiguiente, las regiones de la zona fría
tienen solo, aproximadamente, 1/5 a 1/1000 de la resistividad de la
composición de la zona caliente y no se elevan de temperatura a los
niveles de la zona caliente. La composición preferida de la zona
fría comprende aproximadamente 15 a 65 v/o de óxido de aluminio,
nitruro de aluminio u otro material aislante; y aproximadamente 20
a 70 v/o de MoSi_{2} y SiC u otro material conductor y
semiconductor, en una relación en volumen desde aproximadamente 1:1
hasta aproximadamente 1:3. Más preferiblemente, la zona fría
comprende aproximadamente 15 a 50 v/o de AIN y/o Al_{2}O_{3}, 15
a 30 v/o de SiC y 30 a 70 v/o de MoSi_{2}. Por facilidad de
fabricación, preferiblemente la composición de la zona fría está
formada con los mismos materiales que la composición de la zona
caliente, siendo mayores las cantidades relativas de los materiales
semiconductor y conductor.
Una composición especialmente preferida de la
zona fría para usar en los encendedores de la invención, contiene
60 v/o de MoSi_{2}, 20 v/o de SiC y 20 v/o de Al_{2}O_{3}. Una
composición particularmente preferida de la zona fría para usar en
los encendedores de la invención, contiene 30 v/o de MoSi_{2}, 20
v/o de SiC y 50 v/o de Al_{2}O_{3}.
Como se ha discutido anteriormente los diseños de
encendedores sin acanalar contienen preferiblemente una región no
conductora interpuesta entre dos ramas conductoras.
Preferiblemente, la región aislante sinterizada posee una
resistividad de al menos, aproximadamente, 10^{14}
ohm-cm a temperatura ambiente y una resistividad de
al menos, aproximadamente, 10^{4} ohm-cm a las
temperaturas de operación y una robustez de al menos,
aproximadamente, 150 MPa. Preferiblemente, la región aislante
interpuesta de un sistema sin acanalar posee una resistividad a las
temperaturas de operación que es al menos 2 órdenes de magnitud
mayor que la resistividad de la región de la zona caliente. Las
composiciones aislantes adecuadas comprenden al menos 90 v/o de uno
o más nitruro de aluminio, alúmina y nitruro de boro. Las
composiciones aislantes preferidas en general son una mezcla de 1)
AIN y/o Al_{2}O_{3}, y 2) SiC. Preferiblemente, la composición
comprende al menos, aproximadamente, 90 v/o de una mezcla de AIN y
Al_{2}O_{3}.
Según se ha discutido anteriormente, para evitar
la formación de arco en diseños sin acanalar, preferiblemente la
composición aislante comprende AIN además de otros materiales
resistivos, en particular un óxido metálico tal como Al_{2}O_{3}.
Se ha encontrado que la adición de AIN puede evitar que ocurra la
ruptura dieléctrica de la región aislante. También los inventores
presentes han descubierto sorprendentemente que el uso de AIN en
una composición aislante puede evitar la ruptura dieléctrica
indeseada durante el empleo de un encendedor, mientras que la
adición de otros materiales altamente resistivos no reduce de tal
modo la formación de arco.
Las composiciones aislantes preferidas, de la
invención, están constituidas por AIN, Al_{2}O_{3} y SiC. En
tales composiciones aislantes de AIN/ Al_{2}O_{3}/SiC, el AIN
está presente preferiblemente en una cantidad de al menos,
aproximadamente, 10, 15, 20, 25 ó 30 por ciento en volumen con
relación al Al_{2}O_{3}. Las composiciones aislantes generalmente
preferidas para usar en encendedores sin acanalar, de la
invención, contienen AIN en una cantidad desde aproximadamente 3 a
25 v/o, más preferiblemente, aproximadamente, 5 a 20 v/o y todavía
más preferiblemente, aproximadamente, 10 a 15 v/o; Al_{2}O_{3} en
una cantidad de 60 a 90 v/o, más preferiblemente, 65 a 85 v/o;
todavía más preferiblemente 70 a 80 v/o; incluso más
preferiblemente, 75 a 80 v/o; y SiC en una cantidad de 5 a 20 v/o
preferiblemente 8 a 15 v/o. Una composición aislante específicamente
preferida para un encendedor sin acanalar de la invención, consta
de 13 v/o de AIN, 77 v/o de Al_{2}O_{3}, y el resto SiC.
Como se ha discutido antes, se ha encontrado que
el tratamiento oxidante de las regiones aislantes de los
encendedores de la invención puedo evitar también la ruptura
dieléctrica indeseada. Por ejemplo, un encendedor puede calentarse,
por ejemplo, a 1300-1700°C, aproximadamente, de
preferencia 1500 a 1600°C, aproximadamente, en aire, durante un
período de tiempo de extensión, por ejemplo, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5,
0,6, 0,7, 0,8, 0,9 ó 1 hora o más, para proporcionar un
tratamiento oxidante eficaz de la región aislante. Sin embargo, tal
tratamiento oxidante implica tratamiento adicional y requiere lo
preparación de nuevo de las ramas conductoras después de la
oxidación.
Las dimensiones del encendedor pueden afectar a
sus propiedades comportamiento. En general, la longitud de la rama
única de la zona caliente debe ser mayor que 1,27 cm (para
proporcionar masa suficiente para que el flujo de gas de covección
de enfriamiento no afecte significativamente a su temperatura) pero
menor que aproximadamente 1,27 cm (para proporciona suficiente
aspereza mecánica). Su anchura debe ser mayor que aproximadamente
0,25 cm para proporcionar suficiente robustez y facilidad de
fabricación. Similarmente, su grosor debe ser superior a
aproximadamente 0,051 cm para proporcionar suficiente robustez y
facilidad de fabricación Preferiblemente, un encendedor de la
invención tiene típicamente, entre aproximadamente 3,18 y
aproximadamente 5,08 cm de longitud total de la rama única, posee
una superficie en corte transversal de la zona caliente de entre
aproximadamente 0,00645 y aproximadamente 0,0323 centímetros
cuadrados, (más preferiblemente, menos de 0,0161 centímetros
cuadrados), tienen un diseño de horquilla de dos ramas.
Para un encendedor de horquilla, de dos ramas,
preferido, útil en voltajes desde 187 a 264 voltios, y con una
composición de la zona caliente de aproximadamente 66 v/o de
Al_{2}O_{3}, aproximadamente 20 v/o de SiC aproximadamente 13,3
v/o de MoSi_{2}, se prefieren las siguientes dimensiones del
encendedor: longitud de aproximadamente 2,92 cm; anchura de la rama
individual aproximadamente 0,12 cm; y grosor de aproximadamente
0,076 cm. Tal diseño y composición es útil también para aplicaciones
a voltajes inferiores tales como 6, 8, 12, 24, 102 ó 120 V.
El diseño preferido de encendedor sin
''acanalar'' tiene una longitud global entre 3,18 y 5,08 cm, una
longitud de la zona caliente desde aproximadamente 0,25 hasta
aproximadamente 3,05 cm y una superficie en corte transversal de la
zona caliente entre aproximadamente 0,0064 y aproximadamente 0,0323
centímetros cuadrados. Para aplicaciones a voltajes inferiores, las
longitudes de la zona caliente preferidas son mas cortas, tales
como menos de 1,27 cm.
La Fig. 3A representa un sistema encendedor, 10,
con acanaladuras, preferido que tiene ramas conductoras 12 y 14
(zona fría), zona caliente de forma de U, 16, y ''canal'' o hueco
18 interpuesto entre las ramas conductoras 12 y 14. Como se ha
hecho referencia antes, la longitud de la zona caliente se describe
como la distancia x en la Fig. 3A con una longitud de encendedor y,
y una anchura z de la zona caliente y el encendedor.
Puede suministrarse corriente al encendedor 10
mediante los conductores situados en los extremos 12' y 14' de las
zonas conductoras 12 y 14, respectivamente.
La Fig. 3B representa un sistema encendedor 20
sin acanalar, preferido, que posee las ramas conductoras 22 y 24
(zona fría), la región aislante 26 interpuesta, y la zona caliente
de forma de U, 28. Como con el sistema sin acanalar, como se ha
descrito anteriormente, la longitud de la zona caliente se
representa como la distancia x en la Fig. 3B, con una longitud y del
encendedor y una anchura z de la zona caliente y el encendedor.
Puede suministrarse corriente al encendedor 20 a través de los
hilos situados en los extremos 22' y 24' de la zona conductora.
Las Figs. 3C y 3D representan diseños sin
acanalar adicionales, adecuados, de encendedores de la invención. En
cada una de las Figs. 3C y 3D los números de referencia se
corresponden con los de la Fig. 3B, es decir, en cada una de las
Figs. 3C y 3D el sistema encendedor sin acanalar posee las ramas
conductoras 22 y 24 con la región aislante 26 interpuesta y la zona
caliente 28.
Una composición de la zona caliente
específicamente preferida, de los encendedores de la invención,
contiene aproximadamente 14 por ciento de MoSi_{2},
aproximadamente 20 por ciento de SiC y el resto Al_{2}O_{3}. Tal
composición se emplea preferiblemente en un sistema de encendedor
sin acanalar, que tiene adecuadamente una longitud de la zona
caliente de aproximadamente 1,27 cm. Una composición adicional de
la zona caliente, preferida, contiene aproximadamente 16 por ciento
de MoSi_{2}, aproximadamente 20 por ciento de SiC y el resto
Al_{2}O_{3}. Tal composición se emplea preferiblemente en un
sistema de encendedor sin acanalar, que tiene adecuadamente una
longitud de la zona caliente de aproximadamente 0,25 a 4,06 cm.
Como se ha indicado anteriormente, para aplicaciones a voltajes más
bajos, tales como aplicaciones a voltajes por debajo de 100 V, se
prefieren típicamente longitudes más cortas de la zona caliente,
tales como menores de 1,27 cm.
En general, los encendedores cerámicos de
superficie caliente, de la invención, pueden ser producidos con
longitudes de la zona caliente bastante pequeñas, por ejemplo,
aproximadamente 3,81 cm o menos, o incluso aproximadamente 3,56,
3,30, 3,05, 2,79, 2,54, 2,29, 2,03 cm ó menos, y usarse con
confianza en intervalos de voltaje altos, incluyendo desde
aproximadamente 220 a 240 V, y en ausencia de tipo alguno de
dispositivo de regulación electrónica para medir la energía enviada
al encendedor.
Una propiedad importante de comportamiento de un
encendedor cerámico, en particular cuando el combustible es gas, es
la propiedad de tiempo a temperatura (''TTT''), es decir, el tiempo
necesario para que la zona caliente del encendedor se eleve desde
la temperatura ambiente hasta la temperatura de ignición del
combustible (gas). Los encendedores de la invención pueden
calentarse rápidamente a las temperaturas de operación, por ejemplo
hasta aproximadamente 1300°C, 1400°C ó 1500°C en aproximadamente 5
ó 4 segundos o menos, incluso 3 segundos o menos o todavía 2,75,
2,5, 2,25 ó 2 segundos o menos.
Se ha encontrado que las composiciones de la zona
caliente, de la invención, ponen de manifiesto una capacidad de
temperatura extremadamente alta, por ejemplo, hasta 1750°C sin
oxidación importante o problemas de fusión por sobrecalentamiento.
Los sistemas convencionales ensayados fallaron después de
exposición repetida a 1600°C. Por el contrario, las composiciones
de la zona caliente preferidas, de la invención, sobreviven en el
''ensayo de vida'' a temperaturas tan altas, por ejemplo, 50.000
ciclos de 30 segundos con paros de 30 segundos, a 1450°C. Se ha
encontrado también que los encendedores de la invención ponen de
manifiesto variaciones de amperaje y de temperatura disminuidas
significativamente a lo largo de tales ciclos de ensayo de
calentamiento, con respecto a las composiciones de la técnica
anterior.
Como se ha discutido anteriormente, la invención
incluye métodos de ignición que no requieren el calentamiento
renovado de un encendedor cerámico. En vez de ello, el encendedor
puede hacerse funcionar durante períodos largos a una temperatura
elevada, suficiente para la ignición del combustible, y sin
necesidad de ciclos constantes de encendido/apagado (es decir,
calentamiento/enfriamiento).
El tratamiento del componente cerámico (es decir,
el tratamiento del cuerpo sin sinterizar y las condiciones de
sinterización) y la preparación del encendedor a partir del
componente cerámico densificado, pueden realizarse por métodos
convencionales. Típicamente, tales métodos se llevan a cabo en
concordancia sustancial con la patente de Washburn. Véanse también
los ejemplos que siguen para apreciar condiciones ilustrativas. La
sinterización de una composición de la zona caliente se realiza
preferiblemente a temperaturas relativamente altas, por ejemplo, a
1800°C aproximadamente, o una temperatura ligeramente por encima.
La sinterización se llevará a cabo, típicamente, bajo presión, o
bien una presión uniaxial (prensa caliente) o una presión
isostática en caliente (HIP).
Se ha encontrado sorprendentemente también que
las composiciones de la zona caliente de las invenciones pueden ser
densificadas eficazmente en una prensa uniaxial única a temperatura
alta por ejemplo, al menos aproximadamente 1800 ó 1850°C), en
contraste con las composiciones de la técnica anterior.
Las composiciones de la zona caliente de la
técnica anterior han necesitado dos procedimientos de sinterización
separados, una primera presión en caliente a temperatura moderada
(por ejemplo, a menos de 1500°C, tal como 1300°C), seguida de una
segunda sinterización a temperatura alta (por ejemplo, 1800 ó
1850°C). La primera sinterización a temperatura más baja
proporciona una densificación de aproximadamente 65 a 70% con
respecto a la densidad teórica, y la segunda sinterización, a mayor
temperatura, proporciona una densificación final superior al 99%
con respecto a la densidad teórica. Las composiciones la de zona
caliente de la técnica anterior han requerido una densidad superior
al 99% con objeto de proporcionar propiedades eléctricas
aceptables.
La sinterización única a temperatura alta de las
composiciones de la zona caliente, de la invención, pueden
proporcionar una densidad de al menos aproximadamente 95, 96 ó 97%
con relación a la densidad teórica. Además, se ha encontrado que
tales composiciones de la zona caliente, de la invención, que
tienen una densidad inferior al 99% con relación a la densidad
teórica (tal como aproximadamente 95, 96, 07 ó 98% con relación a
la densidad teórica) exhiben propiedades eléctricas bastante
aceptables. Véanse, por ejemplo, los resultados detallados en el
Ejemplo 5 que figura seguidamente.
Los encendedores de la presente invención pueden
ser usados en muchas aplicaciones, incluyendo aplicaciones de
ignición de combustible en fase gaseosa, tales como aplicaciones de
hornos y dispositivos para cocinar, calentadores de zócalos,
calderas y partes superiores de. estufas. Como se ha citado
anteriormente, los encendedores de la invención también pueden ser
empleados en sistemas accionados por acumuladores o pilas
eléctricas, por ejemplo una unidad para cocinar o una unidad de
calentamiento en los que la ignición es accionada por una pila
eléctrica, tal como una pila eléctrica de 6, 8 ó 24 V e incluso
sistemas de voltajes inferiores tales como un sistema de voltaje
inferior a 6 V.
Los encendedores de la invención pueden emplearse
también en otra aplicación, incluyendo para usar como elemento de
calentamiento en una diversidad de sistemas. En una aplicación
preferida se utiliza un encendedor de la invención como fuente de
radiación infrarroja (es decir, la zona caliente proporciona una
producción de energía infrarroja), por ejemplo, elemento de
calentamiento tal como en un horno o como una bujía incandescente,
en un dispositivo de monitorización o detección incluyendo
dispositivos de espectrómetros, y semejantes.
Los ejemplos no limitativos que siguen son
ilustrativos de la invención. Todos los documentos citados en esta
memoria se incorporan aquí por referencia en su totalidad.
Se preparó un encendedor de la invención y se
ensayo a voltajes altos del modo siguiente.
Se prepararon composiciones de zona caliente y
zona fría. La composición de la zona caliente comprendía 66 partes
en volumen de Al_{2}O_{3}, 14 partes en volumen de MoSi_{2} y
20 partes en volumen de SiC, que se mezclaron en un mezclador de
alta cizalla. La composición de la zona fría comprendía
aproximadamente 50 partes en volumen de Al_{2}O_{3},
aproximadamente 30 partes en volumen de MoSi_{2} y
aproximadamente 20 partes en volumen de SiC, que se mezclaron en un
mezclador de alta cizalla. La composición de la zona fría se cargó
en un molde de presión en caliente y la composición de la zona
caliente se cargó sobre la parte superior de la composición de la
zona fría en el mismo molde. La combinación de composiciones se
prensó en caliente, juntas, a 1300°C durante 1 hora, en atmósfera
de argón, a 210 kg/cm^{2} para formar un tocho de aproximadamente
el 60-70% de la densidad teórica. El tocho fue
trabajado luego a máquina para formar piezas prismáticas que tenían
aproximadamente 5,08 cm por 5,08 cm por 0,63 cm. Seguidamente, las
piezas prismáticas fueron prensadas isostáticamente en caliente
(HIPed) a 1790°C durante 1 hora a 2100 kg/cm^{2}. Después de la
presión isostática en caliente, las piezas prismáticas densas
fueron trabajadas a máquina hasta adquirir la forma geométrica de
horquilla deseada. El encendedor formado se comportó bien a 230 V
con una buena resistividad de aproximadamente 1,5
ohm-cm y un tiempo hasta la temperatura de ignición
de aproximadamente 4 segundos, y mostró estabilidad hasta al menos
285 V (siendo el voltaje de ensayo de 285 V el límite del equipo de
ensayo), demostrando de este modo que el encendedor era eficaz a
voltajes nominales altos y a lo largo de un amplio intervalo de
voltajes altos de la red.
Se preparó otra composición de la zona caliente
que contenía 67 partes en volumen de Al_{2}O_{3}, 13 partes en
volumen de MoSi_{2} y 20 partes en volumen de SiC, que se
mezclaron en un mezclador de alta cizalla. Se preparó la misma
composición de la zona fría que en el Ejemplo 1 anterior, y las
composiciones de la zona caliente y de la zona fría fueron tratadas
formándose un encendedor mediante los mismos procedimientos
descritos en el Ejemplo 1. El encendedor formado puso de manifiesto
resultados de comportamiento similares a los descritos para el
encendedor del Ejemplo 1, demostrando así que el encendedor era
eficaz a voltajes nominales altos y a lo largo de un amplio
intervalo de voltajes altos de la red.
Se preparó otra composición de la zona caliente,
de la invención, que contenía 66,7 partes en volumen de
Al_{2}O_{3}, 13,3 partes en volumen de MoSi_{2} y 20 partes en
volumen de SiC que se mezclaron en un mezclador de alta cizalla. Se
preparó la misma composición de la zona fría que en el Ejemplo 1
anterior, y las composiciones de las zonas caliente y fría fueron
tratadas formándose un encendedor mediante los mismos
procedimientos descritos en el Ejemplo 1. El encendedor formado
puso de manifiesto resultados de comportamiento similares a los
descritos para el encendedor del Ejemplo 1, demostrando de este
modo que el encendedor era eficaz a voltajes nominales altos y a lo
largo de un amplio intervalo de voltajes altos de la red.
Se preparó, todavía, otra composición de la zona
caliente que contenía 66,4 partes en volumen de Al_{2}O_{3}, 13,6
partes en volumen de MoSi_{2} y 20 partes en volumen de SiC, que
se mezclaron en un mezclador de alta cizalla. Se preparó la misma
composición de la zona fría que la del Ejemplo 1 anterior y las
composiciones de las zonas caliente y fría fueron tratadas
formándose un encendedor mediante los mismos procedimientos
descritos en el Ejemplo 1. El encendedor formado puso de manifiesto
resultados de comportamiento similares a los descritos para el
encendedor del Ejemplo 1, demostrando de este modo que el
encendedor era eficaz a voltajes nominales altos y a lo largo de un
amplio intervalo de voltajes altos de la red.
Se preparó un encendedor adicional, de la
invención, y se ensayó a voltajes altos del modo siguiente:
Se prepararon composiciones de la zona caliente y
la zona fría. La composición de la zona caliente comprendía
aproximadamente 66 partes en volumen de Al_{2}O_{3},
aproximadamente 14 partes en volumen de MoSi_{2} y
aproximadamente 20 partes en volumen de SiC, que se mezclaron en un
mezclador de alta cizalla. La composición de la zona fría comprendía
aproximadamente, 50 partes en volumen de Al_{2}O_{3},
aproximadamente 30 partes en volumen de MoSi_{2} y
aproximadamente 20 partes en volumen de SIC, que se mezclaron en un
mezclador de alta cizalla. La composición de la zona fría se cargó
en el molde de una prensa caliente y la composición de la zona
caliente se cargó sobre la parte superior de la composición de la
zona fría, en el mismo molde. Esta combinación de composiciones se
comprimió en caliente, juntas, a 1800°C durante 1 hora, en
atmósfera de argón, a 210 kg/cm^{2}, formando un tocho con el 97%
de la densidad teórica, aproximadamente. El tocho fue trabajado a
máquina luego obteniendo piezas prismáticas de aproximadamente 5,08
cm por 5,08 cm por 0,64 cm. Estas piezas prismáticas fueron
trabajadas a máquina luego (es decir sometidas a HIP) obteniendo
elementos encendedores que tenían una configuración geométrica de
horquilla. El encendedor formado actuó bien a 230 V con una buena
resistividad de aproximadamente 1 ohm-cm, y un
tiempo hasta la temperatura de ignición de aproximadamente 5
segundos y mostraron estabilidad hasta al menos 285 V (siendo el
voltaje de 285 V el límite del equipo de ensayo), demostrando de
este modo que el encendedor era eficaz en voltajes nominales altos
y a lo largo de un amplio intervalo de voltajes altos de la
red.
Los niveles de consumo de energía de los
encendedores de la invención fueron determinados midiendo la
corriente en voltaje estacionario. Los encendedores de la invención
exhibieron consistentemente una mayor eficacia energética con
relación a encendedores comparables que tenían diferentes
composiciones de la zona caliente.
Específicamente, un encendedor con acanaladuras,
de la invención, que tenía una composición de la zona caliente de
65 partes en volumen de Al_{2}O_{3}, aproximadamente 15 partes
en volumen de MoSi_{2} y aproximadamente 20 partes en volumen de
SiC, requirió entre 0,25 A y 0,35 A a 120 V.
Un encendedor con acanaladuras, comparativo, de
la invención, que tenía una composición de la zona caliente de 77
partes en volumen de AIN, aproximadamente 13 partes en volumen de
MoSi_{2} y aproximadamente 10 partes en volumen de SiC, requirió
entre 0,5 A y 0,6 A a 120 V.
Se determinaron los valores del coeficiente de
difusión térmica y de los calores específicos de encendedores de la
invención así como de encendedores comparables que tenían una
composición diferente de la zona caliente. Los encendedores de la
invención pusieron de manifiesto consistentemente menor coeficiente
de difusión térmica y mayor calor específico que los encendedores
comparables que tenían una composición diferente de la zona
caliente.
Los valores del coeficiente de difusión térmica
siguientes a las temperaturas especificadas, fueron medidos para un
encendedor con acanaladuras de la invención que tenía una
composición de la zona caliente de 66,7 partes en volumen de
Al_{2}O_{3}, aproximadamente 13,3 partes en volumen de
MoSi_{2} y aproximadamente 20 partes en volumen de SiC.
\newpage
\dotable{\tabskip6pt#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ Temperaturas (°C) \+ Coeficiente de difusión térmica\cr \+ (cm ^{2} /s)\cr 20 \+ 0,1492\cr 128 \+ 0,088\cr 208 \+ 0,0695\cr 302 \+ 0,058\cr 426 \+ 0,0472\cr 524 \+ 0,0397\cr 619 \+ 0,0343\cr 717 \+ 0,0307\cr 810 \+ 0,0291\cr 921 \+ 0,0256\cr 1002 \+ 0,0242\cr 1114 \+ 0,0224\cr 1228 \+ 0,0203\cr 1310 \+ 0,0195\cr 1428 \+ 0,0182\cr 1513 \+ 0,0171\cr 20 \+ 0,1503\cr}
Los valores del coeficiente de difusión térmica
que figuran seguidamente, a las temperaturas especificadas, fueron
medidos para un encendedor con acanaladuras, comparativo, de la
invención que tenía una composición de la zona caliente de 70
partes en volumen de AIN, aproximadamente 10 partes en volumen de
MoSi_{2} y aproximadamente 20 partes en volumen de SiC.
\dotable{\tabskip6pt#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ Temperaturas (°C) \+ Coeficiente de difusión térmica\cr \+ (cm ^{2} /s)\cr 20 \+ 0,262\cr 126 \+ 0,183\cr 204 \+ 0,147\cr 325 \+ 0,117\cr 416 \+ 0,102\cr 517 \+ 0,0902\cr 615 \+ 0,0812\cr 714 \+ 0,0725\cr 818 \+ 0,0668\cr 910 \+ 0,0593\cr 1005 \+ 0,0552\cr 1105 \+ 0,0549\cr 1203 \+ 0,0469\cr 1312 \+ 0,0425\cr 1414 \+ 0,041\cr 1516 \+ 0,0369\cr 22 \+ 0,274\cr}
La invención ha sido descrita en detalle con
referencia a sus realizaciones particulares. Sin embargo, podrá
apreciarse que los expertos en la técnica, al tomar en
consideración esta descripción, pueden realizar modificaciones y
mejoras dentro del espíritu y alcance de la invención.
Claims (55)
1. Un elemento encendedor cerámico, sinterizado,
que comprende dos zonas frías con una zona caliente situada entre
ellas, comprendiendo la zona caliente una composición de la zona
caliente que comprende:
- (a)
- un material eléctricamente aislante;
- (b)
- al menos aproximadamente 3% en volumen de una materia semiconductor; y
- (c)
- un conductor metálico que posee una resistividad menor que aproximadamente 10^{-2} ohm-cm,
en el que al menos aproximadamente el 21% en
volumen de la composición de la zona caliente comprende un material
aislante de la clase de un óxido metálico.
2. El encendedor según la reivindicación 1, en el
que el material aislante contiene al menos, aproximadamente, 25% en
volumen de óxido metálico.
3. El encendedor según la reivindicación 1, en el
que el material aislante se compone de un óxido metálico.
4. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el óxido metálico comprende óxido
de aluminio.
5. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el óxido metálico comprende uno o
más de óxido de aluminio, oxinitruro de aluminio, óxido de aluminio
y magnesio y óxido de aluminio y silicio.
6. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el material aislante contiene uno
o más materiales seleccionados entre el grupo que consta de un
nitruro, un óxido de un metal de las tierras raras y un oxinitruro
de un metal de las tierras raras.
7. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el material aislante comprende
nitruro de aluminio.
8. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que el material semiconductor
comprende carburo de silicio.
9. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el conductor metálico es
disiliciuro de molibdeno.
10. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9 que comprende además una composición de zona
fría que comprende desde aproximadamente 15 a 50 v/o de un material
aislante; 0 a 50 v/o de una materia semiconductor; y 20 a 70 v/o de
un material conductor metálico.
11. El encendedor según la reivindicación 10, en
el que el material aislante de la zona fría es nitruro de aluminio
u óxido de aluminio, o sus mezclas; el material semiconductor de la
zona fría es carburo de silicio; y el material conductor de la zona
fría es MoSi_{2}.
12. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que el encendedor tiene un diseño
acanalado.
13. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que el encendedor tiene un diseño
sin acanalar.
14. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11 ó 13, en el que el encendedor comprende
regiones aislante, conductora y de zona caliente, la región
aislante está interpuesta entre un par de regiones conductoras,
comprendiendo la región aislante AIN y siendo más resistiva que la
región de la zona caliente.
15. El encendedor según la reivindicación 14, en
el que la región de encendedor comprende AIN, Al_{2}O_{3} y
SiC.
16. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11 ó 13, en el que el encendedor comprende
regiones aislante, conductora y de zona caliente, tratándose
oxidantemente la región aislante.
17. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 16, en el que el encendedor comprende una
región aislante que contiene desde aproximadamente 3 a 25 v/o de
AIN; desde aproximadamente 60 a 90 v/o; de Al_{2}O_{3}; y desde
aproximadamente 5 a 20 v/o de SiC.
18. El encendedor según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 16, en el que el encendedor comprende una
región aislante que contiene desde aproximadamente 5 a 20 v/o de
AIN; desde aproximadamente 65 a 85 v/o de Al_{2}O_{3}; y desde
aproximadamente 8 a 15 v/o de SiC.
19. Un elemento cerámico sinterizado que posee
una composición de zona caliente que comprende
- (a)
- entre 25 y 80% en volumen de un material eléctricamente aislante;
- (b)
- entre 3 y 45% en volumen de un material semiconductor
- (c)
- entre 5 y 25% en volumen de un conductor metálico que tiene una resistividad menor que aproximadamente 10^{-2} ohm-cm,
en el que al menos aproximadamente el 21% en
volumen de la composición de la zona caliente comprende un material
aislante de la clase de un óxido metálico.
20. El elemento cerámico según la reivindicación
19, en el que el material aislante contiene al menos,
aproximadamente, 50% en volumen de óxido metálico.
21. El elemento cerámico según la reivindicación
19, en el que el material aislante contiene al menos,
aproximadamente, 80% en volumen de óxido metálico.
22. El elemento cerámico según la reivindicación
19, en el que el material aislante contiene al menos,
aproximadamente, 90% en volumen de óxido metálico.
23. El elemento cerámico según la reivindicación
19, en el que el material aislante está compuesto de óxido
metálico.
24. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 23, en el que el óxido metálico comprende
óxido de aluminio.
25. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 23, en el que el óxido metálico está
compuesto de óxido de aluminio.
26. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 24, en el que el óxido metálico contiene
uno o más materiales seleccionados entre el grupo que consta de
óxido de aluminio, óxido de aluminio y magnesio, un oxinitruro
metálico, y óxido de aluminio y silicio.
27. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 26, en el que el material aislante
contiene uno o más materiales seleccionados entre el grupo que
consta de un nitruro, un óxido de un metal de las tierras raras, y
un oxinitruro de un metal de las tierras raras.
28. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 27, en el que el material aislante
comprende nitruro de aluminio.
29. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 28, en el que el material aislante
comprende entre 50 y 80% en volumen de la composición de la zona
caliente.
30. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 29, en el que el material semiconductor
comprende carburo de silicio.
31. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 30, en el que el material semiconductor
comprende entre 5 y 30% en volumen de la composición de la zona
caliente.
32. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 31, en el que el conductor metálico es
disiliciuro de molibdeno.
33. El elemento cerámico según la reivindicación
32, en el que el disiliciuro de molibdeno comprende entre el 6 y el
16% en volumen de la composición de la zona caliente.
34. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 19 a 33, que comprende además una composición
de zona fría que contiene desde aproximadamente 15 a 50 v/o de un
material aislante; 0 a 50 v/o de un material semiconductor; y 20 a
70 v/o de un material conductor metálico.
35. El elemento cerámico según la reivindicación
34, en el que el material aislante de la zona fría es nitruro de
aluminio u óxido de aluminio o sus mezclas; el material
semiconductor de la zona fría es carburo de silicio; y el material
conductor de la zona fría es MoSi_{2}.
36. Un elemento cerámico sinterizado que posee
una composición de la zona caliente que comprende:
- (a)
- un material eléctricamente aislante, conteniendo el material aislante un nitruro y un óxido metálico; y
- (b)
- un conductor metálico que posee una resistividad menor que aproximadamente 10^{-2} ohm-cm y la composición de la zona caliente está sustancialmente libre de material de tipo carburo.
37. El elemento cerámico según la reivindicación
36, en el que el material aislante contiene al menos
aproximadamente 50 v/o de óxido metálico
38. El elemento cerámico según la reivindicación
36 ó 37, en el que el material aislante contiene nitruro de
aluminio.
39. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 38, en el que el óxido metálico comprende
óxido de aluminio.
40. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 39, en el que óxido metálico contiene uno
o más materiales seleccionados entre el grupo que consta de óxido
de aluminio, óxido de aluminio y magnesio, un oxinitruro metálico y
óxido de aluminio y silicio.
41. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 40, en el que el material aislante
contiene uno o más materiales seleccionados entre el grupo que
consta de un nitruro, un óxido de un metal de las tierras raras y
un oxinitruro de un metal de las tierras raras.
42. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 41, en el que la composición de la zona
caliente está sustancialmente libre de carburo de silicio.
43. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 42, en el que la composición de la zona
caliente contiene no más de, aproximadamente, 2 v/o de un
carburo.
44. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 42, en el que la composición de la zona
caliente está completamente libre de carburo.
45. El elemento cerámico según una cualquiera de
las reivindicaciones 36 a 44 que comprende, además, una composición
de zona fría que contiene desde aproximadamente 15 a 50 v/o de un
material aislante; 0 a 50 v/o de un material semiconductor; y 20 a
70 v/o de un material conductor metálico.
46. El elemento cerámico según la reivindicación
45, en el que el material aislante de la zona fría es nitruro de
aluminio u óxido de aluminio, o sus mezclas; el material
semiconductor de la zona fría es carburo de silicio; y el material
conductor de la zona fría es MoSi_{2}.
47. El elemento cerámico según la reivindicación
36, en el que el elemento cerámico ha sido densificado hasta
aproximadamente 95, 96, 97 ó 98% con respecto a la densidad
teórica, mediante un único proceso de sinterización a alta
temperatura.
48. Un método de ignición de un combustible
gaseoso, que comprende hacer pasar una corriente eléctrica a través
de un encendedor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
18.
49. El método según la reivindicación 48, en el
que la corriente tiene un voltaje de la red en el intervalo desde
aproximadamente 187 a 264 voltios.
50. El método según las reivindicaciones 48 ó 49,
en el que el voltaje es aproximadamente 6, 8, 12, 24, 120, 220, 230
ó 240 V.
51. El método según la reivindicación 48 ó 49, en
el que el voltaje es menor que 100 V.
52. El método según la reivindicación 48, en el
que el voltaje es aproximadamente 6, 8, 12, 24 ó 102 V, o inferior
a 6 V aproximadamente.
53. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 48 a 52, en el que el voltaje es proporcionado por
una pila eléctrica.
54. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 48 a 53, en el que el elemento cerámico posee una
longitud de la zona caliente de aproximadamente 3,05 cm o
menos.
55. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 48 a 53, en el que la zona caliente del encendedor
se mantiene sin interrupción durante al menos 0,5 horas, a una
temperatura suficiente para encender el combustible gaseoso.
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