ES2206068B1

ES2206068B1 - Composiciones para encendedores ceramicos.

Info

Publication number: ES2206068B1
Application number: ES200250044A
Authority: ES
Inventors: Roger J. Lin; Craig A. Willkens; Kevin C. Solofra; Thomas J. Sheridan
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc; Saint Gobain Industrial Ceramics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: NO324423B1; TWI231353B; CN1451088A; GB0217001D0; CZ20022160A3; SE0201853D0; TR200201612T2; CN1206474C; ES2206068A1; DE10085318T1; BR0016558A; AU2593801A; SE0201853L; GB2380113A; CA2393841A1; NO20022950D0; JP2008116192A; GB2380113B; US6582629B1; US7195722B2

Abstract

Composiciones para encendedores cerámicos.

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 usara 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.

Fundamento de la invención 1. Campo de la invención

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.

2. Fundamento

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

\hbox{eléctrica.}

Tiempo para alcanzar la temperatura (``TTT'')	< 5 segundos
Temperatura mínima al 85% del voltaje especificado	1100ºC
Temperatura especificada al 100% del voltaje especificado	1300ºC
Temperatura máxima al 110% del voltaje especificado	1500ºC
Longitud de la zona caliente	< 3,0-3,8 cm
Potencia	< 100 W.

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:

Rs = Ry \times L/A

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.

Sumario de la invención

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}

\hbox{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 1300ºC, 1400ºC ó 1500ºC, 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, 800ºC, 1000ºC, 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1350ºC, 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.

Descripción de los dibujos

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''.

Descripción detallada de la invención

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 1000º a 1600ºC. 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 1300-1700ºC, aproximadamente, de preferencia 1500 a 1600ºC, 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 1300ºC, 1400ºC ó 1500ºC 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 1750ºC sin oxidación importante o problemas de fusión por sobrecalentamiento. Los sistemas convencionales ensayados fallaron después de exposición repetida a 1600ºC. 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 1450ºC. 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 1800ºC 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 1850ºC), 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 1500ºC, tal como 1300ºC), seguida de una segunda sinterización a temperatura alta (por ejemplo, 1800 ó 1850ºC). 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.

Ejemplo 1

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 1300ºC 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 1790ºC 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.

Ejemplo 2

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.

Ejemplo 3

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.

Ejemplo 4

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.

Ejemplo 5

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 1800ºC 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.

Ejemplo 6

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.

Ejemplo 7

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

	Temperaturas (ºC)	Coeficiente de difusión térmica (cm^{2}/s)
	20	0,1492
	128	0,088
	208	0,0695
	302	0,058
	426	0,0472
	524	0,0397
	619	0,0343
	717	0,0307
	810	0,0291
	921	0,0256
	1002	0,0242
	1114	0,0224
	1228	0,0203
	1310	0,0195
	1428	0,0182
	1513	0,0171
	20	0,1503

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.

	Temperaturas (ºC)	Coeficiente de difusión térmica (cm^{2}/s)
	20	0,262
	126	0,183
	204	0,147
	325	0,117
	416	0,102
	517	0,0902
	615	0,0812
	714	0,0725
	818	0,0668
	910	0,0593
	1005	0,0552
	1105	0,0549
	1203	0,0469
	1312	0,0425
	1414	0,041
	1516	0,0369
	22	0,274

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

1. Un elemento encendedor cerámico, sinterizado, que comprende dos zonas frías con una zona caliente situada entre ellas, comprendiendo la zona 5 caliente una composición de la zona caliente que comprende:

(a): un material eléctricamente aislante;

(b): al menos aproximadamente 3% en volumen de un material semiconductor; y

(c): como máximo un 25% 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 de la clase de un óxido metálico.

2. El encendedor según la reivindicación 1, en el que el material aislante 15 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 un material 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,

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 compposición 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 materialiconductor; 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. El elemento cerámico según la reivindicación 17, 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 el sinterización a alta temperatura.

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. El método según la reivindicación 48 ó 49, en el que el voltaje es menor que 100 V.

41. 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.

42. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 48 a 52, en el que el voltaje es proporcionado por una pila eléctrica.

43. 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.

44. 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.