ES2237252A1 - Ignitores ceramicos y metodos para utilizarlos y producirlos. - Google Patents
Ignitores ceramicos y metodos para utilizarlos y producirlos.Info
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Abstract
Ignitores cerámicos y métodos para utilizarlos y producirlos. Se proporcionan ignitores cerámicos que comprenden dos zonas frías con una zona caliente interpuesta, teniendo la zona caliente una longitud de trayecto eléctrico de desde 0,51 cm. a aproximadamente 2 cm.Los ignitores del invento puede difundir efectivamente densidad de potencia a toda la región de la zona caliente del ignitor, sin producir gradientes de temperatura aislados que puedan conducir a una degradación y fallo prematuros del ignitor. El invento también crea o proporciona nuevos métodos para formar ignitores cerámicos.
Description
Ignitores cerámicos y métodos para utilizarlos y
producirlos.
El invento se refiere a ignitores cerámicos y a
métodos mejorados para fabricar ignitores.
Los materiales cerámicos han gozado de un gran
éxito como ignitores en hornos de combustión de gas, estufas,
secadoras de ropa, y otros dispositivos que requieren la ignición
de combustible gaseoso. La producción de ignitores cerámicos
requiere la construcción de un circuito eléctrico a través de un
componente cerámico, una parte del cual es muy resistiva y aumenta
de temperatura cuando es electrificada por un hilo conductor.
Un ignitor tradicional, el
Mini-Igniter®, disponible en Norton Igniter Products
de Milford, N.H., está diseñado para aplicaciones de 12 V a 120 V y
tiene una composición que comprende nitruro de aluminio
("AIN"), disiliciuro de molibdeno ("MoSi_{2}"), y
carburo de silicio ("SiC").
La patente norteamericana n° 5.786.565 de
Willkens y col. (la "patente 565") describe ignitores
cerámicos muy útiles que comprenden a) un par de partes
eléctricamente conductoras, teniendo cada parte un primer extremo,
b) una zona resistente al calor dispuesta entre los primeros
extremos de las partes eléctricamente conductoras y en conexión
eléctrica con cada uno de ellos, teniendo la zona caliente una
longitud de trayecto eléctrica de menos de 0.5 cm, y c) un material
disipador de calor eléctricamente no conductor que contacta con la
zona caliente.
Se requiere una variedad de propiedades de
rendimiento a los sistemas de ignitores cerámicos, incluyendo
elevada velocidad (poco tiempo para calentar desde temperatura
ambiente a temperatura de diseño) y suficiente robustez para
funcionar durante extensos periodos sin reemplazamiento. Muchos
ignitores tradicionales, sin embargo, no satisfacen
consistentemente tales requerimientos. Así sería deseable tener
nuevos sistemas ignitores cerámicos.
Hemos descubierto ahora nuevos ignitores
cerámicos, muy útiles que pueden exhibir propiedades de
rendimientos excepcionales, incluyendo largas vidas operativas.
Fue sorprendente encontrar que los ignitores
cerámicos descritos en la anterior patente 565 descrita, a veces
fallaron debido al "quemado" de la región de zona caliente del
ignitor. Como se ha mencionado anteriormente, la patente 565
describe un ignitor que tiene una longitud de trayecto eléctrico de
zona caliente relativamente corta de menos de 0,5 cm. Sin estar
limitados por la teoría, se cree que durante el funcionamiento de
tal ignitor, la densidad de potencia generada a elevadas tensiones
de línea da origen a un elevado gradiente de temperatura. Este
elevado gradiente de temperatura se cree que da como resultado una
oxidación acelerada de una región localizada de la zona caliente
del ignitor, que puede dar como resultado un fallo prematuro del
dispositivo.
Por el contrario, los ignitores del invento
pueden proporcionar una densidad de potencia más difusa a todo lo
largo de una región de zona caliente, evitando por ello gradientes
de temperatura indeseables en áreas de zona caliente aisladas
aunque proporcionando calentamiento de punta o extremidad.
Más específicamente, en un aspecto del invento,
se crean ignitores cerámicos que comprenden: a) un par de partes
eléctricamente conductoras, teniendo cada parte un primer extremo;
y b) una zona caliente resistiva dispuesta entre los primeros
extremos de las partes eléctricamente conductoras y en conexión
eléctrica con cada uno de ellos, en la que la zona caliente tiene
una longitud de trayecto eléctrico comprendida entre 0,51 cm y 2
cm.
Ignitores preferidos del invento tienen una
longitud de trayecto eléctrico de zona caliente comprendida entre
0,6 cm y 1,5 cm, más preferiblemente desde 0,6 cm a aproximadamente
1,2 cm, aún más preferiblemente desde aproximadamente 0,7 cm a 0,9
cm. Como se ha usado aquí, el término "longitud de trayecto
eléctrico" designa la longitud del trayecto más corto recorrido
por una corriente eléctrica a través de la región de la zona
caliente del ignitor cuando se aplica un potencial eléctrico a los
extremos conductores del ignitor.
Se cree que tales longitudes de zona caliente
pueden efectivamente difundir densidad de potencia a todo lo largo
de la región de zona caliente, sin producir gradientes de
temperatura aislados que pueden conducir a una degradación y fallo
prematuros del ignitor. Además, los límites de longitud de trayecto
eléctrico (hasta aproximadamente 2 cm) dan como resultado un
calentamiento efectivo y cortos períodos a la temperatura de
ignición, sin necesidad de una excesiva entrada de potencia en el
sistema.
También hemos encontrado que preferiblemente la
región de zona caliente tiene una geometría no lineal, por ejemplo
un diseño sustancialmente en forma de U, por lo que la zona
caliente se extiende sin interrupción a través de la anchura del
ignitor superior y a continuación a lo largo de una parte de cada
lado de la longitud del ignitor. Se cree que tales diseños no
lineales pueden difundir o reducir más efectivamente la densidad de
potencia dentro de la región de zona caliente, con relación a un
sistema comparable que tiene una zona caliente lineal.
Los ignitores del invento tienen preferiblemente
una parte no conductora eléctricamente (disipador de calor) en
contacto con la región de zona caliente. En particular, la parte no
conductora está interpuesta o insertada preferiblemente entre las
partes eléctricamente conductoras y en contacto con la región de
zona caliente.
Hemos encontrado también que preferiblemente la
altura de puente de la zona caliente (anchura de la zona caliente
en un ignitor rectangular, descrito a continuación adicionalmente)
es preferiblemente al menos de aproximadamente 0,05 cm más
preferiblemente al menos de aproximadamente 0,06 cm. Una altura de
puente de zona caliente de desde 0,05 cm a 0,4 cm es preferida
generalmente, y una altura de puente de zona caliente de desde 0,06
cm a aproximadamente 0,3 cm es más preferida.
Preferiblemente zonas calientes de ignitores del
invento contendrán una composición sinterizada que contiene un
material conductor y un material aislante, y típicamente contendrán
además un material semiconductor. Las partes conductoras o de zona
fría de los ignitores del invento contendrán una composición
sinterizada de componentes similares, con concentraciones
relativamente más elevadas de material conductor.
Los ignitores del invento pueden ser hechos
funcionar adecuadamente en un amplio margen de tensiones,
incluyendo tensiones nominales de 6, 8, 12, 24 y 120.
Se han creado además nuevos métodos para producir
ignitores del invento, que incluyen la fabricación de una
pluralidad de ignitores a partir de un único material de tocho o
lingote, que permite significativamente una producción de ignitores
más eficiente. Métodos preferidos del invento para formar un
ignitor cerámico comprenden a) proporcionar un cuerpo cerámico
eléctricamente conductor que comprende una pluralidad de elementos
de ignitor fijos; b) insertar en cada elemento un material
eléctricamente no conductor; y c) densificar la pluralidad de
elementos ignitores.
Otros aspectos del invento están descritos a
continuación.
La fig. 1 representa un ignitor preferido del
invento.
La fig. 2 ilustra esquemáticamente un método de
producción del ignitor del invento.
Las figs. 3 y 4 muestran resultados del Ejemplo
1, que sigue.
Como se ha indicado antes, el invento crea un
elemento ignitor cerámico sintetizado que comprende dos zonas frías
y una zona caliente, teniendo la zona caliente una longitud de
trayecto eléctrico de desde 0,51 cm a aproximadamente 2 cm. Más
típicamente, la longitud de trayecto eléctrico será algo más larga
que 0,51 cm, por ejemplo al menos aproximadamente, 0,6 cm, 0,7 cm o
0,8 cm.
La fig. 1 de los dibujos representa un ignitor
preferido 11 del invento que incluye una parte 12 de zona caliente
en contacto y dispuesta entre zonas frías 14a y 14b. El disipador
de calor 16 está interpuesto entre aquellas zonas frías 14a y 14b y
en contacto con la zona caliente 12. Los extremos de zonas fría
14a' y 14b' alejados de la zona caliente 12 están en conexión
eléctrica con una fuente de potencia, típicamente mediante el uso
de algún tipo de montaje de bastidor conductor.
Como se ha mostrado en la fig. 1, la zona
caliente 121 tiene una longitud "e" de trayecto eléctrico
sustancialmente en forma de U, no lineal (mostrada con línea de
trazos para resaltar el trayecto mínimo) que se extiende por debajo
de la longitud de cada lado del ignitor. Como se ha descrito antes,
tales geometrías de zona caliente no lineales se cree que difunden
más efectivamente la densidad de potencia a todo lo largo de la
región de zona caliente y mejoran la vida operativa del
ignitor.
Las dimensiones de la región de zona caliente
pueden variar adecuadamente siempre que la longitud de trayecto
eléctrico de la zona caliente completa esté dentro de los márgenes
descritos aquí. En el diseño de ignitor generalmente rectangular
representado en la fig. 1, preferiblemente la anchura de zona
caliente entre las zonas frías (representada como la distancia
"a" en la fig. 1) es suficiente para evitar cortocircuitos
eléctricos u otros defectos. En un sistema preferido, esa distancia
a es de 0.5 cm.
La altura del puente de zona caliente
(representada como distancia "b" en la fig. 1) debe también
ser de suficiente tamaño para evitar defectos del ignitor,
incluyendo un calentamiento excesivamente localizado, que puede dar
como resultado la degradación y fallo del ignitor como se ha
descrito antes. Como se ha descrito antes, preferiblemente la altura
del puente de zona caliente es de al menos aproximadamente 0,05 cm,
más preferiblemente al menos 0,06 cm. Una altura de puente de zona
caliente comprendida entre 0,05 cm a 0,4 cm es preferida
generalmente. Una altura de puente de zona caliente que oscila desde
0,06 cm a aproximadamente 0,3 cm es más preferida; y una altura de
puente de zona caliente que oscila desde 0,06 a 0,035 a 0,040 es
particularmente preferida. Se ha encontrado que las alturas de
puente de zona caliente de 0,035 y 0,040 son particularmente
adecuadas. El término "altura de puente de zona caliente" tal
y como es usado aquí se comprende que significa la dimensión de una
zona caliente que se extiende paralela a la longitud o dimensión
larga de un ignitor generalmente rectangular, como se ha
ejemplificado por la dimensión b representada en la fig. 1.
Las "patas" de la zona caliente que se
extienden bajo la longitud del ignitor estarán limitadas a un
tamaño para mantener la longitud de trayecto eléctrico de la zona
caliente total dentro de aproximadamente 2 cm.
Los componentes de composición de la zona
caliente 12, zonas frías 14a y 14b, y región 16 no conductora
disipadora de calor pueden variar adecuadamente. Composiciones
adecuadas para aquellas regiones están descritas en la patente
norteamericana n° 5.786.565 de Willkens y colaboradores así como en
la patente norteamericana n° 5.191.508 de Axelson y colaboradores,
cuyas patentes están incorporadas aquí a modo de referencia.
Más particularmente, la zona caliente tiene una
resistividad a temperatura elevada (es decir 1350°C) de entre
aproximadamente 0,01 \Omega \cdot cm y aproximadamente 3,0
\Omega \cdot cm y una resistividad a temperatura ambiente de
entre aproximadamente 0,01 \Omega \cdot cm y aproximadamente 3
\Omega \cdot cm. Las composiciones de zona caliente preferidas
contienen una composición sinterizada de un material eléctricamente
aislante, y un conductor metálico y preferiblemente además
contienen un material semiconductor. Como se ha usado aquí, el
término material eléctricamente aislante se refiere a un material
que tiene una resistividad a temperatura ambiente de al menos
aproximadamente 10^{10} \Omega \cdot cm. Como se ha usado
aquí, el término material metálico conductor o material conductor
se refiere a un material que tiene una resistividad a temperatura
ambiente de menos de aproximadamente 10^{-2} \Omega \cdot
cm. Como se ha usado aquí el término cerámico semiconductor (o
"semiconductor") es un material cerámico que tiene una
resistividad a temperatura ambiente de entre aproximadamente 10 y
10^{8} \Omega \cdot cm.
En general, las composiciones de zona caliente
preferidas incluyen (a) entre aproximadamente 50 y aproximadamente
80 por ciento en volumen (volumen % o v/o) de un material
eléctricamente aislante que tiene una resistividad de al menos
aproximadamente 10^{10} \Omega \cdot cm; (b) entre
aproximadamente 5 y aproximadamente 45 v/o de un material
semiconductor que tiene una resistividad de entre aproximadamente
10 y aproximadamente 10^{8} \Omega \cdot cm y (c) entre
aproximadamente 5 y aproximadamente 25 v/o de un conductor metálico
que tiene una resistividad de menos de aproximadamente 10^{-2}
\Omega \cdot cm. Preferiblemente, la zona caliente comprende
50-70 v/o del material cerámico eléctricamente
aislante, 10-45 v/o del material cerámico
semiconductor y 6 16 v/o del material conductor. En ciertas
realizaciones preferidas, el material conductor es MoSi_{2},
preferiblemente presente en una cantidad de desde aproximadamente 9
a 15 de volumen en %, basado en componentes totales de la
composición en la zona caliente, más preferiblemente desde
aproximadamente 9 a 13 de volumen en %, basado en componentes
totales de la composición de zona caliente. Para un ignitor de 24
V, una concentración de disiliciuro de molibdeno particularmente
preferida es desde aproximadamente 9,2 a 9,5 de volumen en %,
basado en componentes totales de la composición de la zona
caliente.
Componentes de materiales eléctricamente
aislantes adecuados de composiciones de zona caliente incluyen uno
o más óxidos metálicos tales como el óxido de aluminio, un nitruro
tal como un nitruro de aluminio, nitruro de silicio o nitruro de
boro; un óxido de tierra rara (por ejemplo ytria); o un oxinitruro
de tierras raras. El nitruro de aluminio (AlN) y el óxido de
aluminio (Al_{2}O_{3}) son generalmente preferidos.
Típicamente el conductor metálico es seleccionado
del grupo que consiste en disiliciuro de molibdeno, disilicianuro
de tungsteno, y nitruros tales como el nitruro de titanio y
carburos tales como el carburo de titanio. El disiliciuro de
molibdeno es preferido generalmente.
Generalmente los materiales semiconductores
preferidos incluyen carburos, particularmente carburo de silicio
(doped y sin dopar) y carburo de boro. El carburo de silicio es
preferido generalmente.
Composiciones de zona caliente particularmente
preferidas del invento contienen óxido de aluminio y/o nitruro de
aluminio, disiliciuro de molibdeno y carburo de silicio. Como se ha
mencionado antes, en al menos ciertas realizaciones, el disiliciuro
de molibdeno está presente en una cantidad de aproximadamente 9 a
12% en volumen. Para un ignitor de 24 V, una concentración de
disiliciuro de molibdeno particularmente preferida es desde
aproximadamente 9,2 a 9,5% en volumen, basado en componentes
totales de la composición de zona caliente.
Como se ha descrito antes, los ignitores del
invento también contienen típicamente al menos una o más regiones
de zona fría de baja resistividad en conexión eléctrica con la
zona caliente para permitir la unión de los conductores al ígnitor.
Típicamente una composición de zona caliente está dispuesta entre
dos zonas frías. Preferiblemente tales regiones de zona fría están
compuestas por ejemplo por AlN y/o Al_{2}O_{3} u otro material
aislante; SiC u otro material semiconductor; y MoSi_{2} u otro
material conductor. Sin embargo regiones de zona fría tendrán un
porcentaje significativamente más elevado de los materiales
conductores y semiconductores (por ejemplo SiC y MoSi_{2}) de lo
que lo tiene la zona caliente. Consiguientemente, las regiones de
zona fría típicamente tienen solo aproximadamente 1/5 a 1/1000 de
la resistividad de la composición de zona caliente y no ascienden de
temperatura a los niveles de la zona caliente. Más preferido es que
la resistividad a temperatura ambiente de la zona o zonas frías es
desde 5 a aproximadamente 20 por ciento de la resistividad a
temperatura ambiente de la zona caliente.
Una composición de zona fría preferida para usar
en el ignitor del invento 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 o semiconductor en una relación de volumen de desde
aproximadamente 1:1 a 1:3. Más preferiblemente, la zona fría
comprende aproximadamente 15 a 50 v/o de AlN y/o Al_{2}O_{3},
15 a 30 v/o de SiC y 30 a 70 v/o de MoSi_{2}. Para facilidad de
fabricación, preferiblemente la composición de la zona fría está
formada por los mismos materiales que la composición de la zona
caliente, con lo que las cantidades relativas de materiales
semiconductor y conductor son mayores.
El disipador de calor 16 eléctricamente aislante
debe estar compuesto por una composición que proporciona suficiente
masa térmica para mitigar el enfriamiento por convección de la zona
caliente. Adicionalmente, cuando está dispuesto como una inserción
entre dos patas conductoras como se ha ejemplificado por el sistema
mostrado en la fig. 1, el disipador de calor 16 proporciona soporte
mecánico para las partes 14a y 14b de zona fría extendida y hace al
ignitor más robusto. En algunas realizaciones, puede preverse la
inserción 16 con una hendidura para reducir la masa del sistema.
Preferiblemente, el disipador de calor eléctricamente aislante
tiene una resistividad a temperatura ambiente de al menos
aproximadamente 10^{4} \Omega \cdot cm y una resistencia
mecánica de al menos aproximadamente 150 Mpa. Más preferiblemente,
el material disipador de calor tiene una conductividad térmica que
no es lo suficientemente elevada para calentar el disipador de
calor completo y transferir calor a los conductores, y no es lo
suficientemente baja para negar su función de disipador de calor
beneficioso. Composiciones cerámicas adecuadas para el disipador de
calor incluyen composiciones que comprenden al menos
aproximadamente 90% en volumen de al menos uno de entre nitruro de
aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio alúmina y mezclas de
los mismos. Cuando se emplea una composición de zona caliente de
AlN-MoSi_{2}-SiC, un material
disipador de calor que comprende al menos 90% en volumen de nitruro
de aluminio, y hasta 10% en volumen de alúmina puede ser preferido
para características de expansión térmica y densificación
compatibles. Una composición disipadora de calor preferida está
descrita en la solicitud de patente norteamericana pendiente n°
09/217.793, cuya descripción completa está incorporada aquí a modo
de referencia.
Los ignitores cerámicos del invento pueden ser
empleados con una variedad de tensiones, incluyendo tensiones
nominales de 6, 8, 12, 24 y 120 V. Los ignitores del invento pueden
calentar rápidamente desde temperatura ambiente a temperaturas
operativas, por ejemplo a aproximadamente 1350°C en aproximadamente
4 segundo o menos, incluso 3 segundos o menos, o incluso 2,75 ó 2,5
segundos o menos.
Los ignitores del invento también pueden
proporcionar una temperatura de ignición estable con una densidad de
potencia de zona caliente (carga superficial) de desde 60 a 200
W/cm^{2} de la región de zona caliente. Densidades de potencia
preferidas incluyen desde 70 a 180 W/cm^{2}, más preferiblemente
desde aproximadamente 75 a 150 W/cm^{2}.
El tratamiento del componente cerámico (es decir,
tratamiento del cuerpo verde y condiciones de sinterización) y la
preparación del ignitor a partir de la cerámica densificada puede
ser hecho por métodos tradicionales. Típicamente, tales métodos son
puestos en práctica en acuerdo sustancial con la patente
norteamericana incorporada n° 5.786.565 de Willkens y colaboradores
y la patente norteamericana n° 5.191.508 de Axelson y
colaboradores.
Preferiblemente, los ignitores son producidos de
acuerdo con métodos del invento. Estos métodos incluyen
generalmente producción simultánea de una pluralidad de ignitores,
por ejemplo al menos 5 ignitores, más típicamente al menos 10 ó 20
ignitores, aún más típicamente al menos aproximadamente 50, 60, 70,
80, 90 ó 100 ignitores, a partir de un solo material en chapas
(tocho o lingote). Más típicamente, hasta aproximadamente 100 ó 200
ignitores son producidos adecuadamente de modo sustancial
simultáneamente.
Más específicamente, en los métodos de producción
preferidos del invento, está previsto un tocho que comprende una
pluralidad de elementos ignitores "latentes" unidos o fijados
físicamente. El tocho tiene composiciones de zona caliente y fría
que están en estado verde (no densificados a valores mayores de
aproximadamente 96% o 98% de la densidad teórica), pero
preferiblemente han sido sinterizados a valores mayores de
aproximadamente 40% o 50% de la densidad teórica y de modo adecuado
hasta 90 o 95% de la densidad teórica, más preferiblemente hasta
aproximadamente 60 a 70% de la densidad teórica. Tal densificación
parcial es conseguida adecuadamente por un tratamiento de prensado
en caliente, por ejemplo a menos de 1500°C tal como 1300°C durante
aproximadamente 1 hora bajo una presión tal como 20,68 MPa y bajo
atmósfera de argón. Se ha encontrado que si el tocho tiene las
composiciones de las zonas caliente y fría densificadas a un valor
mayor del 75 u 80% de la densidad teórica, el tocho será difícil de
cortar en operaciones de tratamiento subsiguientes. Adicionalmente,
si las composiciones de zonas caliente y fría están densificadas a
menos de aproximadamente el 50 por ciento, las composiciones a
menudo se degradan durante el tratamiento subsiguiente. La parte de
zona caliente se extiende a través de un parte del espesor del
tocho, siendo el equilibrio la zona fría.
El tocho puede ser de una variedad de formas y
dimensiones relativamente amplia. Preferiblemente el tocho es
sustancialmente cuadrado de modo adecuado, por ejemplo un cuadrado
de 228,6 mm por 228,6 mm o de otras dimensiones o formas adecuadas
tal como rectangular, etc. El tocho es a continuación
preferiblemente cortado en partes tal como con un útil de corte de
diamantes. Preferiblemente las partes tienen dimensiones
sustancialmente iguales. Por ejemplo con un tocho de 228,6 mm por
228,6 mm, el tocho es cortado preferiblemente en terceras partes,
en las que cada una de las secciones resultantes es de 228,6 mm por
76,2 mm.
El tocho es a continuación cortado una vez más
(adecuadamente con un útil de corte de diamante) para proporcionar
ignitores individuales. Un primer corte será transversal al tocho
para proporcionar separación física de un elemento ignitor de un
elemento adyacente. Los cortes alternativos no serán transversales
a la longitud del material del tocho, para permitir la inserción de
la zona aislante (disipador de calor) en cada ignitor. Cada uno de
los cortes (tanto cortes transversales como no transversales)
pueden estar espaciados en aproximadamente 5,08 mm.
Después de la inserción de la zona disipadora de
calor, los ignitores pueden a continuación ser densificados
adicionalmente, preferiblemente a un valor mayor del 99% de la
densidad teórica. Tal sinterización adicional es preferiblemente
llevada a cabo a temperaturas elevadas, por ejemplo a 1800°C o
ligeramente por encima, bajo una prensa isostática caliente.
Los distintos cortes hechos en el tocho pueden
ser realizados de modo adecuado en un proceso automatizado, en el
que el tocho es posicionado y cortado por un útil de corte mediante
un sistema automático, por ejemplo bajo control de ordenador.
La fig. 2 de los dibujos muestra un tocho tratado
de acuerdo con los métodos del invento de fabricación del ignitor.
Como se ha representado, el tocho 10 tiene una zona 12 de
composición caliente y una zona 14 de composición fría con una
entrecara 17 de zona de composición caliente y zona de composición
fría. Preferiblemente, en la fase de fabricación representada en la
fig. 2, las composiciones de zona caliente y fría están en un
estado verde, pero preferiblemente densificadas desde
aproximadamente el 40% a aproximadamente el 95% de la densidad
teórica, más preferiblemente desde aproximadamente 50% a
aproximadamente 70% de la densidad teórica.
El tocho 10 preferido tiene sustancialmente
dimensiones iguales, es decir, preferiblemente las dimensiones g y
h como se ha mostrado en la fig. 2 son aproximadamente iguales, por
ejemplo 228,6 mm por 228,6 mm como se ha descrito antes.
El tocho 10 es a continuación cortado
preferiblemente en partes de tal modo como con un útil de corte de
diamantes. Preferiblemente las partes tienen sustancialmente
dimensiones iguales. Por ejemplo como se ha representado en la fig.
2, el tocho 10 preferiblemente es cortado en terceras partes a lo
largo de las líneas 18a y 18b.
El tocho 10 es a continuación cortado
(adecuadamente con útil de corte de diamantes) para proporcionar
elementos ignitores individuales, no fijos tales como el ignitor
22. Un corte será la longitud completa transversal al tocho (por
ejemplo corte 24) y cada corte alternativo (por ejemplo corte 26) no
será transversal a la longitud del material del tocho, para permitir
la inserción de la zona eléctricamente aislante (disipador de
calor) en cada ignitor tal como a través de la abertura 28. Cada
corte 24 y 26 estarán adecuadamente espaciados por ejemplo a 5,08
mm.
Después de la inserción de la zona disipadora de
calor, los ignitores pueden ser entonces densificados
adicionalmente, preferiblemente a un valor mayor del 99% de la
densidad teórica, como se ha descrito antes, preferiblemente
aproximadamente a 1815°C bajo una prensa isostática caliente.
Los ignitores del presente invento pueden ser
usados en muchas aplicaciones, incluyendo aplicaciones de ignición
de combustible en fase gaseosa tales como hornos y utensilios de
cocción, paneles de calentamiento de zócalos, calderas, y partes
superiores de estufas.
Los siguientes ejemplos no limitativos son
ilustrativos del invento. Todos los documentos mencionados aquí
están incorporados a modo de referencia en su totalidad.
Ignitores del invento se prepararon y ensayaron
como sigue.
Se prepararon composiciones de zona caliente y
zona fía para un primer ignitor denominado aquí como ignitor A. La
composición de zona caliente comprendía 70,8% en volumen (basado en
la composición de zona caliente total) de AlN, 20% en volumen
(basado en la composición de zona caliente total) de SiC, y 9,2% en
volumen (basado en la composición de zona caliente total) de
MoSi_{2}. La composición de zona fría comprendía 20% en volumen
(basado en la composición de zona fría total) de AlN, 20% en volumen
(basado en la composición de zona fría total) de SiC, y 60% en
volumen (basado en la composición de zona caliente total) de
MoSi_{2}. La composición de zona fría se cargó en una matriz de
prensa de matriz caliente y la composición de zona caliente se cargó
en la parte superior de la composición de zona fría en la misma
matriz. La combinación de composiciones se densificaron juntas bajo
calor y presión para proporcionar el Ignitor A.
Se prepararon composiciones de zona caliente y
zona fría para un segundo ignitor, denominado aquí como ignitor B.
El ignitor B tenía la misma geometría y composición de zona
caliente que el Ignitor A. La composición de zona fría del Ignitor
B tenía los mismos componentes (AlN, SiC, MoSi_{2}) que el
Ignitor A, pero la zona fría del Ignitor B tenía una resistencia
que era aproximadamente equivalente a la resistencia de la zona
caliente del Ignitor B. Como el Ignitor A, la composición de zona
fría del Ignitor B fue cargada en una matriz de prensa de matriz
caliente y la composición de zona caliente se cargó en la parte
superior de la composición de zona fría de la misma matriz. La
combinación de composiciones se densificaron juntas bajo calor y
presión para proporcionar el Ignitor B.
Los Ignitores A y B formados fueron excitados a
12 V. Para el Ignitor A el calentamiento resistivo se focalizó en
la región de zona caliente del ignitor, como se ha mostrado en la
fig. 3. Para el Ignitor B, tanto las regiones de zona fría como de
zona caliente del ignitor resultaron calientes, como se ha mostrado
en la fig. 4.
Se prepararon siete ignitores adicionales
(designados como Muestras 1 a 7 en la Tabla siguiente) con las
misma composiciones de zona caliente y zona fría como se ha
descrito para el Ignitor A en el Ejemplo I anterior. Las áreas de
zona caliente de cada una de las Muestras 1 a 7 fue variada; las
áreas de zona caliente están expresadas en cm^{2} como se ha
mostrado en la Tabla siguiente. La resistencia total ("Resist.
Total" más abajo, expresada como \Omega), la resistencia de
zona caliente ("Resist. Zona caliente" más, abajo, expresada
como \Omega), la resistencia de zona fría ("Resist. Zona
fría" más abajo, expresada como \Omega) fueron medidas cada
una y están indicadas en la Tabla siguiente.
Estos resultados mostraron que una relación
resistiva mínima de la resistencia de zona caliente (R_{caliente})
a la resistencia de zona fría (R_{fria}) de R_{caliente} \geq
1,5 (R_{fria}) era óptima para conseguir el calentamiento de
punta o extremidad para las muestras de ignitores.
El invento ha sido descrito en detalle con
referencia a sus realizaciones particulares. Sin embargo, se
apreciará por los expertos en la técnica, al considerar esta
descripción, pueden hacer modificaciones e introducir
perfeccionamientos dentro del espíritu y marco del invento.
Claims (21)
1. Un elemento ignitor cerámico que comprende: a)
un par de partes eléctricamente conductoras, teniendo cada parte
un primer extremo; y b) una zona caliente resistiva dispuesta entre
los primeros extremos de las partes eléctricamente conductoras y en
conexión eléctrica con cada uno de ellos, en el que la zona
caliente tiene una longitud de trayecto eléctrico comprendida entre
0,51 cm a 2 cm.
2. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
un material disipador de calor eléctricamente no conductor
contacta con la zona caliente.
3. El ignitor de la reivindicación 2ª, en el que
el material disipador de calor está dispuesto entre las partes
conductoras.
4. El ignitor de la reivindicación 2ª, en el que
cada una de las partes eléctricamente conductoras se extiende en la
misma dirección desde la zona caliente para definir un par de
patas, y el material disipador de calor eléctricamente no conductor
está dispuesto entre las patas.
5. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
la zona caliente tiene una longitud de trayecto eléctrico de al
menos 0,6 cm.
6. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
la zona caliente tiene una longitud de trayecto eléctrico
comprendida entre 0,6 y 1,5 cm.
7. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
la zona caliente tiene una longitud de trayecto eléctrico
comprendida entre 0,7 y 0,9 cm.
8. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
la zona caliente no es lineal.
9. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
la zona caliente tiene sustancialmente forma de U.
10. El ignitor de la reivindicación 1ª, en el que
la zona caliente comprende una composición que comprende un
material eléctricamente aislante y un material metálico
conductor.
11. El ignitor de la reivindicación 10ª, que
comprende además un material semiconductor.
12. El ignitor de la reivindicación 10ª, en el
que la composición de zona caliente 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 material metálico conductor.
13. El ignitor de la reivindicación 12ª, en el
que la composición de zona caliente comprende MoSi_{2} en una
cantidad: comprendida entre aproximadamente 9,2 a 9,5% en
volumen.
14. El ignitor de la reivindicación 1ª en el que
la resistividad a temperatura ambiente de las partes
eléctricamente conductoras está comprendida entre 5 a 20 por ciento
de la resistividad a temperatura ambiente de la zona caliente.
15. El ignitor de la reivindicación 1ª en el que
la relación de la resistividad a temperatura ambiente de la zona
caliente es al menos 1,5 veces la resistividad a temperatura
ambiente de las partes de zona fría.
16ª. Uso de un ignitor de acuerdo con la
reivindicación 1ª para la ignición de combustible gaseoso.
17. Uso de acuerdo con la reivindicación 16ª en
el que la corriente eléctrica que se aplica a través del ignitor
tiene una tensión nominal de 6, 8, 12, 24 ó 120 V.
18. Un elemento ignitor cerámico que comprende:
a) un par de partes eléctricamente conductoras, teniendo cada parte
un primer extremo; y b) una zona caliente resistiva dispuesta
entre los primeros extremos de las partes eléctricamente
conductoras y en conexión eléctrica con cada uno de ellos, en el
que el ignitor produce una temperatura de ignición estable cuando
se aplica una corriente eléctrica entre las citadas partes
eléctricamente conductoras de tal manera que se obtiene una
densidad de potencia superficial de la zona caliente de 60 a 200
W/cm^{2}.
19. El ignitor de la reivindicación 18ª, en el
que la zona caliente tiene una longitud de trayecto eléctrico
comprendida entre 0,51 a 2 cm.
20. Uso de un ignitor de acuerdo con la
reivindicación 18ª para la ignición de combustible gaseoso.
21. Uso de acuerdo con la reivindicación 20ª, en
el que se obtiene una densidad de potencia superficial en la zona
caliente de 60 a 200 W/cm^{2} cuando se aplica una corriente
eléctrica entre las partes eléctricamente conductoras del
ignitor.
22. Uso de acuerdo con la reivindicación 20ª, en
el que la corriente eléctrica que se hace pasar por el ignitor
tiene una tensión nominal de 6, 8, 12, 24 ó 120 V.
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