JP2009535789A - セラミック発熱体 - Google Patents

Abstract

セラミック抵抗イグナイター要素を製造する新規方法であって、実質的に高められた圧力の不存在にての該要素の焼結を含む方法が提供される。本発明の製作方法から得られ得るセラミックイグナイターもまた提供される。

Description

本願は、２００６年５月４日に出願された米国仮出願第６０／７９８，２６６号（参照されることによりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる）の利益を主張する。

一つの側面において、本発明は、セラミック発熱体を製造する新規方法であって、成形された未焼結イグナイター要素の実質的に無加圧の焼結を含む方法を提供する。イグナイター要素もまた、本発明の製作方法から得られ得るかかる要素を含めて提供される。

背景
セラミック材料は、イグナイターたとえばガスを燃料とする炉、ストーブ及び洗濯物乾燥機におけるイグナイターとして、大いに成功を博してきた。セラミックイグナイターの製造は、セラミック部品を通じての電気回路を構築することを含み、しかも該セラミック部品の一部は高抵抗性でありそしてリード線により通電された時に温度上昇する。たとえば米国特許第６，５８２，６２９号明細書、第６，２７８，０８７号明細書、第６，０２８，２９２号明細書、第５，８０１，３６１号明細書、第５，７８６，５６５号明細書、第５，４０５，２３７号明細書及び第５，１９１，５０８号明細書が参照される。

典型的イグナイターは、総体的に矩形の要素であって、イグナイター先端に高抵抗性「ホット帯域」（「高温帯域」）を備えると共に、１つ又はそれ以上の導電性「コールド帯域」（「低温帯域」）が対向イグナイター端から該高温帯域まで設けられている要素であってきた。一つの現在入手できるイグナイターであるMini-Igniter^TM（ニューハンプシャー州ミルフォードのNorton Igniter Productsから入手できる）は１２ボルトから１２０ボルトの印加用に設計されており、そして窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）、二ケイ化モリブデン（「ＭｏＳｉ₂」）及び炭化ケイ素（「ＳｉＣ」）を含む組成を有する。

イグナイター製作方法は、少なくとも２つの異なる抵抗率のセラミック組成物がダイに充填される回分型加工を含んできた。成形された未焼結要素は、次いで、高められた温度及び圧力にて緻密化される（焼結される）。上記に挙げられた特許明細書が参照される。米国特許第６，１８４，４９７号明細書も参照される。

かかる製作方法はセラミックイグナイターを製造するのに効果的であり得るけれども、それらの操作法は、生産効率及び原価効率に関して固有の制約を提示し得る。

かくして、新規発熱体システムを得ることが望ましい。セラミック発熱体を製造する新規方法を得ることが特に望ましい。より効率的な製造方法を得ることも望ましい。

発明の要約
一つの側面において、新規セラミック物品であって、約２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する１種又はそれ以上のセラミック粉末から作られるセラミック物品が提供される。

かかる小サイズセラミック材料から作製されたセラミック物品は、以前の手法に関して低減圧力下でを含めて、有意により温和な条件下で緻密化され得る、ということを我々は見出した。

別の側面において、セラミック物品であって、多段増加圧力による未焼結状態のセラミック物品の処理により製作されるセラミック物品が提供される。好ましくは、セラミック物品は第１圧力にて処理され、そして次いで第１圧力より高い第２圧力にて処理される。好ましくは、多段加圧緻密化は、ガス加圧焼結の使用でもって行われる。

多段圧力処理は、高度に緻密な物品（たとえば少なくとも９６、９７、９８又は９９緻密パーセント）であるセラミック物品を全く温和な条件下でもたらし得る、ということを我々は見出した。たとえば、第１圧力処理は適当には約１０００ｐｓｉ若しくは５００ｐｓｉ又はそれ以下にあり得、そして第２圧力処理は約４０００ｐｓｉ又はそれ以下にあり得る。約２００ｐｓｉ若しくはそれ以下又は１５０ｐｓｉ若しくはそれ以下の第１圧力及び約３０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、２０００ｐｓｉ若しくはそれ以下又は１５００ｐｓｉ若しくはそれ以下の第２圧力処理のような、有意により低い圧力もまた、高度に緻密な物品をもたらした。

本発明の特に好ましい諸側面において、１種又はそれ以上の金属酸化物（アルミナのような）を含むセラミック組成物が利用される。好ましくは、かかる１種又はそれ以上の一つ又はそれ以上の金属酸化物は、本明細書に開示されたような小さい平均粒子サイズを有する。特に好ましいものは、２．５ミクロン若しくはそれ以下、２ミクロン若しくはそれ以下、１．５ミクロン若しくはそれ以下又は１ミクロン若しくはそれ以下のような本明細書に開示されたような小さい平均粒子サイズを備えたアルミナを含むセラミック組成物である。

本発明の更なる側面において、セラミック組成物は、いわゆる焼結助剤の不存在にて緻密化される。焼結助剤添加剤は、イットリア（酸化イットリウム）、ガドリニウム物質（たとえば酸化ガドリニウム又はＧｄ₂Ｏ₃）、ユーロピウム物質（たとえば酸化ユーロピウム又はＥｕ₂Ｏ₃）、イッテルビウム物質（たとえば酸化イッテルビウム又はＹｂ₂Ｏ₃）又はランタン物質（たとえばランタン又はＬａ₂Ｏ₃）のような希土類酸化物を包含してきた。

本発明の特に好ましい製作方法は、上記に論考されたような１種又はそれ以上の小粒子サイズセラミック材料を含むセラミックイグナイター要素を作り、そして次いで上記に論考されたような二段圧力処理によって硬化することを含む。適当には、硬化は、１４００℃超一層典型的には１６００℃超（たとえば少なくとも１７００℃又は１８００℃のような）のような高められた温度下で行われる。好ましくは、焼結は、不活性雰囲気下で、たとえばアルゴン又は窒素のような不活性ガスの雰囲気中で行われる。

硬化処理は、好ましくは少なくとも９５緻密パーセントであるセラミック要素、一層好ましくは少なくとも９６、９７、９８又は９９緻密パーセントであるセラミック要素をもたらす。記された高められた温度を含む硬化過程は、かかる緻密度を達成するのに十分な時間（数時間又はそれ以上であり得る）行われる。

実質的に高められた圧力の不存在にて緻密なセラミック要素を製造するのを容易にするように、特定のセラミック組成物及び未焼結セラミック要素を作る方法が利用され得る。

より特定的には、セラミック要素を作るために用いられる好ましいセラミック組成物は、炭化ケイ素又は他の炭化物物質について少なくとも実質的に不含又は全く不含であり得る。本明細書において言及される場合、セラミック組成物は、それがセラミック組成物の総容量を基準として１０容量パーセント未満の炭化ケイ素又は他の炭化物物質（一層典型的には、セラミック組成物の総容量を基準として約９、８、７、６、５、４、３、２、１又は０．５容量パーセント未満）を含有するならば、炭化ケイ素又は他の炭化物物質について少なくとも実質的に不含である。

アルミナを含むセラミック要素を焼結するために、該要素の焼結は、好ましくは窒素について少なくとも実質的に不含（たとえば、全雰囲気を基準として５容量％未満の窒素）又は一層好ましくは窒素について少なくとも本質的に不含（たとえば、全雰囲気を基準として２又は１容量％未満の窒素）若しくは一層好ましくは窒素について全く不含である雰囲気中で行われる。たとえば、焼結は、アルゴン雰囲気中で行われ得る。

ＡｌＮを含むセラミック要素を焼結するために、好ましくは、該要素の焼結は、少なくともいくらかの窒素、たとえば少なくとも約５容量パーセントの窒素（すなわち、全雰囲気を基準として少なくとも５容量％の窒素）又はより高いレベル（少なくとも約１０容量パーセントの窒素（すなわち、全雰囲気を基準として少なくとも１０容量％の窒素）のような）を含有する雰囲気中で行われる。

セラミック要素を射出成形法によって作ることも好ましくあり得る。本明細書において典型的に言及される場合、用語「射出成形された」、「射出成形」又は他の同様な用語は、材料（ここではセラミック又はプレセラミック材料）がセラミック要素の所望形の金型中に射出され又はそうでなければ前進され（典型的には加圧下で）そして次いで冷却及び引き続いての固化要素（金型の複製を保留する）の取出しがなされる一般的過程を指摘する。

本発明の発熱体を射出成形により作る際に、セラミック材料（セラミック粉末の混合物、分散体又は他の処方物のような）又はプレセラミック材料若しくはプレセラミック組成物が、金型要素中に前進され得る。

適当な製作方法において、異なる抵抗率の領域（たとえば、導電性領域、絶縁体又は熱シンク領域及びより高い抵抗性の「高温」帯域）を有する一体イグナイター要素が、異なる抵抗率を有するセラミック又はプレセラミック材料の逐次射出成形により作られ得る。

かくして、たとえば、ベース要素が、棒形のような所望ベース形を画定する金型要素中に第１抵抗率を有するセラミック材料（たとえば、絶縁体又は熱シンク領域として機能し得るセラミック材料）を射出導入することにより作られ得る。このベース要素はかかる第１金型から取り出されそして第２の別個の金型要素中に置かれ得、そして異なる抵抗率を有するセラミック材料−たとえば導電性セラミック材料−が第２金型中に射出されてイグナイター要素の導電性領域がもたらされ得る。同様な仕方で、このベース要素はかかる第２金型から取り出されそして更なる第３の別個の金型要素中に置かれ得、そして異なる抵抗率を有するセラミック材料−たとえば抵抗性高温帯域セラミック材料−が第３金型中に射出されて発熱体の抵抗性高温領域又は点火領域がもたらされ得る。

本発明の好ましい諸側面において、セラミック発熱体の少なくとも３つの部分が、セラミック部品を製造するための単一製作シーケンスで射出成形され、すなわち、異なる抵抗率値を有するところのイグナイター要素の多数の部分（たとえば、高温又は高抵抗性部分、低温又は導電性部分及び絶縁体又は熱シンク部分）が同じ製作シーケンスで射出成形されるいわゆる「マルチプルショット」射出成形法である。少なくとも或る諸具体的態様において、単一製作シーケンスは、要素成形域からの要素の取出しを伴わない及び／又は射出成形以外の方法による要素部材へのセラミック材料の堆積を伴わないところのセラミック材料の逐次射出成形適用を含む。

たとえば、一つの側面において、第１絶縁体（熱シンク）部分が射出成形され得、次いで第２工程においてこの絶縁体部分の周りに導電性脚部分が射出成形され得、そして第３工程において絶縁体帯域及び抵抗性帯域を含有するこの物体に抵抗性高温帯域又は点火帯域が射出成形により施され得る。

別の具体的態様において、セラミック抵抗発熱体を製造する方法であって、セラミック要素の１つ又はそれ以上の部分を射出成形することを含み、しかも該セラミック要素が異なる抵抗率の３つ又はそれ以上の領域を含む方法が提供される。

本発明の製作方法は、成形された本セラミック要素を製造するために、セラミック材料の添加のための追加過程を含み得る。たとえば、１つ又はそれ以上のセラミック層が、成形された要素に、セラミック組成物スラリーの浸漬被覆、吹付け被覆、等によるように施され得る。

本発明の方法により得られ得る好ましいセラミック要素は、第１導電性帯域、抵抗性高温帯域及び第２導電性帯域（すべて電気的順序で）を含む。好ましくは、この素子の使用中、電力が、電気リード線の使用によって第１又は第２導電性帯域に印加され得る。

本発明の特に好ましい発熱体は、発熱体の長さの少なくとも一部（たとえば、電気リード線がイグナイターにくっつけられる所から抵抗性高温帯域までわたる長さ）に沿って丸い横断面形を有する。一層特には、好ましいセラミック発熱体は、イグナイターの長さの少なくとも一部たとえばイグナイターの長さの少なくとも約１０パーセント、４０パーセント、６０パーセント、８０パーセント、９０パーセント又はイグナイターの全長について、実質的に楕円形の、円形の又は他の丸い横断面形を有し得る。棒形発熱体をもたらす実質的に円形の横断面形が特に好ましい。かかる棒形状はより高い断面係数を呈し、そして従って発熱体の機械的健全性を高め得る。

本発明のセラミック発熱体は、６、８、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０及び２４０ボルトの公称電圧を含めて、広く様々な公称電圧にて用いられ得る。

本発明の発熱体は、様々な装置及び加熱システムにおける点火のために有用である。一層特には、加熱システムであって、本明細書に記載されたとおりの焼結セラミックイグナイター要素を含む加熱システムが提供される。特定の加熱システムは、湯沸し器を含めて、ガスレンジ、商業用及び居住用建物向けの暖房ユニットを包含する。

本明細書において言及される場合、用語「セラミック材料」は、焼結過程の前及び後の両方の材料を包含する。たとえば、本明細書において言及されたアルミナ、Ｍｏ₂Ｓｉ₂、ＳｉＣ、ＡｌＮ及び他の物質は、かかる物質の焼結前の状態におけるものを含めて、セラミック材料と考えられる。

本発明の他の諸側面は、以下に開示される。

発明の詳細な説明
第１側面において、新規セラミック物品であって、約２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズ、一層好ましくは約２ミクロン又はそれ以下あるいは１．５、１．２５若しくは１ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する１種又はそれ以上のセラミック粉末から作られるセラミック物品が提供される。かかるセラミック材料は、典型的には、少なくとも０．２、０．３、０．４又は０．５ミクロンの平均粒子サイズを有する。

好ましいセラミック組成物において、特定セラミック材料の少なくとも主部分（たとえば５０、６０、７０、８０又は９０重量パーセント超）は、本明細書に開示されたような小さい粒子サイズを有する。一層好ましくは、特定セラミック材料の全部分は、かかる小さい粒子サイズを有する。たとえば、セラミック組成物が２ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有するアルミナを含むと指摘されるならば、好ましくはこのセラミック組成物に利用されるアルミナの少なくとも主部分（５０、６０、７０、８０又は９０重量パーセント超のような）が２ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有し、そして一層好ましくは該セラミック組成物中に存在するアルミナの全部分が２ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する。

本明細書において論考されるように、本発明の発熱体を製造するために用いられるセラミック組成物は、適当には、２種、３種又はそれ以上の異なる物質（Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｍｏ₂Ｓｉ₂、ＳｉＣ、等のような）を含み得る。適当には、かかる異なる物質の一つ又はそれ以上は、本明細書に開示されたような小さい平均粒子サイズにて用いられ得る。しかしながら、或る諸具体的態様において、セラミック組成物のすべての物質がかかる小さい平均粒子サイズにて用いられる必要があるわけではない。本発明のこの側面において、多物質組成物の少なくとも一つの物質はかかる小さい平均粒子サイズを有するが、しかし所望されるならば、多物質組成物の一つより多い又はすべての物質がかかる小さい平均粒子サイズを有し得る。

上記に論考されたように、或る諸具体的態様において、小さい平均粒子サイズの金属酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃のような）の使用が、特に好ましくあり得る。

いかなる理論にも縛られないが、かかるより小さい平均粒子サイズの物質の使用は、成形された未焼結状態の発熱体の低減加圧焼結を容易にし得る、ということが信じられる。

別の側面において、上記に論考されたように、セラミックイグナイター要素を製造する新規方法であって、低減された高められた圧力下での成形された未焼結セラミック要素の硬化（緻密化）を含む方法が、今や提供される。

この側面において、セラミック物品であって、多段増加圧力による未焼結状態のセラミック物品の処理により製作されるセラミック物品が提供される。好ましくは、セラミック物品は第１圧力にて処理され、そして次いで第１圧力より高い第２圧力にて処理される。

少なくとも或る諸用途について、第１圧力処理と第２圧力処理は、少なくとも５００ｐｓｉ一層好ましくは少なくとも１０００ｐｓｉ、２０００ｐｓｉ又は２５００ｐｓｉ相違する。

少なくとも或る諸用途について、第１圧力処理は、適当には、少なくとも約３０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、２０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、１０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、５００ｐｓｉ若しくはそれ以下又は２００ｐｓｉ若しくはそれ以下にてであり得、そして第２圧力処理は６０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、５０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、４０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、３０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、２０００ｐｓｉ若しくはそれ以下、１５００ｐｓｉ若しくはそれ以下又は１０００ｐｓｉ若しくはそれ以下にあり得る。

少なくとも或る諸用途について、第１圧力処理及び第２圧力処理は各々、５０００ｐｓｉを超えない。

他の圧力もまた、第１圧力処理が第２圧力処理よりも低いレベルにあることを条件として、第１及び第２圧力処理について用いられ得る。

やはり理論により縛られたくないが、第１のより低い圧力の処理は、物品内に気体が閉じ込められるのを回避する初期緻密化をもたらし得る、ということが信じられる。空隙が第１圧力処理により有意に閉じられると、より高度の緻密化が、高められた第２圧力処理において達成され得る。

好ましくは、多段加圧緻密化は、ガス加圧焼結の使用でもって行われる。市販の気相焼結炉が用いられ得る。好ましくは、焼結は、窒素又はアルゴン雰囲気のような不活性雰囲気下で行われる。

上記に論考されたように、本発明の更なる側面において、セラミック組成物は、いわゆる焼結助剤の不存在にて緻密化される。

上記に論考されたように、セラミック要素は、好ましくは、射出成形技法により作られ得る。かくして、たとえばそして上記に論考されたように、ベース要素が、棒形のような所望ベース形を画定する金型要素中に第１抵抗率を有するセラミック材料（たとえば、絶縁体又は熱シンク領域として機能し得るセラミック材料）を射出導入することにより作られ得る。このベース要素はかかる第１金型から取り出されそして第２の別個の金型要素中に置かれ得、そして異なる抵抗率を有するセラミック材料−たとえば導電性セラミック材料−が第２金型中に射出されて発熱体の導電性領域がもたらされ得る。同様な仕方で、このベース要素はかかる第２金型から取り出されそして更なる第３の別個の金型要素中に置かれ得、そして異なる抵抗率を有するセラミック材料−たとえば抵抗性高温帯域セラミック材料−が第３金型中に射出されて発熱体の抵抗性高温領域又は点火領域がもたらされ得る。

その代わりに、複数の別個の金型要素のかかる使用でなく、異なる抵抗率のセラミック材料が、同じ金型要素中に逐次に前進又は射出され得る。たとえば、所望ベース形を画定する金型要素中に前もって決定された容量の第１セラミック材料（たとえば、絶縁体又は熱シンク領域として機能し得るセラミック材料）が導入され得、そしてその後に異なる抵抗率の第２セラミック材料がこの成形されたベースへ施され得る。

セラミック材料は、１種又はそれ以上のセラミック粉末のような１種又はそれ以上のセラミック材料を含む流体処方物として、金型要素中に前進（射出）され得る。

たとえば、１種又はそれ以上のセラミック粉末と１種又はそれ以上の混和性有機溶媒（アルコール、等のような）を含有する水溶液とを混合することによりもたらされるペーストのような、セラミック粉末のスラリー又はペースト様組成物が調製され得る。押出用の好ましいセラミックスラリー組成物は、随意に１種又はそれ以上の水混和性有機溶媒（セルロースエーテル溶媒、アルコール、等のような）のような１種又はそれ以上の有機溶媒と一緒された水の流体組成物中に１種又はそれ以上のセラミック粉末（ＭｏＳｉ₂、Ａｌ₂Ｏ₃及び／又はＡｌＮのような）を混ぜ込むことにより調製され得る。セラミックスラリーはまた、他の物質たとえば１種又はそれ以上の有機可塑剤化合物を随意に１種又はそれ以上のポリマーバインダーと一緒に含有し得る。

イグナイター要素を作るために、広く様々な形を作る又は誘導する要素が用いられ得、しかしてかかる要素の形状は作られるイグナイターの所望形に相当する。たとえば、棒形要素を作るために、セラミック粉末のペーストが、円筒状ダイ要素中に射出され得る。脚柱様又は矩形の形のイグナイター要素を作るために、矩形ダイが用いられ得る。

セラミック材料を金型要素中に前進させた後、この画定されたセラミック成形物は、溶媒（水性及び／又は有機）担体を除去するのに十分な時間、たとえば５０℃又は６０℃超にて乾燥され得る。

以下の例は、イグナイター要素を作るための好ましい射出成形法を記載する。

さて図面を参照すると、図１Ａ及び１Ｂは、本発明の適当な発熱体１０を示す。

図１Ａに見られ得るように、イグナイター１０は中央の熱シンク又は絶縁体領域１２を含み、そしてこの領域１２は近位部分１６において異なる抵抗率の領域すなわち導電性帯域１４内に収められ、しかも該導電性帯域１４は、イグナイター近位部分１８においてその領域が比較的減少した体積を有する所でより抵抗性になりそしてかくして抵抗性高温帯域２０として機能し得る。

図１Ｂは、露出熱シンク領域１２を備えたイグナイター底面を示す。

図２Ａ及び２Ｂの横断面図は、更に、イグナイター近位領域１６において導電性帯域１４Ａ及び１４Ｂを並びにイグナイター遠位帯域１８において対応する抵抗性高温帯域２０を含む発熱体１０を図示する。

使用の際に、電力が発熱体１０に（たとえば１本又はそれ以上の電気リード線（示されていない）によって）導電性帯域１４Ａ中にて供給され得る（導電性帯域１４Ａは、点火帯域２０を通りそして次いで導電性帯域１４Ｂを通る電気路を与える）。導電性領域１４の近位端１４ａは、適当には、ロウ付けによってのように電気リード線（示されていない）にくっつけられ得る（電気リード線は、使用中イグナイターに電力を供給する）。イグナイター近位端１０ａは、適当には、米国特許出願公開第２００３／００８０１０３号明細書に開示されているようにセラモプラスチックシーラント材が導電性の要素近位端１４ａを収めるように、様々な取付け具内に取り付けられ得る。金属取付け具もまた、発熱体近位端を収めるために適当に用いられ得る。

上記に論考されたように並びに図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂの発熱体１０により例示されているように、イグナイターの長さの少なくとも実質部分は、発熱体の長さ（図１Ｂに示された長さｘのような）の少なくとも一部に沿って丸い横断面形を有する。図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂのイグナイター１０は特に好ましい形状を図示し、しかして棒形発熱体をもたらすように発熱体１０は発熱体のほとんど全長について実質的に円形の横断面形を有する。しかしながら、好ましいシステムはまた、発熱体の長さ（図１Ｂにおける発熱体の長さｘにより例示されているような）の約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０又は９０パーセントまでが丸い横断面形を有するようにイグナイターの一部のみが丸い横断面形を有するものを包含する。かかるデザインにおいて、発熱体の長さの残余は、外縁を備えた輪郭を有し得る。

様々な形状の発熱体が、特定の用途について所望されるとおりに製作され得る。かくして、たとえば、特定の形状をもたらすために、適切な形を誘導する金型要素が用いられ、そしてそれを通じてセラミック組成物（セラミックペーストのような）が射出され得る。

本発明の発熱体の寸法は広範に変動し得、そして発熱体の予定使用に基づいて選択され得る。たとえば、好ましい発熱体の長さ（図１Ｂにおける長さｘ）は適当には約０．５から約５ｃｍ一層好ましくは約１から約３ｃｍであり得、そして発熱体の横断面幅（図１Ｂにおける長さｙ）は適当には約０．２から約３ｃｍであり得る。

同様に、導電性帯域及び高温帯域の領域の長さもまた、適当に変動し得る。好ましくは、図１Ａに図示された形状の発熱体の第１導電性帯域の長さ（図１Ａにおける近位領域１６の長さ）は、０．２ｃｍから２、３、４若しくは５ｃｍ又はそれ以上であり得る。第１導電性帯域の一層典型的な長さは、約０．５から約５ｃｍである。高温帯域電気路の全長（図１Ａにおける長さｆ）は、適当には、約０．２から５ｃｍ又はそれ以上であり得る。

好ましいシステムにおいて、本発明の発熱体の高温帯域又は抵抗性帯域は、公称電圧において約１４５０℃未満の最大温度までそして公称電圧の約１１０パーセントである上限線間電圧において約１５５０℃未満の最大温度までそして公称電圧の約８５パーセントである下限線間電圧において約１３５０℃未満の最大温度まで熱くなる。

本発明の発熱体を作るために、様々な組成物が用いられ得る。一般的に、好ましい高温帯域組成物は、１）導電性物質、２）半導性物質及び３）絶縁性物質の二つ又はそれ以上の成分を含む。導電性（低温）領域と絶縁性（熱シンク）領域は、同じ成分でしかし異なる割合で存在する成分で構成され得る。典型的導電性物質は、たとえば、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、及び窒化チタンのような窒化物を包含する。典型的絶縁性物質は、アルミナのような金属酸化物あるいはＡｌＮ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄のような窒化物を包含する。

本明細書において言及される場合、用語電気絶縁性物質は、少なくとも約１０¹⁰オーム・ｃｍの室温抵抗率を有する物質を指摘する。本発明のイグナイターの電気絶縁性物質成分はもっぱら又は主として１種又はそれ以上の金属窒化物及び／又は金属酸化物で構成され得、あるいはその代わりに絶縁性成分は金属酸化物又は金属窒化物に加えて諸物質を含有し得る。たとえば、絶縁性物質成分は、追加的に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素若しくは窒化ホウ素のような窒化物、希土類酸化物（たとえばイットリア）又は希土類オキシ窒化物を含有し得る。絶縁性成分の好ましい添加物質は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）である。

本明細書において言及される場合、半導体セラミック（又は「半導体」）は、約１０と１０⁸オーム・ｃｍの間の室温抵抗率を有するセラミックである。半導性成分が高温帯域組成物の約４５ｖ／ｏ超として存在するならば（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲にある場合）、生じる組成物は、高電圧の印加についてあまりにも導電性になる（絶縁体の不足に因り）。逆に、半導体物質が約１０ｖ／ｏ未満として存在するならば（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲にある場合）、生じる組成物は、あまりにも抵抗性になる（多すぎる絶縁体に因り）。また、より高い導体レベルにおいて、所望電圧を達成するために、絶縁体画分と半導体画分のより抵抗性の混成物が必要とされ得る。

本明細書において言及される場合、導電性物質は、約１０^-2オーム・ｃｍ未満の室温抵抗率を有するものである。導電性成分が高温帯域組成物の３５ｖ／ｏより多い量にて存在するならば、生じるセラミックの高温帯域組成物は、あまりにも導電性になり得る。典型的には、導体は、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、並びに窒化チタンのような窒化物及び炭化チタンのような炭化物から成る群から選択される。二ケイ化モリブデンが、一般的に好ましい。

一般的に、好ましい高温（抵抗性）帯域組成物は、（ａ）約５０と約８０ｖ／ｏの間の少なくとも約１０¹⁰オーム・ｃｍの抵抗率を有する電気絶縁性物質、（ｂ）約０（半導体物質が用いられない場合）と約４５ｖ／ｏの間の約１０と約１０⁸オーム・ｃｍの間の抵抗率を有する半導性物質及び（ｃ）約５と約３５ｖ／ｏの間の約１０^-2オーム・ｃｍ未満の抵抗率を有する金属導体を含む。

論考されたように、本発明の発熱体は、高温（抵抗性）帯域との電気的接続状態にある且つイグナイターへのリード線の取付けを可能にする比較的低い抵抗率の低温帯域領域を含有する。好ましい低温帯域領域は、たとえば、ＡｌＮ及び／又はＡｌ₂Ｏ₃あるいは他の絶縁性物質；随意の半導体物質；並びにＭｏＳｉ₂又は他の導電性物質で構成されるものを含む。しかしながら、低温帯域領域は、高温帯域よりも有意に高い百分率の導電性物質（たとえばＭｏＳｉ₂）を有する。好ましい低温帯域組成物は、約１５から６５ｖ／ｏの酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は他の絶縁体物質と約２０から７０ｖ／ｏのＭｏＳｉ₂又は他の導電性及び半導性物質とを約１：１から約１：３の容量比にて含む。製造の容易さのために、好ましくは、低温帯域組成物は、半導性及び導電性物質のより多い相対量でもって、高温帯域組成物と同じ物質で作られる。

本発明の特に好ましい発熱体は上記に論考されたような第１導電性帯域の長さの少なくとも実質部分と接触するセラミック絶縁体を有さないけれども、少なくとも或る用途の本発明の発熱体は、適当には、非導電性（絶縁体又は熱シンク）領域を含み得る。

用いられる場合、かかる熱シンク帯域は、導電性帯域若しくは高温帯域又は両方と接合し得る。好ましくは、焼結絶縁体領域は、室温において少なくとも約１０¹⁴オーム・ｃｍの抵抗率及び動作温度において少なくとも約１０⁴オーム・ｃｍの抵抗率を有し、且つ少なくとも１５０ＭＰａの強度を有する。好ましくは、絶縁体領域は、動作（点火）温度において高温帯域領域の抵抗率よりも少なくとも２桁大きい抵抗率を有する。適当な絶縁体組成物は、窒化アルミニウム、アルミナ及び窒化ホウ素の一つ又はそれ以上を少なくとも約９０ｖ／ｏ含む。

好ましい発熱体用セラミック材料は、以下の例に開示される。

本発明の発熱体は、炉及び調理器具のような気相燃料点火式用途、ベースボードヒーター、ボイラー並びにレンジ上面を含めて、数多くの用途において用いられ得る。特に、本発明の発熱体は、レンジ上面向けガスバーナー用の及びまたガス炉用の点火源として用いられ得る。

本発明の一つの好ましい側面において、本発明の発熱体は、グロープラグとして知られた発熱体とは異なる抵抗イグナイター要素として構成及び／又は利用され得る。とりわけ、頻繁に用いられるグロープラグは、しばしば、比較的低い温度たとえば約８００℃、９００℃又は１０００℃の最大温度まで熱くなり、そしてそれにより燃料の直接点火をもたらすというよりむしろある容量の空気を加熱するのに対して、本発明の好ましいイグナイターは少なくとも約１２００℃、１３００℃又は１４００℃のようなより高い最大温度をもたらして燃料の直接点火をもたらし得る。本発明の好ましいイグナイターはまた、この要素又はその少なくとも一部の周りの気密シール（グロープラグシステムの場合に典型的には用いられるようなガス燃焼室を与えるために）を含む必要がない。なお更に、本発明の多くの好ましいイグナイターは、比較的高い線間電圧たとえば２４ボルト超（たとえば６０ボルト若しくはそれ以上又は１２０ボルト若しくはそれ以上（２２０、２３０及び２４０ボルトを含めて）のような）の線間電圧において有用であるのに対して、グロープラグは典型的には１２から２４ボルトの電圧においてのみ用いられる。

本発明の発熱体はまた、液体（湿性）燃料（たとえば灯油、ガソリン）が蒸発されそして点火される場合の点火のための使用（たとえば、輸送機関（たとえば自動車）の先行加熱をもたらす輸送機関用ヒーターにおいて）に特に適している。

他の好ましい諸側面において、発熱体は、適当には、グロープラグとしてたとえば動力車における点火源として用いられる。

発熱体は、赤外線ヒーター用発熱体としてを含めて、追加的な特定用途向けに有用である。

次の非制限的例は、本発明を例示する。本明細書において挙げられたすべての文書は、参照することによりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる。

実施例１： イグナイターの製作
発熱体の射出成形製作のための導電性組成物をもたらすために、次の物質を混合した。すなわち、３０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ₂、７ｖｏｌ％のＳｉＣ及び６３ｖｏｌ％のＡｌ₂Ｏ₃、並びにセラミック材料の重量を基準として２〜３ｗｔ％のポリビニルアルコール及び０．３ｗｔ％のグリセロール。

発熱体の射出成形製作のための絶縁体組成物をもたらすために、次の物質を混合した。すなわち、１０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ₂、９０ｖｏｌ％のＡｌ₂Ｏ₃、並びにセラミック材料の重量を基準として２〜３ｗｔ％のポリビニルアルコール及び０．３ｗｔ％のグリセロール。

発熱体の射出成形製作のための抵抗性高温帯域組成物をもたらすために、次の物質を混合した。すなわち、２５ｖｏｌ％のＭｏＳｉ₂、５ｖｏｌ％のＳｉＣ及び７０ｖｏｌ％のＡｌ₂Ｏ₃、並びにセラミック材料の重量を基準として２〜３ｗｔ％のポリビニルアルコール及び０．３ｗｔ％のグリセロール。

これらの３種の組成物の各々において、Ａｌ₂Ｏ₃は、１．７ミクロンの平均粒子サイズを有していた。イットリアのような焼結助剤又は他のかかる物質は、これらの組成物中に含まれていなかった。

異なる抵抗率の上記の３種の組成物を共射出成形機の別々のバレル中に充填した。図面の図１に示された一般形状を有するところの内部絶縁体領域を備えた棒形イグナイター要素を作るために、第１ショットにより半円筒形キャビティを絶縁性ペーストで満たし、しかして該キャビティから押し出される絶縁性ペーストが成形された。この成形物を第１キャビティから取り出し、第２キャビティ中に置き、そして第２ショットにより第１ショット成形物とキャビティ壁コアとによって画定された容積を導電性ペーストで満たした。次いで、この成形物を第２キャビティから取り出し、第３キャビティ中に置き、そして第３ショットによりこの成形物の上部部分を抵抗性（高温帯域）ペーストで満たした。次いで、かくして成形された棒形成形物を有機溶媒中で室温にて部分的に脱バインダーして、添加された１０〜１６ｗｔ％のうちの１０ｗｔ％を溶かし出した。次いで、この成形物を３００〜５００℃にて流れる不活性ガス（Ｎ₂）中で６０時間熱的に脱バインダーして、残留バインダーの残部を除去した。

この脱バインダーされた棒形成形物を、気相焼結を用いて二段階法によって緻密化した。かくして、棒形成形物をガス焼結炉中に置き、そしてこの炉をアルゴンガスで１５０ｐｓｉの圧力にて満たした。炉を１７２５℃に約１．５時間維持した。次いで、炉を室温まで冷却し、そして次いで圧力を３０００ｐｓｉに増加しそして１７２５℃に約２時間保持した。次いで、炉を室温まで冷却した。この処理された棒形成形物は、９８パーセント超の緻密度を有していた。この緻密な要素を２４ボルトの電源に接続し、そして高温帯域は約１３００℃の温度に達した。

本発明は、その特定の諸具体的態様に関して詳細に記載されてきた。しかしながら、当業者は、この開示を考察すると、本発明の精神及び範囲内で改変及び改善をなし得る、ということが理解されるであろう。

図１Ａは、本発明の発熱体の上面図を示す。 図１Ｂは、本発明の発熱体の下面図を示す。 図２Ａは、図１Ａの線２Ａ−２Ａに沿っての破断図を示す。 図２Ｂは、図１Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿っての破断図を示す。

Claims (20)

1. セラミック抵抗発熱体であって、
   焼結前に、２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する１種又はそれ以上のセラミック材料
   を含む発熱体。
2. 発熱体が、焼結前に、２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する１種又はそれ以上の金属酸化物を含む、請求項１に記載の発熱体。
3. 発熱体が、焼結前に、２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有するアルミナを含む、請求項１に記載のセラミック発熱体。
4. １種又はそれ以上のセラミック材料が、２ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する、請求項１に記載の発熱体。
5. １種又はそれ以上のセラミック材料が、１．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する、請求項１に記載の発熱体。
6. 抵抗発熱体を製造する方法であって、
   セラミック組成物を第１圧力にて処理し、そしてその後
   このセラミック組成物を第１圧力より大きい第２圧力にて処理し、それによりこのセラミック組成物を緻密化する
   ことを含む方法。
7. 第１圧力における処理の前に、セラミック組成物が２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する１種又はそれ以上のセラミック材料を含む、請求項６に記載の方法。
8. 第１圧力における処理の前に、セラミック組成物が２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有する１種又はそれ以上の金属酸化物を含む、請求項６に記載の方法。
9. 第１圧力における処理の前に、セラミック組成物が２．５ミクロン又はそれ以下の平均粒子サイズを有するアルミナを含む、請求項６に記載の方法。
10. 第１圧力と第２圧力が、少なくとも１０００ｐｓｉ異なる、請求項６に記載の方法。
11. 第２圧力が、約５０００ｐｓｉ又はそれ以下である、請求項６に記載の方法。
12. 第１圧力が、約１０００ｐｓｉ又はそれ以下である、請求項６に記載の方法。
13. 第１圧力が、約２５０ｐｓｉ又はそれ以下である、請求項６に記載の方法。
14. 第１圧力及び第２圧力を気相焼結法として適用する、請求項６に記載の方法。
15. セラミックイグナイター要素を１０容量パーセント未満の炭化ケイ素を有する組成物で作る、請求項６に記載の方法。
16. セラミック要素が、異なる抵抗率の２つ又はそれ以上の領域を含む、請求項６に記載の方法。
17. セラミック要素が、異なる抵抗率の３つ又はそれ以上の領域を含む、請求項６に記載の方法。
18. 請求項６に記載の方法により得られ得るセラミックイグナイター要素。
19. 気体燃料を点火する方法であって、請求項１８に記載のイグナイターに電流を印加することを含む方法。
20. 請求項１８に記載のイグナイターを含む加熱装置。

Images