MX2008014158A - Elementos de calentamiento en ceramica. - Google Patents

Abstract

Se proporcionan nuevos métodos para fabricar elementos encendedores resistivos que incluyen el sinterizado de los elementos en ausencia de presiones sustancialmente elevadas; también se proporcionan encendedores cerámicos que se obtienen de métodos de fabricación de la invención.

Description

ELEMENTOS DE CALENTAMIENTO EN CERAMICA La presente solicitud clama el beneficio de la solicitud provisional de los Estados Unidos número 60/798,266 presentada el 4 de Mayo del 2006, incorporada mediante referencia en la presente en su totalidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION En un aspecto, la invención proporciona nuevos métodos para fabricar elementos de calentamiento en cerámica que incluyen el sinterizado sustancialmente sin presión del elemento encendedor en crudo formado. También se proporcionan elementos encendedores, incluyendo tales elementos que se obtienen de métodos de fabricación de la invención.

TECNICA ANTECEDENTE Los materiales en cerámica han disfrutado gran éxito como encendedores en como ejemplo hornos encendidos a gas, estufas y secadoras de ropa. La producción de encendedores de cerámica incluyen construir un circuito eléctrico a través de un componente de cerámica una porción del cual es altamente resistivo y se eleva en temperatura cuando se electrifica mediante hilo conector. Ver por ejemplo las patentes de E.U.A. 6,582,629; 6,278,087; 6,028,292; 5,801 ,361 ; 5,786,565; 5,405,237; y 5,191 ,508. Los encendedores típicos han sido generalmente elementos en forma rectangular con una "zona caliente" altamente resistiva en la punta del encendedor con una o más "zonas frías" conductoras aunadas a la zona caliente a partir del extremo encendedor opuesto. Un encendedor actualmente disponible, el Mini-lgniter™, disponible con Norton Igniter Products de Milford, N.H., está diseñado para aplicaciones de 12 voltios a 120 voltios y tiene una composición que comprende nitruro de aluminio ("AIN"), disiliciuro de molibdeno ("MoSi2"), y carburo de silicio ("SiC"). Los métodos de fabricación de encendedores han incluido el procesamiento intermitente en donde un troquel se carga con composiciones cerámicas de al menos dos resistividades diferentes. El elemento en crudo formado se densifica (sinteriza) a temperatura y presión elevadas. Ver las patentes mencionadas arriba. Ver también la patente de E.U.A. 6,184,497. Aunque tales métodos de fabricación pueden ser eficaces para producir encendedores cerámicos, los protocolos pueden presentar limitaciones inherentes respecto a la producción y eficiencias en costo. Sería así deseable contar con nuevos sistemas de elementos de calentamiento. Sería particularmente deseable contar con nuevos métodos para producir elementos de calentamiento en cerámica. También sería deseable contar con métodos de producción más eficientes.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION En un aspecto, se proporcionan nuevos artículos en cerámica que se forman a partir de uno o más polvos de cerámica que tienen un tamaño de partícula promedio de alrededor de 2.5 mieras o menos. Se ha encontrado que los artículos en cerámica hechos a partir de dichos materiales en cerámica de tamaño pequeño pueden densificarse bajo condiciones significativamente más leves, incluyendo bajo presiones reducidas en relación con procedimientos previos. En otro aspecto, se proporcionan artículos en cerámica que se fabrican mediante el tratamiento del artículo de cerámica en estado crudo, incrementando las presiones. Preferiblemente, el artículo en cerámica se trata a una primera presión y luego se trata a una segunda presión que es mayor que la primera presión. Preferiblemente, la densificación a múltiples presiones se realiza con el uso de sinterizado con gas a presión. Se ha encontrado que los tratamientos a presión en etapas múltiples pueden proporcionar un artículo altamente denso (por ejemplo al menos 96, 97, 98 ó 99 por ciento de densidad) en cerámica bajo condiciones bastante leves. Por ejemplo, el primer tratamiento de presión puede estar adecuadamente alrededor de 70 kg/cm2 ó 35 kg/cm2 o menos si la del segundo tratamiento de presión puede estar a 281 kg/cm2 o menos. Presiones significativamente menores también han generador artículos elevadamente densos, como una primera presión de alrededor de 14 kg/cm2 o menos o 10.54 kg/cm2 o menos y un segundo tratamiento de presión de alrededor de 210 kg/cm2 o menos, 140 kg/cm2 o menos o 105 kg/cm2 o menos. En aspectos particularmente preferidos de la invención, se utilizan composiciones de cerámica que comprenden uno o más óxidos de metal como alúmina. Preferiblemente el uno o más óxidos de metal tienen un tamaño de partícula promedio pequeño como se revela aquí. Se prefieren particularmente composiciones de cerámica que comprenden alúmina con un tamaño de partícula promedio pequeño como se revela aquí, como 2.5 mieras o menos, 2 mieras o menos, 1.5 mieras o menos o 1 miera o menos. En un aspecto adicional de la invención, las composiciones de cerámica se densifican en ausencia de un llamado auxiliar de sinterización. Los aditivos auxiliares de sinterización han incluido óxidos de de tierras raras, como ¡tria (óxido de itrio), un material de gadolinio (por ejemplo, un óxido de gadolinio o GdaOa), un material de europio (por ejemplo un óxido de europio o EU2O3), un material de iterbio (un óxido de iterbio o Yb2O3), o un material de lantano (por ejemplo lantano o La2O3). Métodos de fabricación particularmente preferidos de la invención incluyen formar un elemento encendedor en cerámica que comprende uno o más materiales en cerámica con tamaño de partícula pequeño como se discuten arriba y luego endurecerlos mediante un tratamiento de presión en dos etapas como se discutió arriba. Adecuadamente, el endurecimiento se realiza bajo temperaturas elevadas como superiores a 1400°C, más típicamente superiores a 1600°C como al menos 1700°C ó 1800°C. Preferiblemente, el sinterizado se realiza bajo una atmósfera inerte, por ejemplo en una atmósfera en un gas inerte como argón o nitrógeno. Preferiblemente, el tratamiento de endurecimiento proporciona un elemento de cerámica que es al menos 95 por ciento denso, más preferiblemente un elemento de cerámica que es al menos 96, 97, 98 ó 99 por ciento denso. El procedimiento de endurecimiento que incluye las temperaturas elevadas notadas se realiza por un tiempo suficiente para lograr tales densidades, que pueden ser varias horas o más. Las composiciones de cerámica en particular y el método para formar el elemento de cerámica en crudo pueden utilizarse para facilitar la producción de un elemento de cerámica denso en ausencia de presiones sustancialmente elevadas. Más específicamente, las composiciones de cerámica preferidas empleadas para formar un elemento de cerámica pueden estar al menos sustancialmente libres o completamente libres de carburo de silicio u otro metal de carburo. Como se menciona aquí, una composición de cerámica está al menos sustancialmente libre de carburo de silicio u otro material de carburos si contiene menos del 10% en volumen de carburo de silicio u otro material de carburo con base en el volumen total de la composición de cerámica, más típicamente menor que alrededor de 9,8,7,6,5,4,3,2,1 o 0.5% en volumen con base en el volumen total de la composición de cerámica.

Para sintetizar un elemento de cerámica que comprende alúmina, preferiblemente el sintetizado del elemento se realiza en una atmósfera que está al menos sustancialmente libre de nitrógeno (por ejemplo menos de 5% en volumen de nitrógeno con base en la atmósfera total) o más preferiblemente al menos esencialmente libre de nitrógeno (por ejemplo menos de dos o 1% en volumen de nitrógeno con base en la atmósfera total), o más preferiblemente completamente libre de nitrógeno. Por ejemplo, el sintetizado puede realizarse en una atmósfera de argón. Para sintetizar un elemento de cerámica que comprende AIN, preferiblemente el sintetizado del elemento se realiza en una atmósfera que contiene al menos algo de nitrógeno, por ejemplo al menos alrededor de 5% en volumen de nitrógeno (es decir al menos 5% en volumen de nitrógeno con base en la atmósfera total) o niveles mayores como al menos alrededor de 10% en volumen de nitrógeno (es decir al menos 10% en volumen de nitrógeno con base en la atmósfera total). También puede ser preferente formar los elementos de cerámica mediante un procedimiento de moldeo por inyección. Como se hace referencia típicamente aquí, del término "moldeado por inyección", u otros términos similares indican el procedimiento general en el cual un material (aquí un material de cerámica o precerámica) se inyecta o se hace avanzar de otra forma típicamente bajo presión en un molde en la forma deseada del elemento de cerámica seguido por el enfriamiento y remoción posterior del elemento solidificado que retiene una réplica del molde.

En la formación del molde por inyección de los elementos de calentamiento de la invención, un material de cerámica (como una mezcla de polvo de cerámica, dispersión u otra formulación) o un material o composición de precerámica puede hacerse avanzar en un elemento de molde. En métodos de fabricación adecuados, un elemento encendedor integral que tiene regiones de resistividad diferente (por ejemplo regiones conductoras, regiones aislantes o disipadoras de calor y zonas "calientes" de alta resistividad) pueden formarse mediante moldeo por inyección en secuencia de materiales de cerámica o precerámica que tienen diferentes resistividades. Así, por ejemplo, se puede formar un elemento de base mediante la introducción por inyección de un material de cerámica que tenga una primera resistividad (por ejemplo un material de cerámica que puede funcionar como una región aislante o disipadora de calor) en un elemento de molde que define una forma de base deseada como una forma de varilla. El elemento de base puede removerse de dicho primer molde y posicionarse en un segundo elemento de molde distinto y el material de cerámica que tiene una resistividad diferente — por ejemplo un material de cerámica conductor — puede inyectarse en el segundo molde para proporcionar regiones conductoras del elemento encendedor. De manera similar, el elemento de base puede removerse de dicho segundo molde y posicionarse en un tercer elemento de molde distinto y el material de cerámica que tiene una resistividad diferente — por ejemplo un material de cerámica de zona caliente resistivo — puede inyectarse en el tercer molde para proporcionar regiones de encendido o resistivas calientes del elemento de calentamiento. En aspectos preferibles de la invención, al menos tres porciones de un elemento de calentamiento en cerámica se moldea por inyección en una secuencia de fabricación única para producción de un componente de cerámica, un llamado procedimiento de moldeo por inyección "de carga múltiple" en donde en la misma secuencia de fabricación en donde múltiples porciones de un elemento encendedor tienen diferentes valores de resistividad (por ejemplo una porción de alta resistividad o caliente, una porción fría o conductora y un aislante o porción disipadora de calor). En al menos ciertas modalidades, una secuencia de fabricación única incluye aplicaciones de moldeo por inyección en secuencia de un material de cerámica sin la remoción del elemento del área formadora de elemento y/o sin reposición de material de cerámica a un miembro del elemento mediante un procedimiento distinto al moldeo por inyección. Por ejemplo, en un aspecto, una primera porción aislante (disipadora de calor) puede moldearse por inyección, alrededor de la porción aislante y luego porciones de extremidad conductora pueden moldearse por inyección en un segundo paso, y en un tercer paso se puede aplicar una zona de encendido o resistiva caliente mediante moldeo por inyección al cuerpo que contiene zonas aislantes y resistivas. En otra modalidad, se proporcionan métodos para producir un elemento de calentamiento en cerámica resistiva, que incluye el moldeo por inyección de una o más porciones de un elemento de cerámica, en donde el elemento de cerámica comprende tres o más regiones de diferente resistividad. Métodos de fabricación de la invención pueden incluir procedimientos adicionales para la adición de material de cerámica para producir el elemento de cerámica formado. Por ejemplo, una o más capas de cerámica pueden aplicarse a un elemento formado como mediante revestimiento por inmersión, revestimiento por aspersión y similares de una suspensión de composición de cerámica. Elementos de cerámica preferidos que se obtienen mediante métodos de la invención comprenden una primera zona conductora, una zona caliente resistiva, y una segunda zona conductora, todas en secuencia eléctrica. Preferiblemente, durante el uso del dispositivo se puede aplicar energía eléctrica a la primera o segunda zona conductora mediante uso de una terminal eléctrica. Elementos de calentamiento particularmente preferidos de la invención tendrán una forma en sección transversal redondeada a lo largo de al menos una porción de la longitud del elemento del calentamiento (por ejemplo, la longitud que se extiende desde donde una terminal eléctrica se fija al encendedor a una zona caliente resistiva). Más en particular, los elementos de calentamiento en cerámica preferidos pueden tener una forma sustancialmente ovoide, circular u otra forma en sección transversal redondeada para al menos una porción de la longitud del encendedor, por ejemplo al menos alrededor de 10%, 40%, 60%, 80%, 90% de la longitud del encendedor o la longitud total del encendedor. Una forma en sección transversal sustancialmente circular que proporcione un elemento de calentamiento en forma de varilla es particularmente preferida. Dicha configuración en varilla ofrece un módulo de sección más elevado y por ende puede mejorar la integridad mecánica del elemento de calentamiento. Los elementos de calentamiento en cerámica de la invención pueden emplearse en una amplia variedad de voltajes nominales, incluyendo voltajes nominales de 6,8,10,12,24,120,220,230 y 240 voltios. Los elementos de calentamiento de la invención son útiles para encendido en una variedad de dispositivos y sistemas de calentamiento. Más en particular, se proporcionan sistemas de calentamiento que comprenden un elemento encendedor en cerámica sinterizado como se describe aquí. Sistemas de calentamiento específicos incluyen unidades de cocción a gas, unidades de calentamiento para construcciones comerciales y residenciales, incluyendo calentadores de agua. Como se hace referencia aquí, el término "material de cerámica" incluye materiales tanto previos a y después de los procedimientos de sinterizado. Por ejemplo, alúmina Mo2Si2, SiC, AIN y otros materiales a los que se hacen referencia aquí se consideran materiales de cerámica incluyendo en el estado pre-sinterizado de estos materiales. Otros aspectos de la invención se describen a continuación.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las figuras 1A y 1 B muestran vistas superior e inferior respectivamente de un elemento de calentamiento de la invención; La figura 2A muestra una vista en recorte a lo largo de la línea 2A-2A de la figura 1 A; y La figura 2B muestra una vista en recorte a lo largo de la línea 2B-2B de la figura 1 A.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION En un primer aspecto, se proporcionan nuevos artículos de cerámica que se forman a partir de uno o más polvos de cerámica que tiene un tamaño de partícula promedio de alrededor de 2.5 mieras o menos, más preferiblemente un tamaño de partícula promedio de alrededor de 2 mieras o menos, o 1 .5, 1.25 ó 1 miera o menos. Tales materiales de cerámica tienen un tamaño de partícula promedio de al menos de alrededor de 0.2, 0.3, 0.4 ó 0.5 mieras. En composiciones de cerámica preferidas, al menos una porción principal (por ejemplo mayor a 50, 60, 70, 80 ó 90 por ciento en peso) de un material de cerámica especificado tendrá un tamaño de partícula pequeño como se revela aquí. Más preferiblemente, la porción total del material de cerámica especificado tendrá dicho tamaño de partícula pequeño. Por ejemplo, si se indica que una composición de cerámica incluye alúmina que tenga un tamaño de partícula promedio de dos mieras o menos, preferiblemente al menos una porción principal (como mayor a 50, 60, 70, 80 ó 90 por ciento) de la alúmina utiliza en la composición de cerámica tendrá una partícula media de 2 mieras o menos, y más preferiblemente la porción completa de alúmina en la composición de cerámica tendrá un tamaño de partícula promedio de dos mieras o menos. Como se discute aquí, las composiciones de cerámica empleadas para producir elementos de calentamiento de la invención pueden comprender adecuadamente 2, 3 o más materiales distintos como AI2O3, AIN, Mo2Si2) SiC, y similares. Convenientemente, uno o más de tales materiales distintos puede emplearse en un tamaño de partícula promedio pequeño como se revela aquí. Sin embargo, en ciertas modalidades, no todos los materiales de las composiciones de cerámica necesitan emplearse en tales tamaños de partícula pequeña en promedio. En este aspecto de la invención, al menos un material de una composición de múltiples materiales es de tal tamaño de partícula promedio pequeña pero más que uno o todos los materiales de una composición de múltiples materiales pueden tener dicho tamaño de partícula pequeña promedio si se desea. Como se discutió arriba, en ciertas modalidades, el uso de un óxido de metal con tamaño de partícula promedio pequeña como AI2O3 puede preferirse particularmente.

Sin estar ligada a teoría alguna, se cree que el uso de tales materiales de partícula de tamaño promedio más pequeña puede facilitar el sinterizado a presión reducida del elemento de calentamiento en estado crudo formado. En otro aspecto, como se discutió arriba, se proporcionan ahora nuevos métodos para producir elementos encendedores en cerámica que incluyen el endurecimiento (densificado) de un elemento de cerámica formado en crudo bajo presiones reducidas elevadas. En este aspecto, se proporcionan artículos de cerámica que se fabrican mediante tratamiento del artículo de cerámica en estado crudo mediante múltiples presiones en aumento. Preferiblemente, el artículo de cerámica se trata a una primera presión y luego se trata a una segunda presión que es mayor que la primera presión. Para al menos ciertas aplicaciones, el primer y segundo tratamientos difieren en al menos 35 kg/cm2, más preferiblemente en al menos 70 kg/cm2, 140 kg/cm2, ó 175 kg/cm2. Para al menos ciertas aplicaciones, el primer tratamiento de presión adecuadamente puede estar alrededor de 210 kg/cm2 o menos, 140 kg/cm2 o menos, 70 kg/cm2 o menos, 35 kg/cm2 o menos, 4 kg/cm2 o menos, y el segundo tratamiento de presión puede estar a 421 kg/cm2 o menos, 351 kg/cm2 o menos, 281 kg/cm2 o menos, 210 kg/cm2 o menos, 140 kg/cm2 o menos, 105 kg/cm2 o menos o 70 kg/cm2 o menos.

Para al menos ciertas aplicaciones, el primer tratamiento de presión y el segundo tratamiento de presión cada uno no superarán 351 kg/cm2. Otras presiones también pueden emplearse para el primer y segundo tratamientos de presión siempre que el primer tratamiento de presión sea un menor nivel que el segundo tratamiento de presión. Nuevamente, sin desear estar limitado por teoría alguna, se cree que un primer tratamiento de presión menor puede proporcionar una densificación iniciar que evita gases atrapados dentro el artículo. Una vez que se cierra significativamente la porosidad mediante el primer tratamiento de presión, se pueden lograr densificaciones más elevadas en el segundo tratamiento de presión elevada. Preferiblemente, la densificación a múltiples presiones se realiza con el uso de sinterizado con presión de gas. Se pueden emplear hornos de sinterizado con fase de gas comerciales. Preferiblemente, el sinterizado se realizar bajo una atmósfera inerte, como una atmósfera de nitrógeno o argón. Como se discutió arriba, en un aspecto adicional de la invención, las composiciones de cerámica se densifican en ausencia de un llamado auxiliar de sinterizado. Como se discutió arriba, los elementos de cerámica pueden formarse preferiblemente mediante técnicas de moldeo por inyección. Así, por ejemplo y como se discutió arriba un elemento de base puede formarse mediante la introducción por inyección de un material de cerámica que tiene una primera resistividad (por ejemplo material de cerámica que puede funcionar como una región aislante o disipadora de calor) en un elemento de molde que define una forma de base deseada como una forma de varilla. El elemento de base puede removerse de dicho primer molde y posicionarse en un segundo elemento de molde distinto y el material de cerámica que tiene una resistividad diferente - por ejemplo un material de cerámica conductor -puede inyectarse en el segundo molde para proporcionar regiones conductoras del elemento de calentamiento. De manera similar, el elemento de base puede removerse de dicho segundo molde y posicionarse en un tercer elemento de molde distinto y el material de cerámica que tiene diferente resistividad - por ejemplo un material de cerámica de zona caliente resistiva -puede inyectarse en el tercer molde para proporcionar regiones de encendido o calientes resistivas del elemento de calentamiento. Alternativamente, en vez de dicho uso de una pluralidad de distintos elementos de molde, los materiales de cerámica de diferentes resistividades pueden hacerse avanzar en secuencia o inyectarse en el mismo alimento de molde. Por ejemplo, un volumen predeterminado de un primer material de cerámica (por ejemplo material de cerámica que puede funcionar como región aislante o disipadora de calor) puede introducirse en un elemento de molde que define una forma de base deseada y posteriormente se puede aplicar un segundo material de cerámica de diferente resistividad a la base formada.

El material de cerámica puede hacerse avanzar (inyectar) en un elemento de molde como una formación fluida que comprende uno o más materiales de cerámica como uno o más polvos de cerámica. Por ejemplo, una composición en suspensión o similar a pasta de polvos de cerámica puede prepararse como una pasta provista al agregar uno o más polvos de cerámica con una solución acuosa o una solución acuosa que contiene uno o más solventes orgánicos miscibles como alcoholes y similares. Una composición en suspensión de cerámica preferida para extrusión puede prepararse al agregar uno o más polvos de cerámica como MoSi2, Al203, y/o AIN en una composición fluida de agua opcionalmente junto con uno o más solventes orgánicos como uno o más solventes orgánicos miscibles y acuosos como un solvente de celulosa éter, un alcohol y similares. La suspensión de cerámica también puede contener otros materiales por ejemplo uno o más compuestos plastificantes orgánicos opcionalmente junto con uno más aglutinantes poliméricos. Se puede emplear una amplia variedad de elementos inductores o conformadores para formar un elemento encendedor, con el elemento de una configuración correspondiendo a la forma deseada del encendedor formado. Por ejemplo, para formar un elemento en forma de varilla, se puede inyectar una pasta de polvo de cerámica en un elemento de troquel cilindrico. Para formar un elemento encendedor de forma rectangular o similar a un separador, se puede emplear un troquel rectangular.

Después de hacer avanzar el material de cerámica en un elemento de molde, la parte de cerámica definida puede secarse convenientemente por ejemplo a más de 50°C ó 60°C por un tiempo suficiente para remover cualesquiera solventes portadores (acuosos y/u orgánicos). Los ejemplos a continuación describen procedimientos de moldeo por inyección preferidos para formar un elemento encendedor. En referencia ahora a los dibujos, las figuras 1A y 1 B muestran un elemento de calentamiento adecuado 10 de la invención. Como puede verse en la figura A, el encendedor 0 incluye una región disipadora de calor o aislante 12 encerrada dentro de regiones de diferente resistividad, a saber zonas conductoras 14 en la porción proximal 16 que se hacen más resistivas en donde en la región proximal del encendedor 18 la región tiene un volumen comparativamente disminuido y así puede funcionar como una zona caliente resistiva 20. La figura 1 B o muestra la cara inferior del encendedor con la región disipadora de calor expuesta 12. Vistas en sección transversal de las figuras 2A y 2B ilustran adicionalmente el elemento de calentamiento 10 que incluye zonas conductoras 14A y 14B en la región proximal de encendedor 16 y la zona caliente resistiva correspondiente 20 en la zona distal del encendedor 18. En uso, energía puede suministrarse al elemento de calentamiento 10 (por ejemplo mediante una o más terminales eléctricas, que no se muestran) en la zona conductora 14A que proporciona una ruta eléctrica a través de la zona de encendido resistiva 20 y luego a través de la zona conductora 14B. Los extremos proximales 14a de regiones conductoras 14 pueden fijarse adecuadamente como mediante soldadura fuerte a una terminal eléctrica (no se muestra) que suministra energía al encendedor durante el uso. El extremo proximal del encendedor 10a puede montarse adecuadamente dentro de una variedad de accesorios, como en donde un material sellador ceramoplástico encierra el extremo proximal del elemento conductor 14a como se describe en la solicitud de patente publicada en los Estados Unidos 2003/0080103. Accesorios metálicos también pueden aplicarse adecuadamente para encerrar el extremo proximal del elemento de calentamiento. Como se discutió arriba y se ejemplifica mediante el elemento de calentamiento 10 de las figuras 1A, 1 B, 2A y 2B, al menos una porción sustancial de la longitud de un encendedor tiene una forma en sección transversal redondeada a lo largo de al menos una porción de la longitud del elemento de calentamiento, como la longitud x mostrada en la figura 1 B. El encendedor 10 de las figuras 1A, 1 B, 2A y 2B ilustra una configuración particularmente preferida en donde el elemento de calentamiento 10 tiene una forma en sección transversal sustancialmente circular para alrededor de toda la longitud del elemento del calentamiento para proporcionar un elemento de calentamiento en forma de varilla. Sin embargo, sistemas preferidos también incluyen aquellos en donde sólo una porción de encendedor tiene una forma en sección transversal redondeada, tal como hasta alrededor 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ó 90 de la longitud del elemento de calentamiento (como se ejemplifica mediante la longitud del elemento de calentamiento x en la figura 1 B) tiene una forma en sección transversal redondeada; en tales diseños, el equilibrio de la longitud del elemento de calentamiento puede tener un perfil con bordes exteriores. El elemento de calentamiento de una variedad de configuraciones puede fabricarse como se desee para una aplicación en particular. Así como por ejemplo, para proporcionar una configuración en particular, se emplea un elemento de molde inductor de forma apropiada a través del cual se puede inyectar una composición de cerámica (como una pasta de cerámica). Las dimensiones de los elementos de calentamiento de la invención pueden variar ampliamente y puede seleccionarse con base en el uso pretendido del elemento de calentamiento. Por ejemplo, la longitud de un elemento de calentamiento preferido (longitud x en la figura 1 B) puede ser adecuadamente desde alrededor de 0.5 a alrededor de 5 cm, más preferiblemente desde alrededor de 1 a alrededor de 3 cm, y el ancho en sección transversal del elemento de calentamiento puede ser adecuadamente desde alrededor de (longitud y en la figura 1 B) y adecuadamente puede ser de alrededor de 0.2 a alrededor de 3 cm. De igual forma, las longitudes de las regiones de zona caliente y conductoras también pueden variar adecuadamente. Preferiblemente, la longitud de una primera zona conductora (longitud de región proximal 6 en la figura 1A) de un elemento de calentamiento de la configuración ilustrada en la figura 1A puede ser desde 0.2 cm a 2, 3, 4 o 5 o más cm. Longitudes más típicas de la primera zona conductora serán de alrededor de 0.5 a alrededor de 5 cm. La longitud de la ruta eléctrica de la zona caliente total (longitud f en la figura 1 A) puede ser adecuadamente de alrededor 0.2 a 5 o más cm. En sistemas preferidos, la zona caliente o resistiva de un elemento de calentamiento de la invención se calentará a una temperatura máxima de al menos de alrededor de 1450°C en voltaje nominal; y una temperatura máxima de menos de alrededor de 1550°C en voltajes de línea de extremo final que son alrededor de 110 por ciento de voltaje nominal; y una temperatura máxima de menos de alrededor de 1350°C en voltajes de línea de ¿?, inferior que son alrededor de 85% del voltaje nominal. Se puede emplear una variedad de composiciones para formar un elemento de calentamiento de la invención. Composiciones de zona caliente generalmente preferidas comprenden 2 o más componentes de 1 ) material conductor; 2) material semiconductor; y 3) material aislante. Regiones conductoras (frías) y aislantes (disipadores de calor) pueden comprender los mismos componentes pero con los componentes presentes en diferentes proporciones. Materiales conductores típicos incluyen por ejemplo disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno y nitruros como nitruro de titanio. Materiales aislantes típicos incluyen óxidos de metal como alúmina o nitruro como AIN y/o SÍ3N4.

Como se hace referencia aquí, el término material eléctricamente aislante indica un material que tiene una resistividad a temperatura ambiente de al menos alrededor de 1010 ohmios-cm. El componente material eléctricamente aislante de los encendedores de la invención puede comprende única o principalmente uno o más nitruros de metal y/u óxidos de metal, o alternativamente el componente aislante puede contener materiales además de los óxidos de metal o nitruro de metal. Por ejemplo, el componente material aislante puede además contener adicionalmente un nitruro como nitruro de aluminio (AIN), nitruro de silicio o nitruro de boro; un óxido de tierra rara (por ejemplo ¡tria) o un oxinitruro de tierra rara. Un material añadido preferido de componente aislante es alúmina (AI2O3). Tal como se hace referencia aquí, una cerámica semiconductora (o "semiconductor") es una cerámica que tiene una resistividad a temperatura ambiente de entre alrededor de 10 y 108 ohmios-cm. Si el componente semiconductor está presente como más de alrededor de 45 v/o de una composición de zona caliente (cuando la cerámica conductora está en la escala de alrededor de 6-10 v/o), la composición resultante se hace demasiado conductora para aplicaciones de alto voltaje (debido a la falta de aislante). Pero contrario, si el material semiconductor está presente como menos de alrededor de 10 v/o (cuando la cerámica conductora está en la escala de al rededor de 6-10 v/o), la composición resultante se hace demasiado resistiva (debido al exceso de aislante). Nuevamente, a altos niveles de conductor pueden necesitarse mezclas más resistivas de las fracciones aislantes y semiconductoras para lograr el voltaje deseado. Tal y como se hace referencia aquí, inmaterial conductor es uno que tiene una resistividad a temperatura ambiente de menos de alrededor de 102 ohmios-cm. Si el componente conductor está presente en una cantidad de más de 35 v/o de la composición de zona caliente, la cerámica resultante de la composición de zona caliente, la cerámica resultante puede hacerse demasiado conductora. Típicamente, el conductor se selecciona del grupo que consiste en disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno y nitruros como nitruro de titanio y carburos como carburos de titanio. Generalmente se prefiere disiliciuro de molibdeno. En general, las composiciones de zona caliente preferidas (resistivas) incluyen (a) entre alrededor de 50 y alrededor 80 v/o de un material eléctricamente aislante que tiene una resistividad de al menos alrededor de 1010 ohmios-cm; (b) entre alrededor de 0 (en donde no se emplea material semiconductor) y alrededor de 45 v/o de un material semiconductor que tiene una resistividad de entre alrededor de 10 y alrededor de 108 ohmios-cm; y (c) entre alrededor de 5 y alrededor de 35 v/o de un conductor metálico que tiene una resistividad de menos de alrededor de 102 ohmios-cm. Tal y como se discutió, el elemento de calentamiento de la invención contiene una región de zona fría de baja resistividad en conexión eléctrica con la zona caliente (resistiva) y que permite la fijación de terminales de alambre al encendedor. Regiones de zona fría preferida se incluyen aquellas que comprenden por ejemplo AIN y/o Al203 u otro material aislante; material semiconductor opcional y M0SÍ2 u otro material conductor; sin embargo, regiones de zona fría tendrán un porcentaje significativamente mayor de materiales conductores (por ejemplo MoSi2) que la zona caliente. Una composición de zona fría preferida comprende alrededor de 15 a 65 v/o de óxido de aluminio, nitruro de aluminio y otro material aislante; y de alrededor de 20 a 70 v/o M0SÍ2 u otro material conductor y semiconductor en una relación de volumen de a partir de alrededor de 1 :1 a alrededor de 1 :3. Para facilidad de fabricación, preferiblemente la composición de zona fría se forma de los mismos materiales que la composición de zona caliente, con las cantidades relativas de materiales semiconductores y conductores siendo mayores. Al menos ciertas aplicaciones, elementos de calentamiento de la invención pueden comprender adecuadamente una región no conductora (aislante o disipadora de calor) aunque elementos de calentamiento particularmente preferidos de la invención no tienen un aislante de cerámica que haga contacto con al menos una porción sustancial de la longitud de una primera zona conductora, como se discutió arriba. Si se emplea, dicha zona disipadora de calor puede acoplarse con una zona conductora, una zona caliente o ambas. Preferiblemente, una región aislante sinterizada tiene una resistividad de al menos alrededor de 1014 ohmios-cm a temperatura ambiente y una resistividad de al menos 104 ohmios-cm a temperatura operativa y tiene una resistencia de al menos 150 MPa. Preferiblemente, una región aislante tiene una resistividad a temperaturas operativas (de encendido) que es de al menos 2 órdenes de magnitud mayor que la resistividad a la región de zona caliente. Composiciones aisladas adecuadas comprende al menos alrededor de 90 v/o de uno o más nitruro de aluminio, alúmina y nitruro de boro. Los materiales de cerámica de elementos de cerámica de elementos de calentamientos preferidos se describen en los ejemplos que siguen. Los elementos de calentamiento de la invención pueden utilizarse en muchas aplicaciones, incluyendo aplicaciones de encendido de combustible con fase de gas como hornos y aparatos de cocción, calentadores de zócalo, boilers y hornillos de estufa. En particular, un elemento de calentamiento de la invención puede utilizarse como una fuente de encendido para detener quemadores de gas superiores así como hornos de gas. En un aspecto preferido de la invención, los elementos de calentamiento de la invención pueden configurarse y/o utilizarse como elementos encendedores resistivos distintos de elementos de calentamiento conocidos como tapón encendedor. Entre otras cosas, los tapones encendedores empleados frecuentemente se calientan a temperaturas relativamente menores, por ejemplo una temperatura máxima de alrededor de 800°C, 900°C ó 1000°C y luego calientan un volumen de aire en vez de proporcionar el encendido directo de combustible, mientras que encendedores preferidos de la invención pueden proporcionar temperaturas mayores y máximas tales como alrededor de 1200°C, 1300°C ó 1400°C para proporcionar un encendido directo del combustible. Encendedores preferidos de la invención también no necesitan incluir un sellado impermeable a gas alrededor del elemento o al menos una porción del mismo para proporcionar una cámara de combustión para el gas, como se emplea en un sistema de tapón encendedor típico Incluso adicionalmente, muchos encendedores preferidos de la invención son útiles a voltajes de línea relativamente elevados, por ejemplo un voltaje de línea superior de 24 voltios, como 60 voltios o más o 120 volteos o más incluyendo 220, 230 y 240 voltios, mientras que los tapones encendedores típicamente se emplean únicamente en voltajes de a partir de 12 a 24 voltios. Los elementos de calentamiento de la invención también son particularmente adecuados para uso en encendido en donde combustibles líquidos (húmedos) (por ejemplo que rocen o, gasolina) se evaporan y encienden, por ejemplo calentadores de vehículos (por ejemplo coches) que proporcionan un calentamiento avanzado del vehículo. En otros aspectos preferidos, los elementos de calentamiento se emplean adecuadamente como tapones encendedores, por ejemplo como una fuente de encendido en un vehículo motor.

Los elementos de calentamiento serán útiles para aplicaciones específicas adicionales, incluyendo elementos de calentamiento para un calentador infrarrojo. Los siguientes ejemplos no restrictivos ilustran la invención. Todos los documentos mencionados aquí se incorporan aquí mediante referencia en su totalidad.

EJEMPLO 1 Fabricación de encendedor Los siguientes materiales se mezclaron para proporcionar una composición conductora para fabricación de moldeo por inyección de un elemento de calentamiento: 30 % vol MoSi2, 7 % vol SiC, y 63 % vol Al203, y con base en el peso de los materiales de cerámica 2-3 % p de alcohol polivinílico y 0.3 % p de glicerol. Los siguientes materiales se agregaron para proporcionar una composición de aislante para fabricación de moldeo por inyección de un elemento de calentamiento: 10 % vol MoSi2, 90 % vol Al203, y con base en el peso de materiales de cerámica 2-3 % p de alcohol polivinílico y 0.3 % p de glicerol. Los siguientes materiales se agregaron para proporcionar una composición de zona caliente resistiva para fabricación mediante moldeo por inyección de un elemento de calentamiento: 25 % vol MoSi2, 5% vol SiC, y 70 % vol Al203, y con base en el peso del materiales de cerámica 2-3 % p % vol de alcohol polivinílico y 0.3 % p de glicerol. En cada una de las tres composiciones, AI2O3 tuvo un tamaño en partícula promedio de 1.7 mieras. No se incluyeron auxiliares de sinterizado como itria u otros materiales tales en las composiciones. Las tres composiciones anteriores de diferente resistividad se cargaron en barriles separados de un moldeador de co-inyección. Para formar el elemento encendedor en forma de varilla con una región aislante interna de la configuración general mostrada en las figuras 1A y 1 B de los dibujos, una primera carga lleno una cavidad en forma de medio cilindro con pasta aislante que formaba la pasta aislante extruida de la cavidad. La parte se removió de la primera cavidad, se colocó en una segunda cavidad y una segunda carga lleno el volumen limitado por la primera carga y el núcleo de pared de la cavidad con la pasta conductora. La parte luego se retiró de la segunda cavidad, se colocó en una tercera cavidad y una tercera carga llenó la porción superior de la parte con la pasta resistiva (zona caliente). La parte en forma de varilla así moldeada se desaglutinó entonces parcialmente a temperatura ambiente en un solvente orgánico disolviendo 10% p del 10-16% p añadido. La parte entonces se desaglutinó térmicamente en gas inerte fluyente (N2) a 300-500°C durante 60 horas para remover el resto del aglutinante residual. La parte en forma de varilla desaglutinada se densificó a través de un procedimiento de dos etapas utilizando sinterizado con fase de gas. Así, la parte en forma de varilla se colocó en un horno de sinterizado a gas que se llenó con gas de argón a una presión de 10 kg/cm2. El horno se mantuvo a 1725°C durante alrededor de 1.5 horas. El horno luego se dejó enfriar a temperatura ambiente y luego la presión se aumentó 210 kg/cm2 y se mantuvo a 1725°C durante alrededor de 2 horas. El horno luego se dejó enfriar a temperatura ambiente. La parte en forma de varilla tratada tuvo una densidad mayor a 98%. El elemento denso se conecto a un suministro de energía de 24 voltios y la zona caliente alcanzó una temperatura de alrededor de 1300°C. Se ha descrito la invención en detalle con referencia a modalidades particulares de la misma. Sin embargo, se observa que los expertos en la técnica, al considerar esta descripción pueden hacer cualquier modificación y mejoras dentro del alcance y esencia de la invención.

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un elemento de calentamiento en cerámica resistiva que comprende: previo al sinterizado, uno o más materiales de cerámica que tienen un tamaño de partícula promedio de 2.5 mieras o menos. 2. - El elemento de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el elemento de calentamiento comprende previo al sinterizado uno o más óxidos de metal que tienen un tamaño de partícula promedio de

2.5 mieras o menos.

3. - El elemento de calentamiento en cerámica de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el elemento de calentamiento comprende previo al sinterizado alúmina que tiene un tamaño de partícula promedio de 2.5 mieras o menos.

4. - El elemento de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el uno o más materiales de cerámica tienen un tamaño de partícula promedio de dos mieras o menos.

5. - El elemento de calentamiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el uno o más materiales de cerámica tienen un tamaño de partícula promedio de 1.5 mieras o menos.

6. - Un método para producir un elemento de calentamiento resistivo, que comprende: tratar una composición cerámica a una primera presión; y posteriormente tratar la composición de cerámica a una segunda presión que es mayor que la primera presión para así densificar la composición de cerámica.

7. - El medio de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque previo al tratamiento a la primera presión la composición de cerámica comprende uno o más materiales de cerámica que tienen un tamaño de partícula promedio de 2.5 mieras o menos.

8. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque previo al tratamiento a la primera presión la composición de cerámica comprende uno o más óxidos de metal que tienen un tamaño de partícula promedio de 2.5 mieras o menos.

9. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque previo al tratamiento a la primera presión la composición de cerámica comprende alúmina que tiene un tamaño de partícula promedio de 2.5 mieras o menos.

10. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primera y segunda presiones difieren en al menos70 kg/cm2.

11. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la segunda presión es de alrededor de 351 kg/cm2 o menos.

12. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primera presión es de alrededor de 70 kg/cm2 o menos.

13. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primera presión es de alrededor de 17 kg/cm2 o menos.

14. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primera y segunda presiones se aplican como un procedimiento de sinterizado con fase de gas.

15.- El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el elemento encendedor de cerámica se forma de una composición que tiene menos de 10% en volumen de carburo de silicio.

16. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el elemento de cerámica comprende dos o más regiones de diferente resistividad.

17. - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el elemento de cerámica comprende tres o más regiones de diferente resistividad.

18.- Un elemento encendedor de cerámica que se obtiene mediante el método de conformidad con la reivindicación 6.

19. - Un método para encender combustible gaseoso, que comprende aplicar una corriente eléctrica a través de un encendedor de la reivindicación 18.

20. - Un aparato de calentamiento que comprende un encendedor de la reivindicación 18.