MXPA99006942A - Dispositivos de encendido de ceramica con cabezade cerillo, y metodo para usar el mismo - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo de encendido de cerámica que comprende un par de porciones eléctricamente conductoras, cada porción teniendo un primer extremo, una zona caliente dispuesta entre y en conección eléctrica concada uno de los primeros extremos de las porciones eléctricamente conductoras, la zona caliente teniendo una longitud de trayectoria eléctrica menor de 0.5 cm, y un material de colector de calor eléctricamente no conductor que entra en contacto con la zona caliente.

Description

DISPOSITIVO DE ENCENDIDO DE CERÁMICA CON CABEZA DE CERILLO, Y MÉTODO PARA USAR EL MISMO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los materiales de cerámica han tenido gran éxito como dispositivos de encendido en hornos encendidos con gas, estufas y secadoras de ropa. Un dispositivo de encendido de cerámica tiene típicamente la forma de un pasador que contiene porciones terminales conductoras y una porción media altamente resistiva. Cuando los extremos del dispositivo de encendido se conectan con terminales electrificadas, la porción altamente resistiva (o "zona caliente") eleva su temperatura. Algunos de estos dispositivos de encendido deben satisfacer los siguientes requisitos establecidos por las industrias de artefactos y de calefacción para anticipar variaciones en el voltaje de línea.

Tiempo para alcanzar la temperatura de diseño <5 seg Temperatura mínima a 85% del voltaje de diseño 1100°C Temperatura de diseño a 100% del voltaje de diseño 1350°C Temperatura máxima a 110% del voltaje de diseño 1500°C Longitud de la zona caliente <3.81 cm Energía (W) 65-100 La patente de E.U.A. No. 5,085,804 ("la patente 804") junto con la patente de E.U.A No. 5,405,237 acompañante, describe composiciones adecuadas para una zona caliente de un dispositivo de encendido de cerámica, la zona caliente comprendiendo: a) entre 5 y 50 v/o de MoS¡2, y b) entre 50 y 95 v/o de un material seleccionado del grupo que consiste de carburo de silicio, nitruro de silicio, nitruro de aluminio, nitruro de boro, óxido de aluminio, aluminato de magnesio, oxinitruro de silicio-aluminio, y mezclas de los mismos. De conformidad con la patente 804, estas composiciones proveen la velocidad, resistividad a temperatura ambiente, y resistividad a alta temperatura apropiadas requeridas para lograr los requisitos señalados anteriormente sin limitar la forma del dispositivo de encendido. Un dispositivo de encendido convencional, el Mini-lgniter™, disponible de la Norton Company of Milford, New Hampshire, usa una composición de zona caliente de la patente 804 que comprende nitruro de aluminio ("AIN"), disiliciluro de molibdeno ("MoSi2") y carburo de silicio ("SiC"), y una longitud total de zona caliente de entre aproximadamente 1.5 cm (para aplicaciones de 12V) y 6 cm (para aplicaciones de 120V). Aunque el Mini-Igniter™ funciona bien en muchas aplicaciones, su velocidad (es decir, el tiempo que tarda para calentar desde temperatura ambiente hasta la temperatura de diseño de 1350°C) está típicamente entre 3 y 5 segundos (para aplicaciones de 24V a 120V). Se piensa que el potencial de aplicación de estos dispositivos de encendido se puede extrapolar ampliamente si su velocidad se puede disminuir debajo de 3 segundos.

Se han hecho intentos por aumentar la velocidad de estos dispositivos de encendido. Por ejemplo, Washburn y Voeller, "Low Power Gas Ignition Device, presentada en el acta de cesiones de la 1988 International Appliance Technical Conference-Europe" (1988), páginas 134-149, describen lograr velocidades tan bajas como 1.5 segundos reduciendo la masa de la zona caliente hasta aproximadamente 0.07 a 0.08 gramos (es decir, una longitud de aproximadamente 1.0 cm a 1.3 cm). Sin embargo, se piensa que estos dispositivos de encendido serían muy susceptibles a la extinción causada por el enfriamiento convectivo. Willkens y otros, "High Voltage Miniature Igniter Development", International Appliance Technical Conference, Madison, Wisconsin (1994), aconsejan que el diseño de la longitud de la zona caliente sea de por lo menos 1.8 cm para un dispositivo de encendido de 120V. La patente 804 aconseja también proveer una longitud de zona caliente de por lo menos 0.5 cm como un límite mínimo práctico. Además, estos dispositivos de encendido experimentan generalmente una corriente de entrada muy alta (es decir, una corriente de aproximadamente 10 amperes en el primer milisegundo) antes de establecer una corriente convencional de 2 a 3 amperes. Dado que cualquier transformador diseñado para usarse con estos dispositivos de encendido debe ser diseñado para aceptar esta corriente alta inicial, estos dispositivos de encendido debe ser diseñados con un transformador capaz de recibir mayor energía, en lugar del transformador menos costoso considerado para una menor energía.

Reducir simplemente la resistividad de la composición de la zona caliente (aumentando su contenido de MoSi2 conductor) ha sido considerado como un método para aumentar la velocidad dei dispositivo de encendido. Sin embargo, se encontró que hacer esto aumenta la corriente de entrada hasta niveles incluso mayores (debido a una menor resistividad a temperatura ambiente), y hace que el dispositivo de encendido sea susceptible a extinción debido a los niveles de energía inaceptablemente altos para la geometría típica del dispositivo de encendido. Estos dispositivos de encendido son incapaces de radiar energía suficientemente para producir una temperatura estable. Del mismo modo, elevar la resistividad de la composición de la zona caliente (disminuyendo su contenido de MoSi2) ha sido considerado como un método para disminuir la corriente de entrada del dispositivo de encendido. Sin embargo, se encontró que hacer esto no sólo disminuyó la velocidad del dispositivo de encendido (debido a una mayor resistividad a temperatura ambiente), sino proveyó también un dispositivo de encendido inestable a altas temperaturas (debido a su coeficiente de temperatura negativo de resistencia a altas temperaturas). El documento WO-A-95 22 722 describe un dispositivo de encendido de cerámica en el cual una zona caliente está dispuesta entre dos circuitos derivados conductores y está también en contacto con un colector de calor. Sin embargo, la cerámica de la zona caliente del documento WO-A-95 22 722 es un óxido impurificado. El documento EP-A-635 993 describe un dispositivo de encendido de cerámica en el cual una zona caliente pequeña está dispuesta entre dos circuitos derivados conductores y está también en contacto con un colector de calor. Sin embargo, la composición de la zona caliente del documento EP-A-635 993 es esencialmente una mezcla de AI2?3 y MoSi2. Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo de encendido de cerámica que tenga alta velocidad, pero que resista también los efectos de enfriamiento y tenga una corriente de entrada baja.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De conformidad con la presente invención, se provee un dispositivo de encendido de cerámica que comprende: a) un par de porciones eléctricamente conductoras, cada porción teniendo un primer extremo, b) una zona caliente resistiva dispuesta entre y en conexión eléctrica con cada uno de los primeros extremos de las porciones eléctricamente conductoras, la zona caliente teniendo una longitud de trayectoria eléctrica menor de 0.5 cm, y comprendiendo un primer material resisitivo que comprende: i) entre alrededor de 50 y aproximadamente 75% en volumen de un material eléctricamente aislante seleccionado del grupo que consiste de nitruro de aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio, y mezclas de los mismos, ¡i) entre alrededor de 10 y aproximadamente 45% en volumen de un material semiconductor seleccionado del grupo que consiste de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y iii) entre alrededor de 8.5 y aproximadamente 14% en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo que consiste de disiliciluro de molibdeno, disiliciluro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos, y c) un material de colector de calor eléctricamente no conductor que entra en contacto con la zona caliente. Para los propósitos de la presente invención la "longitud de trayectoria eléctrica" es la trayectoria más corta tomada por una corriente eléctrica a través de la zona caliente cuando un potencial eléctrico es aplicado a los extremos conductores del dispositivo de encendido. También de conformidad con la presente invención, se provee un método de calentamiento, que comprende los pasos de: a) proveer un dispositivo de encendido de cerámica que comprenda: i) un par de porciones eléctricamente conductoras, cada porción teniendo un primer extremo, ii) una zona caliente resistiva dispuesta entre y en conexión eléctrica con cada uno de los primeros extremos de las porciones eléctricamente conductoras, la zona caliente teniendo una longitud de trayectoria eléctrica menor de 0.5 cm y la composición mencionada anteriormente, y iii) un material de colector de calor eléctricamente no conductor que entre en contacto con la zona caliente, b) aplicar un voltaje de entre 3V y 60V entre los extremos conductores del dispositivo de encendido para producir una corriente de entrada y una corriente de estado estable, de modo que la relación de la corriente de estado estable: la corriente de entrada sea de por lo menos 35% (preferiblemente por lo menos 50%), y elevando la temperatura de la zona caliente hasta aproximadamente 1350°C en menos de 3 segundos (preferiblemente menos de 2 segundos).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 es una vista en sección transversal de una modalidad preferida de la presente invención, en donde el colector de calor eléctricamente aislante está dispuesto como una inserción entre los circuitos derivados conductores del dispositivo de encendido. La figura 2 es una vista en sección transversal de una modalidad preferida de la presente invención, en donde el colector de calor eléctricamente aislante entra en contacto con el lado opuesto de la zona caliente.

La figura 3 es una vista en perspectiva de un dispositivo de encendido preferido de la presente invención. La figura 4 es una vista en sección transversal de un dispositivo de encendido de la presente invención, en donde la zona caliente comprende dos secciones resistivas. La figura 5 muestra una vista esquemática de un cuerpo crudo preferido de la presente invención. La figura 6 es una vista en sección transversal de un dispositivo de encendido de la presente invención, hecho con circuitos derivados conductores colados en cintas. La figura 7 muestra el rendimiento eléctrico del ejemplo I en términos de voltaje y temperatura. Las figuras 8a y 8b muestran el amperaje de entrada con el paso del tiempo para el dispositivo de encendido de la presente invención (8a) y el dispositivo de encendido de la técnica anterior (8b).

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se ha encontrado que disminuyendo la longitud de la trayectoria eléctrica de la zona caliente hasta menos de 0.5 cm, y poniendo en contacto la zona caliente con un material de colector de calor eléctricamente aislante, se produce un dispositivo de encendido comercialmente disponible que tiene alta velocidad, alta resistencia al enfriamiento convectivo, y una baja corriente de entrada. Además, cuando se usan componentes electrónicos o transformadores para disminuir el voltaje efectivo observado en el dispositivo de encendido, la corriente de entrada menor de la presente invención disminuye la necesidad de dichas modificaciones extensas y costosas. Sin que se desee que sea vinculado a una teoría, se piensa que la masa térmica añadida del colector de calor retarda significativamente el enfriamiento convectivo de la zona caliente, permitiendo así que la zona caliente permanezca caliente bajo condiciones de enfriamiento convectivo a pesar de su pequeña longitud. En modalidades preferidas, el dispositivo de encendido tiene una configuración de pasador que comprende dos circuitos derivados conductores en paralelo y un puente de zona caliente de conexión situado entre los mismos, estando el espacio restante entre los circuitos derivados por lo menos parcialmente lleno de un material de colector de calor eléctricamente aislante tal como nitruro de aluminio, que entra en contacto con la zona caliente. Por ejemplo, como se muestra en la figura 1 , un dispositivo de encendido preferido de la presente invención tiene forma de pasador que comprende dos circuitos derivados conductores 9 y 13 colocados en conexión eléctrica mediante una zona caliente resistiva 11 , los circuitos derivados 13 extendiéndose desde la zona caliente en la misma dirección. La longitud de la trayectoria eléctrica de la zona caliente, mostrada como EPL en la figura 1, es menor de 0.5 cm. El material de colector de calor aislante 19 está provisto como una inserción que entra en contacto con la zona caliente y llena substancialmente el espacio restante entre los circuitos derivados conductores extendiéndose desde la zona caliente 11. Cuando las terminales pares 50 y 51 se unen a cada uno de los extremos conductores 9 y 13 y se aplica un voltaje a las mismas, la corriente viaja desde la primera terminal 50 hasta el primer circuito derivado conductor 9, a través de la zona caliente 11 (haciendo así que aumente la temperatura de la zona caliente), y entonces a través del segundo circuito derivado conductor 13, donde sale a través de la segunda terminal 51. En otras modalidades, el material de colector de calor eléctricamente aislante puede entrar en contacto con otras superficies de la zona caliente. Como en la figura 2, el material de colector de calor eléctricamente aislante 18 entra en contacto con la zona caliente 11 en el lado opuesto del espacio 20 creado entre los circuitos derivados conductores en paralelo 9 y 13. Este diseño provee aún el contacto del colector de calor conveniente para altas velocidades y baja corriente de entrada sin alterar las características eléctricas del dispositivo de encendido. Típicamente, la zona caliente tiene una resistividad a alta temperatura (es decir, 1350°C) de entre alrededor de 0.001 ohms-cm y aproximadamente 3.0 ohms-cm, una resistividad a temperatura ambiente de entre alrededor de 0.01 ohms-cm y aproximadamente 3 ohms-cm, y se caracteriza usualmente por un coeficiente de resistencia a temperatura positivo ("PTCR"). En modalidades más preferidas, la zona caliente comprende un primer material resistivo que comprende entre 50% en volumen y 75% en volumen de AIN, entre 13% en volumen y 41.5% en volumen de SiC, y entre 8.5% en volumen y 12% en volumen de MoSi2. En otras modalidades, la zona caliente comprende además entre 1 v/o y 10 v/o de alúmina, preferiblemente de conformidad con la Patente de E.U.A. No. 5,514,630, cuya especificación se incorpora en la presente como referencia. En relación ahora a la figura 3, la zona caliente tiene típicamente un espesor Thz de entre aproximadamente 0.05 cm y 0.2 cm, preferiblemente entre aproximadamente 0.06 cm y 0.125 cm. Su longitud Lnz (la cual, en la figura 3, es igual a la longitud de la trayectoria eléctrica) es generalmente entre 0.05 cm y 0.45 cm, preferiblemente entre 0.15 cm y 0.25 cm. Su profundidad Dhz es generalmente entre 0.05 cm y 0.4 cm, preferiblemente entre 0.1 cm y 0.25 cm. Preferiblemente, los tamaños de partícula de los polvos de partida y los granos en la zona caliente densificada son similares a ios descritos en la patente 804. En algunas modalidades, el tamaño de grano promedio (dsc) de los componentes de la zona caliente en el cuerpo densificado, es el siguiente: a) material eléctricamente aislante (es decir, AIN): entre aproximadamente 2 y 10 mieras; b) material semiconductor (es decir, SiC): entre aproximadamente 1 y 10 mieras; y c) conductor metálico (es decir, MoSi2): entre aproximadamente 1 y 10 mieras. En algunas modalidades, la zona caliente comprende un par de secciones resistivas dispuestas en paralelo entre los extremos conductores. Por ejemplo, como se muestra en la figura 4, la zona caliente puede comprender primera sección resistiva 15 y segunda sección resistiva 17, cada una de las cuales está en conexión eléctrica en paralelo con cada uno de los extremos conductores 9 y 13. En esta modalidad particular, la primera sección está diseñada para tener una resistividad menor que la segunda sección. Sin que se desee que sea vinculado a la teoría se piensa que, a temperatura ambiente, la primera sección resistiva tiene una resistividad suficientemente baja para proveer la velocidad necesaria para calentar el dispositivo de encendido, mientras que la segunda sección tiene una resistividad suficientemente alta para inhibir la corriente de entrada. A temperaturas altas (es decir, 1350°C), se piensa que la resistividad relativamente alta de la segunda sección resistiva es suficientemente alta (respecto a la primera sección resistiva) para evitar la sobrecarga del dispositivo de encendido. Preferiblemente, la segunda sección resistiva 17 de la zona caliente tiene el mismo espesor y longitud de la primera sección resistiva. Su profundidad es generalmente entre alrededor de 0.25 cm y aproximadamente 0.125 cm, preferiblemente entre 0.05 cm y 0.1 cm. Su resistividad a temperatura ambiente y su resistividad a 1350°C son típicamente mayores que las correspondientes a la primera sección resistiva. En una modalidad de la invención, la segunda sección resistiva se forma in situ mediante una reacción entre los polvos seleccionados para formar la primera sección resistiva 15, y los polvos seleccionados para formar el colector de calor eléctricamente aislante 19 dispuesto entre los circuitos derivados de un dispositivo de encendido de pasador convencional. Sin que desee que sea vinculado a una teoría, se piensa que los componentes conductores de la primera sección resistiva 15 se difunden preferiblemente en los polvos del colector de calor eléctricamente aislante 19 y que reaccionan con el mismo, creando así una segunda sección resistiva difusa 17 que tiene típicamente una profundidad de entre alrededor de 1 % a aproximadamente % de la profundidad de la primera sección resistiva 15. La función del material de colector de calor eléctricamente aislante 19 es proveer masa térmica suficiente para mitigar el enfriamiento convectivo de la zona caliente. Cuando está dispuesto como una inserción entres los dos circuitos derivados conductores, provee también soporte mecánico para los circuitos derivados conductores 9 y 13, y hace también que el dispositivo de encendido sea más sólido. La inserción tiene típicamente un espesor y una longitud similares a los circuitos derivados conductores 9 y 13 y un ancho igual a la porción de la zona caliente que une los circuitos derivados. En algunas modalidades, la inserción se puede proveer con una ranura 40 (como en la figura 3) para reducir la masa del sistema. Preferiblemente, el colector de calor eléctricamente aislante tiene una resistividad de por lo menos aproximadamente 104 ohms-cm y una resistencia de por lo menos aproximadamente 150 MPa. Más preferiblemente, el material de colector de calor tiene una conductividad térmica que no es tan alta para calentar el colector de calor completo y transferir calor a los circuitos derivados, y no tan baja para negar su función benéfica de colector de calor. Las composiciones de cerámica adecuadas para el colector de calor incluyen composiciones que comprenden por lo menos 90 v/o de (y de preferencia que consisten esencialmente de) por lo menos uno de nitruro de aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio, alúmina, y mezclas de los mismos. En modalidades que usan una zona caliente de AIN-MoSi2-SiC, se encontró que un material de colector de calor que comprende por lo menos 90% en volumen de nitruro de aluminio y hasta 10% en volumen de alúmina, poseía características de densificación y expansión térmica compatibles. Sin embargo, se encontró que la alúmina inhibía también la reacción necesaria para la formación efectiva de la segunda sección resistiva in situ. Por consiguiente, cuando se contempla la formación de la segunda sección resistiva in situ, la inserción consiste de preferencia esencialmente de por lo menos uno de nitruro de aluminio, nitruro de boro y nitruro de silicio, y mezclas de los mismos, más preferiblemente nitruro de aluminio. Del mismo modo, cuando la zona caliente está diseñada para tener una sección significativa menos resistiva formada ¡n situ, el material de colector de calor eléctricamente aislante comprende entre 1 v/o y 10 v/o de alúmina. En otras modalidades, 1-10 v/o de la inserción es un auxiliar de densificación seleccionado del grupo que comprende alúmina, óxido de calcio, óxido de magnesio, óxido de silicio y (preferiblemente) óxido de itrio, y mezclas de los mismos. En modalidades preferidas, las dimensiones de las inserciones son de 4.0 cm de profundidad x 0.25 cm de ancho x 0.1 cm de espesor. Los extremos conductores 9 y 13 proveen medios para conexión eléctrica con hilos terminales. Preferiblemente, comprenden también AIN, SiC y MoS¡2, pero tienen un porcentaje significativamente mayor de los materiales conductores y semiconductores (es decir, SiC y MoSi2) que las composiciones preferidas de la zona caliente. Por consiguiente, tienen típicamente mucho menos resistividad que la zona caliente, y no calientan hasta las temperaturas experimentadas por la zona caliente. De preferencia, comprenden aproximadamente 20 a 65 v/o de nitruro de aluminio y aproximadamente 20 a 70 v/o de MoSi2 y SiC en una relación en volumen de alrededor de 1 :1 a aproximadamente 1 :3. Más preferiblemente, los extremos conductores comprenden aproximadamente 60 v/o de AIN, 20 v/o de SiC y 20 v/o de MoS¡2. En modalidades preferidas, las dimensiones de los extremos conductores 9 y 13 son 0.05 cm de ancho x 4.2 cm de profundidad x 0.1 cm de espesor. En otras modalidades, el metal conductor se puede depositar sobre el material de colector de calor y la zona caliente para formar los circuitos derivados conductores. También de conformidad con la presente invención, se provee un método preferido para llevar a cabo la presente invención, en donde tejas hechas de mezclas de polvo prensado en caliente que tienen composiciones predeterminadas, están dispuestas de modo que la sección transversal de la teja muestra un circuito eléctrico. En un procedimiento preferido para llevar a cabo la invención (y como se muestra en la figura 5), una primera teja 21 que consiste esencialmente de una porción conductora es depositada sobre una superficie plana (no mostrada). Una segunda teja 24 que tiene una porción aislante 26 y un primer material resistivo 28 es depositada entonces encima de la primera teja 21 en la forma mostrada. Después, una tercera teja 32 que tiene sólo una sección conductora es depositada encima de la segunda teja.

Este producto laminado es densificado entonces, de modo que las tejas desiguales se unen. El producto laminado densificado es rebanado entonces a través de su espesor para formar una pluralidad de dispositivos de encendido de cerámica individuales. En la realización de la presente invención, cada teja en crudo mostrada en la figura 5 comprende una capa completa del producto laminado de cerámica (por ejemplo, la segunda teja 24 tiene una porción aislante 26 y sección resistiva 28). En forma alternativa, las tejas pueden consistir de únicamente una porción de una capa. En el último caso, se ha encontrado que las tejas que comprenden una porción de una capa se pueden unir entre sí sin pérdida concomitante alguna de sus propiedades. Aunque la figura 5 presenta cada capa como tejas en crudo rígidas, estas porciones se pueden producir alternativamente mediante colado en cintas, compactación con rodillo, prensado en caliente seguido por rebanado, prensado en seco o impresión con retícula. En otra modalidad preferida, como se muestra en la figura 6, la cinta en crudo 60 que tiene una composición conductora es enrollada alrededor de 3 lados de una teja que tiene un colector de calor eléctricamente aislante 61 y una zona caliente 62. Después de la densificación, una porción de la cinta que se enrolla alrededor de la zona caliente es removida mediante esmerilado, como se muestra mediante la línea punteada A en la figura 6, para proveer el circuito deseado.

Opcionalmente, el dispositivo de encendido puede ser esmerilado además a lo largo de la línea punteada B para producir una configuración de cerillo con punta redondeada. Cuando el dispositivo de encendido usa el material de colector de calor eléctricamente aislante como inserción, el dispositivo de encendido se puede fabricar mediante el método general descrito en la patente de E.U.A.

No. 5,191,508, cuya especificación se incorpora en la presente como referencia. El procesamiento del componente de cerámica (es decir, las condiciones de concreción y de procesamiento del cuerpo en crudo) y la preparación del dispositivo de encendido a partir de la cerámica densificada, se pueden llevar a cabo mediante cualquier método convencional. Típicamente, dichos métodos se llevan a cabo de conformidad substancial con la patente 804, cuya especificación se incorpora en la presente como referencia. En modalidades preferidas, los productos laminados en crudo son densificados mediante prensado isostático en caliente en medios de vidrio como se describe en la patente de E.U.A. No. 5,514,630, cuya especificación se incorpora en la presente como referencia. La densificación produce un cuerpo de cerámica cuya zona caliente tiene una densidad de por lo menos 95%, preferiblemente de por lo menos aproximadamente 99%, de densidad teórica. El tamaño de grano promedio de la zona caliente densificada es típicamente entre 1 y 10 um, preferiblemente entre 1 y 3 um.

Los dispositivos de encendido de la presente invención se pueden usar en muchas aplicaciones, incluyendo aplicaciones de encendido de combustible de fase gaseosa, tales como hornos y artefactos de cocina, calentadores de rodapié, hervidores de gas o de aceite y partes superiores de estufas. En una modalidad preferida, cuatro dispositivos de encendido de 30V de la presente invención están provistos en serie y se usan como fuentes de encendido para elementos de calentamiento encendidos con gas sobre una escala de gas de 120V. Aunque el dispositivo de encendido de la presente invención se usa típicamente en la escala de voltaje de 3V a 60V, se usa más típicamente en la escala de 12V a 40V. En la escala de 3 a 9V, se piensa que el uso de una longitud más pequeña de la zona caliente y/o el aumento del contenido de MoS¡2, proveería la resistencia menor necesaria para producir propiedades adecuadas. Además, las zonas calientes resistivas expuestas de la presente invención exhiben una carga de superficie de energía mayor, medida en watts/cm2 del área de superficie de la zona caliente, que el dispositivo de encendido convencional de la patente 804. La carga de superficie de zona caliente resistiva expuesta de los dispositivos de encendido de la presente invención, la cual es típicamente entre 200 y 400 watts/cm2, representa una mejora sobre el dispositivo de encendido de la patente 804, la cual podría proveer una carga de superficie de sólo aproximadamente 20-40 watts/cm2 (véase cuadro en la columna 7-8 de la patente 804) antes de experimentar extinción. Sin que se desee que sea vinculado a una teoría, se piensa que la carga de superficie mayor es la razón por la cual los dispositivos de encendido de la presente invención son mucho más resistentes al enfriamiento convectivo. En algunas modalidades, la zona caliente y/o los circuitos derivados pueden ser revestidos con una capa de una cerámica protectora tal como SÍ3N4 o AIN CVD. En estas modalidades, el dispositivo de encendido revestido es protegido del carbón y el hollín que se depositan sobre la zona caliente pequeña y que causan cortocircuitos. La práctica de la presente invención se puede apreciar mejor a partir de los ejemplos no limitantes y ejemplos comparativos siguientes. Para los propósitos de la presente invención, un dispositivo de encendido "estable" es uno que mantenga una resistividad constante y una temperatura constante a un voltaje dado.

EJEMPLO 1 Se construyó un producto laminado en crudo de conformidad substancial con el diseño mostrado en la figura 5. Se prensó en caliente un polvo mixto que comprendía una mezcla de polvo de zona caliente de 64 v/o de AIN, 25 v/o de SiC y 11 v/o de MoSi2 después de un polvo de colector de calor eléctricamente aislante que consistía esencialmente de 100 v/o de polvo de nitruro de aluminio para formar un lingote, el cual fue rebanado entonces para formar la teja en crudo 24 de la figura 5. La porción del cuerpo en crudo prensado en caliente de la zona caliente tenía una densidad de aproximadamente 63% de densidad teórica, mientras que la porción de AIN tenía una densidad de aproximadamente 60% de densidad teórica. Las tejas en crudo que representan los extremos conductores fueron fabricadas prensando en caliente mezclas de polvo que contenían 20 v/o de AIN, 60 v/o de SiC y 20 v/o de MoS¡2 para formar un lingote que tenía una densidad de aproximadamente 63% de densidad teórica, a partir del cual las tejas 21 y 32 de la figura 5 fueron rebanadas. Las tejas en crudo fueron laminadas como se muestra en la figura 5, y densificadas entonces mediante prensado isostático de vidrio en caliente a aproximadamente 1800°C durante aproximadamente 1 hora para formar un bloque de cerámica que tenía una segunda sección resistiva formada in situ. El bloque fue rebanado entonces a través de su ancho para producir una pluralidad de elementos de superficie calientes que medían 3.81 cm x 0.75 cm x 0.076 cm. La zona caliente resultante comprendía una primera sección resistiva que tenía una profundidad de aproximadamente 0.125 cm, y una segunda sección resistiva formada in situ que tenía una profundidad de aproximadamente 0.05 cm. La longitud (EPL) y el espesor de la zona caliente eran de aproximadamente 0.25 cm y 0.076 cm, respectivamente. Se unieron terminales adecuadas a las porciones conductoras del elemento de superficie caliente, y se aplicó un voltaje de aproximadamente 30V. El rendimiento eléctrico del dispositivo de encendido nominal resultante de 24V se muestra en la figura 7 en términos de voltaje y temperatura. Dado que la resistencia a baja temperatura es menor que la resistencia a temperatura ambiente, la zona caliente tiene un PTCR efectivo. El dispositivo de encendido mostró rendimiento de calentamiento estable y alcanzó la temperatura de diseño de 1100°C - 1350°C en sólo apenas 1 segundo. Como se muestra en la figura 8a, se encontró que la corriente de entrada es de sólo 3.2 amperes. La energía, que se midió a 54 watts, proveyó una carga de superficie de zona caliente resistiva expuesta de aproximadamente 300 watts/cm2.

EJEMPLO II Este ejemplo tiene el propósito de mostrar la resistencia superior al enfriamiento convectivo provisto por el dispositivo de encendido de la presente invención, comparativamente con la provista por el ejemplo comparativo I siguiente. Se fabricó un dispositivo de encendido de conformidad substancial con el ejemplo I. La longitud de trayectoria eléctrica de este dispositivo de encendido era de 0.25 cm. Cuando este dispositivo de encendido fue energizado con 24V, produjo una corriente de 1.8 amperes y una temperatura estable de 1408°C. Un recipiente de gas que provee 400 cc/min (ccm) de aire se colocó a aproximadamente .305 m del dispositivo de encendido. Una corriente del chorro de aire redujo sólo la temperatura de la zona caliente a aproximadamente 1182°C. El chorro de aire no apagó el dispositivo de encendido.

EJEMPLO COMPARATIVO I Se seleccionó con fines comparativos un dispositivo de encendido convencional de 24V comercializado por la Norton Company bajo la patente 804. Tenía una longitud de trayectoria eléctrica de zona caliente de aproximadamente 2.05 cm. Cuando fue energizado con 24V, alcanzó aproximadamente 1100°C-1350°C en aproximadamente 2 a 3 segundos, y produjo una temperatura estable de 1410°C. Como se muestra en la figura 8b, tenía un amperaje de entrada de aproximadamente 11 amperes, el cual disminuyó hasta aproximadamente 3 amperes. Una corriente del chorro de aire descrito anteriormente redujo la temperatura de la zona caliente hasta aproximadamente 950°C, la cual es menor que la temperatura mínima deseada de 1100°C. Un dispositivo de encendido convencional de 12V comercializado por la Norton Company bajo la patente 804 fue energizado con 12V, y produjo una corriente estable de aproximadamente 2.0 amperes y una temperatura estable de 1400°C. Una corriente del chorro de aire descrito anteriormente redujo la temperatura de la zona caliente a menos de 600°C.

EJEMPLO lll Este ejemplo muestra los resultados de prueba de vida superior del dispositivo de encendido de la presente invención. Se sometió un dispositivo de encendido de 24V similar al usado al ejemplo II, para poner a prueba el ciclo de vida del mismo, en donde el dispositivo de encendido es encendido durante 20 segundos, y apagado entonces durante 20 segundos. Después de 543,000 ciclos, la disminución en el amperaje fue de sólo 5.43%. Este cambio pequeño representa una mejora sobre el dispositivo de encendido estándar de la patente 804, ei cual mostró típicamente una disminución de 16% sobre la ciclización similar. La temperatura del dispositivo de encendido de la presente invención fue originalmente de aproximadamente 1393°C, y sólo disminuyó hasta aproximadamente 1379°C durante la prueba de ciclo de vida del mismo.

EJEMPLO IV Este ejemplo examina el comportamiento de un dispositivo de encendido, en donde la composición de la zona caliente se pone en contacto con un material de colector de calor eléctricamente aislante, cuya composición inhibe la formación de una sección resistiva formada in situ. En particular, muestra el beneficio provisto por la segunda porción resistiva formada in situ para disminuir el amperaje de entrada.

Se fabricó un dispositivo de encendido en forma substancialmente similar al dispositivo de encendido descrito en el ejemplo II anterior, excepto que se añadió 4 v/o de alúmina a la composición de la inserción para inhibir la formación ¡n situ de una segunda composición resistiva. El examen de la microestructura de la cerámica resultante reveló un grado menor de formación in situ de una segunda sección resistiva. Se piensa que la adición de alúmina inhibió eficazmente la formación de una segunda sección resistiva. Cuando se aplicó un voltaje de 24V a este dispositivo de encendido, alcanzó aproximadamente 1350°C en aproximadamente 1 segundo, y fue estable. Como se muestra en la figura 8c, su amperaje de entrada fue de sólo 4 amperes, y fue así menor que el amperaje de entrada del dispositivo de encendido convencional de la patente 804, pero mayor que el del ejemplo I. Después se estableció a aproximadamente 2 amperes.

EJEMPLO COMPARATIVO II Este ejemplo comparativo demuestra la carga de superficie superior del dispositivo de encendido de la presente invención. Un dispositivo de encendido estándar de 24V fue energizado con 24V, y produjo una temperatura estable y un amperaje de 1.57. Cuando el voltaje se incrementó a 35 volts (produciendo así un amperaje de 2.3 amperes), el dispositivo de encendido falló. La carga de superficie del dispositivo de encendido a la falla fue de sólo aproximadamente 60 watts/cm2.

Comparativamente, el dispositivo de encendido del ejemplo I tuvo una carga de superficie de zona caliente resistiva expuesta de aproximadamente 300 watts/cm2.

Claims (24)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un dispositivo de encendido de cerámica, caracterizado porque comprende: a) un par de porciones eléctricamente conductoras, cada porción teniendo un primer extremo; b) una zona caliente resistiva dispuesta entre y en conexión eléctrica con cada uno de los primeros extremos de las porciones eléctricamente conductoras, la zona caliente teniendo una longitud de trayectoria eléctrica menor de 0.5 cm, y comprendiendo un primer material resisitivo que comprende: (i) entre alrededor de 50 y aproximadamente 75% en volumen de un material eléctricamente aislante seleccionado del grupo que consiste de nitruro de aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio, y mezclas de los mismos; (¡i) entre alrededor de 10 y aproximadamente 45% en volumen de un material semiconductor seleccionado del grupo que consiste de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y (iii) entre alrededor de 8.5 y aproximadamente 14% en volumen de un conductor metálico seleccionado dei grupo que consiste de disiliciluro de molibdeno, disiliciluro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos, y c) un material de colector de calor eléctricamente no conductor que entra en contacto con la zona caliente.

2.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el material de colector de calor eléctricamente no conductor es una cerámica seleccionada del grupo que consiste de AIN, S¡3N4, BN, AI2O3, y mezclas de los mismos.

3.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque las porciones eléctricamente conductoras comprenden además segundos extremos que se extienden en la misma dirección desde la zona caliente para definir un par de circuitos derivados, y el material de colector de calor eléctricamente no conductor está dispuesto entre los circuitos derivados.

4.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente comprende además una porción resistiva formada in situ dispuesta entre el primer material resistivo y el material de colector de calor eléctricamente no conductor.

5.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente comprende además un segundo material resistivo que tiene una resistividad que es mayor que la resistividad del primer material resistivo.

6.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el material de colector de calor eléctricamente no conductor comprende por lo menos 90 v/o de una cerámica seleccionada del grupo que consiste de AIN, Si3N , BN, AI2O3, y mezclas de los mismos.

7.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el material de colector de calor eléctricamente no conductor consiste esencialmente de AIN.

8.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente comprende además entre 1 y 10 v/o de AI2O3.

9.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer material resistivo comprende entre 50% en volumen y 75% en volumen de AIN, entre 12% en volumen y 41.5% en volumen de SiC, y entre 8.5% en volumen y 12% en volumen de MoS¡2.

10.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene una longitud de trayectoria eléctrica de entre 0.05 y 0.45 cm.

11.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene una longitud de trayectoria eléctrica de entre 0.15 y 0.25 cm.

12.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene un espesor de entre 0.05 cm y 0.2 cm, y una profundidad de entre 0.05 cm y 0.4 cm.

13.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene un tamaño de grano promedio de entre 1 y 10 um.

14.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene un tamaño de grano promedio de entre 1 y 3 um.

15.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene una densidad de por lo menos 95% de densidad teórica.

16.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente tiene una densidad de por lo menos 99% de densidad teórica.

17.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el segundo material resistivo tiene una profundidad de entre aproximadamente 1 % y aproximadamente 20% de la profundidad del primer material resistivo.

18.- El dispositivo de encendido de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el material de colector de calor eléctricamente aislante comprende además un auxiliar de concreción seleccionado del grupo que consiste de óxido de ¡trio, óxido de magnesio, óxido de calcio y óxido de silicio, y mezclas de los mismos.

19.- Un método de calentamiento, caracterizado porque comprende los pasos de: a) proveer un dispositivo de encendido de cerámica que comprenda: i) un par de porciones eléctricamente conductoras, cada porción teniendo un primer extremo, ii) una zona caliente resistiva dispuesta entre y en conexión eléctrica con cada uno de los primeros extremos de las pociones eléctricamente conductoras, la zona caliente teniendo una longitud de trayectoria eléctrica menor de 0.5 cm, y comprendiendo un primer material resistivo que tiene una composición que comprende: entre alrededor de 50 y aproximadamente 75% en volumen de un material eléctricamente aislante seleccionado del grupo que consiste de nitruro de aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio, y mezclas de los mismos; entre alrededor de 10 y aproximadamente 45% en volumen de un material semiconductor seleccionado del grupo que consiste de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos; y entre alrededor de 8.5 y aproximadamente 14% en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo que consiste de disiliciluro de molibdeno, disiliciluro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos, y iii) un material de colector de calor eléctricamente no conductor que entre en contacto con la zona caliente; b) aplicar un voltaje de entre 3V y 60V entre ios extremos conductores del dispositivo de encendido.

20.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque la zona caliente resistiva comprende un primer material resistivo que comprende entre 50% en volumen y 75% en volumen de AIN, entre 13% en volumen y 41.5% en volumen de SiC, y entre 8.5% en volumen y 12% en volumen de MOSi2.

21.- Un método de calentamiento, caracterizado porque comprende los pasos de: a) proveer un dispositivo de encendido de cerámica que comprende: i) un par de porciones eléctricamente conductoras, cada porción teniendo un primer extremo, ii) una zona caliente resistiva dispuesta entre y en conexión eléctrica con cada uno de los primeros extremos de las porciones eléctricamente conductoras, la zona caliente teniendo una longitud de trayectoria eléctrica de menos de 0.5 cm, y iii) un material de colector de calor eléctricamente no conductor que entra en contacto con la zona caliente; b) aplicar un voltaje de entre 3V y 60V entre los extremos conductores del dispositivo de encendido para producir una corriente de entrada y una corriente de estado estable, de modo que la relación de la corriente de estado estable: la corriente de entrada sea de por lo menos 35%, y elevando la temperatura de la zona caliente hasta aproximadamente 1350°C en menos de aproximadamente 3 segundos.

22.- El método de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque la relación de la corriente de estado estable: la corriente de entrada es de por lo menos 50%.

23.- El método de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque la zona caliente resistiva comprende un primer material resistivo que tiene una composición que comprende: (a) entre alrededor de 50 y aproximadamente 75% en volumen de un material eléctricamente aislante seleccionado del grupo que consiste de nitruro de aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio, y mezclas de los mismos; (b) entre alrededor de 10 y aproximadamente 45% en volumen de un material semiconductor seleccionado del grupo que consiste de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos; y (c) entre alrededor de 8.5 y aproximadamente 14% en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo que consiste de disiliciluro de molibdeno, disiliciluro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos.

24.- El método de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque la zona caliente resistiva comprende un primer material resistivo que comprende entre 50% en volumen y 75% en volumen de AIN, entre 13% en volumen y 41.5% en volumen de SiC, y entre 8.5% en volumen y 12% en volumen de MOS¡2.