PT1250554E

PT1250554E - Dispositivos de ignição cerâmicos e método para utilização e produção dos mesmos

Info

Publication number: PT1250554E
Application number: PT01903321T
Authority: PT
Inventors: Craig A Willkens; James M Olsen; Scott M Hamel
Original assignee: Saint Gobain Ceramics
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2006-11-30
Also published as: KR100433612B1; AU3115301A; CZ20022597A3; CN1397001A; ES2237252A1; SE0202229D0; SE0202229L; TW500894B; CA2395754C; GB2378748B; EP1250554B1; MXPA02007238A; BR0107769A; NO20023528L; DE10195003T1; TR200201850T2; CA2395754A1; AU774937B2; SE525563C2; GB2378748A

Description

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DESCRIÇÃO "Dispositivos de ignição cerâmicos e métodos para utilização e produção dos mesmos"

Antecedentes do invento 1. Campo do invento 0 invento refere-se a dispositivos de ignição cerâmicos e a métodos melhorados para fabricação dos dispositivos de ignição. 2. Antecedentes

Os materiais cerâmicos têm tido um grande sucesso como dispositivos de ignição em fornos aquecidos a gás, estufas, secadores de roupa, e outros dispositivos que requerem a ignição de um combustível gasoso. A produção de um dispositivo de ignição cerâmico requer a construção de um circuito eléctrico através de um componente cerâmico, uma porção do qual é altamente resistiva e aumenta de temperatura quando electrifiçada por um fio eléctrico.

Um dispositivo de ignição convencional, o Mini-Igniter™, disponível na Norton Igniter Products de Milford, N.H., está desenhado para aplicações de 12 volt a 120 volt e tem uma composição compreendendo nitreto de alumínio ("A1N"), di-silicieto de molibdénio ("M0SÍ2") e carboneto de silício ("SiC"). A Patente U.S. N° 5786565 de Willkens et al. (a "patente 565") revela dispositivos de ignição cerâmicos altamente úteis que compreendem a) um par de porções condutivas electricamente, cada porção possuindo uma primeira extremidade, b) uma zona quente resistiva disposta entre estas e em ligação eléctrica com cada uma das primeiras extremidades das porções condutivas electricamente, a zona quente com um comprimento de percurso eléctrico inferior a 0,5 cm, e c) um material dissipador de calor não condutivo electricamente em contacto com a zona quente. A Patente U.S. N° 5085804 revela um dispositivo de ignição para combustíveis fluidos compreendendo uma zona 2

ΕΡ 1 250 554 /PT quente e extremidades frias, consistindo essencialmente de uma mistura sinterizada de 5 a 50% em volume de di-silicieto de molibdénio e 50 a 95% em volume de uma mistura de carboneto de silício e nitreto de silício, e menciona dispositivos de ignição em forma de U conhecidos da especialidade anterior. Para dispositivos de ignição de forma atarracada, considera-se que um comprimento de zona quente de pelo menos 5 mm (0,2 in) representa um limite prático. São requeridas várias propriedades de desempenho para os sistemas de dispositivos de ignição cerâmicos, incluindo velocidade elevada (pouco tempo para aquecer desde a temperatura ambiente até à temperatura de projecto) e robustez suficiente para operar durante períodos prolongados sem substituição. No entanto, muitos dispositivos de ignição convencionais não satisfazem consistentemente estes requisitos. Seria assim desejável ter novos sistemas de dispositivos de ignição cerâmicos.

Sumário do invento

Concebemos agora novos dispositivos de ignição cerâmicos altamente úteis que exibem propriedades de desempenho excepcionais, incluindo vidas operacionais longas.

Constatou-se surpreendentemente que os dispositivos de ignição cerâmicos revelados na patente 565 acima referida falham por vezes devido a "desgaste" da região da zona quente do dispositivo de ignição. Conforme anteriormente mencionado, a patente 565 revela um dispositivo de ignição com um comprimento de percurso eléctrico de zona quente relativamente curto inferior a 0,5 cm. Sem querer estar demasiado ligado à teoria, crê-se que durante a operação de um tal dispositivo de ignição, a densidade de potência gerada na linha de alta voltagem dá origem a um gradiente de alta temperatura. Crê-se que este gradiente de alta temperatura resulta em oxidação acelerada de uma região localizada da zona quente do dispositivo de ignição, o que pode resultar na falência prematura do dispositivo.

Em contraste, os dispositivos de ignição do invento podem proporcionar uma densidade de potência mais difusa através da região da zona quente, evitando desse modo gradientes de temperatura indesejáveis em áreas isoladas da 3

ΕΡ 1 250 554 /PT zona quente proporcionando ao mesmo tempo aquecimento da ponta.

Mais especificamente, num aspecto do invento, são proporcionados dispositivos de ignição cerâmicos que compreendem: a) um par de porções condutivas electricamente, cada porção possuindo uma primeira extremidade; e b) uma zona quente resistiva disposta entre e em ligação eléctrica com cada uma das primeiras extremidades das porções condutivas electricamente, onde a zona quente tem um comprimento de percurso eléctrico entre 0,51 cm e 2 cm, e onde a zona quente é não linear.

Dispositivos de ignição preferidos do invento têm um comprimento de percurso eléctrico da zona quente entre 0,6 cm e 1,5 cm, mais preferivelmente de 0,6 cm a cerca de 1,2 cm, ainda mais preferivelmente de cerca de 0,7 cm a 0,9 cm. Conforme aqui utilizado, o termo “comprimento de percurso eléctrico" designa o comprimento do percurso mais curto tomado pela corrente eléctrica através da região da zona quente do dispositivo de ignição quando se aplica um potencial eléctrico às extremidades condutivas do dispositivo de ignição.

Crê-se que estes comprimentos da zona quente podem difundir eficazmente a densidade de potência através da região da zona quente, sem produzirem gradientes de temperatura isolados que podem conduzir à degradação e falência prematuras do dispositivo de ignição. Para além disso, os limites de comprimento de percurso eléctrico (até cerca de 2 cm) resultam em aquecimento eficaz e tempos curtos até à temperatura de ignição, sem a necessidade de alimentação de energia em excesso ao sistema.

No elemento do dispositivo de ignição cerâmico de acordo com o invento, a região da zona quente tem uma geometria não linear, e.g. um desenho substancialmente em forma de U, pelo que a zona quente se prolonga sem interrupção através da largura superior do dispositivo de ignição e depois ao longo de uma porção de cada lado do comprimento do dispositivo de ignição. Crê-se que estes desenhos não lineares podem mais eficazmente difundir ou reduzir a densidade de potência dentro da região da zona quente, em relação a um sistema comparável com uma zona quente linear. 4

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Os dispositivos de ignição do invento possuem também preferivelmente uma porção não condutiva electricamente (dissipador de calor) em contacto com a região da zona quente. Em particular, a porção não condutiva está preferivelmente interposta ou inserida entre as porções condutivas electricamente e em contacto com a região da zona quente.

Verificámos também que preferivelmente a altura de união da zona quente (largura da zona quente num dispositivo de ignição rectangular, a seguir descrita adicionalmente) é preferivelmente pelo menos cerca de 0,05 cm, mais preferivelmente pelo menos cerca de 0,06 cm. Uma altura de união da zona quente de 0,05 cm a 0,4 cm é geralmente preferida; e uma altura de união da zona quente de 0,06 cm a cerca de 0,3 cm é mais preferida.

Preferivelmente, as zonas quentes de dispositivos de ignição do invento conterão uma composição sinterizada contendo um material condutivo e um material isolante, e tipicamente conterão ainda um material semicondutor. As porções condutivas ou de zona fria de dispositivos de ignição do invento conterão uma composição sinterizada de componentes similares, com concentrações relativamente mais elevadas de material condutivo.

Os dispositivos de ignição do invento podem ser adequadamente operados num amplo intervalo de voltagens, incluindo voltagens nominais de 6, 8, 12, 24 e 120. São ainda proporcionados novos métodos para a produção de dispositivos de ignição do invento, que incluem a fabricação de uma pluralidade de dispositivos de ignição a partir de um material de lingote, permitindo a produção de dispositivos de ignição significativamente mais eficiente. Os métodos do invento para a formação de um dispositivo de ignição cerâmico compreendem a) proporcionar um corpo cerâmico condutivo electricamente que compreende uma pluralidade de elementos de dispositivo de ignição unidos; b) inserção dentro de cada elemento de um material não condutivo electricamente; e c) densificação da pluralidade de elementos de dispositivo de ignição. 5

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Outros aspectos do invento são revelados infra. Descrição dos desenhos A FIG. 1 ilustra um dispositivo de ignição preferido do invento. A FIG. 2 ilustra esquematicamente um método de produção de um dispositivo de ignição do invento.

As FIGS. 3 e 4 mostram resultados do Exemplo 1, que se segue.

Descrição detalhada do invento

Conforme anteriormente indicado, o invento proporciona um elemento de dispositivo de ignição cerâmico sinterizado compreendendo duas zonas frias e uma zona quente, a zona quente com um comprimento de percurso eléctrico de 0,51 cm a cerca de 2 cm. Mais tipicamente, o comprimento de percurso eléctrico será algo superior a 0,51 cm, e.g. pelo menos cerca de 0,6 cm, 0,7 cm ou 0,8 cm. A FIG. 1 dos desenhos ilustra um dispositivo de ignição preferido 10 do invento que inclui uma porção de zona quente 12 em contacto com e disposta entre as zonas frias 14a e 14b. 0 dissipador de calor 16 está interposto entre essas zonas frias 14a e 14b e em contacto com a zona quente 12. As extremidades da zona fria 14a' e 14b' distais da zona quente 12 estão em ligação eléctrica com uma fonte de energia, tipicamente através de algum tipo de montagem de circuito eléctrico.

Como se mostra na FIG. 1, a zona quente 12 tem comprimento de percurso eléctrico "e" não-linear, substancialmente em forma de U (mostrado como linha a tracejado para enfatizar um percurso mínimo), que se prolonga para baixo ao longo do comprimento de cada lado do dispositivo de ignição. Conforme anteriormente descrito, crê-se que estas geometrias de zona quente não lineares difundem mais eficazmente a densidade de potência através da região da zona quente e melhoram a vida operacional do dispositivo de ignição. 6

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As dimensões da região da zona quente podem variar adequadamente desde que o comprimento global do percurso eléctrico da zona quente se situe dentro dos intervalos aqui revelados. No desenho de dispositivo de ignição geralmente rectangular ilustrado na FIG. 1, preferivelmente a largura da zona quente entre as zonas frias (ilustrada como a distância "a" na FIG. 1) é suficiente para evitar curto-circuitos eléctricos ou outros defeitos. Num sistema preferido, essa distância a é 0,5 cm. A altura de união da zona quente (ilustrada como a distância "b" na FIG. 1) deverá também ter um tamanho suficiente para evitar defeitos do dispositivo de ignição, incluindo aquecimento localizado excessivo, que podem resultar em degradação e falência do dispositivo de ignição conforme anteriormente descrito. Preferivelmente, conforme anteriormente descrito, a altura de união da zona quente é pelo menos cerca de 0,05 cm, mais preferivelmente pelo menos cerca de 0,06 cm. Prefere-se geralmente uma altura de união da zona quente de 0,05 cm a 0,4 cm; uma altura de união da zona quente de 0,06 cm a cerca de 0,3 cm é mais preferida; e uma altura de união da zona quente de 0,06 a 0,035 a 0,040 é particularmente preferida. Constatou-se que alturas de união da zona quente de 0, 035 e 0, 040 são particularmente adequadas. O termo "altura de união da zona quente" conforme aqui utilizado é entendido para significar a dimensão de uma zona quente que se prolonga paralela ao comprimento ou dimensão longa de um dispositivo de ignição geralmente rectangular, conforme exemplificado pela dimensão b ilustrada na FIG. 1.

As "pernas" da zona quente que se prolongam para baixo ao longo do comprimento do dispositivo de ignição estarão limitadas a um tamanho para manter o comprimento global de percurso eléctrico da zona quente dentro de cerca de 2 cm.

Os componentes da composição da zona quente 12, zonas frias 14a e 14b, e região de dissipador de calor não condutiva 16 podem variar adequadamente. Composições adequadas para essas regiões são reveladas na Patente U.S. N° 5786565 de Willkens et al. bem como na Patente U.S. N° 5191508 de Axelson et al., patentes que são aqui incorporadas por referência. 7

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Mais particularmente, a zona quente tem uma temperatura elevada (i.e. 1350°C), resistividade entre cerca de 0,01 ohm.cm e cerca de 3,0 ohm.cm e uma resistividade à temperatura ambiente entre cerca de 0,01 ohm.cm e cerca de 3 ohm.cm. As composições de zona quente preferidas contêm uma composição sinterizada de um material isolante electricamente, e um condutor metálico, e preferivelmente contendo ainda um material semicondutor. Conforme aqui utilizado, o termo material isolante electricamente refere-se a um material com uma resistividade à temperatura ambiente de pelo menos cerca de 1010 ohm.cm. Conforme aqui utilizado, o termo condutor metálico ou material condutivo refere-se a um material que tem uma resistividade à temperatura ambiente inferior a cerca de 1CT2 ohm.cm. Conforme aqui utilizado, o termo cerâmico semicondutivo (ou "semicondutor") é um cerâmico com uma resistividade à temperatura ambiente entre cerca de 10 e 108 ohm.cm.

Em geral, composições de zona quente preferidas incluem (a) entre cerca de 50 e cerca de 80 por cento em volume (% em volume ou v/o) de um material isolante electricamente com uma resistividade de pelo menos cerca de 1010 ohm.cm; (b) entre cerca de 5 e cerca de 45 v/o de um material semicondutivo com uma resistividade entre cerca de 10 e cerca de 108 ohm.cm; e (c) entre cerca de 5 e cerca de 25 v/o de um condutor metálico com uma resistividade inferior a cerca de 1CT2 ohm.cm. Preferivelmente, a zona quente compreende 50-70 v/o de cerâmico isolante electricamente, 10-45 v/o do cerâmico semicondutivo e 6-16 v/o do material condutivo. Em certas concretizações preferidas, o material condutivo é M0S12, preferivelmente presente numa quantidade de cerca de 9 a 15% em volume, com base nos componentes totais da composição de zona quente, mais preferivelmente de cerca de 9 a 13% em volume, com base nos componentes totais da composição de zona quente. Para um dispositivo de ignição de 24 volt, uma concentração de di-silicieto de molibdénio particularmente preferida é de cerca de 9,2 a 9,5% em volume, com base nos componentes totais da composição de zona quente.

Componentes adequados de material isolante electricamente de composições de zona quente incluem um ou mais óxidos de metal tais como óxido de alumínio, um nitreto tal como um nitreto de alumínio, nitreto de silício ou nitreto de boro; um óxido de terras raras (e.g., ítria); ou 8

ΕΡ 1 250 554 /PT um oxinitreto de terras raras. Preferem-se geralmente nitreto de alumínio (A1N) e óxido de alumínio (AI2O3) .

Tipicamente, o condutor metálico é seleccionado de entre o grupo consistindo de di-silicieto de molibdénio, di-silicieto de tungsténio, e nitretos tais como nitreto de titânio, e carbonetos tais como carboneto de titânio. Prefere-se geralmente di-silicieto de molibdénio.

Materiais semicondutores geralmente preferidos incluem carbonetos, particularmente carboneto de silício (dopado e não dopado), e carboneto de boro. Prefere-se geralmente carboneto de silício.

Composições de zona quente do invento particularmente preferidas contêm óxido de alumínio e/ou nitreto de alumínio, di-silicieto de molibdénio e carboneto de silício. Conforme anteriormente mencionado, pelo menos em certas concretizações, o di-silicieto de molibdénio está presente numa quantidade de 9 a 12% em volume. Para um dispositivo de ignição de 24 volt, uma concentração de di-silicieto de molibdénio particularmente preferida é de cerca de 9,2 a 9,5% em volume, com base nos componentes totais da composição de zona quente.

Conforme anteriormente descrito, os dispositivos de ignição do invento contêm também tipicamente pelo menos uma ou mais regiões de zona fria de resistividade baixa em ligação eléctrica com a zona quente para permitir a ligação de fios eléctricos ao dispositivo de ignição. Tipicamente, uma composição de zona quente está disposta entre duas zonas frias. Preferivelmente, estas regiões de zona fria consistem de e.g. A1N e/ou AI2O3 ou outro material isolante; SiC ou outro material semicondutor; e M0S12 ou outro material condutivo. Contudo, as regiões de zona fria terão uma percentagem significativamente mais elevada dos materiais condutivo e semicondutivo (e.g., SiC e M0S12) do que a zona quente. Deste modo, as regiões de zona fria possuem tipicamente apenas cerca de 1/5 a 1/1000 da resistividade da composição de zona quente e não aumentam de temperatura até aos níveis da zona quente. É mais preferido quando a resistividade da(s) zona(s) frias à temperatura ambiente é de 5 a 20 por cento da resistividade à temperatura ambiente da zona quente. 9

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Uma composição de zona fria preferida para utilização no dispositivo de ignição do invento compreende cerca de 15 a 65 v/o de óxido de alumínio, nitreto de alumínio ou outro material isolador; e cerca de 20 a 70 v/o de M0SÍ2 e SiC ou outro material condutivo e semicondutivo numa razão em volume de cerca de 1:1 a cerca de 1:3. Mais preferivelmente, a zona fria compreende cerca de 15 a 50 v/o de A1N e/ou AI2O3, 15 a 30 v/o de SiC e 30 a 70 v/o de M0SÍ2. Para facilidade de fabrico, preferivelmente a composição de zona fria é formada dos mesmos materiais que a composição de zona quente, sendo as quantidades relativas de materiais semicondutivos e condutivos superiores. O dissipador de calor isolante electricamente 16 deverá ser constituído por uma composição que proporcione massa térmica suficiente para mitigar o arrefecimento convectivo da zona quente. Adicionalmente, quando disposto como uma inserção entre as duas pernas condutivas, conforme exemplificado pelo sistema que se mostra na FIG. 1, a inserção 16 proporciona suporte mecânico para as porções de zona fria prolongadas 14a e 14b e torna o dispositivo de ignição mais robusto. Em algumas concretizações, a inserção 16 pode ser provida com uma ranhura para reduzir a massa do sistema. Preferivelmente, o dissipador de calor isolante electricamente tem uma resistividade à temperatura ambiente de pelo menos cerca de 104 ohm.cm e uma resistência mecânica de pelo menos cerca de 150 MPa. Mais preferivelmente, o material dissipador de calor tem uma condutividade térmica que não é demasiado elevada para aquecer todo o dissipador de calor e transferir calor para os fios, e não tão baixa de modo a invalidar a sua função benéfica de dissipador de calor. Composições cerâmicas adequadas para o dissipador de calor incluem composições compreendendo pelo menos cerca de 90% em volume de pelo menos um de nitreto de alumínio, nitreto de boro, nitreto de silício, alumina e suas misturas. Quando se utiliza uma composição de zona quente de AIN-M0S12-SiC, um material dissipador de calor compreendendo pelo menos 90% em volume de nitreto de alumínio e até 10% em volume de alumina pode ser preferido por características de expansão térmica e de densificação compatíveis. Uma composição de dissipador de calor preferida é revelada no pedido de patente co-pendente U.S. n° de série 09/217793, cuja revelação na sua totalidade é aqui incorporada por referência. 10

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Os dispositivos de ignição cerâmicos do invento podem ser usados com uma variedade de voltagens, incluindo voltagens nominais de 6, 8, 12, 24 e 120 volt. Os dispositivos de ignição do invento podem aquecer rapidamente desde a temperatura ambiente até às temperaturas operacionais, e.g. até cerca de 1350°C em cerca de 4 segundos ou menos, mesmo em 3 segundos ou menos, ou mesmo 2,75 ou 2,5 segundos ou menos.

Os dispositivos de ignição do invento podem também proporcionar uma temperatura de ignição estável com uma densidade de potência da zona quente (carga superficial) de 60 a 200 watt por cm2 da região da zona quente. Densidades de potência preferidas incluem de 70 a 180 watt por cm2, mais preferivelmente de cerca de 75 a 150 watt por cm2. O processamento do componente cerâmico (i.e., processamento do corpo verde e condições de sinterização) e a preparação do dispositivo de ignição a partir do cerâmico densifiçado podem ser efectuados por métodos convencionais. Tipicamente, estes métodos são realizados substancialmente de acordo com as patentes incorporadas Patente U.S. N° 5786565 de Willkens et al. e Patente U.S. N° 5191508 de Axelson et al. .

Preferivelmente, os dispositivos de ignição são produzidos de acordo com métodos do invento. Estes métodos incluem geralmente a produção simultânea de uma pluralidade de dispositivos de ignição, e.g. pelo menos 5 dispositivos de ignição, mais tipicamente pelo menos 10 ou 20 dispositivos de ignição, ainda mais tipicamente pelo menos cerca de 50, 60, 70, 80, 90 ou 100 dispositivos de ignição, a partir de um material em chapa individual (lingote). Mais tipicamente, são produzidos substancialmente em simultâneo adequadamente até cerca de 100 ou 200 dispositivos de ignição.

Mais especificamente, em métodos preferidos de produção do dispositivo de ignição do invento é proporcionada uma chapa de lingote que compreende uma pluralidade de elementos de dispositivo de ignição "latentes" unidos ou fisicamente ligados. A chapa de lingote tem composições de zona quente e fria que estão num estado verde (não densificadas até um valor superior a 96% ou 98% da densidade teórica) , mas 11

ΕΡ 1 250 554 /PT preferivelmente foram sinterizadas até um valor superior a cerca de 40% ou 50% da densidade teórica e adequadamente até 90 ou 95% da densidade teórica, mais preferivelmente até cerca de 60 a 70% da densidade teórica. Uma tal densificação parcial é adequadamente conseguida por um tratamento de prensa a quente, e.g. menos de 1500°C tal como 1300°C durante cerca de 1 hora sob uma pressão de 20,7 MPa (3000 psi) e sob atmosfera de árgon. Constatou-se que se as composições das zonas quente e fria do lingote forem densificadas até um valor superior a 75 ou 80 por cento da densidade teórica, o lingote será difícil de cortar em passos de processamento subsequentes. Adicionalmente, se as composições das zonas quente e fria são densificadas até um valor inferior a cerca de 50 por cento, as composições degradam-se frequentemente durante o processamento subsequente. A porção da zona quente prolonga-se através de uma porção da espessura do lingote, com o restante sendo a zona fria. 0 lingote pode ter uma variedade relativamente vasta de formas e dimensões. Preferivelmente, o lingote é adequadamente substancialmente quadrado, e.g. um quadrado com 22, 86 cm (9 in) por 22, 86 cm (9 in) , ou outras dimensões ou formas adequadas tais como a rectangular, etc.. O lingote é então cortado preferivelmente em porções tal como com uma ferramenta de corte de diamante. Preferivelmente, essas porções têm dimensões substancialmente iguais. Por exemplo, com um lingote de 22, 86 cm (9 in) por 22,86 cm (9 in) , preferivelmente o lingote é cortado em terços, onde cada uma das secções resultantes tem 22, 86 cm (9 in) por 7,62 cm (3 in) . 0 lingote é depois adicionalmente cortado (adequadamente com uma ferramenta de corte de diamante) para proporcionar dispositivos de ignição individuais. Um primeiro corte será de um lado ao outro do lingote, para proporcionar a separação física de um elemento de dispositivo de ignição de um elemento adjacente. Cortes alternantes serão não de um lado ao outro do comprimento do material do lingote, para permitir a inserção da zona isolante (dissipador de calor) em cada dispositivo de ignição. Cada um dos cortes (cortes de um lado ao outro e cortes não de um lado ao outro) podem estar espaçados e.g. de cerca de 0,508 cm (0,2 in). 12

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Após inserção da zona de dissipador de calor, os dispositivos de ignição podem depois ser adicionalmente densifiçados, preferivelmente até um valor superior a 99% da densidade teórica. Esta sinterização adicional é conduzida preferivelmente a temperaturas elevadas, e.g. a ou ligeiramente acima de 1800°C, sob uma prensa isostática quente.

Os vários cortes efectuados no lingote podem ser adequadamente realizados num processo automatizado, onde o lingote é posicionado e cortado por uma ferramenta de corte por um sistema automatizado, e.g. sob controlo de computador. A FIG. 2 dos desenhos mostra um lingote processado de acordo com os métodos de fabricação do dispositivo de ignição do invento. Conforme ilustrado, o lingote 10 tem uma composição de zona quente 12 e uma composição de zona fria 14, com a interface 16 da composição de zona quente e da composição de zona fria. Preferivelmente, na etapa de fabricação ilustrada na FIG. 2, as composições de zona quente e fria estão num estado verde, mas preferivelmente densificadas de cerca de 40% a cerca de 95% da densidade teórica, mais preferivelmente de cerca de 50% a cerca de 70% da densidade teórica. O lingote 10 preferido tem adequadamente dimensões substancialmente iguais, i.e. preferivelmente as dimensões g e h como se mostram na FIG. 2 são aproximadamente iguais, e.g. 9 in por 9 in conforme anteriormente descrito. O lingote 10 é depois preferivelmente cortado em porções tal como com uma ferramenta de corte de diamante. Preferivelmente essas porções têm dimensões substancialmente iguais. Por exemplo, conforme ilustrado na FIG. 2, preferivelmente o lingote 10 é cortado em terços ao longo das linhas 18a e 18b. O lingote 10 é cortado adicionalmente (adequadamente com uma ferramenta de corte de diamante) para proporcionar elementos de dispositivo de ignição individuais não unidos tais como o dispositivo de ignição 22. Um corte será a todo o comprimento de um lado ao outro do lingote (e.g. corte 24) e cada corte alternante (e.g. corte 26) será não de um lado ao outro do comprimento do material de lingote, para permitir a 13

ΕΡ 1 250 554 /PT inserção da zona isolante electricamente (dissipador de calor) em cada dispositivo de ignição tal como através da abertura 28. Cada um dos cortes 24 e 26 serão adequadamente espaçados e.g. de 0,508 cm (0,2 in).

Após inserção da zona de dissipador de calor, os dispositivos de ignição podem depois ser adicionalmente densifiçados, preferivelmente até um valor superior a 99% da densidade teórica, conforme anteriormente descrito, preferivelmente a cerca de 1815°C sob uma prensa isostática quente.

Os dispositivos de ignição do presente invento podem ser utilizados em muitas aplicações, incluindo aplicações de ignição de combustível na fase gasosa tais como fornos e electrodomésticos de cozinha, aquecedores de rodapé, caldeiras e coberturas de estufas.

Os exemplos não limitativos seguintes são ilustrativos do invento. Todos os documentos aqui mencionados são aqui incorporados por referência na sua totalidade.

Exemplo 1

Prepararam-se dispositivos de ignição do invento e testaram-se como se segue.

Prepararam-se composições de zona quente e de zona fria para um primeiro dispositivo de ignição, aqui referido por Dispositivo de Ignição A. A composição da zona quente consistia de 70,8% em volume (baseada na composição total da zona quente) de A1N, 20% em volume (baseada na composição total da zona quente) de SiC e 9,2% em volume (baseada na composição total da zona quente) de MoSi2. A composição da zona fria consistia de 20% em volume (baseada na composição total da zona fria) de A1N, 20% em volume (baseada na composição total da zona fria) de SiC e 60% em volume (baseada na composição total da zona fria) de MoSi2.

Carregou-se a composição de zona fria numa matriz de prensa de matriz aquecida e carregou-se a composição de zona quente por cima da composição de zona fria na mesma matriz. A combinação de composições foi densificada em conjunto sob calor e pressão para proporcionar o Dispositivo de Ignição A. 14

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Prepararam-se composições de zona quente e de zona fria para um segundo dispositivo de ignição, aqui referido por Dispositivo de Ignição B. 0 Dispositivo de Ignição B tinha a mesma geometria e composição de zona quente que o Dispositivo de Ignição A. A composição de zona fria do Dispositivo de Ignição B tinha os mesmos componentes (A1N, SiC e M0SÍ2) que o Dispositivo de Ignição A, mas a zona fria do Dispositivo de Ignição B tinha uma resistência que era aproximadamente equivalente à resistência da zona quente do Dispositivo de Ignição B. Tal como com o Dispositivo de Ignição A, carregou-se a composição de zona fria do Dispositivo de Ignição B numa matriz de prensa de matriz aquecida e carregou-se a composição de zona quente por cima da composição de zona fria na mesma matriz. A combinação de composições foi densifiçada em conjunto sob calor e pressão para proporcionar o Dispositivo de Ignição B.

Os Dispositivos de Ignição A e B formados foram alimentados a 12 volts. Para o Dispositivo de Ignição A, o aquecimento resistivo centrou-se na região da zona quente do dispositivo de ignição, como se mostra na FIG. 3. Para o Dispositivo de Ignição B, ambas as regiões de zona quente e de zona fria do dispositivo de ignição ficaram quentes, como se mostra na FIG. 4.

Exemplo 2

Prepararam-se sete dispositivos de ignição adicionais (designados por Amostras 1 a 7 na Tabela a seguir) com as mesmas composições de zona quente e de zona fria conforme descrito para o Dispositivo de Ignição A no Exemplo 1 anterior. Variaram-se as áreas de zona quente de cada uma das Amostras 1 a 7; essas áreas de zona quente expressas em cm2 são apresentadas na Tabela a seguir. Mediram-se a resistência total ("Resist. total" a seguir, expressa em Ω) , a resistência da zona quente ("Resist. zona quente" a seguir expressa em Ω) e a resistência da zona fria ("Resist. zona fria" a seguir, expressa em Ω) e apresentam-se na Tabela a seguir. 15

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TABELA

Amostra Área da zona quente Resist. total Resist. zona quente Resist. zona fria Aquente/^f ria 1 1,10 36 12 11 1, 09 2 1,06 33 12, 9 9 1, 43 3 8, 71 28,3 11,4 8, 1 1, 41 4 7, 84 37 14, 1 10, 5 1, 34 5 7,35 42 17,5 11,3 1, 55 6 5, 90 45 19, 9 11,6 1, 72 7 5, 81 40,2 22, 6 7, 7 2, 94

Estes resultados mostraram que uma resistência relativa mínima, resistência da zona quente (RqUente) para resistência da zona fria (Rfria) , de RqUente - l,5(Rfria) era óptima para conseguir um aquecimento das pontas para as amostras de dispositivo de ignição.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 250 554 /PT 1/4 REIVINDICAÇÕES 1. Elemento de dispositivo de ignição cerâmico (10) que compreende: a) um par de porções electricamente condutivas (14a, 14b), possuindo cada porção uma primeira extremidade; e b) uma zona quente resistiva (12) disposta entre e em ligação eléctrica com cada uma das primeiras extremidades das porções electricamente condutivas (14a, 14b), onde a zona quente (12) tem um comprimento de percurso eléctrico (e) de 0,51 a 2 cm e onde a zona quente é não linear.
2. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde um material dissipador de calor não condutivo electricamente (16) contacta a zona quente (12).
3. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 2 onde o material dissipador de calor (16) está disposto entre as porções condutivas (14a, 14b).
4. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 2 onde cada uma das porções condutivas electricamente (14a, 14b) se prolonga na mesma direcção a partir da zona quente (12) para definir um par de pernas, e o material dissipador de calor não condutivo electricamente (16) está disposto entre as pernas.
5. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a zona quente (12) tem um comprimento de percurso eléctrico (e) de pelo menos 0,6 cm.
6. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a zona quente (12) tem um comprimento de percurso eléctrico (e) de 0,6 a 1,5 cm.
7. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a zona quente (12) tem um comprimento de percurso eléctrico de 0,6 a 1,2 cm.
8. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a zona quente tem um comprimento de percurso eléctrico (e) de 0,7 a 0,9 cm. ΕΡ 1 250 554 /PT 2/4
9. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a zona quente (12) tem uma forma substancialmente em U.
10. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a zona quente (12) compreende uma composição que compreende um material isolante electricamente e um material condutor metálico.
11. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 10 compreendendo adicionalmente um material semicondutor.
12. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 10 onde a composição de zona quente compreende: a) entre 25 e 80% em volume de um material isolante electricamente; b) entre 3 e 45% em volume de um material semicondutivo; c) entre 5 e 25% em volume de um condutor metálico.
13. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 12 onde a composição de zona quente compreende M0S12 numa quantidade de cerca de 9,2 a 9,5% em volume.
14. Dispositivo de ignição da reivindicação 1 onde a resistividade à temperatura ambiente das porções condutivas electricamente (14a, 14b) é de cerca de 5 a 20 por cento da resistividade à temperatura ambiente da zona quente (12).
15. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 1 onde a razão da resistividade à temperatura ambiente da zona quente (12) é pelo menos cerca de 1,5 vezes a resistividade à temperatura ambiente das porções da zona f ria.
16. Utilização de um dispositivo de ignição (10) de acordo com a reivindicação 1 para ignição de um combustível gasoso, compreendendo a referida utilização a aplicação de uma corrente eléctrica através do dispositivo de ignição.
17. Utilização de um dispositivo de ignição (10) de acordo com a reivindicação 16 onde a corrente tem uma voltagem nominal de 6, 8, 12, 24 ou 120 volt. ΕΡ 1 250 554 /PT 3/4
18. Elemento de dispositivo de ignição cerâmico (10) que compreende: a) um par de porções condutivas electricamente (14a, 14b), possuindo cada porção uma primeira extremidade; e b) uma zona quente resistiva (12) disposta entre e em ligação eléctrica com cada uma das primeiras extremidades das porções condutivas electricamente (14a, 14b), onde a zona quente (12) produz uma temperatura de ignição estável para uma carga superficial de 60 a 200 watt por cm e onde a zona quente é não linear.
19. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 18 onde a zona quente (12) tem um comprimento de percurso eléctrico (e) de 0,51 a 2 cm.
20. Dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 18 onde a zona quente (12) tem um comprimento de percurso eléctrico de 0,6 a 1,2 cm.
21. Utilização de um dispositivo de ignição de acordo com a reivindicação 18 para ignição de um combustível gasoso, compreendendo a referida utilização a aplicação de uma corrente eléctrica através do dispositivo de ignição.
22. Utilização de acordo com a reivindicação 21 onde a densidade de potência na zona quente (12) é de 60 a 200 watt por cm2.
23. Utilização de acordo com a reivindicação 21 onde a corrente tem uma voltagem nominal de 6, 8, 12, 24 ou 120 volt.
24. Método para formação de um dispositivo de ignição cerâmico (10) que compreende: a) proporcionar um corpo cerâmico condutivo electricamente que compreende uma pluralidade de elementos de dispositivo de ignição unidos; b) inserção dentro de cada elemento de um material não condutivo electricamente; e c) densificação da pluralidade de elementos de dispositivo ΕΡ 1 250 554 /PT 4/4 de ignição.
25. Método de acordo com a reivindicação 24 onde um elemento de dispositivo de ignição é separado fisicamente dos elementos adjacentes antes da densificação.
26. Método de acordo com a reivindicação 25 que compreende adicionalmente a formação de uma ranhura em cada elemento de dispositivo de ignição e em que um material isolante electricamente (16) é inserido na ranhura (26).
27. Método de acordo com a reivindicação 25 onde a ranhura (26) não se prolonga ao longo de todo o comprimento do elemento de dispositivo de ignição.
28. Método de acordo com a reivindicação 26 onde um elemento de dispositivo de ignição é separado fisicamente dos elementos adjacentes durante a formação da ranhura (26).
29. Método de acordo com a reivindicação 24 onde o corpo compreende pelo menos cerca de 20 elementos de dispositivo de ignição unidos.
30. Método de acordo com a reivindicação 24 onde o corpo compreende pelo menos cerca de 50 elementos de dispositivo de ignição unidos.
31. Método de acordo com a reivindicação 24 onde o corpo compreende pelo menos cerca de 100 elementos de dispositivo de ignição unidos.
32. Método de acordo com a reivindicação 24 onde o corpo cerâmico condutivo electricamente está num estado verde no passo a).
33. Método de acordo com a reivindicação 32 onde o corpo condutivo electricamente num estado verde é densificado a cerca de 50% até cerca de 70% da densidade teórica. Lisboa