SE524114C2 - Kompositioner för keramiska tändanordningar - Google Patents

Description

20 25 30 524114 - n > - . . . . . - - - ~ .u 2 Tid till temperatur ("TTT") <5 sek Minimitemperatur vid 85% av typspänningen 1100°C Typtemperatur vid 100% av typspänningen 1300°C Maximitemperatur vid 100% av typspänningen 1500°C Längd för den heta zonen "hot-zone" <1,2-1,5" Effekt < 100 W För en given tändargeometri är en möjlig väg fór att ge ett system med högre spänning att öka tändanordningens resistens. Resistensen hos en kropp beskrivs med ekvationen Rs = Ry x L/A, vari Rs = resistens; Ry = resistivitet; L = ledarens längd; och A = ledarens tvärsnittsarea.

Eftersom längden av befintliga keramiska tändanordningars enda ben är omkring 1,2 tum kan benlängden inte ökas signifikant utan att det kommersiella värdet minskar. På motsvarande sätt kan tvärsnittsarean fór de mindre tända- nordningarna, mellan cirka 0,0010 och 0,0025 kvadrattum, förmodligen inte minskas av tillverkningsskäl.

I US-patent 5.405.237 ("Washburn-patentet") avslöjas kompositioner som är lämpliga fór den heta zonen i en keramisk tändanordning som inbegriper (a) mellan 5 och 50 volym-% ("vol-%") MoSiz och (b) mellan 50 och 95 vol-% av ett material valt från den grupp som består av kiselkarbid, kiselnitrid, aluminíumni- trid, bornitrid, aluminiumoxid, magnesiumaluminat, kiselaluminiumoxinitrid och blandningar därav.

Ytterligare mycket användbara keramiska kompositioner och system avslöjas i US-patent 5.514.630 och 5.820.789 (W ilkens m.fl.). I US-patent 5.514.630 rapporteras att kompositioner fór heta zoner inte bör innehålla mer än 20 vol-% aluminiumoxid. I US-patent 5.7 56.215 rapporteras ytterligare sintrade kompositio- ner som inbegriper ledande skikt som innehåller upp till 2 vikt-% kiselkarbid.

Det skulle därför vara önskvärt att ha nya keramiska kompositioner fór den heta zonen i tändanordníngar. Det skulle vara särskilt önskvärt att ha nya tändarkompositioner som är driftssäkra vid höga spänningar såsom från 187 till acqu- 10 15 20 25 30 524 114 3 n - . . . » - . . n - . - .a 264 V, särskilt med en relativt kort het zon.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Vi har nu upptäckt nya keramiska kompositioner som är särskilt effektiva för användning vid höga spänningar, inbegripet i ett intervall fiån 187 till 264 V.

De keramiska kompositionerna enligt uppfinningen är också särskilt användbara för tillämpningar med lägre spänningar, inbegripet 120 V-, 102 V-, 24 V-, 12 V-, 8 V- eller 6 V-tillämpningar. Kompositioner enligt uppfinningen kan uppvisa tämligen energieffektiv förbrukning och är alltså mycket användbara för sådana lågspänningstillämpningar.

Mer specifikt innehåller i en aspekt av uppfinningen kompositionerna för keramiska heta zoner enligt uppfinningen minst tre komponenter: 1) ledande material; 2) halvledande material; och 3) isolerande material, där komponenterna av isolerande material inbegriper en relativt hög koncentration av metalloxid såsom alumíniumoxid.

Det har nu överraskande visat sig att sådana höga koncentrationer (t.ex. minst cirka 25 eller 30 vol-% av komponenten av isolerande material) av en metalloxid ger en keramisk komposition som med hög tillförlitlighet ger en hög nominell spänning, inbegripet 220, 230 och 240 V.

Vidare har keramiska kompositioner fór heta zoner enligt uppfinningen upprepade gånger visat sig ge driftssäker linjesp änning eller ett extremt brett högt spänningsintervall, inbegripet från cirka 187 till cirka 264 V. Tändanordningar enligt uppfinningen kan alltså användas i hela Europa och fungerar tillförlitligt inom 85 procent och 110 procent av de flera skilda höga spänningar som används i de olika europeiska länderna. Det bör också noteras att vissa konventionella kompositioner för heta zoner visserligen kan ge tillförlitlig spänning vid en angiven hög spänning, men dessa kompositioner fungerar ofta dåligt då spänningen varieras över ett brett intervall. Följaktligen innebär kompositionerna enligt uppfinningen, som ger driftssäker prestanda under längre tid över ett intervall av höga spänningar ett väsentligt framsteg.

Kompositionen för heta zoner enligt uppfinningen är särskilt effektiva för högspänningsanvändning, såsom diskuteras ovan, men det har visat sig att kompositionerna också är mycket användbara för tillämpningar med lägre spänningar, inbegripet för 120 V eller 102 V eller till och med lägre spänningar, såsom tillämpningar under 100 V, t.ex. 6 V-, 8 V-, 12 V- eller 24 V-tillämpningar, 10 15 20 25 30 35 524 114 4 . o . . . n n | - n - . ~ .v eller ännu lägre spänningar såsom system under 6 V. Exempelvis kan tändanord- ningar och kompositioner fór heta zoner enligt uppfinningen användas i batteri- drivna tändningssystem. Keramiska kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen har visat sig vara exceptionellt energisnåla, vilket gör kompositioner- na och tändanordningarna särskilt användbara fór sådana låg spännings- tillämpningar. Se exempelvis resultaten i Exempel 6 nedan. En sådan förbättrad energiförbrukningseffektivitet gör det också möjligt att använda mer ekonomiska komponenter i ett tändningssystem, t.ex. skulle mindre dyrbara (lägre grad) transformatorer effektivt kunna användas med en tändanordning enligt uppfin- ningen relativt en jämförbar tändanordning som inbegrep en särskild komposition för heta zoner.

Keramiska kompositioner för heta zoner och tändanordningar enligt uppfinningen kan också uppvisa lägre temperaturledningstal och högre specifikt värme än tidigare system, vilket innebär att kompositionen enligt uppfinningen kan bibehålla mer värmeenergi under längre perioder. Se exempelvis resultaten i Exempel 7 nedan.

Föredragna keramiska tändanordningar enligt uppfinningen har en komposition för den heta zonen som inbegriper: (a) ett elektriskt isolerande material med en resistivitet på minst cirka 1010 ohm-cm; (b) mellan cirka 3 och cirka 45 vol-% av ett halvledarmaterial med en resistivitet på mellan cirka 1 och cirka 108 ohm-cm, föredraget mellan cirka 5 och cirka 45 vol-% av kompositionen för den heta zonen består av det halvledande materialet; (c) en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än cirka 102 ohm- cm, föredraget utgörs mellan cirka 5 och cirka 25 vol-% av kompositionen för den heta zonen av den metalliska ledaren, och vari minst cirka 21 vol-% av kompositionen för den heta zonen utgörs av ett isolerande metalloxidmaterial. Föredraget utgörs minst cirka 25 vol-% av kompositionen för den heta zonen av ett isolerande metalloxidmaterial såsom aluminiumoxid, mer föredraget utgörs minst cirka 30, 40, 50, 60, 70 eller 80 av kompositionen för den heta zonen av ett isolerande metalloxidmaterial såsom aluminiumoxid. Föredraget utgörs minst cirka 25 vol-% av det isolerande materialet av en metalloxid såsom aluminiumoxid, mer föredraget utgörs minst anno: 10 15 20 25 30 35 524 114 5 ~ ø . ~ Q - - ; » - . I » oo cirka 30, 40, 50, 60, 70, 80 eller 90 vol-% av det isolerande materialet av en metalloxid såsom aluminiumoxid. Även föreddraget är att den enda komponenten i det isolerande materialet är en metalloxid. Föredraget inbegriper kompositionen för den heta zonen mellan cirka 25 och cirka 80 vol-% av det isolerande materialet, mer föredraget består mellan cirka 40 och cirka 70 vol-% av kompositionen fór den heta zonen av det isolerande materialet.

Ytterligare före dragna keramiska tändanordningar enligt uppfinningen har . en komposition fór den heta zonen som inbegriper ett elektriskt isolerande material med en resistivitet på minst cirka 1010 ohm-cm, där en väsentlig andel av detta isolerande material består av en metalloxid såsom aluminiumoxid; ett halvledande material som är en karbid såsom kiselkarbid i en mängd av minst cirka 3, 4, 5 eller 10 vol-%; och en metallisk ledare.

I en ytterligare aspekt av uppfinningen har de föredragna keramiska tändanordningarna enligt uppfinningen en komposition för den heta zonen som i huvudsak är fri från en karbid såsom SiC. Sådana kompositioner inbegriper en metallisk ledare och ett elektriskt isolerande material med en resistivitet på minst cirka 1010 ohm-cm, vari en del av det isolerande materialet består av en metalloxid såsom aluminiumoxid och där komponenten av isolerande material också innehåller ytterligare isolerande material som inte är en oxid, t.ex. en nitrid såsom AlN. Sådana kompositioner kan innehålla samma eller liknande mängder som de som diskuteras ovan för kompositionerna för det tertiära isolerande materia- let/halvledande materialet/elektriskt ledande materialet.

Keramiska tändanordningar med het yta enligt uppfinningen kan framställas med ganska korta heta zoner, t.ex. cirka 1,5 tum eller mindre, eller till och med cirka 1,3, 1,2 eller 1,0 tum eller mindre, och kan användas driftssäkert vid höga spänningar, inbegripet från cirka 187 till 264 V, i frånvaro av alla typer av elektroniska kontrollanordningar som reglerar strömmen till tändanordningen.

Med längden av den heta zonen avses häri för tändanordningar med flera ben (t.ex. ett U-format utförande med slits), den heta zonens längd längs ett ben i en tändananordning med flera ben.

Vidare kan tändanordningar enligt uppfinningen snabbt upphettas till driftstemperaturer, t.ex. till cirka 1300°C, 1400°C eller 1500°C, på cirka 5 eller 4 sekunder eller mindre, eller till och med på 3, 2,5 eller 2 sekunder eller mindre.

Föredragna kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen kan också uppvisa extremt hög temperaturprestanda, dvs. tål upprepad exponering för höga ...nu 10 15 20 25 30 524 114 6 . o . ~ n - < Q . . . - Q .n temperaturer. Uppfinningen inbegriper alltså tändningsmetoder som inte kräver förnyad upphettning av tändningselementet med varje tändning av bränslet. I stället kan tändanordningen köras kontinuerligt vid en förhöjd tändningstempera- tur under längre perioder och på så sätt tillhandahålla omedelbar tändning, t.ex. då lågan slocknar. Mer specifikt kan tändanordningar enligt uppfinningen köras vid en förhöjd temperatur (tex. cirka 800°C, 1000°C, 1100°C, l200°C, 1300°C, 1350°C etc.) under längre perioder utan kylperiod, t.ex. vid sådana temperaturer i minst 2, 5, 10, 20, 30, 60 eller 120 minuter eller längre.

Tändanordningar enligt uppfinningen kan ha ett antal olika utformningar och konfigurationer. Föredragna utformningar inbegriper U-formade slitsade utformningar, där ledande ben finns på ömse sidor om ett tomrum som är överbryggat av en het zon. För många tillämpningar är en oslitsad utformning föredragen, som inte inbegriper något tomrum. Typiska utformningar av tändanordningar har en isolerande region mellan ledande ben vilken är i kontakt med en region i den heta zonen.

Det har visat sig att tändarutformningar utan urtag som används i enlighet med uppfinningen (dvs. där en central tändarregion inbegriper en icke-ledande eller isolerande region mellan ett par ledande regionerna vilken är i kontakt med en resistiv hetzon) kan sluta fungera i förtid, särskilt genom så kallad "gnistbild- ning" då ström går genom den centrala icke-ledande regionen mellan de två ledande regionerna i stället för att flöda till den resistiva heta zonen. Med andra ord sker ett dielektriskt sammanbrott genom den isolerande regionen. En sådan oönskad gnistbildning över en inplacerad icke-ledande region kan bli vanligare vid tillämpningar vid högre spänningar såsom över 200 V.

Vi har funnit flera tillvägagångssätt för att undvika sådan oönskad gnistbildning i tändarsystem utan urtag. En fóredragen strategi är att öka aluminiumnitridinnehållet i kompositionen i den isolerande regionen och i motsvarande grad minska aluminiumoxidinnehållet. Det har visat sig att en sådan ökning av AlN-innehållet effektivt kan förhindra gnistbildning. Ett annat tillvägagångssätt tillhandahåller oxidering av den bildade isolerande regionen. Det har visat sig att sådan oxidering (t.ex. värmebehandling i luft, behandling med kemisk oxidant) kan göra den isolerande regionen mer resistiv och elektriskt stabil.

Andra aspekter av uppfinningen avslöjas nedan. 10 15 20 25 30 524 114 7 . . . a .n BESKRIVNING AV RITNINGARNA FIG. 1 visar en mikrostruktur av en fóredragen tertiär komposition fór en het zon enligt uppfinningen vari AlzOa är grått, SiC är ljusgrått och MoSiz är vitt.

FIG. 2 visar en mikrostruktur av en befintlig komposition fór en het zon som _ inte innehåller någon metalloxid, vari AlN är grått, SiC är ljusgrått och MoSi2 är vitt.

FIG. 3A till 3D visar föredragna tändarutformningar med och utan urtag.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Såsom anges ovan tillhandahåller uppfinningen i en fórsta aspekt ett sintrat keramiskt tändningselement som inbegriper två kalla zoner med en het zon inplacerad däremellan, där den heta zonen inbegriper en komposition fór en het zon som inbegriper: (a) ett elektriskt isolerande material; (b) minst cirka 3 vol-% av ett halvledande material; och (c) en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än cirka 102 ohm-cm, vari minst cirka 21 vol-% av kompositionen fór den heta zonen inbegriper ett isolerande metalloxidmaterial.

Ett sintrat keramiskt material tillhandahålls också som har en komposition fór en het zon som inbegriper (a) mellan 25 och 80 vol-% av ett elektriskt isolerande material; (b) mellan 3 och 45 vol-% av ett halvledande material; och (c) mellan 5 och 25 vol-% av en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än cirka 102 ohm-cm, vari minst cirka 21 vol-% av kompositionen fór den heta zonen inbegriper ett isolerande metalloxidmaterial.

Ytterligare ett sintrat keramiskt material tillhandahålls med en komposition fór en hetzon som inbegriper (a) ett elektriskt isolerande material, där det isolerande materialet innehåller en nitrid och en metalloxid; och (b) en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än cirka 102 ohm-cm och där kompositionen fór den heta zonen i huvudsak är fri från karbidmaterial.

Metoder fór tändning av gasformiga bränslen tillhandahålls också, som i allmänhet inbegriper applicering av en elektrisk ström över en tändanordning enligt uppfinningen.

Som diskuteras ovan har det oväntat upptäckts att tillsats av en signifikant volym av en metalloxid till en keramisk komposition fór en het zon kan ge en keramisk tändanordning som kan användas effektivt med hög nominell spänning, inbegripet 220, 230 eller 240 V. Vidare kan dessa kompositioner fór heta zoner vara användbara över ett extremt brett intervall av spänningar och därmed kan 10 15 20 25 30 35 524 114 8 » ~ - Q ~ - . . - o ~ ~ - s. kompositionerna också användas för tillämpningar med lägre spänningar, exempelvis för 120 V- eller 102 V-tillämpningar eller till och med för lägre spänningar såsom 6 V- till 24 V-tillämpningar.

Såsom också diskuteras ovan och visas i exemplen nedan kan kompositioner för heta zoner och tändanordningar enligt uppfinningen uppvisa både hög energieffektivitet och lägre temperaturledningstal och högre specifikt värme än tidigare system.

Utan att man binder sig vid någon teori kan man anta att sådana egenskaper, antingen separat eller i kombination, kan göra att tändanordningar enligt uppfinningen fungerar bättre vid tillämpningar med låg spänning såsom sub-100 V-tillämpningar. Särskilt kan en så effektiv energianvändning och/eller temperaturledningstal innebära att tändanordningar enligt uppfinningen är lämpliga för batteridrivna tändningssystem, att de t.ex. kan användas i uppvärmnings- eller tillagningsanordningar som är bärbara eller avsedda för utomhusbruk såsom grillar, matlagnings- och uppvärmningsenheter som används i husbilar och liknande.

Lämpliga metalloxider för användning i den komponent som består av isolerande material inbegriper t. ex. aluminiumoxid, metalloxinitrider såsom aluminiumoxinítrid och kiseloxinitrid, magnesiumaluminiumoxid och kiselalumi- niumoxid. För denna uppfinnings syften betraktas en metalloxinitrid som en metalloxid. I vissa utföringsformer är metalloxider som inte innehåller någon kvävekomponent föredragna, dvs. att metalloxiden inte innehåller några kväveatomer. Aluminiumoxid (Al2O3) är en allmänt föredragen metalloxid. En blandning av skilda metalloxider kan också användas om så önskas, även om vanligen en enda metalloxid används.

För föreliggande uppfinnings syften avses med uttrycket elektriskt isolerande material ett material som vid rumstemperatur har en resistivitet på minst cirka 1010 ohm-cm. Komponenten av elektriskt isolerande material i kompositioner fór heta zoner enligt uppfinningen kan bestå endast av en eller av flera metalloxider eller alternativt kan den isolerande komponenten innehålla material utöver metalloxiden eller metalloxiderna. Exempelvis kan komponenterna av isolerande material dessutom innehålla en nitrid såsom en aluminiumnitrid, kiselnitrid eller bornitrid; en oxid av en sällsynt jordartsmetall (t.ex. yttriumoxid); eller en oxitrid av en sällsynt jordartsmetall. Ett föredraget tillsatsmaterial i den isolerande komponenten är aluminiumnitrid (AlN). Man antar att användning av snusa 10 15 20 25 30 35 524 114 9 u . < n n. ytterligare ett isolerande material såsom aluminiumnitrid i kombination med en metalloxid kan ge den heta zonen önskade egenskaper när det gäller värmeutvidg- ningskompatibilitet medan önskade högspänningsprestanda bibehålls.

Såsom diskuteras ovan innehåller komponenten av isolerande material en väsentlig andel av en eller flera metalloxider. Mer specifikt består minst cirka 25 vol-% av det isolerande materialet av en eller flera metalloxider, mer föredraget minst cirka 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 eller 98 vol-% av det isolerande materialet av en eller flera metalloxider såsom aluminiumoxid.

Föredragna kompositioner för den heta zonen enligt uppfinningen inbegriper de som innehåller en komponent av ett isolerande material som är en kombination av endast en metalloxid och en metallnitrid, särskilt en kombination av aluminiu- moxid (AI2O3) och aluminiumnitrid (AlN). Föredraget utgör metalloxiden huvuddelen av den kombinationen, t.ex. där den isolerande komponenten innehåller minst cirka 50, 55, 60, 70, 80, 85, 90, 95 eller 98 vol-% av en metalloxid såsom aluminiumoxid, där resten utgörs av en metallnitrid såsom aluminiumni- trid.

Föredragna kompositioner för den heta zonen enligt uppfinningen inbegriper också de vari komponenten av isolerande material består helt och hållet av en eller flera metalloxider såsom aluminiumoxid.

Då aluminiumoxid sätts till en grönkropp av en komposition fór en het zon kan valfritt konventionellt aluminiumoxidpulver väljas. Typiskt används aluminiumoxidpulver med en genomsnittlig kornstorlek på mellan cirka 0,1 och cirka 10 mikron, och med endast cirka 0,2 vikt-% orenheter. Föredraget har aluminiumoxiden en kornstorlek på mellan cirka 0,3 och cirka 10 um. Mer föredraget används en kalcinerad aluminiumoxid från Alcoa, tillgänglig från Alcoa Industrial Chemicals i Bauxite, Arkansas. Dessutom kan aluminiumoxid införas i andra former än ett pulver, inbegripet, men inte begränsat till, lösningar med aluminiumoxid i sol-gel-form och hydrolys av en del av aluminiumnitriddelen.

Generellt inbegriper föredragna kompositioner fór heta zoner (a) mellan cirka 50 och cirka 80 vol-% av ett elektriskt isolerande material med en resistivitet på minst cirka 1010 ohm-cm; (b) mellan cirka 5 och cirka 45 vol-% av ett halvledan- de material med en resistivitet på mellan cirka 10 och cirka 108 ohm-cm; och (c) mellan cirka 5 och cirka 25 vol-% av en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än cirka 10'2 ohm-cm.

Föredraget inbegriper den heta zonen 50-70 vol-% elektriskt isolerande canon 10 15 20 25 30 35 524 114 10 keramiskt material, 10-45 vol-% halvledande keramiskt material och 6-16 vol-% ledande material.

Om den elektriskt isolerande keramiska komponenten finns närvarande som mer än 80 vol-% av kompositionen för den heta zonen kan den resulterande kompositionen få alltför hög resistivitet och uppnå måltemperaturerna vid höga spänningar oacceptabelt långsamt. Om komponenten i stället finns närvarande som mindre än 50 vol-% (t.ex. om det ledande keramiska materialet finns närvarande som cirka 8 vol-%) kan det resulterande keramiska materialet bli alltför ledande vid höga spänningar. Klart är att den heta zonen blir mer ledande då andelen ledande keramiskt material höjs över 8 vol-%, och de övre och nedre gränserna för den isolerande andelen kan ökas på lämpligt sätt så att den önskade spänningen uppnås.

Såsom diskuteras ovan tillhandahålls i ytterligare en aspekt av uppfinning- en keramiska kompositioner för heta zoner som åtminstone i huvudsak är fria från karbider såsom SiC, eller föredraget vilket som helst annat halvledande material.

Sådana kompositioner inbegriper en metallisk ledare och ett elektriskt isolerande material med en resistivitet på minst cirka 1010 ohm-cm, där en väsentlig andel av det isolerande materialet består av en metalloxid såsom aluminiumoxid, och vari den isolerande materialkomponenten också innehåller ytterligare material som inte är en oxid, t.ex. en nitrid såsom AlN. Föredraget innehåller sådana komposi- tioner mindre än cirka 5 vol-% av en karbid, mer föredraget innehåller kompositio- nerna mindre än cirka 2, 1, 0,5 vol-% av en karbid, eller ännu mer föredraget är sådana kompositioner för heta zoner helt fria fiån en karbid eller annat halvledan- de material.

För föreliggande uppfinnings syften avses med ett halvledande keramiskt material (eller en "halvledare") ett keramiskt material som har en resistivitet vid rumstemperatur på mellan cirka 10 och 108 ohm-cm. Om den halvledande komponenten finns närvarande som mer än 45 vol-% av kompositionen för den heta zonen (då det ledande keramiska materialet är i intervallet cirka 6-10 vol-%) blir den resulterande kompositionen alltför le dande för högsp änningstillämpningar (på grund av avsaknaden av isolator). Omvänt, om den finns närvarande som mindre än cirka 10 vol-% (då det ledande keramiska materialet är i intervallet cirka 6-10 vol-%) får den resulterande kompositionen alltför hög resistivitet (på grund av alltför mycket isolator). Åter gäller att mer resistiva blandningar av de isolerande och de halvledande fraktionerna krävs vid högre halter av ledande material för att non-o 10 15 20 25 30 35 524 114 11 n . « - .- den önskade spänningen skall uppnås. Typiskt är halvledaren en karbid vald från den grupp som består av kiselkarbid (dopad och icke-dopad) och borkarbid.

Kiselkarbid föredras i allmänhet.

För föreliggande uppfinnings syften avses med le dande material ett material som vid rumstemperatur har en resistivitet på mindre än cirka 102 ohm-cm. Om den ledande komponenten finns närvarande i en mängd av mer än cirka 25 vol-% av kompositionen för den heta zonen blir det resulterande keramiska materialet alltför ledande för högspänningstillämpningar, vilket ger en oacceptabelt het tändanordning. Omvänt gäller att om komponenten finns närvarande i mindre än 6 vol-% får det resulterande keramiska materialet alltför hög resistivitet för högsp änningstillämpningar, vilket ger en oacceptabelt kall tändanordning. 'Fypiskt väljs ledaren från den grupp som består av molybdendisilicid, volframdisilicid och nitrider såsom titannitrid och karbider såsom titankarbid. Molybdendisilicid är generellt föredragen.

Särskilt föredragna kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen innehåller aluminiumoxid, molybdendisilicid och kiselkarbid, eventuellt med aluminiumnitrid som valfritt tillsatsmaterial i den isolerande materialkomponen- ten.

Den tändanordning med en utformning med het zon/kall zon som beskrivs i Washburn-patentet (US-patent 5.405.237) kan lämpligen användas i enlighet med föreliggande uppfinning. Den heta zonen tillhandahåller den funktionella upphettningen för gasantändning. För högspänningstillämpningar (t.ex. 187 till 264 V) har den heta zonen föredraget en resistivitet på cirka 1-3 ohm-cm i temperaturintervallet 1000 till 1600°C. En specifikt föredragen komposition för heta zoner inbegriper cirka 50 till 80 vol-% av Al2O3, cirka 5-25 vol-% MoSi2 och 10- 45 vol-% SiC. Mer föredraget inbegriper den cirka 60 till 80 vol-% aluminiumoxid och cirka 6- 12 vol-% MoSi2, 15-30 vol-% SiC. I en särskilt föredragen utföringsform inbegriper den heta zonen cirka 66 vol-% AlzOß, 14 vol-% MoSiz och 20 vol-% SiC.

I föredragna utföringsformer är den genomsnittliga kornstorleken (d50) iden heta zonens komponenter i den komprimerade kroppen följande: a) isolator (tex. Al2O3, AlN, etc.): mellan cirka 2 och 10 mikron; b) halvledare (t.ex. SiC): mellan 1 och 10 mikron; och c) ledare (t.ex. MoSi2): mellan cirka 1 och 10 mikron.

I FIG. 1 avslöjas en mikrostruktur av en föredragen komposition för heta zoner enligt uppfinningen som består av en sintrad blandning av Al2O3, SiC och vb finns I c 10 15 20 25 30 35 524 114 12 n a - - Q - . . . . . - - a» MoSiz. Såsom framgår av FIG. 1 har kompositionen ett relativt homogent arrangemang av komponenter, dvs. komponenterna är väl spridda i kompositionen och mikrostrukturen är åtminstone i huvudsak fri från stora områden (t.ex. 30, 40 eller 50 pm breda) med en enda komponent av kompositionen. Vidare har områdena med den ledande materialkomponenten (MoSiz) sammanhängande väldefinierade kanter som inte är uttunnande.

FIG. 2 visar en mikrostruktur av en tidigare komposition för heta zoner som inte innehåller någon metalloxid. I FIG. 2 har områdena med ledande material- komponent (MoSiz) inte väldefinierade gränser utan dessa är i stället diffusa och "fiäderliknande".

Tändanordningar enligt uppfinningen kan ha ett antal olika konfigurationen En föredragen utformning är ett system med urtag såsom en hästsko (eller hårnålsform). En rak stavform (utan urtag) användes också föredraget, med kalla ändar eller avslutande anslutande ändar i motstående ändar av kroppen.

Tändanordningar enligt uppfinningen innehåller också typiskt minst en kall zon med låg resistivitet som är elektriskt ansluten till den heta zonen för att möjliggöra anslutning av ledningstrådarna till tändanordningen. Typiskt är en hetzonskomposition placerad mellan två kalla zoner. Föredraget består sådana kalla zoner av t.ex. AlN och/eller A120., eller andra isolerande material; SiC eller andra halvledande material; och MoSi2 eller andra ledande material. Kalla zoner kommer dock att ha en signifikant högre andel av ledande och halvledande material (t.ex. SiC och MoSiz) än den heta zonen. Följaktligen har kalla zoner typiskt endast cirka 1/5 till 1/1000 av den resistivitet som kompositionerna för den heta zonen har och de ökar inte i temperatur till den heta zonens nivåer. En föredragen komposition för en kall zon inbegriper cirka 15 till 65 vol-% aluminiu- moxid, aluminiumnitrid eller annat isolerande material; och cirka 20 till 70 vol-% MoSi2 och SiC eller andra ledande och halvledande material i ett volymförhållande på från cirka 1:1 till cirka 1:3. Mer föredraget inbegriper den kalla zonen cirka 15 till 50 vol-% AlN och/eller AlzOa, 15 till 30 vol-% SiC och 30 till 70 vol-% MoSi2. För att underlätta tillverkningen framställs föredraget kompositioner för den kalla zonen av samma material som kompositionen för den heta zonen, med större relativa mängder halvledande och ledande material.

En specifikt föredragen komposition för kalla zoner för användning i tändanordningar enligt uppfinningen innehåller 60 vol-% MoSiz, 20 vol-% SiC och 20 vol-% Al2O3. En särskilt föredragen komposition för kalla zoner för användning n unna» 10 15 20 25 30 35 524 114 13 1 a..- i tändanordningar enligt uppfinningen innehåller 30 vol-% MoSiz, 20 vol-% SiC och 50 vol-% Al2O3.

Såsom diskuteras ovan innehåller tändarutformningar utan urtag föredraget en icke-ledande region mellan två ledande ben. Föredraget har en sintrad isolerande region en resistivitet på minst 1014 ohm-cm vid rumstemperatur och en resistivitet på minst cirka 104 ohm-cm vid driftstemperaturer och en hållfasthet på minst cirka 150 MPa. Föredraget har den inplacerade isolerade regionen i ett system utan urtag en resistivitet vid driftstemperaturer som är minst 2 storlek- sordningar större än den heta zonens resistivitet. Lämpliga isolerande kompositio- ner inbegriper minst 90 vol-% av en eller flera av aluminiumnitrid, aluminiumoxid och bornitrid. Generellt föredragna isolerande kompositioner är en blandning av 1) AlN och/eller Al2O3 och 2) SiC. Föredraget inbegriper kompositionerna minst cirka 90 vol-% av en blandning av AlN och AlzOs.

Såsom diskuteras ovan, fór att undvika gnistbildning i utformningar utan urtag, inbegriper föredraget de isolerande kompositionerna AlN utöver andra resistiva material, särskilt en metalloxid såsom A120, Det har visat sig att tillsats av AlN kan förhindra sådant dielektriskt överslag i den isolerande regionen. Det har överraskande befunnits att användning av AlN i en isolerande komposition kan förhindra oönskat dielektriskt överslag vid användning av en tändanordning, medan tillsats av andra högresistiva material inte minskar gnistbildningen på det sättet.

Föredragna isolerande kompositioner enligt uppfinningen består av AlN, Al2O3 och SiC. I sådana isolerande kompositioner av AlN/Al2O3/SiC, finns AlN föredraget närvarande i en mängd av minst cirka 10, 15, 20, 25 eller 30 vol-% relativt AlzOa. Generellt föredragna isolerande kompositioner för användning i tändanordningar utan urtag enligt uppfinningen innehåller AlN i en mängd från cirka 3 till 25 vol-%, mer föredraget cirka 5 till 20 vol-%, ännu mer föredraget cirka 10 till 15 vol-%; Al2O3 i en mängd av 60 till 90 vol-%, mer föredraget 65 till 85 vol- %; ännu mer föredraget 70 till 80 vol-%; ännu mer föredraget 75 till 80 vol-%; och SiC i en mängd av 5 till 20 vol-%, föredraget 8 till 15 vol-%. En specifikt föredragen isolerande komposition för en tändanordning utan urtag enligt uppfinningen består av 13 vol-% AlN; 77 vol-% A12O3; och resten SiC.

Såsom diskuteras ovan har det visat sig att oxidativ behandling av isolerande regioner i tändanordningar enligt uppfinningen också kan förhindra oönskat dielektriskt överslag. Exempelvis kan en tändanordning upphettas, t.ex. 10 15 20 25 30 35 524 114 14 u.. till cirka 1300-1700°C, föredraget cirka 1500 till 1600°C, i luft under en längre period, t.ex. 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 eller 1 timme eller mer för att ge effektiv oxidativ behandling av den isolerande regionen. Sådan oxidativ behandling medför dock ytterligare processning och kräver ny förberedelse av de ledande benen efter oxidering.

Tändanordningens mått kan påverka dess egenskaper och prestanda.

Generellt skall enbenslängden för den heta zonen vara större än cirka 0,5 tum (för att ge tillräcklig massa för att det kylande konvektionsgasflödet inte väsentligt skall påverka dess temperatur) men mindre än cirka 1,5 tum (för att ge tillräcklig mekanisk motståndsfórmåga). Dess vidd bör överstiga cirka 0,1 tum för att ge tillräcklig hållfasthet och underlätta framställningen. På motsvarande sätt bör dess tjocklek vara mer än cirka 0,02 tum för att ge tillräcklig hållfasthet och underlätta tillverkningen. Föredraget är en tändanordning enligt uppfinningen typiskt mellan cirka 1,25 och cirka 2,00 tum med avseende på total enbenslängd, har ett tvärsnitt av den heta zonen som ligger mellan cirka 0,001 och cirka 0,005 kvadrattum (mer föredraget mindre än 0,0025 kvadrattum) och har en tvåbent hårnålsform.

För en föredragen tvåbent U-formad tändanordning som är användbar över spänningar från 187 till 264 volt och som har en komposition för den heta zonen som består av cirka 66 vol-% Al2O3, cirka 20 vol-% SiC och cirka 13,3 vol-% MoSi2 följ ande föredragna tändarmått: en längd på cirka 1,15 tum; en enskild benvidd på cirka 0,047 tum; och en tjocklek på cirka 0,030 tum. Denna utformning och komposition är också lämplig för tillämpningar med lägre spänning, såsom 6, 8, 12, 24, 102 eller 120 V.

En föredragen oslitsad tändarutformning har en total längd på mellan cirka 1,25 och 2,00 tum, en längd för den heta zonen på från cirka 0,1 till cirka 1,2 tum och en tvärsnittsyta för den heta zonen på mellan cirka 0,001 och cirka 0,005 kvadrattum. För tillämpningar med lägre spänningar, är kortare längder för den heta zonen typiskt föredragna såsom mindre än 0,5.

I FIG. 3A visas ett föredraget slitsat tändarsystem 10 med ledande (kall zon) ben 12 och 14, U-formad het zon 16 och "slits" eller tomrum 18 mellan de ledande benen 12 och 14. Med den heta zonens längd avses häri det avstånd x som är avbildat i FIG. 3A med en tändarlängd y och en het zon och tändarbredd z. Ström kan levereras till tändanordningen 10 via ledningar i ändarna 12' och 14' i de ledande zonerna 12 respektive 14. »once 10 15 20 25 30 35 524 114 15 ' ~ ~ I I - - - - .- FIG. 3B avbildar ett föredraget oslitsat tändarsystem 20 med ledande (kall zon) ben 22 och 24, en mellanliggande isolerande region 26 och en U-formad het zon 28. Liksom för systemet utan urtag avses med den heta zonens längd häri det avstånd x som avbildas i FIG. SB med en tändarlängd y och en het zon och tändarbredd z. Ström kan levereras till tändanordningen 20 via ledningar i den ledande zonens ändar 22' och 24'.

FIG. 3C och 3D avbildar ytterligare lämpliga utformningar av tändanord- ningar utan urtag enligt uppfinningen. I båda FIG. 3C och 3D motsvarar hänvisningssiffrorna dem i FIG. 3B, dvs. både i FIG. 3G och 3D har de oslitsade tändarsystemen ledande ben 22 och 24 med en mellanliggande isolerande region 26 och en het zon 28.

En specifikt föredragen komposition för den heta zonen i tändanordningar enligt uppfinningen innehåller cirka 14% MoSiz, cirka 20% SiC och resten AlzOa.

En sådan komposition används föredraget i ett tändarsystem utan urtag, vari den heta zonens längd lämpligen år cirka 0,5 tum. Ytterligare en föredragen komposi- tion för en het zon innehåller cirka 16% MoSiz, cirka 20% SiC och resten Al2O3. En sådan komposition används föredraget i ett tändarsystem utan urtag där den heta zonens längd lämpligen är cirka 0,1 till 1,6 tum. Såsom nämns ovan föredras typiskt kortare längder för den heta zonen för tillämpningar med lägre spänningar såsom tillämpningar för mindre än 100 V, såsom mindre än 0,5.

Generellt kan keramiska tändanordningar med het yta enligt uppfinningen framställas med ganska korta längder för den heta zonen, t.ex. cirka 1,5 tum eller mindre, eller till och med cirka 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1,0, 0,9, 0,8 tum eller mindre, och är driftssäkra vid höga sp änningsintervall, inbegripet från cirka 220 till 240 V, och i frånvaro av varje typ av elektronisk kontrollanordning för att reglera strömmen till tändanordningen.

En viktig prestandaegenskap hos en keramisk tändanordning, särskilt då gas är bränslet, är tiden till temperatur ("TTT"), dvs. den tid det tar för tändan- ordningens heta zon att gå från rumstemperatur till bränslets (gasens) antänd- ningstemperatur. Tändanordningar enligt uppfinningen kan snabbt värmas upp till driftstemperaturer (t.ex. till cirka 1300°C, 1400°C eller 1500°C på cirka 5 eller 4 sekunder eller mindre, till och med 3 sekunder eller mindre, eller till och med 2,75, 2,5, 2,25 eller 2 sekunder eller mindre.

Det har visat sig att kompositionerna för heta zoner enligt uppfinningen uppvisar extremt hög temperaturtålighet, t.ex. upp till 1750°C utan större »nun- 10 15 20 25 30 35 524 114 16 - » . - a; oxiderings- eller utbränningsproblem. Testade konventionella system havererade efter upprepad exponering till 1600°C. Föredragna kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen överlevde däremot "livslängdsprovning" vid så höga tempera- turer, t.ex. 50.000 cykler om 30 sekunder på:3O sekunder av vid 1450°C. Det har också visat sig att tändanordningar enligt uppfinningen uppvisar signifikant mindre variation i strömstyrka och temperatur under sådana upphettningstestcyk- ler jämfört med föregående kompositioner.

Såsom diskuteras ovan inbegriper uppfinningen tändsmetoder som inte kräver förnyad upphettning av en keramisk tändanordning. I stället kan tändanordningen köras under längre perioder vid förhöjd temperatur som räcker för antändning av bränslet och utan behov av konstanta på/av-cykler (dvs. upphettning/nedkylning).

Processning av den keramiska komponenten (dvs. grönkroppsbearbetnings- och sintringsbetingelser) och framställning av tändanordningen från det komprimerade keramiska materialet kan göras med konventionella metoder.

Typiskt tillämpas sådana metoder i huvudsak i enlighet med Washburn-patentet.

Se även exemplen nedan för åskådliggörande betingelser. Sintring av en komposition för en het zon genomförs föredraget vid relativt höga temperaturer, t.ex. vid eller strax över cirka 1800°c. Sintring genomförs typiskt under tryck, antingen under ett enaxligt tryck (varmpress) eller isostatisk varmpressning (HIP).

Det har också överraskande visat sig att kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen effektivt kan komprimeras vid en hög temperatur (t.ex. vid minst cirka 1800 eller 1850°C) under enaxligt tryck, i motsats till tidigare kompositioner.

Tidigare kompositioner för heta zoner har krävt två skilda sintringsförfaran- den, en första varmpressning (t.ex. mindre än 1500°C såsom 1300°C) följt av en andra högtemperatursintring (t.ex. 1800 eller 1850°C). Den första varmsintringen ger en komprimering på cirka 65 till 70% jämfört med teoretisk densitet och den andra sintringen vid högre temperatur ger en slutlig komprimering på mer än 99% jämfört med teoretisk densitet. Tidigare kompositioner för heta zoner har krävt en komprimering på över 99% för att ge acceptabla elektriska egenskaper.

Den enda högtemperatursintringen av kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen kan ge en densitet på minst cirka 95, 96 eller 97% relativt teoretisk densitet. Vidare har det visat sig att sådana kompositioner för heta zoner enligt uppfinningen som har en densitet på mindre än 99% relativt teoretisk densitet (såsom cirka 95, 96, 97 eller 98% relativt teoretisk densitet) uppvisar helt an-øn 10 15 20 25 30 524 114 17 godtagbara elektriska egenskaper. Se exempelvis de resultat som anges i Exempel 5 nedan.

Tändanordningarna enligt föreliggande uppfinning kan användas i många tillämpningar, inbegripet tändningstillämpningar för bränslegasfas såsom pannor och tillagningsanordningar, golvkaminer, Varmvattenberedare och gasspisar.

Såsom nämns ovan kan tändanordningar enligt uppfinningen också användas i batteridrivna system, t.ex. en tillagnings- eller uppvärmningsenhet där tändningen drivs av ett batteri, såsom ett 6 V-, 8 V- eller 24 V-batteri, och till och med system med ännu lägre spänning såsom sub-6 V-system.

Tändanordningar enligt uppfinningen kan också användas i andra tillämpningar, inbegripet som uppvärmningselement i ett antal olika system. I en föredragen tillämpning används en tändanordning enligt uppfinningen som infraröd strålningskälla (dvs. den heta zonen avger infraröd strålning) t.ex. uppvärmningselement såsom i en panna eller som ett glödstift i en övervaknings- eller detektionsanordning, inbegripet spektrometeranordningar, och liknande.

Följande icke-begränsande exempel åskådliggör uppfinningen. Alla dokument som nämns häri införlivas i sin helhet häri genom hänvisning.

EXEMPEL 1 En tändanordning enligt uppfinningen framställdes och testades vid höga spänningar enligt nedan.

Kompositioner för den heta zonen och den kalla zonen framställdes.

Kompositionen för den heta zonen inbegrep 66 delar per volym Al2O3, 14 delar per volym MoSig och 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare.

Kompositionen för den kalla zonen inbegrep cirka 50 delar per volym AlzOs, cirka 30 delar per volym MoSiz och cirka 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare. Kompositionen för den kalla zonen blandades i en utform för varmpressning och kompositionen för den heta zonen laddades ovanpå kompositio- nen för den kalla zonen i samma utform. Denna kombination av kompositioner varmpressades tillsammans vid 1300°C i 1 timme i argon vid 3000 psi så att ett ämne med cirka 60-7 0% teoretisk densitet bildades. Ämnet bearbetades sedan till plattor som var cirka 2,0 tum gånger 2,0 tum gånger 0,250 tum. Därefter genomgick plattorna isostatisk varmpressning (HIP) vid 1790°C i 1 timme vid 30.000 psi. Efter HIP bearbetades de komprimerade plattorna till den önskade U- formade geometrin. Den på så sätt formade tändanordningen hade god prestanda .unn- 10 15 20 25 30 524 114 . . . ~ - » ~ - - . . . .. 18 vid 230 V med en god resistivitet på cirka 1,5 ohm-cm, en tid till tändningstempe- ratur på cirka 4 sekunder och uppvisade stabilitet upp till minst 285 V (285 V testsp anning var gränsen fór testutrustningen), vilket visade att tändanordningen var effektiv vid höga nominella spänningar och över ett brett intervall av höga linjespänningar.

EXEMPEL 2 Ytterligare en komposition för heta zoner framställdes som innehöll 67 delar per volym Al2O3, 13 delar per volym MoSiz och 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare. Samma komposition fór kalla zoner bereddes som i Exempel 1 ovan och kompositionerna for den heta och den kalla zonen bearbeta- des och en tändanordning formades med samma förfaranden som de beskrivna i Exempel 1. Den formade tändanordningen uppvisade motsvarande prestandaresul- tat som de som beskrivs for tändanordningen i ett Exempel 1, vilket visade att tändanordningen var effektiv vid höga nominella spänningar och över ett brett intervall av höga linjespänningar.

EXEMPEL 3 Ytterligare en komposition för heta zoner enligt uppfinningen framställdes som innehöll 66,7 delar per volym Al2O3, 13,3 delar per volym MoSiz och 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare. Samma komposition fór kalla zoner bereddes som i Exempel 1 ovan och kompositionerna för den heta och den kalla zonen bearbetades och en tändanordning formades med samma förfaranden som de beskrivna i Exempel 1. Den formade tändanordningen uppvisade motsvarande prestandaresultat som de som beskrivs för tändanordningen i ett Exempel 1, vilket visade att tändanordningen var effektiv vid höga nominella spänningar och över ett brett intervall av höga linjespänningar.

EXEMPEL 4 Ytterligare en komposition för heta zoner enligt uppfinningen framställdes som innehöll 66,4 delar per volym A12O3, 13,6 delar per volym MoSi, och 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare. Samma komposition fór kalla zoner bereddes som i Exempel 1 ovan och kompositionerna fór den heta och den kalla zonen bearbetades och en tändananordning formades med samma förfaran- den som de beskrivna i Exempel 1. Den formade tändanordningen uppvisade nens» 10 15 20 25 30 524 114 19 » » . - ~ ~ - . . - . . - .- motsvarande prestandaresultat som de som beskrivs fór tändanordningen i ett Exempel 1, vilket visade att tändanordningen var effektiv vid höga nominella spänningar och över ett brett intervall av höga linjespänningar.

EXEMPEL 5 En ytterligare tändanordning enligt uppfinningen framställdes och testades vid höga spänningar enligt nedan.

Kompositioner fór den heta zonen och den kalla zonen framställdes.

Kompositionen for den heta zonen inbegrep 66 delar per volym Al2O3, 14 delar per volym MoSiz och 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare.

Kompositionen fór den kalla zonen inbegrep cirka 50 delar per volym Al2O3, cirka 30 delar per volym MoSiz och cirka 20 delar per volym SiC som blandades i en intensivblandare. Kompositionen fór den kalla zonen blandades i en utform fór varmpressning och kompositionen fór den heta zonen laddades ovanpå kompositio- nen för den kalla zonen i samma utform. Denna kombination av kompositioner varmpressades tillsammans vid 1800°C i 1 timme i argon vid 3000 psi så att ett ämne med cirka 97% teoretisk densitet bildades. Ämnet bearbetades sedan till plattor som var cirka 2,0 tum gånger 2,0 tum gånger 0,250 tum. Dessa plattor bearbetades sedan direkt (dvs. ingen HIP) till tändningselement med hårnålsgeo- metri. Den på så sätt formade tändanordningen hade god prestanda vid 230 V med en god resistivitet på cirka 1 ohm-cm, en tid till tändningstemperatur på cirka 5 sekunder och uppvisade stabilitet upp till minst 285 V (285 V testspänning var gränsen fór testutrustningen), vilket visade att tändanordningen var effektiv vid höga nominella spänningar och över ett brett intervall av höga linjespänningar.

EXEMPEL 6 Energifórbrukningsnivåerna for tändanordningar enligt uppfinningen fastställdes genom mätning av strömmen vid en inställd spänning. Tändanordning- ar enligt uppfinningen uppvisade konsekvent högre energieffektivitet jämfört med jämförbara tändanordningar med distinkta kompositioner fór heta zoner.

Specifikt krävde en slitsad tändanordning enligt uppfinningen med en komposition fór den heta zonen med 65 delar per volym av AlzOa, cirka 15 delar per volym MoSiz och cirka 20 delar per volym SiC mellan 0,25 A och 0,35 A vid 120 V.

En jämförbar slitsad tändanordning enligt uppfinningen med en komposition fór den heta zonen med 77 delar per volym AlN, cirka 13 delar per volym MoSi2 och nu... 10 15 20 25 30 524 114 20 - . . - . ~ . . - . . . ... cirka 10 delar per volym SiC krävde mellan 0,5 A och 0,6 A vid 120 V.

EXEMPEL 7 Värmeledningstal och värden för specifikt värmde fastställdes för tändanord- ningar enligt uppfinningen samt för jämförbara tändanordningar med en distinkt komposition fór den heta zonen. Tändanordningar enligt uppfinningen uppvisade konsekvent längre värmeledningstal och högre specifikt värde än jämförbara tändanordningar med en distinkt komposition för den heta zonen.

Följande värmeledningstal vid angivna temperaturer uppmättes för en tändanordning med urtag enligt uppfinningen med en komposition för den heta zonen med 66,7 delar per volym Al2O3, cirka 13,3 delar per volym MoSiz och cirka 20 delar per volym SiC: Temperaturer (°C) Värmeledningstal (cm2/s) 20 0,1492 128 0,088 208 0,0695 302 0,058 426 0,0472 524 0,0397 619 0,0343 717 0,0307 810 0,0291 921 0,0256 1002 0,0242 1114 0,0224 1228 0,0203 1310 0,0195 1428 0,0182 1513 0,0171 20 0,1503 Följ ande värmeledningstal för de angivna temperaturerna uppmättes för en jämförbar slitsad tändanordning enligt uppfinningen med en komposition för den heta zonen med 70 delar av volym AlN, cirka 10 delar per volym MoSiz och cirka 524 114 ' ~ v ~ . . . . .a 21 20 delar per volym SiC.

Temperaturer (° C) Värmeledningstal (cmz/s) 20 0,262 126 0,183 5 204 0,147 325 0,0117 416 0,102 517 0,0902 615 0,0812 10 714 0,07 25 818 0,0668 910 0,0593 1005 0,0552 1105 0,0549 15 1203 0,0469 1312 0,0425 1414 0,041 1516 0,0369 Uppfinningen har beskrivits i detalj med hänvisning till specifika utfórings- 20 former därav. Det bör noteras att fackmannen inom området med hjälp av detta avslöjande kan göra modifieringar och förbättringar som faller inom uppfinningen intention och Skyddsområde. una-o

Claims (43)

10 15 20 25 ~ . - » .- ..o s ø o ø Q a n ~ - o I 0 nu PATENTKRAV

1.2 Sintrad keramisk tändanordning som inbegriper två kalla zoner med en het zon placerad däremellan, där den heta zonen utgörs av en hetzonskomposition som inbegriperï (a) ett elektriskt isolerande material; (b) minst 3 vol~% av ett halvledande material; och (c) en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än 10-2 ohm-cm, vari minst 21 vol'% av hetzonskompositionen for den heta zonen inbegriper ett isolerande metalloxidmaterial.

2. Tändanordning enligt patentkrav 1, vari det isolerande materialet innehåller minst 25 vol-% metalloxid.

3. Tändanordning enligt patentkrav 1, vari det isolerande materialet består av metalloxid.

4. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 3, vari metalloxiden inbegriper aluminíumoxid.

5. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 4, vari metalloxiden inbegriper en eller flera av aluminiumoxid, metalloxinitrid, magnesiumaluminiumoxid och kiselaluminiumoxid.

6. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 4, vari det isolerande materialet innehåller ett eller flera material valda från den grupp som består av nitrid, en oxid av en sällsynt jordartsmetall och en oxinitrid av en sällsynt jordartsmetall.

7. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 4, vari det isolerande materialet inbegriper aluminiumnitrid.

8. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 7, vari det halvledande materialet inbegriper kiselkarbid. 10 15 20 25 2

9. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 8, vari det metalliska ledaren är molybdendisilicid.

10. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 9, som dessutom inbegriper en kallzonskompositíon som inbegriper från 15 till 50 vo1-% av ett isolerande material; 0 till 50 vol-% av ett halvledande material; och 20 till 70 vol-% av ett metalliskt ledande material.

11. Tändanordning enligt patentkrav 10,' vari den kalla zonens isolerande material är aluminiumnitrid eller aluminiumoxid eller blandningar därav, den kalla zonens halvledande material är kiselkarbid och den kalla zonens ledande material är MoSiz.

12. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 1 1, vari tändanordningen har en slitsad utformning.

13. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 1 1, vari tändanordningen har en oslitsad utformning.

14. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 11 eller 13, vari tändanordningen inbegriper isolerande, ledande och hetzonsregioner, där den isolerande regionen ligger mellan ett par ledande regioner och där den isolerande regionen inbegriper AlN och har högre resistivitet än den heta zonen.

15. Tändanordning enligt patentkrav 14, vari tändarregionen inbegriper AlN, AlzOa och SiC.

16. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 11 eller 13, vari tändanordningen inbegriper isolerande, ledande och hetzonsregioner, där den isolerande regionen har behandlats oxidativt.

17. Tändanordning enligt något av patentkraven 13 till 16, vari tändanordningen inbegriper en isolerande region som inbegriper från 3 till 25 vol- % AlN, från 60 till 90 vol~% AlzOß och från 5 till 20 vol-% SiC. 10 15 20 25 u, 52. lv nn1w1 I nn n. ~ . n n .n n n. nn n nn n on n o -o n »- n n n . n n n n n n o - -N nnn n u » n n -nnnnn- v n n n n . n n n n ~ n n - n n n - n - n n n n n n n n Q n n n n - 0 nu 3

18. Tändanordning enligt något av patentkraven 1 3 till 16, vari tändanordningn inbegriper en isolerande region som inbegriper från 5 till 20 vol-% AlN, från 65 till 85 vol'% AlzOs och från 8 till 15 vol'% SiC.

19. Sintrat keramiskt material med en hetzonskomposition som inbegriper (a) mellan 25 och 80 vol~% av ett elektriskt isolerande material; (b) mellan 3 och 45 vol'% av ett halvledande material; (c) mellan 5 och 25 vol~% av en metallisk ledare med en resistivitet på mindre än 10'2 ohm-cm, vari minst 21 vol'% av hetzonskompositionen inbegriper ett isolerande metalloxidmaterial.

20. Keram enligt patentkrav 19, vari det isolerande materialet innehåller minst 50 vol'% metalloxid.

21. 2 1. Keram enligt patentkrav 19, vari det isolerande materialet innehåller minst 80 vol-% metalloxid.

22. Keram enligt patentkrav 19, vari det isolerande materialet innehåller minst 90 vol-% metalloxid.

23. Keram enligt patentkrav 19, vari det isolerande materialet består av metalloxid.

24. Keram enligt något av patentkraven 19 till 23, vari metalloxiden inbegriper aluminiumoxid.

25. Keram enligt något av patentkraven 19 till 23, vari metalloxiden består av aluminiumoxid.

26. Keram enligt något av patentkraven 19 till 24, vari metalloxiden innehåller ett eller flera material valda fi-ån den grupp som består av aluminiumoxid, magnesiumaluminiumoxid, en metalloxinitrid och kiselaluminiumoxid. 10 15 20 25 4

27. Keram enligt något av patentkraven 19 till 26, vari det isolerande materialet innehåller ett eller flera material valda från den grupp som består av en nitrid, en oxid av en sällsynt jordartsmetall och en oxinitrid av en sällsynt jordartsmetall.

28. Keram enligt något av patentkraven 19 till 27, vari det isolerande materialet inbegriper aluminiumnitrid.

29. Keram enligt något av patentkraven 19 till 28, vari det isolerande materialet inbegriper mellan 50 och 80 vol'% av hetzonskompositionen.

30. Keram enligt något av patentkraven 19 till 29, vari det halvledande materialet inbegriper kiselkarbid.

31. Keram enligt något av patentkraven 19 till 30, vari det halvledande materialet inbegriper mellan 5 och 30 vol-% av hetzonskompositionen.

32. Keram enligt något av patentkraven 19 till 31, vari den metalliska ledaren är molybdendisilicid.

33. Keram enligt patentkrav 32, vari molybdendisiliciden inbegriper mellan 6 och 16 vol-% av hetzonskompositionen. '

34. Keram enligt något av patentkraven 19 till 33 som vidare inbegriper en kallzonskomposition som inbegriper från 15 till 50 vol-% av ett isolerande material, O till 50 vol-% av ett halvledande material och 20 till 70 vol-% av ett metalliskt ledande material.

35. Keram enligt patentkrav 34, vari den kalla zonens isolerande material är aluminiumnitrid eller aluminiumoxid eller blandningar därav, den kalla zonens halvledande material är kiselkarbid och den kalla zonens ledande material är MoSiz.

36. Metod for antändning av gasformigt bränsle som inbegriper applicering av en elektrisk ström över en tändanordning enligt något av patentkraven 1 till 18. 10 15 - . - . .- se »nu 1 a . n . - n - . . » e .-

37. Metod enligt patentkrav 48, vari strömmen har en linjesp änningi intervallet från 187 till 264 volt.

38. Metod enligt patentkrav 48 eller 49, vari spänningen är 6, 8, 12, 24, 120, 220, 230 eller 240 V.

39. Metod enligt patentkrav 48 eller 49, vari spänningen är mindre än 100 V.

40. Metod enligt patentkrav 48, vari spänningen är 6, 8, 12, 24 eller 102 V, eller mindre än 6 V.

41. Metod enligt något av patentkraven 48 till 52, vari spänningen kommer från en batterikälla.

42. Metod enligt något av patentkraven 48 till 53, vari keramen har en hetzonslängd på 3,048 cm eller mindre.

43. Metod enligt något av patentkraven 48 till 53, vari tändanordningens heta zon utan avbrott i minst 0,5 timmar hålls vid en temperatur som räcker för att antända det gasformiga bränslet.