專利名稱：陶瓷點(diǎn)火器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一個(gè)方面提供制造陶瓷電阻點(diǎn)火器元件的新方法，它包括將形成的 元件的一層或多層擠出(擠壓)。還提供可用本發(fā)明制作方法得到的點(diǎn)火器元 件。
背景技術(shù)：
用陶瓷作為點(diǎn)火器材料已在例如煤氣爐、取暖器和衣物烘干機(jī)方面取得很 大成功。陶瓷點(diǎn)火器制作包括用陶瓷部件構(gòu)建電路，所述陶瓷部件的一部分顯 示高電阻性，并在通過引線通電時(shí)其溫度會(huì)上升。例如可參見美國專利 No.6,582'629、 6,278,087 、6,028,292、 5,801,361 、5,786,565、 5,405,237和5,191,508。典型的點(diǎn)火器一般為矩形元件，其頂部具有高電阻性"加熱區(qū)"，并從相 反的點(diǎn)火器末端向所述加熱區(qū)提供一個(gè)或多個(gè)"冷卻區(qū)"。 一種目前市場上銷 售的點(diǎn)火器(商品名為"Minilgniter"，美國新罕布什爾州Milford的Norton Igniter Products公司產(chǎn)品)被設(shè)計(jì)成用于12—120V的用途，其組成包含氮化鋁("A1N")、 二硅化鉬("MoSi2")和碳化硅("SiC")。已有的點(diǎn)火器制作方法包括批次式加工處理，該方法將至少二種不同電阻 率的陶瓷組合物加載在模具中。然后在高溫高壓下將形成的坯料元件致密化(燒 結(jié))。參見上述專利。還可參見美國專利No.6，184，497。雖然這種制造方法可有效地制造陶瓷點(diǎn)火器，但批次式加工處理在產(chǎn)量和 生產(chǎn)成本效率方面存在著固有的限制?，F(xiàn)有的陶瓷點(diǎn)火器還面臨使用過程中(尤其是在會(huì)遭受碰撞的環(huán)境中，例 如，用于煤氣爐的點(diǎn)火時(shí))會(huì)斷裂的問題。因此，需要有新的點(diǎn)火系統(tǒng)。尤其需要新的制造陶瓷電阻元件的方法。還 需要具有良好機(jī)械整體性的新的點(diǎn)火器。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供新的制造陶瓷點(diǎn)火器元件的方法，它包含將陶瓷材料擠出，由 此形成陶瓷元件。與現(xiàn)有的方法(例如模鑄法)相比，這種擠出制造法能夠提 供高的產(chǎn)率和生產(chǎn)成本效率，并能夠提供機(jī)械強(qiáng)度突出的點(diǎn)火器。更具體地說，本發(fā)明優(yōu)選的方法包括將一層或多層擠出成陶瓷元件。若將 多層擠出，則這些層較好具有不同的電阻率，以在得到的元件中形成具有不同 導(dǎo)電性的區(qū)域。例如，可以通過共擠出一層'或多層依次的下列材料的層形成所 述元件1)任選的絕緣體(散熱體)、2)導(dǎo)電區(qū)、3)電阻加熱區(qū)、和4)第 二導(dǎo)電區(qū)。所述第二導(dǎo)電區(qū)可僅施加在點(diǎn)火器的一部分上，以提供一個(gè)露出的 電阻加熱區(qū)，供燃料點(diǎn)火。本發(fā)明優(yōu)選方法還包括在單個(gè)工序中形成多個(gè)點(diǎn)火器元件，該單個(gè)工序包 括擠出陶瓷材料的步驟。在這些優(yōu)選方法的一個(gè)方面，可由一個(gè)或多個(gè)通過陶瓷材料擠出而成的片狀或板狀(tile)元件制造許多個(gè)能使用的點(diǎn)火器元件。例如，可通過將陶瓷材 料擠出或共擠出來制造一個(gè)或多個(gè)陶瓷板狀元件。然后，可對板狀元件熱處理， 去除擠出工序中使用的任何粘合劑或其它載體，并可任選地進(jìn)行致密化(例如 在高溫高壓下)，然后切割致密的板狀元件，得到所需尺寸的點(diǎn)火器狀元件。 這樣的步驟還可以另一種順序進(jìn)行，例如，在致密化之前，可將板狀元件切割 成所需大小的點(diǎn)火器狀元件，然后可任選地在高壓高溫條件下將由此得到的毛 坯狀態(tài)的點(diǎn)火器元件致密化。本發(fā)明制作方法還可包括加入陶瓷材料以制造成形的陶瓷元件的附加工 序。例如，可將一層或多層陶瓷層施加在成形的元件上，其施加方法例如可以 是浸涂、噴涂陶瓷組合物料漿的方法等?？捎杀景l(fā)明方法得到的優(yōu)選的陶瓷元件依次包含電連接的第一導(dǎo)電區(qū)、電 阻加熱區(qū)和第二導(dǎo)電區(qū)。在一些優(yōu)選實(shí)施方式中，如下面要進(jìn)一步討論的那樣， 第一導(dǎo)電區(qū)被置入點(diǎn)火器元件的內(nèi)部區(qū)域，其至少部分地被位于外面的第二導(dǎo) 電區(qū)罩蓋或包封。較好的是，在該器件的使用過程中，可使用電線將電力施加 在第一或第二導(dǎo)電區(qū)(但通常不將電力同時(shí)施加在二個(gè)導(dǎo)電區(qū)上)。至少就一 些優(yōu)選的應(yīng)用而言，第一導(dǎo)電區(qū)的至少大部分不與陶瓷絕緣體(散熱體)接觸。
這種缺乏陶瓷絕緣體部分可提高點(diǎn)火器的時(shí)間-點(diǎn)火溫度響應(yīng)特性。本發(fā)明特別優(yōu)選的點(diǎn)火器沿至少一部分點(diǎn)火器長度(例如，從點(diǎn)火器上電 線固定點(diǎn)至電阻加熱區(qū)的長度)具有圓截面形狀。更具體地說，優(yōu)選點(diǎn)火器的至少一部分長度(例如，點(diǎn)火器長度的至少約10%、 40%、 60%、 80%、 90%) 或點(diǎn)火器的整個(gè)長度可具有大致橢圓形的、圓盤形的或其它圓截面的形狀。尤 其優(yōu)選的是能提供桿形點(diǎn)火器元件的大致圓盤形的截面形狀。這樣的桿形構(gòu)造 使得點(diǎn)火器元件具有較高的截面模量(Section Moduli)，從而可提高點(diǎn)火器的 機(jī)械整體性。本發(fā)明點(diǎn)火器可具有各種構(gòu)造。在一個(gè)優(yōu)選的構(gòu)造中， 一個(gè)導(dǎo)電性軸狀元 件配置在一個(gè)導(dǎo)電性管狀元件中，并且所述軸狀元件和所述管狀元件均與一個(gè) 加熱區(qū)頂部或端部區(qū)域相連。本發(fā)明陶瓷點(diǎn)火器可在各種額定電壓下使用，包括6、 8、 10、 12、 24、 120、 220、 230和240V的額定電壓。本發(fā)明點(diǎn)火器可用于各種器件和加熱系統(tǒng)的點(diǎn)火。更具體地說，可提供包 含本文所述燒結(jié)過的陶瓷點(diǎn)火器元件的加熱系統(tǒng)。具體的加熱系統(tǒng)包括煤氣烹 調(diào)用具、用于商務(wù)樓和居民樓的加熱單元(如熱水器)。下面描述本發(fā)明其它方面。


圖1 (包括圖1A 圖1C)示出本發(fā)明優(yōu)選的制造方法。 圖2是沿圖1C的1-l線的剖視圖。圖3 (包括圖3A 圖3D)示出本發(fā)明另一優(yōu)選的制造方法。 圖4示出本發(fā)明又一優(yōu)選的點(diǎn)火器。圖5A和圖5B示出本發(fā)明又一優(yōu)選的點(diǎn)火器。其中，圖5B是沿圖5A中的 5B-5B線的剖視圖。圖6A和圖6B示出本發(fā)明又一優(yōu)選的點(diǎn)火器。其中，圖6B是沿圖6A中的 6B-6B線的剖視圖。圖7和圖8示出又一優(yōu)選的點(diǎn)火器和制作方法。圖9A、 9B和9C示出又一優(yōu)選的點(diǎn)火器和制作方法。
具體實(shí)施方式
如上所述，本發(fā)明提供制造陶瓷點(diǎn)火器元件的新方法，這些方法包括將一 層或多層元件擠出。本文中通常提到的術(shù)語"擠出"或"擠壓"或其它類似的術(shù)語是指強(qiáng)使材 料或以其它方法推進(jìn)材料使之通過形狀誘導(dǎo)元件(如模具元件)的通用方法， 所述模具可以由例如聚合物、金屬、它們的組合等適當(dāng)形成。在將本發(fā)明點(diǎn)火 器元件擠出形成的過程中，可推進(jìn)陶瓷材料(例如陶瓷粉末混合物、分散體或 其它制劑)或陶瓷前體材料或組合物使之通過形狀誘導(dǎo)元件。較合適的是，在 被擠出材料脫離形狀誘導(dǎo)元件之后，可將其固化或用其它方法硬化。現(xiàn)在看附圖。圖1A 圖1C示出本發(fā)明優(yōu)選的制作方法。如圖1A中所示， 點(diǎn)火器元件IO通過將具有不同電阻率的多層共擠出而制得。在優(yōu)選的系統(tǒng)中，內(nèi)層是導(dǎo)電層12，中間層是電阻率更大的加熱層14,露出的外層是第二導(dǎo)電層 16。點(diǎn)火器元件的擠出可按下述方法適宜地進(jìn)行形成陶瓷組合物的流體制齊IJ， 推進(jìn)該陶瓷制劑使之通過模具元件形成具有所需構(gòu)造的點(diǎn)火器。例如，可制備淤漿或糊槳狀陶瓷粉末組合物，例如，將一種或多種陶瓷粉 末與含一種或多種可混溶的有機(jī)溶劑(如醇等)的水溶液或水分散液混合而制得糊漿。優(yōu)選的用于擠出的陶瓷淤漿組合物可如下制得在水的流體組合物中混合一種或多種陶瓷粉末(如MoSi2、 SiC、八1203和/或A1N)，所述水的流體 組合物可任選地含有一種或多種有機(jī)溶劑(如一種或多種水可混溶的有機(jī)溶劑， 如纖維素醚溶劑、醇等)。所述陶瓷淤漿還可含有其它物質(zhì)，例如， 一種或多 種有機(jī)增塑劑化合物以及任選的一種或多種高分子粘合劑?？墒褂酶鞣N形狀形成元件或形狀誘導(dǎo)元件來形成點(diǎn)火器元件，所述元件具 有與擠出的點(diǎn)火器所需的形狀對應(yīng)的構(gòu)造。例如，要形成桿狀元件，可將陶瓷 粉末淤漿通過圓柱形模具元件擠出。要形成柱狀或矩形點(diǎn)火器元件，可使用矩 形模具。擠出后，可適當(dāng)?shù)貙⒊尚蔚狞c(diǎn)火器在例如大于50°C或60°C的溫度條件下 干燥足以除去任何溶劑(水性的和/或有機(jī)的)載體的時(shí)間。下面的實(shí)施例描述形成點(diǎn)火器元件的優(yōu)選的擠出方法。如圖1B所示，可除去一部分導(dǎo)電層16，露出電阻加熱區(qū)14。可改變露出 的加熱區(qū)長度(圖1B中示為長度"a")以在目標(biāo)電壓下具有最佳性能。然后可根據(jù)需要，對點(diǎn)火器元件10作進(jìn)一步加工處理。例如，如圖1C所示，可在點(diǎn)火器10內(nèi)部鉆孔，形成內(nèi)部空隙區(qū)域18。還可進(jìn)一步地在例如溫度 和壓力條件下將形成的點(diǎn)火器IO致密化。合適的點(diǎn)火器電流路徑可參見圖2。圖2中，電力通過插入的與電阻加熱區(qū) 14連接的導(dǎo)電內(nèi)芯元件12進(jìn)入點(diǎn)火器系統(tǒng)10。導(dǎo)電元件12的近端12a和導(dǎo)電 元件IO的近端10a可通過例如銅焊而固定在使用過程中向點(diǎn)火器提供電力的電 線(圖中未示出)上。點(diǎn)火器的近端10a可固定在各種支架中，例如，如已公 布的美國專利申請No.2003/0080103所公開的，用陶瓷塑料密封材料罩蓋導(dǎo)電元 件近端I2a。也可適宜地使用金屬支架來罩蓋點(diǎn)火器近端。如圖2所示，點(diǎn)火器IO給出的電流路徑從導(dǎo)電內(nèi)芯元件12通向電阻加熱 區(qū)14，再通向外層的包封導(dǎo)電區(qū)16。也可將點(diǎn)火器制成這樣的構(gòu)造電流路徑 以相反方向流動(dòng)，由導(dǎo)電區(qū)16進(jìn)入電阻加熱區(qū)14，再進(jìn)入導(dǎo)電內(nèi)芯元件12。從圖1C和圖2可知，第一內(nèi)芯導(dǎo)電區(qū)12與點(diǎn)火器的其它部分之間被空隙 區(qū)18隔開，直至在導(dǎo)電區(qū)遠(yuǎn)端部分12c與加熱區(qū)14相連。另外，如上面所討 論的，在優(yōu)選的系統(tǒng)(例如圖1和圖2所示系統(tǒng))中，第一導(dǎo)電區(qū)的近端部分 12a與在某些現(xiàn)有的系統(tǒng)中使用的陶瓷散熱(絕緣體)區(qū)域不接觸。至少就許多 應(yīng)用而言，較適宜的是，點(diǎn)火器可不包含任何絕緣體或散熱區(qū)域，而僅包含兩 個(gè)具有不同電阻率的區(qū)域。即所述點(diǎn)火器只含有導(dǎo)電(冷卻)區(qū)和更高電阻(加熱)區(qū)。這種至少在第一導(dǎo)電區(qū)大部分長度上沒有陶瓷絕緣體可具有明顯的優(yōu)點(diǎn)， 包括時(shí)間-溫度響應(yīng)特性得到提高。本文中，術(shù)語"第一導(dǎo)電區(qū)大部分長度"是 指從電線固定點(diǎn)至加熱區(qū)連接處之間測得的第一導(dǎo)電區(qū)長度(圖2中表示為距 離b)中至少有約40%不與陶瓷絕緣體材料接觸。更好的是，從電線固定點(diǎn)至 加熱區(qū)連接處之間測得的第一導(dǎo)電區(qū)長度(圖2中表示為距離b)中至少有約百 分之50、 60、 70、 80、 90或95、或整個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)長度不與陶瓷絕緣體材料接 觸。在特別優(yōu)選的系統(tǒng)中，如圖1C和圖2中舉例性說明的點(diǎn)火器所總體示出的 那樣，第一導(dǎo)電區(qū)至少大部分長度露出在例如空隙區(qū)域18中。本文中，術(shù)語"時(shí)間-溫度響應(yīng)"或類似的術(shù)語是指點(diǎn)火器的加熱區(qū)從室溫 (約25°C)升至約1000°C的燃料(例如煤氣)點(diǎn)火溫度所需的時(shí)間。特定的點(diǎn) 火器的時(shí)間-溫度響應(yīng)值可用雙色紅外高溫計(jì)合適地測得。本發(fā)明特別優(yōu)選的點(diǎn) 火器的時(shí)間-溫度響應(yīng)值可為約3秒或更低，甚至可約為2秒或更低。 如上面所討論的和圖1中舉例性說明的，對于至少某些優(yōu)選的系統(tǒng)而言，點(diǎn)火器至少大部分長度在沿至少一部分長度(例如，圖2中示出的長度a)上具 有圓截面形狀。圖1示出了一種特別優(yōu)選的構(gòu)造，在該構(gòu)造中，點(diǎn)火器I0在其 約整個(gè)長度上具有大致圓盤形的截面，從而產(chǎn)生一種桿狀點(diǎn)火器元件。然而， 優(yōu)選的系統(tǒng)還包括那些只有一部分長度具有圓截面形狀的點(diǎn)火器，例如，那些 最多占其長度(如圖2中舉例性說明的點(diǎn)火器長度b)約百分之10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80或90具有圓截面形狀的點(diǎn)火器；在這樣的設(shè)計(jì)中，其余的 點(diǎn)火器長度部分可具有與外部邊緣相應(yīng)的形狀。圖3A 圖3D示出本發(fā)明另一較佳制作方法。在該方法中，點(diǎn)火器元件20 是通過擠出包封在絕緣體(散熱)內(nèi)層24內(nèi)的導(dǎo)電內(nèi)芯區(qū)域22而形成的。如圖3B所示，可將第二外導(dǎo)電層26施加在所述擠出的點(diǎn)火器元件上，然 后如3C所示，施加電阻加熱區(qū)28。如上面所討論的，陶瓷層26和28可通過 許多方法中的任一種進(jìn)行施加。較佳的施加方法是，在對點(diǎn)火器非涂布區(qū)域進(jìn) 行合適的掩蔽后將點(diǎn)火器元件浸涂在陶瓷組合物淤漿中。對于這樣的浸涂應(yīng)用，可適宜地使用淤漿或其它流體狀陶瓷組合物。所述 淤漿可包含水和/或極性有機(jī)溶劑載體(如醇等)以及一種或多種添加劑以促進(jìn) 施加的陶瓷組合物形成均勻的層。例如，所述淤漿組合物可包含一種或多種有 機(jī)乳化劑、增塑劑和分散劑。這些粘合劑材料可適宜地在隨后的點(diǎn)火器元件致 密化過程中加熱除去。浸涂方法可以是將點(diǎn)火器元件浸沒于陶瓷組合物淤漿中。較佳的浸涂方法和用于浸涂的較佳陶瓷組合物淤漿在下面的實(shí)施例中舉例說明。如圖3D所示，可至少部分地例如通過鉆削來除去陶瓷絕緣體區(qū)域24，形 成空隙區(qū)域30。由此，如圖3D所示'插入的第一導(dǎo)電區(qū)22從近端22a (如上 面所討論的，可以有電線固定在其之上)延伸至電阻區(qū)28，電阻區(qū)28與第二導(dǎo) 電區(qū)26相連，該第二導(dǎo)電區(qū)26位于部分除去的絕緣體層24和插入的空隙區(qū)30 之上。圖4示出本發(fā)明又一較佳點(diǎn)火器40。該點(diǎn)火器40可通過將絕緣體陶瓷內(nèi)芯 與將其包覆的電阻區(qū)42 (例如圖3C中示出的電阻區(qū)28)共擠出而得到。然后 可施加導(dǎo)電區(qū)44。施加方法例如可以是將點(diǎn)火器元件在導(dǎo)電陶瓷組合物的淤漿 中浸涂。如圖4中總體示出的那樣，可以將點(diǎn)火器表面形成為平面46。其方法 可以是致密化后進(jìn)行加工，也可以是在毛坯狀態(tài)下進(jìn)行加工。如上面就圖3D中
的點(diǎn)火器20所討論的，可例如通過鉆削來至少部分地除去陶瓷絕緣體區(qū)域，形 成空隙區(qū)域48。更好的是，可通過空心管元件共擠出來至少部分除去最終點(diǎn)火 器元件中的絕緣體區(qū)域。本發(fā)明方法可明顯有助于制造特定應(yīng)用所需要的各種構(gòu)造的點(diǎn)火器。為提 供特定構(gòu)造，使用適當(dāng)?shù)男螤钫T導(dǎo)模具來擠出陶瓷組合物(例如陶瓷糊漿)。例如，可使用基本上呈正方形的模具制造圖5A和5B中所示的點(diǎn)火器元件 50。該點(diǎn)火器元件50包含矩形或柱形的內(nèi)芯導(dǎo)電區(qū)52 (其橫截面為角形，更具 體地說，如圖5B中清楚地示出的大致正方形的橫截面)和同樣角形的外導(dǎo)電區(qū) 54和加熱區(qū)(在圖5A的剖視圖中未示出加熱區(qū))。還可以使用具有不規(guī)則圓形的模具來形成圖6A和6B所示的元件60。該元 件60的內(nèi)芯導(dǎo)電區(qū)62和外導(dǎo)電區(qū)64各自具有不規(guī)則圓形橫截面。本發(fā)明點(diǎn)火器的尺寸可在大的范圍內(nèi)變化并可根據(jù)點(diǎn)火器的擬定用途進(jìn)行 選擇。例如，較佳的點(diǎn)火器長度(圖2中的長度b)可在約0.5 — 5cm的范圍內(nèi)， 較好地為約l一3cm。點(diǎn)火器橫截面寬度(圖2中的長度c)可在約0.2 — 3cm的 范圍內(nèi)。同樣地，導(dǎo)電區(qū)和加熱區(qū)的長度也可適當(dāng)變化。較好的是，圖2所示結(jié)構(gòu) 點(diǎn)火器的第一導(dǎo)電區(qū)長度(圖2中的長度d)可在0.2至2、 3、 4或5cm或更大 的范圍內(nèi)。第一導(dǎo)電區(qū)更典型的長度約為0.5 — 5cm。加熱區(qū)的高度(圖2中的 長度e)可在約0.1cm至約2cm的范圍內(nèi)，加熱區(qū)電流路徑的總長度(圖2中的 長度f)約為0.2cm至5cm或更大， 一般而言，電阻區(qū)電流路徑總長度(圖2 中用虛線示出)最好約為0.5 — 3.5cm。在優(yōu)選的系統(tǒng)中，本發(fā)明點(diǎn)火器的加熱區(qū)亦即電阻區(qū)在額定電壓下會(huì)加熱 至小于約1450。C的最大溫度。在約為額定電壓110%的高端線路電壓下，最大 溫度小于約1550°C，在約為額定電壓約85%的低端線路電壓下，最大溫度小于 約1350。C。如上面所討論的，本發(fā)明優(yōu)選方法還包括在單個(gè)通用方法中形成多個(gè)點(diǎn)火 器元件，該方法包括擠出陶瓷材料的步驟。例如，如圖7所一般性舉例說明的，陶瓷板狀元件70的形成方法可以是使 陶瓷材料通過相應(yīng)的模具元件擠出，更好的是，將該板狀元件的多層或多個(gè)區(qū) 域(各層或各區(qū)域具有不同的電阻率)共擠出。這樣，如圖7中舉例說明的， 板狀元件的多個(gè)區(qū)域共擠出成導(dǎo)電區(qū)72和電阻相對較大的"加熱"區(qū)(或稱點(diǎn)
火區(qū))74。
圖7中的箭頭表示板狀元件的共擠出方向。陶瓷板狀元件70可具有各種尺 寸，可適宜地將其切削成5、 10、 15、 20、 30、 40、 50、 80、 100個(gè)或更多的不 連續(xù)的點(diǎn)火器元件。對于某些實(shí)施方式而言，板狀元件的厚度(圖7中的尺寸 "a")可適宜地與切削所得到的點(diǎn)火器元件的厚度相同。在其它實(shí)施方式中， 如下面就圖9A 9C (在這些圖中，多個(gè)板狀元件集合在一起)所討論的那樣， 板狀元件厚度可僅是隨后形成的點(diǎn)火器元件厚度的一部分。
擠出后，可用例如熱處理方法除去擠出的陶瓷材料中的粘合劑和其它有機(jī) 物。然后，例如可在與擠出方向(圖7中以箭頭表示)垂直的方向切削點(diǎn)火器 元件70，形成所需大小的點(diǎn)火器元件。如上面所討論的，可根據(jù)需要，在高壓 高溫下將點(diǎn)火器元件致密化。此外，根據(jù)需要，還可進(jìn)一步對點(diǎn)火器元件進(jìn)行 加工處理。例如，除去內(nèi)部區(qū)域，形成稱作"有槽的"點(diǎn)火器圖案。在該槽的 周圍提供電流路徑。
圖8示出另一較佳方法。在該方法中，使陶瓷材料通過相應(yīng)的模具元件擠 出，形成板狀元件90。板狀元件最好通過將板狀物的多層或多個(gè)區(qū)域共擠出而 成，各層或各區(qū)域具有不同的電阻率。這樣，如圖8舉例說明的，板狀元件的 多個(gè)區(qū)域共擠出成導(dǎo)電區(qū)86和電阻相對較大的"加熱"區(qū)(或稱點(diǎn)火區(qū))S8。
圖8中的箭頭表示板狀元件的共擠出方向。虛線82表示可將形成的板狀元 件80切割成二個(gè)單獨(dú)組件的位置。然后，可進(jìn)一步將各板狀組件(例如，與示 出的箭頭垂直地)切削成單個(gè)點(diǎn)火器元件。在圖8示出的實(shí)施方式中，形成的 點(diǎn)火器元件包括內(nèi)部散熱區(qū)(或稱絕緣體區(qū))S4 (而不是上面就圖7所討論的 有槽構(gòu)造)。切削板狀元件之前或之后，可在例如高壓高溫下將陶瓷材料致密 化。
圖9A 9C示出又一較佳制作方法。在該方法中，制造多個(gè)板狀或片狀元 件，然后將它們集合在一起，形成許多點(diǎn)火器元件。更具體地說，如圖9A中一 般性地示出，陶瓷板狀或片狀元件90通過用相應(yīng)的模具將陶瓷材料共擠出而形 成，它包括導(dǎo)電區(qū)92和電阻相對較大的"加熱"區(qū)(或稱點(diǎn)火區(qū))94。如圖9B 所示，單獨(dú)的陶瓷板狀或片狀元件通過用相應(yīng)的模具將陶瓷材料共擠出而形成， 它包括絕緣體區(qū)域(或稱散熱區(qū)域)98。圖9A和9B中的箭頭表示板狀元件的 共擠出方向。擠出的陶瓷材料的粘合劑和其它有機(jī)物可通過對形成的板狀元件 進(jìn)行熱處理而加以除去。
然后，可將多個(gè)板狀元件集合，形成例如如圖9c所示的元件96夾在二個(gè) 元件90之間的三個(gè)板體疊在一起的集合體。然后，可將集合體IOO切割成單個(gè) 點(diǎn)火器元件。如上面所討論的，根據(jù)需要，可在高壓高溫下將點(diǎn)火器元件致密 化。
可使用各種組合物來形成本發(fā)明點(diǎn)火器。 一般而言，較佳的加熱區(qū)組合物 包括下述組分中的二種或兩種以上1)導(dǎo)電材料、2)半導(dǎo)體材料、3)絕緣材 料。導(dǎo)電(冷卻)區(qū)域和絕緣(散熱)區(qū)域可由相同組分構(gòu)成，但各組分的比 例可不同。典型的導(dǎo)電材料包括例如二硅化鉬、二硅化鎢、氮化物(如氮化鈦) 和碳化物(如碳化鈦)。典型的半導(dǎo)體包括碳化物，如碳化硅(摻雜的和未摻 雜的)和碳化硼。典型的絕緣材料包括金屬氧化物(如氧化鋁)或氮化物(如 A1N禾口/或Si3N4)。
本文中，術(shù)語"電絕緣材料"是指室溫電阻率至少約為1(Tn-cm的材料。 本發(fā)明點(diǎn)火器的電絕緣材料組分可僅由或主要由一種或多種金屬氮化物和/或金 屬氧化物構(gòu)成，絕緣組分也可以除金屬氧化物、金屬氮化物之外的其它材料。 例如，絕緣材料組分還可含有氮化物(如氮化鋁、氮化硅、氮化硼)、稀土金 屬氧化物(如氧化釔)、稀土金屬氮氧化物。絕緣組分優(yōu)選的添加材料是氮化 鋁(A1N)。
本文中，術(shù)語"半導(dǎo)體陶瓷"或"半導(dǎo)體"是指室溫電阻率約為10—10sn-cm 的陶瓷。若加熱區(qū)組合物中半導(dǎo)體成分的量大于約45v/o (此時(shí)導(dǎo)電陶瓷約為6 一10v/0)，則該組合物的導(dǎo)電性對于高電壓應(yīng)用而言就太大(由于缺乏絕緣體)。 而若半導(dǎo)體材料的量小于約10% (此時(shí)導(dǎo)電陶瓷約為6—10v/0)，則該組合物
的電阻就太大(由于絕緣體太多)。另外，在導(dǎo)電體含量大的情況下，需要更 多的絕緣體與半導(dǎo)體成分的電阻性混入物以獲得所需電壓。通常，所述半導(dǎo)體 是選自碳化硅(慘雜的和未摻雜的)和碳化硼的碳化物。 一般以碳化硅為佳。
本文中，術(shù)語"導(dǎo)電材料"是指室溫電阻率小于約lCT2Q-cm的材料。若 加熱區(qū)組合物中的導(dǎo)電性成分的量大于35v/o，則生成的陶瓷的導(dǎo)電性會(huì)變得太 大。通常，所述導(dǎo)體選自二硅化鉬、二硅化鎢、氮化物(如氮化鈦)和碳化物 (如碳化鈦)。 一般以二硅化鉬為佳。
一般地，優(yōu)選的加熱(電阻)區(qū)組合物包括(a)約50—80v/q電阻率至少 約為101Q Q-cm的電絕緣性材料、(b)約Ov/o (不使用半導(dǎo)體材料的情況)至 45v/o電阻率約為10—108Q-cm的半導(dǎo)體材料和(c)約5 — 35v/o電阻率小于約
10^Q-cm的金屬導(dǎo)體。較好的是，所述加熱區(qū)包含50 — 70v/o的電絕緣陶瓷、 10 —45v/o的半導(dǎo)體陶瓷和6—16v/0的導(dǎo)電材料。用于本發(fā)明點(diǎn)火器的特別優(yōu)選 的加熱區(qū)組合物含lOv/o的MoSi2、 20v/o的SiC和余量的A1N或A1203。
如所討論的，本發(fā)明點(diǎn)火器包含與加熱(電阻)區(qū)電連接的較低電阻率的 冷卻區(qū)，該冷卻區(qū)可以使電線與所述點(diǎn)火器相連。優(yōu)選的冷卻區(qū)包括由例如AIN 和/或八1203或其它絕緣材料、SiC或其它半導(dǎo)體材料、和MoSi2或其它導(dǎo)電材料 構(gòu)成的區(qū)域。但冷卻區(qū)的導(dǎo)電性和半導(dǎo)電性材料(例如SiC和MoSi2)的百分比 要明顯地比加熱區(qū)的大。優(yōu)選的冷卻區(qū)組合物包含約15 —65v/o的氧化鋁、氮化 鋁或其它絕緣材料和約20 — 70v/0的MoSi2和SiC或其它導(dǎo)電性和半導(dǎo)電性材
料，體積比約為1: l至約l: 3。對于許多應(yīng)用而言，更好的是，冷卻區(qū)包含約
.5 — 50v/0的AIN禾口/或A1203、 15 — 30v/。的SiC和30 —70v/o的MoSi2。為便于 制備，較好的是，冷卻區(qū)由與加熱區(qū)相同的組合物形成，但半導(dǎo)電性材料和導(dǎo) 電性材料的相對量更大。
用于本發(fā)明點(diǎn)火器的一個(gè)特別優(yōu)選的冷卻區(qū)組合物含20 — 35v/q的MoSi2、 45 — 60v/o的SiC和余量的A1N或A1203。
至少就一些應(yīng)用而言，本發(fā)明點(diǎn)火器可適當(dāng)?shù)匕菍?dǎo)電性(絕緣體或散 熱)區(qū)域，雖然如上面所討論的，本發(fā)明特別優(yōu)選的點(diǎn)火器不含與第一導(dǎo)電區(qū) 至少大部分長度接觸的陶瓷絕緣體。
若采用散熱區(qū)，則其可以與導(dǎo)電區(qū)相連、與加熱區(qū)相連或同時(shí)與兩者相連。 較好的是，燒結(jié)的絕緣體區(qū)域在室溫的電阻率至少約為1014Q-cm，在操作溫度 條件下的電阻率至少為104 Q-cm，強(qiáng)度至少為150 MPa。較好的是，絕緣體區(qū) 域在操作(點(diǎn)火)溫度條件下的電阻率比加熱區(qū)電阻率至少大2個(gè)數(shù)量級(jí)。合 適的絕緣體組合物包含至少約90%v/o的一種或多種氮化鋁、氧化鋁和氮化硼。 本發(fā)明點(diǎn)火器的一個(gè)特別優(yōu)選的絕緣體組合物由60v/o的A1N、 lOv/o的A1203 和余量的SiC構(gòu)成。與本發(fā)明點(diǎn)火器一起使用的另一優(yōu)選的加熱組合物包含 80v/o的AIN和20v/o的SiC。
本發(fā)明點(diǎn)火器可用于許多應(yīng)用，包括氣相燃料點(diǎn)火應(yīng)用(如煤氣爐和烹調(diào) 用具)、踢腳板式取暖器、鍋爐和爐頂(stove tops)。本發(fā)明點(diǎn)火器尤其可用 作爐頂式燃?xì)饩吆兔簹鉅t的點(diǎn)火源。
本發(fā)明點(diǎn)火器還特別適用于液體燃料(例如煤油、汽油)蒸發(fā)和點(diǎn)火，例 如，用于交通工具(例如車輛)加熱器以預(yù)熱該交通工具。
本發(fā)明優(yōu)選的點(diǎn)火器與通常稱作熱線點(diǎn)火塞的加熱元件是明顯不同的。其
中，常用的熱線點(diǎn)火塞往往會(huì)熱至較低溫度，例如，最高溫度約為800°C、 900。C 或1000°C，由此加熱一定體積的氣體，而非直接將燃料點(diǎn)燃，而本發(fā)明優(yōu)選的 點(diǎn)火器可產(chǎn)生更高的最高溫度，例如至少約為1200°C、300°C或1400。C，直 接將燃料點(diǎn)燃。本發(fā)明優(yōu)選的點(diǎn)火器還無需在元件周圍或至少其一部分進(jìn)行不 透氣密封以形成氣體燃燒室(如熱線點(diǎn)火塞系統(tǒng)通常采用的那樣)。另外，本 發(fā)明許多優(yōu)選的點(diǎn)火器可在較高線路電壓(例如，大于24V的線路電壓，例如 60V或更高或120V或更高，包括220、 230和240V)條件下使用，而熱線點(diǎn)火 塞通常僅在12 — 24V條件下使用。
下面通過非限定性的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。本文中提到的所有文獻(xiàn)均 以引用的方式全文插入本文作為本發(fā)明的一部分。
實(shí)施例1:點(diǎn)火器的制作
將電阻組合物(15體積％的MoSi2、 20體積％的SiC和佘量的A203)和 絕緣組合物(20體積％的SiC和80體積％的A1203)的粉末與約16重量％的水 和5重量％的甲基纖維素(商品名DowA4W)混合，形成二種糊漿。將二種糊 漿加載到活塞式擠出機(jī)的料斗中，使絕緣性糊漿形成圓柱形內(nèi)芯，使導(dǎo)電性糊 漿形成圓柱形包層。將二種混合物共擠出成約直徑約為0.300英寸的共軸包層 桿。然后在65。C將桿固化，除去水分，切割成1一3英寸的長度。浸涂試樣， 在其一半的長度涂敷導(dǎo)電組合物(30體積％的MoSi2、 20體積X的SiC和余量 的八1203)的淤漿。所述淤漿含分散劑和低粘度流體基料。所述基料含異丙醇、 PEG400 (乳化劑；硬脂酸的反應(yīng)產(chǎn)物)、SANTICIZER 160 (增塑劑；丁基芐 基)、BUTWAR B76 (孟山都公司產(chǎn)品，聚乙烯基丁縮醛)、111M分散劑 (DARVAN)。將涂覆試樣在氬氣氛中于1200。C預(yù)燒結(jié)，燒去粘合劑，涂敷氮 化硼，在1750。C用玻璃熱等靜壓機(jī)進(jìn)行1小時(shí)的致密化。用噴砂清理法清洗該 致密的部件，在曲表面的相反兩側(cè)開槽，形成電路。在未涂覆端所述凹槽比部 件長度短1/8 1/4英寸。如此涂覆端兩個(gè)面被所述凹槽隔開，形成點(diǎn)火器的二 個(gè)支腳，當(dāng)與60V電源連接時(shí)，達(dá)到約1200°C的溫度。
實(shí)施例2:點(diǎn)火器的制作
將導(dǎo)電組合物(30體積％的MoSi2、 20體積％的SiC和余量的A1203)和
絕緣組合物(20體積％的SiC和80體積％的A1203)的粉末與約16重量％的水 和5重量％的甲基纖維素(商品名DowA4W)混合成二種糊漿。將該二種糊漿 加載到活塞式擠出機(jī)的料斗中，使導(dǎo)電糊漿形成圓柱形內(nèi)芯，使絕緣糊漿形成 圓柱形包層。將二種混合物共擠出成約直徑約為0.300英寸的共軸包層桿。然后 在65。C將桿固化，除去水分，切割成1一3英寸的長度。浸涂試樣，在其一半 的長度涂敷導(dǎo)電組合物(30體積％的MoSi2、 20體積％的SiC和余量的A1203) 的淤漿，在剩下的一半涂敷電阻組合物(15體積％的MoSi2、 20體積X的SiC 和余量的八1203)的淤漿。該淤漿含分散劑和低粘度流體基料。所述基料例如含 異丙醇、PEG400、 SANTICIZER 160、 BUTWAR B76、 111M分散劑。將涂覆的 試樣在氬氣氛中于1200°C預(yù)燒結(jié)，燒去粘合劑，涂敷氮化硼，并在1750。C用 玻璃熱等靜壓機(jī)進(jìn)行1小時(shí)的致密化。用噴砂清理法清洗致密化了的部件，從 桿狀物的涂有導(dǎo)電層的頂端開始切開1/8英寸，形成電路。在切割端被絕緣層隔 開的內(nèi)芯和外表面形成點(diǎn)火器的二個(gè)支腳，當(dāng)與60V電源連接時(shí)，達(dá)到約1200°C 的溫度。
實(shí)施例3:點(diǎn)火器的制作
將用于形成電阻組合物(15體積％的MoSi2、 20體積％的SiC和余量的 A1203)和絕緣組合物(20體積％的SiC和80體積％的A1203)的混合的陶瓷粉 末分別與約16重量％的水和約5重量％的甲基纖維素(Clariant公司產(chǎn)品)混 合，形成二種陶瓷糊漿。將該二種糊漿加載到組裝的雙活塞式擠出機(jī)的料斗中， 供料給一個(gè)雙層共擠出用模具。使絕緣性糊漿形成內(nèi)芯，使電阻糊漿形成約0.015 英寸厚的皮層。共擠出的桿狀物的外直徑約為0.25英寸。然后在約65°C將桿狀 物固化，除去水分，切割成1.25英寸的長度。將試樣去粘合劑并致密化。將致 密化的部件用噴砂清理法進(jìn)行清洗。在相反兩側(cè)開槽至離末端1/S英寸處，形成 電路。
上面對本發(fā)明具體實(shí)施方式
進(jìn)行了詳細(xì)的描述。但應(yīng)該理解，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以在考慮了本文內(nèi)容之后，在不偏離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下對本 發(fā)明進(jìn)行變更和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種制造電阻型點(diǎn)火器的方法，它包括擠出陶瓷元件的步驟。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述陶瓷元件包含電阻率不同 的二個(gè)或多個(gè)區(qū)域。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述陶瓷元件在其橫截面上具 有電阻率不同的區(qū)域。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，它還包括除去第一電阻區(qū)的至少一部分，露 出電阻率不同的第二電阻區(qū)。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一電阻區(qū)的電阻率低于 第二電阻區(qū)的電阻率。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，它還包括將一種或多種陶瓷組合物施加到陶 瓷元件的至少一部分上。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在陶瓷元件上施加導(dǎo)電性陶瓷 組合物。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在陶瓷元件上施加至少兩種電 阻率不同的陶瓷組合物。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，它還包括將擠出的陶瓷元件致密化。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，除去點(diǎn)火器內(nèi)部的一部分。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成一種板狀陶瓷元件，并 切割該板狀陶瓷元件，形成多個(gè)點(diǎn)火器元件。
12. —種陶瓷點(diǎn)火器元件，它是通過將陶瓷元件擠出而得到的。
13. 如權(quán)利要求12所述的陶瓷點(diǎn)火器元件，其特征在于，所述元件包含兩個(gè)或多個(gè)電阻率不同的區(qū)域。
14. 如權(quán)利要求12所述的點(diǎn)火器元件，其特征在于，第一電阻區(qū)的至少一部分被暴露，露出電阻率不同的第二電阻區(qū)。
15. 如權(quán)利要求14所述的點(diǎn)火器元件，其特征在于，所述第一區(qū)的電阻率比第二區(qū)的電阻率低。
16. 如權(quán)利要求12所述的點(diǎn)火器元件，其特征在于，在形成的陶瓷元件的 至少一部分上施加一種或多種陶瓷組合物。
17. 如權(quán)利要求12所述的點(diǎn)火器元件，其特征在于，在點(diǎn)火器的至少一部 分長度上所述點(diǎn)火器元件具有基本上為圓形的橫截面。
18. 如權(quán)利要求12所述的點(diǎn)火器元件，其特征在于，所述點(diǎn)火器元件的橫 截面是非圓盤形的。
19. 一種氣體燃料的點(diǎn)火方法，它包括在權(quán)利要求12—18中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器上通電流。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述電流的額定電壓為6、 8、 10、 12、 24、 120、 220、 230或240V。
21. —種加熱裝置，它包含權(quán)利要求11一18中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器。
全文摘要
提供新的制造陶瓷電阻點(diǎn)火器元件(10)的方法。這些方法包括將形成的元件的一層或多層(12，14，16)共擠出。還提供可用本發(fā)明制作方法得到的陶瓷點(diǎn)火器。
文檔編號(hào)F23Q7/00GK101115956SQ200580037199
公開日2008年1月30日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者C·A·維勒肯斯, N·P·阿爾賽諾, S·安娜瓦拉普, T·J·謝里丹 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司