專利名稱：陶瓷加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在一方面，本發(fā)明提供一種制作陶瓷加熱元件的新方法，其包括 實質(zhì)上無壓燒結(jié)成型壞體點火元件。本發(fā)明還提供一種點火元件，其 包括由本發(fā)明制造方法制得的該等元件。
背景技術(shù)：
陶瓷材料用于點火器(如天然氣點火熔爐、火爐和干衣機等)的效果 非常好。陶瓷點火器制造過程包括由陶瓷成分構(gòu)成電路，該陶瓷成分 的一部分具有高電阻，并且其溫度在導(dǎo)線對其通電時會升高。如美國 專利第6,582,629; 6,278,087; 6,028,292; 5,801,361; 5,786,565; 5,405,237; 和5，191，508號所示。
典型的點火器通常是矩形元件，其頂端是高電阻"熱區(qū)"，底端 是一個或多個與熱區(qū)相對應(yīng)的導(dǎo)電"冷區(qū)"。目前可用的一種點火器 是Mini-Igniter ，其可購自Milord，N.H.的Norton Igniter Products,其 被設(shè)計成用在12伏(volt)至120伏的應(yīng)用，其組成包括氮化鋁("A1N")、 二硅化鉬("MoSi2")及碳化硅("SiC")。
點火器制造方法包括間歇式處理，其中，模具上載有具至少兩種 不同電阻率的陶瓷組成物。然后，將成型壞體元件在高溫和高壓下壓 實(燒結(jié))。如上述專利及美國專利第6,184,497號所示。
雖然該制造方法可有效地制造陶瓷點火器，但其對產(chǎn)量和成本效 率有固有的限制。
因此，希望有新的加熱元件系統(tǒng)。尤其希望有制造陶瓷加熱元件 的新方法。亦希望有更有效的制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
4在一方面，本發(fā)明提供一種新的陶瓷物件，其由一種或多種平均
粒徑為約2.5微米(micron)或更小的陶瓷粉末所形成。
我們發(fā)現(xiàn)由這些小粒徑陶瓷材料制成的陶瓷物件可在明顯更溫和 的條件下，包括在低于先前制程的壓力下壓實。
另一方面，本發(fā)明提供一種陶瓷物件，其通過以多級升壓處理壞 體階段陶瓷物件而制得。優(yōu)選地為陶瓷物件先在第一壓力下處理，再 在高于第一壓力的第二壓力下處理。優(yōu)選使用氣壓燒結(jié)法進行多級壓 力壓實。
我們發(fā)現(xiàn)多級壓力處理可在相當(dāng)溫和的條件下制得高密實度陶瓷 物件(例如密實度至少達到96%、 97%、 98%或99%)。例如，第一壓力 處理可適宜為1000英鎊/平方英寸(psi)或500英鎊/平方英寸或更小， 第二壓力處理可適宜為4000英鎊/平方英寸或更小。顯著較低的壓力也 產(chǎn)生高密實度物件，例如第一壓力為約200英鎊/平方英寸或更小、或 150英鎊/平方英寸或更小，第二壓力處理為約3000英鎊/平方英寸或更 小、2000英鎊/平方英寸或更小、或1500英鎊/平方英寸或更小。
在本發(fā)明特別優(yōu)選的方面，陶瓷組成物包含一種或多種金屬氧化 物(如氧化鋁)。一種或多種金屬氧化物優(yōu)選地具有此處揭示的小平均粒 徑。包含氧化鋁的陶瓷組成物特別優(yōu)選地具有此處揭示的小平均粒徑， 如2.5微米或更小、2微米或更小、1.5微米或更小、或l微米或更小。
在本發(fā)明另一方面，陶瓷組成物的壓實在所謂的燒結(jié)助劑不存在 下進行。燒結(jié)助劑添加劑包括稀土氧化物，如釔土(氧化釔)、釓材料(如 氧化釓或Gd203)、銪材料(如氧化銪或Eu203)、鐿材料(如氧化鐿或 Yb203)或鑭材料(如鑭或La203)。
本發(fā)明特別優(yōu)選的制造方法包括形成包含如前所述的一種或多種 小粒徑陶瓷材料的陶瓷點火元件，再經(jīng)由如前所述的兩級升壓處理進 行硬化。硬化適宜在高溫下進行，如高于140(TC，更典型為高于1600 °C，如至少170(TC或1800°C。燒結(jié)優(yōu)選地在惰性環(huán)境(如氬氣或氮氣之 惰性氣體環(huán)境)中進行。
硬化處理優(yōu)選地制得密實度為至少95%的陶瓷元件，更優(yōu)選為密 實度為至少96%、 97%、 98%或99%的陶瓷元件。包括前述高溫的硬化 過程將進行足夠長的時間，其可為數(shù)個小時或更長的時間，以達到該密實度。
特定陶瓷組成物和成型壞體陶瓷元件的方法可用于促進在實質(zhì)上 非高壓下制造高密實度陶瓷元件。
更具體地，用于形成陶瓷元件的優(yōu)選陶瓷組成物可至少實質(zhì)上不 含或完全不含碳化硅或其他碳化物材料。如此處所提及，若陶瓷組成 物含有以陶瓷組成物總體積為基準計少于io體積％的碳化硅或其他碳
化物材料，更典型為以陶瓷組成物總體積為基準計少于約9、 8、 7、 6、 5、 4、 3、 2、 1或0.5體積％的碳化硅或其他碳化物材料，則認為該陶 瓷組成物至少實質(zhì)上不含碳化硅或其他碳化物材料。
對于燒結(jié)包含氧化鋁的陶瓷元件，優(yōu)選地在至少實質(zhì)上不含氮氣 (例如，以空氣總體積為基準計，少于5體積％的氮氣)或更優(yōu)選為至少 基本上不含氮氣(例如，以空氣總體積為基準計，少于2或1體積％的
氮氣)或更優(yōu)選為完全不含氮氣的空氣中進行該元件的燒結(jié)。例如，可 在氬氣環(huán)境中進行燒結(jié)。
對于燒結(jié)包含氮化鋁的陶瓷元件，優(yōu)選地在含有至少若干氮氣， 例如含有至少5體積％的氮氣(即以空氣總體積為基準計，至少5體積 %的氮氣)或者含有更高含量如至少約10體積％的氮氣(即以空氣總體 積為基準計，至少10體積％的氮氣)的空氣中進行該元件的燒結(jié)。
亦優(yōu)選為使用注塑壓模制程形成陶瓷元件。通常此處所提及的術(shù) 語"注塑壓模"或"注塑壓模制程"或其他相似術(shù)語是指將一種材料(此 處是指陶瓷或陶瓷先驅(qū)體材料)通常于壓力下注射或壓入模具中而成所 欲形狀的陶瓷元件，然后冷卻，再取出保持模具的復(fù)制品形式的固化 元件的一般制程。
本發(fā)明注塑壓模形成加熱元件時，可在模具中壓入陶瓷材料(例如 陶瓷粉末混合物、分散體或其他調(diào)配物)或陶瓷先驅(qū)體材料或組成物。
在合適的制造方法中，可藉由依序注塑壓模具有不同電阻率的陶 瓷材料或陶瓷先驅(qū)體材料而形成具有不同電阻率的區(qū)域(例如導(dǎo)電區(qū)、 絕緣區(qū)或散熱區(qū)、及高電阻"熱"區(qū))的集成點火元件。
因此，舉例來說，基礎(chǔ)元件可藉由將具有第一 電阻率的陶瓷材料(例 如可作為絕緣或散熱區(qū)的陶瓷材料)注射引入限定成所欲基本形狀(如 棒狀)的模具元件中而形成?？蓪⒒A(chǔ)元件從該第一個模具移出而置入與之不同的第二個模具元件中，并可將具有不同電阻率的陶瓷材料(如 導(dǎo)電陶瓷材料)注入第二個模具中以制成點火元件的導(dǎo)電區(qū)。以同樣的 方式，可將基礎(chǔ)元件從第二個模具移出而置入與之不同的第三個模具 元件中，并可將具有不同電阻率的陶瓷材料(如電阻熱區(qū)陶瓷材料)注入 第三個模具中以制成加熱元件的電阻熱區(qū)或點火區(qū)。
在本發(fā)明優(yōu)選的方面，至少將三部分陶瓷加熱元件依單一制造程 序注塑壓模以制造陶瓷組件，即所謂的"多重"注塑壓模制程，其中 以相同的制造程序制得的點火元件，其多個部分具有不同的電阻值(例 如熱或高電阻部分、冷或?qū)щ姴糠帧⒓敖^緣或散熱部分)。在至少某些 具體實施例中，單一制造程序包括依序注塑壓模陶瓷材料，其未將元 件從元件成型區(qū)移出及/或未藉由注塑壓模以外的制程將陶瓷材料沉積 在元組件上。
例如，在一方面，可注塑壓模制第一絕緣(熱分散)部分，然后第二 步可在絕緣部分周圍注塑模制導(dǎo)電腳部分，第三步可通過注塑模制而 將電阻熱區(qū)或點火區(qū)施加到含有絕緣區(qū)或電阻區(qū)的本體上。
在另一實施例中，本發(fā)明提供制造電阻陶瓷加熱元件的方法，其 包括注塑壓模陶瓷元件的一個或多個部分，其中，陶瓷元件包含三個 或更多個具有不同電阻率的區(qū)域。
本發(fā)明的制造方法可包括增添陶瓷材料的額外制程，以制造成型 陶瓷元件。例如，可藉由浸涂、噴涂及類似方法對成型陶瓷元件施加 一層或多層陶瓷層。
本發(fā)明方法制得的優(yōu)選陶瓷元件包括第一導(dǎo)電區(qū)、電阻熱區(qū)及第 二導(dǎo)電區(qū)，所有區(qū)域都按電順序排列。優(yōu)選地，在裝置使用期間，可 通過使用電導(dǎo)線而將電源施加至第一或第二導(dǎo)電區(qū)。
本發(fā)明特別優(yōu)選的加熱元件沿著該加熱元件的至少一部分長度具 有圓形橫截面(例如，從固定在點火器的電導(dǎo)線延伸到電阻熱區(qū)的長 度)。更特別優(yōu)選的陶瓷加熱元件的至少一部分點火器長度，如至少約
10%、 40%、 60%、 80%、 90%的點火器長度或整個點火器長度可具有
實質(zhì)上橢圓形、圓形或其他近圓形橫截面。特別優(yōu)選為實質(zhì)上圓形的 橫截面，其提供棒狀加熱元件。該棒狀構(gòu)型提供較高的剖面模數(shù)(Section Moduli),從而可提高加熱元件的設(shè)備完整性。
7本發(fā)明陶瓷加熱元件可在各種標稱電壓下使用，包括6伏、8伏、
10伏、12伏、24伏、120伏、220伏、230伏和240伏標稱電壓。
本發(fā)明加熱元件可用作多種設(shè)備和加熱系統(tǒng)的點火器。更具體地， 本發(fā)明提供一種包含此處所述的經(jīng)燒結(jié)陶瓷點火元件的加熱系統(tǒng)。具 體加熱系統(tǒng)包括燃氣單元、用于商業(yè)建筑和居住建筑的加熱單元(包括 熱水器)。
此處使用的術(shù)語"陶瓷材料"包括燒結(jié)過程前和燒結(jié)過程后的材 料。例如，氧化鋁、Mo2Si2、 SiC、 A1N和此處提到的其他材料皆視為 陶瓷材料，包括預(yù)燒結(jié)階段的彼等材料。
本發(fā)明的其他方面揭示如下。


圖1A和圖1B分別顯示本發(fā)明加熱元件的俯視圖及仰視圖2A顯示沿圖1A的2A-2A線的剖面圖；及 圖2B顯示沿圖1A的2B-2B線的剖面圖。元件符號說明
10 加熱元件(點火器)
10a 點火器近端
12 散熱或絕緣區(qū)
14， 14A, 14B 導(dǎo)電區(qū)
14a 導(dǎo)電區(qū)14的近端
16 近端部
18 遠端部
20 電阻熱區(qū)(電阻點火區(qū))
具體實施例方式
在第一方面，本發(fā)明提供一種新的陶瓷物件，其由一種或多種平 均粒徑約2.5微米或更小，更優(yōu)選為平均粒徑約2微米或更小，或1.5 微米、1.25微米或1微米或更小的陶瓷粉末制成。通常該陶瓷材料的 平均粒徑至少為約0.2微米、0.3微米、0.4微米或0.5微米。
優(yōu)選的陶瓷組成物中，特定陶瓷材料的至少大部分(例如大于50、60、 70、 80或90重量％)具有此處揭示的小粒徑。更優(yōu)選地，該特定 陶瓷材料的所有部分都具有該小粒徑。例如，如果指定一陶瓷組成物 中包含平均粒徑2微米或更小的氧化鋁，則優(yōu)選地為該陶瓷組成物中 所使用的至少大部分(例如大于50、 60、 70、 80或卯重量％)氧化鋁的 平均粒徑為2微米或更小，更優(yōu)選地為該陶瓷組成物中存在的所有氧 化鋁的平均粒徑為2微米或更小。
此處討論之用于制造本發(fā)明加熱元件的陶瓷組成物可適宜包含兩 種、三種或更多種不同的材料，如A1203、 A1N、 Mo2Si2、 SiC及類似 物。 一種或多種該等不同的材料可適宜具有此處揭示的小平均粒徑。 但是，在某些具體實施例中，并不是所有陶瓷組成物的材料都須具有 該小平均粒徑。在本發(fā)明的此方面中，多材料組成物中至少一種材料 具有該小平均粒徑，但如果需要，多材料組成物中多于一種材料或所 有材料可具有該小平均粒徑。
如上所討論，在某些具體實施例中，特別優(yōu)選地為使用小平均粒 徑的金屬氧化物，如八1203。
不受限于任何理論，咸信使用此較小平均粒徑材料可有助于低壓 燒結(jié)成型壞體階段的加熱元件。
另一方面，如上所討論，本發(fā)明現(xiàn)提供制造陶瓷點火元件的新方 法，其包括在減壓下硬化(壓實)成型壞體陶瓷元件。
在該方面，本發(fā)明提供一種陶瓷物件，其為藉由逐級升壓處理壞 體階段陶瓷物件而制得。陶瓷物件優(yōu)選地在第一壓力下進行處理，再 在高于第一壓力的第二壓力下進行處理。
在至少某些應(yīng)用中，第一壓力和第二壓力處理相差至少500英鎊/ 平方英寸，更優(yōu)選為相差至少1000英鎊/平方英寸、2000英鎊/平方英 寸或2500英鎊/平方英寸。
在至少某些應(yīng)用中，第一壓力處理可適當(dāng)?shù)卦诩s3000英鎊/平方英 寸或更小、2000英鎊/平方英寸或更小、1000英鎊/平方英寸或更小、 500英鎊/平方英寸或更小、或200英鎊/平方英寸或更小，第二壓力處 理可在約6000英鎊/平方英寸或更小、5000英鎊/平方英寸或更小、4000 英鎊/平方英寸或更小、3000英鎊/平方英寸或更小、2000英鎊/平方英 寸或更小、1500英鎊/平方英寸或更小、或1000英鎊/平方英寸或更小。在至少某些應(yīng)用中，第一壓力處理和第二壓力處理各不超過5000 英鎊/平方英寸。
如果第一壓力處理的水平相對于第二壓力處理較低，也可對第一 壓力處理和第二壓力處理使用其他壓力。
再者，不希望受限于任何理論，咸信較低的第一壓力處理可實現(xiàn) 初步壓實，其避免物件中陷入氣體。 一旦通過第一壓力處理而顯著地 將孔隙閉合，升高的第二壓力處理便能達到較高的密實化。
多級壓力密實化優(yōu)選地使用氣壓燒結(jié)進行。可使用商用氣相燒結(jié) 爐。燒結(jié)過程優(yōu)選地在惰性環(huán)境(如氮氣或氬氣環(huán)境)中進行。
如前所討論，在本發(fā)明其他方面中，在所謂的燒結(jié)助劑不存在下 而將陶瓷組成物壓實。
如前所討論，可優(yōu)選使用注塑壓模技術(shù)來形成陶瓷元件。因此， 舉例而言，如前所討論，基礎(chǔ)元件可藉由將具有第一電阻率的陶瓷材 料(例如可作為絕緣或散熱區(qū)的陶瓷材料)注射引入限定成所欲基本形 狀(如棒狀)的模具元件中而形成?？蓪⒒A(chǔ)元件從該第一個模具移出而 置入與之不同的第二個模具元件中，并可將具有不同電阻率的陶瓷材 料(如導(dǎo)電陶瓷材料)注入第二個模具中以制成點火元件的導(dǎo)電區(qū)。以同 樣的方式，可將基礎(chǔ)元件從第二個模具移出而置入與之不同的第三個 模具元件中，并可將具有不同電阻率的陶瓷材料(如電阻熱區(qū)陶瓷材料) 注入第三個模具中以制成加熱元件的電阻熱區(qū)或點火區(qū)。
另一種方法是不使用復(fù)數(shù)種不同的模具元件，而可將具有不同電
阻率的陶瓷材料依序壓入或注入同一模具元件中。例如，可先將預(yù)定
體積的第一種陶瓷材料(如可作為絕緣或散熱區(qū)的陶瓷材料)引入限定
成所欲基本形狀的模具元件中，然后將具有不同電阻率的第二種陶瓷
材料施加到成型的基礎(chǔ)元件。
可將呈含有一種或多種陶瓷材料(如一種或多種陶瓷粉末)的液體
調(diào)配物形式的陶瓷材料壓入(注入)模具元件中。
例如，可制備漿狀或糊狀陶瓷粉末的組成物，例如藉由將一種或 多種陶瓷粉末與水溶液或含有一種或多種可互溶的有機溶劑(如醇類及 類似物)的水溶液混合而制得的糊料。用于擠壓成型的優(yōu)選陶瓷漿狀組
成物可藉由將一種或多種陶瓷粉末(如MoSi2、 A1203、及/或A1N)混合入水，其視需要含有一種或多種有機溶劑(如一種或多種與水互溶的有 機溶劑(如纖維素醚溶劑、醇及類似物))的流體組成物中而制得。陶瓷 漿料也可含有其他材料，如一種或多種有機增塑劑化合物，其視需要 與一種或多種聚合物粘合劑混合。
可使用各種各樣的成型或誘型元件，以具有對應(yīng)于所欲形狀的成 型點火器構(gòu)型的元件來形成點火器元件。例如，可將陶瓷粉末糊料注 入圓柱壓模元件中，以形成棒狀元件。可使用矩形壓模以形成支柱形 或矩形點火器元件。
將陶瓷材料壓入模具元件后，可適當(dāng)?shù)貙⑾薅ǖ奶沾刹糠衷诶?高于5(TC或6(TC干燥足夠長的時間以除去任何溶劑(水性及/或有機)載
以下實施例描述點火器元件的優(yōu)選注塑壓模制程。
請參閱附圖，圖1A和圖1B顯示本發(fā)明適當(dāng)?shù)募訜嵩?0。
如圖1A所示，點火器IO包括中央的散熱或絕緣區(qū)12，該散熱或 絕緣區(qū)12被具有不同電阻率的區(qū)域所包圍，該等區(qū)域即在近端部16 的導(dǎo)電區(qū)14，導(dǎo)電區(qū)14的電阻在點火器近端部18處變得較高，該區(qū) 域的體積相對減小，因此可作為電阻熱區(qū)20。
圖1B顯示具有裸露的散熱區(qū)12的點火器底面。
圖2A和圖2B的剖面圖進一步描繪加熱元件10，其包括在點火器 近端部區(qū)域16的導(dǎo)電區(qū)14A和導(dǎo)電區(qū)14B,以及在點火器遠端部區(qū)域 18的相對應(yīng)高電阻熱區(qū)20。
使用時，可對加熱元件IO供電(例如通過一根或多根電導(dǎo)線傳導(dǎo)， 圖中未顯示)而進入導(dǎo)電區(qū)14A，其通過電阻點火區(qū)20且再通過導(dǎo)電區(qū) 14B而形成電通路。導(dǎo)電區(qū)14的近端14a可例如通過焊接適當(dāng)?shù)毓潭?到電導(dǎo)線(圖中未顯示)，該電導(dǎo)線在使用期間對點火器供電。點火器近 端10a可適當(dāng)?shù)毓潭ǖ礁鞣N裝置內(nèi)，例如美國公開專利申請案第 2003/0080103號中揭露將陶瓷塑料密封劑材料包裹住導(dǎo)電元件近端 14a。同樣也可適當(dāng)?shù)厥褂媒饘傺b置包裹住加熱元件近端。
如前所討論，以圖1A、圖1B、圖2A和圖2B所示的加熱元件10 為例，沿著至少一部分長度的加熱元件，至少大部分長度的點火器具 有圓截面形，如圖lB中的長度x。圖1A、圖1B、圖2A和圖2B所示的點火器10描述一種特別優(yōu)選的構(gòu)型，其中，加熱元件10的大約整 個加熱元件長度具有實質(zhì)上圓截面形，從而形成棒狀加熱元件。但是， 優(yōu)選系統(tǒng)還包括僅僅一部分點火器是圓截面形者，如高達約10、 20、
30、 40、 50、 60、 70、 80或90%長度(以圖1B中的加熱元件長度x為 例)的加熱元件是圓截面形者；在此設(shè)計中，加熱元件長度的其余部分 可呈具有外部邊緣的外觀。
為了特定的應(yīng)用，可視需要制作各種構(gòu)型的加熱元件。因此，舉 例而言， 一個特定構(gòu)型的加熱元件可以藉由在適當(dāng)?shù)恼T型模具元件中 注入陶瓷組成物(如陶瓷糊料)而制得。
本發(fā)明加熱元件的尺寸可有很大的變化，且可依據(jù)加熱元件的預(yù) 定用途而選定。例如，優(yōu)選加熱元件的長度(圖1B中的長度x)可適宜 為約0.5厘米(cm)至約5厘米，更優(yōu)選為約1厘米至約3厘米，加熱元 件的橫截面寬度(圖1B中的長度y)可適宜為約0.2厘米至約3厘米。
相似地，導(dǎo)電區(qū)和熱區(qū)的長度也可適當(dāng)?shù)刈兓＞哂袌D1A所描述 構(gòu)型的加熱元件的第一導(dǎo)電區(qū)的長度(圖1A中近端區(qū)16的長度)優(yōu)選 地可為0.2厘米至2厘米、3厘米、4厘米或5厘米或更長。更典型的 第一導(dǎo)電區(qū)長度為約0.5厘米至約5厘米。熱區(qū)電通路總長度(圖1A中 的長度f)可適宜為約0.2厘米至5厘米或更長。
在優(yōu)選系統(tǒng)中，本發(fā)明加熱元件的熱區(qū)或電阻區(qū)在標稱電壓下加 熱至低于約145(TC的最高溫度；在相當(dāng)于約110%標稱電壓的高端電壓 下加熱至低于約155(TC的最高溫度；在相當(dāng)于約85%標稱電壓的底端 電壓下加熱至低于約1350。C的最高溫度。
可使用各種組成物來制成本發(fā)明加熱元件。通常優(yōu)選的熱區(qū)組成 物包括兩種或更多種以下組分l)導(dǎo)電材料；2)半導(dǎo)體材料；3)絕緣材 料。導(dǎo)電(冷)區(qū)和絕緣(散熱)區(qū)可由相同的組分構(gòu)成，但是這些組分分 別以不同比例存在。典型的導(dǎo)電材料包括如二硅化鉬、二硅化鎢、及 氮化物(如氮化鈦)。典型的絕緣材料包括金屬氧化物(如氧化鋁)或氮化 物(如A1N及/或Si3N4)。
此處提及的術(shù)語"電子絕緣材料"是指在室溫下電阻率至少達到 約101()歐姆 厘米(ohms-cm)的材料。本發(fā)明點火器的電子絕緣材料組 分可僅僅或主要由一種或多種金屬氮化物及/或金屬氧化物所構(gòu)成，或
12者絕緣組分也可含有除金屬氧化物或金屬氮化物以外的材料。例如， 絕緣材料組分可另外含有氮化物(如氮化鋁(A1N)、氮化硅或氮化硼)； 稀土氧化物(如氧化釔)；或稀土氧氮化物。絕緣組分的優(yōu)選外加材料為 氧化鋁(^203)。
此處提及的半導(dǎo)體陶瓷(或半導(dǎo)體)是指室溫下電阻率在約10至108 歐姆 厘米之間的陶瓷。如果半導(dǎo)體組分占熱區(qū)組成物的多于約45體 積％&/0)(導(dǎo)電陶瓷的體積百分比在約6至10%的范圍內(nèi))，則所得組成 物的導(dǎo)電性對于高壓應(yīng)用而言會變得太強(由于缺少絕緣體)。相反地， 如果半導(dǎo)體材料占熱區(qū)組成物的少于約10體積％(導(dǎo)電陶瓷的體積百 分比在約6至10%的范圍內(nèi))，則所得組成物的電阻率會變得太大(由于 太多絕緣體)。再者，對于級別更高的導(dǎo)體，可能需要更多的絕緣體和 半導(dǎo)體部分的電阻性混合物來達到理想電壓。
此處提及的導(dǎo)體材料是指一種在室溫下的電阻率低于約10—2歐 姆 厘米的材料。如果導(dǎo)電組分的量占熱區(qū)組成物的高于35體積％， 則所得陶瓷的導(dǎo)電性會變得太強。導(dǎo)體通常選自由二硅化鉬、二硅化 鎢、氮化物(如氮化鈦)及碳化物(如碳化鈦)組成的群組。通常優(yōu)選為二 硅化鉬。
通常，優(yōu)選熱(電阻)區(qū)組成物包括a)約50至約80體積％的具有至 少約1010歐姆 厘米電阻率的電子絕緣材料；b)約0 (此時未使用半導(dǎo) 體材料)至約45體積％的具有約10至約108歐姆 厘米電阻率的半導(dǎo) 體材料；c)約5至約35體積％的具有低于約10—2歐姆 厘米電阻率的 金屬導(dǎo)體。
如前所討論，本發(fā)明加熱元件含有與熱(電阻)區(qū)電性連接的電阻率 較低的冷區(qū)，且其使得導(dǎo)線可接到點火器。優(yōu)選冷區(qū)包括彼等由例如 A1N及/或八1203或其他絕緣材料；視需要的半導(dǎo)體材料；以及MoSi2 或其他導(dǎo)電材料所構(gòu)成者。但是，相較于熱區(qū)，冷區(qū)具有顯著較高比 例的導(dǎo)電材料(如MoSi2)。優(yōu)選冷區(qū)組成物包括約15至65體積°/。的氧 化鋁、氮化鋁或其他絕緣材料；以及約20至70體積％的MoSi2或其他 導(dǎo)電材料及半導(dǎo)體材料，上述兩組分的體積比為約1 : 1至約1 : 3。為 易于制造，冷區(qū)組成物優(yōu)選地由與熱區(qū)組成物相同的材料所形成，但 半導(dǎo)體材料和導(dǎo)電材料的相對用量較大。雖然本發(fā)明特別優(yōu)選的加熱元件不具有如前所討論的與第一導(dǎo)電 區(qū)至少大部分長度接觸的陶瓷絕緣體，但是在至少某些應(yīng)用中，本發(fā) 明加熱元件可適當(dāng)?shù)匕ǚ菍?dǎo)電(絕緣或散熱)區(qū)。
若使用時，該散熱區(qū)可與導(dǎo)電區(qū)、或熱區(qū)、或?qū)щ妳^(qū)及熱區(qū)兩者
配對。優(yōu)選地，經(jīng)燒結(jié)絕緣區(qū)在室溫下的電阻率至少為約1014歐姆*厘
米，在操作溫度下的電阻率至少為約104歐姆*厘米，其強度為至少 150MPa。優(yōu)選地，絕緣區(qū)在操作(點火)溫度下的電阻率比熱區(qū)電阻率 至少高2個數(shù)量級。適當(dāng)?shù)慕^緣組成物包括至少約90體積％的一種或 多種氮化鋁、氧化鋁及氮化硼。
以下實施例揭示優(yōu)選的加熱元件陶瓷材料。
本發(fā)明加熱元件可用于多種應(yīng)用裝置，包括氣相燃料點火應(yīng)用裝 置，如熔爐和烹飪器具、墻式烘爐、鍋爐和頂燃式火爐。本發(fā)明加熱 元件尤其可作為用于頂燃式氣體燃燒器和燃氣爐的點火源。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選方面中，可將本發(fā)明的加熱元件設(shè)計成及/或 用作電阻點火器元件，該元件與為人所熟知的電熱塞(glowplug)加熱元 件是不同的。除此之外，使用頻繁的電熱塞通常加熱至相對較低的溫 度，如最高溫度為約800°C、 90(TC或IOO(TC，因此只加熱一定量的空 氣而不是直接點燃燃料，而本發(fā)明優(yōu)選的點火器可提供例如至少為約 120(TC、 130(TC或140(TC的最高溫度，以直接點燃燃料。本發(fā)明優(yōu)選 的點火器也不需如同通常使用電熱塞系統(tǒng)一樣對該元件或其至少一部 分進行氣密密封以提供氣體燃燒室。更進一步地，本發(fā)明許多優(yōu)選的 點火器可在較高線電壓(linevohage)使用，例如超過24伏的線電壓，如 60伏或更高、或120伏或更高的線電壓，包括220伏、230伏和240 伏，而電熱塞通常只能在12伏至24伏的電壓下使用。
本發(fā)明加熱元件亦特別適用于依靠液體(濕)燃料(如煤油、汽油)揮 發(fā)點火的點火方式，如用于對車輛(如汽車)先進加熱的車輛加熱器。
在其他優(yōu)選方面，加熱元件適當(dāng)?shù)赜米麟姛崛缬米鳈C動車的 點火源。
加熱元件適用于其他特定應(yīng)用裝置，包括用作紅外線加熱器的加 熱元件。
以下列舉非限制性的實施例說明本發(fā)明。此處提及的所有文獻的
14全部內(nèi)容皆并入此處作為參考。 實施例l:點火器的制作
將以下材料混合以提供用于經(jīng)由注塑壓模制作加熱元件的導(dǎo)電組
成物30體積Q/。的MoSi2、 7體積。/。的SiC和63體積Q/。的A1203，以陶 瓷材料的重量為基準計為2至3重量％的聚乙烯醇和0.3重量％的甘油。
將以下材料混合以提供用于經(jīng)由注塑壓模制作加熱元件的絕緣組 成物10體積。/。的MoSi2、卯體積％的八1203，以陶瓷材料的重量為基 準計為2至3重量％的聚乙烯醇和0.3重量％的甘油。
將以下材料混合以提供用于經(jīng)由注塑壓模制作加熱元件的電阻熱 區(qū)組成物25體積。/。的MoSi2、 5體積。/。的SiC和70體積Q/。的Al203， 以陶瓷材料的重量為基準計為2至3重量％的聚乙烯醇和0.3重量％的 甘油。
三種組成物各者中，八1203的平均粒徑為1.7微米。組成物中不含 燒結(jié)助劑，如氧化釔或其他此等材料。
將上述三種具有不同電阻率的組成物分別裝入共注塑模具的個別 槽中。第一次注射時，將半圓柱形的空穴以絕緣糊料填滿，使絕緣糊 料從空穴擠壓成型，制得圖1所示的具有一般構(gòu)型內(nèi)部絕緣區(qū)的棒狀 點火器元件。從第一個空穴中取出該部件，將其置入第二個空穴中， 第二次注射時以導(dǎo)電糊料填滿由第一次注射成型的部件以及第二個空 穴壁芯所限定的體積。再從第二個空穴中取出該部件，將其置入第三 個空穴中，第三次注射時以電阻(熱區(qū))糊料填滿該部件的頂部。然后于 室溫將如此所模制得的棒狀部件在有機溶劑中部分地去除粘結(jié)劑，將 所添加的10至16重量％溶去其10重量。/。。然后在流動的惰性氣體(N2) 中，將該部件于300至50(TC加熱去除粘結(jié)劑60小時，以除去殘留的
' 經(jīng)去除粘結(jié)劑的棒狀部件經(jīng)由使用氣相燒結(jié)的二階制程進行壓 實。因此，將棒狀部件置于氣相燒結(jié)爐中，爐中充滿氬氣，氣壓為150 英鎊/平方英寸。爐溫維持在1725。C約1.5小時。然后將該爐冷卻至室 溫，再升高壓力至3000英鎊/平方英寸，溫度維持在1725"C約2小時。 然后將該爐冷卻至室溫。處理后的棒狀部件的密實度高于98%。將密 實的元件與24伏的電源相連，熱區(qū)便達到約130(TC的溫度。本發(fā)明已參照其特定具體實施例予以詳細說明。但是應(yīng)了解，所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可由本說明書所揭示之內(nèi)容而在本發(fā)明的精神及范 疇之內(nèi)進行修飾與改進。
權(quán)利要求
1、一種電阻陶瓷加熱元件，包含在燒結(jié)之前，一種或多種平均粒徑為2.5微米或更小的陶瓷材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中，該加熱元件在燒結(jié)之 前包含一種或多種平均粒徑為2.5微米或更小的金屬氧化物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱元件，其中，該加熱元件在燒 結(jié)之前包含平均粒徑為2.5微米或更小的氧化鋁。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中，該一種或多種陶瓷材 料的平均粒徑為2微米或更小。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中，該一種或多種陶瓷材 料的平均粒徑為1.5微米或更小。
6、 一種制造電阻加熱元件的方法，包括 在第一壓力下處理陶瓷組成物；然后在高于該第一壓力的第二壓力下處理該陶瓷組成物，以壓實該陶 瓷組成物。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在該第一壓力下進行處理 之前，該陶瓷組成物包含一種或多種平均粒徑為2.5微米或更小的陶瓷 材料。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在該第一壓力下進行處理 之前，該陶瓷組成物包含一種或多種平均粒徑為2.5微米或更小的金屬 氧化物。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在該第一壓力下進行處理 之前，該陶瓷組成物包含平均粒徑為2.5微米或更小的氧化鋁。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該第一壓力和第二壓力 相差至少1000英鎊/平方英寸。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該第二壓力為約5000英 鎊/平方英寸或更小。
12、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該第一壓力為約1000英 鎊/平方英寸或更小。
13、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該第一壓力為約250英 鎊/平方英寸或更小。
14、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該第一壓力和第二壓力 應(yīng)用于氣相燒結(jié)過程。
15、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該陶瓷點火元件由具有 少于10體積％碳化硅的組成物所形成。
16、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該陶瓷點火元件包含兩 種或多種電阻率不同的區(qū)域。
17、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該陶瓷點火元件包含三 種或多種電阻率不同的區(qū)域。
18、 一種陶瓷點火元件，由權(quán)利要求6所述的方法制得。
19、 一種點燃氣體燃料的方法，包括在權(quán)利要求18所述的點火器 中通入電流。
20、 一種加熱裝置，包括權(quán)利要求18所述的點火器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作陶瓷電阻點火元件的新方法，其包括在實質(zhì)上非高壓下燒結(jié)元件。本發(fā)明還提供一種由本發(fā)明制造方法制得的陶瓷點火器。
文檔編號F23Q7/22GK101484755SQ200780025265
公開日2009年7月15日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月4日
發(fā)明者S·安納瓦雷普, 余泰桓 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司