專利名稱：新穎的陶瓷點(diǎn)火器及其使用方法
背景技術(shù)：
陶瓷材料的點(diǎn)火器已在煤氣爐、取暖器和衣物烘干機(jī)領(lǐng)域取得很大成功。陶瓷點(diǎn)火器通常為U型，包括導(dǎo)電的末端部分和高電阻的中段部分。當(dāng)點(diǎn)火器的末端與通電的導(dǎo)線連接時(shí)，高電阻部分(即“加熱區(qū)”)溫度升高。
新罕布什爾州Milford市Norton公司生產(chǎn)的一種常規(guī)點(diǎn)火器Mini-IgniterTM，其設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍在8-48V之間，加熱區(qū)組合物包含氮化鋁(“AlN”)、二硅化鉬(“MoSi2”)和碳化硅(“SiC”)，加熱區(qū)橫截面為0.060英寸×0.030英寸。隨著Mini-IgniterTM魅力的增大，要求小型的額定電壓在通常的24V以上的點(diǎn)火器的應(yīng)用的數(shù)量也隨之增加。然而，當(dāng)在這些應(yīng)用中使用時(shí)，24V Mini-IgniterTM常面臨溫度失控，從而需要在控制系統(tǒng)中有一個(gè)變壓器以從通常的線路電壓(即120V)降低。因此，需要這樣一種點(diǎn)火器其額定應(yīng)用范圍高達(dá)約240V，不需要昂貴的變壓器但仍具有設(shè)備和加熱工業(yè)規(guī)定的以下要求，以預(yù)料線路電壓的變化達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的時(shí)間＜5秒在85％的設(shè)計(jì)電壓的最低溫度1100℃在100％的設(shè)計(jì)電壓的設(shè)計(jì)溫度 1350℃在110％的設(shè)計(jì)電壓的最高溫度 1500℃加熱區(qū)長(zhǎng)度＜1.5英寸功率(W) 65-100由于用于這些高電壓應(yīng)用的電流強(qiáng)度可能與在24V應(yīng)用中使用的電流強(qiáng)度(即，約1.0A)相當(dāng)，因此，在增壓下運(yùn)行的能力將可能通過增加點(diǎn)火器的電阻來提供。
由于Mini-IgniterTM的加熱區(qū)含高電阻材料(AlN)、中等電阻材料(SiC)和高導(dǎo)電材料(MoSi2)，增加加熱區(qū)電阻率的一個(gè)顯而易見的方法是降低其MoSi2和SiC含量，同時(shí)加入AlN。為此，新鮮配制含約76體積％AlN、9體積％MoSi2和15體積％SiC的試驗(yàn)組合物并在較高溫度(即，約1815℃)焙燒(hipped)。但發(fā)現(xiàn)所得陶瓷不合乎要求，它不僅達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的所需的時(shí)間長(zhǎng)，而且焙燒溫度較高，則產(chǎn)生的顆粒也較粗，從而使組合物產(chǎn)生顯著負(fù)溫度系數(shù)的電阻率(“NTCR”)，導(dǎo)致僅在約1350℃以上即出現(xiàn)溫度失控。NTCR是指當(dāng)點(diǎn)火器溫度增加時(shí)，其電阻減小。該減小會(huì)使點(diǎn)火器比其電阻穩(wěn)定時(shí)更熱。若NTCR過度大，則點(diǎn)火器發(fā)熱慢，當(dāng)達(dá)到85％的額定電壓時(shí)比較冷，而當(dāng)達(dá)到110％的額定電壓時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定。實(shí)際上，這些的點(diǎn)火器可能在未達(dá)到110％額定電壓時(shí)即已失控，在這種情況下，即使電壓恒定，電流強(qiáng)度和溫度也繼續(xù)上升，直至出現(xiàn)故障(燒壞)。因此寧愿點(diǎn)火器具有正溫度系數(shù)電阻(“PTCR”)或僅中等的NTCR。具有PTCR的陶瓷在其溫度從1000℃升至1350℃時(shí)電阻率增加，而具有中等NTCR的陶瓷在其溫度從1000℃升至1350℃時(shí)電阻率下降不到25％。PTCR或中等的NTCR會(huì)容許溫度隨著電壓的增加而逐步上升，這對(duì)高電壓應(yīng)用是很重要的，如上所述，因?yàn)辄c(diǎn)火器必須在較寬的電壓范圍內(nèi)工作。
美國專利No.5,085,804(“Washburn氏專利”或“Washburn氏”)與姐妹篇的美國專利No.5,405,237一起公開了適合用作陶瓷點(diǎn)火器加熱區(qū)的組合物，該組合物包含(a)5-50體積％MoSi2、和(b)50-95體積％的選自碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、鋁酸鎂、氧氮化硅鋁和它們的混合物的物質(zhì)。雖然Washburn氏專利公開了一種加熱區(qū)橫截面為0.06英寸×0.024英寸、由50體積％AlN、42.2體積％SiC和7.8體積％MoSi2制成的220V點(diǎn)火器，但其加熱區(qū)的低MoSi2含量不僅顯著地限制了其達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的速度，而且產(chǎn)生顯著的NTCR，使該點(diǎn)火器在253V(230V額定電壓的110％)不穩(wěn)定。
因此，需要一種用于具有上述高電壓性能要求的陶瓷點(diǎn)火器的材料。
發(fā)明概述本發(fā)明提供具有以下部分的陶瓷點(diǎn)火器(ⅰ)一對(duì)導(dǎo)電端、和(ⅱ)位于二個(gè)冷端之間的加熱區(qū)，該加熱區(qū)含(a)約50-80體積％的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料、(b)約10-45體積％的選自碳化硅、碳化硼和它們的混合物的半導(dǎo)體材料、和(c)約5-25體積％的選自二硅化鉬、二硅化鎢、碳化鎢、氮化鈦和它們的混合物的金屬導(dǎo)體，其中，至少一部分加熱區(qū)的厚度不超過0.019英寸。較好的是，點(diǎn)火器還具有加熱區(qū)位于其上的支承體，該支承體的厚度應(yīng)符合以下要求其與加熱區(qū)的厚度之和至少為0.020英寸。
本發(fā)明還提供一種加熱方法，它包括以下步驟a)提供具有以下部分的點(diǎn)火器(ⅰ)一對(duì)導(dǎo)電端、和(ⅱ)位于二個(gè)導(dǎo)電端之間的加熱區(qū)，該加熱區(qū)含
(a)約50-80體積％的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料、(b)約10-45體積％的選自碳化硅、碳化硼和它們的混合物的半導(dǎo)體材料、和(c)約9-14體積％的選自二硅化鉬、二硅化鎢、氮化鈦和它們的混合物的金屬導(dǎo)體，其中，至少一部分加熱區(qū)的橫截面為0.00015-0.00090平方英寸。
b)在點(diǎn)火器的二個(gè)導(dǎo)電端之間施加200-240V電壓，使加熱區(qū)在5秒鐘以內(nèi)加熱至約1350℃，同時(shí)當(dāng)加熱區(qū)溫度從1000℃升至1350℃時(shí)避免加熱區(qū)的電阻率下降25％以上。


圖1和圖2分別是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的正視圖和透視圖。
圖3是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的分解圖。
圖4是比較例1和實(shí)施例1的電阻和溫度函數(shù)的電氣性能比較。發(fā)明的描述業(yè)已意外地發(fā)現(xiàn)，在通常的Washburn氏點(diǎn)火器的加熱區(qū)中加入支承體可為加熱區(qū)提供足夠的結(jié)構(gòu)支承，令其厚度安全地減小，從而使加熱區(qū)產(chǎn)生滿足220-240V額定應(yīng)用要求的電氣特性。因此，已發(fā)現(xiàn)較窄的組合物/橫截面范圍(window)，該范圍的組合物/橫截面可提供高電壓點(diǎn)火器所要求的速度、電阻和結(jié)構(gòu)整體性。
根據(jù)Washburn氏專利是無法預(yù)料到本發(fā)明的產(chǎn)品的。雖然Washburn氏講述了加熱區(qū)的實(shí)際下限為0.020英寸，但本發(fā)明產(chǎn)品的厚度低于此下限。
本發(fā)明的使用方法也是無法根據(jù)Washburn氏專利而能預(yù)料到的。Washburn氏指出，“(b)由于(Washburn氏的組合物)的電阻率可在數(shù)個(gè)量級(jí)上變化，因此，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成適合應(yīng)用而不必顧慮材料的電氣特性………”(參見Washburn氏專利第7欄第50-52行)。因此，Washburn氏指出，組合物(不是橫截面)應(yīng)進(jìn)行變化以產(chǎn)生高電壓點(diǎn)火器所需的電氣特性。沒有關(guān)于較薄的加熱區(qū)(即，橫截面為0.00015-0.00090平方英寸)與Washburn氏組合物的范圍結(jié)合可得到所需的高電壓特性的提示。實(shí)際上，Washburn氏在建議部分(參見第8欄第3-6行)和實(shí)施例部分(參見第7欄第41、59和64行；第10欄第61行和第12欄第3行)指出了較厚形狀的需要性。與之相比，本發(fā)明主要通過使用接近或低于Washburn氏實(shí)際下限的加熱區(qū)橫截面而達(dá)到高壓性能要求。而且，Washburn氏的220V點(diǎn)火器的組分變化導(dǎo)致了不合要求的低速度，而在本發(fā)明之前在本領(lǐng)域尚無僅提高電阻(例如，通過使用較薄的加熱區(qū))可產(chǎn)生具有合乎要求的速度的高壓點(diǎn)火器的提示。在其他具有薄的加熱區(qū)橫截面的陶瓷點(diǎn)火器的公開中(例如，美國專利No.4,804,823)，并未提示它們適合在200-240V應(yīng)用。
如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的點(diǎn)火器為發(fā)夾型，包含二根與橋11電連接的分支10，其中，二個(gè)分支均具有里層部分12、中間部分13和外層部分14，并以相同方向從橋延伸，中間部分13與橋電連接，為加熱區(qū)組合物，里層部分和外層部分為支承體。
如圖2所示，該設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)選的點(diǎn)火器具有一對(duì)導(dǎo)電端32和33，用于與電線、加熱區(qū)34、35和36以及電絕緣的支承體部分37、38和39連接。當(dāng)成對(duì)的電線與各導(dǎo)電端連接且在上面施加電壓時(shí)，電流從第一根導(dǎo)線通過第一導(dǎo)電端32依次經(jīng)過各加熱區(qū)34-36(從而使加熱區(qū)溫度上升)，并最終通過第二導(dǎo)電端33，在那里，電流流出至第二導(dǎo)線。
具有較薄橫截面的加熱區(qū)部分(例如圖2的加熱區(qū)34和36)的厚度約為0.005-0.030英寸，較好的約為0.010-0.019英寸。其寬度一般為0.020-0.050英寸，較好的為0.025-0.030英寸，更好的是約為0.030英寸。在一個(gè)使用二分支式發(fā)夾型設(shè)計(jì)的優(yōu)選實(shí)施方式中，加熱區(qū)位于各分支內(nèi)，通常每分支內(nèi)長(zhǎng)度約為0.5-1.2英寸，較好的約為0.75-1.0英寸；寬度約為0.020-0.050英寸，最好深度約為0.030英寸。對(duì)高電壓應(yīng)用(例如，在200-240V，更通常的在220-240V之間)而言，這些加熱區(qū)通常其橫截面均為0.00015-0.00090平方英寸，較好的為0.00030-0.00057平方英寸，更好的為0.00045-0.00051平方英寸。
雖然圖2所示的部分34、35和36均作為電阻性的進(jìn)行了描述，但應(yīng)清楚，這些部分中只需有一個(gè)是具有要求的橫截面的電阻部分。例如，在一些實(shí)施方式中，部分35(也稱為“橋”)可具有與導(dǎo)電端32和33相同的組成，令橋35起火焰探測(cè)器的作用。在其他實(shí)施方式中，橋35是電阻性相似或更大的材料，它有助于控制點(diǎn)火器的溫度特性。
加熱區(qū)34-36提供功能性加熱以用于氣體點(diǎn)火。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用其說明書全文在此處引作參考的美國專利No.5,045,237中公開的氮化鋁、二硅化鉬和碳化硅的組分百分比。如在Washburn氏專利中所指出的，AlN-SiC-MoSi2系是具有彈性的系，它可產(chǎn)生電阻率約為0.001-100歐姆-cm的點(diǎn)火器。這些加熱區(qū)的電阻率在1000-1500℃的溫度范圍內(nèi)一般約為0.04-100歐姆-cm，較好的為0.2-100歐姆-cm。在包括200-240V的應(yīng)用中，加熱區(qū)最好包含約50-80體積％的氮化鋁、約9-14體積％的MoSi2和10-45體積％的SiC，其橫截面約為0.00015-0.00090平方英寸。更好的是，它包含約60-70體積％的氮化鋁、約10-12體積％的MoSi2和20-25體積％的SiC，其橫截面約為0.00030-0.00057平方英寸。最好的是，它包含約64體積％的氮化鋁、11體積％的MoSi2和25體積％的SiC，其橫截面約為0.00045-0.00051平方英寸。當(dāng)在較低的電壓應(yīng)用中使用這些加熱區(qū)時(shí)，它們的性能均合乎要求。然而，二硅化鉬含量為13-14體積％、橫截面為0.00021-0.00042平方英寸的加熱區(qū)在僅100V即達(dá)到1350 C，因此，在230V會(huì)燒壞；二硅化鉬含量為9體積％、橫截面為0.00060平方英寸的加熱區(qū)在230V不能達(dá)到1000 C；二硅化鉬含量為11-12體積％、橫截面為0.00045-0.00051平方英寸的加熱區(qū)顯示良好的230V性能。
致密的加熱區(qū)中的起始粉末和顆粒的粒徑最好與Washburn氏專利中所述的那些相似。在一些實(shí)施方式中，致密體中加熱區(qū)各組分的平均粒徑(d50)如下a)電絕緣材料(即AlN)約為2-10微米；b)半導(dǎo)體材料(即SiC)約為1-10微米；c)金屬導(dǎo)體(即MoSi2)約為1-10微米。
導(dǎo)電端32和33考慮到了引線的連接。較好的是，它們也由AlN、SiC和MoSi2組成。然而，它們的導(dǎo)電性和半導(dǎo)電性材料(即SiC和MoSi2)含量顯著高于加熱區(qū)。因此，其電阻率通常僅約為加熱區(qū)的1/5至1/20，溫度不會(huì)升至加熱區(qū)所經(jīng)歷的水平。較好的是，它們由約20-65體積％氮化鋁、以及20-70體積％的體積比約為1∶1至1∶3的MoSi2和SiC組成。更好的是，導(dǎo)電端包含約60體積％AlN、20體積％SiC和20體積％MoSi2。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，導(dǎo)電端32和33的大小為0.50英寸(單根分支長(zhǎng)度)×0.030英寸(寬度)×0.030英寸(厚度)。
支承體37-39的功能是為電阻部分34-36提供機(jī)械支承。支承較薄加熱區(qū)的支承體37和39的長(zhǎng)度和寬度通常與加熱區(qū)部分34和36相似，其厚度為0.015-0.020英寸，這樣，加熱區(qū)和其支承體的總厚度為0.020-0.050英寸。支承體最好由電阻率至少為108歐姆、強(qiáng)度至少為約150MPa的電絕緣性陶瓷制成。用于支承體的合適的組合物包括含至少90體積％的氮化鋁、氮化硼和氮化硅中的一種的組合物。當(dāng)使用支承體時(shí)，必須注意使支承體與鄰接的加熱區(qū)的熱膨脹和致密化速率匹配。例如，發(fā)現(xiàn)在通常的Washburn氏加熱區(qū)上裝配由91體積％氮化鋁、6體積％三氧化二釔、2體積％氧化鋁和1體積％二氧化硅組成的支承體導(dǎo)致了會(huì)引起開裂的不同的致密速度。還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇氧化鋁作為主要支承材料時(shí)，它與組合物的熱等靜壓成形過程中所用的玻璃介質(zhì)反應(yīng)，引起熱膨脹不匹配誘致的開裂。在使用AlN-MoSi2-SiC系的實(shí)施方式中，發(fā)現(xiàn)包含至少90體積％氮化鋁和最高達(dá)10體積％氧化鋁的支承體具有一致的熱膨脹和致密特性。因此，據(jù)認(rèn)為，包含至少90體積％的氮化鋁、氮化硼和氮化硅中的至少一種和1-10體積％的選自氧化鋁、三氧化二釔、氧化鎂、二氧化硅和氧化鈣的致密助劑的支承體適合在本發(fā)明中使用。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，支承體37-39的大小為1.00英寸(長(zhǎng)度)×0.030英寸(寬度)×0.030英寸(厚度)。
此外，業(yè)已發(fā)現(xiàn)支承體有助于保護(hù)加熱區(qū)免被氧化。在一些實(shí)施方式中，如在圖1中，各分支的加熱區(qū)由以下部分支承ⅰ)外層支承體，其寬度和長(zhǎng)度與鄰接的加熱區(qū)基本相同；和ⅱ)內(nèi)層支承體，其延伸至橋，寬度與鄰接的加熱區(qū)基本相同，從而可為分支內(nèi)至少約60％的加熱區(qū)表面積提供抗氧化屏障。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，耐氧化的點(diǎn)火器(如上述那些)在使用30,000次之后其電流強(qiáng)度增加不到1％。與之相比，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的具有相同組合物但無支承體的點(diǎn)火器使用30,000次之后，電流強(qiáng)度增加約15％。
當(dāng)在本發(fā)明的優(yōu)選的點(diǎn)火器的導(dǎo)電端上接上電線并在電線施加220-240V電壓時(shí)，高電阻部分在不到約5秒鐘的時(shí)間里加熱至約1350℃，在點(diǎn)火器的上部區(qū)域(在圖2中標(biāo)為區(qū)域A)產(chǎn)生白熱狀態(tài)。然而，在一些實(shí)施方式中，觀察到白熱區(qū)向標(biāo)為區(qū)域B的區(qū)域蔓延的傾向。據(jù)認(rèn)為，該蔓延的原因是在約1100℃以上的溫度，足夠的電流直接流過氮化鋁基的支承體38，將設(shè)計(jì)的電路短路了。尚未知氮化鋁粉末(一種室溫下電阻率約為106(Ω-cm)的電絕緣體)是否含有異常高的金屬污染物或是玻璃焙燒法(glass hipping process)將雜質(zhì)導(dǎo)入到氮化鋁基支承體中了。不管是什么引起該現(xiàn)象，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，在支承體38中開出約0.020-0.050英寸厚的縫40(在圖2中用虛線標(biāo)出)，成功地避免了該層在本發(fā)明的點(diǎn)火器上有效地短路。如圖1所示，在一些實(shí)施方式中，縫15向上延伸至橋11。
在本發(fā)明中，還提供了一種制造本發(fā)明點(diǎn)火器的優(yōu)選方法，其中，將具有預(yù)定組分的平片進(jìn)行排列使平片橫截面構(gòu)成電路。在本發(fā)明點(diǎn)火器的一個(gè)優(yōu)選的制造方法中(如圖3所示)，將具有導(dǎo)電部分22和絕緣部分23的第一平片21置于一平面(未標(biāo)出)上，將僅具有電阻部分的第二平片24置于第一平片上。然后將具有絕緣部分26和電阻部分27的第三平片置于第二平片上，這樣，電阻部分27位于絕緣部分23的上面。接著，將僅具有電阻部分的第四平片28置于第三平片25的上面。最后，將具有絕緣部分30和導(dǎo)電部分31的第五平片29置于第四平片的上面，這樣，絕緣部分30位于電阻部分27的上面。然后將該層合物致密化，使不同的平片接合在一起。接著將致密化了的層合物沿其深度方向切割，形成許多單獨(dú)的陶瓷點(diǎn)火器。
在制造本發(fā)明的點(diǎn)火器時(shí)，圖3所示的各生平片為陶瓷層合物的一個(gè)完整的層(例如，平片25具有絕緣部分26和電阻部分27)。或者，平片可僅由層的一部分組成。在后者的情況下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，僅為層的一部分的平片可粘合在一起而在性能上無任何相應(yīng)的損失。
雖然圖3顯示了作為硬質(zhì)生平片的高電阻部分24和28，這些部分也可以以下方法制成帶式鑄造、輥式壓實(shí)、熱擠壓，然后切割或網(wǎng)板印刷。
陶瓷組分的處理(即，生坯處理和燒結(jié)條件)和從致密的陶瓷制造點(diǎn)火器可用任何慣用的方法進(jìn)行。通常，這些方法基本上根據(jù)Washburn氏專利進(jìn)行。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，生的層合物通過在Washburn氏專利公開的玻璃介質(zhì)中的熱等靜壓成形而致密化。致密化產(chǎn)生加熱區(qū)密度至少為理論值的95％，較好的至少約為99％的陶瓷體。
本發(fā)明的點(diǎn)火器可用于許多應(yīng)用，包括氣相燃料點(diǎn)火應(yīng)用，如火爐和烹飪器具、基板加熱器、鍋爐和火爐頂。
通過下面的非限定性實(shí)施例和比較例，可進(jìn)一步理解本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。在本發(fā)明中，“穩(wěn)定的”點(diǎn)火器是指在給定的電壓下保持恒定的電阻率和溫度的點(diǎn)火器。
比較例Ⅰ本比較例描述其加熱區(qū)具有通常的Washburn氏組合物和通常的(即，過厚的)橫截面的點(diǎn)火器在230V的性能。
將包含約66-71體積％AlN、8.5-9體積％MoSi2和20.5-25體積％SiC的加熱區(qū)組合物在高剪切混合器中拌和。同樣地將包含約20體積份AlN、約20體積份MoSi2和約60體積份SiC的冷區(qū)組合物拌和。然后將這些粉末共混料裝入熱壓機(jī)中相鄰的體積內(nèi)，熱壓成約為理論密度的60％的坯料。接著對(duì)該坯料進(jìn)行初步加工，以形成約為3.00英寸×2.00英寸×0.20英寸的二區(qū)型平片。然后，對(duì)加工過的平片進(jìn)行熱等靜壓成形，使平片在1790℃的溫度和30,000磅/平方英寸的壓力下均熱處理1小時(shí)。焙燒后，將致密的平片用金剛石加工成加熱區(qū)橫截面約為0.050英寸×0.030英寸、加熱區(qū)長(zhǎng)度約為1.0英寸/分支的發(fā)夾式點(diǎn)火器(即，1.5英寸單根分支長(zhǎng)度×0.030英寸厚度×0.050英寸分支寬度，縫寬約為0.060英寸)。
在230V的條件下，所得點(diǎn)火器的電性能見圖4所示的電阻和溫度關(guān)系。在約230V的條件下，點(diǎn)火器溫度繼續(xù)上升(即失控)，導(dǎo)致點(diǎn)火器燒壞。
實(shí)施例Ⅰ基本按圖2所示式樣制造生的層合物。加熱區(qū)由66體積％AlN、25體積％SiC和11體積％MoSi2制成。支承體部分由96體積％氮化鋁和4體積％氧化鋁制成。導(dǎo)電端由20體積％AlN、60體積％SiC和20體積％MoSi2制成。然后將層壓片坯料通過在約1800℃玻璃熱等靜壓成形約1小時(shí)進(jìn)行致密化，形成陶瓷塊。接著將該陶瓷塊在寬度方向上切割，形成許多大小為31.5英寸×0.050英寸×0.030英寸的熱表面元件。加熱區(qū)的橫截面約為0.015英寸×0.030英寸，單根分支長(zhǎng)度約為1.0英寸。在中間的絕緣支承體部分開出一條大小為0.050英寸×0.030英寸×1.4英寸的縫。
將合適的導(dǎo)線連接在熱表面元件的導(dǎo)電部分上，施加約230V電壓。在230V的務(wù)件下所得點(diǎn)火器的電性能見圖4中的電阻和溫度關(guān)系。點(diǎn)火器顯示穩(wěn)定的加熱性能并在約4秒鐘內(nèi)達(dá)到約1100℃的設(shè)計(jì)溫度。
實(shí)施例Ⅱ
本實(shí)施例描述其加熱區(qū)具有太多的二硅化鉬的點(diǎn)火器在230V的性能。
基本上按實(shí)施例Ⅰ制得點(diǎn)火器，所不同的是，加熱區(qū)的鉬含量為15體積％。點(diǎn)火器僅在24V即達(dá)到約1300℃的操作溫度。雖然該性能對(duì)24V點(diǎn)火器是合乎要求的，但據(jù)認(rèn)為，該點(diǎn)火器很容易在230V燒壞。
實(shí)施例Ⅲ本實(shí)施例描述其加熱區(qū)的二硅化鉬含量不足的點(diǎn)火器在230V的性能。
基本上按實(shí)施例Ⅰ制得點(diǎn)火器，所不同的是，加熱區(qū)的鉬含量?jī)H為6體積％。
點(diǎn)火器在約12秒鐘后達(dá)到操作溫度，但在240V性能失控。
實(shí)施例Ⅳ本實(shí)施例描述分支間無縫的點(diǎn)火器在230V的性能。
基本上按實(shí)施例Ⅰ制得點(diǎn)火器，所不同的是，在中間的氮化鋁部分未開縫。
點(diǎn)火器在85％的額定電壓即迅速地達(dá)到設(shè)計(jì)溫度(即，在5秒鐘內(nèi)達(dá)到1100℃)。然而，電壓進(jìn)一步增加時(shí)，觀察到點(diǎn)火器的最熱部分向?qū)щ妳^(qū)域下移，導(dǎo)致點(diǎn)火器發(fā)生故障。
權(quán)利要求
1．陶瓷點(diǎn)火器，包含以下部分(ⅰ)一對(duì)導(dǎo)電端、和(ⅱ)位于二個(gè)導(dǎo)電端之間的加熱區(qū)，該加熱區(qū)包含(a)約50-80體積％的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料、(b)約10-45體積％的選自碳化硅、碳化硼和它們的混合物的半導(dǎo)體材料、和(c)約5-25體積％的選自二硅化鉬、二硅化鎢、碳化鎢、氮化鈦和它們的混合物的金屬導(dǎo)體，其中，至少一部分加熱區(qū)的厚度不超過0.019英寸。
2．如權(quán)利要求1所述的點(diǎn)火器，其特征在于，點(diǎn)火器還具有(ⅲ)支承體，其上面有加熱區(qū)，所述支承體的厚度應(yīng)使其與位于其上的加熱區(qū)的厚度之和至少為0.020英寸。
3．如權(quán)利要求2所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述支承體基本上由選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料組成。
4．如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述支承體包含至少90體積％的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣性陶瓷和1-10體積％的選自氧化鋁、三氧化二釔、氧化鎂、氧化鈣和二氧化硅的致密助劑。
5．如權(quán)利要求1所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)組合物包含10-12體積％的二硅化鉬。
6．如權(quán)利要求5所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的厚度為0.010-0.019英寸。
7．如權(quán)利要求1所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述點(diǎn)火器為發(fā)夾型，包含二根與橋電連接的分支，二個(gè)分支均包含加熱區(qū)組合物，橋包含導(dǎo)電組合物。
8．如權(quán)利要求7所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述二個(gè)分支以相同方向從橋延伸，各分支具有里層部分、中間部分和外層部分，中間部分為加熱區(qū)組合物，與橋電連接，里層部分和外層部分為支承體。
9．如權(quán)利要求8所述的點(diǎn)火器，其特征在于，各分支的里層部分的厚度應(yīng)使兩分支彼此不接觸，由此在分支之間形成縫。
10．如權(quán)利要求9所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述縫延伸至橋。
11．如權(quán)利要求8所述的點(diǎn)火器，其特征在于，各分支的加熱區(qū)由以下部分支承ⅰ)外層支承體，其寬度和長(zhǎng)度與鄰接的加熱區(qū)基本相同；和ⅱ)延伸至橋的內(nèi)層支承體，其深度與鄰接的加熱區(qū)基本相同，從而可為分支內(nèi)至少約60％的加熱區(qū)表面積提供抗氧化屏障。
12．如權(quán)利要求8所述的點(diǎn)火器，其特征在于，分支間的單個(gè)支承體給出了兩分支內(nèi)層部分。
13．加熱方法，它包括以下步驟a)提供具有以下部分的點(diǎn)火器(ⅰ)一對(duì)導(dǎo)電端和(ⅱ)位于二個(gè)導(dǎo)電端之間的加熱區(qū)，該加熱區(qū)含(a)約50-80體積％的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料、(b)約10-45體積％的選自碳化硅、碳化硼和它們的混合物的半導(dǎo)體材料、和(c)約9-14體積％的選自二硅化鉬、二硅化鎢、碳化鎢、氮化鈦和它們的混合物的金屬導(dǎo)體，其中，至少一部分加熱區(qū)的橫截面為0.00015-0.00090平方英寸b)在點(diǎn)火器的二個(gè)導(dǎo)電端之間施加200-240V電壓，使電阻區(qū)在5秒鐘以內(nèi)加熱至約1350℃，同時(shí)當(dāng)加熱區(qū)溫度從1000℃升至1350℃時(shí)避免加熱區(qū)的電阻率下降25％以上。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，施加的電壓在220V至240V之間。
15．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述點(diǎn)火器為發(fā)夾型，包含二根與橋電連接的分支，二個(gè)分支均包含加熱區(qū)組合物，橋包含導(dǎo)電組合物，所述二個(gè)分支以相同方向從橋延伸，各分支具有里層部分、中間部分和外層部分，中間部分為加熱區(qū)組合物，與橋電連接，里層部分和外層部分為支承體，各分支的里層部分的厚度應(yīng)使分支彼此不接觸，由此在分支之間形成縫。
16．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述點(diǎn)火器還具有支承體，其上面有加熱區(qū)，所述支承體的厚度應(yīng)使其與加熱區(qū)的厚度之和至少為0.020英寸。
17．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，至少一部分加熱區(qū)組合物包含10-12體積％的二硅化鉬，橫截面為0.00045-0.00051平方英寸。
18．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，至少一部分加熱區(qū)包含60-70體積％氮化鋁、20-25體積％碳化硅和10-12體積％的二硅化鉬，橫截面為0.00030-0.00057平方英寸。
19．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，至少一部分加熱區(qū)包含64體積％氮化鋁、25體積％碳化硅和11體積％的二硅化鉬，橫截面為0.00045-0.00051平方英寸。
20．陶瓷點(diǎn)火器，具有含以下組分的加熱區(qū)(a)約50-80體積％的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料、(b)約10-45體積％的選自碳化硅、碳化硼的半導(dǎo)體材料和(c)約5-25體積％的選自二硅化鉬、二硅化鎢、氮化鈦和它們的混合物的金屬導(dǎo)體，所述點(diǎn)火器為發(fā)夾型，包含二根與橋電連接的分支，二個(gè)分支以相同方向從橋延伸，各分支具有里層部分、中間部分和外層部分，中間部分為加熱區(qū)組合物，與橋電連接，里層部分和外層部分為支承體，外層部分的深度和長(zhǎng)度與鄰接的加熱區(qū)基本相同，內(nèi)層部分延伸至橋，其深度與鄰接的加熱區(qū)基本相同，從而可為分支內(nèi)至少約60％的加熱區(qū)表面積提供抗氧化屏障。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷點(diǎn)火器,它包含以下部分:(i)一對(duì)導(dǎo)電端和(ii)位于二個(gè)導(dǎo)電端之間的加熱區(qū),該加熱區(qū)的密度至少為理論值的95%并含具有以下組分的組合物:(a)約50—80體積%的選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的電絕緣材料、(b)約10—45體積%的選自碳化硅、碳化硼的半導(dǎo)體材料和(c)約5—25體積%的選自二硅化鉬、二硅化鎢、氮化鈦和它們的混合物的金屬導(dǎo)體,(iii)支承體,其上面有加熱區(qū),其中,至少一部分加熱區(qū)的厚度不超過0.019英寸。
文檔編號(hào)F23Q7/22GK1209869SQ97191841
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1997年1月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月26日
發(fā)明者C·A·威爾肯斯, L·S·貝特曼 申請(qǐng)人:圣戈本工業(yè)陶瓷股份有限公司