專利名稱：瓷質(zhì)加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明包含制備瓷質(zhì)電阻性加熱元件的新穎方法，其包含形成包 括具有二個或更多個不同電阻性之區(qū)域的加熱元件體，與加工該元件 體部分以形成加熱元件。亦提供可自本發(fā)明之制造方法獲得的加熱元 件如點火器與預(yù)熱塞。
背景技術(shù)：
瓷質(zhì)材料作為應(yīng)用在如燃氣爐、爐灶與干衣機之點火器已享有極 大的成功。瓷質(zhì)點火器產(chǎn)品包含建構(gòu)穿過瓷質(zhì)成分之電路，該瓷質(zhì)部 分為高電阻性，且當(dāng)導(dǎo)線通電時可增溫；參照例如美國專利號 6,582,629、 6，278，087、 6,028,292、 5,801,361、 5,786,565、 5,405,237、 與5,191,508。典型的點火器通常系成矩形之元件，在點火器尖端為高電阻性的 『熱區(qū)(hotzone)』，且自點火器另一端向著熱區(qū)具一或多個導(dǎo)電的『冷 區(qū)(cold zones)』。 一 種目前可獲得的點火器，Mini-IgniterTM(Norton Igniter Products,購自Milford， N.H.)系設(shè)計用于12伏特至120伏特之 應(yīng)用，并具有包含氮化鋁(A1N)、 二硅化鉬(MoSi2)與碳化硅(SiC)之組成 物。目前的瓷質(zhì)點火器亦遭遇于使用中斷裂，特別在可能遭受碰撞的 環(huán)境中，例如使用于瓦斯炊具等之點火器。故新穎的點火器系統(tǒng)仍有其需求。特別需求制造瓷質(zhì)電阻性元件 的方法。具有良好機械完整性的新穎加熱元件亦有其需求。發(fā)明內(nèi)容現(xiàn)在提供制備瓷質(zhì)加熱元件的新穎方法，其包含形成包括二個或 更多個具不同電阻率之區(qū)域的加熱元件體，與加工該元件體部分以形 成功能性加熱元件。在較佳面向中，加工包括移除導(dǎo)體或絕緣體區(qū)域之部分，由此定 義電路并提供功能性加熱元件。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)該等方法可以有效率的制造高機械強度的加熱元件。在較佳面向中， 一或多種瓷質(zhì)材料系利用灌漿沉積以形成加熱元 件體。亦可應(yīng)用如擠壓、熱鍍、噴霧涂布、射出成形與其它制程之其 它成形方法。沉積瓷質(zhì)材料以形成該加熱元件體之后，可進一步加工該加熱元 件體以提供功能性加熱元件。特別是，在較佳面向中，可利用如機器 移除加熱元件體的一或多個區(qū)域以形成功能性電氣路徑(電路)。亦即， 在某些面向中，于此等加工之前，該成形的加熱元件體可包含一或多 個導(dǎo)電區(qū)域，其提供潛在但無功能性的電路。該進一步加工可定義電 路，并可使該成形的元件具備作為瓷質(zhì)加熱器之功能，如作為點火器。在一例示系統(tǒng)中，加熱元件體的的外側(cè)區(qū)域系高導(dǎo)電性且該元件 體末端部逐漸變細(截面積逐漸減少)以提供電阻性加熱。然后加工該元 件體以自該元件體的近端向該元件體末端移除反向的導(dǎo)電區(qū)域。該加 工因而自外側(cè)導(dǎo)電區(qū)域定義電路。在另一例示系統(tǒng)中，可利用空鑄(灌漿)；舉例言之，外側(cè)電阻性(熱 區(qū)或點火區(qū))皮層可利用空鑄形成，且該導(dǎo)電皮層系以絕緣區(qū)域填滿。 導(dǎo)電區(qū)接著可被應(yīng)用于例如自該元件體的近端向該元件體末端以在該 元件體末端定義分離的電阻性區(qū)域。例如，由導(dǎo)電組成物所提供的該 等第三區(qū)可立即熱鍍至該二區(qū)域元件。在某些較佳面向中，藉由包含該元件體的形貌(topography)而有利 于加熱元件體的加工(如，移除經(jīng)選擇的部分)。例如，該加熱元件體可 包含二個或多個突出區(qū)段，其可被迅速移除以定義外側(cè)電路。該突出 區(qū)段可為，舉例言之，延伸在該元件體相反面的兩個區(qū)段上，以提供 該元件體長度的至少一實體部分。在某些面向中，該加工可提供延展的電氣路徑，其可提供較高的操作電壓。該等延展的電氣路徑可具有不同配置以提供更大的長度， 例如，可應(yīng)用彎曲或螺旋狀的電氣路徑。本發(fā)明較佳的加熱元件可包含通過該元件截面的不同電阻率的區(qū) 域，包含如上所論述的內(nèi)部絕緣區(qū)域與外部電阻性及/或?qū)щ妳^(qū)域。在 其它具體例中，可應(yīng)用內(nèi)部導(dǎo)電區(qū)域與外部絕緣區(qū)域。較佳的瓷質(zhì)元件可由本發(fā)明的方法獲得，其包括第一導(dǎo)電區(qū)、電 阻性熱區(qū)與第二導(dǎo)電區(qū)，皆在電氣序列中。較佳地，在該裝置使用期 間，電力可通過電導(dǎo)線的使用而施加至該第一或第二導(dǎo)電區(qū)(但典型非 為兩個導(dǎo)電區(qū))。如上所論述，成形加熱元件體的加工可定義該第一與 第二導(dǎo)電區(qū)及電阻性加熱部分。本發(fā)明特別佳的加熱元件系沿著該加熱元件長度的至少一部份具 有圓形截面形狀(亦即，該長度自電導(dǎo)線貼附于該加熱元件處延伸至電 阻性熱區(qū))。更特別地，較佳之加熱元件系在該加熱元件長度的至少一 部份可具有實質(zhì)上卵形、圓形或其它圓形截面形狀，例如，該加熱元件長度的至少約10%、 40%、 60%、 80%、卯％或全長。該等桿狀構(gòu) 形可提供較高區(qū)段模數(shù)(Section Moduli),并因此可增進該加熱元件的機 械強度。特別佳的加熱元件亦可為集成元件(integral element),亦即對于該 加熱元件全長的元件截面而言，該元件會是實心瓷質(zhì)元件(非空心)。該 等集成元件系不同于可在該元件的長度/截面的至少一部份包含空心 (如， 一或多個不存在瓷質(zhì)組成物的縫隙)的元件。本發(fā)明的加熱元件可應(yīng)用于廣泛不同的額定電壓，包含6、 8、 9、 10、 12、 24、 120、 220、 230與240伏特的額定電壓。本發(fā)明的加熱元件亦可用于不同裝置與加熱系統(tǒng)的點火器。特別 佳地，系提供包含此處所述之經(jīng)燒結(jié)的(sintered)加熱元件的加熱系統(tǒng)。 特定加熱系統(tǒng)包含瓦斯烹調(diào)器具、用于商業(yè)大樓或居住建物的加熱器 具，包含熱水器。本發(fā)明的加熱元件亦可用于預(yù)熱塞，如，用于燃燒 弓I擎(combustion engine)。如此處所用，『灌漿(slip casting)』意指將瓷質(zhì)組成物倒入模具元 件，隨之自該模具收回成形元件的一般程序。如此處所用，『身寸出成開》(injection molded、 injection molding)』或其它相似術(shù)語意指將材料(此處為瓷質(zhì)或前瓷質(zhì)材料)在壓力下注射入 或以其它方法倒入至該瓷質(zhì)元件所欲形狀之模具，隨后放涼并移除該 保留為模具復(fù)制品的固化元件的一般程序。 本發(fā)明其它面向于以下揭露。


圖1顯示本發(fā)明較佳的加熱元件；圖2A、圖2B與圖2C說明制造加熱元件的較佳制程步驟； 圖3A、圖3B與圖3C說明制造加熱元件的較佳制程步驟； 圖4A與圖4B顯示本發(fā)明更佳的加熱元件，圖4A為該加熱元件 的正面且圖4B為該加熱元件的相對反面；圖5A與圖5B顯示本發(fā)明較佳的加熱元件系統(tǒng)。主要元件符號說明IO加熱元件12、 14 導(dǎo)電區(qū)域IOA、 12A、 14A近端端點16 末稍區(qū)域18核心絕緣區(qū)域20灌漿模具22加熱元件體 24、 26突出區(qū)域28絕緣體30導(dǎo)電組成物30A、 30B導(dǎo)電區(qū)32功能性加熱元件40導(dǎo)電性殼體42加熱元件體46末稍近端端點50加熱元件系統(tǒng)52、 54、 56 絕緣區(qū)域58、 60 導(dǎo)電區(qū)62漸細端端點x長度y長度具體實施方式
如上所述，系提供制備瓷質(zhì)抗性加熱元件的新方法，其包含形成包括二個或更多個不同電阻率之區(qū)域之加熱元件體，及加工該元件 體的部分以形成加熱元件。在較佳面向中，加工包括移除導(dǎo)電或絕緣 區(qū)域的部分，由此定義電路，與提供功能性加熱元件。依圖標(biāo)，圖1顯示較佳的加熱元件10，其包含提供電路與沿該元件長度延展的導(dǎo)電區(qū)域12與14。元件末稍區(qū)域16系逐漸縮減(截面面 積逐漸減少)，而在該區(qū)域提供電阻性加熱。核心絕緣區(qū)域18將導(dǎo)電區(qū)域12與14分開，并藉此定義電路。在使用上，電力可透過導(dǎo)電區(qū)域12與14的近端端點12A與14A供 給加熱元件IO(如，經(jīng)由一或多個電導(dǎo)線，未圖標(biāo))。電導(dǎo)線可經(jīng)由例如 焊接而貼附至近端端點12A與14A。該加熱元件近端端點IOA可適當(dāng)?shù)?鑲嵌至不同固定器，例如瓷質(zhì)塑料密封材料包覆(encase)導(dǎo)電元件近端端 點12A與14A處。該等以密封材料包覆系揭露于美國專利6933471。金 屬固定器亦可適用于包覆該加熱元件近端端點。圖2A至圖2C說明在截面(如沿著圖1的2-2)中，本發(fā)明的方法的 較佳加工步驟。故，如圖2A所示，灌漿模具20可用于一般所述的結(jié)構(gòu)以提供桿 狀加熱元件體22與反向突出區(qū)域24與26。在一系統(tǒng)中，灌漿模具20 可填充絕緣瓷質(zhì)組成物。硬質(zhì)元件可藉由移除黏著劑而提供。如圖2B的大致說明，包覆的導(dǎo)電組成物30接著可沿灌漿絕緣區(qū) 域28周圍施與。該導(dǎo)電組成物30可經(jīng)由，如，另一灌漿或其它方法 如熱鍍而形成具有兩個不同電阻率之區(qū)域C28、 30)的加熱元件22。如圖2C所示，接著可藉由例如機械加工移除突出區(qū)域24與26以 定義電氣路徑并提供功能性加熱元件32。該等元件體的加工可以在生 胚狀態(tài)或燒結(jié)狀態(tài)的元件體中進行。故，藉由區(qū)域24與26的加工， 特別是將其移除，絕緣體28將定義電氣路徑的導(dǎo)電區(qū)30A與30B分 開為二區(qū)。在使用上，電流可經(jīng)導(dǎo)電區(qū)30A與末端漸細的電阻性區(qū)域 而流過加熱元件的長度，并接著經(jīng)導(dǎo)電區(qū)30B折返至該加熱元件的長圖3A至圖3C說明在截面(如沿著圖1的2-2)中，本發(fā)明的方法的 較佳加工歩驟以提供具有多于兩個不同電阻率區(qū)域(例如三個或更多個 不同電阻率區(qū)域(如導(dǎo)體、絕緣體、電阻(熱或點火)之不同電阻率與瓷 質(zhì)組成物區(qū)域)的加熱元件。故，如同上述關(guān)于圖2A至圖2C所討論，且如圖3A所示，灌漿 模具可用于一般所述的結(jié)構(gòu)以提供桿狀加熱元件體與反向突出區(qū)域24 與26。在一系統(tǒng)中，灌漿模具20可填充絕緣瓷質(zhì)組成物28。硬質(zhì)元9件可藉由移除黏著劑而提供。如圖3B的大致說明，包覆的電阻組成物30接著可沿灌漿絕緣區(qū)域周圍施與以提供電阻殼(resistive shell)。該殼核心然后可填充絕緣組 成物以提供絕緣區(qū)域28。該電阻組成物30可經(jīng)由，如，另一灌漿或其 它方法如熱鍍而施與。因此，如圖3B的大致說明，包覆的導(dǎo)電組成物31接著可沿電阻 組成物層30周圍施與。該導(dǎo)電組成物31可經(jīng)由，如，另一灌漿或其 它方法如熱鍍而形成具有三個不同電阻率之區(qū)域(28、 30與31)的加熱 元件22。如圖2C與圖3C所示，接著可藉由例如機械加工移除突出區(qū)域24 與26以定義電氣路徑并提供功能性加熱元件32。該等元件體的加工可 以在生胚狀態(tài)或燒結(jié)狀態(tài)的元件體中進行。故，藉由區(qū)域24與26的 加工，特別是將其移除，絕緣體28將定義電氣路徑的導(dǎo)電區(qū)30A與 30B分開為二區(qū)。在使用上，電流可經(jīng)導(dǎo)電區(qū)30A與末端漸細的電阻 性區(qū)域而流過加熱元件的長度，并接著經(jīng)導(dǎo)電區(qū)30B折返至該加熱元 件的長度。當(dāng)特定具體例中灌漿可為制造加熱元件的較佳方法時，其它成形 方法亦可適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，可為額外應(yīng)用，亦可完全取代灌漿。例如，可 應(yīng)用擠壓成形、射出成形及/或熱鍍而施加該瓷質(zhì)組成物以形成加熱元 件體及成形的(功能性的)加熱元件體。擠壓成形以形成加熱元件系揭露 于國際公開WO 2006/050201。射出成形以形成加熱元件系揭露于國際 公開WO 2006/086227。圖4A與圖4B描述加熱系統(tǒng)元件可經(jīng)由空鑄制程(drain casting process)制備。特別是，圖4A顯示瓷質(zhì)電阻性(熱區(qū)或點火區(qū))導(dǎo)電性殼 體40的斷面，其系經(jīng)由空鑄制程形成，如，將電阻性瓷質(zhì)漿液注入至 灌漿模具，且接著將該漿液自該模具注出，注出時間點為該漿液第一 次注入該模具之后，少于5、 4、 3、 2、 1、 0.5或0.25分鐘后。接著干 燥該余留的電阻性瓷質(zhì)涂布層，并將絕緣性瓷質(zhì)組成物注入灌漿模具 內(nèi)之殼體內(nèi)。該兩區(qū)域組成物體可隔夜干燥，并視需要以搖動(如，震 動)輔助其自灌漿模具移除。依此所獲得的加熱元件體42(顯示于圖4B 之截面)視需要可進一歩干燥，如，在升高的溫度如100至15(TC下干燥1或更多小時。導(dǎo)電區(qū)可并入瓷質(zhì)體近端端點，如，自元件近端端點至元件末稍 端點46熱鍍導(dǎo)電性瓷質(zhì)組成物，以由此于該導(dǎo)電性外層之外定義該電 阻性區(qū)面積。必要時，該三區(qū)或區(qū)域瓷質(zhì)體可進一步干燥，如，在升高的溫度如100至15(TC中干燥1或多小時。其它不同電阻率的區(qū)域亦可被包含至該加熱元件體，如經(jīng)由熱鍍 或其它施加方法。例如，對某些系統(tǒng)，在電路路徑的最導(dǎo)電部分及該 路徑的高度電阻性(熱)區(qū)域之間，可期望其包含中間電阻之能源推進器 (power booster)或增進區(qū)。該等中間電阻性的推進器區(qū)系敘述于 Willkens的美國專利申請公開2002/0150851。較佳推進器區(qū)會具有正溫度系數(shù)電阻(positive temperature coe伍cient of resistance, PTCR)。較佳地，該推進區(qū)具有中間電阻，其 可允許(i)電流有效率的流至該點火器熱區(qū)，與(ii)在使用該點火器時， 該推進器區(qū)域的部分電阻加熱，雖然較佳的推進器區(qū)在使用點火器期 間，并不會加熱至如熱區(qū)之高溫。使用期間，加熱元件的復(fù)數(shù)電阻區(qū)系適當(dāng)?shù)卮嬖谟胁煌娮枧c溫 度值。故，包含如推進器區(qū)的較佳系統(tǒng)中、第一導(dǎo)電區(qū)較佳展現(xiàn)有三 區(qū)中最低的電阻，該推進器區(qū)則為相對較高電阻、該熱區(qū)或點火器區(qū) 貝'J展現(xiàn)該點火器的最高電阻。包括推進器之該等復(fù)數(shù)區(qū)系統(tǒng)，在使用期間典型展現(xiàn)類似之溫度 梯度。亦即，該導(dǎo)電區(qū)在使用期間將非實質(zhì)上加熱；該熱區(qū)或點火器 將加熱至，例如，足以加熱燃料的溫度，如至少約IOO(TC;更典型的 至少約120(TC、或130(TC;且該穿插的推進器區(qū)將典型地加熱至下列 范圍的溫度內(nèi)高于導(dǎo)電區(qū)至少約100、 200、 300或40(TC，及低于熱 區(qū)至少約100、 200、 300或400。C。在室溫(ca.25'C)下，該導(dǎo)電區(qū)較佳會具有不超過該推進器區(qū)的室溫 電阻約50%、 25%、 10%或5%的電阻；且更佳為該導(dǎo)電區(qū)會具有不 超過該推進器區(qū)的室溫電阻約10%、 5。％或1%的電阻。在使用期間， 該導(dǎo)電區(qū)應(yīng)展現(xiàn)最小電阻加熱。在室溫下，該推進器區(qū)較佳會具有不超過該熱區(qū)室溫電阻性約75 %、 50%、 25%、 10%或5%的電阻。然而，在使用期間，該熱區(qū)的電阻可適當(dāng)?shù)某鲈摕釁^(qū)的操作溫度電阻；舉例言之，在操作溫度(如， 熱區(qū)至少約IOO(TC至110(TC)下使用時，該推進器區(qū)的電阻可為該熱區(qū)的操作溫度電阻的至少約110%、 120%、 130%、 140%、 150%、 160 %、 170%、 180Q%、 190%、 200%、 220%、 250。％、 270%、 300%的電阻。在本發(fā)明的加熱元件體中，該成形的復(fù)數(shù)區(qū)元件體接著可被加工 而形成電路；特別是沿著瓷質(zhì)體的長度，自該元件體的末稍近端端點 46至該體末稍端點的電阻性區(qū)，移除導(dǎo)電區(qū)以藉此定義電氣路徑。燒 結(jié)可于此種定義該電氣路徑之加工前或后進行。圖5A與圖5B描述更佳的加熱元件系統(tǒng)50，其中，絕緣區(qū)域52、 54與56通過導(dǎo)電區(qū)58與60定義該描述的電氣路徑。電阻性加熱發(fā)生 在漸細端端部分62。在此系統(tǒng)50中，導(dǎo)電區(qū)域形成元件50的內(nèi)部，而外側(cè)為絕緣體。 定義所描述的彎曲電氣路徑之絕緣體52、 54及56可藉由該外側(cè)絕緣 體的選擇性機械加工而提供。其它非直線形電氣路徑，如圈狀路徑可 用以延展該電路長度，并因此使該加熱元件可在更高電壓操作。成形的加熱元件可依需求而進一步加工；例如，外加的瓷質(zhì)組成 物可施加至該成形元件。故，舉例言之，加熱元件可如藉由以絕緣體 組成物熱鍍進行包覆以增強該元件的電氣路徑的性能，藉此以防止相 鄰導(dǎo)電區(qū)域之間電弧放電(arcing)。若該加熱元件系用于濕性燃料(如煤 油、汽油、燃油等)，該種電弧放電會成為很大的困擾。施加外部絕緣 體涂布層至該加熱元件可顯著降低此種電弧放電。對于熱鍍施加，可適當(dāng)應(yīng)用該瓷質(zhì)組成物的漿液或其它類似流體 之組成物。該漿液可包括水及/或極性有機溶劑載體，如醇類等，與一 或多種添加劑以幫助該施加的瓷質(zhì)組成物形成均勻?qū)?；例如，該漿液 組成物可包括一或多種有機乳化劑、塑化劑及分散劑。該等黏著劑材 料可適當(dāng)?shù)卦诤罄m(xù)該加熱元件的密化作用中被熱移除。另外，加熱元件可包含外加功能如熱耦合電路、火焰?zhèn)鞲衅骰蚧?焰整流器。加熱元件亦可包含不同瓷質(zhì)組成物的電阻性加熱區(qū)域；例如，加 熱元件可包括導(dǎo)電區(qū)域、熱區(qū)域(電阻性加熱)及絕緣區(qū)域(亦即三區(qū)域系統(tǒng))，其中各個此等區(qū)域具有不同的瓷質(zhì)組成物。該成形的加熱元件較佳為如在包含升溫及升壓的條件下進一步密 化者。特別是，在形成之后，該加熱元件可在單一或復(fù)數(shù)步驟的熱處 理中進行燒結(jié)。在復(fù)數(shù)步驟流程中，經(jīng)由灌漿或熱鍍歩驟形成的加熱元件可經(jīng)第一次熱處理以移除各種有機與無機載體材料，如在惰性氣氛(inert atmosphere)如氬氣中以IOO(TC以上之溫度加熱而移除黏著劑等。之后， 該加熱元件可在壓力下在超過160(TC燒結(jié)0.5小時或更久。如上論述，并藉由圖式的加熱元件作為示例，在某些較佳系統(tǒng)中， 該加熱元件長度的至少一實體部分，系沿著該加熱元件長度至少一部 分具有圓形截面形狀，例如圖1所示的長度x。圖1的加熱元件10描 述特別佳的結(jié)構(gòu)，其中，加熱元件10對于該加熱元件約全長具有實質(zhì) 圓形截面形狀，以提供桿狀元件。然而，較佳的系統(tǒng)亦包含僅在加熱 元件的一部分具有圓形截面形狀者，例如在加熱元件長度達約10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80或90%的部分(如圖1所示加熱元件的長度 x)具有圓形截面形狀者；在該等設(shè)計中，該加熱元件長度的其余部分可 具有外側(cè)邊緣輪廓。本發(fā)明的加熱元件的尺寸可廣泛變化，且可基于該加熱元件的預(yù) 期用途而選擇。例如，較佳的加熱元件長度(圖1的長度x)可適當(dāng)為約 0.5至約5 cm或更長、更佳可為約1至約3 cm，且該加熱元件截面寬度 可適當(dāng)為約0.2至約3 cm(圖2c的長度y)。在某些較佳系統(tǒng)中，本發(fā)明的加熱元件的熱區(qū)或電阻性區(qū)在額定 電壓(nominalvoltage)下可加熱至最大溫度低于約1450°C，且在高端線 路電壓(high-end line voltage),其約額定電壓的110%下，可加熱至最 大溫度低于約1550°C;而且在低端線路電壓(low-end line voltage),其 約額定電壓的85%下，可加熱至最大溫度低于約1350°C?？蛇\用不同組成物以形成本發(fā)明的加熱元件。不同電阻的瓷質(zhì)組 成物系適當(dāng)?shù)膽?yīng)用以形成如上所述之加熱元件。在某些具體例中，若應(yīng)用個別的瓷質(zhì)組成物以形成熱區(qū)區(qū)域，一 般較佳的熱區(qū)組成物包括(l)導(dǎo)電材料；(2)半導(dǎo)體材料；及(3)絕緣材料 之至少三成分。導(dǎo)電區(qū)域(冷)與絕緣區(qū)域(熱槽)可包括相同成分，但該成分以不同比例呈現(xiàn)。典型的導(dǎo)電材料包含，如，二硅化鉬、二硅化 鎢、氮化物如氮化鈦、及碳化物如碳化鈦。典型的半導(dǎo)體材料包含碳 化物如碳化硅(摻雜(doped)或未摻雜)與碳化硼。典型的絕緣體材料包含 金屬氧化物如氧化鋁、或氮化物如A1N及/或Si3N4。如此處所指，術(shù)語電性絕緣材料意指具有至少約101Q ohms-cm的 室溫電阻率的材料。本發(fā)明的加熱元件的電性絕緣材料成分可為單一 成分或主要包括一或多種金屬氮化物及/或金屬氧化物；或，該絕緣成分可包含該金屬氮化物或金屬氧化物之外的材料，例如，該絕緣材料成分可額外包含氮化物如氮化鋁(A1N)、氮化硅、或氮化硼；稀土氧化 物(如氧化釔)；或稀土氮氧化物。如此處所指，半導(dǎo)體瓷質(zhì)(或『半導(dǎo)體』)系具有介于約10至108 ohms-cm間的室溫電阻率的瓷質(zhì)。若該半導(dǎo)體成分系存在超過熱區(qū)組 成物的約45v/o(當(dāng)導(dǎo)電性瓷質(zhì)系在約6至10v/o的范圍中時)，該所得 組成物對于高電壓施加會變成太過導(dǎo)電(因缺乏絕緣體之故)。相反的， 若該半導(dǎo)體成分系存在低于5v/o(當(dāng)導(dǎo)電性瓷質(zhì)系在約6至lOv/o的范 圍中時)，該所得組成物會變成電阻性太高(因過多絕緣體之故)。又， 在導(dǎo)體的較高程度，需要更多的絕緣體與半導(dǎo)體部分的電阻性混合物 以達到所欲電壓。典型地，該半導(dǎo)體系選自碳化硅(摻雜或未摻雜)與碳 化硼所組成的群組的碳化物。如此處所指，導(dǎo)電性材料為具有低于10—2 ohms-cm的室溫電阻率 者。若該導(dǎo)電性成分系存在超過熱區(qū)組成物的35Wo，該所得熱區(qū)組成 物的瓷質(zhì)會變成太過導(dǎo)電。典型地，該導(dǎo)體系選自由二硅化鉬、二硅 化鎢、氮化物如氮化鈦、及碳化物如碳化鈦所組成的群組。 一般以二 硅化鉬為較佳。一般而言，若應(yīng)用適當(dāng)?shù)臒?電阻性)區(qū)組成物包含(a)具有至少約 101() ohm-cm電阻率，介于約50至約80v/o的電性絕緣材料；(b)具有 約10至約108 ohm-cm的電阻率，介于約5至約45v/o的半導(dǎo)體材料； (c)具有低于約10—2 ohm-cm的電阻率，介于約5至約35v/o的金屬導(dǎo)體。 較佳為，該熱區(qū)包括50至70v/o電性絕緣瓷質(zhì)、5至45v/o的半導(dǎo)體瓷 質(zhì)、與5至20v/o的導(dǎo)電性材料。較佳冷區(qū)(導(dǎo)電性)區(qū)域包括該等由如A1N及/或A12Q3或其它絕緣材料組成者；SiC或其它半導(dǎo)體材料；以及MoSi2或其它導(dǎo)電性材料。 若應(yīng)用于加熱元件，較佳推進器區(qū)組成物可包括與該導(dǎo)電性及熱區(qū)區(qū)域組成物相同之材料，例如，較佳推進器區(qū)組成物可包括，如A1N及/或八1203，或其它絕緣材料；SiC或其它半導(dǎo)體材料；以及MoSi2或 其它導(dǎo)電性材料。推進器區(qū)組成物典型會具有相當(dāng)百分比的導(dǎo)電性材料與半導(dǎo)體材料(如SiC與MoSi》，其系介于該等材料于熱區(qū)與冷區(qū)組 成物之百分比之間。較佳的推進器區(qū)組成物包括約60至70v/o之氮化 鋁、氧化鋁、或其它絕緣體材料；與約10至20v/o之MoSi2或其它導(dǎo) 電性材料，及其余的半導(dǎo)體材料如SiC。特別佳的用于本發(fā)明點火器的 推進器區(qū)組成物包含14v/oMoSi2、 20v/o SiC與其余的v/oAl203。特別 佳的用于本發(fā)明點火器的推進器區(qū)組成物包含17v/o MoSi2、 20v/o SiC 與其余的v/Q A1203。復(fù)特別佳的用于本發(fā)明點火器的推進器區(qū)組成物 包含14v/o MoSi2、 20v/o SiC與其余的v/o A1N。復(fù)又特別佳的用于本 發(fā)明點火器的推進器區(qū)組成物包含17v/oMoSi2、20v/o SiC與其余的v/o AIN。本發(fā)明的加熱元件可多方應(yīng)用，包含氣相燃料點火應(yīng)用如暖爐與 烹飪設(shè)備、壁爐、爐頭(stovetops)。特別是，本發(fā)明的加熱元件可用做 瓦斯?fàn)t頭燃燒器與瓦斯暖爐的點火源。本發(fā)明的加熱元件亦特別適用于被汽化與點燃的液態(tài)(濕性)燃料 (如煤油、汽油)之點火用，例如供車輛進一步加熱的車輛(如汽車)加熱 器。本發(fā)明的加熱元件亦適用于預(yù)熱塞，如，機動車輛(motor vehicle) 的點火源。本發(fā)明的加熱元件亦有用于其它特殊應(yīng)用，包括，紅外線加熱器 用的加熱元件。下列非限制性之實施例系用以描述本發(fā)明。所有的參考文獻之文件皆以引用方式將全部內(nèi)容并入本發(fā)明。實施例h加熱元件的制備圖1所顯示之本發(fā)明加熱元件的一般結(jié)構(gòu)可依下列方法制備。 絕緣體組成物(90體積％八1203與約10體積XMoSi2)的粉末與去離子水、檸檬酸與2重量％環(huán)氧樹脂黏著劑混合。該組成物可球磨6至8小時。將該絕緣體組成物注入至如圖2A所描繪的灌漿鑄模中。該組成物可在模具中置放隔夜，接著可自該模具中移出成形的元件體，該移出的元件體在14(TC干燥1小時。用于熱鍍的導(dǎo)電性瓷質(zhì)組成物系藉由混合瓷質(zhì)粉末(63體積％ A1203、約30體積XMoSi2、與7體積XSiC)與水及環(huán)氧樹脂黏著劑而 制備。該成形的絕緣體元件接著可以導(dǎo)電性瓷質(zhì)組成物熱鍍。具有不同 電阻率的兩個瓷質(zhì)區(qū)域的經(jīng)涂布元件體接著在14(TC干燥1小時。該元件體接著在加壓下于1500至160(TC燒結(jié)。接著，藉由機械研磨移除該突出的『耳朵』部分(圖2B的區(qū)域24 與26)以定義電路，并提供圖1與圖2C所示之一般結(jié)構(gòu)的功能性加熱 元件。接著，電導(dǎo)線可經(jīng)由焊接而貼附至加熱元件近端端點的導(dǎo)電區(qū)域。 實施例2:以空鑄法(drain casting)制備加熱元件圖4A與圖4B所顯示之本發(fā)明加熱元件的一般結(jié)構(gòu)可依下列方法 制備。電阻性瓷質(zhì)組成物可藉由混合瓷質(zhì)粉末(63體積％八1203、約22體 積Q/^MoSi2、與5體積。/^SiC)與水與環(huán)氧樹脂黏著劑而制備。將該組成 物注入灌漿模具，注入后約5秒內(nèi)，倒置該灌漿模具以移除該導(dǎo)電性 組成物并于模具壁上留下該瓷質(zhì)組成物的皮層。將絕緣體組成物(90體積％^203與10體積XMoSi2)之粉末與去離 子水、檸檬酸與2重量％環(huán)氧樹脂黏著劑混合。將該組成物注入帶有 瓷質(zhì)組成物內(nèi)皮層的灌漿鑄模。將該絕緣體組成物注入如圖2A所描繪形狀的灌漿鑄模。可使該組 成物于模具中置放隔夜，接著可自該模具中移出成形的元件體，該移 出的元件體在14(TC干燥1小時。將該二區(qū)域復(fù)合體干燥一夜，接著震蕩該模具而自灌漿模具移出。 依此獲得的加熱元件體在14(TC干燥1小時。用于熱鍍的導(dǎo)電瓷質(zhì)組成物系藉由混合瓷質(zhì)粉末(63體積％八1203、 約30體積XMoSb、與7體積XSiC)與水與環(huán)氧樹脂黏著劑而制備。將該導(dǎo)電區(qū)組成物并入瓷質(zhì)體近端端點，直到在元件的末稍端點 定義該元件的電阻性區(qū)域。該三區(qū)瓷質(zhì)體在140。C干燥1小時后在1730x:燒結(jié)。接著加工經(jīng)燒結(jié)的三區(qū)元件體以形成電路，特別藉由沿著該瓷質(zhì) 體的長度，自該體末稍近端端點至該體的末稍端點的電阻性區(qū)，將導(dǎo)電區(qū)移除；藉此定義電氣路徑。接著，電導(dǎo)線可經(jīng)由焊接而貼附至加熱元件近端端點的導(dǎo)電區(qū)域。 藉由參考其特定具體例，已詳細說明本發(fā)明；然而熟習(xí)此技藝之人士將可了解，依此處所揭露者，亦可在本發(fā)明之精神與范疇內(nèi)進行修改與改良。
權(quán)利要求
1、一種制造電阻性瓷質(zhì)加熱元件的方法，包括形成包括具有二個或更多個不同電阻率區(qū)域的加熱元件體；與加工該元件體的一部分以形成加熱元件。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，該加工定義該加熱元件的 電氣路徑。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，該加工包括移除該元件 體的一或多個部分。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，該加工包括移除該加熱 元件體的一或多個突出區(qū)段。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，該移除包括移除該加熱元件 體的兩個相反區(qū)段。
6、 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中，該元件體包括 三或更多個不同電阻率的區(qū)域。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，該加熱元件體包括絕緣體區(qū)、 導(dǎo)電區(qū)與電阻性(點火)區(qū)。
8、 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，該加熱元件體包括絕緣體區(qū)、 導(dǎo)電區(qū)、推進器區(qū)與電阻性(點火)區(qū)。
9、 如權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其中，該加熱元件體 包括穿越該加熱元件截面的不同電阻率的區(qū)域。
10、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該加熱元件體包括內(nèi)部絕 緣體區(qū)域與外部導(dǎo)電區(qū)域。
11、 如權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其中，該加熱元件 體至少一部份以灌漿法形成。
12、 如權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其中，該加熱元件 體至少一部份以熱鍍法形成。
13、 如權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，其中，該加熱元件體在該加熱元件體長度的至少一部份具有實質(zhì)上為圓形截面形狀的區(qū) 段。
14、 如權(quán)利要求1至13中任一項所述的方法，其中，該加熱元件 體為集成元件。
15、 一種制造電阻性瓷質(zhì)加熱元件的方法，包括 將瓷質(zhì)材料灌漿以形成加熱元件體， 將該元件體的一部分加工以形成加熱元件。
16、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，該灌漿包括沉積至少兩種 不同瓷質(zhì)材料以形成加熱元件體。
17、 如權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，該加工定義該加熱 元件的電氣路徑。
18、 如權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，其中，該加工包 括移除該加熱元件體的一或多個部分。
19、 一種瓷質(zhì)加熱元件，可根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項所述的 方法獲得。
20、 一種加熱元件體，包括(i)二個或更多個具有不同電阻率的區(qū) 域，與(ii)一個或多個突出區(qū)段。
21、 如權(quán)利要求20所述的加熱元件體，其中，該加熱元件體包括 內(nèi)部絕緣體區(qū)域與外部導(dǎo)電區(qū)域。
22、 一種點燃氣態(tài)燃料的方法，包括施加電流以穿越如權(quán)利要求 19所述的加熱元件。
23、 如權(quán)利要求22所述的方法，其中，該電流具有6、 8、 9、 10、 12、 24、 120、 220、 230或240伏特的額定電壓。
24、 一種加熱設(shè)備，其包括如權(quán)利要求19所述的加熱元件。
全文摘要
本發(fā)明系提供制備瓷質(zhì)電阻性(ceramic resistive)加熱元件的新穎方法，包含形成包括具有二個或更多個不同電阻率(resistivity)之區(qū)域的加熱元件體，與加工該元件體部分以形成加熱元件。亦提供可自本發(fā)明之制造方法獲得的加熱元件如點火器與預(yù)熱塞(glow plug)。
文檔編號F24H3/00GK101563570SQ200780036997
公開日2009年10月21日 申請日期2007年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月2日
發(fā)明者C·A·維爾肯斯, N·P·阿塞諾, S·安納瓦拉庫, T·于 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司