專利名稱：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)火器通常為發(fā)夾型，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。這些點(diǎn)火器中的一些必須滿足由設(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％設(shè)計(jì)電壓下最低溫度1100℃在100％設(shè)計(jì)電壓下的設(shè)計(jì)溫度 1350℃在110％設(shè)計(jì)電壓下最高溫度 1500℃加熱區(qū)長度 ＜1.5英寸功率(W) 65-100美國專利5,085,804(‘804專利)和姐妹專利5,405,237公開了適用于陶瓷點(diǎn)火器加熱區(qū)的組合物，該加熱區(qū)包括(a)5-50％(體積)MoSi2，和(b)50-95％(體積)的一種材料，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。根據(jù)‘804專利，這些組合物提供了達(dá)到上述要求所需的適當(dāng)速度、室溫電阻和高溫電阻，而不會限制點(diǎn)火器形狀。
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，采用了一種‘804專利的加熱區(qū)組合物，包含氮化鋁(“AlN”)、二硅化鉬(“MoSi2”)和碳化硅(“SiC”)，加熱區(qū)總長度在約1.5厘米(對12V的應(yīng)用)至6厘米(對120V應(yīng)用)之間。盡管Mini-IgniterTM在許多應(yīng)用中性能優(yōu)良，其速度(即從室溫加熱至1350℃設(shè)計(jì)溫度所需時(shí)間)通常在3-5秒之間(對24V-120V應(yīng)用)。據(jù)信，如果其速度可以降低至3秒以下，這些點(diǎn)火器的應(yīng)用范圍可以極大地增加。
曾經(jīng)試圖提高這些點(diǎn)火器的速度。例如，Washburn and Voller在“Low PowerGas Ignition Device，presented in the Proceedings of the 1988 International ApplianceTechnical Confenrence-Europe”(1988)，Page 134-149公開通過將加熱區(qū)質(zhì)量減少至約0.07-0.08克(即長度約為1.0-1.3厘米)，可使速度低至1.5秒。然而，這些點(diǎn)火器很容易由對流冷卻引起熄火。Willkens等人在“High Voltage MiniatureIgniter Development”，International Appliance Technical Conference，Madison，Wisconsin(1994)中建議120V點(diǎn)火器的加熱區(qū)設(shè)計(jì)長度應(yīng)至少為0.7英寸?！?04專利也建議以至少0.2英寸(或0.5厘米)的加熱區(qū)長度作為實(shí)際應(yīng)用中的最低限。
另外，這些點(diǎn)火器一般在降低至常規(guī)的2-3安培電流之前經(jīng)歷了非常高的沖擊電流(in-rush current)(即，在開始一毫秒內(nèi)約10安培的電流)。由于設(shè)計(jì)用于這些點(diǎn)火器的任何變壓器必須設(shè)計(jì)成能接受這樣的最初高電流，這些點(diǎn)火器必須配用能接受較高功率的變壓器配合，代替成本較低、額定功率較低的變壓器。
簡單地降低加熱區(qū)組合物的電阻率(通過增加其導(dǎo)電MoSi2的含量)被認(rèn)為是提高點(diǎn)火器速度的一種方法。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)這樣做會使沖擊電流達(dá)到甚至更高值(由于降低了室溫電阻)，并由于典型點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)不能接受高功率，使點(diǎn)火器極易燒壞。這些點(diǎn)火器不能輻射足以產(chǎn)生穩(wěn)定溫度的能量。
同樣，提高加熱區(qū)組合物的電阻率(通過降低MoSi2含量)被認(rèn)為是減小點(diǎn)火器沖擊電流的一種方法。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)這樣做不僅降低了點(diǎn)火器速度(由于較高的室溫電阻)，而且使點(diǎn)火器在高溫時(shí)不穩(wěn)定(由于其在高溫時(shí)負(fù)的電阻溫度系數(shù))。
因此，需要一種具有高速度，還能抵御冷卻效應(yīng)，并具有低沖擊電流的陶瓷點(diǎn)火器。
發(fā)明概述本發(fā)明提供具有以下部分的陶瓷點(diǎn)火器a)一對導(dǎo)電部分，每一部分都有一個(gè)第一端，b)位于兩導(dǎo)電部分之間與各自第一端電連接的電阻加熱區(qū)，加熱區(qū)的電路長度小于0.5厘米，和c)接觸加熱區(qū)的不導(dǎo)電的散熱材料。
對本發(fā)明目的，“電路長度”指在點(diǎn)火器導(dǎo)電端施加電壓時(shí)，電流通過加熱區(qū)所取的最短路徑。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了加熱方法，它包括下列步驟a)提供包含下列部分的陶瓷點(diǎn)火器i)一對導(dǎo)電部分，每一部分都有一個(gè)第一端，ii)位于兩導(dǎo)電部分之間與各自第一端電連接的電阻加熱區(qū)，加熱區(qū)的電路長度不大于0.5厘米，和iii)接觸加熱區(qū)的不導(dǎo)電的散熱材料，b)在點(diǎn)火器的導(dǎo)電端之間施加3-60V電壓，產(chǎn)生沖擊電流和穩(wěn)定態(tài)電流，穩(wěn)定態(tài)電流與沖擊電流比值至少為35％(至少為50％為宜)，并在小于3秒(小于2秒為宜)內(nèi)將加熱區(qū)溫度升高至1350℃。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的橫截面圖，其中，電絕緣散熱器作為插件位于點(diǎn)火器導(dǎo)電分支之間。
圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的橫截面圖，其中，電絕緣散熱器與加熱區(qū)的背面相接觸。
圖3是本發(fā)明優(yōu)選點(diǎn)火器的透視圖。
圖4是本發(fā)明點(diǎn)火器的橫截面圖，其中，加熱區(qū)包括兩個(gè)電阻部分。
圖5是本發(fā)明優(yōu)選坯件分解圖。
圖6是本發(fā)明用帶式澆注導(dǎo)電分支制成的點(diǎn)火器的橫截面圖。
圖7是實(shí)施例I的以電壓和溫度表示的電氣性能。
圖8a和8b是本發(fā)明點(diǎn)火器(8a)和現(xiàn)有技術(shù)點(diǎn)火器(8b)的沖擊電流強(qiáng)度和時(shí)間的函數(shù)。
本發(fā)明描述業(yè)已發(fā)現(xiàn)，將加熱區(qū)電路長度減小至小于0.5厘米，并使加熱區(qū)與電絕緣的散熱材料接觸，可以制得具有高速、對于對流冷卻的高阻力和低沖擊電流的點(diǎn)火器產(chǎn)品。而且，當(dāng)使用電子學(xué)方法或變壓器，降低點(diǎn)火器受到的有效電壓時(shí)，本發(fā)明較低的沖擊電流減輕了對這樣廣泛和昂貴的改進(jìn)的需要。
不希望受理論束縛，可以認(rèn)為增加散熱器的熱質(zhì)量可顯著減緩加熱區(qū)的對流冷卻，可以使加熱區(qū)在對流冷卻條件下，盡管其長度較小，仍能保持為熱。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，點(diǎn)火器為發(fā)夾型，包含兩個(gè)平行的導(dǎo)電分支和位于其間的連接它們的加熱區(qū)橋，分支之間余下的空間至少部分地填有電絕緣的散熱材料(如氮化鋁)，與加熱區(qū)接觸。例如，如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選點(diǎn)火器為發(fā)夾型，包含二根與電阻加熱區(qū)11電連接的分支9和13，兩分支13以相同方向從加熱區(qū)延伸出去。
在圖1中加熱區(qū)電路長度示為EPL，它小于0.5厘米。提供絕緣的散熱材料19作為與加熱區(qū)接觸的插件，基本上填滿了從加熱區(qū)11延伸出的導(dǎo)電分支之間的剩余空間。將成對的引線50和51與導(dǎo)電端9和13連接并施加電壓時(shí)，電流從第一根引線50流向第一導(dǎo)電分支9，通過加熱區(qū)11(從而使加熱區(qū)溫度上升)，然后通過第二導(dǎo)電分支13，在該處電流流出至第二引線51。
在另外的實(shí)施方案中，電絕緣的散熱材料與加熱區(qū)的其它表面接觸。如圖2所示，電絕緣材料18在平行導(dǎo)電分支9和13間形成的空間20的背面與加熱區(qū)11接觸。這樣的設(shè)計(jì)仍能夠提供高速和低沖擊電流所要求的散熱接觸，而不改變點(diǎn)火器的電氣性能。
通常，加熱區(qū)的高溫(即1350℃)電阻率在約0.001-3.0歐姆-厘米之間，室溫電阻率在約0.01-3歐姆-厘米之間，其特點(diǎn)是有正的電阻溫度系數(shù)(“PTCR”)。優(yōu)選的實(shí)施方案中，加熱區(qū)包括包含下列材料的第一電阻材料(a)約50-75％(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8.5-14％(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性導(dǎo)體。
在更好的實(shí)施方案中，加熱區(qū)包括包含50-75％(體積)AlN、13-41.5％(體積)SiC和8.5-12％(體積)MoSi2的第一電阻材料。在另外的優(yōu)選實(shí)施方案中，根據(jù)美國專利5,514,630，加熱區(qū)較好還包含1-10％(體積)的氧化鋁，此專利的說明書內(nèi)容在此引用作為參考。
參考圖3，加熱區(qū)厚度Thz一般約為0.05-0.2厘米，約0.06-0.125厘米為宜。其長度Lhz(在圖3中，它與電路長度相同)一般在0.05-0.45厘米之間，0.15-0.25厘米為宜。深度Dhz一般約為0.05-0.4厘米，0.1-0.25厘米為宜。
原料粉末和致密化的加熱區(qū)中顆粒的粒度宜與‘804專利中所述相同。一些實(shí)施方案中，致密體中各自加熱區(qū)組分的平均粒度(d50)如下a)電絕緣材料(即AlN)約2-10微米；b)半導(dǎo)體材料(即SiC)約1-10微米；c)金屬導(dǎo)體(即MoSi2)約1-10微米。
一些實(shí)施方案中，加熱區(qū)包括一對平行放置在導(dǎo)線之間的電阻部分。例如，如圖4所示，加熱區(qū)可以包括第一電阻部分15和第二電阻部分17，各自與導(dǎo)電端9和13并聯(lián)。在此具體實(shí)施方案中，設(shè)計(jì)為第一部分電阻率小于第二部分。不希望受理論的束縛，認(rèn)為室溫下，第一電阻部分有足夠低的電阻率以提供加熱點(diǎn)火器所需速度，而第二電阻部分有足夠高的電阻率，以抑制沖擊電流。高溫(即1350℃)時(shí)，認(rèn)為第二電阻部分相對較高的電阻率已足夠高(相對第一電阻部分)，可防止點(diǎn)火器功率過大。
加熱區(qū)第二電阻部分17的厚度和長度與第一電阻部分相同為宜。其深度一般約為0.25-0.125厘米，0.05-0.1厘米為宜。其室溫電阻率和1350℃電阻率一般大于第一電阻部分。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，通過選擇來形成第一電阻部分15的粉末與選擇來形成電絕緣散熱器19(位于普通發(fā)夾型點(diǎn)火器的分支之間)粉末的反應(yīng)，可就地形成第二電阻部分。不希望受理論的束縛，認(rèn)為第一電阻部分15的導(dǎo)電組分能擇優(yōu)擴(kuò)散到電絕緣散熱器19的粉末中并與之反應(yīng)，從而形成擴(kuò)散的第二電阻部分，其深度約為第一電阻部分15的1-20％。
電絕緣散熱材料19的作用是提供足夠的熱質(zhì)量，以減輕加熱區(qū)的對流冷卻。當(dāng)其作為插件放置在兩個(gè)導(dǎo)電分支之間時(shí)，還提供對導(dǎo)電分支9和13的機(jī)械支撐，使點(diǎn)火器更堅(jiān)固。插件的厚度和長度一般與導(dǎo)電分支9和13相同，寬度等于加熱區(qū)連接分支的部分。一些實(shí)施方案中，插件上有一縫隙40(如圖3所示)，以減少該體系的質(zhì)量。較好的電絕緣散熱器的電阻率至少約為104歐姆-厘米，強(qiáng)度至少約為150MPa。更好的電絕緣散熱材料的熱導(dǎo)率不會高到要加熱整個(gè)散熱器，并將熱量傳遞到導(dǎo)線，但也不會低到使其有益的散熱功能無效。用于散熱材料的合適陶瓷組合物包含至少90％(體積)(最好主要由它們組成)的至少一種選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅、氧化鋁和它們的混合物的組分。使用AlN-MoSi2-SiC加熱區(qū)的實(shí)施方案中，業(yè)已發(fā)現(xiàn)包含至少90％(體積)氮化鋁和多達(dá)10％(體積)氧化鋁的散熱材料具備相容的熱膨脹和致密化特性。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)氧化鋁還會抑制就地有效形成第二電阻部分所需的反應(yīng)。因此，想要就地形成第二電阻部分時(shí)，較好的插件主要由至少一種選自氮化鋁、氮化硼、氮化硅和它們的混合物的組分組成，更好的是由氮化硅組成。同樣，設(shè)計(jì)的加熱區(qū)具有較不明顯的就地形成的電阻部分時(shí)，電絕緣散熱材料可包含1-10％(體積)的氧化鋁。其它實(shí)施方案中，插件的1-10％(體積)是一種致密化助劑，選自氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化硅和(較好是)氧化釔，以及它們的混合物。優(yōu)選的實(shí)施方案中，插件的尺寸為4.0厘米(深度)×0.25厘米(寬度)×0.1厘米(厚度)。
導(dǎo)電端9和13提供電連接到電線的手段。它們較好也包含AlN、SiC和MoSi2，但是它們的導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料(即SiC和MoSi2)的百分?jǐn)?shù)明顯高于優(yōu)選加熱區(qū)組合物的。因此，它們的電阻率一般都比加熱區(qū)低得多，不會加熱到加熱區(qū)所經(jīng)受的溫度。它們較好的包含約20-65％(體積)氮化鋁和約20-70％(體積)的MoSi2和SiC，MoSi2和SiC的體積比值約為1∶1至1∶3。更好的導(dǎo)電端包含約60％(體積)AlN、20％(體積)SiC和20％(體積)MoSi2。優(yōu)選的實(shí)施方案中，導(dǎo)電端9和13的尺寸為0.05厘米(寬度)×4.2厘米(深度)×0.1厘米(厚度)。其它實(shí)施方案中，可將導(dǎo)電材料沉積在散熱材料和加熱區(qū)上，形成導(dǎo)電分支。
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)定組分的熱壓粉末混合物平片進(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5所示)，將主要由導(dǎo)電部分構(gòu)成的第一平片21置于一平面(未示出)上。按圖中所示方式將具有絕緣部分26和第一電阻材料28的第二平片24置于第一平片21上。然后將僅具有導(dǎo)電部分的第三平片32置于第二平片上。然后將該層疊物致密化，使不同的平片接合在一起。接著將致密化了的層疊物沿其厚度方向切割，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5所示的各平片生坯包含陶瓷層疊物的一個(gè)完整的層(例如，第二平片24具有絕緣部分26和電阻部分28)。或者，平片僅由層的一部分組成。在后者情況下，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5顯示了作為硬質(zhì)平片生坯的每一層，這些部分也可以按以下方法制成帶式鑄造、輥式壓實(shí)、熱擠壓，然后切割或絲網(wǎng)印刷。另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，如圖6所示，導(dǎo)電組合物的帶狀生坯60被纏繞在有電絕緣散熱器61和加熱區(qū)62的平片的三面。致密化后，通過研磨除去纏繞加熱區(qū)的那部分帶，如圖6的虛線A所示，以提供要求的線路。還可任選沿虛線B進(jìn)一步研磨點(diǎn)火器，提供一弧形端，象火柴棒的外觀。
當(dāng)使用電絕緣散熱材料作為插件時(shí)，由美國專利5,191,508中公開的常規(guī)方法制造點(diǎn)火器，此專利的說明書內(nèi)容在此引用參考。
陶瓷組分的處理(即，生坯處理和燒結(jié)條件)和從致密陶瓷制造點(diǎn)火器均可用任何常規(guī)方法進(jìn)行。通常，這些方法基本上根據(jù)‘804專利進(jìn)行。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，層疊物生坯通過在美國專利5,514,630中公開的玻璃介質(zhì)中的熱等靜壓成形而致密化，此專利說明書內(nèi)容在此引用參考。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。致密化加熱區(qū)的平均粒度一般在1-10微米之間，1-3微米為宜。
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、煤氣或燃油鍋爐和火爐頂。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，連續(xù)提供本發(fā)明的四個(gè)30V點(diǎn)火器，用作在120V煤氣范圍的燃?xì)饧訜嵩狞c(diǎn)火源。
雖然本發(fā)明點(diǎn)火器一般用于3V-60V的電壓范圍，但更多的是用于12V-40V范圍。認(rèn)為在3V-9V范圍，采用較小的加熱區(qū)長度和/或提高M(jìn)oSi2含量會提供獲得合適性能所需的較小電阻。
另外，本發(fā)明外露的電阻加熱區(qū)的表面能量負(fù)荷，按瓦/厘米2加熱區(qū)表面積計(jì)量，大于普通的‘804式點(diǎn)火器。本發(fā)明點(diǎn)火器的外露的電阻加熱區(qū)的表面負(fù)荷一般在200-400瓦/厘米2，這樣的負(fù)荷量表明對‘804式點(diǎn)火器進(jìn)行了改進(jìn)，而‘804式點(diǎn)火器在燒壞之前僅能提供約20-40瓦/厘米2的表面負(fù)荷(見‘804專利第7-8欄的表)。不希望受理論的束縛，認(rèn)為較大的表面負(fù)荷正是本發(fā)明點(diǎn)火器對于對流冷卻有大得多的阻力的原因。
一些實(shí)施方案中，加熱區(qū)和/或分支可以覆蓋保護(hù)性的陶瓷層，如CVD的、AlN或Si3N4。這些實(shí)施方案中，覆蓋過的點(diǎn)火器受到保護(hù)，不會有碳和粉塵沉積在小的加熱區(qū)而引起短路。
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。
實(shí)施例I基本按圖5所示式樣制造層疊物生坯。熱壓包含64％(體積)AlN、25％(體積)SiC和11％(體積)MoSi2的加熱區(qū)粉末混合物以及基本上由100％％(體積)氮化鋁粉末構(gòu)成的電絕緣散熱器粉末的組合粉末，熱壓形成坯料，然后切割為圖5中的生片24。熱壓后生坯體的加熱區(qū)部分，其密度約為理論密度63％，而AlN部分約為理論密度的60％。通過熱壓含20％(體積)AlN、60％(體積)SiC和20％(體積)MoSi2的粉末混合物形成坯料，其密度約為理論密度的63％，從該坯料切割出圖5中的平片21和32，可制成代表導(dǎo)電端的平片生坯。按圖5層壓坯料片，然后通過在約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，陶瓷塊有就地形成的第二電阻部分。接著將該陶瓷塊在寬度方向上切割，形成許多大小為1.5英寸×0.150英寸×0.030英寸(3.81厘米×0.75厘米×0.076厘米)的熱表面元件。制成的加熱區(qū)包括深度約為0.125厘米的第一電阻部分和就地形成的深度約為0.05厘米的第二電阻部分。加熱區(qū)長度(EOL)和厚度分別約為0.25厘米和0.076厘米。
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30V電壓。所得標(biāo)稱24V的點(diǎn)火器的電性能見圖7中的電壓和溫度關(guān)系。由于低溫電阻小于高溫電阻，加熱區(qū)具有有效的PTCR。點(diǎn)火器顯示穩(wěn)定的加熱性能并在僅約1秒鐘內(nèi)達(dá)到約1100-1350℃的設(shè)計(jì)溫度。如圖8a所示，發(fā)現(xiàn)沖擊電流僅為3.2安培。測定為54瓦的功率提供外露電阻加熱區(qū)約300瓦/厘米2的表面負(fù)荷。
實(shí)施例II此實(shí)施例表明，本發(fā)明的點(diǎn)火器與下面的比較例I的點(diǎn)火器相比，可提供優(yōu)良的對于對流冷卻的阻力。
基本上根據(jù)實(shí)施例I制成點(diǎn)火器。該點(diǎn)火器電路長度為0.25厘米。當(dāng)該點(diǎn)火器通以24V電源時(shí)，產(chǎn)生1.8安培的電流和1408℃的穩(wěn)定溫度。
在離點(diǎn)火器約1英尺處放置一個(gè)氣體罐，可提供400毫升/分鐘(ccm)的空氣?？諝鈬娚淦靼l(fā)出的氣流僅將加熱區(qū)溫度降低至1182℃?？諝鈬娚淦魑创迪c(diǎn)火器。
比較例I選擇諾頓公司按‘804專利銷售的普通的24V點(diǎn)火器進(jìn)行比較。該點(diǎn)火器的加熱區(qū)電路長度約2.05厘米。當(dāng)提供24V電源時(shí)，它可在約2-3秒達(dá)到約1100-1350℃，產(chǎn)生1410℃的穩(wěn)定溫度。如圖8b所示，有約11安培的沖擊電流強(qiáng)度，下降到約3安培。上述空氣噴射器發(fā)出的氣流使加熱區(qū)溫度降低至約950℃，低于要求的最低溫度1100℃。
向諾頓公司按‘804專利銷售的普通的12V點(diǎn)火器提供12V電源，產(chǎn)生約2.0安培的穩(wěn)定電流和1400℃的穩(wěn)定溫度。上述空氣噴射器發(fā)出的氣流使加熱區(qū)溫度降至低于600℃。
實(shí)施例III此實(shí)施例表明，本發(fā)明點(diǎn)火器的壽命試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)良。
24V的點(diǎn)火器(與實(shí)施例II使用的相同)進(jìn)行壽命周期試驗(yàn)，點(diǎn)火器接通20秒然后切斷20秒。543,000周期后，電流強(qiáng)度僅降低5.43％。這樣小的變化表明對‘804專利的改進(jìn)，‘804專利的點(diǎn)火器在同樣周期后電流強(qiáng)度降低16％。本發(fā)明點(diǎn)火器的溫度原來約為1393℃，壽命周期試驗(yàn)后僅降低至1379℃。
實(shí)施例IV此實(shí)施例檢測了點(diǎn)火器的性能，點(diǎn)火器的加熱區(qū)組合物與一種電絕緣的散熱材料接觸，該材料的組分能抑制就地形成的電阻區(qū)段的形成。具體而言，表明了由就地形成的第二電阻部分提供了降低沖擊電流強(qiáng)度的好處。
基本上按照實(shí)施例II所述的方式制成點(diǎn)火器，不同之處是，在插件組合物中加入4％(體積)的氧化鋁以抑制就地形成第二電阻組合物。
對制成的陶瓷的微結(jié)構(gòu)的測定表明，就地形成第二電阻部分的程度較低。認(rèn)為加入氧化鋁有效地抑制了第二電阻部分的形成。
在這種點(diǎn)火器上施加24V電壓時(shí)，它可以在約1秒達(dá)到約1350℃。而且是穩(wěn)定的。如圖8c所示，其沖擊電流僅為4安培，低于‘804專利的點(diǎn)火器，但高于實(shí)施例I的點(diǎn)火器。后者約為2安培。
比較例II此比較例證實(shí)了本發(fā)明點(diǎn)火器優(yōu)良的表面負(fù)荷。
向標(biāo)準(zhǔn)的24V點(diǎn)火器提供24V電源，達(dá)到穩(wěn)定溫度并產(chǎn)生1.57安培電流。當(dāng)電壓提高至35V時(shí)(產(chǎn)生2.3安培)，點(diǎn)火器失靈。失靈時(shí)點(diǎn)火器的表面負(fù)荷僅約為60瓦/厘米2。經(jīng)比較，實(shí)施例I的點(diǎn)火器的外露電阻加熱區(qū)的表面負(fù)荷約為300瓦/厘米2。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷點(diǎn)火器，它包括a)一對導(dǎo)電部分，每一部分都有一個(gè)第一端，b)位于兩導(dǎo)電部分之間與各自第一端電連接的電阻加熱區(qū)，加熱區(qū)有小于0.5厘米的電路長度，和c)接觸加熱區(qū)的不導(dǎo)電的散熱材料。
2.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)的室溫電阻率約為0.01-3.0歐姆-厘米，1350℃的電阻率約為0.001-3.0歐姆-厘米。
3.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)包括包含下列組分的第一電阻材料(a)約50-75％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8.5-14％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。
4.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述的不導(dǎo)電的散熱材料是一種選自AlN、Si3N4、BN、Al2O3和它們的混合物的陶瓷。
5.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述的兩個(gè)導(dǎo)電部分還包含以相同方向從加熱區(qū)伸出的第二端，形成一對分支，不導(dǎo)電的散熱材料位于分支間。
6.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)還包含就地形成的位于第一電阻材料和不導(dǎo)電的散熱材料之間的電阻部分。
7.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)還包含電阻率高于第一電阻材料的第二電阻材料。
8.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述不導(dǎo)電的散熱材料包含至少90％體積的選自AlN、Si3N4、BN、Al2O3和它們的混合物的陶瓷。
9.如權(quán)利要求8所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述不導(dǎo)電散熱材料主要由AlN組成。
10.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，加熱區(qū)還包括1-10％體積的Al2O3。
11.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述第一電阻材料包含50-75％體積的AlN、12-41.5％體積的SiC和8.5-12％體積的MoSi2。
12.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的電路長度為0.05-0.45厘米。
13.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的電路長度為0.15-0.25厘米。
14.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)厚度為0.05-0.2厘米，深度為0.05-0.4厘米。
15.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的平均粒度為1-10微米。
16.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的平均粒度為1-3微米。
17.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的密度至少為理論密度的95％。
18.如權(quán)利要求3所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述加熱區(qū)的密度至少為理論密度的99％。
19.如權(quán)利要求7所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述的第二電阻材料的深度約為第一電阻材料深度的1-20％。
20.如權(quán)利要求8所述的點(diǎn)火器，其特征在于，所述電絕緣的散熱材料還包含一種選自氧化釔、氧化鎂、氧化鈣和氧化硅以及它們的混合物的燒結(jié)助劑。
21.一種加熱方法，它包括下列步驟a)提供包含下列部分的陶瓷點(diǎn)火器i)一對導(dǎo)電部分，每一部分都有一個(gè)第一端，ii)位于兩導(dǎo)電部分之間與各自第一端電連接的電阻加熱區(qū)，加熱區(qū)有小于0.5厘米的電路長度，和iii)接觸加熱區(qū)的不導(dǎo)電的散熱材料；b)在點(diǎn)火器的導(dǎo)電端之間施加3-60V電壓，產(chǎn)生沖擊電流和穩(wěn)定態(tài)電流，穩(wěn)定態(tài)電流與沖擊電流比值至少為35％，并在約小于3秒內(nèi)將加熱區(qū)溫度升高至1350℃。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，穩(wěn)定態(tài)電流與沖擊電流的比值至少為50％。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述電阻加熱區(qū)包括包含下列組分的第一電阻材料(a)約50-75％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8.5-14％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)體的第一電阻材料。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述電阻加熱區(qū)包括包含50-75％體積的AlN、13-41.5％體積SiC和8.5-12％體積的MoSi2的第一電阻材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷點(diǎn)火器,它包括一對各自有第一端的導(dǎo)電部分,位于和導(dǎo)電部分之間和各自第一端電連接的電阻加熱區(qū),加熱區(qū)有小于0.5厘米的電路長度,以及接觸加熱區(qū)的不導(dǎo)電的散熱材料。
文檔編號H05B3/14GK1245556SQ97181554
公開日2000年2月23日 申請日期1997年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者C·A·維爾肯斯, L·S·貝特曼 申請人:圣戈本工業(yè)陶瓷股份有限公司