专利名称：陶瓷点火器的制作方法
技术领域：
本发明的一个方面是，提供新的陶瓷电阻点火器元件，它依次包含电连接的内部第一导电区、电阻加热区和外部第二导电区。在优选的点火器中，所述第一导电区的至少大部分不与陶瓷绝缘体接触。本发明优选的点火器大致呈杆状(例如具有圆形的如基本为圆盘形的截面形状)，并具有良好的机械整体性和时间-温度响应。
背景技术：
用陶瓷作为点火器材料已在例如煤气炉、取暖器和衣物烘干机方面取得很大成功。陶瓷点火器制作包括用陶瓷部件构建电路，所述陶瓷部件的一部分显示高电阻性，并在通过引线通电时其温度会上升。例如可参见美国专利No.6,028,292、5,801,361、5,405,237和5,191,508。
典型的点火器是大致为矩形的元件，其顶部是具有高电阻性的“加热区”，并在相反的点火器末端向所述加热区提供一个或多个导电的“冷却区”。一种目前市场上销售的点火器(商品名为“MiniIgniter”，美国新罕布什尔州Milford的Norton Igniter Products公司产品)被设计成适用于12-120V电压，其组成包含氮化铝(“AlN”)、二硅化钼(“MoSi2”)和碳化硅(“SiC”)。
陶瓷点火器系统有各种性能要求，包括高速亦即快速的时间-温度响应(即，从室温加热至所设计的点火温度所需的时间)以及足够的坚固性，可长时间使用而无需调换。然而，许多常用的点火器无法很好地满足这些要求。
火花点火器系统是陶瓷点火器应用的另一种摸索。例如可参见美国专利No.5,911,572，它公开了一种具体的火花点火器，据说可用于煤气炉的点火。火花点火器通常具有的一个性能优点是其点火迅速。即，一经激发，火花点火器就能非常迅速地点燃煤气或其它燃料源。
在一些应用中，快速点火是关键的。例如，所谓的“快速”水加热器正越来越流行(参见美国专利No.6,167,845、5,322,216和5,438,642)。与储存固定体积的热水不同，这些系统在开启自来水(例如，用户将龙头转到“开”的位置)后，几乎立刻就将水加热。因此，要求在开启水之后几乎立刻加热，以在水龙头转到“开”位置的几乎同时将热水送出。这样的快速水加热系统通常使用火花点火器。至少许多现有的陶瓷点火器的时间-温度响应太慢，以致于难以适合要求非常快速点火性的商业应用(例如，快速水加热器)。
目前的陶瓷点火器还面临着使用过程中(尤其是在会有持续冲击的环境中，例如，用于煤气炉的点火时)会断裂的问题。
因此，需要有一种新的点火系统。尤其需要有一种新的具有改进的时间-温度响应特性的陶瓷点火器。还需要有一种具有良好机械整体性的点火器。
发明内容
本发明提供一种陶瓷点火器，其不同电阻率区域具有新的构造。本发明的点火器具有突出的机械整体性和良好的点火性，例如快速的时间-点燃温度响应值。
更具体地说，本发明提供新的陶瓷电阻点火器元件，它依次包含电连接的第一导电区、电阻加热区和第二导电区。因此，在该器件的使用过程中，可通过使用电线将电力施加在第一导电区，而且，电线不会将电力施加在第二导电区。
较好的是，该第一导电区的至少大部分不与陶瓷绝缘体接触。缺乏陶瓷绝缘体可提高点火器系统的时间-点火温度响应值。
一个方面，本发明优选的点火器沿着点火器的至少一部分长度(例如，沿由点火器上电线固定点至电阻加热区方向延伸的长度)具有圆截面形状。更具体地说，优选点火器的至少一部分长度(例如，点火器长度的至少约10％、40％、60％、80％、90％)或点火器的整个长度可以具有大致椭圆形的、圆盘形的或其它圆形的截面形状。尤其优选的是基本圆盘形的截面形状，从而制得杆形点火器元件。
本发明还提供这样的点火器，沿该点火器的至少一部分长度它具有非圆形的或非圆盘形的截面形状。
本发明的点火器可具有各种构造。在一个优选的构造中，一个导电性轴状元件放置在一个导电性管状元件中，所述轴状元件和管状元件均与一个加热区帽盖或顶端区域相连。
更具体地说，优选的点火器还包括那些设计为同轴的点火器。较好的是，第一导电区在呈包壳的第二导电区内延伸，电阻(加热)区放置在沿横截面看相互叠合的导电区之间。在这样的构造中，第一和第二导电区被中间插入的陶瓷绝缘体区适当地隔离，所述陶瓷绝缘体区与所述导电区中的一个或两个相连。另一种并且通常是优选的方法是，在二个导电区之间插入空隙(空气)区域进行隔离。在这些构造中，第一导电区的至少一部分被第二导电区包住或置入第二导电区内，例如，第一导电区多达约百分之10、20、30、40、50、60、70、80或90的长度沿横截面方向与点火器外部导电区域相叠合(例如，可参见附图中举例性说明的点火器构造)。
本发明的陶瓷点火器可用于各种各样的额定电压，包括6、8、10、12、24、120、220、230和240V的额定电压。
本发明的点火器可用于各种器件和加热系统的点火。更具体地说，可提供包含本文描述的烧结的陶瓷点火器的加热系统。具体的加热系统包括煤气烹调用具、用于商务楼和居民楼的加热单元、以及需要非常快速点火的各种加热单元(例如，快速水加热器)。
下面描述本发明的其它方面。
图1是本发明优选的点火器系统的部分剖视图。
图2是沿图1的2-2线的剖视图。
图3是本发明的另一优选的点火器的剖视图。
图4是本发明的又一优选的点火器的剖视图。
图5和图6示出本发明的另一些优选的点火器。
图7A和图7B示出本发明的又一优选的点火器。其中，图7B是沿图7A中的7B-7B线的剖视图。
图8A和图8B示出本发明的又一优选的点火器。其中，图8B是沿图8A中的8B-8B线的剖视图。
具体实施例方式
如上面所讨论的，本发明提供包含新的导电(冷却)区和电阻(加热)区构造的陶瓷点火器系统。
本发明优选的点火器可显示快速的时间-温度响应值。本文中，术语“时间-温度响应”或类似的词语是指点火器的加热区从室温(约25℃)升至约1000℃的燃料(例如煤气)点火温度所需的时间。特定的点火器的时间-温度响应值可用双色红外高温计进行合适地测定。本发明特别优选点火器的时间-温度响应值可为约3秒或更低，甚至可为约2秒或更低。
参见图1，图1是一个优选的点火器系统10的部分剖视图，其中，导电性内芯元件12与电阻加热区14相连，该电阻加热区再与第二导电区16相连，所述电阻加热区14构成点火器10的最外侧下部区域20。
还可从图2中清楚地看出其电流路径电力通过插入的导电性内芯元件12进入点火器系统10，所述导电性内芯元件12与电阻加热区14相连。导电元件12的近端12a可通过例如铜焊固定在使用过程中向点火器提供电力的电线(图中未示出)上。点火器的近端10a可适当地安装在各种支架中，例如，如已公布的美国专利申请No.2003/0080103所公开的，用陶瓷塑料密封材料包封的导电性元件近端12a。
如图2所示，点火器10的电流路径从导电性内芯元件12通向电阻加热区14，随后再通向最外部的包封导电区16。
从图1和图2可知，第一(内芯)导电区12通过空隙区18与点火器其它区域隔开，直至在其远端部分12c与加热区14相连。而且，如上面所讨论的，在优选的系统(例如图1和图2所示系统)中，第一导电区的近端部分12a与现有系统中使用的陶瓷散热(绝缘体)区不接触。至少就许多应用而言，点火器较好不包含任何绝缘体或散热区域，仅包含两个电阻率不同的区域。即，所述点火器可以只有导电(冷却)区和更高电阻率的(加热)区。
如上面所讨论的，由于在第一导电区至少大部分长度上没有陶瓷绝缘体，使得点火器能够具有许多明显的优点，包括时间-温度响应得到提高。本文中，术语“第一导电区大部分长度”是指第一导电区从电线固定点至与加热区连接处之间测得的长度(图2中表示为距离a)中至少约40％不与陶瓷绝缘体材料接触。更好的是，第一导电区从电线固定点至与加热区连接处之间的长度(图2中表示为距离a)中至少约百分之50、60、70、80、90或95、或整个长度均不与陶瓷绝缘体材料相接触。在特别优选的系统中，如图1和图2中举例性说明的点火器所总体示出的那样，第一导电区的至少大部分长度暴露在例如空隙区域18中。
如上面所讨论的和图1中举例性说明的，较好的是，沿至少一部分所述点火器的长度，所述点火器的至少大部分(例如，图2中示出的长度a)具有圆截面形状。图1示出了一种特别优选的构造，在该构造中，点火器10沿其约整个长度上具有大致圆盘形的截面，从而产生一种杆状点火器元件。然而，如上面所讨论的，优选的系统还包括那些只有一部分具有圆截面形状的点火器，例如，最高占其长度(如图2中举例性说明的点火器长度a)约百分之10、20、30、40、50、60、70、80或90具有圆截面形状的点火器；在这样的设计中，点火器长度的其余部分可具有与外部边缘相应的形状。
图3示出另一较佳点火器30(剖视图)。在该点火器中，插入的第一导电区32从近端32a(如上面所讨论的，可以有电线固定在其之上)延伸至电阻区34，并被罩盖在第二导电区36内，二者之间夹有空隙区域38。
图4示出又一优选的点火器40(剖视图)。在该点火器中，插入的第一导电区42从近端42a(如上面所讨论的，可以有电线固定在其之上)延伸至电阻加热区44，并被罩盖在第二导电区46内，导电区42和46之间夹有空隙区域48。如图4中所示，第一导电区42在点火器的整个长度上具有变化的宽度a’，该宽度向着点火器电阻区的方向减小。也可使用具有其它变化宽度的内芯或第一导电区，例如，与在点火器近端的第一导电区宽度相比，朝着点火器电阻加热区方向第一导电区宽度增大的点火器。
图5是本发明的另一优选的点火器50的半剖视图。该点火器50包含一个第一导电区53，该第一导电区53与远侧的电阻加热区52相连并被罩盖在第二外部导电区56内。第一和第二导电区至少部分地被空隙58隔开。该点火器的电流传导路径从第一导电区53通向加热区52、然后通向呈包壳的第二导电区56，再通向区域54。
图6示出了本发明的又一点火器系统60。与导电区点火器宽度或横截面相比，该点火器系统60在远侧电阻区的点火器宽度或横截面减小。例如，点火器在第一导电区62的横截面或宽度(图6中的宽度f)最大，比加热区64的最小横截面或宽度(图6中的宽度g)大至少2、3、4、5、6、7、8、9或10倍。
同样地，参见图5，点火器50的最大横截面可以比加热区52的最小横截面大至少2倍，更好的是，点火器最大横截面比加热区52的最小横截面大至少3、4、5、6、7、8、9或10倍。
通过如此减小加热区的宽度或横截面，可使形成导电区和加热区的组合物之间的差异最小化，从而具有加强不同区域连接等优点，包括使各区域组合物的热膨胀系数良好匹配，由此可以避免点火器开裂或其它潜在的劣化。
更具体地说，加热区的这种小的宽度或横截面可以在该加热区使用这样的陶瓷组合物，即它是相对导电的并至少与导电区使用的陶瓷材料接近。在这些系统中，不是由陶瓷材料本身，而是由减小的加热区宽度产生电阻性加热。
如上面所讨论的，虽然对许多应用而言，圆截面形是优选的，但本发明较好的点火器还可以在其至少一部分长度上具有呈非圆形的或非圆盘形的横截面，例如，最高或至少占其长度(图2中举例性说明的点火器长度a)的百分之10、20、30、40、50、60、70、80或90的点火器长度具有非圆形的或非圆盘形的横截面，或在点火器的整个长度(图2中举例性说明的点火器长度a)具有非圆形的或非圆盘形的横截面。
可使用基本上呈正方形(非圆形)剖面的点火器，如图7A和7B中举例说明的点火器元件70。点火器70包含具有角形横截面(更具体地说，如图7B中清楚地描述的大致正方形的横截面)的矩形状或柱状内芯导电区72和同样角形的外部导电区74和加热区(在图7A的剖视图中未示出加热区)。
还可以使用如图8A和8B中举例说明的点火器元件80那样的具有不规则圆形(非圆盘形)剖面的点火器。点火器80包含各自具有不规则圆形横截面的内芯导电区82和外部导电区84。
本发明的点火器的尺寸可在大的范围内变化并可根据点火器的拟定用途进行选择。例如，优选点火器的长度(图2中的长度a)可在约0.5-5cm的范围内适当选择，较好地为约1-3cm，点火器横截面宽度(图2中的长度b)可在约0.2-3cm的范围内适当选择。
同样地，导电区和加热区的长度也可适当变化。较好的是，图1和图2所示结构的点火器的第一导电区长度可在0.2至2、3、4或5cm或超过5cm的范围内。第一导电区的更典型的长度约为0.5-5cm。加热区的高度(图2中的长度d)可在约0.1cm至约2、3、4或5cm的范围内，加热区的总电流路径长度(图2中以虚线表示)约为0.2cm至2cm或以上，最好约为1.5或2cm。
在优选的系统中，本发明点火器的加热区亦即电阻区在额定电压下会加热至小于约1450℃的最大温度。在约为额定电压的110％的高端线路电压下，最大温度小于约1550℃，在约为额定电压的约85％的低端线路电压下，最大温度小于约1350℃。
可使用各种组合物来形成本发明的点火器。一般而言，优选的加热区组合物至少包含三种组分1)导电性材料、2)半导体材料、3)绝缘材料。导电(冷却)区域和绝缘(散热)区域可由相同组分构成，但各组分的比例可不同。典型的导电性材料包括例如二硅化钼、二硅化钨、氮化物(如氮化钛)和碳化物(如碳化钛)。典型的半导体包括碳化物，如碳化硅(掺杂的和未掺杂的)和碳化硼。典型的绝缘材料包括金属氧化物(如氧化铝)或氮化物(如AlN和/或Si3N4)。
本文中，术语“电绝缘材料”是指室温电阻率至少约为1010Ω-cm的材料。本发明点火器的电绝缘材料组分可仅由或主要由一种或多种金属氮化物和/或金属氧化物构成，或者，所述绝缘组分也可以含有除金属氧化物或金属氮化物之外的其它材料。例如，绝缘材料组分还可含有氮化物(如氮化铝(AlN)、氮化硅或氮化硼)、稀土金属氧化物(如氧化钇)、稀土金属氮氧化物。绝缘组分的优选的添加材料是氮化铝(AlN)。
本文中，术语“半导体陶瓷”是指室温电阻率约为10-108Ω-cm的陶瓷。若加热区组合物中存在的半导体组分大于约45v/o(此时导电陶瓷约为6-10v/o)，则该组合物的导电性对于高电压应用而言就太大(由于缺乏绝缘体)。而若半导体材料的存在量小于约10v/o(此时半导体陶瓷约为6-10v/o)，则该组合物的电阻就太大(由于绝缘体太多)。另外，在导电体含量大的情况下，需要更多的绝缘体与半导体成分的电阻性混合物以获得所需电压。通常，所述半导体是一种碳化物，选自碳化硅(掺杂的和未掺杂的)和碳化硼。一般以碳化硅为佳。
本文中，术语“导电材料”是指室温电阻率小于约10-2Ω-cm的导电材料。若加热区组合物中的导电成分存在的量大于约35v/o，则生成的陶瓷的导电性会变得太大。通常，所述导体选自二硅化钼、二硅化钨、氮化物(如氮化钛)和碳化物(如碳化钛)。一般以二硅化钼为佳。
一般地，优选的加热(电阻)区组合物包括(a)约50-80v/o电阻率至少约为1010Ω-cm的电绝缘性材料、(b)约5-45v/o电阻率约为10-108Ω-cm的半导体材料和(c)约5-35v/o电阻率小于约10-2Ω-cm的金属导体。较好的是，所述加热区包含50-70v/o的电绝缘陶瓷、10-45v/o的半导体陶瓷和6-16v/o的导电性材料。用于本发明点火器的特别优选的加热区组合物含10v/o的MoSi2、20v/o的SiC和余量的AlN或Al2O3。
如所讨论的，本发明点火器包含与加热(电阻)区电连接的较低电阻率的冷却区，可以将引线接在其上面。较好的冷却区包括由例如AlN和/或Al2O3或其它绝缘材料；SiC或其它半导体材料；和MoSi2或其它导电性材料构成的区域。但冷却区所含的导电材料和半导电性材料(例如SiC和MoSi2)的量要明显地高于加热区所含的这些材料的量。优选的冷却区组合物包含约15-65v/o的氧化铝、氮化铝或其它绝缘材料；和约20-70v/o的MoSi和SiC或其它导电性和半导电性材料，其体积比约为1∶1至约1∶3。对于许多应用而言，更好的是，冷却区包含约15-50v/o的AlN和/或Al2O3、15-30v/o的SiC和30-70v/o的MoSi2。为便于制备，较好的是，冷却区组合物由与加热区组合物相同的材料形成，但半导电性材料和导电性材料的相对量更大。
用于本发明点火器的一个特别优选的冷却区组合物含20-35v/o的MoSi2、45-60v/o的SiC和余量的AlN或Al2O3。
至少就一些应用而言，本发明的点火器可适当地包含非导电性(绝缘体或散热)区域，虽然如上面所讨论的，本发明特别优选的点火器不含这样的陶瓷绝缘体，即它至少绝缘与第一导电区大部分长度接触的部件。
若使用的话，这种散热区可以与导电区亦或加热区相连或者同时与两者相连。较好的是，这种烧结的绝缘体区域在室温的电阻率至少约为1014Ω-cm，在操作温度条件下的电阻率至少为104Ω-cm，强度至少为150MPa。更好的是，这种绝缘体区域在操作(点火)温度条件下的电阻率比加热区电阻率大至少2个数量级。合适的绝缘体组合物包含至少约90v/o的一种或多种氮化铝、氧化铝和氮化硼。本发明点火器的一个特别优选的绝缘体组合物由60v/o的AlN、10v/o的Al2O3和余量的SiC构成。与本发明点火器一起使用的另一优选的加热组合物包含80v/o的AlN和20v/o的SiC。
可采用常规方法并且如上所述加工陶瓷组分(即，坯体和烧结条件)和用该密化陶瓷制作点火器。通常，这些方法基本上按照属于Wilkens的美国专利No.5,786,565和属于Axelson等的美国专利No.5,191,508中公开的方法进行。
简要地说，可使用二个独立的烧结工序第一步是热压，然后第二步是高温烧结(例如，1800或1850℃)。由第一步烧结获得占理论密度约55-70％的致密度，由第二步更高温度的烧结获得理论密度99％以上的最终致密度。
一旦致密的陶瓷点火器体形成，可通过机钻形成空隙区域(如图1和图2中示出的区域18)。合适的制作方法描述在下面的实施例1中。
本发明点火器可用于许多应用，包括气相燃料点火应用(如煤气炉和烹调用具)、踢脚板式取暖器、锅炉和炉顶(stove tops)。本发明的点火器尤其可用作炉顶式燃气具和煤气炉的点火源。
如上面所讨论的，本发明的点火器在点火最好是快速的或必须是快速的情况下特别有用。例如，在点燃快速水加热器等的加热燃料(气体)的情况下。
本发明的点火器还特别适合在液体燃料(例如煤油、汽油)蒸发和引燃的情况下用于点火，例如，用于交通工具(如汽车)加热器，以预热该交通工具。
本发明的优选的点火器与通常称作热线点火塞的加热元件是明显不同的。其中，通常使用的热线点火塞往往加热至较低温度，例如，最高温度约为800℃、900℃或1000℃，由此加热一定体积的气体，而非直接将燃料点燃，而本发明的优选的点火器可提供更高的最高温度，例如至少约为1200℃、1300℃或1400℃，直接将燃料点燃。本发明的优选的点火器还无需在元件周围或至少其一部分进行不透气密封以形成气体燃烧室(如热线点火塞系统通常采用的那样)。还有，本发明的许多优选的点火器可在较高线路电压(例如，大于24V的线路电压，例如60V或以上或120V或以上，包括220、230和240V)条件下使用，而热线点火塞通常仅在12-24V条件下使用。
下面通过非限定性的实施例对本发明进行说明。本文中提到的所有文献均以引用的方式整体插入文本作为本文的一部分。
实施例1点火器的制作本发明的点火器用按如下方法制作。制备用于形成第一个点火器的加热区组合物和冷却区组合物。所述加热区组合物包含占加热区组合物总量的70.8体积％的Al2O3、20体积％的SiC和9.2体积％的MoSi2。所述冷却区组合物包含占冷却区组合物总量的20体积％的MoSi2、20体积％的SiC和60体积％的Al2O3。将冷却区组合物加载到热锻模冲压模中，并将加热区组合物加载在同一模中的上述冷却区组合物之上。
加热加压，使上述组合物的复合致密化成一体，形成固体双层块体。从该块体中切削出直径为0.25英寸的圆柱体，它带有与导电性底部区域相连的加热区顶部区域。然后对该点火器进行机钻，在导电性区域形成一个除去的管道(总体如图1和图2中的空隙18所示)。
对用该机钻方法制得的点火器施加50V电压，其电阻区温度达到1073℃。对同一点火器施加40V电压，其温度为942℃。
上面对本发明的具体实施方式
进行了详细的描述。但应该理解，本领域的技术人员可以在考虑了本文内容之后，在不偏离本发明的实质和范围的情况下对本发明进行变更和改进。
权利要求
1.一种陶瓷点火器，至少有一部分所述点火器的长度具有圆截面形状，所述陶瓷点火器依次包含电连接的第一导电区、电阻加热区和第二导电区，至少大部分所述第一导电区与陶瓷绝缘体不接触。
2.如权利要求1所述的陶瓷点火器，其特征在于，所述点火器的至少大部分长度具有基本上不变的宽度。
3.如权利要求1所述的陶瓷点火器，其特征在于，在包含第一和第二导电区的区域中所述点火器的宽度大于在包含加热区的区域中所述点火器的宽度。
4.如权利要求3所述的陶瓷点火器，其特征在于，在导电区区域中所述点火器的宽度比在加热区区域中所述点火器的宽度至少大约3倍。
5.如权利要求1所述的陶瓷点火器，其特征在于，第一导电区至少部分被罩盖在第二导电区内。
6.如权利要求1或2所述的陶瓷点火器，其特征在于，所述点火器的横截面基本是圆盘形的。
7.如权利要求1所述的陶瓷点火器，其特征在于，所述第一导电区和第二导电区与所述加热区相反的两端相连。
8.如权利要求1所述的陶瓷点火器，其特征在于，所述点火器的电流路径依次通过第一导电区、加热区和第二导电区。
9.如权利要求1所述的陶瓷点火器，其特征在于，所述点火器不含陶瓷绝缘体区域。
10.一种陶瓷点火器，它依次包含电连接的第一导电区、电阻加热区和第二导电区，所述第二导电区基本上罩盖第一导电区。
11.如权利要求10所述的陶瓷点火器，其特征在于，沿第一和第二导电区之间的至少一部分长度插有空隙区域。
12.一种气体燃料的点火方法，它包括在权利要求1-11中任一项所述的点火器上通电流。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电流的额定电压为6、8、10、12、24、120、220、230或240V。
14.一种加热装置，它包含权利要求1-11中任一项所述的点火器。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，它是快速水加热器。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，它是烹调用装置。
17.一种陶瓷点火器，在至少一部分所述点火器的长度上它具有圆截面形状，所述点火器依次包含电连接的第一导电区、电阻加热区和第二导电区，所述点火器适应大于24V的线路电压。
全文摘要
提供一种新的陶瓷电阻点火器元件，它依次包含电连接的第一导电区、电阻加热区和第二导电区。在优选的点火器中，第一导电区的至少大部分不与陶瓷绝缘体接触。本发明的优选的点火器至少在其一部分长度呈现圆形横截面。
文档编号F23Q7/22GK101061352SQ200580037193
公开日2007年10月24日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者S·安娜瓦拉普, T·J·谢里丹 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司