专利名称：陶瓷点火器的制作方法
技术领域：
本发明一方面提供了一种制造陶瓷电阻性点火器元件的新方法，所述方法包 括基本无压烧结形成的点火器元件坯料。本发明也提供了由本发明所述制造方法得 到的点火器元件。
背景技术：
陶瓷材料作为例如燃气炉、加热器和衣物干燥器的点火器已取得了很大的 成功。制造陶瓷点火器包括用陶瓷部件构造电路，所述陶瓷部件的一部分是高 电阻的，经引线通电后其温度会上升，例如可参见美国专利6,582,629、 6,278,087、 6,028,292、 5,801,361、 5,786,565、 5， 405'237和5， 191, 508。典型的点火器一般是矩形元件，点火器顶端带有高电阻的"加热区"以及 从点火器相反一端与所述加热区相连的一个或多个导电"冷区"。 一种目前可 从Norton Igniter Products of Milford， N. H获得的Moni-Igniter 点火器 被设计成用于12-120V电压，并且其组成包括氮化铝(A1N) 、 二硅化钼(MoSi2) 和碳化硅(SiC)。点火器制造方法包括间歇型工艺，其中在模具中装入具有至少两种不同电 阻系数的陶瓷组合物。所形成的元件坯料接着在高温和高压下致密化(烧结)。 具体参见上述专利以及美国专利6, 184， 497。虽然这些制造方法可有效制造陶瓷点火器，但是这些制造方法在产量和成 本效率方面存在本身的缺陷。因此，需要提供新的点火系统。特别需要提供制造陶瓷电阻性元件的新方 法。也需要提供更有效的制造方法
发明内容
本发明提供了制造陶瓷点火器元件的新方法，所述方法包括在基本上不提 高压力的条件下烧结陶瓷点火器元件。该无压烧结制造方法相比现有方法可提 高产量和成本效率。本发明的较好方法包括形成包含烧结助剂的陶瓷点火器元件，然后在升温条件(例如超过140(TC，通常超过1600。C，例如至少170(TC或1800°C)下硬 化所形成的元件。较好地，所述烧结在惰性气氛(例如在惰性气体如氩气或氮 气气氛)下进行。所述硬化在基本上不提高压力的条件(例如压力不超过l、 2 或3个大气压，压力通常不超过1或2个大气压)下进行。较好地，所述硬化处理使陶瓷元件的致密度至少为95%,更好至少为96、 97、 98或99%。包括所述升温的硬化步骤进行的时间长得足以得到该致密度， 所述时间可以是几小时或更长。如上所述，在存在一种或多种烧结助剂材料的条件下进行烧结，所述烧结 助剂材料通常与用于形成陶瓷元件的陶瓷组合物(例如一种或多种陶瓷粉末) 混合。已发现在烧结过程中使用一种或多种烧结助剂有助于即使在基本上不提 高压力的条件下也可使陶瓷组合物致密。各种合适的烧结助剂材料可用于形成本发明所述的陶瓷元件。较好的烧结 助剂材料包括稀土氧化物，例如氧化钇、钆材料(例如氧化钆即Gd203 )、铕材 料(例如氧化铕即Eu203 )、镱材料(例如氧化镱即Yb203 )、或镧材料(例如 镧或La20:i)。可使用特定的陶瓷组合物和形成陶瓷元件坯料的方法以便在基本上不提 高压力的条件下制造致密陶瓷元件。更具体地说，用于形成陶瓷元件的较好陶瓷组合物可至少基本上不含或完 全不含碳化硅或其它碳化物材料。在本文中，以所述陶瓷组合物的总重量计， 如果所述陶瓷组合物包含小于5重量％、更好小于约4、 3、 2、 l或0.5重量 %的碳化硅或其它碳化物材料的话，则该陶瓷组合物至少基本上不含碳化硅或 其它碳化物材料。
通过本发明低压致密方法形成陶瓷元件的较好陶瓷组合物优选包括氧化铝(Al20:i)和/或氮化铝(A1N)。为了烧结包含氧化铝的陶瓷元件，所述元件的烧结较好在至少基本上不含氮气(例如以总气氛计小于5体积％氮气)、更好在至少本质上不含氮气(例 如以总气氛计小于2体积％氮气)、或最好完全不含氮气的气氛中进行。例如， 烧结可在氩气气氛中进行。为了烧结包含A1N的陶瓷元件，所述元件的烧结较好在包含至少一些氮气 的气氛中进行，例如所述气氛包含至少约5体积％ (即以总气氛计至少5体积 %氮气)，或更高含量例如至少约10体积％氮气(即以总气氛计至少IO体积 %氮气)。也较好通过注射铸造(injection molding)法形成陶瓷元件。如本文通常 所述，术语"注射铸造的"、"注射铸造"或其它相似的术语表示一种通用方 法，它将一种材料(本文所用足陶瓷或陶瓷前体材料)通常在压力条件下注入 或HI入形状为陶瓷兀件需成形的模具中，然后冷却，随后取出复制了模具形状 的固化兀件。在本发明点火器元件的注射铸造成形过程中，可将陶瓷材料(例如陶瓷粉 末混合物、分散体或其它制剂)或陶瓷前体材料或组合物压入模具元件中。在合适的制造方法中，可依次注射铸造具有不同电阻率的陶瓷或陶瓷前体 材料制成具有不同电阻率区域(例如导电区、绝缘或散热区和高电阻性"加热" 区)的整体点火器元件。例如，可通过将具有第一电阻率的陶瓷材料(例如可用作绝缘区或散热区 的陶瓷材料)注入限定所需基体形状(例如杆形)的模具元件来形成基体元件 (base element)。可从该第一模具中取出所述基体元件，并放入一个不同的 第二模具元件中，可向该第二模具注入具有不同电阻率的陶瓷材料(例如导电 陶瓷材料)，以提供点火器元件的导电区。同样地，可从该第二模具中取出所 述基体元件，并放入一个不同的第三模具元件中，可向该第三模具注入具有不 同电阻率的陶瓷材料(例如电阻性加热区陶瓷材料)，以提供点火器元件的电 阻性加热区或点火区。在本发明的较好方面中，点火器元件的至少三个部分以单一的制造次序注
射铸造成陶瓷组件，即所谓的"多点(multiple shot)"注射铸造工艺，其 中具有不同电阻率的点火器元件的多个部分(例如热或高电阻性部分、冷或导电部分和绝缘或散热部分)在同一制造次序中制造。在至少某些实施方式中， 单一的制造次序包括依次注射铸造陶瓷材料，没有从元件形成区域移走元件和 /或没有通过注射铸造以外的其它方法将陶瓷材料沉积到元件部件上。例如在一个方面中，可注射铸造第一绝缘(散热)部分，然后，在第二步 骤中围绕该绝缘部分注射铸造支柱部分(leg portion)，在第三步骤中，通 过注射铸造将导电加热区或点火区施加到包含绝缘区和导电区的结构体 (body)上。另一个实施方式提供了制造电阻性点火器的方法，它包括注射铸造陶瓷元 件的一个或多个部分，所述陶瓷元件包括三个或多个不同电阻率的区。本发明的制造方法可包含加入陶瓷材料的其它方法，以制造形成的陶瓷元 件。例如， 一层或多层陶瓷层可例如通过陶瓷组合物浆料的浸涂、喷涂等施加 到形成的元件上.按电流的次序(all in electrical squence)，由本发明方法得到的较 好陶瓷元件包括第一导电区、电阻性加热区和第二导电区。较好地，在使用该 器件的过程中，可使用电引线将电源施加到第一或第二导电区(但通常并不同 时施加到两个导电区)。本发明特别好的点火器沿至少一部分点火器长度(例如从电引线附着到点 火器的地方到电阻性加热区之间的长度)具有圆化的(rounded)截面形状。 更具体地说，较好的点火器在至少一部分点火器长度(例如至少约10%、 40 %、 60%、 80%、 90%点火器长度或整个点火器长度)上具有基本椭圆、圆形 或其它圆化的截面形状。特别优选的是基本上圆形的截面形状，它提供了杆形 点火器元件。该杆形构造提供了更高的剖面模数(Section Moduli)，因此可 提高所述点火器的机械整体性。本发明的陶瓷点火器可在大范围的标称电压下使用，包括6、 8、 10、 12、 24、 120、 220、 230和240伏的标称电压。本发明的点火器可用于在许多器件和加热系统中点火。更具体地说，提供 的加热系统包括本文所述的烧结陶瓷点火器元件。具体的加热系统包括燃气烹
饪单元、商用或住宅建筑物用的加热单元(包括热水器)。 以下描述本发明的其它方面。附图简述
图1A和1B描述了本发明的点火器的顶视图和俯视图；图2A描述了沿图1A所示的线2A — 2A得到的剖面图；和 图2B描述了沿图1A所示的线2B — 2B得到的剖面图。
具体实施方式
如上所述，本发明提供了制造陶瓷点火器元件的新方法，它包括在基本上 不提高压力的条件下硬化(致密化)形成的陶瓷元件坯料。在本发明中，在一种或多种烧结助剂材料的存在下进行烧结，所述烧结助 剂材料通常与用于形成陶瓷元件的陶瓷组合物(例如一种或多种陶瓷粉末)混合所述一种或多种烧结助剂材料的用量优选较低，例如以包含一种或多种烧 结助材料的陶瓷组合物的重量计小于约10、 8或5重量％。更具体地说，以包 含一种或多种烧结助剂材料的陶瓷组合物的重量计， 一种或多种烧结助剂材料 在陶瓷组合物的用量小于约4重量％，例如最高约1、 2或3重量％。以包含一种或多种烧结助剂材料的陶瓷组合物的重量计， 一种或多种烧结助剂材料的 用量较好至少约O. 1、 0.25或0. 5重量％。如上所述，陶瓷元件较好通过注射铸造技术形成。因此，例如如上所述， 可将具有第一电阻率的陶瓷材料(例如可用作绝缘或散热区的陶瓷材料)注入限定所需基体形状(例如杆形)的模具元件，形成基体元件。可从该第一模具 中取出所述基体元件，并放入不同的第二模具元件，将具有不同电阻率的陶瓷 材料(例如导电陶瓷材料)注入第二模具，以得到点火器元件的导电区。同样 地，可从该第二模具中取出所述基体元件，并放入不同的第三模具元件中，可 将具有不同电阻率的陶瓷材料(例如电阻性加热区陶瓷材料)注入第三模具，以提供点火器元件的电阻性加热区或点火区。或者，并不使用多个不同的模具元件，而是将不同电阻率的陶瓷材料顺序 压入或注入同一个模具元件。例如，可将预定体积的第一陶瓷材料(例如可用 作绝缘或散热区的陶瓷材料)送入限定所需基体形状的模具元件，然后将具有 不同电阻率的第二陶瓷材料施加到所形成的基体上。可以流体制剂的形式将陶瓷材料压入(advance)(注入)模具元件，所 述流体制剂包括一种或多种陶瓷材料，例如一种或多种陶瓷粉末。例如，可制备陶瓷粉末的浆料或糊状组合物，例如通过将一种或多种陶瓷 粉末与水溶液或包含一种或多种可互溶的有机溶剂(例如醇等)的水溶液混合 得到浆料。用于挤出的较好陶瓷浆料组合物可如下制备混合水的液体组合物 中的一种或多种陶瓷粉末例如MoSi2、 A1A和/或A1N，并任选地与一种或多种 有机溶剂，例如一种或多种可与水混溶的有机溶剂(例如纤维素醚溶剂、醇等) 相混合。陶瓷浆料也可包含其它材料，例如一种或多种有机增塑剂化合物以及 任选的一种或多种聚合物粘合剂。可使用各种成形或赋形(inducing)元件来形成点火器元件，所述成形或 赋形元件的构造对应于形成的点火器的所需形状。例如，为了形成杆形元件， 可将陶瓷粉末糊浆注入圆筒形模具元件。为了形成柱形(stilt)或矩形点火 器元件，可使用矩形模具。将陶瓷材料压入(advance)模具元件后，成形的陶瓷部件较好可在超过 5(TC或6(TC的温度下干燥足够长的时间，以除去所有溶剂(水性和/或有机) 载体。下述实施例描述了形成点火器元件的较好注射铸造方法。现在参照附图，图1A和1B描述了本发明合适的点火器元件10，它通过注 射铸造具有不同电阻率的区制得。如图1A所示，点火器IO包含中央散热或绝缘区12，它包封在具有不同电 阻率的区中，即位于近端部分16中的导电区14在点火器远端部分18中具有 更高的电阻，并且该区域的体积相对较小，因此可用作电阻性加热区20。图1B描述了露出散热区12的点火器底面。图2A和2B的截面图进一步描述了点火器10，它包括位于点火器近端16 中的导电区14A和14B以及位于点火器远端18中的相应电阻性加热区20。在使用过程中，电源施加到点火器10 (例如通过一根或多根图中没有显示 的电引线)，并进入导电区14A，所述导电区14A提供了通过电阻性点火区20 然后通过导电区14B的电路回路。导电区14的近端14a可适当地(例如通过 铜焊)固定到在使用过程中向所述点火器供应电能的电引线(图中没有显示) 上。所述点火器近端10a较好可安装在各种固定物上，例如如美国公开专利申 请2003/008013所述的那样，用陶瓷塑料密封材料包封导电元件近端14a。也 可适当地使用金属固定物用于包封所述点火器近端。如上所述以及如图1A、 1B、 2A和2B的点火器10所示，沿点火器的至少 一部分长度(例如图1B所示的长度x)所述点火器至少主要部分具有圆化的截 面形状。图1A、 1B、 2A和2B所示的点火器10描述了特别优选的构造，其中 点火器10在点火器的几乎全部长度上具有基本上圆形的截面形状，以提供杆 形点火器元件。但是，较好的系统也包含下面这些，其中仅点火器的一部分(例 如最高约10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80或90%的点火器长度)(图1B所 示的点火器长度x)具有圆化的截面形状；在这些设计中，其余的点火器长度 可具有带外部边缘的外形。可根据具体应用的需要制造各种构造的点火器。因此例如为了提供特定的 构造，可使用合适的形状-诱导模具元件，从而可通过该形状-诱导模具元件注 射陶瓷组合物(例如陶瓷糊桨)。本发明点火器可制成各种尺寸，且可根据点火器的具体用途选择该尺寸。 例如，较好点火器的长度(图1B中的长度x)可为约0. 5-5cm，更好为约l-3cm， 且所述点火器截面宽度(图lB所示的长度y)较好可为约0.2-3cm。同样地，所述导电和加热区的长度也可适当地变化。较好地，图1A所示 构造的点火器第一导电区的长度(图1A所示近部16的长度)可为0.2到2、 3、 4、 5cra或更长。通常，第一导电区的长度可约为0. 5-5cm。加热区电路总长度 (图1A所示的长度f)较好约为0.2-5cm或更长。在较好的系统中，本发明点火器的加热区或电阻性区可在标称电压下加热 到约小于145(TC的最高温度；可在上限线路电压(其大约是标称电压的110%) 下加热到约小于155(TC的最高温度；可在下限线路电压(其大约是标称电压的 85%)下加热到约小于1350'C的最高温度。可使用各种组合物形成本发明的点火器。通常，较好的加热区组合物包括 两种或多种组分1)导电材料；2)半导电材料；和3)绝缘材料。导电(冷) 和绝缘(吸热)区可包括相同的组分，但是该组分可具有不同的组分含量。导 电材料通常包含例如二硅化钼、二硅化钨和氮化物(例如氮化钛)。绝缘材料 通常包含金属氧化物例如氧化铝或氮化物例如A1N和/或Si3N4。如本文所述，术语"电绝缘材料"指室温电阻率至少约10"欧姆-厘米的材料。本发明点火器的电绝缘材料组分可由或主要由一种或多种金属氮化物和 /或金属氧化物组成，或者，所述绝缘组分可包含除了所述金属氧化或金属氮化物以外的材料。例如，所述绝缘材料组分还可包含氮化物例如氮化铝(A1N)、 氮化硅或氮化硼；稀土氧化物(例如氧化钇)；或稀土氮氧化合物。所述绝缘 组分的较好加入材料是氮化铝(A1N)。本文中，半导体陶瓷(或半导体)是室温电阻率为约10-108欧姆-厘米的 陶瓷。如果所述半导电组分的含量超过加热区组合物的约45v/o (此时导电陶 瓷的含量约为6-lOv/o),所得组合物在高电压用途中导电性变得太高(这是 因为缺少绝缘体)。相反地，如果半导体材料的含量小于约lOv/o (此时导电 陶瓷的含量约为6-lOv/o)，所得组合物的电阻性变得太高(这是因为绝缘体 太多)。另外，在高导体含量的情况下，需要更多的绝缘体和半导体组分的电 阻性混合物，以込到所需的电压。如本文所述，导电材料是室温电阻率小于约10—2欧姆-厘米的材料。如果 所述导电组分的含量大于加热区组合物的35v/o，那么所得加热区组合物陶瓷 (即所得陶瓷)的导电性变得太高。通常，所述导体选自二硅化钼、二硅化钩 和氮化物(例如氮化钛)和碳化物(例如碳化钛)。通常二硅化钼是较好的。通常，较好的加热(电阻性)区组合物包含(a)约50-SOv/o的电绝缘 材料，其电阻率至少约10'。欧姆-厘米；(b)约0 (当不包含半导体材料时) -45v/o的半导电材料，其电阻率约为10-108欧姆-厘米；和(c)约5-35v/o 的金属导体，其电阻率小于约10—2欧姆-厘米。如上所述，本发明的点火器包含较低电阻率的冷区，所述冷区与加热(电 阻性)区电连接，且使引线连接到所述点火器上。较好的冷区包含由以下组分 组成的材料例如A1N和/或八1203或其它绝缘材料、任选的半导体材料、和MoSi2 或其它导电材料。但是，冷区相比加热区具有明显高百分数的导电材料(例如 MoSi2)。较好的冷区组合物包括约15-65v/o的氧化铝、氮化铝或其它绝缘材 料；约20-70v/o的MoSi2或其它导电和半导电材料，其体积比为约l: 1-1: 3。为了容易制造，所述冷区较好用与所述加热区组合物相同的材料制成，但半导 电和导电材料的相对含量更高。至少在某些应用中，本发明点火器可适当地包括非导电(绝缘或散热)区， 尽管如上所述本发明特别好的点火器并不具有至少与第一导电区主要长度部分接触的陶瓷绝缘体隔离物(insular)。如果使用的话，该散热区可与导电区或加热区对接(mate)或者与这两者 都对接。较好地，烧结绝缘区的室温电阻率至少约1C)M欧姆-厘米，且工作温度 电阻率至少约104欧姆-厘米，而强度至少150MPa。较好地，绝缘区的工作(点 火)温度电阻率至少比加热区电阻率高2个数量级。合适的绝缘体组合物包括 至少约90v/o的一种或多种氮化铝、氧化铝和氮化硼。较好的点火器陶瓷材料请参见下述实施例。本发明的点火器可用于许多用途，包括气态燃料点火用途(例如炉子和烹 饪用具、护壁板式加热器、锅炉和煤气炉顶端)。具体地说，本发明点火器可 作为点火源用于填塞(st叩)顶部气体燃烧器和燃气炉。本发明点火器还适合或用于使液态燃料(例如煤油、汽油)蒸发并点火的 场合，例如用于机动车(如汽车)预热的加热器。本发明较好的点火器与称为热线点火塞的加热元件不同。常用的热线点火 塞常加热至相对较低的温度(例如最高温度约为800°C、 90(TC或IOO(TC)， 从而它是加热一定体积的空气而非直接使燃料点火，而本发明较好的点火器可 提供的最高温度例如至少约120(TC、 130(TC或140(TC，直接使燃料点火。本 发明较好的点火器无需如热线点火塞常用的那样带有围绕点火器元件的气密 密封或者至少一部分气密密封来形成气体燃烧室。此外，本发明许多较好的点 火器在相对高的线路电压下使用(例如超过24V的线电压，如60V或更高、或 者120V或更高，包括220V、 230V和240V)，而热线点火塞通常仅在12-24V 下使用。下述非限制性实施例用于描述本发明。本文所提到的所有文献均以引用的 方式插入本文作为本发明的一部分。
实施例1:点火器的制造将电阻性组合物(22体积XMoSi2和78体积XAl20:,)的粉末与1-2重量％ Y力3、 2-3重量％聚乙烯醇和0.3重量％甘油混合。通过3000psi的干压和 30000psi的冷等静压形成坯料片(tile)。将该坯料片装入带有SiC和A1203 粉末床的石墨坩埚中，然后在Ar气氛条件下于185(TC无压烧结(即不超过1 个大气压)最长达8小时。烧结后，测得室温电阻率为 0. 1欧姆-厘米，1400 t:的电阻率提高到 0. 4欧姆-厘米。实施例2:其它点火器的制造将电阻性组合物(20体积XMoSi2和78体积％八1203)的粉末与1-2重量％ Y20jP 10-16重量％粘合剂(6-8重量％植物起酥油、2-4重量％聚苯乙烯和2-4 重量％聚乙烯)混合。于175-20(TC通过注射铸造形成杆。杆在正溴丙烷中用 溶剂脱去粘合剂(solvent debinder)，然后装入带有SiC和A1A粉末床的石 墨坩埚中，并且在N2气氛条件下于300-500。C加热脱溶剂60小时，随后在Ar 气氛条件下于180(TC无压(即不超过1个大气压)烧结最长达4小时。烧结后， 测得室温电阻率为 0. 1欧姆-厘米，140(TC的电阻率提高到 0. 4欧姆-厘米。实施例3:其它点火器的制造将电阻性组合物(20体积^MoS:U、 5体积XSiC和75体积。/^1203)的粉 末与2重量XGd20:,、 2-3重量％聚乙烯醇和0. 3重量％甘油混合。通过3000psi 的干压和30000psi的冷等静压形成坯料片。将该坯料片装入在烧结床中的石 墨坩埚中，并在Ar气氛条件下于1750'C无压(即约1个大气压)烧结最长达 4小时。烧结后，测得室温电阻率为 0. 1欧姆-厘米，且1400。C的电阻率提高 到约0. 375欧姆-厘米。上面对本发明和本发明的较好实例进行了详细描述。但是应理解在阅读了 本发明公开的内容后本领域的普通技术人员可在本发明的范围和精神内对本 发明进行改进和完善。
权利要求
1.一种制造电阻性点火器的方法，它包括形成包括陶瓷组合物的陶瓷点火器元件，所述陶瓷组合物包含一种或多种烧结助剂材料；和在基本上没有提高压力的条件下于超过1400℃的温度烧结所述元件。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述陶瓷点火器元件通过注射 铸造形成。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述陶瓷点火器元件在超过约 160(TC的条件下烧结。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述陶瓷点火器元件在惰性气 氛条件下烧结。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述烧结助剂材料包括一种或 多种稀土氧化物。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述烧结助剂材料包括氧化钇。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述陶瓷点火器元件由不包含 碳化硅的组合物形成。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述陶瓷元件包括具有不同电 阻率的两个或多个区。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述陶瓷元件包括具有不同电 阻率的三个或多个区。
10. 用权利要求1所述的方法制造的陶瓷点火器元件。
11. 如权利要求10所述的陶瓷点火器元件，其特征在于所述元件包括具 有不同电阻率的两个或多个区。
12. 如权利要求10所述的点火器元件，其特征在于所述点火器元件在至 少一部分点火器长度上具有基本圆化的截面形状。
13. 如权利要求10所述的点火器元件，其特征在于所述点火器元件具有 非圆形横截面形状。
14. 一种对气态燃料进行点火的方法，所述方法包括向权利要求10的点 火器提供电流。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于所述电流具有6、 8、 10、 12、 24、 120、 220、 230或240伏的标称电压。
16. —种加热设备，它包括权利要求IO所述的点火器。
全文摘要
本发明提供了制造陶瓷电阻性点火器元件的新方法，所述方法包括在基本上不提高压力的条件下烧结所述元件。本发明还提供了由本发明所述的制造方法得到的陶瓷点火器。
文档编号F23Q7/00GK101160493SQ200680004099
公开日2008年4月9日 申请日期2006年2月3日 优先权日2005年2月5日
发明者J·D·佩特拉斯, S·安娜瓦拉普, T·俞 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司