同轴的陶瓷点火器及其制造方法

专利名称：同轴的陶瓷点火器及其制造方法
技术领域：
本发明提供了新的同轴陶瓷加热元件。本发明进一步提供了用于制造同轴的陶瓷 加热元件的新方法，包括(1)将一种预成型的或硬化的材料区与一种或多种具有流动性的 材料的一个区结合在一起，(2)使该具有流动性的材料固化、胶化、干燥或另外凝固或硬化。 优选地，将该元件随后烧结以由此形成以一种整体的同轴加热元件。还在此提供了同轴加 热元件如点火器和电热塞，它们是从本发明的制造方法可得到的。
背景技术：
陶瓷材料已经享有巨大成功，如在例如燃气点火的加热炉、火炉以及干衣机中的 点火器。陶瓷点火器的生产包括通过陶瓷组分构建一种电路，该组分的一部分在通过引线 通电时是高度电阻性的并且温度会升高。参见，例如美国专利公布2006/0131295以及美国 专利 6，028，292,5, 801，361,5, 405，237、和 5，191，508。典型点火器总体上是矩形的元件，其中在加热元件尖端处具有一个高电阻性的 “热区”而相反的热元件末端提供了一个或多个导电性的“冷区”。目前可得的点火器，迷你 型加热元件自MilfordN. H的诺顿(Norton)点火器产品可得，这种点火器被设计成用于12 伏特到120伏特之间的应用，并且包括一种组合物，该组合物包括氮化铝("AIN" )，二硅 化钼(“MoSi2")和碳化硅(“SiC")。要求陶瓷点火器系统的多种性能特性，包括高的速度以及快的温度到达时间(即 从室温加热到用于点火的设计温度的时间)以及足以运行延长的时间段而不用更换的牢 固性。然而，许多常规点火器并不始终满足此类要求。此外，目前的陶瓷点火器还已经在使 用过程中遭遇破裂，特别是在可能持续撞击的环境中，例如用于燃气炉台等的点火器。火花点火系统是对陶瓷点火器提出的一种可替代的方法。参见例如美国专利号 5，911，572，说到一种具体的火花点火器对于一种燃气烹饪燃烧器的点火是有用的。火花点 火总体上展现的一种良好的性能特性是快速点火。就是说，一旦激活，火花点火器可以非常 快速地点燃燃气或其他燃料源。在某些应用中，快速点火可能是关键性的。例如，所谓的“快热式”热水器正得到日 益增加的欢迎度。概括地说，参见美国专利号6，167，845,5, 322，216、和5，438，642。并非 储存固定量的经过加热的水，这些系统将在打开水管线后(例如，使用者将水龙头旋转到 打开位置)基本上立即加热水。因此，要求在打开水之后基本上立即加热以在水被打“开” 时基本上同时地输送加热过的水。这种快热式热水系统已经普遍利用了火花点火器。对于 商业上用于极度快速的点火应用(如快热式热水器所要求的)至少许多目前的陶瓷点火器 已经提供了太慢的温度到达时间的性能。已经提供了同轴的陶瓷点火器来着手解决对于快速点火的需要。然而，目前的同
4轴点火器的设计致使在点火器表面处或附近产生了大部分的焦耳加热。其结果是，该点火 器对外部冷却和老化作用变得更敏感。此外，目前的同轴点火器制造方法(如滑移浇铸所 有的层)遭遇了再现性和一致性的问题。当滑移浇铸所有这些层时，可能存在一日到一日 以及每个模具到每个模具的尺寸变化，如果存在，它们将影响如此形成的点火器的性能和
一致性。

发明内容
现在提供了新的同轴的陶瓷加热元件以及用于生产同轴的陶瓷加热元件的方法。 本发明的同轴的加热元件配备有一个导电核心区，该核心区在该加热元件的远端延伸进入 一个电阻性热区中，由此使该核心导电区以及该电阻性热区之间的界面移动离开该加热元 件的远侧尖端。换言之，形成热区的电阻性区延伸进入该中央核心之中。其结果是，该加热 元件的性能得到改进。例如，本发明的同轴加热元件设计启动了中央加热，这可以提供许多 益处，如对外部冷却以及老化作用的改进的耐受性。此外，该电阻性通道的长度被增大，由 此提供了进一步的益处，例如使用一种更低电阻率(更高的PTC)材料的能力，这减小了该 点火器的加热时间。本发明的同轴加热元件设计的增大的通路长度还可以允许更高的操作 电压。随着通路长度变得更短，最后该材料的电阻率要求是如此高，这样使得难以一致地制 造这些加热元件。因此，本发明提供的延长的通路长度设计进一步允许更一致的加热元件 的制造。本发明的方法还提供了另外的优点，例如允许核心和外部区域(如核心和外部导 电区)在相对于彼此相同的水平或高度处形成。本发明的方法和加热元件进一步提供了快速的温度到达时间值(例如，约3秒或 更小、或甚至约2秒或更小)。本发明的方法进一步允许一致性地并且可靠地生产具有特别 希望的特性的加热元件。一方面，本发明总体上涉及一种同轴的陶瓷加热元件，它包括一个导电核心区，该 导电核心区在该元件的远端与一个热的电阻性区相配，进而与一种形成外部区域的第二导 电区相配，其中该导电核心区以及外部导电区被一个绝缘体区分离开。根据本发明的这个方面的实施方案可以包括以下特征。这些加热元件可以包括具 有不同电阻率的多个区域，例如，一个第一导电区、一个电阻性热区、和一个第二导电区，均 是以电的顺序。这些加热元件可以沿着该加热元件长度的至少一部分具有一种圆化的截面 形状(例如，这个长度从电引线固定到该加热元件之处至一个电阻性热区延伸)。这些加 热元件可以对该加热元件长度的至少一部分具有一种基本上椭圆形的、圆形的、或其他圆 化的截面形状，例如对于该加热元件长度的至少约10%、40%、60%、80%、90%、或者这整 个加热元件长度。这些加热元件可以具有基本上圆形的截面长度，这提供了一种杆形的加 热元件。该加热元件可以对该加热元件长度的至少一部分具有非圆化的或非圆形的截面长 度。该电阻性热区可以延伸进该核心区中，其水平是与电阻性热区在外部区域中的水平相 等。所提供的这些导电区与该电阻性热区之间的界面是与常规的同轴设计相比被提供了离 开该器件的远侧尖端一段更大的距离。该同轴的加热元件可以提供穿过该中央核心并沿着 该加热元件的外部区域返回的电流。该加热元件可以是轴对称的。可以在一个或多个区域 之间提供一种插入空隙(空气)区，例如在核心区和绝缘体区之间。该核心导电区可以被包裹在或以其他方式套装在外部导电区之中，例如，高达约10、20、30、40、50、60、70、80、90、
或100百分比的核心导电区与外部导电区截面式重叠。另一方面，本发明总体上涉及一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括在该加热元 件的远端与一个热的电阻性区相配的一个导电核心区、以及与该导电核心区被一个绝缘 体区分开的一个外部导电区，其中该加热元件的至少约5%的焦耳加热是在该中央核心中 产生的。在某些实施方案中，该加热元件的至少约6%、8%、10%、15%、20%、25%、30%、 35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、和甚至 100% 的焦耳加热是在该加热元件中央核心中产生。在某些实施方案中，该加热元件的从约10% 至约100%的焦耳加热是在该中央核心中产生。另一方面，本发明总体上涉及一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括在该加热元 件的远端与一个热的电阻性区相配的一个导电核心区、以及与该导电核心区被一个绝缘体 区分开的一个外部导电区，其中该导电核心区在离开该加热元件的远侧尖端的距离“a”处 与热的电阻性区相配，该距离是该加热元件的总长度的至少约10%。在某些实施方案中， 该核心区在距离“a”处与该热区相配，该距离是该加热元件总长度的至少约15%、20%、 25%、30%、35%、40%、45%、以及甚至50%。在某些实施方案中，该核心区在距离“a”处与 该热区相配，该距离的范围是从该加热元件总长度的约10%至约50%。另一方面，本发明总体上涉及一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括在该加热元 件的远端与一个热的电阻性区相配的一个导电核心区、以及与该导电核心区被一个绝缘体 区分开的一个外部导电区。该热的电阻性区在该“核心区”中延伸一段距离“d”(例如，如 图IlA所描绘)。换言之，该热的电阻性区从该绝缘体区的最远端朝向该器件的近端延伸一 段距离“d”。这与常规的同轴加热元件相反，常规的同轴加热元件中热的电阻性区是与该绝 缘体区的最远端平齐的或甚至在其远侧(例如，由图IlB所描绘)。该热的电阻性区在外部 区域中可以是在与“核心区”中的相同水平处(例如，如图10和IlA中的线204和208所 示)或者它可以是不同的(例如，如图10和IlA中的虚线所示)。另一方面，本发明总体上涉及一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括在该加热元 件的远端与一个热的电阻性区相配的一个导电核心区、以及与该导电核心区被一个绝缘体 区分开的一个外部导电区，其中该热的电阻性区在该绝缘体区中并且在该绝缘体区的外表 面上延伸，并且其中该热的电阻性区沿着该绝缘体区延伸的距离在该绝缘体区中和在该绝 缘体区的外表面上是相同的。这些加热元件可以在多种标称电压下采用，包括6、8、10、12、24、120、220、230、或 240伏特的标称电压。这些加热元件作为点火器对于多种器件和加热系统中的点火是有用的。具体的加 热系统可以包括用于商业和住宅建筑的燃气烹饪单元、加热单元、以及要求非常快速点火 的不同加热单元如快热式热水器。这些加热元件还可以用于点火器/电热塞应用中。另一方面，本发明总体上涉及用于生产同轴的陶瓷加热元件的方法，这些方法包 括(a)将一种预成型的或硬化的绝缘体区以及一种或多种具有流动性的材料的一个区域 进行结合，(b)使这个具有流动性的区域固化、胶化、干燥或另外凝固或硬化，并且(C)进行 烧结以形成一种同轴陶瓷加热元件，该元件具有一种内部核心区以及一种外部区，它们被 一个绝缘体区分离开。
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根据本发明的这个方面的实施方案可以包括以下特征。该绝缘体区可以处于一种 管的形式。这一种或多种具有流动性的材料可以处于一种或多种浆料的形式。这一种或多 种具有流动性的材料可以处于一种或多种粉末的形式。将一种预成型的或硬化的绝缘体 区与一种或多种具有流动性的材料的一个区域进行结合的方法步骤可以包括在一种模具 (具有所希望的加热元件的形状)中提供这一种或多种具有流动性的材料、并且将该预成 型的或硬化的绝缘体区插入该模具中的材料之中。将一种预成型的或硬化的绝缘体区与一 种或多种具有流动性的材料的一个区域进行结合的方法步骤可以包括将该预成型的或硬 化的绝缘体区插入一种空模具中、并且用这一种或多种具有流动性的材料在该绝缘体区周 围至少部分地填充该模具。将一种预成型的或硬化的绝缘体区与一种或多种具有流动性的 材料的一个区域进行结合的方法步骤可以包括将该预成型的或硬化的绝缘体区部分地插 入一种空模具中、用这一种或多种具有流动性的材料在该绝缘体区周围至少部分地填充该 模具、接着将该绝缘体区进一步插入该模具中至所希望的位置。该加热元件可以在该方法的任何阶段经受进一步的处理步骤，如浸涂和/或去除 该外层的一个或多个部分以便暴露出该绝缘区域和/或核心区的一个或多个部分。本发明的其他方面披露在下文中。


图1(包括图IA至1D)示出了本发明的一种优选的制造顺序以及加热元件；图2(包括图2A和2B)示出了本发明的一种进一步优选的制造顺序以及加热元 件；图3(包括图3A和3B)示出了本发明的一种进一步优选的制造顺序以及加热元 件；图4(包括图4A和4C)示出了本发明的一种进一步优选的制造顺序以及加热元 件；图5、6、7 (包括图7A和7B)、以及8 (包括图8A和8B)示出了示例性的加热元件；图9(包括图9A-9E)示出了本发明的一种进一步优选的制造顺序以及加热元件连 同由该制造顺序形成的一种示例性加热元件；图10和11 (包括图11A-11B)就该加热元件的长度以及这些绝缘体区而言描绘了 热区和核心导电区之间的界面的多个实施方案。
具体实施例方式如以上讨论的，在此提供了新的同轴陶瓷加热元件以及用于制造的方法。这些加 热元件具有一种同轴的结构，该结构包括一个导电核心区，该导电核心区在该元件的远端 与一个热的电阻性区相配，它进而与形成一种外部区域的第二导电区相配。该导电核心区 与外部导电区被一个绝缘体区分开。如在此提到的，术语“绝缘体”或“电绝缘材料”表示一种具有至少约IOiciOhms-Cm 的室温电阻率的材料。本发明的加热元件的电绝缘材料组分可以单独或主要包括一种或多 种金属氮化物和/或金属氧化物，或者可替代地，该绝缘组分除了该一种或多种金属氧化 物或一种或多种金属氮化物之外还包含多种材料。例如，该绝缘材料组分可以另外包含一
7种氮化物，如氮化铝(A1N)、氮化硅、SiALON、或氮化硼；一种稀土元素氧化物(例如钇)；或
一种稀土元素氮氧化合物。如在此提到的，一种半导体陶瓷(或“半导体”)是一种具有约10和IO8Ohm-Cm之 间的室温电阻率的陶瓷。如果该半导电组分是以一种热区组合物的大于约45v/o存在(当 该导电陶瓷是在约6-lOv/o的范围内)，则产生的组合物对于高电压应用变成过于导电(由 于缺乏绝缘体)。相反，如果该半导体材料是以小于约5v/o存在(当该导电陶瓷是在约 6-lOv/o的范围内)，产生的组合物变成过度电阻性的(由于太多绝缘体)。再者，在更高水 平的导体下，需要该绝缘体以及半导体部分的更加电阻性的混合物来实现希望的电压。典 型地，该半导体是来自下组的一种碳化物，该组的构成为碳化硅(掺杂的和未掺杂的)、以 及碳化硼。如在此提到的，一种“导电性材料”是具有小于约10_2ohm-cm的室温电阻率的材 料。如果该导电组分存在的量值为大于该热区组合物的35v/o，产生的陶瓷可能变得过度导 电。典型地，该导体是选自下组，其构成为二硅化钼、二硅化钨、以及氮化物诸如氮化钛、和 碳化物诸如碳化钛。二硅化钼是普遍优选的。对于这些陶瓷组合物中的任一种(例如绝缘体、导电材料、半导体材料、电阻性材 料)，这些陶瓷组合物可以包括一种或多种不同的陶瓷材料(例如Sic、金属氧化物如A1203、 氮化物如AlN、Mo2Si2和含Mo材料、SiAlON、含Ba材料、等等)。可替代地，不同的陶瓷组合 物(即，在一种单一加热元件中作为绝缘体、导体以及电阻性(点火)区域起作用的不同组 合物)可以包括多种陶瓷材料的相同共混物(例如，不同陶瓷材料的一种二元、三元或更高 等级的共混物)，但是其中这些共混物成员的相对量值不相同，例如其中一种或多种共混物 成员在对应的不同陶瓷组合物之间的区别为至少5、10、20、25或30体积百分比。可以采用多种组合物来形成本发明的一种加热元件。普遍优选的热区组合物包 括至少三种组分1)导电材料；2)半导电材料；以及3)绝缘材料。导电的(冷)和绝缘的 (散热)区域可以包括同样的组分，但是其中这些组分以不相同的比例存在，如以上所提到 的。典型的导电材料包括例如二硅化钼、二硅化钨、氮化物诸如氮化钛、以及碳化物诸如碳 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)以及碳化硼。典型的绝 缘材料包括金属氧化物如氧化铝、或一种碳化物如AlN和/或Si3N4。总体上，优选的热的(电阻性的)区域组合物包括(a)大约50和大约80v/o之 间的具有至少约IOltlOhm-Cm电阻率的一种电绝缘材料；(b)大约5v/o和大约45v/o之间的 具有约10和约IO8Ohm-Cm之间的电阻率的一种半导电材料；以及(c)大约5和约35v/o之 间的具有至少约10_2ohm-cm的一种金属的导体。优选地，该热区包括50_70v/O的电绝缘陶 瓷、10-45v/o的半导体陶瓷、以及6-16v/o的导电材料。一种特别优选的用于本发明的加热 元件中的热区组合物包含10v/o的MoSi2、20v/o的SiC以及余量AIN或A1203。如在此使用的，“预成型的”，例如当提到一个区或一种或多种材料时，表示不具有 流动性并且在与一种具有流动性的材料区相结合时不会改变形状的一个区或一种或多种 材料。如在此使用的，具有“流动性”的一种材料或区表示在与这个预成型的区或这种 或这些材料相结合时，一个区或一种或多种材料被移位以便容纳这个预成型的区或这种或 这些材料。该材料包括例如浆料和粉末。
如在此使用的，“温度到达时间”或类似的术语是指一种点火器热区从室温(大约 25°C)升高至约1000°C的燃料(例如燃气)点火温度的时间。对于一种具体的点火器，温 度到达时间是适合使用一种两色红外高温计来测定的。现在参见附图，图IA-D示出了用于形成一种同轴的加热元件10的方法的一个实 施方案。在具有任何希望的加热元件形状的一种模具11中提供一种具有流动性的第一材 料12。例如，如这些图中所示，使用模具11提供了具有圆化的截面、特别是圆形截面的一种 杆状的加热元件。当然，可以类似地使用任何模具形状。在模具11中还提供了一种具有流 动性的第二材料14。这种第一和第二材料12、14在加入模具11中时不应明显地相互混合，如图IA所
7J\ ο材料12、14的这种分离可以通过几种方式中的任何一种来完成。例如，材料12、 14能够以足够高的粘度引入模具11中以避免实质性的相互混合。在这种方法中，材料12、 14可以作为粉末、或作为不会实质性地相互混合的粘性组合物引入(例如，包括一种或多 种聚合的粘合剂的组合物)。材料12、14还可以以避免了相互混合的更低粘度的组合物引入模具11中，例如以 含有不同极性的载体溶剂的组合物，诸如一种材料作为一种水性组合物引入而第二种材料 用一种有机溶剂载体引入。在另一种方法中，可以利用具有不同密度的第一和第二材料12、14，其中第一材料 12比第二材料14更稠密，这样第一材料沉降在模具底部而第二材料沉在模具的顶部，成为 两个相。对于有待加入模具中的材料12或14的一种典型组合物包括相应的陶瓷粉末(例 如Al203、SiC、MoSi2、AlN、Si3N4)，它们与水和/或一种或多种有机溶剂、一种或多种粘合剂、 分散剂和PH控制相结合从而制成适当的浆料。一种粘合剂组合物可以包括约6_8wt %的植 物起酥油、2_4wt %的聚苯乙烯以及2-4wt %的聚乙烯。当然，在这些相之间可以存在某种量的混合，例如，沿着这些相之间的界面区，这 可以提供增强的强度以及在这些相凝固或硬化时这些相之间的粘合。材料12、14可以同时或者按任何顺序引入该模具中、并且在沉降时将形成所描述 的两个相。为了降低并且为了更快的生产时间，首先加入第一材料12并且其次加入第二材 料14。该第二材料可以按照逐级方式加入从而防止第一和第二材料12、14之间的过度混 合，这对于12、14沉降成它们的相可能要求额外的时间。在某些实施方案中，第一和第二材料12、14的电阻率不相同。例如，在一种示例性 实施方案中，第一材料12是一种电阻性材料，它形成了加热元件的远端12a，而第二材料14 是一种导电材料，由此产生了在其远端12a具有一种“热区”的一种加热元件(例如，如图 ID所示)。可以进一步地如所希望的提供一种或多种另外的具有与第一和第二材料12、14 不同的电阻率的材料以形成具有电阻率不同的另外区域的一种加热元件(例如，如图2B和 3B所示，其中第三材料13被定位在第一材料12和第二材料14之间从而形成一种“增强器 区”)。如图IB中所示，一种预成型的或硬化的绝缘体区16然后被插入该模具中的该第一 和第二材料12、14中。因为材料12、14具有流动性，它们当绝缘体区16在该模具之中被推 进希望的位置时被移位。该绝缘体区16在某些实施方案中可以配备有一种突出的或削尖的远端以协助插入。在某些实施方案中，该绝缘体区16在近端配备有一个或多个凸出部15 以适当地将该绝缘体区16定位在该模具中(例如，如图IC和3A-3B所示)。例如，当处于 一种具有基本圆形的截面形状的管的形式时，该绝缘体区16的近端可以在其圆周附近具 有例如一种唇缘，该唇缘被配置为使得该唇缘依靠在该模具的顶面上以便由此在制造期过 程中将该绝缘体区16定位并且保持在其适当位置。可以提供任何其他适当的一个或多个 凸出部来类似地协助该绝缘体区16的定位(例如，从该绝缘体区16的近端延伸的相对的 接片)。这些凸出部典型地是用绝缘体材料形成、并且优选是用与绝缘体区16相同的材料 形成。然而，若希望的话，对于这些凸出部15可以使用不同的材料。若希望的话，这些凸出 部可以任选地在制造该加热元件之后(例如，在使材料12、14硬化/凝固之后或在烧结之 后)移除、并且例如可以被提供给简单的分离或者可以被机器加工掉或类似地移除。一旦 将该绝缘体区16适当地定位，并且允许这些材料12、14沉降成它们的相(如所希望的/若 要求的话)，将这些材料12、14暴露于条件中和/或按要求进行处理以使这些材料12、14硬 化或凝固(例如，通过固化、胶化、干燥、和/或其他适当的手段)。然后将如此形成的加热 元件从模具中移除并且如所希望的使之经受适当的进一步的处理步骤。具体地说，将该加 热元件在高温(例如高于1600°C、1700°C或1800°C )下烧结以形成一种致密的加热元件。由此形成的加热元件1在图2A和2B中示出、并且配备有一个导电核心区22，该导 电核心区在该元件的远端与一个热的电阻性区20相配，它进而与一种第二导电外部区26 相配。该导电核心区22与外部导电区26被一个绝缘体区24分开。根据这个实施方案，热 区20是由第一材料10形成。核心区22和外部区26是由同种材料形成，该材料是图1A-1D 中所示的第二材料14。如图2B的实施方案所示，当在该模具中提供一种第三材料13时，核 心区22和外部区26还是由同种材料形成，该材料是第二材料14和第三材料13的一种组
I=I ο该加热元件在某些实施方案中可以经受一个或多个另外的根据常规技术的处理 步骤以便提供另外所希望的特性，例如像浸涂、除去该外层的一个或多个部分。图3A和3B示出了用于形成一种同轴加热元件的方法的另一个实施方案。如图3A 中所示，一种预成型的或硬化的绝缘体区16在其所希望的末端位置被插入模具11中(例 如，通过使用该绝缘体区16近端的一个或多个凸出部，它们可以协助适当的定位)。然后在 模具中同时或以任何次序按顺序地提供一种具有流动性的第一和第二材料12、14(以及， 在某些实施方案中，一种或多种另外的材料，如一种第三材料13)，并且由于其流动特性，它 们填充了模具11的在绝缘体区16附近的空间。如在此讨论的，这些第一和第二材料12、14 不会实质性地相互混合。若希望的话，可以对该绝缘体区16进行进一步处理并且将其定位 在材料12、14之中。然后使材料12、14暴露于条件中和/或按要求进行处理以使这些材料 12、14硬化或凝固(例如通过固化、胶化、干燥、和/或其他适当手段)。然后将如此形成的 加热元件从模具中移除并且使之经受适当的进一步的处理步骤(如所希望的并且在此提 出的)。如此形成的加热元件18可以与根据图1A-1D的方法所提供的是相同的、并且在图 2A-2B中示出。图4A-4C示出了用于形成一种同轴加热元件的方法的另一种实施方案。该方法是 图1A-1D中所示的方法以及图3A-3B中所示的方法的一种组合。如图4A中所示，一种预成 型的或硬化的绝缘体区16被部分地插入模具11中。然后在模具中同时地或以任何次序按
10顺序地提供一种具有流动性的第一和第二材料12、14(以及，在某些实施方案中，一种或多 种另外的材料，如第三材料13)，并且由于其流动特性，它们填充了模具11的在绝缘体区16 附近的空间。然后将该绝缘体区16进一步插入或推入该模具中的材料12、14之中到其希 望的末端位置，由此移位如在此描述的材料12、14。一旦将该绝缘体区16适当地定位，就使 材料12、14暴露于条件中和/或按要求进行处理以使这些材料12、14硬化或凝固(例如通 过固化、胶化、干燥、和/或其他适当手段)。然后将如此形成的加热元件从模具11中移除 并且使之经受适当的进一步的如所希望的处理步骤。如此形成的加热元件18可以与根据 图1A-1D和3A-3B的方法所提供的是相同的、并且在图2A-2B中示出。如图5总体所示，本发明优选的加热元件100可以总体上包括一种导电性核心区 22，该区在该元件的远端与一个热的电阻性区20相配、进而与一种第二导电外部区26相 配。该导电核心区22与外部导电区26被一个绝缘体区24分开。根据本发明的某些实施方案，在绝缘体区16被提供在模具中之前或之后，用一种 电阻性材料12部分地填充该模具，而用一种导电材料14填充该模具的剩余部分至所希望 的水平。这些电阻性和导电材料在某些实施方案中可以是处于陶瓷浆料的形式，并且可以 采用凝胶或滑移浇铸技术。这些电阻性和导电材料在某些实施方案中可以是处于一种陶瓷 粉末的形式。可以使该预成型的或硬化的/固体绝缘体区16在插入模具中之前通过任何 适当的用于形成绝缘体的方法成型为其所希望的形状，这些方法是例如像凝胶灌制、滑移 浇铸、挤出、注塑模制、压制、CIP等等。胶化和/或干燥可以是使浆料硬化的适当处理步骤 的实例，而压制或CIP处理可以是对粉末材料的适当处理步骤。在某些实施方案中，提供了一种增强器区(booster zone)，例如，如图2B中所示， 其中核心区22包括一种具有相对低的电阻的第一导电区22a (由导电材料14形成)、以及 一种具有中间电阻的第二导电区22b (由导电材料13形成)，并且其中外部区26也包括一 种具有相对低的电阻的第一导电区26a(由导电材料12形成)以及一种具有中间电阻的第 二导电区26b (由材料13形成)。这样，产生的加热元件配备有至少三个具有不同电阻的区， 其顺序为沿着其电路径包括一种具有相对低电阻的第一导电区、一种具有中间电阻的增强 器区(有时还称为增强区)、以及一种具有高电阻的热区(也有时称为点火区)。所提供的 增强器区一般具有一种正的电阻温度系数(PTCR)并且可以向热区提供更有效的电流。参 见授予Willkens的美国专利公布2002/0150851。在某些实施方案中，该加热元件的宽度或截面积在远侧区域是减小的或楔形的。 例如，该加热元件可以沿其长度的一部分由导电区形成、并且可以进一步配备有一种楔形 的远侧部分，这提供了增大的电阻。例如，一种点火器的第一导电区62(例如，在核心的近 端)可以具有最大的截面积或宽度(图6中的宽度f)，它比热区64的最小截面积或宽度 (图6中的宽度g)大了至少2、3、4、5、6、7、8、9或10倍。在某些实施方案中，该导电区62 和热区64是由同种材料形成，其中在单独通过斜削提供的热区64中具有增大的电阻。在 某些实施方案中，该热区64是由具有与导电区62相比更大的电阻的一种材料形成，其中该 热区64的斜削进一步增强了热区64中增大的电阻。通过一种热区区域的这样一种渐减的 宽度或截面积，可以使得用来形成该导电性和热区的组合物中的差异最小化，这可以提供 增强不同区的相配的优点，包括这些不同区的组合物的热膨胀系数的良好匹配，这可以避 免该点火器的裂解或其他潜在的降解。更具体地说，一种热区区域的这样一种渐减的宽度
11或截面积可以使之能够在一种热区区域中使用一种陶瓷组合物，它是相对导电性的并且至 少接近多个导电区所采用的陶瓷材料。在这些系统中，并非是该陶瓷材料本身(或者除了 该陶瓷材料之外)，而是减小的热区宽度提供了电阻性加热。如在此讨论的，一个绝缘体区68被插入核心62和外部区66之间，如所示。值得 注意的是尽管图6示出了具有的界面宽度或尺寸沿其长度逐渐变小的一种加热元件，但是 该加热元件还可以配备有不同的渐细的构型。例如，该加热元件可以沿着近端的导电部分 在截面宽度或尺寸上保持基本上恒定、并且可以只在远侧的热区区域逐渐变细。尽管一种圆形的截面形状被用于许多应用中，但是本发明的加热元件还可以对该 加热元件长度的至少一部分具有一种非圆化的或非圆形的截面形状，例如高达或至少约 10、20、30、40、50、60、70、80或90百分比的该加热元件长度具有一种非圆化的或非圆形的 截面形状，或者其中该整个加热元件长度具有一种非圆化的或非圆形的截面形状。例如，一种加热元件可以以一种基本上正方形的轮廓来提供，如通过图7A和7B中 描述的加热元件70举例说明的。加热元件70包括具有成角的截面形状的一种矩形状的或 一种高跷状的导电区72，(更具体地说，基本上正方形的截面形状，如图7B中清楚描述的)、 一种类似成角的外部导电区74、以及插入其中的一个绝缘体区76。可以进一步提供一种热 区，如在此说明的这样。具有不规则圆化形状的轮廓的一种加热元件还可以按照图8A和8B中所示的加 热元件80所举例说明的来提供。该加热元件80包括一种核心导电区82以及外部导电区 84 (各自具有不规则的圆化的截面形状)、以及插入其间的一种不规则形状的绝缘体区86。 可以进一步提供一种热区，如在此说明的热区。在某些实施方案中，可以令人希望地是向该同轴的加热元件中加入一个或多个另 外的层。例如，如图9A-9E中所示，可以提供一个另外的外层23。在某些实施方案中，该外 层23是一种绝缘体层。可以使用以上说明的普遍方法通过向模具11中插入一种另外的预 成型的绝缘体区43的一个额外步骤来形成该加热元件，从而将这个模具沿着其表面的至 少一部分来对齐。该绝缘体区43总体上作为第一步骤被插入，例如，如图9A中所示，接着是 按照以上提出的任何顺序的另外处理步骤(例如以任何次序引入该第一和第二材料12/14 和绝缘体区46、使材料12、14硬化或凝固、并且烧结)以提供一种具有一个或多个另外层的 加热元件。例如，如图9E所示，该加热元件可以配备有一个导电核心区22，该导电核心区在 该元件的远端与一个热的电阻性区20相配、接着与一种第二导电外部区26相配。该导电 核心区22与外部导电区26被一个绝缘体区24分开，并且该器件的外表面沿其长度的至少 一部分用一种外部绝缘体区23涂覆。在另一种实施方案中，该加热元件可以配备有一个或多个另外的“内部”层。例如， 该加热元件可以根据在此讨论的任何一种方法来提供，其中一个或多个另外的预成型绝缘 体区(例如，另外的同轴的绝缘体管)被插入绝缘体区16之中和/或在其附近。这个或这 些另外的绝缘体区可以在使材料12、14硬化或凝固之前的任何阶段被插入。可以提供任何 形状、数目、以及构型的绝缘体区，例如像，尽管普遍示出的是沿着加热元件纵向延伸的长 形的绝缘体区，但是这些绝缘体区并不限制于此、并且例如可以沿着该加热元件本体在不 同方向上前行。若希望的话，可以提供另外的层，诸如与图9A-9E在一起所讨论的一种外部 绝缘体涂层。
本发明的加热元件的尺寸可以广泛变化并且可以基于其所打算的用途进行选择。 例如，一种加热元件的长度适当地可以是从约0. 5至约5cm、在某些实施方案中是从约1至 约3cm。该加热元件的截面宽度可以适当的是从约0.2至约3cm。类似地，该导电区、绝缘体 区和热区的区域的长度也可以适当地变化。该核心导电区的示例性长度可以是从约0. 2cm 至约2cm、至约3cm、至约4cm、至约5cm、或更大。该核心导电区的典型长度将是从约0. 5至 约5cm。一种热区的高度可以是从0. Icm至约2cm、至约3cm、至约4cm、或者至约5cm，其中 总的热区电通路长度为约0. 2至约2cm或更大。该热区电通路的典型长度的范围是从约 1. 5cm 至约 2cm。根据本发明形成的同轴的加热元件提供了在该加热元件的远端与一个热的电阻 性区相20相配或相符的一个导电核心区22、以及与该导电性核心区22被一个绝缘体区24 分开的一个外部导电区26，其中该导电核心区22与该热的电阻性区20相配(例如，如图 10和IlA中的界面线204和208所示)。这个界面是提供在离开该加热元件远侧尖端200 的与常规同轴加热元件相比更大的距离“a”处。具体地说，同轴的加热元件提供了一个热 的电阻性区20，该区是与该核心区中的绝缘体区24的最远端平齐的或在其远侧(在绝缘体 区26之间或之中)，例如，如图IlB中的线210和虚线所示。例如，本发明的加热元件和方 法可以提供离开该远侧尖端200的一段距离“a”，该距离是该加热元件的总长度“b”的至 少10%。在某些实施方案中，该核心区22在界面204处以距离“a”与该热区20相配，该 距离是该加热元件总长度“b”的至少约15 %、20 %、25 %、30 %、35 %、40 %、45 %、以及甚至 50%。在某些实施方案中，该核心区22以距离“a”与该热区20相配，该距离的范围是从该 加热元件总长度“b”的约10%至约50%。这些外部导电区26与热的电阻性区20之间的 界面可以与核心区22中的界面相平(例如，如图10和IlA中的线204和208所示)或者 这个界面可以与核心区22中的界面相比处于“更高”或“更低”的水平(例如，如图10和 IlA中的虚线所示)。尽管电阻性热区20与外部区26中的导电区之间的界面的水平是总 体上均一的，若希望的话它可以变化。在某些实施方案中，如图IlA所描述，热的电阻性区20在“核心区”中延伸一段 距离“d” (即，在绝缘体区24之间或之中)。换言之，该热的电阻性区从该绝缘体区24的 最远端朝向该器件的近端延伸了一段距离“d”。这与常规的同轴加热元件相反，常规的同 轴加热元件中热的电阻性区是与该绝缘体区的最远端平齐的或甚至是其远侧(例如，如图 IlB所描绘的)。在某些实施方案中，距离“d”是该绝缘体区的总长度的至少(如图IlA 由“e”所示)。在某些实施方案中，该距离“d”是距离“e”的至少2%、至少4%、6%、8%、 10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、以及甚至50%。在某些实施方案中，该距离 “d”是距离“e”的从约1 %至约50 %。在示例性实施方案中，本发明的一种加热元件的热区或电阻性区将在标称电压下 加热到小于约1450°C的最大温度；并且在为标称电压的大约110%的高端线电压下加热到 小于大约1550°C的最大温度；并且在为标称电压的大约85%的低端线电压下加热到小于 大约1350°C的最大温度。尽管在此已经说明了本发明的加热元件和方法，其中一种内部导电核心区22与 一个外部导电区26被一个绝缘体区24分开，但是要理解的是该核心区22和/或外部区 26可以是由一种或多种绝缘体材料形成而插在该核心区与外部区之间的区域24可以是由
13一种或多种导电材料形成。此外，尽管在此说明的实施方案包括由一种具有增大电阻率的 组合物所提供的一种热区20，但是这样一种由具有不同电阻率的组合物所形成的热区可以 在某些实施方案中被排除。在某些实施方案中，由一种具有不同电阻率的组合物所形成的 一种热区20被排除并且该加热元件配备有一种楔形的远端来在这个远端处提供增大的电 阻。以下非限制性实例是解说本发明的。在此提到的所有文献都通过引用以其全文结 合在此。实例1 加热元件的制造将一种电阻性组合物(20vol% 的 MoSi2、5vol % 的 SiC、74vol % 的 Al2O3 以及 Ivol % 的 Gd2O3)、一种导电组合物(28vol % 的 MoSi2、7vol % 的 SiC、64vol % 的 A1203、以及 Ivol % Gd2O3)的粉末与10-16wt%的有机粘合剂(约6-8衬％的植物起酥油、2. 4wt%的聚 苯乙烯以及2-4衬％的聚乙烯)进行混合以形成具有约62-64vol%的固体量的两份糊浆。将该电阻性组合物糊浆装在一种如图1A-1D中概括描述的U型模具中、接着将该 导电性糊浆装在该电阻性组合物的顶上以提供多个分开的陶瓷组合物的层，如图IA中总 体示出。然后将两个预成型的绝缘体管插入该模具中，由此这些绝缘体管延伸穿过该导电 性组合物层并且进入该电阻性组合物层之中。这些绝缘体管是由一种绝缘组合物(10vol% 的MoSi2、89vol%的Al2O3以及Ivol %的Gd2O3)的组分所形成。然后将如此填充的模具在超过1000°C下热处理1小时以使这个三区的加热元件 硬化。然后将该加热元件从该模具中移出并在1750°C下在氩气中Iatm压力下进行致密化 以达到理论值的95-97%。实例2 加热元件的制造一种电阻性浆料以及一种导电性浆料(两者都具有约50vol%的固体)使用以 下组分形成水、A1203、MoSi2, SiC、Kelcogel (凝胶剂)、Darvan 811 (分散剂)、WB4101 和 M040 (粘合剂)、以及CaCl20具体地说，制备了 50_95wt %的A1203、10_45wt %的MoSi2,以及 0-5wt %的SiC的一种固体混合物。还制备了 90-95wt %的水、l_4wt %的Kelcogel、l_4wt % 的 Darvan 811,0. 5-2. Owt %的粘合剂(WB4104 和 M040)、以及 0. 25-1. Owt %的 CaCl2 的一 种液体混合物。然后将这些固体和液体混合物进行结合以提供一种含有40-60vol %固体的 浆料。将该电阻性浆料装在一种如图1A-1D中概括描述的U型模具中、接着将该导电性 浆料装在该电阻性组合物的顶上以提供多个分开的陶瓷组合物的层，如图IA中总体示出。然后将一种预成型的绝缘体管插入该模具中，由此该绝缘体管延伸穿过该导电性 组合物层并且进入该电阻性组合物层之中。然后将如此填充的模具进行干燥并从模具中移除。此后，使该元件胶化、通过烧结 致密化并进行压制(热等静压)。然后进行另外的机加工以及铜焊步骤以提供一种具有希 望的特性的加热元件。本发明已经通过参考其具体的实施方案进行了详细说明。然而，将要理解的是本 领域的技术人员在本披露的考虑之上，可以在本发明的精神和范围之内进行变更和改进。
1权利要求
一种用于生产电阻性陶瓷加热元件的方法，包括a)将一种预成型的材料区与一种或多种具有流动性的材料的一个区结合在一起，并且b)使该具有流动性的材料硬化以提供一种加热元件。
2.如权利要求1所述的方法，其中将该加热元件烧结以便由此形成一种整体的同轴加 热元件。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，将一种预成型的绝缘体材料与一个导电区相接触。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，将一种预成型的绝缘体材料与一个导电区以及 一个电阻性区相接触。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将一种预成型的绝缘体材料插入一个 导电区组合物中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在硬化之后将该加热元件从模具中移出ο
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括向一种模具中加入一种导电组 合物并且此后将该预成型的元件与该导电组合物结合在一起。
8.如权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括向一种模具中加入一种电阻性 组合物以及一种与该电阻性组合物不同的导电组合物并且此后将该预成型的元件与该导 电组合物结合在一起。
9.一种同轴的陶瓷加热元件，该元件是从权利要求1至8中任一项所述的方法可得到的。
10.一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括一个导电核心区，该导电核心区在该加热元件的一个远端与一个热的电阻性区相配； 一个外部导电区，该外部导电区与该导电核心区被一个绝缘体区分开， 其中该加热元件的至少约5%的焦耳加热是在该中央核心中产生。
11.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约6%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
12.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约8%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
13.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约10%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
14.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约20%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
15.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约30%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
16.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约40%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
17.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的至少约50%的 焦耳加热是在该中央核心中产生。
18.如权利要求10所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中该加热元件的从至少约10%至约100%的焦耳加热是在该中央核心中产生。
19.一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括一个导电核心区，该导电核心区在该加热元件的一个远端与一个热的电阻性区相配；一个外部导电区，该外部导电区与该导电核心区域被一个绝缘体区分开，其中该导电核心区在离开该加热元件的远端一段距离“a”处与该热的电阻性区相配， 该距离是该加热元件的总长度的至少约10%。
20.如权利要求19所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中距离“a”是高达该加热元件 的总长度的约50%。
21.如权利要求19所述的一种同轴的陶瓷加热元件，其中距离“a”是高达该加热元件 的总长度的约20%。
22.—种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括一个导电核心区，该导电核心区在该加热元件的一个远端与一个热的电阻性区相配；一个外部导电区，该外部导电区与该导电核心区被一个绝缘体区分开，其中，该热的电阻性区从该绝缘区域的远端在该绝缘体区中延伸一段距离“X”，并且其 中该热的电阻性区沿着该绝缘体区的外表面从该绝缘体区的远端延伸一段距离“y”，其中 距离“χ”是近似等于距离“y”。
23.一种同轴的陶瓷加热元件，该元件包括一个导电核心区，该导电核心区在该加热元件的一个远端与一个热的电阻性区相配；一个外部导电区，该外部导电区与该导电核心区被一个绝缘体区分开，其中该热的电阻性区在该绝缘体区之间从该绝缘体区的最远端朝向该器件的近端延 伸一段距离“d”。
24.如权利要求9-23中任一项所述的一种加热元件，其中该元件是一种交通工具电热O
25.如权利要求9-23中任一项所述的一种加热元件，其中该元件是一种器具点火器。
全文摘要
在此提供了新的同轴陶瓷加热元件以及用于制造的方法，其中一个导电核心区在该加热元件的远端处延伸进入一个电阻性热区，由此将该核心导电区以及该电阻性热区之间的界面移动离开该加热元件的远侧尖端。方法包括将一种预成型的或硬化的材料区与一种或多种具有流动性的材料的一个区结合在一起，使该具有流动性的材料固化、胶化、干燥或以另外凝固或硬化、并且进行烧结以由此形成一种整体的同轴加热元件。
文档编号F23Q7/00GK101960223SQ200880126374
公开日2011年1月26日 申请日期2008年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者A·瓦塔贝迪安, C·李 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司