JP2009536780A

JP2009536780A - セラミック発熱体

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Publication number: JP2009536780A
Application number: JP2009509853A
Authority: JP
Inventors: エー．ウィルケンズ，クレイグ
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2009-10-15
Also published as: BRPI0709786A2; WO2007133629A3; CA2651090A1; CN101513116A; KR20090007762A; WO2007133629A2; EP2033490A2; MX2008014354A; US20070295709A1

Abstract

一つの側面において、セラミック抵抗発熱体であって、３つ又はそれ以上の電気的に分離された導電性帯域を含む発熱体が提供される。別の側面において、セラミック発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電性帯域の一部のみが発熱体の使用中電流を通す発熱体が提供される。更なる側面において、本発明の発熱体は、様々な電圧において動作するように容易に調節され得る。多導電性帯域は、延ばされた発熱体動作寿命をもたらし得る。

Description

本願は、２００６年５月９日に出願された米国仮出願第６０／７９９，２１８号（参照することによりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる）の利益を主張する。

背景
１．発明の分野
一つの側面において、本発明は、新規セラミック抵抗発熱体であって、多数の導電性帯域特に３つ又はそれ以上の導電性帯域つまり導電路を含む発熱体を提供する。別の側面において、セラミック発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電性帯域の一部のみが発熱体の使用中電流を通す発熱体が提供される。本発明の好ましい発熱体はまた、様々な電圧において動作するように容易に調節され得る。

２．背景
セラミック材料は、イグナイターたとえばガスを燃料とする炉、ストーブ及び洗濯物乾燥機におけるイグナイターとして、大いに成功を博してきた。セラミックイグナイターの製造は、セラミック部品を通じての電気回路を構築することを含み、しかも該セラミック部品の一部は高抵抗性でありそしてリード線により通電された時に温度上昇する。たとえば米国特許第６，０２８，２９２号明細書、第５，８０１，３６１号明細書、第５，４０５，２３７号明細書及び第５，１９１，５０８号明細書が参照される。

典型的イグナイターは、総体的にヘアピン形の要素であって、イグナイター先端に高抵抗性「ホット帯域」（「高温帯域」）を備えると共に、１つ又はそれ以上の導電性「コールド帯域」（「低温帯域」）が対向イグナイター端から該高温帯域まで設けられている要素であってきた。一つの現在入手できるイグナイターであるMini-Igniter^TM（ニューハンプシャー州ミルフォードのNorton Igniter Productsから入手できる）は１２ボルトから１２０ボルトの印加用に設計されており、そして窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）、二ケイ化モリブデン（「ＭｏＳｉ₂」）及び炭化ケイ素（「ＳｉＣ」）を含む組成を有する。

セラミックイグナイターシステムについて、高速度つまり速い時間対温度（すなわち、室温から点火のための設計温度まで熱くなるための時間）及び交換なしに長期間動作するのに十分な強靭性を含めて、様々な性能特性が要求される。しかしながら、多くの慣用のイグナイターは、かかる要件を堅実には満たさない。たとえば、現在のセラミックイグナイターもまた、使用中電気的故障の難点を有してきた。

かくして、新規発熱体を得ることが望ましい。

発明の要約
我々は、今や、異なる抵抗率の領域の新規構成を含むセラミック発熱体を提供する。本発明の好ましい発熱体は、増加された動作寿命及び強靭性が可能である。本発明の発熱体は、乾性及び湿性燃料用点火要素としてを含めて、様々な用途向けに有用である。

一層特には、一つの側面において、新規セラミック抵抗発熱体であって、３つ又はそれ以上の導電性帯域を含む発熱体が提供される。本発明の好ましい発熱体は、より多数の導電性帯域を有する。好ましいシステムにおいて、多数の導電路は、発熱体を通じて延在する複数の導線として機能し得る。

別の側面において、セラミック発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電性帯域の一部のみが発熱体の使用中電流を通す発熱体が提供される。

更に更なる側面において、セラミック発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電路の二つ又はそれ以上が異なる抵抗温度係数を有する発熱体が提供される。

特に、導電路の一つ又はそれ以上は正の抵抗温度係数（ＰＴＣＲ）を有し得、そして導電路の一つ又はそれ以上は負の抵抗温度係数（ＮＴＣＲ）を有し得る。かくして、たとえば、所望加熱性能をもたらすように、異なる抵抗温度係数の導電路が単一発熱体において配合され得る。

従って、かかる設計により、発熱体の性能特性が選択的にもたらされ得、たとえばＰＴＣＲ導電路が発熱体の速い時間対点火温度特性を可能にし得る一方、ＮＴＣＲ導電路が広範な電圧範囲にわたって（１００又は２００ボルト超のような高い電圧を含めて）発熱体の動作を可能にし得る。

本発明の発熱体は、複数の導電路つまり導電性帯域が発熱体に重複性を与えるので、向上動作寿命を示し得、すなわち、発熱体の一つの導電路が働かなくなる場合、他の導電路が発熱体を通じての完全回路を与え続け得る。

特に、現在のセラミック発熱体は、発熱体の導電路の酸化老化又は他の劣化に因り働かなくなり得る。本発明のシステムにおいては、多数の導電路の一つ又はそれ以上が、働かなくなった導電性帯域を補償し得る。

かくして、或る好ましい諸設計において、発熱体の最適機能のために必要とされ得る時に、たとえば発熱体と連通する電気リード線ハウジングをねじることにより、電気リード線（発熱体に電力を供給する）がシフトされて、それにより別の導電路と係合し得る。

別の側面において、発熱体であって、たとえば６、８、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０又は２４０ボルトを含めて、広く様々な電圧において有効に動作するように容易に調節され得る発熱体が提供される。

この側面において、発熱体近位端の選択された域が、電源（たとえば電気リード線）と連通状態にあり得る。選択された近位端域は発熱体を通じての導電路の対応域と係合し、そしてそれにより所望動作電圧を与える。

本発明の発熱体は、様々な手法により製作され得る。

たとえば、一つの好ましい方法において、異なる抵抗率の物質が所望形状たとえば棒形要素に成形され得、そしてこれらの造形要素は束ねられそして押出法によってのように圧縮されて、複数の導電路を有する発熱体がもたらされ得る。すなわち、３つ又はそれ以上の導電性棒要素は介在する絶縁体棒要素と一緒に束ねることによって分離され得、そして次いでこれらの連合棒要素は押出によってのように横断面寸法について低減されて、一体発熱体がもたらされ得る。抵抗線又は他の抵抗要素（抵抗性セラミック帯域のような）が、導電性帯域との電気的連通状態にて導電性要素及び絶縁体要素と共に束ねられ得る。

同軸発熱体設計もまた、少なくともいくつかの用途について好ましくあり得、たとえば、その要素は電力を遠位抵抗性（点火）帯域に送る複数の導電路を含む内領域を含有し、そして電流が該帯域を通って導電路を含む外要素領域に流れる。

好ましい製作方法は、マイクロ複製シーケンスを含み得る。多導電路セラミック構造体を逐次に作るために、フォトリソグラフィーもまた用いられ得る。

一つの側面において、本発明の好ましい発熱体は、発熱体の長さの少なくとも一部（たとえば、電気リード線が発熱体にくっつけられる所から抵抗性高温帯域までわたる長さ）に沿って丸い横断面形を有する。一層特には、好ましい発熱体は、発熱体の長さの少なくとも一部たとえば発熱体の長さの少なくとも約１０パーセント、４０パーセント、６０パーセント、８０パーセント、９０パーセント又は発熱体の全長について、実質的に楕円形の、円形の又は他の丸い横断面形を有し得る。棒形発熱体をもたらす実質的に円形の横断面形が特に好ましい。

本発明はまた、発熱体の長さの少なくとも一部について丸くない又は非円形の横断面形を有する発熱体を提供する。

本発明の発熱体はまた、火炎センサー又は火炎調整器として動作し得る熱電対回路のような追加的機能を含み得る。

本発明のセラミック発熱体は、６、８、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０及び２４０ボルトの公称電圧を含めて、広く様々な公称電圧にて用いられ得る。

本発明の発熱体は、様々な装置及び加熱システムにおける点火のために有用である。一層特には、加熱システムであって、本明細書に記載されたとおりの焼結セラミック発熱体を含む加熱システムが提供される。特定の加熱システムは、ガスレンジ、商業用及び居住用建物向けの暖房ユニットを包含する。本発明の発熱体はまた、グロープラグたとえば燃焼機関における使用のためのものとして有用であり得る。

本明細書において言及される場合、用語正の抵抗温度係数（又は「ＰＴＣＲ」）は、当該材料（たとえば、発熱体の導電路）が高められた温度において減少抵抗を有することを指摘し、たとえば、２５℃において当該材料（やはり、たとえば、発熱体の導電路）の抵抗は、その素子の動作温度特に発熱体の点火温度（発熱体の特定の設計及び用途に依存して、たとえば７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃若しくは１３００℃又はそれ以上であり得る）における当該材料（導電路）の抵抗の適当には約０．５倍未満好ましくは約０．２倍未満である。

本明細書において言及される場合、用語負の抵抗温度係数（又は「ＮＴＣＲ」）は、当該材料（たとえば、発熱体の導電路）が高められた温度において増加抵抗を有することを指摘し、たとえば、２５℃における当該材料（やはり、たとえば、発熱体の導電路）の抵抗は、その素子の動作温度特に発熱体の点火温度（発熱体の特定の設計及び用途に依存して、たとえば７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃若しくは１３００℃又はそれ以上であり得る）における当該材料（導電路）の抵抗の適当には少なくとも２倍好ましくは少なくとも約５倍である。

本発明の他の諸側面は、以下に開示される。

発明の詳細な説明
上記に論考されたように、新規セラミック発熱体システムであって、複数の導電性領域特に３つ又はそれ以上の導電性帯域を含む発熱体システムが提供される。本発明の発熱体は、乾性及び湿性燃料用抵抗性点火要素（イグナイター）として特に有用である。

更に更なる側面において、セラミック発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電路の二つ又はそれ以上が異なる抵抗温度係数を有する発熱体が提供される。特に、導電路の一つ又はそれ以上は正の抵抗温度係数（ＰＴＣＲ）を有し得、そして導電路の一つ又はそれ以上は負の抵抗温度係数（ＮＴＣＲ）を有し得る。

一般的に、本発明の発熱体の導電性帯域は、所望方向において減少抵抗を示しそしてそれにより発熱体を通じての導電路を与える。

好ましい諸設計において、多導電路は小さい横断面寸法を有し得、そして多導電路を与えるべき発熱体の長さを通じてのように発熱体を通じて延在するセラミック線とみなされ得る。使用の際に、電流が多数のセラミック線を通じて発熱体の抵抗性帯域に流され得、しかして該抵抗性帯域は燃料点火温度に達し得る。

また上記に論考されたように、更なる側面において、複数の導電性帯域つまりセラミック線を有する発熱体が提供され、しかもその発熱体近位端の選択された域は、１本又はそれ以上の電気リード線のような電源と連通状態にあり得る。選択された近位端域は発熱体を通じての導電路の対応域と係合し、そしてそれにより所望動作電圧を与える。

かくして、この側面において、単一の製造された発熱体は、単に異なる電気リード線の使用によって広範囲の異なる電圧にて効果的に動作され得る。

かくして、本発明は、電力（たとえば電流）を発熱体に与える方法であって、少なくとも３つの電気的に分離された導電性帯域を含むセラミック抵抗発熱体を用意し、そして電力を１つ又はそれ以上の選択された導電性帯域に与えるように該発熱体に関して１つ又はそれ以上の電気接続部を係合させることを含む方法を包含する。該１つ又はそれ以上の電気接続部は選択数の導電性帯域と係合し得、それによりイグナイターは目標電圧にて動作する。上記に論考されたように、該１つ又はそれ以上の電気接続部はまた、発熱体の動作寿命中、１つ又はそれ以上の別の導電性帯域に電力を与えるようにシフトされ得、すなわち該１つ又はそれ以上の電気接続部をシフトする前に電流を通さなかった１つ又はそれ以上の導電性帯域に電力を与えるようにシフトされ得る。

さて図面を参照すると、図１は好ましい発熱体１０を部分ファントム図にて示し、しかして複数の導電性領域つまりセラミック線１２は介在絶縁体領域１４によって電気的に分離される。図２に一般的に示されているように、発熱体１０は更に導電性キャップ要素１６を含み、しかして導電性キャップ要素１６は発熱体及びまた抵抗性領域１８を通じての完全回路を可能し、そして抵抗性領域１８は、適当には、発熱体遠位部分内に埋め込まれた且つ導電性領域１２との電気的接続状態にある抵抗線であり得る。抵抗性領域１８は、植込み抵抗線でなく他の手法（抵抗性セラミック領域を含めて）により与えられ得る。キャップ要素１６は、特に発熱体が先端加熱をするすなわち発熱体の端部分の辺りに局在された燃料点火温度（たとえば８００℃から１４００℃）まで熱くなることが所望される場合、抵抗加熱を与え得る、ということも理解されるべきである。

発熱体電気路はまた図２においてはっきりと見られ得、しかして電力は発熱体システム１０に発熱体近位端１０ａを通じて入る。導電性領域１２の近位端１２ａは、ロウ付けによってのように電気リード線（示されていない）にくっつけられ得る（電気リード線は、使用中発熱体に電力を供給する）。

発熱体１０の動作電圧又は抵抗は、導電性領域１２の横断面積（図２に１２ｂとして図示されている）の選択により、所望どおりに確立され得る。かくして、発熱体の導電性横断面積１２ｂが大きければ大きいほど、発熱体はより大きい動作電圧又は抵抗を示し得る。

発熱体近位端１０ａは、適当には、米国特許第６９３３４７１号明細書に開示されているようにセラモプラスチックシーラント材が導電性の要素近位端１２ａを収めるように、様々な取付け具内に取り付けられ得る。

上記に論考されたように、或る好ましい諸設計において、発熱体の最適機能のために必要とされ得る時に、たとえば発熱体と連通するリード線ハウジングをねじることにより、発熱体に電力を供給する電気リード線がシフトされて、それにより別の導電路と係合し得る。たとえば、１つ又はそれ以上の導電路が働かなくなる場合、リード線ハウジングはシフトされて、それにより発熱体の別の動作導電路と係合しそしてこれらの導電路を通じて電流を供給し得る。

本発明の或る好ましい発熱体システムにおいて、作られる発熱体は、０．２５４ｃｍの直径（図２における寸法ａ）、０．５０６ｃｍ²の横断面積（その同じ寸法における面積）及び３ｃｍの長さ（図２における寸法ｂ）を有するように形作られ得る。複数の導電性領域つまりセラミック線は、各々約１０μｍの横断面寸法（図２における寸法１２ｂ）を有し得る。

好ましい諸設計において、発熱体は、１，０００、２，０００又は３，０００超の導電性領域つまりセラミック線を有し得る。一つの例示的な好ましい設計において、発熱体は３２２５本のセラミック導線（発熱体の全横断面積の約５パーセントを構成する）を含有し、そしてそれらの３２２５のうちの１６１の領域が発熱体の使用中電流を通す。一つの設計において、かかる発熱体は４７．３８オームの総抵抗を有し得、しかも一つの導電路は１０ミクロンの直径及び０．００１オーム・ｃｍの抵抗率を有する。別のシステムにおいて、かかる発熱体は１４２．１６オームの総抵抗を有し得、しかも一つの導電路は１０ミクロンの直径及び０．００３オーム・ｃｍの抵抗率を有する。かかる例示的設計において、発熱体は、３ｃｍの長さ及び０．２５４ｃｍの直径を有し得る。

異なる抵抗温度係数の導電性帯域の混成物を含む本発明の発熱体において、電流を通すために利用され得るＰＴＣＲ導電性帯域及びＮＴＣＲ導電性帯域は所望効果を奏するのに十分な量にて存在し、たとえば、５、４、３又は２秒未満のような速い時間対温度値をもたらすのに十分な数のＰＴＣＲ導電路並びに／あるいは１００又は２００ボルト超の電圧のような高い電圧において信頼できる動作を可能にするのに十分な数のＮＴＣＲ導電路にて存在する。ＰＴＣＲ導電路とＮＴＣＲ導電路の配合物を含むかかる発熱体において、適当には電流を通すために利用され得る全部の導電路の少なくとも５又は１０パーセントはＰＴＣＲ又はＮＴＣＲであり、一層典型的には電流を通すために利用され得る全部の導電路の少なくとも約１５、２０又は２５パーセントはＰＴＣＲ又はＮＴＣＲである。

本明細書において言及される場合、用語「時間対温度」又は同様な用語は、発熱体高温帯域が室温（約２５℃）から約１０００℃の燃料（たとえばガス）点火温度まで上昇するための時間を指す。特定の発熱体についての時間対温度値は、適当には、二色赤外高温計を用いて決定される。

広く様々な形状が適当であり得る、ということが理解されるべきである。たとえば、セラミック導線は、適当には各々約０．１μｍから約１，０００μｍ一層好ましくは各々約１μｍから約５００μｍ更に一層好ましくは各々約１μｍから約５、１０、２０、５０又は１００μｍの横断面寸法を有し得る。多くの用途について、セラミック線は少なくとも約５μｍ又は１０μｍの横断面寸法を有することが好ましくあり得る。

セラミック線はまた、発熱体の様々な横断面積を占め得る。たとえば、電流を通すために利用され得る複数のセラミック線は、適当には発熱体の全横断面積の約０．００１パーセントから約２０パーセント一層典型的には発熱体の全横断面積の約０．０１、０．１又は０．５パーセントから約１５パーセント更に一層典型的には発熱体の全横断面積の約１パーセントから５、１０又は１５パーセントを占め得る。多くの用途について、発熱体の全横断面積の少なくとも約０．１又は１パーセントは複数の導電性セラミック線で構成されることが好ましくあり得る。

論考されたように、発熱体は、好ましい諸設計において、適当には、様々な数の別個の（電気的に分離された）導電性セラミック線つまりセラミック路を有し得る。一つの側面において、発熱体は、３つ又はそれ以上の離散した（電気的に分離された）導電性セラミック路つまりセラミック線を有する。或る好ましい諸側面において、発熱体は、比較的高い数の離散した導電性セラミック路つまりセラミック線たとえば少なくとも５０、１００、２００、３００、４００、５００、７００、１０００、２０００、３０００、４０００若しくはそれどころか５０００又はそれ以上の離散した導電性セラミック路つまりセラミック線を有し得る。或る好ましい諸具体的態様について、セラミック発熱体は、少なくとも４、５、１０、２０、３０又は４０の離散した導電性セラミック路つまりセラミック線を含む。上記に論考されたように、発熱体の使用の際に、導電性セラミック路つまりセラミック線の総数の一部のみが電流を通し得、たとえば適当には発熱体の全部の利用可能な離散した導電性セラミック路つまりセラミック線の約１、２、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０又は９０パーセントまでが発熱体の使用中電流を通し得、そして利用可能な導電路つまり導線の残余は使用中電流を通さない。一般的に、より高い数の利用可能な導電性セラミック路つまりセラミック線を備えた発熱体は、路の比較的低い百分率を発熱体の使用中利用し得る。

上記に論考されたように並びに図１及び２に例示されているように、好ましくは、発熱体の長さの少なくとも実質部分は、発熱体の長さ（図２に示された長さａのような）の少なくとも一部に沿って丸い横断面形を有する。図１及び２は特に好ましい形状を図示し、しかして棒形発熱体をもたらすように発熱体１０は発熱体のほとんど全長について実質的に円形の横断面形を有する。しかしながら、上記に論考されたように、好ましいシステムはまた、発熱体の長さ（図２における発熱体の長さａにより例示されているような）の約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０又は９０パーセントまでが丸い横断面形を有するように発熱体の一部のみが丸い横断面形を有するものを包含する。かかるデザインにおいて、発熱体の長さの残余は、外縁を備えた輪郭を有し得る。たとえば、適当な発熱体デザインは、冷却ひれ、又は点火を向上するための形状を含み得る。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明の好ましい発熱体をもたらすための加工段階を図示する。かくして、図３Ａにおいて、棒形セラミック導電性要素つまり導線２０は、介在する絶縁体棒要素２２と一緒に束ねられる。一般的に図３Ａに図示されているような要素２０及び２２が束ねられそして押出法によってのように圧縮されて、図３Ｂに示されたような複数の導電路を有する発熱体がもたらされ得る。抵抗線又は他の抵抗要素（抵抗性セラミック帯域のような）が、導電性帯域との電気的連通状態にて導電性要素及び絶縁体要素と共に束ねられ得る。

発熱体の押出は、適当には、セラミック組成物の流体処方物を作りそしてこのセラミック処方物を前進させてダイ要素（所望形状の発熱体をもたらす）を通すことにより行われ得る。

たとえば、１種又はそれ以上のセラミック粉末と１種又はそれ以上の混和性有機溶媒（アルコール、等のような）を含有する水溶液とを混合することによりもたらされるペーストのような、セラミック粉末のスラリー又はペースト様組成物が調製され得る。押出用の好ましいセラミックスラリー組成物は、随意に１種又はそれ以上の水混和性有機溶媒（セルロースエーテル溶媒、アルコール、等のような）のような１種又はそれ以上の有機溶媒と一緒された水の流体組成物中に１種又はそれ以上のセラミック粉末（ＭｏＳｉ₂、ＳｉＣ、窒化ケイ素、ＳｉＡｌＯＮ、Ａｌ₂Ｏ₃及び／又はＡｌＮのような）を混ぜ込むことにより調製され得る。セラミックスラリーはまた、他の物質たとえば１種又はそれ以上の有機可塑剤化合物を随意に１種又はそれ以上のポリマーバインダーと一緒に含有し得る。

発熱体を作るために、広く様々な形を作る又は誘導する要素が用いられ得、しかして形を作る要素の形状は押し出された発熱体の所望形に相当する。たとえば、棒形発熱体を作るために、セラミック粉末のペーストが、円筒状ダイ要素を通じて押し出され得る。脚柱様又は矩形の形の発熱体を作るために、矩形ダイが用いられ得る。

押出後、造形された発熱体は、適当には、溶媒（水性及び／又は有機）担体を除去するのに十分な時間、たとえば５０℃又は６０℃超にて乾燥され得る。

以下の例は、発熱体を作るための好ましい押出法を記載する。

発熱体をこのように作った後、この要素は、所望に応じて更に処理され得る。

かくして、たとえば、１つ又はそれ以上のセラミック層が、成形された要素に、セラミック組成物スラリーの浸漬被覆、吹付け被覆、等によるように施され得る。

以下の例に示されるように、導電性層が、成形された発熱体の外面の少なくとも一部に施され得る。かかる外面被膜は、作られた発熱体において火炎センサーとして機能し得る。

発熱体１０は、次いで、所望に応じて更に加工され得る。たとえば、発熱体の電気的性質を調整するために、発熱体１０は穿孔され得、あるいは別のやり方で機械加工され得る。たとえば、絶縁体として働く内部ボイド領域が、成形された発熱体ボディ内に穿孔され得る。

追加的に、上記に論考されたように、発熱体は、火炎センサー又は火炎調整器として動作し得る熱電対回路のような追加的機能を含み得る。

成形された発熱体１０は、好ましくは、温度及び圧力を含む条件下でのように更に緻密化される。特に、成形後、発熱体は、一工程又は多工程熱処理にて焼結され得る。

一つの多工程操作法において、押出及び／又は浸漬被覆法によって成形された発熱体は、様々な有機及び無機担体物質を除去するための第１熱処理に、たとえば、バインダー、等を除去するためのアルゴンのような不活性雰囲気中での１０００℃超における加熱に付され得る。その後、発熱体は、ガラスホットアイソスタティックプレス下でのような加圧下で、１６００℃超にて０．５時間又はそれ以上焼結され得る。

かかる緻密化後、発熱体は所望されるならば清浄にされ得、そしてこの要素に電力を供給するために、次いで電気リード線がこの要素の近位端にくっつけられる。

本発明の発熱体を製造するために、他の手法が用いられ得る。

たとえば、多数の導電性ファイバー又は導線が絶縁体セラミック組成物を通じて延在するところの絶縁体セラミック組成物で構成される発熱体が作られ得る。このバルク発熱体は、次いで焼結され得る。

絶縁体の発熱体ボディもまた押出法によってのように製造され得、しかしてセラミックボディ要素は有機系又は無機系マトリックス（たとえばハニカム）を含み、しかも隣接するセラミックボディ要素の抵抗率とは異なる抵抗率を有するセラミック組成物で該マトリックスは満たされ得る。たとえば、ハニカムマトリックスは発熱体内に導電路を画定するように導電性組成物で満たされ得、あるいはマトリックスは発熱体内に抵抗性帯域を画定するように抵抗性物質で満たされ得る。かかるマトリックスはまた、１つ又はそれ以上のＰＴＣＲ導電性帯域及び１つ又はそれ以上のＮＴＣＲ帯域のような、異なる抵抗温度係数の複数の導電路つまり導電性帯域をもたらすために、異なる抵抗温度係数の導電性組成物で選択的に満たされ得る。

本発明の発熱体を製造するために、フォトリソグラフィーもまた用いられ得、たとえば導電路を画定するようにフォトレジストが用いられ、しかも該導電路は所望に応じてセラミック組成物で満たされ得る。発熱体の多導電路は、適当には、ビルドアップ式逐次手法のタイプで製作され得、しかして導電路の逐次層が、電気的分離をもたらすための介在する絶縁体線路と共に、画像化フォトレジストマスクの使用によって製作される。

図４は更なる好ましい発熱体１０を破断図にて示し、しかして領域１２は電力を遠位抵抗性（点火）帯域１４に与える複数の電気的に分離された路を含み、そして領域１６は回路を完成するための複数の電気的に分離された路を含む。

図５は概略破断図にて好ましい同軸発熱体１０を示し、しかして内領域１２は電力を遠位抵抗性（点火）帯域１４に与える複数の電気的に分離された路を含み、そして外領域１６は回路を完成するための複数の電気的に分離された路を含む。内領域１２と外領域１６は、適当には、絶縁性領域１８（ボイド空間であり得るあるいは絶縁性（熱シンク）セラミック物質を含み得る）によってのように分離され得る。リード線２２は、電力を発熱体１０に送り得る。

本発明の発熱体の寸法は広範に変動し得、そして発熱体の予定使用に基づいて選択され得る。たとえば、好ましい発熱体の長さ（図２における長さａ）は適当には約０．５から約５ｃｍ一層好ましくは約１から約３ｃｍであり得、そして発熱体の横断面幅（図２における長さｂ）は適当には約０．２から約３ｃｍであり得る。

好ましいシステムにおいて、本発明の発熱体の高温帯域又は抵抗性帯域は、公称電圧において約１４５０℃未満の最大温度までそして公称電圧の約１１０パーセントである上限線間電圧において約１５５０℃未満の最大温度までそして公称電圧の約８５パーセントである下限線間電圧において約１３５０℃未満の最大温度まで熱くなる。

本発明の発熱体を作るために、様々な組成物が用いられ得る。異なる抵抗率のセラミック組成物、並びにハイブリッド系たとえばセラミック組成物であってたとえば埋め込まれた金属導電路を含むセラミック組成物が用いられ得る。セラミック要素、セラミック導電路又はセラミック導線、等への本明細書における言及は、両方のかかる系、すなわちセラミック材料のみで構成される要素並びにセラミック／金属ハイブリッド要素のようなハイブリッドセラミック系を包含する。

或る諸具体的態様において、高温帯域領域を作るためにセラミック組成物が用いられる場合、一般的に、好ましい高温帯域組成物は、１）導電性物質、２）半導性物質及び３）絶縁性物質の少なくとも三つの成分を含む。導電性（低温）領域と絶縁性（熱シンク）領域は、同じ成分でしかし異なる割合で存在する成分で構成され得る。典型的導電性物質は、たとえば、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、窒化チタンのような窒化物、及び炭化チタンのような炭化物を包含する。典型的半導体は、炭化ケイ素（ドープされた及びドープされていない）及び炭化ホウ素のような炭化物を包含する。典型的絶縁性物質は、アルミナのような金属酸化物あるいはＡｌＮ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄のような窒化物を包含する。

本明細書において言及される場合、用語電気絶縁性物質は、少なくとも約１０¹⁰オーム・ｃｍの室温抵抗率を有する物質を指摘する。本発明の発熱体の電気絶縁性物質成分はもっぱら又は主として１種又はそれ以上の金属窒化物及び／又は金属酸化物で構成され得、あるいはその代わりに絶縁性成分は金属酸化物又は金属窒化物に加えて諸物質を含有し得る。たとえば、絶縁性物質成分は、追加的に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素若しくは窒化ホウ素のような窒化物、希土類酸化物（たとえばイットリア）又は希土類オキシ窒化物を含有し得る。

本明細書において言及される場合、半導体セラミック（又は「半導体」）は、約１０と１０⁸オーム・ｃｍの間の室温抵抗率を有するセラミックである。半導性成分が高温帯域組成物の約４５ｖ／ｏ超として存在するならば（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲にある場合）、生じる組成物は、高電圧の印加についてあまりにも導電性になる（絶縁体の不足に因り）。逆に、半導体物質が約１０ｖ／ｏ未満として存在するならば（導電性セラミックが約６〜１０ｖ／ｏの範囲にある場合）、生じる組成物は、あまりにも抵抗性になる（多すぎる絶縁体に因り）。また、より高い導体レベルにおいて、所望電圧を達成するために、絶縁体画分と半導体画分のより抵抗性の混成物が必要とされる。典型的には、半導体は、炭化ケイ素（ドープされた及びドープされていない）及び炭化ホウ素から成る群からの炭化物である。

本明細書において言及される場合、導電性物質は、約１０^-2オーム・ｃｍ未満の室温抵抗率を有するものである。導電性成分が高温帯域組成物の３５ｖ／ｏより多い量にて存在するならば、生じるセラミックの高温帯域組成物は、あまりにも導電性になり得る。典型的には、導体は、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、並びに窒化チタンのような窒化物及び炭化チタンのような炭化物から成る群から選択される。二ケイ化モリブデンが、一般的に好ましい。

一般的に、好ましい高温（抵抗性）帯域組成物は、（ａ）約５０と約８０ｖ／ｏの間の少なくとも約１０¹⁰オーム・ｃｍの抵抗率を有する電気絶縁性物質、（ｂ）約５と約４５ｖ／ｏの間の約１０と約１０⁸オーム・ｃｍの間の抵抗率を有する半導性物質及び（ｃ）約５と約３５ｖ／ｏの間の約１０^-2オーム・ｃｍ未満の抵抗率を有する金属導体を含む。好ましくは、高温帯域は、５０〜７０ｖ／ｏの電気絶縁性セラミック、１０〜４５ｖ／ｏの半導性セラミック及び６〜１６ｖ／ｏの導電性物質を含む。

好ましい低温帯域（導電性）領域は、たとえば、ＡｌＮ及び／又はＡｌ₂Ｏ₃あるいは他の絶縁性物質；ＳｉＣ又は他の半導体物質；並びにＭｏＳｉ₂又は他の導電性物質で構成されるものを含む。しかしながら、低温帯域領域は、高温帯域よりも有意に高い百分率の導電性及び半導性物質（たとえばＳｉＣ及びＭｏＳｉ₂）を有する。

本発明の発熱体は、炉及び調理器具のような気相燃料点火式用途、ベースボードヒーター、ボイラー並びにレンジ上面を含めて、数多くの用途において用いられ得る。特に、本発明の発熱体は、レンジ上面向けガスバーナー用の及びまたガス炉用の点火源として用いられ得る。

本発明の発熱体はまた、液体（湿性）燃料（たとえば灯油、ガソリン）が蒸発されそして点火される場合の点火のための使用（たとえば、輸送機関（たとえば自動車）の先行加熱をもたらす輸送機関用ヒーターにおいて）に特に適している。

本発明の発熱体はまた、適当には、グロープラグとしてたとえば動力車における点火源として用いられる。

本発明の発熱体は、赤外線ヒーター用発熱体としてを含めて、追加的な特定用途向けに有用である。

次の非制限的例は、本発明を例示する。本明細書において挙げられたすべての文書は、参照することによりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる。

実施例１：発熱体の製作
図面の図２に示された一般的形状の本発明の発熱体は、次のように製造され得る。

導電性組成物（３０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ₂、２０ｖｏｌ％のＳｉＣ、残余のＡｌ₂Ｏ₃）の粉末及び絶縁性組成物（２０ｖｏｌ％のＳｉＣ及び８０ｖｏｌ％のＡｌ₂Ｏ₃）の粉末を別々に約１６ｗｔ％の水及び５ｗｔ％のメチルセルロース（ダウ（Dow）Ａ４Ｍ）と混合して、２種のペーストを作った。これらの２種のペーストを、絶縁性ペーストが約４０の棒要素を形成しそして抵抗性ペーストが絶縁性棒により分離される約５つの要素を形成するように棒形に成形する。次いで、これらの一まとめにされた棒をモール（Mohr）ピストン押出機で、０．３１インチ直径のダイを通じて押し出して縮小して、円筒状発熱体がもたらされる。

この複製過程後、導電性棒は直径について約０．０５インチに縮小され、そしてこれらの導電性棒の二つは発熱体の遠位端にくっつけられた導電性キャップと共に回路を形成し得る。

次いで、外面の発熱体の長さの少なくとも一部を導電性組成物（３０ｖｏｌ％のＭｏＳｉ₂、２０ｖｏｌ％のＳｉＣ、残余のＡｌ₂Ｏ₃）のスラリーで被覆するように、発熱体を浸漬被覆する。該スラリーは、適当には、分散剤、並びにイソプロピルアルコール、ＰＥＧ４００（乳化剤，ステアリン酸の反応生成物）、サンチサイザー（SANTICIZER）１６０（可塑剤，ブチルベンジル）、ブトワル（BUTWAR）Ｂ７６（Monsanto，ポリビニルブチラール）及び１１１Ｍ分散剤（DARVAN）を含有する低粘度ベース流体を含有する。外面被膜は、作られた発熱体において火炎センサーとして機能し得る。

かくして被覆された発熱体をアルゴン雰囲気中で１２００℃にて予備焼結してバインダーを燃やし尽くし、窒化ホウ素で被覆し、そしてガラスホットアイソスタティックプレス下で１７５０℃にて１時間緻密化する。これらの緻密化された部品をグリットブラストにより清浄にし、そしてこの要素に電力を供給するために電気リード線をこの要素の近位端にくっつける。

実施例２：同軸発熱体
図面の図５の構成に相当する発熱体を上記の実施例１の一般的手順により製造する。

本発明は、その特定の諸具体的態様に関して詳細に記載されてきた。しかしながら、当業者は、この開示を考察すると、本発明の精神及び範囲内で改変及び改善をなし得る、ということが理解されるであろう。

図１は、本発明の好ましい発熱体システムをファントム図にて示す。図２は、本発明の別の好ましい発熱体をファントム図にて示す。図３Ａは、本発明の好ましい発熱体をもたらすための加工段階を図示する。図３Ｂは、本発明の好ましい発熱体をもたらすための加工段階を図示する。図４は、本発明の更なる好ましい発熱体を破断図にて示す。図５は、同軸構成を有する本発明の更なる好ましい発熱体を示す。

Claims

セラミック抵抗発熱体であって、少なくとも３つの電気的に分離された導電性帯域を含む発熱体。
セラミック抵抗発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電性帯域の一部のみが該発熱体の使用中電流を通す発熱体。
セラミック抵抗発熱体であって、複数の導電性帯域を含み、しかもこれらの導電路の二つ又はそれ以上が異なる抵抗温度係数を有する発熱体。
導電性帯域の一つ又はそれ以上がＰＴＣＲを有し、そして導電性帯域の一つ又はそれ以上がＮＴＣＲを有する、請求項３に記載の発熱体。
発熱体が、少なくとも１０の電気的に分離された導電性帯域を含む、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
発熱体が、少なくとも１００の電気的に分離された導電性帯域を含む、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
発熱体が、少なくとも１０００の電気的に分離された導電性帯域を含む、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
発熱体が、約５００ミクロン又はそれ以下の横断面寸法を有する１つ又はそれ以上の導電性帯域を含む、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
総数の約７０パーセントまでが、発熱体の使用中電流を通す、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
１つ又はそれ以上の絶縁体帯域が、導電性帯域の間に介在している、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
発熱体が、導電性キャップ要素を含む、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
発熱体が、実質的に円形の横断面形を有する、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
発熱体が、同軸構造を有する、請求項１、２又は３に記載の発熱体。
燃料を点火する方法であって、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発熱体に電流を印加することを含む方法。
電流が、６、８、１０、１２、２４、１２０、２２０、２３０又は２４０ボルトの公称電圧を有する、請求項１４に記載の方法。
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発熱体を含むグロープラグ。
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発熱体を含む加熱装置。
電力を発熱体に与える方法であって、
少なくとも３つの電気的に分離された導電性帯域を含むセラミック抵抗発熱体を用意し、そして
電力を１つ又はそれ以上の選択された導電性帯域に与えるように該発熱体に関して１つ又はそれ以上の電気接続部を係合させる
ことを含む方法。
１つ又はそれ以上の電気接続部を選択数の導電性帯域に係合させ、それによりイグナイターが目標電圧にて動作する、請求項１８に記載の方法。
発熱体の動作寿命中、１つ又はそれ以上の別の導電性帯域に電力を与えるように１つ又はそれ以上の電気接続部をシフトする、請求項１８に記載の方法。