Application of Piezoelectric Ceramics in lighter

Применение пьезокерамики в пьезоэлектрических зажигалках

1. Устройство и принцип работы зажигалок

1.1. Назначение и классификация

Зажигалка — это компактное портативное устройство, основное назначение которого — генерация открытого пламени для бытовых и рекреационных целей: прикуривания, зажигания свечей, разведения костра и т.д.

1.2. Типы зажигалок

• По типу топлива: Бутановые, нефрасовые (бензиновые).
• По механизму воспламенения: Кремниевые, пьезоэлектрические.
• По конструкции: Карманные, ветрозащитные, турбозажигалки (с формирователем пламени).
• По эксплуатации: Одноразовые и многоразовые (перезаправляемые).

2. Принцип работы пьезоэлектрической зажигалки

Работа основана на последовательном преобразовании механической энергии удара в электрическую искру, воспламеняющую топливно-воздушную смесь.

2.1. Общая схема работы

• Пользователь нажимает на кнопку/рычаг, приводя в действие ударный механизм.
• Одновременно открывается клапан, releasing сжиженное газовое топливо (бутан) из pressurized резервуара.
• Выходящее топливо испаряется и смешивается с воздухом, образуя горючую смесь у форсунки.
• Ударный механизм создаёт мощное кратковременное механическое воздействие на пьезоэлемент.
• Пьезоэлемент генерирует высоковольтный электрический импульс.
• Импульс создаёт искровой разряд между электродами, расположенными в зоне выхода топлива.
• Искра поджигает топливно-воздушную смесь, создавая устойчивое пламя.

2.2. Сравнение с кремниевым механизмом

В отличие от кремниевых зажигалок, где искра создаётся трением металлического колёсика о пирофорный сплав (кремень), пьезоэлектрический механизм не требует трущихся элементов, что повышает его надёжность и долговечность.

3. Пьезоэлектрические элементы в зажигалках

Пьезоэлемент является ключевым компонентом, обеспечивающим генерацию высоковольтной искры без внешнего источника питания.

3.1. Конструкция и принцип действия

Элемент представляет собой компактный модуль, в котором керамический пьезоэлемент механически соединён с ударным механизмом. При резком нажатии боёк ударяет по пьезокерамике, создавая в ней механическое напряжение. Благодаря прямому пьезоэффекту это напряжение мгновенно преобразуется в высокое электрическое напряжение (порядка 10-20 кВ), которого достаточно для пробоя воздушного промежутка между электродами и возникновения искры.

3.2. Используемые материалы

Для изготовления элементов используются пьезокерамические материалы с высоким пьезоэлектрическим коэффициентом:

• Цирконат-титанат свинца (PZT, ЦТС): Наиболее распространённый материал, offering оптимальное сочетание высокой выходной мощности, надёжности и низкой стоимости.
• Титанат бария (BaTiO₃): Может использоваться в качестве альтернативы, хотя и уступает PZT по пьезоактивности.

3.3. Преимущества пьезоэлектрического поджига

• Высокая надёжность: Отсутствие изнашивающихся элементов (кремня, колёсика).
• Независимость от источников питания: Не требует батареек или аккумуляторов.
• Долговечность: Рассчитан на десятки тысяч срабатываний.
• Удобство использования: Срабатывает при одном нажатии, не требует усилия для трения.
• Работа в любых условиях: Эффективен при влажности и умеренном ветре.

Благодаря этим преимуществам пьезоэлектрические системы зажигания нашли широкое применение не только в зажигалках, но и в различных газовых горелках, кухонных плитах и отопительных приборах.