JP4755372B2 - 一体化されたコネクタ接点を備えたセラミックスピン加熱エレメント及びこのセラミックスピン加熱エレメントを製造する方法 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、セラミックス製ピン加熱エレメント、特に、内燃機関のためのセラミックス製ピン加熱エレメントに関し、このピン加熱エレメントは、組み込まれたコネクタ接点を有している。
【0002】
背景情報
燃料室から同時のシールを備えた金属ハウジングに外部加熱エレメントシャフトを有するセラミックス製ピン加熱エレメントの接続は複雑である。装着位置は、異なる極性を有する加熱エレメントシャフトと、研削されたハウジングとの間の接触を生ぜしめる。したがって、短絡を回避するために、2つの加熱エレメントシャフトのうちの一方が、シールシートの領域においてハウジングから電気的に絶縁されなければならない。また、反対の極性を有する別の加熱エレメントシャフトが、コネクタボルトから電気的に絶縁されなければならない。電気的絶縁層の適用は、現在は、個別のガラス化ステップを介して、又は例えば電気的絶縁層の印刷及び焼き付けによる適用を介して行われる。適用された絶縁層による、装着されたピン加熱エレメントの片側での機械的応力を回避するために、対応する開放コネクタシャフトには、同じ厚さであるが導電特性を有する層が設けられている。なぜならば、シールシートの領域においてセラミックス製ピン加熱エレメントが破壊する危険性があるからである。別の可能性は、セラミックス製加熱エレメントが、コーティングの適用を介してハウジングから完全に絶縁されることである。電位なしλプローブのように、接点は、分割された端子ボルトを介して形成される。
【0003】
発明の概要
本発明は、外部導体と、組み込まれた電気的接続面とを有するセラミックス製ピン加熱エレメントを形成する方法を提供する。この方法は、第1の電気抵抗を有する第1の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドから第1のボディを射出成形し、コンパウンドボディを形成するために、第1のボディの周囲に、第2の電気抵抗を有する第2の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドを射出成形し、コンパウンドボディを焼結することを含んでいる。
【0004】
さらに、本発明は、セラミックスピン加熱エレメントをも提供し、このセラミックスピン加熱エレメントには、第1の射出成形可能なセラミック複合コンパウンドから射出成形された第1のボディが設けられており、この第1のボディは、第1の電気抵抗を有しており、第2の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドから射出成形された第2のボディが設けられており、この第2のボディは、第2の電気抵抗を有している。第1及び第2のボディは、複合的なボディを形成しており、複合的なボディは、第1のボディ及び第2のボディの射出成形後に焼結される。
【0005】
本発明の実施例によるセラミックスピン加熱エレメントは、Si3N4/MSi2に基づく外部加熱導体を有しており、この場合MはMo、Nb、Ti又はWのうちの少なくとも1つであり、さらに、多数コンポーネント射出成形技術を使用して、組み込まれた電気的接続面を有している。
【0006】
本発明の方法及び加熱エレメントの利点は、外部の補足的な加熱導体がハウジング及び/又は端子ボルトに接触しないようにするために加熱エレメントを保護(絶縁)するための付加的なステップを行うことなく、ピン加熱エレメントを直接に成形することができることである。本発明による別の利点は、接点及び/又は絶縁コーティングの厚さ変化による、取付け位置及び/又はシールシートにおけるピンの破壊の危険性を最小限にすることである。
【0007】
詳細な説明
図1Aを参照すると、本発明の典型的なセラミックス製ピン加熱エレメントが、加熱導体2と、ハウジング12と、絶縁ボディ22と、コネクタボルト32とを有している。加熱導体2は、陰極3と、陽極6と、先端部9とを有しており、この先端部9が、加熱エレメントの作動中に加熱される。陰極3は、ハウジング12内に配置された下部区分4と、ハウジング12から突出したほぼ半円筒状の上部区分5とを有している。陽極6は、ハウジング12内に配置された下部区分7と、ハウジング12から突出したほぼ半円筒状の上部区分8とを有している。ハウジング12は、陰極3及び陽極6の下部区分4及び7、並びに絶縁ボディ22の一部を取り囲んだほぼ円筒状で環状のケーシングを形成している。絶縁ボディ22は、陰極3及び陽極6によって包囲されたほぼ円筒状のステム区分24と、ハウジング12と陽極6の下部区分7の一部との間に配置された湾曲した区分26と、接続ボルト32と陰極3の下部区分4との間に配置された半ディスク状区分28とを有している。この実施例では、接続ボルト32が陽極6に電気的に接続されており、ハウジング12は陰極3に電気的に接続されている。
【0008】
加熱導体2は、比較的高い導電率を有する射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドから形成されている。絶縁ボディ22は、比較的低い導電率を有する射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドから形成されている。ハウジング12は、快削鋼から形成されていると有利である。択一的に、ハウジング12は、別の適切な金属又は材料から形成されていてよい。コネクタボルト8は、快削鋼から形成されていても有利であるが、別の適切な金属又は材料から形成されていてもよい。図1B〜図1Dは、図1Aの加熱エレメントの様々な高さにおける横断面を示している。
【0009】
図2を参照すると、本発明による典型的な方法は、ブロック102に示したように、第1の電気抵抗を有する第1の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドから第1のボディを射出成形することを含んでいる。ブロック104に示したように、本発明の典型的な方法の次のステップは、コンパウンドボディを形成するために、第1のボディの周囲に、第2の電気抵抗を有する第1の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドを射出成形することである。第1のボディは、加熱エレメント2又は択一的にセラミックスピン加熱エレメントの絶縁ボディ22を形成してよく、第2の射出成形可能なセラミックス複合は、それぞれ、絶縁ボディ22又は加熱エレメント2を形成する。次いで、ブロック106に示したように複合的なボディを焼結する。
【0010】
セラミックスピンヒータは、適切な有機的加工助剤を使用して製造される。この実施例では、適切な加工助剤は、シクロドデカン及び/又はシクロドデカノールと組み合わされた、Uniroyal Chemical Company社によって製造されたPOLYBOND1001等のグラフトポリプロピレンを含んでいる。別の適切な有機的加工助剤は、Ticone GmbH社により製造されたHOSTAMONT TPEK 583等のポリオレフィンワックス、又はBASF AG社により製造されたCATAMOLD等のポリオキシメチレンの組合せを含んでいる。適切な有機的加工助剤は、複合材料Si3N4/MSi2(Mは、Mo、Nb、W又はTiのうちの少なくとも1つ)に付加され、異なる特定の電気抵抗を有する複合材料に焼結が行われる。次いで、複合材料は射出成形によって、成形されたボディに形成される。次いで、有利には予焼結及び主焼結ステップを含む2ステップ焼結プロセスとして、焼結が行われる。
【0011】
本発明による方法は、Al2O3、Y2O3及び同様のもの等の適切な焼結添加物と、MSi2(M:Mo、Nb、W、Ti)の添加物とを種々異なる比で備えた、予備配合されたSi3N4を使用する。MSi2の添加物は、焼結後には極めて絶縁性のコンポーネントAと、極めて高い導電性のコンポーネントBとが形成されるようになっている。
【0012】
射出成形可能なコンパウンドAS及びBSは、適切な有機バインダシステムを備えた、予備配合されたセラミックス粉末混合物A及びBから形成され、前記有機バインダシステムは、本発明の典型的な実施例では、シクロドデカン及び/又はシクロドデカノールと組合わされたグラフトポリプロピレンから成る。
【0013】
コンパウンドASから成る絶縁ボディは射出成形によって形成される。導電性のコンパウンドBSは、例えば2コンポーネント射出成形において、絶縁ボディASの周囲に射出成形される。
【0014】
バインダ除去及び予焼結は、1barの圧力で900℃までの温度の不活性ガス下で行われる。主焼結プロセスは、バインダ除去及び予焼結後の形成プロセスの後に行われる。主焼結は、所定のN2分圧下で行われ、この場合、N2分圧は10barであり、焼結全圧は、例えばAr等の不活性ガスの添加により高められ、100barに達する。焼結ガスは、1000℃と、1900℃以下の焼結温度との間の温度である。
【0015】
択一的に、主焼結は、所定のN2分圧下で行われ、N2分圧は、以下の関係によって仕切られた範囲内にあるように温度に関して変化させられ、焼結全圧は、例えばAr等の不活性ガスの添加により高められ、100barに達する。
【0016】
上限:log p(N2)=7.1566・In(T)-52.719
下限:log p(N2)=9.8279・In(T)-73.988
ここで、Tは℃での焼結温度であり、p(N2)はbarでのN2の分圧である。焼結温度は1900℃以下である。
【0017】
電気接点表面には、Ni又は同様のものに基づくコーティング等の、薄い金属コーティングが設けられていてよい。
【0018】
本発明の典型的な実施例では、Si3N4 54質量%、Al2O3 2.58質量%、Y2O3 3.42質量%、MoSi2 40質量%から成る複合粉末Aと、Si3N4 36質量%、Al2O3 1.72質量%、Y2O3 2.28質量%、MoSi2 60質量%から成る複合粉末Bとが製造される。使用されるSi3N4の平均粒子サイズは0.7μmであり、使用されるMoSi2の平均粒子サイズは1.8μmである。これらの複合粉末から、射出成形可能なコンパウンドAS及びBSが製造される。射出成形可能な粉末コンパウンドは、十分に満たされた拡散を示す。
【0019】
粉末射出成形に適したバインダシステムは以下の要求、すなわち、(1)粉末の凝集を回避するための拡散効果(2)射出成形中のコンパウンドの良好な流動性(3)ブランク上に噴射される第2のコンパウンドの十分な結合(4)炭素は焼結されかつ成形されたボディの特性に悪影響を与えるので、不活性ガス雰囲気中及び空気中での熱によるバインダ除去中の熱分解炭素の形成が低い(5)欠陥を生じることのない迅速なバインダ除去、を満たすと有利である。
【0020】
本発明の方法によるグラフトポリプロピレンと、シクロドデカン及び/又はシクロドデカノールとの組合せは、例えば、このタイプのバインダシステムを示す。アクリル酸又はマレイン酸無水物等のポリプロピレン鎖にグラフトされた極性化合物は、粉末の表面に付着する。本発明の典型的な実施例で使用されるポリプロピレンPOLYBOND 1001は、Uniroyal Chemical社のアクリル酸6%がグラフトされたホモポリプロピレンである。
【0021】
導電性セラミックスからコンパウンドBSを製造するために、予備配合された粉体混合物B 82質量%が、180℃の保護ガス下で、POLYBOND 1001 12質量%及びシクロドデカン 6質量%と混練され、運転しているニーダを用いた冷却によって粗砕される。
【0022】
このように、コンパウンドASは、絶縁セラミックス粉体Aから製造され、このコンパウンドASの添加物含量は、コンパウンドBSの添加物含量と合致させられているので、射出成形されかつ同じ焼結条件下で両コンパウンドからバインダ除去された試験ボディは、同じ焼結収縮を有する。
【0023】
まず、導電性ボディが、2コンポーネント射出成形によってコンパウンドBSを用いて形成される。射出成形工具内に絶縁領域のための凹所を形成したプッシャが引っ込められた後又は交換された後、形成された空所にコンパウンドASが射出される。このプロセスでは、絶縁ボディと導電性経路との間に結合が生じる。
【0024】
焼結条件(2)による熱バインダ除去及び焼結の後、コンポーネントASは、107Ωcmの比抵抗を有し、コンポーネントBSは、6×10 −3 Ωcmの比抵抗を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 Aは、本発明によるセラミックスピン加熱エレメントの概略的な縦断面図であり、Bは、図1AのB−B線に沿って見た横断面図であり、Cは、図1AのC−C線に沿って見た横断面図であり、Dは、図1AのD−D線に沿って見た横断面図である。
【図2】 本発明による方法のフローチャートである。
【符号の説明】
2 加熱導体、 3 陰極、 4,7 下部区分、 6 陽極、 8 上部区分、 9 先端部、 12 ハウジング、 22 絶縁ボディ、 24 ステム区分、 32 コネクタボルト
Claims (13)
- 外部加熱導体及び一体化された電気的接続面を有するセラミックスピン加熱エレメントを製造する方法において、
絶縁性の第1の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドから第1のボディを射出成形し、
コンパウンドボディを形成するように、前記第1のボディの周囲に、導電性の第2の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドを2コンポーネント射出成形において射出成形し、
前記複合ボディを焼結する
ことを特徴とする、セラミックスピン加熱エレメントを製造する方法。 - 前記第1の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドが、四窒化三ケイ素と、第1の金属ケイ化物と、第1のバインダシステムとを含み、第2の射出成形可能なセラミックス複合コンパウンドが、四窒化三ケイ素と、第2の金属ケイ化物と、第2のバインダシステムとを含む、請求項1記載の方法。
- 前記第1及び第2のバインダシステムのうちの少なくとも1つが、少なくとも1つのグラフトポリプロピレンと、シクロドデカン又はシクロドデカノールの少なくとも1つとを含んでいる、請求項2記載の方法。
- 前記少なくとも1つのグラフトポリプロピレンが、アクリル酸6%がグラフトされたホモポリプロピレンを含んでいる、請求項3記載の方法。
- 前記第1の金属ケイ化物が、(M1)Si2であり、(M1)が、Mo、Nb、W又はTiから選択された金属であり、前記第2の金属ケイ化物が、(M2)Si2であり、(M2)が、Mo、Nb、W又はTiから選択された金属である、請求項2記載の方法。
- 前記第1及び第2の金属ケイ化物が、同じ金属ケイ化物である、請求項2記載の方法。
- 前記第1の射出成形可能な複合コンパウンドが、第1の焼結添加剤を含んでおり、前記第2の射出成形可能な複合コンパウンドが、第2の焼結添加剤を含んでおり、第1の焼結添加剤又は第2の焼結添加剤のうち少なくとも一方が、Al2O3又はY2O3のうち少なくとも1つを含んでいる、請求項2記載の方法。
- 前記コンパウンドボディを予焼結するステップが設けられている、請求項1記載の方法。
- 前記予焼結を、900℃の最高温度で、大気圧で、不活性ガス下に行う、請求項8記載の方法。
- 焼結を、窒素の分圧下で行い、窒素分圧の最大値が、焼結温度が1000〜1900℃の場合に10barである、請求項1記載の方法。
- 焼結温度が、最高で1900℃である、請求項1記載の方法。
- コンパウンドボディのバインダを除去するステップが設けられている、請求項1記載の方法。
- 電気接続面の少なくとも一部を金属コーティングでコーティングする、請求項1記載の方法。
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