(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
焼結温度が、最高で１９００℃である、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
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、６×１０−３Ωｃｍ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
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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