DE102016121091A1

DE102016121091A1 - Keramische Glühkerze

Info

Publication number: DE102016121091A1
Application number: DE102016121091.9A
Authority: DE
Inventors: Teiji Ishinada; Hiroshi Nakao; Ikuya Ando; Hiroyuki Murai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2036-11-05
Also published as: JP2017089948A; JP6668690B2; DE102016121091B4

Abstract

Eine keramische Glühkerze beinhaltet eine keramische Heizvorrichtung (2) mit einem Heizelement (22), einer positiven Elektrode (23) und einer negativen Elektrode (24), ein Gehäuse (32), welches an einem Kerzenbefestigungslochs eines Maschinenkopfs (11) befestigt ist, eine Hülse (31), welche elektrisch mit der negativen Elektrode verbunden ist, und eine Kappe (5), die an die Seitenoberfläche des keramischen Körpers zu einer Seitenoberfläche eines stromführenden Anschlusses angepasst ist, wobei die Kappe elektrische mit der positiven Elektrode verbunden ist. Die Seitenoberfläche und die Kappe sind miteinander durch eine metallisierte Schicht mit aktivem Metall (6) beinhaltend eine Reaktionsschicht (61) mit dem keramischen Substrat und einem Hartlot (65) verbunden. Die Seitenoberfläche und die Hülse sind miteinander durch eine glasartige metallisierte Schicht (7) beinhaltend eine Glaskomponente, welche an das keramische Substrat angehaftet wird, und eine metallisierte Komponente und ein Hartlot (75) verbunden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Glühkerze zum Unterstützen der Kompressionszündung von Kraftstoff in einer internen Verbrennungsmaschine, wie z. B. einer Dieselmaschine.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Beispielsweise ist eine Glühkerze in einem Kerzenbefestigungsloch befestigt, welches in einer Dieselmaschine ausgebildet ist, um die Kompressionszündung beim Kaltstart der Maschine zu unterstützen. Im Allgemeinen weist eine keramische Glühkerze zumindest ein keramisches Substrat auf, in welchem ein wärmeerzeugender Widerstand eingebettet ist, und diese weist ein Metallrohr auf, welches um das keramische Substrat angeordnet ist. Das keramische Substrat ist mit einem Paar von Elektrodenführungsteilen an dessen Oberfläche zum Zuführen eines Stroms zu dem wärmeerzeugenden Widerstand vorgesehen, wobei die Elektrodenführungsteile an den beiden Enden des wärmeerzeugenden Widerstands vorgesehen sind.
Eine solche keramische Glühkerze ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2012-33340 beschrieben. Bei der in diesem Patentdokument beschriebenen keramischen Glühkerze ist ein erstes Elektrodenführungsteil einer negativen Elektrode an einer Seitenoberfläche eines keramischen Substrats angeordnet, und es ist ein zweites Elektrodenführungsteil einer positiven Elektrode an einer Endoberfläche des keramischen Substrats angeordnet. Das erste Elektrodenführungsteil ist mit einer metallisierten Schicht vorgesehen. Ein Metallrohr ist außerhalb des keramischen Substrats so angeordnet, dass die metallisierte Schicht abgedeckt wird. Die metallisierte Schicht und das Metallrohr durch ein Hartlot miteinander verbunden. Die metallisierte Schicht besteht aus einer ersten metallisierten Schicht, welche derart ausgebildet ist, dass diese mit dem ersten Elektrodenführungsteil verbunden ist, und aus einer zweiten metallisierten Schicht, welche Glas beinhaltet, und welche anders ausgebildet ist, als ein Verbindungsteil mit dem ersten Elektrodenführungsteil. Die erste metallisierte Schicht erhöht die Reaktivität und die Adhäsion zwischen dem keramischen Substrat und dem ersten Elektrodenführungsteil. Entsprechend kann vermieden werden, dass die metallisierte Schicht von dem ersten Elektrodenführungsteil abblättert. Ferner ist die zweite metallisierte Schicht aus einem weichen Material hergestellt, und diese ist fähig, die Belastung bei Situationen unter hoher Temperatur zu reduzieren, und dies kann das Auftreten eines Schadens zwischen dem Metallrohr und dem keramischen Substrat aufgrund eines Heiß-Kaltzyklus in Übereinstimmung mit der Verbrennung der Maschine vermeiden.
Allerdings, da das erste Elektrodenführungsteil der negativen Elektrode mit dem Metallrohr über bzw. durch die erste metallisierte Schicht, welche ein aktives Metall beinhaltet, verbunden ist, beinhaltet die vorstehend beschriebene keramische Glühkerze, die nachstehend näher dargelegten Probleme. Wenn das Metallrohr thermisch wiederholt aufgrund eines Heiß-Kaltzyklus in Übereinstimmung mit der Verbrennung der Maschine expandiert und kontrahiert, dann wird eine thermische Belastung in gleicher Art auf die ersten und zweiten metallisierten Schichten von dem Metallrohr her in Abhängigkeit zu einem Unterschied des linearen Expansionskoeffizienten zwischen dem Metallrohr und dem keramischen Substrat ausgeübt. Bei diesem Zeitpunkt, sogar falls die thermische Belastung in der zweiten metallisierten Schicht, welche Glas beinhaltet, absorbiert wird, kann die erste metallisierte Schicht an dessen Peripherie durch die thermische Belastung, die von dem Metallrohr auf das keramische Substrat ausgeübt wird, beschädigt werden, da die thermische Belastung nicht ausreichend in der ersten metallisierten Schicht, welche das aktive Metall beinhaltet, absorbiert wird.
Ferner wird bei der vorstehend beschriebenen keramischen Glühkerze das zweite Elektrodenführungsteil der positiven Elektrode nur durch Hartlot verbunden, und es gibt keine spezifischen Maßnahmen, um das zweite Elektrodenführungsteil gegenüber der thermischen Belastung zu schützen. Insbesondere bei einem Fall, bei dem das zweite Elektrodenführungsteil der positiven Elektrode an der Seitenoberfläche des keramischen Substrats angeordnet werden muss, ist es erforderlich, die Peripherie der positiven Elektrode gegenüber Torsionsbelastung zu schützen, welche auftritt, wenn die Glühkerze in einem Kerzenbefestigungsloch befestigt wird, welches in einem Maschinenkopf ausgebildet ist, oder es ist erforderlich, diese gegenüber Torsionsbelastung zu schützen, welche auftritt, wenn die Glühkerze selbst fixiert und zusammengebaut wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform sieht eine keramische Glühkerze vor, welche das Folgende aufweist:
Eine keramische Heizvorrichtung 2 beinhaltend ein stabförmiges keramisches Substrat 21, ein Heizelement 22, welches in das keramische Substrat eingebettet ist, und welches Wärme erzeugt, wenn diesem Strom zugeführt wird, eine positive Elektrode 23, welche mit einem Ende des Heizelements 22 verbunden ist, und welches an einer Seitenoberfläche eines proximalen Endteils 211 des keramischen Substrats angeordnet ist, und eine negative Elektrode 24, welche mit dem anderen Ende der Heizvorrichtung verbunden ist, und welche an der Seitenoberfläche an einer Position angeordnet ist, welche näher an einer distalen Endseite des keramischen Substrats liegt, als die positive Elektrode;
ein Gehäuse 23, welches an einem Kerzenbefestigungsloch eines Maschinenkopfs 11 befestigt ist;
eine Hülse 31, welche mit einer distalen Endseite des Gehäuses verbunden ist, und welche an die Seitenoberfläche der keramischen Heizvorrichtung so angepasst ist, dass ein distales Endteil 212 der keramischen Heizvorrichtung freigestellt ist, wobei die Hülse 31 elektronisch mit der negativen Elektrode verbunden ist;
einen stromführenden Anschluss, welcher in das Gehäuse eingefügt ist; und
eine Kappe 5, die an die Seitenoberfläche des keramischen Körpers an dem distalen Endteil und an die Seitenoberfläche des stromführenden Anschlusses angepasst ist, wobei die Kappe 5 elektrisch mit der positiven Elektrode verbunden ist, wobei
die Seitenoberfläche des keramischen Substrat beinhaltend eine Oberfläche der positiven Elektrode und die Kappe miteinander durch eine metallisierte Schicht mit einem aktiven Metall 6 beinhaltend eine Reaktionsschicht 61 mit dem keramischen Substrat und ein Hartlot 65, welches die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 und die Kappe miteinander verbindet, verbunden sind, und
die Seitenoberfläche des keramischen Substrats beinhaltend eine Oberfläche der negativen Elektrode und die Hülse miteinander durch eine glasartige metallisierte Schicht 7 beinhaltend eine Glaskomponente, die an das keramische Substrat angehaftet wird, und eine metallisierte Komponente mit einer elektrischen Leitfähigkeit, und ein Hartlot 75, welches die glasartige metallisierte Schicht und die Hülse miteinander verbindet, verbunden sind.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist eine keramische Glühkerze vorgesehen, die fähig ist, die Peripherie deren positiver Elektrode und deren negative Elektrode, die an einer Seitenoberfläche des keramischen Substrats angeordnet ist, gegenüber Belastungen zu schützen, wobei die negativen Elektroden an einer Metallhülse fixiert sind.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung beinhaltend die Zeichnungen und Ansprüche deutlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt/es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer keramischen Glühkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht um eine keramische Heizvorrichtung, welche in der keramischen Glühkerze beinhaltet ist, gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht um eine positive Elektrode der keramischen Glühkerze gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht um eine negative Elektrode der keramischen Glühkerze gemäß der Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine keramische Heizvorrichtung der keramischen Heizvorrichtung, welche mit einer metallisierten Schicht mit aktivem Metall und einer glasartigen metallisierten Schicht ausgebildet ist.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Erste Ausführungsform
Eine keramische Glühkerze 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben. So wie dies in 1 gezeigt ist, beinhaltet die keramische Glühkerze 1 eine keramische Heizvorrichtung 2, eine Hülse 31, ein Gehäuse 32, einen stromführenden Anschluss 4 und eine Kappe 5. So wie dies in 2 gezeigt ist, beinhaltet die keramische Heizvorrichtung 2 ein stabförmiges keramisches Substrat 21, ein Heizelement 22, Führungsteile 221 und 222, eine positive Elektrode 23 und eine negative Elektrode 24. Das Heizelement 22, welches in das keramische Substrat 21 eingebettet ist, erzeugt Wärme, wenn diesem Strom zugeführt wird. Ein Ende des Heizelements 22 ist mit der positiven Elektrode 23 durch das Führungsteil 221 verbunden. Das andere Ende des Heizelements 22 ist mit der negativen Elektrode 24 durch das Führungsteil 222 verbunden. Die positive Elektrode 23 ist in einer Seitenoberfläche 201 eines proximalen Endteils 211 des keramischen Substrats 21 vorgesehen, so dass diese an einem Ende des Führungsteils 221 vorgesehen ist. Die negative Elektrode 24 ist in der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 vorgesehen, so dass diese an dem anderen Ende des Führungsteils 222 und näher zu der distalen Endseite als die positive Elektrode 23 platziert ist.
Das Gehäuse 32 ist an einem Kerzenbefestigungsloch 11 eines Maschinenkopfs 11 befestigt. Die Hülse 31 ist mit der distalen Endseite des Gehäuses 23 durch Laserschweißen verbunden. Die Hülse 31 ist an die Seitenoberfläche 201 der keramischen Heizvorrichtung 2 solcherart angepasst, dass das distale Endteil 221 der keramischen Heizvorrichtung 2 freigestellt ist, und diese ist elektrisch mit der negativen Elektrode 24 verbunden. Der stromführende Anschluss 4, welcher eine Stabform aufweist, um einen Strom zu dem positiven Anschluss 23 zuzuführen, ist in das Gehäuse 23 eingefügt. Die Kappe 5 ist an die Seitenoberfläche 201 des proximalen Endteils 201 des keramischen Substrats 21 und an eine Seitenoberfläche des stromführenden Anschlusses 4 angepasst. Die Kappe 5 verbindet die positive Elektrode 23 und den stromführenden Anschluss 4 elektrisch miteinander.
So wie dies in 3 gezeigt ist, werden die Kappe 5 und die Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der positiven Elektrode 23 miteinander durch eine metallisierte Schicht mit einem aktiven Metall 6, einer plattenförmigen Schicht 23 und einem Hartlot 65 mit verbunden. Die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 beinhaltet eine Reaktionsschicht 61 und eine Leitschicht 62 mit dem keramischen Substrat 21. Die plattenförmige Schicht 63 ist an der Oberfläche der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 vorgesehen. Das Hartlot 65 verbindet die plattenförmige Schicht 53 und die Kappe 5 miteinander.
So wie dies in 4 gezeigt ist, werden die Hülse 31 und die Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der negativen Elektrode 24 miteinander durch eine glasartige metallisierte Schicht 7, eine plattenförmige Schicht 73 und ein Hartlot 75 verbunden. Die glasartige metallisierte Schicht 7 beinhaltet eine Glaskomponente zum Anhaften an das keramische Substrat 21 und eine metallisierte Komponente mit einer elektrischen Leitfähigkeit. Die plattenförmige Schicht 73 ist an der Oberfläche der glasartigen metallisierten Schicht 7 vorgesehen. Das Hartlot 75 verbindet die plattenförmige Schicht 73 und die Hülse 31 miteinander. Bei dieser Ausführungsform wird das Verbinden unter Verwendung der Hartlote 65 oder 75 nicht nur durch das Fusionieren bzw. Verbinden der Hartlote 65 oder 75 erreicht, sondern ebenso durch eine Presspassung. In den 3 und 4 sind die Dicken der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6, der Reaktionsschicht 61, der Leitschicht 62, der plattenförmigen Schicht 63, des Hartlots 65, der glasartigen metallisierten Schicht 7, der plattenförmigen Schicht 73 und des Hartlots 75 übertrieben dargestellt.
So wie dies in 1 gezeigt ist, ist die keramische Glühkerze 1 an dem Kerzenbefestigungsloch 12 solcherart fixiert, dass das distale Endteil 221 der keramischen Heizvorrichtung 2 in eine Verbrennungskammer 13 des Maschinenkopfs 11 hineinsteht. Die keramische Glühkerze 1 dient dem Vorheizen einer Kraftstoff-Luft-Mischung in der Verbrennungskammer 13 durch das Zuführen eines Stroms zu dem Heizelement 22 der keramischen Heizvorrichtung 2 durch die positive Elektrode 23 und durch die negative Elektrode 24.
Die keramische Glühkerze 1 ist an dem Kerzenbefestigungsloch 12 des Maschinenkopfs 11 durch das Verursachen eines Anschlags eines Teils der Hülse 31 gegen die Innenwand des Kerzenbefestigungslochs 12 fixiert, und ebenso durch das Verursachen, dass ein männlicher Gewindeabschnitt, welcher in dem proximalen Endteil des Gehäuses 32 ausgebildet ist, in einen weiblichen Gewindeabschnitt, der in der Innenwand des Kerzenbefestigungslochs 12 ausgebildet ist, eingreift bzw. einschraubt. Hier wird eine Seite, die näher zu der Verbrennungskammer 13 des Maschinenkopfs 11 gelegen ist, als die distale Endseite bezeichnet, und die entgegengesetzte Seite wird als die proximale Endseite bezeichnet.
So wie dies in 1 gezeigt ist, ist die keramische Heizvorrichtung 2 in der inneren Peripherie der distalen Endseite der Hülse 31 und des Gehäuses 32 vorgesehen. Das distale Endteil 221 der keramischen Heizvorrichtung 2 steht von dem distalen Ende der Hülse 31 hervor. Das keramische Substrat 21 der keramischen Heizvorrichtung 2 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, und dieses ist aus einer Keramik wie z. B. Si₃N₄ hergestellt.
So wie dies in 2 gezeigt ist, beinhaltet die keramische Heizvorrichtung 2 das keramische Substrat 21, das Heizelement 22, welches als ein wärmeerzeugender Teil an dem distalen Endteil des keramischen Substrats 21 angeordnet ist, das Führungsteil 221, welches das Heizelement 22 mit der positiven Elektrode 23 verbindet, das Führungsteil 222, welches das Heizelement 22 mit der negativen Elektrode 24 verbindet, die positive Elektrode 23 und die negative Elektrode 24. Das Heizelement 22 ist aus einem Material hergestellt, welches einen Widerstand aufweist, der größer als derjenige der Führungsteile 221 und 222 ist. Wenn ein Strom zu dem Heizelement 22 von der positiven Elektrode 23 und der negativen Elektrode 24 durch die Führungsteile 222 und 221 zugeführt wird, dann erzeugt das Heizelement 22 Wärme, um eine Luft-Kraftstoff-Mischung innerhalb der Verbrennungskammer 13 zu erwärmen. Das Heizelement 22 ist in einer U-Form ausgebildet, welche ein gefaltetes Teil an der distalen Endseite beinhaltet. Bei dieser Ausführungsform ist das Heizelement aus Si₃N₄ (Siliziumnitrid) und WC (Wolframcarbit) hergestellt, und die Führungsteile 221 und 223 sind aus W (Wolfram) hergestellt.
Die positive Elektrode 23 und die negative Elektrode 24 sind aus WC (Wolframcarbit) hergestellt. Die positive Elektrode 23 ist an einem Teil in der Umfangsrichtung der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 angeordnet. Die negative Elektrode 24 ist an einem Teil in der Umfangsrichtung des keramischen Substrats 21 angeordnet, so dass diese gegenüberliegend zu der positiven Elektrode 23 platziert ist.
Die Hülse 31, welche derart ausgebildet ist, dass diese einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner ist als derjenige des Gehäuses 32, ist mit der distalen Endseite des Gehäuses 32 verbunden. Die Hülse 31 beinhaltet ein erstes dickes Teil 311, welches gegen die innere Wand des Kerzenbefestigungslochs 12 anschlagen soll, ein zweites dickes Teil 312, welches in seinem Außendurchmesser kleiner ist, als das erste dicke Teil 311, und dieses ist benachbart zu der distalen Endseite des ersten dicken Teils 311 platziert, und einen dünnen Teil 313, welcher in seinem Außendurchmesser kleiner ist, als das zweite dicke Teil 312, und dieses ist benachbart zu der distalen Endseite des zweiten dicken Teils 312 platziert. Die negative Elektrode 24 ist in dem keramischen Substrat 21 an einer Position vorgesehen, die dem zweiten dicken Teil 312 entgegengesetzt ist. Die Hülse 31 ist mit der keramischen Heizvorrichtung 2 durch die glasartige metallisierte Schicht 7, die plattenförmige Schicht 73 und das Hartlot 75 verbunden. Die negative Elektrode 24 des keramischen Heizelements 2 ist elektrisch mit dem Maschinenkopf 11 durch die Hülse 31 verbunden.
So wie dies in 1 gezeigt ist, ist das Gehäuse 32 mit dem männlichen Gewindeabschnitt ausgebildet, und das Kerzenbefestigungsloch 12 ist mit dem weiblichen Gewindeabschnitt an dessen Innenperipherie ausgebildet. Die keramische Glühkerze 1 kann an dem Maschinenkopf 11 befestigt werden, indem der männliche Gewindeabschnitt in den weiblichen Gewindeabschnitt hineingeschraubt wird. So wie dies in 2 gezeigt ist, ist ein distales Endteil 121 des Kerzenbefestigungslochs 12 in seinem Durchmesser kleiner als ein proximales Endteil 122 des Befestigungslochs 12, und ein Stufenteil 123 ist zwischen dem distalen Endteil 121 und dem proximalen Endteil 122 ausgebildet. Das erste dicke Teil 311 schlägt gegen das erste dicke Teil 311 der Hülse 31 an, um zu vermeiden, dass ein Verbrennungsgas innerhalb der Verbrennungskammer 13 nach außen austritt. Die Hülse 31 ist aus einem Metall hergestellt, wie z. B. Edenstahl. Das Gehäuse 32 ist aus einem Metall hergestellt, wie z. B. Karbonstahl.
Das distale Endteil des stromführenden Anschlusses 4 ist an der inneren Peripherie an der proximalen Endseite der Kappe 5 fixiert. Das proximale Endteil des stromführenden Anschlusses 4 ist mit einer Leistungsversorgung verbunden, welche außerhalb der keramischen Glühkerze 1 vorgesehen ist. Der stromführende Anschluss 4 ist aus einem Metall hergestellt, wie z. B. Karbonstahl.
Die Kappe 5 ist an die äußere Peripherie des proximalen Endteils 211 der keramischen Heizvorrichtung 2 angepasst. Die Gesamtdicke der Kappe 5 ist kleiner als die Dicke des zweiten dicken Teils 312 der Hülse 31. Die positive Elektrode 23 des Heizelements 22 ist elektrisch mit dem stromführenden Anschluss 4 über die Kappe 5 verbunden. Die Kappe ist aus einem Metall hergestellt, wie z. B. Edelstahl.
Die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 beinhaltet die Reaktionsschicht 61, welche an der Oberfläche des keramischen Substrats 21 ausgebildet ist, und die Leitschicht 62, welche an der Oberfläche der Reaktionsschicht 61 ausgebildet ist. So wie dies in 3 gezeigt ist, ist die Reaktionsschicht 61 durchgängig an der Seitenoberfläche 201 des proximalen Endteils 211 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der positiven Elektrode 23 ausgebildet. Die Reaktionsschicht 61 besteht aus einer Schicht von Te₅Se₃, was aus einer Reaktion zwischen Ti als aktive Metallkomponente der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 mit Se₃N₄ als eine keramische Komponente des keramischen Substrats 21 herrührt. Die Reaktionsschicht 61 dient dem Sicherstellen des Anhaltens der Kappe 5 an dem keramischen Substrat 21 und der positiven Elektrode 23. In dieser Ausführungsform ist Mg als die aktive Metallkomponente der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 verwendet worden.
Die Leitschicht 62 ist durchgängig an der Oberfläche der Reaktionsschicht 61 ausgebildet. Die Leitschicht 62 ist aus Ag als aktive Metallkomponente der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 ausgebildet. Die Leitschicht 62 dient zum Sicherstellen der Leitfähigkeit zwischen der Kappe 5 und der positiven Elektrode 23. Als die leitfähige Komponente der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 kann Cu verwendet werden.
Die plattenförmige Schicht 63 ist an der Oberfläche der Leitschicht 62 ausgebildet, um die Mobilität des Hartlots 65 zu erhöhen. Die plattenförmige Schicht 63 ist durchgängig an der Oberfläche der Leitschicht 62 ausgebildet. Die Leitschicht 62 ist bei dieser Ausführungsform aus Ni hergestellt. Die Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 und die Kappe 5 sind miteinander durch das Hartlot 65 verbunden, welches in dem Spalt zwischen der plattenförmigen Schicht 63 und der Kappe 5 angeordnet ist. Das Hartlot 65 ist über der Oberfläche der plattenförmigen Schicht 63 ausgebildet. Das Hartlot 65 ist in dieser Ausführungsform aus Ag hergestellt.
So wie dies in 4 gezeigt ist, ist die glasartige metallisierte Schicht 7 über der Seitenoberfläche 210, beinhaltend die Oberfläche der negativen Elektrode 24 mit Ausnahme des proximalen Endteils 211 des keramischen Substrats 21 ausgebildet. Die glasartige metallisierte Schicht 7 beinhaltet Mn als Metallkomponente und SiO₂-B₂O₃ als eine Glaskomponente. Die Metallkomponente dient dem Sicherstellen der Leitfähigkeit zwischen der Hülse 31 und der negativen Elektrode 24. Die Glaskomponente dient dem Erhöhen des Bruchwiderstands des keramischen Substrats 21 durch das Reduzieren eines Unterschieds des linearen Expansionskoeffizienten zwischen der Hülse 31 und dem keramischen Substrat 21 und diese dient dem Erhöhen der Festigkeit der glasartigen metallisierten Schicht 7. Als die Metallkomponente der glasartigen metallisierten Schicht 7 kann Ni verwendet werden. Als Glaskomponente der glasartigen metallisierten Schicht 7 kann SiO₂-Al₂O₃ verwendet werden.
Die glasartige metallisierte Schicht 7 ist mit der plattenförmigen Schicht 73 an dessen Oberfläche zum Erhöhen der Fülleigenschaft des Hartlots 75 in den Spalt zwischen der Hülse 31 und der keramischen Heizvorrichtung 2 durch das Erhöhen der Mobilität des Hartlots 75 ausgestaltet. Die plattenförmige Schicht 73, welche in dieser Ausführungsform aus Ni hergestellt ist, ist über der Oberfläche der glasartigen metallisierten Schicht 7 ausgebildet. Die Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 und die Hülse 31 sind miteinander durch das Hartlot 75 verbunden, welches in dem Spalt zwischen der plattenförmigen Schicht 73 des keramischen Substrats 21 und der Hülse 31 angeordnet ist. Das Hartlot 75, welches in dieser Ausführungsform aus Ag hergestellt ist, ist über der Oberfläche der glasartigen metallisierten Schicht 7 ausgebildet. Die Hülse 31 und die plattenförmige Schicht 73 sind miteinander durch eine Presspassung und dann durch da Hartlot 75 verbunden.
Als Nächstes werden ein Verbindungsverfahren der keramischen Heizvorrichtung 2 und ein Herstellungsverfahren der keramischen Glühkerze 1 erläutert. Um die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 auszubilden, wird eine erste Paste als ein Material der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 über bzw. durchgängig über die Seitenoberfläche 201 des proximalen Endteils 211 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der positiven Elektrode 23 aufgebracht. Danach wird die erste Paste wärmebehandelt, wobei als Ergebnis dessen die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 durchgängig über der Seitenoberfläche 201 des proximalen Endteils 211 ausgebildet ist. Die erste Paste beinhaltet Ag-Metallpulver und beinhaltet Ti als aktives Metall. Während die erste Paste wärmebehandelt wird, reagiert Ti als eine aktive Metallkomponente in der ersten Paste mit Si₃N₄ als keramisch Komponente des keramischen Substrats 21, wobei als dessen Ergebnis eine Schicht von Ti₅Si₃ als die Reaktionsschicht 61 an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 ausgebildet wird. Die Leitschicht 62, welche aus Ag hergestellt ist, ist an der Oberfläche der Reaktionsschicht 61 ausgebildet. Auf diese Weise wird die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 beinhaltend die Reaktionsschicht 61 und die Leitschicht 62 ausgebildet. Die plattenförmige Schicht 63, welche aus Ni hergestellt ist, ist an der Oberfläche der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 ausgebildet, um die Mobilität des Hartlots 65 zu erhöhen.
Um die glasartige metallisierte Schicht 7 an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 auszubilden, wird eine zweite Paste als ein Material der glasartigen metallisierten Schicht 7 durchgängig über die Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der negativen Elektrode 24 mit Ausnahme des proximalen Endteils 211 des keramischen Substrats 21 aufgetragen. Die zweite Paste wird wärmebehandelt, wobei als Ergebnis dessen die glasartige metallisierte Schicht 7 durchgängig an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 ausgebildet wird. Die zweite Paste beinhaltet Mn als Glaskomponente und SiO₂ als eine Glaskomponente. Während die Wärmebehandlung durchgeführt wird, da die Metallkomponente von Mn und die Glaskomponente von SiO₂ in der zweiten Paste nicht mit der keramischen Komponente von Si₃N₄ in dem keramischen Substrat 21 reagieren, wird keine Reaktionsschicht ausgebildet. An der Seitenoberfläche 21 des keramischen Substrats 21 wird die glasartige metallisierte Schicht 7 ausgebildet, in welcher die Metallkomponente und die Glaskomponente vermischt sind. Da die glasartige metallisierte Schicht 7 nicht eine Reaktionsschicht beinhaltet, wird diese derart ausgebildet, dass diese an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 anhaftet. An der Oberfläche der glasartigen metallisierten Schicht 7 wird die plattenartige Schicht 73 aus Ni ausgebildet, um die Mobilität und die Fülleigenschaft des Hartlots 75 zu erhöhen. Auf diese Weise wird die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 und die glasartige metallisierte Schicht 7 an der Seitenoberfläche des keramischen Substrats 21 ausgebildet.
Danach wird die keramische Heizvorrichtung 2, welche mit der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 und mit der glasartigen metallisierten Schicht 7 ausgebildet ist, innerhalb der Hülse 31 vorgesehen und die keramische Glühkerze 1 wird der Kappe 5 zusammengebaut, wobei diese an die äußere Peripherie der keramischen Heizvorrichtung 2 angepasst ist. Um die keramische Heizvorrichtung 2 innerhalb der Hülse 31 anzuordnen, wird die Hülse 3 erhitzt bzw. erwärmt, und das geschmolzene Hartlot 75 wird in den Spalt zwischen der inneren Peripherie der Hülse 31 und der äußeren Peripherie (Seitenoberfläche 201) der keramischen Heizvorrichtung 2 eingeführt. Zu diesem Zeitpunkt fließt das Hartlot 75 aufgrund der plattenförmigen Schicht 73 problemlos und der Spalt zwischen der inneren Peripherie der Hülse 31 und der äußeren Peripherie der keramischen Heizvorrichtung 2 wird mit dem Hartlot 75 aufgefüllt. Danach, wenn die Hülse 31 abgekühlt wird, verfestigt sich das Hartlot 75 und es verringert sich der Durchmesser der Hülse 31, wobei als Ergebnis dessen die keramische Heizvorrichtung 2 und die Hülse 31 miteinander durch das Hartlot 75 verlötet werden, wobei ausgehend von der Hülse 31 ein Druck auf die keramische Heizvorrichtung 2 ausgeübt wird. Auf diese Weise werden die Seitenoberfläche 21 der keramischen Heizvorrichtung 2 und die Hülse 31 miteinander durch die glasartige metallisierte Schicht 7, die plattenförmige Schicht 73 und das Hartlot 75 fixiert.
Um die Kappe 5 an die äußere Peripherie der keramischen Heizvorrichtung 2 anzupassen, wird die Kappe 5 auf etwa 860°C erwärmt, um diese auszudehnen, wobei dadurch der Spalt zwischen der Kappe 5 und der keramischen Heizvorrichtung 2 erhöht wird. Nachfolgend wird das geschmolzene Hartlot 65 in den Spalt zwischen der inneren Peripherie der Kappe 5 und der äußeren Peripherie (Seitenoberfläche 201) der keramischen Heizvorrichtung 2 eingeführt. Bei diesem Zeitpunkt fließt das Hartlot aufgrund der plattenförmigen Schicht 63 problemlos und der Spalt zwischen der inneren Peripherie der Kappe 5 und der äußeren Peripherie der keramischen Heizvorrichtung 2 wird mit dem Hartlot 65 aufgefüllt. Danach, wenn die Kappe 5 abgekühlt wird, verfestigt sich das Hartlot 65 und es verringert sich der Durchmesser der Kappe 5, wobei die keramische Heizvorrichtung 2 und die Kappe 5 miteinander verlötet werden. Auf diese Weise werden die Seitenoberfläche 201 der keramischen Heizvorrichtung 2 und die Kappe 5 miteinander durch die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6, durch die plattenförmige Schicht 63 und durch das Hartlot 65 fixiert.
Als nächstes werden die Vorteile der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert werden. Bei der keramischen Glühkerze 1 wird die Hülse 31 an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der negativen Elektrode 24 durch die glasartige metallisierte Schicht 7, die plattenförmige Schicht 73, und das Hartlot 75 durch Presspassung und Schweißen verbunden und fixiert. Während die keramische Glühkerze 1 in Verwendung ist, expandieren und kontrahieren das keramische Substrat 21 und die Hülse 31 wiederholt thermisch aufgrund eines Heiß-Kaltzyklus in Übereinstimmung mit der Verbrennung der Maschine. Eine Größe der Volumenänderung der Hülse 31 aufgrund der thermischen Expansion und Kontraktion ist größer als diejenige des keramischen Substrats 21, da es einen Unterschied im linearen Expansionskoeffizienten zwischen der Hülse 31 und dem keramischen Substrat 21 gibt.
Die Hülse 31 wird mit der Peripherie der negativen Elektrode 24 des keramischen Substrats 21 durch die glasartige metallisierte Schicht 7 verbunden, welche keine Reaktionsschicht ausbildet. Entsprechend ist es möglich, die mechanische Beanspruchung zu reduzieren, welche von der Hülse 31 auf die Peripherie der negativen Elektrode 24 des keramischen Substrats 21 aufgrund des Unterschieds in dem linearen Expansionskoeffizienten zwischen der Hülse 31 und des keramischen Substrats 21 ausgeübt wird, und es ist möglich, den Bruchwiderstand des keramischen Substrats 21 durch die Glaskomponente der glasartigen metallisierten Schicht 7 zu erhöhen. Daher ist es möglich, das Auftreten von Brüchen in der Peripherie der negativen Elektrode 24 des keramischen Substrats 21 aufgrund der thermischen Belastung, die durch die thermische Expansion und Kontraktion der Hülse 31 verursacht wird, zu vermeiden, wobei dadurch das Auftreten eines Bruchs in den Führungsteilen 221 oder 222 vermieden wird.
Auf der anderen Seite werden die Kappe 5 und die Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 beinhaltend die Oberfläche der positiven Elektrode 23 miteinander durch die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6, durch die plattenförmige Schicht 31 und durch das Hartlot 65 verbunden. Die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 wird durch die Reaktionsschicht 61 verbunden, welche die aktive Metallkomponente ausbildet, wobei diese mit der reaktiven Komponente des keramischen Substrats 21 reagiert hat. Die Peripherie der positiven Elektrode 23 des keramischen Substrats 21 kann fest mit der Kappe 5 durch die Reaktionsschicht 61 verbunden werden. Entsprechend, da das keramische Substrat 21 und die Reaktionsschicht 61 der metallisierten Schicht mit dem aktiven Metall 6 integriert ausgebildet sind, ist es möglich, die keramische Glühkerze 1 gegenüber einer Torsionsbeanspruchung zu schützen, die bei dem Zeitpunkt des Befestigens der keramischen Glühkerze 1 an bzw. in dem Kerzenbefestigungsloch 1 des Maschinenkopfs 11 auftritt, und gegenüber einer Torsionsbelastung zu schützen, welche bei dem Zeitpunkt des Zusammenbaus der keramischen Glühkerze 1 selbst auftritt.
Die Peripherie der positiven Elektrode des keramischen Körpers 21 wird mit der Kappe 5 verbunden, welche kleiner ist, als die Hülse 31. Die Dicke des Verbindungsabschnitts zwischen der Kappe 5 und der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 ist kleiner als die Dicke des zweiten dicken Teils 321 der Hülse 31. Daher, da eine Größe der Volumenänderung der Kappe 5 aufgrund der thermischen Expansion und Kontraktion kleiner ist, als die der Hülse 31, wenn die keramische Glühkerze 1 in Verwendung ist, ist die thermische Belastung, die von der Kappe 5 auf das keramische Substrat 21 ausgeübt wird, kleiner als die thermische Belastung, welche von der Hülse 31 auf das keramische Substrat 21 ausgeübt wird. Entsprechend, obwohl die Kappe 5 und die Peripherie der positiven Elektrode 23 des keramischen Substrats 21 miteinander durch die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall 6 fest verbunden sind, kann die thermische Belastung, welche von der Kappe 5 auf die Peripherie der positiven Elektrode 23 ausgeübt wird, klein beibehalten werden. Im Ergebnis kann das keramische Substrat 21 gegenüber Brüchen geschützt werden, wobei dadurch die Führungsteile 221 und 222 des Elements 23 vor dem Zerbrechen geschützt sind. So wie dies vorstehend beschrieben ist, sind bei der keramischen Glühkerze 1 gemäß der vorstehenden Ausführungsform der Erfindung, in welcher die positive Elektrode 23 und die negative Elektrode 24 an der Seitenoberfläche 201 des keramischen Substrats 21 angeordnet sind, sowohl die Peripherie der positiven Elektrode 23 als auch die Peripherie der negativen Elektrode 24 gegenüber Belastung geschützt.
Die keramische Glühkerze 1 beinhaltet die Hülse 31 mit den drei Teilen in unterschiedlichen Durchmessern, das heißt, den ersten dicken Teil 311, den zweiten dicken Teil 312 und den dünnen Teil 313. Genauer gesagt ist die negative Elektrode 24 der keramischen Heizvorrichtung 2 an einem Teil vorgesehen, welches entgegengesetzt zu dem zweiten dicken Teil 312 angeordnet ist, welches dicker als das dünne Teil 313 ist. Dies macht es möglich, den Wärmetransfer von der negativen Elektrode 24 auf die Hülse 31 zu fördern, sodass die Wärme, die in der keramischen Heizvorrichtung 2 erzeugt wird, an den Maschinenkopf 11 durch die Hülse 31 abgegeben werden kann.
Die keramische Heizvorrichtung 2 wird am distalen Endteil durch das Heizelement 2 am meisten erwärmt, und die Wärme der keramischen Heizvorrichtung 2 geht von dem distalen Endteil zu dem proximalen Endteil über. Da das zweite dicke Teil 312 dicker als das dünne Teil 313 ist, ist die Wärmetransfergeschwindigkeit bei dem zweiten dicken Teil 312 größer als diejenige bei dem dünnen Teil 313. Die negative Elektrode 24 ist an einem Teil vorgesehen, welches entgegengesetzt zu dem zweiten dicken Teil 312 angeordnet ist, wobei die Wärmetransfergeschwindigkeit groß ist, und so ist es möglich, zu unterdrücken, dass Wärme in der negativen Elektrode 24 akkumuliert wird. Daher ist es möglich die thermische Belastung in der negativen Elektrode 24 zu reduzieren.
Auf der anderen Seite, da die Dicke des dünnen Teils 313 so klein wie möglich ausgebildet ist, kann der Abstand zwischen dem dünnen Teil 313 und dem Kerzenbefestigungsloch 12 des Maschinenkopfs 11 so groß wie möglich ausgestaltet werden. Da dieser Abstand ausreichend groß ist, kann eine Kraftstoff-Luftmischung innerhalb der Verbrennungskammer 13 reibungslos in den Abstand zwischen dem dünnen Teil 313 und dem Kerzenbefestigungsloch 21 hineinfließen. Im Ergebnis wird es möglich Kohlenstoff zu verbrennen, welcher an der Oberfläche der Hülse 31 oder dem Kerzenbefestigungsloch 12 anhaftet. Entsprechend kann der Kohlenstoffwiderstand einer Maschine, die mit der keramischen Glühkerze 1 vorgesehen ist, groß ausgestaltet werden. Es ist ebenso möglich, die Festigkeit des Maschinenkopfs 11 zu erhöhen, indem die Dicke des dünnen Teils 313 reduziert wird, wobei dadurch der Durchmesser des Kerzenbefestigungslochs 12 reduziert wird.
Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen in Bezug auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform getätigt werden können. Beispielsweise sind die Hartlote 65 und 75 bei dieser Ausführungsform aus Silber, jedoch können diese auch aus einem kupferbasierten Material bestehen. In diesem Fall kann der Effekt des Nachgeben gegenüber Belastung weiter verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-33340 [0003]

Claims

Keramische Glühkerze aufweisend: eine keramische Heizvorrichtung (2) beinhaltend ein stabförmiges keramisches Substrat (21), ein Heizelement (22), welches in das keramische Substrat eingebettet ist, und welches Wärme erzeugt, wenn diesem Strom zugeführt wird, eine positive Elektrode (23), welche mit einem Ende des Heizelements verbunden ist, und welches an einer Seitenoberfläche eines proximalen Endteils (211) des keramischen Substrats angeordnet ist, und eine negative Elektrode (24), welche mit dem anderen Ende der Heizvorrichtung verbunden ist, und welche an der Seitenoberfläche an einer Position angeordnet ist, welche näher als die positive Elektrode an einer distalen Endseite des keramischen Substrats liegt; ein Gehäuse (23), welches an einem Kerzenbefestigungsloch eines Maschinenkopfs (11) befestigt ist; eine Hülse (31), welche mit einer distalen Endseite des Gehäuses verbunden ist, und welche an die Seitenoberfläche der keramischen Heizvorrichtung so angepasst ist, dass ein distales Endteil (212) der keramischen Heizvorrichtung freigestellt ist, wobei die Hülse mit der negativen Elektrode elektronisch verbunden ist; einen stromführenden Anschluss, welcher in das Gehäuse eingefügt ist; und eine Kappe (5), die an die Seitenoberfläche des keramischen Körpers an dem distalen Endteil und an die Seitenoberfläche des stromführenden Anschlusses angepasst ist, wobei die Kappe elektrisch mit der positiven Elektrode verbunden ist, wobei die Seitenoberfläche des keramischen Substrat beinhaltend eine Oberfläche der positiven Elektrode und die Kappe miteinander über eine metallisierte Schicht mit einem aktiven Metall (6) beinhaltend eine Reaktionsschicht (61) mit dem keramischen Substrat und ein Hartlot (65), welches die metallisierte Schicht mit dem aktiven Metall und die Kappe miteinander verbindet, verbunden sind, und die Seitenoberfläche des keramischen Substrats beinhaltend eine Oberfläche der negativen Elektrode und die Hülse miteinander über eine glasartige metallische Schicht (7) beinhaltend eine Glaskomponente, die an das keramische Substrat angehaftet wird, und eine metallische Komponente mit einer elektrischen Leitfähigkeit, und ein Hartlot (75), welches die glasartige metallische Schicht und die Hülse miteinander verbindet, verbunden sind.
Keramische Glühkerze gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse ein zylindrisches dickes Teil (312), welches gegenüberliegend zu einem Teil der Seitenoberfläche des keramischen Substrats beinhaltend die Oberfläche der negativen Elektrode angeordnet ist, und ein zylindrisches dünnes Teil (313), welches im Durchmesser kleiner ist, als das Dicke teil, und welches benachbart zu einer distalen Endseite des dicken Teils platziert ist, beinhaltet, und die negative Elektrode solcher Art angeordnet ist, dass diese gegenüberliegend zu dem dicken Teil angeordnet ist.
Keramische Glühkerze gemäß Anspruch 2, wobei eine Dicke des Verbindungsabschnitts zwischen der Kappe und der Seitenoberfläche des keramischen Substrats geringer ist, als eine Dicke des dicken Teils.