DE3532472A1 - Mehrteilige leitungsdurchfuehrung durch einen isolator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrteilige Leitungsdurch­ führung durch einen Isolator, bestehend aus einem Isolator aus Keramik mit einer durchgängigen Bohrung, in der zwei miteinander zu verbindende Leitungsteile in einer Glasschmelze angeord­ net sind.

Derartige mehrteilige Leitungsdurchführungen sind an­ sich bekannt; insbesondere werden sie in großem Umfang zur Elektrodenbefestigung bei Zündkerzen für Brennkraftmaschi­ nen verwendet. Insbesondere bei Zündkerzen sind mehrstücki­ ge Mittelelektroden üblich; der Verbindung der einzelnen Teile kommt wesentliche Bedeutung zu, weil hierdurch die technische Funktion, z. B. Gasdichte, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit der gebil­ deten mehrteiligen Leitungsdurchführung entscheidend beeinflußt wird.

Anstelle den bisherigen Glaseinschmelzungen der mehrstückigen Lei­ tungsdurchführungen, können diese einstückig hart eingelötet sein, die­ se Lösung ist jedoch zu unwirtschaftlich.

Glaseinschmelzungen mit mehrstückigen Metallteilen sind für einige Anwendungsfälle zu hochohmig, insbesondere wenn der Kontakt nur mit leitfähigem Glas hergestellt ist.

Bei Glaseinschmelzungen mit zusätzlichem Kontaktstift 2 treten an den Kontaktstellen Verzunderungen und Oxydationsschichten auf, so daß kein sicherer niederohmiger Übergang 6 (kleiner 10 m Ohm) gegeben ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden; insbesondere soll niederohmiger Kontakt zwischen den Lei­ tungsteilen herstellbar sein; als Ersatz der aufwendigen Hartlötung einer einstückigen Elektrode in dem Isolator. Bevorzugt soll darüber hinaus die Gasdichte größer als 40 bar sein; die Temperaturbeständigkeit sowohl der Dichtung als auch der Kontaktstellen soll insbesondere auch gegen­ über Temperaturen oberhalb 40°C vorhanden sein.

Die Aufgabe wird durch die mehrteilige Leitungsdurch­ führung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die folgenden Ansprüche 2 bis 7 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung.

Die erfindungsgemäße mehrteilige Leitungsdurchführung ist in vielfältiger Weise verwendbar, beispielsweise für Überwachungselektroden aller Art, insbesondere für Flüssigkeitsüberwa­ chung, für Ionisationssonden; für Hochspannungsdurchführungen allgemein, bei denen außergewöhnlich niederohmiger Durchgang erforderlich ist, sowie in den Fällen, wo besondere Anforderungen an Temperatur- und Druckbeständigkeit sowie Gasdichte gestellt werden. Insbesondere ist sie jedoch für Zündkerzen und Zünd­ elektroden geeignet.

Erfindungsgemäß werden sehr niederohmige Verbindungen von nur weni­ gen mΩ erreicht (Eigenwiderstand der Metallteile), insbesondere auch bei hohen Temperaturen. Auch die Gasdichte ist bei hohen Temperaturen hervorragend. Gleichzeitig erlaubt die einfache Konstruk­ tion wirtschaftliche Mengenfertigung, wobei gleichzeitig serienübliche Gläser Verwendung finden.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figur näher erläutert.

Die Figur stellt im Querschnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung dar, wo­ bei es sich im vorliegenden Fall um die Hochspannungsdurch­ führung durch eine Zündkerze handelt.

Die Mittelelektrode 1 mit daran befestigtem Kontaktstift 2 (z. B. geschweißt oder einstückig) wird mit einem z. B. leitfähigen Glasgranu­ lat 3 in die Längsbohrung 7 des keramischen Isolators 4 eingebracht und der Zündstift 5 über den Kontaktstift 2 eingesteckt, wobei nach dem Er­ wärmen des Glases 3 auf Schmelztemperatur der Zündstift 5 in die Glas­ schmelze eingepreßt wird.

Erfindungsgemäß soll zwischen der Mittelelektrode 1 und dem Zünd­ stift 5 ein besonders niederohmiger Kontakt hergestellt werden, wobei der Kontaktstift 2 mit dem Zündstift 5 verlötet ist. Hierbei werden Lötwerk­ stoffe verwendet, die mit der Glaseinschmelztemperatur derart abgestimmt sind, daß die Verlötung während des Schmelzen des Glases durch die Glasschmelztemperatur bewirkt wird.

Hierzu wird der Kontaktstift 2 mindestens im Kontaktbereich mit einer Silberschicht versehen, so daß eine Verlötung während des Schmelzen des Glases stattfindet. Die Aufbringung der Silberschicht auf den Kontaktstift 2 erfolgt beispielsweise galvanisch.

Bei einer alternativen Ausführungsform kann auf dem Kontaktstift 2, beispielsweise durch Flammspritzverfahren oder Plasmaspritzverfahren eine Hartlotschicht mindestens im Teil eines Kontaktbereiches aufgebracht werden, über die im Bereich der Glasschmelztemperatur die Verlötung erfolgt.

Schließlich kann eine Lötpaste auf dem Kontaktstift 2 aufgebracht oder in der entsprechenden Bohrung des Zünd­ stiftes 5 angeordnet sein.

Schließlich kann das Lot in Form eines Lotstückes, beispielsweise eines Lotringes in der Bohrung des Zündstif­ tes 5 angeordnet sein, so daß sich während des Glaseinschmel­ zens eine Lötverbindung zwischen Kontaktstift 2 und Zünd­ stift 5 ausbildet.

Bei diesen Verfahren sollte dafür gesorgt werden, daß zur Verbesserung der Lötfähigkeit ein geeignetes Flußmittel zur Verfügung gestellt bzw. aufgebracht wird. Wenn eine Ver­ lötung stattfinden soll, bei der Flußmittel nicht eingesetzt werden sollen oder können, so müssen Lote bereitgestellt wer­ den, mit denen flußmittelfreies Ofenlöten erfolgen kann. Das Glaseinschmelzen kann dann unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum stattfinden.

Im vorliegenden Fall ist in sofern eine bevorzugte Aus­ führungsform wiedergegeben, als die Mittelelektrode einstük­ kig mit dem Kontaktstift aus einer Eisen/Nickel/Kobaltlegie­ rung (z. B. Vacon 10, 11, 20 der Firma Vacuumschmelze, Hanau) ausgebildet ist, wobei dieses Material hinsichtlich der Wärmeausdehnung auf die Wär­ meausdehnung des keramischen Isolators und des Einschmelzglases abge­ stimmt ist.

Bei einer anderen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform besteht die Mittelelektrode aus einem Nickelmantel und einem Kupferkern mit einem eingesetzten oder einem aufgesetzten, beispielswei­ se angeschweißten Kontaktstift. Wenn der Kontaktstift 2 genügend dünn ausgeführt ist, können hierfür auch weniger gut wärmeausdehnungsmäßig abgestimmte Werkstoffe verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungs­ gemäßen mehrteiligen Leitungsdurchführung besteht darin, daß das in die Bohrung des Zündstiftes 5 einzuführende Ende des Kontaktstiftes 2 bewußt gratig oder kantig geschnitten ist, so daß bei bereits geringer Einpreßkraft der Kontakt zwischen Zündstift 7 und Kontaktstift 2 besonders leicht hergestellt wird.

Im Ergebnis wird eine Leitungsdurchführung mit den zu­ vor aufgezählten vorteilhaften Eigenschaften erreicht. Er­ findungswesentlich ist hierbei vor allem auch der Umstand, daß die Materialien derart gewählt werden, daß das Verlöten von Kontaktstift 2 und Zündstift 5 nicht in einem separaten Arbeitsgang sondern durch die Einwirkung der Arbeitstemperatur beim Schmelzen des Glases erfolgt, auch wenn es trotzdem vorteilhaft sein kann, zusätzlich elektrische Widerstandserwärmung oder Induktiver­ wärmung durchzuführen, damit das Lotmaterial schmilzt.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert.

Ein Zündstift 5 mit Bohrung zur teilweisen Aufnahme des Kontaktstif­ tes 2 wurde in bekannter Weise vernickelt und vor dem Schmelzen des Glases auf den Kontaktstift 2 aufgesteckt und nach dem Schmelzen ins Glas einge­ preßt. Der Kontaktstift 2 war mit der Mittelelektrode 1 ver­ schweißt. Als Material für den Kontaktstift wurde in an sich bekannter Weise ein solches gewählt, das hinsichtlich der Wärmeausdehnung dem des (elektrisch leitenden) Glases und dem der Kera­ mik entspricht; im vorliegenden Versuch haben sich Vacon 10 und Vacon 11 als diesbezüglich geeignet herausgestellt. Dieser Kontaktstift wurde mit einer Silberschicht von 2 bis 6 µm versehen und mit Flußmittel benetzt. Es ergab sich eine ein­ wandfreie niederohmige Verbindung (gemessene Teile: 6 bis 9 m), die auch nach 100 Stunden Lagerung bei 400°C noch intakt war. Bei einem Prüfdruck von 40 bar war die Anord­ nung gasdicht.

Anhand von Schliffen konnte eine Verlötung von Kontakt­ stift und Zündstift über die Silberschicht nachgewiesen werden.

Weitere Versuche wurden mit Kontaktstiften mit aufge­ spritztem Hartlot durchgeführt. Die Arbeitstemperatur des verwendeten Hartlots lag bei 910°C , die des Glases lag bei 890°C bis 920°C. Es ergab sich eine einwandfreie Verlötung, wobei eine niederohmige Verbindung kleiner 10 m erzielt wurde. Auch diese Anordnungen waren bei 40 bar gas­ dicht.

Claims (7)

1. Mehrteilige Leitungsdurchführung durch einen Isolator, bestehend aus einem Isolator mit einer durchgängigen Bohrung, in der zwei miteinander zu verbindende Leitungsteile in ei­ ner Glasschmelze angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den miteinander zu verbin­ denden Leitungsteilen (1, 5) ein Kontaktstift (2) angeordnet ist, dessen Wärmeausdehnung der der Isolatorkeramik und der Glasschmelze angepaßt und der mit mindestens einem Ende mit dem anliegenden Ende eines Leitungsteiles (1, 5) über ein Lot verlötet ist, das bei der Bearbeitungstemperatur der verwendeten Glasschmelze die Verlötung (6) herstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der für die Verbindung der Leitungs­ teile vorgesehene Kontaktstift (2) als Lot eine Silberbe­ schichtung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zur Verbindung der Leitungs­ teile vorgesehene Kontaktstift (2) eine Hartlotschicht, vor­ zugsweise durch Flamm- oder Plasmaspritzen aufgebracht, auf­ weist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kontaktstift (2) mit einer Löt­ paste versehen ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot in Form eines Lotformteils, vorzugsweise eines Lot­ ringes, zwischen Kontaktstift (2) und mindestens einem Lei­ tungsteil (1, 5) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein geeignetes Flußmittel verwendet wurde.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot für flußmittelfreies Ofenlöten geeignet ist.