DE3843863A1

DE3843863A1 - Hochtemperatur-heizelement, verfahren zu seiner herstellung und verwendung desselben

Info

Publication number: DE3843863A1
Application number: DE3843863A
Authority: DE
Inventors: Guenter Knoll; Werner Dr Dipl Phys Gruenwald; Kurt Schmid; Friedrich Dipl Ing Muehleder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-12-24
Filing date: 1988-12-24
Publication date: 1990-06-28
Also published as: JPH02215077A; FR2641156A1; IT8922715A1; IT8922715A0; DE3843863C2; IT1237917B; FR2641156B1; JP2848880B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Hochtemperatur-Heizelement nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Hochtemperatur-Heizelemente nach der Gattung des Hauptanspruchs werden bekanntlich in großem Umfang in der Kraftfahrzeugindustrie zur Herstellung von keramischen Heizvorrichtungen, insbesondere für Glühkerzen und Glühvorsätze oder Glühkörper verwendet, um z. B. als Starthilfe das Anlassen von Dieselmotoren zu erleichtern.

Aus der DE-OS 35 12 483 ist beispielsweise eine keramische Heizvorrichtung aus einem Heizelement aus einem Sinterkörper aus einem Gemisch aus MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-Pulver, einem Halteelement aus einem elektrisch isolierenden, keramischen, gesinterten Körper sowie einer elektrischen Stromversorgungseinrichtung bekannt. In der bekannten Heizvorrichtung besteht das Heizelement aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch aus MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-Pulver, wobei der mittlere Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers größer ist als der des MoSi₂-Pulvers.

Eine keramische Heizvorrichtung, die beispielsweise als Glühstiftkerze für Dieselmotoren Verwendung finden kann und bei der zur Herstellung des keramischen Heizkörpers Sinterteile aus einem Gemisch aus MoSi₂ und Si₃N₄ verwendet werden, ist weiterhin aus der DE-OS 33 42 753 bekannt.

Aus der DE-OS 30 11 297 sind ferner Hochtemperatur-Heizelemente aus einem Keramikkörper aus Siliciumnitrid, Sialon, Aluminiumnitrid und Siliciumcarbid mit einem darin eingebetteten Metallkörper in Form einer Platte oder eines Fadens bekannt, bei denen das Metall aus Wolfram oder Molybdän besteht.

Aus der DE-OS 33 35 144 ist ferner ein Einlaßbrenner für einen Verbrennungsmotor mit einer Heizeinrichtung bekannt, die aus einem in ein Keramikmaterial eingebetteten Heizwiderstand aus Wolfram besteht. Das Keramikmaterial kann beispielsweise aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bestehen.

Aus der US-PS 40 35 613 sind weiterhin zylinderförmige keramische Heizelemente aus einem hitzeresistenten keramischen Material wie Aluminiumoxid und Fosterit sowie einem hierauf aufgebrachten Wärme erzeugenden Widerstandsmuster, erzeugt aus einer leitfähigen Metallpaste, z. B. Molybdän-Manganpaste oder Wolframpaste bekannt.

Aus der japanischen Patentveröffentlichung 54-109 536 ist auch bereits eine Keramikheizung für Glühkerzen bekannt, die aus kreisscheibenförmigen Keramikplättchen und aufgedruckten Widerstandskörpern aus Molybdän, Wolfram oder Mangan aufgebaut sind.

Aus der DE-OS 33 07 109 ist schließlich eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume, insbesondere in Brennkammern von Dieselmotoren, mit einer Einspritzdüse und einem nachgeschalteten, vom Spritzstrahl des Kraftstoffs benetzten Glühkörper bekannt, bei der der Glühkörper an der brennraumseitigen Stirnseite der Einspritzdüse angeordnet ist und einen von heizbaren Wänden umgebenen Kanal zum Hindurchtreten und teilweisen Verdampfen des Kraftstoff- Spritzstrahles hat. Der Glühkörper kann dabei aus Keramik bestehen und das Heizelement durch einen auf die keramische Oberfläche aufgebrachten metallischen Schichtbelag gebildet sein.

Es ist ferner allgemein bekannt, Substrate aus AlN-Keramik, die durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, gute elektrische Isolation bis zu hohen Temperaturen, hohe Härte, gute mechanische Eigenschaften und gute Temperaturwechselbeständigkeit gekennzeichnet sind, in Dickschichttechnik zu bedrucken und dabei Dickfilmpasten einzusetzen, ähnlich wie sie zum Bedrucken von Substraten aus Al₂O₃-Keramik bekannt sind.

Nachteilig an den bekannten keramischen Heizelementen ist, daß sie nicht bis zu sehr hohen Temperaturen belastbar sind, daß sie keine ausreichende Thermoschockbeständigkeit aufweisen, daß die auf das Keramiksubstrat aufgedruckten Heizleiterschichten nicht gut haften und/oder daß sie nicht kostengünstig herstellbar sind.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Heizelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es aufgrund des vergleichsweise billigen Heizleitermaterials kostengünstig herstellbar ist, daß es bis zu sehr hohen Temperaturen (ca. 1400°C) belastbar ist, daß das Molybdändisilizid auf Aluminiumnitrid beträchtlich besser haftet als auf Siliziumnitrid, daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung durch gute Wärmeleitung des Substrates erreicht wird und daß es eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweist.

Die Herstellung eines Hochtemperatur-Heizelementes nach der Erfindung erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, daß man auf ein Substrat aus Aluminiumnitrid in Dickschichttechnik einen Heizleiter aus einer Molybdändisilizidpaste aufdruckt, die gegebenenfalls bis zu 40 Vol.-% Stoffe zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten kann und daß man das bedruckte Substrat bei Temperaturen von 1600°C bis 1800°C unter einem Schutzgas sintert und danach altert.

Die Herstellung eines Hochtemperatur-Heizelementes nach der Erfindung kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform z. B. aber auch dadurch erfolgen, daß man auf ein Substrat aus Aluminiumnitrid in Dickschichttechnik einen Heizleiter aus einer Molybdändisilizidpaste aufdruckt, die gegebenenfalls bis zu 40 Vol.-% Stoffe zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten kann, daß man auf das bedruckte Substrat aus Aluminiumnitrid ein weiteres Substrat aus Aluminiumnitrid aufbringt und daß man die zu einem Sandwich zusammengefügten Substrate mit dem eingebetteten Heizleiter sintert.

Als Aluminiumnitrid-Substrate, die in Dickschichttechnik mit einer Molybdändisilizidpaste bedruckt werden können, eignen sich handelsübliche Aluminiumnitridfolien, die außer Aluminiumnitrid ein bei Sintertemperatur zersetzbares oder verdampfbares Bindemittel enthalten, sog. grün gepreßte AlN- Substrate oder gesinterte Substrate.

Die Dicke der Aluminiumnitrid-Substrate kann verschieden sein. Vorzugsweise liegt sie bei 0,3 bis 3 mm, insbesondere bei 0,5 bis 2,0 mm.

Gegebenenfalls können die verwendeten Aluminiumnitrid- Substrate Zusätze, z. B. vergleichsweise geringe Mengen an Sinterhilfsmitteln, wie z. B. Y₂O₃, enthalten.

Typische Stoffe, die dem Molybdändisilizid zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zugesetzt werden können, sind Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid.

Ein erfindungsgemäßes Hochtemperatur-Heizelement läßt sich zur Herstellung von keramischen Heizvorrichtungen der verschiedensten Typen und für die verschiedensten Anwendungszwecke verwenden. Von besonderer Bedeutung ist es für die Kraftfahrzeugindustrie, wo das Heizelement zur Herstellung von Glühstiftkerzen, Glühvorsätzen und Glühkörpern sowie Einlaßbrennern eingesetzt werden kann, um beispielsweise das Anlassen von Dieselmotoren zu erleichtern. Dies bedeutet, daß ein erfindungsgemäßes Hochtemperatur-Heizelement in ein Halteelement üblicher bekannter Bauart eingebaut sowie an eine übliche bekannte Stromversorgungseinheit angeschlossen werden kann.

Vorzugsweise erfolgt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Heizelementes maschinell im Mehrfachnutzen. In vorteilhafter Weise liegt die Breite eines Heizelementes bei 3 bis 10 mm, und die Länge bei 10 bis 50 mm.

Beim Einsatz in einer Glühstiftkerze wird das erfindungsgemäße Heizelement vorzugsweise als rotationssymmetrischer Körper ausgeführt, wobei die Molybdändisilizid-Leiterbahn auf einen massiven Aluminiumnitrid-Stift, z. B. aus heißgepreßtem Aluminiumnitrid oder auf eine Folie, die zu einem massiven Stift aufgerollt wurde, aufgedruckt wird.

Im Falle einer Glühstiftkerze beträgt der Durchmesser des Heizelementes zweckmäßig 3 bis 6 mm, die Vorstehlänge 10 bis 30 mm und die Stiftlänge 20 bis 60 mm.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizelementes mit einer vergleichsweise starren AlN-Substratfolie, Fig. 2a und 2b ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizelementes mit einer flexiblen AlN-Substratfolie, jeweils in vereinfachter Darstellung und Fig. 3 eine Glühstiftkerze mit einem erfindungsgemäßen Heizelement.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Fig. 1 vereinfacht und stark vergrößert dargestellte erfindungsgemäße Hochtemperatur-Heizelement besteht aus dem Substrat 1, z. B. einer handelsüblichen AlN-Folie einer Dicke von z. B. 1 mm, auf das nach dem Siebdruckverfahren, vorzugsweise Sieb- oder Tampondruck, der Heizleiter 2 nebst Kontaktierungsflächen 3 a und 3 b aufgedruckt worden ist. Im dargestellten Falle weist der Heizleiter eine Mäanderform auf. Der Heizleiter kann jedoch jede beliebige andere Form aufweisen.

Zum Druck verwendet wurde eine Molybdändisilizidpaste folgender Zusammensetzung:

69,8 Gew.-% handelsübliches MoSi₂-Pulver
30,2 Gew.-% Drehöl bestehend aus
6,0 Gew.-% Äthylcellulose
79,0 Gew.-% α-Terpinol und
15,0 Gew.-% Benzylalkohol.

Auf das bedruckte Substrat wurde dann nach dem Auftrocknen der Heizleiterschicht ein zweites, nicht bedrucktes Substrat 4 von etwa gleicher Dicke aufgebracht, derart, daß die Kontaktflächen 3 a und 3 b nicht abgedeckt wurden. Die zusammengefügten Substrate wurden dann unter einem Druck von 5 mbar bei einer Temperatur von 1600°C in einer Atmosphäre aus N₂ mit 10% H₂ zwei Stunden lang gesintert. Das Substrat 4 diente als Oxidationsschutz.

Auf eine Abdeckung des bedruckten Substrates 1 mit dem Substrat 4 kann jedoch verzichtet werden, wenn das Substrat 1 mit dem aufgedruckten Heizleiter 2 unter einem Schutzgas, insbesondere Formiergas, bei Temperaturen zwischen 1600°C und 1800°C gesintert und nachfolgend einem Voralterungsprozeß unterworfen wird. Der Voralterungsprozeß kann beispielsweise darin bestehen, daß das bedruckte und gesinterte Substrat 2 bis 6 Stunden lang in oxidierender Atmosphäre geglüht wird. Eine solche Behandlung führt zur Ausbildung einer SiO₂-Schutzschicht, die den Heizleiter vor Angriffen in oxidierender und reduzierender Atmosphäre weitestgehend schützt.

Gleichgültig ob das bedruckte Substrat 1 mit einem zweiten Substrat 4 abgedeckt wird oder nicht, in jedem Fall haften die Heizleiter fest auf den AlN-Substraten, auf die sie aufgetragen werden.

Die Kontaktierungsflächen können in üblicher bekannter Weise metallisiert werden. Beispielsweise kann die Kontaktierung des Heizleiters über Schutzgas-brennbare Dickschichtpasten auf Cu-, Ni- oder Au-Basis oder durch stromlose Abscheidung von Ni oder Cu erfolgen.

Das in den Fig. 2a und 2b schematisch dargestellte Heizelement unterscheidet sich von dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Heizelement im wesentlichen dadurch, daß das AlN- Substrat aus einer grünen, flexiblen AlN-Folie 5 besteht. Nach dem Aufdrucken des Heizleiters 6 mit den Kontaktierungsflächen 7 a und 7 b wurde auf den den Heizleiter 6 tragenden Teil der Folie 5 eine etwa 25 µm dicke Schicht aus einer Paste aus AlN-Pulver und einem organischen Bindemittel, beispielsweise Äthylcellulose, sowie α-Terpinol und Benzylalkohol aufgedruckt.

Das in Fig. 2a schematisch dargestellte bedruckte Substrat wurde dann durch Aufwickeln in die in Fig. 2b dargestellte Form gebracht. Das aufgewickelte Element wurde dann etwa 2 Stunden lang bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 1800°C gesintert. Danach wurden die Kontaktierungsflächen 7 a und 7 b metallisiert.

Die in Fig. 3 dargestellte Glühstiftkerze besteht im wesentlichen aus dem Kerzengehäuse 8, dem Heizelement 9 aus dem Aluminiumnitrid-Stab 10 mit aufgedrucktem Molybdändisilizid- Heizleiter 11, der auf den Aluminiumnitrid-Stab 10 aufgelöteten Hülse 12 (⊖-Anschluß), über die der Aluminiumnitrid- Stab 10 in das Kerzengehäuse 8 eingepreßt wird, der auf den Aluminiumnitrid-Stab 10 aufgelöteten Hülse 13 (⊕-Anschluß), der Isolation 14 des Heizleiters 11 gegen den ⊕-Anschluß, der Isolierscheibe 15, der Rundmutter 16 und dem Anschlußbolzen 17.

Claims

1. Hochtemperatur-Heizelement mit einem Substrat aus Aluminiumnitrid und einem darauf aufgetragenen Heizleiter, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Heizleiter aus Molybdändisilizid aufweist, dem gegebenenfalls Stoffe zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in untergeordneten Mengen beigemischt sein können.

2. Hochtemperatur-Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen in Dickschichttechnik auf das Substrat aufgedruckten Heizleiter aus Molybdändisilizid aufweist, dem gegebenenfalls ein oder mehrere Stoffe zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Mengen, bezogen auf die zum Aufdrucken verwendete Paste, von bis zu 40 Vol.-% beigemischt sein können.

3. Hochtemperatur-Heizelemente nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Heizleiter aus einer Mischung aus Molybdändisilizid und Aluminiumoxid und/ oder Aluminiumnitrid aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Heizelementes nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man auf ein Substrat aus Aluminiumnitrid in Dickschichttechnik einen Heizleiter aus einer Molybdändisilizidpaste aufdruckt, die gegebenenfalls bis zu 40 Vol.-% Stoffe zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten kann und daß man das bedruckte Substrat bei Temperaturen von 1600 bis 1800°C unter einem Schutzgas sintert und danach altert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesinterte Material durch Glühen in oxidierender Atmosphäre altert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesinterte Material etwa 2 Stunden lang in einer Atmosphäre aus N₂ mit 5 bis 40% H₂ bei Temperaturen von 1600 bis 1800°C glüht.

7. Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Heizelementes nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man auf ein Substrat aus Aluminiumnitrid in Dickschichttechnik einen Heizleiter aus einer Molybdändisilizidpaste aufdruckt, die gegebenenfalls bis zu 40 Vol.-% Stoffe zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder zur verbesserten Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten kann, daß man auf das bedruckte Substrat aus Aluminiumnitrid ein weiteres Substrat aus Aluminiumnitrid aufbringt und daß man die zu einem Sandwich zusammengefügten Substrate mit dem eingebetteten Heizleiter sintert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man etwa 2 Stunden lang bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 1800°C sintert.

9. Verfahren nach Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Aluminiumnitrid-Substrate Folien oder Plättchen verwendet.

10. Verwendung von Hochtemperatur-Heizelementen nach Ansprüchen 1 bis 3 zur Herstellung von keramischen Heizvorrichtungen, insbesondere Glühkerzen und Glühvorsätzen für die Kraftfahrzeugindustrie.