Title:
ZÜNDKERZEN-ISOLATOR UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DESSELBEN
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein Herstellungsverfahren, eine Brennschale (70) und ein Mikrowellenofen (100) für Zündkerzen-Isolatoren (14). Das Verwenden von Mikrowellenenergie und insbesondere strukturierte Zeit-Temperatur-Profile können ein effizientes Sintern von keramischem Material für einen Zündkerzen-Isolator ermöglichen. Das Verfahren kann eine Kombination einer Erwärmung mittels Strahlungswärmeenergie und einer Erwärmung mittels Mikrowellenenergie verwenden, um den Sinterprozess zu erleichtern.





Inventors:
Erfinder wird später genannt werden
Application Number:
DE102017108482A
Publication Date:
10/26/2017
Filing Date:
04/21/2017
Assignee:
Federal-Mogul Ignition Company (Mich., Southfield, US)
International Classes:
H01T21/02; C04B33/32; C04B35/64; H01B19/00; H01T13/20; H01T13/38
Foreign References:
48792601989-11-07
71697232007-01-30
84344432013-05-07
Attorney, Agent or Firm:
WITTE, WELLER & PARTNER Patentanwälte mbB, 70173, Stuttgart, DE
Claims:
1. Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze (10) mit den Schritten:
Laden (202) eines ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') in einen Ofen (100), wobei der ungebrannte Zündkerzen-Isolator (14') eine Dichte hat und wenigstens teilweise ein keramisches Material aufweist;
Erwärmen (204) des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Strahlungs-Wärmeenergie, wenn die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') sich unterhalb einer minimalen Absorptionstemperatur befindet, wobei das keramische Material gegenüber Mikrowellenenergie bei der minimalen Absorptionstemperatur wenigstens teilweise transparent ist;
Erwärmen (206, 208) des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Mikrowellenenergie, bis die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') eine maximale Absorptionstemperatur erreicht, wobei der ungebrannte Zündkerzenisolator (14') zu einem gebrannten Zündkerzen-Isolator (14) wird, und zwar bei Erreichen der maximalen Absorptionstemperatur, wobei der gebrannte Zündkerzen-Isolator (14) eine Dichte hat; und
Entladen (212) des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) aus dem Ofen, wobei die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) höher ist als die Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolator (14').

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt:
Kühlen (210) des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) in einer thermisch gesteuerten Umgebung, bis die Temperatur des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) eine Wärmeschock-Vermeidungstemperatur erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die minimale Absorptionstemperatur sich in einem Bereich von 560°C bis 900°C befindet, jeweils einschließlich, wobei die maximale Absorptionstemperatur sich in einem Bereich von 1300°C bis 1700°C befindet, jeweils einschließlich, und wobei die Wärmeschock-Vermeidungstemperatur vorzugsweise 1000°C beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Ofen (100) eine Vorerwärmungszone (104) zum Erwärmen des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Strahlungswärmeenergie aufweist, eine Sinterzone (106) zum Erwärmen des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Mikrowellenenergie aufweist, und eine Austrittszone (108) zum Kühlen des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Ofen (100) einen Suszeptor (80) in der Vorerwärmungszone (104) zum Zwecke des Absorbierens von Mikrowellenenergie und des Bereitstellens von Strahlungswärmeenergie aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit dem Schritt, den gebrannten Zündkerzen-Isolator (14) in eine Metallhülle (16) mit einer Innenbohrung (26) einzusetzen, wobei ein mittlerer Abschnitt des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) wenigstens teilweise innerhalb der Innenbohrung (26) der Metallhülle (16) aufgenommen ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das keramische Material des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') 90 Gew.-% Aluminiumoxid aufweist, wobei die Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') in einem Bereich von 2,02 g/cc bis 2,28 g/cc, jeweils einschließlich, liegt, und wobei die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) in einem Bereich von 2,63 g/cc bis 3,55 g/cc, jeweils einschließlich, liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das keramische Material des ungebrannten Zündkerzen-Isolators Isolators (14') 96 Gew.-% Aluminiumoxid aufweist, wobei die Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') in einem Bereich von 1,83 g/cc bis 2,09 g/cc, jeweils einschließlich, liegt, und wobei die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) in einem Bereich von 2,64 g/cc bis 3,75 g/cc, jeweils einschließlich, liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das keramische Material des ungebrannten Zündkerzen-Isolators Isolators (14') 99 Gew.-% Aluminiumoxid aufweist, wobei die Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') in einem Bereich von 2,02 g/cc bis 2,30 g/cc, jeweils einschließlich, liegt, und wobei die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) in einem Bereich von 2,63 g/cc bis 3,9 g/cc, jeweils einschließlich, liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei der Schritt des Erwärmens des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Strahlungswärmeenergie beinhaltet, den ungebrannten Zündkerzen-Isolator (14') mit einer Erwärmungsrate von etwa 50°C pro Minute zu erwärmen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mikrowellenenergie eine Frequenz von etwa 2,45 GHz hat und wobei die minimale Absorptionstemperatur etwa 650°C beträgt, oder wobei die Mikrowellenenergie eine Frequenz von etwa 915 MHz hat und wobei die minimale Absorptionstemperatur etwa 560°C beträgt.

12. Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze (10), mit den Schritten:
Laden (202) eines ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') in einen Ofen (100), wobei der ungebrannte Zündkerzen-Isolator (14') ein keramisches Material aufweist, das für Mikrowellenenergie wenigstens teilweise transparent ist, und wobei der Ofen (100) eine Vorerwärmungszone (104), eine Sinterzone (106) und eine Austrittszone (108) beinhaltet;
Erwärmen (204) des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Strahlungswärmeenergie in der Vorerwärmungszone (104) des Ofens (100);
Bewegen des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') in die Sinterzone (106) des Ofens (100);
Erwärmen (206) des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') mit Mikrowellenenergie in der Sinterzone (106) des Ofens (100), bis der ungebrannte Zündkerzen-Isolator (14') ein gebrannter Zündkerzen-Isolator (14) wird, wobei der ungebrannte Zündkerzen-Isolator (14') eine Dichte hat und wobei der gebrannte Zündkerzen-Isolator (14) eine Dichte hat, und wobei ein Verhältnis der Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators (14') zu der Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) in einem Bereich von etwa 1:1,65 bis etwa 1:1,92, jeweils einschließlich, liegt;
Kühlen (210) des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) in der Austrittszone (108) des Ofens (100); und
Entladen (212) des gebrannten Zündkerzen-Isolators (14) aus dem Ofen (100).

13. Brennschale (70) für einen Zündkerzen-Isolator, vorzugsweise zur Verwendung in dem Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, mit:
einem äußeren Gehäuse (72), das eine Bodenwand (74) und eine Seitenwand (76) aufweist, wobei das äußere Gehäuse (72) für Mikrowellen wenigstens teilweise transparent ist und ein feuerfestes Material niedriger Masse aufweist, das beschichtet ist mit einer Schicht aus keramischem Material, wobei die Schicht aus keramischem Material dichter ist als das feuerfeste Material niedriger Masse; und
einer Lagereinrichtung (82) für einen Zündkerzen-Isolator, wobei die Lagereinrichtung (82) für den Zündkerzen-Isolator dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Zündkerzen-Isolator (14, 14') während eines Prozesses zum Brennen des Zündkerzen-Isolators in einer vertikalen Position zu halten.

14. Brennschale für einen Zündkerzen-Isolator nach Anspruch 13, wobei die Lagereinrichtung (82) für den Zündkerzen-Isolator ein Einsatz (82) ist, der innerhalb des äußeren Gehäuses (72) angeordnet ist, wobei der Einsatz (82) ein Suszeptor-Material aufweist.

15. Brennschale für einen Zündkerzen-Isolator nach Anspruch 13 oder 14, wobei das feuerfeste Material niedriger Masse Mullit aufweist und/oder wobei die Schicht aus keramischem Material, die das feuerfeste Material niedriger Masse beschichtet, Mullit aufweist.

16. Brennschale für einen Zündkerzen-Isolator nach einem der Ansprüche 13–15, wobei die Lagereinrichtung (82) für den Zündkerzen-Isolator in der Bodenwand des äußeren Gehäuses ein integral gegossenes Grübchenmuster (88) aufweist und/oder wobei die Lagereinrichtung für den Zündkerzen-Isolator ein Netzwerk (84) aus hohlen Ausnehmungen (86) aufweist.

17. Brennschale für einen Zündkerzen-Isolator nach einem der Ansprüche 13–16, ferner mit einem Suszeptor (80) zum Absorbieren von Mikrowellenenergie und zum Bereitstellen von Strahlungswärmeenergie.

Description:

Die Anmeldung beansprucht die Vorteile der provisorischen US-Anmeldung mit der Nr. 62/327,848, die am 26 April 2016 eingereicht worden ist und deren Inhalte vorliegend gesamthaft durch Bezugnahme enthalten sind.

Gebiet

Die vorliegende Offenbarung betrifft generell Isolatoren für Zündkerzen und betrifft insbesondere Aluminiumoxid-basierte keramische Isolatoren und Verfahren zum Herstellen derselben.

Hintergrund

Verfahren zum Herstellen von keramischen Zündkerzen-Isolatoren beinhalten häufig einen Glüh- bzw. Schrüh-Brennprozess, der den keramischen Zündkerzen-Isolator mit Strahlungswärmeenergie erwärmt. Glüh- bzw. Schrüh-Brennprozesse (”bisque firing processes”) für keramische Zündkerzen-Isolatoren, die ein Sintern auf eine hohe Dichte (z. B. 97–99% der theoretischen Dichte des Materials) beinhalten, benötigen etwa 30 bis 36 Stunden und können aufgrund der Energiemenge, die zum Brennen der Zündkerzen-Isolatoren notwendig ist, zu hohen Kosten führen. Große Tunnelöfen (”tunnel kilns)” mit Strahlungswärmequellen oder konvektiven Wärmequellen, die typischerweise dazu verwendet werden, um Zündkerzen-Isolatoren zu brennen, verbrauchen Energie auf ineffiziente Art und Weise. Etwa 50% der Energie wird dazu verwendet, um den Ofen selbst zu erwärmen, einschließlich von Verlusten, die durch den Schornstein hoch gehen. Weitere 40% der Gesamtenergie werden dazu verwendet, um die Brennschalen zu erwärmen, die dazu verwendet werden, um die Isolatoren zu lagern und durch den Ofen hindurch zu transportieren, so dass lediglich 10% oder weniger der Gesamtenergie zum tatsächlichen Erwärmen der Teile verbleiben. Diese Ineffizienzen können zu übermäßigen Energiekosten führen, zu höheren Zykluszeiten und zu einem geringen Durchsatz.

Der Brennprozess für einen Zündkerzen-Isolator kann auch strukturell die Qualität des Isolators beeinflussen. Mit Glüh-Brennprozessen und großen Tunnelöfen benötigt der Brennprozess länger, und zwar nicht nur aufgrund der Ineffizienzen hinsichtlich der Energie, sondern auch aufgrund der Zeit, die dazu erforderlich ist, um Strahlungswärme gleichförmig über einer Brennschale zu transferieren. Zuerst werden Isolatoren an der Außenseite einer Brennschale erwärmt, und Isolatoren mehr hin zur Mitte der Schale benötigen länger, um erwärmt zu werden. Wünschenswert ist ein gleichförmigeres Temperaturprofil über die Isolatoren hinweg, die zusammen gebrannt werden, da ein generell gleichförmiges Zeit-Temperatur-Profil zu konsistenteren mechanischen und dielektrischen Eigenschaften unter den gebrannten Isolatoren führen kann. Darüber hinaus wird bei herkömmlichen Erwärmungsverfahren Wärme nur auf die Oberfläche eines Teils aufgebracht, und eine Wärmeleitung muss diese Wärme von der Oberfläche des Teils hin zu seinem Inneren bewegen bzw. führen. Mit einer Mikrowellenerwärmung wird Wärme andererseits aus einer gewissen Distanz in dem Teil bzw. in das Teil hinein erzeugt, und demgemäß ist eine Distanz, über die sich ein Wärmetransfer auf Wärmeleitfähigkeit verlassen muss, sehr viel kürzer.

Überblick

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet den Schritt, einen ungebrannten Zündkerzen-Isolator in einen Ofen zu laden. Der ungebrannte Zündkerzen-Isolator hat eine Dichte und beinhaltet wenigstens teilweise ein keramisches Material. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, den ungebrannten Zündkerzen-Isolator mit Strahlungs-Wärmeenergie zu erwärmen, wenn die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators sich unterhalb einer minimalen Absorptionstemperatur befindet. Das keramische Material ist bei der minimalen Absorptionstemperatur für Mikrowellenenergie teilweise transparent. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, den ungebrannten Zündkerzen-Isolator mit Mikrowellenenergie zu erwärmen, bis die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators eine maximale Absorptionstemperatur erreicht. Der ungebrannte Zündkerzen-Isolator wird zu einem gebrannten Zündkerzen-Isolator, und zwar bei Erreichen der maximalen Absorptionstemperatur, wobei der gebrannte Zündkerzen-Isolator eine Dichte hat. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, den gebrannten Zündkerzen-Isolator aus dem Ofen zu entladen. Die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators ist höher als die Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer Zündkerze. Das Verfahren beinhaltet den Schritt, einen ungebrannten Zündkerzen-Isolator in einen Ofen zu laden. Der ungebrannte Zündkerzen-Isolator beinhaltet ein keramisches Material, das für Mikrowellenenergie wenigstens teilweise transparent ist, und der Ofen beinhaltet eine Vorerwärmungsstufe, eine Sinterzone und eine Austrittszone. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, den ungebrannten Zündkerzen-Isolator mit Strahlungs-Wärmeenergie zu erwärmen, und zwar in der Vorerwärmungszone des Ofens, und beinhaltet die Schritte, den ungebrannten Zündkerzen-Isolator in die Sinterzone des Ofens zu bewegen und den ungebrannten Zündkerzen-Isolator in der Sinterzone des Ofens mit Mikrowellenenergie zu erwärmen, bis aus dem ungebrannten Zündkerzen-Isolator ein gebrannter Zündkerzen-Isolator wird. Der ungebrannte Zündkerzen-Isolator hat eine Dichte, und der gebrannte Zündkerzen-Isolator hat eine Dichte, und ein Verhältnis der Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators zu der Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators liegt in einem Bereich von etwa 1:1,65 bis etwa 1:1,92, jeweils einschließlich. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte, den gebrannten Zündkerzen-Isolator in der Austrittszone des Ofens zu kühlen, und den gebrannten Zündkerzen-Isolator aus dem Ofen zu entladen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Brennschale für einen Zündkerzen-Isolator bereitgestellt. Die Brennschale für den Zündkerzen-Isolator beinhaltet ein äußeres Gehäuse, das eine Bodenwand und eine Seitenwand aufweist. Das äußere Gehäuse ist für Mikrowellen wenigstens teilweise transparent und weist ein feuerfestes Material niedriger Masse auf, das mit einer Schicht aus keramischem Material beschichtet ist. Die Schicht aus keramischem Material ist dichter als das feuerfeste Material niedriger Masse. Die Brennschale für den Zündkerzen-Isolator beinhaltet ferner eine Lagereinrichtung für einen Zündkerzen-Isolator, wobei die innere Lagereinrichtung für den Zündkerzen-Isolator dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Zündkerzen-Isolator während eines Prozesses zum Brennen des Zündkerzen-Isolators in einer vertikalen Position zu halten.

Zeichnungen

Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1 eine Querschnittansicht einer beispielhaften Zündkerze ist;

2 eine Querschnittsansicht eines beispielhaften ungebrannten Isolators ist, der mit dem vorliegend offenbarten Verfahren verwendet werden kann;

3 eine perspektivische Ansicht einer Brennschale gemäß einer Ausführungsform ist;

4 eine perspektivische Ansicht einer Brennschale gemäß einer weiteren Ausführungsform ist;

5 eine perspektivische Ansicht einer Brennschale gemäß einer weiteren Ausführungsform ist;

6 einen Ofen gemäß einer Ausführungsform schematisch darstellt;

7 ein Flussdiagramm ist, das unterschiedliche Stufen oder Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines Zündkerzen-Isolators darstellt; und

813 Diagramme sind, die die für verschiedene Kompositionen bzw. Zusammensetzungen von Zündkerzen-Isolatoren Daten von einem Tangens des Verlustwinkels bzw. einen Dielektrizitätsverlust (”loss tangent”) (tanδ) und einer Halbleistungstiefe (”half power depth”) zeigen.

Beschreibung

Das vorliegend beschriebene Verfahren kann dazu verwendet werden, um einen gebrannten keramischen Isolator für eine Zündkerze unter Verwendung von Mikrowellenenergie herzustellen. Ein schnelles Brennen wird unterstützt durch die Verwendung einer schnellen volumetrischen Erwärmung mittels Mikrowellenenergie. Das Verwenden von Mikrowellenenergie und die besonderen vorliegend beschriebenen Zeit-Temperatur-Profile während des Brenn- oder Sinterprozesses für den Zündkerzen-Isolator können effizienter sein als normale Erwärmungs- und Kühlmittel, insbesondere hinsichtlich Aluminiumoxid-basierter keramischer Materialien. In manchen Ausführungsformen sind die Frequenzen der Mikrowellen in dem elektromagnetischen Spektrum optimiert, und zwar basierend auf der besonderen Konstruktion und/oder Zusammensetzung des Zündkerzen-Isolators. Das vorliegende Verfahren beinhaltet das Laden eines keramischen ungebrannten Zündkerzen-Isolators in einen Ofen. Das keramische Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, ist für Mikrowellenenergie wenigstens teilweise transparent, wenn sich der ungebrannte Zündkerzen-Isolator unterhalb einer minimalen Absorptionstemperatur befindet. Demgemäß kann Strahlungs-Wärmeenergie dazu verwendet werden, um den Erwärmungsprozess zu ergänzen. In einer Ausführungsform wird eine Kombination von Strahlungs-Wärmeenergie und Mikrowellenenergie angewendet, um den ungebrannten Zündkerzen-Isolator auf die minimale Absorptionstemperatur zu bringen. Mikrowellenenergie kann dazu verwendet werden, um den ungebrannten Zündkerzen-Isolator zu erwärmen, sobald sich die Temperatur des Ofens zwischen der minimalen Absorptionstemperatur und der maximalen Absorptionstemperatur befindet. Die Mikrowellenenergie kann fortgesetzt werden, um den ungebrannten Zündkerzen-Isolator zu erwärmen, bis die maximale Absorptionstemperatur erreicht ist. Bei der maximalen Absorptionstemperatur wird aus dem ungebrannten Zündkerzen-Isolator ein gebrannter Zündkerzen-Isolator, was in größerer Genauigkeit nachstehend beschrieben werden wird. Der gebrannte Zündkerzen-Isolator kann dann gekühlt und aus dem Ofen entladen werden. Das vorliegende Verfahren und die Zeit-Temperatur-Profile zum Brennen von Zündkerzen-Isolatoren können effizienter sein als typische bzw. herkömmliche Brennprozesse und können in weniger als 3 Stunden vervollständigt bzw. abgeschlossen werden, und möglicherweise in weniger als 1 Stunde, und zwar dann, wenn ein Mikrowellen-basierter kontinuierlicher Ofen verwendet wird.

Während eines Mikrowellen-basierten Sinterprozesses kann der Zündkerzen-Isolator mittels einer Brennschale durch einen Ofen hindurch bewegt werden. Die vorliegend erläuterten Brennschalen können extremer Wärme von wenigstens 1600°C und hoch bis zu 1700°C widerstehen, um die Isolatoren geeignet zu brennen, und die Brennschalen haben eine niedrige thermische Masse, haben ein ultraleichtes Gewicht und können in manchen Ausführungsformen ein keramisches Material aufweisen bzw. darauf aufgebaut sein, und zwar mit einer keramischen Beschichtung. In einigen Ausführungsformen beinhalten die Brennschalen oder Bereiche des Ofens Suszeptoren, die Mikrowellenenergie absorbieren und diese in Strahlungswärme umwandeln, um den Brennprozess für den Zündkerzen-Isolator weiter zu unterstützen. Obgleich die nachstehende Beschreibung im Kontext einer Zündkerze und eines Brennprozesses auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik bereitgestellt wird, versteht sich, dass der Isolator und die vorliegend beschriebenen Verfahren dazu verwendet werden können, um mit jeder Art von Zündkerze oder Zündeinrichtung, einschließlich von Glühsteckern, industriellen Steckern, Luftfahrtzündeinrichtungen und/oder jeder anderen Vorrichtung verwendet werden können, die einen gebrannten Isolator hat, der dazu verwendet wird, um einen elektrischen Strom zu isolieren. Es soll sich ferner vorliegend verstehen, dass die Begriffe ”Brennen”, ”Sintern” und Variationen hiervon austauschbar verwendet werden.

Eine beispielhafte Zündkerze ist in 1 gezeigt, wobei die Zündkerze einen gebrannten Isolator aufweist, der wenigstens teilweise unter Verwendung von Mikrowellenenergie gesintert worden ist. Die Zündkerze 10 beinhaltet eine Mittelelektrode 12, einen gebrannten Isolator 14, eine Metallhülle 16 und eine Masseelektrode 18. Die Mittelelektrode 12, bei der es sich um eine einzelne einheitliche Komponente handeln kann oder die eine Anzahl von voneinander getrennten Komponenten beinhalten kann, ist wenigstens teilweise innerhalb einer inneren Bohrung 22 angeordnet oder vorhanden, die sich entlang der axialen Länge des gebrannten Isolators 14 erstreckt. Wie dargestellt beinhaltet die innere Bohrung einen oder mehrere innere Stufenabschnitte 24, die sich umfänglich um das Innere der Bohrung herum erstrecken und die dazu ausgelegt sind, um komplementäre äußere Stufenabschnitte 20 der Mittelelektrode 12 aufzunehmen. In der beispielhaften Ausführungsform der 1 weist die innere Bohrung 22 nur eine einzelne innere Stufe oder einen einzelnen Schulterabschnitt 24 auf; es ist jedoch möglich, dass die innere Bohrung zusätzliche innere Stufenabschnitte an unterschiedlichen axialen Positionen entlang der Länge der Bohrung beinhaltet, oder überhaupt keinen inneren Stufenabschnitt beinhaltet. Der gebrannte Isolator 14 ist wenigstens teilweise innerhalb einer Innenbohrung 26 der Metallhülle 16 angeordnet, und die Innenbohrung 26 erstreckt sich entlang der Länge der Metallhülle und ist generell koaxial ausgerichtet mit der inneren Bohrung 22. In der besonderen gezeigten Ausführungsform erstreckt sich ein vorderes bzw. Spitzenende des gebrannten Isolators 14 von der Innenbohrung 26 der Metallhülle 16 und steht gegenüber dieser vor, und das Spitzen- bzw. äußere Ende der Mitteelektrode 12 erstreckt sich gegenüber der inneren Bohrung 22 des Isolators und steht gegenüber dieser vor. Das vordere bzw. Spitzenende der Mittelelektrode 12 bildet eine Funkenstrecke G mit einem entsprechenden Abschnitt der Masseelektrode 18. In der Ausführungsform der 1 sind sowohl an der Mittelelektrode 12 als auch an der Masseelektrode 18 Zündelemente aus Edelmetall daran angebracht, dies ist jedoch optional und nicht erforderlich.

Nunmehr wird Bezug genommen auf den gebrannten Isolator 14, wobei der Isolator eine längliche und generell zylindrische Komponente ist, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und die dazu konstruiert ist, um die Mittelelektrode 12 gegenüber der Metallhülle 16 zu isolieren, derart, dass Zündimpulse hoher Spannung in der Mittelelektrode in Richtung auf die Funkenstrecke G gerichtet werden. Der gebrannte Isolator 14 beinhaltet einen Nasenabschnitt 30, einen mittleren Abschnitt 32 und einen Endabschnitt 34; andere Konfigurationen oder Ausführungsformen können jedoch ebenfalls implementiert werden.

Der Nasenabschnitt 30 erstreckt sich in der axialen oder longitudinalen Richtung zwischen einer äußeren Stufe 36 an der äußeren Oberfläche des Isolators und einem distalen Ende 38, das an einer Spitze des Isolators angeordnet ist. Der Nasenabschnitt 30 kann eine kontinuierliche und gleichförmige Kegelform entlang seiner axialen Erstreckung haben, oder kann Abschnitte mit unterschiedlichem Kegelwinkel oder ohne jegliche Kegelform haben (d. h. gerade Abschnitte, bei denen die äußeren Oberflächen parallel zueinander sind). Darüber hinaus kann das Maß, um das sich der Nasenabschnitt 30 axial erstreckt oder gegenüber dem Ende der Metallhülle 16 vorsteht (manchmal auch als der ”Vorsprung” bezeichnet), größer oder kleiner sein als jener in 1. In einigen Fällen ist es sogar möglich, dass das distale Ende oder die Spitze 38 des Nasenabschnittes in die Bohrung 22 des Isolators zurückgezogen ist, so dass sie überhaupt nicht über die Metallhülle hinaus steht (d. h. negative Reichweite).

Der mittlere Abschnitt 32 des Isolators erstreckt sich in der axialen Richtung zwischen einem externen bzw. äußeren Verriegelungsmerkmal 50 und der oben beschriebenen äußeren Stufe 36. Bei der besonderen Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, ist der überwiegende Teil des mittleren Abschnittes 32 innerhalb der Innenbohrung 26 der Metallhülle 16 angeordnet und gehalten. Das äußere Verriegelungsmerkmal 50 kann eine hinsichtlich des Durchmessers vergrößerte Form haben, so dass ein offenes Ende oder Flansch 52 der Metallhülle während eines Zündkerze-Montageprozesses umgefaltet werden kann oder auf eine andere Art und Weise mechanisch deformiert werden kann, um den gebrannten Isolator 14 an Ort und Stelle sicher zu halten. Der gefaltete Flansch 52 kann auch eine ringförmige Dichtung oder einen Dichtungsring 54 zwischen einer äußeren Oberfläche des Isolators 14 und einer inneren Oberfläche der Metallhülle 16 einschließen, so dass ein gewisses Maß an Abdichtung erreicht wird. Der mittlere Abschnitt kann natürlich weitere Merkmale haben.

Der Endabschnitt 34 befindet sich an dem dem Nasenabschnitt 30 entgegengesetzten Ende des gebrannten Isolators 14 und erstreckt sich in der axialen Richtung zwischen dem äußeren Verriegelungsmerkmal 50 und einem distalen Ende 60. In der dargestellten Ausführungsform ist der Endabschnitt 34 ziemlich lang, er kann jedoch kürzer sein und/oder er kann eine beliebige Anzahl weiterer Merkmale haben, wie beispielsweise ringförmige Rippen. Es ist anzumerken, dass die beispielhafte Ausführungsform, die in 1 gezeigt und oben beschrieben ist, lediglich als ein Beispiel für einen gebrannten Isolator dienen soll, der gemäß dem vorliegend gelehrten Prozess hergestellt ist, da jener Prozess dazu verwendet werden kann, um andere Ausführungsformen von Isolatoren herzustellen, einschließlich solcher, die sich signifikant von dem gebrannten Isolator 14 unterscheiden. Ferner ist die Zündkerze 10 nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, und es können andere beliebige Kombinationen von anderen bekannten Zündkerzenkomponenten verwendet werden, wie Anschlussbolzen (”terminal studs”), Innenwiderstände, innere Dichtungen, verschiedene Ringdichtungen, Edelmetallelemente, etc., um einige der Möglichkeiten zu nennen.

In 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines ungebrannten Isolators 14' gezeigt. Der ungebrannte Isolator 14' teilt sich ähnliche Bezugszeichen mit dem gebrannten Isolator 14, mit der Ausnahme des Suffix'''''. Es ist anzumerken, dass jede beliebige vorliegende Diskussion in Bezug auf den ”Isolator 14” sich entweder auf den gebrannten Isolator 14 oder auf den ungebrannten Isolator 14' beziehen kann, es sei denn, anderes ist ausdrücklich erwähnt. Der ungebrannte Isolator 14' kann vor dem Brennen maschinell hergestellt oder auf eine andere Art und Weise geformt oder umgeformt werden, so dass er Merkmale beinhaltet, wie eine Bohrung 22' des Isolators, einen einzelnen inneren Stufenabschnitt oder Schulterabschnitt 24', einen Nasenabschnitt 30', einen mittleren Abschnitt 32', einen Endabschnitt 34', eine äußere Stufe 36' und ein äußeres Verriegelungsmerkmal 50'; andere Konfigurationen oder Ausführungsformen sind natürlich möglich. Der ungebrannte Isolator 14' wird ein gebrannter Isolator 14, sobald der Isolator die maximale Absorptionstemperatur erreicht. Es versteht sich jedoch, dass ein weiteres Sintern auftreten kann, nachdem der Isolator die maximale Absorptionstemperatur erreicht hat oder während der Isolator auf der maximalen Absorptionstemperatur gehalten wird. Bei der maximalen Absorptionstemperatur ist die Dichte des gebrannten Isolators 14 kleiner bzw. größer als jene des ungebrannten Isolators 14'. Die Zunahme in der Dichte eines gebrannten Zündkerzen-Isolators kann wenigstens teilweise einer Bindung (”bonding”) zwischen keramischen Partikeln zuschreibbar sein. Die Zunahme der Dichte geht einher mit einer Abnahme der Größe oder einem Schrumpfen des Isolators während des Brennens. Typischerweise liegt die Schrumpfung zwischen 15% und 20%.

Der Isolator 14 kann ein beliebiges betriebsmäßig geeignetes Keramik-basiertes Material beinhalten bzw. darauf aufgebaut sein und in einer Ausführungsform beinhaltet der Isolator 14 keramische Aluminiumoxidpartikel (Al2O3). Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, werden keramische Partikel mit einem flüssigen Medium und einem Binder gemischt, und können eines oder mehrere Additive beinhalten, wie Zirkoniumoxid, Kaolin, Kalk und/oder Kalziumcarbonat. Aluminiumoxid-basierte Keramiken tendieren insbesondere dazu, eine relativ hohe mechanische und dielektrische Festigkeit zu besitzen, als auch eine hohe elektrische Widerstandsfähigkeit und niedrige dielektrische Verluste, und es ist bekannt, dass sie diese Eigenschaften über einen relativ großen Temperaturbereich aufrechterhalten können. Bevorzugte keramische Partikelzusammensetzungen für das keramische Material beinhalten 90 Gew.-% Aluminiumoxid, 96 Gew.-% Aluminiumoxid bzw. 99 Gew.-% Aluminiumoxid. Diese Zusammensetzungen aus Aluminiumoxid können Mikrowellenenergie bei ansteigenden Temperaturen für eine Mehrzahl von Frequenzen mit höherer Wahrscheinlichkeit absorbieren. Andere Zusammensetzungen sind jedoch natürlich möglich. Bevorzugte keramische Zusammensetzungen sind offenbart in den US-Patenten mit den Nummern 4,879,260 von Manning, 7,169,723 von Walker, Jr., und 8,434,443 von Lykowski, die sämtlich vorliegend in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten sind.

Eine Brennschale 70 ist in den 35 gezeigt, wobei die Brennschale 70 in Verbindung mit einem Mikrowellen-basierten Sinterprozess dazu verwendet werden kann, um einen ungebrannten Zündkerzen-Isolator zu brennen, wie ein Prozess 200, der nachstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wird. Die Brennschale 70 weist ein äußeres Gehäuse 72 auf, das eine Bodenwand 74 und eine Vielzahl von Seitenwänden 76 beinhaltet. Wie dargestellt, weist die Brennschale 70 vier Seitenwände 76 auf, ist jedoch nicht auf vier Seitenwände beschränkt und kann jede beliebige Struktur haben, die hinreichend ist, um die Isolatoren während des Brennprozesses in einer gewünschten Position zu halten. Strukturelle Modifikationen der Brennschale können in Abhängigkeit von der Art des Ladeverfahrens vorgenommen werden. Wenn beispielsweise ein Umsetzroboter (”pick and place robot”) dazu verwendet wird, um ungebrannte Zündkerzen-Isolatoren in die Brennschale 70 zu laden, können die Wandhöhe, der Abstand zwischen den Zündkerzen-Isolatoren oder andere Parameter geändert werden, um eine maximale Ladeeffizienz zu koordinieren. In den dargestellten Ausführungsformen hat die Brennschale 70 eine Größe von etwa 8 × 8 Zoll, mit einer Wanddicke von 0,25 Zoll. Diese Abmessungen sind lediglich aus beispielhaften Gründen angegeben und können in Abhängigkeit von der Größe des Ofens, der verwendeten Zeit-Temperatur-Profile oder anderer zu berücksichtigender Parameter abgeändert bzw. eingestellt werden.

Die thermischen und dielektrischen Eigenschaften der Brennschale 70 lassen sich auch hinsichtlich einer Komptabilität mit Mikrowellen optimieren. Beispielsweise kann das äußere Gehäuse 72 ein feuerfestes Material niedriger Masse aufweisen bzw. daraus zusammengesetzt sein, wobei das Material ein beliebiges wärmeresistentes Material enthalten kann, das dazu in der Lage ist, maximalen Absorptionstemperaturen zu widerstehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennschale 70 aus einem fibrösen bzw. faserigen feuerfesten Material niedriger Masse hergestellt, das beschichtet ist mit einer Schicht aus einer dichteren Keramik, um Festigkeit und Dauerhaltbarkeit bereitzustellen. Ein besonderes Beispiel ist eine Brennschale mit einem Mullit niedriger Masse und einer Beschichtung mit Mullit. Die Verwendung von ultraleichten Mullit-Brennschalen kann schnelle Erwärmungsraten ermöglichen. Vorzugsweise haben die Brennschalen eine minimale Interaktion mit den Mikrowellen und sind optimalerweise transparent für Mikrowellen. Wenn die Brennschalen Mikrowellen nicht absorbieren, werden sie von den Mikrowellen nicht direkt erwärmt, so dass die Mikrowellenenergie effizienter auf die Zündkerzen-Isolatoren gerichtet werden kann. Ferner können Brennschalen mit niedriger thermischer Masse thermisch isolierend sein und können dazu beitragen, um zu verhindern, dass die Zündkerzen-Isolatoren Wärme an die Umgebung abgeben. In dieser Hinsicht wird die Energieeffizienz des Ofens erhöht, da die Energie darauf gerichtet ist, primär die Isolatoren zu erwärmen.

3 zeigt eine Brennschale 70, die Suszeptoren 80 aufweist. Die Suszeptoren 80 absorbieren Mikrowellenenergie und wandeln diese in Strahlungswärme um, um den Brennprozess für den Zündkerzen-Isolator weiter zu unterstützen. Insbesondere können Suszeptoren 80 dazu verwendet werden, um dazu beizutragen, die Zündkerzen-Isolatoren auf die minimale Absorptionstemperatur zu bringen, und können den Erwärmungsprozess unterstützen, wenn die Zündkerzen-Isolatoren transparenter sind für Mikrowellenenergie. Suszeptoren 80 können, oder können nicht, in jeder betriebsbereiten Form enthalten sein, wie einer oder mehrere Stäbe oder Ziegel, einer oder mehrerer Filmabschnitte, die an der Brennschale 70 angeordnet sind, wie es in 3 gezeigt ist. Stattdessen, oder zusätzlich hierzu, können Suszeptoren in die Brennschale 70 integriert oder auf eine andere Art und Weise mit der Brennschale 70 transportiert werden, und zwar in festen Positionen innerhalb des Ofens. Insbesondere können Suszeptoren 80 dazu verwendet werden, um in der Vorerwärmungszone eines Ofens dazu beizutragen, die Zündkerzen-Isolatoren auf die minimale Absorptionstemperatur zu bringen, oder können dazu verwendet werden, in der Vorerwärmungs- und in der Austrittszone eines Ofens dazu beizutragen, Mikrowellenleckagen zu lindern. Ein beispielhaftes Suszeptormaterial ist Siliciumcarbid.

Die 4 und 5 zeigen Brennschalen 70 mit verschiedenen Konfigurationen, um in der Positionierung der Zündkerzen-Isolatoren während des Brennprozesses zu unterstützen. Vorzugsweise werden die Zündkerzen-Isolatoren während eines Brennprozesses in einer vertikalen Orientierung gehalten (d. h. mit der axialen Länge der inneren Bohrung 22 des Isolators 14 in einer Orientierung senkrecht zu der Bodenwand 74 der Brennschale 70). Wenn sich die Isolatoren nicht in einer vertikalen Orientierung befinden, können sie auf der Grundlage der Gravitationskraft bei erhöhten Temperaturen einer Deformation unterliegen. Unterschiedliche Merkmale oder Konstruktionen können implementiert werden, um dazu zu helfen, die Zündkerzen-Isolatoren 14 in einer vertikalen Orientierung zu halten, wie ein Einsatz 82, der Merkmale beinhaltet, die einstückig mit der Bodenwand 74 ausgebildet sind oder auf eine andere Art und Weise daran angebracht sind, oder die Verwendung eines körnigen bzw. granularen Materials niedriger Masse, um einige Beispiele zu nennen.

In 4 beinhaltet die Brennschale 70 einen Einsatz 82, der ein Netzwerk 84 aus zylindrischen Öffnungen beinhaltet, die generell eine Vielzahl von hohlen Ausnehmungen 86 definieren. Der Einsatz 82 ist bei dieser Ausführungsform aus einem Kunststoff hergestellt, der in dem Brennprozess frühzeitig aufbrennt, typischerweise bei etwa 500°C, es ist jedoch auch möglich, ein anderes Material zu verwenden, das dazu in der Lage ist, den bei dem besonderen Sinterprozess involvierten Temperaturen zu widerstehen. Ferner kann der Einsatz 82 aus einem Suszeptormaterial hergestellt sein oder kann einen oder mehrere Suszeptoren daran beinhalten. Der Einsatz 82 beinhaltet hohle Ausnehmungen 86, die generell eine Größe haben, so dass sie die Zündkerzen-Isolatoren aufnehmen können. In einer Ausführungsform hat der ungebrannte Zündkerzen-Isolator 14 einen Durchmesser von etwa 0,6 Zoll, und wenn eine Brennschale 70 mit einer Innenfläche von 7,5 × 7,5 Zoll verwendet wird, kann das Netzwerk 84 insgesamt 121 zylindrische Öffnungen (11 × 11) beinhalten, die die hohlen Ausnehmungen 86 bilden. Anstelle des Aufnehmens eines separaten Einsatzes 82 kann das Netzwerk 84 von zylindrischen Öffnungen, die hohle Ausnehmungen 86 bilden, integral mit oder mit einem Teil der Bodenwand 74 der Brennschale 70 ausgebildet sein.

In 5 beinhaltet die Brennschale 70 eine Anzahl von Grübchen (”dimples”) 88, die an der Bodenwand 74 ausgebildet sein können, damit gegossen sein können, oder auf eine andere Art und Weise daran angebracht sein können, um dazu zu helfen, die Zündkerzen-Isolatoren während eines Brennprozesses ausgerichtet zu halten. Alternativ hierzu und wie es oben beschrieben ist, können die Grübchen 88 an einem Einsatz angeordnet sein, der in der Brennschale 70 angeordnet wird. Die Grübchen 88 sind schematisch an der Bodenwand 74 der Brennschale 70 gezeigt, und es versteht sich, dass in Abhängigkeit von den Zeit-Temperatur-Profilen für den Brennprozess und/oder von der Größe der Brennschale mehr oder weniger Grübchen enthalten sein können. Ähnlich wie bei den hohlen Ausnehmungen 86 können die Grübchen 88 eine Größe besitzen, um die Zündkerzen-Isolatoren aufzunehmen, und demgemäß können die obigen Abmessungen in Bezug auf die Ausführungsform der 4 auch auf eine Brennschale anwendbar sein, die die Grübchen 88 beinhaltet.

6 zeigt einen Ofen 100, der in einigen Ausführungsformen dazu verwendet werden kann, um einen oder mehrere Schritte eines Mikrowellen-Sinterprozesses für eine Zündkerze durchzuführen, sowie einen Prozess 200, der nachstehend in Bezug auf 7 beschrieben werden wird. Der Ofen 100 ist bei dieser besonderen Ausführungsform ähnlich zu einem Tunnelofen vom Typ mit Schubplatte (”pusher plate”), und zwar mit einer Kammer 102, die generell in drei Zonen unterteilt ist: eine Vorerwärmungszone 104, eine Sinterzone 106 und eine Austrittszone 108. Eine oder mehrere Brennschalen, so wie die Brennschale 70, können dazu verwendet werden, um ungebrannte Zündkerzen-Isolatoren zu halten, wenn diese in die Vorerwärmungszone 104 des Ofens 100 eingeführt werden. Die Brennschalen können mit einer festen Rate horizontal durch den Ofen 100 hindurch bewegt werden, und können auf einer gewissen Art von Schienensystem, Rollen, Riemen oder anderen Transportmechanismen gleiten bzw. geführt werden. Ein Aktuator kann dazu verwendet werden, um die Schalen durch den Ofen 100 hindurch zu drücken, und während des Betriebes ist der Ofen 100 vorzugsweise vollständig mit den Brennschalen gefüllt, wobei eine Schale die nächste Schale anschieben kann, so dass lediglich ein einzelner Aktuator notwendig ist. Die Kammer 102 des Ofens 100 kann eine äußere Hülle aus einem rostfreien Stahl mit kontinuierlichen Nahtschweißungen sein, und kann mit einer hochtemperaturfesten Faserisolation ausgekleidet sein (z. B. eine Kombination aus Aluminiumoxid und Siliciumoxid).

Der Ofen 100 stellt eine Kombination von Mikrowellenenergie, und zwar beispielsweise über Hohlleiteranschlüsse 114, und Strahlungs-Wärmeenergie bereit, und zwar entweder aus Suszeptoren, aus elektrischen Erwärmungs- bzw. Heizelementen 112, und/oder einer weiteren Strahlungs-Wärmequelle. Während das Leistungsniveau für Mikrowellen nicht so endlich und schrittweise sein kann, als wenn ein Ofen vom ”Batch”-Typ verwendet würde, kann die Mikrowellen-Feldintensität über die Anzahl und Dämpfung (”baffling”) der Hohlleiteranschlüsse 110 kontrolliert werden. Die Hohlleiteranschlüsse 110 für Mikrowellen können die Metallhülle der Kammer 102 durchdringen, um die Mikrowellenenergie einzuführen. Es ist jedoch wünschenswert, die Hohlleitereingänge 110 gegenüber dem Rest der Atmosphäre oder Ausströmungen aus dem Innern des Ofens 100 heraus abzudichten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Mikrowellenenergie durch das Dach des Ofens über zwei Anschlüsse 110 hindurch aufgebracht, einen in der Vorerwärmungszone 104 und einen in der Sinterzone 106. In einigen Ausführungsformen können unterschiedliche Mikrowellen-Drosselsysteme (”choking systems”) und Suszeptoren 80 und insbesondere Siliciumcarbid-Absorber in der Vorerwärmungszone 104 und/oder der Austrittszone 108 des Ofens 100 verwendet werden, um dazu beizutragen, eine Leckage von Mikrowellen zu lindern. Austrittsanschlüsse (nicht gezeigt) können einen Array von Rohr-Drosseln bzw. -Kaminen (”tube chokes”) verwenden, wobei Öffnungen großen Durchmessers erwünscht sind. Die besonderen Zeit-Temperatur-Profile und ihre Beziehung zu verschiedenen Mikrowellen-Leistungsniveaus werden nachstehend in größerer Genauigkeit unter Bezugnahme auf den Prozess 200 beschrieben werden.

Nunmehr wird Bezug genommen auf 7. In 7 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das einen beispielhaften Prozess 200 zum Mikrowellen-Sintern eines Zündkerzen-Isolators darstellt, wie des Zündkerzen-Isolators 14. Während der Prozess in Verbindung mit dem Ofen 100 der 6 beschrieben wird, versteht es sich für Fachleute, dass unterschiedliche Erwärmungseinrichtungen, die sich von dem Ofen 100 unterscheiden, dazu verwendet werden können, um den Prozess 200 durchzuführen, und dass jede beliebige betriebsbereite Konstruktion eines Ofens oder Brennofens verwendet werden kann. Insbesondere können bestimmte Zeit-Temperatur-Profile und Mikrowellen-Leistungsniveaus für die gewünschten Abmessungen der Zündkerzen-Isolatoren und/oder keramischen Zusammensetzungen optimiert werden. Weiterhin können Berücksichtigungsfaktoren wie eine Länge des Ofens oder von Zonen hiervon, eine Riemengeschwindigkeit, die Mikrowellenleistung und die besondere Art oder Struktur des Mikrowellen-Applikators den Brennprozess beeinflussen.

Ein Schritt 202 des Verfahrens 200 beinhaltet das Laden eines ungebrannten Zündkerzen-Isolators 14' in einen Ofen, wie den Ofen 100, der in 6 gezeigt ist. Der ungebrannte Zündkerzen-Isolator beinhaltet wenigstens teilweise keramisches Material und in einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das keramische Material keramische Aluminiumoxid-Partikel. Der ungebrannte Zündkerzen-Isolator 14' ist typischerweise geformt, wie es in 2 gezeigt ist, wobei er einen Nasenabschnitt 30', einen mittleren Abschnitt 32' und einen Endabschnitt 34' beinhaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform werden eine Anzahl von ungebrannten Zündkerzen-Isolatoren in einer Brennschale 70 angeordnet, bevor sie in den Ofen geladen werden. Typischerweise werden ungebrannte Zündkerzen-Isolatoren in Brennschalen mittels eines Roboters oder einer Umsetzmaschine (”pick and place machine”) angeordnet. Vorzugsweise befinden sich die Zündkerzen-Isolatoren während des Prozesses 200 in einer vertikalen Orientierung, um eine Deformation aufgrund von Gravitationskräften zu vermeiden, wobei eine derartige Deformation bei erhöhten Temperaturen wahrscheinlich sein könnte. Die Brennschale 70 kann auf einer gewissen Art von Schienen oder Rollen in den Ofen geladen werden, und kann mittels eines Aktuators oder einer darauffolgenden Schale durch den Ofen hindurch geschoben werden.

Ein Schritt 204 des Verfahrens beinhaltet das Erwärmen des ungebrannten Zündkerzen-Isolators 14' mit Strahlungs-Wärmeenergie, und zwar dann, wenn sich die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators unterhalb einer minimalen Absorptionstemperatur befindet. Unterhalb der minimalen Absorptionstemperatur ist das keramische Material für Mikrowellen wenigstens teilweise transparent. Eine Strahlungserwärmung ermöglicht es, dass die Isolatoren auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der sie Mikrowellenenergie effizienter absorbieren und durch die Mikrowellen erwärmt werden können. Strahlungs-Wärmeenergie kann in der Vorerwärmungszone 104 des Ofens 100 durch jede beliebige betriebsbereite Quelle bereitgestellt werden, wie elektrische Durchgangs-Heizelemente (”through electric heating elements”), Mikrowellen-Suszeptoren, die von Mikrowellen erwärmt werden und dann Wärme auf die Isolatoren übertragen, oder eine Kombination von beiden, um einige Beispiele zu nennen. Demgemäß wird eine Kombination von Strahlungs-Wärmeenergie und Mikrowellenenergie in der Vorerwärmungszone 104 angewandt, was dazu beiträgt, die Isolatoren in einer kurzen Zeitspanne auf eine hohe Dichte zu sintern. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Erwärmungsrate etwa 50°C pro Minute. Dieser Schritt kann auch einen Unterschritt des Entbindens (”debinding substep”) beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, den ungebrannten Zündkerzen-Isolator 14' mit einer langsameren Rate bis zu etwa 500°C zu erwärmen, um organische Verarbeitungshilfsmittel wie organische Bindemittel zu entfernen, die während der Herstellung der ungebrannten Isolatoren verwendet werden.

Wie oben angegeben, wird in dem Schritt 204 Strahlungs-Wärmeenergie vorzugsweise angewandt, wenn die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators sich unterhalb der minimalen Absorptionstemperatur befindet, wobei das keramische Material wenigstens teilweise transparent für Mikrowellen ist. Fachleute erkennen, dass die minimale Absorptionstemperatur von einer Anzahl von Faktoren abhängt, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die keramische Materialzusammensetzung, die Frequenz der Mikrowellenenergie, die verwendet wird, die gewünschte Brennzeit, und die Abmessungen des Ofens. Wenn beispielsweise die Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz beträgt, kann die minimale Absorptionstemperatur etwa 650°C für eine keramische Partikelzusammensetzung mit 90 Gew.-% Aluminiumoxid betragen, kann 850°C für eine keramische Partikelzusammensetzung mit 96 Gew.-% Aluminiumoxid betragen, und kann etwa 900°C für eine keramische Partikelzusammensetzung mit etwa 99 Gew.-% Aluminiumoxid betragen. In einem weiteren Beispiel, wenn die Mikrowellenfrequenz 915 MHz beträgt, kann die minimale Absorptionstemperatur etwa 560°C für eine keramische Partikelzusammensetzung mit 90 Gew.-% Aluminiumoxid betragen, kann etwa 760°C für eine keramische Partikelzusammensetzung mit 96 Gew.-% Aluminiumoxid betragen, und kann etwa 830°C für eine keramische Partikelzusammensetzung mit etwa 99 Gew.-% Aluminiumoxid betragen. Demgemäß kann die minimale Absorptionstemperatur zwischen etwa 560°C und etwa 900°C liegen. Vorzugsweise beträgt die minimale Absorptionstemperatur 900°C, um zu gewährleisten, dass das keramische Material Mikrowellenenergie effizient absorbieren kann. Darüber hinaus, obgleich 900°C in einigen Ausführungsformen bevorzugt sind, kann die Temperatur in anderen Ausführungsformen eingestellt werden auf der Grundlage der Zusammensetzung, um eine maximale Erwärmung durch die Mikrowellenenergie zu erreichen.

Der Schritt 206 des Verfahrens 200 beinhaltet das Erwärmen des ungebrannten Zündkerzen-Isolators 14' mit Mikrowellenenergie, wenn die Temperatur des ungebrannten Zündkerzen-Isolators sich zwischen der minimalen Absorptionstemperatur und einer maximalen Absorptionstemperatur befindet. Wie oben beschrieben, kann Mikrowellenenergie in Kombination mit Strahlungs-Wärmeenergie verwendet werden, um den gebrannten Zündkerzen-Isolator zu erwärmen, und zwar auf die minimale Absorptionstemperatur, es ist jedoch bevorzugt, Mikrowellenenergie für das Sintern zu verwenden, sobald die minimale Absorptionstemperatur erreicht ist und der ungebrannte Zündkerzen-Isolator für Mikrowellen weniger transparent ist. In einigen Implementierungen kann eine Kombination von herkömmlichen Strahlungs-Wärmequellen und Mikrowellenerwärmung verwendet werden, wenn sich die Temperatur zwischen der minimalen Absorptionstemperatur und der maximalen Absorptionstemperatur befindet. Die maximale Absorptionstemperatur kann die Temperatur sein, bei der die Neigung einer Kurve des Verlustwinkel-Tangens (”loss tangent”) (tanδ) scharf ansteigt (z. B. ein Neigungsanstieg um 50% oder mehr). In einer Ausführungsform ist die maximale Absorptionstemperatur größer als etwa 1300°C. In einer besonderen Ausführungsform beträgt die maximale Absorptionstemperatur etwa 1450°C. Bei etwa 1450°C wurde eine minimale Halbleistungstiefe (”half power depth”) von 2,8 cm beobachtet. Die Halbleistungstiefe wird auch nachstehend im Detail erläutert werden, und zwar im Hinblick auf ein Testen der dielektrischen Eigenschaften, kurz gesagt zeigt die Halbleistungstiefe von 2,8 cm bei etwa 1450°C jedoch an, dass eine Querschnittsdicke von etwa 5,6 cm durch Mikrowellenenergie gleichförmig erwärmt werden könnte. Bevorzugter ist es, wenn die maximale Absorptionstemperatur etwa 1600°C beträgt, oder eine Höhe von etwa 1700°C hat. Sobald der ungebrannte Zündkerzen-Isolator 14' eine Temperatur von etwa 1600°C in der Vorerwärmungszone 104 erreicht, kann die Sinterzone 106 auf einer Temperatur von etwa 1600°C aufrechterhalten werden, bis der Zündkerzen-Isolator 14 vollständig auf eine gewünschte Dichte gebrannt ist. In einer Ausführungsform beträgt die Rampenzeit (”ramp time”) oder die Zeit, innerhalb der sich der Zündkerzen-Isolator in der Vorerwärmungszone 104 befindet, etwa 32 Minuten, und die Haltezeit (”dwell time”) oder die Zeit, wenn sich der Zündkerzen-Isolator in der Sinterzone 106 befindet, beträgt etwa 26 Minuten.

Die in dem Verfahren 200 verwendete Mikrowellenleistung und -frequenz hängen von einer Anzahl von Faktoren ab, wie dielektrische Eigenschaftsangaben einschließlich eines Verlustwinkel-Tangens (tanδ) und einer Halbleistungstiefe, das nachstehend in größerer Genauigkeit beschrieben werden wird. In einer Ausführungsform ist eine Leistungsanforderung von etwa 1136 W/kg oder weniger bevorzugt. Die gesamte Mikrowellenleistung beträgt etwa 33,8 kW, wenn ein System implementiert wird, wie ein Ofen 100, und die Masse der Zündkerzen-Isolatoren etwa 39,8 kg beträgt, die insgesamt zu einer gegebenen Zeit gebrannt werden. Bei dieser Ausführungsform kann es bevorzugt sein, etwa 18,5 kW in der Vorerwärmungszone 104 zu verwenden, und etwa 15,3 kW in der Sinterzone 106. Die Mikrowellenfrequenz kann 915 MHz oder 2,45 GHz betragen, bei denen es sich um die üblichsten industriellen Frequenzen handelt, die zur Verwendung zugelassen sind, und zwar gemäß dem Standard ”Industrial Scienific and Medical” (ISM). Mikrowellenausrüstung, die mit diesen Frequenzen arbeitet, ist leicht verfügbar und beträchtlich ökonomischer verglichen mit Ausrüstung, die bei anderen Frequenzen arbeitet. Vorzugsweise beträgt die Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz, andere Frequenzen sind jedoch möglich, wie 5,8 GHz, 22 GHz oder 28 GHz, um einige Beispiele zu nennen. Es ist angenommen worden, dass ein Mikrowellengenerator mit 30 kW und 2,45 GHz hinreichend Leistung erzeugen wird. Es ist auch möglich, zwei Mikrowellengeneratoren mit jeweils 15 kW und 2,45 GHz zu verwenden. Andere Leistungs- und Frequenzkombinationen sind natürlich möglich, und, wie erwähnt, hängen von Faktoren ab, wie der Isolatorzusammensetzung, den dielektrischen Eigenschaftsanzeigen (”dielectric property indicia”) und/oder Brennprozessparametern.

Ein Schritt 208 beinhaltet, einen gebrannten Zündkerzen-Isolator zu erhalten, wenn der ungebrannte Zündkerzen-Isolator 14' die maximale Absorptionstemperatur erreicht. Wie oben beschrieben, wird Mikrowellenenergie typischerweise nach wie vor aufgebracht, sobald der Zündkerzen-Isolator die maximale Absorptionstemperatur erreicht, um den Zündkerzen-Isolator für eine gewisse Zeitspanne auf der maximalen Absorptionstemperatur zu halten. Die Zeitspanne, für die die Mikrowellenenergie aufgebracht wird, hängt typischerweise ab von der gewünschten finalen Dichte und anderen strukturellen Eigenschaften des gebrannten Zündkerzen-Isolators 14. Das Verhältnis der Dichte des ungebrannten Zündkerzen-Isolators zu der Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators kann in einem Bereich von etwa 1:1,65 bis 1:1,92 liegen. Für 90 Gew.-% Aluminiumoxid liegt die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators vorzugsweise bei etwa 3,55 g/cc. Für 96 Gew.-% Aluminiumoxid liegt die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators vorzugsweise bei etwa 3,75 g/cc. Für 99 Gew.-% Aluminiumoxid liegt die Dichte des gebrannten Zündkerzen-Isolators vorzugsweise bei etwa 3,90 g/cc. Typischerweise ist der ungebrannte Zündkerzen-Isolator 14' hinsichtlich seiner Farbe abweichend von weiß (”off-white”), wohingegen der gebrannte Zündkerzen-Isolator 14 hinsichtlich seiner Farbe weiß ist.

Ein Schritt 210 des Verfahrens 200 beinhaltet das Kühlen des gebrannten Zündkerzen-Isolators 14 auf eine Thermoschock-Vermeidungstemperatur. Ein Thermoschock kann auftreten, wenn ein Isolator aus der maximalen Absorptionstemperatur in der Luft abgeschreckt wird. Demzufolge kann es wünschenswert sein, den gebrannten Zündkerzen-Isolator in der Austrittszone 108 des Ofens 100 auf die Thermoschock-Vermeidungstemperatur zu kühlen, bevor der gebrannte Zündkerzen-Isolator aus dem Ofen entladen wird (Schritt 212). In einer besonderen Ausführungsform beträgt die Thermoschock-Vermeidungstemperatur etwa 1000°C. Ein Kühlen der Isolatoren auf etwa 1000°C über eine Zeitspanne von einigen wenigen Minuten trägt dazu bei, einen thermischen Schock zu vermeiden. Es ist gezeigt worden, dass für den Fall, dass die Isolatoren zu schnell gekühlt werden, diese Mikrobrüche entwickeln können, die die mechanische und die dielektrische Festigkeit des Isolators reduzieren können. In einer Ausführungsform kühlen die gebrannten Zündkerzen 14 in der Austrittsposition 108 des Ofens 100 für etwa 19 Minuten. Wie oben beschrieben, beträgt die gesamte Zykluszeit bei einer Rampenzeit von etwa 32 Minuten (Erwärmen mit etwa 50°C pro Minute), einer Haltezeit (”dwell time”) von etwa 26 Minuten und einer Kühlzeit von etwa 19 Minuten etwa 77 Minuten unter Verwendung des Ofens 100, der eine Länge von etwa 14 Fuß hat. Unter Verwendung einer Brennschale 70, die 121 Zündkerzen-Isolatoren hält, können unter Verwendung dieses beispielhaften Zeit-Temperatur-Profils 30 Isolatoren pro Minute erzeugt werden.

Der Schritt 212 des Verfahrens 200 beinhaltet das Entladen des gebrannten Zündkerzen-Isolators 14 aus dem Ofen. Typischerweise werden, wie oben beschrieben, die Zündkerzen-Isolatoren aus dem Ofen 100 entfernt, nachdem sie eine Thermoschock-Vermeidungstemperatur erreicht haben, um Mikrobrüche und andere unerwünschte Defekte zu vermeiden, die die strukturelle Integrität oder die dielektrischen Eigenschaften des Isolators nachteilig beeinflussen könnten. Dieses Kühlen kann in dem Ofen 100 selbst erreicht werden, wie beispielsweise in der Austrittszone 108, oder in einer anderen isolierten Kammer oder in einem anderen isolierten Bereich. Sobald der gebrannte Zündkerzen-Isolator 14 entfernt ist, kann er ein zusätzliches Kühlen erfordern. Ferner kann der gebrannte Zündkerzen-Isolator 14 weiterhin geformt, bearbeitet und/oder auf andere Art und Weise formend bearbeitet werden, und zwar unter Verwendung von herkömmlichen bekannten Techniken, wie Drehen, Schleifen, Schneiden, Lappen, Polieren, Schwabbeln, etc.. Dekorieren und Verglasen sind die üblichsten zusätzlichen Verarbeitungsschritte nach dem Glühbrennen. Ein Verglasen und ein Dekorieren erfordern einen zusätzlichen Brennschritt, der in einem Bereich von 900°C bis 1100°C durchgeführt wird, und zwar deutlich unterhalb der Glüh-Brenntemperatur. Der Zündkerzen-Isolator 14 kann dann in eine Metallhülle 16 eingeführt und in eine komplettierte Zündkerze 10 montiert werden.

Um die Zeit-Temperatur-Profile zu verfeinern und um die Ausführbarkeit der Mikrowellenverarbeitung für Zündkerzen-Isolatorzusammensetzungen auf der Grundlage von Aluminiumoxid-basierter Keramik zu gewährleisten, wurde ein dielektrisches Testen durchgeführt. Das Testen hat bestätigt, dass gewisse Aluminiumoxid-basierte keramische Isolatorzusammensetzungen Mikrowellenenergie direkt absorbieren und von der Mikrowellenverarbeitung Vorteile ziehen können. Wie oben beschrieben, beinhalten wenigstens einige Vorteile schnellere Brennzeiten und ein gleichförmigeres Sintern. Die dielektrischen Eigenschaften wurden gemessen bei Mikrowellenfrequenzen von 2,45 GHz und 915 MHz, und zwar aus Raumtemperatur auf 1450°C unter Verwendung eines Kavitätspertubationsverfahrens (”cavity pertubation method”). Die Messungen der dielektrischen Eigenschaften wurden durchgeführt in 50°C-Schritten bis auf etwa 1450°C. Eine wiederholte Messung wurde erhalten bei etwa 1450°C, und dann in Schritten von 100°C zurück auf Raumtemperatur. Am Ende des Zyklus wurde die Probe entfernt und der leere Halter wurde bei Raumtemperatur gemessen, bei 600°C, bei 800°C, bei 1000°C, bei 1200°C, bei 1300°C und bei 1450°C, und zwar aus Kalibrierungszwecken. Die Probe wurde in einem herkömmlichen Ofen erwärmt und periodisch in eine Resonanzkavität für TM0n0 (konstantes Verhältnis von elektrischem zu magnetischen Feld) eingetaucht, wobei die Pertubation des Feldes durch die Probe (d. h. die Frequenzverschiebung und die Verschiebung des Qualitätsfaktors) unter Verwendung eines Netzwerkanalysierers aufgenommen wurde. Die Frequenzverschiebung entspricht dem Realteil der Permittivität (ε'), wohingegen die Qualitätsfaktorverschiebung verwendet wurde, um die imaginäre Permittivität (ε'') zu bestimmen. Es wurden mittels eines Stempels unter Druck hergestellte Pellets unterschiedlicher Längen zwischen 4 und 7 mm mit verschiedenen Aluminiumoxid-Zusammensetzungen (90 Gew.-%, 96 Gew.-% und 99 Gew.-%) analysiert. Drei der Pellets wurden in einem 4 mm großen ID-Quarz-Probenhalter gestapelt, um die Messprobe zu bilden. Gewisse dielektrische Eigenschaftsanzeigen wurden bei dem Testen der dielektrischen Eigenschaften analysiert. Wie es sich für Fachleute versteht, tritt eine Mikrowellenerwärmung durch dielektrische Verlustmechanismen auf. Dielektrische Eigenschaftsangaben (”dielectric property indicia”), wie der Tangens des Verlustwinkels (tanδ) und die Halbleistungstiefe können einen Leitfaden für ein Mikrowellenerwärmungsverhalten bereitstellen, und zwar zum Zwecke des Entwickelns eines optimalen Mikrowellen-Sinterprozesses. Die nachstehende Tabelle I zeigt die physikalischen Eigenschaften der Proben vor und nach jedem Zyklus. TABELLE I

MaterialDurchmesser
(mm)
Stapellänge
(mm)
Masse
(g)
Dichte
(g/cc) @ RT
90 Gew.-% AluminiumoxidInitial3,31 ± 0,0513,42 ± 0,050,248 ± 0,0022,15 ± 0,13Final2,98 ± 0,0512,28 ± 0,050,239 ± 0,0022,79 ± 0,1696 Gew.-% AluminiumoxidInitial3,33 ± 0,0514,21 ± 0,050,243 ± 0,0021,96 ± 0,13Final2,91 ± 0,0512,64 ± 0,050,235 ± 0,0022,80 ± 0,1699 Gew.-% AluminiumoxidInitial3,30 ± 0,0511,9 ± 0,050,222 ± 0,0022,16 ± 0,14Final3,01 ± 0,0510,82 ± 0,050,215 ± 0,0022,79 ± 0,16

Der Verlustwinkeltangens (tanδ) ist der dielektrische Verlust (ε'') dividiert durch die Permittivität (ε'). Typischerweise ist dann, wenn tanδ kleiner ist als 0,01, das Material für Mikrowellen ziemlich transparent (d. h. das Material absorbiert Mikrowellen schwach). Eine schwache Mikrowellenabsorption verursacht, dass das Material kalt bleibt, oder sich in einem Mikrowellenfeld sehr langsam erwärmt. Ein Wert von tanδ, der größer oder gleich 0,01 ist, zeigt an, dass das Material Mikrowellenenergie absorbiert und sich erwärmt. Je höher der Wert von tanδ ist, desto größer wird die Mikrowellen-Absorption sein, und desto schneller wird dieses Material erwärmen. Wenn tanδ größer ist als 2, kann das Material Mikrowellenenergie so gut absorbieren, dass die Mikrowellen nicht sehr tief in das Material eindringen, was durch die Halbleistungstiefe angezeigt ist, was zu einer lokalisierten Erwärmung und einem ”thermischen Weglaufen” führen kann, was durch entsprechend ausgelegte Verarbeitungstechniken vermieden werden kann.

Die Halbleistungstiefe ist die Distanz, bei der die Hälfte der Mikrowellenleistung in dem Material dissipiert ist. Die Halbleistungstiefe ist typischerweise bei 2,45 GHz größer als bei 950 MHz, und zwar aufgrund der Größe der Wellenlänge. Die Wellenlänge von 915 MHz ist etwa dreimal länger verglichen mit jener von 2,45 GHz, was die Tiefe erhöht, mit der die Mikrowellenenergie in ein Material eindringt. Die nachstehende Gleichung kann dazu verwendet werden, um die Halbleistungstiefe zu berechnen: wobei DHP die Halbleistungstiefe ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, wobei ω die Winkelfrequenz ist, wobei ε0 die Permittivität im freien Raum ist, wobei tanδ der Verlustwinkeltangens (”loss tangent”) ist, und wobei ε' die Permittivität ist. Die Werte von tanδ und der Halbleistungstiefe haben typischerweise eine inverse Beziehung, und demgemäß ergibt sich mit einem höheren Wert von tanδ eine kleinere Halbleistungstiefe. Ein höherer Wert von tanδ zeigt an, dass eine bessere Absorption von Mikrowellenenergie stattfindet, was bedeutet, dass die Energie durch das Material über eine kürzere Distanz absorbiert wird. Die Halbleistungstiefe kann dazu verwendet werden, um die Materialdicke abzuschätzen, die eine gleichförmige Mikrowellenenergie empfängt. Beispielsweise zeigt eine Halbleistungstiefe von 10 mm an, dass eine Probe mit einer minimalen Abmessung von 20 mm (z. B. ein Teil mit einer Dicke von 20 mm) eine gleichförmige Menge an Mikrowellenleistung erhalten würde. Mikrowellenenergie durchdringt Proben von allen Seiten, so dass die kleinste Probenabmessung als am wichtigsten angesehen wird, wenn man auf eine gleichförmige Leistungsverteilung achtet. Für den Fall, dass die Probendicke größer ist als das Zweifache der Halbleistungstiefe, kann es sein, dass die Probe im Inneren ein niedrigeres Niveau an Mikrowellenenergie erhält verglichen mit ihrem Äußeren. Im letzteren Fall, dass die Halbleistungstiefe kleiner ist als die Hälfte der Probendicke, kann eine Mikrowellenerwärmung jedoch nach wie vor vorteilhaft sein.

Die Ergebnisse des dielektrischen Eigenschaftstestens sind in den 813 gezeigt. Wie oben beschrieben, wurde jeder Test durchgeführt bei Mikrowellenfrequenzen von 2,45 GHz und 915 MHz. 8 und 9 zeigen tanδ und die Halbleistungstiefe jeweils für keramische Zusammensetzungen, die zu 90 Gew.-% Aluminiumoxid-basiert sind. 10 und 11 zeigen tanδ und die Halbleistungstiefe jeweils für keramische Zusammensetzungen, die zu 96 Gew.-% Aluminiumoxid-basiert sind. Die 12 und 13 zeigen tanδ und die Halbleistungstiefe jeweils für keramische Zusammensetzungen, die zu 99 Gew.-% auf Aluminiumoxid basieren. Insgesamt zeigen die Ergebnisse an, dass diese Materialien Mikrowellenenergie von wenigstens 700°C bis auf mehr als 1450°C absorbieren sollten, wenn der Wert von tanδ oberhalb von 0,01 ist, und zwar für jede Zusammensetzung in diesem Temperaturbereich. In der Kurve von tanδ gibt es einen starken Anstieg, der etwa bei 1300°C beginnt, was anzeigt, dass in diesem Bereich eine starke Mikrowellenerwärmung erfolgt, und zwar insbesondere für Zusammensetzungen mit 90 Gew.-% und mit 96 Gew.-% Aluminiumoxid. Die niedrigen Werte von tanδ bei weniger als 700°C geben an, dass die Materialien in diesem Temperaturbereich ziemlich transparent sind. Die dielektrischen Daten zeigen, dass alle drei Zusammensetzungen sich in dem höheren Temperaturbereich ziemlich gut erwärmen sollten, wobei die zwei Zusammensetzungen mit niedriger Reinheit an Aluminiumoxid sich besser erwärmen als das 99 Gew.-%-Aluminiumoxid. Die dielektrischen Eigenschaftsergebnisse zeigen an, dass es möglich ist, Zusammensetzungen mit 90 Gew.-% und 96 Gew.-% Aluminiumoxid-Basis in dem gleichen Ofen zu brennen, da deren Werte von tanδ ähnlich erscheinen. Ein Brennen des 99 Gew.-% Aluminiumoxid ist separat wünschenswert, da diese Zusammensetzung unterbrannt werden könnte, wenn sie mit Zusammensetzungen gebrannt wird, die eine geringere Reinheit an Aluminiumoxid-Basis besitzen.

Die 8 und 9 zeigen tanδ und die Halbleistungstiefe für die keramischen Zusammensetzungen mit 90 Gew.-% Aluminiumoxid-Basis. Für 2,45 GHz beträgt der transparente Temperaturbereich etwa 100°C bis etwa 650°C, der Koppeltemperaturbereich beträgt etwa 650°C bis mehr als 1450°C, und die minimale Halbleistungstiefe beträgt etwa 2,8 cm. Für 915 MHz liegt der transparente Temperaturbereich bei etwa 100°C bis etwa 560°C, der Koppeltemperaturbereich liegt von etwa 560°C bis mehr als 1450°C, und die minimale Halbleistungstiefe beträgt etwa 3,6 cm, Es ist anzumerken, dass die Daten für 915 MHz in 9 bei oberhalb 1000 cm abgeschnitten sind.

10 und 11 zeigen tanδ bzw. die Halbleistungstiefe für keramische Zusammensetzungen mit 96 Gew.-% Aluminiumoxid-Basis. Für 2,45 GHz beträgt der transparente Temperaturbereich etwa 25°C bis etwa 850°C, der Koppeltemperaturbereich liegt oberhalb von 850°C bis mehr als 1450°C, und die minimale Halbleistungstiefe beträgt etwa 3,5 cm. Für 915 MHz liegt der transparente Temperaturbereich oberhalb von 100°C bis etwa 760°C, der Koppeltemperaturbereich liegt oberhalb von 760°C bis mehr als 1450°C, und die minimale Halbleistungstiefe beträgt etwa 4,7 cm.

12 und 13 zeigen die Werte von tanδ bzw. der Halbleistungstiefe für keramische Zusammensetzungen mit 99 Gew.-% Aluminiumoxid-Basis. Für 2,45 GHz ist der transparente Temperaturbereich etwa 100°C bis etwa 900°C, der Koppeltemperaturbereich ist etwa 900°C bis größer als 1450°C, und die minimale Halbleistungstiefe beträgt etwa 6,8 cm. Für 915 MHz ist der transparente Temperaturbereich etwa 100°C bis etwa 830°C, der Koppeltemperaturbereich ist etwa 830°C bis mehr als 1450°C, und die minimale Halbleistungstiefe beträgt etwa 7,8 cm. Es ist anzumerken, dass die Daten für 915 MHz in 13 oberhalb von 1000 cm abgeschnitten worden sind.

Wie gezeigt und oben beschrieben, scheinen Mikrowellenfrequenzen, die getestet wurden (915 MHz und 2,45 GHz), mögliche Optionen zum Erwärmen von Aluminiumoxid-basierten Zündkerzen-Isolatorzusammensetzungen zu sein. Ein Vergleichen der dielektrischen Daten für die zwei Mikrowellenfrequenzen ergibt, dass 915 MHz etwas höhere Werte von tanδ hatte, verglichen mit 2,45 GHz, und auch eine größere Halbleistungstiefe. Dies zeigt an, dass eine direkte Mikrowellenkopplung oder -erwärmung bei etwa 100°C niedriger beginnen kann für 915 MHz, verglichen mit 2,45 GHz, und eine etwas größere Penetrationstiefe erreichen wird, was einen Verarbeitungsvorteil bieten könnte. Die Erwärmungscharakteristika bei 2,45 GHz fallen ebenfalls innerhalb eines akzeptablen Datenbereiches für eine adäquate Mikrowellenenergie und -suszeptibilität. Typischerweise wird 2,45 GHz für kleinere laborübliche und Niedrigleistungs-Öfen verwendet, wohingegen 950 MHz verwendet wird, wenn die Leistungsanforderungen (z. B. größer als 40 k/W) und die Hohlraumgröße ansteigen. Die Option, jede der Frequenzen verwenden zu können, ermöglicht eine Designflexibilität für den Mikrowellenofen.

Zusammengefasst betrifft die Erfindung vorzugsweise ein Herstellungsverfahren, eine Brennschale und einen Mikrowellenofen für Zündkerzen-Isolatoren. Die Verwendung von Mikrowellenenergie und insbesondere strukturierten Zeit-Temperatur-Profilen kann ein effizientes Sintern von Keramikmaterial für Zündkerzen-Isolatoren ermöglichen. Das Verfahren kann eine Kombination von Strahlungs-Wärmeenergie-Erwärmung und Mikrowellenenergie-Erwärmung verwenden, um den Sinterprozess zu verbessern.

Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung von einem oder mehreren bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die besondere Ausführungsform bzw. die besonderen Ausführungsformen beschränkt, die vorliegend offenbart ist bzw. sind, sondern ist alleine durch die Ansprüche definiert, die nachstehend angegeben sind. Ferner beziehen sich Angaben, die in der vorstehenden Beschreibung enthalten sind, auf besondere Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkungen des Schutzbereiches der Erfindung oder hinsichtlich der Definition von Begriffen ausgelegt werden, die in den Ansprüchen verwendet werden, es sei denn, ein Begriff oder eine Frage wird oben ausdrücklich definiert. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der offenbarten Ausführungsform bzw. den offenbarten Ausführungsformen ergeben sich für Fachleute. Alle derartigen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollen im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Die Begriffe ”zum Beispiel”, ”z. B.”, ”beispielsweise”, ”sowie” und ”wie” sowie die Verben ”aufweisen”, ”haben”, ”enthalten” und ihre anderen Verbformen, so wie sie in dieser Spezifikation und den Ansprüchen verwendet werden, sollen jeweils, wenn in Verbindung mit einer Auflistung von einer oder mehreren Komponenten oder einem anderen Gegenstand, jeweils als offene bzw. nicht eingeschränkte Liste verstanden werden, was bedeutet, dass die Liste nicht so angesehen werden sollte, dass sie keine weiteren zusätzlichen Komponenten oder Gegenstände beinhalten könnte. Andere Begriffe sollen unter Verwendung ihrer breitesten vernünftigen Bedeutung ausgelegt werden, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine unterschiedliche Interpretation erfordert.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 4879260 [0025]
  • US 7169723 [0025]
  • US 8434443 [0025]