DE3342753C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine keramische Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine keramische Heizvorrichtung dieser Art ist in Form einer Glühkerze aus DE 29 25 373 C2 bekannt, wobei das Heizelement becherförmig aus keramischen Material ausgebildet und sein offenes Ende an einem Metallgehäuse angebracht ist. Durch die Verbindung des Heizelementes mit dem Metallgehäuse über eine elektrisch leitende Schicht aus einem Lötwerkstoff wird die vom Heizelement erzeugte Wärme auf das Metallgehäuse übertragen, was dazu führt, daß die erzeugte Wärme nicht effektiv dazu ausgenutzt wird, das Luft-Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer zu zünden. Ferner treten Wärmespannungen an den Bauteilen der Heizvorrichtung auf, wodurch die mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen dem Metallgehäuse und dem becherförmigen Heizelement beeinträchtigt werden kann. Schließlich ist der spezifische Widerstand des Heizelementes vermindert, weil das offene Ende des Heizelementes für den Einsatz der Elektrode dient und dieses offene Ende nicht als Heizelement eingesetzt werden kann.

Aus DE 31 51 825 A1 ist ferner eine Keramik-Glühkerze bekannt, bei der eine Zündspule in Keramikmaterial eingebettet ist, wobei Anschlußdrähte aus dem Keramikmaterial vorstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine keramische Heizvorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die vom Heizelement erzeugte Wärme effektiv ausgenutzt werden kann und Wärmespannungen zwischen Metallgehäuse und Heizelement vermieden werden. Weiterhin soll der spezifische Widerstand des Heizelementes verbessert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Durch die U- förmige Ausgestaltung des Heizelementes wird die Länge des inneren Weges des Stroms vergrößert, so daß der gesamte keramische Körper wirksam aufgeheizt werden kann. Durch die Anordnung eines keramischen Isolators zwischen Heizelement und Metallgehäuse werden Wärmespannungen vermieden und es wird der spezifische Widerstand am vorderen Ende des U- förmigen Heizelementes größer als der der Schenkelteile des Heizkörpers, so daß der gesamte keramische Körper wirksam aufgeheizt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Beispielsweise Aussführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die keramische Heizvorrichtung in Form einer Glühkerze für einen Dieselmotor,

Fig. 2 eineSchnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 in einer schematischen Ansicht die Herstellung des Heizteils,

Fig. 5A und 5B eine Drauf- und eine Seitenansicht des Heizteils,

Fig. 6 bis 9 in graphischen Darstellungen die Versuchsergebnisse von Vergleichsversuchen zwischen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung und bekannter Heizvorrichtung,

Fig. 10A und 10B eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Heizteils eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 11 in einer schematischen Ansicht die Herstellung des Heizteils,

Fig. 12 und 13 vergrößerte Draufsichten auf einen Heizkörper bzw. ein Heizelement,

Fig. 14 in einer graphischen Darstellung die Versuchsergebnisse von Vergleichsversuchen zwischen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung und bekannte Heizvorrichtungen,

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht des Heizteils nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 16 eine Seitenansicht des Heizteils und

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht des Heizteils einer Abwandlungsform des dritten Ausführungsbeispiels.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel umfaßt einen Befestigungs- oder Gehäuseteil 1 und einen Heizteil 2. Der Befestigungsteil 12 umfaßt ein Metallgehäuse 3, das mit einem Gewindeteil 3a ausgebildet ist, und eine zentrale Elektrode 4 die als elektrischer Anschluß dient. Der Heizteil 2 umfaßt andererseits einen keramischen Heizkörper bzw. ein Heizelement 5, einen Isolator 6 aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material und zwei Metallzuleitungsdrähte bzw. Anschlußdrähte, die in den keramischen Heizkörper 5 und in den Isolator 6 eingebettet sind.

Der keramische Heizkörper 5 ist U-förmig ausgebildet und ein Endabschnitt 60 des Isolators 6 ist in Sandwichbauweise zwischen beiden Enden (Schenkelteilen) 5a und 5b des keramischen Heizkörpers 5 angeordnet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Jedes Ende 71 und 81 der Metallzuleitungsdrähte 70 und 80 ist elektrisch mit dem Heizkörper 5 jeweils verbunden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die beiden anderen Enden 72 und 82 der Metallzuleitungsdrähte 70 und 80 liegen an der Außenfläche des Isolators 6 frei. Das freiliegende Ende 72 des Metallzuleitungsdrahtes 70 ist elektrisch mit einer Kappe 9 aus Edelstahl durch Hartlöten und über einen Nickeldraht 10 mit der zentralen Elektrode 4 verbunden. Das freiliegende Ende 82 des Metallzuleitungsdrahtes 80 ist in ähnlicher Weise elektrisch mit einer Hülse 11 aus Edelstahl durch Hartlöten verbunden, wobei die Hülse 11 elektrisch durch Hartlöten mit dem Gehäuse 3 verbunden ist.

In Fig. 1 sind weiterhin metallisierte Schichten 6a, 6b, beispielsweise Silberlot, Nickellot, Kupferlot, ein elektrisch isolierender Ring 14, ein hitzebeständiger Dichtungsring 15 aus Gummi, eine elektrisch isolierende Buchse 16 und Muttern 17 und 18 dargestellt.

Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau die zentrale Elektrode 4 mit der positiven Klemme einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, während das Gehäuse 3 an der negativen Klemme der Energiequelle liegt, fließt ein elektrischer Strom durch den Nickeldraht 10, die Kappe 9, den Leitungsdraht 70, den keramischen Heizkörper 5, den Leitungsdraht 80, die Hülse 11 und das Gehäuse 3, wodurch der keramische Heizkörper 5 aufgeheizt wird.

Im folgenden wird anhand von Fig. 4 die Herstellung des Heizteils beschrieben. Drei gesinterte Stücke 12a, 12b und 12c aus einem Gemisch von Si₃N₄ und Al₂O₃, beispielsweise mit 70 Mol-% Al₂O₃ und 30 Mol-% Si₃N₄, werden zur Bildung des Isolators 6 hergestellt.

Drei gesinterte Stücke 13a, 13b und 13c aus einem Gemisch von MoSi₂ und Si₃N₄, beispielsweise mit 70 Mol-% MoSi₂ und 30 Mol-% Si₃N₄ werden zur Bildung des keramischen Heizkörpers 5 hergestellt. Die beiden Leitungsdrähte 70 und 80 aus Wolfram werden jeweils zwischen den Stücken 12a und 12b und zwischen den Stücken 12b und 12c angeordnet. Die oben beschriebenen Bauteile werden anschließend beispielsweise in einer Stickstoff-(N₂)-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1630°C 2 Std. lang gesintert, wobei ein Druck von 300 kg/cm² an den Stücken 12a bis 12c und 13a bis 13c in der durch Pfeile in Fig. 4 angegebenen Richtung anliegt.

Fig. 5A und 5B zeigen eine Drauf- und eine Seitenansicht eines gesinterten Körpers, der in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurde. In dem gesinterten Körper sind die Stücke 12a und 12c zur Bildung des Isolators 6 integriert, während die Stücke 13a bis 13c zur Bildung des keramischen Heizkörpers 5 mit einer U-Form integriert sind.

Im Grenzbereich 56 zwischen dem keramischen Heizkörper 5 und dem Isolator 6 ist das in den jeweiligen Teilen enthalene Si₃N₄ in die anderen Teile diffundiert, so daß der Heizkörper 5 und der Isolator 6 fest miteinander verbunden sind. Wie es bereits beschrieben wurde, bis das eine Ende der Zuleitungsdrähte 70 und 80 elektrisch mit beiden Enden des U- förmigen keramischen Heizkörpers 5 verbunden und daran angeschlossen und liegen die beiden anderen Enden 72 und 82 an der Außenfläche des Isolators 6 frei.

Es ist zu berücksichtigen, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Isolators 6, des keramischen Heizkörpers 5 und der Leitungsdrähte 70 und 80 zueinander passen müssen.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen keramischen Heizvorrichtung wurde mit bekannten keramischen Heizvorrichtungen in Versuchen verglichen.

Fig. 6 zeigt das Ergebnis einer Haltbarkeitsprüfung, bei der eine mit Unterbrechungen erfolgende Stromversorgung wiederholt wurde, bei der eine Periode aus einer einminütigen Stromversorgung bestand (Temperatur an der Außenfläche des Heizkörpers wurde auf 1200°C erhöht) und bei der anschließend eine einminütige Stromunterbrechung erfolgte. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, verschlechtert sich die bekannte Heizvorrichtung mit zunehmender Anzahl von Stromversorgungsperioden, während die Arbeit des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung stabil ist, da sich ihr Widerstandswert nach der Haltbarkeitsprüfung nicht geändert hatte. Die Gründe für die Verschlechterung der bekannten Vorrichtung bestehen darin, daß die metallisierten Schichten zwischen dem keramischen Heizkörper und dem Metallgehäuse sich ablösen, und daß Wärmespannungen an dem Teil auftreten, an dem der keramische Heizkörper direkt mit dem Metallgehäuse in Berührung steht, da an diesem Berührungsteil die Wärme leicht vom keramischen Heizkörper auf das Metallgehäuse übertragen werden kann.

Fig. 7 zeigt die gemessenen Temperaturen am vorderen Ende des Heizkörpers und an den Berührungsteilen zwischen dem Metallgehäuse und dem Heizkörper (bekannte Vorrichtung) und zwischen dem Metallgehäuse und dem Isolator (Ausführungsbeispiel der Erfindung). Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Temperatur am Berührungsteil der bekannten Vorrichtung um mehr als das Doppelte höher als bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.

Fig. 8 zeigt den Energieverbrauch, der dazu erforderlich ist, um die Temperatur des Heizkörpers auf 800°C zu halten. Da der Heizteil nur am vorderen Ende des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ausgebildet ist, kann eine überschüssige Wärmeerzeugung vermieden werden und kann die an diesem Teil erzeugte Wärme nicht auf das Gehäuse übertragen werden, so daß der Energieverbrauch bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung geringer als bei der bekannten Vorrichtung ist, wie es in Fig. 8 dargestellt ist.

Fig. 9 zeigt die gemessenen Widerstandswerte bezüglich der Temperatur des Heizteils. Das Verhältnis des Widerstandswertes zum Anfangswiderstandswert nimmt mit steigender Temperatur des Heizteils zu, wobei das Ausmaß der Zunahme gemäß der Erfindung größer als bei der bekannten Vorrichtung ist, da der gesamte Heizteil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgeheizt werden kann. Der höhere Temperaturwiderstandskoeffizient ist zur Steuerung der Heizvorrichtung bevorzugt.

Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann TiC oder TiN statt MoSi₂ für den keramischen Heizkörper verwandt werden und kann ein anderer Metallzuleitungsdraht mit einem höheren Schmelzpunkt, beispielsweise aus Molybdän (Mo) verwandt werden.

Das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die folgenden Vorteile:

• 1) Da der keramische Heizkörper mit dem Metallgehäuse über den Isolator verbunden ist, kann die am keramischen Heizkörper erzeugte Wärme nicht auf das Metallgehäuse übertragen werden und kann dadurch die Wärme effektiv ausgenutzt werden, um beispielsweise ein Kraftstoff/Luftgemisch in den Verbrennungskammern einer Brennkraftmaschine zu zünden.
• 2) Der Isolator sowie der keramische Heizkörper können fest am Gehäuse angebracht sein.
• 3) Da ein Teil des Isolators zwischen beiden Enden des U- förmigen keramischen Heizkörpers verläuft, können der Isolator und der keramische Heizkörper fest miteinander integriert werden.
• 4) Der gesamte keramische Heizkörper kann erhitzt werden.

Im folgenden wird anhand der Fig. 10 bis 15 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Fig. 10A und 10B zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Heizteils 1, der den Isolator 6 und den Heizkörper 5 umfaßt.

Der Heizteil 1 wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Eine Vielzahl von frischen, nicht abgebundenen Plättchen 12a aus einem Gemisch von Al₂O₃ (70 Mol-%) und Si₃N₄ (30 Mol-%) und eine Vielzahl von frischen unabgebundenen Plättchen 13a aus einem Gemisch von MoSi₂ (70 Mol-%) und Si₃N₄ (30 Mol-%) werden in der in Fig. 11 dargestellten Weise hergestellt. Die Plättchen 12a und 13a werden übereinander gestapelt, während zwei Metalleitungsdrähte 70 und 80 zwischen den Plättchen 12a und 13a so angeordnet werden, daß jeweils ein Ende der Drähte 70 und 80 mit den beiden Enden der U-förmigen Plättchen 13a verbunden ist, während die anderen Enden an der Außenfläche des Isolators 6 frei liegen. die Plättchen 12a und 13a und die Leitungsdrähte 70 und 80 werden dann in die Richtung, die durch Pfeile in Fig. 11 angegeben ist, bei Umgebungstemperatur unter Druck gesetzt und miteinander verbunden. Anschließend werden diese Bauelemente bei einer hohen Temperatur und mit einem hohen Druck gesintert.

Im folgenden werden anhand der Tabelle 1 und anhand der Fig. 12 und 13 die Versuchsergebnisse dargestellt.

Es wurden zwanzig Proben Nr. 1 bis Nr. 20 hergestellt, bei denen alle Abmessungen a bis f in Fig. 12 so variiert wurden, wie es in der folgenden Tabelle 1 angegeben ist. In der Tabelle 1 zeigt x die Länge des inneren Weges des U-förmigen Heizkörpers 5 und y die Länge eines Außenweges des Heizkörpers 5, wie es in Fig. 10 dargestellt ist.

Die Versuche wurden für jeden Probekörper so ausgeführt, daß die Temperatur am Teil B in Fig. 13 gemessen wurde, während die Temperatur am Teil A in Fig. 13 konstant gehalten wurde.

Bei diesen Versuchen wurde ein Widerstandswert des Heizkörpes 5 von 0,13 Ω, eine anliegende Spannung von 9,3 V und ein Thermopunktsensor zum Messen der Temperaturen verwandt. Jeder Lichtflußpunkt (1 mm ⌀) von einer Maschine wird auf die mittleren Teile der Bereiche A und B jeweils projiziert, und die elektrische Spannung wird an den Heizkörper 5 gelegt. Nachdem die Temperaturanzeige des Thermopunktsensors stabil geworden ist, wird die Temperatur 1 Minute lang gemessen, woei ihr Mittelwert in der Tabelle 1 dargestellt ist.

Tabelle 1

Wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, besteht ein Temperaturunterschied zwischen den Bereichen A und B, der sehr klein ist, wenn das Verhältnis x/y größer als 0,73 ist. Es ist notwendig, konkav-konvexe Bereiche an der Innenfläche des Heizkörpers zu bilden, damit das Verhältnis x/y größer als 1,0 wird, was zu einer Komplizierung des Herstellungsverfahrens führt. Es ist daher bevorzugt, daß das Verhältnis x/y im Bereich von 0,73 bis 1,0 liegt.

Fig. 14 zeigt das Ergebnis eines Versuches, bei dem die Temperaturen an den Bereichen A und B für die Probekörper Nr. 2 und Nr. 3 gemessen wurden. Aus Fig. 14 ist ersichtlich, daß der Temperaturunterschied zwischen den Bereichen A und B des Probekörpers Nr. 3 kleiner als der des Probekörpers Nr. 2 war und daß der Probekörper Nr. 3 schneller als der Probekörper Nr. 2 aufgeheizt wurde.

Die Tabelle 2 zeigt die Versuchsergebnisse, bei denen das Mischverhältnis von MoSi₂ und Si₃N₄ variiert und jeder Wert gemessen wurde.

Versuchs- und Meßbedingungen

• (i) Oxidationsbeständigkeitsprüfung:
  1000°C
  15 Std.
  Umgebungsatmosphäre
• (ii) Bruchfestigkeit:
  Probestück: 40 × 3 × 4 mm
  Belastungsgeschwindigkeit: 0,5 mm/min
  max. Bruchfestigkeit:
  Die Last, bei der der Probekörper bei einem Dreipunktbiegetest bei 1300°C bricht
• (iii) Wärmeausdehnungskoeffizient:
  mittlerer Koeffizient über die Raumtemperatur und eine Temperatur von 800°C.

Im folgenden wird anhand der Fig. 15 und 16 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Eine Vielzahl frischer Plättchen 12a aus einem Gemisch von Al₂O₃ und Si₃N₄ und eine Vielzahl von frischen Plättchen 13a und 13b aus einem Gemisch von MoSi₂ und Si₃N₄ wurden hergestellt, wobei das Mischverhältnis von MoSi₂ und Si₃N₄ so geändert wurde, daß der Wert des spezifischen Widerstandes der Plättchen 13d größer als der der Plättchen 13a ist. Die Plättchen 12a, 13a und 13d wurden anschließend mit Metalleitungsdrähten 70 und 80 wie bei dem oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel zusammen gesintert, um einen Heizteil zu bilden, der in Fig. 16 dargestellt ist.

Da der Wert des spezifischen Widerstandes am vorderen Ende 13d des U-förmigen Heizkörpers größer als an den anderen Teilen 13a ist, wie es oben beschrieben wurde, kann der gesamte Heizkörper gleichförmig aufgeheizt werden.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse von Prüfungen für Proben A bis I, bei denen das Mischverhältnis von MoSi₂ und Si₃N₄ verändert wurde und der Temperaturunterschied zwischen dem vorderen Ende 13d und den anderen Teilen (Schenkelbereichen) 13a des Heizkörpers gemessen wurde.

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß der Temperaturunterschied der Proben C, D, H oder I kleiner als 30°C ist, und daß diese Proben bevorzugt sind.

Bei diesen Proben C, D, H und I ist der Wert des spezifischen Widerstandes am vorderen Ende wenigstens zweimal größer als an den Schenkelbereichen.

Claims (8)

1. Keramische Heizvorrichtung, insbesondere Glühkerze für einen Dieselmotor, mit einem Metallgehäuse, einer zentralen Elektrode, die elektrisch gegenüber dem Metallgehäuse isoliert und am Metallgehäuse angebracht ist, einem keramischen Isolator, der am Metallgehäuse angebracht ist, einem gesinterten keramischen Heizelement, das am keramischen Isolator angebracht ist, und mit einer metallischen Anschlußleitung, die in den keramischen Isolator eingebettet und mit dem keramischen Heizelement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der keramische Isolator (6) ein gesintertes, das Heizelement (5) tragendes Teil ist, das keramische, gesinterte Heizelement (5) U-förmig ausgebildet und mechanisch fest mit dem keramischen Isolator (6) verbunden ist, und
daß beide Anschlußdrähte (70, 80) in den keramischen Isolator (6) eingebettet sind und jeweils ein Schenkelende (5a, 5b) des Heizelementes mit der zentralen Elektrode (4) bzw. dem Metallgehäuse (3) elektrisch leitend verbunden ist.

2. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine metallisierte Schicht (6a, 6b), die auf der Außenfläcche des gesinterten keramischen Isolators (6) an dem Teil ausgebildet ist, an dem die Enden der Anschlußdrähte (70, 80) freiliegen, und eine Hülse (11), die am Metallgehäuse (3) an seiner äußeren Umfangsfläche angebracht ist, wobei der keramische Isolator (6) in die Hülse so eingesetzt ist, daß die metallisierte Schicht elektrisch damit verbunden ist.

3. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlußdraht (70) mit der zentralen Elektrode (4) über die metallisierte Schicht (6a) verbunden ist.

4. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis x/y so gewählt ist, daß es im Bereich on 0,73 bis 1,0 jeweils einschließlich liegt, wobei x die Länge des inneren Weges des U-förmigen keramischen Heizelementes (5) ist, während y die Länge des äußeren Weges des U-förmigen keramischen Heizelementes bezeichnet.

5. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das U-förmige keramische Heizelement ein vorderes Ende und zwei Schenkelteile (5a, 5b) aufweist, die vom vorderen Ende ausgehen, wobei der Wert des spezifischen Widerstandes am vorderen Ende größer als an den Schenkelteilen ist.

6. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des spezifischen Widerstandes am vorderen Ende um mehr als zweimal größer als der der Schenkelteile (5a, 5b) ist.

7. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkelteile (5a, 5b) aus einem Gemisch von 80 Mol-% MoSi₂ und 20 Mol-% Si₃N₄ bestehen, während das vordere Ende aus einem Gemisch von 70 bis 75 Mol-% MoSi₂ und 25 bis 30 Mol-% Si₃N₄ besteht.

8. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkelteile (5a, 5b) aus einem Gemisch von 70 Mol-% MoSi₂ und 30 Mol-% Si₃N₄ bestehen, während das vordere Ende aus einem Gemisch von 60 bis 64 Mol-% MoSi₂ und 35 bis 40 Mol-% Si₃N₄ besteht.