DE3425768C2

DE3425768C2 -

Info

Publication number: DE3425768C2
Application number: DE3425768A
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Ito; Katsuhiko Nagoya Aichi Jp Tanaka
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1993-02-11
Also published as: JPS6029517A; JPS6335895B2; US4719331A; DE3425768A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Keramik-Glühkerze nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Eine solche Keramik- Glühkerze dient zum Anlassen einer Dieselbrennkraftmaschine.

Eine Dieselbrennkraftmaschine ist bekanntlich bei tiefen Temperaturen schwer anzulassen. Zur Lösung dieses Problems werden üblicherweise Glühkerzen in die Maschinenzylinder oder in deren Vorverbrennungskammern zur Erhöhung der in diesen herrschenden Temperatur eingebaut. Um ein schnelles Anlassen zu ermöglichen, muß eine Glühkerze Schnellglüheigenschaften besitzen. Im Hinblick auf den in jüngster Zeit zunehmenden Einsatz von Glühkerzen nicht nur für das Anlassen, sondern auch während des Maschinenbetriebs zwecks Stabilisierung der Kraftstoffverbrennung in den Zylindern nach dem Anlassen der Maschine sind zudem Verbesserungen der elektrischen und chemischen Standfestigkeit von Glühkerzen dringend geboten.

Aus den genannten Gründen ist eine Keramik-Glühkerze vom Schnellglüh-Typ entwickelt worden, die ein Keramik- Glühelement aus einem gesinterten Keramikkörper und einem in diesen eingebetteten Wolfram-Glühdraht (Glühwendel) aufweist. Wolfram wird dabei deshalb verwendet, weil es einen hohen Schmelzpunkt besitzt und wärmebeständig ist.

Fig. 1 veranschaulicht in Teilschnittdarstellung ein Beispiel für eine solche bekannte Keramik-Glühkerze 1 mit einem Keramik-Glühelement 3 in Form eines gesinterten Keramikkörpers aus Si₃N₄ und einem Glühdraht 2 in Form einer in den Keramikkörper eingebetteten Wendel. Das Keramik-Glühelement 3 ist am Ende einer Metallumhüllung 4 befestigt, mit welcher das eine Ende des Glühdrahts 2 verbunden ist. Die mit einem Anschlußgehäuse 5 verbundene Metallumhüllung 4 dient als negative Elektrode. Das andere Ende des Glühdrahts 2 ist mit einem Mittenleiter bzw. -kontakt 6 verbunden, der im Anschlußgehäuse 5 festgelegt und diesem gegenüber elektrisch isoliert ist und der als positive Elektrode dient.

Ein Abschnitt 3′ des Keramik-Glühelements 3 der Keramik- Glühkerze 1, in den der Glühdraht 2 eingebettet ist, ragt über eine Länge l aus der Metallumhüllung 4 heraus. Diese Länge l beträgt bei einer durch einen 12 V-Sammler gespeisten Glühkerze typischerweise 12-15 mm. Zur Gewährleistung von mechanischer Festigkeit gegen auf die Keramik-Glühkerze 1 einwirkende mechanische Stöße oder Schläge sollte diese Länge möglichst kurz sein. Bei der bekannten Keramik-Glühkerze 1 kann jedoch die Länge l nicht verkleinert werden; wenn nämlich das Keramik-Glühelement 3 auf in Fig. 2 gezeigte Weise einfach tiefer in die Metallumhüllung 4 eingesetzt wird, um die Länge l des vorstehenden Abschnitts 3′ auf eine Länge l₁ zu verkürzen, so ist ein einer Länge l₂ entsprechender Teil des Glühdrahts 2 des Keramik-Glühelements 3 von der Metallumhüllung 4 umschlossen, was zu einer verringerten Heizleistung des Glühdrahts führt. Außerdem kann dabei der Glühdraht in der Metallumhüllung überhitzt werden, so daß das zur Verbindung des Keramik-Glühelements 3 mit der Metallumhüllung 4 verwendete Lot-Material schmelzen kann.

Um bei einer mit 24 V betriebenen Keramik-Glühkerze dieselbe Temperatur des Keramik-Glühelements wie bei einem 12-V-Glühelement zu erreichen, muß der Widerstand des Glühdrahts 2 etwa das Vierfache des Widerstands beim zuletzt genannten Keramik-Glühelement 3 betragen. Wenn ein derart großer Widerstand durch Verkleinerung des Glühdraht-Durchmessers von normalerweise etwa 0,2 mm für Betrieb mit 12 V erreicht werden soll, muß dieser Durchmesser bei einer 24-V-Glühkerze etwa 0,1-0,13 mm betragen. Beim Einbetten eines derart dünnen Glühdrahts in einen Keramikkörper kann der Glühdraht den aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten von Keramik und Glühdraht unvermeidlich auf ihn einwirkenden Torsionsbeanspruchungen nicht standhalten. Wenn dagegen eine Widerstandserhöhung durch Verwendung eines längeren Glühdrahts erreicht werden soll, vergrößert sich die Vorstehlänge l des aus dem Ende der Metallumhüllung herausragenden Abschnitts des Keramik- Glühelements unnötig. Beide Maßnahmen sind somit im Hinblick auf die mechanische Festigkeit der Keramik- Glühkerze unbrauchbar.

In der DE-OS 31 32 752 ist eine Glühkerze der eingangs genannten Art für einen Dieselmotor beschrieben. Diese Glühkerze hat einen Heizstab, der aus zwei Keramikstäben durch Sintern unter Druck gebildet ist. Für die Herstellung dieser beiden Keramikstäbe sind nicht-oxidische Siliziumwerkstoffe, wie beispielsweise Siliziumnitrid, bevorzugte Werkstoffe. Für ein Glühelement bzw. einen Widerstand wird bei dieser bekannten Glühkerze Wolfram verwendet.

In der DE-PS 5 36 471 ist ein elektrischer Heizkörper beschrieben, der in seiner Gesamtheit oder gegebenenfalls nur in seiner Oberflächenschicht aus Rhenium oder einer Rheniumlegierung besteht. Als weitere Legierungsbestandteile werden hochschmelzende Metalle, wie Wolfram, Molybdän, Tantal, Irdium, Platin, Osmium, Nickel usw. genannt. Auch wird angegeben, daß ein hoher spezifischer Widerstand geringe Längenabmessungen des Heizkörpers bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch gestattet. Hergestellt wird dieser bekannte elektrische Heizkörper in der Form von Drähten, Bändern oder Röhren durch geeignete mechanische Bearbeitung.

Weiterhin ist aus der DD-PS 39 611 ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Halbzeugen aus Legierungen hochschmelzender Metalle bekannt, wobei ein reines Wolfram-Metallpulver mit einem reinen Rhenium- Metallpulver bis zu einem Anteil von 26% mechanisch gemischt und zu Drahtmaterial verarbeitet wird. Das auf diese Weise erzeugte Drahtmaterial besteht also aus einer Wolframlegierung, die als weiteren Bestandteil Rhenium aufweist.

Ähnlich wie die DD-PS 39 611 beschreibt auch die US-PS 35 03 720 ein Metallpulver, das 75 Gew.-% Wolfram und 25 Gew.-% Rhenium enthält.

Schließlich ist in der GB-PS 8 16 135 eine Wolfram-Rhenium-Legierung beschrieben, bei der der Rhenium-Anteil 0,05 bis 38 Gew.-% beträgt. Anwendungsgebiete für diese Wolfram-Rhenium-Legierung sind Heizdrähte in indirekt beheizten Kathoden, Hochtemperaturfedern usw.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Keramik-Glühkerze zu schaffen, die sich durch eine besonders hohe mechanische Stoßfestigkeit bei guten elektrischen Eigenschaften auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einer Keramik-Glühkerze nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Es wird also als Glühdrahtwerkstoff für das Keramik-Glühelement eine Wolframlegierung verwendet, die 5 bis 30 Gew.-% Rhenium zulegiert enthält. Eine solche Wolframlegierung besitzt einen größeren spezifischen Widerstand als das herkömmlicherweise verwendete reine Wolfram.

Aufgrund der Verwendung eines Glühdrahts aus einer solchen Wolframlegierung kann die Glühwendel im Vergleich zur bisherigen Glühwendel kleiner ausgebildet werden, so daß die Vorsteh-Länge l des Keramik-Glühelements an der Metallumhüllung verkleinert und damit die mechanische Festigkeit der Keramik-Glühkerze entsprechend verbessert werden kann.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer beispielhaften herkömmlichen Keramik-Glühkerze,

Fig. 2 eine Teilansicht einer der Glühkerze gemäß Fig. 1 ähnlichen Keramik-Glühkerze, deren Keramik-Glühelement gemäß herkömmlicher Technik zwecks Verbesserung seiner mechanischen Festigkeit abgewandelt ist,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der in der Wolframlegierung enthaltenen Rheniummenge und dem spezifischen Widerstand dieser Legierung und

Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Prüfverfahrens für die Bestimmung der mechanischen Festigkeit der Keramik-Glühkerze.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Rheniumgehalt einer Wolframlegierung und deren spezifischem Widerstand bei einer Änderung des Rheniumgehalts zwischen 5 und 30 Gew.-%.

Bei Verwendung einer aus einer Wolframlegierung mit 15 Gew.-% Rhenium hergestellten Glühwendel für ein mit 12 V betriebenes Keramik-Glühelement entspricht die effektive Länge des Glühdrahts aus der Wolframlegierung ungefähr der Hälfte der Länge eines herkömmlichen Glühdrahts aus reinem Wolfram; die Vorsteh-Länge des Keramik-Glühelements an der Metallumhüllung beträgt daher ebenfalls etwa die Häfte der Länge des bisherigen Glühelements.

Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse von Versuchen, die an drei herkömmlichen Keramik-Glühkerzen, bei denen die Länge l des vorstehenden Abschnitts 3′ jeweils 15 mm beträgt, sowie drei erfindungsgemäßen Keramik-Glühkerzen zum Vergleich ihrer Beständigkeit gegen mechanische Stöße oder Schläge durchgeführt wurden. Die Versuche erfolgten durch Fallenlassen jeder Keramik-Glühkerze 1 in waagerechter Lage auf den Fußboden 7 (vgl. Fig. 4) und Messen der Höhe H, bei welcher der vorstehende Abschnitt 3′ der Keramik-Glühkerze 1 bricht.

Tabelle

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, ist die Fallhöhe bis zum Bruch bei der erfindungsgemäßen Keramik-Glühkerze etwa dreimal so groß wie bei der bisherigen Glühkerze, wodurch die überlegene Stoßfestigkeit der ersteren belegt wird.

In einem anderen Ausführungsbeispiel einer für eine Betriebsspannung von 24 V ausgelegten Keramik-Glühkerze besteht der Glühdraht aus einer Wolframlegierung mit 25 Gew.-% Rhenium. In diesem Fall kann die Effektivlänge des wendelförmigen Glühdrahts praktisch derjenigen beim beschriebenen Ausführungsbeispiel einer 12-V-Glühkerze gleich sein.

Die erfindungsgemäßen Keramik-Glühkerzen werden einem Wärmewechselversuch unterworfen und zeigen dabei eine überlegene Standfestigkeit.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, kann die Größe des Keramik-Glühelements einer erfindungsgemäßen Keramik-Glühkerze durch Verwendung einer eine bestimmte Zusammensetzung besitzenden Wolframlegierung, die einen größeren spezifischen Widerstand besitzt als der herkömmlicherweise verwendete Glühdraht aus reinem Wolfram, erheblich verringert werden. Aufgrund der Verkleinerung des vorstehenden Abschnitts des Keramik-Glühelements erhält die Keramik-Glühkerze eine hervorragende Stoß- oder Schlagfestigkeit. Darüber hinaus kann der spezifische Widerstand des Glühdrahts aus der Wolframlegierung durch geeignete Wahl der in letzterer enthaltenen Elemente beliebig eingestellt werden. Zur Vergrößerung des Widerstands des Glühdrahts ist es daher nicht nötig, seinen Durchmesser zu verkleinern oder seine Länge zu vergrößern.

Claims

Keramik-Glühkerze, mit
- - einem einen gesinterten Keramikkörper aus Siliziumnitrid und einen in diesen eingebetteten Glühdraht (2) aus einem Metall eines hohen Schmelzpunkts umfassenden Keramik-Glühelement (3),
- - einer Metallumhüllung (4), an deren einem Ende das Keramik-Glühelement (3) so befestigt ist, daß sein Außenendabschnitt über das eine Ende der Metallumhüllung (4) vorsteht, und
- - einem das andere Ende der Metallumhüllung (4) aufnehmenden Anschlußgehäuse (5),
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Glühdraht (2) aus einer Wolframlegierung mit 5-30 Gew.-% an zulegiertem Rhenium hergestellt ist und
- - die Länge (l) des über das Ende der Metallumhüllung (4) vorstehenden Keramikkörpers etwa 6 bis 8 mm beträgt.