DE10151617B4

DE10151617B4 - Heizbares keramisches Element

Info

Publication number: DE10151617B4
Application number: DE2001151617
Authority: DE
Inventors: Andreas Göttler
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: DE10151617A1

Abstract

Heizbares keramisches Element (10) mit
– mindestens einer elektrisch isolierenden Zone (14) aus keramischem Material und
– mindestens einer elektrisch leitenden Zone (12, 16) aus keramischem Material, in die die elektrisch isolierende Zone (14) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet,
– dass die mindestens eine elektrisch leitende Zone (12, 16) aus mindestens zwei Teilzonen (12, 16) aus unterschiedlichen keramischen Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen gebildet ist, wobei die Teilzone (12) mit dem höheren elektrischen Widerstand eine Heizzone (12) ist,
– dass die elektrisch isolierende Zone (14) Zirkonoxid (ZrO₂) enthält und
– dass die elektrisch leitende Zone (12, 16) mindestens ein Material aus der Gruppe Wolframdisilicid (WSi₂), Molybdänsilicid-Siliciumcarbid (Mo₅Si₃C), Titancarbonitrid (Ti(C,N)), Titandisilicid (TiSi₂), Titandiborid (TiB₂), Tantalcarbid (TaC), Tantalnitrid (TaN), Zirkonborid (ZrB) und Zirkondisilicid (ZrSi₂) enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein heizbares keramisches Element mit mindestens einer elektrisch isolierenden Zone aus keramischem Material und mindestens einer elektrisch leitenden Zone aus keramischem Material, in die die elektrisch isolierende Zone eingebettet ist.

Gattungsgemäße Elemente werden vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt. Beispielsweise werden sie als Glühstift zum Start von Fahrzeugheizungen verwendet.

Weiterhin ist es bekannt, heizbare keramische Elemente als Glühkerzen von Dieselmotoren einzusetzen, wie es beispielsweise in der DE 35 12 483 C2 beschrieben ist. Das dort be schriebene heizbare keramische Element wird betrieben, indem ein elektrischer Strom über elektrisch leitende Elemente einer keramischen Zone mit einem bestimmten elektrischen Widerstand zugeführt wird. Aufgrund des elektrischen Widerstandes kommt es zur erwünschten Erwärmung der Glühkerze. Die elektrischen Zuleitungen sind als metallische Drähte ausgelegt. Nachteilig an der in der DE 35 12 483 C2 beschriebenen Vorrichtung ist allerdings, dass es aufgrund von Temperatureffekten zu mechanischen Spannungen kommen kann, insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen beteiligten Materialien.

Die DE 3621216 A1 betrifft eine Glühkerze für Dieselmaschinen. Die Glühkerze kann vollständig aus keramischem Material ausgebildet sein, wobei insbesondere eine elektrisch isolierende Zone und eine elektrisch leitende Zone vorgesehen sind. Dabei ist die elektrisch leitende Zone in zwei Teilzonen unterteilt. Um der einen Teilzone einen erhöhten Widerstand zu vermitteln, so dass diese als Heizzone wirkt, ist die Geometrie dieser Zone unter Verringerung des leitenden Querschnittes entsprechend ausgelegt.

Die DE 198 60 919 C1 betrifft ein keramisches Heizelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Heizelement weist mehrere Zonen aus speziellen Materialzusammensetzungen auf, die als Isolationsschicht und als Leitschicht dienen.

Die DE 39 24 777 A1 betrifft eine keramische Heizvorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die offenbarte Heizvorrichtung hat eine Säulenform, wobei in einem Keramikkörper ein Heizwiderstand eingebettet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein heizbares keramisches Element zur Verfügung zu stellen, das insbesondere durch die Verwendung bestimmter keramischer Materialien unter Vermeidung mechanischer Beschädigungen auch bei hohen Temperaturen bei schneller Aufheizung arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird durch ein heizbares keramisches Element mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen heizbaren keramischen Element dadurch auf, dass die mindestens eine elektrisch leitende Zone aus mindestens zwei Teilzonen aus unterschiedlichen keramischen Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen gebildet ist, wobei die Teilzone mit dem höheren elektrischen Widerstand eine Heizzone ist, dass die elektrisch isolierende Zone Zirkonoxid (ZrO₂) enthält und dass die elektrisch leitende Zone mindestens ein Material aus der Gruppe Wolframdisilicid (WSi₂) , Molybdänsilicid-Siliciumcarbid (Mo₅Si₃C) , Titancarbonitrid (Ti(C,N)), Titandisilicid (TiSi₂), Titandiborid (TiB₂), Tantalcarbid (TaC), Tantalnitrid (TaN), Zirkonborid (ZrB) und Zirkondisilicid (ZrSi₂) enthält. Da es auf diese Weise möglich ist, auf die metallischen Zuleitungsdrähte zu verzichten, die bei Vorrichtungen des Standes der Technik in die Keramik eingebettet sind, werden mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten vermieden. Auf diese Weise wird bei Heizgeräten ein verbesserter Startbetrieb zur Verfügung gestellt, da höhere Temperaturen und schnellere Aufheizgeschwindigkeiten zugelassen werden können. Es werden makroskopische Spannungen vermieden, so dass letztlich die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Glühstifts beziehungsweise des gesamten Heizgerätes verringert wird. Insgesamt wird auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer eines Heizgerätes beziehungsweise einer sonstigen Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes heizbares keramisches Element eingesetzt ist, erhöht. Die Leiterzone unterscheidet sich von der Heizzone beziehungsweise von der Isolationszone durch einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand. Die Isolationszone ist entsprechend ihrer Bezeichnung isolierend, die Heizzone weist einen geringeren Widerstand als die Isolationszone auf, der jedoch ausreichend hoch gewählt ist, um die gewünschte Heizwirkung zu erzielen, und die Leiterzone weist einen möglichst geringen Widerstand auf. Somit kann die Leiterzone als Ersatz für im Stand der Technik verwendete elektrische Zuleitungen betrachtet werden. Durch die Mischung der unterschiedlichen Materialien lassen sich die gewünschten Widerstände der jeweiligen Zonen einstellen. Da unterschiedliche keramische Materialien unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweisen, ist es möglich, durch Wahl unterschiedlicher Materialien die Heizeigenschaft, die Isolationseigenschaft und die leitende Eigenschaft zur Verfügung zu stellen.

Ebenfalls kann es nützlich sein, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Mischungsverhältnisse der keramischen Materialien eingestellt sind. Werden in einer der Zonen unterschiedliche Materialien miteinander gemischt, so kann deren Mischungsverhältnis die Leitfähigkeit beeinflussen, insbesondere, wenn nicht leitende keramische Materialien mit leitenden keramischen Materialien kombiniert werden.

Weiterhin ist das heizbare keramische Element gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Korngröße der keramischen Materialien eingestellt sind. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn für Zonen dieselben Materialien im selben Mischungsverhältnis verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, ein nicht leitendes Basismaterial und ein zugemischtes leitendes Material zu verwenden und allein auf der Grundlage der Korngrößen bei unveränderten Volumenanteilen der Materialien über die verschiedenen Zonen die elektrischen Eigenschaften, das heißt insbesondere den elektrischen Widerstand der Zonen, zu bestimmen. Auf diese Weise erhält man ein besonders homogenes heizbares keramisches Element, was im Hinblick auf die Temperaturbeständigkeit besondere Vorzüge aufweist.

Als zusätzliche Maßnahme für die Einstellung des elektrischen Widerstandes kann es hilfreich sein, diesen durch geometrische Anpassung des Designs, insbesondere im Bereich der Heizzone, lokal an die erforderlichen Gegebenheiten anzupassen.

Es kann vorteilhaft sein, dass als nicht leitendes Material mindestens ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃) , Aluminiumnitrid (AlN) und SiAlON verwendet wird. Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn als leitendes Material mindestens ein Material aus der Gruppe Wolframcarbid (WC), Molybdändisilicid (MoSi₂), Titannitrid (TiN), Titancarbid (TiC), Zirkonnitrid (ZrN), Zirkoncarbid (ZrC), Siliciumcarbid (SiC), SiAlON (Si(Al)(O,N)), Borcarbid (B₄C), Hafniumcarbid (HfC), Hafniumnitrid (HfN), Vanadiumcarbid (VC), Vanadiumnitrid (VN), Niobiumcarbid (NbC), Niobiumnitrid (NbN), Lanthancarbid (LaC₂) und Lanthannitrid (LaN) verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, ein heizbares keramisches Element ohne keramikfremde Materialien herzustellen. Auf diese Weise lassen sich im Hinblick auf ihre Temperatureigenschaften besonders homogene heizbare keramische Elemente, beispielsweise Glühstifte, herstellen. Die Glühstifte können somit auf höhere Temperatur gebracht werden, ohne durch mechanische Spannungen zerstört zu werden. Ebenfalls können die Glühstifte mit höherer Geschwindigkeit aufgeheizt werden.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer im Vergleich zu 2a variierten Geometrie;
3a drei Schnittansichten eines Glühstiftes gemäß 2a beziehungsweise 2b;
3b drei Schnittansichten eines Glühstiftes gemäß 2a beziehungsweise 2b in einer im Vergleich zu 3a veränderten Geometrie;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes; und
5 drei Schnittansichten des Glühstiftes gemäß 4.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Glühstiftes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Glühstift 10 ist vollständig aus keramischen Material hergestellt. Es sind elektrische Zuleitungen 18 aus einem beliebigen Material vorgesehen, die dem Anlegen einer elektrischen Spannung zum Erzeugen von Wärmeenergie durch das heizbare keramische Element 10 dienen. Im Gegensatz zu heizbaren keramischen Elementen des Standes der Technik liegen die elektri schen Zuleitungen 18 beziehungsweise Anschlüsse vollständig außerhalb der Keramik.
2a und 2b zeigen schematische Darstellungen von weiteren Glühstiften 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Glühstifte 10 umfassen jeweils eine Heizzone 12, eine Isolationszone 14 und eine Leiterzone 16. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Zonen 12, 14, 16 können auf unterschiedliche Weise zur Verfügung gestellt werden.
Beispielsweise können unterschiedliche keramische Materialien verwendet werden. Es können innerhalb der Zone unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Keramiken verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, bei gleichen Materialien und gleichen Mischungsverhältnissen den elektrischen Widerstand über die unterschiedlichen Korngrößen der keramischen Materialien sowie durch Wahl eines geeigneten Designs einzustellen. Ebenfalls sind Kombinationen der beschriebenen Einstellmöglichkeiten des elektrischen Widerstandes denkbar.
An der Leiterzone 16 wird eine elektrische Spannung angelegt, so dass entlang der Leiterzone 16 ein elektrischer Strom fließt. Die Isolationsschicht 14 vermeidet einen Kurzschluss der Leiterzonen 16. Die Leiterzonen 16 haben einen geringeren elektrischen Widerstand als die Heizzone 12, so dass sich der Glühstift 10 besonders an seinem freien Ende an der Heizzone 12 aufheizt.
Der Glühstift 10 gemäß 2a hat eine Heizzone 12, die einen größeren Querschnitt als die Heizzone 12 bei dem Glühstift 10 gemäß 2b aufweist.
3a und 3b zeigen jeweils drei Schnittansichten der Glühstifte 10 gemäß den 2a und 2b. Die oberen Darstellungen zeigen Schnittansichten entlang der in den 2a und 2b mit AA gekennzeichneten Linien. Die mittleren Darstellungen zeigen Schnittansichten entlang der in den 2a und 2b mit BB gekennzeichneten Linien. Die unteren Darstellungen zeigen Schnittansichten entlang der in den 2a und 2b mit CC gekennzeichneten Linien.
3a zeigt Schnittansichten eines Glühstifts mit rechteckigem Querschnitt. Im Gegensatz hierzu zeigt 3b Schnittansichten eines Glühstifts mit rundem Querschnitt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes 10. 5 zeigt drei Schnittansichten des Glühstiftes 10 gemäß 4. In 5a ist eine Schnittansicht entlang der in 4 mit AA gekennzeichneten Linie dargestellt. In 5b ist eine Schnittansicht entlang der in 4 mit BB gekennzeichneten Linie dargestellt. In 5c ist eine Schnitt-ansicht entlang der in 4 mit CC gekennzeichneten Linie dargestellt. Im vorliegenden Fall ist ein Glühstift 10 mit rundem Querschnitt vorgesehen. Die Heizzone 12 ist in Umfangsrichtung des zylindrischen Querschnittes durch eine Isolationsschicht 14 unterteilt, so dass direkt an der Heizzone 12 eine Spannung angelegt werden kann, die einen Stromfluss in Längsrichtung des Glühstiftes 10 bewirkt. Im vorliegenden Fall kann die elektrische Spannung direkt an der Heizzone 12 angelegt werden. Ebenfalls ist es möglich, entsprechend der Ausführungsform gemäß den 2 und 3, eine Leiterzone an der dem freien Ende des Glühstifts 10 abgewandten Seite des Glühstifts 10 vorzusehen, um so die Heizwirkung auf das freie Ende des Glühstiftes 10 zu konzentrieren.

Claims

Heizbares keramisches Element (10) mit – mindestens einer elektrisch isolierenden Zone (14) aus keramischem Material und – mindestens einer elektrisch leitenden Zone (12, 16) aus keramischem Material, in die die elektrisch isolierende Zone (14) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die mindestens eine elektrisch leitende Zone (12, 16) aus mindestens zwei Teilzonen (12, 16) aus unterschiedlichen keramischen Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen gebildet ist, wobei die Teilzone (12) mit dem höheren elektrischen Widerstand eine Heizzone (12) ist, – dass die elektrisch isolierende Zone (14) Zirkonoxid (ZrO₂) enthält und – dass die elektrisch leitende Zone (12, 16) mindestens ein Material aus der Gruppe Wolframdisilicid (WSi₂), Molybdänsilicid-Siliciumcarbid (Mo₅Si₃C), Titancarbonitrid (Ti(C,N)), Titandisilicid (TiSi₂), Titandiborid (TiB₂), Tantalcarbid (TaC), Tantalnitrid (TaN), Zirkonborid (ZrB) und Zirkondisilicid (ZrSi₂) enthält.
Heizbares keramisches Element (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Mischungsverhältnisse der keramischen Materialien eingestellt sind.
Heizbares keramisches Element (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Korngröße der keramischen Materialien eingestellt sind.
Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl eines geeigneten Designs eingestellt sind.
Verwendung eines heizbaren keramischen Elementes nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Heizgerät.
Verwendung eines heizbaren keramischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Dieselmotor.