DE102011077659A1

DE102011077659A1 - Keramikheizung mit Heizelement, das bei Zufuhr von Strom Wärme erzeugt

Info

Publication number: DE102011077659A1
Application number: DE102011077659A
Authority: DE
Inventors: Teiji Ishinada; Hiroyuki Murai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: JP2012023019A; DE102011077659B4; JP5327270B2

Abstract

Eine Keramikheizung umfasst ein Keramikheizelement (10). Die Keramikheizung umfasst außerdem eine Befestigung (60) mit einem Gewindeabschnitt (611) und einem sich verjüngenden Abschnitt (612) sowie ein Heizelement-Befestigungsmittel (3) mit einem Gewindeabschnitt (302), einem Dichtungsabschnitt (314), einem Heizelement-Einführloch (311), mittels dem das Heizelement (10) innen eingeführt ist, und einem Heizelement-Verbindungsmittel (20), das das Heizelement (10) mit dem Heizelement-Befestigungsmittel (3) verbindet. Das Heizelement (10) wird von dem Heizelement-Einführloch (311) unbeweglich gehalten. Der Gewindeabschnitt (611) der Befestigung (60) und der Gewindeabschnitt (302) des Heizelement-Befestigungsmittels (3) sind verschraubt, um den Dichtungsabschnitt (314) des Heizelement-Befestigungsmittels (3) mit dem sich verjüngenden Abschnitt (612) der Befestigung (60) in Kontakt zu bringen. Das Heizelement-Verbindungsmittel (20) ist in Bezug auf den Dichtungsabschnitt (314) des Heizelement-Befestigungsmittels (3) auf einer Fußendenseite vorgesehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-Technisches Gebiet der Erfindung-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Keramikheizung, die an der Wand eines Kanals, durch den ein zu erwärmendes Fluid strömt, zur Erzeugung von Wärme, wenn durch sie ein Strom geschickt wird, befestigt ist, um das zu erwärmende Fluid zu erwärmen, und insbesondere auf eine Keramikheizung, die vorteilhaft als eine Zündquelle oder eine Temperaturanstiegswärmequelle einer Heizung dient.
-Stand der Technik-
Es ist bekannt, dass Keramikheizungen vorteilhaft als Zündquellen von Verbrennungsheizungen, als Glühkerzen von Dieselmotoren oder als Temperaturanstiegswärmequellen von Abgasreinigungsvorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel offenbart das Patentdokument JP 2001-028292 A diese Art von Keramikheizung. Dieses Patentdokument zeigt beispielhaft eine Keramikheizung, die so gestaltet ist, dass sie in eine Befestigung, die ein Bauteil ist, an der die Keramikheizung befestigt wird, eingeführt und an dieser befestigt wird. Die Befestigung hat ein Loch, in dessen Innenwand ein sich verjüngender Abschnitt ausgebildet ist. Der sich verjüngende Abschnitt hat einen Innendurchmesser, der sich allmählich in der Richtung verringert, in der die Keramikheizung eingeführt wird.
Die Keramikheizung weist auf einer Seite einen Wärmeerzeugungsabschnitt und auf der anderen Seite ein Keramikheizelement und ein Gehäuse auf. Der Wärmeerzeugungsabschnitt erzeugt Wärme, wenn durch ihn Strom geschickt wird. Das Keramikheizelement ist elektrisch mit Leitungsabschnitten verbunden, die dem Wärmeerzeugungsabschnitt Strom zuführen. Das Gehäuse ist so mit der Außenumfangsfläche des Keramikheizelements verbunden, dass es das Keramikheizelement bedeckt. Das Gehäuse hat ein Ende, an dem eine Endseite des Keramikheizelements freiliegt und ein anderes Ende, an dem die andere Endseite des Keramikheizelements freiliegt. Das Gehäuse hat als Befestigungsmittel eine Außenumfangsfläche, in der als eine Einheit ein Dichtungsabschnitt und ein Befestigungsabschnitt ausgebildet sind. Der Dichtungsabschnitt hat eine sich verjüngende Form, die zu dem sich verjüngenden Abschnitt in dem Loch der Befestigung passt. Der Befestigungsabschnitt wird dazu verwendet, das Gehäuse an der Befestigung zu befestigen, wenn das Gehäuse in das Loch der Befestigung eingeführt wird. Wenn das Gehäuse zur Befestigung an der Befestigung über den Befestigungsabschnitt in das Loch eingeführt wird, wird der Dichtungsabschnitt des Befestigungsmittels mit dem sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung in Kontakt gebracht und gegen diesen gepresst.
Andererseits zeigt das Patentdokument JP 2003-056848 A beispielhaft eine Glühkerze, die eine Keramikheizung und ein Metallpassbauteil aufweist. Die Keramikheizung hat eine stabartige Form mit einem Kopfende, in dem ein Widerstandsheizelement eingebettet ist. Das Metallpassbauteil ist an der Außenumfangsfläche der Keramikheizung angebracht, wobei es auf die Keramikheizung aufgepresst ist. In der Glühkerze ist zwischen dem Metallpassbauteil und der Keramikheizung eine Metallschicht ausgebildet, die weicher als das Metallpassbauteil ist.
Das Keramikheizelement, d. h. das Widerstandsheizelement, das für die oben erwähnte Keramikheizung verwendet wird, besteht aus einer elektrisch leitenden Keramik wie Wolframcarbid (WC), Molybdändisilicid (MOSi₂) oder Wolframdisilicid (WSi₂) und wird unter Verwendung eines bekannten Verfahrens wie Spritzformen im Wesentlichen in der Form eines ”U” ausgebildet. Das Keramikheizelement hat Enden, mit denen ein Leitungspaar verbunden ist. Die Leitungen bestehen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff wie Wolfram (W) und werden jeweils in einer vorbestimmten Form ausgebildet. Des Weiteren werden die Leitungen und auch das Widerstandsheizelement mit einer isolierenden Keramik wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) bedeckt und durch ein bekanntes Verfahren wie Heißpressen zu einer Einheit gesintert. Die gesinterten Leitungen werden dann einem Schneidvorgang unterzogen, um die Enden der Leitungen aus der isolierenden Keramik heraus, in der die Leitungen eingebettet worden sind, freizulegen. Die freigelegten Oberflächen der Leitungen werden zum Beispiel metallisiert, um Anschlusselektroden zu bilden. Auf diese Weise wird dem in der isolierenden Keramik eingebetteten Widerstandsheizelement Strom zugeführt.
Durch solche komplizierten Vorgänge werden Keramikheizelemente gebildet. Darüber hinaus haben solche Keramikheizelemente nach dem Sintern einen hohen Härtegrad, der den Schneidvorgang schwierig gestaltet. Aus diesem Grund werden die Keramikheizelemente in einer vergleichsweise einfachen Säulenform ausgebildet.
Dementsprechend wird ein solches, im Wesentlichen säulenförmiges Keramikheizelement gemäß dem Stand der Technik in ein im Wesentlichen zylinderförmiges Metallgehäuse oder Passbauteil eingeführt und daran durch Hartlöten oder Presspassen befestigt. Des Weiteren wird das Keramikheizelement unbeweglich an einer Befestigung befestigt, so dass sein Wärmeerzeugungsabschnitt einem zu erwärmenden Fluid ausgesetzt wird.
Wie in der JP 2001-028292 A offenbart ist, wird beim Befestigen des Keramikheizelements durch den Dichtungsabschnitt des am Gehäuse vorgesehenen Befestigungsmittels Luftdichtheit gewährleistet, um dadurch den Austritt des zu erwärmenden Fluids zur Außenseite zu verhindern.
Des Weiteren wird das Keramikheizelement in der in der JP 2001-028292 A offenbarten Keramikheizung für den Zusammenbau durch etwa Verbacken an das Gehäuse gepasst. Dann erfolgt ein Hartlöten, indem ein Hartlotmaterial, etwa ein Silberlot oder ein Kupferlot, in einen Spalt zwischen dem Keramikheizelement und dem Gehäuse gegossen wird, um die Verbindungsfestigkeit zu steigern.
Allerdings hat ein Gehäuse bei einer herkömmlichen Keramikheizung, wie sie in der JP 2001-028292 A offenbart ist, in seiner Innenumfangsfläche einen Verbindungsabschnitt, um das Keramikheizelement mit dem Gehäuse zu verbinden. Das Gehäuse hat auf seiner Außenumfangsfläche ein Befestigungsmittel, in dem an der dem Verbindungsabschnitt entsprechenden Position ein Gewindeabschnitt und ein Dichtungsabschnitt vorgesehen sind. Beim Befestigen der Keramikheizung an einer Befestigung, etwa in einer Verbrennungsheizung oder einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, wird der Gewindeabschnitt des Gehäuses auf die Befestigung geschraubt, während der Dichtungsabschnitt des Gehäuses mit einem sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung in Kontakt gebracht wird. Wenn der Dichtungsabschnitt durch die Schraubverbindung gegen den sich verjüngenden Abschnitt gepresst wird, wird daher in dem Gehäuse eine Spannung erzeugt. Die Spannung wirkt wahrscheinlich auf den Verbindungsabschnitt des Gehäuses, so dass die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikheizelement und dem Gehäuse verringert wird.
Zudem kann sich auch durch wiederholtes Erwärmen und Abkühlen der Keramikheizung die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikheizelement und dem Gehäuse allmählich verringern, was dem Keramikheizelement ermöglicht, sich zu lockern oder sich vom Gehäuse zu lösen.
Was die oben erwähnte JP 2003-056848 A betrifft, wird das Keramikheizelement gehalten, indem das Keramikheizelement über eine weiche Metallschicht, die etwa durch Metallisieren ausgebildet wird, auf das Metallpassbauteil gepasst wird. In diesem Fall kann die weiche Metallschicht als ein Puffer dienen, um eine übermäßige Last, die während der Herstellung durch die Presspassung aufgebracht wird, zu unterdrücken und um somit zu verhindern, dass das Keramikheizelement bricht. Allerdings werden das Keramikheizelement und das Metallpassbauteil lediglich durch Passung gehalten, ohne dass ein Verbindungsmittel wie eine Hartlötung verwendet wird.
Wenn die Keramikheizung mit der Befestigung verschraubt wird, wird das Gehäuse daher wahrscheinlich zusammengepresst, so dass es zu einem Gleiten zwischen dem Keramikheizelement und dem Metallpassbauteil kommt. Dadurch kann sich das Keramikheizelement lockern oder sich von dem Metallpassbauteil lösen (oder abfallen).
Wenn der Keramikheizung Strom zugeführt wird, kann zudem durch die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramikheizelement und dem Metallpassbauteil die auf der Passung beruhende Haltekraft verringert werden. Verglichen mit dem Fall, in dem die Verbindung durch Hartlöten erreicht wird, ist es somit wahrscheinlicher, dass sich das Keramikheizelement lockert oder sich von dem Metallpassbauteil löst.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung erfolgte im Licht der oben dargelegten Bedingungen und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochzuverlässige Keramikheizung zur Verfügung zu stellen, die nicht die Verbindungsfestigkeit zwischen einem Gehäuse und einem Keramikheizelement verringert, sondern eine intrinsische Verbindungsfestigkeit behält, wenn die Keramikheizung auf eine Befestigung montiert wird, und die es unwahrscheinlicher macht, dass sich das Keramikheizelement unter Hochtemperaturbedingungen lockert oder löst.
Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Keramikheizung ein Keramikheizelement, das über Leitungsdrähte mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden wird, um Wärme zu erzeugen, wenn Strom zugeführt wird, und das einen Wärmeerzeugungsabschnitt hat, der auf einer Kopfendenseite des Keramikheizelements gelegen ist; und ein Heizelement-Befestigungsmittel, das das Keramikheizelement derart an einer Befestigung befestigt, dass sich der Wärmeerzeugungsabschnitt in einem zu erwärmenden Fluid in der Befestigung befindet, wobei: die Befestigung mit einem Gewindeabschnitt und einem sich verjüngenden Abschnitt versehen ist; das Heizelement-Befestigungsmittel mit einem Gewindeabschnitt, einem Dichtungsabschnitt, einem Heizelement-Einführloch, mittels dem das Keramikheizelement innen eingeführt ist, und einem Heizelement-Verbindungsmittel versehen ist, das das Keramikheizelement mit dem Heizelement-Befestigungsmittel verbindet; das Keramikheizelement von dem Heizelement-Einführloch unbeweglich gehalten wird; der Gewindeabschnitt der Befestigung und der Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels verschraubt werden, um den Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels mit dem sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung in Kontakt zu bringen; und das Heizelement-Verbindungsmittel in Bezug auf den Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels auf einer Fußendenseite vorgesehen ist.
Bei einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement-Befestigungsmittel durch eine Vielzahl zylinderförmiger Bauteile ausgestaltet, zu denen ein Heizelement-Befestigungsbauteil, das auf einer Außenumfangsfläche vorgesehen ist und an der Befestigung angebracht wird, und ein Heizelement-Haltebauteil gehören, das so auf einer Innenumfangsseite vorgesehen ist, dass es das Keramikheizelement direkt hält; das Heizelement-Befestigungsbauteil ist mit dem Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels, einem Festziehabschnitt zum Festziehen des Gewindeabschnitts und einem Pressabschnitt versehen, der das Heizelement-Haltebauteil zur Befestigung hin presst; das Heizelement-Haltebauteil ist auf seiner Innenumfangsfläche mit einem Heizelement-Einführloch, mittels dem das Keramikheizelement eingeführt und gehalten ist, und einem an einem Ende von ihm vorgesehenen Flanschabschnitt versehen, der radial nach außen verläuft; und der Flanschabschnitt hat eine Oberfläche, die ein Druckaufnahmeabschnitt ist, der Druck von dem Pressabschnitt aufnimmt, und eine andere Oberfläche, die der Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels ist, der den sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung berührt.
Bei einer dritten Ausgestaltung der Erfindung hat das Heizelement-Befestigungsmittel eine Innenumfangsseite, die mit einem Heizelement-Einführloch versehen ist, mittels dem das Keramikheizelement eingeführt ist; das Heizelement-Befestigungsmittel hat eine Außenumfangsseite, die mit dem Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels und einem Festziehabschnitt zum Festziehen des Gewindeabschnitts versehen ist; das Heizelement-Befestigungsmittel ist mit einer im Wesentlichen konisch geformten, sich verjüngenden Firstfläche als dem Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels versehen, die eine Breite hat, die allmählich in der Richtung abnimmt, in der die Keramikheizung eingeführt ist; und das Heizelement-Verbindungsmittel ist in Bezug auf ein Fußende von entweder dem Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels oder dem Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels, welches auch immer sich näher an einer Fußendenseite befindet, an einer Position viel näher an der Fußendenseite angeordnet.
Bei einer vierten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Keramikheizelement-Verbindungsmittel aus einem Hartlotmaterial, das in einem Spalt zwischen dem Keramikheizelement und dem Heizelement-Befestigungsmittel eingedrungen ist.
Bei einer fünften Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement-Befestigungsmittel zumindest mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Heizelement-Haltebauteil und einem im Wesentlichen zylinderförmigen Leitungsdraht-Schutzbauteil versehen, das dazu vorgesehen ist, die Leitungsdrähte zu schützen; das Leitungsdraht-Schutzbauteil hat einen Kopfendenabschnitt, der an dem Heizelement-Haltebauteil hängt; die Leitungsdrähte sind über ein Dichtungsbauteil, das sich aus einem elastischen Bauteil mit Isoliereigenschaften zusammensetzt, aus einer Fußendenseite des Leitungsdraht-Schutzbauteils herausgezogen; und das Leitungsdraht-Schutzbauteil ist auf seiner Fußendenseite über seinen ganzen Umfang zusammen mit dem Dichtungsbauteil unbeweglich gequetscht.
Bei einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung hat das Heizelement-Haltebauteil einen zylinderförmigen Abschnitt, der durch Laserschweißen über seinen ganzen Umfang an dem Leitungsdraht-Schutzbauteil hängt.
Wenn die Keramikheizung an der Befestigung befestigt wird, wird gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung in der Nähe des Dichtungsabschnitts eine Zugspannung erzeugt. Allerdings wirkt die Zugspannung nicht auf das Heizelement-Verbindungsmittel, das in Bezug auf den Dichtungsabschnitt des Befestigungsmittels auf einer Fußendenseite angeordnet ist. Dementsprechend wird die Keramikheizung an der Befestigung befestigt, während die Verbindungsfestigkeit zum Zeitpunkt der Herstellung beibehalten wird.
Somit wird unter Hochtemperaturbedingungen eine hohe Verbindungsfestigkeit beibehalten. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, dass sich das Keramikheizelement von der Keramikheizung löst, wodurch eine Keramikheizung hoher Zuverlässigkeit realisiert wird.
Des Weiteren führt die hohe Verbindungsfestigkeit unter Hochtemperaturbedingungen zur Ausdehnung des Bereichs an Wahlmöglichkeiten für die Einsatzumgebungen und auch zur Ausdehnung der allgemeinen Anwendungen der Keramikheizung.
Da sich das Verbindungsmittel in Bezug auf den Dichtungsabschnitt des Befestigungsmittels auf einer Fußendenseite befindet, ist das Verbindungsmittel darüber hinaus im Wesentlichen von dem zu erwärmenden Fluid isoliert. Somit ist es unwahrscheinlich, dass das Verbindungsmittel durch das zu erwärmende Fluid beeinträchtigt wird, wodurch die Haltbarkeit verbessert wird.
Wenn die Keramikheizung an der Befestigung befestigt wird, wirkt gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung die zwischen dem Gewindeabschnitt des Befestigungsmittels und dem Gewindeabschnitt der Befestigung hervorgerufene Spannung lediglich auf das Heizelement-Befestigungsbauteil, nicht aber auf das Heizelement-Haltebauteil, das getrennt von dem Heizelement-Befestigungsbauteil vorgesehen ist.
Des Weiteren kann der Verbindungsbereich des Heizelement-Verbindungsabschnitts verglichen mit dem Fall, in dem das Heizelement-Befestigungsbauteil und das Heizelement-Haltebauteil als eine Einheit ausgebildet sind, erfindungsgemäß länger werden, ohne das Keramikheizelement zu verlängern. Dementsprechend wird zusätzlich verhindert, dass sich die Verbindungsfestigkeit des Verbindungsmittels verringert, wodurch eine Keramikheizung hoher Zuverlässigkeit realisiert wird.
Da das Heizelement-Befestigungsmittel durch eine Vielzahl zylinderförmiger Bauteile ausgestaltet ist, zu denen das Heizelement-Befestigungsbauteil und das Heizelement-Haltebauteil gehören, wird darüber hinaus eine gute Verarbeitbarkeit beim Befestigen der Keramikheizung an der Befestigung gewährleistet.
Gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das Heizelement-Verbindungsmittel in Bezug auf den Fußendenabschnitt von entweder dem Gewindeabschnitt des Befestigungsmittels oder dem Dichtungsabschnitt des Befestigungsmittels, welcher auch immer sich näher an einer Fußendenseite befindet, viel näher an der Fußendenseite. Daher wird das Heizelement-Verbindungsmittel weder durch die Spannung beeinträchtigt, die in einem Abschnitt des Befestigungsmittels hervorgerufen wird, in dem der Gewindeabschnitt ausgebildet ist, wenn der Gewindeabschnitt des Befestigungsmittels mit dem Gewindeabschnitt der Befestigung verschraubt wird, noch durch die Spannung, die in einem Abschnitt des Befestigungsmittels hervorgerufen wird, in dem der Dichtungsabschnitt ausgebildet ist, wenn der Dichtungsabschnitt des Befestigungsmittels mit dem sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung in Kontakt gebracht wird. Somit wird die Keramikheizung an der Befestigung befestigt, während die Verbindungsfestigkeit zum Zeitpunkt der Herstellung beibehalten wird. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, dass sich das Keramikheizelement löst, wodurch eine Keramikheizung hoher Zuverlässigkeit realisiert wird.
Gemäß der vierten Ausgestaltung der Erfindung ist das Keramikheizelement so auf das Heizelement-Befestigungsmittel gepasst, das es unbeweglich ist, während sich in dem Spalt dazwischen ein Hartlotmaterial befindet, um beide miteinander zu verbinden. Verglichen mit dem Fall, in dem das Keramikheizelement nur durch Passung des Elements mit dem Heizelement-Befestigungsmittel gehalten wird, wird daher die Verbindungsfestigkeit verbessert. Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass die Spannung, die hervorgerufen wird, wenn die Keramikheizung an der Befestigung befestigt wird, auf den Hartlötabschnitt wirkt. Dadurch wird die Festigkeit des Hartlötabschnitts nicht verringert, wodurch eine Keramikheizung hoher Zuverlässigkeit realisiert wird.
Die Keramikheizung kann zum Beispiel an einem Verbrennungsabgaskanal als der Befestigung befestigt werden. Ein solcher Verbrennungsabgaskanal kann harten Bedingungen unterliegen, unter denen zum Beispiel Leitungsdrähte zum Zuführen von Strom zu dem Heizelement durch Wasser von außerhalb nass werden oder durch Steine getroffen werden. In dieser Hinsicht wird gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung dank des Leitungsdraht-Schutzbauteils verhindert, dass die Verbindungsabschnitte zwischen dem Heizelement und den Leitungsdrähten nass werden. Somit wird eine Keramikheizung mit robustem Aufbau und hoher Zuverlässigkeit realisiert.
Die Leitungsdrähte werden erfindungsgemäß durch die Einfügung des Dichtungsbauteils und durch das Quetschen des Leitungsdraht-Schutzbauteils auf der Fußendenseite unbeweglich gemacht. In dem Fall, dass das Heizelement-Befestigungsbauteil und das Heizelement-Haltebauteil getrennt vorgesehen sind, verschlechtert sich dementsprechend der Zustand der Verbindung der Leitungsdrähte und des Heizelements nicht durch die Verdrehung der Leitungsdrähte, zu der es käme, wenn die Keramikheizung an der Befestigung befestigt wird. Somit wird eine hohe Zuverlässigkeit beibehalten.
Des Weiteren stellen die Leitungsdrähte in diesem Fall kein Hindernis dar und somit wird die Verarbeitbarkeit verbessert, wenn die Keramikheizung an der Befestigung befestigt wird.
Gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Keramikheizung mit robusterem Aufbau und höherer Zuverlässigkeit realisiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 eine schematische Schnittansicht, die eine Keramikheizung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht;
2 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Hauptteil der Keramikheizung veranschaulicht;
3 ein Kennfeld, das zusammen mit einem Vergleichsbeispiel die von einem Hartlötverbindungsabschnitt der Keramikheizung ausgeübten Wirkungen gegenüber einer Anbringungsfestigkeit unter Hochtemperaturbedingungen veranschaulicht;
die 4A und 4B schematische erläuternde Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen der Keramikheizung veranschaulichen;
die 5A und 5B schematische erläuternde Ansichten, die in Fortsetzung zu den 4A und 4B ein Verfahren zum Herstellen der Keramikheizung veranschaulichen;
6 eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zum Befestigen der Keramikheizung veranschaulicht;
7 eine Schnittansicht, die eine Abwandlung der Keramikheizung veranschaulicht;
8 eine Schnittansicht, die eine weitere Abwandlung der Keramikheizung veranschaulicht;
9 eine Schnittansicht, die eine Keramikheizung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht;
10 eine Schnittansicht, die eine Abwandlung der Keramikheizung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
11 eine schematische Schnittansicht, die eine Keramikheizung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;
12 eine Schnittansicht, die eine Abwandlung der Keramikheizung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
13 eine schematische Schnittansicht, die eine Keramikheizung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht; und
14 eine schematische Schnittansicht, die als Vergleichsbeispiel eine herkömmliche Keramikheizung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 wird im Folgenden zunächst eine Keramikheizung 1 (oder eine Keramikheizung-Befestigungsvorrichtung) gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung beschrieben. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die die Keramikheizung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Hauptteil der Keramikheizung 1 veranschaulicht.
Man sollte sich dessen bewusst sein, dass in der gesamten Beschreibung der Erfindung die Seite, auf der sich eine externe, nicht gezeigte Stromversorgungseinheit befindet, als ”Fußendenseite” bezeichnet wird und die Seite, auf der sich eine Befestigung befindet, als ”Kopfendenseite” bezeichnet wird. Die externe Stromversorgungseinheit ist mit der Keramikheizung verbunden. Die Befestigung ist so vorgesehen, dass die Keramikheizung darin unbeweglich eingeführt sein kann.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Keramikheizung 1 dieses Ausführungsbeispiels unbeweglich derart an einer Befestigung 60 befestigt, dass ein Wärmeerzeugungsabschnitt der Keramikheizung 1 einem zu erwärmenden Fluid 600 in der Befestigung 60 ausgesetzt ist. Die erzeugte Wärme wird zum Beispiel vorteilhaft als eine Wärmequelle zum Erwärmen des von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Verbrennungsabgases verwendet, um die Abgasreinigungsvorrichtung wiederherzustellen, oder als eine Zündquelle für eine Verbrennungsheizung, die Kühlwasser, etwa in einem Dieselfahrzeug mit Kaltklimaspezifikation, erwärmt, oder sie wird vorteilhaft zur Unterstützung der Zündung eines Dieselmotors verwendet.
Die Keramikheizung 1 umfasst ein Keramikheizelement 10, ein Gehäuse 3 und einen Hartlötverbindungsabschnitt 20. Das Keramikheizelement 10 erzeugt Wärme, wenn Strom zugeführt wird. Das Gehäuse 3 ist als ein Heizelement-Befestigungsmittel vorgesehen, das einen Wärmeerzeugungsabschnitt in dem Fluid 600 in der Befestigung 60 platziert, wobei der Wärmeerzeugungsabschnitt auf der Kopfendenseite des Keramikheizelements 10 vorgesehen ist. Der Hartlötverbindungsabschnitt 20 ist als ein Heizelement-Verbindungsmittel vorgesehen, das das Keramikheizelement 10 mit dem Gehäuse 3 verbindet.
Die Befestigung 60, an der die Keramikheizung 1 befestigt ist, weist einen Gewindeabschnitt 611 und einen sich verjüngenden Abschnitt 612 auf. Das Gehäuse 3, das als das Heizelement-Befestigungsmittel dient, weist einen Gewindeabschnitt 302, der in einem (später beschriebenen) Heizelement-Befestigungsbauteil 30 ausgebildet ist, und einen Dichtungsabschnitt 314 auf, der in einem (später beschriebenen) Heizelement-Haltebauteil 31 ausgebildet ist. Der Gewindeabschnitt 611 der Befestigung 60 und der Gewindeabschnitt 302 des Gehäuses 3 sind verschraubt, um den Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 in Kontakt mit dem sich verjüngenden Abschnitts 612 der Befestigung 60 zu bringen. Dadurch wird das Heizelement 10 hermetisch von der Befestigung 60 gehalten. Der Hartlötverbindungsabschnitt 20 ist in Bezug auf den Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 auf der Fußendenseite vorgesehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 3 durch eine Vielzahl von zylinderförmigen Bauteilen, d. h. durch ein Heizelement-Befestigungsbauteil 30, ein Heizelement-Haltebauteil 31 und ein Leitungsdraht-Schutzbauteil 32, ausgestaltet. Das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 hat die Funktion, das Gehäuse 3 in die Befestigung 60 einzuschrauben und hermetisch eingreifen zu lassen. Das Heizelement-Haltebauteil 31 hat die Funktion, das Gehäuse 3 mit dem Keramikheizelement 10 zu verbinden. Das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 hat die Funktion, die Leitungsdrähte 114 und 124, durch die dem Keramikheizelement 10 Strom zugeführt wird, zu schützen. Der oben erwähnte Gewindeabschnitt 302 des Gehäuses 3 ist in dem Heizelement-Befestigungsbauteil 30 ausgebildet. Wenn der Gewindeabschnitt 302 mit dem Gewindeabschnitt 611 der Befestigung 60 verschraubt wird, wird der in dem Heizelement-Haltebauteil 31 ausgebildete Dichtungsabschnitt 314 gegen den sich verjüngenden Abschnitt 612 der Befestigung 60 gepresst, so dass eine innere Spannung hervorgerufen wird. Da das Gehäuse 3 durch die Vielzahl zylinderförmiger Bauteile ausgestaltet ist, wird verhindert, dass der Hartlötverbindungsabschnitt 20 von der inneren Spannung beeinträchtigt wird, und es wird somit eine hohe Verbindungsfestigkeit beibehalten.
Erfindungsgemäß wird die Keramikheizung 1 auf die Befestigung 60 montiert, ohne die intrinsische Verbindungsfestigkeit des Hartlötverbindungsabschnitts 20 zu verringern. Somit wird die Verbindungsfestigkeit unter Hochtemperaturbedingungen verbessert, was zur Ausdehnung des Bereichs an Wahlmöglichkeiten für die Einsatzumgebungen und auch zur Ausdehnung der allgemeinen Anwendungen der Keramikheizung 1 führt.
Des Weiteren befindet sich der Hartlötverbindungsabschnitt 20, wie in 2 gezeigt ist, als das Heizelement-Verbindungsmittel in Bezug auf einen Spannungserzeugungsbereich AR_STR auf der Fußendenseite. Daher ist der Hartlötverbindungsabschnitt 20 im Wesentlichen von dem zu erwärmenden Fluid 600 getrennt, und es ist somit unwahrscheinlich, dass er unter einer schädigenden Wirkung, etwa einer Oxidation oder Reduktion, durch die Eigenschaften und die Temperatur des Fluids 600 leidet. Dadurch wird auch die Haltbarkeit der Keramikheizung 1 verbessert.
Der Spannungserzeugungsbereich AR_STR entspricht einem Bereich, in dem eine Zugspannung hervorgerufen wird. Die Zugspannung wird hervorgerufen, wenn der Gewindeabschnitt 302 des Heizelement-Befestigungsbauteils 30 mit dem Gewindeabschnitt 611 der Befestigung 60 verschraubt wird, was dazu führt, dass der Dichtungsabschnitt 314 des Heizelement-Haltebauteils 31 gegen den sich verjüngenden Abschnitt 612 der Befestigung 60 gepresst wird. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Spannungserzeugungsbereich AR_STR, wie in 2 gezeigt ist, dem durch die Strich-Punkt-Linie definierten Bereich.
Der Aufbau des Gehäuses 3, das als das Heizelement-Befestigungsmittel dieses Ausführungsbeispiels vorgesehen ist, wird nun genauer beschrieben.
Das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 umfasst eine Befestigungsbasis 300, die erzielt wird, indem ein Metallwerkstoff, etwa rostfreier Stahl, im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet wird. Die Befestigungsbasis 300 hat einen Innenumfang, entlang dem ein Haltebauteil-Durchgangsloch 304 vorgesehen ist. Das durch die Befestigungsbasis 300 gehende Haltebauteil-Durchgangsloch 304 ist mit dem Heizelement-Haltebauteil 30, dem Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 und dem Keramikheizelement 10 mittig ausgerichtet. Auf der Fußendenseite der Befestigungsbasis 300 ist ein Sechseckabschnitt (Festziehabschnitt) 301 vorgesehen, um den Gewindeabschnitt 302 des Gehäuses 3 festzuziehen. Auf der Kopfendenseite der Befestigungsbasis 300 ist der Gewindeabschnitt 302 (Außengewinde) vorgesehen, um eine Verschraubung mit der Befestigung 60 zu erreichen. Die Befestigungsbasis 300 hat einen Kopfendenabschnitt, in dem ein Pressabschnitt 303 vorgesehen ist, um einen Druckaufnahmeabschnitt 313 des Heizelement-Haltebauteils 31 zu pressen.
Das Heizelement-Haltebauteil 31 besteht aus einem Metallwerkstoff, etwa rostfreiem Stahl, und ist im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet, um dadurch für eine Heizelement-Haltebauteilbasis 310 (einen zylinderförmigen Abschnitt) zu sorgen, wobei beide Enden offen sind und eines der Enden als ein Flanschabschnitt 312 radial nach außen verläuft. Die Heizelement-Haltebauteilbasis 310 hat eine Mitte, durch die ein Heizelement-Einführloch 311 hindurch ausgebildet ist, um dadurch das Keramikheizelement 10 einzuführen. Der oben erwähnte Flanschabschnitt 312 ist auf der Kopfendenseite der Basis 310, radial nach außen verlaufend, vorgesehen. Eine Oberfläche auf der Fußendenseite des Flanschabschnitts 310 ist horizontal eben und senkrecht zur Mittelachse der Keramikheizung 1 gestaltet, um als der Druckaufnahmeabschnitt 313 zu dienen, der von dem Pressabschnitt 303 zur Befestigung 60 hin gepresst wird. Die andere Oberfläche auf der Fußendenseite des Flanschabschnitts 312 hat einen Durchmesser, der allmählich in der Richtung, in der die Keramikheizung 1 eingeführt wird, abnimmt, um für eine sich im Wesentlichen konisch verjüngende Firstfläche zu sorgen, die als der Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 oder des Befestigungsmittels dient.
Von der Innenumfangswand des Heizelement-Einführlochs 311 ist der Abschnitt, der sich in Bezug auf den Flanschabschnitt 312 auf der Fußendenseite befindet, mit dem Hartlötverbindungsabschnitt 20 ausgebildet. Das Keramikheizelement 10 ist unter Verwendung eines Hartlotmaterials, etwa eines Silberlots oder eines Kupferlots, mit dem Hartlötverbindungsabschnitt 20 verbunden.
Um die Position der Ausbildung des Hartlötverbindungsabschnitts 20 zu verdeutlichen, ist der Hartlötverbindungsabschnitt 20 in den 1 und 2 durch extra breite Linien angegeben. Tatsächlich ist der Hartlötverbindungsabschnitt 20 jedoch äußerst dünn, wobei er durch ein Hartlotmaterial gebildet wird, das in einen äußerst kleinen Spalt von etwa 0,1 bis 0,2 mm Breite, zum Beispiel zwischen der Innenumfangswand des Heizelement-Einführlochs 311 und dem Keramikheizelement 10, eingedrungen ist.
Das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 besteht aus einem Metallwerkstoff, etwa rostfreiem Stahl, und ist im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet, um für eine Leitungsdraht-Schutzbauteilbasis 320 zu sorgen. Auf der Kopfendenseite der Leitungsdraht-Schutzbauteilbasis 320 ist der zylinderförmige Abschnitt 310 des Heizelement-Haltebauteils 31 eingeführt. Die Leitungsdraht-Schutzbauteilbasis 320 hat einen Kopfendenabschnitt 321, der durch Schweißen an dem Heizelement-Haltebauteil 31 befestigt ist, und einen Fußendenabschnitt 322, von dem aus ein Dichtungsbauteil 33 eingeführt ist. Das mit der externen Stromversorgungseinheit verbundene Paar Leitungsdrähte 114 und 124 ist in das Dichtungsbauteil 33 eingeführt. Die Leitungsdraht-Schutzbauteilbasis 320 hat einen Quetschabschnitt 323, der zur Abdichtung über seinen ganzen Umfang gequetscht ist.
Die Keramikheizung 1 umfasst ein im Wesentlichen U-förmiges Widerstandsheizelement 100, ein Paar Heizelement-Leitungen 110 und 120 und ein Paar Heizelement-Elektroden 111 und 121. Das Widerstandsheizelement 100 ist in dem Keramikheizelement 10 in der Kopfendenseite eines im Wesentlichen säulenförmigen, wärmebeständigen Isolierbauteils 101 eingebaut. Das Paar Heizelement-Leitungen 110 und 120 ist so vorgesehen, dass sie zum Widerstandsheizelement 100 und der externen Stromversorgungseinheit elektrisch durchgängig sind. Die Heizelement-Elektroden 111 und 121 sind jeweils zu den Heizelement-Leitungen 110 und 120 elektrisch durchgängig und aus der Oberfläche des wärmebeständigen Isolierbauteils 101 herausgeführt.
Das Widerstandsheizelement 100 besteht aus einem bekannten elektrisch leitenden Keramikwerkstoff, etwa aus Molybdändisilizid (MoSi₂), Siliziumcarbid (SiC) oder Wolframcarbid (WC). Das wärmebeständige Isolierbauteil 101 besteht aus einem bekannten isolierenden Keramikwerkstoff, etwa aus Siliziumnitrid (Si₃N₄). Die Heizelement-Leitungen 110 und 120 bestehen aus einem bekannten elektrisch leitenden Metallwerkstoff, etwa aus Wolfram (W).
Beim Ausbilden des Keramikheizelements 10 werden das Widerstandsheizelement 100 und das Paar Heizelement-Leitungen 110 und 120 unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, etwa Spritzgießen, in einer gewünschten Form ausgebildet. Dann werden das Widerstandsheizelement 100 und die Heizelement-Leitungen 110 und 120 an gewünschten Positionen positioniert, woraufhin das Ganze als eine Einheit mit dem wärmebeständigen Isolierbauteil 101 bedeckt und das Ganze bei einer Temperatur von 1700°C bis 1800°C unter Verwendung eines bekannten Formverfahrens, etwa Heißpressen, zusammengebacken wird. Danach wird das Ergebnis zugeschnitten, um für eine gewünschte Kontur zu sorgen, während die Enden der Heizelement-Leitungen 110 und 120 an der Oberfläche des wärmebeständigen Isolierbauteils 101 freigelegt werden. Des Weiteren werden an den Enden der Heizelement-Leitungen 110 und 120 unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, etwa Metallisieren, jeweils die Heizelement-Elektroden 111 und 121 ausgebildet.
Die Heizelement-Elektroden 111 und 121 werden jeweils auf Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 gefasst. Dann wird zum Hartlöten jeweils ein erwärmtes, geschmolzenes Hartlotmaterial in kleine Lücken zwischen den Heizelement-Elektroden 111 und 121 und den Elektroden-Verbindungsmetallringen 112 und 122 eindringen gelassen, um dadurch elektrische Durchgängigkeit sicherzustellen.
Des Weiteren werden die Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 jeweils mit Leitungsdraht-Anschlüssen 113 und 123 verbunden. Die Leitungsdraht-Anschlüsse 113 und 123 werden jeweils weiter mit den Leitungsdrähten 114 und 124 verbunden, die nach außen herausgezogen werden.
An einer Position zwischen dem Kopfende des zylinderförmigen Abschnitts 310 des Heizelement-Haltebauteils 31 und den Elektroden-Verbindungsmetallringen 112 und 122 ist ein im Wesentlichen ringförmiger Abstandshalter 211 aus einem isolierenden Werkstoff wie Aluminiumoxid vorgesehen. Somit ist sichergestellt, dass die Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 elektrisch und thermisch von dem zylinderförmigen Abschnitt 310 isoliert sind.
Das Dichtungsbauteil 33 besteht aus einem elastischen Bauteil, etwa Silikongummi. Das Dichtungsbauteil 33 hält unbeweglich die Leitungsdrähte 114 und 124, während es die Fußendenseite der Leitungsdraht-Schutzbauteilbasis 320 abdichtet, wodurch der Eintritt etwa von Wasser von der Außenseite unterbunden wird.
Die Leitungsdrähte 114 und 124 werden unbeweglich von dem Dichtungsbauteil 33 gehalten, das die Fußendenseite der Leitungsdraht-Schutzbauteilbasis 320 abdichtet. Wenn die Keramikheizung 1 auf die Befestigung 60 montiert wird, werden daher Verbindungsabschnitte (d. h. ein aus den Komponenten 111 bis 113 bestehender Abschnitt und ein aus den Komponenten 121 bis 123 bestehender Abschnitt) nicht unter einer Kraft leiden, die andernfalls in Richtung der Loslösung der Komponenten in jedem der Abschnitte wirken würde, wobei die Kraft durch die Verdrehung der Leitungsdrähte 114 und 124 aufgebracht wird. Dadurch wird verhindert, dass sich der Zustand, in dem die Leitungsdrähte 114 und 124 mit dem Heizelement 10 verbunden sind, verschlechtert, und somit wird eine hohe Zuverlässigkeit aufrechterhalten.
Da das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 und das Heizelement-Haltebauteil 31 getrennt vorgesehen sind, wird außerdem die Verarbeitbarkeit beim Montieren der Keramikheizung 1 auf der Befestigung 60 verbessert.
Die Befestigung 60 ist mit einem Heizungsbefestigungsloch 610 versehen. Das Heizungsbefestigungsloch 610 hat einen Innenumfang, in dem der Gewindeabschnitt 611 (Innengewinde) ausgebildet ist. Auf der Kopfendenseite des Heizungsbefestigungslochs 610 ist der sich verjüngende Abschnitt 612 ausgebildet, der im Wesentlichen die Form einer Schüssel hat, wobei sein Innendurchmesser in der Richtung, in der die Keramikheizung 1 eingeführt wird, allmählich abnimmt. Wenn die Keramikheizung 1 an der Befestigung 60 befestigt wird, wird der Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 als das Befestigungsmittel auf der Heizungsseite mit dem in der Befestigung 60 ausgebildeten, sich verjüngenden Abschnitt 612 in Kontakt gebracht, um Luftdichtheit zu gewährleisten und dadurch ein Herausströmen des zu erwärmenden Fluids 600 zu verhindern.
Der Flanschabschnitt 312 ist über jeweils den Druckaufnahmeabschnitt 313 und den Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 zwischen dem Pressabschnitt 303 des Gehäuses 3 und dem sich verjüngenden Abschnitt 612 der Befestigung 60 geklemmt. Der Flanschabschnitt 312 ist dick ausgebildet, um eine ausreichend hohe Festigkeit auszuüben, die es dem Flanschabschnitt 312 nicht erlaubt, durch die Kompressionskraft verformt zu werden, wenn er gepresst wird. Der Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 ist mit einem weniger steilen Neigungswinkel als der sich verjüngende Abschnitt 612 der Befestigung 60 ausgebildet, so dass der Kontakt an einer Position nahe des Außenumfangs des Flanschabschnitts 312 in der Form eines Kreislinienkontakts realisiert wird, wenn der Dichtungsabschnitt 314 den sich verjüngenden Abschnitt 612 berührt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird sichergestellt, dass das Keramikheizelement 10 in einem Bereich, in dem der Flanschabschnitt 312 ausgebildet ist, nicht mit dem Heizelement-Haltebauteil 31 verbunden ist. Wenn der Dichtungsabschnitt 314 des Gehäuses 3 mit dem sich verjüngenden Abschnitt 612 der Befestigung 60 in Kontakt kommt, so dass es zwischen ihnen zu einer Konzentration von Spannungen kommt, wird daher der Hartlötverbindungsabschnitt 20 nicht durch die konzentrierten Spannungen beeinträchtigt. Somit wird durch den Dichtungsabschnitt 314 und den sich verjüngenden Abschnitt 612 eine hohe Luftdichtheit gewährleistet.
Wie in 2 gezeigt ist, wird der Flanschabschnitt 312 beim Einschrauben des Heizelement-Befestigungsbauteils 30 durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 gepresst, so dass der Pressabschnitt 303 auf der Kopfendenseite der Befestigung 30 mit dem Druckaufnahmeabschnitt 313 des Flanschabschnitts 312 in Kontakt gebracht wird. Gleichzeitig wird auch der Dichtungsabschnitt 314 des Flanschabschnitts 312 mit dem sich verjüngenden Abschnitt 612 der Befestigung 60 in Kontakt gebracht, wodurch Luftdichtheit gewährleistet wird.
Andererseits wird in dem Flanschabschnitt 312 durch die Last, die durch den Pressabschnitt 303 und den sich verjüngenden Abschnitt 612 aufgebracht wird, eine innere Spannung hervorgerufen. In dieser Hinsicht befindet sich der Hartlötverbindungsabschnitt 20 in Bezug auf die Position des Pressabschnitts 303, die im Flanschabschnitt 312 einer Position am nächsten an der Fußendenseite entspricht, an einer Position näher an der Fußendenseite. Dementsprechend leidet der Hartlötverbindungsabschnitt 20 nicht unter der in dem Flanschabschnitt 312 hervorgerufenen Spannung.
Des Weiteren wird in dem Gewindeabschnitt 302 des Gehäuses 3 als dem Befestigungsmittel eine Spannung hervorgerufen, wenn das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 eingeschraubt wird. In dieser Hinsicht sind das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 und das Heizelement-Haltebauteil 31 in diesem Ausführungsbeispiel getrennt vorgesehen. Daher beeinträchtigt die in dem Gewindeabschnitt hervorgerufene Spannung nicht den Hartlötverbindungsabschnitt 20.
Aus diesem Grund verringert sich die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Heizelement-Haltebauteil 31 und dem Keramikheizelement 10 nicht. Somit kann die Keramikheizung 1 unbeweglich an der Befestigung 60 befestigt werden, während die intrinsische Verbindungsfestigkeit beibehalten wird.
Zusätzlich zu den oben geschilderten vorteilhaften Wirkungen kann sich dieses Ausführungsbeispiel weiterer vorteilhafter Wirkungen erfreuen. Und zwar ist das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Metallwerkstoff ausgestaltet, der außerdem im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet ist. Die Keramikheizung 1 kann zum Beispiel auf einem Verbrennungsabgaskanal als der Befestigung 60 befestigt werden. Ein solcher Verbrennungsabgaskanal kann harten Bedingungen unterliegen, wenn der Kanal zum Beispiel durch von außen eindringendes Wasser nass wird oder der Kanal von Steinen getroffen wird. Dank des im Wesentlichen zylinderförmigen Leitungsdraht-Schutzbauteils 32 aus Metallwerkstoff wird in einem solchen Fall zum Beispiel verhindert, dass die Heizelement-Elektroden 111 und 121, die Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 und die Leitungsdraht-Anschlüsse 113 und 123 nass werden. Somit wird eine Keramikheizung 1 mit robustem Aufbau und hoher Zuverlässigkeit realisiert.
Des Weiteren sind in diesem Ausführungsbeispiel, wie oben erwähnt wurde, das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 und das Heizelement-Haltebauteil 31 getrennt vorgesehen. Wenn der Gewindeabschnitt 302 des Heizelement-Befestigungsbauteils 30 beim Montieren des Heizelement-Haltebauteils 31 auf der Befestigung 60 mit dem Gewindeabschnitt 611 der Befestigung 60 verschraubt wird, werden daher die von dem Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 gehaltenen Drähte nicht verdreht. Somit wird die Montagearbeit erleichtert und wird außerdem keine ungewünschte Last auf die Verbindungsabschnitte aufgebracht, die die Leitungsdrähte 114 und 124 mit dem Keramikheizelement 10 verbinden. Somit werden Bedenken über das Auftreten einer Unterbrechung oder dergleichen ausgeräumt.
Unter Bezugnahme auf 14 werden nun im Folgenden einige Probleme einer herkömmlichen Keramikheizung 1z als Vergleichsbeispiel beschrieben. 14 ist eine schematische Schnittansicht, die die herkömmliche Keramikheizung 1z veranschaulicht.
Die Keramikheizung 1z wird an einer Befestigung 60z befestigt, indem sie in ein in der Befestigung 60r ausgebildetes Heizungsbefestigungsloch 610z eingeführt wird. Das Heizungsbefestigungsloch 610z hat einen Innenumfang, in dem ein sich verjüngender Abschnitt 612z ausgebildet ist. Der sich verjüngende Abschnitt 612z hat einen Innendurchmesser, der in die Richtung, in der die Keramikheizung 1z eingeführt wird, allmählich abnimmt. Die Keramikheizung 1z umfasst ein Keramikheizelement 10r und ein Gehäuse 30z. Das Keramikheizelement 10z ist auf der Kopfendenseite, die einem zu erwärmenden Fluid 600z auszusetzen ist, mit einem Widerstandsheizelement 100z versehen, das bei Stromzufuhr Wärme erzeugt. Das Keramikheizelement 10z ist zur Stromzufuhr zu dem Widerstandsheizelement 100z auf der Fußendenseite mit einem Paar Heizelement-Leitungen 100z und 120z verbunden. Das Gehäuse 30z ist so mit der Außenumfangsfläche des Keramikheizelements 10z verbunden, dass es das Keramikheizelement 10z bedeckt. Beim Bedecken des Keramikheizelements 10z wird zugelassen, dass die Kopfendenseite des Keramikheizelements 10r an einem Ende auf der Seite des Fluids 600z freiliegt, während die Fußendenseite des Keramikheizelements 10z an dem anderen Ende freiliegen gelassen wird. Das Gehäuse 30z hat eine Außenumfangsfläche, in der als eine Einheit ein Dichtungsabschnitt 314z und ein Gewindeabschnitt 302z (Außengewinde) ausgebildet sind. Der Dichtungsabschnitt 314z hat eine sich verjüngende Form, die zu dem sich verjüngenden Abschnitt 612z des in der Befestigung 60z ausgebildeten Heizungsbefestigungslochs 610z passt. Der Gewindeabschnitt 302z (Außengewinde) des Gehäuses 30z kann mit einem in dem Heizungsbefestigungsloch 610z der Befestigung 60z ausgebildeten Gewindeabschnitt 611a (Innengewinde) verschraubt und unbeweglich eingreifen gelassen werden. Das Gehäuse 30z wird durch die Verschraubung des Gewindeabschnitts 302z des Gehäuses 30z mit dem auf dem Heizungsbefestigungsloch 610z der Befestigung 60z ausgebildeten Gewindeabschnitt 611a unbeweglich an der Befestigung 60z befestigt. In diesem Fall wird sichergestellt, dass der Dichtungsabschnitt 314z des Gehäuses 30z gegen den sich verjüngenden Abschnitt 612z der Befestigung 60z gepresst und mit ihm in Kontakt gebracht wird.
In einem Heizelement-Einführloch 304z, das in dem zylinderförmigen Gehäuse 30z ausgebildet ist, sowie in einem Raum CV_30z des Gehäuses 30z wird ein Hartlotmaterial angeordnet. Von der Fußendenseite des Keramikheizelements 10z wird ein Abstandshalter 211z in das Gehäuse 30z gepasst, so dass sich der Abstandshalter 211z in dem Raum CV_30z befindet. Des Weiteren wird ein Elektroden-Verbindungsmetallring 112z auf eine Heizelement-Elektrode 111z des Keramikheizelements 10z gepasst, bis der Metallring 112z den Abstandshalter 211z berührt, gefolgt von einem Anordnen eines Hartlotmaterials auf seiner oberen Endfläche. Ein Elektroden-Verbindungsmetallring 122z wird auf eine Heizelement-Elektrode 121z gepasst, die an einem Fußendenabschnitt des Keramikheizelements 10z freiliegt, gefolgt von einem Anordnen eines Hartlotmaterials auf seiner Endfläche. Der sich ergebende Zusammenbau der Komponenten wird einem Erwärmen unterzogen, um das an einigen Positionen befindliche Hartlotmaterial zu schmelzen und das Hartlotmaterial in die Lücken zwischen den Komponenten fließen zu lassen. Das Hartlotmaterial erstarrt schließlich, um das Keramikheizelement 10z mit dem Gehäuse 30z und den Elektroden-Verbindungsmetallringen 112z und 122z zu verbinden.
Wie in 14 gezeigt ist, befindet sich somit der größte Teil eines Hartlötverbindungsabschnitts 20z zwischen dem Keramikheizelement 10z und dem Gehäuse 30z in einem Spannungserzeugungsbereich AR_STR zwischen dem Gewindeabschnitt 302z und dem Dichtungsabschnitt 314z des Gehäuses 30z. Wenn die Keramikheizung 1z an der Befestigung 60z befestigt wird, wirkt dementsprechend die innere Spannung, die zum Zeitpunkt des Festziehens der Gewindeabschnitte hervorgerufen wird, auf den Hartlötverbindungsabschnitt 20z. Dadurch verringert sich tendenziell die zum Zeitpunkt der Herstellung gewährleistete intrinsische Verbindungsfestigkeit.
In der in 14 gezeigten Keramikheizung 1z als Vergleichsbeispiel befindet sich der Hartlötverbindungsabschnitt 20c teilweise außerhalb des Spannungserzeugungsbereichs AR_STR. Wenn die Keramikheizung 1c an der Befestigung 60c befestigt wird, verteilt sich daher die Verbindungsfestigkeit ungleichmäßig, wobei sie teilweise gesenkt wird und teilweise intrinsisch auf dem Niveau zum Herstellungszeitpunkt gehalten wird.
Unterdessen können wiederholt eine Stromversorgung und Stromunterbrechung für die Keramikheizung 1z erfolgen, währenddessen aufgrund des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Gehäuse 30z und dem Keramikheizelement 10z eine Spannung hervorgerufen werden kann. Das Auftreten der oben angesprochenen ungleichen Verbindungsfestigkeit in dem Hartlötverbindungsabschnitt 20z ermöglicht es dieser Spannung, vereint auf den Teil des Hartlötverbindungsabschnitts 20z zu wirken, in dem die Verbindungsfestigkeit verringert worden ist. Dementsprechend kann die Verbindungsfestigkeit in diesem Teil weiter absinken, was zu einer allmählichen Verringerung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikheizelement 10z und dem Gehäuse 30z führt, was am Ende verursacht, dass sich das Keramikheizelement 10z lockert und löst (oder abfällt).
Unter Bezugnahme auf 3 werden die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung beschrieben. Es sind Versuche bezüglich der Änderungen bei der Verbindungsfestigkeit von Hartlötverbindungsabschnitten unter Hochtemperaturbedingungen durchgeführt worden, wobei die erfindungsgemäße Keramikheizung 1 und die herkömmliche Keramikheizung 1z, wie sie in 14 gezeigt ist, verwendet wurden. In den Versuchen wurde die Keramikheizung 1z über den Gewindeabschnitt 611 der Größe M10 mit einem Festziehmoment von 20 N·m an der Befestigung 60 befestigt. Danach wurde bei jeder Keramikheizung die Heiztemperatur geändert, gefolgt von einem Hochheben des Keramikheizelements, um zu dem Zeitpunkt, an dem die Keramikheizung abfiel, eine Anbringungsfestigkeit (N) (d. h. eine Widerstandsfestigkeit, die verhindert, dass sich das Keramikheizelement löst (oder abfällt)) zu messen. 3 zeigt die Ergebnisse der Versuche.
Bei einem herkömmlichen Aufbau wirkt auf die Verbindung zwischen einem Gehäuse und einer Keramikheizung eine Zugkraft von etwa 6 kN als Axialkraft, wenn die Keramikheizung mit einem Festziehmoment von 20 N·m befestigt wird.
Die Keramikheizung mit dem herkömmlichen Aufbau, die in 3 als ”Vergleichsbeispiel” gezeigt ist, hatte eine Anbringungsfestigkeit von etwa 12 kN bei Normaltemperatur ohne aufgebrachte Last, was einen Sicherheitsfaktor von 2 gewährleistete. Als jedoch ein Festziehmoment von 20 N·m aufgebracht wurde, verringerte sich die Anbringungsfestigkeit auf nur 6 kN bei Normaltemperatur. Des Weiteren neigte die Anbringungsfestigkeit bei einer Temperatur von 250°C, die der Temperatur entspricht, bei der Keramikheizungen verwendet werden, dazu, auf nur 2 kN verringert zu werden.
Andererseits zeigte die erfindungsgemäße Keramikheizung, die in 3 als ”Arbeitsbeispiel” angegeben ist, eine Anbringungsfestigkeit, die sich vor und nach der Aufbringung des Festziehmoments von 20 N·m kaum änderte.
Unter Bezugnahme auf die 4A bis 5B wird nun im Folgenden ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der erfindungsgemäßen Keramikheizung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die 4A und 4B sind schematische erläuternde Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen der Keramikheizung 1 veranschaulichen. Die 5A und 5B sind schematische erläuternde Ansichten, die in Fortsetzung der 4A und 4B das Verfahren zum Herstellen der Keramikheizung veranschaulichen.
Wie in 4A gezeigt ist, werden das Keramikheizelement 10, der Abstandshalter 211 und die Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 nacheinander an das zylinderförmige Heizelement-Haltebauteil 31 montiert. Beim Montieren dieser Komponenten werden die Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 jeweils an Positionen angeordnet, die eine elektrische Verbindung mit den Heizelement-Elektroden 111 und 121 ermöglichen. Unterdessen wird der Abstandshalter 211 mit dem Elektroden-Verbindungsmetallring 112 in Kontakt gebracht, wobei ein Ende des Heizelement-Haltebauteils 31 ebenfalls mit dem Abstandshalter 211 in Kontakt gebracht wird. Unter Beibehaltung dieses Zustands wird das Ganze, wie in 4B gezeigt ist, einschließlich des Keramikheizelements 10 auf den Kopf gestellt. Dann wird in diesem auf dem Kopf stehenden Zustand ein Hartlotmaterial, etwa ein Silberlot, in einem Spalt CV₃₁ zwischen dem Keramikheizelement 10 und dem Heizelement-Haltebauteil 31 angeordnet. Somit wird zugelassen, dass das Hartlotmaterial nach dem Erwärmen und Schmelzen in den Spalt CV₃₁ zwischen dem Heizelement-Haltebauteil 31 und dem Keramikheizelement 10 eindringt, um den Spalt von dem Druckaufnahmeabschnitt 313 des Flanschabschnitts 312 bis zu der Position, an der der Abstandshalter 211 angeordnet ist, auszufüllen. Somit wird nur ein vorbestimmter Hartlötverbindungsbereich hartgelötet, um den Hartlötverbindungsabschnitt 20 auszubilden, auf den keine Spannung wirken würde, wenn der Flanschabschnitt 312 gepresst wird.
Außerdem wird das Hartlotmaterial passend in den Spalten zwischen der Elektrode 111 und dem Metallring 112 und zwischen der Elektrode 121 und dem Metallring 122 angeordnet. Somit dringt das Hartlotmaterial in die Spalte ein, wenn es zum Hartlöten erwärmt wird. Des Weiteren werden die Leitungsdraht-Anschlüsse 113 und 123 der Leitungsdrähte 114 und 124 jeweils mit den Elektroden-Verbindungsmetallringen 112 und 122 verbunden.
In dem Hartlötverbindungsbereich kann auf dem Keramikheizelement 10 zuvor durch etwa Ni-Metallisierung, Cr-Metallisierung oder Dampfabscheidung als eine nicht gezeigte Unterlage eine Metallisierungsschicht ausgebildet werden, die einen benötigten Bereich bedeckt. Somit kann das von dem Hartlotmaterial und der Metallisierungsschicht ausgeübte Benetzungsverhalten den Bereich des Hartlotmaterials einschränken, das in dem Spalt zwischen dem Keramikheizelement 10 und dem Heizelement-Haltebauteil 31 fließt.
Das Keramikheizelement 10 wird somit über die Elektroden-Verbindungsmetallringe 112 und 122 und die Leitungsdraht-Anschlüsse 113 und 123 jeweils mit den Leitungsdrähten 114 und 124 verbunden, während das Heizelement-Haltebauteil 31 über den in dem vorbestimmten Bereich vorgesehenen Hartlötverbindungsabschnitt 20 mit dem Keramikheizelement 10 verbunden wird. Wie in 5 gezeigt ist, werden das verbundene Heizelement 10 und der zylinderförmige Abschnitt 310 des Haltebauteils 31 dann in den Kopfendenabschnitt 321 des zylinderförmigen Leitungsdraht-Schutzbauteils 32 eingeführt und eingepasst. Des Weiteren wird am Fußendenabschnitt 322 des Leitungsdraht-Schutzbauteils 32 das Dichtungsbauteil 33 befestigt, das aus einem isolierenden elastischen Bauteil, etwa aus Silikongummi, ausgebildet ist. Das Paar Leitungsdrähte 114 und 124 wird in diesem Fall aus dem Dichtungsbauteil 33 herausgezogen. Außerdem wird der Kopfendenabschnitt 321 durch etwa Laserschweißen über seinen ganzen Umfang an dem zylinderförmigen Abschnitt 310 des Heizelement-Haltebauteils 31 angebracht. Unterdessen wird das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 in dem Quetschabschnitt 323 auf der Fußendenseite zusammen mit dem Dichtungsbauteil 33 über seinen ganzen Umfang unbeweglich gequetscht.
Unter Bezugnahme auf 6 wird nun beschrieben, wie die Keramikheizung 1 dieses Ausführungsbeispiels befestigt wird. 6 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zum Befestigen der Keramikheizung 1 veranschaulicht.
Der integrierte Körper aus dem Keramikheizelement 10, dem Heizelement-Haltebauteil 31 und dem Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 wird in das Heizungsbefestigungsloch 610 eingeführt, das in der Befestigung 60 ausgebildet ist. In diesem Fall wird ein Kopfendenabschnitt des Keramikheizelements 10 dem zu erwärmenden Fluid 600 ausgesetzt. Unterdessen wird ein im Wesentlichen zylinderförmiges Heizelement-Befestigungsbauteil 30 von der Fußendenseite aus auf den integrierten Körper gepasst. Dann wird der Gewindeabschnitt 302 (Außengewinde), der auf der Außenumfangsfläche des Heizelement-Befestigungsbauteils 30 ausgebildet ist, mit dem Gewindeabschnitt 611 (Innengewinde) verschraubt, der in der Innenumfangsfläche des Heizungsbefestigungslochs 610 der Befestigung 60 ausgebildet ist.
Wenn das Heizelement-Befestigungsbauteil 30 über das Heizungsbefestigungsloch 610 an der Befestigung 60 befestigt wird, wird sichergestellt, dass der Druckaufnahmeabschnitt 313 des an dem Heizelement-Haltebauteil 31 vorgesehenen Flanschabschnitts 312 von dem an einem Kopfende des Heizelement-Befestigungsbauteils 30 vorgesehenen Pressabschnitt 303 gepresst wird und dass der dem Druckaufnahmeabschnitt 313 gegenüber liegende Dichtungsabschnitt 314 gegen den sich verjüngenden Abschnitt 612 der Befestigung 60 gepresst und mit diesem in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise wird die Keramikheizung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wie in 1 gezeigt an der Befestigung 60 befestigt.
Die in dem Flanschabschnitt 312 hervorgerufene innere Spannung wirkt in diesem Fall nicht auf den Hartlötverbindungsabschnitt 20, über den das Heizelement-Haltebauteil 31 und das Keramikheizelement 10 miteinander verbunden sind. Somit ist es unwahrscheinlich, dass die Verbindungsfestigkeit wie beim Stand der Technik abnimmt, wenn die Keramikheizung an der Befestigung befestigt wird.
Unter Bezugnahme auf 7 wird im Folgenden eine Abwandlung, d. h. eine Keramikheizung 1a, des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben. 7 ist eine Schnittansicht, die die Keramikheizung 1a veranschaulicht. Man sollte sich bewusst sein, dass bei dieser und den folgenden Abwandlungen sowie bei den folgenden Ausführungsbeispielen die Komponenten, die zu denen des ersten Ausführungsbeispiels gleich oder ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszahlen versehen sind, um unnötige Erläuterungen vermeiden zu können.
Das erste Ausführungsbeispiel hat beispielhaft gezeigt, dass das Gehäuse 3 durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30, das Heizelement-Haltebauteil 31 und das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 ausgestaltet ist und dass das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 aus einem Metallwerkstoff besteht, der im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet ist. Die Keramikheizung 1a der Abwandlung unterscheidet sich von der Keramikheizung 1 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass ein Gehäuse 3a durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30, ein Heizelement-Haltebauteil 31a und ein Leitungsdraht-Schutzbauteil 32a ausgestaltet wird und dass als das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32a ein Schrumpfschlauch verwendet wird. Somit hat die Keramikheizung 1a einen einfacheren Aufbau.
Beim Ausbilden der Keramikheizung 1a ist es anders als bei der Keramikheizung 1 des ersten Ausführungsbeispiels nicht notwendig, das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 und das Heizelement-Haltebauteil 31 zu verschweißen oder den Fußendenabschnitt 322 des Leitungsdraht-Schutzbauteils 32 zu quetschen.
Die Keramikheizung 1a kann vorteilhaft als eine Zündquelle von zum Beispiel einer Verbrennungsheizung verwendet werden, die in einer Umgebung verwendet wird, in der es unwahrscheinlich ist, dass die Keramikheizung nass wird. Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beeinträchtigt das Festziehmoment zum Zeitpunkt des Befestigens der Keramikheizung an der Befestigung 60 auch bei der Keramikheizung 1a den Hartlötverbindungsabschnitt 20 nicht. Somit wird eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt.
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine weitere Abwandlung, d. h. eine Keramikheizung 1b, des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. 8 ist eine Schnittansicht, die die Keramikheizung 1b veranschaulicht.
Bei der Keramikheizung 1b wird ein Gehäuse 3b durch das Heizelement-Haltebauteil 30, ein Heizelement-Haltebauteil 31b und ein Leitungsdraht-Schutzbauteil 32b ausgestaltet. Außerdem ist eine Heizelement-Elektrode 111b (Erdungselektrodenseite) eines Keramikheizelements 10b über einen Hartlötverbindungsabschnitt 20b direkt mit einer Innenumfangswand 311b des Heizelement-Haltebauteils 31b verbunden.
Mit dieser Gestaltung wird die Heizelement-Elektrode 111b über das Gehäuse 3b geerdet. Dies kann die Verwendung des Elektroden-Verbindungsmetallrings 112, des Leitungsdraht-Anschlusses 113 und des Leitungsdrahts 114 auf einer Minusseite (GND) überflüssig machen, wodurch der Herstellungsvorgang vereinfacht wird.
Dank der Vermeidung der obigen Komponenten kann außerdem die Größe der Keramikheizung 10b verringert werden und können somit die Einbaueigenschaften verbessert und die Herstellungskosten verringert werden.
Ähnlich wie bei der Keramikheizung 1a verringert sich die Verbindungsfestigkeit des Hartlötverbindungsabschnitts 20 in der Keramikheizung 1b nicht.
Unter Bezugnahme auf 9 wird im Folgenden eine Keramikheizung 1c gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. 9 ist eine Schnittansicht, die die Keramikheizung 1c gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 3 als Befestigungsmittel zum Befestigen des Keramikheizelements 10 an der Befestigung 60 durch eine Vielzahl von Bauteilen ausgestaltet worden, d. h. durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30, das Heizelement-Haltebauteil 31 und das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Gehäuse 3c im Wesentlichen zylinderförmig und monolithisch ausgebildet ist.
Allerdings ist ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein Hartlötverbindungsabschnitt 20c als Verbindungsmittel an einer Position ausgebildet, an der die Spannung, die beim Befestigen der Keramikheizung 1c an einer Befestigung 60c hervorgerufen wird, nicht wirkt. Außerdem ist mit dem Keramikheizelement 10 ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein Heizelement-Befestigungsbauteil 30c verbunden, um zu verhindern, dass die Verbindungsfestigkeit abnimmt, wenn die Keramikheizung 1c an der Befestigung 60c befestigt wird.
Das Gehäuse 3c dieses Ausführungsbeispiels besteht aus einem Metallwerkstoff, etwa aus rostfreiem Stahl, der im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet ist. Und zwar wird der Metallwerkstoff, etwa der rostfreie Stahl, im Wesentlichen in einer Zylinderform ausgebildet, um eine Befestigungsbasis 300c bereitzustellen, in deren Mitte ein Heizelement-Einführloch 304c ausgebildet ist, um durch dieses das Keramikheizelement 10 einzuführen. Auf der Fußendenseite des Gehäuses 3c als dem Befestigungsmittel ist ein sechseckiger Abschnitt (Festziehabschnitt) 301c vorgesehen, um einen Gewindeabschnitt 302c des Gehäuses 3c festzuziehen. Auf der Kopfendenseite des Außenumfangs des Gehäuses 3c ist zur Verschraubung mit der Befestigung 60c ein Gewindeabschnitt 302c (Außengewinde) ausgebildet. Auf der Fußendenseite des Gewindeabschnitts 302c ist ein Dichtungsabschnitt 314c vorgesehen. Der Dichtungsabschnitt 314c hat eine sich im Wesentlichen konisch verjüngende Firstfläche mit einem Durchmesser, der allmählich in der Richtung abnimmt, in der die Keramikheizung 1c eingeführt wird.
Des Weiteren ist ein Teil der Innenumfangswand des Heizelement-Einführlochs 304c, der sich in Bezug auf den Dichtungsabschnitt 314c auf der Fußendenseite befindet, mit dem Hartlötverbindungsabschnitt 20c als Verbindungsmittel zum Verbinden des Keramikheizelements 10 mit dem Gehäuse 3c ausgebildet. Es wird ein Hartlotmaterial, etwa ein Silberlot oder Kupferlot, verwendet, um den Hartlötverbindungsabschnitt 20c auszubilden.
Die Befestigung 60c hat ein Heizungsbefestigungsloch 610c. Das Heizungsbefestigungsloch 610c hat eine Innenumfangsfläche, in der ein sich verjüngender Abschnitt 612c ausgebildet ist. Der sich verjüngende Abschnitt 612c hat einen Innendurchmesser, der allmählich in der Richtung abnimmt, in der die Keramikheizung 1c eingeführt wird. Zum Befestigen an der Befestigung 60c wird dafür Sorge getragen, dass die Keramikheizung 1c in das Heizungsbefestigungsloch 610c eingeführt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Hartlötverbindungsabschnitt 20c in Bezug auf den Dichtungsabschnitt 314c auf der Fußendenseite ausgebildet. Daher kann eine Spannung, die hervorgerufen wird, wenn der Gewindeabschnitt 302c des Gehäuses 3c mit dem Gewindeabschnitt 611c der Befestigung 60c verschraubt wird, nicht auf den Hartlötverbindungsabschnitt 20c wirken. Somit kann ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine Keramikheizung hoher Zuverlässigkeit realisiert werden. Des Weiteren ist der Hartlötverbindungsabschnitt 20c in diesem Ausführungsbeispiel in Bezug auf den Dichtungsabschnitt 314c des Gehäuses 3c auf der Fußendenseite vorgesehen, und somit ist die Position des Hartlötverbindungsabschnitts 20c verhältnismäßig weit von dem Widerstandsheizelement 100 beabstandet. Aus diesem Grund hat die Wärme, die von dem Heizelement-Befestigungsbauteil 30c und dem Keramikheizelement 10 in dem Hartlötverbindungsabschnitt 20c aufgenommen wird, eine verhältnismäßig geringe Temperatur. Dadurch ist es unwahrscheinlich, dass der Hartlötverbindungsabschnitt 20c durch die Spannung beeinträchtigt wird, die durch die Differenz beim Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufen werden könnte. Somit kann eine Keramikheizung mit hoher Zuverlässigkeit realisiert werden.
Unter Bezugnahme auf 10 wird im Folgenden eine Abwandlung, d. h. eine Keramikheizung 1d, des oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben. 10 ist eine Schnittansicht, die die Keramikheizung 1d veranschaulicht.
Die Keramikheizung 1d dieser Abwandlung ähnelt der Keramikheizung 1c des zweiten Ausführungsbeispiels insofern, als ein Gehäuse 3d im Wesentlichen zylinderförmig und monolithisch ausgebildet ist, doch unterscheidet sie sich dadurch, dass ein Dichtungsabschnitt 314d in Bezug auf einen Gewindeabschnitt 302d auf der Kopfendenseite ausgebildet ist. Ähnlich wie bei der Keramikheizung 1c befindet sich ein Hartlötverbindungsabschnitt 20d der Keramikheizung 1d in Bezug auf den Spannungserzeugungsbereich AR_STR auf der Fußendenseite.
Ähnlich wie bei den obigen Ausführungsbeispielen ist es auch bei einer solchen Gestaltung unwahrscheinlich, dass die Spannung, die hervorgerufen wird, wenn der Gewindeabschnitt 302d des Gehäuses 3d mit einem Gewindeabschnitt 611d einer Befestigung 60d verschraubt wird, auf den Hartlötverbindungsabschnitt 20d wirkt. Somit kann ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Keramikheizung hoher Zuverlässigkeit realisiert werden.
Unter Bezugnahme auf 11 wird im Folgenden eine Keramikheizung 1e gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. 11 ist eine schematische Schnittansicht, die die Keramikheizung 1e veranschaulicht.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Gehäuse 3e durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30, ein Heizelement-Haltebauteil 31e und das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 ausgestaltet. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Heizelement-Einführloch 311e, das in dem Heizelement-Haltebauteil 31e ausgebildet ist, einen Innendurchmesser hat, der in einem Bereich, wo ein Flanschabschnitt 312e ausgebildet ist, erhöht ist, um für einen großen Spalt CV_31e zwischen dem Keramikheizelement 10 und der Innenumfangswand des Heizelement-Einführlochs 311e zu sorgen. Die übrige Gestaltung ähnelt der des ersten Ausführungsbeispiels.
Mit dieser Gestaltung des dritten Ausführungsbeispiels ist der Flanschabschnitt 312e, der dem Spannungserzeugungsbereich AR_STR entspricht, vollständig von dem Keramikheizelement 10 isoliert. Wenn die Keramikheizung 1e an der Befestigung 60 befestigst wird, wird dadurch zuverlässig verhindert, dass die Verbindungsfestigkeit eines Hartlötverbindungsabschnitts 20e abnimmt.
Beim Ausbilden des Hartlötverbindungsabschnitts 20e wird ein Hartlotmaterial in dem Spalt CV_31e angeordnet, um dem Hartlotmaterial zu erlauben, in einen vorbestimmten Bereich eines Spalts zwischen dem Keramikheizelement 10 und dem zylinderförmigen Abschnitt 310 einzudringen, wenn es erwärmt und geschmolzen wird. Das Hartlotmaterial wird in diesem Fall nicht in dem Abschnitt zurückbleiben, in dem der Flanschabschnitt 312e ausgebildet ist, wodurch zuverlässig verhindert wird, dass die innere Spannung, die in dem Flanschabschnitt 312e hervorgerufen wird, auf den Hartlötverbindungsabschnitt 20e wirkt.
Unter Bezugnahme auf 12 wird im Folgenden eine Abwandlung, d. h. eine Keramikheizung 1f, des oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels beschrieben. 12 ist eine Schnittansicht, die die Keramikheizung 1f gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
In dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 3e durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30, das Heizelement-Haltebauteil 31e und das Leitungsdraht-Schutzbauteil 32 ausgestaltet worden. Außerdem ist das in dem Heizelement-Haltebauteil 31e ausgebildete Heizelement-Einführloch 311e mit einem Innendurchmesser versehen worden, der in einem Bereich zunimmt, in dem der Flanschabschnitt 312e ausgebildet ist, um für einen großen Spalt CV_31e zwischen dem Keramikheizelement 10 und der Innenumfangswand des Heizelement-Einführlochs 311e zu sorgen.
Bei der abgewandelten Keramikheizung 1f wird ein Gehäuse 3f durch das Heizelement-Befestigungsbauteil 30, ein Heizelement-Haltebauteil 31f und ein Leitungsdraht-Schutzbauteil 32f ausgestaltet. Des Weiteren ist ein Spalt CV_31f zwischen dem Keramikheizelement 10 und der Innenumfangswand eines Heizelement-Einführlochs 311f viel größer gestaltet. Außerdem ist das Heizelement-Haltebauteil 31f in einer Zylinderform ausgebildet, während ein Flanschabschnitt 312f so vorgesehen ist, dass er durchgehend zu einem Kopfendenabschnitt des Leitungsdraht-Schutzbauteils 32f ist.
Auch bei einer solchen Gestaltung werden ähnliche vorteilhafte Wirkungen wie bei dem obigen Ausführungsbeispiel ausgeübt.
Unter Bezugnahme auf 13 wird im Folgenden eine Keramikheizung 1g gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. 13 ist eine schematische Schnittansicht, die die Keramikheizung 1g gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Bei jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele hat eine vergleichsweise kleine Keramikheizung als Beispiel gedient, die als eine Zündquelle für eine Verbrennungsheizung oder eine Wärmequelle zum Erwärmen eines Verbrennungsabgases verwendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Keramikheizung 1g zur Unterstützung einer Zündung als eine lange Glühkerze verwendet, die in einer als Befestigung 60g dienenden Brennkammer oder Hilfsbrennkammer eines Dieselmotors befestigt wird.
Die Grundgestaltung dieses Ausführungsbeispiels ist ähnlich wie die der obigen Ausführungsbeispiele. Das heißt, dass ein Hartlötverbindungsabschnitt 20g an einer Position außerhalb des Spannungserzeugungsbereichs AR_STR ausgebildet ist.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen ist der Leitungsdraht 124 dazu verwendet worden, die Heizelement-Elektrode 121 mit einer externen Einheit zu verbinden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch auf die Heizelement-Elektrode 121 eine im Wesentlichen zylinderförmige Elektrodenverbindungshalterung 122g gepasst, um für eine Verbindung zur Elektrode 121 und der Halterung 122g zu sorgen. Des Weiteren ist die Elektrodenverbindungshalterung 122g mit einem Stromversorgungszwischenaxialbauteil 123g verbunden, das aus einem Metallwerkstoff besteht und im Wesentlichen in Form eines Stabs ausgebildet ist. Die Keramikheizung 1g weist ein langes Heizelement-Befestigungsbauteil 30g auf, dessen Grundaufbau ähnlich wie bei dem Heizelement-Befestigungsbauteil 30 ist, das in den obigen Ausführungsbeispielen verwendet wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet die Keramikheizung 1g zum Beispiel niedrig schmelzendes Glas als ein Dichtungsbauteil 33g, um mit dem Druckanstieg während der Verbrennung zurecht zu kommen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann geeignet abgewandelt werden, solange die Abwandlungen nicht vom Grundgedanken der Erfindung abweichen, der darin besteht, dass sich eine Verbindung zwischen einem Keramikheizelement und einem Heizelement-Haltebauteil an einer Position außerhalb eines Spannungserzeugungsbereichs befindet und dass die Verbindung somit daran gehindert wird, von der Spannung beeinträchtigt zu werden, die hervorgerufen wird, wenn die Keramikheizung an einer Befestigung befestigt wird, um dadurch eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit zu verhindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001-028292 A [0002, 0008, 0009, 0010]
JP 2003-056848 A [0004, 0012]

Claims

Keramikheizung, die an einer Befestigung befestigt ist, wobei die Befestigung mit einem Gewindeabschnitt und einem sich verjüngenden Abschnitt versehen ist, und die Folgendes umfasst: ein Keramikheizelement, das über Leitungsdrähte mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden wird, um Wärme zu erzeugen, wenn über die Leitungsdrähte Strom zugeführt wird, und das so ausgebildet ist, dass es einen Wärmeerzeugungsabschnitt hat, der auf einer Kopfendenseite des Keramikheizelements gelegen ist; und ein Heizelement-Befestigungsmittel, das das Keramikheizelement derart an der Befestigung befestigt, dass sich der Wärmeerzeugungsabschnitt in einem zu erwärmenden Fluid in der Befestigung befindet, wobei: das Heizelement-Befestigungsmittel mit einem Gewindeabschnitt, einem Dichtungsabschnitt, einem Heizelement-Einführloch, mittels dem das Keramikheizelement innen eingeführt ist, und einem Heizelement-Verbindungsmittel versehen ist, das das Keramikheizelement mit dem Heizelement-Befestigungsmittel verbindet; das Keramikheizelement von dem Heizelement-Einführloch unbeweglich gehalten wird; der Gewindeabschnitt der Befestigung und der Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels verschraubt sind, um den Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels mit dem sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung in Kontakt zu bringen; und das Heizelement-Verbindungsmittel in Bezug auf den Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels auf einer Fußendenseite vorgesehen ist.
Keramikheizung nach Anspruch 1, wobei: das Heizelement-Verbindungsmittel durch eine Vielzahl zylinderförmiger Bauteile ausgestaltet ist, zu denen ein Heizelement-Befestigungsbauteil, das auf einer Außenumfangsseite vorgesehen ist und an der Befestigung angebracht ist, und ein Heizelement-Haltebauteil gehören, das so auf einer Innenumfangsseite vorgesehen ist, das es das Keramikheizelement direkt hält; das Heizelement-Befestigungsbauteil mit dem Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels, einem Festziehabschnitt zum Festziehen des Gewindeabschnitts und einem Pressabschnitt versehen ist, der das Heizelement-Haltebauteil zur Befestigung hin presst; das Heizelement-Haltebauteil auf seiner Innenumfangsseite mit einem Heizelement-Einführloch, mittels dem das Keramikheizelement eingeführt und gehalten ist, und einem an einem Ende von ihm vorgesehenen Flanschabschnitt versehen ist, der radial nach außen verläuft; und der Flanschabschnitt eine Oberfläche, die ein Druckaufnahmeabschnitt ist, der Druck von dem Pressabschnitt aufnimmt, und eine andere Oberfläche hat, die der Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels ist, der den sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung berührt.
Keramikheizung nach Anspruch 1 oder 2, wobei: sich das Heizelement-Befestigungsmittel aus einem zylinderförmigen Bauteil zusammensetzt; das Heizelement-Befestigungsmittel eine Innenumfangsseite hat, die mit einem Heizelement-Einführloch versehen ist, mittels dem das Keramikheizelement eingeführt ist; das Heizelement-Befestigungsmittel eine Außenumfangsseite hat, die mit dem Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels und einem Festziehabschnitt zum Festziehen des Gewindeabschnitts versehen ist; das Heizelement-Befestigungsmittel mit einer im Wesentlichen konisch geformten, sich verjüngenden Firstfläche als dem Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels versehen ist, die einen Durchmesser hat, der allmählich in der Richtung abnimmt, in der das Keramikheizelement eingeführt ist; und das Heizelement-Verbindungsmittel ein Bezug auf ein Fußende von entweder dem Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels oder von dem Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels, welche auch immer sich näher an einer Fußendenseite befindet, an einer Position viel näher an der Fußendenseite angeordnet ist.
Keramikheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das Keramikheizelement-Verbindungsmittel aus einem Hartlotmaterial besteht, das in einem Spalt zwischen dem Keramikheizelement und dem Heizelement-Befestigungsmittel eingedrungen ist.
Keramikheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: das Heizelement-Befestigungsmittel zumindest mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Heizelement-Haltebauteil und einem im Wesentlichen zylinderförmigen Leitungsdraht-Schutzbauteil versehen ist, das dazu vorgesehen ist, die Leitungsdrähte zu schützen; das Leitungsdraht-Schutzbauteil einen Kopfendenabschnitt hat, der an dem Heizelement-Haltebauteil hängt; die Leitungsdrähte über ein Dichtungsbauteil, das sich aus einem elastischen Bauteil mit Isoliereigenschaften zusammensetzt, aus einer Fußendenseite des Leitungsdraht-Schutzbauteils herausgezogen sind; und das Leitungsdraht-Schutzbauteil auf seiner Fußendenseite über seinen ganzen Umfang zusammen mit dem Dichtungsbauteil unbeweglich gequetscht ist.
Keramikheizung nach Anspruch 5, wobei: das Heizelementhaltebauteil einen zylinderförmigen Abschnitt hat, der durch Laserschweißen über seinen ganzen Umfang an dem Leitungsdraht-Schutzbauteil hängt.
Vorrichtung zum Befestigen einer Keramikheizung in einer Befestigung, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Keramikheizelement, das über Leitungsdrähte mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden wird, um Wärme zu erzeugen, wenn über die Leitungsdrähte Strom zugeführt wird, und das so ausgebildet ist, dass es einen Wärmeerzeugungsabschnitt hat, der auf einer Kopfendenseite des Keramikheizelements gelegen ist; und ein Heizelement-Befestigungsmittel, das das Keramikheizelement derart an einer Befestigung befestigt, dass sich der Wärmeerzeugungsabschnitt in einem zu erwärmenden Fluid in der Befestigung befindet, wobei: die Befestigung mit einem Gewindeabschnitt und einem sich verjüngenden Abschnitt versehen ist; das Heizelement-Befestigungsmittel mit einem Gewindeabschnitt, einem Dichtungsabschnitt, einem Heizelement-Einführloch, mittels dem das Keramikheizelement innen eingeführt ist, und einem Heizelement-Verbindungsmittel versehen ist, das das Keramikheizelement mit dem Heizelement-Befestigungsmittel verbindet; das Keramikheizelement von dem Heizelement-Einführloch unbeweglich gehalten wird; der Gewindeabschnitt der Befestigung und der Gewindeabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels verschraubt werden, um den Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels mit dem sich verjüngenden Abschnitt der Befestigung in Kontakt zu bringen; und das Heizelement-Verbindungsmittel in Bezug auf den Dichtungsabschnitt des Heizelement-Befestigungsmittels auf einer Fußendenseite vorgesehen ist.