-
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement sowie eine Anordnung aus einem solchen Heizelement und einem zugehörigen Kontaktierungsmittel.
-
Stand der Technik
-
Beim Start eines Dieselmotors muss die Hürde überwunden werden, dass der Brennraum noch kalt ist und die Temperatur für die Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nur schwer erreicht werden kann. Zur Startunterstützung werden daher Glühkerzen verwendet, die den Brennraum elektrisch vorwärmen. Solche Glühkerzen sind beispielsweise aus der
EP 1 328 138 A1 , aus der
JP 4310565 B2 , aus der
EP 1 768 456 B1 , aus der
WO 2014/064279 A1 und aus der
WO 2010/071049 A1 bekannt.
-
Während das sogenannte Vorglühen früher mehrere Minuten in Anspruch nahm, ist heute vor dem Start nur noch eine Wartezeit von wenigen Sekunden notwendig. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die keramischen Glühkerzen gemäß den genannten Druckschriften mit Raten von mehreren hundert Kelvin pro Sekunde aufgeheizt werden können und nach wenigen Sekunden eine Temperatur über 1.000°C erreichen.
-
Die Glühkerze enthält ein elektrisches Heizelement, das zum Betrieb eine Zuleitung zum Pluspol und eine Zuleitung zum Minuspol der Fahrzeugbatterie benötigt. Die Zuleitung für den Minuspol wird in der Regel bereitgestellt, indem am Außenumfang des elektrischen Heizelements eine entsprechende Kontaktstelle vorgesehen ist. Das Heizelement wird entlang dieses Außenumfangs in eine Halterung an der Glühkerze eingespannt, die wiederum mit der Fahrzeugmasse und daher auch mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist. Die Verbindung mit dem Pluspol der Batterie gestaltet sich deutlich schwieriger. Es hat sich herausgestellt, dass ein großer Teil der Ausfälle von Glühkerzen nicht durch einen Defekt im Heizelement selbst, sondern durch ein Abreißen der Verbindung zum Pluspol der Batterie verursacht wird.
-
Aufgabe und Lösung
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Heizelement zur Verfügung zu stellen, dessen Kontaktierung mit der Stromquelle zuverlässiger ist als nach dem bisherigen Stand der Technik.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Heizelement gemäß Hauptanspruch sowie durch Anordnungen aus einem solchen Heizelement und zugehörigen Kontaktierungsmitteln gemäß Nebenansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der Erfindung wurde ein elektrisches Heizelement entwickelt, das einen elektrisch isolierenden Grundkörper enthält, in den ein Heizleiter eingebettet ist. Von dem Heizleiter sind mindestens zwei Zuleitungen zu Kontaktstellen geführt, wobei diese Kontaktstellen durch bündig anliegende Kontaktierungsmittel mit einer außerhalb des Grundkörpers angeordneten Stromquelle verbindbar sind.
-
Erfindungsgemäß ist mindestens eine erste Zuleitung am Ort einer ersten Kontaktstelle, zu der sie geführt ist, in einem Winkel zwischen 5° und 80°, bevorzugt zwischen 30° und 50°, abgeschrägt.
-
Es wurde erkannt, dass hierdurch ein definierter mechanischer Anschlag für die Verbindung der ersten Kontaktstelle mit dem Kontaktierungsmittel geschaffen werden kann. Dadurch wird es möglich, die Verbindung der Kontaktstelle mit dem Kontaktierungsmittel durch mechanisches Anpressen aufrecht zu erhalten.
-
Nach dem Stand der Technik erforderte diese Verbindung eine Schweißnaht beziehungsweise Lötstelle aus einem Material, das weniger temperaturfest war als der Heizleiter und die Zuleitungen. Bei den im Betrieb der Glühkerze auftretenden hohen Temperaturen und extrem schnellen Temperaturschwankungen haben sich diese Schweißnähte beziehungsweise Lötverbindungen als Schwachpunkt herausgestellt. Indem dieser Schwachpunkt fortfällt, wird die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert.
-
Indem die Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem Kontaktierungsmittel durch Anpressen gehalten werden kann, ist sie selbstzentrierend und selbstheilend. Sollte es aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Kontaktierungsmittel zu einer Relativbewegung zwischen der Kontaktstelle und dem Kontaktierungsmittel kommen, stellt sich diese Bewegung nach Wegfall ihrer Ursache selbsttätig wieder zurück. Lötverbindungen und Schweißnähte nach dem Stand der Technik konnten sich bei thermischer Beanspruchung und insbesondere bei wiederholten Temperaturzyklen allenfalls verschlechtern, aber nie wieder verbessern.
-
Weiterhin werden auch die beim Aufheizen des Heizelements entstehenden thermischen Spannungen durch die abgeschrägte Kontaktstelle teilweise umgelenkt, so dass ihre Tendenz, die Verbindung der Kontaktstelle mit dem Kontaktierungsmittel zu unterbrechen, vermindert ist.
-
Die Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem Kontaktierungsmittel muss nicht ausschließlich durch Anpressen gehalten werden. Sie kann beispielsweise zusätzlich durch Löten oder lokales Schmelzen der Kontaktzone gesichert sein. Wenn diese Methoden zum Einsatz kommen, kann alternativ auch auf ein Anpressen ganz verzichtet werden.
-
Das Kontaktierungsmittel kann in beliebiger Weise mit einem Pol der Stromquelle oder einer von ihm ausgehenden Zuleitung verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder lokales Schmelzen der Kontaktzone.
-
Die Zuleitung muss nicht entlang einer Ebene abgeschrägt sein. Ihre Schnittfläche, entlang der sie abgeschrägt ist, kann auch gekrümmt sein. Sie kann insbesondere entlang eines Kegelmantels verlaufen. Eine solche Schnittfläche entsteht beispielsweise, wenn ein Grundkörper mit einer darin eingebetteten Zuleitung kegelförmig zugeschnitten wird.
-
Für den Grundkörper, den Heizleiter, die Zuleitungen und die Kontaktierungsmittel sind mindestens all diejenigen Materialien geeignet, die auch nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet wurden. Insbesondere kann der Grundkörper eine Keramik sein.
-
Ein erfindungsgemäßes Heizelement muss nicht notwendigerweise von Grund auf neu hergestellt werden. Es können auch Heizelemente nach dem Stand der Technik zu erfindungsgemäßen Heizelementen aufgerüstet werden. Hierzu kann beispielsweise das Heizelement mit einer Schräge versehen, dort eine Kontaktstelle aufgebracht und diese mit der existierenden Zuleitung verbunden werden. Daher ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mindestens eine der Kontaktstellen über eine zumindest teilweise außerhalb des Grundkörpers verlaufende elektrisch leitfähige Brücke mit einer Zuleitung verbunden. Die Brücke kann beispielsweise durch einen Metallstift, eine Metallisierung auf der Oberfläche des Grundkörpers oder auch durch eine Lötverbindung realisiert sein.
-
Vorteilhaft ist der Grundkörper mindestens in einem Teil des Bereichs zwischen den beiden Kontaktstellen zylinderförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist dieser Zylinder ein Kreiszylinder. Diese Form ist nicht nur rotationssymmetrisch, sondern auch am einfachsten mechanisch zu bearbeiten. Der Zylinder kann aber beispielsweise auch einen polygonalen Querschnitt haben.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mündet der zylinderförmig ausgebildete Bereich des Grundkörpers in einen Kegel oder Kegelstumpf. Die erste Kontaktstelle ist im Bereich des Mantels des Kegels oder Kegelstumpfs angeordnet, so dass der Heizleiter auf einem durch diesen Mantel führenden Weg mit der Stromquelle verbindbar ist. Dabei muss der Kegel keine kreisförmige Grundfläche haben, sondern kann ausdrücklich auch eine polygonale Grundfläche haben, so dass sein Mantel Kanten aufweist.
-
Der als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildete Bereich des Grundkörpers ist zum Einen besonders einfach mechanisch zu fertigen, etwa durch Abdrehen. Zum Anderen ermöglich er in besonders einfacher Weise eine selbstzentrierende Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem Kontaktierungsmittel.
-
Vorteilhaft ist mindestens eine zweite Kontaktstelle im Bereich des Mantels des Bereichs angeordnet, in dem der Grundkörper zylinderförmig ausgebildet ist. Der Heizleiter ist auf einem durch diesen Mantel führenden Weg mit der Stromquelle verbindbar. Eine solche Kontaktstelle lässt sich besonders einfach mit einem Kontaktierungsmittel verbinden. Beispielsweise kann es genügen, den zylinderförmigen Grundkörper passgenau in eine zylinderförmige Halterung einzuspannen.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement als Zündhilfe für einen Fahrzeugmotor ausgebildet. Dort sind die Anforderungen in Bezug auf Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und extreme Temperaturschwankungen besonders hoch. In einer solchen Umgebung wird sich die robustere Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem Kontaktierungsmittel am ehesten bemerkbar machen.
-
Eine erste vorteilhafte Anordnung aus einem erfindungsgemäßen elektrischen Heizelement und einem dazugehörigen Kontaktierungsmittel nutzt eine an einem Zylinder des Fahrzeugmotors angeordnete, zylindrische, mit der Fahrzeugmasse verbundene Fassung als Kontaktierungsmittel. Die Verbindung zur Kontaktstelle, die im Bereich des Zylindermantels des Grundkörpers angeordnet ist, wird durch Einführen dieses zylindrischen Grundkörpers in die zylindrische Fassung hergestellt. Dann muss für die Verbindung des Heizelements mit dem Minuspol der Batterie keine zusätzliche Leitung im Fahrzeug verlegt werden. Weiterhin kann die Fassung verwendet werden, um überschüssige Wärme aus dem Heizelement abzutransportieren. Eine besonders hohe Temperatur wird nur an dem Ende der Glühkerze benötigt, das dem Brennraum im Zylinder des Fahrzeugmotors zugewandt ist. Am anderen Ende des zylindrischen Grundkörpers, an dem die Kontaktierungsmittel angeordnet sind, ist diese Wärme dagegen unerwünscht.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung eine umlaufende Hülse, die an der ersten Kontaktstelle abstützbar ist, als Kontaktierungsmittel. Diese Hülse kann insbesondere innerhalb einer Fassung verlaufen, in die das elektrische Heizelement einführbar ist. Die vom Heizelement abgegebene Wärme wird nicht nur wunschgemäß in die Umgebung des Heizelements abgestrahlt, sondern gleichzeitig durch Wärmeleitung auch in beide Zuleitungen (Plus- und Minuspol) eingekoppelt. Eine umlaufende Hülse ermöglicht es, einen großen Querschnitt für die Abführung dieser Wärme in einem besonders geringen Bauvolumen unterzubringen. Weiterhin ist eine solche Hülse besonders gut für eine selbstzentrierende Montage der Kontaktstelle an das Kontaktierungsmittel geeignet. Die Verbindung kann beispielsweise durch Ausüben einer Vorspannkraft zwischen dem Heizelement und dem Kontaktierungsmittel aufrecht erhalten werden.
-
Vorteilhaft ist das Kontaktierungsmittel als Federelement zur Ausübung einer Normalkraft auf die erste Kontaktstelle ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Relativbewegung zwischen dem Kontaktierungsmittel und der Kontaktstelle zugelassen werden, während der elektrische Kontakt zugleich jederzeit garantiert ist. So können insbesondere thermische Ausdehnungen des Grundkörpers aufgefangen werden, ohne dass der elektrische Kontakt zur Stromquelle abreißt. Zu diesem Zweck kann das Kontaktierungsmittel beispielsweise als Gitter oder Netz ausgebildet sein, das dann insbesondere dehnbar sein kann.
-
Vorteilhaft ist das Kontaktierungsmittel zur Verbindung mit der ersten Kontaktstelle im Wege einer Übermaßpassung mit dem Grundkörper plastisch deformierbar ausgebildet. Eine solche Übermaßpassung ermöglicht einen besonders hohen Anpressdruck zwischen der Kontaktstelle und dem Kontaktierungsmittel, was die Stabilität der Verbindung erhöht.
-
Vorteilhaft weist das Kontaktierungsmittel einen Dehnungsausgleichsbereich zur Aufnahme von Kräften durch thermische Ausdehnung des Grundkörpers auf. Dann hat diese thermische Ausdehnung nicht mehr zwangläufig zur Folge, dass die Anpresskraft zwischen dem Grundkörper und dem Kontaktierungsmittel, und damit auch die Qualität der Verbindung zwischen dem Kontaktierungsmittel und der Kontaktstelle, durch häufiges Aufheizen und Abkühlen dauerhaft geschwächt wird.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein zumindest teilweise vom Kontaktierungsmittel umgrenzter Raum mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt. Der Raum muss nicht durch das Kontaktierungsmittel allein umgrenzt sein. Zur Umgrenzung können beispielsweise auch der Grundkörper oder ein Pol der Stromquelle oder eine von einem solchen Pol ausgehende Zuleitung, an der das Kontaktierungsmittel angebracht ist, beitragen. Die Wärmeisolierung vermindert einen unerwünschten Wärmeeintrag beispielsweise auf den Pol, die Zuleitung oder die Verbindung des Pols oder der Zuleitung mit dem Kontaktierungsmittel.
-
Als wärmeisolierendes Material sind neben Luft oder Vakuum beispielsweise geeignet:
- • ein Pulver aus Metall, Kohlenstoff oder Keramik oder andere Arten von massiven oder hohlen Partikeln;
- • ein Siliziumharz oder ein Cyanatharz;
- • eine poröse oder zelluläre Struktur, etwa ein Schaum, aus Kohlenstoff, Keramik oder einem Metall
- • oder eine Kombination dieser Materialien.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Ausführungsbeispiele
-
Es zeigt:
-
1 Anordnung eines elektrischen Heizelements an einen Zylinder eines Fahrzeugmotors gemäß Stand der Technik,
-
2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heizelements mit konisch zulaufendem Grundkörper und umlaufender Hülse als Kontaktierungsmittel,
-
3 Anordnung aus konisch zulaufendem Heizelement und Kontaktierungsmittel mit Dehnungsausgleichsbereich,
-
4 Anordnung aus konisch zulaufendem Heizelement und Federelement als Kontaktierungsmittel und
-
5 Umrüstung eines Heizelements nach Stand der Technik zu einem erfindungsgemäßen Heizelement.
-
1a zeigt die prinzipielle Verwendung eines Heizelements 1 zur Startunterstützung an einem Zylinder 2 eines Fahrzeugmotors. Das Heizelement 1 ist durch eine Bohrung in der Wand 2a des Zylinders 2 bis in den Brennraum 2e geführt. In den Brennraum kann durch ein Einlassventil 2b Luft eingesaugt werden. Über ein Auslassventil 2c können Verbrennungsgase ausgestoßen werden. Ein Injektor 2d führt den Dieselkraftstoff in feinsten Tröpfchen zu. Bewegt sich der Kolben 2f im Brennraum 2e nach oben, wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert und dabei erhitzt, so dass es sich selbst entzündet. In der Startphase, wenn die Wand 2a des Zylinders 2 noch kalt ist, wird diese Selbstentzündung durch Vorwärmen mit dem Heizelement 1, das in eine Glühkerze eingefasst ist, unterstützt.
-
1b verdeutlicht die elektrische Kontaktierung und die innere Struktur des Heizelements 1. Das Heizelement besteht aus einem Grundkörper 11 und enthält einen Heizleiter 12, von dem Zuleitungen 13a und 13b ausgehen. Die Zuleitung 13a ist zu einer ersten Kontaktstelle + geführt, die durch eine Lötverbindung mit einem Kontaktierungsmittel 14a verbunden ist. Die Zuleitung 13b ist durch die Mantelfläche des im Wesentlichen zylindrischen Grundkörpers 11 mit einer zweiten Kontaktstelle – verbunden. Eine metallische Fassung 14b, die mit der Fahrzeugmasse verbunden ist und in die der Grundkörper passgenau einführbar ist, dient als Kontaktierungsmittel für die Kontaktstelle –. Beide Kontaktierungsmittel 14a und 14b sind mit einer Stromquelle 15 verbunden.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem ein kegelförmig zulaufender Grundkörper 11 über eine umlaufende Hülse als hierzu korrespondierendes Kontaktierungsmittel 14a mit dem Pluspol 15a der Stromquelle 15 verbunden ist. Der Grundkörper 11 hat einen Bereich 11a, in dem er als Abrundung oder als Kegelstumpf ausgebildet ist. Beim Betrieb in einer Glühkerze ist dieser Bereich im Brennraum 2e angeordnet. An den Bereich 11a schließt sich entlang der Längsachse des Grundkörpers 11 ein Bereich 11b an, in dem der Grundkörper kreiszylindrisch ausgebildet ist. In diesem Bereich ist die Kontaktstelle – angeordnet, die zur Zuleitung 13b gehört. Indem der Grundkörper 11 passgenau in eine mit der Fahrzeugmasse verbundene Fassung 14b eingesteckt ist, ist die Kontaktstelle – mit dem Minuspol der Stromquelle 15 (Fahrzeugbatterie) verbunden.
-
An den Bereich 11b schließt sich der Bereich 11c an, in dem der Grundkörper als Kegelstumpf ausgebildet ist. Die Zuleitung 13a mündet in eine Kontaktstelle +, die auf der Mantelfläche des Kegelstumpfs 11c liegt und dadurch abgeschrägt ist. Die umlaufende Hülse 14a ist auf dem Mantel des Kegelstumpfs 11c und damit auch auf der Kontaktstelle + abgestützt. Sie verläuft konzentrisch zur Fassung 14b. Mit dem Pluspol 15a der Stromquelle 15 ist die Hülse 14a durch Löten, Schweißen, Verstemmen oder Einpressen verbunden. Um diese Kontaktstelle vor übermäßiger Hitzeeinwirkung durch das Heizelement 1 zu schützen, ist das Innere der Hülse 14a zwischen dem Pluspol 15a und dem Kegelstumpf 11c zwecks Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit mit einem Füllmaterial 14a1 gefüllt. Das Füllmaterial 14a1 besteht aus einem Pulver oder einem porösen Körper, der als Metall, Keramik oder als Mischung aus Metall und Keramik ausgebildet ist.
-
3 zeigt die Integration eines Dehnungsausgleichsbereichs in das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel. Der Dehnungsausgleichsbereich 14a2 ist an der umlaufenden Hülse 14a zwischen dem Kegelstumpf 11c und dem Pluspol 15a angeordnet. Dehnt sich der längliche Grundkörper 11 thermisch aus, nimmt der Dehnungsausgleichsbereich 14a2 die dabei entstehenden Kräfte auf. Kühlt der Grundkörper 11 wieder ab, federt der Dehnungsausgleichsbereich 14a2 zurück, so dass die Vorspannkraft zwischen der Hülse 14a und der Kontaktstelle + erhalten bleibt. Die Kontaktstelle – ist wie im vorigen Ausführungsbeispiel durch die Fassung 11b mit der Fahrzeugmasse, und damit auch mit dem Minuspol der Stromquelle, verbunden.
-
4 zeigt die Kombination eines kegelförmig zulaufenden Heizelements 1 mit einem als Federelement 14a3 ausgebildeten Kontaktierungsmittel 14a. Das Federelement 14a3 weist Backen 14a4 auf, die sich gegen die Federkraft ins Innere des Federelements 14a3 drücken lassen. Der Pluspol 15a der Stromquelle 15 ist von links gegen die Backen 14a4 gedrückt, so dass bereits ohne Löten eine Verbindung mit dem Kontaktierungsmittel 14a gegeben ist. Diese Verbindung kann jedoch, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, weiter gefestigt werden. Das Heizelement 1 mit dem konisch zulaufenden Grundkörper 11 ist von rechts gegen die Backen 14a4 gedrückt, so dass die Federkraft eine Normalkraft auf die Kontaktstelle + am Kegelstumpfmantel am Ende des Grundkörpers 11 ausübt. Die Kontaktstelle – am Zylindermantel des Grundkörpers 11 ist wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen durch Einschieben des Grundkörpers in eine metallische, mit der Fahrzeugmasse verbundene Fassung 14b mit dieser kontaktiert. Der Innenraum des Federelements 14a3 ist mit Füllmaterial 14a1 gefüllt, um einen Wärmeübertrag auf den Pluspol 15a zu vermeiden.
-
5 zeigt die Umrüstung eines Heizelements 1 nach dem Stand der Technik zu einem erfindungsgemäßen Heizelement 1. Das linke Ende des Grundkörpers 11 (Bereich 11c) war vor der Umrüstung ebenso zylinderförmig wie der angrenzende Bereich 11b. Die Zuleitung 13a trat im Bereich 11c in der Mittelachse des Zylinders an die Oberfläche.
-
Zur Umrüstung wurde zunächst im Bereich 11c die Zylinderform zu einem Kegelstumpf abgeschliffen. Auf dem Mantel des Kegelstumpfs wurde durch Aufbringen einer Metallisierung eine neue Kontaktstelle + geschaffen. Diese wurde mit einer metallischen Brücke 16 mit der aus der Mittelachse des Kegelstumpfes tretenden Zuleitung 13a verbunden. Auf dem Mantel des Kegelstumpfes, und damit auch auf der neuen Kontaktstelle +, ist die umlaufende Hülse 14a als Kontaktierungsmittel abgestützt. Sie ist über eine Lötverbindung mit dem Pluspol 15a der Stromquelle verbunden. Die zweite Kontaktstelle –, die zur Zuleitung 13b gehört, ist über die Fassung 14b, in der der Grundkörper 11 steckt, mit der Fahrzeugmasse verbunden. Dadurch ist der Stromkreis geschlossen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1328138 A1 [0002]
- JP 4310565 B2 [0002]
- EP 1768456 B1 [0002]
- WO 2014/064279 A1 [0002]
- WO 2010/071049 A1 [0002]
