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Die Erfindung geht aus von einer Glühkerze mit einem Heizstab, der ein Schutzrohr und einen keramischen Glühstift aufweist. Ein Heizstab für eine Glühkerze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 220 036 A1 bekannt.
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In der Regel wird bei keramischen Glühkerzen ein Schutzrohr als Massekontakt für den Glühstift verwendet und ein Innenleiter des Glühstifts elektrisch von einem ring- oder hülsenförmigen Kontaktelement kontaktiert, beispielsweise indem ein sich verjüngender Endabschnitt des Glühstifts in das Kontaktelement gesteckt wird und dort verlötet wird. Eine präzise axiale Ausrichtung des Glühstifts sowie der Lötvorgang erfordern einen erheblichen Aufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb einen Weg aufzuzeigen, wie die Herstellung einer Glühkerze vereinfacht und dabei dennoch eine präzise axiale Ausrichtung des Glühstifts erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Heizstab für eine Glühkerze mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, eine Glühkerze mit einem solchen Heizstab sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Heizstabs gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Heizstab und somit auch bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze wird eine zuverlässige elektrische Kontaktierung zwischen Glühstift und Kontaktelement erreicht, indem das Kontaktelement unter Vorspannung, vorzugsweise axialer Vorspannung, gegen den Glühstift gedrückt wird. Kontaktelement und Glühstift können so lotfrei verbunden werden, was eine erhebliche Vereinfachung des Fertigungsprozesses bedeutet. Insbesondere kann so vermieden werden, dass die axiale Ausrichtung des Glühstifts durch ungleichmäßig aufgetragenes Lot beeinträchtigt wird.
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Die Vorspannung lässt sich beispielsweise erzeugen, indem der Glühstift in das Schutzrohr gesteckt, dann das Kontaktelement an dem Glühstift angebracht, z.B. auf den Glühstift aufgesteckt wird, danach das Schutzrohr an seinem hinteren, von der Glühspitze abgewandten Ende eingezogen oder umgebördelt wird und danach axial gestaucht wird. Bevorzugt wird das Schutzrohr axial gestaucht, während zumindest ein Abschnitt des Schutzrohres erhitzt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Schutzrohr, nachdem sein hinteres Ende eingezogen oder umgebördelt wurde, umlaufend eingedrückt werden, beispielsweise indem eine Ringnut erzeugt wird. Durch das axiale Stauchen oder das radiale Einbuchten des Schutzrohrs wird in dem Schutzrohr eine Zugspannung erzeugt, die in seiner Längsrichtung wirkt. Diese Zugspannung drückt die in dem Schutzrohr angeordneten Komponenten gegeneinander, also das Kontaktelement gegen den Anschlussabschnitt des Glühstifts.
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Erfindungsgemäß ist vorgsehen, dass der Glühstift einen Abschnitt aufweist, der sich in dem Schutzrohr in Richtung zu dem Anschlussabschnitt hin verdickt und dadurch eine Anschlagfläche bildet, mit welcher der Glühstift unter Vorspannung gegen eine Innenfläche des Schutzrohres gedrückt wird. Die Anschlagfläche kann beispielsweise eine kegelstumpfförmige Fläche sein. Bevorzugt hat das Schutzrohr einen vorderen zylindrischen Abschnitt und einen hinteren zylindrischen Abschnitt, zwischen denen ein Übergangsabschnitt ist, dessen Innenfläche an der Anschlagfläche anliegt.
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Bevorzugt ist das Schutzrohr einstückig ausgebildet und erstreckt sich bis zu einem hinteren Ende des Heizstabs, aus dem ein Anschluss für den Innenpol der Glühkerze herausragen kann, beispielsweise ein Stift, der einstückig mit dem Kontaktelement ausgebildet sein kann. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der für einen Heizstab bzw. eine Glühkerze benötigten Bauteile vorteilhaft reduzieren. Es ist aber auch möglich, das Schutzrohr an seinem hinteren Ende mit einem separaten Bauteil zu verschließen, beispielsweise einem angeschweißten Rohrabschnitt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Glühstift in das Schutzrohr eingepresst ist, also mit dem Schutzrohr einen Pressverband bildet. Vorteilhaft wird der Glühstift so sicher und zuverlässig in dem Schutzrohr gehalten. Beispielsweise kann der Glühstift von hinten in das Schutzrohr gepresst werden, bis eine Anschlagfläche des Glühstifts an einer konischen Innenfläche des Schutzrohrs anliegt. Zwischen einem vorderen Abschnitt des Glühstifts und dem Schutzrohr kann dabei ein Ringspalt bleiben. In diesem Fall wird der Pressverband nur von einem hinteren Abschnitt des Glühstifts und dem Schutzrohr gebildet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Anschlussabschnitt des Glühstifts verjüngt, beispielsweise konisch verjüngt, und in das Kontaktelement gesteckt ist. Das Kontaktelement kann dabei als Ring oder Hülse ausgebildet sein. Möglich ist beispielsweise auch, dass das Kontaktelement eine konisch geformte Aufnahme hat, in welche der Anschlussabschnitt des Glühstifts hineinragt. Durch eine Längsverspannung kann der Anschlussabschnitt des Glühstifts in das Kontaktelement gedrückt werden und eine Anpresskraft erzeugt werden. Ist bei einem sich konisch verjüngenden Anschlussabschnitt und einem passend dazu geformten Kontaktelement der Öffnungswinkel des Konus spitz genug, kann auch schon durch die Reibung zwischen dem Anschlussabschnitt des Glühstifts und dem Kontaktelement eine Anpresskraft in radialer Richtung realisiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das hintere Ende des Schutzrohres umgebördelt ist. Auf diese Weise kann die Anzahl der Bauteile der Glühkerze vorteilhaft gering gehalten werden.
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Glühstift, Kontaktelement und Schutzrohr bilden als Heizstab eine bauliche Einheit, die in einen metallischen Körper einer Glühkerze eingesetzt werden kann. Ein erfindungsgemäßer Heizstab kann in unterschiedlich gestaltete metallische Körper eingesetzt werden, um Glühkerzen gemäß den Abmessungen unterschiedlicher Motoren zu schaffen. Ein erfindungsgemäßer Heizstab kann vorteilhaft für Glühkerzen mit und ohne Druckmessfunktion verwendet werden.
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Im Rahmen der Anmeldung wird mit „vorne“ das Ende des Glühstifts bezeichnet, an dem sich die Glühspitze befindet, und mit „hinten“ das entgegengesetzte Ende. Bei anderen Bauteilen, etwa dem Schutzrohr, wird dementsprechend „vorne“ für das der Glühspitze nächstliegende Ende und mit „hinten“ das entgegengesetzte Ende bezeichnet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Glühkerze;
- 2 eine Schnittansicht zu 1
- 3 eine Ausführungsbeispiel des Heizstabs der Glühkerze in einer teilweise geschnittene Ansicht;
- 4 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Heizstabs für eine erfindungsgemäßen Glühkerze;
- 5 eine Detailansicht zu 3;
- 6 eine schematische Darstellung eines Fertigungsschritts des in 3 gezeigten Heizstabs;
- 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Fertigungsschritts der in 3 gezeigten Heizstabs; und
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8 eine schematische Darstellung der fertigen Glühkerze.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Glühkerze gezeigt. 2 zeigt eine geschnittene Ansicht dieser Glühkerze, die einen Heizstab 10, einen metallischen Körper 60, aus dem der Heizstab 10 herausragt, einen an den Heizstab 10 angeschlossenen Innenpol 50, der in dem Körper 60 angeordnet ist, und einen leitend mit dem Innenpol 50 verbundenen elektrischen Anschluss 20, beispielsweise einen Steckanschluss, aufweist. Der Innenpol 50 kann beispielsweise als ein Rohr oder eine Stange ausgeführt und mittels einer Isolierbuchse 30 elektrisch von dem Körper 60 isoliert sein. Zur Abdichtung des Körpers 60 kann eine Dichtung 40 vorgesehen sein, die den Innenpol 50 am hinteren Ende des Körpers 60 umgibt.
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Der Anschluss 20 kann mit dem Innenpol 50 an einer Verbindungsstelle 60 verschweißt sein. An seinem anderen Ende kann der Innenpol 50 elektrisch an einer Verbindungsstelle 80 mit dem Heizstab 10 verbunden, beispielsweise durch Verschweißen.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Heizstabs 10 der in 1 und 2 gezeigten Glühkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht dargestellt. Der Heizstab hat einen keramischen Glühstift 1, der in einem Schutzrohr 2 gehalten und in dem Schutzrohr 2 von einem Kontaktelement 3 elektrisch kontaktiert wird. Der Glühstift 1 ragt aus dem vorderen Ende des Schutzrohrs 2 heraus und hat an seinem vorderen Ende eine Glühspitze.
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Der Glühstift 1 hat einen elektrisch leitenden Kern 1.1, eine Isolationsschicht 1.2, die den Kern 1.1 umgibt, und einen äußeren Leiter 1.3, der die Isolationsschicht 1.2 umgibt. Der äußere Leiter 1.3 und der Kern 1.1 sind an dem vorderen Ende des Glühstifts 1 durch eine Deckschicht 1.4, welche die Glühspitze bildet, elektrisch leitend verbunden.
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An seinem hinteren Ende hat der Glühstift 1 einen sich verjüngenden Anschlussabschnitt 1.6, beispielsweise einen konisch geformten Anschlussabschnitt. Der Anschlussabschnitt 1.6 steckt in dem Kontaktelement 3, das so elektrisch leitend mit dem Kern 1.1 des Glühstifts 1 verbunden ist. Das Kontaktelement 3 kann einstückig mit einem Anschlussstift 3.1 des Heizstabs ausgebildet sein, der aus dem hinteren Ende des Schutzrohrs 2 herausragt. Ein Isolator 4, z.B. ein Ring oder eine Hülse, umgibt den Anschlussstift 3.1 und isoliert das Kontaktelement 3 elektrisch von dem Schutzrohr 2. Zwischen dem Isolator 4 und dem Kontaktelement 3 kann eine Dichtscheibe 5, bevorzugt aus Metall (z.B. aus Kupfer oder Messing), liegen, beispielsweise auf einer Schulter 3.2 des Kontaktelements 3. Zur Abdichtung kann eine Dichtscheibe auch zwischen Glühstift 1 und Schutzrohr 2 angeordnet sein, insbesondere an der Anschlagfläche 1.5. An seinem hinteren Ende ist das Schutzrohr 2 durch eine Umbördelung 2.1 verschlossen
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Das Kontaktelement 3 wird in dem Heizstab unter Vorspannung gegen den Glühstift 1 gedrückt, genauer gesagt gegen den Anschlussabschnitt 1.6 des Glühstifts 1. Auf diese Weise wird lotfrei eine zuverlässige elektrische Kontaktierung zwischen dem Glühstift 1 und dem Kontaktelement 3 erreicht. Anhand der 6 bis 8 wird im Folgenden ein Beispiel erläutert, wie diese Vorspannung erzeugt werden kann.
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Zunächst wird der Glühstift 1 in das Schutzrohr 2 gesteckt und das Kontaktelement 3 auf den Anschlussabschnitt 1.6 des Glühstifts 1 aufgesteckt. Dann werden der Isolator 4, und falls gewünscht auch die Dichtscheibe 5, auf das Kontaktelement 3 gelegt und das Schutzrohr 2 an seinem hinteren Ende verschlossen, beispielsweise durch Umbördeln. Wie 6 schematisch zeigt, wird der Heizstab bzw. das Schutzrohr 2 dann in diesem Zustand mit einer Heizeinheit 6, beispielsweise einer Induktionsschleife, zumindest lokal erhitzt.
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Im erhitzten Zustand wird dann das Schutzrohr 2 in axialer Richtung gestaucht, beispielsweise mittels Stempeln 7, 8, wie in 7 schematisch dargestellt. Beim Abkühlen entsteht in dem Schutzrohr 2 dann eine axiale Zugspannung. Diese Zugspannung bewirkt einen axialen Druck auf das Kontaktelement 3 und somit eine Vorspannung, die das Kontaktelement 3 gegen den Glühstift 1 drückt. Der zur Längsstauchung vorgesehene Bereich kann gezielt dadurch eingegrenzt werden, dass an dieser Stelle eine Einbuchtung oder eine Wandstärkenschwächung vorgesehen und dadurch die Längssteifigkeit verringert wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine axiale Vorspannung auch erzeugt bzw. verstärkt werden, indem in den erhitzen Abschnitt des Schutzrohrs 2 mit einem Werkzeug 9 eine umlaufende Einbuchtung 2.2 eingedrückt wird. 8 zeigt den fertigen Heizstab 10, bei dem dann das Kontaktelement 3 unter axialer Vorspannung gegen den Glühstift 1 gedrückt wird.
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Der durch axiale Vorspannung erzeugt Druck, der Kontaktelement 3 und Glühstift 1 gegeneinander drückt, muss in dem Schutzrohr 2 aufgenommen werden. Einerseits wird der Druck von dem verschlossenen Ende des Schutzrohrs 2 aufgenommen, andererseits von einer Innenfläche des Schutzrohrs 2, gegen die eine Anschlagfläche 1.5 des Glühstifts 1 gedrückt wird, die in 5 gezeigt ist. 5 zeigt eine Detailansicht B zu 3.
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Die Anschlagfläche 1.5 wird von einem Abschnitt des Glühstifts 1 gebildet, der sich in dem Schutzrohr in Richtung von vorne nach hinten verdickt, also zu dem Anschlussabschnitt 1.6 hin verdickt. Diese Anschlagfläche 1.5 wird durch die axiale Vorspannung gegen eine Innenfläche eines kegelstumpfförmigen Abschnitts des Schutzrohrs 2 gedrückt. Vor diesem kegelstumpfförmigen Abschnitt hat das Schutzrohr 2 einen zylindrischen Abschnitt und hinter diesem kegelstumpfförmigen Abschnitt einen weiteren zylindrischen Abschnitt. Der hinter zylindrische Abschnitt hat dabei einen größeren Durchmesser als der vordere zylindrische Abschnitt.
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Die Einbuchtung 2.2 liegt in axialer Richtung hinter der Anschlagfläche 1.5. Die Einbuchtung 2.2 kann beispielsweise den sich verjüngenden Anschlussabschnitt 1.6 umgeben, insbesondere vor dem Kontaktelement 3.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizstabs für eine Glühkerze gemäß 1 und 2 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3 nur in der Ausgestaltung des Übergangs 1.7 am vorderen Ende des Anschlussabschnitts 1.6.
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Ein weiteres (nicht dargestelltes) Ausführungsbeispiel hat den vorstehend beschriebenen Aufbau, jedoch wird zur Abdichtung keine gesonderte Dichtscheibe 5 verwendet, sondern das Schutzrohr 2 im Bereich der Anschlagfläche mit einem Dichtwerkstoff beschichtet, beispielsweise einem Metall wie etwa Kupfer oder Messing. Der Dichtwerkstoff wird dann bei der Montage plastisch verformt und so ein Spalt zwischen Glühstift 1 und Schutzrohr 2 abgedichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Glühstift
- 1.1
- Kern
- 1.2
- Isolationsschicht
- 1.3
- äußerer Leiter
- 1.4
- Deckschicht
- 1.5
- Anschlagfläche
- 1.6
- Anschlussabschnitt
- 1.7
- Übergang
- 2
- Schutzrohr
- 2.1
- Umbördelung
- 3
- Innenpolkopf
- 3.1
- Kontaktstift
- 3.2
- Schulter
- 4
- Isolator
- 5
- Dichtscheibe
- 6
- Heizeinheit
- 7
- Stempel
- 8
- Stempel
- 9
- Werkzeug
- 10
- Heizstab
- 20
- Anschluss
- 30
- Isolierhülse
- 40
- Dichtung
- 50
- Innenpol
- 60
- Körper
- 70
- Verbindungsstelle
- 80
- Verbindungsstelle
