DE19539516A1 - Keramikteil mit Halteelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramikteil mit einem Halteelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Keramikteiles mit Halteelement bzw. ein Verfahren zum Anbringen eines Halteelementes an einem Keramikteil.

Ein Beispiel für derartige Keramikteile sind Zündelektroden von Brennern. Die Zündelektroden von Brennern werden mit einer Spannung in der Größenordnung von mehreren kV (bis zu 20 kV) versorgt und müssen deshalb gut isoliert sein. Zu diesem Zweck verwendet man hohlzylindrische Keramikteile, wobei sich durch das hohle Innere dieser Keramikteile jeweils eine metallische Zündelektrode erstreckt, die an einem Ende als Zündelement dient und an dem anderen Ende einen Anschluß für die Verbindung mit der Spannungsquelle aufweist. Keramikteile werden an dieser Stelle wegen ihrer hohen Isolationsfestigkeit, wegen ihrer Formstabilität und ihrer mechanischen und thermischen Festigkeit verwendet. Üblicherweise wurden an derartigen Keramikteilen mit passenden Bohrungen versehene Haltebleche befestigt, wobei das Keramikteil im Bereich der Bohrung an dem Halteblech befestigt werden mußte. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten, die jedoch allesamt gewisse Nachteile aufweisen. Zum einen kann man die Keramikteile in entsprechende Bohrungen der Bleche einkleben. Dies hat jedoch hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit des Klebers und insbesondere hinsichtlich seiner Temperaturbeständigkeit erhebliche Nachteile, da man damit rechnen muß, daß sich die Zündelektrode im Laufe der Zeit lockert und aus dem Halteblech herausrutscht. Überwiegend ist man daher so vorgegangen, daß man derartige Keramikteile in Aufnahmebohrungen eines Haltebleches eingesteckt und anschließend mit Hilfe entsprechender Press- oder Quetschwerkzeuge das Halteblech entlang des Umfanges des Keramikteiles axial und radial nach innen gedrückt bzw. gestaucht hat, so daß es fest an das Keramikteil angepreßt wurde. Dies bringt jedoch eine erhebliche mechanische Belastung des Keramikteiles mit sich, welches im Regelfall sehr bruchempfindlich ist. Häufig traten deshalb bei dieser oder bei vergleichbaren Befestigungsmethoden mit mechanischer Belastung des Keramikteiles Risse in dem Keramikteil auf, die oftmals sehr fein waren und deshalb unentdeckt blieben. Bei der späteren Benutzung des Keramikteiles wurde dieses dann häufig wechselnden Temperaturen ausgesetzt, wobei sich beim Abkühlen auch Feuchtigkeit an dem Keramikteil bzw. dem umgebenden Halteblech niederschlagen konnte. Daher konnte in entsprechende Risse des Keramikteiles Feuchtigkeit eindringen, die sich zudem im Laufe der Zeit zunehmend vergrößerten. Dies führte dann schließlich zur mangelnden Isolationsfestigkeit des Keramikteiles und zum Ausfall der Zündelektrode oder dergleichen. Andererseits hielt man in der Vergangenheit jedoch angesichts der Temperaturen und der mechanischen Belastungen, die in der Nähe derartige Elemente auftreten, die Verwendung von relativ temperaturunempfindlichem und stabilem Blechmaterial für unabdingbar.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Keramikteil mit Halteelement bzw. ein Verfahren zum Anbringen eines entsprechenden Halteelementes an einem Keramikteil zu schaffen, welche die Keramikteile weniger belasten und damit bei ihrer Anbringung oder im Gebrauch keine oder weniger Risse in dem betreffenden Keramikteil hervorrufen, gegebenenfalls entstandene Risse sicher abdecken und insgesamt die Spannungsfestigkeit bzw. Isolationsfähigkeit entsprechender Elemente verbessern.

Hinsichtlich des Keramikteiles selbst wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß es mit einem Halteelement aus Kunststoff umspritzt ist.

Die Verbindung von Keramik und Kunststoff ist an sich unüblich. Kunststoff kann zwar in bestimmten Bereichen, z. B. wenn es allein um Spannungsfestigkeit und Isolierung geht, Keramik ersetzen, hat jedoch bei weitem nicht die Formstabilität und Temperaturbestandigkeit von Keramik. Insofern wurde bei vergleichbaren Anwendungsfällen, bei denen es weniger auf Temperaturfestig­ keit oder Verschleißfestigkeit ankommt, üblicherweise Kunststoff anstelle der Keramik eingesetzt.

Außerdem ist die mechanische Verbindung zwischen Kunststoff und Keramik nicht in allen Fällen problemlos herstellbar und schließlich wird das Keramikteil beim Umspritzen mit Kunststoff zumindest thermisch belastet. Dies gilt umso mehr bei Anwendungen, in welchen notwendigerwei­ se ein relativ temperaturbeständiger und damit auch hochschmelzender Kunststoff verwendet werden muß.

Dennoch hat sich bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung herausgestellt, daß es möglich ist, Keramikteile so mit Kunststoffmaterial, und insbesondere mit relativ hitzebeständigem Kunststoffmaterial zu umspritzen, daß zum einen ein fester mechanischer Verbund zwischen Kunststoff und Keramik hervorgerufen wird und zum anderen keine Risse in dem Keramikmaterial entstehen.

Vorzugsweise ist das Halteelement plattenförmig und weist Befestigungsbohrungen zum Anbringen des Halteelementes an weiteren Teilen auf.

Zur Herstellung einer guten mechanischen Verbindung zwischen Kunststoff und Keramikteil hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Keramikteil in dem mit Kunststoff beaufschlagten Bereich glasurfreie Flächen aufweist. Im Falle einer im wesentlichen zylindrischen Isolationshülse für Zündelektroden und dergleichen sollte z. B. ein ringförmig umlaufender Streifen auf der Außenseite des Keramikteiles von Glasur freigehalten werden. Besonders günstig ist es außerdem, wenn das Keramikteil in dem mit Kunststoff beaufschlagten Bereich Vorsprünge oder Vertiefungen bzw. Aussparungen aufweist, wobei im Falle des zylindrischen Keramikteiles für Elektroden und dergleichen ein ringförmig umlaufender Bund besonders bevorzugt ist. Dabei sollte dann dieser umlaufende Bund von Glasur freigehalten werden. Durch das Umspritzen kann dann der von Glasur freigehaltene Bereich vollständig von dem Kunststoff bedeckt werden, so daß im übrigen ein dichter Abschluß zwischen dem Kunststoff und der glasierten Keramikoberfläche erzielt wird, der auch Brenngas- und Abgasdichtigkeit gewährt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Kunststoff ein vorzugsweise mit Zusatzstoffen gefülltes Polyphthalamid ist. Die Füllung sollte dabei nach Möglichkeit aus Glas- oder Mineralfasern bestehen. Das plattenförmige Kunststoffteil sollte zweckmäßigerweise zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise 5 mm dick sein, wobei dieser Kunststoff jedoch gerade im Anspritzbereich auch verstärkt sein kann, und im Falle des zylindrischen Keramikteiles z. B. in Form eines zylindrischen, sich axial zum übrigen, plattenförmi­ gen Kunststoffteil erstreckenden Ansatzes ausgebildet sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Keramikteiles mit Halteelement ist dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteil mit einem vorzugsweise hitzebeständigen Kunststoff in einem die Form des Halteelementes definierenden Formgebungswerkzeug umspritzt wird.

Vorzugsweise wird hierzu eine im wesentlichen plattenförmige Form ausgewählt, wobei die Form gegebenenfalls Öffnungen oder Aussparungen für die Aufnahme bzw. das Hindurchführen von Teilen des Keramikteiles aufweist, die nicht von Kunststoff beaufschlagt werden sollen. Für die Herstellung entsprechender Keramikteile mit Halterung werden die Keramikteile zumindest auf einem Teil der Fläche, die mit Kunststoff beaufschlagt wird, von Glasur freigehalten, um eine bessere mechanische Verbindung zwischen Kunststoff und Keramik zu erzielen. Als hitzebeständi­ ger Kunststoff wird vorzugsweise ein Polyphthalamid verwendet, welches zweckmäßigerweise auch noch mit Glas- und/oder Mineralfasern verstärkt ist, und zwar in einer Menge von 30 bis 80%, vorzugsweise 60-70%. Ein solches Polyphthalamid wird z. B. unter der Bezeichnung Amodel A-1565 HS - PAM - gehandelt. Zweckmäßigerweise wird dieser Kunststoff mit einer Temperatur von etwa 330°C auf das Keramikteil aufgespritzt, wobei das Formgebungswerkzeug vorzugsweise eine Temperatur im Bereich zwischen 80°C und 150°C hat. Es hat sich herausgestellt, daß die so umspritzten Keramikteile den schnellen Temperaturwechsel beim Umspritzen aushalten, was unter anderem auch damit zusammenhängen mag, daß der Kunststoff beim Kontakt mit der Keramikoberfläche sehr schnell abkühlt und nur eine geringe Wärmeleitfähig­ keit aufweist. Die entsprechenden fertigen Keramikteile mit Halteelement weisen eine erheblich verbesserte Spannungs- und Isolationsfestigkeit auf, da der Kunststoff selbst nicht leitfähig ist und eine zusätzliche Isolationsstrecke liefert. Außerdem ist Kunststoff im Vergleich zu dem sonst an dieser Stelle verwendeten Blech korrosionsbeständig, was insbesondere beim Auftreten von Kondenswasser von erheblicher Bedeutung ist. Selbst wenn sich in dem Keramikkörper Risse bilden, führt dies noch nicht zum Ausfall des betreffenden Bauteiles, da auch der Kunststoff immer noch eine ausreichende Isolation bereitstellt. Außerdem wird Gasdurchtritt, insbesondere von Abgas und Brenngas, an der Verbindungsstelle sicher vermieden. Zumindest bei der Verwendung des bevorzugten Kunststoffes, der temperaturbeständig und mit Glas- und/oder Mineralfasern verstärkt ist, hat der Kunststoff auch die notwendige Formstabilität und kann z. B. als Halter für die Zündelektroden von Brennern oder auch für Ionisationselektroden von Brennern verwendet werden. Auch die Brennerdüse, die im allgemeinen nicht aus Keramik besteht, kann gleichzeitig von dem Halteelement aus Kunststoff gehaltert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine zylindrische Zündelektrode mit einem daran angespritzten Haltee­ lement im Längsschnitt, und

Fig. 2 einen kompletten Zündbrennersatz mit Zündelektrode, Ionisationselektrode und Zündbrennerdüse, welche in einem gemeinsamen Kunststoffelement gehaltert sind.

Man erkennt in Fig. 1 die zylindrische, in einer Seitenansicht dargestellte Keramikhülse 1 einer Zündelektrode. Durch das hohle Innere der Keramikhülse 1 erstreckt sich die metallische Zündelektrode 3 und ragt an dem in Fig. 1 unten dargestellten Ende der Keramikhülse 1 aus dieser heraus. Am anderen Ende der Keramikhülse 1 erkennt man einen Hochspannungsanschluß 11. Die Keramikhülse 1 weist in der Nähe des oberen Endes einen umlaufenden, zylindrischen Bund 4 auf, der mindestens teilweise von Glasur freigehalten wird und der vollständig von einem im Schnitt dargestellten zylindrischen Ansatz 7 des Kunststoffhalteelementes 2 umfaßt ist. Das Halteelement 2 besteht im wesentlichen aus dem ebenfalls im Schnitt dargestellten, plattenförmi­ gen Teil 6, welcher ebenfalls die Keramikhülse 1 im Bereich des Bundes 4 umfaßt, und dem von der Platte 6 ausgehenden zylindrischen Ansatz 7. Die Platte 6, die hier nur schematisch und nicht notwendigerweise im selben Maßstab wie der zylindrische Ansatz 7 dargestellt ist, weist außerdem eine oder mehrere Befestigungsbohrungen 5 auf, und kann so mit Schrauben an einem Gehäuse oder dergleichen befestigt werden. Das Gehäuse eines entsprechenden Brenners besteht im allgemeinen aus Blech.

In Fig. 2 ist ein kompletter Zündbrennersatz dargestellt, der aus einer zentralen Zünd­ brennerdüse 9, einer Zündelektrode mit der Keramikhülse 1′ und einer Ionisationselektrode mit einer Keramikhülse 1′′ besteht. Die Keramikhülsen 1′ und 1′′ unterscheiden sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform lediglich dadurch, daß in Fig. 2 kein entsprechender Bund 4 an den Keramikhülsen 1′, 1′′ dargestellt ist, obwohl dieser selbstverständlich auch hier ebenso vorhanden sein könnte. Auch die Position des Halteelementes 2 ist im Vergleich zu Fig. 1 in axialer Richtung entlang der Hülsen 1′, 1′′ mehr zur Mitte hin verschoben. Dies könnte jedoch in ähnlicher Weise auch bei der Hülse in Fig. 1 der Fall sein.

Das Halteelement 2 ist wiederum im wesentlichen plattenförmig und ist im mittleren Bereich, wo es die Hülsen 1′, 1′′ und die Brennerdüse 9 umfaßt, verstärkt ausgebildet. Während die Hülsen 1′ und 1′′ aus Keramikmaterial bestehen, kann die Brennerdüse aus Messing oder einem anderen Metall bestehen und ist in dem mittleren, von dem Kunststoff umspritzten Bereich verjüngt ausgebildet, um der Brennerdüse 9 einen besseren Halt in dem Kunststoffhalteelement 2 zu geben. Die Keramikhülsen 1′ und 1′′ sind vorzugsweise auch hier in dem von Kunststoff umspritzten Bereich mindestens teilweise von Glasur freigehalten, um eine feste und dichte Verbindung zwischen dem Kunststoffelement 2 und den Keramikteilen 1′, 1′′ zu erzielen. Das plattenförmige Teil 6 weist auch in diesem Fall Befestigungsbohrungen 5 auf, so daß dieser Brennersatz mit entsprechenden Schrauben, die sich durch die Bohrungen 5 hindurcherstrecken, an einem Brennergehäuse oder dergleichen befestigt werden kann. Sowohl für die Zündelektrode 3 als auch für die Ionisationselektrode 8, die zur Erzeugung einer abgasarmen Flamme 10 betragen, ist die Spannungsfestigkeit und Isolationsfähigkeit der Keramikhülsen 1′ bzw. 1′′ von größter Bedeutung, da sie mit sehr hohen Spannungen beaufschlagt werden und da im Falle der Ionisationselektrode 8 nur sehr kleine Ströme fließen, die bei fehlerhafter Isolation drastisch reduziert werden. Das erfindungsgemäße Vorsehen von Halteelementen aus Kunststoff für derartige Keramikteile und insbesondere für Spannungsisolatoren stellt die verbesserte Isolationsfähigkeit und Spannungsfestigkeit dadurch sicher, daß zum einen schon bei der Herstellung der Elektroden bzw. beim Anbringen des Halteelementes seltener Risse in den Keramikteilen entstehen und zum anderen auch dadurch, daß das Kunststoffmaterial selbst zur Isolation beiträgt, so daß es auch bei Auftreten kleiner Risse in dem Keramikmaterial nicht zu Isolationsfehlern kommt. Der dichte Abschluß zwischen Kunststoff und Keramik verhindert das Eindringen bzw. die Aufnahme von Wasser in eventuell vorhandenen Rissen und vermeidet damit Kriechströme durch ansonsten eindringende Feuchtigkeit. Zusätzlich zeichnet sich der verwendete Kunststoff durch die verbesserte Korrosionsbeständigkeit und Feuchtigkeitsunempfindlichkeit im Vergleich zu Metall aus. Die Langzeitstabilität und Formstabilität sowie die Hitzebeständigkeit des Kunststoffhalteelementes ist zumindest bei Verwendung der bevorzugten Materialien für die hier geschilderten Zwecke ausreichend.

Claims (19)

1. Keramikteil, insbesondere zur Isolation von zum Beispiel Zündelektroden (3) und Ionisations­ elektroden (8) von Brennern, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteil (1, 1′, 1′′) mit einem Halteelement (2) aus Kunststoff umspritzt ist.

2. Keramikteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (2) plattenförmig ausgebildet ist.

3. Keramikteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Kunststoff bestehende Halteelement (2) mindestens eine Befestigungsbohrung (5) aufweist.

4. Keramikteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in dem von Kunststoff beaufschlagten, umspritzten Abschnitt einen glasurfreien Bereich aufweist.

5. Keramikteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der glasurfreie Bereich vollständig durch Kunststoff abgedeckt ist.

6. Keramikteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es in dem von Kunststoff beaufschlagten Bereich Vorsprünge und/oder Aussparungen in seiner Oberfläche aufweist.

7. Keramikteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein vorzugsweise mit Glas- oder Mineralfasern gefülltes Polyphthalamid ist.

8. Keramikteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Füllmaterials aus Glas- oder Mineralfasern zwischen 40 und 80%, vorzugsweise zwischen 60 und 70% liegt.

9. Keramikteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen zylindrisch ist und daß das Halteelement aus Kunststoff das zylindrische Teil umfaßt und sich plattenförmig im wesentlichen senkrecht zu der Zylinderachse erstreckt.

10. Keramikteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Halteelement aus Kunststoff zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise etwa 5 mm dick ist.

11. Keramikteil nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement aus Kunststoff in dem das Keramikteil unmittelbar umgebenden Bereich einen senkrecht zum Plattenteil verlängerten Ansatz (7) aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung von Keramikteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anbringen eines Halteelementes an dem Keramikteil, vorzugs­ weise einen Keramikisolator für spannungsführende Teile, wie z. B. Zünd- und Ionisationselek­ troden für Brenner, das Keramikteil mit einem vorzugsweise hitzebestandigen Kunststoff in einem die Form des Halteelementes definierenden Formgebungswerkzeug umspritzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen plattenförmige Form als Spritzform verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff an ein zylindrisches Keramikteil in einem Bereich aufgespritzt wird, welcher in dem Umspritzungsbereich glasurfreie Flächen und vorzugsweise einen umlaufenden Bund oder eine umlaufende Nut aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein gefülltes Polyphthalamid verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial bei einer Temperatur von etwa 330°C um das Keramikteil gespritzt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial mit Glas- und/oder Mineralfasern verstärkt ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Material ein solches mit der Bezeichnung Amodel A-1565 HS PPA, verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Formungswerkzeuge auf eine Temperatur von 80°C bis 150°C vorgeheizt werden.