DE19930334A1 - Keramischer Heizstab und diesen enthaltende Glühkerze und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Heizstab mit einem Heizelement aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, das einen im Längsschnit U-förmigen Heizbereich integral anschließend an ein Leiterpaar aufweist, wobei das Heizelement (1a) in einem Heizstabkörper (1b) aus elektrisch isolierender Keramikmasse (3) eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizstab mit einem Heizel­ ement aus leitfähigem Keramikmaterial, Glühkerzen mit einem solchen Heizstab, sowie Verfahren zu deren Herstellung.

Ein Heizstab mit einem Heizelement aus elektrisch leit­ fähigem Keramikmaterial gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE 41 17 253 A1 bekannt. Hierbei ist der Heizabschnitt freitragend an der Spitze eines hohlen Halters nach außen gerichtet in einem Glühkerzenkörper gehaltert, wobei eine Isolationslage zwischen die dem vorderen Endbereich des Halters des keramischen Heizers entsprechenden Leiterab­ schnitte eingefügt und dort fest eingepaßt ist. Die Leiter­ abschnitte und die Isolationslage sind dabei über ein Hart­ lötzusatzmetall verbunden, das aus einer Cu-Al-Ti-Legierung besteht. Die Verwendung verschiedener Isolationsschichten aus verschiedenen Materialien sowie die Notwendigkeit von Bondierungs- und Bindeschichten führt zu einem aufwendigen Aufbau einer solchen Glühkerze.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heizstab mit einem Heizelement aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial und Stabglühkerzen mit einem solchen Heizstab zur Verfügung zu stellen, wobei einfache Herstellungsverfahren des Heizstabes die Massenproduktion ermöglichen sollen, während gleichzei­ tig hohe Funktionsfähigkeit und Maßgenauigkeit sowie kom­ pakte Bauweise von Heizstab bzw. Stabglühkerze erzielbar sein soll.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch den Heizstab gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprü­ chen 2 bis 12.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizstabes;

Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch die Spitze einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabes;

Fig. 3 ist die schematische Seitenansicht mit teilwei­ sem Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Heizstabes, in einem Stabglühkerzenkörper an­ geordnet;

Fig. 4 ist der schematische Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Anordnung gemäß Fig. 3 mit erfindungsgemäßem Heizstab;

Fig. 5a und 5b zeigen zwei Fertigungsstufen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabes;

Fig. 6 ist die schematische Schrägsicht auf eine wei­ tere Ausführungsform eines Heizelements eines erfindungs­ gemäßen Heizstabes.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Heizstabes, wie er für eine Stabglühkerze vor­ gesehen ist, eine an sich übliche, entsprechende äußere Form. Sie weist ein Heizelement 1a auf, das als U-förmiges Bauteil (siehe Fig. 5a und 5b) oder als hülsenförmiges Bauteil (siehe Fig. 6) ausgebildet ist; dieses Heizelement 1a besitzt im Heizbereich 11 einen U-förmig gebogenen Be­ reich (siehe Fig. 5a/5b) oder einen halbkugelschalenför­ migen Bereich mit sich integral anschließenden Bereichen 11a und 11b die stabförmig (siehe Fig. 5a/5b) oder hülsenför­ mig (siehe Fig. 6) ausgebildet sind und ebenfalls aus dem gleichen leitfähigen keramischen Material 2 bestehen.

Das Heizelement 1a ist allseitig von isolierender Kera­ mikmasse 3 bedeckt und mit dieser, bevorzugt ohne jegliche weitere Zwischenschicht, innig verbunden; die isolierende Keramikmasse 3 bildet den Heizstabkörper 1b, in dem das Hei­ zelement 1a eingebettet ist.

An dem dem Heizbereich 11 abgewandten Ende des Heiz­ stabes treten die Zuleitungen 11a/11b aus dem Heizstabkörper 1b heraus und bilden die Kontaktflächen 9. Hierbei kann ein Bereich der Leitungen 11a oder 11b auch als Trägerbasis für ein elektronische Bauteil 8 ausgebildet sein. Dieses elek­ tronische Bauteil 8 kann zu Zwecken der Diagnose, Sensorik oder Ansteuerung des Heizelements 1a dienen.

Die Dichtfläche 10 ist zum abdichtenden Einpassen in den nicht abgebildeten Stabglühkerzenkörper ausgebildet.

Die Herstellung des Heizelements 1a erfolgt bevorzugt durch Spritzgußverfahren, bei dem eine entsprechende Form mit der leitfähigen Keramik 2 gefüllt wird. Anschließend wird das abgespritzte Teil 1a mit isolierender Keramik 3 umspritzt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Arbeits­ schritte in einer Einheit durch Mehrkomponenten-Spritzguß­ verfahren in zwei aufeinanderfolgenden Schritten erfolgen. Hierbei besteht die leitfähige Keramikmasse beispielsweise aus einem Sialon-Pulver, das mit duroplastischem Harz oder thermoplastischer Kunststoffmasse zu einer spritzförmigen Masse vermischt wird.

Das hierbei aus 2 Komponenten hergestellt Spritzteil wird anschließend durch Wärmebehandlung von den für das Spritzverfahren erforderlichen Füllstoffen befreit und so zu einem kompakten Keramikrohteil, das vor dem Fertigbrennen noch mechanisch, beispielsweise durch Schleifen, nachbear­ beitet werden kann.

Durch die Dickendimensionierung der Leitungen 11a/11b, d. h. durch die veränderbare Querschnittsfläche des Heizel­ ements 1a, kann der Heizbereich 11 gezielt in der Spitze des Heizstabes positioniert werden; im Anschlußbereich wird dagegen der Querschnitt erhöht, um dort eine möglichst ge­ ringe Heizleistung zu erbringen.

In Fig. 2 wird der Heizstabspitzenbereich einer ande­ ren erfindungsgemäßen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizstabes schematisch wiedergegeben. Hierbei ist der Heiz­ bereich 11 im nach außen weisenden Bereich des Heizelements 1a von isolierender Keramik 3 freigehalten, so daß die leit­ fähige Keramikmasse 2 frei liegt; dieses ist besonders vor­ teilhaft, wenn der erfindungsgemäße Heizstab zur Ionisa­ tionsmessung eingesetzt wird. Hinzu kommt, daß durch diese Maßnahme das Aufheizverhalten verbessert werden kann, da die in Fortfall geratene isolierende Keramik 3 in diesem Bereich nicht aufgeheizt werden muß. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die leitfähige Keramik 2 nur an der Heizstabspitze an der Oberfläche frei liegt, weil eine zusätzliche Isolation beispielsweise mit Glasur im Einbaubereich dadurch nicht mehr erforderlich ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizstabes als Bestandteil einer einpoli­ gen Stabglühkerze, wobei das Heizelement 1a im Heizbereich 11 an der Oberfläche des Heizstabes frei liegt. Hierbei ist das Heizelement 1a derart gestaltet, daß die Glühstromzufuhr in die Heizstabspitze über eine zentrische Zuleitung mit verhältnismäßig großem Querschnitt erfolgt; von der Heiz­ stabspitze wird er über den Heizbereich 11 auf die Mantel­ fläche an den Glühkerzenkörper 6 geleitet, der damit als Masseanschluß dient. Hierbei kann der Heizbereich die gesam­ te Oberfläche bedecken oder in ein oder mehrere Segmente aufgeteilt sein, die durch isolierende Keramik 3 unterbro­ chen sind.

Der elektrische Anschluß des Heizelements 1a ist bei­ spielsweise durch eine Druckkontaktierung über einen An­ schlußstecker 4 nach außen zu führen. Der Masseanschluß ist so ausgeführt, daß an der Dichtfläche 10 die leitfähige Keramik zumindest abschnittsweise freigelegt ist und hier­ durch die elektrische Verbindung zu dem metallischen Körper 6 hergestellt wird, über den das Heizelement 1a auf Masse kontaktiert, so daß sich eine einpolige Ausführung einer solchen Kerze, die als Glühkerze für eine Dieselmotor oder für ein Heizgerät ausgebildet sein kann, ergibt.

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze ist schematisch in Fig. 4 wiedergegeben. Hierbei ist ein Heizstab nach Fig. 1 in dem Glühkerzenkörper 6 eingesetzt. Das Heizelement 1a ist hierbei auch im Einbaube­ reich in den Körper 6 mit Isolierkeramik 3 umgeben, so daß eine Kontaktierung zum Körper 6 ausgeschlossen ist. Die Anschlußbereiche 5 und 7 sind mit einem elektronischen Bau­ teil 8 verbunden, wobei ein Teil des Heizelements 1a zu­ gleich als Träger für das elektronische Bauteil 8 dient. Mit diesem elektronischen Bauteil 8 kann das Heizelement 1a gesteuert, getaktet oder zwischen Glüh- und Meßbetrieb umge­ schaltet werden. Wird die Glühkerze über das elektronische Bauteil 8 zu Ionisationsmessung eingesetzt, wird der Heiz­ stab, wie beispielsweise in Fig. 2 beschrieben, derart gestaltet, daß zumindestens in einem Teilbereich die leiten­ de Keramikschicht 2 an einer für die Messung geeigneten Stelle freigelegt ist.

In der Fig. 5a ist die schematische Seitenansicht eines Heizelements 1a einer erfindungsgemäßen Heizstabaus­ führungsform, beispielsweise gemäß Fig. 1, wiedergegeben. Dieses Bauelement wird in einer ersten Herstellungsstufe im Spritzgußverfahren hergestellt und ist mit einer Verlänge­ rung des Schenkels 11b als Träger 7 für ein elektronisches Bauteil 8 ausgebildet.

Dieses Element wird in der anschließenden Fertigungs­ stufe 2 gemäß Fig. 5b mit einer isolierenden Keramik 3 zur endgültigen Form unter Ausbildung des Heizstabkörpers 1b fertig umspritzt, so daß Heizelement 1a im Heizstabkörper 1b eingebettet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese zweite Fertigungsstufe durch eine zweite Spritzeinheit im selben Werkzeug durchgeführt wird, nachdem die entsprechen­ den Werkzeugschieber gezogen werden und das Formnest für die zweite Fertigungsstufe freigegeben ist.

Nach dem Umspritzen wird das Produkt durch Temperieren von den Füllstoffen befreit; durch das Fertigbrennen werden die Keramikkomponenten 1 und 2 zu einem festen einheitlichen Bauteil zusammengesintert. Bei Bedarf kann die Oberfläche des Heizstabes beispielsweise an der Abdichtschulter durch Schleifen oder Glasieren nachbearbeitet werden.

Gemäß Fig. 6 kann das Heizelement 1a aus leitfähiger Keramikmasse 2 auch hülsenförmig ausgebildet sein, wobei bei dieser Ausführungsform eine zentrische Zuleitung 7 für den Glühstrom vorgesehen ist, die bevorzugt ebenfalls aus der leitfähigen Keramikmasse 2 gebildet ist. Bei der abgebilde­ ten Ausführungsform ist die Kontaktfläche 9 ringförmig aus­ gebildet.

Im Heizbereich 11 kann dieses Heizelement 1a Durchbrü­ che 12 aufweisen, die einerseits beim fertig Umspritzen mit isolierender Keramik 3 ein besseres Füllen des inneren Hohl­ raumes des Heizelements 1a bewirken und andererseits den Querschnitt des hülsenförmigen Leiters verringern; hierdurch ist in diesem Bereich der elektrische Widerstand des Heizel­ ements 1a gezielt erhöhbar, so daß hier schnellere Erhitzung eintritt.

Claims (12)

1. Heizstab mit einem Heizelement aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, das einen im Längsschnitt U- förmigen Heizbereich integral anschließend an ein Leiterpaar aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1a) in einem Heizstabkörper (1b) aus elektrisch isolierender Keramikmasse (3) eingebettet ist, wobei das Heizelement (1a) als U-förmiges Bauteil ausgebildet und durch Spritzgußver­ fahren hergestellt ist, und unter Ausbildung des Heizstab­ körpers (1b) mit einer isolierenden Keramik (3) umspritzt ist.

2. Heizstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1a) hülsenförmig ausgebildet und durch Spritzgußverfahren hergestellt ist, und unter Ausbildung des Heizstabkörpers (1b) mit einer isolierenden Keramik (3) umspritzt ist.

3. Heizstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Heizbereich (11) Durchbrüche (12) vorgesehen sind.

4. Heizstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schenkel (11b) des Heizelements (1a) als Anschluß (5) aus dem Heizstabkörper (1b) herausgeführt ist, wobei dieser Bereich oder der gegebenenfalls ebenfalls aus dem Heizstabkörper (1b) herausgeführte Schenkel (11a) als Träger eines elektronischen Bauteils (8) ausgebildet ist.

5. Heizstab nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Endabschnitt des hülsenförmigen Heizel­ ements 1a als Anschlußrohrabschnitt mit Kontaktfläche 9 ausgebildet ist, während zentrisch durch die Hülse die Zu­ leitung zur Heizelementspitze geführt ist.

6. Heizstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmige Biegung des Hei­ zelements (1a) im Heizbereich (11) des Heizstabes auf seiner Außenfläche von isolierender Keramikmasse (3) freigehalten ist.

7. Heizstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1a), mit seiner nach außen weisenden Fläche freiliegend, im Heizstabkörper (1b) eingebettet ist, wobei eine mittige, zentrische Strom­ zuleitung über eine Leitung verhältnismäßig großen Quer­ schnitts, bevorzugt ebenfalls aus elektrisch leitfähiger Keramikmasse (2), vorgesehen ist.

8. Stabglühkerze, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem an sich bekannten Glühkerzenkörper (6) mit einem ein­ gearbeiteten Heizstab nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.

9. Stabglühkerze nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie innerhalb des Glühkerzenkörpers (6) auf einer nach innen gerichteten Fläche eines Schenkels (11a/11b) des U-förmigen Heizelements (1a) ein elektroni­ sches Bauteil zur Messung, Regelung oder zum Takten des den Anschlußschenkel durchlaufenden Stroms aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Heizstabes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Heizelement (1a) aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial (2) hergestellt und anschließend durch Um­ spritzen mit elektrisch isolierender Keramikmasse (3) zu dem Heizstabkörper (1b) und darin eingebetteten Heizelement (1a) umspritzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verfahren in einem Werkzeug mit zwei Spritz­ einheiten im Mehrkomponenten-Spritzgußverfahren durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach dem Umspritzen der gebildete Heizstab temperiert und durch Brennen die Keramikkomponenten zu einem festen, einheitlichen Material zusammengesintert werden.