DE2500414A1

DE2500414A1 - Elektrisches zuendelement, insbesondere fuer gasbrenner

Info

Publication number: DE2500414A1
Application number: DE19752500414
Authority: DE
Inventors: William B Crandall; Linden E Shipley
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1974-01-10
Filing date: 1975-01-07
Publication date: 1975-07-17
Also published as: NL7500020A; FR2257867B1; GB1492672A; CA1029095A; JPS50124481A; IT1026312B; FR2257867A1; JPS5744892B2; US3875476A

Description

■25004H

10-4733 Gg 4·. Januar .19 75

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn,, USA

Elektrisches Zündelement, insbesondere für Gasbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf ein aus hitze- und oxydationsbeständigem Keramikmaterial bestehendes elektrisches Widerstandszündelement. Die US-PS 3 321 727 zeigt ein Zündelement dieser Art, welches aus getrennten .Segmenten unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung besteht, welche nach der Herstellung zusammengefügt werden. Bei den übergängen von einer Stoffzusammensetzung zur nächsten ergeben sich Schwierigkeiten hinsichtlich des Temperaturausdehnungskoeffizienten. Diese werden noch dadurch erhöht, daß die verschiedenen Segmente aufgrund ihrer unterschiedlichen Leitfähigkeit verschieden hohe Temperaturen annehmen, so daß nach mehreren Heiz- und Abkühlzyklen der elektrische Übergang und mechanische Zusammenhalt zwischen den einzelnen Segmenten beeinträchtigt werden kann. Außerdem ist die getrennte Herstellung und anschließende formschlüssige Verbindung hohen Temperaturen unterworfener Einselsegmente mit einem beträchtlichen Herstel-

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lungsaufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es folglich, den Aufbau eines Widerstandszündelementes der eingangs genannten Art zu vereinfachen und seine Betriebseigenschaften zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch den allmählichen Übergang von einer Stoffzusammensetzung zur anderen werden die Schwierigkeiten hinsichtlich des unterschiedlichen Temperäturausdehnungskoeffizienten und molekularer Wandererscheinungen an den Übergangsstellen vermieden. Außerdem wird die Herstellung vereinfacht, weil mehrere getrennte Herstellungs- und Zusammenbauvorgänge entfallen. Aufgrund der unterschiedlichen Leitfähigkeit der einzelnen Zonen nimmt der mittlere als Zündzone dienende Teil bei Stromdurchgang eine wesentlich höhere Temperatur an als die beiden als Anschlußzonen dienenden Endteile; Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die zentrale Zündzone aus einem Werkstoff, welcher etwa 25 bis 88 % grünes Siliziumkarbid SiC unterschiedlicher Korngröße, etwa 1 bis 8 % Ferrosilizium-, etwa 1 bis 10 % Titandioxyd 'TiO-/ etwa 1 bis 20 % Zirkondioxyd ZrO₀, etwa 5 bis 30 % eines unter der Bezeichnung Pyrex-Glas bekannten unten näher beschriebenen Glases und etwa 5 bis 30 % Hartf euerporzeJuIan. T>ie Anschlußzonen haben einen positiven Temperaturkoeffizienten und bestehen aus einer Mischung von etwa 40 bis 75 % grünem SiC unterschiedlicher Korngröße, etwa 1 bis 10 % Ferrosilizium, etwa 1 bis 20 % TiO₂ und etwa 5 bis 30 % Pyrex-Glas. Dieses unter dem Warennamen Pyrex bekannte Glas der Firma Corning Glass Works, Corning, New York, setzt sich etwa wie folgt zusammen:

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81 % SiO₂; 13 % B₃O₃; 3,6 % Na₃O; O>2 % K₃O; 2,2 % Al₃O₃ und gegebenenfalls Spuren von MgO, CaO und ZnO.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des Widerstandszündelements darstellt, während

Figur 2 schematisch den Temperaturverlauf längs des Zündelements wiedergibt.

Das als Glühzünder insbesondere für Gasbrenner dienende Zündelement 10 besteht aus einem einheitlichen Keramikkörper in Jiaarnadelform, der jedoch auch jede beliebige andere Form haben kann. Der Keramikkörper 10 ist aufgrund seiner stofflichen Zusammensetzung in eine zentrale Zündzone 11 und zwei angrenzende Anschlußzonen 12 und 13 unterteilt, an welchen die elektrischen Anschlußleitungen 14 und 15 an den Stellen 16 und 17 angebracht sind. Der übergang in der Zusammensetzung zwischen den Zonen 12 und 13 einerseits und der Zündzone 11 andererseits ist durch gebrochene Linien 18 und 19 angedeutet, welche einen allmählichen übergang von einer stofflichen Zusammensetzung auf eine andere andeuten sollen. Bei der Auswahl der stofflichen Zusammensetzung für die Zündzone mit hohem elektrischen Widerstand und die Anschlußzonen mit niedrigem elektrischen Widerstand sind neben der elektrischen Leitfähigkeit die Stabilität bei erhöhter Betriebstemperatur und die Verformbarkeit sowie die Kosten zu berücksichtigen. Aufgrund umfangreicher Versuche ergab sich dabei als bevorzugte Zusammensetzung für die verschiedenen Zonen die in den Ansprüchen 4 und 5 gekennzeichnete Ausfuhrungsform gemäß nachfolgender Tabelle. Dabei bedeutet die bei den Bestandteilen von grünem SiC angegebene Korngröße jeweils die Siebfeinheit gegeben durch die Anzahl der Sieblöcher pro Zentimeter.

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KOMPOENTE

ANSCHLUSS-ZONEN

ZUND-ZONE

BEREICH

OPTIMUM BEREICH OPTIMUM

Grünes SiC 20-35

(Sieb 39-55 Löcher/cm)

Grünes SiC ,5-10

(Sieb 95-128Löcher/cm)

Grünes SiC 15-30

(Sieb 236 Löcher/cm)

Ferrosilizium	1-10
TiO₂	• 1-20
ZrO₂"
Pyrex-Glas	5-30
Hartfeuerporzellan

32,5

6,5

13-50

2-10

10-28

44

18

1-8	3
1-10	1
1-20	2
5-30	20
5-30	4

Die angegebene Zusammensetzung der Werkstoffe für die Zündzone und die Anschlußζonen ergibt zwei ineinandergreifende Strukturen, von denen die eine für die elektrische Leitfähigkeit und die andere für den mechanischen Zusammenhalt maßgebend ist. Die. elektrische Leitung wird hauptsächlich durch das Siliziumkarbid und das Ferrosilizium gewährleistet, während der mechanische Zusammenhalt durch das Titandioxyd, das Zirkondioxyd sowie die Glasanteile hauptsächlich bewirkt wird. Es ist auch möglich, daß die. Titan- und Zirkono'xyde, insbesondere bei erhöhten Temperaturen_f dem glasartigen Silikatbinder eine gewisse elektrische Leitfähigkeit verleihen.

Um das neue Zündelement in Verbindung mit üblichen Sicherheitsschaltungen einsetzen zu können, ist die Zusammensetzung derart gewählt, daß die Zündzone einen negativen Temperaturkoeffizienten ihres elektrischen Widerstandes und die Anschlußzonen einen posi-

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tiveii Temperaturkoeffizienten haben. Obwohl auch andere Mischungen der einzelnen Bestandteile die erforderliche Kombination von Eigenschaften für ein Zündelement haben können, wobei auch MoSi₂ und andere in der Tabelle nicht aufgeführte Bestandteile hinzukommen können, stellt die beschriebene bevorzugte Ausfuhrungsform ein besonders günstiges Widerstandszündelement dar, welches bei niedrigem Stromverbrauch einen vorteilhaften Temperaturbetriebsbereich sowohl in der Zündzone als auch in den Anschlußzonen zeigt.

Das im Werkstoff beider Zonen verwendete Pyrex-Glas trägt zusätzlich zu seiner Eigenschaft als vorzügliches Bindematerial auch zur Erhöhung der Lebensdauer eines solchen Zündelements bei. Die hohen Betriebstemperaturen solcher Zündelemente lassen es günstig erscheinen, wenn ein Film von Borosilikatglas den Zünder bedeckt und eine Oxydationseiner Bestandteile verhindert, welche anderenfalls zu einer Zersetzung des Zünderwerkstoffes und schließlich zu einem Ausfall des Zünders führen könnte. Auf diese Weise verlängert die Borosilikatglas-Grundmasse zugleich die-Lebensdauer des Zündelements.

Figur 2 zeigt ein experimentell ermitteltes Temperaturprofil eines Zündelements gemäß der Erfindung. Die Kurve zeigt das Tömperaturprofil, welches sich nach einer genügend langen Einschaltdauer des Zündelements ergab, so daß sich das Zündelement in einem thermischen Gleichgewichtszustand befindet. Das in Figur 2 wiedergegebene Temperaturprofil beruht auf einer Zufuhr eines 60 Hz-Wechselstroms mit 90 V effektiver Spannung und 0,34 A effektivem Strom. Das Zündelement hat die in Figur 1 wiedergegebene Haarnadelform. Im normalen Betrieb wird das Zündelement bei Zündzonen-Spitzentemperaturen von etwa 1200 c betrieben, wobei praktisch das gleiche Temperaturprofil gehalten" wird. Die Maximaltemperatür von 675 ⁰C ergibt sich dicht neben dem Scheitel des Haarnadelbogens, wobei diese Verschiebung zunächst nicht erklärlich ist, aber im Rahmen der Meßgenauigkeit liegt. Der allmähliche übergang von der

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Zusammensetzung der Anscblußzonen zu derjenigen der Zündzone spiegelt sich in dem kontinuierlich verlaufenden Temperaturprofil wider. Hierdurch sind Temperatursprünge und die hierdurch bedingten Festigkeitsprobleme vermieden.

Bei der Herstellung eines solchen Zündelements werden die Mischv gen für die Werkstoffe beider Zonen im kalten Zustand hergestellt Sie werden in eine Graphit-Preßform mit der gewünschten Gestalt des Zündelements derart eingebracht, daß sich die einzelnen Zonen, wie in Figur 1 angedeutet, überlappen. Die Form wird anschließend auf eine Preßtemperatur von etwa 1.5OO°c erhitzt und das Zündelement während etwa 15 Minuten bei einem Druck von etwa 350 kg/cm^ gepreßt. Diese Kombination von Temperatur und Preßzeit bewirkt eine erwünschte Verdichtung des Zünderwerkstoffes, so daß" sieh eine Dichte von etwa 99 % des theoretisch möglichen Wertes ergibt. Dies ist mit für die hohe Oxydationsfestigkeit des Zündelements verantwortlich. Der auf diese Weise gepreßte Zünder wird dann in der Form abgekühlt und anschließend herausgenommen. Sodann werden die elektrischen Anschlußleitungen in bekannter- Weise angebracht.

Wie erwähnt, stellt Heißpressen das bevorzugte Herstellungsverfahren für Zündelemente dieser Art dar. Es wurden auch einige Versuchszündelemente durch Kaltpressen und anschließendes Sintern hergestellt. Obwohl diese in-beiden Zonen die gewünschte Leitfähigkeit aufwiesen, zeigten sie jedoch eine hohe Porösität» wodurch infolge Oxydation die Lebensdauer des Zündelements beträchtlich herabgesetzt wird. Auch andere Herstellungsverfahren wie chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase, Einsatzzementieren und isostatisches Heißpressen wurden untersucht. Die letzgenannte Methode führt zwar ebenfalls zu günstigen Ergebnissen, ist jedoch wesentlich teurer als die oben erwähnte Heißpreßtechnik.

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Claims

_ ₇ .. 2500AH

Patentansprüche

' 1..Aus hitze- und oxydationsbeständigem Keramikmaterial bestehendes elektrisches Widerstandszündelement, dadurch gekennzeichnet, daß ein einheitlicher Zündkörper (10) eine Zündzone (11) aus Material hohen elektrischen Widerstandes und daran angrenzende Anschlußzonen (12,13) geringen elektrischen Widerstandes aufweist, an welche die Stromzufuhrleitungen (14,15) angeschlossen sind, und daß die stoffliche Zusammensetzung der aneinandergrenzenden Zonen allmählich ineinander übergeht.

2-, Zündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß der Werkstoff der Zündzone (11) einen negativen Temperaturkoeffizienten und der Werkstoff der Anschlußzonen (12,13) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

3. Zündelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff beider Zonen hauptsächlich aus Siliziumkarbid SiC und einem chemisch resistenten, B₂O₃ enthaltenden Glas besteht.

4. Zündelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch resistente Glas aus etwa 81% SiO₂; 13% B₂O₃; 3,6% Na₃O; 0,2% K₂O; 2,2% Al₃O_{3 sowie ge}_ gebenenfalls Spuren von^;MgO, CaO und ZnO besteht·

5. Zündelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzone aus

etwa 25 bis 88% Siliziumkarbid,

¹¹ 1 " 8% Ferrosilizium,

¹¹ 1 " 30% Titan- und/oder Zirkonoxyd,

" 5 " 30% des genannten Glases und

¹¹ 5 " 30% Kielsäure besteht ,

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und die Anschiußzonen

etwa 40 bis 75 % Siliziumkarbid", " 1 " 10 % Ferrosilizium, ¹¹ 1 " 20 % Titanoxyd und " 5 ^H 30 % des genannten Glases enthalten.

6. Zündelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Zündzone aus 44 % grünem SiC mit einer Körnigkeit entsprechend einem Sieb von 39 bis 55 Löchern pro Zentimeter,

8 % grünem SiC mit einer Körnigkeit entsprechend einem Sieb mit 95 bis 128 Löchern pro Zentimeter, 18 % grünem SiC mit einer Körnigkeit entsprechend einem Sieb mit 236 Löchern pro Zentimeter,

3 % Ferrosilizium,
1 % TiO₂ ,

20% des genannten Glases und

4 % Hartfeuerporzellan besteht und die Anschlußzonen

32,5 % grünes SiC mit einer Körnigkeit entsprechend einem Sieb von 39 bis 55 Löchern pro Zentimeter, 6,5 S grünes SiC entsprechend einem Sieb von

95 bis 128 Löchern pro Zentimeter, 26 % grünes SiC entsprechend einem Sieb von 236 Löchern pro Zentimeter,

5 % Ferrosilizium,
10 % TiO₂ und
20 % des genannten Glases enthalten.

7. Zündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Zündelement (10) haarnadelförmig gebogen und die Zündzone (11) im Scheitel 'der Biegung angeordnet ist.

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— G ~«

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Zünde leinen ts nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet , daß die stofflichen Bestandteile jeder der beiden Zonen kalt gemischt werden _r daß die Mischungen in die entsprechenden Teile einer einzigen Preßform eingefügt werden, wobei an den Grenzen der -Zonen die beiden Mischungen allmählich ineinander übergehen, daß die Mischungen in der Form bei einer Temperatur von etwa 1.500 ⁰C und bei einem Druck von etwa 350 kg/cm während etwa 15 Minuten gepreßt und dabei verdichtet werden und daß die gepreßten Formkörper anschließend in der Form abkühlen.

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