DE2900914A1

DE2900914A1 - Elektrisches heizelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2900914A1
Application number: DE19792900914
Authority: DE
Inventors: Gamdur Singh Mann
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1979-08-16
Also published as: JPS54117957A; GB2014416A; AU517580B2; CA1095220A; AU4280978A; US4112577A; GB2014416B

Description

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Die Erfindung betrifft elektrische Heizelemente und ihre Herstellung und betrifft insbesondere Heizelemente zur Verwendung als Motorglühkerzen oder für andere örtliche Heiζanwendungen. Die Heizelemente sind mit einer leitfähigen rohrförmigen Hülle ausgestattet, welche eine elektrische Heizwicklung umgibt.

Es ist bekannt, Heizelemente zur Verwendung als Motorglühkerzen herzustellen, die eine an einem Ende geschlossene rohrförmige Schutzmetallhülle besitzen, welche einen sich axial erstreckenden Heizkörper umgibt. Der Heizkörper ist elektrisch mit dem geschlossenen Ende der Hülle verbunden und ebenfalls mit einer Elektrode elektrisch verbunden, die sich vom offenen Ende der Hülle weg erstreckt. Der restliche Teil des Hülleninneren ist mit einem geeigneten elektrisch isolierenden Material wie Magnesiumoxid (MgO) voll-geschichtet.

Ein bekanntes Herstellverfahren von solchen Heizelementen besteht darin, daß das Ende des gewickelten Heizkörpers mit dem geschlossenen Ende der Hülle verschweißt oder hart-verlötet wird, um eine zufriedenstellende elektrische Verbindung zwischen dem Heizelement und der Hülle zu erreichen. Auch wenn diese Verschweißung oder Hartverlötung sorgfältig ausgeführt wird, können örtliche metallurgische Veränderungen unterschiedliche Widerstände ergeben und es kann sich dadurch eine erhöhte Rißempfindlichkeit bei der folgenden Ziehverformung einstellen. Dadurch kann das entstandene Bauelement unbrauchbar werden.

Ein weiteres Problem entsteht bei solchen Heizelementen im Gebrauch durch die innere Oxidation des Heizkörpers, die möglicherweise durch den Feuchtigkeitsgehalt des Magnesiumoxids oder von anderen äußeren Quellen hervorgerufen wird. Eine derartige Oxidation kann eine übermäßige Örtliche Aufheizung und möglicherweise ein Versagen des Heizkörpers ergeben.

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Durch die Erfindung wird ein Herstellverfahren von elektrischen Heizelementen geschaffen, bei dem

a) die Hülle mit einem Durchmesser ausgebildet wird, der erheblich größer als der erforderliche Enddurchmesser ist,

b) die Heizspule oder Heizwicklung so ausgebildet wird, daß ihre Stärke kleiner als der Endinnendurchmesser der Hülle ist, bis auf ein Ende, an dem ein eng gewickelter Abschnitt mit einem vergrößerten Außendurchmesser gebildet wird, der im wesentlichen dem Innendurchmesser der Hülle entspricht/ und das andere Ende der Wicklung mit einem elektrischen Leiter verbunden wird,

c) die Heizspule und der elektrische Leiter so in die Hülle eingeführt werden, daß der vergrößerte Abschnitt in der Nähe des geschlossenen Endes der Hülle mit dieser in Eingriff kommt, die in Eingriff stehenden Flächen des Hülleninneren und des vergrößerten Abschnitts der Wicklung frei von Fremdsubstanzen gehalten werden und der verbleibende Teil der Wicklung in der Hülle zentriert wird, wobei der angebrachte Leiter sich aus dem offenen Ende erstreckt,

d) das offenliegende Innere der Hülle mit einem granulierten hoch-temperaturfesten elektrischen Isoliermaterial so angefüllt wird, daß dieses um und innerhalb der Heizwicklungswindungen dicht gepackt ist und das offene Ende der Hülle zur Zurückhaltung des Isoliermaterials an seiner Stelle abgedichtet wird, und

e) die Heizanordnung zur Verringerung des Durchmessers und Vergrößerung der Länge der Hülle und der Heizwicklung bis auf die Fertigabmessungen formgezogen wird; dabei sind die Hülle und die Heizwicklung aus miteinander verträglichen Metallen

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hergestellt, so daß das Formziehen eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen den in Eingriff stehenden Abschnitten der Hülle und der Heizwicklung ergibt.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein verbesserter Heizelementaufbau und ein verbessertes Herstellverfahren erzielt, mit dem die erwähnten Probleme beseitigt sind. Das wird teilweise durch Weglassen der Verschweißung oder Hartverlötung erreicht und teilweise durch die Herstellung der elektrischen Verbindung mit dem erforderlichen niedrigen Widerstand durch einen mechanischen Formziehvorgang der Hülle auf einen kleineren Durchmesser hin, während die Endwindungen des Heizkörpers in Eingriff mit der Hülle stehen. Dadurch werden sowohl die Hülle als auch die Heizwicklung zusammengepreßt und es ergibt sich eine Kaltverarbeitung ihrer in Eingriff befindlichen Abschnitte unter Druck. Wenn die Hülle und die Heizwicklung aus miteinander verträgLichen (kompatiblen) Materialien hergestellt sind, die ein Kaltverschweißen zulassen, wird durch das Formziehen erreicht, daß die in Eingriff befindlichen Abschnitte des Hülleninneren und der Heizwicklung eine Verbindung mit niedrigem elektrischen Übergangswiderstand eingehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung einer

erfindungsgemäß hergestellten Dieselmotor-Glühkerze,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Heizelementanordnung vor dem Formziehvorgang,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer in einem Formziehstein

befindlichen Heizelementanordnung nach Beendigung des Formziehens,

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Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des unteren Endabschnitts der Fig. 3 mit den in Eingriff befindlichen Teilen der Hülle und der Heizspule nach dem Formziehen, und

Fig. 5 einen Querschnitt nach Linie 5-5 der Fig. 3.

Die Dieselmotorglühkerze 10 in Fig. 1 ist in der erfindungsgemäßen Weise hergestellt und weist den üblichen Außenmantel 12 aus Metall mit einer konischen Dichtfläche 14 an einem Ende, einem Gewindeabschnitt 16 etwa im Mittelbereich und einen hexagonalen Kopfabschnitt 18 an dem von der Dichtfläche 14 abgewandten Ende auf. Der Mantel enthält eine Längsbohrung 20 in seinem unteren Teil, in der mit Preßsitz ein mit einer Hülle versehenes Heizelement 22 sitzt.

Das Heizelement 22 weist eine rohrförmige Metallhülle 24 mit einem oberen offenen Endabschnitt 26 auf, der in der Bohrung 20 fest angebracht ist, und mit einem länglichen geschlossenen Endabschnitt 28, der sich aus dem Mantel längs der Achse der Bohrung 20 herauserstreckt.

In der Hülle sitzt zentrisch eine sich in Längsrichtung erstreckende elektrische Widerstandsheizwicklung oder -körper 30, dessen eines Ende 31 einen vergrößerten Abschnitt ergibt, der an der Hülle in der Nähe von derem geschlossenen Ende anliegt. An diesem Ende sind die Hülle und der Heizkörper mechanisch und elektrisch in einer Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand durch Kaltverarbeitung unter Druck vereinigt, die durch ein nachfolgend beschriebenes Formziehen hergestellt wird.

Die Heizwicklung erstreckt sich von dem geschlossenen Ende der rohrförmigen Hülle nach oben bis etwa zu ihrer Mitte, an der vorzugsweise durch Lichtbogenschweißung ein Ende eines Mittelstabes oder einer Klemme 34 mit ihr verbunden ist. Die Klemme

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erstreckt sich durch das offene Ende der Hülle 2 4 und durch die Bohrung 20 nach außen bis über den sechseckigen Kopf 28 des Mantels 12. Eine Steckerfahne 36 ist an dem freiliegenden Ende der Mittelklemme angebracht, so daß dort ein Flachstecker aufgeschoben werden kann. Die Klemme 34 wird in dem Mantel 12 und in der Hülle 24 zentrisch gehalten und von diesen Teilen isoliert durch einen aus einer Phenolsubstanz bestehenden Isolator 38 zwischen der Klemme und dem Mantel und durch einen zusammengedrückten O-Ring 40 aus Gummi zwischen der Klemme und dem oberen Ende der Hülle. Der verbleibende Raum innerhalb der Hülle ist mit einem hoch-temperaturfesten elektrisch isolierenden Material 42, z.B. komprimiertem granulierten Magnesiumoxid gefüllt, das Heizkörper und Klemme in ihrer zentrierten Lage innerhalb der Hülle hält und einen elektrischen Kontakt mit der Hülle verhindert, bis auf die willentlich verbundenen Stellen in der Nähe des geschlossenen Endes der Hülle.

Der Aufbau ist so hergestellt, daß nach dem Einsetzen der Glühkerze in einen Motor mit angemessenen elektrischen Verbindungen ein Strom von der Steckerfahne oder dem Flachstecker 36 durch die Klemme und die Heizwicklung zum geschlossenen Ende der Hülle fließen kann und durch die Hülle zurück zum Mantel, der über den Motor in Masseverbindung steht. Dadurch wird die Temperatur der Heizwicklung erhöht und mit' ihr das frei liegende Ende des abgeschirmten Heizelements auf die Arbeitstemperatur angehoben.

Ein bevorzugtes Herstellverfahren eines elektrischen Heizelements der in der Glühkerze nach Fig. 1 verwendeten Art wird im folgenden beschrieben.

Zuerst wird die rohrförmige Hülle 24 mit geschlossenem Ende so ausgeformt, daß ihr Durchmesser etwa 30% größer und ihre Länge

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etwa 30% geringer ist als die angestrebten Endabmessungen· Die aus Draht bestehende Heizwicklung 30 wird dann in einer Wendelform gewickelt,deren Außendurchmesser geringer als der Innendurchmesser der Hülle ist, jedoch wird ein vergrößerter Endabschnitt 31 hergestellt, der eng gewickelt ist und einen im wesentlichen dem Innendurchmesser der Hülle entsprechenden Außendurchmesser besitzt. Das im Durchmesser kleinere Ende der Wicklung 30 wird dann durch Lichtbogenschweißung mit einem Ende der Mittelklemme 34 verbunden, so daß eine aus Klemme und Wicklung bestehende Voreinheit entsteht. Diese Voreinheit wird dann in das offene Ende der Hülle 24 eingesetzt und darin so zentriert, daß das untere Ende 31 der Heizwicklung mit vergrößertem Durchmesser mit der Innenfläche in der Nähe des geschlossenen Endes der Hülle 28 in Eingriff kommt. Die einander berührenden Flächen der Wicklung und der Hülle sollten zu dieser Zeit frei von Fremdsubstanzen sein.

Daraufhin werden die offenen Bereiche in der rohrförmigen Hülle bis hinauf zur Hälfte der Klemmenlänge mit dem Isoliermaterial 42 angefüllt, das vorzugsweise aus granuliertem Magnesiumoxid besteht. Das zunächst lose geschüttete Material wird verdichtet und ein Ausgießen oder Entweichen des Materials wird durch einen O-Ring 40 verhindert, der in den Ringraum zwischen der Klemme 34 und der Hülle 24 eingesetzt ist und der (Fig. 2) etwas unter dem offenen oberen Ende der Hülle sitzt.

Danach wird die so entstandene Anordnung formgezogen, um den Außendurchmesser zu verringern und die Länge zu vergrößern. Vorzugsweise wird der Formziehvorgang mehrmals durchgeführt, wobei das offene Ende der Hülle zuerst formgezogen wird, um den O-Ring 40 unter Druck zu setzen und damit ein Ausfließen oder Entweichen von Isoliermaterial 42 zu verhindern. Dann wird die Anordnung vom geschlossenen Ende aus formgezogen, bis die Anordnung in ihrer Gesamtlänge einen verringerten Durchmesser erreicht hat und nun die Ausmaße der fertigen

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Heizelementanordnung 22 besitzt. Fig. 3 und 5 zeigen das Heizelement nach dem Formziehen, jedoch noch mit umschließender Ziehform 44.

Dns Fcanziehen verformt die Außenhülle in einem Kaltverarbeitungsschritt, wobei gleichzeitig die Heizwicklung und die sie umgebende Isolierung innerhalb der Hülle unter Druck gesetzt und gedehnt wird. Der eng gewickelte Endabschnitt 31 der Heizwicklung, der in Eingriff mit der Innenfläche der Hülle steht, wird durch die Verringerung des Hüllendurchmessers ebenfalls in seinem Durchmesser verringert. Dadurch wird das Hüllenmaterial dazu gebracht, teilweise um die Wicklungsdrähte zu fließen, wie es am besten in Fig. 4 zu sehen ist. Gleichzeitig findet eine innige Verbindung der beiden in Eingriff stehenden Oberflächen miteinander statt und es bildet sich eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen der Hülle und der Heizwicklung aus. Es wird angenommen, daß dabei eine Art von Kaltverschweißung der Einzelbestandteile unter Druck stattfindet.

Damit die erforderliche elektrische Verbindung auf beste Weise hergestellt wird, sollten die Hülle und die Heizwicklung aus miteinander verträglichen (kompatiblen) Materialien hergestellt werden, die kalt miteinander verschweißbar sind. Es gibt eine ganze Anzahl solcher Materialien. Beispielsweise sind Hochtemperaturlegierungen mit einem Gehalt von etwa 80% Nickel . und 20% Chrom sowohl für die Hülle als auch für die Heizspule geeignete Materialien. Diese Legierungen sind unter den Handelsnamen Chromel AA und Chromel A erhältlich. Andere Legierungen auf Nickelbasis können gleichfalls verwendet werden, beispielsweise Nichrome V als Heizwicklungsmaterxal und Inconel 601 als Material für die Hülle. (Chromel AA und Chromel A sind Handelsnamen der Firma Hoskins Manufacturing

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Company of Detroit, Michigan; Nichrome V ist die Handelsbezeichnung einer aus 80% Ni und 20% Cr bestehenden Legierung der Firma Driver Harris Company in Harrison, New Jersey und Inconel 601 ist der Handelsname für eine Legierung, die als Hauptbestandteile 60,05% Ni und 23,0% Cr enthält und durch die Firma Huntington Alloy Products Division, The International Nickel Company, Huntington, West Virginia, hergestellt wird.)

Bei der Herstellung ener Glühkerze nach Fig„ 1 wird das mit Hülle versehene Heizelement 22 in den Mantel 12 eingedrückt, dann werden der Phenol-Isolator 38 und die Steckerfahne 36 angebracht.

Erforderlichenfalls kann das mit Hülle versehene Heizelement auch für andere Anwendungen als Glühkerzen verwendet werden. Beispielsweise sind zur Zeit Anwendungen für solche Heizelemente in Untersuchung, um Wärme an Auspuffgas-Sensoren zu übertragen, die bei Motorabgassystemen in Verbindung mit elektronischen Luft/Brennstoff-Verhältnissteuerungen verwendet werden.

Glühkerzen und andere mit Hülle versehenen Heizelemente mit erfindungsgemäßer Herstellung besitzen den Vorteil, daß das Hochtemperatur-Verschweißen oder -hartverlöten der Heizwicklung mit der Hülle nicht erforderlich ist und auf diese Weise unerwünschte metallurgische Änderungen am geschlossenen Ende der Hülle und den benachbarten Abschnitten der Heizwicklung vermieden werden.

Damit ergibt sich ein mit Hülle versehenes elektrisches Heizelement, das beispielsweise als Motorglühkerze oder für ähnliche Änwendungszwecke eingesetzt werden kann und daß dadurch gebildet wird, daß eine Metallhülle mit geschlossenem Ende mit einem größeren als dem erforderlichen Enddurchmesser hergestellt wird,

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daß in die Hülle zentrisch ein elektrischer Heizkörper eingesetzt wird mit einem Endabschnitt mit vergrößertem Durchmesser, der mit der Hülle in der Nähe ihres geschlossenen Endes in Eingriff kommt, wobei die Hülle und das Heizelement aus verträglichen (kompatiblen) Metallen hergestellt sind, die ein Kaltverschweißen ermöglichen, es wird dann das Innere der Hülle um das Element herum mit einem granulierten elektrisch isolierten Material angefüllt und die Anordnung zur Durchmesserverringerung und Langenvergrößerung formgezogen. Dadurch wird die Isolierung zusammengedrückt und die in Eingriff miteinander stehenden Endabschnitte der Hülle und der Heizwicklung werden so kalt-verformt, daß ihr Eingriffsdruck sich erhöht und sich dadurch eine elektrische Verbindung mit geringem Widerstand zwischen den beiden Bestandteilen bildet.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements mit einer an einem Ende geschlossenen länglichen rohrförmigen Metallhülle aus elektrisch leitfähigem Material, in der eine sich in Axialrichtung erstreckende Heizwicklung enthalten ist, die an einem Ende mit der Hülle in der Nähe von deren geschlossenem Ende elektrisch verbunden ist und sonst von ihr durch eine wärmeleitende Isolierung isoliert ist, dadurch gekennzeichnet ,

a) daß die Hülle (24) mit einem wesentlich größeren Durchmesser als dem erforderlichen Enddurchmesser hergestellt wird,

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b) daß die Heizwicklung (30)mit einem kleineren Durchmesser als dem Innendurchmesser der Hülle ausgebildet wird, bis auf das eine Ende (31), an dem ein eng gewickelter Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser, im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Hülle ausgebildet wird und daß das andere Ende der Heizwicklung mit einem elektrischen Leiter (34) verbunden wird,

c) daß die Heizwicklung und der Leiter so in die Hülle eingebracht werden, daß der vergrößerte Endabschnitt an der Hülle in der Nähe ihres geschlossenen Endes angreift, daß die Angriffsflächen des Hülleninneren und des vergrößerten Abschnitts der Wicklung frei von Fremdsubstanzen sind und daß der Rest der Wicklung in der Hülle zentriert wird, wobei der angebrachte Leiter sich aus dem offenen Ende der Hülle herauserstreckt,

d) daß der offene Innenraum der Hülle mit einem granulierten, hoch-temperaturfesten und elektrisch isolierenden Material (42) angefüllt wird, wobei das isolierende Material dicht um und in den Heizwicklungswindungen gepackt wird und daß das offene Ende der Hülle abgedichtet wird, um das Isoliermaterial festzuhalten, und

e) daß die Heizanordnung (24, 30, 42) zur Verringerung der Breite und Vergrößerung der Länge der Hülle und der Heizwicklung auf ihre Fertigabmessungen formgezogen wird, wobei das Material der Hülle und das der Heizwicklung aus miteinander verträglichen Metallen geformt eine elektrische Verbindung mit niedrigem übergangswiderstand zwischen den aneinander anliegenden Abschnitten der Hülle und der Heizwicklung bilden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Heizwicklung wendelförmig gewickelt wird.

3. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Erzeugung von Glühkerzen für Diese lmo tore.

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