DE2903888A1 - Elektrisches heizelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft elektrische Heizelemente und ihre Herstellung, wobei diese als Motorglühkerze und andere örtliche Heizeinrichtungen verwendbar sind und eine elektrisch leitfähige rohrförmige Hülle enthalten, die eine elektrische Heizwicklung umgibt.

Es ist bekannt, Heizelemente zur Verwendung als Motorglühkerzen vorzusehen, wobei diese eine rohrförmige metallene Schutzhülle mit geschlossenem Ende besitzen, die einen sich axial erstreckenden Heizkörper umgeben. Der Heizkörper ist elektrisch mit dem geschlossenen Ende der Hülle verbunden und ebenfalls mit einer Elektrode verbunden, die sich aus dem offenen Ende der Hülle heraus erstreckt. Der verbleibende Innenraum der Hülle ist mit einem elektrisch isolierenden Material, wie Magnesiumoxid (MgO), dicht angefüllt.

Nach einem bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Heizelemente wird das Ende des gewundenen Heizkörpers mit dem geschlossenen Ende der Hülle hart_verlötet oder unter Aufbringung von Wärme verschweißt, damit sich eine zufriedenstellende elektrische Verbindung zwischen dem Heizkörper und der Hülle ergibt. Auch wenn dieser Schweiß- oder Hartlötvorgang sorgfältig ausgeführt wird, können sich örtliche metallurgische Veränderungen ergeben, die Widerstandsveränderungen und eine erhöhte. Rißanfälligkeit bei einem darauf folgenden Ziehvorgang ergeben. Dadurch kann die Brauchbarkeit des entstandenen Elementes in Mitleidenschaft gezogen werden. Ein weiteres Problem mit so hergestellten Heizelementen ergibt sich im Gebrauch durch die innere Oxidierung des Heizkörpers, die möglicherweise durch Sauerstoff hervorgerufen wird, der aus dem Feuchtigkeitsgehalt des als Füllstoff verwendeten Magnesiumoxid oder aus anderen externen Quellen stammt. Eine derartige Oxidierung kann eine örtliche Überhitzung ergeben und möglicherweise das Heizelement unbrauchbar machen.

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Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für einen elektrischen Heizkörper wird auf folgende Weise durchgeführt:

a) Die Hülle wird mit einem Durchmesser hergestellt, der wesentlich größer als der erforderliche Enddurchmesser ist,

b) der Heizkörper wird mit einem Durchmesser hergestellt, der geringer als der Innendurchmesser der Hülle ist, der Heizkörper wird an einem Ende an einem elektrischen Leiter angebracht und das andere Ende bleibt frei,

c) Heizkörper und Leiter werden so in die Hülle zentrisch eingesetzt, daß das freie Ende dem geschlossenen Ende der Hülle benachbart liegt; dabei sind die einander benachbarten Flächen des Hülleninneren und des Heizkörpers frei von Fremdsubstanzen und werden von diesen freigehalten,

d) der Spitzenabschnitt des Hülleninneren wird mit einer Menge von sinterbarem Metallpulver angefüllt, die ausreicht, um das freie Ende des Heizkörpers zu bedecken,

e) der restliche Innenraum der Hülle wird mit einem granulierten, bei hoher Temperatur elektrisch isolierendem Material dicht so angefüllt, daß dieses um und zwischen den Windungen des Heizkörpers liegt, und das offene Ende der Hülle wird abgedichtet, so daß das Isoliermaterial zurückgehalten wird,

f) die so entstandene Heizanordnung wird ziehverformt, um den Durchmesser von Hülle und Heizkörper zu verringern und die Länge von Hülle und Heizkörper zu vergrößern, beides bis zur Erreichung der Endabmessungen und

g) ein elektrischer Strom wird zwischen Heizkörper und Hülle durch das Metallpulver geschickt, um dieses zu erhitzen und das Metallpulver in der Hüllenspitze in der Umgebung des freien Endes des Heizkörpers zu sintern, wodurch eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen der Hülle und dem Heizkörper durch das gesinterte Metall gebildet wird.

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Durch die Erfindung ergibt sich ein verbesserter Aufbau eines Heizelementes und ein verbessertes Herstellungsverfahren, durch welches die erwähnten Probleme gemildert oder ausgeschaltet werden. Dies wird teilweise dadurch erreicht, daß der Schweißoder Hartlötvorgang weggelassen wird und statt dessen eine geringe Menge eines Metallpulvers benutzt wird, das in dem geschlossenem Ende der Hülle in Berührung mit dem Ende des Heizkörpers angeordnet ist und gesintert ist, so daß sich eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen Hülle und Heizkörper ergibt. Das Sintern kann dadurch ausgeführt werden, daß ein elektrischer Strom durch das Pulver zwischen Heizelement und Hülle durchgeschickt wird, um die Sinterung ohne eine Erhöhung der Temperaturen des Heizkörpers und der Hülle auf einen solchen Wert zu verursachen, bei dem metallurgische Änderungen ihrer Strukturen erfolgen.

Der nicht zur Bildung der elektrischen Verbindung verwendete Anteil des Heizelementes kann \or der Verbindung voroxidiert werden, so daß sich eine ausreichende Oxidschicht ergibt, die den Heizkörper gegen weitere Oxidierung bei der Verwendung nach der Herstellung schützt.

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

Figur 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Dieselmotor-Glühkerze, die erfindungsgemäß herstellt wurde,

Figur 2 einen Längsschnitt einer Hülle und eines Heizkörpers in einem Zwischen-Fertigungszustand,

Figur 3 die vorgefertigte Heizelementanordnung vor dem Fertigzieh -Vorgang,

Figur 4 die gleiche Anordnung nach dem Fertigzieh-Vorgang, mit noch angelegtem Ziehwerkzeug,

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Figur 5 einen Schnitt nach Linie 5-5 der Figur 4 mit Ziehform und Heizelement.

Die Dieselmotor-Glühkerze 10 in Figur 1, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren angefertigt wurde, enthält einen konventionellen Metall-Außenmantel 12 mit einer konischen Dichtfläche 14 an einem Ende, einem Gewindeabschnitt 16 etwa in der Mitte des Mantels und einem Sechskantkopf 18 an dem in Figur 1 oberen Ende des Mantels. Der Mantel besitzt eine längliche Bohrung 20, in deren unteren Abschnitt ein mit Hülle versehenes Heizelement 22 eingepreßt ist.

Das Heizelement 22 weist eine rohrförmige Metallhülle 24 auf, deren oberes offenes Ende 26 fest in der Bohrung 20 des Mantels 12 sitzt und einen länglichen Abschnitt 28 mit geschlossenem Ende, der aus dem Mantel längs der Achse der Bohrung 20 vorsteht.

Zentrisch in der Hülle ist eine sich in Längsrichtung erstreckende elektrische Widerstandsheizwicklung oder ein -körper 30 enthalten, dessen eines Ende 31 mit dem geschlossenem Ende der Hülle in Verbindung steht. An diesem Ende sind Hülle 24 und Heizkörper 30 mechanisch und elektrisch durch eine geringe Menge Sintermetall 32 verbunden, die in der nachfolgend beschriebenen Weise eingesetzt ist.

Der Heizkörper oder die Heizwicklung 30 erstreckt sich von dem geschlossenem Ende der rohrförmigen Hülle bis etwa in ihre Mitte und dort ist vorzugsweise durch Widerstandsschweißen oder Abbrandschweißen (flash welding) eine Verbindung mit dem Ende eines Mittelstabes oder einer Klemme 34 hergestellt. Die Klemme erstreckt sich durch das offene Ende der Hülle 24 durch die Bohrung 20 nach außen und reicht bis über den Sechskantkopf des Mantels 12 hinauf. Eine Flachklemme 36 ist an dem freiliegenden Ende der Mittelklemme angebracht, und es kann dort ein Flachstecker oder eine Federsteckverbindung angebracht werden.

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Die Mittelklemme oder der Mittelstab 34 sitzt zentrisch im Mantel 12 und ist ihm und der Hülle 24 gegenüber durch einen Isolierstoff 38 auf Phenolbasis elektrisch isoliert; ferner sitzt ein unter Druck stehender Gummi-O-Ring 40 zwischen der Mittelklemme und dem offenen Ende der Hülle. Der übrige Raum in der Hülle ist mit einem elektrischen Isoliermaterial 42, z.B. mit granuliertem Magnesiumoxid, angefüllt, das Heizkörper und Klemme in ihren Mittellagen in der Hülle hält und einen elektrischen Kontakt zwischen diesen an allen Stellen bis auf die mit Absicht verbundenen Stellen am geschlossenen Ende der Hülle vermeidet.

Der Aufbau ist so ausgelegt, daß nach dem Einsetzen der Glühkerze in einen Motor mit richtiger elektrischer Verbindung ein Strom vom Flachstecker 3 6 durch die Mittelklemme und die Heizspule zum geschlossenen Ende der Hülle und von da zurück zum Mantel geleitet werden kann. Der Mantel ist in Masseverbindung mit dem Motor und der Heizkörper erhöht auf diese Weise die Betriebstemperatur des freiliegenden Endes des umhüllten Heizelementes.

Ein bevorzugtes Herstellverfahren für ein elektrisches Heizelement, wie es für die in Figur 1 dargestellte Glühkerze Verwendung findet, ist folgendes:

Zunächst wird die rohrförmige Hülle 24 mit geschlossenem Ende hergestellt und zwar besitzt sie zunächst einen Außendurchmesser, der etwa 30 % größer und eine Länge, die etwa 30 % geringer ist, als es den erforderlichen Endabmessungen entspricht. Der Heizdraht wird dann zu einer Heizwicklung 3O gewickelt und durch Abbrenn- oder Stumpfschweißen mit einem Ende der Mittelklemme 34 verbunden, so daß eine Voreinheit aus Klemme und Heizwicklung entsteht. Diese Voreinheit wird dann in das offene Ende der Hülle 24 eingeführt und zentriert; dabei greift das untere Ende der Heizwicklung an der innenfläche

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des geschlossenen Endes der Hülle an. Eine kleine Menge sinterbaren Metalls 32 wird dann in the Hülle so eingeschüttet, daß der untere Abschnitt der Heizwicklung dort, wo sie in Eingriff mit der Hülle steht, anliegt. In Figur 2 ist diese Zwischenstufe der Herstellung gezeigt.

Daraufhin werden die offenen Bereiche in der rohrförmigen Hülle im Bereich der Heizwicklung und bis zur Hälfte der Klemmenhöhe mit Isoliermaterial 42, bevorzugterweise mit granuliertem Magnesiumoxid angefüllt. Das lose geschüttete Material wird dadurch am Ausfließen gehindert, daß ein O-Ring 40 in den Ringraum zwischen Klemme 34 und Hülle 24 eingesetzt und über die Klemme so weit wie möglich nach unten geschoben wird (Figur 3).

Daraufhin wird die Anordnung zur Verringerung ihres Durchmessers und zur Vergrößerung ihrer Länge ziehverformt. Vorzugsweise wird das Ziehverformen in mehreren Schritten durchgeführt, wobei das offene Ende der Hülle zunächst gezogen wird, um den O-Ring 40 unter Druck zu setzen und damit das Ausfließen von Isoliermaterial 42 zu verhindern. Die Anordnung wird dann vom geschlossenen Ende her ziehverformt, bis die Gesamtlänge der Anordnung im Durchmesser verringert wurde und sich die Endabmessungen für das Heizelement 22 ergeben haben. Figur 4 und 5 stellen die Anordnung nach dem Ziehvorgang mit noch die Hülle umgebendem Ziehstein oder mit so angeordneter Ziehform 44 dar.

Um eine Glühkerze, wie in Figur 1 gezeigt,zu bilden, wird das umhüllte oder abgeschirmte Heizelement 22 in den Mantel 12 eingepreßt und der Isolator 38 auf Phenolbasis und der Flachstecker 36 werden angebracht. Zu diesem Zeitpunkt oder auch unmittelbar nach dem Ziehverformen wird das sinterbare Metall 32 zu einer kompakten Masse zusammengesintert, in_dem ein elektrischer Strom durch die Heizanordnung hindurchgeschickt wird. Der Strom wird vorzugsweise auf die Stärke eingeregelt, die bei dem Normalbetrieb der Glühkerze oder des Heizelementes auftritt. Der hohe

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Widerstand des noch ungesinterten Metallpulvers läßt die Temperatur soweit ansteigen, daß die Teilchen zur Bildung einer kompakteren Masse zusammenhängen, so daß sich ein elektrischer Kontakt mit niedrigem Widerstand zwischen dem Ende der Hülle 24 und der Heizwicklung 30 bildet.

Die Einzelbestandteile des Heizelementes und der Glühkerze können aus den bekannten, für diesen Zweck geeigneten Materialien angefertigt werden. Bei einer Ausfuhrungsform wird die Hülle aus einer bei hoher Temperatur korrosionsfesten Nickellegierung, z.B. aus der Legierung Inconel, hergestellt und die Mittelklemme und die Heizwicklung bestehen aus Legierungen mit hohem Nickelanteil; als sinterbares Material wird Nickelpulver verwendet.

Wahlweise kann der Heizkörper vorzugsweise nach dem Anbringen der Mittelklemme voroxidiert werden, indem das Heizelement auf etwa 1O93°C (2000⁰F) währenl einer Zeitlänge von 15 Minuten

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bis 2 Stunden/erhitzt wird, so daß sich eine isolierende Oxidschicht auf der Drahtoberfläche bildet- Die elektrische Verbindung sollte so hergestellt werden, daß die Endwindung der Heizwicklung, die nach dem Zusammensetzen am inneren Ende der Hülle anliegt, nicht erhitzt wird, da dann diese Endwindung keine Oxidschicht erhält und über das gesinterte Metall 32 eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand bilden kann.

Glühkerzen und andere mit Hülle versehene Heizelemente, die auf erfindungsgemäße Weise hergestellt sind, besitzen den Vorteil, daß das Schweißen oder Hartverlöten der Heizwicklung mit der Hülle durch das Sintern von Metallpulver zur Herstellung des elektrischen Kontaktes ersetzt wird. Dieser Vorgang geht bei viel geringeren Temperaturen als als übliche Schweißen vor sich und vermeidet damit unerwünschte metallurgische Veränderungen an den entsprechenden Abschnitten der Hülle und der Heizwicklung.

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Darüberhinaus schützt das wahlweise Voroxidieren der Heizwicklung diese vor dem darauf folgenden Oxidieren im Betrieb und erhöht auf diese Weise die Lebensdauer des Gerätes.

Es wird darauf hingewiesen, daß die mit Hülle versehenen Heizelemente der beschriebenen Art auch für andere Anwendungen als für Motorglühkerzen verwendet werden können. Beispielsweise können damit Abgas-Sensoren bei Motorabgassystemen aufgeheizt werden, die mit elektronischen Luft/Brennstoff-Gemischregelungen eingesetzt werden.

Es ergibt sich so ein mit einer Hülle versehenes elektrisches Heizelement zur Verwendung als Motorglühkerze oder für andere Verwendungen durch Bereitstellung einer Metallhülle mit geschlossenem Ende, Einsetzen eines zentrierten elektrischen Heizkörpers, der bis zum geschlossenen Ende der Hülle reicht, durch Hinzufügen einer geringen Menge sinterbaren Metallpulvers, das das Ende des Heizelementes an dem geschlossenen Ende der Hülle bedeckt und durch Anfüllen des verbleibenden Raumes um den Heizkörper mit granuliertem elektrisch isolierendem Material, durch Ziehverformen der Anordnung, um ihren Durchmesser zu verringern, ihre Länge zu erhöhen und das Isoliermaterial zu verdichten und durch Sintern des Metallpulvers mittels Durchleiten elektrischen Stromes, damit sich eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen der Heizspule und dem geschlossenem Ende der Hülle ergibt.

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Claims (3)

1. Elektrisches Heizelement und Verfahren zu seiner Herstellung

   -Patentansprüche-

   ( 1.!Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes — mit einer länglichen, elektrisch leitfähigen rohrförmigen und an einer Seite geschlossenen Metallhülle, die eine sich in Axialrichtung erstreckende, an einem Ende dem geschlossenen Ende der Hülle benachbart mit dieser elektrisch verbundene und sonst durch eine wärmeleitende Isolierung elektrisch davon isolierte Heizwicklung enthält, dadurch gekennzeichnet,

   a) daß eine Hülle (24) mit einem die erforderliche Endgröße beträchtlich übertreffenden Durchmesser hergestellt wird,

   b) daß die Heizwicklung (3O) mit einem kleineren Durchmesser als dem Innendurchmesser der Hülle hergestellt wird, wobei die Wicklung an einem Ende mit einem elektrischen

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   Leiter (34) verbunden und am anderen Ende freigelassen wird,

   c) daß die Heizwicklung und der Leiter in der Hülle so zentrisch angebracht werden, daß das freie Ende dem geschlossenen Ende der Hülle benachbart liegt, wobei die einander benachbarten Innenflächen der Hülle und Oberflächen des freien Endes der Wicklung frei von Fremdsubstanzen sind,

   d) daß der Spitzenabschnitt des Hülleninneren mit einer Menge von sinterbarem Metallpulver (32) angefüllt wird, die zur Bedeckung des freien Endes der Heizwicklung ausreicht,

   e) daß der restliche offene Innenbereich der Hülle mit einem granulierten Hochi.emperatur-Elektroisolier-Material (42) so angefüllt wird, daß dieses dicht gepackt um und zwischen den Windungen der Heizwicklung liegt, und daß das offene Ende der Hülle zur Zurückhaltung des Isolationsmaterials abgedichtet wird,

   f) daß die Heizanordnung zur Verringerung der Durchmesser und zur Vergrößerung der Längen von Hülle und innerer Heizwicklung auf die Fertigabmessungen ziehverformt wird und

   g) daß ein elektrischer Strom zwischen dem Heizelement und der Hülle durch das Metallpulver durchgeleitet wird, um das das freie Ende der Wicklung umgebende Metallpulver in dem Hüllenende zu erhitzen und zu sintern, wodurch eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen der Hülle und der Heizwicklung durch das gesinterte Material gebildet wird.

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2. 2. Verfahren nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeich net, daß die Heizwicklung bis auf ihr freies Ende vor dem Einbringen in die Hülle voroxidiert wird, wobei die Voroxidierung durch Erhitzen der Spule auf Oxidierungstemperatur in Luft durch Hindurchschicken eines elektrischen Stromes während eines vorbestimmten Zeitraumes ausgeführt wird.
3. 3. Elektrisches Heizelement mit einer elektrisch leitfähigen, rohrförmigen und an einem Ende geschlossenen Metallhülle, die eine sich in Axialrichtung erstreckende elektrische Heizwicklung enthält, deren eines Ende dem geschlossenen Ende der Hülle benachbart ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge von gesintertem Metall (32) in dem geschlossenen Ende (28) der Hülle (24), das eine Ende der Heizwicklung (30) bedeckend vorgesehen ist, daß das gesinterte Metall einen elektrischen Leitweg mit niedrigem Widerstand zwischen der Heizwicklung (30) und der Hülle (24) ergibt und daß der verbleibende Raum innerhalb der Hülle (24), die Heizwicklung (30) umgebend und die Wicklung (30) getrennt von der Innenwand der Hülle

   (24) haltend mit verdichtetem elektrisch isolierendem Material (42) an_gefüllt ist.

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