DE3512483C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische keramische Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Es ist bereits eine keramische Heizvorrichtung für eine Glühkerze entwickelt worden, die ein Heizelement umfaßt, das aus einem gesinterten Körper aus einem gemischten Pulver aus Molybdän- disilikat (MoSi₂) als elektrisch leitendem keramischen Material mit ausgzeichneter Oxidationsbeständigkeit und Siliziumnitrid (Si₃N₄) als keramischem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, und ein Halteelement umfaßt, das aus einem elektrisch isolierenden, keramischen, gesinterten Körper zum Halten des Heizelementes besteht, wie es in der US-PS 44 86 651 und in JP 59-8 283 A2 beschrieben ist. Eine Glühkerze, die mit einer derartigen keramischen Heizvorrichtung versehen ist, zeichnet sich durch ihr Schnellaufheizvermögen aus, da ihr Heizelement direkt das Innere der Verbrennungskammer aufheizt.
MoSi₂, das ein Bestandteil des Heizelementes ist, gibt dem Heizelement die Oxidationsbeständigkeit, während Si₃N₄ dem Heizelement die Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung gibt. Die in dieser Weise erhaltene Glühkerze hat daher eine überlegene Dauerhaftigkeit.
Bei einer Glühkerze wird die Temperatur des Heizelementes nach Maßgabe der Betriebsverhältnisse des Dieselmotors und der Temperatur in der Verbrennungskammer des Motors gesteuert.
Eines der Temperatursteuerverfahren ist das Widerstandsverfahren. Bei diesem Verfahren wird die Temperaturänderung des Heizelementes von der Widerstandsänderung abgeleitet auf der Grundlage der Eigenschaft des Heizelementes, wonach sich sein Widerstand mit einer Temperaturänderung ändert. Das bei diesem Verfahren benutzte Heizelement muß daher einen großen Temperaturwiderstandskoeffizienten haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische keramische Heizvorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß das Heizelement einen großen Temperaturwiderstandskoeffizienten bei ausgezeichneter Dauerhaftigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Das Heizelement hat eine derartige Zusammensetzung, daß die MoSi₂-Teilchen mit einem kleineren Teilchendurchmesser miteinander verbunden sind und die Si₃N₄-Teilchen mit größerem Teilchendurchmesser umgeben. Der Widerstand des Heizelementes wird daher gleich dem von MoSi₂ selbst.
Wenn der Teilchendurchmesser der MoSi₂-Teilchen gleich dem der Si₃N₄-Teilchen wäre, würde im Gegensatz dazu das erhaltene Heizelement eine Zusammensetzung haben, bei der die Si₃N₄- Teilchen zwischen den MoSi₂-Teilchen liegen, so daß der Widerstand des Heizelementes größer ist als der des MoSi₂ wird.
MoSi₂ hat einen großen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten von 6,4×10-3/K während Si₃N₄ einen negativen Widerstandstemperaturkoeffizienten hat.
Da gemäß der Erfindung die keramische Heizvorrichtung eine derartige Zusammensetzung hat, daß die miteinander verbundenen MoSi₂-Teilchen die verstreuten Si₃N₄-Teilchen umgeben, werden elektrische Leitungswege in den miteinander verbundenen MoSi₂- Teilchen gebildet, so daß der Widerstandstemperaturkoeffizient der erhaltenen keramischen Heizvorrichtung erhöht werden kann.
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen keramischen Heizvorrichtung in ihrer Anwendung bei einer Glühkerze beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 in einer Schnittansicht eine Glühkerze mit dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung,
Fig. 2 die Herstellungsschritte der Glühkerze von Fig. 1,
Fig. 3 ein Modell der Zusammensetzung des Heizelementes für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung,
Fig. 4 ein Modell der Zusammensetzung des Heizelementes, das bei einer herkömmlichen keramischen Heizvorrichtung verwandt wird, und
Fig. 5 bis 8 die Ergebnisse von Versuchen bezüglich der Eigenschaften des Heizelementes.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die keramische Heizvorrichtung ein Heizelement 1, ein Halteelement 2 zum Halten des Heizelementes 1 in seinem oberen Ende und zwei Zuleitungsdrähte 3a, 3b, die in das Halteelement 2 eingebettet und mit dem Heizelement 1 verbunden sind.
Das Heizelement 1 besteht aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch aus MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-Pulver, das einen Teilchendurchmesser hat, der größer als der des MoSi₂-Pulvers ist. Das Halteelement 2 besteht aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch aus Si₃N₄-Pulver und Al₂O₃-Pulver. Das Heizelement 1 ist zu einem Stück mit dem Halteelement 2 gesintert.
Eine metallische Hülse 4 ist um das Halteelement 2 herum vorgesehen, und ein metallischer Körper ist um die metallische Hülse 4 herum vorgesehen.
Ein Ende des Zuleitungsdrahtes 3a ist mit einem Ende des Heizelementes 1 verbunden. Das andere Ende des Zuleitungsdrahtes 3a verläuft zum unteren Ende oder Basisende des Halteelementes 2 und ist mit einer metallischen Kappe 6 verbunden, die auf das untere Ende des Halteelementes 2 gepaßt ist. Die Kappe 6 ist mit einer nicht dargestellten elektrischen Energiequelle über einen Nickeldraht 7 verbunden.
Ein Ende des Zuleitungsdrahtes 3b ist mit dem anderen Ende des Heizelementes 1 verbunden. Das andere Ende des Zuleitungsdrahtes 3b ist mit der metallischen Hülse 4 verbunden. Eine Glühkerze mit dem oben beschriebenen Aufbau wird an einer nicht dargestellten Begrenzungswand einer nicht dargestellten Verbrennungskammer mittels des Gewindes 51 befestigt, das an der Außenfläche des metallischen Körpers 5 ausgebildet ist.
Der elektrische Strom fließt über den Nickeldraht 7, die metallische Kappe 6 und den Zuleitungsdraht 3a in das Heizelement 1 und über den Zuleitungsdraht 3b, die metallische Hülse 4 und den metallischen Körper 5 zur Masse.
Fig. 2 erläutert das Herstellungsverfahren des Heizelementes 1.
MoSi₂-Pulver, Si₃N₄-Pulver und ein organisches Lösungsmittel werden gemischt und mit einem Schaber oder Abstreifmesser geformt, um eine Vielzahl von dünnen keramischen Schichten 1′ zu erhalten.
Si₃N₄-Pulver, Al₂O₃-Pulver und ein organisches Lösungsmittel werden gemischt und mit einem Schaber oder Abstreifmesser geformt, um mehrere dünne keramische Schichten 2′ zu erhalten.
Die erhaltenen keramischen Schichten 1′ und 2′ werden in der in Fig. 2 dargestellten Weise geschichtet und zusammengesetzt, um Schichtkörper H₁, H₂ und H₃ zu erhalten.
Anschließend werden die Schichtkörper H₁, H₂ und H₃ übereinander mit zwischen benachbarten Schichtkörpern verlegten Zuleitungsdrähten 3a und 3b angeordnet. Die Schichtkörper H₁, H₂ und H₃ werden dann laminiert und bei 1600°C unter einem Druck von etwa 500 kg/cm² heißgepreßt. In dieser Weise wird das Heizelement erhalten.
Im folgenden wird die Zusammensetzung des Heizelements 1 der Glühkerze unter Bezug auf erhaltene Versuchsergebnisse erläutert.
Die folgende Tabelle zeigt den Widerstandstemperaturkoeffizienten und den Widerstandswert bei normaler Temperatur von drei Arten von Heizelementen mit verschiedenen Kombinationen des mittleren Teilchendurchmessers des MoSi₂-Pulvers und des Si₃N₄-Pulvers.
Der Widerstandstemperaturkoeffizient ist als Verhältnis des Widerstandes des Heizelementes, dessen Temperatur durch Zuführung eines elektrischen Stromes zur Glühkerze auf 900°C erhöht wurde, zum Widerstand des Heizelementes bei normaler Temperatur (R 900°C/R 20°C) dargestellt.
Aus obiger Tabelle ist ersichtlich, daß im Vergleich mit dem Fall, bei dem der Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers nicht größer als der des MoSi₂-Pulvers ist, dann, wenn der Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers größer als der des MoSi₂-Pulvers wird, der Wert von R 900°C/R 20°C merklich zunimmt und der Widerstand bei normaler Temperatur abnimmt.
Fig. 3 zeigt ein Modell der Zusammensetzung des Heizelementes, bei dem der Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers größer als der des MoSi₂-Pulvers ist.
Fig. 4 zeigt ein Modell der Zusammensetzung des Heizelementes, bei dem der Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers im wesentlichen gleich dem des MoSi₂-Pulvers ist.
Bei einem Heizelement, bei dem der Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers größer als der des MoSi₂-Pulvers ist, kommen die MoSi₂-Teilchen, die einen großen Widerstandstemperaturkoeffizienten und einen kleinen spezifischen Widerstand haben, miteinander in Berührung, so daß sie durchgehende elektrische Stromwege bilden. Das hat zur Folge, daß der Wert R 900°C/R 20°C des Heizelementes zunimmt.
Fig. 5 und 6 zeigen die Änderungen des spezifischen Widerstandes bei normaler Temperatur und des Widerstandstemperaturkoeffizienten mit den Gemischverhältnissen des Si₃N₄-Pulvers und des MoSi₂-Pulvers jeweils. Die Kurve A zeigt die Änderung bei einem Heizelement, das aus einem MoSi₂-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 0,9 µm und einem Si₃N₄-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 35 µm gebildet ist. Die Kurve B zeigt die Änderung bei einem Heizelement, das aus einem MoSi₂-Pulver und einem Si₃N₄-Pulver besteht, die jeweils einen Teilchendurchmesser von 0,9 µm haben.
Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist der spezifische Widerstand des Elementes A (Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers < Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers) kleiner als der des Elementes B (Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers = Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers) bei jedem Gemischverhältnis. Der Unterschied im spezifischen Widerstand zwischen den Heizelementen A und B steigt mit einer Zunahme des Gemischanteils des Si₃N₄-Pulvers an.
Um die Schnellheizeigenschaft des Heizelementes zu verbessern, ist es bevorzugt, seinen spezifischen Widerstand herabzusetzen.
Bei dem Element B muß der Gemischanteil des Si₃N₄-Pulvers verringert werden, um seinen spezifischen Widerstand herabzusetzen. Wenn der Gemischanteil des Si₃N₄-Pulvers jedoch abnimmt, nimmt der Wärmeausdehnungskoeffizient zu und nimmt die Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung ab.
Selbst wenn bei dem Element A der Gemischanteil des Si₃N₄- Pulvers erhöht wird, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Heizelementes herabzusetzen, bleibt sein sepzifischer Widerstand klein.
Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, ist der Wert R 900°C/R 20°C des Heizelementes A (Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers < Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers) größer als der des Heizelementes B (Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers = Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers) bei jedem Gemischverhältnis. Der Wert von R 900°C/R 20°C des Heizelementes A ändert sich weiterhin wenig im Bereich von 35 bis 75 Mol.-% an Si₃N₄-Pulver. Dieses Versuchsergebnis zeigt, daß die Beständigkeit des Heizelementes A gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung dadurch verbessert werden kann, daß der Gemischanteil des Si₃N₄-Pulvers erhöht wird, wobei gleichzeitig ein hoher Widerstandstemperaturkoeffizient beibehalten wird.
Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß der passende Gemischanteil des Si₃N₄-Pulvers nicht mehr als 75 Mol.-% beträgt. Über 75 Mol.-% nimmt der spezifische Widerstand bei normaler Temperatur des Heizelementes zu, so daß seine Schnellheizeigenschaft abnimmt. In diesem Fall nimmt auch der Wert von R 900°C/R 20°C ab. Das hat zur Folge, daß eine passende Temperatursteuerung des Heizelementes unmöglich würde.
Wenn der Gemischanteil des Si₃N₄-Pulvers unter 35 Mol.-% fällt, nimmt die Beständigkeit des Heizelementes gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung ab, so daß die für eine Glühkerze benötigte Dauerhaftigkeit nicht erzielt werden kann.
Fig. 7 zeigt den bevorzugten Bereich des Verhältnisses des Teilchendurchmessers des Si₃N₄-Pulvers zu dem des MoSi₂- Pulvers für den Fall, daß der Teilchendurchmesser des MoSi₂- Pulers kleiner als der des Si₃N₄-Pulvers ist.
Es wurde die Änderung des Wertes R 900°C/R 20°C dadurch untersucht, daß der mittlere Teilchendurchmesser des Si₃N₄- Pulvers verändert wurde, während der des MoSi₂-Pulvers bei 0,9 µm beibehalten wurde. In diesem Fall wurde das Gemischverhältnis des Si₃N₄-Pulvers und des MoSi₂-Pulvers so gewählt, daß der Widerstand der Glühkerze etwa 0,2 Ω betrug und wurde der Wert R 900°C/R 20°C bei dem gewählten Gemischverhältnis gemessen.
Bei einer Glühkerze, bei der die Temperatur des Heizelementes dadurch gesteuert wird, daß seine Widerstandsänderung wahrgenommen wird, wird ein Wert von R 900°C/R 20°C von nicht weniger als 3,0 benötigt, um die Streuung der gesteuerten Temperatur herabzusetzen. Um dem obigen Erfordernis zu genügen, muß der mittlere Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers wenigstens zweimal so groß wie der des MoSi₂-Pulvers sein, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.
Fig. 8 zeigt die Versuchsergebnisse hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers und der Dauerhaftigkeit des Heizelementes.
Es wurde an die Glühkerze 1 Minute lang eine Spannung angelegt, die der Glühkerze die Gleichgewichtstemperatur von 1300°C gibt. Anschließend wurde die Glühkerze ohne anliegende Spannung 1 Minute lang abgekühlt. Dieses schrittweise erfolgende Anlegen einer Spannung wurde wiederholt, und es wurde die Änderung des Widerstandes mit steigender Anzahl von Zyklen des Anlegens der Spannung gemessen. Die Widerstandszunahme in Fig. 8 ist das Verhältnis der Zunahme des Widerstandes zum Anfangswiderstand. Das bei diesem Experiment benutzte Si₃N₄-Pulver hatte einen konstanten mittleren Teilchendurchmesser von 30 µm, während das MoSi₂-Pulver verschiedene mittlere Teilchendurchmesser von 0,9 µm (Kurve C), 2 µm (Kurve D), 5 µm (Kurve E) und 13 µm (Kurve F) hatte.
Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß bei einem zu großen Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers die Beständigkeit gegenüber einer hohen Temperatur abnimmt. Der bevorzugte mittlere Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers liegt bei 2 µm oder darunter.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wurde das Heizelement bei einer Glühkerze angewandt. Das erfindungsgemäße Heizelement kann jedoch darüber hinaus auch für andere Zwecke eingesetzt werden.
Wie es oben beschrieben wurde, hat die erfindungsgemäße keramische Heizvorrichtung ein ausgezeichnetes Schnellheizvermögen, wobei ein keramisches Heizelement an einem Ende eines Halteelementes aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material ausgebildet ist.
Gemäß der Erfindung besteht das Heizelement aus einem gesinterten keramischen Gemisch aus MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-Pulver, dessen mittlerer Teilchendurchmesser größer als der des MoSi₂- Pulvers ist. Das erhaltene Heizelement hat einen Widerstandstemperaturkoeffizienten, der im wesentlichen gleichen oder nahezu gleich dem des MoSi₂ selbst und wesentlich größer als der des Si₃N₄ ist. Das erhaltene Heizelemente kann daher die Temperatur nach Maßgabe seiner Widerstandsänderung genau steuern, ohne daß die gesteuerte Temperatur streut.
Wenn insbesondere der mittlere Teilchendurchmesser des Si₃N₄- Pulvers wenigstens zweimal so groß wie der des MiSo₂-Pulvers ist, kann der Wert von R 900°C/R 20°C des Heizelementes auf 3 oder mehr erhöht werden.
Trotz einer Erhöhung des Gemischanteils des Si₃N₄-Pulvers zeigt weiterhin das erhaltene Heizelement einen hohen Widerstandstemperaturkoeffizienten. Die Beständigkeit des Heizelementes gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung kann aufgrund des hohen Gemischanteils an Si₃N₄-Pulver verbessert werden.
Wenn ein MoSi₂-Pulver verwandt wird, das einen kleinen mittleren Teilchendurchmesser von vorzugsweise 2 µm oder weniger hat, kann die Dauerhaftigkeit bei hoher Temperatur des erhaltenen Heizelementes stark verbessert werden.

Claims (1)

  1. Elektrische keramische Heizvorrichtung mit einem Heizelement, das aus einem elektrisch leitenden, keramischen, gesinterten Körper aus einem Gemisch aus MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-Pulver besteht, und mit einem Halteelement, das aus einem elektrisch isolierenden, keramischen, gesinterten Körper besteht, wobei das Heizelement an einem Ende des Halteelementes angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 35 bis 75 Mol.-% Si₃N₄-Pulver enthält, der mittlere Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers wenigstens zweimal so groß ist wie der des MoSi₂-Pulvers, und daß der mittlere Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers 2 µm oder weniger beträgt.
DE19853512483 1984-04-09 1985-04-04 Keramische heizvorrichtung Granted DE3512483A1 (de)

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