DE3519437A1

DE3519437A1 - Keramische heizvorrichtung

Info

Publication number: DE3519437A1
Application number: DE19853519437
Authority: DE
Inventors: Kinya Toyohashi Aichi Atsumi; Morihiro Atsumi; Novuei Aichi Ito; Hitoshi Okazaki Aichi Yoshida
Original assignee: Nippon Soken Inc; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1985-05-30
Publication date: 1985-12-05
Also published as: DE3519437C2; JPS60254586A; US4633064A; JPH0230149B2

Description

?'-■ 1 O ■', 3

Keramische Heizvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine keramische Heizvorrichtung, insbesondere für eine Glühkerze eines Dieselmotors usw.

Eine Glühkerze wird dazu benutzt, die Stabilität des Dieselmotors bei niedriger Temperatur zu verbessern. Eine Glühkerze muß daher ein schnelles Aufheizvermögen haben.

Es ist bereits eine keramische Heizvorrichtung für eine Glühkerze entwickelt worden, die dadurch gebildet wird, daß in einem Stück ein Heizelement aus einem Mischpulver aus Molydändisi1ikat MoSi₂ als elektrisch leitendes keramisches Material mit ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit und Siliziumnitrid Si₃N₄ als elektrisch isolierendes keramisches Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten gesintert wird und ein Halteelement aus einem elektrisch isolierenden keramischen gesinterten Körper gebildet wird, um das Heizelement zu halten, dessen oberes Ende mit dem Heizelement überdeckt wird (US-Patentanmeldung No.659 959 und Japanische Patentanmeldung No.59-70670). Eine Glühkerze, die mit dieser keramischen Heizvorrichtung versehen ist, ist im Schnellaufheizvermögen überlegen, da ihr Heizelement direkt das Innere der Verbrennungskammer beheizt.

₂, das ein Bestandteil des Heizelementes ist, gibt dem Heizelement die Oxidationsbeständigkeit, während Si₃N₄ dem Heizelement die Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung gibt.

Bei einer derartigen keramischen Heizvorrichtung tritt jedoch

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γ.; ι η / ο^r;

- ·τ O /

die Schwierigkeit auf, daß an der Verbindungsstelle des Halteelementes und des Heizelementes aufgrund des Unterschiedes in den verschiedenen Eigenschaften, wie beispielsweise im Wärmeausdehnungskoeffizienten,^ der Wärmeleitfähigkeit usw., Wärmespannungen auftreten, was die Beständigkeit der keramischen Heizvorrichtung gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen herabsetzt.

Durch die Erfindung soll daher eine keramische Heizvorrichtung geschaffen werden, die sich als Heizung für eine Glühkerze eines Dieselmotors eignet.

Durch die Erfindung soll insbesondere eine keramische Heizvorrichtung mit ausgezeichnetem Schnellaufheizvermögen und höherer Wärmeschockbeständigkeit oder Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung geschaffen werden. f

Die erfindungsgemäße keramische Heizvorrichtung weist ein keramisches Heizelement auf, das aus einem mittleren Teil und einem äußeren Teil mit einem U-förmigen Querschnitt besteht, der den mittleren Teil in engem Kontakt damit überdeckt. Die erfindungsgemäße keramische Heizvorrichtung umfaßt weiterhin zwei Zuleitungsdrähte, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind. Ein Ende jedes Zuleitungsdrahtes ist mit jeweils einem der beiden Enden des äußeren Teils verbunden.

Der mittlere Teil und der äußere Teil sind durch Sintern in einem Stück miteinander verbunden. Der äußere Teil besteht aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch eines leitenden keramischen Pulvers,weil beispielsweise MoSi_?-Pulver und einein isolierenden keramischen Pulver, wie beispielsweise Si₃N₄-Pulver. In diesem Fall hat das leitende keramische Pulver einen mittleren Teilchendurchmesser, der kleiner als der des isolierenden keramischen Pulvers ist und vorzugsweise nicht mehr als die Hälfte des Durchmessers des isolierenden kera- ^

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I. I

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mischen Pulvers beträgt.

Als leitendes keramisches Material kann Wolframsilikat WSi₂. Titanborat TiB₂, Titancarbid TiC usw. statt Molybdäodisi1ikat MoSip verwandt werden.

Der mittlere Teil besteht aus einem gesinterten körper aus einem Gemisch eines leitenden keramischen Pulvers und eines isolierenden keramischen Pulvers. Sowohl das leitende keramische Pulver als auch das isolierende keramische Pulver für den mittleren Teil sind mit der Ausnahme des mittleren Teilchendurchmessers jedes Pulvers gleich den entsprechenden Materialien des äußeren Teils. Für den mittleren Teil ist der mittlere Teilchendurchmesser des leitenden keramischen Pulvers gleich dem oder größer als der des isolierenden keramischen Pulvers. Das Zusammensetzungsverhältnis des leitenden keramischen Pulvers und des isolierenden keramischen Pulvers für den mittleren Teil ist gleich dem Zusammensetzungsverhältnis für den äußeren Tei1.

Im äußeren Teil des Heizelementes sind die MoSi^-Teilchen mit einem kleineren Durchmesser um die isolierenden keramischen Teilchen herum miteinander verbunden. Es fließt somit ein elektrischer Strom durch den äußeren Teil, damit dieser Wärme erzeugt. Im mittleren Teil des Heizelementes liegen die isolierenden keramischen Teilchen mit einem kleineren Teilchendurchmesser zwischen den leitenden keramischen Teilchen mit einem größeren Teilchendurchmesser derart, daß zwei Arten von keramischen Teilchen in Reihe angeordnet sind, so daß der Widerstand des mittleren Teils größer als der des äußeren TeiIs wird.

Aus diesem Grunde tritt ein Kurzschluß zwischen den beiden Enden des äußeren Teils, mit dem die Zuleitungsdrähte jeweils verbunden sind, nicht auf.

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2 R 1 Γ¹ ί·, 3

Da die Zusammensetzung des mittleren Teils und des äußeren Teils gleich ist, sind auch der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und die anderen verschiedenen Eigenschaften der beiden Teile im wesentlichen gleich. Es werden daher keine Wärmespannungen an der Verbindungsstelle des mittleren Teils und des äußeren Teils erzeugt.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1A eine Längsschnittansicht einer Glühker

ze mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen keramischen Heizvorrichtung ,

* Fig.18 eine Stirnansicht der keramischen Heiz- _Λ

vorrichtung von Fig.1A,

Fig.2 die Struktur des äußeren Teils des Heiz

elementes in Form eines Modells,

Fig.3 die Struktur des mittleren Teils des

Heizelementes in Form eines Modells,

Fig.4 in einer graphischen Darstellung die

Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser eines Bestandteils des Heizelementes und seinem spezifischen Widerstand, und

Fig.5A und 5B in graphischen Darstellungen jeweils

die Beziehung zwischen der Temperatur des Heizelementes und seines Widerstandes, y

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Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen keramischen Heizvorrichtung wird im folgenden anhand seiner Verwendung bei einer Glühkerze beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine keramische Glühkerze. Wie es in Fig.1 dargestellt ist, ist ein Heizelement 1 dadurch gebildet, daß ein Mischpulver aus MoSi₂ und Si₃N₄ gesintert und mit der oberen Außenfläche eines Halteelementes 2 verbunden wird, das dadurch gebildet wird, daß ein Mischpulver aus Si₃N₄ und Tonerde AUO₃ gesintert wird. In das Halteelement 2 sind Zuleitungsdrähte 3a,3b eingebettet, die jeweils aus Wolfram bestehen und mit dem Heizelement 1 verbunden sind. An der Außenfläche des Halteelementes 2 ist ein Metallrohrstück 4 vorgesehen. Ein Ende eines zylindrischen metallischen Körpers 5 ist mit dem Metallrohrstück 4 verbunden. In dem anderen offenen Ende des metallischen Körpers 5 ist eine mittlere Elektrode 7 über eine Buchse 8 eingepaßt. Die mittlere Elektrode 7 und die Buchse 8 sind an dem Körper 5 über eine Mutter 9 befestigt. Ein O-Ring 10 ist zwischen der Mutter 9 und dem Körper 5 zur Abdichtung angeordnet.

Das andere Ende des Zuleitungsdrahtes 3b ist mit der mittleren Elektrode 7 über einen Haltestift 6 verbunden, während das andere Ende des Zuleitungsdrahtes 3a mit dem Metallrohrstück 4 verbunden ist.

Eine Glühkerze mit dem oben beschriebenen Aufbau wird mit seinem Gewindeteil 51, der am Körper 5 ausgebildet ist, in einer nicht dargestellten Gewindebohrung befestigt, die in der Wand einer nicht dargestellten Verbrennungskammer einer gleichfalls nicht dargestellten Maschine ausgebildet ist.

Das keramische Heizelement 1 besteht aus einem äußeren Teil 11 mit einem U-förmigen Querschnitt und einem plattenförmigen mittleren Teil 12, der vom äußeren Teil 11 umgeben ist. So-

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wohl der äußere Teil 11 als auch der mittlere Teil 12 bestehen aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch von MoSi₂-Pulver und Si₃N₄-PuIver, deren Zusammensetzungsverhältnis gleich ist.

Im Gemisch für den äußeren Teil 11 ist der mittlere Teilchendurchmesser des MoSip-Pulvers kleiner als der des Si₃N₄-Pulvers, während im Gemisch für den mittleren Teil 12 der mittlere Teilchendurchmesser des MoSi₂-Pulvers gleich dem oder größer als der des Si₃N₄-Pulvers ist.

Fig.2 und 3 zeigen die Struktur des äußeren Teils 11 und des mittleren Teils 12 in Form eines Modells jeweils.

Im äußeren Teil 11 umgeben die leitenden Teilchen MoSi₂ die Si₃N₄-TeIlchen.um die elektrische Leitfähigkeit des äußeren Teils 11 zu erhöhen.

Im mittleren Teil 12 sind die MoSi₂-TeIlchen und die Si₃N₄-Teilchen in Reihe angeordnet, so daß der spezifische Widerstand des mittleren Teils 12 größer als der des äußeren Teils 11 ist.

Fig.4 zeigt die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und dem Teilchendurchmesser des Si₃N₄-PuIVeTs im gesinterten Körper aus einem Gemisch von 30 Mol-% MoSi₂ und 70 Mol-% Si₃N₄. In diesem Fall wurden zwei Arten von MoSi₂-Pulvern mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,9 um und 3,5 um verwandt.

Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß der spezifische Widerstand mit zunehmendem Teilchendurchmesser von Si₃N₄ relativ zu dem von MoSip abnimmt.

Der Widerstand des äußeren Teils 11 sowie des mittleren Teils

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. ι / ■ ι ' ' . J ■ ·■ . ι '

12 ändert sich mit der Temperatur dieser Teile. Der Widerstand

des mittleren Teils 12 muß immer größer als der des äußeren

Teils 11 sein, um das Auftreten eines Kurzschlusses zwischen den beiden Enden des äußeren Teils 11 zu vermeiden.

Fig.5A zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand des äußeren Teils 11 und Fig.5B zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand des mittleren Teils 12. In den Fig.5A und 5B besteht bei jedem Heizelement 1 bis 4 der mittlere Teil aus einem Gemisch mit der Teilchendurchmesserkombination B in Fig.4 und besteht der äußere Teil aus einem Gemisch mit der Teilchendurchmesserkombination A in Fig.4.

Bei den Heizelementen 1,2,3 und 4 haben der äußere Teil 11 und der mittlere Teil 12 verschiedene Stärken, wie es in der folgenden Tabelle 1 angegeben ist.

Tabelle 1

Nr. jt. (mm) jtp(mm)

Widerstand bei normaler Temperatur in

1	O	.5	■ 1,45
2	1	,0	1.2
3	1	CJl	0,95
4	2	.0	0.7

0,057 0,083 0,110 0,160

In Tabelle 1 bezeichnet t. die Stärke des mittleren Teils 12 und t₂ die Stärke des äußeren Teils 11. Unter dem Widerstand bei normaler Temperatur ( £l ) ist der Widerstand des mittleren Teils 12 zu verstehen.

Aus Fig.5 ist ersichtlich, daß der Widerstand des äußeren

ORIGINAL INSPECTED

Teils 11 und des mittleren Teils 12 mit steigender Temperatur zunimmt. Bei jedem Heizelement 1 bis 4 ist der Widerstand des mittleren Teils 12 im Temperaturbereich von 0⁰C bis 1300⁰C größer als der des äußeren Teils 11. Die Heizelemente 1 bis 4 können daher als Heizelemente für eine Glühkerze verwandt werden.

Der bevorzugte Widerstand des mittleren Teils 12 eines Heizelementes einer Glühkerze ist nicht kleiner als das etwa 1,7-fache des Widerstandes des äußeren Teils 11. Die Heizelemente 2 bis 4 eignen sich daher insbesondere als Heizelement für eine Glühkerze.

Der mittlere Teil 12 kann statt des gesinterten Körpers mit der Teilchendurchmesserkombination B aus einem gesinterten Körper mit der Teilchendurchmesserkombination C in Fig.4 bestehen.

Es wurden Temperaturwechselbeständigkeitsprüfungen einer Glühkerze mit einem Heizelement gemäß der Erfindung und von Glühkerzen mit Heizelementen durchgeführt, dere-n mittlerer Teil 12 aus einem gesinterten Körper aus Tonerde, Si 1 iziumcarbid,Siliziumnitrid jeweils bestand.

Zunächst wurde eine Spannung an jede Glühkerze angelegt, damit diese Wärme für verschiedene Sattigungstemperaturen erzeugt, wonach das Heizelement jeder Glühkerze in ein Wasserbad mit einer Temperatur von 20⁰C eingetaucht wurde. Dieser Aufheizungs· und Abkühlungszyklus wurde zehnmal wiederholt, und es wurde die Temperatur untersucht, bei der die Änderung des Widerstandes des mittleren Teils nicht mehr als 10% betrug. Die Untersuchungsergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.

In der Tabelle 2 ist mit X angezeigt, daß die Zunahme des Wi-

derstandes des mittleren Teils 10% erreicht, und ist mit O an· gegeben, daß die Zunahme 10X nicht erreicht.

	Tabel	Ie 2	300 350	400	450 ;500 (⁰C)
Vergleichs heizelement	" -Wechseltemp. mittl. TeTl"--^	250	■ χ χ	X	χ χ
1	Al₂O₃	X	o; ο	X	X X
2	SiC	0	0 0	0	X X
3	Si₃N₄	0	0 0	0	0 \ 0
Heizelement j gemäß der Erfindung	MoSi₂^fSi₃N₄	0

Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften des mittleren Teils 12 des Heizelementes von den entsprechenden Eigenschaften des äußeren Teils 11 verschieden sind, werden Risse im Verbindungsbereich des mittleren Teils und des äußeren Teils aufgrund von Wärmespannungen erzeugt. Wenn sich die Risse im äußeren Teil 11 ausbreiten, nimmt der Widerstand des Heizelementes allmählich zu.

Wie es aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, werden in den Vergleichsheizelementen 1,2,3 Risse mit einer Zunahme des Widerstandes um 10% bei 250⁰C (für den Fall, daß der mittlere Teil aus Al₂O₃ besteht), bei 400⁰C (für den Fall, daß der mittlere Teil aus SiC besteht) und bei 450⁰C (für den Fall, daß der mittlere Teil aus Si₃N₄ besteht) erzeugt. Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement werden im Gegensatz dazu Risse mit einer Zunahme des Widerstandes um 10% bis 500⁰C nicht erzeugt.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wurde MoSip als leitendes keramisches Material verwandt. Stattdessen kann auch WSi₂, TiB₂, TiC als leitendes keramisches Material verwandt werden.

Das Zusammensetzungsverhältnis des elektrisch isolierenden keramischen Materials im Heizelement ist aus dem Bereich von 35 Mol-% bis 75 Mol-% gewählt. Über 75 Mol-% wird der spezifische Widerstand bei normaler Temperatur des Heizelementes zu groß, so daß die Schnellaufheizfähigkeit abnimmt. Unter 35 Mol-% ist die Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temporaturändcniru] des Heizelementes verringert, so daß seine Dauerhaftigkeit abnimmt.

Wenn das Heizelement wiederholten Abkühlungs- und Aufheizungszyklen unterworfen wird, besteht die Neigung, daß sein Widerstand ansteigt. Diese Neigung wird besonders deutlich, wenn der Teilchendurchmesser des leitenden keramischen Materials zunimmt. Der bevorzugte Bereich des Teilchendurchmessers des leitenden keramischen Materials liegt nicht über 2 um.

Wie es oben beschrieben wurde, umfaßt die erfindungsgemäße keramische Heizvorrichtung einen mittleren Teil aus einem keramischen gesinterten Körper und einen äußeren Teil aus einem anderen keramischen gesinterten Körper. Der äußere Teil umgibt den mittleren Teil und ist in einem Stück mit dem mittleren Teil gesintert.

Die Zusammensetzung des keramischen gesinterten Körpers des äußeren Teils ist die gleiche wie die des mittleren Teils mit der Ausnahme des spezifischen Widerstandes.

Der spezifische Widerstand des mittleren Teils ist größer als der des äußeren Teils.

Ein Ende jedes von zwei Zuleitungsdrähten ist in jeweils eines

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der beiden Enden des äußeren Teils in einem vorbestimmten Abstand eingebettet.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Zuleitungsdrähte geleitet wird, fließt dieser durch den äußeren Teil, damit das Heizelement Wärme erzeugt.

Da die beiden Enden des äußeren Teils des Heizelementes,in die die Zuleitungsdrähte eingebettet sind, durch den mittleren Teil gegeneinander isoliert sind, kann ein Kurzschluß dazwischen durch den mittleren Teil mit einem hohen spe/. i f ischon Widerstand verhindert werden.

Da der äußere Teil aus einem Material besteht, das dasselbe Zusammensetzungsverhältnis wie das Material des mittleren Teils hat und mit dem mittleren Teil durch Sintern in einem Stück verbunden ist, werden keine Risse aufgrund von Wärmespannungen erzeugt, wenn die Abkühlungs- und Aufheizungszyklen wiederholt werden. Das Heizelement gemäß der Erfindung zeigt daher eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit oder Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung, so daß es bei einer Glühkerze für einen Dieselmotor verwandt worden kann.

ORIGINAL INSPECTED

- Leerseite -

Claims

Dr. F. Zumsiein sen - Dr E. Aäsmann ^ R 1 Q Λ ^ Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE 3/Li SK-111-2 NIPPONDENSO CO.,UD.,Kariya-shi, Japan NIPPON SOKEN1INC, Nishio-shi, Japan Hoi/vorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Keramische Heizvorrichtung mit einem keramischen Heizelement aus einen keramischen gesinterten Körper, der Wärme erzeugt, 'wenn er von eine.n elektrischen Strom durc hf lossen wi rd,

einem Halteelement aus einem elektrisch isolierenden keramischen gesinterten Körper zum Halten des keramischen Heizöl omen tos, und

einer Stromversorgungseinrichtung zu:n Liefern eines elektrischen Stromes zum keramischen Heizelement, dadurch gekennzeichnet,

daß das keramische Heizelement einen mittleren Teil und einen äußeren Teil mit U-förmigem Querschnitt umfaßt,

BAD

der den mittleren Teil überdeckt, wobei der äußere Teil aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch eines elektrisch leitenden keramischen Pulvers und eines elektrisch isolierenden keramischen Pulvers besteht, dessen mittlerer Teilchendurchmesser größer als der des elektrisch leitenden keramischen Pulvers zur Bildung des äußeren Teils ist, der mittlere Teil aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch eines elektrisch leitenden keramischen Pulvers und eines elektrisch isolierenden keramischen Pulvers mit einem mittleren Teilchendurchmesser gleich dein oder kleiner als der des elektrisch leitenden keramischen Pulvers zur Bildung des mittleren Teils besteht, das Gemisch für den äußeren Teil die gleiche Zusammensetzung wie das Gemisch für den mittleren Teil hat und der äußere Teil in einem Stück mit dem mittleren Teil gesintert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Stromversorgungseinrichtung zwei Zuleitungsdrähte umfaßt, von denen jeder mit einer der beiden Außenflächen des äußeren Teils verbunden ist.

3. Vorrichtung noch Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der mittlere Teilchendurchmesser des leitenden keramischen Pulvers zur Bildung des äußeren Teils des keramischen Heizelementes nicht größer als die Hälfte des mittleren Teilchendurchmessers des elektrisch isolierenden keramischen Pulvers zur Bildung des äußeren Teils ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß der spezifische Widerstand des mittleren Teils des keramischen Heizelementes nicht kleiner als das 1 ,7-fache

des spezifischen Widerstandes des äußeren Teils ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende keramische Material aus der Gruppe gewählt ist, die aus MoSi₂, WSi₂, TiB₂ und TiC besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch zur Bildung des keramischen Heizelementes 35 Mol-% bis 75 Mol-% des elektrisch isolierenden keramischen Pulvers enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurcli gekennzeichnet,

daß das keramische Heizelement und das Halteelement durch

Sintern in einem Stück miteinander verbunden sind, und

daß die Zuleitungsdrähte in das Halteelement eingebettet sind.

ORIGINAL IN3PEGTED