DE3519437C2

DE3519437C2 -

Info

Publication number: DE3519437C2
Application number: DE3519437A
Authority: DE
Inventors: Morihiro Atsumi; Hitoshi Okazaki Aichi Jp Yoshida; Novuei Aichi Jp Ito; Kinya Toyohashi Aichi Jp Atsumi
Original assignee: Nippon Soken Inc; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1985-05-30
Publication date: 1993-07-15
Also published as: JPH0230149B2; JPS60254586A; US4633064A; DE3519437A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische keramische Heizvorrichtung nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Heizvorrichtung ist aus JP 59-8293 A2 für eine Glüh kerze bekannt, die dadurch gebildet wird, daß in einem Stück ein Heizelement aus einem Mischpulver aus Molybdändisilikat MoSi₂ als elektrisch leitendes keramisches Material mit ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit und Si liziumnitrid Si₃N₄ als elektrisch isolierendes keramisches Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten gesin tert und ein Halteelement aus einem elektrisch isolie renden keramischen gesinterten Körper gebildet wird, dessen vorderes Ende von dem Heizelement überdeckt wird. Eine Glühkereze, die mit dieser keramischen Heizvorrichtung versehen ist, hat ein sehr gutes Schnellauf heizvermögen, wobei ihr Heizelement direkt das Innere einer Verbrennungskammer beheizen kann.

MoSi₂, das ein Bestandteil des Heizelementes ist, gibt dem Heizelement die Oxidationsbeständigkeit, während Si₃N₄ dem Heizelement die Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Tem peraturänderung gibt.

Bei einer derartigen keramischen Heizvorrichtung tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß an der Verbindungsstelle des Hal teelementes und des Heizelementes aufgrund des Unterschiedes in den verschiedenen Eigenschaften, wie beispielsweise im Wärmeausdehnungskoeffizienten, in der Wärmeleitfähigkeit usw., Wärmespannungen auftreten, was die Beständigkeit der kerami schen Heizvorrichtung gegenüber plötzlichen Temperaturände rungen herabsetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine keramische Heiz vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß sie neben einem ausgezeichneten Schnellaufheizvermögen auch eine hohe Wärmeschockbeständigkeit bzw. Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperaturänderung hat.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeich nenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Als leitendes keramisches Material kann Wolframsilikat WSi₂, Titanborat TiB₂, Titancarbid TiC usw. statt Molybdänsilikat MoSi₂ 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 kera mische Pulver als auch das isolierende keramische Pulver für den mittleren Teil sind mit der Ausnahme des mittleren Teil chendurchmessers jedes Pulvers gleich den entsprechenden Ma terialien 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 kerami schen Pulvers und des isolierenden keramischen Pulvers für den mittleren Teil ist gleich dem Zusammensetzungsverhältnis für den äußeren Teil.

Im äußeren Teil des Heizelementes sind die MoSi₂-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 iso lierenden keramischen Teilchen mit einem kleineren Teilchen durchmesser 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 ist als der des äußeren Teils wird.

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

Da die Zusammensetzung des mittleren Teils und des äußeren Teils gleich ist, sind auch der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und die anderen verschiedenen Eigen schaften 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 be sonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A eine Längsschnittansicht einer Glühker ze mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen keramischen Heizvor richtung,

Fig. 1B eine Stirnansicht der keramischen Heiz 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 Teilchendurch messer eines Bestandteils des Heizele mentes und seinem spezifischen Wider stand, und

Fig. 5A und 5B in graphischen Darstellungen jeweils die Beziehung zwischen der Temperatur des Heizelementes und seines Widerstan des.

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 dar gestellt 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 da durch gebildet wird, daß ein Mischpulver aus Si₃N₄ und Tonerde Al₂O₃ gesintert wird. In das Halteelement 2 sind Zuleitungs drähte 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 mittle ren 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 wohl der äußere Teil 11 als auch der mittlere Teil 12 beste hen aus einem gesinterten Körper aus einem Gemisch von MoSi₂- Pulver und Si₃N₄-Pulver, deren Zusammensetzungsverhältnis gleich ist.

Im Gemisch für den äußeren Teil 11 ist der mittlere Teilchen durchmesser des MoSi₂-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 Wider stand des mittleren Teils 12 größer als der des äußeren Teils 11 ist.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem spezifischen Wider stand und dem Teilchendurchmesser des Si₃N₄-Pulvers im ge sinterten 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 µm und 3,5 µm verwandt.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der spezifische Widerstand mit zunehmendem Teilchendurchmesser von Si₃N₄ relativ zu dem von MoSi₂ abnimmt.

Der Widerstand des äußeren Teils 11 sowie des mittleren Teils 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 Teilchendurchmes serkombination B in Fig. 4 und besteht der äußere Teil aus ei nem 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 fol genden Tabelle 1 angegeben ist.

Tabelle 1

In Tabelle 1 bezeichnet t₁ die Stärke des mittleren Teils 12 und t₂ die Stärke des äußeren Teils 11. Unter dem Widerstand bei normaler Temperatur (Ω) ist der Widerstand des mitt leren Teils 12 zu verstehen.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der Widerstand des äußeren 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 0°C bis 1300°C 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 Heizele mentes einer Glühkerze ist nicht kleiner als das etwa 1,7-fa che des Widerstands 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 be stehen.

Es wurden Temperaturwechselbeständigkeitsprüfungen einer Glüh kerze mit einem Heizelement gemäß der Erfindung und von Glüh kerzen mit Heizelementen durchgeführt, deren mittlerer Teil 12 aus einem gesinterten Körper aus Tonerde, Siliziumcarbid, Si liziumnitrid jeweils bestand.

Zunächst wurde eine Spannung an jede Glühkerze angelegt, damit diese Wärme für verschiedene Sättigungstemperaturen erzeugt, wonach das Heizelement jeder Glühkerze in ein Wasserbad mit einer Temperatur von 20°C eingetaucht wurde. Dieser Aufheizungs- und Abkühlungszyklus wurde zehnmal wiederholt, und es wurde die Temperatur untersucht, bei der die Änderung des Widerstan des des mittleren Teils nicht mehr als 10% betrug. Die Un tersuchungsergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 aufge führt.

In der Tabelle 2 ist mit X angezeigt, daß die Zunahme des Wi derstandes des mittleren Teils 10% erreicht, und ist mit 0 an gegeben, daß die Zunahme 10% nicht erreicht.

Tabelle 2

Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften des mittleren Teils 12 des Heizele mentes von den entsprechenden Eigenschaften des äußeren Teils 11 verschieden sind, werden Risse im Verbindungsbereich des mittleren Teils und des äußeren Teils aufgrund von Wärme spannungen 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 Ver gleichsheizelementen 1, 2, 3 Risse mit einer Zunahme des Wider standes um 10% bei 250°C (für den Fall, daß der mittlere Teil aus Al₂O₃ besteht), bei 400°C (für den Fall, daß der mittlere Teil aus SiC besteht) und bei 450°C (für den Fall, daß der mittlere Teil aus Si₃N₄ besteht) erzeugt. Bei dem erfindungs gemäßen Heizelement werden im Gegensatz dazu Risse mit einer Zunahme des Widerstandes um 10% bis 500°C nicht erzeugt.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wurde MoSi₂ 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 spezifi sche Widerstand bei normaler Temperatur des Heizelements zu groß, so daß die Schnellaufheizfähigkeit abnimmt. Unter 35 Mol-% ist die Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Tem peraturänderung des Heizelementes verringert, so daß seine Dauerhaftigkeit abnimmt.

Wenn das Heizelement wiederholten Abkühlungs- und Aufheizungs zyklen unterworfen wird, besteht die Neigung, daß sein Wider stand ansteigt. Diese Neigung wird besonders deutlich, wenn der Teilchendurchmesser des leitenden keramischen Materials zunimmt. Der bevorzugte Teil des Teilchendurchmessers des leitenden keramischen Materials liegt nicht über 2 µm.

Wie es oben beschrieben wurde, umfaßt die erfindungsgemäße keramische Heizvorrichtung einen mittleren Teil aus einem keramischen gesinterten Körper und einen äußeren Teil aus ei nem 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 Teil 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 der beiden Enden des äußeren Teils in einem vorbestimmten Ab stand eingebettet.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Zuleitungsdrähte gelei tet 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 dazwi schen durch den mittleren Teil mit einem hohen spezifischen 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 Wärme spannungen erzeugt, wenn die Abkühlungs- und Aufheizungs zyklen wiederholt werden. Das Heizelement gemäß der Erfin dung zeigt daher eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit oder Beständigkeit gegenüber einer plötzlichen Temperatur änderung, so daß es bei einer Glühkerze für einen Dieselmotor verwandt werden kann.

Claims

12. Elektrische keramische Heizvorrichtung mit einem Heizele ment (1) aus einem keramisch gesinterten Körper und einem Halteelement (2) aus einem elektrisch isolierenden, kera misch gesinterten Körper, wobei das Heizelement (1) einen mittleren Teil (12) und einen äußeren Teil (11) mit U- förmigem Querschnitt aufweist, der den mittleren Teil (12) überdeckt, und beide Teile (11, 12) aus einem Gemisch gleicher Zusammensetzung aus elektrisch leitendem kerami schem Pulver und elektrisch isolierendem keramischem Pulver bestehen, und mit einer Stromversorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch isolierende Pulver einen durchschnitt lichen Teilchendurchmesser von 1 bis 50 µm hat,
daß im mittleren Teil (12) der durchschnittliche Teilchen durchmesser des elektrisch leitenden Pulvers gleich oder größer dem des elektrisch isolierenden Pulvers ist, und
daß im äußeren Teil (11) der durchschnittliche Teilchen durchmesser des elektrisch leitenden Pulvers nicht größer als die Hälfte des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des elektrisch isolierenden Pulvers ist,
wobei der äußere Teil (11) integral mit dem mittleren Teil (12) gesintert ist und der spezifische Widerstand des mittleren Teils (12) nicht kleiner als das 1,7fache des spezifischen Widerstands des äußeren Teils (11) beträgt.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromversorgungseinrichtung zwei Zuleitungsdrähte (3a, 3b) aufweist, von denen jeder mit einer der Endflächen des äußeren Teils (11) verbunden ist.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende keramische Pulver aus der Gruppe aus MoSi₂, WSi₂, TiB₂ und TiC ausgewählt ist.

4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch zur Ausbildung des Heizelementes (1) 35 Mol-% bis 75 Mol-% des elektrisch isolierenden Pulvers enthält.

5. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Teilchendurchmesser des elek trisch leitenden Pulvers nicht mehr als 2 µm beträgt.