DE60012053T2

DE60012053T2 - Mehrschichtiges keramisches heizelement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60012053T2
Application number: DE60012053T
Authority: DE
Inventors: Peter Shi Leigh
Original assignee: Chongqing Le Mark Ceramic Technology Co Ltd
Current assignee: Chongqing Le Mark Ceramic Technology Co Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: CA2414687C; CA2414687A1; AU2000277653A1; EP1300052B1; ATE270812T1; WO2002003759A1; KR20030045683A; KR100750573B1; EP1300052A1; JP2004524648A; JP4849765B2; DE60012053D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Keramik-Heizelemente. Insbesondere betrifft die Erfindung Keramik-Heizelemente und Methoden zur Herstellung derselben wie beispielsweise Keramik-Heizkörper, die in Hochtemperatur-Glühkerzen für Dieselmotoren verwendet werden.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist allgemein bekannt, keramische Glühkerzen herzustellen, die eine mehrschichtige Konstruktion aufweisen. Beispiele derartiger herkömmlicher Glühkerzen sind in den US-Patentschriften Nr. 4,742,209, 5,304,778 und 5,519,187 beschrieben. Im Allgemeinen weisen diese keramischen Heizkörper einen leitfähigen Kern auf, der von isolierenden bzw. ohmschen Keramikschichten umschlossen ist. Die Schichten werden einzeln gegossen und zusammengefügt. Der dabei entstehende grüne Körper wird daraufhin unter Bildung eines Keramik-Heizkörpers gesintert. Derartige Keramik-Heizkörper sind mit mehreren Nachteilen behaftet. Bei Verwendung in einer Glühkerze machen sie ein zyklisches Erwärmen und Abkühlen durch, was zu hohen Eigenspannungen an der Grenzflächenverbindung zwischen den Keramikschichten führt und das schließliche Versagen der Glühkerzen schneller herbeiführt. Um diese Ausfallrate zu reduzieren, geht die Tendenz dahin, derartige Keramik-Heizkörper einem Zyklus bei niedrigeren Temperaturen zu unterwerfen, als dies in einem Dieselmotor optimal wäre.
Die Eigenspannungen in einer schichtförmigen Glühkerze sind hauptsächlich auf die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung zurückzuführen. Die verschiedenen Schichten der Glühkerze dehnen sich und schwinden verschieden schnell. Des Weiteren sind Rest spannungen auf die Herstellung, insbesondere ungleichmäßiges Schwinden während der Abkühlzeit, das unterhalb des bleibenden Verformungszustands der Keramikzusammensetzung vorkommt, und eine nichtgleichförmige Befestigung zwischen den Schichten zurückzuführen ist.
Das Dokument DE-A-33 18 458 beschreibt ein Keramik-Heizelement mit reduzierter Eigenspannung, bei dem die beiden leitfähigen Keramiklagen durch eine isolierende Keramikschicht getrennt sind, die die Endspitze des Heizkörperteils nicht bedeckt.
Ein Keramik-Heizkörper, der eine reduzierte Eigenspannung aufweist, ist in der am 25. Juni 1997 eingereichten US-Patenanmeldung Nr. 08/882,306 beschrieben. Diese Anmeldung offenbart einen Keramikheizkörper, der als Einheitskörper mit einer graduierten Zusammensetzung in den Grenzflächenzonen schlickergegossen ist. Während der in dieser Anmeldung beschriebene Keramik-Heizkörper reduzierte Eigenspannungen aufweist, hat es sich herausgestellt, dass eine Herstellung desselben den anspruchsvollen Standards entsprechend, die bei derartigen Heizkörpern gefordert werden, schwierig ist. Insbesondere ist es schwierig, die Schichtdicken genau einzustellen und selbst geringe Diskrepanzen können im endgültigen Heizkörper zu einer äußerst unterschiedlichen Heizleistung führen. Die genaue Regulierung der Heizcharakteristik und das Begrenzen der Heizverluste im Unterteil des Heizelements ist wichtig, wenn die Keramik-Heizkörper für Fahrzeug- und Motorenhersteller massengefertigt werden sollen. Außerdem hat es sich erwiesen, dass die Leistungsfähigkeit von Keramik-Heizelementen des Stands der Technik durch Feuchtigkeit beeinflusst werden kann.
Es ist daher wünschenswert, ein Keramik-Heizelement bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere ist es wünschenswert, ein Keramik-Heizelement bereitzustellen, das geringe Eigenspannungen, genau steuerbare und reproduzierbare Heizcharakteristiken, die hauptsächlich auf die Heizspitze des Elements fokussiert sind, aufweist und das gegen die Auswirkungen von Feuchtigkeit widerstandsfähiger ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Im Allgemeinen bietet die vorliegende Erfindung ein Keramik-Heizelement, das durch die charakteristischen Merkmale des Anspruch 1 definiert ist. Das Heizelement weist ein Unterteil und ein Heizkörperteil auf. Leitfähige, isolierende und ohmsche Schich ten erstrecken sich sowohl durch die Unter- als auch die Heizkörperteile. Eine äußere leitfähige Schicht wird auf die Außenseite des Unterteils unter Bereitstellung eines hochleitfähigen Rückführpfads aufgebracht. Das führt meistens dazu, die Erwärmung der ohmschen Schicht im Unterteil zu begrenzen sowie zu einer besseren und verlässlicheren Wärmekonzentration im Heizkörperteil. Eine wasserdichte, nicht leitfähige äußere Schicht wird über der Außenfläche des Heizelements bereitgestellt. Das Heizelement kann unter Bildung einer Glühkerze für einen Dieselmotor zusammengebaut werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Keramikheizkörper ein Unterteil, wobei ein Heizkörperteil an einem Ende gebildet wird. Das Heizkörperteil weist einen geringeren Durchmesser auf als das Unterteil. Das Unterteil und das Heizkörperteil weisen jeweils eine leitfähige Keramikschicht und eine ohmsche Keramikschicht auf die durch eine isolierende Keramikschicht getrennt sind, außer an der Spitze des Heizkörperteils, wo sie elektrisch aneinander angeschlossen sind. Das Unterteil weist des Weiteren eine äußere leitfähige Keramikschicht auf, die in elektrischem Kontakt mit der ohmschen Keramikschicht steht. Eine wasserdichte äußere Schicht aus nicht elektrisch leitfähiger Keramik erstreckt sich über die Unter- und die Heizkörperteile. Ein wahlweiser mittlerer leitfähiger Kern, der sich im Wesentlichen der Länge des Unterteils entlang erstreckt, kann in diesen Heizkörper eingebaut werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Glühkerze für einen Dieselmotor, die durch die charakteristischen Merkmale des Anspruchs 13 definiert ist, unter Anwendung des oben beschriebenen Heizelements bereitgestellt. Die Glühkerze weist ein metallisches Gehäuse auf, das einen Zylinder und eine konische Hülse umfasst. Ein Keramik-Heizelement, das ein Unterteil aufweist, das konisch ist, um keilmäßig in die Hülse zu passen, ist in das Gehäuse montiert. Das Heizelement weist ein an einem Ende des Unterteils gebildetes Heizkörperteil auf. Das Heizkörperteil weist einen geringeren Durchmesser als das Unterteil auf und erstreckt sich im Allgemeinen über das Gehäuse hinaus. Das Unterteil und das Heizkörperteil weist jeweils eine leitfähige Keramikschicht und eine ohmsche Keramikschicht auf, die durch eine isolierende Keramikschicht getrennt sind, außer an der Spitze des Heizkörperteils, wo sie elektrisch verbunden sind. Das Unterteil weist des Weiteren eine äußere leitfähige Keramikschicht in elektrischem Kontakt mit der ohmschen Keramikschicht auf. Eine wasserdichte, nicht elektrisch leitfähige äußere Schicht erstreckt sich über die Un ter- und die Heizkörperteile. Ein wahlweiser mittlerer leitfähiger Kern, der sich im Wesentlichen der Länge des Unterteils entlang erstreckt, kann in diesen Heizkörper eingearbeitet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun ausschließlich durch Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, wobei:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Keramik-Heizelements, das einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht und der Längsachse entlang aufgeschnitten ist, zeigt;
2 eine schematische Querschnittsansicht des Keramik-Heizelements nach 1 der Linie A – A entlang zeigt;
3 eine schematische Querschnittsansicht des Keramik-Heizelements nach 1 der Linie B – B entlang zeigt;
4 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Glühkerze zeigt; und
5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelements zeigt.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. Eine schematische Ansicht eines einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechenden Keramik-Heizelements ist im Querschnitt ihrer Längsachse entlang in 1, und im Querschnitt der Linie A–A in 2 entlang gezeigt. Das Heizelement ist nicht maßstabsgerecht gezeigt und wird im Allgemeinen mit der Bezugsnummer 10 bezeichnet.
Das Element 10 besteht aus einem Unterteil 20 und einem Heizkörperteil 22. Das Unterteil 20 und das Heizkörperspitzenteil 22 bilden ein im Allgemeinen zylindrisches Heizelement, das bezüglich seines Durchmessers durch das Unterteil 20 dicker ist und sich auf ein dünneres Heizkörperteil 22 verjüngt. Wie es den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten allgemein bekannt ist, ist das Unterteil 20 typischerweise so dimensioniert, dass es in einem metallischen Gehäuse aufgenommen werden kann, das geeignete elektrische Kontakte enthält, um eine Glühkerze für einen Dieselmotor zu bilden. Wie in der US-Patentschrift Nr. 5,880,432 mit dem Titel „Electric heating device with ceramic heater wedgingly received within a metallic body (Elektisches Heizgerät mit Keramikheizkörper, der keilartig in einem metallischen Körper aufgenommen ist)" beschrieben, besteht eine Möglichkeit des Bildens eines Unterteils 20 darin, das Unterteil 20 zu verjüngen, um es ihm zu erlauben, in ein geeignetes Metallgehäuse eingekeilt zu werden. Es liegt vollständig innerhalb des Vorhabens des hier tätigen Erfinders, dass das Unterteil 20 des Heizelements 10 so gebildet sein kann, die vorliegende Erfindung kann jedoch vorteilhaft bei irgendeinem Keramik-Heizelement verwendet werden, gleichgültig, welche besondere Gestalt und Dimensionen es aufweist.
Wie den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten bekannt ist, weist das Heizkörperteil 22 einen geringeren Durchmesser als das Unterteil 20 auf. Das führt zu einer höheren Widerstandsfähigkeit des Heizkörperteils 22 und dadurch zu einer höheren Wärmeleistung. So ist wird das aufheizen des Elements 10 Idealerweise im Heizkörperteik 22 konzentriert.
Mit Bezug auf die in 1 und 2 gezeigte bevorzugte Ausführungsform ist das Unterteil 20 aus sechs Schichten Keramikmaterial gebildet. Wie allgemein bekannt ist, ist die Zusammensetzung der Schichten, insbesondere bezüglich der Menge an leitfähiger Keramikverbindung, wie beispielsweise MoSi₂, verschieden, so dass die elektrische Leitfähigkeit der verschiedenen Schichten reguliert werden kann. Von der Mitte ausgehend besteht das Unterteil 20 aus einem inneren, elektrisch leitfähigen Kern 24, einer elektrisch leitfähigen Schicht 26, einer elektrisch isolierenden Schicht 28, einer ohmschen Schicht 30 und einer äußeren elektrisch leitfähigen Schicht 32 und einer äußeren isolierenden, wasserdichten Schicht 38. Im Allgemeinen umfasst das Unterteil 20 auch das Loch 34, das die Verbindung zu einer elektrischen Leitung (nicht gezeigt) gestattet, wenn das Element 10 als Glühkerze zusammengebaut wird. Zum Zweck der Beschreibung wird zwischen der leitfähigen Schicht 26 und der ohmschen Schicht 30 unterschieden. Jedoch weisen diese beiden Schichten, wie unten noch näher beschrieben werden wird, ähnliche charakteristische Eigenschaften auf und eine jegliche, der ohmschen Schicht 30 zugeschriebene Erhitzung kann gleicherweise in der leitfähigen Schicht 26 erzielt werden.
Mit Bezug auf 1 und 3 ist das Heizkörperteil 22 aus vier Schichten Keramikmaterial gebildet. Von der innersten Schicht ausgehend besteht das Heizkörperteil 22 aus der leitfähigen Schicht 26, der isolierenden Schicht 28, der ohmschen Schicht 30 und einer äußeren isolierenden, wasserdichten Schicht 38. Das distale Ende des Heizkörperteils 22 wird zu einer Spitze 36 geformt, die eine elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Schicht 26 und der ohmschen Schicht 30 bildet.
Im Allgemeinen wird das Keramikmaterial, das die verschiedenen Schichten bildet, aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus Si₃N₄, Y₂O₃, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Zirconiumoxid. Diese nichtleitfähigen Keramikmaterialien werden dann mit einem oder mehreren leitfähigen Bestandteilen dotiert, die aus der Gruppe ausgewählt werden bestehend aus MoSi₂, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂. Die Prozentkonzentration des leitfähigen Bestandteils bestimmt in Verbindung mit der Schichtdicke die dabei erzielte Leitfähigkeit des Keramikmaterials. Ein Sinterzusatzmittel von ca. 10 bis ca. 0 Volumenprozent kann ebenfalls eingearbeitet werden. Das Sinterzusatzmittel umfasst Yttrium, Magnesiumoxid, Calcium, Hafniumoxid und andere aus der Lanthanidgruppe der Elemente. Die leitfähigen und die nicht leitfähigen Bestandteile werden als fein gemahlene Teilchen geliefert. Optimal können die Teilchen im Größenbereich von ca. 0,2 bis ca. 0,8 Mikron liegen. Die fein gemahlenen Bestandteile werden gemischt und in einem Lösungsmittel wie Wasser unter Bildung einer Aufschlämmung suspendiert. Ein geeignetes Entflockungsmittel wie Ammoniumpolyacrylat, das im Handel als DARVAN C^WZ bekannt ist, kann ebenfalls zugesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das nicht leitfähige Keramikmaterial aus Si₃N₄ und der leitfähige Bestandteil besteht aus MoSi₂. Der innere Kern 24 kann 41 – 80 Vol.-% MoSi₂ S, die leitfähige Schicht 26 kann 30 – 45 Vol.-% MoSi₂ , die isolierende Schicht 28 und die wasserdichte äußere Schicht 38 können 0 – 28 Vol.-% MoSi₂, die ohmsche Schicht 30 kann 30 – 45 Vol.-% MoSi₂ und die äußere Schicht 32 kann 41 – 80 Vol.-% MoSi₂ aufweisen.
Während diese bevorzugte Ausführungsform als einen inneren leitfähigen Kern 24 aufweisend beschrieben worden ist, wird die Möglichkeit durch den hier tätigen Erfinder in Betracht gezogen, dass das Heizelement 10 aus fünf Schichten ohne Kern gebildet sein kann. In diesem Fall nimmt die leitfähige Schicht 26 auch das Volumen des leitfähigen Kerns 24 ein. Der Vorteil, den der Kern 24 dem Heizelement 10 dem gegenwärtigen Glauben nach verleiht, besteht aus einer verbesserten Leitung von Elektrizität durch das Unterteil 20, um die Wärmeentwicklung im Heizkörperteil 22 zu konzentrieren. Die Möglichkeit wird auch in Betracht gezogen, dass das Heizelement 10 einen Kern enthalten kann, der sich über die Länge des Unterteils 20 hinaus erstreckt. Beispielsweise kann es bei gewissen Anwendungen wünschenswert sein, dass der Kern 24 sich bis in die Nähe der Spitze 36 erstreckt.
Das Keramik-Heizelement 10 wird bevorzugt durch Schlickergießen, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 08/882,306 beschrieben ist, hergestellt. Die darin beschriebenen Methode ist etwas modifiziert worden, um die zusätzlichen Schichten: den inneren Kern 24 und die äußere Schicht 32 unterzubringen. Es wird eine absorptionsfähige, röhrenförmige Form, die an beiden Enden offen ist, bereitgestellt. Die Form kann aus gebranntem Gips oder irgendeinem anderen geeigneten absorptionsfähigen Material hergestellt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Form mit einem kleineren Innendurchmesserschritt unter Bildung eines Elements 10 ausgestattet, das am Heizkörperteil 22 einen relativ kleinen Durchmesser aufweist.
Im Allgemeinen werden aufeinanderfolgende Schichten des Elements 10 der Form vom Spitzenende 36 her zugegeben. Bei der Methode wird so begonnen, dass man eine äußere wasserdichte isolierende Schicht 38, daraufhin die äußere elektrisch leitfähige Schicht 32 und ablegt und dann die ohmsche Schicht 30 bildet. Als Nächstes wird die isolierende Schicht 28 in der Form gebildet. Es hat sich erwiesen, dass bei einem Heizelement der Standardgröße die isolierende Schicht 28 mindestens 0,3 mm betragen muss, um eine wirksame elektrisch isolierende Barriere zwischen der ohmschen Schicht 30 und der leitfähigen Schicht 26 zu bilden. Und schließlich wird die leitfähige Schicht 26 auf allgemein bekannte Weise gebildet. Der innere Kern 24 wird dann vom entgegengesetzten Ende der Form her in die Form injiziert, so dass er sich im Wesentlichen der Länge des Unterteils 20 entlang erstreckt. Das Verbindungsloch 34 kann zu diesem Zeitpunkt in dem inneren Kern 24 gebildet werden. Um eine integrale elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Schicht 26 und der ohmschen Schicht 30 zu bilden, wird die Spitze 36 des grünen Körpers beispielsweise durch Aufbringen von Vibrationen niedriger Intensität aus einem Ultraschallstab auf die Spitze 36 nachformiert, bevor der grüne Körper aus der Form entfernt wird. Die Vibrationen geringer Intensität bringen die Teilchen an der Spitze dazu, zu einer elektrisch leitfähigen Spitze, die die inneren und äußeren Volumen miteinander verbindet, gemischt zu werden. Sobald die flüssige Phase im Wesentlichen durch die Wände der Form absorbiert worden ist, wird der grüne Körper mit einer nachformierten Spitze von der Form entfernt und an der Luft getrocknet.
Als Alternative kann das Keramik-Heizelement 10 durch Beginnen mit der ohmschen Schicht 30 und Weitermachen wie oben beschrieben gebildet werden. Dann wird der grüne Körper vor dem Sintern unter Bildung der äußeren Schicht 32 in eine leitfähige Keramikaufschlämmung getaucht. Das führt zu einer sehr dünnen Beschichtung aus leitfähigem Material, die das Unterteil 20 bedeckt. Als nächstes wird der grüne Körper unter Bildung einer äußeren wasserdichten isolierenden Schicht in einen isolierenden Keramikkörper getaucht. Wie allgemein bekannt ist, wird der grüne Körper dann gesintert und zur Herstellung des Elements 10 poliert. Das Gießen der äußeren Schicht 32 ist gegenwärtig bevorzugt, da eine bessere Kontrolle der Dicke der Schicht 32 erreicht werden kann.
Mit Bezug auf 4 kann das Element 10 dann zur Bildung eines Glühkerzenaufbaus 40 wie in der oben erwähnten US-Patentschrift Nr. 5,880,432 beschrieben, zusammengebaut werden. Das Element 10 wird in ein metallisches Gehäuse 42 eingeführt, das aus einem Zylinder 44 und einer Hülse 46 besteht. Die Hülse 46 verjüngt sich so, dass sie auf die äußere Verjüngung des Unterteils 20 derart passt, dass das Element 10 keilmäßig innerhalb des Gehäuses 42 an Ort und Stelle gehalten wird. Ein leitfähiger Draht 48 wird in das Loch 34 des Elements 10 eingeführt und das Element 10 und der Draht 48 werden durch Füllen des Zylinders 44 mit einem Epoxidharz oder einem anderen Fixiermittel, das für den Betrieb in einer korrosiven Hochtemperaturatmosphäre geeignet ist, an Ort und Stelle befestigt. Der Zylinder 44 wird dann mit einer Verbindungskappe 50 fest verschlossen.
Wie aus 4 ersichtlich ist, steht die Hülse 46, und daher das Gehäuse 42, in elektrischem Kontakt mit der äußeren Schicht 32, während der Draht 48 mit dem inneren Kern 24 in elektrischem Kontakt steht. Beim Betrieb wird ein elektrisches Potential über das Gehäuse 42 und den leitfähigen Draht 48 angelegt. Das bringt einen elektrischen Strom dazu, von dem leitfähigen Draht 48 durch den leitfähigen inneren Kern 24 zur leitfähigen Schicht 26 zu fließen. Der Strom fließt dann durch die ohmsche Schicht 30 an der Außenseite des Heizkörperteils 22 und kehrt der äußeren Schicht 32 entlang zum Gehäuse 42 zurück. Während der Strom durch die ohmsche Schicht 30 im Bereich des Heizkörperteils 22 fließt, erhitzt er das Heizkörperteil 22 auf eine Temperatur, die für die Zündung des Dieseltreibstoffs ausreicht. Das versuchsweise Prüfen des Elements 10 hat zu einem wiederholten Zyklusbetrieb auf Heizkörpertemperaturen im Bereich von 1500 °C ohne Versagen des Elements 24 geführt. Wie es den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten verständlich sein wird, führt die hohe Leitfähigkeit der äußeren Schicht 32 zu einem geringen Stromfluss durch die ohmsche Schicht 30 im Unterteil 20, wodurch das Erhitzen des Unterteils beschränkt und die Konzentration der Hitze in der ohmschen Schicht 30 des Heizkörperteils 22 verbessert wird.
Mit Bezug auf 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Keramik-Heizelements gezeigt und allgemeinen mit der Bezugsnummer 60 bezeichnet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie keinen inneren Kern aufweist. Stattdessen füllt die leitfähige Schicht 26 das Innenvolumen des Elements 10 und bildet den inneren Kern. Im Allgemeinen verlasst sich dieses aus vier Schichten bestehende Keramik-Heizelement 60 auf die leitfähige Schicht 26 zum Übertragen des elektrischen Stroms andas Heizkörperteil 22. Der etwas weniger effiziente spezifische Widerstand der Schicht 26 führt zu etwas geringeren Betriebstemperaturen, typischerweise im Bereich von 1300 °C, hat jedoch den Vorteil des Verringerns der Produktionskosten der Keramik-Heizelemente.
Wie sich die mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleute im Klaren sein werden, weist das erfindungsgemäße Keramik-Heizelement im Vergleich mit dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf. Die aus vier oder fünf Schichten bestehenden Struktur und die äußere Schicht 32 führen zu einer effizienteren Konzentration der Hitze auf das Heizkörperteil 22 und verbessert die Beständigkeit und Gleichförmigkeit der Keramik-Heizelemente. Die nicht leitfähige, wasserdichte äußere Schicht 38 verbessert die Leistung noch weiter durch Schützen des Heizelements und Minimieren der Auswirkungen der Luftfeuchte auf die elektrischen Eigenschaften des Heizelements. Aus diesem Grund führt dies zur Herstellung einer geringeren Anzahl von Ausschuss artikeln und reduziert dadurch die Produktionskosten und steigert den Gewinn. Die Konzentration der Hitze führt auch zu einem Heizelement, das wiederholt Zyklen von 1300 – 1500 °C unterworfen werden kann, was eine signifikante Verbesserung im Vergleich mit Keramik-Heizelementen des Stands der Technik darstellt, die typischerweise bei 900 – 1100 °C betrieben werden.
Obwohl die Offenbarung die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreibt und veranschaulicht, ist es klar, dass die Erfindung nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist. Viele Variationen und Modifikationen werden nun den mit dem Stand der Technik vertrauten Leuten einfallen. Zur Definition der Erfindung wird Bezug genommen auf die beiliegenden Ansprüche.

Claims

Keramik-Heizelement, umfassend: ein Unterteil (20) und ein Heizkörperteil (22), das am Ende des Unterteils (20) gebildet ist, wobei das Heizkörperteil (22) einen kleineren Durchmesser als das Unterteil (20) hat; wobei das Unterteil (20) und das Heizkörperteil (22) jeweils eine leitfähige Keramikschicht (26) und eine ohmsche Keramikschicht (30) haben, wobei die leitfähige Keramikschicht (26) und die ohmsche Keramikschicht (30) außer an einer Spitze (36) des Heizkörperteils (22) durch eine isolierende Keramikschicht (28) getrennt sind, wobei die leitfähige Keramikschicht (26) und die ohmsche Keramikschicht (30) elektrisch verbunden sind und das Unterteil (20) des Weiteren eine in elektrischem Kontakt mit der ohmschen Keramikschicht (30) befindliche äußere leitfähige Keramikschicht (32) hat, eine wasserdichte äußere Schicht (38) über dem genannten Unterteil (20) und dem genannten Heizkörperteil (22), wobei die genannte wasserdichte äußere Schicht (38) aus nicht elektrisch leitfähiger Keramik ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige (26), ohmsche (30), isolierende (28) und wasserfeste (38) Schicht jeweils eine nicht elektrisch leitfähige Keramikkomponente hat, die aus der Gruppe bestehend aus Si₃N₉, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Zirkondioxid ausgewählt ist.
Element nach Anspruch 2, bei dem die genannte leitfähige Keramikschicht (26) eine Zusammensetzung hat, die 30 bis 45 vol.% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige (26), ohmsche (30), isolierende (28) und wasserfeste (38) Schicht jeweils eine Sinterhilfsmittelkomponente enthält.
Element nach Anspruch 2, bei dem die ohmsche Keramikschicht (30) eine Zusammensetzung hat, die 30 bis 45 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Element nach Anspruch 2, bei der die isolierende Keramikschicht (28) und die wasserfeste äußere Schicht (38) eine Zusammensetzung hat, die 0 bis 28 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Element nach Anspruch 2, bei dem die äußere leitfähige Schicht (32) eine Zusammensetzung hat, die 41 bis 80 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Element nach Anspruch 1, ferner mit einem inneren leitfähigen Keramikkern (24), der sich im Wesentlichen über die Länge des Unterteils erstreckt.
Element nach Anspruch 8, bei dem der innere leitfähige Keramikkern (24) eine Zusammensetzung hat, die 41 bis 80 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Schicht (26), die ohmsche Schicht (30), die isolierende Schicht (28) und die wasserfeste äußere Schicht (38) schlickergegossen wurden, um einen grünen Körper zu bilden.
Element nach Anspruch 10, bei dem der grüne Körper in einen leitfähigen Keramikschlicker getaucht wurde, um die äußere leitfähige Schicht (32) zu bilden, und anschließend in einen nicht elektrisch leitfähigen Keramikschlicker getaucht wurde, um die wasserfeste äußere Schicht (38) zu bilden.
Element nach Anspruch 10, bei dem die äußere leitfähige Schicht (32) und die wasserfeste äußere Schicht (38) gegossene Schichten sind.
Glühkerze für einen Dieselmotor, umfassend: ein metallisches Gehäuse (42), wobei das Gehäuse einen Zylinder (44) und eine konische Hülse (46) hat; ein in dem Gehäuse (42) montiertes Keramikheizelement (10), wobei das Heizelement (10) ein Unterteil (20), das konisch ist, um keilmäßig in die Hülse (46) zu passen, und ein Heizkörperteil (22) hat, das an einem Ende des Unterteils (20) gebildet ist, wobei das Heizkörperteil (22) einen kleineren Durchmesser als das Unterteil (20) hat, wobei das Unterteil (20) und das Heizkörperteil (22) jeweils eine leitfähige Keramikschicht (26) und eine ohmsche Keramikschicht (30) haben, wobei die leitfähige Keramikschicht (26) und die ohmsche Keramikschicht (30) außer an einer Spitze (36) des Heizkörperteils (22) durch eine isolierende Keramikschicht (28) getrennt sind, wobei die leitfähige Keramikschicht (26) und die ohmsche Keramikschicht (30) elektrisch verbunden sind und das Unterteil (20) des Weiteren eine in elektrischem Kontakt mit der ohmschen Keramikschicht (30) befindliche äußere leitfähige Keramikschicht (32) hat, wobei das Unterteil (20) und das Heizkörperteil (22) des Weiteren eine wasserfeste äußere Schicht (38) aus nicht elektrisch leitfähiger Keramik haben, und Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung über die leitfähige Schicht (26) und die ohmsche Schicht (30).
Glühkerze (40) nach Anspruch 12, bei der die leitfähige (26), ohmsche (30), isolierende (28) und wasserfeste (38) Schicht jeweils eine nicht elektrisch leitfähige Keramikkomponente hat, die aus der Gruppe bestehend aus Si₃N₄, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Zirkondioxid ausgewählt ist.
Glühkerze (40) nach Anspruch 13, bei der die genannte leitfähige Keramikschicht (26) eine Zusammensetzung hat, die 30 bis 45 Vol.% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Glühkerze (40) nach Anspruch 13, bei der die leitfähige (26), ohmsche (30), isolierende (28) und wasserfeste (38) Schicht jeweils eine Sinterhilfsmittelkomponente enthält.
Glühkerze (40) nach Anspruch 13, bei der die ohmsche Keramikschicht (30) eine Zusammensetzung hat, die 30 bis 45 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Glühkerze (40) nach Anspruch 13, bei der die isolierende (28) und die wasserfeste (38) Keramikschicht eine Zusammensetzung hat, die 0 bis 28 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Glühkerze (40) nach Anspruch 13, bei der die äußere leitfähige Schicht (32) eine Zusammensetzung hat, die 41 bis 80 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.
Glühkerze (40) nach Anspruch 13, ferner mit einem inneren leitfähigen Keramikkern (24), der sich im Wesentlichen über die Länge des Unterteils erstreckt.
Glühkerze (40) nach Anspruch 20, bei der der innere leitfähige Keramikkern (24) eine Zusammensetzung hat, die 41 bis 80 Vol.-% einer elektrisch leitfähigen Keramikkomponente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus MoSi₂, Y₂O₃, TiN, ZrN, TiCN und TiB₂ gewählt ist.