DE102009015536B4

DE102009015536B4 - Keramischer Glühstift und Glühkerze

Info

Publication number: DE102009015536B4
Application number: DE200910015536
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. Weissenbacher; Johannes Dipl.-Ing. Hasenkamp; Jochen Dr. Hammer; Bernhard Graf; Hans Dipl.-Ing. Houben; Michael Eberhardt; Martin Dipl.-Ing. Allgaier
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: DE102009015536A1

Abstract

Glühstift für eine Glühkerze (10), mit
einem keramischen Innenleiter (3a, 3b),
einer keramischen Isolationsschicht (2, 2a), die den Innenleiter (3a, 3b) umgibt, und
einer keramischen Außenleiterschicht (4a, 4b), welche die Isolationsschicht (2, 2a) umgibt und über ein vorderes Ende des Glühstifts (1) elektrisch leitend an den Innenleiter (3a, 3b) angeschlossen ist,
wobei an dem vorderen Ende des Glühstifts (1) der Innenleiter (3a, 3b) einen von der Isolationsschicht (2, 2a) umschlossenen Endabschnitt (3b) aufweist, der bei 1000°C einen höheren elektrischen Widerstand pro Längeneinheit als ein daran anschließender Innenleiterabschnitt (3a) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) eine kleinere Querschnittsfläche als der daran anschließende Innenleiterabschnitt (3a) aufweist und die Isolationsschicht (2) an ihrem vorderen Ende eine nach innen gerichtete Verdickung (2a) aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Glühstift mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie einer Glühkerze mit einem solchen Glühstift.
Ein Glühstift mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der US 6 610 964 B2 bekannt.
Aus der DE 100 53 327 A1 ist ein Glühstift mit einem sandwichartigen Aufbau mit zwei Außenleiterschichten, zwischen denen eine Isolationsschicht angeordnet ist, bekannt. Die Isolationsschicht hat an ihrem Ende eine nach außengerichtete Verdickung, so dass die Stärke der leitfähigen Schichten entsprechend abnimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie das Aufheizverhalten keramischer Glühkerzen verbessert und deren Lebensdauer erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Glühstift mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Glühkerze mit einem solchen Glühstift gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Glühstift weist der Innenleiter an dem vorderen Ende des Glühstifts einen von der Isolationsschicht umschlossenen Endabschnitt auf, der bei 1.000°C einen höheren elektrischen Widerstand pro Längeneinheit als ein daran anschließender Innenleiterabschnitt aufweist. Beispielweise kann der Endabschnitt des Innenleiters eine reduzierte Querschnittsfläche aufweisen und/oder aus einem anderen Material, insbesondere einem keramischen Heizleitermaterial, bestehen. Der elektrische Widerstand des Endabschnitts nimmt in beiden Fällen mit ansteigender Temperatur zu, insbesondere in dem relevanten Temperaturbereich von –40°C bis +1.350°C.
Vorteilhaft kann deshalb bei einem erfindungsgemäßen Glühstift in dem Endabschnitt des Innenleiters elektrische Heizleistung freigesetzt werden. Gegenüber keramischen Glühstiften, bei denen die Heizleistung im Wesentlichen in einer dünnen Heizleiterschicht an der Oberfläche des Glühstifts freigesetzt wird, kann deshalb bei einem erfindungsgemäßen Glühstift eine gleichmäßigere Erwärmung der Spitze des Glühstifts erreicht werden. Bei einer Glühkerze mit einem erfindungsgemäßen Glühstift kann deshalb eine Betriebstemperatur der Glühstiftspitze von mehr als 1.000°C, beispielsweise 1.150°C bis 1350°C, mit einer niedrigeren Betriebsspannung und einem niedrigeren Strom als bei herkömmlichen Glühkerzen erzeugt und gehalten werden. Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Glühstifts ist, dass beim Aufheizen weniger mechanische Spannungen auftreten. Dies führt zu einer reduzierten Belastung und folglich einer größeren Lebensdauer.
Durch eine geeignete Abstimmung von Innen- und Außenleiterwiderständen lässt sich die Erwärmung der Glühstiftspitze sowohl im Radius als auch in der Länge vielfältig variieren, um eine optimale Erwärmung des Stifts in Abhängigkeit von der gewünschten Applikation zu erzielen.
Bei einem erfindungsgemäßen Glühstift kann zudem vorteilhaft ein größerer Anteil des elektrischen Gesamtwiderstands am vorderen Ende des Glühstifts konzentriert werden, so dass der elektrische Widerstand eines erfindungsgemäßen Glühstifts zur Temperaturmessung genutzt werden kann.
In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Innenleiter und Außenleiter ausschließlich dazu benutzt, um die Lage in Bezug auf die Isolationsschicht des Glühstifts zu bezeichnen. Demzufolge wird auch der entsprechende Abschnitt eines am vorderen Ende des Glühstifts vorhandenen Heizleitermaterials als Außenleiterabschnitt bezeichnet, wenn der betreffende Abschnitt die Isolationsschicht umgibt, und als Innenleiterabschnitt bezeichnet, wenn der betreffende Abschnitt von der Isolationsschicht umschlossen ist.
Bevorzugt besteht der Endabschnitt des Innenleiters aus einer PTC-Keramik, beispielsweise auf Basis von Metall-Siliziden, insbesondere Molybdän- oder Wolframsilizid. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass einer Überhitzung des Glühstifts effizient entgegengewirkt werden kann, da der elektrische Widerstand einer PTC-Keramik oberhalb einer kritischen Temperatur stark zunimmt und deshalb eine Begrenzung des Heizstroms bewirken kann.
Bevorzugt hat der einen erhöhten elektrischen Widerstand aufweisende Endabschnitt des Innenleiters eine in Längsrichtung des Innenleiters zu messende Länge, die mindestens so groß wie seine senkrecht dazu zu messende Dicke ist. Auf diese Weise lässt sich ein rasches Aufheizheizverhalten der Spitze des Glühstifts erreichen. Bevorzugt hat der Endabschnitt des Innenleiters eine Länge die zwischen dem Doppelten und dem Vierfachen seiner Dicke liegt.
Erfindungsgemäß weist der Endabschnitt des Innenleiters eine kleinere Querschnittsfläche als der daran anschließende Innenleiterabschnitt auf. Eine reduzierte Querschnittsfläche führt zu einer vorteilhaften Erhöhung des elektrischen Widerstands. Der Endabschnitt kann dabei aus demselben Material wie der übrige Innenleiter, beispielsweise auf Basis von Molybdänsilizid, insbesondere einer Molybdänsilizid/Siliziumnitrid Mischung, oder aus einem anderen Heizleitermaterial, insbesondere einer PTC-Keramik, bestehen. Eine reduzierte Querschnittfläche des Innenleiterendabschnitts wird durch eine nach innen gerichtete Verdickung der Isolationsschicht erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sowohl ein Endabschnitt des Innenleiters als auch ein Endabschnitt des Außenleiters aus einem Heizleitermaterial bestehen, das bei 1.000°C einen höheren spezifischen Widerstand hat als die anschließenden Abschnitte des Innen- bzw. des Außenleiters. Die aus Heizleitermaterial ausgebildeten Teile des Glühstifts können zusammen als Heizkappe bezeichnet werden. Die Heizkappe ist bevorzugt durchgehend aus demselben Material, kann aber auch Bereiche aus unterschiedlichen Materialien aufweisen. Bevorzugt ist insbesondere auch, dass der aus keramischem Heizleitermaterial bestehende Endabschnitt des Außenleiters eine Querschnittsfläche aufweist, die höchstens 50% von der Querschnittsfläche eines aus keramischem Heizleitermaterial bestehenden Endabschnitts des Innenleiters abweicht. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die außen freigesetzte Heizleistung ebenfalls maximal um 50% von der innen freigesetzten Heizleistung abweicht. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Aufheizen und verbessert die Lebensdauer des Glühstifts.
Durch die Ausgestaltung des Endabschnitts des Innenleiters sowie des Endabschnitts des Außenleiters lässt sich bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze zudem einstellen, in welchem Bereich der Spitze des Glühstifts eine angestrebte Betriebstemperatur erreicht wird. Insbesondere kann durch eine entsprechende Heizleistung des Endabschnitts des Innenleiters das Aufheizen auf die Mitte der Spitze des Glühstifts oder bei entsprechender Ausgestaltung der Endabschnitte des Außenleiters auf die seitlichen Bereiche der Spitze konzentriert werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Teile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Glühstifts in einer schematischen Darstellung;
2 einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Glühstifts in einer schematischen Darstellung;
3 einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Glühstifts in einer schematischen Darstellung;
4 ein Ausführungsbeispiel einer Glühkerze mit einem Glühstift gemäß 1.
Die in den 1 bis 3 dargestellten schematisch dargestellten Glühstifte 1 sind um ihre Längsachse rotationssymmetrisch. In den 1 bis 3 ist deshalb der Einfachheit halber nur jeweils die rechte Hälfte eines Längsschnitts dargestellt. Da die Besonderheiten der nachfolgend beschreiben Glühstifte 1 in deren vorderem Bereich, nämlich der Ausbildung der im Betrieb glühenden Spitze, liegen, ist in den 1 und 2 jeweils nur der vordere Bereich der Glühstifte 1 gezeigt, in dem sich das Heizleitermaterial befindet, dargestellt.
Der in 1 in einem Längsschnitt schematisch dargestellte Glühstift 1 hat eine keramische Isolationsschicht 2, die zwischen einem keramischen Innenleiter 3a, 3b und einer keramischen Außenleiterschicht 4a, 4b angeordnet ist und beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen kann. Der Innenleiter 3a, 3b besteht auf dem größten Teil seiner Länge, nämlich einem Innenleiter-Hauptabschnitt 3a, aus einem gut leitfähigen keramischen Material, beispielsweise einem Kompositwerkstoff aus Siliziumnitrid und Molybdänsilizid. An den Hauptabschnitt 3a schließt ein Endabschnitt 3b des Innenleiters an, der aus einem keramischen Heizleitermaterial besteht, das zumindest bei 1.000°C, bevorzugt auch bei Raumtemperatur, einen höheren spezifischen Widerstand als das Material des Hauptabschnitts 3a hat. Bevorzugt ist der spezifische Widerstand des Heizleitermaterials bei 1.000°C mindestens doppelt so groß wie der spezifische Widerstand des Materials des Hauptabschnitts 3a.
Der Endabschnitt 3b kann ebenfalls ein Kompositwerkstoff sein, beispielsweise ebenfalls eine Siliziumnitrid/Molybdänsilizid Mischung, die wegen eines erhöhten Siliziumnitridanteils einen größeren Widerstand als der Hauptabschnitt 3b aufweist. Möglich ist es auch den Endabschnitt 3b aus einer anderen PTC-Keramik herzustellen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Materialien des Hauptabschnitts 3a und des Endabschnitts 3b in einem Übergangsbereich zwischen dem Hauptabschnitt 3a und dem Endabschnitt 3b überlappend angeordnet. Diese Maßnahme hat den Vorteil, den Übergangswiderstand zwischen dem Hauptabschnitt 3a und dem Endabschnitt 3b zu reduzieren. Prinzipiell können der Hauptabschnitt 3a und der Endabschnitt 3b aber auch stumpf aneinander angrenzen.
Die Außenleiterschicht 4a, 4b besteht auf dem größten Teil ihrer Länge, nämlich einem Hauptabschnitt 4a, aus einem gut leitfähigen keramischen Material, bevorzugt aus demselben Material wie der Hauptabschnitt 3a des Innenleiters. An den Hauptabschnitt 4a schließt ein Endabschnitt 4b des Außenleiters der Außenleiterschicht, der aus einem keramischen Heizleitermaterial besteht, das bei 1000°C einen höheren spezifischen Widerstand als das Material des Hauptabschnitts 4a hat. Der Endabschnitt 4b der Außenleiterschicht besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus demselben Material wie der Endabschnitt 3b des Innenleiters. Der Endabschnitt 4b des Außenleiters bildet zusammen mit dem Endabschnitt 3b des Innenleiters eine Heizkappe, die bei Raumtemperatur bevorzugt mindestens 30%, besonders bevorzugt mindestens 40%, insbesondere mindestens die Hälfte, des Gesamtwiderstands des Glühstifts 1 ausmacht. Bevorzugt macht der elektrische Widerstand der Heizkappe aber nicht mehr als 90%, insbesondere nicht mehr als 80% des Gesamtwiderstands des Glühstifts 1 aus.
Der aus keramischem Heizleitermaterial bestehende Endabschnitt 4b des Außenleiters hat eine Querschnittsfläche, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um weniger als die Hälfte von der Querschnittsfläche des Endabschnitts 3b des Innenleiters abweicht. Es ist günstig, die Querschnittsflächen der Endabschnitte 3b, 4b der Außenleiterschicht und des Innenleiters im Wesentlichen gleich zu wählen, so dass Heizleistung entsprechend weitgehend gleichmäßig in den beiden Endabschnitten 3b, 4b freigesetzt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Endabschnitt 4b der Außenleiterschicht eine größere Länge als der Endabschnitt 3b des Innenleiters. Bevorzugt hat der Endabschnitt 3b des Innenleiters eine Länge, die zwischen einem Fünftel und der Hälfte der Länge des Endabschnitts 4b der Außenleiterschicht beträgt, wie dies bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Der Endabschnitt 3b des Innenleiters hat eine in Längsrichtung des Innenleiters zu messende Länge, die mindestens so groß wie seine senkrecht dazu zu messende Dicke ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Länge des Endabschnitts 3b des Innenleiters mehr als doppelt so groß wie seine Dicke.
Der Endabschnitt 3b des Innenleiters hat eine kleinere Querschnittsfläche als der darin anschließende Hauptabschnitt 3a des Innenleiters. Die Isolationsschicht 2 hat dementsprechend an ihrem vorderen Ende eine nach Innen gerichtete Verdickung 2a.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Glühstifts 1, das sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass der Hauptabschnitt 3a des Innenleiters hohl ausgebildet ist.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Glühstifts, das sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass der Endabschnitt 3b des Innenleiters aus demselben Material wie der daran anschließende Hauptabschnitt 3a des Innenleiters ausgebildet ist. In dem Endabschnitt 3b wird also ein höherer Widerstand pro Längeneinheit ausschließlich durch eine verringerte Querschnittsfläche erreicht.
Glühstifte gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispielen können beispielsweise durch Koextrusion eines stiftförmigen Grünkörpers gestellt werden, der Schichten zur Ausbildung der Hauptabschnitte 3a, 4a des Innenleiters und der Außenleiterschicht sowie der dazwischen liegende Isolationsschicht 2 aufweist. In einem vorderen Bereich des Grünkörpers kann die zur Ausbildung des Außenleiters aufgebrachte Schicht entfernt werden, beispielsweise durch Drehen. Auf einem solchen Rohling kann ein Grünkörper einer separat hergestellte Glühstiftspitze, die eine Verdickung 2a des Innenleiters 2, sowie einen Endabschnitt 3b des Innenleiters und eventuell auch des Außenleiters 4b aufweist, aufgesetzt werden. Auf die Außenseite eines so zusammengesetzten Stifts kann dann ein Endabschnitt des Außenleiters 4b aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufsprühen oder als Paste. Ein solcher Grünkörper wird anschließend gesintert und, falls erforderlich, nachbearbeitet.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Glühkerze 10 mit einem Glühstift 1, der gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein kann. Die Glühkerze 10 hat ein Gehäuse Kerzengehäuse 11, das an einer Außenseite eine Gewinde 12 und einem Sechskant 13 zum Einschrauben in einen Motor aufweist. Der Glühstift 1 wird in dem Kerzengehäuse 11 von einem ihn umgebenden Schutzrohr 14 gehalten und ragt mit seinem vorderen Ende aus dem Schutzrohr 14 und dem Kerzengehäuse 11 heraus. Das Schutzrohr 14 ist ebenso wie das Kerzengehäuse aus Metall, bevorzugt aus Stahl, und kann mit dem Kerzengehäuse 11 beispielsweise durch Einpressen, Löten oder Schweißen verbunden sein.
Bezugszeichenliste

1: Glühstift
2: Isolationsschicht
2a: Verdickung
3a: Hauptabschnitt des Innenleiters/Innenleiterabschnitt
3b: Endabschnitt des Innenleiters
4a: Hauptabschnitt des Außenleiters/der Außenleiterschicht
4b: Endabschnitt des Außenleiters/der Außenleiterschicht
10: Glühkerze
11: Kerzengehäuse/Gehäuse
12: Gewinde
13: Sechskant
14: Schutzrohr

Claims

Glühstift für eine Glühkerze (10), mit einem keramischen Innenleiter (3a, 3b), einer keramischen Isolationsschicht (2, 2a), die den Innenleiter (3a, 3b) umgibt, und einer keramischen Außenleiterschicht (4a, 4b), welche die Isolationsschicht (2, 2a) umgibt und über ein vorderes Ende des Glühstifts (1) elektrisch leitend an den Innenleiter (3a, 3b) angeschlossen ist, wobei an dem vorderen Ende des Glühstifts (1) der Innenleiter (3a, 3b) einen von der Isolationsschicht (2, 2a) umschlossenen Endabschnitt (3b) aufweist, der bei 1000°C einen höheren elektrischen Widerstand pro Längeneinheit als ein daran anschließender Innenleiterabschnitt (3a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) eine kleinere Querschnittsfläche als der daran anschließende Innenleiterabschnitt (3a) aufweist und die Isolationsschicht (2) an ihrem vorderen Ende eine nach innen gerichtete Verdickung (2a) aufweist.
Glühstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) des Innenleiters aus einem keramischen Heizleitermaterial besteht, das bei 1000°C einen höheren spezifischen Widerstand als das Material des anschließenden Innenleiterabschnitts (3a) aufweist.
Glühstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) des Innenleiters bei 1000°C einen mindestens doppelt so großen elektrischen Widerstand pro Längeneinheit wie der daran anschließende Innenleiterabschnitt (3a) hat.
Glühstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) des Innenleiters aus einer PTC-Keramik besteht.
Glühstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) eine in Längsrichtung des Innenleiters zu messende Länge hat, die mindestens so groß wie seine senkrecht dazu zu messende Dicke ist.
Glühstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) über eine in Längsrichtung des Innenleiters zu messende Länge einen reduzierten Querschnitt aufweist, die mindestens so groß wie die senkrecht dazu zu messende Dicke des Endabschnitts (3b) ist.
Glühstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Isolationsschicht (2) umschließender Endabschnitt (4b) der Außenleiterschicht eine geringere Dicke als ein daran anschließender Hauptabschnitt (4a) der Außenleiterschicht hat.
Glühstift nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (4b) der Außenleiterschicht aus einem keramischen Heizleitermaterial besteht, das bei 1000°C einen höheren spezifischen Widerstand als das Material des anschließenden Hauptabschnitts (4a) der Außenleiterschicht aufweist.
Glühstift nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aus keramischem Heizleitermaterial bestehende Endabschnitt (4b) der Außenleiterschicht eine Querschnittsfläche aufweist, die höchstens um die Hälfte von der Querschnittsfläche eines aus keramischem Heizleitermaterial bestehenden Endabschnitts (3b) des Innenleiters abweicht.
Glühstift nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der aus keramischem Heizleitermaterial bestehende Endabschnitt (4b) der Außenleiterschicht eine größere Länge als der Endabschnitt (3b) des Innenleiters hat.
Glühstift nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (3b) des Innenleiters eine Länge hat, die ein Fünftel bis die Hälfte der Länge des aus keramischem Heizleitermaterial bestehenden Endabschnitts (4b) der Außenleiterschicht hat.
Glühkerze mit einem Glühstift (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem Gehäuse (11), aus dem der Glühstift (1) herausragt.