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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Heizelement für eine Glühkerze oder Glühstiftkerze, und genauer gesagt für eine metallische Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer eines luftverdichtenden, selbstzündenden Dieselmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Glühstiftkerze mit einem derartigen Heizelement als auch ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Bei Kraftfahrzeugen, wie sie derzeit im Einsatz sind, aber auch bei anderen Anwendungen kommen verbreitet Dieselmotoren zum Einsatz. Da bei einem Kaltstart eines Dieselmotors eine problemlose Selbstzündung des eingespritzten Dieselkraftstoffs jedoch in der Regel nicht möglich ist, benötigen Dieselmotoren während des Anlassvorgangs vielfach üblicherweise eine Kaltstarthilfe. Der Brennraum befindet sich bei einem derartigen Kaltstart auf niedrigem Temperaturniveau und verfügt zudem über eine hohe spezifische Wärmekapazität, so dass die beim Anlassvorgang des Dieselmotors erzeugte Kompressionswärme unerwünschterweise unmittelbar in den Motorblock abgeleitet wird. In einer Kaltleerlaufphase ist jedoch bei den meisten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen für eine vollständige Verbrennung eine Glühunterstützung bei einer Temperatur von ~850°C notwendig. Dies ist insbesondere für die niedrig verdichtenden selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen moderner Bauart erforderlich, die in der Regel ein entsprechend schlechteres Kaltstart- beziehungsweise Kaltleerlaufverhalten aufweisen. Darüber hinaus können unterschiedliche Kraftstoffqualitäten die Zündwilligkeit des komprimierten Luft/Dieselgemisches herabsetzen.
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Um den oben genannten Umständen Rechnung zu tragen befindet sich in den Brennräumen eines Dieselmotors üblicherweise jeweils mindestens eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einer Sättigungstemperatur von 950 bis 1000°C, mittels der der Dieselmotor in der Startphase vorgeglüht wird. Wie es in 2 in einer schematischen Ansicht gezeigt ist, besteht ein Heizelement 9 einer aus dem Stand der Technik bekannten metallischen Glühstiftkerze üblicherweise aus einem einseitig geschlossenen Glührohr 91 aus einer temperaturbeständigen Legierung, wie zum Beispiel einer Legierung mit einem Nickel-Basiswerkstoff oder einer Legierung mit temperaturbeständigem Stahl, wobei die brennraumseitige, geschlossene Seite des Glührohrs 91 mit einer Heizwendel 92 verschweißt ist, mit welcher eine Regelwendel 93 in Reihe geschaltet elektrisch verbunden ist. Für die Heizwendel 92 wird üblicherweise ein metallischer Werkstoff mit möglichst hohem spezifischen elektrischem Widerstand verwendet, der bei einer Temperaturänderung nahezu konstant bleibt, wie zum Beispiel FeCrAI oder NiCr. Die Regelwendel 93 hingegen besteht üblicherweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einem ausgeprägter PTC(Positive Temperature Coeffizient)-Effekt, wie zum Beispiel Nickel (Ni) oder Eisen-Cobalt-Legierungen (FeCo). Die Regelwendel 93 ist mit einem Anschlussbolzen 94 des Heizelements 9, beispielsweise einer Zentral-Elektrode der Glühstiftkerze, elektrisch verbunden, auf den beispielweise ein Anschlussstecker aufgeschraubt werden kann. Die Regelwendel 93 und die Heizwendel 92, die einen elektrischen Widerstand oder elektrischen Gesamtwiderstand des Heizelements 9 der Glühstiftkerze ausbilden, sind weiterhin in einem Isolierpulver 95 eingebettet, das durch Reduzieren des Außendurchmessers des Glührohrs 91 nach dem Befüllen verdichtet wurde. Dieses Isolierpulver, üblicherweise ein keramisches Isolierpulver wie zum Beispiel Magnesiumoxid, weist auch noch bei Temperaturen über 1400°C einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Das Glührohr 91 dient generell dem mechanischen Schutz der Heizwendel 92 und schirmt diese gegenüber chemisch aggressiven Medien, wie zum Beispiel Luftsauerstoff und -stickstoff, Kraftstoffrückständen und Verbrennungsrückständen ab. Zudem überträgt das Glührohr 91 die von der Heizwendel 92 freigesetzte Wärmeenergie in den Brennraum. Diese Anordnung sorgt dafür, dass der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur niedrig bleibt, sich im Betrieb dann aber mit zunehmender Temperatur erhöht. Alternativ zu einem elektrischen Widerstand aus einer Heizwendel und einer Regelwendel sind auch sogenannte Einwendelkerzen aus dem Stand der Technik bekannt, die mit einer PTC-Heizwendel versehen sind, ohne eine Regelwendel vorzusehen, wobei die Einwendel ebenfalls in einem keramischen Isolierpulver eingebettet ist. Alle vorhergehend genannten Lösungen haben jedoch das gemeinsame Problem, dass eine Wärmeleitung von dem elektrischen Widerstand zu der Umgebung des Glührohrs zu träge und teilweise nicht flächendeckend stattfindet.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Heizelement für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen, vorzugsweise zur Kaltstarthilfe einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel eines Dieselmotors. Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst dementsprechend eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze das erfindungsgemäße Heizelement, das ein Hauptbestandteil der elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze ist, und genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein metallisches Heizelement, das entsprechend als metallischer Glühstab oder Heizstabs bezeichnet werden kann, wodurch die Glühstiftkerze auch als Metallstabglühkerze bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Heizelement weist ein Glührohr aus Metall, einen mit einem geschlossenen Ende des Glührohrs elektrisch verbundenen elektrischen Widerstand, vorzugsweise in der Form einer metallischen Heizwendel, und einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen auf, der mit dem elektrischen Widerstand elektrisch verbunden ist und durch eine Dichtung in dem Glührohr abgedichtet ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Heizelement ein Füllmaterial auf, das in dem Glührohr vorgesehen ist und zumindest den elektrischen Widerstand umgibt. Das Füllmaterial besteht dabei aus einer Mischung aus einem Isoliermaterial in Form eines elektrisch isolierenden Pulvers, wie zum Beispiel einem keramischen Isolierpulver aus Magnesiumoxid oder dergleichen, und einem Zusatzmaterial, das aus einem Pulver mit einer im Vergleich zu dem Pulver des Isoliermaterials kleineren Partikelgröße besteht. Ein Partikelgrößenverhältnis zwischen Pulverpartikeln des Isoliermaterials und Pulverpartikeln des Zusatzmaterials beträgt dabei erfindungsgemäß mindestens 7:1 in Bezug auf die mittlere Partikelgröße des Isoliermaterials, i.e.
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Zur Charakterisierung einer Partikelgrößenverteilung werden üblicherweise die Werte d10, d50 und d90 verwendet. Der Wert von d50 entspricht hier nach
DIN 13320 der sogenannten „mittleren Partikelgröße“ und bedeutet, dass 50% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert. Entsprechend bedeutet ein Partikelgrößenverhältnis zwischen Pulverpartikeln des Isoliermaterials und Pulverpartikeln des Zusatzmaterials von mindestens 7:1 in Bezug auf die mittlere Partikelgröße des Isoliermaterials hierbei, dass Pulverpartikel mittlerer Partikelgröße des Zusatzmaterials in einem Verhältnis von ≥ 7 Partikel zu je einem Partikel mittlerer Partikelgröße des Isoliermaterials vorliegen. Dementsprechend liegt das Isoliermaterial in einer gröberen Partikelgröße als das Zusatzmaterial vor, beziehungsweise das Zusatzmaterial weist eine feinere Partikelgestalt als das Isoliermaterial auf. In Bezug auf die Packungsdichte von Pulvern kann beispielsweise der Veröffentlichung
„Mechanical Packing of Spherical Particles" in dem „Journal of the American Ceramic Society" aus dem Jahr 1961 entnommen werden, dass kugelförmige Metallpartikel mittels mechanischen Vibrationen in Glasbehältern effektiv verdichtet werden konnten. Ein Auszug aus diesem Artikel lautet demnach: “An idealized experimental study of particle packing was made. Spherical metal shot of several discrete, narrow size ranges was efficiently packed in glass containers by mechanical vibration. Packing arrangements and the dynamic process of packing were studied visually. One-size spheres packed in an orthorhombic arrangement with a density 62.5% of theoretical density. Forming of high-density multicomponent packings was shown to require at least a sevenfold difference between sphere sizes of the individual components. A quaternary packing with a density 95.1% of theoretical density was formed from spheres with diameter ratios 1:7:38:316 and volume compositions 6.1:10.2:23.0:60.7%, respectively. Such packings could be poured from their glass containers, thus proving that effective mechanical packing is simply an efficient arrangement of spheres of prescribed sizes and proportions. The significance and utility of this work to the ceramic and other industries is discussed.” Mit einer derartigen Partikelverdichtung und Partikelverteilung in dem Füllmaterial kann unter anderem eine Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials erhöht werden, unter Beibehaltung dessen elektrischer Isolierfähigkeit, also entsprechend ein Heizelement für eine Glühstiftkerze mit einem verbesserten thermischen Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dient das Zusatzmaterial des Füllmaterials in dem Glührohr des erfindungsgemäßen Heizelements dazu, mögliche vorhandene Leerräume zwischen einzelnen Partikeln des Isoliermaterials auszufüllen, indem es sich in diesen wärmeisolierenden Leerräumen möglichst gleichmäßig verteilt und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials erhöht, so dass die von dem elektrischen Widerstand erzeugte Wärme schnell und gleichmäßig nach außen an das Glührohr übertragen werden kann. Um diesen Effekt noch zu unterstützen kann das Zusatzmaterial in dem Füllmaterial vorzugsweise einen Volumenanteil im Verhältnis zu dem Volumenanteil des Isoliermaterials, also ein Volumenanteilverhältnis Zusatzmaterialvolumen: Isoliermaterialvolumen von 5:95 Vol.-% ± 2 Vol.-%, weiter bevorzugt 20:80 Vol.-% ± 2 Vol.-% und noch weiter bevorzugt 40:60 Vol.-% ± 2 Vol.-% aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht das Zusatzmaterial aus einem Oxid oder aus einer Kombination aus mehreren Oxiden der Gruppe der folgenden Elemente:
Titan;
Zirkon;
Aluminium;
Magnesium;
Chrom;
Vanadium;
Germanium;
Rhenium;
Osmium;
Tantal;
Niob;
Iridium;
Ruthenium;
Hafnium;
Bor, und
Molybdän.
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Als Beispiel von derartigen Oxiden der vorgenannten Elemente kommen beispielsweise Titanoxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Chromoxid, Vanadiumoxid, Germaniumoxid, Rheniumoxid, Osmiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, oder Hafniumoxid zum Einsatz. Ferner kann das Zusatzmaterial vorzugsweise aus einem oder mehreren Suboxiden bestehen, wie zum Beispiel TinO2n-1, B6O oder (B2O)x. Alternativ dazu kann das Zusatzmaterial aus einer Mischung aus GeO2, MoO3 und V2O5 bestehen, wobei diese Oxide beziehungsweise Suboxide eine Glasphase zwischen den einzelnen Pulverpartikeln des Isoliermaterials ausbilden können und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials durch die auf diesem Wege erzielte Kontaktflächenvergrößerung erhöhen. Bei einer dabei möglicherweise auftretenden Kombination von Zusatzmaterial und Isoliermaterial aus demselben Material, wie zum Beispiel aus Magnesiumoxid, ist hier von einer bimodalen Verteilung von Zusatzmaterial und Isoliermaterial auszugehen, also von einer Verteilung von Zusatzmaterial und Isoliermaterial mit unterschiedlichen Dichteverteilungskurven, deren Maxima-Ausbildungen einen deutlichen Unterschied zueinander zeigen, so dass eine möglichst gute Verteilung und damit ein höherer Verdichtungsgrad erreicht werden kann. Unter einer bimodalen Verteilung ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung oder Häufigkeitsverteilung zu verstehen, bei der die Dichte zumindest zwei Modi aufweist; es handelt sich also um eine multimodale oder mehrgipflige Verteilung, die sie im Gegensatz zur unimodalen Verteilung mit nur einem Gipfel oder Maximum eben mehr als ein Maximum aufweist. Eine derartige bimodale Verteilung von Isoliermaterial und Zusatzmaterial kann 3 entnommen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Widerstand und einem brennraumseitigen geschlossenen Ende des Glührohrs durch ein Kontaktierungselement hergestellt, das mit einem Aufnahmeabschnitt an der Innenseite des brennraumseitigen geschlossenen Endes des Glührohrs verbunden ist. Das Kontaktierungselement kann hierbei ein separates Bauteil wie zum Beispiel ein Draht oder dergleichen sein, kann aber vorzugsweise auch ein Teil des elektrischen Widerstands sein, solange eine ausreichende elektrische Verbindung zu dem Glührohr aufrecht erhalten werden kann.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung kann eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einem Heizelement wie vorhergehend beschrieben, als auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements wie vorhergehend beschrieben für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei die folgenden, nicht abschließenden Schritte umfassen:
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- – Verbinden des elektrischen Widerstands mit dem Anschlussbolzen;
- – Anordnen des elektrischen Widerstands und des Anschlussbolzens in dem Glührohr, das heißt in dem hohlen Inneren des Glührohrs;
- – Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen elektrischem Widerstand, Anschlussbolzen und Glührohr und gleichzeitig Abdichten des brennraumseitigen Endes des Glührohrs, vorzugsweise durch Schweißen;
- – Befüllen des Glührohrs mit dem Füllmaterial bestehend aus der vorhergehend beschriebenen Mischung aus Isoliermaterial und Zusatzmaterial; und
- – Abdichten des Glührohrs mit der Dichtung.
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Um nun den wärmeleitenden Kontakt zwischen dem elektrischen Widerstand und dem Glührohr zu verbessern wird anschließend üblicherweise das Füllmaterial in dem Glührohr verdichtet, beispielsweise durch Druckeinwirkung auf das Glührohr, wie zum Beispiel durch Rundkneten oder dergleichen. Der Schritt des Befüllens des Glührohrs mit dem Füllmaterial kann dabei ein teilweises Befüllen des Glührohrs umfassen, kann aber vorzugsweise auch ein vollständiges Befüllen des Glührohrs mit dem Füllmaterial umfassen, so dass das Füllmaterial den Innenraum des Glührohrs vollständig ausfüllt, welcher durch eine Innenwand des Glührohrs und durch die Dichtung begrenzt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Glühstiftkerze, die mit einem Heizelement gemäß der Erfindung versehen ist, hat gegenüber dem vorhergehend diskutierten Stand der Technik den Vorteil, dass der hiermit vorgeschlagene Pulverzusatz in der Gestalt des vorhergehend beschriebenen Zusatzmaterials die Leerräume zwischen den einzelnen Partikeln der elektrischen Isolierung in der Gestalt des vorhergehend beschriebenen Isoliermaterials auffüllt und dadurch die Wärmeleitung vom elektrischen Widerstand zur Außenoberfläche des Glührohrs verbessert. Ein derartiger Pulverzusatz bestehend aus einem oder mehreren Oxiden wie vorhergehend beschrieben kann entsprechende Zwischenräume in der elektrischen Isolierung zumindest teilweise, oder im optimalen Fall auch vollständig schließen und dadurch die Wärmeleitung zwischen dem elektrischen Widerstand und der Außenoberfläche des Glührohrs wesentlich verbessern beziehungsweise maximieren. Entsprechend kann mit einem Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Glühstiftkerze mit einem verbesserten thermischen Wirkungsgrad erzielt werden. Die optimierte Wärmeleitung zwischen elektrischen Widerstand und Glührohr hat dabei entsprechend einen direkten vorteilhaften Einfluss auf eine Aufheizzeit der Glühstiftkerze auf die gewünschte Betriebstemperatur, wie zum Beispiel 1000 °C bei einem Dieselmotor, indem diese wesentlich verkürzt werden kann. Ferner kann dadurch eine Leistungsaufnahme beziehungsweise ein Stromverbrauch deutlich reduziert werden, da der thermische Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Heizelements, also der Wärmestrom pro Leistung in dem Heizelement wesentlich erhöht werden kann. Gegenüber bekannten Glühstiftkerzen hat eine Glühstiftkerze mit dem erfindungsgemäßen Heizelement damit den Vorteil, dass die gesamte eingebrachte elektrische Leistung dort in Wärme umgewandelt wird, wo sie gebraucht wird. Darüber hinaus kann durch ein Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer des Heizelements und damit der gesamten Glühstiftkerze signifikant verlängert werden, indem die notwendige maximale innere Temperatur, das heißt die Temperatur an der Oberfläche des elektrischen Widerstands, verringert werden kann, bei gleichbleibender oder sogar erhöhter Wärmeübertragungsleistung.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Querschnittsansicht eines Heizelements für eine Glühstiftkerze gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsansicht eines Heizelements einer Glühstiftkerze mit Blockschaltbildcharakter gemäß dem bekannten Stand der Technik; und
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3 eine bimodale Verteilung von Isoliermaterial und Zusatzmaterial bei gleichem Material.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizelements 1 für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze in einer schematischen Querschnittsansicht. Wie 1 entnommen werden kann besteht das Heizelement 1 dabei aus einem metallischen Glührohr 11, in dem ein elektrischer Widerstand 12 vorzugsweise in Form einer Heizwendel, oder auch einer Kombination aus Heizwendel und Regelwendel wie aus dem Stand der Technik bekannt, angeordnet ist. Der elektrische Widerstand 12 ist an einem verschlossenen, brennraumseitigen Ende des Glührohrs 11 mit einem Aufnahmeabschnitt 112 des Glührohrs 11 verbunden. Der Aufnahmeabschnitt 112 kann dabei beispielsweise eine Schweiß- oder Lötstelle sein. An seinem anderen Ende ist der elektrische Widerstand 12 mit einem Anschlussbolzen 13 elektrisch verbunden, der durch eine Dichtung 14 in Gestalt einer isolierenden Scheibe in dem Glührohr 11 abgedichtet wird, wobei der Anschlussbolzen 13 durch eine zentrale Öffnung der Dichtung 14 hindurch verläuft und durch diese fixiert wird.
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Zudem befindet sich in dem Glührohr 11 Füllmaterial 16, 17, das aus einer Mischung aus einem pulverförmigen Isoliermaterial 16 und einem pulverförmigen Zusatzmaterial 17 besteht, also als ein dispergiertes Pulvergemisch vorliegt. Das pulverförmige Isoliermaterial 16 liegt bei der bevorzugten Ausführungsform als keramisches Isolierpulver vor, beispielsweise bestehend aus Magnesiumoxid, das zwischen einer Fläche einer Innenwand 111 des Glührohrs 11, dem Aufnahmeabschnitt 112, dem elektrischen Widerstand 12, dem Anschlussbolzen 13 und der Dichtung 14 das Innere des Glührohrs 11 ausfüllt. Das Zusatzmaterial 17 besteht bei der bevorzugten Ausführungsform aus Titansuboxid, wobei ein Partikelgrößenverhältnis zwischen Pulverpartikeln der mittleren Partikelgröße d50 des Isoliermaterials 16 und Pulverpartikeln der mittleren Partikelgröße d50 des Zusatzmaterials 17 ≥ 7:1 beträgt. Für den Fall, dass das Isoliermaterial 16 und das Zusatzmaterial 17 aus dem gleichen Material bestehen, beispielsweise aus Magnesiumoxid, wird eine bimodale Verteilung dieser Materialien vorausgesetzt, wie sie 3 entnommen werden kann und auch bereits vorhergehend beschrieben ist. Dabei nimmt das Zusatzmaterial 17 den Raum zwischen den Partikeln des Isoliermaterials 16 möglichst effizient ein, da sich die Maxima der Dichteverteilungskurven wesentlich voneinander unterscheiden. Bei einem Verdichtungsvorgang des Füllmaterials 16, 17, beispielsweise durch ein Rundkneten des Glührohrs 11, bei dem Druck radial von außen auf das Glührohr 11 und damit auf das Füllmaterials 16, 17 ausgeübt wird, wird dieses verdichtet. Das feine Zusatzmaterial 17 kann dabei Leerräume zwischen den einzelnen Pulverpartikeln des gröberen Isoliermaterials 16 ausfüllen, wie es unter anderem 3 im Hinblick auf eine bimodale Verteilung entnommen werden kann, und entsprechend bei dem Verdichtungsvorgang einen besseren Flächenkontakt zwischen dem elektrischen Widerstand 12, dem Füllmaterial 16, 17 und dem Glührohr 11 herstellen, so dass eine von dem elektrischen Widerstand 12 erzeugte Wärme schneller und gleichmäßiger an das Glührohr 11 und von diesem anschließend nach Außen übertragen werden kann.
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Als Einsatzgebiet für ein derartig aufgebautes Heizelement 1 sind neben einer Glühstiftkerze noch weitere Anwendungsgebiete denkbar, wie zum Beispiel für einen Kraftstoffheizer wie beispielsweise einen Ethanolheizer in einem Flex-Startsystem, Standheizungen, oder jede Form von elektrischem Rohrheizkörper, in dem ein nicht isolierter Heizwiderstand in eine Pulverpackung eingebettet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 13320 [0005]
- „Mechanical Packing of Spherical Particles“ in dem „Journal of the American Ceramic Society” aus dem Jahr 1961 [0005]
