DE3421950C2

DE3421950C2 - Selbstregelnde Glühkerze

Info

Publication number: DE3421950C2
Application number: DE3421950A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Itoh; Shinichi Nagoya Aichi Yokoi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1986-04-03
Also published as: GB2144175A; DE3421950A1; JPS59231321A; GB8414542D0; JPH0155368B2; GB2144175B; US4636614A

Abstract

Eine schnell aufheizende, selbstregelnde Glühkerze weist einen in einen Keramikkörper eingebetteten Heizdraht auf, der in Reihe mit einem Widerstandsdraht verbunden ist. Der Heizdraht besteht aus einer Wolframlegierung, die bei 1000°C einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich oder kleiner ist als das 4fache dessen bei Raumtemperatur, während der Widerstandsdraht einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich oder größer ist als das 5fache dessen bei Raumtemperatur. Bevorzugt sind Wolframlegierungen aus Wolfram und mindestens einem der Elemente Rhenium, Kobalt, Thorium, Molybdän und Zirkon, wobei Rhenium in einer Menge von 2 bis 50 Gew.-% bevorzugt und in einer Menge von 10 bis 30 Gew.-% besonders bevorzugt ist. Der Widerstandsdraht besteht vorzugsweise aus mindestens einem der Elemente Nickel, Wolfram, Molybdän und Eisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstregelnde Glühkerze gemäß Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Glühkerze ist aus der GB-PS 20 13 277 bekannt.

Dieselmotoren lassen sich bekanntlich bei niedrigen Temperaturen nur schwer starten. Gewöhnlich ist daher in den Zylindern des Motors oder in einer Hilfs-Verbrennungskammer eine Glühkerze vorgesehen, um die Temperatur in dem Zylinder oder der Hilfs-Verbrennungskammer vor dem Starten zu erhöhen. Zu diesem Zweck muß die Glühkerze schnelle Aufheizeigenschaften zeigen. In jüngerer Zeit besteht die Tendenz, Glühkerzen nicht nur zum Starten einzusetzen, sondern auch während des normalen Motorbetriebs, um den Kraftstoffverbrauch zu stabilisieren. Verwendet man eine Glühkerze auf diese Weise kontinuierlich, muß sie eine verbesserte Haltbarkeit haben.

Für diesen Zweck sind schnell aufheizende Glühkerzen entwickelt worden, die aus einem gesinterten Keramikkörper und einem Wolfram-Heizdraht bestehen. Wolfram ist sehr hitzebeständig und es besteht daher nur geringe Gefahr eines Durchbrennens bei hohen Temperaturen. Andererseits besteht jedoch die Möglichkeit, daß der Keramikkörper durch den Hitzeschock beim schnellen Erhitzen bricht. Um dies zu verhindern, werden in der Praxis Hilfsmittel eingesetzt, z. B. einen Regler für den Stromfluß durch den Heizdraht.

Als Alternative sind sogenannte selbstregelnde Glühkerzen entwickelt worden, die in einem Keramikkörper eingebettet einen Wolfram-Heizdraht aufweisen, der in Reihe mit einem Widerstand geschaltet ist. Der Widerstand hat die Form eines Drahts aus einem Material, wie Nickel, Wolfram oder Molybdän, mit einem größeren positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands als der Heizdraht, so daß beim schnellen Erhitzen der Widerstand des Widerstandselements schnell zunimmt und

ίο so den Heizstrom reduziert und ein Überhitzen des Heizdrahts verhindert. Für eine zufriedenstellende Selbstregelung einer derartigen Glühkerze ist es wünschenswert, daß der Unterschied des Temperaturkoeffizienten des Widerstands bei Raumtemperatur und z. B.

1000⁰C ausreichend groß ist Besteht der Widerstand z. B. aus Nickel, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands bei 1000⁰C, das etwa 6- bis 7fache dessen bei Raumtemperatur beträgt, so sollte der in Reihe mit dem Widerstand geschaltete Heizdraht ein Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 4 oder weniger haben. Unter »Temperaturkoeffizienten- Verhältnis« wird hierbei das Verhältnis des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (Änderung des spezifischen Widerstands pro Grad Temperaturänderung) bei 1000° C zu dem Temperaturkoeffizienten de* Widerstands bei Raumtemperatur verstanden.

Dieser Anforderung genügen z. B. Heizdrähte aus Fe-Cr oder Ni-Cr Legierungen. Es sind bereits Metall-Glühkerzen hergestellt und getestet worden, die einen derartigen Heizdraht in einem isolierenden Pulver aufweisen, das in eine Metallhülle eingefüllt ist Da der Schmelzpunkt des Heizdrahts jedoch relativ niedrig ist, hält er der Sintertemperatur des Keramikmaterials nicht stand. Selbst wenn der Heizdraht derartig hohen Temperaturen standhalten würde, könnte er aufgrund der sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht mit Erfolg zusammen mit dem Keramikkörper eingesetzt werden.
Aus diesen Gründen sind Wolfram-Heizdrähte in Kombination mit Keramikkörpern eingesetzt worden. Das Wolfram des Heizdrahts hat eine Reinheit von 99,9% oder mehr und einen dementsprechend hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Es ist daher unmöglich, einen großen Unterschied hinsichtlich der Temperaturkoeffizienten des Widerstands zwischen dem Heizdraht und dem Widerstandselement einzustellen, so daß die selbst! egelnde Funktion einer derartigen Glühkerze ungenügend ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Keramik-Glühkerze mit ausreichender selbstregelnder Funktion bereitzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe eignet sich nach der Erfindung eine Glühkerze der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1.

Auf der Suche nach Heizdraht-Materialien mit ausreichend kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstands wurde nun gefunden, daß eine Wolframlegierung aus Wolfram und mindestens einem Element aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Thorium, Molybdän und Zir» kon für derartige Heizdrähte äußerst brauchbar ist.

In F i g. 1 der Zeichnung ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands einer Wolframlegierung mit Rhenium, das das bevorzugte Legierungselement ist, gegen die Rheniummenge aufgetragen. Aus F i g. 1 ist ersichtlieh, daß die Rheniummenge vorzugsweise 2 bis 50 Gew.-% beträgt. Bei weniger als 2 Gew.-% Rhenium ist es schwer, das Temperaturkoeffizienten-Verhältnis auf 4 oder darunter einzustellen. Andererseits ist bei Rheni-

ummengen von mehr als 50 Gew.-% das Ziehen des Drahts praktisch unmöglich. Besonders bevorzugt ist eine Rheniummenge von 10 bis 30 Gew.-%.

Andere bevorzugte Wolframlegierungen sind solche mit einem Gehalt an 5 bis 30 Gew.-% Co, 5 bis 60 Gew.-% Mo, 5 bis 30 Gew.-% Th bzw. 5 bis 40 Gew.-% Zr. Diese Legierungen ergeben jeweils ein Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 4 oder weniger und haben einen Schmelzpunkt von 2400° C oder darüber.

Die erfindungsgemäße selbstregelnde Glühkerze weist einen Heizdraht aus einer der genannten Wolframlegierungen auf, der in einen gesinterten Keramikkörper eingebettet, in Reihe mit einem Widerstand geschaltet und mit einem hitzebeständigen Isoliermaterial bedeckt ist Durch diesen Aufbau der erfindungsgemä-Ben Glühkerze werden die Probleme herkömmlicher Glühkerzen vollständig vermieden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, bei dem der Temperaturkoeffizient des Widerstands einer Woifram-Rhenium-Legierung gegen die Rheniummenge aufgetragen ist;

F i g. 2 einen vertikalen Querschnitt durch eine- bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;

F i g. 3 einen vertikalen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig.4A einen Querschnitt durch das keramische Heizteil der Glühkerze von F i g. 3; und

Fig.4B einen Querschnitt entlang der Linie X-X in F i g. 4A. ^₀

In Fig.2 ist ein vertikaler Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführur.gsform einer erfindungsgemäßen selbstregelnden Glühkerze dargestellt, deren keramisches Heizteil 1 einen Draht 2 aus einer Wolframlegierung mit einem Rheniumgehalt von 20 Gew.-% aufweist, die in einem gesinterten Keramikkörper angeordnet ist, welcher hauptsächlich aus Si₃N₄ und SiC besteht und von einer äußeren Metallhülle 3 umgeben ist. Im einzelnen wild ein hauptsächlich aus S13N4 und SiC bestehendes Keramikpulver mit den darin eingebetteten Draht 2 vorläufig zu einem zylindrischen Körper geformt. Dann wird das vorläufig gesinterte Produkt durch Heißpressen gesintert, worauf man das erhaltene keramische Heizteil 1 durch Schleifen oder Schneiden formt. Der obere Teil des keramischen Heizteils 1 wird *s an eine äußere Metallhülle 3 gelötet, mit der ein Ende 2a des Drahtes 2 verbunden wird.

Die Metallhülle 3 wird durch Löten in den Inu.enraum eines Endbereichs einer Befestigungshülse 4 eingesetzt, die als negative Elektrode fungiert. Das andere Ende 2b des Heizdrants 2 wird an eine Kappe 5 gelötet, die am rückwärtigen Ende des keramischen Heizteils 1 befestigt ist. Ein Ende eines Stabes 6 wird an die Kappe 5 angeschweißt. Das andere Ende des Stabes 6 ist mit einem Ende eines Widerstands 7 aus Nickel verbunden, dessen anderes Ende mit einem Metall-Mittelteil 8 verlötet ist.

Die Innenräume der Hülse 4 und der Metallhülie 3 sind mit einem hitzebeständigen Füllstoff 9 gefüllt, z. B. MgO oder Glas, um die verschiedenen Teile 5,6,7 bzw. zu halten. Eine Mutter 11 hält einen Isolator 10 gegen das Mittelteil 8 das als positive Elektrode fungiert.

Der Wolframlegierungsdraht 2 des keramischen Heizteils 1 enthält vorzugsweise 10 bis 30Gew.-% Rhenium, da eine derartige Wolframlegierung ein sehr kleines Temperaturkoeffizietiten-Verhältnis von 2 bis 4 ergibt. Da außerdem der in Reihe mit dem Heizdraht 2 geschaltete Widerstand 7 aus Ni besteht, das ein positives Temperaturkoeffizientenverhältnis von etwa 6 bis 7 hat, nimmt der Widerstandswert des Widerstands 7 schneller zu als der des Heizdrahtes 2, wenn ein Heizstrom durch den Draht 2 fließt. Hierdurch wird der Heizstrom automatisch verringert und ein Oberhitzen des Drahtes 2 wird verhindert

Das Material des Widerstands 7 sollte ein Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von mehr als 5 haben. Zu diesem Zweck eignen sich Wolfram (mit einem Verhältnis von 5 bis 6), Molybdän (mit einem Verhältnis von 5 bis 6) oder Eisen (mit einem Verhältnis von 10 bis 11).

Fig.3 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze, wobei gleiche Komponenten wie in F i g. 2 mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dargestellt sind ein keramisches Heizteil Γ in Form einer Scheibe und ein Heizdraht 2' in Form einer Spirale. Der Aufbau diessr Elemente ist im einzelnen in den F i g. 4A und 4B gezeigt Ein Metallstab 6' ist \r finer Metallhülle 3' angeordnet und direkt mit dem hinterer Teil des keramischen Heizteils 1' verbunden, an das ein Ende 2a' des Heizdrahtes 2' angeschlossen ist. Das andere Ende 2b' des Heizdrahtes 2' ist mit der Metallhülle 3' verbunden. Wie oben beschrieben, ist die erfindungsgemäße Glühkerze gekennzeichnet durch einen in einen gesinterten Keramikkörper eingebetteten Heizdraht aus einer Wolframlegierung, die mindestens eines der Legierungselemente Rhenium, Kobalt, Thorium; Molybdän und Zirkon enthält und ein Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 4 oder weniger hat. In Reihe mit dem Heizdraht ist ein Widerstand geschaltet, der ein positives Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 5 oder mehr hat. Bei einer derartigen Kombination von Heizdraht und in Reihe geschaltetem Widerstand nimmt der Widerstandswert des Widerstands schneller zu als der des Heizdrahtes, wenn ein Strom durchfließt. Hierdurch wird der Stfomfluß verringert und ein Überhitzen des Heizdrahtes vermieden. Es findet somit eine wirksame Selbstregelung der Temperatur des Heizdrahtes ohne komplizierte und teure Mittel statt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstregelnde Glühkerze mit einer Heizeinrichtung an einem Ende einer Befestigungshülse und einem mit der Heizeinrichtung in Reihe geschalteten Stromregelwiderstand zum Regeln der Temperatur der Heizeinrichtung, wobei der Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (1, 2) einen gesinterten Keramikkörper (1) und einen darin eingebetteten Heizdraht (2) aus einer Wolframlegierung umfaßt, die bei 1000⁰C einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich oder kleiner ist als das vierfache dessen bei Raumtemperatur, und wobei der Widerstand (7) innerhalb der Befestigungshülse (4) angeordnet ist und aus einem Draht besteht, der bei 1000⁰C einen Temperatu-rkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich oder größer ist als das fünffache dessen bei Raumtemperatur.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframlegierung aus Wolfram und mindestens einem Element aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Thorium, Molybdän und Zirkon besteht.

3. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht des Widerstands (7) aus mindestens einem Material aus der Gruppe Nikkei, Wolfram, Molybdän und Eisen besteht.

4. Glühkerze nach einem de. Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (2) aus Wolfram mit einem Gehalt vor 2 bis 50 Gew.-% Rhenium besteht.

5. Glühkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (2) aus Wolfram mit einem Gehalt von 10 bis 30 Gew.-% Rhenium besteht.