DE4433505A1 - Keramikglühkerze oder -körper - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Keramikheizer oder
-erhitzer für hohe Temperaturen, der für eine Vielzahl von
Heiz- oder Erhitzungseinrichtungen geeignet ist, wie insbe
sondere als eine Selbstsättigungs-Glühkerze bzw. selbst in
die Sättigung übergehende Glühkerze, die zum schnellen Vor
heizen des Inneren einer Vorverbrennungskammer beim Starten
oder Leerlauf eines Dieselmotors verwendet wird.
Es sei zunächst der einschlägige Stand der Technik erläu
tert:
Ein ummantelter Heizer oder Erhitzer, bei dem eine aus ei
nem wärmebeständigen Metall hergestellte Ummantelung mit
wärmebeständigem, isolierendem Pulver gefüllt und ein
Heizwiderstand aus Metalldraht mit hohem Schmelzpunkt, der
hauptsächlich aus Nickel (Ni), Chrom (Cr), etc. hergestellt
ist, in dem wärmebeständigen isolierenden Pulver eingebet
tet ist, sowie eine Vielzahl von Zündeinrichtungen, welche
Hochspannungsfunken verwenden, sind für Glühkerzen verwen
det worden, um das Starten von Dieselmotoren zu unterstüt
zen, und eine Vielzahl von Heizern oder Erhitzern für die
Zündung und Erhitzung oder Heizung.
Der vorstehend erwähnte ummantelte Heizer oder Erhitzer hat
jedoch einige Nachteile. Er hat keine Schnellerhitzungs
funktion, da die Wärme des Heizwiderstands mittels des wär
mebeständigen, isolierenden Pulvers, das in die Ummantelung
eingefüllt ist, übertragen wird. Außerdem ist er geringwer
tig im Verschleißwiderstand und in der Dauerhaftigkeit.
Weiterhin haben die vorstehend erwähnten Funkenzündeinrich
tungen insbesondere den Nachteil, daß sie Hochfrequenzin
terferenzen, wie beispielsweise Rauschen, während der Zün
dung bewirken und die Zuverlässigkeit für eine positive
oder zwangsweise Zündung sowie die Sicherheit gegen nicht
erfolgreiche Zündung vermindert ist.
Um solche Schwierigkeiten zu überwinden, ist für Glühkerzen
von Brennkraftmaschinen und für Heizer von verschiedenen
Heiz- oder Erhitzungseinrichtungen in weitem Umfang ein Ke
ramikheizer oder -erhitzer verwendet worden, der einen
Heizwiderstand umfaßt, welcher aus einem anorganischen
leitfähigen Material hergestellt und in einem keramischen
Sinterkörper eingebettet ist, wodurch dieser Keramikheizer
oder -erhitzer eine Schnellerhitzungsfunktion aufweisen
kann, keine Hochfrequenzinterferenz bewirkt, eine zwangs
weise Zündung sicherstellt und Sicherheit gewährleistet,
sowie sicher gegen Fehlzündungen ist, und weiter im Ver
schleißwiderstand und in der Dauerhaftigkeit hochwertig
ist, so daß er eine höhere Zuverlässigkeit hat.
Insbesondere sind nach dem Stand der Technik Keramikheizer
für Glühkerzen von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen wor
den. Als ein Beispiel sei auf einen Keramikheizer, wie er
in Fig. 4 gezeigt ist, Bezug genommen, der einen Heizwi
derstand 3 umfaßt, welcher aus einem gewendelten Metall
draht von hohem Schmelzpunkt ausgebildet und in einem kera
mischen Sinterkörper 2 eingebettet ist, so daß dieser Kera
mikheizer eine verbesserte Dauerhaftigkeit bei hohen Tempe
raturen hat und eine Schnellerhitzungsfunktion besitzt so
wie eine Selbstsättigung der Temperatur desselben aufweist.
Ein anderes Beispiel des Standes der Technik ist ein Kera
mikheizer, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, der einen Heizwi
derstand 3 umfaßt, welcher aus Metalldraht von hohem
Schmelzpunkt hergestellt und in einem keramischen Sinter
körper 2 eingebettet ist, sowie einen Heizer 3a aus einem
Draht, der einen positiven Temperaturkoeffizienten des Wi
derstands hat, welcher höher als jener des Heizwiderstands
3 ist, und dieser Heizer 3a ist mit dem vorstehend erwähn
ten Heizwiderstand 3 in Reihe geschaltet, so daß der Heiz
strom des Heizwiderstands 3 eigengesteuert wird, während
der Heizer eingeschaltet wird und seine Temperatur an
steigt. (Es sei auf die japanische Patentveröffentlichung
Nr. 1-55369 Bezug genommen.) In den Fig. 4 und 5 ist mit
14 ein Metallrohr bezeichnet, 15 ist einem Halter zugeord
net, und 16 bezeichnet einen metallischen Leitungsdraht.
Es seien nun die der vorliegenden Erfindung zugrundelie
genden Grundprobleme erläutert:
Im Falle des oben erwähnten Selbstsättigungs-Keramikheizers
sind der elektrische Leistungsverbrauch und der Stoß- oder
Spitzenstrom desselben klein: z. B. etwa 60 W bzw. 18 A,
wenn 11 V für 60 Sekunden angelegt werden. Es ist jedoch
schwierig, die Maximalerhitzungszone des Keramikheizers bis
zu dem Bereich einzustellen, der weniger als 5 mm von der
Spitze oder dem vorderen Ende desselben entfernt ist, d. h.
das Erhitzen an der Spitze oder dem vorderen Ende ist
schwierig. Außerdem werden, wenn der Keramikheizer bei ei
ner Heiztemperatur von 1350°C und bei einer angelegten
Spannung von 14 V selbst- bzw. eigengesättigt ist, die Ex
tremwerte der Temperatur bzw. der maximale Temperaturun
terschied in der Umfangsrichtung des Keramikheizers etwa
60°C.
Andererseits sind im Falle des oben erwähnten eigengesteu
erten Keramikheizers der elektrische Leistungsverbrauch und
der Stoß- oder Spitzenstrom desselben beträchtlich groß:
z. B. etwa 90 bis 100 W bzw. 22 A, wenn 11 V während 60 Se
kunden angelegt werden. Der Heizwiderstand 3a aus dem oben
erwähnten Draht, der dazu dient, den Heizstrom eigenzusteu
ern, bewirkt eine relativ große Widerstandsänderung wegen
des intermittierend angewandten Stroms für das Erhitzen, so
daß er dadurch dazu neigt, sich in seiner Dauerhaftigkeit
zu verschlechtern. Weiterhin erhöht die komplizierte Struk
tur des Heizers oder Erhitzers die Herstellungskosten.
Darüberhinaus besteht, da beide Anschlüsse 7, 7 durch Sin
tern der Keramik mit den Leitungen 5, 5 der eingebetteten
Metalldrähte zu einem Körper und dann durch Schleifen des
gesinterten Bereichs, um die Leitungen nach der Oberfläche
hin freizulegen, die Gefahr des Erzeugens von Spalten, Ris
sen, Sprüngen o. dgl. an den Grenzen zwischen dem gesinter
ten Keramikkörper und den Leitungen 5, 5 der freigelegten
Metalldrähte aufgrund der Differenz im Wärmeausdehnungsko
effizienten. Durch diese Spalte, Risse, Sprünge o. dgl.
können Sauerstoff, Feuchtigkeit, etc. in den Heizer oder
Erhitzer eindringen, wodurch während des Betriebs Risse,
Sprünge o. dgl. in dem keramischen Sinterkörper erzeugt
oder andere Probleme verursacht werden können.
Es sei nun ein kurzer Abriß der vorliegenden Erfindung ge
geben:
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die
oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik auszu
schalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ein
Heizen oder Erhitzen an der Spitze eines selbst- bzw. ei
gensättigenden Keramikheizers oder -erhitzers, der für eine
Gleichstromquelle vorgesehen ist (die maximale Erhitzungs
zone soll etwa 5 mm oder weniger von der Spitze oder dem
vorderen Ende entfernt angeordnet sein) zur Verfügung zu
stellen, welcher vorzugsweise eine gleichförmige Tempera
turverteilung hat, bei dem es verhindert wird, daß der ke
ramische Sinterkörper durch Eintritt von Feuchtigkeit und/
oder Sauerstoff von den Anschlüssen der Risse, Sprünge o. dgl.
erhält, und bei dem das Volumen der Heiz- oder Erhit
zungszone und der Verbrauch an elektrischer Leistung herab
gesetzt sind.
Diese Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegt, wird mit einem Heizer oder Erhitzer gelöst, der er
findungsgemäß generell eine aus wenigstens zwei separaten
Schichten von leitfähiger Keramik zusammengesetzte Schicht
eines Heizwiderstands in einem isolierenden keramischen
Sinterkörper umfaßt, sowie Leitungen aus Metalldrähten ho
hen Schmelzpunkts, die mit den beiden Schichten verbunden
sind, und Anschlüsse, welche mit den anderen Enden der Lei
tungen verbunden sind.
Außer dieser vorgenannten Grundausführungsform werden sechs
erfindungsgemäße Weiterbildungen zur Verfügung gestellt,
die sich auf wesentliche Verbesserungen verschiedener Ei
genschaften des Heizers oder Erhitzers selbst und/oder von
Glühkerzen oder -körpern, die unter Verwendung des Heizers
oder Erhitzer entwickelt worden sind, beziehen. D.h., der
oben genannte Keramikheizer oder -erhitzer ist die Grund
ausführungsform der Erfindung, und die sechs Weiterbildun
gen der Erfindung werden nachstehend als erste bis sechste
besondere erfindungsgemäße Ausführungsformen oder Weiter
bildungen der Erfindung bezeichnet. Was den Heizer oder
Erhitzer anbetrifft, sind diese Ausführungsformen in enger
Beziehung miteinander und haben insbesondere die folgenden
Merkmale und Vorteile:
In der ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung, in welcher ein bzw. der
Keramikheizer oder -erhitzer in einer Glühkerze für einen
Dieselmotor angewandt ist, ist die Beziehung zwischen der
Länge der wirksamen oder effektiven Heiz- oder Erhitzungs
zone des Heizwiderstands, dem maximalen Außendurchmesser
der Maximalerhitzungszone des Keramikheizers und der von
einem Glühkerzenverbindungsrohr aus freiliegenden Länge im
Hinblick auf die Dauerhaftigkeit von besonderer erfindungs
gemäßer Art. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird sich eine ausgezeichnete Abdichtung zwischen dem Kera
mikheizer oder -erhitzer und einem daran befestigten Halter
erreicht, so daß dadurch das Eindringen von Sauerstoff und/
oder Feuchtigkeit verhindert wird.
In der zweiten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung, die sich auf die
Verbindung der Schicht des Heizwiderstands für die Heizzone
und der Leitungen bezieht, wird die Schicht als eine erste
Schicht verwendet, und es ist eine zweite Schicht auf das
Ende der ersten Schicht laminiert, und diese Schicht ist
mittels der zweiten Schicht mit der jeweiligen Leitung ver
bunden, wobei die Breite der zweiten Schicht kleiner als
jene der ersten Schicht ausgebildet ist. Bei dieser Struk
tur tritt kein Temperaturanstieg an der Verbindung mit den
Leitungen auf, so daß dadurch ein Lösen, irgendeine Erhö
hung im Widerstandswert und ein Bruch, ein Sprung, eine Un
terbrechung, ein Ausfall, ein Defekt o. dgl. der Schicht an
der Verbindungsstelle der Schichten verhindert werden.
Gemäß der dritten besonders erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung werden die Durchmes
ser- und die Längspositionsbeziehung zwischen den eingebet
teten Schichten des Heizwiderstands und dem isolierenden
gesinterten Keramikkörper besonders gestaltet. Dadurch, daß
die Festigkeit des Keramikheizers oder -erhitzers so hoch
wie jene des isolierenden gesinterten Keramikkörper gemacht
bzw. gehalten wird, kann das Auftreten irgendeines Aus
falls, irgendeines Bruchs, irgendeiner Unterbrechung, o.
dgl., der bzw. die in der leitfähigen Keramik der Schichten
beim Einsetzen einer Glühkerze in einen Motor oder während
des Motorbetriebs verhindert werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß in der Beschreibung und in
den Ansprüchen die Begriffe "gesinterter Keramikkörper" und
"keramischer Sinterkörper" synonym verwendet werden und ei
ner jeweils den anderen mit umfassen soll.
In der vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung wird die Position der Ma
ximalerhitzungszone der Schicht des eingebetteten Heizwi
derstands bezüglich des äußeren Umfangs des isolierenden
gesinterten Keramikkörpers in besonderer Weise ausgebildet,
wobei die Position der Spitze oder des vorderen Endes der
Schicht des eingebetteten Heizwiderstands bezüglich des
isolierenden gesinterten Keramikkörpers ebenfalls auf be
sondere Weise ausgebildet wird, und die Widerstandsfähig
keit gegen plötzliche Temperaturänderungen (Wärmestöße) so
wie die Oberflächenrauhigkeit der Maximalerhitzungszone
werden so gestaltet, daß sie bestimmte Werte haben, derart,
daß auf diese Weise eine in der Festigkeit und in der Wi
derstandsfähigkeit gegen plötzliche Temperaturänderungen
überragend gute Glühkerze zur Verfügung gestellt wird.
In der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung werden die positionelle
Beziehung zwischen der Stelle des Beginns der Verbindung
des Keramikheizers mit einem Metallteil und der Ecke der
Schicht des Heizwiderstands, die mit den eingebetteten Lei
tungsdrähten verbunden ist, in besonderer Weise so ausge
bildet, daß dadurch eine hohe Stoßwiderstandsfähigkeit er
zielt wird, insbesondere in den Fällen, in denen eine Glüh
kerze gemäß dieser Ausführungsform in einen Motor einge
setzt oder auf verschiedene Art und Weise gehandhabt wird.
In der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung ist der isolierende
keramische Sinterkörper ein gesinterter Siliciumnitridkör
per. Die Korngrenzenphase des Sinterkörpers umfaßt oder
enthält sowohl Kristalle von Mo4,8Si₃C0,6 als auch von
MoSi₂, und die aus Silicat von RE (einem Element der Gruppe
3a des periodischen Systems) bestehende Kristallphase, die
in der Korngrenze existiert, bevor der Sinterkörper bzw.
keramische Körper der Wärme oder Hitze ausgesetzt wird, be
steht aus Monosilicat, das durch die Formel RE₂O₃ · SiO₂ dar
gestellt wird. Die dann nur auftretenden kleinen Änderungen
im Widerstandswert des Heizwiderstands verhindern eine Rei
he von aufeinanderfolgenden nachteiligen Wirkungen, nämlich
insbesondere die folgenden nachteiligen Wirkungen: Defekte
der Kristallstruktur, die durch die Bewegung von Ionen in
den Korngrenzen verursacht werden; Risse, Sprünge, Spalte
o. dgl., die durch Brechen des gesinterten Körpers verur
sacht werden; Oxidation des gesinterten Körpers, die durch
die Risse, Sprünge, Spalte o. dgl. bewirkt wird, Änderung
im Widerstandswert, welche durch die Oxidation und Brüche
oder Defekte in der Schicht des Heizwiderstands verursacht
wird.
Die Grundausführungsform der Erfindung und die sechs beson
deren erfindungsgemäßen Ausführungsformen oder Weiterbil
dungen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher
beschrieben und erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel ei
nes Keramikheizers oder -erhitzers gemäß der Grundausfüh
rungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Vertikallängsschnittansicht des in Fig. 1 ge
zeigten Keramikheizers oder -erhitzers;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die ein Verfahren zum
Herstellen eines Keramikheizers oder -erhitzer gemäß der
Grundausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 4 eine Horizontallängsschnittansicht, die den Haupt
abschnitt einer Glühkerze mit Selbstsättigung zeigt, und
zwar in der Ausführungsform einer Glühkerze für eine kon
ventionelle Brennkraftmaschine;
Fig. 5 eine Horizontallängsschnittansicht, die den Haupt
abschnitt eines Keramikheizers oder -erhitzers mit Selbst-
oder Eigensteuerung zeigt, und zwar in der Anwendungsform
einer Glühkerze für eine konventionelle Brennkraftmaschine;
Fig. 6 eine Horizontallängsschnittansicht eines Beispiels
einer Keramikglühkerze gemäß der ersten besonderen Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht, die den Hauptabschnitt
der in Fig. 6 gezeigten Keramikglühkerze veranschaulicht;
Fig. 8 eine Horizontallängsschnittansicht, die den Haupt
abschnitt einer konventionellen Keramikglühkerze zeigt;
Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung
zwischen dem Verhältnis des maximalen Außendurchmessers D
zu der Länge t, der effektiven Heiz- oder Erhitzungszone und
dem Verhältnis der freiliegenden Länge L zu der Länge l der
effektiven Heiz- oder Erhitzungszone zeigt;
Fig. 10 eine Horizontallängsschnittansicht, die den Haupt
abschnitt eines Keramikheizers oder -erhitzers gemäß der
zweiten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen oder
Weiterbildung der Erfindung zeigt;
Fig. 11 eine Vertikallängsschnittansicht, die den Hauptab
schnitt des Keramikheizers oder -erhitzers der zweiten be
sonderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen oder Weiter
bildung der Erfindung zeigt;
Fig. 12 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die den
Hauptabschnitt eines konventionellen Keramikheizers oder
-erhitzers zeigt;
Fig. 13 ist eine Horizontallängsschnittansicht einer Kera
mikglühkerze gemäß der dritten Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung, wobei Teile weggeschnit
ten sind;
Fig. 14 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Hauptab
schnitt der in Fig. 13 gezeigten Keramikglühkerze veran
schaulicht;
Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht der in Fig. 14 ge
zeigten Keramikglühkerze, welche die Heizwiderstände ent
hält;
Fig. 16 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die den
Hauptabschnitt einer Selbstsättigungs-Keramikglühkerze in
der Anwendungsform einer Glühkerze für eine konventionelle
Brennkraftmaschine zeigt;
Fig. 17 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die ein
Beispiel eines Keramikheizers oder -erhitzers der vierten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung zeigt;
Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht eines Schnitts durch
die Maximalerhitzungszone eines Keramikheizers oder -erhit
zers der vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung;
Fig. 19 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die den
Hauptabschnitt eines Beispiels eines Keramikheizers oder
-erhitzers gemäß der vierten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung in seiner
Anwendung als Glühkerze mit Selbst- oder Eigensättigung
zeigt, die zum Verstärken bzw. Verbessern des Startens
eines Dieselmotors verwendet wird, zeigt;
Fig. 20 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die den
Hauptabschnitt eines konventionellen Keramikheizers oder
-erhitzers in der Anwendungsform einer Glühkerze eines Die
selmotors zeigt;
Fig. 21 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die den
Hauptabschnitt eines Beispiels einer Keramikglühkerze der
fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung zeigt, wobei Teile weggeschnit
ten sind;
Fig. 22 ist eine Horizontallängsschnittansicht des Haupt
abschnitts eines anderen Beispiels einer Keramikglühkerze
der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung, worin der Endabschnitt
des Heizwiderstands der Keramikglühkerze durch eine Ab
schrägung oder Verjüngung, insbesondere Konizität, verengt
ist, die am äußeren Umfang angeordnet ist, und worin das
vordere Ende eines Halterohrs die Querschnittsform eines
Kreisbogens hat;
Fig. 23 ist eine Horizontallängsschnittansicht, bei der
Teile weggeschnitten sind und die den Hauptabschnitt eines
noch anderen Beispiels der fünften besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung
zeigt, wobei die Ecke des Heizwiderstands einer Keramik
glühkerze die Form eines Kreisbogens hat und die Stelle des
Beginns des Sinterkörpers mit dem Halterohr der Keramik
glühkerze an eine rückwärtige innere Position des Halte
rohrs verlegt ist;
Fig. 24 ist eine Horizontallängsschnittansicht des Haupt
abschnitts eines noch anderen Beispiels der fünften beson
deren erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung, wobei Teile weggeschnitten sind und worin
das Ende des Heizwiderstands der Keramikglühkerze durch
eine Abschrägung oder Verjüngung verengt ist, die an der
Innenseite des Endes angeordnet ist;
Fig. 25 eine Querschnittsansicht, die veranschaulicht, daß
der Querschnitt des Keramikheizers, der durch die in den
Fig. 21-24 gezeigten Ecken geht, eine Kreisform hat;
Fig. 26 eine Querschnittsansicht, die veranschaulicht, daß
hier der Querschnitt des Keramikheizers, der durch die in
den Fig. 21-24 gezeigten Ecken geht, eine quadratische
oder rechteckige Form hat;
Fig. 27 eine Horizontallängsschnittansicht, die eine kon
ventionelle Keramikglühkerze zeigt, wobei Teile wegge
schnitten sind;
Fig. 28 ist eine graphische Darstellung, welche die Bezie
hung zwischen D/2Wn und 2(L-dn)/L einer Keramikglühkerze
gemäß der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung zeigt;
Fig. 29 eine Horizontallängsschnittansicht, die den Haupt
abschnitt eines Beispiels eines Keramikheizers oder -erhit
zers gemäß der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Aus
führungsform oder Weiterbildung der Erfindung zeigt;
Fig. 30 eine Vertikallängsschnittansicht, die den Hauptab
schnitt eines Keramikheizers oder -erhitzers gemäß der
sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung zeigt;
Fig. 31 ein Röntgenstrahlenbeugungsmuster eines typischen
Siliciumnitrid-Sinterkörpers eines Keramikheizers oder
-erhitzers gemäß der sechsten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
Fig. 32 ein Röntgenstrahlenbeugungsmuster eines anderen
typischen Siliciumnitrid-Sinterkörpers eines Keramikheizers
oder -erhitzers gemäß der sechsten besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
Fig. 33 ein Röntgenstrahlenbeugungsmuster eines noch ande
ren typischen Siliciumnitrid-Sinterkörpers eines Keramik
heizers oder -erhitzers gemäß der sechsten besonderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der
Erfindung;
Fig. 34 ein Röntgenstrahlenbeugungsmuster eines weiteren
typischen Siliciumnitrid-Sinterkörpers eines Keramikheizers
oder -erhitzers gemäß der sechsten besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
Fig. 35 eine Photographie, welche die Kristallstruktur der
Korngrenzenphase eines noch weiteren typischen Siliciumni
trids eines Keramikheizers oder -erhitzers gemäß der sechs
ten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung zeigt (× 800);
Fig. 36 ein Röntgenstrahlenbeugungsmuster eines Silicium
nitrid-Sinterkörper eines anderen Keramikheizers oder -er
hitzers, als es ein solcher gemäß der sechsten besonderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der
Erfindung ist; und
Fig. 37 eine Photographie, welche die Kristallstruktur der
Korngrenzenphase eines Siliciumnitrid-Sinterkörpers eines
Keramikheizers oder -erhitzers, der ein anderer als ein
solcher gemäß der sechsten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung ist (×
800).
In der nun folgenden detaillierten Beschreibung von bevor
zugten Ausführungsformen der Erfindung und in den Ansprü
chen werden zur Vereinfachung folgende Abkürzungen verwen
det: der Begriff "Heizzone" oder "Erhitzungszone" allein
oder in zusammengesetzten Worten wird zusammenfassend für
"Heiz- oder Erhitzungszone" verwendet; der Begriff "Heizer"
allein oder in zusammengesetzten Worten wird zusammenfas
send für "Heizer oder Erhitzer" verwendet; und der Begriff
"Glühkerze" wird zusammenfassend für "Glühkerze oder -kör
per" verwendet; außerdem soll der Begriff "Erhitzen" den
Begriff "Heizen" mit umfassen, und umgekehrt.
Die Grundausführungsform der Erfindung und die erste bis
sechste besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung werden nachstehend in dieser
Reihenfolge in näheren Einzelheiten beschrieben und erläu
tert. Zum besseren Verständnis und zur Klarstellung der
nachfolgenden Beschreibung werden die verschiedenen Aus
führungsformen der Erfindung und die darauf bezogenen
Ansprüche und Figuren der Zeichnung allgemein wie folgt
kategorisiert:
Die Ansprüche 1 bis 5 und die Fig. 1 bis 3 entsprechen
der Grundausführungsform der Erfindung;
die Ansprüche 6 und 7 sowie die Fig. 6, 7 und 9 entspre chen der ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs form oder Weiterbildung der Erfindung;
die Ansprüche 8 und 9 sowie die Fig. 10 und 11 entspre chen der zweiten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs form oder Weiterbildung der Erfindung;
der Anspruch 10 und die Fig. 13 bis 15 entsprechen der dritten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
die Ansprüche 11 bis 13 sowie die Fig. 17 bis 19 ent sprechen der vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
der Anspruch 14 und die Fig. 21 bis 26 sowie 28 entspre chen der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs form oder Weiterbildung der Erfindung; und
die Ansprüche 15 und 18 sowie die Fig. 29 bis 35 ent sprechen der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform oder Weiterbildung der Erfindung.
die Ansprüche 6 und 7 sowie die Fig. 6, 7 und 9 entspre chen der ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs form oder Weiterbildung der Erfindung;
die Ansprüche 8 und 9 sowie die Fig. 10 und 11 entspre chen der zweiten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs form oder Weiterbildung der Erfindung;
der Anspruch 10 und die Fig. 13 bis 15 entsprechen der dritten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
die Ansprüche 11 bis 13 sowie die Fig. 17 bis 19 ent sprechen der vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform oder Weiterbildung der Erfindung;
der Anspruch 14 und die Fig. 21 bis 26 sowie 28 entspre chen der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs form oder Weiterbildung der Erfindung; und
die Ansprüche 15 und 18 sowie die Fig. 29 bis 35 ent sprechen der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform oder Weiterbildung der Erfindung.
Weiterhin ist es so, daß in der folgenden Beschreibung und
Erläuterung der vorliegenden Erfindung und des Standes der
Technik funktionell gleiche Teile aus Gründen der besseren
Übersicht mit den gleichen Bezugszeichen selbst dann verse
hen sind, wenn diese Teile in ihrer Struktur unterschied
lich sind.
Der Keramikheizer gemäß der Grundausführungsform der Erfin
dung ist dazu bestimmt, in Verbindung mit einer Gleich
stromquelle verwendet zu werden und umfaßt einen isolieren
den keramischen Sinterkörper, einen in dem Sinterkörper
eingebetteten Heizwiderstand, und ein Paar Leitungen, wel
che mit dem Heizwiderstand verbunden sind und ein Paar
Elektroden umfassen, die von den Seitenoberflächen des ke
ramischen Sinterkörpers her freiliegen, und dieser Keramik
heizer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand
aus einer einzigen gedruckten Schicht oder einer Mehrzahl
von separaten gedruckten Schichten besteht oder zusammenge
setzt ist, die aus einem anorganischen leitfähigen Material
hergestellt ist bzw. sind, und die Leitungen je aus einem
Metalldraht mit hohem Schmelzpunkt bestehen.
In dem Keramikheizer gemäß der Grundausführungsform der Er
findung kann die Spitze oder das vordere Ende des Keramik
heizers konzentriert erhitzt werden, da der eingebettete
Heizwiderstand, der aus einem anorganischen leitfähigen Ma
terial hergestellt ist, in Schichtform durch ein Siebdruck
verfahren oder dergleichen ausgebildet ist. Weiterhin ist
der Verbrauch an elektrischer Leistung bei dem Heizer nach
der Erfindung beachtlich vermindert, da das Volumen der
Heizzone des Heizers (im Vergleich mit dem Stand der Tech
nik) klein ist.
Außerdem kann dadurch, daß der vorstehend genannte Heizwi
derstand, der aus einem anorganischen leitfähigen Material
hergestellt ist, in wenigstens zwei Schichten ausgeführt
wird, die vorzugsweise parallel oder nahezu parallel zuein
ander angeordnet sind, die maximale Temperaturdifferenz in
der Umfangsrichtung des Keramikheizers klein gemacht wer
den, wenn die Temperatur des Keramikheizers in die Sätti
gung übergeht, die Schnellerhitzungsfunktion wird verbes
sert, und die Schichten des Heizwiderstands können dünner
gemacht werden. Aus diesen Gründen treten keine Risse,
Spalte, Sprünge oder andere Schwierigkeiten auf, wenn die
Schichten des Heizwiderstands ausgebildet werden.
Dadurch, daß die Leitungen aus Metalldrähten oder derglei
chen mit hohem Schmelzpunkt ausgebildet sind, haben weiter
hin die Leitungen einen niedrigen Widerstandswert und er
zeugen demgemäß keine unnötige Wärme. Darüberhinaus wird
dadurch, daß die mit den Leitungen verbundenen Elektroden
in einer Mehrzahl von Schichten hergestellt werden, die aus
anorganischem leitfähigem Material hergestellt und durch
ein Siebdruckverfahren oder dergleichen ausgebildet sind,
sowie dadurch, daß weiter die Elektroden in eine Mehrzahl
von Teilen unterteilt sind, der Unterschied in der Wärme
ausdehnung zwischen den Elektroden und dem keramischen Sin
terkörper klein, und es wird kein Spalt zwischen der Ober
fläche des keramischen Sinterkörpers und den Elektroden er
zeugt, so daß dadurch ein Eindringen von Sauerstoff und/
oder Feuchtigkeit verhindert sowie die Dauerhaftigkeit und
die Zuverlässigkeit der Elektroden während fortwährenden
Betriebs über eine lange Zeitdauer hinweg verbessert wird.
Die nachfolgenden Beschreibungen und Erläuterungen dieses
Beispiels beziehen sich grundsätzlich auf diejenigen Figu
ren der Zeichnung, in denen ein Beispiel eines Keramikhei
zers gemäß der Grundausführungsform der Erfindung veran
schaulicht ist.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Kera
mikheizer gemäß der Grundausführungsform der Erfindung
zeigt, und Fig. 2 ist eine Vertikallängsschnittansicht des
in Fig. 1 gezeigten Keramikheizers.
Es sei nun näher auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in
denen 1 einem Keramikheizer zugeordnet ist. Dieser Keramik
heizer 1 umfaßt, eingebettet in den isolierenden- kerami
schen Sinterkörper 2 desselben die folgenden Komponenten:
Zwei parallele oder nahezu parallele, separate Schichten 3,
4 eines Heizwiderstands, die aus einem anorganischen leit
fähigen bzw. elektrisch leitfähigen Material hergestellt
sind; Leitungen 5, 6, die aus Drähten aus Metall hohen
Schmelzpunkts ausgebildet und jeweils mit den Enden der
Schichten 3, 4 des Heizwiderstands verbunden sind; und
Elektroden 7, 8, die aus zwei separaten Schichten bestehen,
welche aus einem anorganischen leitfähigen bzw. elektrisch
leitfähigen Material hergestellt und jeweils mit den Lei
tungen 5, 6 verbunden sind, wobei jede Schicht in eine
Mehrzahl von Teilen unterteilt ist. Die Enden der Elektro
den 7, 8 sind am äußeren Umfang des keramischen Sinterkör
pers 2 freiliegend. Die Gesamtform des Keramikheizers 1 ist
zylindrisch, und die Spitze oder das vordere Ende des kera
mischen Sinterkörpers 2 auf derjenigen Seite, worin die
Schichten 3, 4 des Heizwiderstands angeordnet sind, hat ei
ne nahezu sphärische Form.
Der Sinterkörper besteht hauptsächlich aus Siliciumnitrid
(Si₃N₄), welches in seiner Widerstandsfähigkeit gegen Oxi
dation und in seiner Festigkeit bei hohen Temperaturen
überragend gut und in idealer Weise für den isolierenden
keramischen Sinterkörper 2 geeignet ist.
Weiterhin ist die Hauptkomponente der Schichten 3, 4 des
Heizwiderstands, die aus einem anorganischen leitfähigen
bzw. elektrisch leitfähigen Material hergestellt sind, oder
der Elektroden 7, 8 ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie
insbesondere Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder Rhenium (Re)
oder eine ihrer Legierungen oder ein Carbid oder einem Ni
trid von einem der Elemente der Gruppen 4a, 5a und/oder 6a
der periodischen Systems, wie insbesondere Wolframcarbid
(WC), Titannitrid (TiN) oder Zirkonborid (ZrB₂). Insbeson
dere wird Wolframcarbid (WC) bevorzugt.
Wenn der isolierende keramische Sinterkörper 2 hauptsäch
lich aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) hergestellt ist, wird es
bevorzugt, daß die Schichten 3, 4 des Heizwiderstands und/
oder die Elektroden 7, 8 hauptsächlich aus Wolframcarbid
(WC) hergestellt sind und zusätzlich aus Siliciumnitrid
(Si₃N₄)-Pulver hergestellt sind, welches mit dem Wolfram
carbid in dem folgenden Mischungsverhältnis gemischt ist.
Genauer gesagt ist es so, daß die Schichten 3, 4 des Heiz
widerstands, die aus dem oben genannten anorganischen leit
fähigen bzw. elektrisch leitfähigen Material hergestellt
sind, eine Zusammensetzung aus 65 bis 95 Gew.-% Wolframcar
bid (WC) und 5 bis 35 Gew.-% Siliciumnitrid (Si₃N₄) im Hin
blick auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten-haben sollten,
oder bevorzugter eine Zusammensetzung aus 75 bis 90 Gew.-%
Wolframcarbid (WC) und 10 bis 25 Gew.-% Siliciumnitrid
(Si₃N₄). Außerdem sollte die Dicke der vorgenannten Schich
ten des Heizwiderstands wenigstens in dem Bereich von 2,3
bis 150 µm in der Maximalerhitzungszone sein, oder bevor
zugter 8 bis 53 µm, um Risse, Sprünge, Spalte o. dgl. oder
irgendwelche anderen Probleme in den Schichten des Heizwi
derstands zu verhindern.
Es ist erforderlich, daß der Widerstandswert des anorgani
schen leitfähigen Materials für die Elektroden 7, 8 niedri
ger als jener der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands ist,
und es ist erwünscht, daß die Elektroden in zwei oberen und
zwei unteren Schichten ausgebildet sind, wie beispielsweise
in der Zeichnung, insbesondere in Fig. 1 und 3, darge
stellt ist. Anstelle dieser Struktur kann die Anzahl der
Schichten der Elektroden kleiner als jene der Schichten des
Heizwiderstands gemacht sein, indem elektrische Verbindun
gen unter Verwendung von Durchgangslöchern oder dergleichen
hergestellt werden.
Andererseits sollten die Leitungen 5, 6 aus Wolfram (W),
Molybdän (Mo) oder Rhenium (Re) oder eine von deren Legie
rungen, oder mehr bevorzugt aus Wolfram (W) hergestellt
sein.
Vor dem Beurteilen des Keramikheizers gemäß der Grundaus
führungsform der Erfindung sei angegeben, wie dieser herge
stellt wurde. Sogenannte grüne oder ungebrannte Keramikkör
per 9, 10 und 11, die hauptsächlich aus Siliciumnitrid her
gestellt sind, wie beispielsweise flache Platten, wie sie
in Fig. 3 gezeigt sind, wurden zunächst durch ein konven
tionelles bekanntes Formungsverfahren, wie beispielsweise
ein Preßformungsverfahren, hergestellt, und zwar unter Ver
wendung von einem Granulat oder Pulver, das durch Hinzufü
gen und Mischen von Yttriumoxid (Y₂O₃) oder eines Oxids ei
nes Seltene-Erde-Elements als Sinterhilfsmittel zu einem
Siliciumnitridpulver (Si₃N₄) hoher Reinheit hergestellt
worden ist.
Als nächstes wurden pulverförmiges Wolframcarbid (WC) und
pulverförmiges Siliciumnitrid (Si₃N₄) in verschiedenen Ver
hältnissen gemischt. Lösungsmittel wurde zum Herstellen ei
ner Paste zu diesen gemischten Pulvermaterialien hinzuge
fügt. Unter Verwendung einer solchen Paste wurden die
Schichten 3, 4 des Heizwiderstands auf den Oberflächen der
grünen oder ungebrannten Keramikkörper 10 und 9 durch ein
Siebdruckverfahren oder dergleichen so ausgebildet, daß die
Schichten des Widerstands U-förmige Muster hatten, die ver
schiedene Dimensionen haben, welche auf der Basis der vor
gesehenen Widerstandswerte bestimmt wurden, und die Spitze
oder das vordere Ende jedes Musters wurde innerhalb von 5
mm von der Spitze oder dem vorderen Ende des keramischen
Sinterkörpers plaziert.
Andererseits wurde unter Verwendung einer Paste, die aus 85
Gew.-% von pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und 15 Gew.-%
von pulverförmigem Siliciumnitrid (Si₃N₄) hergestellt wor
den war, jede der Elektroden 7 und 8 in vier parallelen Mu
stern, von denen jedes eine Breite von etwa 0,7 mm und eine
Dicke von etwa 70 µm hatte, in dem gleichen Verfahren, wie
es oben beschrieben ist, auf den Oberflächen der grünen
oder ungebrannten Keramikkörper 10 und 9 ausgebildet, und
zwar so, daß sie in den spezifizierten Positionen auf den
Seiten der grünen oder ungebrannten Keramikkörper an den
Enden derselben angeordnet wurden, die entgegegengesetzt
der Seite sind, wo die Schichten 3 und 4 des Heizwider
stands angeordnet waren, und weiter so, daß sich die vier
parallelen Muster bis zu den Seitenoberflächen der grünen
oder ungebrannten Keramikkörper erstreckten.
Als nächstes wurden die aus einem Wolfram(W)-Draht von 0,25
mm Durchmesser ausgebildeten Leitungen 6 zwischen der Ober
fläche des grünen oder ungebrannten Keramikkörpers 9, auf
der sich die Schicht 4 des Heizwiderstands befand, und der
Elektrode 8, die auf der gleichen Oberfläche durch Drucken
ausgebildet war, und der Oberfläche des grünen oder unge
brannten Keramikkörpers 10, auf welcher nicht die Schicht 3
des Heizwiderstands und die Elektrode 7 durch Drucken aus
gebildet worden waren, plaziert (also zwischen der in Fig. 3
oberen Oberfläche des Keramikkörpers 9 und der in Fig. 3
unteren Oberfläche des Keramikkörpers 10), so daß die Lei
tungen 6 mit der Schicht 4 des Heizwiderstands und der
Elektrode 8 verbunden wurden (siehe Fig. 3).
Dann wurden die aus einem Wolfram(W)-Draht ausgebildeten
Leitungen 5, die die gleiche Dimension wie oben beschrieben
hatten, zwischen der Oberfläche des grünen oder ungebrann
ten Keramikkörpers 10, die die Schicht 3 des Heizwider
stands und die Elektrode 7 hat, und der Oberfläche des grü
nen oder ungebrannten Keramikkörpers 11, die keine Schicht
eines Heizwiderstands und keine Elektrode hat, so plaziert,
daß die Leitungen 5 mit der Schicht 3 des Heizwiderstands
der Elektrode 7 verbunden wurden (siehe Fig. 3). Diese
grünen Körper wurden unter Druck bei 1600 bis 1800°C wäh
rend 15 Minuten bis zu 2 Stunden in einer reduzierenden
Atmosphäre, die Kohlenstoff (C) enthielt, gebrannt.
Der Umfang des auf diese Weise erhaltenen keramischen Sin
terkörpers wurde so zugeschliffen, daß der keramische Sin
terkörper die Form eines zylindrischen Stabs erhielt, daß
die Spitze oder das vordere Ende, die bzw. das sich auf der
Seite der Schichten 3 und 4 des Heizwiderstands befand, zu
einer nahezu sphärischen bzw. semisphärischen Form ausge
bildet wurde, und daß die Endoberflächen der eingebetteten
Elektroden 7 und 8 zu den Seitenoberflächen des zylindri
schen Stabs hin freigelegt wurden, so daß dadurch ein Kera
mikheizer erzeugt wurde, der einen Durchmesser von etwa 3,5
mm hatte.
Durch ein Metallisierungs- oder Plattierungs- bzw. Galvani
sierungsverfahren wurde eine aus Nickel (Ni) oder derglei
chen hergestellte Schicht wenigstens auf den freiliegenden
Teilen der Elektroden 7 und 8 des Keramikheizers 1 ausge
bildet, der, wie oben beschrieben, erhalten worden war. Ein
zylindrisches Halterohr (entsprechend dem Bezugszeichen 14
in Fig. 4) wurde dann auf dem Keramikheizer 1 so ange
bracht, daß die mit der jeweils einen Elektrode 7 und 8,
welche weiter vom hinteren Ende des keramischen Sinterkör
pers 2 entfernt sind (in Fig. 3 die vom Betrachter weiter
entfernten Elektroden 7 und 8), verbundene metallische
Schicht, die auf der Seitenoberfläche des Keramikheizers 1
freilag, das Halterohr 14 kontaktierte. Das Halterohr 14
wurde weiter durch Silberlötung in einer reduzierenden At
mosphäre mit der jeweils einen Elektrode 7 und 8 verbunden,
um eine negative Anschlußelektrode auszubilden. Weiterhin
wurde eine Anschlußelektrode (entsprechend dem Bezugszei
chen 16 in Fig. 4), die aus einem Draht oder einer Kappe
ausgebildet war, mit der jeweils anderen Elektrode 7 und 8,
welche näher dem hinteren Ende des Sinterkörpers 2 liegen
(in Fig. 3 die dem Betrachter näher liegenden Elektroden 7
und 8) mittels Silberlötung in der gleichen Art und Weise,
wie oben beschrieben, verbunden, so daß eine positive An
schlußelektrode ausgebildet wurde. Der Keramikheizer 1 wur
de demgemäß mit einer positiven und negativen Anschlußelek
trode versehen. Auf diese Weise wurde eine Vielzahl von
Proben des Keramikheizers 1 zum Zwecke der Beurteilung her
gestellt (dieses Herstellungsverfahren wird durch die Be
zeichnung MS repräsentiert).
Unter Verwendung der vorgenannten Keramikheizer für den
Zweck der Beurteilung wurde eine Gleichspannung von 11 V an
die vorstehend genannten Schichten des Heizwiderstands wäh
rend 60 Sekunden angelegt, und die Temperatur des Heizers
stieg schnell bis auf 1150°C. Zu dieser Zeit wurden der
Verbrauch an elektrischer Leistung und der Stoß- oder Spit
zenstrom des Heizers gemessen. Außerdem wurde auch die Zeit
gemessen, die erforderlich war, bis eine Temperatur von
800°C erreicht wurde, nachdem der Heizer eingeschaltet
worden war.
Weiterhin wurde, nachdem eine konstante Temperatur infolge
der Sättigung erreicht worden war, die Oberflächentempera
turverteilung an der Spitze oder dem vorderen Ende des Ke
ramikheizers, die bzw. das aus dem Halterohr heraus frei
lag, durch ein nichtkontaktierendes Strahlungsthermometer
gemessen, um die Entfernung von der vorstehend genannten
Spitze oder dem vorderen Ende zu der Maximalerhitzungszone
zu erhalten.
Zusätzlich wurde die Heiztemperatur des Keramikheizers bis
zu 1350°C gesättigt, indem eine Gleichspannung von 14 V an
gelegt wurde, und die Temperaturverteilung um die Maxi
malerhitzungszone herum wurde durch ein nichtkontaktieren
des Strahlungsthermometer gemessen, um die maximale Um
fangstemperaturdifferenz des vorgenannten keramischen Hei
zers zum Zwecke der Beurteilung zu erhalten.
Darüberhinaus wurde der vorstehend angegebene Keramikheizer
für die Beurteilung 50 000 Zyklen eines Hochbelastungs-Dau
erhaftigkeits-Tests ausgesetzt, worin jeder Zyklus aus ei
ner Schnellerhitzungsperiode, in welcher der Keramikheizer
schnell bis auf 1400°C durch Anwendung einer Gleichspannung
von 14 V während 2 Minuten erhitzt wurde, und einer Zwangs
kühlperiode, in welcher die Stromzufuhr gestoppt und Druck
luft auf den Keramikheizer geblasen wurden, bestand. Die
Erhöhung des Widerstandswerts des Keramikheizers vor und
nach dem Test wurde gemessen. Eine Mehrzahl von Proben
wurden dem Test ausgesetzt, und jene, die eine Erhöhung des
Widerstandswerts von nicht weniger als 20% bewirkten, wur
den als ungeeignet beurteilt.
Eine einzige Schicht eines Heizwiderstands, die aus 80
Gew.-% Wolframcarbid (WC) und 20 Gew.-% Siliciumnitrid
(Si₃N₄) bestand, wurde ausgebildet und mit je einer Leitung
mit jeweils einer einzigen Elektrodenschicht verbunden,
welche die gleiche Zusammensetzung wie jene des oben er
wähnten Keramikheizers für die Beurteilung hatte. Dieser
Heizer wurde als ein Vergleichsbeispiel verwendet.
Die Ergebnisse der oben genannten Messungen sind in den Ta
bellen 1 und 2 wiedergegeben.
Wie die Tabellen 1 und 2 deutlich zeigen, ist die Entfer
nung zwischen der Spitze und der Maximalerhitzungszone
nicht mehr als 5 mm für alle Proben 1 bis 25 und das Ver
gleichsbeispiel 1. Die Schnellerhitzungsfunktionen der Pro
ben 1 bis 25 sind generell kürzer (der kürzeste Wert: 2,8
Sekunden), als die Funktion des Vergleichsbeispiels 1. Ein
entscheidender Unterschied wird durch die Probe 25 veran
schaulicht, welche einen Umfangstemperaturdifferenzwert von
35°C hat, den Maximalwert unter den Proben 1 bis 25. Der
Differenzwert für das Vergleichsbeispiel 1 beträgt 64°C,
d. h. ist 1,8mal so hoch wie jener des Beispiels 25. Es ist
demgemäß offensichtlich, daß diese Differenz durch den
strukturellen Unterschied zwischen den Beispielen gemäß der
Grundausführungsform der Erfindung, worin zwei dünne sepa
rate Schichten für den oder als der Heizwiderstand verwen
det sind, und dem Vergleichsbeispiel, worin eine einzige
Schicht verwendet ist, verursacht wird.
Wie oben beschrieben kann, da der Keramikheizer gemäß der
Grundausführungsform der Erfindung wenigstens zwei einge
bettete Schichten eines Heizwiderstands hat, die aus einem
anorganischen leitfähigen bzw. elektrisch leitfähigen Mate
rial hergestellt sind, dieser Heizer eine Zone, die sehr
nahe an der Spitze bzw. am äußeren Ende desselben ist
(nicht mehr als 5 mm entfernt hiervon) konzentriert erhit
zen. Außerdem erfordert der Heizer, da das Volumen der
Heizzone klein ist, einen geringeren Verbrauch an elektri
scher Leistung. Darüberhinaus ist, da die Maximaltempera
turdifferenz in der Umfangsrichtung des Keramikheizers bei
Temperatursättigung extrem klein ist, die Schnellerhit
zungsfunktion beachtlich verbessert, und die Schichten des
Heizwiderstands können dünner ausgebildet sein, so daß da
durch verhindert wird, daß Risse, Sprünge, Spalte o. dgl.
durch Restbeanspruchung beim Brennen der Schichten des
Heizwiderstands zu einem Körper verursacht werden.
Abgesehen hiervon haben die Leitungen einen niedrigen Wi
derstandswert und erzeugen keine unnötige Wärme, da sie aus
einem Metall mit hohem Schmelzpunkt bestehen. Noch wichti
ger ist, daß, da jede der mit den Leitungen verbundenen
Elektroden in der gleichen Art und Weise, wie es die
Schichten des Heizwiderstands sind, in einer Schicht ausge
bildet ist, die aus einem anorganischen leitfähigen Mate
rial hergestellt ist und da sie in einer Mehrzahl von un
terteilten Teilen angeordnet sind, der Unterschied zwischen
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektroden und jenem
des keramischen Sinterkörpers klein gemacht ist, so daß da
durch eine Spalterzeugung zwischen der Oberfläche des kera
mischen Sinterkörpers und den Elektroden selbst dann ver
hindert wird, wenn die Aussetzung an Wärme bzw. Hitze wie
derholt wird. Demgemäß wird sichergestellt, daß kein Sauer
stoff und keine Feuchtigkeit eindringen, und die Dauerhaf
tigkeit und Zuverlässigkeit des keramischen Sinterkörpers
sind wesentlich verbessert.
Infolgedessen wird mit der Grundausführungsform der Erfin
dung ein Keramikheizer zur Verfügung gestellt, der fähig
ist, während einer langen Zeit kontinuierlich betrieben zu
werden, der weiterhin keine komplizierte Struktur erfor
dert, und der außerdem in der Dauerhaftigkeit überragend
gut ist.
Es sei nun die erste besondere erfindungsgemäße Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung näher beschrie
ben und erläutert, womit zusätzlich die nachstehend be
schriebenen Schwierigkeiten überwunden werden, die sich
ergeben, wenn der Keramikheizer der Grundausführungsform der
Erfindung als Glühkerze verwendet wird.
Es wurde ein konventioneller Keramikheizer 1 vorgeschlagen
(siehe die offengelegte japanische Patentanmeldung 2-75188),
worin Nichtoxidkeramik, wie ein Siliciumnitrid-Sin
terkörper, die bzw. der in der Widerstandsfähigkeit gegen
plötzliche Temperaturänderungen und in der Hochtemperatur
festigkeit gegenüber anderer Keramik überragend gut ist,
als ein Isolator verwendet wird, wobei ein Heizwiderstand,
der generell aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie
Wolfram (W) oder Molybdän (Mo) oder einer Verbindung sol
cher Metalle, besteht oder zusammengesetzt ist, in dem vor
stehend genannten Isolator eingebettet ist, oder bei dem
eine Widerstandspaste, die hauptsächlich aus einem der oben
angegebenen Metalle oder einer Verbindung solcher Metalle,
wie Wolframcarbid (WC), besteht oder zusammengesetzt ist,
auf den vorstehend erwähnten Isolator gedruckt wird, wie in
Fig. 8 gezeigt ist, um Muster für einen Heizwiderstand 3,
Leitungen 5, 5 und Elektroden 7, 7 auszubilden, und der
Isolator wird dann mit einem anderen Isolator laminiert,
und diese werden zu einem Körper gebrannt.
Wenn der vorstehend genannte Keramikheizer für eine Glüh
kerze verwendet wird, die für hohe Temperaturen im Bereich
von 1000 bis 1300°C bestimmt ist, erzeugt er Wärme an den
verschiedenen Teilen desselben, und zwar wegen hoher Wider
standswerte in den Heizwiderstandsmustern, die für den
Heizwiderstand 3 verwendet werden, den Leitungen 5, 5 und
den Elektroden 7, 7. Infolgedessen wird das zylindrische
Halterohr 14, das elektrisch mit einem Halter für die Befe
stigung des Keramikheizers 1 in einem Dieselmotor verbunden
ist, auf eine Temperatur, die nahe an 1000°C ist, erhitzt.
Das vorgenannte zylindrische Halterohr 14 wird demgemäß je
desmal, wenn der Dieselmotor gezündet wird, wiederholt ho
hen Temperaturen ausgesetzt, die nahe an 1000°C sind.
Infolgedessen kann das Hartlöt- bzw. Lötmaterial 13 zum Be
festigen des Keramikheizers 1 an dem zylindrischen Halte
rohr 14 geschmolzen oder oxidiert werden, und es können
Spalte zwischen dem Keramikheizer 1 und dem zylindrischen
Halterohr 14 erzeugt werden. Diese Spalte können viele
Schwierigkeiten verursachen, nämlich insbesondere die fol
genden: das Verbrennungsgas des Dieselmotors kann aus den
Spalten lecken, der Druck in der Verbrennungskammer kann
vermindert werden, Sauerstoff und Feuchtigkeit können von
den Spalten her bzw. durch die Spalte eindringen, wodurch
Risse, Sprünge oder dergleichen in dem Heizwiderstand 3 der
Heizzone bewirkt werden können oder in einer kurzen Zeit
dauer ein Ausfall, Bruch, Defekt oder dergleichen auftreten
kann.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist die erste be
sondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung entwickelt worden. Mit dieser Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung wird eine Keramikglühkerze
zur Verfügung gestellt, die als eine Glühkerze für hohe
Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1300°C geeignet und in
der Dauerhaftigkeit überragend gut ist, so daß sie wieder
holt während einer langen Zeitdauer ohne Verschlechterung
der Abdichtungseigenschaften in dem, vorzugsweise hartgelö
teten, Bereich zwischen dem oben genannten Keramikheizer
und dem zylindrischen Halterohr verwendet werden kann.
In der Keramikglühkerze gemäß der ersten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung gilt, wenn die Länge der effektiven Erhitzungszone des
Heizwiderstands l ist, der maximale Außendurchmesser des
isolierenden keramischen Sinterkörpers, der die effektive
Erhitzungszone aufweist, D ist, und die freiliegende Länge
des vorgenannten Keramikheizers L ist, die nachstehend an
gegebene Gleichung:
l/L (l/2 × l/D) - 5
worin l/L und l/D Prozentwerte repräsentieren.
10 l/L < 67
50 l/D < 178.
50 l/D < 178.
Bei der Keramikglühkerze gemäß der ersten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung ist die Länge l der effektiven Erhitzungszone des
Heizwiderstands, der aus einem anorganischen leitfähigen
bzw. elektrisch leitfähigen Material hergestellt und in ei
nem isolierenden keramischen Sinterkörper eingebettet ist,
auf einen Wert eingestellt, der im Bereich zwischen 10 und
67% der Länge L des aus dem Rohr freiliegenden Keramikhei
zers liegt, und der auch im Bereich zwischen 50 und 178%
des maximalen Außendurchmessers D von wenigstens dem Teil
liegt, welcher der effektiven Erhitzungszone des isolieren
den keramischen Sinterkörpers entspricht und die Gleichung
l/L (l/2 × l/D) -5 erfüllt. Mit diesen Einstellungen kann
die Temperatur des Halterohrs, selbst wenn die Erhitzungs
zone auf hohe Temperaturen im Bereich zwischen 1000 und
1300°C erhitzt wird, beschränkt werden. Als Ergebnis hier
von wird die Abdichtungseigenschaft bzw. -fähigkeit zwi
schen dem Keramikheizer und dem zylindrischen Rohr nicht
verschlechtert, und die Keramikglühkerze hat eine beacht
lich verbesserte Dauerhaftigkeit.
In der folgenden Beschreibung wird die Keramikglühkerze ge
mäß der ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung unter Bezugnahme auf die
Fig. 6 und 7 der beigefügten Zeichnung erläutert.
Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Keramikglühkerze der
ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung und ist eine Horizontallängs
schnittansicht, worin die Glühkerze in einer Horizontal
ebene geschnitten ist, welche eine obere Heizwiderstands
schicht 3, eine Leitung 5 und eine Elektrode 7 enthält. Die
Fig. 7 ist eine vergrößerte Ansicht des Hauptabschnitts
der in Fig. 6 gezeigten Keramikglühkerze.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 werden die Teile,
die den Bezugszeichen 3, 5 und 7 entsprechen, nachstehend
erläutert. Da jedoch die Strukturen der Teile, welche durch
die Bezugszeichen 4, 6 und 8 repräsentiert werden, voll
ständig dieselben wie jene der Teile 3, 5 und 7 sind, sind
erstere nicht gezeigt sondern werden nur durch die entspre
chenden, in Klammern gesetzten Bezugszeichen angedeutet
(diese Methode wird auch bei der zweiten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung und bei den weiterfolgenden besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsformen oder Weiterbildungen der Erfindung
angewandt).
Die Keramikglühkerze der ersten besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung um
faßt einen Halter 15, der elektrisch mittels eines zylin
drischen Halterohrs 14, das mittels eines Hartlöt- bzw.
Lötmaterials 13 befestigt ist, mit einem Keramikheizer 1
verbunden ist. Der Keramikheizer 1, der Heizwiderstände 3
(4), Leitungen 5 (6) umfaßt, die aus Drähten von Metall ei
nes hohen Schmelzpunkts ausgebildet und mit je einem Ende
der Heizwiderstände 3 (4) verbunden sind, und eine Mehrzahl
von Schichten von Elektroden 7 (8), die aus einem anorga
nischen leitfähigen bzw. elektrisch leitfähigen Material
hergestellt sind, und diese Komponenten sind in einem iso
lierenden keramischen Sinterkörper 2 eingebettet.
Mit anderen Worten bedeutet das, daß das zylindrische Hal
terohr 14 auf dem vorgenannten Keramikheizer 1 angebracht
ist und als ein Elektrodenanschluß verwendet wird, wobei es
weiter mit dem Halter 15 verbunden ist der schließlich als
die negative Elektrode verwendet wird. Außerdem ist eine
Elektrode 16 mit dem hinteren Ende des Keramikheizers 1
verbunden und wird als der andere Elektrodenanschluß ver
wendet, wobei sie weiter mit einem Anschlußstab 17 verbun
den ist, der schließlich als die positive Elektrode verwen
det wird. Ein isolierender Ring 18, der allgemein ein ge
eignetes isolierendes Zwischenstück sein kann, hergestellt
aus Bakelit oder einem anderen geeigneten isolierenden Ma
terial, ist auf dem Anschlußstab 17 angebracht, und das
hintere Ende des Halters 15 ist so gebördelt und/oder befe
stigt, daß der Halter 15, d. h. die negative Elektrode, ge
genüber dem Anschlußstab 17, d. h. der positiven Elektrode,
isoliert ist. Die Spitze oder das vordere Ende des isolie
renden keramischen Sinterkörpers ist so ausgebildet, daß
sie bzw. es eine nahezu sphärische bzw. semisphärische
Oberfläche hat. Der Querschnitt von wenigstens dem Bereich,
in welchem der Heizwiderstand 3 (4) eingebettet ist, ist
kreisförmig ausgebildet. Die Keramikglühkerze 12 gemäß der
ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung ist demgemäß in der vorstehend
beschriebenen Art und Weise aufgebaut.
In der Keramikglühkerze 12 der Fig. 6 und 7 wird, wenn
l/L gleich einem Wert ist, der nicht mittels (l/2 × l/D) -5
gemäß der Gleichung l/L (l/2 × l/D) -5 errechnet ist,
oder wenn er mehr als 67% ist, oder wenn l/D weniger als
50% ist, das zylindrische Rohr durch Wärmeleitung auf 950°C
oder mehr erhitzt, wodurch die Gefahr der Verschlechterung
der Abdichtungseigenschaft oder -fähigkeit verursacht oder
ein Ausfall in einer kurzen Zeit bewirkt wird.
Wenn hingegen der Wert von l/D kleiner als 10% ist, wird
eine vorbestimmte Temperatur nicht in einer vorbestimmten
Zeitdauer erreicht, so daß dadurch die Gefahr der Ver
schlechterung der Schnellerhitzungsfunktion des Keramik
heizers besteht oder der Keramikheizer beim Einsetzen des
selben in einem Zylinderkopf leicht beschädigt wird. Wenn
andererseits der Wert von l/D mehr als 178% ist, ist es
schwierig, die Heizertemperatur in den Bereich von 1000 bis
1300°C ansteigen zu lassen, wenn eine vorbestimmte Spannung
angelegt wird.
Demgemäß soll die Keramikglühkerze 12 der ersten besonderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der
Erfindung die Gleichung l/L (l/2 × l/D) -5 erfüllen. Der
Wert von l/L soll im Bereich von 10 bis 67%, bevorzugter im
Bereich von 22 bis 56% sein, und der Wert von l/D soll im
Bereich von 50 bis 178%, bevorzugter im Bereich von 89 bis
148% sein.
Um die Keramikglühkerze gemäß der ersten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung zu beurteilen, wurden Proben hiervon unter Verwendung
des weiter oben beschriebenen Herstellungsverfahrens MS
hergestellt. Zunächst wurden unter Verwendung von Granulat
oder Pulver, das durch Mischen von 88,4 Gew.-% Silicium
nitrid (Si₃N₄)-Pulver hoher Reinheit mit Yttriumoxid (Y₂O₃)
oder einem Oxid eines Seltene-Erde-Elements als Sinter
hilfsmittel erhalten worden ist, flache grüne oder ungesin
terte Keramikkörper (9, 10, 11, . . . , die in Fig. 3 gezeigt
sind), die hauptsächlich aus Siliciumnitrid hergestellt wa
ren, durch ein Preßformungsverfahren oder dergleichen er
zeugt.
Als nächstes wurde unter Verwendung einer Paste, die durch
Hinzufügen eines Lösungsmittel zu feinem Pulver aus 80
Gew.-% Wolframcarbid (WC) und 20 Gew.-% Siliciumnitrid
(Si₃N₄) hergestellt worden war, eine Mehrzahl von Schichten
4 eines Heizwiderstands, die eine Dicke von etwa 40 µm und
ein nahezu U-förmiges Muster mit verschiedenen voreinge
stellten Längen, welche der effektiven Erhitzungszone ent
sprachen, entsprechend den beabsichtigten Widerstandswerten
je auf dem ersten grünen oder ungebrannten Keramikkörper
(zur Herstellung einer Vielzahl von Proben) durch ein Sieb
druckverfahren oder dergleichen so ausgebildet, daß die ef
fektive Erhitzungszone innerhalb von 5 mm von der Spitze
oder dem vorderen Ende des keramischen Sinterkörpers aus
angeordnet war. Die Länge der effektiven Erhitzungszone
wurde jedoch auf 1,5 mm oder mehr eingestellt bzw. festge
setzt, da die Gefahr bestand, daß der Heizwiderstand wegen
der konzentrierten Hitze ausbrennen könnte, wenn dies Länge
weniger als 1,5 mm ist.
Andererseits wurden die Elektroden 8 wie folgt hergestellt.
Unter Verwendung einer Paste, die aus 85 Gew.-% von pulver
förmigem Wolframcarbid (WC) und 15 Gew.-% von pulverförmi
gem Siliciumnitrid (Si₃N₄) zusammengesetzt war, wurde eine
Mehrzahl von Mustern, die eine Breite von 0,7 mm und eine
Dicke von etwa 70 µm hatten, an vorbestimmten Positionen
parallel entgegengesetzt der Seite, wo die oben erwähnte
Schicht 4 des Heizwiderstands ausgebildet worden war, auf
dem grünen oder ungebrannten keramischen Körper 9 ausgebil
det und zu beiden Seitenoberflächen des grünen oder unge
brannten keramischen Körpers 9 verlängert, und zwar in der
gleichen Art und Weise wie oben beschrieben.
Als nächstes wurden aus Wolfram (W)-Drähten von 0,25 mm
Durchmesser ausgebildete Leitungen 6 zwischen dem ersten
grünen oder ungebrannten keramischen Körper 9, der den ge
druckten Heizwiderstand 4 und die Elektroden 8 hatte, und
dem zweiten grünen oder ungebrannten keramischen Körper 10
so plaziert, daß die Leitungen 6 mit der Schicht 4 des
Heizwiderstands und den Elektroden 8 verbunden wurden. Wei
terhin wurden aus Wolfram (W)-Drähten, die gleichartig den
vorstehend erwähnten Drähten waren, ausgebildete Leitungen
5 zwischen dem zweiten grünen oder ungebrannten keramischen
Körper 10, welcher in der gleichen Art und Weise ausgebil
det worden war, wie der erste grüne oder ungebrannte kera
mische Körper 9 und dem dritten grünen oder ungebrannten
keramische Körper 11, so plaziert, daß die Leitungen 5 mit
der Schicht 3 des Heizwiderstands und den Elektroden 7 auf
dem zweiten grünen oder ungebrannten Körper 10 verbunden
wurden. Diese Struktur wurde unter Druck bei 1750°C während
einer Stunde in einer reduzierenden Atmosphäre, die Kohlen
stoff (C) enthielt, gebrannt (siehe auch Fig. 3 zur Veran
schaulichung).
Durch Schleifen des Umfangs des erhaltenen keramischen Sin
terkörpers wurde die Spitze oder das vordere Ende des Heiz
widerstands sphärisch oder semisphärisch ausgebildet, und
sein Querschnitt wurde kreisförmig gemacht, und außerdem
wurde die Endoberfläche von jeder eingebetteten Elektrode
nach der Seitenoberfläche des zylindrischen Sinterkörpers
hin freigelegt. Auf diese Weise wurde für die Beurteilung
eine Mehrzahl von Keramikheizern 1, die einen Durchmesser
von etwa 3,4 mm hatten, hergestellt.
Ein metallischer Film aus Nickel (Ni) oder dergleichen
wurde auf wenigstens den freiliegenden Bereichen der Elek
troden des vorgenannten Keramikheizers 1, der für die Beur
teilung vorgesehen war, durch ein Metallisierungs- oder
Plattierungs- bzw. Galvanisierungsverfahren ausgebildet.
Zylindrische Halterohre 14, die unterschiedliche Längen
hatten, wurden je auf einem Keramikheizer 1 so angebracht,
daß die Rohre mit den nahe an dem mittleren Bereich des
Keramikheizers 1 positionierten einen Elektroden 7, 8 ver
bunden wurden. Die freiliegende Länge L des Keramikheizers
1 wurde in dem Bereich von 5 bis 15 mm eingestellt. Das
Rohr 14 wurde mit dem Keramikheizer 1 durch Silberlötung
verbunden und so eingestellt bzw. arrangiert, daß es als
die negative Elektrode fungierte.
Andererseits wurde eine Elektrode 16, die aus einem Draht
oder einer Kappe ausgebildet war, mit den anderen Elektro
den 7, 8 verbunden, die an dem Ende des vorstehend genann
ten Keramikheizers 1 freilagen und zwar durch Silberlötung
in der gleichen Art und Weise, wie oben beschrieben, und so
eingestellt bzw. arrangiert, daß sie als die positive Elek
trode fungierte. Auf diese Weise wurde eine Mehrzahl von
Keramikglühkerzen 12 für die Beurteilung., die mit einer
positiven und negativen Elektrode versehen waren,
hergestellt.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Begriff "Lötung" insbe
sondere auch den Begriff "Hartlötung" im Rahmen der Be
schreibung und Ansprüche mit umfassen soll.
Indem die Keramikglühkerzen, die in der oben beschriebenen
Weise hergestellt worden waren, für die Beurteilung benutzt
wurden, wurde die Temperaturverteilung auf der Oberfläche
des Keramikheizers 1, die aus dem zylindrischen Rohr 14
freilag, mittels eines nichtkontaktierenden Strahlungsther
mometers gemessen. Die angelegte Spannung wurde so einge
stellt, daß die Maximalerhitzungstemperatur 1400°C war, und
die Temperatur an der Spitze oder dem vorderen Ende des zy
lindrischen Halterohrs 14 wurde mittels eines Thermoele
ments gemessen, während die Temperatur von 1400°C auf
rechterhalten wurde.
Außerdem wurden 20 000 Zyklen eines Hochbelastungs-Dauer
haftigkeitstests ausgeführt, wobei jeder Zyklus aus einer
Schnellerhitzungsperiode, in welcher der Keramikheizer
schnell auf bis 1400°C durch Anlegen einer Gleichspannung
von 14 V während 1 Minute erhitzt wurde, und einer Zwangs
kühlungsperiode, in welche die Stromzuführung gestoppt und
Druckluft auf den Heizer geblasen wurde, bestand. Nach dem
Hochbelastungs-Dauerhaftigkeitstest wurde ein Luftlecktest
durch Eintauchen der Keramikglühkerze 12 in Wasser, während
ein Luftdruck von 15 Atmosphären angewandt wurde, ausge
führt, um dieselbe hinsichtlich einer Luftleckage zu prüfen
und die Abdichtungsfähigkeit zwischen dem Keramikheizer 1
und dem zylindrischen Halterohr 14 zu beurteilen.
Der maximale Außendurchmesser D des isolierenden kerami
schen Sinterkörpers, welcher der effektiven Erhitzungszone
entspricht, und die freiliegende Länge l des Keramikhei
zers, welche von der Endoberfläche des zur Befestigung des
zylindrischen Halterohrs 14 verwendeten Verbindungsmateri
als vorstand, wurden in wenigstens drei Positionen unter
Verwendung eines Mikrometers gemessen. Bei der Endober
fläche des Verbindungsmaterials innerhalb der Spitze oder
des vorderen Endes des zylindrischen Halterohrs 14 in dem
Fall der Röntgenstrahlenphotographie wurden die Entfernun
gen von den Endoberflächen gemessen, und der Mittelwert von
ihnen wurde berechnet.
Darüberhinaus wurden auf der Basis der Ergebnisse der vor
genannten Röntgenstrahlenphotographie und der Temperatur
verteilungsmessungen die Längen l der effektiven Erhit
zungszonen der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands erhalten.
Unter Verwendung dieser Werte wurden das Verhältnis l/D
der effektiven Erhitzungslänge l zu dem maximalen Außen
durchmesser D und das Verhältnis l/L der Länge der effekti
ven Erhitzungszone zu der freiliegenden Länge L des Kera
mikheizers 1 berechnet.
Die Ergebnisse der obigen Untersuchungen bzw. Kalibrierun
gen sind in den Tabelle 3 und 4 wiedergegeben.
Gemäß den in den Tabellen 3 und 4 wiedergegebenen Ergebnis
sen zeigt Fig. 9 die Beziehung zwischen dem Verhältnis der
Länge l zu dem maximalen Außendurchmesser D der effektiven
Heizzone und dem Verhältnis der Länge l zu der freiliegenden
den Länge L der effektiven Heizzone. Die Punkte, die gemäß
den Verhältniswerten aufgetragen sind, welche von den An
sprüchen der ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung umfaßt sind,
sind durch ⚫ repräsentiert, und jene, die gemäß den Ver
hältniswerten aufgetragen sind, welche nicht von den An
sprüchen umfaßt sind, sind durch x repräsentiert. Der durchs
die aufgetragenen Punkte gemäß den Verhältniswerten, die
von den Ansprüchen der ersten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung umfaßt sind, einge
schlossene Bereich ist durch den schraffierten Bereich I
dargestellt, einen größeren Bereich. Ein mehr bevorzugender
Bereich ist durch den schraffierten Bereich II dargestellt,
einen kleineren Bereich.
Die beigefügte Tabelle zeigt die Daten für die Punkte P1
bis P9 in dem schraffierten Bereich I.
Der Bereich der besten Ausführungsform ist der schraffierte
Bereich II, der von den Linien eingeschlossen ist, welche
die Punkte P6, P7, P8 und P9 verbinden.
Jedoch ist die erste besondere erfindungsgemäße Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung nicht auf das
obige Beispiel beschränkt. Keramikheizer für die Beurtei
lung, die einen isolierenden keramischen Sinterkörper um
fassen, der wenigstens eine effektive Heizzone aufweist und
den maximalen Durchmesser von 3 bis 5 mm hat, z. B. können
den gleichen Effekt bzw. die gleiche Wirkung, wie jene, die
durch das oben genannte Beispiel erhalten worden sind, un
ter den gleichen Betriebsbedingungen liefern.
Gemäß den oben genannten Ergebnissen ist in der Keramik
glühkerze der ersten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung die Länge l der
effektiven Heizzone des Heizwiderstands, der aus einem an
organischen leitfähigen Material hergestellt und in einen
isolierenden keramischen Sinterkörper eingebettet ist, in
den Bereich von 50 bis 178% des maximalen Außendurchmessers
D von wenigstens der effektiven Heizzone des isolierenden
keramischen Sinterkörpers festgesetzt bzw. eingestellt, und
die Länge l ist auch in dem Bereich von 10 bis 67% der Län
ge L des von dem Rohr freiliegenden Keramikheizers festge
setzt bzw. eingestellt. Die Länge l erfüllt auch die Glei
chung l/L (l/2 × l/D) -5. Die Keramikglühkerze kann daher
eine überragend gute Abdichtungsqualität zwischen dem kera
mischen Sinterkörper und dem zylindrischen Rohr selbst dann
aufrechterhalten, wenn sie auf hohe Temperaturen im Bereich
von 1000 bis 1300°C erhitzt wird.
Infolgedessen hat es sich erwiesen, daß der Keramikheizer
eine ausgezeichnete Schnellerhitzungsfunktion und eine hohe
Festigkeit hat und wiederholt während einer langen Zeit
dauer betrieben werden kann, so daß dadurch eine überra
gende Dauerhaftigkeit sichergestellt ist.
Die zweite besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung löst die folgenden zunächst an
hand des Standes der Technik erläuterten Probleme der
Grundausführungsform der Erfindung:
Es ist ein konventioneller Keramikheizer 1 (es wird auf die
japanische Offenlegungs-Patentveröffentlichung 4-268112 Be
zug genommen) vorgeschlagen worden, wie er in Fig. 12 ge
zeigt ist, worin Heizwiderstände 3, 3b, die aus zwei Arten
von leitfähigen Keramikmaterialien hergestellt sind, welche
hauptsächlich aus Metallen von hohem Schmelzpunkt oder ih
ren Verbindungen bestehen oder zusammengesetzt sind, auf
einem keramischen Sinterkörper 2 ausgebildet sind, und auf
die Heizwiderstände und den keramischen Sinterkörper 2 ist
ein anderer Sinterkörper laminiert, und mit denselben zu
einem Körper gebrannt.
Jedoch sind, da die Heizwiderstände 3, 3b des vorstehend
genannten Keramikheizers 1 aus leitfähigen Keramikmateria
lien hergestellt sind, die Widerstandswerte der Heizwider
stände generell hoch. Wenn der Keramikheizer für eine Glüh
kerze eines Dieselmotors verwendet wird, ist es erforder
lich, daß der Gesamtwiderstandswert des Heizwiderstands 3b
herabgesetzt ist, um das Verhältnis der Widerstandswerte
der Leitungen 5 und des Heizwiderstands 3b wegen der nie
drigen Arbeitsspannung von 10 bis 35 V eines solchen Die
selmotors angemessen festzusetzen bzw. einzustellen. Eine
Erhöhung der Dicke des Films des Heizwiderstands 3b wird
als eine der durchzuführenden Maßnahmen angesehen. Wenn die
Filmdicke erhöht wird, besteht jedoch die Neigung, daß Ris
se, Sprünge, Spalte o. dgl. in dem Heizwiderstand 3b wegen
des Unterschieds in der Wärmeausdehnung während des Bren
nens auftreten, so daß dadurch die Filmdicke beschränkt
wird. Infolgedessen werden die Leitungen 5 erhitzt und be
wirken eine Erhöhung des Widerstandswerts des Heizwider
stands 3b und eventuell eine Unterbrechung der Verbindung
mit den Elektroden, so daß dadurch die Gefahr der Ver
schlechterung der Dauerhaftigkeit gegeben ist. Außerdem
wird die Gesamtlänge des Keramikheizers größer, und es
besteht die Gefahr, daß Schwierigkeiten hinsichtlich der
Festigkeit verursacht werden.
Die zweite besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung ist dazu entwickelt worden, die
vorgenannten Nachteile auszuschalten. Der Zweck der zweiten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung ist es, einen Keramikheizer zur Ver
fügung zu stellen, der eine einfache Struktur hat, und fä
hig ist, während einer langen Zeitdauer betrieben zu wer
den, und eine überragende Dauerhaftigkeit besitzt, ohne daß
er Wärme bzw. nennenswerte Wärme an den Verbindungsstellen
der aus einem anorganischen leitfähigen Material herge
stellten Heizwiderstände und der Leitungsdrähte erzeugt,
und ohne daß er Ausfälle, Defekte, Brüche o. dgl. aufgrund
einer Erhöhung des Widerstandswerts der Schicht des Heizwi
derstands an den Verbindungsstellen bewirkt.
Der Keramikheizer der zweiten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung umfaßt
Leitungsdrähte, die aus einem Metall von hohem Schmelzpunkt
hergestellt und mit den Enden der ersten Schichten des
Heizwiderstands mittels zweiter Schichten des Heizwider
stands, die aus einem anorganischen leitfähigen bzw. elek
trisch leitfähigen Material hergestellt sind, verbunden
sind, indem die zweiten Schichten des Heizwiderstands we
nigstens teilweise auf die ersten Schichten des Heizwider
stands laminiert sind, und weiter umfaßt dieser Keramikhei
zer Elektroden, die aus einem anorganischen leitfähigen Ma
terial hergestellt und mit den anderen Enden der Leitungs
drähte verbunden sind, wobei die Leitungsdrähte und die
Elektroden in einem Sinterkörper eingebettet sind.
Es sei hier darauf hingewiesen, daß überall in der Be
schreibung und den Patentansprüchen der Begriff "leitfähig"
dort, wo nichts anderes gesagt ist oder sich aus dem Zusam
menhang nichts anderes ergibt, im allgemeinen "elektrisch
leitfähig" bzw. "insbesondere elektrisch leitfähig" bedeu
tet.
In dem Keramikheizer gemäß der zweiten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung sind die zweiten Schichten des Heizwiderstands, die
aus einem anorganischen leitfähigen Material hergestellt
sind, wenigstens teilweise auf die Enden der ersten Schich
ten des Heizwiderstands laminiert, welche ersten Schichten
aus wenigstens zwei parallelen oder nahezu parallelen
Schichten zusammengesetzt sind oder bestehen, die aus einem
anorganischen leitfähigen Material hergestellt und durch
ein Druckverfahren oder dergleichen ausgebildet sind. Die
ersten Schichten des Heizwiderstands sind mit den aus einem
Metall von hohem Schmelzpunkt hergestellten Leitungsdrähten
mittels der zweiten Schichten des Heizwiderstands verbun
den. Bei dieser Struktur werden, selbst wenn die ersten
Schichten des Heizwiderstands auf eine hohe Temperatur im
Bereich von 1000 bis 1300°C erhitzt werden, die zweiten
Schichten des Heizwiderstands wegen des niedrigen Wider
standswerts derselben nur auf eine Temperatur von nicht
mehr als 1000°C erhitzt. Die Teile, die mit den Leitungs
drähten verbunden sind, unterliegen daher nicht der Gefahr,
hohen Temperaturen ausgesetzt zu werden, was andernfalls
eine Erhöhung des Widerstandswerts verursachen kann, son
dern sie können eine angemessene Selbst- bzw. Eigensätti
gungstemperaturfunktion ohne Verschlechterung der Schnell
erhitzungsqualität haben, so daß dadurch die Dauerhaftig
keit und die Zuverlässigkeit während eines langzeitigen
fortgesetzten Betriebs verbessert werden.
Es sei nun nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 10
und 11 der beigefügten Zeichnungen ein Beispiel eines Kera
mikheizers gemäß der zweiten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung in näheren
Einzelheiten erläutert. Fig. 10 ist eine Horizontallängs
schnittansicht, die den Hauptabschnitt eines Keramikheizers
gemäß der zweiten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form zeigt, und Fig. 11 ist eine Vertikallängsschnittan
sicht, die den Hauptabschnitt eines Keramikheizers gemäß
der zweiten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
veranschaulicht, insbesondere denjenigen des in Fig. 10
gezeigten Keramikheizers.
Es sei nun auf die Fig. 10 und 11 Bezug genommen, worin
1 einen Keramikheizer bezeichnet, umfassend erste Schichten
3, 4 eines Heizwiderstands, der aus zwei parallelen oder
nahezu parallelen, generell U-förmigen Schichten zusammenge
setzt ist, die aus einem anorganischen leitfähig Material
hergestellt sind; zweite Schichten 3′, 4′ aus Heizwider
stand, die wenigstens teilweise auf die Enden der ersten
Schichten 3, 4 des Heizwiderstands laminiert sind, indem
die eine dieser beiden Schichten 3′ wenigstens teilweise
auf die erste Schicht 3 laminiert ist und die andere dieser
beiden Schichten 4′ des Heizwiderstands wenigstens teil
weise auf die Enden der ersten Schicht 4 des Heizwider
stands laminiert ist; Leitungsdrähte 5, 6, die auf einem
Metallmaterial von hohem Schmelzpunkt ausgebildet und mit
den Enden der ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands
mittels der zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands,
insbesondere wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist,
verbunden sind; und Elektroden 7, 8, die aus einem anorga
nischen leitfähigen Material hergestellt und in eine Mehr
zahl von Teile unterteilt sowie mit den Leitungsdrähten 5,
6 verbunden sind; wobei alle diese Komponenten des Keramik
heizers 1 in einem isolierenden keramischen Sinterkörper 2
eingebettet sind. Die Elektroden 7, 8 sind auf der äußeren
Umfangsoberfläche des isolierenden keramischen Sinterkör
pers 2 teilweise freiliegend, und die Spitze oder das vor
dere Ende des Sinterkörpers 2 ist generell sphärisch bzw.
semisphärisch ausgebildet, und der Querschnitt desselben
bzw. des Sinterkörpers ist besonders bevorzugt kreisförmig
ausgebildet.
Die Breite W2 der zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwider
stands, der aus einem anorganischen leitfähigen Material
hergestellt ist, und die mit den Leitungsdrähten 5, 6 ver
bunden sind, sollte vorzugsweise kleiner als wenigstens die
Breite W1 der Teile der ersten Schichten 3, 4 des Heizwi
derstands sein, auf welche die zweiten Schichten 3′, 4′ des
Heizwiderstands laminiert sind. Die Breite W2 sollte bevor
zugter in dem Bereich von etwa 25 bis 90% der Breite W1 der
ersten Schichten des Heizwiderstands liegen.
Es ist erforderlich, daß die Widerstandswerte der anorgani
schen leitfähigen Materialien für die zweiten Schichten 3′,
4′ des Heizwiderstands und die Elektroden 7, 8 niedriger
als jene der ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands sind
bzw. als jene des anorganischen leitfähigen Materials der
ersten Schichten 3, 4 sind.
Wenn der isolierende keramische Sinterkörper 2 hauptsäch
lich aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) hergestellt ist, sollten
die zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands, wie die
ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands und die Elektro
den 7, 8, vorzugsweise aus Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Pulver,
einer Hauptkomponente des keramischen Sinterkörpers 2, zu
sammengesetzt sein oder bestehen, wozu Wolframcarbid-(WC)
als eine Hauptkomponente der Schichten hinzugefügt wird,
oder wozu weiter Bornitrid (BN)-Pulver hinzugefügt wird, um
den Wärmeausdehnungskoeffizienten derselben und/oder die
Widerstandswerte derselben durch Einstellen der Mengen der
Komponenten in gewünschter Weise einzustellen.
Materialien, die z. B. nicht weniger als 65 Gew.-% Wolfram
carbid (WC) enthalten, werden bevorzugt für die oben ge
nannten ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands, die
zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands und die Elek
troden 7, 8 verwendet. Wünschenswerte Widerstandswertver
hältnisse können eingestellt werden, indem ein Material,
das 70 bis 90 Gew.-% Wolframcarbid (WC) enthält, für die
ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands verwendet wird,
indem ein Material, das 80 bis 95 Gew.-% Wolframcarbid (WC)
enthält, für die zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwider
stands verwendet wird, und indem ein Material, das 85 bis
95 Gew.-% Wolframcarbid (WC) enthält, für die Elektroden 7,
8 verwendet wird.
Die Spitze oder das vordere Ende des Keramikheizers 1 ist
generell sphärisch bzw. semisphärisch ausgebildet, und der
Querschnitt der- bzw. desselben bzw. des Keramikheizers ist
besonders bevorzugt kreisförmig, wobei sich die Maximaler
hitzungzone in der Nähe der Spitze bzw. des vorderen Endes
befindet und wodurch der äußere Umfang wirksam und gleich
förmig erhitzt wird. Die Form der Spitze bzw. des vorderen
Endes und des Querschnitts des Keramikheizers 1 sind jedoch
nicht auf diese Formen beschränkt.
Der Verbindungsabstand 1 der zweiten Schichten des Heizwi
derstands, d. h. die Entfernung von den Spitzen bzw. vorde
ren Enden der zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands,
die teilweise auf die ersten Schichten 3, 4 des Heizwider
stands laminiert sind, zu den Spitzen oder vorderen Enden
der Leitungsdrähte 5, 6, die mit den zweiten Schichten 3′,
4′ des Heizwiderstands verbunden sind, sollte vorzugsweise
auf 3 mm oder mehr eingestellt sein, da sich die Wider
standswerte an bzw. in dem Verbindungsteil dann wegen der
Abstands- bzw. Entfernungsfestlegung nur schwer bzw. kaum
ändern, vorausgesetzt, daß die Temperatur an den Spitzen
bzw. vorderen Enden der Leitungsdrähte nicht mehr als
1000°C ist.
Bevor der Keramikheizer gemäß der zweiten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung beurteilt wird, sei angegeben, daß in der gleichen Art
und Weise, wie es das bereits beschriebene Herstellungsver
fahren MS ist, flache grüne bzw. ungebrannte Keramikkörper
(entsprechend den Bezugszeichen 9, 10 und 11 in Fig. 3),
die hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestanden, mittels ei
nes bekannten Formungsverfahrens, wie eines Preßformungs
verfahrens, unter Verwendung von Granulat oder Pulver her
gestellt wurden, das durch Hinzufügen und Mischen von
Yttriumoxid (Y₂O₃) oder eines Oxids eines Seltene-Erde-Ele
ments als ein Sinterhilfsmittel zu bzw. mit hochreinem Si
liciumnitrid (Si₃N₄)-Pulver hergestellt worden war.
Als nächstes wurde ein Lösungsmittel zu der Mischung aus 80
Gew.-% pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und 20 Gew.-% pul
verförmigen Siliciumnitrid (Si₃N₄) hinzugefügt, um eine Pa
ste herzustellen. Unter Verwendung der Paste wurden die er
sten Schichten 3 und 4 des Heizwiderstands, die eine Dicke
von etwa 40 µm hatten, auf den Oberflächen von zwei unter
schiedlichen grünen bzw. ungebrannten Keramikkörpern mit
tels eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen so ausge
bildet, daß die Widerstandsschichten generell U-förmige Mu
ster bildeten, welche Dimensionen hatten, die auf der Basis
der vorgesehenen Widerstandswerte bestimmt worden waren,
und die Spitze bzw. das vordere Ende von jedem Muster war
innerhalb von 5 mm von der Spitze bzw. dem vorderen Ende
des keramischen Sinterkörpers aus angeordnet.
Dann wurden unter Verwendung einer Paste, die aus 85 Gew.-%
Wolframcarbid (WC) und 15 Gew.-% pulverförmigem Siliciumni
trid (Si₃N₄) hergestellt worden war, die zweiten Schichten
3′, 4′ des Heizwiderstands, die eine Dicke von etwa 40 µm
hatten, in der gleichen Art und Weise, wie oben beschrie
ben, an den Enden der oben angegebenen ersten Schichten 3,
4 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002004433505 00004 99880 des Heizwiderstands so ausgebildet, daß die Breite W2 der
zweiten Schichten des Heizwiderstands, welche teilweise auf
die ersten Schichten des Heizwiderstands laminiert waren,
kleiner als die Breite W1 der ersten Schichten des Heizwi
derstands war.
Andererseits wurden unter Verwendung einer Paste, welche
die gleiche Zusammensetzung wie jene für die zweiten
Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands hatte, die Elektroden
7, 8, die aus vier Mustern zusammengesetzt waren, welche
eine Breite von 0,7 mm und eine Dicke von 70 µm hatten,
parallel auf den anderen Enden der Oberflächen der oben an
gegebenen grünen bzw. ungebrannten Keramikkörper in vorbe
stimmten Positionen und so, daß sie sich zu den Seitenober
flächen der grünen bzw. ungebrannten Keramikkörper er
streckten, ausgebildet.
Auf jedem grünen bzw. ungebrannten Keramikkörper, auf wel
chem die ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands, die
zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands und die Elek
troden 7, 8 aufgedruckt waren, wurden Wolfram (W)-Drähte
von 0,25 mm Durchmesser auf den zweiten Schichten des
Heizwiderstands und den Elektroden plaziert und mit den
zweiten Schichten des Heizwiderstands und den Elektroden
verbunden. Auf die Drähte wurde ein grüner bzw. ungebrann
ter Keramikkörper, auf welchen keine Schichten des Heizwi
derstands und keine Elektroden gedruckt waren, laminiert,
und dann wurde diese Struktur unter Druck bei 1750°C wäh
rend einer Stunde in einer reduzierenden Atmosphäre, die
Kohlenstoff (C) enthielt, gebrannt.
Durch Schleifen des Umfangs des keramischen Sinterkörpers,
der in der vorstehenden Art und Weise erhalten worden war,
wurde die Spitze oder das vordere Ende des Keramikkörpers
auf der Seite der ersten Schicht(en) des Heizwiderstands
sphärisch bzw. semisphärisch und der Querschnitt des Heiz
widerstands kreisförmig gemacht, und die Endoberfläche von
jeder eingebetteten Elektrode wurde durch dieses Schleifen
nach der Seitenoberfläche des zylindrischen Sinterkörpers
freigelegt. Auf diese Weise wurde eine Mehrzahl von Kera
mikheizern 1, die einen Durchmesser von etwa 3,5 mm hatten,
hergestellt.
Ein metallischer Film aus Nickel (Ni) oder dergleichen
wurde auf wenigstens den freiliegenden Teilen der Elektro
den des vorstehend genannten Keramikheizers durch ein Me
tallisierungs- oder Plattierungs- bzw. Galvanisierungsver
fahren ausgebildet. Ein zylindrisches Rohr (das dem Bezugs
zeichen 14 in Fig. 6 entspricht) wurde auf dem Keramikhei
zer so angebracht, daß das Rohr mit einer bzw. je einer der
nach der Seitenoberfläche des Keramikheizers freiliegenden
Elektroden verbunden wurde. Das Rohr wurde mit der Elektro
de durch Silberlötung in einer Atmosphäre aus reduzierendem
Gas verbunden und für die Funktion als negative Elektrode
festgesetzt. Weiterhin wurde eine Elektrode (die dem Be
zugszeichen 16 in Fig. 6 entspricht), welche aus einem
Draht oder aus einer Kappe ausgebildet war, mit den anderen
Elektroden durch Silberlötung in der gleichen Art und Wei
se, wie oben beschrieben, verbunden und für die Funktion
als positive Elektrode festgelegt. Auf diese Weise wurde
eine Mehrzahl von Keramikheizern 1 mit jeweils einer posi
tiven und negativen Elektrode zur Beurteilung hergestellt.
Außerdem wurden die oben angegebenen Keramikheizer zum
Zwecke der Beurteilung vielen Zyklen eines Hochbelastungs
dauerhaftigkeitstests unterworfen, worin jeder Zyklus aus
einer Erhitzungsperiode, in welcher der Keramikheizer 1 bis
zu einer Sättigungstemperatur von 1400°C durch Anlegen ei
ner Gleichspannung von 10 bis 35 V während 5 Minuten er
hitzt wurde, und einer Zwangskühlperiode, in welcher die
elektrische Stromzuführung gestoppt und Druckluft während 2
Minuten auf den Keramikheizer geblasen wurde, bestand. Die
Zunahme des Widerstandswerts zwischen den beiden Elektroden
wurde alle 1000 Zyklen gemessen. Eine Mehrzahl von Proben
wurden dem Test unterworfen, und jene, bei denen eine Erhö
hung des Widerstandswerts von nicht weniger als 10% bewirkt
wurde, wurden als ungeeignet beurteilt. Die Anzahl von Zy
klen, in denen die Erhöhung des Widerstands 10% überstieg,
wurde für die Beurteilung benutzt.
Die Breite W2 der zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwider
stands, die aus anorganischem Material hergestellt und mit
den Leitungsdrähten 5, 6 verbunden waren, und die Breite W1
der ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands, welche teil
weise mit den zweiten Schichten des Heizwiderstands lami
niert waren, wurden durch Röntgenstrahlphotographie gemes
sen. Außerdem wurden andere Keramikheizer, die für die Be
urteilung hergestellt worden waren und die gleichen Spezi
fikationen hatten, wie es jene der oben beschriebenen Kera
mikheizer sind, an den Verbindungsstellen der Leitungs
drähte und der zweiten Schichten des Heizwiderstands sowie
in den Laminierungsbereichen der ersten und zweiten Schich
ten des Heizwiderstands abgeschnitten, und dann wurden die
Dimensionen der Breiten W1 und W2 zur Vergewisserung gemes
sen.
Darüberhinaus wurde die Entfernung von den Spitzen bzw.
vorderen Enden der zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwider
stands, welche teilweise auf die ersten Schichten 3, 4 des
Heizwiderstands laminiert waren, zu den vorderen Enden der
Leitungsdrähte 5, 6, die mit den zweiten Schichten 3′, 4′
des Heizwiderstands verbunden waren, durch Röntgenstrahlen
photographie gemessen und durch den Abstand l1 für die
zweiten Schichten 3′, 4′ des Heizwiderstands dargestellt.
Als die Temperatur der Maximalerhitzungszone 1400°C er
reichte, wurde die Temperatur an der Keramikheizeroberflä
che, welche den Positionen der Spitzen bzw. vorderen Enden
der Leitungsdrähte entspricht, durch ein nichtkontaktieren
des Strahlungsthermometer gemessen.
Die Ergebnisse der oben angegebenen Messungen sind in Ta
belle 5 wiedergegeben.
Gemäß der Tabelle 5 ist, wenn das Verhältnis von W2 zu W1
in dem Bereich von 25 bis zu 90% und der Abstand l1 auf 3
mm oder mehr eingestellt ist, die Oberflächentemperatur des
Keramikheizers nicht mehr als 1000°C. Es versteht sich da
her, daß der mit dem Leitungsdraht verbundene Bereich nicht
bis zu dem Ausmaß erhitzt wird, daß der Widerstandswert an
der Verbindungsstelle erhöht wird. Dieses ist aufgrund der
Ergebnisse offensichtlich, da die Anzahl der Zyklen für
alle Proben bei dem Dauerhaftigkeitstest nicht weniger als
20 000 Zyklen betrug.
Als die erste Schicht des Heizwiderstands, die aus einer
einzigen Schicht bestand, welche eine Breite W1 von 1,50 mm
hatte, direkt mit dem Leitungsdraht verbunden wurde, um
eine Vergleichsprobe herzustellen, erreichte die Oberflä
chentemperatur des Keramikheizers 1320°C, wobei sich der
Widerstandswert dieser Schicht des Heizwiderstands schnel
ler änderte als der Widerstandswert der Schichten des
Heizwiderstands der zweiten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung. Die Wär
meerzeugung an der Spitze oder dem vorderen Ende des Lei
tungsdrahts war extrem signifikant. Bei dem Dauerhaftig
keitstest wurde klar, daß das Verhältnis der Zunahme des
Widerstandswerts dieser Schicht des Heizwiderstands 10% bei
1090 Zyklen überstieg.
Wie oben beschrieben, umfaßt der Keramikheizer der zweiten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung die ersten Schichten des Heizwider
stands, die aus wenigstens zwei parallelen oder nahezu pa
rallelen Schichten bestehen, welche aus einem anorganischen
leitfähigen Material hergestellt sind; sowie die zweiten
Schichten des Heizwiderstands, die aus einem anorganischen
leitfähigen Material hergestellt und wenigstens teilweise
auf die Enden der ersten Schichten des Heizwiderstands la
miniert sind; und die Leitungsdrähte, die aus einem Metall
von hohem Schmelzpunkt ausgebildet und mit den ersten
Schichten des Heizwiderstands mittels der zweiten Schichten
des Heizwiderstands verbunden sind. Bei dieser Struktur
wurden, selbst wenn die ersten Schichten des Heizwider
stands auf hohe Temperaturen erhitzt wurden, die Verbin
dungsstellen der zweiten Schichten des Heizwiderstands und
der Leitungsdrähte nicht so sehr erhitzt; die Temperaturen
überstiegen nicht 1000°C. Außerdem tritt keine Erhöhung im
Widerstandswert an den Verbindungsstellen der Schichten des
Heizwiderstands auf, so daß dadurch ein Bruch, Ausfall, De
fekt o. dgl. verhindert wird. Infolgedessen ist der Kera
mikheizer fähig, fortgesetzt während einer langen Zeitdauer
zu arbeiten, und er braucht keinerlei komplizierte Struk
tur, so daß dadurch eine überragend gute Dauerhaftigkeit
sichergestellt ist.
Die dritte besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf eine Keramik
glühkerze, die in der nachstehend beschriebenen Art und
Weise verbessert ist, wozu zunächst einige Bemerkungen zum
Stand der Technik vorausgeschickt seien:
Eine konventionelle Keramikglühkerze 12, wie sie in Fig. 16
gezeigt ist, ist als bevorzugte Keramikglühkerze 12 vor
geschlagen worden (siehe die japanische Offenlegungs-Ge
brauchsmusterveröffentlichung Nr. 2-20293), und zwar ist in
dieser konventionellen Keramikglühkerze 12 ein aus leitfä
higem Keramikmaterial, wie Wolframcarbid (WC), hergestell
ter Heizwiderstand 3 in einem isolierenden keramischen Sin
terkörper eingebettet, der hauptsächlich aus Siliciumni
trid (Si₃N₄) besteht, welches überragend in der Festigkeit
und der Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation ist, so daß
der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem isolie
renden keramischen Sinterkörper 2 und dem darin eingebette
ten und aus einem leitfähigen Keramikmaterial hergestellten
Heizwiderstand 3 dadurch geringer gemacht wird.
Jedoch kann in dem vorstehend angegebenen Keramikheizer 1
des Standes der Technik, wie er in Fig. 16 dargestellt
ist, da sich das Keramikmaterial des isolierenden kerami
schen Sinterkörpers 2 in der Substanz vollständig von dem
leitfähigen Keramikmaterial des Heizwiderstands 3 unter
scheidet, das leitfähige Keramikmaterial nicht genügend ge
sintert werden, wenn das Brennen zu einem Körper erfolgt.
Wenn der auf diese Art und Weise hergestellte Keramikheizer
1 für eine Glühkerze verwendet wird, wird mechanische Frei
trägerbelastung auf den Keramikheizer 1 angewandt, wenn die
Glühkerze durch Unachtsamkeit herabfällt oder wenn sie in
einen Motor eingebaut wird, oder während des Betriebs des
Motors. Als Ergebnis hiervon unterliegt der Keramikheizer 1
der Fig. 16 der Gefahr des Bruchs bei niedriger Beanspru
chung, die einer Freiträgerbiegefestigkeit von weniger als
60 kg/mm² entspricht; der Bruch, Ausfall, Defekt o. dgl.
kann von einem leitfähigen Keramikbereich aus beginnen bzw.
ausgehen.
Die dritte besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung ist entwickelt worden, um die
vorstehend angegebenen Nachteile auszuschalten. Der Zweck
der dritten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
besteht darin, die Festigkeit der Keramikheizer auf so hohe
Werte zu verbessern, wie es jene des isolierenden kerami
schen Sinterkörpers sind, indem die Ausbildungsbedingungen
des isolierenden keramischen Sinterkörpers und der leitfä
higen Keramikmaterialien, die in dem keramischen Sinterkör
per bzw. Körper eingebettet werden sollen, optimiert werden
und eine Keramikglühkerze zur Verfügung gestellt wird, die
in der Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit überragend ist.
Bei der Keramikglühkerze gemäß der dritten besonderen er
findungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Er
findung wird, wenn der Minimaldurchmesser, der durch Um
schließen der Heizwiderstände im Querschnitt des Keramik
heizers erhalten wird, d ist, der Minimalwert des Außen
durchmessers oder der Dicke des Keramikheizers D1 ist, die
Entfernung von der Spitze oder dem vorderen Ende des Kera
mikheizers zu dem Ende des Heizwiderstands, das mit den
Leitungsdrähten verbunden ist, l2 ist, und die Länge des
aus dem Halterohr freiliegenden Keramikheizers L ist, die
nachstehend angegebene Gleichung erfüllt:
0,06 < d/D1 × l2/L 0,6
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
Aufgrund der Ausbildung der Keramikglühkerze gemäß der
dritten besonderen Ausführungsform oder Weiterbildung der
Erfindung kann durch Erfüllen der obigen Gleichung selbst
dann, wenn die Heizwiderstände in der Nähe des mittigen
Teils näher an der Spitze oder dem vorderen Ende des Kera
mikheizers eingebettet sind, eine Verschlechterung der Fe
stigkeit des Keramikheizers verhindert, eine Wärmekapazität
erhalten werden, die genügend ist, um das Starten eines
Dieselmotors selbst in dem niedrigen Spannungsbereich von
11 bis 24 V zu erreichen. Die Oberfläche des Keramikheizers
kann demgemäß auf eine gewünschte vorbestimmte Temperatur
erhitzt werden. Infolgedessen wird mit der dritten besonde
ren erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Keramikglühkerze
zur Verfügung gestellt, die in der Dauerhaftigkeit und der
Zuverlässigkeit überragend ist, indem die Festigkeit des
Keramikheizers verbessert ist, während die Temperaturdiffe
renz in der Umfangsrichtung des Keramikheizers bei der Tem
peratursättigung vermindert und die Schnellerhitzungsfunk
tion beibehalten wird.
Es sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 13, 14
und 15 ein Beispiel der dritten besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung in
näheren Einzelheiten beschrieben.
Fig. 13 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die eine
Keramikglühkerze gemäß der dritten besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform zeigt, wobei Teile weggeschnitten
sind; Fig. 14 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Haupt
abschnitt der in Fig. 13 dargestellten Keramikglühkerze
zeigt; und Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht der in Fig.
14 gezeigten Keramikglühkerze im Bereich der Heizwider
stände.
Es sei nun auf die Fig. 13, 14 und 15 Bezug genommen,
worin mit 12 eine Keramikglühkerze bezeichnet ist, die
einen Keramikheizer 1 hat, der aus einem anorganischen
leitfähigen Material hergestellte Heizwiderstände 3, 4 um
faßt, sowie Leitungsdrähte 5 (6), die aus einem Metallmate
rial von hohem Schmelzpunkt ausbildet und mit den Enden der
Heizwiderstände 3, 4 verbunden sind, wobei die Heizwider
stände und die Leitungsdrähte in einem isolierenden kerami
schen Sinterkörper 2 eingebettet sind. Der Keramikheizer 1
ist durch Lötung bzw. Hartlötung mit einem zylindrischen
Halte- oder Trägerrohr 14 so verbunden, daß das Rohr als
eine der Elektroden fungiert. Die Beziehung zwischen den
Heizwiderständen 3, 4 und dem Keramikheizer 1 der Keramik
glühkerze erfüllt die unten angegebene Gleichung:
0,06 < d/D1 × l2/L < 0,6
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
Die Spitze oder das vordere Ende des isolierenden kerami
schen Sinterkörpers 2 ist generell sphärisch bzw. semisphä
risch ausgebildet, und wenigstens der Querschnitt des iso
lierenden keramischen Sinterkörpers 2, in dem die Heizwi
derstände 3 eingebettet sind, ist kreisförmig ausgebildet.
Bei der vorstehend angegebenen Keramikglühkerze kann der
Keramikheizer dann, wenn der Wert von d/D1 nicht mehr als
0,3 ist, eine vorbestimmte Erhitzungstemperatur im niedri
gen Spannungsbereich von 11 bis 24 V nicht erreichen. Wenn
der Wert von d/D1 nicht weniger als 0,9 ist, bewirken die
Heizwiderstände einen Ausfall oder Defekt während eines
Dauerhaftigkeitstests, in dem ein Erhitzen auf 1400°C und
ein Abkühlen fortlaufend wiederholt werden, und die Festig
keit des Keramikheizers wird niedriger, und der Keramikhei
zer ist in hohem Maße in Gefahr, zu Bruch zu gehen, wenn er
fallengelassen wird. Der Wert von d/D1 muß daher, wie im
Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, größer
als 0,3 und kleiner als 0,9 sein.
Außerdem ist, wenn der Wert von l2/L nicht mehr als 0,2
ist, die elektrische Leistung des Keramikheizers in dem
vorbestimmten Spannungsbereich von 11 bis 24 V weniger als
18 W, so daß der Keramikheizer unfähig ist, eine genügende
Wärmekapazität aufzubringen bzw. eine genügende Temperatur
zu erreichen und das Starten eines Dieselmotors verschlech
tert wird. Andererseits wird, wenn der Wert von l2/L nicht
weniger als 1,0 ist, das an den Keramikheizer durch Hartlö
tung angebrachte zylindrische Rohr 14 auf eine zu hohe Tem
peratur erhitzt und durch Schmelzen oder Abrauhen, Abblät
terung, thermische Zerspanung o. dgl. während des Dauer
haftigkeitstests beschädigt, welcher unter den oben angege
benen Hochbelastungsbedingungen als notwendiger Test durch
geführt wird, sowie natürlich auch während des aktuellen
Motorbetriebs. Der Wert von l2/L muß daher, wie im Rahmen
der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, mehr als 0,2 und
weniger als 1,0 sein.
Auf der Basis der oben angegebenen Beziehung kann der Kera
mikheizer, wenn der Wert von d/D1 × l2/L nicht mehr als
0,06 ist, eine genügende Wärmekapazität bei einer vorbe
stimmten Spannung haben. Andererseits wird, wenn der Wert
mehr als 0,6 ist, die Festigkeit des Keramikheizers nied
riger, und der Keramikheizer unterliegt der Gefahr, leicht
zu Bruch zu gehen, wenn er in unpassender oder rauher Weise
gehandhabt wird. Der Wert von d/D1 × l2/L muß daher, wie im
Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, einen
spezifischen Wert haben, d. h., einen solchen Wert, der mehr
als 0,06 und nicht mehr als 0,6 ist.
In der vorstehend angegebenen erfindungsgemäßen Keramik
glühkerze 12 umfaßt der Keramikheizer 1 die aus einem anor
ganischen leitfähigen Material hergestellten Heizwider
stände 3, 4 und die aus einem Metallmaterial von hohem
Schmelzpunkt ausgebildeten Leitungsdrähte 5 (6), sowie
Elektroden 7 (8), die kammförmig unterteilte Schichtteile
haben, welche mit den Leitungsdrähten 5 (6) verbunden sind,
wobei die Heizwiderstände und die Leitungsdrähte gleichzei
tig in einem isolierenden keramischen Sinterkörper 2 einge
bettet sind. Eine aus einem Draht oder dergleichen herge
stellte Elektrode 16 ist elektrisch von dem Ende des Kera
mikheizers 1 aus mit einem Anschlußstab 17 verbunden, der
als die andere Elektrode (das Rohr 14 ist, wie oben angege
ben, die eine Elektrode) fungiert. Die beiden Elektroden
sind durch ein Isolationsmaterial 19 elektrisch voneinander
isoliert.
Vor der Beurteilung der Keramikglühkerze gemäß der dritten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sei angegeben,
in welcher Weise dieselbe bevorzugt hergestellt wird.
Zunächst wurden in der oben beschriebenen Art und Weise des
Herstellungsverfahrens MS flache grüne oder ungebrannte Ke
ramikkörper (die den Bezugszeichen 9, 10 und 11 in Fig. 3
entsprechen), welche hauptsächlich aus Siliciumnitrid be
stehen, mittels eines bekannten Formungsverfahrens, wie
beispielsweise eines Preßformungsverfahrens, unter Verwen
dung von Granulat oder Pulver hergestellt, das durch Hinzu
fügen und Mischen von Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) oder einem Oxid
eines Seltene-Erde-Elements als Sinterhilfsmittel zu bzw.
mit Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Pulver hergestellt worden ist.
Als nächstes wurde Lösungsmittel zu einer spezifizierten
Mischung von pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und pulver
förmigem Siliciumnitrid (Si₃N₄) hinzugefügt, um eine Paste
herzustellen. Unter Verwendung der Paste wurden Heizwider
stände auf den Oberflächen der grünen oder ungebrannten Ke
ramikkörper mittels eines Siebdruckverfahrens oder derglei
chen so ausgebildet, daß die Widerstandsschichten generell
U-förmige Muster hatten, die verschiedene Dimensionen be
saßen, welche auf der Basis der Auslegungswiderstandswerte
bestimmt wurden, und die Spitze oder das vordere Ende von
jedem Muster wurde innerhalb von 5 mm, von der Spitze oder
dem vorderen Ende des keramischen Sinterkörpers aus pla
ziert.
Andererseits wurden unter Verwendung einer Paste, die aus
pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und pulverförmigem Sili
ciumnitrid (Si₃N₄) hergestellt worden war, vier Muster der
Elektroden, die eine Breite von etwa 0,7 mm und eine Dicke
von etwa 70 µm hatten, in der gleichen Art, wie es oben be
schrieben ist, auf den Oberflächen an den den Heizwider
ständen entgegengesetzten Enden der oben angegebenen grünen
oder ungebrannten Keramikkörper ausgebildet.
Weiterhin kann, wenn notwendig, Bornitrid (BN) zu der für
die oben angegebenen Heizwiderstände und die Elektroden
verwendeten Paste hinzugefügt werden, um die Wärmeausdeh
nung bzw. den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Paste be
züglich jener bzw. jenem des isolierenden keramischen Sin
terkörpers einzustellen.
Als nächstes wurden aus Wolfram (W)-Drähten von 0,25 mm
Durchmesser ausgebildete Leitungsdrähte zwischen einem er
sten grünen oder ungebrannten Keramikkörper und einem zwei
ten grünen oder ungebrannten Keramikkörper plaziert, auf
welchen beiden Heizwiderstände und Elektroden auf der Ober
fläche derselben aufgedruckt waren, so daß die Leitungs
drähte mit den Heizwiderständen und den Elektroden verbun
den wurden. Außerdem wurden Leitungsdrähte, die aus Wolfram
(W)-Drähten, welche den oben erwähnten Drähten gleichartig
waren, ausgebildet waren, zwischen dem zweiten grünen oder
ungebrannten Keramikkörper und einem dritten grünen oder
ungebrannten Keramikkörper ohne aufgedruckte Heizwider
stände und ohne aufgedruckte Elektroden plaziert. Diese
Struktur wurde unter Druck bei 1750°C während einer Stunde
in einer reduzierenden Atmosphäre, die Kohlenstoff (C)
enthielt, gebrannt.
Durch Schleifen des Umfangs des erhaltenen keramischen Sin
terkörpers wurde die Spitze oder das Ende auf der Seite der
Heizwiderstände sphärisch bzw. semisphärisch gemacht, und
sein Querschnitt wurde kreisförmig gemacht, und außerdem
wurde die Endoberfläche von jeder eingebetteten Elektrode
nach der Seitenoberfläche des zylindrischen Sinterkörper
hin freigelegt. Auf diese Art und Weise wurde eine Mehrzahl
von Keramikheizern, die einen Durchmesser von etwa 3,5 mm
hatten, hergestellt.
Ein metallischer Film aus Nickel (Ni) oder dergleichen
wurde auf wenigstens den freiliegenden Teilen der Elektro
den des Keramikheizers durch ein Metallisierungs- oder
Plattierungs- bzw. Galvanisierungsverfahren ausgebildet.
Ein zylindrisches Träger- oder Halterohr wurde so auf dem
Keramikheizer angebracht, daß das Rohr mit je einer der
nach der Seitenoberfläche des Keramikheizers zu freiliegen
den Elektroden verbunden wurde. Das Rohr wurde mit der
Elektrode durch Silberlötung in einer reduzierenden Atmo
sphäre so verbunden, daß die Länge L des von dem Träger-
oder Halterohr freiliegenden Keramikheizers in dem Bereich
von 8 bis 15 mm war, und das Träger- oder Halterohr fun
gierte als die negative Elektrode. Weiterhin wurde eine aus
einem Draht oder einer Kappe ausgebildete Elektrode durch
Silberlötung in der gleichen Art und Weise, wie oben be
schrieben, mit den anderen Elektroden verbunden, um als die
positive Elektrode zu fungieren. Auf diese Weise wurde eine
Mehrzahl von Keramikglühkerzen mit positiver und negativer
Elektrode für die Beurteilung hergestellt.
Die für die Beurteilung vorliegenden Keramikglühkerzen wur
den durch Anlegen einer Gleichspannung von 11 bis 24 V er
hitzt. Die Proben, die 1000°C oder mehr in den Maximaler
hitzungszonen derselben erreichten, wurden durch ○ reprä
sentiert, und jene, die die Temperatur nicht erreichten,
wurden durch × repräsentiert, um die Schnellerhitzungsfunk
tionen der Proben zu beurteilen.
Außerdem wurde an die vorstehend genannten Keramikglühker
zen eine Gleichspannung während 60 Sekunden angelegt, um
sie auf 1150°C zu erhitzen, und ihre Verbrauchswerte der
elektrischen Leistung wurden gemessen.
Als nächstes wurden Keramikheizer der vorgenannten Kera
mikglühkerzen 15 000 Zyklen eines Hochbelastungs-Dauerhaf
tigkeits-Tests unterworfen, worin jeder Zyklus aus einer
Erhitzungsperiode, in welcher der Keramikheizer bis zu ei
ner Sättigungstemperatur von 1400°C durch Anlegen einer
Gleichspannung von 11 bis 24 V während 5 Minuten aufgeheizt
wurde, und einer Zwangskühlperiode, in welcher die elektri
sche Stromzuführung gestoppt und Druckluft während 2 Minu
ten auf den Keramikheizer geblasen wurde, bestand. Die Er
höhung der Widerstandswerte der Keramikglühkerzen zwischen
der Zeit vor und nach dem Test wurde gemessen. Es wurde
eine Mehrzahl von Proben dem Test unterworfen, um ihre Dau
erhaftigkeit zu beurteilen. Jene, bei denen die bewirkte
Erhöhung des Widerstands nicht weniger als 10% war, wurden
als ungeeignet beurteilt und durch × repräsentiert. Jene,
bei denen die Erhöhung des Widerstands weniger als 10% war,
wurden als geeignet beurteilt und durch ○ repräsentiert.
Andererseits wurde, nachdem der jeweilige Keramikheizer bis
zu einer Sättigungstemperatur von 1400°C durch Anlegen ei
ner Gleichspannung aufgeheizt worden war, die Oberflächen
temperatur an der Spitze bzw. dem vorderen Ende des zylin
drischen Halterohrs mittels eines nichtkontaktierenden
Strahlungsthermometers gemessen (es sei darauf hingewiesen,
daß der Begriff "Trägerrohr" oder "Halterohr" im Rahmen der
Beschreibung und der Ansprüche jeweils den anderen Begriff
mit umfaßt, also jeweils "Halte- und/oder Trägerrohr" be
deutet).
Weiterhin wurde das Trägerrohr der vorstehend genannten Ke
ramikglühkerze gehalten, und es wurde eine Belastung auf
die Spitze oder das vordere Ende des freiliegenden Keramik
heizers bei Raumtemperatur angewandt, um die Ausfall- bzw.
Bruchfestigkeit desselben zu ermitteln und die Freiträger
biegefestigkeit desselben zu berechnen. Nach der Beobach
tung der gebrochenen Oberflächen wurden Proben, die an den
Heizwiderständen zu brechen begannen, als ungeeignet beur
teilt und durch × repräsentiert, wohingegen Proben, die an
anderen Teilen, als den Heizwiderständen zu brechen began
nen, als geeignet beurteilt und durch ○ repräsentiert wur
den.
Darüberhinaus wurde eine Mehrzahl von Sätzen von drei Kera
mikglühkerzen-Proben, die eine Freiträgerbiegefestigkeit
von weniger als 60 kg/mm² und die gleichen Spezifikationen
hatten, aus einer Höhe von etwa 1 m auf eine Betonoberflä
che fallengelassen, wobei der Keramikheizer nach abwärts
gerichtet war, und es wurde festgestellt, daß wenigstens
eine der drei Proben in jedem Satz gebrochen oder zu Bruch
gegangen war.
Die Werte d/D1 und l2/L wurden gemessen, nachdem jeder Ke
ramikheizer in dessen Querschnittsbereich abgeschnitten
worden war, und die Werte wurden auch mittels Röntgenstrah
lenphotographie gemessen, um die Auslegungs- bzw. Ausbil
dungswerte zu bestätigen bzw. festzustellen.
Die Ergebnisse der obigen Beurteilung sind in den Tabellen
6 und 7 wiedergegeben.
Wie deutlich aus der Tabelle 6 hervorgeht, sind die Proben,
welche andere als jene sind, die dem Beispiel der dritten
besonderen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung
entsprechen, in wenigstens einem der folgenden Beurtei
lungspunkte ungeeignet: Schnellerhitzungsfunktion-, Diesel
motorstartqualität und Ausfallbeginnstelle (einschließlich
Ausfall, Defekt, Abbrechen o. dgl.). Im Gegensatz zu derar
tigen Proben, sind die Proben, die dem Beispiel der dritten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung entsprechen, in allen, insbesondere
den angegebenen, Beurteilungspunkten geeignet.
Wie oben beschrieben, erfüllt die Keramikglühkerze gemäß
der dritten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung, wenn der durch Um
schließen der Heizwiderstände in dem Querschnitt des Kera
mikheizers erhaltene Minimaldurchmesser d ist, der Minimal
wert des Außendurchmessers oder der Dicke des Keramikhei
zers D1 ist, der Abstand von der Spitze oder dem vorderen
Ende des Keramikheizers zu den Enden der Heizwiderstände,
die mit den Leitungsdrähten verbunden sind, l2 ist, und die
Länge des aus dem Rohr der Glühkerze freiliegenden Keramik
heizers L ist, die Beziehung zwischen den Heizwiderständen
und den Keramikheizer die nachstehend angegebenen Glei
chungen:
0,06 < d/D1 × l2/L 0,6
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
Mit dieser Struktur wird, selbst wenn die Heizwiderstände
in der Nähe des mittigen Teils näher an der Spitze oder dem
vorderen Ende des Keramikheizers eingebettet sind, die Fe
stigkeit des Keramikheizers auf so hohe Werte verbessert,
wie es jene des isolierenden keramischen Sinterkörpers
sind, und es wird eine derart genügende Wärmekapazität er
reicht, daß das Starten eines Dieselmotors verbessert wird,
und zwar so, daß das selbst in dem niedrigen Spannungsbe
reich von 11 bis 24 V erreicht wird. Die Oberfläche des Ke
ramikheizers wird demgemäß schnell auf eine ausreichende
vorbestimmte Temperatur erhitzt, und die Temperaturdiffe
renz in der Umfangsrichtung des Keramikheizers zum Zeit
punkt der Temperatursättigung ist herabgesetzt. Infolgedes
sen wird mit der vorliegenden Erfindung eine in der Zuver
lässigkeit und der Dauerhaftigkeit überragende Keramikglüh
kerze zur Verfügung gestellt, ohne daß diese irgendeine
komplizierte Struktur erfordert.
Die nachstehend beschriebene und erläuterte vierte beson
dere erfindungsgemäße Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen des Keramik
heizers der Grundausführungsform der Erfindung in den nach
folgend angegebenen Punkten:
In Fig. 20 ist ein konventioneller Keramikheizer 1 ge
zeigt, der früher vorgeschlagen worden ist (siehe die japa
nische offengelegte Gebrauchsmusterveröffentlichungen Nr.
2-20293 und Nr. 5-31191), worin ein Heizwiderstand 3, der
aus einem Metallmaterial von hohem Schmelzpunkt hergestellt
ist und spezielle Dimensionen hat, in einer speziellen
Position in einem isolierenden keramischen Sinterkörper 2
von überragender Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen
Oxidation eingebettet.
Die Temperaturverteilung in der Erhitzungszone des vorge
nannten Keramikheizers 1 ist nahe an der Verteilung von
Auslegungswerten, so daß dadurch die Fähigkeit erzielt
wird, eine Riß-, Sprung-, Spalt- oder dergleichen -erzeu
gung aufgrund eines Unterschieds in der Wärmeausdehnung
zwischen dem isolierenden keramischen Sinterkörper 2 und
dem Heizwiderstand 3 zu reduzieren.
Wenn jedoch der vorgenannte Keramikheizer 1 als ein bei
1000°C oder mehr betriebener Keramikheizer verwendet wird,
wie beispielsweise in einer Glühkerze eines Dieselmotors,
ist die erforderliche Ausbildung des Keramikheizers so, daß
er Hitze an seiner Spitze oder seinem vorderen Ende er
zeugt, d. h. innerhalb von 5 mm von der Maximalerhitzungs
zone aus bzw. daß die Maximalerhitzungszone innerhalb von 5
mm von der Spitze oder dem vorderen Ende aus liegt oder be
ginnt, damit eine zwangsweise Zündung und ein ausgezeichne
tes Starten sichergestellt werden. Bei dieser Struktur kann
aber flüssiger Kraftstoff, der eine Temperatur hat, die ex
trem niedriger als jene des erhitzten Keramikheizers ist,
direkt und abrupt die rotglühende heiße Keramikheizerober
fläche der Maximalerhitzungszone, die sich nahe an der
Spitze oder dem vorderen Ende des Keramikheizers befindet,
beim Starten kontaktieren. Außerdem können, wenn der Kera
mikheizer als ein Heizer in anderen Erhitzungs- oder Zünd
einrichtungen verwendet wird, verschiedene Arten von Medien
und Kraftstoff, wie Flüssigkeit und Gas, die niedrige Tem
peraturen haben, die rotglühende heiße Maximalerhitzungs
zone, die sich in der Nähe des Spitze oder des vorderen En
des des Keramikheizers befindet, auch direkt kontaktieren.
Da die Temperaturdifferenz in den vorgenannten Fällen 950°C
überschreiten und häufig in lokalen Bereichen in der Nähe
der Maximalerhitzungszone an der Spitze oder dem vorderen
Ende des Heizers auftreten kann, können aufgrund der vorge
nannten Temperaturdifferenz erhebliche Wärmestöße bzw.
plötzliche Temperaturänderungen auf den Keramikheizer wäh
rend dessen Betrieb einwirken, und es besteht die Gefahr,
daß ein Ausfall, Defekt o. dgl. des Heizwiderstands selbst
wegen Sprüngen, Rissen, Spalten o. dgl. verursacht wird,
die in dem Keramikheizer erzeugt werden. Dieses ist in
hohem Maße problematisch hinsichtlich der Dauerhaftigkeit,
der Sicherheit einer zwangsweisen Zündung und der Zuverläs
sigkeit.
Die vierte besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung ist entwickelt worden, um die
vorgenannten Nachteile auszuschalten. Der Zweck der vierten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung ist es, einen Keramikheizer zur Ver
fügung zu stellen, der in der Festigkeit, der Abnutzungsbe
ständigkeit, der thermischen Widerstandsfähigkeit, der Kor
rosionsbeständigkeit, der Dauerhaftigkeit und der Zuverläs
sigkeit während fortlaufend wiederholter Erhitzungs- und
Kühlvorgänge über eine lange Zeitdauer hinweg überragend
gut ist, während er gleichzeitig an der Spitze oder dem
vorderen Ende desselben erhitzt wird und die Schnellerhit
zungsfunktion beibehält, und zwar ohne daß Risse, Sprünge,
Spalte o. dgl. in dem Keramikheizer bewirkt werden, sondern
vielmehr ein Ausfall, Defekt o. dgl. des Heizwiderstands
verhindert wird, und zwar das alles selbst dann, wenn flüs
siger Kraftstoff, gasförmiger Kraftstoff oder ein anderes
Medium, insbesondere Erhitzungsmedium, von niedriger Tempe
ratur einen Bereich direkt und abrupt während des Betriebs
der Keramikheizers kontaktiert, welcher nahe an der Maxi
malerhitzungszone ist, und der Keramikheizer plötzlichen
Temperaturänderungen bzw. Wärmestößen ausgesetzt wird, wel
che extrem signifikante und lokale Temperaturunterschiede
bewirken können.
In dem Keramikheizer gemäß der vierten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung ist der äußerste Umfang der Schichten des Heizwider
stands wenigstens in der Maximalerhitzungszone um einen Ab
stand l3 innenseitig von der Oberfläche des isolierenden
keramischen Sinterkörpers positioniert, welcher 6 bis 25%
des Außendurchmessers des isolierenden keramischen Sinter
körpers entspricht, wobei die Spitzen bzw. vorderen Enden
der Schichten des Heizwiderstands 0,3 bis 1,5 mm innensei
tig von der Spitze bzw. dem vorderen Ende des isolierenden
keramischen Sinterkörpers positioniert sind, und wobei der
Querschnitt des isolierenden keramischen Sinterkörpers we
nigstens in dem Bereich, der sich von der Maximalerhit
zungszone zu der Spitze oder dem vorderen Ende desselben
erstreckt, kreisförmig ausgebildet ist.
Bei dem vorstehend angegebenen Keramikheizer wird es bevor
zugt, daß wenigstens die Maximalerhitzungszone des isolie
renden keramischen Sinterkörpers eine Widerstandsfähigkeit
gegen plötzliche Temperaturänderungen bzw. Wärmestöße hat,
die einer Temperaturdifferenz von nicht weniger als 1000°C
entspricht, und/oder die Oberflächenrauhigkeit der Maxi
malerhitzungszone in dem Bereich von 0,4 bis 3,0 µm Rmax
ist.
In dem Keramikheizer gemäß der vierten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform sind die Heizwiderstands
schichten, die aus einem anorganischen leitfähigen Material
hergestellt sind, sowie die mit den Schichten des Heizwi
derstands verbundenen Leitungen und die Elektroden, die mit
den Leitungen verbunden sind, in einem isolierenden kerami
schen Sinterkörper eingebettet. Der äußerste Umfang der
Schichten des Heizwiderstands wenigstens in der Maximaler
hitzungszone ist um eine Entfernung l3, welche 6 bis 25%
des Außendurchmessers des isolierenden keramischen Sinter
körpers entspricht, innenseitig von der Oberfläche des iso
lierenden keramischen Sinterkörpers positioniert; die Spit
zen oder äußersten bzw. vorderen Enden der Schichten des
Heizwiderstands sind um eine Entfernung l4 von 0,3 bis 1,5
mm innenseitig von der Spitze oder dem vorderen Ende des
isolierenden keramischen Sinterkörpers positioniert; und
der Querschnitt des isolierenden keramischen Sinterkörpers
ist wenigstens in dem Bereich, der sich von der Maximaler
hitzungszone bis zu der Spitze oder dem vorderen Ende des
selben erstreckt, kreisförmig gemacht. Es wird bevorzugt,
daß wenigstens die Maximalerhitzungszone des Keramikheizers
eine Widerstandsfähigkeit oder Beständigkeit gegen plötzli
che Temperaturänderungen oder Wärmestöße hat, die einer
Temperaturdifferenz von nicht weniger als 1000°C entspre
chen, und/oder die Oberflächenrauhigkeit der Maximalerhit
zungszone in dem Bereich von 0,4 bis 3,0 µm Rmax ist. Diese
Struktur ist geeignet, die Festigkeit des isolierenden ke
ramischen Sinterkörpers aufrechtzuerhalten. Die überragende
Wärmeleitfähigkeit des Keramikheizers ist dahingehend wirk
sam, daß sie plötzliche Temperaturänderungen oder Wärme
stöße, die auf den isolierenden keramischen Sinterkörper,
der die Schichten des Heizwiderstands umschließt, einwir
ken, entspannt, ohne daß Risse, Sprünge, Spalten o. dgl.
entstehen oder es zu sonstigen Schwierigkeiten kommt.
Der Keramikheizer gemäß der vierten besonderen erfindungs
gemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung
wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 17 und 18 der
Zeichnung näher erläutert:
Fig. 17 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die ein
Beispiel eines Keramikheizers der vierten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung zeigt; und Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht in
der Maximalerhitzungszone eines Keramikheizers gemäß der
vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung.
Es sei nun näher auf die Fig. 17 und 18 Bezug genommen,
worin mit 1 ein Keramikheizer bezeichnet ist, der Schichten
3, 4 eines Heizwiderstands umfaßt, die aus einem anorgani
schen leitfähigen Material hergestellt sind, sowie Leitun
gen 5 (6), die mit den Schichten 3, 4 des Heizwiderstands
verbunden sind, und Elektroden 7 (8), die mit den Leitungen
5 (6) verbunden sind, wobei die Schichten des Heizwider
stands, die Leitungen und die Elektroden in einem isolie
renden keramischen Sinterkörper 2 eingebettet sind.
In dem Keramikheizer 1 sind die äußersten Umfangsteile oder
-bereiche 21 der generell U-förmigen Heizwiderstandsschich
ten 3 (4), die wenigstens der Maximalerhitzungszone 20 ent
sprechen, um einen Abstand l3 innenseitig von der Oberflä
che des isolierenden keramischen Sinterkörpers 2 in letzte
rem eingebettet, welcher Abstand 6 bis 25% des Außendurch
messers D des isolierenden keramischen Sinterkörpers 2 ent
spricht, und die Spitzen oder vorderen Enden der Schichten
3 (4) des Heizwiderstands sind in einem Abstand l4 von 0,3
bis 1,5 mm innenseitig von der Spitze oder dem vorderen
Ende des isolierenden keramischen Sinterkörpers 2 positio
niert.
Zweite Schichten 3′ (4′) des Heizwiderstands, die einen
niedrigeren Widerstandswert als die ersten Schichten 3, 4
des Heizwiderstands haben, und so breit wie diese ersten
Schichten 3, 4 sind, sind an bzw. auf die Enden der gene
rell U-förmigen ersten Schichten 3, 4 des aus anorganischem
leitfähigem Material hergestellten Heizwiderstands lami
niert und bevorzugt aus einem anorganischen leitfähigen Ma
terial hergestellt. Die Enden der zweiten Schichten 3′ (4′)
des Heizwiderstands sind schmäler, als die ersten Schichten
3, 4 des Heizwiderstands ausgebildet und stehen in der
Längsrichtung von den Enden der ersten Schichten 3, 4 des
Heizwiderstands vor. Die zweiten Schichten 3′ (4′) des
Heizwiderstands sind mit den bevorzugt aus Wolfram-(W)-
Drähten ausgebildeten Leitungen 5 mittels der vorstehenden
Teile der zweiten Schichten 3′ (4′) des Heizwiderstands
verbunden.
Die aus einem anorganischen leitfähigen Material herge
stellten Elektroden 7 (8), die in eine Mehrzahl von
Schichtteilen unterteilt und mit den anderen Enden der Lei
tungen 5 (6) verbunden sind, sind in dem isolierenden kera
mischen Sinterkörper 2 eingebettet. Die Elektroden 7 (8)
sind teilweise auf der äußeren Umfangsoberfläche des iso
lierenden keramischen Sinterkörpers 2 freiliegend. Die
Spitze oder das vordere Ende des isolierenden keramischen
Sinterkörpers 2 auf den Seiten der ersten Schichten 3, 4
des Heizwiderstands ist generell sphärisch bzw. semisphä
risch ausgebildet, und der Querschnitt des isolierenden ke
ramischen Sinterkörpers 2 ist wenigstens dort, wo die er
sten Heizwiderstände bzw. Schichten 3, 4 darin eingebettet
sind, kreisförmig ausgebildet.
Wenn die äußersten Umfangsteile bzw. -bereiche 21 der er
sten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands, die wenigstens der
oben angegebenen Maximalheizzone 20 entsprechen bzw. wenig
stens dort, wo die oben angegebene Maximalheizzone 20 ist,
innenseitig von der Oberfläche des isolierenden keramischen
Sinterkörpers 2 um eine Entfernung l3 positioniert sind,
welche 6 bis 25% des Außendurchmessers D des isolierenden
keramischen Sinterkörpers 2 wenigstens in der Maximalheiz
zone entspricht, und die Spitzen oder vorderen Enden der
ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands um eine Entfer
nung l4 von 0,3 bis 1,5 mm innenseitig von der Spitze oder
dem vorderen Ende des isolierenden keramischen Sinterkör
pers 2 positioniert sind, kann das Verfahren der Erhitzung
der Spitze oder des vorderen Endes angewandt werden bzw.
wird die Spitze oder das vordere Ende des isolierenden ke
ramischen Sinterkörpers 2 erhitzt, und der Heizer hat eine
Widerstandsfähigkeit oder Beständigkeit gegen große plötz
liche Temperaturänderungen bzw. hohe Wärmestöße, die durch
eine Temperaturdifferenz von 950°C oder mehr bewirkt wer
den, ohne daß die Schnellerhitzungsfunktion verschlechtert
wird.
Wenn die Dauerhaftigkeit des Keramikheizers während eines
Hochbelastungsdauerhaftigkeitstests, der aus vielen Erhit
zungs- und Kühlzyklen besteht, betrachtet oder ermittelt
wird, sollten die vorstehend genannten äußersten Umfangs
teile oder -bereiche 21 vorzugsweise um einen Abstand l3,
welcher 11 bis 24% des Außendurchmessers D des isolierenden
keramischen Sinterkörpers 2 entspricht, innenseitig von der
Oberfläche des isolierenden keramischen Sinterkörpers 2 po
sitioniert sein, und die Spitzen oder vorderen Enden der
ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands sollten vorzugs
weise um einen Abstand l4 von 0,5 bis 1,3 mm innenseitig
von der Spitze oder dem vorderen Ende des isolierenden ke
ramischen Sinterkörpers 2 positioniert sein. Insbesondere
sollten, wenn das Verhältnis bzw. die Größe der Zunahme des
Widerstandswerts der Widerstände betrachtet wird, die vor
stehend genannten äußersten Umfangsteile oder -bereiche 21
besonders bevorzugt um einen Abstand l3, welcher 16 bis 19%
des Außendurchmessers D des isolierenden keramischen Sin
terkörpers 2 entspricht, innenseitig von der Oberfläche des
isolierenden keramischen Sinterkörpers 2 positioniert sein,
und die Spitzen oder vorderen Enden der ersten Schichten 3,
4 des Heizwiderstands sollten besonders bevorzugt in einem
Abstand l4 von 0,8 bis 1,2 mm positioniert sein.
Andererseits sollte die Oberflächenrauhigkeit des isolie
renden keramischen Sinterkörpers 2 in dem Teil oder Be
reich, der wenigstens des oben genannten Maximalerhitzungs
zone 20 entspricht, so klein wie möglich sein. Da eine be
sonders kleine Oberflächenrauhigkeit entsprechend hohe
Schleifkosten verursacht, sollte im Hinblick auf die
Schleifkosten die Oberflächenrauhigkeit vorzugsweise in dem
Bereich von 0,4 bis 3,0 µm Rmax sein. Im Hinblick auf die
Festigkeit sollte die Oberflächenrauhigkeit bevorzugter in
dem Bereich von 0,6 bis 1,8 µm Rmax sein. Weiterhin sollte
die Oberflächenrauhigkeit im Hinblick auf Widerstandsfähig
keit gegen plötzliche Temperaturänderungen oder Wärmestöße
am bevorzugtesten in dem Bereich von 0,8 bis 1,5 µm Rmax
sein.
Es ist erforderlich, daß der Widerstandswert des anorgani
schen leitfähigen Materials für die Elektroden 7 (8) nied
riger als jener des Materials für die Schichten 3, 4 des
Heizwiderstands ist. Darüberhinaus sollten die Elektroden 7
(8) vorzugsweise in eine Mehrzahl von Teilen unterteilt
sein. Abgesehen hiervon kann die Anzahl der Elektroden 7
(8) gleich jener der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands
sein. Anstelle einer solchen Mehrschichtstruktur kann für
die Elektroden 7 (8) auch eine Einschichtstruktur verwendet
werden, indem eine Mehrzahl von Schichten mittels Durchgangslöchern
oder dergleichen elektrisch verbunden wird.
Die Fig. 19 ist eine Horizontallängsschnittansicht, welche
den Hauptabschnitt eines Beispiels eines Keramikheizers ge
mäß der vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung in seiner Anwendung
als Selbstsättigungsglühkerze zeigt, die zur Verstärkung
des Startens eines Dieselmotors verwendet wird.
In der in Fig. 19 gezeigten Selbstsättigungsglühkerze um
faßt der Keramikheizer 1 zwei Schichten 3, 4 eines Heizwi
derstands, der aus einem anorganischen leitfähigen Material
hergestellt ist, sowie Leitungen 5 (6), die mit den Enden
der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands verbunden sind, und
Elektroden 7 (8), die eine Mehrzahl von unterteilten
Schichtteilen haben und mit den Leitungen 5 (6) verbunden
sind, wobei die Schichten des Heizwiderstands, die Lei
tungsdrähte und die Elektroden in einem isolierenden kera
mischen Sinterkörper 2 eingebettet sind. Auf dem Keramik
heizer 1 ist ein zylindrisches Rohr 14 angebracht, das
einen kreisförmigen Querschnitt hat und durch Hartlötung
mit den einen Elektroden 7 (8), die durch Schleifen der
Seitenoberfläche des Keramikheizers 1 freigelegt sind, ver
bunden ist, so daß das Rohr als einer der Elektrodenan
schlüsse fungieren kann. Weiterhin ist eine Elektrode 16
mit den an einem Ende des Keramikheizers 1 freiliegenden
anderen Elektroden 7 (8) so verbunden, daß das Rohr 14 au
ßen daran vorbeigeht, und diese Elektrode 16 als der andere
Elektrodenanschluß fungieren kann. Der Keramikheizer wird
dann in einen Halter 15 eingesetzt, und die Elektroden wer
den elektrisch mit entsprechenden Anschlüssen dieses Hal
ters so verbunden, daß die positive und negative Elektrode
voneinander isoliert sind, so daß auf diese Weise eine
Selbstsättigungsglühkerze ausgebildet wird.
In der vorstehend angegebenen Glühkerze sollte die Dicke
der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands vorzugsweise in dem
Bereich von 2,3 bis 150 µm wenigstens in der Maximalerhit
zungszone 20 sein, um einen Ausfall, Defekt, Bruch o. dgl.
in den Schichten des Heizwiderstands während der Herstel
lung zu verhindern. Insbesondere sollte, um Schwierigkei
ten, wie Riß-, Sprung-, Spalt- o. dgl. -erzeugung in oder
an den Schichten 3, 4 des Heizwiderstands während des Sin
terns der Schichten des Widerstands in einen Körper zu ver
hindern, die Dicke der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands
bevorzugter in dem Bereich von 8 bis 53 µm wenigstens in
der Maximalerhitzungszone sein.
Bevor über die Beurteilung des Keramikheizers 1 der vierten
besonderen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung
Angaben gemacht werden, sei eine bevorzugte Art und Weise
von dessen Herstellung angegeben: In der gleichen Art und
Weise, wie es das weiter oben beschriebene Hersteilungsver
fahren MS ist, wurden flache grüne oder ungebrannte Kera
mikkörper (entsprechend den Bezugszeichen 9, 10 und 11 in
Fig. 3), die hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestanden,
zunächst mittels eines bekannten Formungsverfahrens, wie
beispielsweise eines Preßformungsverfahrens, unter Verwen
dung von Granulat oder Pulver hergestellt, das durch Hinzu
fügen und Mischen von Yttriumoxid (Y₂O₃) oder eines Oxids
eines Seltene-Erde-Elements als ein Sinterhilfsmittel zu
Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Pulver hoher Reinheit hergestellt
worden war.
Als nächstes wurde Lösungsmittel zu einer spezifizierten
Mischung von pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und pulver
förmigem Siliciumnitrid (Si₃N₄) hinzugefügt, um eine Paste
herzustellen. Unter Verwendung der Paste wurden ein gene
rell U-förmiges Muster 4 (das verschiedene Dimensionen für
eine Mehrzahl von Proben hatte), welches auf der Basis ei
nes Auslegungswiderstandswerts bestimmt worden war, und Mu
ster 4′ (siehe Fig. 11), die schmälere vorspringende Teile
hatten und auf die Enden des generell U-förmigen Musters
laminiert waren, aufeinanderfolgend auf der Oberfläche des
grünen oder ungebrannten Keramikkörpers 9 mittels eines
Siebdruckverfahrens ausgebildet. Der Abstand von der Sei
tenoberfläche des grünen oder ungebrannten Keramikkörpers 9
zu den äußersten Umfangsteilen oder -bereichen der vorge
nannten Muster wurde für eine Mehrzahl von Proben auf ver
schiedene Werte festgelegt.
Andererseits wurden unter Verwendung einer Paste, die aus
85 Gew.-% von pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und 15
Gew.-% von pulverförmigem Siliciumnitrid (Si₃N₄) herge
stellt worden war, vier Muster, die eine Breite von etwa
0,7 mm und eine Dicke von etwa 70 µm hatten, parallel auf
den Endoberflächen des vorgenannten grünen oder ungesintert
Keramikkörpers 9 auf der der Schicht 4 des Heizwiderstands
entgegengesetzten Seite an vorbestimmten Positionen und
sich bis zu den Seitenoberflächen des grünen oder ungesin
terten Keramikkörpers 9 erstreckend in der gleichen Weise,
wie oben beschrieben, ausgebildet.
Weiterhin kann Bornitrid (BN), wenn und soweit notwendig,
zu der für die vorgenannten Schichten 3, 4 des Heizwider
stands und die Elektroden 7, 8 verwendeten Paste hinzuge
fügt werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Paste
auf denjenigen des isolierenden keramischen Sinterkörpers 2
einzustellen.
Als nächstes wurden aus Wolfram (W)-Drähten von 0,25 mm
Durchmesser ausgebildete Leitungen 6 zwischen dem grünen
oder ungebrannten Keramikkörper 9 und einem grünen oder un
gebrannten Keramikkörper 10 plaziert, von denen beide die
ersten Schichten 3, 4 des Heizwiderstands und die Elektro
den 7, 8, die auf jede Oberfläche derselben gedruckt waren,
hatten, und zwar so, daß die Leitungen mit den vorgenannten
generell-U-förmigen Schichten 3, 4 des Heizwiderstands und
die Elektroden 7, 8 mittels der zweiten Schichten 3′, 4′
des Heizwiderstands verbunden wurden, welche auf den gene
rell U-förmigen Schichten des Heizwiderstands bzw. auf de
ren Endbereichen ausgebildet und darauflaminiert waren,
wobei die ersten und vorzugsweise auch die zweiten Schich
ten des Heizwiderstands aus einem anorganischen leitfähigen
Material hergestellt worden waren. Weiterhin wurden Leitun
gen, die aus Wolfram (W)-Drähten, gleichartig, wie es die
oben genannten Drähte sind, ausgebildet waren, zwischen dem
grünen oder ungebrannten Keramikkörper 10 und einem dritten
Keramikkörper 11, auf den keine Heizwiderstände und Elek
troden gedruckt waren, plaziert. Diese Struktur wurde unter
Druck bei 1750°C während einer Stunde in einer reduzieren
den Atmosphäre, die Kohlenstoff (C) enthielt, gebrannt.
Durch Schleifen des Umfangs des keramischen Sinterkörpers
2, der die beiden vorstehend angegebenen Schichten 3, 4 des
Heizwiderstands hatte, wurden die Spitze oder das vordere
Ende auf der Seite der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands
sphärisch bzw. semisphärisch und dessen Querschnitt kreis
förmig gemacht, sowie die Endoberflächen der eingebetteten
Elektroden 7, 8 nach den Seitenoberflächen des zylindri
schen Sinterkörpers freigelegt. Auf diese Art und Weise
wurde eine Mehrzahl von Keramikheizern, die einen Durchmes
ser von etwa 3,5 mm und eine Länge von etwa 54 mm hatten,
hergestellt.
Ein metallischer Film aus Nickel (Ni) o. dgl. wurde auf we
nigstens den freiliegenden Teilen der Elektroden des Kera
mikheizers durch ein Metallisierungs- oder Plattierungs-
bzw. Galvanisierungsverfahren ausgebildet. Ein zylindri
sches Halterohr 14 wurde so auf dem Keramikheizer ange
bracht, daß das Rohr mit je einer der nach den Seitenober
flächen des Keramikheizers frei liegenden Elektroden verbun
den wurde. Das Rohr wurde mit der jeweiligen Elektrode
durch Silberlötung in einer reduzierenden Atmosphäre ver
bunden, um als die negative Elektrode zu fungieren. Weiter
hin wurde eine aus einem Draht oder eine Kappe ausgebildete
Elektrode 16 mit der jeweils anderen Elektrode durch Sil
berlötung in der gleichen Art und Weise, wie oben beschrie
ben, verbunden, um als die positive Elektrode zu fungieren.
Auf diese Art und Weise wurde eine Mehrzahl von Keramikhei
zern 1 mit jeweils einer positiven und negativen Elektrode
für die Beurteilung hergestellt.
Die oben angegebenen, für die Beurteilung verwendeten Kera
mikheizer 1 wurden dann durch Anlegen einer Gleichspannung
von 11 bis 24 V auf Sättigungstemperaturen erhitzt. Die
Oberflächentemperaturverteilung von der Spitze oder dem
vorderen Ende des Keramikheizers aus, der aus dem zylindri
schen Halterohr heraus freilag, wurde durch ein nichtkon
taktierendes Strahlungsthermometer gemessen, um die Posi
tion der Maximalerhitzungszone 20 zu spezifizieren bzw. zu
bestimmen. Die vorgenannten Keramikheizer, die für die Be
urteilung herangezogen wurden, wurden dann mit Röntgen
strahlen photographiert, und die Entfernung zwischen dem
äußersten Umfang der Schichten 3, 4 des Heizwiderstands in
der Maximalerhitzungszone 20 und der Oberfläche des isolie
renden keramischen Sinterkörpers wurde durch Vergrößern der
photographierten Filmbilder unter Verwendung eines Projek
tors gemessen, so daß dadurch der Abstand l3 im Verhältnis
zum Außendurchmesser D des isolierenden keramischen Sinter
körpers erhalten wurde.
In der gleichen Art und Weise, wie vorstehend beschrieben,
wurde der Abstand l4 zwischen der Spitze oder dem vorderen
Ende des Keramikheizers und den Spitzen oder vorderen Enden
der eingebetteten Schichten des Heizwiderstands unter Ver
wendung von Röntgenstrahlenfilmen gemessen, um den Ausle
gungswert festzustellen bzw. zu bestätigen.
Andererseits wurde die Oberflächenrauhigkeit der Seiten
oberfläche, welche wenigstens die Maximalerhitzungszone der
vorstehend angegebenen Keramikheizer umfaßte, für die Beur
teilung in der Längsrichtung in Einheiten von Rmax gemäß
dem JIS-B0601-Standard (wobei JIS der Japanische-Industrie-
Standard ist) gemessen.
Entsprechend den Ergebnissen der Messungen wurden die oben
angegebenen Keramikheizer zum Zwecke der Beurteilung durch
Anlegen einer Gleichspannung von 11 bis 24 Volt erhitzt.
Die Temperatur in der Maximalerhitzungszone wurde durch ein
nichtkontaktierendes Verfahren gemessen. Nachdem festge
stellt worden war, daß ein voreingestellter Temperaturwert
erreicht worden ist, wurde der aus dem zylindrischen Halte
rohr freiliegende Keramikheizer dreimal in ein geschmolze
nes Lotbad getaucht, um eine plötzliche Temperaturänderung
oder einen Wärmestoß, die bzw. der durch die Temperaturdif
ferenz zwischen der Maximalerhitzungszone und dem Lotbad
verursacht wurde, anzuwenden. Der jeweilige Keramikheizer
wurde visuell hinsichtlich des Vorhandenseins oder Nicht
vorhandenseins von Rissen, Sprüngen oder Spalten unter Ver
wendung eines Stereomikroskops geprüft, und er wurde auch
unter Verwendung eines Fluoreszenzflüssigkeitseindringin
spektionsverfahrens geprüft. Proben der Keramikheizer wur
den hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit oder Beständig
keit gegen plötzliche Temperaturänderungen oder Wärmestöße
in Abhängigkeit von den maximalen Temperaturdifferenzwer
ten, bei denen keine Risse, Sprünge oder Spalte verursacht
wurden, beurteilt.
Darüberhinaus wurde durch Anlegen einer Gleichspannung von
11 V an einige Proben der für die Beurteilung verwendeten
Keramikheizer die Zeit gemessen, die von der Zuführung
elektrischer Leistung bis zu einem Anstieg der Temperatur
auf 800°C verging, um die Schnellerhitzungsfunktionen der
Keramikheizer zu beurteilen.
Außerdem wurden die für die Beurteilung verwendeten Kera
mikheizer 10 000 Zyklen eines Hochbelastungsdauerhaftig
keitstests unterworfen, worin jeder Zyklus aus einer Erhit
zungsperiode, in welcher jeder Keramikheizer durch Anlegen
einer Gleichspannung von 11 bis 24 V während 5 Minuten er
hitzt wurde, und einer Zwangskühlperiode, in welcher die
Zuführung elektrischer Leistung gestoppt und Druckluft wäh
rend 2 Minuten auf den Keramikheizer geblasen wurde, be
stand. Die Widerstandswerte der Keramikheizer vor und nach
dem Test wurden gemessen. Eine Mehrzahl von Proben wurde
dem Test unterworfen, um ihre Dauerhaftigkeit zu beurtei
len. Die Proben, die eine Erhöhung des Widerstands von
nicht weniger als 20% verursachten, wurden als ungeeignet
beurteilt.
Die Ergebnisse des Dauerhaftigkeitstests sind in Tabelle 8
wiedergegeben.
Selbstsättigungsglühkerzen, in denen die vorgenannten Kera
mikheizer zur Beurteilung eingebaut waren, wurden in eine
Vier-Zylinder-Dieselmotor-Maschinenbett-Testeinrichtung so
eingesetzt, daß eingespritzter Kraftstoff fähig war, die
freiliegenden Keramikheizer unter verschiedenen Kraftstoff
einspritzwinkeln direkt zu kontaktieren. Die Keramikheizer
wurden durch Anlegen einer Gleichspannung von 14 V erhitzt,
und der Dieselmotor wurde in einem Dauerhaftigkeitstest be
trieben, worin der Motor bei der maximalen Rotationsge
schwindigkeit und bei voller Last während 100 Stunden be
trieben wurde. Es wurde festgestellt, daß die Glühkerzen
angemessen arbeiteten. Als die Keramikheizer nach dem Dau
erhaftigkeitstest einem zerstörungslosen Test ausgesetzt
wurden, wurden keine Abnormalitäten, wie es beispielsweise
Risse, Sprünge, Spalte o. dgl. sind, auf irgendeiner der
Selbstsättigungsglühkerzen festgestellt, in welche Keramik
heizer gemäß der vierten besonderen erfindungsgemäßen Aus
führungsform oder Weiterbildung der Erfindung eingebaut wa
ren.
Sogar als die Keramikheizer gemäß der vierten besonderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der
Erfindung als Zündheizer benutzt wurden, wurde festge
stellt, daß sie eine zwangsweise Zündung sicherstellten und
Sicherheit garantierten, ohne daß Risse, Sprünge, Spalte o. dgl.
aufgrund von plötzlichen Temperaturänderungen bzw.
Wärmestößen verursacht wurden.
Gemäß der Tabelle 8 wurden diejenigen Keramikheizer, die
nicht von den Ansprüchen, welche sich auf die vierte beson
dere erfindungsgemäße Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung beziehen, umfaßt sind, als ungeeignet in dem
Dauerhaftigkeitstest beurteilt, oder sie verursachten uner
wünschte Ergebnisse, d. h. beispielsweise, daß die Schnell
erhitzungsfunktion 4,0 Sekunden überstieg.
Wie oben beschrieben, umfassen die Keramikheizer gemäß der
vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung zwei oder mehr Schichten eines
Heizwiderstands, der aus einem anorganischen leitfähigen
Material hergestellt ist, und Leitungen, die mit den
Schichten des Heizwiderstands verbunden sind, sowie mit den
Leitungen verbundene Elektroden, wobei die Schichten des
Heizwiderstands, die Leitungen und Elektroden in einen iso
lierenden keramischen Sinterkörper eingebettet sind. Da der
äußerste Umfang der Schichten des Heizwiderstands, der we
nigstens der Maximalerhitzungszone entspricht, um einen Ab
stand innenseitig von der Oberfläche des isolierenden kera
mischen Sinterkörpers positioniert ist, welcher 6 bis 25%
des Außendurchmessers des isolierenden keramischen Sinter
körpers entspricht, und die Spitzen oder vorderen Enden der
Schichten des Heizwiderstands um 0,3 bis 1,5 mm innenseitig
von der Spitze oder dem vorderen Ende des isolierenden ke
ramischen Sinterkörpers positioniert sind, sowie der Quer
schnitt auf der Seite der Spitze oder des vorderen Endes
von wenigstens der Maximalerhitzungszone aus kreisförmig
ausgebildet ist, kann der Keramikheizer an seiner Spitze
oder seinem vorderen Ende eine gute Erhitzung liefern und
aufrechterhalten, ohne daß seine Schnellerhitzungsfunktion
verschlechtert wird, und er bekommt selbst dann keine
Sprünge, Spalte oder Risse, wenn er plötzlichen Tempera
turänderungen oder Wärmestößen ausgesetzt wird, die durch
signifikant große Temperaturunterschiede während des Be
triebs verursacht werden. Der Keramikheizer kann demgemäß
erheblichen Wärmeeinwirkungen während fortlaufenden Be
triebs über eine lange Zeitdauer hinweg widerstehen. Mit
der vierten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung wird infolgedessen eine
Selbstsättigungsglühkerze für einen Dieselmotor zur Verfü
gung gestellt, welche fähig ist, eine zwangsweise Zündung
sicherzustellen und Sicherheit zu garantieren, und die wei
terhin sicher ist und überragend gut in der Dauerhaftigkeit
und Zuverlässigkeit ist, und außerdem wird in dieser Aus
führungsform oder Weiterbildung der Erfindung ein Keramik
heizer zur Verfügung gestellt, der in idealer Weise für
eine Vielzahl von Erhitzungs- und Zündeinrichtungen geeig
net ist.
Es sei nun nachstehend die fünfte besondere erfindungsge
mäße Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung be
schrieben, und zwar sei zunächst die ihr zugrundeliegende
Problematik anhand des Standes der Technik erläutert:
Ein konventioneller Keramikheizer (siehe die japanische Of
fenlegungs-Patentveröffentlichung Nr. 2-75188, die bereits
in Verbindung mit Fig. 8 erläutert worden ist) ist, wie
z. B. in Fig. 27 gezeigt, vorgeschlagen worden, worin
Nichtoxidkeramik, wie ein Siliciumnitridsinterkörper, die
bzw. der signifikant überragend in der Widerstandsfähigkeit
gegen plötzliche Temperaturänderungen oder Wärmestöße und
in der Hochtemperaturfestigkeit gegenüber anderen Keramiken
ist, für einen Isolator 2 verwendet wird, wobei ein Wider
standsmuster, das einen Heizwiderstand 3 umfaßt, und Lei
tungen 5, die auf den vorgenannten Isolator 2 unter Verwen
dung einer Heizwiderstandspaste gedruckt werden, welche ge
nerell aus einem Metall hohen Schmelzpunkts, wie Wolfram
(W) oder Molybdän (Mo) besteht, oder welche hauptsächlich
aus einer Verbindung solcher Metalle besteht, und in
welchem konventionellen Keramikheizer ein weiterer Isolator
auf dem vorgenannten Isolator laminiert wird, die dann zu
einem Körper gebrannt werden.
Wenn der vorgenannte Keramikheizer für eine Glühkerze eines
Dieselmotors verwendet wird, wird wenigstens die Maximaler
hitzungszone, die mit elektrischer Leistung versorgt wird
und rotglühend ist, allgemein in einer Vorbrennungskammer
des Dieselmotors freiliegend angeordnet, um das Starten des
Motors aufrechtzuerhalten bzw. zu bewirken.
Sofern der Keramikheizer einem Stoß oder mehreren Stößen
dadurch ausgesetzt wird, daß er Stöße oder Schläge erfährt
oder herabfallen gelassen wird, wenn er in den Zylinderkopf
des Motors eingesetzt wird, kann der Keramikheizer bei ei
ner Festigkeit, die nicht mehr als die Bruchfestigkeit des
isolierenden keramischen Sinterkörpers ist, einen oder meh
rere Brüche erfahren, so daß dadurch die Dauerhaftigkeit
herabgesetzt und die Zuverlässigkeit verschlechtert wird.
Mit der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung sollen die vorgenann
ten Schwierigkeiten beseitigt werden. Der Zweck der fünften
erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der
Erfindung ist es, eine Keramikglühkerze zur Verfügung zu
stellen, die in der Dauerhaftigkeit und der Zuverlässigkeit
überragend ist, und in deren Keramikheizer nicht leicht
Brüche durch Stöße verursacht werden, welche unerwartet
oder unbeabsichtigt während der Handhabung der Glühkerze
auf dieselbe ausgeübt werden können.
Wenn der Abstand von der Stelle des Beginns der Verbindung
bzw. Anbringung (Verbindungsbeginnstelle) des für die Befe
stigung des Keramikheizers verwendeten Halterohrs zu den
Ecken in der Nähe der äußeren Umfänge von wenigstens zwei
Schichten des Heizwiderstands, die mit den Leitungsdrähten
verbunden sind, dn ist, der maximale Abstand von der Mitte
des Querschnitts des aus wenigstens den oben erwähnten bei
den Schichten des Heizwiderstands bestehenden bzw. diese
umfassenden Keramikheizers, der die Ecken derselben umfaßt,
zu jeder Ecke Wn ist, die freiliegende Länge des aus den
beiden Schichten des Heizwiderstands zusammengesetzten Ke
ramikheizers bzw. die freiliegende Länge des die beiden
Schichten des Heizwiderstands aufweisenden Keramikheizers
von der Stelle des Beginns der Verbindung bzw. Anbringung
des Halterohrs bis zu der Spitze oder dem vorderen Ende des
Keramikheizers L ist, und der Außendurchmesser oder die
Breite des isolierenden keramischen Sinterkörpers an der
Ecke D ist, erfüllt die Keramikglühkerze gemäß der fünften
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung die nachstehend angegebene Gleichung:
D/2Wn 2(L - dn)/L
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
In der Keramikglühkerze gemäß der fünften besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung wird durch Erfüllen der obigen Gleichung die Beanspru
chung, die durch auf den Keramikheizer angewandte Stöße er
zeugt wird, auf die oben angegebene Stelle des Beginns der
Verbindung konzentriert und beeinträchtigt nicht die im In
neren eingebetteten Heizwiderstände. Der Keramikheizer kann
demgemäß Beanspruchungen widerstehen, welche nahezu so hoch
wie die Bruchfestigkeit des isolierenden keramischen Sin
terkörpers sind. Die Keramikglühkerze ist demgemäß in der
Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit in hohem Maße verbes
sert.
Es sei nun nachstehend die Keramikglühkerze gemäß der fünf
ten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 21
bis 26 der Zeichnungen erläutert, wobei zunächst auf die
Fig. 21 bis 24 Bezug genommen wird:
Die Fig. 21 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die
den Hauptabschnitt eines Beispiels einer Keramikglühkerze
gemäß der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung veranschaulicht, wo
bei Teile weggeschnitten sind; und die Fig. 22 bis 24
sind Horizontallängsschnittansichten der Hauptabschnitte
von anderen Beispielen der Keramikglühkerze gemäß der fünf
ten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung, worin die Enden der Heizwider
stände der Keramikglühkerze in der Form unterschiedlich
ausgebildet bzw. verändert sind, und worin die durchs das
Halterohr festgesetzte Stelle des Beginns der Verbindung
(des Halterohrs mit dem Keramikheizer) ebenfalls unter
schiedlich vorgesehen oder verändert ist.
Die vorgenannte Stelle des Beginns der Verbindung wird
nachstehend auch als Verbindungsbeginnstelle bezeichnet.
Es sei nun auf die Fig. 21 bis 24 Bezug genommen, worin
mit 12 eine Keramikglühkerze bezeichnet ist, in welcher ein
Keramikheizer 1 generell U-förmige Heizwiderstände 3 (4)
umfaßt, die aus einem anorganischen leitfähigen Material
hergestellt sind, sowie Leitungsdrähte 5 (6), die mit den
Enden der Heizwiderstände verbunden sind, wobei die Heizwi
derstände und die Leitungsdrähte in einem isolierenden ke
ramischen Sinterkörper 2 eingebettet sind. Der Keramikhei
zer 1 ist mit einem zylindrischen Halte- bzw. Trägerrohr 14
befestigt, welches mit einem zylindrischen Kopfhalter 15
verbunden ist, wobei ein Löt- bzw. Hartlötmaterial 13 zwi
schen den Keramikheizer und das Halte- bzw. Trägerrohr ein
gefügt ist.
Wenn der Abstand von der Verbindungsbeginnstelle 22 des
Halte- oder Trägerrohrs 14 zu der Ecke 23 in der Nähe des
äußeren Umfangs von wenigstens zwei generell U-förmigen
Heizwiderständen 3 (4), die mit den Leitungsdrähten 5 (6)
verbunden sind, dn ist, sowie der maximale Abstand von der
Mitte 24 des Querschnitts der Heizwiderstände 3 (4), der
die Ecken derselben umfaßt, zu jeder Ecke Wn ist, und wei
terhin die freiliegende Länge des Keramikheizers 1 von der
Verbindungsbeginnstelle 22 zu der Spitze oder dem vorderen
Ende des Keramikheizers L ist, sowie außerdem der Außen
durchmesser oder die Breite des isolierenden keramischen
Sinterkörpers 2 an der Ecke 23 die Größe D hat, erfüllt die
Keramikglühkerze 12 der fünften besonderen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung die nachstehend angegebene
Gleichung:
D/2Wn 2 (L - dn)/L
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
In der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung bezeichnet die Ecke 23
einen ersten Unstetigkeits- bzw. Brechungspunkt, der auf
dem außenseitigen Rand bzw. der außenseitigen Umrandung der
generell U-förmigen Heizwiderstände 3 (4) an den Verbin
dungsstellen in der Nähe der Enden der Heizwiderstände 3
(4), die mit den Leitungsdrähten 5 (6) verbunden sind, aus
gebildet ist. Spezieller bezeichnet die Ecke in den Fig. 21,
22 und 23 den ersten Unstetigkeits- bzw. Brechungs
punkt, in welchem sich der außenseitige Rand bzw. die au
ßenseitige Umrandung nach rückwärts verengt, und in Fig. 24
bezeichnet die Ecke das Ende des Heizwiderstands, d. h.
den ersten Brechungs- bzw. Unstetigkeitspunkt (auf der nach
außen gewandten Seite der Schicht 3 bzw. 4).
In der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung bezeichnet die Mitte 24
des die Ecken umfassenden Querschnitts einen Punkt, der auf
der Mittellinie des isolierenden keramischen Sinterkörpers
in dem die generell U-förmigen Heizwiderstände 3 (4) ent
haltenden Querschnitt positioniert ist.
Die Fig. 25 und 26 sind Querschnittsansichten von Kera
mikglühkerzen der fünften besonderen erfindungsgemäßen Aus
führungsform oder Weiterbildung der Erfindung, worin wenig
stens zwei Schichten des Heizwiderstands eingebettet sind.
Die Horizontallängsschnittansichten der Keramikglühkerzen
sind die gleichen, wie jene der Fig. 21 bis 24. Außerdem
sind die Ecke 23 und die Mitte 24 des vertikalen Quer
schnitts auch in der oben beschriebenen Art und Weise defi
niert.
Die Fig. 25 und 26 sind typische Querschnittsansichten
eines in dem isolierenden keramischen Sinterkörper 2 ein
gebetteten Keramikheizers 1, wobei das Verhältnis von d/D
in dem Bereich von 0,3 bis zu 0,9 eingestellt ist, wenn der
Durchmesser des durch die strichpunktierte Linie darge
stellten Kreises, der wenigstens zwei aus einem anorgani
schen leitfähigen Material hergestellte Schichten 3, 4 des
Heizwiderstand umschließt, d ist, und der Außendurchmesser
oder die Breite des isolierenden keramischen Sinterkörpers
2 die Größe D hat.
In der obigen Beschreibung von Keramikheizern der fünften
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung sind detailliert solche Keramikheizer
angegeben, die einen kreisförmigen oder rechteckigen Quer
schnitt haben. Der Querschnitt des Keramikheizers kann auch
andere Formen besitzen, z. B. eine elliptische oder ovale
Form.
Bevor Angaben über die Beurteilung der Keramikglühkerze ge
mäß der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungs
form oder Weiterbildung der Erfindung gemacht werden, sei
nachstehend angegeben, daß hierfür Keramikheizer, welche
Durchmesser von 2,6 mm, 3,0 mm und 3,4 mm sowie eine Länge
von etwa 54 mm hatten, in der gleichen Art und Weise unter
Anwendung des Herstellungsverfahrens MS, wie es bereits
weiter oben beschrieben worden ist, hergestellt wurden.
Als nächstes wurde nach der Herstellung solcher Keramikhei
zer ein metallischer Film aus Nickel (Ni) oder dergleichen
auf dem jeweiligen Keramikheizer ausgebildet. Das Halterohr
wurde so auf dem Keramikheizer angebracht, daß das Rohr mit
je einer der nach den Seitenoberflächen des Keramikheizers
freiliegenden Elektroden verbunden wurde. Das Rohr wurde
mit der jeweiligen Elektrode durch Silberlötung in einer
reduzierenden Atmosphäre verbunden, etc. Auf diese Weise
wurden Keramikglühkerzen für die Beurteilung hergestellt.
Außerdem wurde eine Keramikglühkerze als Vergleichsbeispiel
hergestellt, bei der das Halterohr mit dem gleichen isolie
renden keramischen Sinterkörper, wie er oben beschrieben
ist, verbunden war, in dem aber keine Heizwiderstände ein
gebettet waren.
Als nächstes wurde das Halterohr der für die Beurteilung
vorgesehenen, oben angegebenen Keramikglühkerze gehalten,
und es wurde eine Belastung auf die Spitze oder das vordere
Ende des freiliegenden Keramikheizers angewandt, um einen
Freiträgerbiegetest auszuführen und die Bruchfestigkeit
desselben zu berechnen.
Weiterhin wurde die Bruchbeginnstelle des Keramikheizers
beobachtet. Proben, die beginnend bei der oben angegebenen
Verbindungsbeginnstelle brachen, wurden als S klassifi
ziert, und Proben, welche an den freiliegenden Keramikhei
zern brachen, wurden als H klassifiziert.
Außerdem wurden Proben, die eine Freiträgerbiegefestigkeit
von nicht weniger als 50 kg/mm² hatten und deren Bruchbe
ginnstellen außerdem an den Verbindungsbeginnstellen der
Halterohre lagen, als geeignet beurteilt, wobei eine Abwei
chung von 3a von der Freiträgerbiegefestigkeit und der
Bruchbeginnstelle des Vergleichsbeispiels in Betracht gezo
gen wurde, die vor der Messung der für die Beurteilung vor
gesehenen Keramikglühkerzen gemessen wurden. Andere Proben
als jene wurden als ungeeignet beurteilt.
Die oben angegebene Verbindungsbeginnstelle und die Ecken
in der Nähe des äußeren Umfangs an den Spitzen der Heizwi
derstände wurden durch Röntgenstrahlfilmbilder unter Ver
wendung eines vergrößernden Projektors überprüft. Die Werte
von D, Wn, L und dn wurden gemessen, um festzustellen bzw.
sich zu vergewissern, daß sie mit den Auslegungsdimensionen
konform sind.
Die Ergebnisse der obigen Beurteilung sind in den Tabellen
9 und 10 angegeben.
Gemäß den in den Tabellen 9 und 10 angegebenen Ergebnissen
wurde die Beziehung zwischen D/2Wn und 2(L - dn)/L in Fig.
28 dargestellt. Proben, die von den Ansprüchen, welche auf
die fünfte besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung gerichtet sind, umfaßt werden, sind durch ⚫
dargestellt, und Proben, die außerhalb dieser Ansprüche
liegen, sind durch × dargestellt.
Gemäß den Tabellen 9 und 10 wurden Proben, welche die Be
ziehung D/2Wn 2(L - dn)/L nicht erfüllten, als ungeeignet
beurteilt, da ihre Bruchbeginnstellen auf den Keramikhei
zern waren. Im Gegensatz zu diesen Proben wurden alle Pro
ben, die von den Ansprüchen umfaßt sind, welche auf die
fünfte besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung gerichtet sind, als geeignet be
funden.
Darüberhinaus wurden Selbstsättigungsglühkerzen, die durch
Verbinden von Haltern für die Anbringung von Glühkerzen auf
Zylinderköpfen mit den oben erwähnten Keramikglühkerzen
bzw. Keramikheizen hergestellt worden waren, nachdem sie
zum Zwecke der Beurteilung aus einer vorbestimmten Höhe auf
einen Betonboden fallengelassen worden waren, in eine Vier-
Zylinder-Dieselmotor-Maschinenbett-Testeinrichtung bei ei
nem vorbestimmten Drehmoment unter Verwendung eines Drehmo
mentschlüssels so eingesetzt, daß eingespritzter Kraftstoff
in der Lage war, die freiliegenden Keramikheizer unter ver
schiedenen Kraftstoffeinspritzwinkeln direkt zu kontaktie
ren, und der Dieselmotor wurde in einem Dauerhaftigkeits
test -betrieben, indem er bei der maximalen Drehgeschwindig
keit und Vollast während 100 Stunden betrieben wurde. Wäh
rend des Tests wurde festgestellt, daß die Glühkerzen gemäß
der fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung angemessen arbeiteten und
die freiliegenden Keramikheizer derselben nicht gebrochen
worden waren. Sogar dann, als die Keramikheizer gemäß der
fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung einem zerstörungsfreien Test
nach dem Dauerhaftigkeitstest unterworfen wurden, wurden
keine Abnormalitäten, wie Risse, Sprünge, Spalte o. dgl.
auf irgendeiner der Glühkerzen festgestellt.
Wie oben angegeben, erfüllt die Keramikglühkerze gemäß der
fünften besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung die positionelle Beziehung zwi
schen dem Keramikheizer an der Verbindungsbeginnstelle, an
der wenigstens zwei Schichten des Keramikheizers an dem
Halterohr befestigt sind und den Heizwiderständen, die in
dem Keramikheizer eingebettet sind, die nachstehend angege
bene Gleichung:
D/2Wn 2(L - dn)/L
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
Bei dieser Struktur erfährt der Keramikheizer der Glühkerze
nicht leicht Brüche durch Stöße, welche unerwartet oder un
beabsichtigt während der Glühkerzenhandhabung auf die Glüh
kerze ausgeübt werden. Der Keramikheizer kann demgemäß sol
chen Stößen, wie auch Wärmestößen bzw. plötzlichen Tempera
turänderungen während eines fortgesetzten Betriebs über
eine lange Zeitdauer hinweg standhalten. Mit der fünften
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung wird demgemäß eine Selbstsättigungs
glühkerze für einen Dieselmotor zur Verfügung gestellt, die
fähig ist, eine zwangsweise Zündung sicherzustellen und Si
cherheit zu garantieren, die weiterhin sicher und in der
Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit überragend ist.
Es sei nun die sechste besondere erfindungsgemäße Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung erläutert, mit
welcher die unten beschriebenen Verbesserungen erzielt wer
den:
Als ein isolierender keramischer Sinterkörper wird häufig
ein Siliciumnitrid-Sinterkörper verwendet, da er in der
thermischen Widerstandsfähigkeit, in der Widerstandsfähig
keit gegen plötzliche Temperaturänderungen bzw. Wärmestöße
und in der Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation überragend
ist. Jedoch neigt ein solcher Siliciumnitrid-Sinterkörper
als solcher bzw. selbst dazu, Risse, Sprünge, Spalte o. dgl.
aufgrund eines Unterschieds in der Wärmeausdehnung
zwischen dem Siliciumnitrid-Sinterkörper und darin einge
betteten Heizwiderständen zu verursachen. Außerdem wird,
wenn ein solcher Keramikheizer, der einen Siliciumnitrid-
Sinterkörper und Heizwiderstände umfaßt, durch Anwendung
von elektrischer Leistung auf 1000°C oder mehr erhitzt
wird, die Festigkeit des Siliciumnitrid-Sinterkörpers wegen
einer Erweichung der Korngrenzenphase des Sinterkörpers
verschlechtert, und außerdem wird die Struktur desselben
wegen einer Ionenbewegung in der Korngrenzenphase ver
schlechtert, da die Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-
Sinterkörpers generell aus Glaskomponenten gebildet ist.
Infolgedessen bekommt der Isolator des Keramikheizers
Risse, Sprünge, Spalte o. dgl., und/oder der Siliciumni
trid-Sinterkörper des Isolators wird oxidiert, so daß sich
dadurch die Widerstandswerte der Heizwiderstände ändern und
schließlich ein Ausfall der Heizwiderstände verursacht
wird.
Um die vorgenannten Nachteile auszuschalten, wurden die Ar
ten und Mengen von hinzuzufügenden Sinterhilfsmitteln in
verschiedenster und umfangreicher Weise untersucht. Auf
grund solcher Untersuchungen ist vorgeschlagen worden
(siehe die japanische Offenlegungs-Patentveröffentlichung
Nr. 1-313362), die Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-Sin
terkörpers zu kristallisieren.
Wenn MoSi₂ als ein Sinterhilfsmittel zur Verminderung des
Unterschieds in der Wärmeausdehnung zwischen dem Silicium
nitrid-Sinterkörper und den Heizwiderständen verwendet
wird, neigen jedoch die Heizwiderstände selbst bzw. als
solche dazu, siliziert zu werden, wenn die eingebetteten
Heizwiderstände zusammen mit dem Siliciumnitrid-Sinterkör
per bzw. dem Siliciumnitridkörper zu einem Körper gesintert
werden. Infolgedessen können die silizierten Teile oder Be
reiche der Heizwiderstände in kurzer Zeit während des Zu
führens elektrischer Leistung und des Betriebs Risse,
Sprünge, Spalte o. dgl. erhalten, so daß dadurch eine Ände
rung im Widerstandswert bewirkt und schließlich die Dauer
haftigkeit verschlechtert wird.
Abgesehen hiervon werden heutigentags Keramikheizer unter
schwereren, härteren und/oder rauheren Betriebsbedingungen
und in oxidierenderen Atmosphären verwendet. Wenn ein Kera
mikheizer, der auf bzw. in einem Isolator ausgebildet ist,
welcher aus einem Siliciumnitrid-Sinterkörper besteht, der
eine kristallisierte Korngrenzenphase hat, bei hohen Tempe
raturen von 1000°C oder mehr für Glühkerzen von Brennkraft
maschinen und in verschiedenen Zünd- und Erhitzungseinrich
tungen verwendet wird, wird der Keramikheizer generell auf
eine Temperatur zwischen 1000 und 1300°C zum Zeitpunkt der
Zündung erhitzt. Weiterhin kann der Keramikheizer sogar auf
höhere Temperaturen, die 1350°C übersteigen, erhitzt wer
den, wenn er Zündflammen ausgesetzt ist. Da diese Erhit
zungs- und Kühlzyklen fortlaufend wiederholt werden, wird
bei Heizwiderständen, die aus einem anorganischen leitfähi
gen Material hergestellt sind, welches in dem Isolator ein
gebettet ist, mit der Zeit eine Erhöhung des Widerstands
werts bewirkt, d. h., der Widerstandswert kann in einer kur
zen Zeit um mehr als 10% zunehmen, so daß dadurch schließ
lich ein Ausfall der Heizwiderstände verursacht wird. Au
ßerdem neigt der Siliciumnitrid-Sinterkörper selbst bzw.
als solcher dazu, oxidiert zu werden. Der Keramikheizer
wird daher in seiner Dauerhaftigkeit minderwertig.
Die sechste besondere erfindungsgemäße Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung ist entwickelt worden, um die
vorgenannten Nachteile auszuschalten. Der Zweck der sech
sten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung ist es, einen Keramikheizer zur
Verfügung zu stellen, welcher Heizwiderstände enthält, die
nicht leicht siliziert werden, wenn sie mit einem Silicium
nitrid-Sinterkörper bzw. Siliciumnitridkörper zu einem Kör
per gesintert werden. Der weitere Zweck der sechsten beson
deren erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung ist es, einen Keramikheizer zur Verfügung zu
stellen, der in hohem Maße dauerhaft ist, der keine signi
fikante Erhöhung des Widerstandswerts, keinen Ausfall,
Bruch, Defekt o. dgl. der Heizwiderstände selbst sowie keine
Risse, Sprünge, Spalte o. dgl. in dem Isolator der Keramik
heizer und/oder keine Oxidation des Siliciumnitrid-Sinter
körpers verursacht, selbst wenn die erhaltenen bzw. herge
stellten Keramikheizer schnell von Raumtemperatur auf eine
hohe Temperatur von etwa 1000°C wiederholt während einer
langen Zeitdauer erhitzt werden, und/oder selbst wenn die
Keramikheizer fortlaufend während einer langen Zeitdauer
bei hohen Temperaturen von 1000°C oder mehr betrieben wer
den.
Die Erfinder der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Aus
führungsform oder Weiterbildung der Erfindung haben viele
und die verschiedensten Untersuchungen aus dem Gesichts
punkt heraus durchgeführt, daß die Erzeugung von Silicium
beim Brennvorgang verhindert werden muß, um zu verhindern,
daß eingebettete Heizwiderstände siliziert werden, und daß
die Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-Sinterkörpers nur
aus der Kristallphase hohen Schmelzpunkts bestehen darf, um
eine Erhöhung des Widerstandswerts der Keramikheizer zu be
schränken und die Dauerhaftigkeit der Keramikheizer bei ho
hen Temperaturen zu verbessern. Als ein Ergebnis der vielen
und verschiedensten Untersuchungen haben die Erfinder ge
funden, daß die Erzeugung von Silicium dadurch verhindert
oder im wesentlichen verhindert werden kann, daß man die
Kristalle von Mo4,8Si₃C0,6 und MoSi₂ in der Korngrenzen
phase des Siliciumnitrid-Sinterkörpers coexistieren läßt,
und daß die Erhöhung des Widerstandswerts des Keramikhei
zers dadurch entscheidend beschränkt werden kann, daß Mono
silicat, welches durch RE₂O₃ · SiO₂ (vorliegend wird mit RE
ein Element der Gruppe 3a des periodischen Systems bezeich
net) repräsentiert wird, in der Kristallphase vorhanden
ist, die in der Korngrenze des Siliciumnitrid-Sinterkörpers
existiert, bevor der Sinterkörper bzw. der Körper der Wärme
bzw. Hitze ausgesetzt wird. Diese Entdeckungen führten zu
der Entwicklung der sechsten besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung.
Spezieller ist es so, daß in dem Keramikheizer gemäß der
sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung die Korngrenzenphase des Sili
ciumnitrid-Sinterkörpers, welcher ein Isolator ist, in den
die aus anorganischem leitfähigem Material hergestellten
Heizwiderstände eingebettet sind, sowohl Kristalle von
Mo4,8Si₃C0,6 als auch von MoSi₂ enthält, und die aus Sili
cat von RE bestehende Kristallphase, die in der Korngrenze
existiert, bevor der Körper der Wärme bzw. Hitze ausgesetzt
wird, Monosilicat enthält, das dargestellt wird durch
RE₂O₃ · SiO₂.
Das Molverhältnis von SiO₂ zu RE₂O₃, welches in dem Silici
umnitrid-Sinterkörper enthalten ist, ist in dem Bereich von
0,8 bis 1,8, oder Al₂O₃, das in dem Siliciumnitrid-Sinter
körper enthalten ist, ist in dem Bereich von 0,5 bis 1,0
Gew.-%, oder RE des Monosilicats, das dargestellt wird
durch RE₂O₃ · SiO₂, ist Yb, Y, Ho, Er oder Lu.
In dem Keramikheizer gemäß der sechsten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfin
dung erfolgt, da die Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-
Sinterkörpers bzw. Siliciumnitridkörpers die Kristalle von
Mo4,8Si₃C0,6 und MoSi₂ enthält, das Fortschreiten des Sin
terns ohne Silizierung der eingebetteten Heizwiderstände,
so daß dadurch der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwi
schen dem Siliciumnitrid-Sinterkörper und den Heizwider
ständen entscheidend herabgesetzt wird.
Außerdem tritt, da die Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-
Sinterkörpers bzw. Siliciumnitridkörpers, bevor er der
Wärme bzw. Hitze ausgesetzt wird, das durch RE₂O₃ · SiO₂ dar
gestellte Monosilicat enthält, welches einen Schmelzpunkt
hat, der höher als jener von Disilicat, das dargestellt
wird durch RE₂O₃ · 2SiO₂, ist, und welches auch einen gerin
geren Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Mono
silicat und dem Siliciumnitrid-Sinterkörper hat sowie in
der Wärmebeständigkeit überragend ist, die Bewegung von Io
nen während der Zuführung von elektrischer Leistung kaum
oder nur sehr schwer auf, selbst wenn Erhitzung und Kühlung
während einer langen Zeitdauer wiederholt werden. Infolge
dessen wird kaum eine Änderung im Widerstandswert erzeugt,
und die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen sowie die
Oxidationsbeständigkeit des Keramikheizers sind ausgezeich
net und werden aufrechterhalten. Infolgedessen hat der Ke
ramikheizer angemessene Selbstsättigungstemperaturcharakte
ristika, ohne daß die Schnellerhitzungsfunktion verschlech
tert wird, so daß er dadurch eine verbesserte Dauerhaftig
keit und Zuverlässigkeit besitzt.
Wenn der Siliciumnitrid-Sinterkörper, welcher das oben an
gegebene Monosilicat enthält, einer oxidierenden Atmosphäre
bei einer hohen Temperatur während einer langen Zeitdauer
ausgesetzt wird, diffundiert Sauerstoff durch die Oberflä
che des Siliciumnitrid-Sinterkörpers, und der Siliciumni
trid-Sinterkörper wird oxidiert, wobei Siliciumdioxid
(SiO₂) erzeugt wird. Das Siliciumdioxid SiO₂ kann aufgrund
des Phasengleichgewichts nicht im Gleichgewicht mit
RE₂O₃ · SiO₂ existieren, sondern reagiert mit demselben und
erzeugt RE₂O₃ · 2SiO₂.
Wenn jedoch einmal RE₂O₃ · 2SiO₂ in der Korngrenzenphase in
der Nähe der Oberfläche des Siliciumnitrid-Sinterkörpers
gebildet worden ist, existiert es stabil im Gleichgewicht
mit SiO₂ bis zu hohen Temperaturen hinauf, ohne daß es ir
gendeine Reaktion und/oder Diffusion verursacht. Als Ergeb
nis hiervon ist die Wärmebeständigkeit des Keramikheizers
erheblich verbessert.
Der Keramikheizer gemäß der sechsten besonderen erfindungs
gemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung
sei nun, zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 29 und
30 der Zeichnung, in näheren Einzelheiten erläutert:
Fig. 29 ist eine Horizontallängsschnittansicht, die den
Hauptabschnitt eines Beispiels eines Keramikheizers gemäß
der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung zeigt; und Fig. 30 ist
eine Vertikallängsschnittansicht, die den Hauptabschnitt
eines bzw. des vorgenannten Keramikheizers gemäß der sechs
ten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung veranschaulicht.
Es sei nun im einzelnen auf die Fig. 29 und 30 Bezug ge
nommen, worin mit 1 ein Keramikheizer bezeichnet ist, der
generell U-förmige erste Schichten 3 (4) eines Heizwider
stands umfaßt, der aus zwei parallelen oder nahezu paral
lelen Schichten besteht, die aus einem anorganischen lei
fähigen Material hergestellt sind, sowie zweite Heizwider
stände 3′ (4′) oder zweite Schichten 3′ (4′) des Heizwiderstandes,
die wenigstens teilweise auf die Enden der ersten
Schichten 3 (4) des Heizwiderstandes laminiert sind, ferner
Leitungsdrähte 5 (6), die aus Drähten von hohem Schmelz
punkt ausgebildet und mit den Enden der ersten Schichten 3
(4) des Heizwiderstands mittels der zweiten Heizwiderstände
3′ (4′) bzw. zweiten Schichten 3′ (4′) des Heizwiderstandes
verbunden sind, und Elektroden 7 (8), die in eine Mehrzahl
von Teile unterteilt sind, welche aus einem anorganischen
leitfähigen Material hergestellt und mit den Leitungsdräh
ten 5, 6 verbunden sind, wobei die ersten Schichten 3 (4)
des Heizwiderstands, die zweiten Schichten bzw. Heizwider
stände 3′ (4′), die Leitungsdrähte 5 (6) und die Elektroden
7 (8) in einem Siliciumnitrid-Sinterkörper 2 eingebettet
sind, und wobei die Elektroden 7 (8) an der Umfangsoberflä
che des Siliciumnitrid-Sinterkörpers teilweise nach außen
freiliegen und die Spitze oder das vordere Ende des Kera
mikheizers 1 sphärisch bzw. semisphärisch ausgebildet sowie
der Querschnitt desselben kreisförmig gemacht ist.
Das Molverhältnis von SiO₂ zu RE₂O₃, die in dem Siliciumni
trid-Sinterkörper 2 enthalten sind, sollte vorzugsweise in
dem Bereich von 0,8 bis 1,8 sein, so daß die Korngrenzen
phase einen hohen Schmelzpunkt besitzt bzw. beibehalten
kann und eine überragende Oxidationsbeständigkeit hat.
Um die Oxidationsbeständigkeit des Siliciumnitrid-Sinter
körpers 2 bei hohen Temperaturen von 1400°C und mehr zu
verbessern und die Oxidationsbeständigkeit des Mo4,8Si₃C0,6
in der Korngrenzenphase zu erhöhen, sollte der Gehalt an
Al₂O₃, das in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper enthalten
ist, bevorzugter in dem Bereich von 0,5 bis 1,0 Gew.-%
sein.
Weiterhin sollte das Spitzenintensitätsverhältnis der Kri
stallphase in der Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-Sin
terkörpers 2 bzw. des Siliciumnitridkörpers, bevor er der
Wärme bzw. Hitze ausgesetzt wird, welches durch das Rönt
genstrahlenbeugungsverfahren, wie später beschrieben, iden
tifiziert wird, vorzugsweise nicht weniger als 20% sein,
und es sollte bevorzugter nicht weniger als 25% sein, und
zwar für Monosilicat, das dargestellt wird durch
RE₂O₃ · SiO₂.
Dem durch RE₂O₃ · 2SiO₂ dargestellten Disilicat wird es er
möglicht, mit dem oben angegebenen Monosilicat gemeinsam zu
existieren bzw. zu coexistieren.
Um das oben angegebene Monosilicat zu erzeugen, ist es er
wünscht, daß die Menge an Sauerstoff in den Materialien,
insbesondere die Menge des Sauerstoffs in einem Siliciumni
tridmaterial, sowenig wie möglich vermindert wird, und die
Menge von RE₂O₃, die als ein Sinterhilfsmittel hinzugefügt
werden soll, wird um etwa 10,5 bis 15% erhöht, um die
Si/SiO₂-Atmosphäre so einzustellen, daß die Menge des Sau
erstoffs und des SiO₂ während des Brennens nicht zunimmt.
Das vorstehend angegebene SiO₂ ist sogenannter Überschuß
sauerstoff, der in dem gesinterten Körper existiert. Spe
zieller ist es eine Menge an Sauerstoff, welche Sauerstoff,
der mit Elementen kombiniert bzw. verbunden ist, wenn RE
stöchiometrisch Oxide bildet, von der Gesamtmenge des Sau
erstoffs in dem Sinterkörper ausschließt. Die meiste Menge
des Sauerstoffs ist in dem Siliciumnitridmaterial enthal
ten.
RE₂O₃, das als das oben erwähnte Sinterhilfsmittel hinzuge
fügt werden soll, wird eine flüssige Phase, indem es mit
Siliciumnitridkörnern während des Sinterns zum Fördern des
Sinterns reagiert. Wenn der Zusatz als eine Glasphase nach
dem Kühlen in der Korngrenzenphase zurückbleibt, ver
schlechtert er jedoch die Oxidationsbeständigkeit des Sin
terkörpers. Es ist daher notwendig, den Zusatz als eine
Kristallphase in der Korngrenze durch einen vorbestimmten
Kühlprozeß oder eine vorbestimmte Wärmebehandlung ab- bzw.
einzulagern.
RE, das für die sechste besondere erfindungsgemäße Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung verwendet wird,
sollte Yttrium (Y) oder Lanthanoid bzw. Lanthanoide sein.
Im Hinblick auf die Oxidationsbeständigkeit sollte RE vor
zugsweise Yb, Y, Ho, Er oder Lu sein, das einen kleineren
Ionenradius hat bzw. die einen kleineren Ionenradius haben,
und am meisten bevorzugt sollte es Yb sein.
Als unvermeidbare Verunreinigungen können Al, Ca, 21073 00070 552 001000280000000200012000285912096200040 0002004433505 00004 20954 Mg, Fe,
etc. in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper enthalten sein. Da
diese Elemente dazu neigen, Substanzen von niedrigem
Schmelzpunkt als Oxide zu bilden und die Tendenz haben, die
Hochtemperaturcharakteristika zu verschlechtern, sollte die
Menge derartiger Komponenten vorzugsweise auf nicht mehr
als 0,5 Gew.-%, wenn sie in die Menge von Oxiden umgewan
delt ist, reduziert sein.
Zusätzlich können Carbid, Nitrid, Oxid, Carbonnitrid, Sili
cid, etc. von Elementen der Gruppen 4a, 5a und 6a des peri
odischen Systems, wie TiC, TiN, WC, WO₃, NbC, TaC, MoSi₂,
etc. auch in dem Ausmaß hinzugefügt sein, daß die Charakte
ristika des Siliciumnitrid-Sinterkörpers nicht nachteilig
beeinflußt werden, insbesondere, daß die Kristallisation
der oben angegebenen Korngrenzenphase nicht nachteilig be
einflußt wird, da diese Zusätze den Unterschied in der Wär
meausdehnung zwischen dem Siliciumnitrid-Sinterkörper und
dem Elektrodenmaterial herabsetzen, so daß sie dadurch die
Widerstandsfähigkeit gegen plötzliche Temperaturänderungen
oder Wärmestöße verbessern und als Sinterhilfsmittel wirk
sam sind.
Weiterhin ist die Hauptkomponente der Schichten 3, 4 des
Heizwiderstands oder der Elektroden 7, 8, die aus einem an
organischen leitfähigen Material hergestellt sind, ein Me
tall hohen Schmelzpunkts, wie Wolfram (W), Molybdän (Mo)
oder Rhenium (Re) oder eine ihrer Legierungen, oder ein
Carbid oder ein Nitrid der Elemente der Gruppen 4a, 5a und
6a des periodischen Systems, wie Wolframcarbid (WC), Titan
nitrid (TiN) oder Zirkonborid (ZrB₂). Insbesondere wird
Wolframcarbid (WC) bevorzugt, da es nur einen kleinen Un
terschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Komponente,
die als ein anorganisches leitfähiges Material verwendet
wird, und dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ergibt, und da es
in der Beständigkeit gegen plötzliche Temperaturänderungen
oder Wärmestöße und in der Stabilität überragend ist.
Andererseits sollten die Leitungsdrähte 5, 6 zum Zwecke ei
ner höheren Leitfähigkeit aus einem Metall hohen Schmelz
punkts hergestellt sein, d. h. aus Wolfram (W), Molybdän
(Mo) oder Rhenium (Re), oder aus einer ihrer Legierungen.
Insbesondere ist Wolfram (W) wegen leichterer Formgestal
tung bzw. Verarbeitbarkeit ideal geeignet.
Die Spitze oder das vordere Ende des Keramikheizers 1 ist
generell sphärisch bzw. semisphärisch ausgebildet, und ihr
Querschnitt ist kreisförmig gemacht, so daß sich die Maxi
malerhitzungszone in der Nähe der Spitze oder des vorderen
Endes befindet und der äußere Umfang des Keramikheizers
wirksam und gleichförmig erhitzt wird. Die Ausbildung der
Spitze bzw. des vorderen Endes ist jedoch nicht auf diese
Form beschränkt.
Bevor die Beurteilung des Keramikheizers gemäß der sechsten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung beschrieben und erläutert wird, sei
zunächst angegeben, in welcher Weise ein solcher -Keramik
heizer vorliegend hergestellt worden ist:
Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Pulver, das nicht mehr als 1,5
Gew.-% Sauerstoff als unvermeidbare Verunreinigung
enthielt, mit einer spezifischen Oberfläche von 7 bis 15
m²/g und das weiterhin nicht mehr als 0,05 Gew.-% an metal
lischen Verunreinigungen enthielt, wurde mit einem Oxid ei
nes Elements der Gruppe 3a des periodischen Systems, Alumi
niumoxid (Al₂O₃) und Molybdänsilicid (MoSi₂) als Sinter
hilfsmitteln, welche so abgewogen worden waren, daß der
Sinterkörper die in den Tabellen 11 und 12 angegebenen Zu
sammensetzungen hatte, gemischt. Unter Verwendung des er
haltenen Granulats oder Pulvers wurden flache grüne oder
ungebrannte Keramikkörper (siehe Fig. 3), die hauptsäch
lich aus Siliciumnitrid bestanden, mittels eines bekannten
Formungsverfahrens, beispielsweise mittels des Preßfor
mungsverfahrens, hergestellt. Die Mengen an Molybdänsilicid
in den Sinterkörperzusammensetzungen, die in den Tabellen
11 und 12 angegeben sind, sind die Summen der Mengen von
Mo4,8Si₃C0,6 und MoSi₂.
Als nächstes wurde ein Lösungsmittel zu einer Mischung aus
80 Gew.-% von pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und 20
Gew.-% von pulverförmigem Siliciumnitrid (Si₃N₄) hinzuge
fügt, um eine Paste herzustellen. Unter Verwendung der Pa
ste wurden die Heizwiderstände 3, 4, die eine Dicke von
etwa 40 µm hatten, auf den Oberfläche von zwei unterschied
lichen grünen oder ungebrannten Keramikkörpern 9, 10 mit
tels eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen so ausge
bildet, daß die Widerstandsschicht ein generell U-förmiges
Muster hatte und die Spitze oder das vordere Ende des Mu
sters jeweils innerhalb von 5 mm von der Spitze oder dem
vorderen Ende des keramischen Sinterkörpers aus gelegen
war.
Nachfolgend wurden unter Verwendung der aus 85 Gew.-% von
pulverförmigem Wolframcarbid (WC) und 15 Gew.-% von pulver
förmigem Siliciumnitrid (Si₃N₄) zusammengesetzten Paste die
Heizwiderstände 3′, 4′, die eine Dicke von etwa 40 µm
hatten, ausgebildet und teilweise auf die Enden des
Heizwiderstands 3 bzw. 4 laminiert.
Andererseits wurden unter Verwendung der Paste, die die
gleiche Zusammensetzung wie jene für den Heizwiderstand 3,
4 hatte, die vier Muster der Elektrode 7 und 8, die eine
Breite von etwa 0,7 mm und eine Dicke von etwa 70 µm besa
ßen, parallel auf der anderen Endoberfläche des grünen oder
ungebrannten Keramikkörpers 10 bzw. 9 in vorbestimmten Po
sitionen und so, daß sie sich bis zu den Seitenoberflächen
des grünen oder ungebrannten Keramikkörpers 10 bzw. 9 er
streckten, in der gleichen Art und Weise, wie oben be
schrieben, ausgebildet.
Als nächstes wurden auf dem grünen oder ungebrannten Kera
mikkörper 9, auf den die Schichten 4, 4′ des Heizwider
stands und die Elektroden 8 aufgedruckt worden waren, in
der gleichen Weise, wie oben beschrieben, Wolfram (W)-
Drähte 6 von 0,25 mm Durchmesser so plaziert, daß die
Drähte mit den Heizwiderständen 4′ und den Elektroden 8
verbunden wurden. Nach dieser Laminierung wurde der vorge
nannte grüne oder ungebrannte Keramikkörper 10 auf den Ke
ramikkörper 9 in der in Fig. 3 gezeigten grundsätzlichen
Art und Weise laminiert, und es wurden andere Wolframdrähte
5 auf dem grünen oder ungebrannten Keramikkörper 10 so pla
ziert, daß die Drähte mit den Heizwiderständen 3′ und den
Elektroden 7 verbunden wurden. Der grüne oder ungebrannte
Keramikkörper 11, auf dem keine Heizwiderstände und Elek
troden aufgedruckt worden waren, wurde weiterhin auf den
grünen oder ungebrannten Keramikkörper 10 laminiert. Diese
Struktur wurde unter Druck bei 1750°C während einer Stunde
in einer reduzierenden Atmosphäre, die Kohlenstoff (C)
enthielt und durch Einstellen der Atmosphäre von Si/SiO₂
erhalten wurde, gebrannt.
Die Struktur wurde dann in Stickstoffgas bei 1400°C während
24 Stunden wärmebehandelt, um die Korngrenzenphase zu kri
stallisieren.
Durch Schleifen des Umfangs des Siliciumnitrid-Sinterkör
pers 2, der in der oben beschriebenen Weise erhalten wurde,
wurde die Spitze desselben sphärisch bzw. semisphärisch ge
macht, und weiter wurde dadurch der Querschnitt desselben
kreisförmig gemacht, und schließlich wurden dadurch auch
die Endoberflächen der eingebetteten Elektroden 7, 8 nach
den Seitenoberflächen des zylindrischen Sinterkörpers hin
freigelegt. Auf diese Art und Weise wurde eine Mehrzahl von
Keramikheizern 1 hergestellt, die einen Durchmesser von
etwa 3,5 mm hatten.
Die Oberfläche des Keramikheizers wurde geschliffen, um 100
µm oder mehr von seinem Material zu entfernen. Die ent
fernte Substanz wurde dann in einem Mörser grob pulveri
siert, und das oben angegebene anorganische leitfähige Ma
terial wurde entfernt. Die übrige Substanz wurde fein zer
rieben, und die Menge an Sauerstoff in dem Siliciumnitrid-
Sinterkörper wurde unter Verwendung einer Gasanalysierein
richtung vom Verbrennungstyp gemessen.
Die Menge des Sauerstoffs, der in den als Sinterhilfsmit
teln hinzugefügten Oxiden enthalten war, wurde berechnet
und von der gemessenen Menge des Sauerstoffs subtrahiert.
Unter der Annahme, daß die übrige Menge an Sauerstoff voll
ständig als SiO₂ enthalten ist, wurde die Menge an SiO₂
durch Berechnung ermittelt. Weiterhin wurde das Molverhält
nis von SiO₂ zu RE₂O₃ berechnet.
Als nächstes wurde ein metallischer Film aus Nickel (Ni)
oder dergleichen auf wenigstens den freiliegenden Teilen
der Elektroden des Keramikheizers durch ein Metallisie
rungs- oder Plattierungs- bzw. Galvanisierungsverfahren
ausgebildet. Ein zylindrisches Halterohr wurde so auf dem
Keramikheizer angebracht, daß das Rohr mit je einer der
nach den Seitenoberflächen im etwa mittleren Längsbereich
(siehe Fig. 3) des Keramikheizers freiliegenden Elektroden
verbunden wurde. Das Rohr wurde mit der Elektrode durch
Silberlötung in einer reduzierenden Atmosphäre verbunden,
um als negative Elektrode zu fungieren. Weiterhin wurde
eine aus einem Draht oder einer Kappe ausgebildete Elek
trode mit der jeweils anderen Elektrode des im Längsendbe
reich (siehe Fig. 3) Keramikheizers durch Silberlötung in
der gleichen Art und Weise, wie oben beschrieben, verbun
den, um als die positive Elektrode zu fungieren. Auf diese
Weise wurde eine Mehrzahl von Keramikheizern mit jeweils
einer positiven und negativen Elektrode für die Beurteilung
hergestellt.
Der vorstehend angegebene Keramikheizer 1, der für die Be
urteilung vorgesehen war, wurde dann 20 000 Zyklen eines
Hochbelastungsdauerhaftigkeitstests unterworfen, worin je
der Zyklus aus einer Erhitzungsperiode, in welcher der Ke
ramikheizer bis zu der Sättigungstemperatur von 1400°C
durch Anlegen einer Gleichspannung von 10 bis 35 V während
5 Minuten erhitzt wurde, und aus einer Zwangskühlungsperi
ode, in welcher die Zuführung elektrischer Leistung ge
stoppt und Druckluft während 1 Minute auf den Keramikheizer
geblasen wurde, bestand. Die Änderung des Widerstandswerts
zwischen den Elektroden des Keramikheizers, die sich auf
grund des Widerstands vor und nach dem Test ergab, wurde
gemessen. Es wurde eine Mehrzahl von Proben dem Test unter
worfen, und jene, bei denen eine Erhöhung des Widerstands
werts von nicht mehr als 10% bewirkt wurde, wurden als ge
eignet beurteilt, wohingegen jene, bei denen der Wider
standswert um mehr als 10% zunahm, als ungeeignet beurteilt
wurden. Die Oberflächen der Keramikheizer wurden außerdem
nach dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Rissen,
Sprüngen, Spalten o. dgl. visuell und unter Verwendung ei
nes Fluoreszenzflüssigkeitseindringinspektionsverfahrens
geprüft.
Um die Kristallphase in der Korngrenzenphase des Silicium
nitrid-Sinterkörpers, der der Isolator der Keramikheizer 1
war, zu untersuchen, wurden Proben des Keramikheizers mit
den gleichen Spezifikationen verwendet, wie es jene der Ke
ramikheizer waren, die dem Hochbelastungsdauerhaftig
keitstest unterworfen wurden. Nachdem der äußere Umfang von
jeder Probe geschliffen worden war, um eine geringe Menge
ihres- Materials zu entfernen, wurde die von jedem Silicium
nitrid-Sinterkörper entfernte Substanz fein gemahlen oder
zerrieben und einer Röntgenstrahlenbeugungsuntersuchung un
terworfen. Als Ergebnis hiervon wurden Mo4,8Si₃C0,6
(dargestellt durch (1) in den Tabellen 13 und 14) aus der
Spitze bei 2R = 41,8° und MoSi₂ aus der Spitze bei 2R =
44,7° (dargestellt durch (2) in den Tabellen 13 und 14)
identifiziert (als "Spitzen" werden vorliegend die Maxima
in den Beugungsdiagrammen, wie sie in den Fig. 31 bis 34
und 36 wiedergegeben sind, bezeichnet).
Unter Benutzung der Summe der Spitze bei 2R = 34,8° für α-
Si₃N₄ und der Spitze bei 2R = 33,6° für β-Si₃N₄ als ein
Standard, d. h. in der Annahme, daß die Summe der Spitzen
100 ist, wurde die Spitze des Monosilicats (dargestellt
durch M in den Tabellen 13 und 14) auf (-121) bei 2R =
28,7° und die Spitze des Disilicats (dargestellt durch Dy
in den Tabellen 13 und 14) auf (201) bei 2R = 28,0° erhal
ten. Die Verhältnisse der beiden Spitzen zu der Summe der
Spitzen von α-Si₃N₄ und β-Si₃N₄ wurden berechnet, um die
beiden entsprechenden Kristallphasen in der Korngrenzen
phase des Siliciumnitrid-Sinterkörpers zu identifizieren.
Die Fig. 31 bis 34 sind Röntgenstrahlenbeugungsmuster
bzw. -diagramme für typische Siliciumnitrid-Sinterkörper
der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
oder Weiterbildung der Erfindung. Fig. 35 ist eine Photo
graphie, die eine typische Kristallstruktur des Siliciumni
trid-Sinterkörpers der sechsten besonderen erfindungsgemä
ßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung zeigt
(in 800facher Vergrößerung).
Die Fig. 36 ist ein Röntgenstrahlenbeugungsmuster für
einen typischen Siliciumnitrid-Sinterkörper, der ein ande
rer als ein solcher der sechsten besonderen erfindungsge
mäßen Ausführungsform oder Weiterbildung der Erfindung ist,
und die Fig. 37 ist eine Photographie, welche die Kri
stallstruktur der Korngrenzenphase eines typischen Silici
umnitrid-Sinterkörpers zeigt (in 800facher Vergrößerung),
der ein anderer als ein solcher gemäß der sechsten besonde
ren erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung ist.
Wie deutlich aus den Tabellen 11 bis 14 hervorgeht, bewirk
ten die Proben 38, 39 und 40, worin die beiden Kristalle
bzw. Kristallarten von Mo4,8Si₃C0,6 und MoSi₂ in der Korn
grenzenphase des Siliciumnitrid-Sinterkörpers nicht coexi
stierten, oder die Proben 45, 50, 55, 60 und 65 worin nur
Disilicat in der Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-Sin
terkörpers nachgewiesen wurde, eine Erhöhung im Wider
standswert, die bei dem Hochbelastungsdauerhaftigkeitstest
10% überstieg. Insbesondere bekamen die Proben 45, 50, 55,
60 und 65 Risse, Sprünge, Spalte o. dgl.
Im Gegensatz hierzu wurden die Proben der Keramikheizer ge
mäß der sechsten besonderen Ausführungsform oder Weiterbil
dung der Erfindung nach 20 000 Zyklen des Hochbelastungs
dauerhaftigkeitstests, worin die Proben bis zu 1400°C er
hitzt wurden, als normal befunden.
Gemäß den Strukturphotographien, die in Fig. 35 und 37
wiedergegeben sind, existierte nur der Kristall bzw. die
Kristallart von MoSi₂ (26) in der Korngrenzenphase eines
Keramikheizers, der ein anderer als jener gemäß der sech
sten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Wei
terbildung der Erfindung war, wie in Fig. 37 gezeigt ist,
während dagegen der Kristall bzw. die Kristallart von
Mo4,8Si₃C0,6 (25) in dem Kristall bzw. der Kristallart von
MoSi₂ (26) in Fig. 35 existiert, welche die Korngrenzen
phase des Siliciumnitrid-Sinterkörpers eines Keramikheizers
gemäß der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung zeigt.
Die Zeit, die benötigt wurde, damit die Maximalerhitzungs
zone 800°C erreichte, wurde gemessen, wobei die an jeden
Keramikheizer zur Beurteilung angelegte Maximalspannung
14,3 V betrug. Durch diese Messung wurde bestätigt, daß
alle Proben des Keramikheizers gemäß der sechsten besonde
ren erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung
der Erfindung eine ausgezeichnete Schnellerhitzungsfunktion
von nicht mehr als 2,1 Sekunden hatten.
Um die Brauchbarkeit des Keramikheizers gemäß der sechsten
besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder Weiter
bildung der Erfindung unter verschiedensten Temperaturbe
dingungen im Bereich von sehr kaltem bis zu tropisch heißem
Wetter festzustellen, wurden die Proben des Keramikheizers
außerdem einem ständigen Test während 100 Stunden zwischen
600 und 900°C ausgesetzt, worin die Korngrenzenphase des
Siliciumnitrid-Sinterkörpers der Gefahr ausgesetzt war,
oxidiert zu werden. Es wurde festgestellt, daß alle Proben
von Keramikheizern gemäß der sechsten besonderen erfin
dungsgemäßen Ausführungsform oder Weiterbildung nach dem
Test normal waren.
Wie oben beschrieben, ist es so, daß in dem Keramikheizer
gemäß der sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausfüh
rungsform oder Weiterbildung der Erfindung zwei Kristallar
ten, nämlich Kristalle von Mo4,8Si₃C0,6 und MoSi₂ in der
Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-Sinterkörpers coexi
stieren, und die Korngrenzenphase des Siliciumnitrid-Sin
terkörpers bzw. des Siliciumnitridkörpers enthält, bevor
dieser der Wärme oder Hitze ausgesetzt wird, Monosilicat,
das dargestellt wird durch RE₂O₃ · SiO₂. Infolgedessen werden
die Heizwiderstände kaum siliziert, wenn sie mit dem unge
brannten Sinterkörper bzw. mit dem Körper zu einem Körper
gesintert werden, und die Widerstandswerte der Heizwider
stände ändern sich selbst dann nicht signifikant, wenn der
Heizer während einer langen Zeitdauer wiederholt erhitzt
und abgekühlt wird. Außerdem wird kein Ausfall, Defekt,
Bruch o. dgl. in den Heizwiderständen verursacht und der
Isolator des Keramikheizers bekommt keine Risse, Sprünge,
Spalte o. dgl. Infolgedessen sind die Festigkeit bei hohen
Temperaturen und die Oxidationsbeständigkeit des Keramik
heizers ausgezeichnet und werden aufrechterhalten, und es
werden in hohem Maße angemessene Selbstsättigungstempera
turcharakteristika ohne Verschlechterung der Schnellerhit
zungsfunktion erhalten. Aus diesen Gründen wird mit der
sechsten besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform oder
Weiterbildung der Erfindung ein in seiner Dauerhaftigkeit
und Zuverlässigkeit unter allen in Frage kommenden Umge
bungsbedingungen überragend guter Keramikheizer zur Verfü
gung gestellt.
Insgesamt wird mit der Erfindung ein Keramikheizer, bevor
zugt für eine Gleichstromquelle, zur Verfügung gestellt,
umfassend einen isolierenden keramischen Sinterkörper;
einen Heizwiderstand, der aus wenigstens zwei separaten
Heizwiderstandsschichten besteht, die aus einem anorgani
schen leitfähigen Material hergestellt sind; Leitungen, die
aus Metalldrähten von hohem Schmelzpunkt hergestellt und je
mit jeweils einem Ende der Schichten verbunden sind; und
aus einem anorganischen leitfähigen Material hergestellte
Elektroden, von denen jede in einer einzigen Schicht ausge
bildet oder in eine Mehrzahl von Teile unterteilt und mit
je einer Leitung verbunden ist; wobei der Heizwiderstand,
die Leitungen und die Elektroden in dem keramischen Sinter
körper eingebettet sind.
Mit der vorliegenden Erfindung werden weiter sechs eng mit
einander verbundene Ausführungsformen der vorstehend ange
gebenen Grundausführungsform des Keramikheizers und Kera
mikglühkerzen, die unter Verwendung des Keramikheizers aus
gebildet sind, zur Verfügung gestellt.
Es sei darauf hingewiesen, daß zwar bei den verschiedenen
Ausführungsformen des Keramikheizers der Querschnitt der
Spitze oder des vorderen Endes, insbesondere bis ein
schließlich der Maximalerhitzungszone oder etwa bis zu den
Verbindungsstellen der Heizwiderstände mit den Metalldräh
ten, bevorzugt kreisförmig ausgebildet ist, um eine hohe
Temperaturgleichmäßigkeit zu erreichen. Jedoch können auch
andere Querschnitte vorgesehen sein, wie z. B. quadratisch
oder rechteckig, vorzugsweise mit gerundeten Ecken, oval,
elliptisch, vieleckig, vorzugsweise mit gerundeten Ecken,
etc.
Claims (20)
1. Keramikheizer (1), vorzugsweise für eine
Gleichspannungsquelle, insbesondere für eine Glühkerze
(12), umfassend:
einen isolierenden keramischen Sinterkörper (2);
einen in dem Sinterkörper (2) eingebetteten Heizwi derstand (3, 4);
und ein Paar Leitungen (5, 6), welche mit dem Heizwiderstand (3, 4) verbunden sind und ein Paar Elektroden (7, 8) umfassen, die an den Seitenoberflächen des keramischen Sinterkörpers (2) freiliegen;
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand aus wenigstens zwei separaten, gedruckten Schichten (3, 4) besteht, die aus einem anorganischen leit fähigen Material hergestellt sind; daß die Elektroden (7, 8) aus einer einzigen gedruckten Schicht oder einer Mehr zahl von separaten gedruckten Schichten bestehen, die aus einem anorganischen leitfähigen Material hergestellt ist bzw. sind; und daß die Leitungen (5, 6) je aus einem Me talldraht von hohem Schmelzpunkt bestehen.
einen isolierenden keramischen Sinterkörper (2);
einen in dem Sinterkörper (2) eingebetteten Heizwi derstand (3, 4);
und ein Paar Leitungen (5, 6), welche mit dem Heizwiderstand (3, 4) verbunden sind und ein Paar Elektroden (7, 8) umfassen, die an den Seitenoberflächen des keramischen Sinterkörpers (2) freiliegen;
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand aus wenigstens zwei separaten, gedruckten Schichten (3, 4) besteht, die aus einem anorganischen leit fähigen Material hergestellt sind; daß die Elektroden (7, 8) aus einer einzigen gedruckten Schicht oder einer Mehr zahl von separaten gedruckten Schichten bestehen, die aus einem anorganischen leitfähigen Material hergestellt ist bzw. sind; und daß die Leitungen (5, 6) je aus einem Me talldraht von hohem Schmelzpunkt bestehen.
2. Keramikheizer (1), insbesondere für eine Glühkerze
(12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der keramische Sinterkörper (2) eine Stabform
hat, wobei die Spitze desselben sphärisch oder nahezu sphä
risch ausgebildet ist, wobei ein oder das Paar Schichten
(3, 4) des Heizwiderstands, ein oder das Paar Leitungen (5,
6) und ein oder das Paar Elektroden (7, 8), mit Ausnahme
der freiliegenden Enden derselben in dem stabförmigen kera
mischen Sinterkörper (2) angeordnet sind, wobei die Schich
ten des Heizwiderstands (3, 4) U-förmig und parallel zuein
ander sind, und wobei die Elektroden (7, 8) in zwei separa
ten Schichten ausgebildet sind und jede Schicht derselben
in eine Mehrzahl von Teile unterteilt ist.
3. Keramikheizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, der in ei
nem Keramikglühkerze (12) eingebaut ist, oder Keramikglüh
kerze (12) mit einem Keramikheizer nach einem der Ansprüche
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schicht (3, 4) des Heizwiderstands auf der Seite der Elek
trode(n) (7, 8) in einem Halterohr (14) angebracht und
durch das Halterohr (14) gehaltert ist, vorzugsweise mit
dem Halterohr (14) mittels eines Löt- oder Hartlötmaterials
(13) verbunden ist.
4. Keramikheizer (1), insbesondere für eine Glühkerze
(12), gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der isolierende keramische Sinter
körper (2) aus Siliciumnitridkeramik zusammengesetzt ist
oder besteht, die hauptsächlich aus Siliciumnitrid herge
stellt ist, wobei die Schicht(en) (4, 5) des Heizwider
stands aus 65 bis 95 Gew.-% WC und 5 bis 35 Gew.-% Si₃N₄
besteht bzw. bestehen, wobei ferner die Elektrode(n) (7, 8)
aus dem gleichen Material besteht bzw. bestehen, wie es je
nes der Schicht(en) (4, 5) des Heizwiderstands ist, jedoch
einen niedrigeren Widerstandswert oder spezifischen Wider
stand hat bzw. haben, als es jener der Schicht(en) (4, 5)
ist, und wobei die Leitung(en) (5, 6) im wesentlichen aus
einem W-Draht ausgebildet ist bzw. sind.
5. Keramikheizer (1), insbesondere für eine Glühkerze
(12), gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Schicht(en) (4, 5) des Heizwiderstands
aus 75 bis 90 Gew.-% WC und 10 bis 25 Gew.-% Si₃N₄ besteht
bzw. bestehen.
6. Keramikheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
insbesondere nach Anspruch 3, der in eine Keramikglühkerze (12)
eingebaut ist, oder Keramikglühkerze (12) mit einem
Keramikheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, insbe
sondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß, wenn die Länge der effektiven Erhitzungszone
des Heizwiderstands l ist, der maximale Außendurchmesser
des isolierenden keramischen Sinterkörpers (2), der die ef
fektive Erhitzungszone umfaßt, D ist, und die freiliegende
Länge des Keramikheizers (1) die Größe L hat, die nachste
hend angegebene Gleichung erfüllt ist:
l/L (l/2x × l/D) - 5
(worin l/L und l/D Prozentwerte repräsentieren)
10 l/L 67 und
50 l/D 178.
(worin l/L und l/D Prozentwerte repräsentieren)
10 l/L 67 und
50 l/D 178.
7. Keramikheizer (1) nach Anspruch 6, der in eine Kera
mikglühkerze (12) eingebaut ist, oder Keramikglühkerze (12)
mit einem Keramikheizer (1) nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Werte l/D und l/L (wie
in Fig. 9 gezeigt) durch einen schraffierten Bereich II
definiert sind, der durch die Linien eingeschlossen ist,
welche Punkte P6, P7, P8 und P9 verbinden, die durch die
nachstehend aufgelisteten Werte von l/D und l/L repräsen
tiert sind:
8. Keramikheizer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzei
chnet, daß der Keramikheizer (1) Leitungsdrähte (5,
6) umfaßt, von denen jeder aus einem Metall von hohem
Schmelzpunkt hergestellt und mit dem Ende der oder einer
ersten Schicht (4, 5) des Heizwiderstands mittels der oder
einer zweiten Schicht (4′, 5′) des Heizwiderstands, die aus
einem anorganischen leitfähigen Material hergestellt ist
oder sind, durch Laminieren eines Teils der zweiten Schicht
(4′, 5′) über die erste Schicht (4, 5) verbunden ist; und
Elektroden (7, 8), von denen jede aus einem anorganischen
leitfähigen Material hergestellt und je eine mit dem ande
ren Ende des verbundenen Leitungsdrahts (5, 6) verbunden
sind, wobei die Elektroden (7, 8) vorzugsweise zusammen mit
den Leitungsdrähten (5, 6) und der ersten und zweiten
Schicht (4, 5, 4′, 5′), in dem Sinterkörper (2) eingebettet
sind.
9. Keramikheizer (1) gemäß Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Breite der zweiten
Schicht (4′, 5′), die aus einem anorganischen leitfähigen
Material hergestellt und mit dem Leitungsdraht (5, 6) ver
bunden ist, kleiner ist als wenigstens die Breite der
ersten Schicht (4, 5), die mittels der zweiten Schicht (4′,
5′) laminiert ist, wobei vorzugsweise die Breite (W1) der
zweiten Schicht (4′, 5′) im Laminierungsbereich gleich der
Breite der ersten Schicht (4, 5) ist.
10. Keramikheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
insbesondere nach Anspruch 3, der in eine Keramikglühkerze
(12) eingebaut ist, oder Keramikglühkerze (12) mit einem
Keramikheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbe
sondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß, wenn der Minimaldurchmesser eines Kreises,
welcher den Heizwiderstand in der Querschnittsebene des
Keramikheizers (1) umschließt, d ist, der minimale Außen
durchmesser oder die minimale Dicke des Keramikheizers (1)
die Größe D1 hat, der Abstand von der Spitze oder dem vor
deren Ende des Keramikheizers (1) bis zu dem Ende des Heiz
widerstands, das mit dem Leitungsdraht (5, 6) verbunden
ist, l2 ist, und die Länge des von einem oder dem Träger
rohr (14) freiliegenden Keramikheizers (1) die Größe L hat,
die nachstehend angegebene Gleichung erfüllt ist:
0,06 d/D1 × l2/L 0,6
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
worin 0,3 < d/D1 < 0,9
0,2 < l2/L < 1,0.
11. Keramikheizer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
10, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der äußerste Umfang der Schicht (4,
5) des Heizwiderstands wenigstens in der Maximalerhitzungs
zone um den Abstand l3, welcher 6 bis 25% des Außendurch
messers des isolierenden keramischen Sinterkörpers (2) ent
spricht, innenseitig von der Oberfläche des isolierenden
keramischen Sinterkörpers (2) positioniert ist, wobei die
Spitze oder das vordere Ende des Heizwiderstands um den Ab
stand l4 von 0,3 bis 1,5 mm innenseitig von der Spitze oder
dem vorderen Ende des isolierenden keramischen Sinterkör
pers (2) positioniert ist, und wobei der Querschnitt des
isolierenden keramischen Sinterkörpers (2) wenigstens in
dem Bereich von der Maximalerhitzungszone bis zu der Spitze
oder dem vorderen Ende desselben kreisförmig gemacht ist.
12. Keramikheizer (1) gemäß Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens die Maximaler
hitzungszone des isolierenden keramischen Sinterkörpers
(2), in welcher die Schicht (4, 5) des Heizwiderstands, die
aus einem anorganischen leitfähigen Material hergestellt
ist, eingebettet ist, eine Widerstandsfähigkeit gegen
plötzliche Temperaturänderungen oder Wärmestöße von nicht
weniger als 1000°C hat bzw. gegen plötzliche Temperaturän
derungen oder Wärmestöße von nicht weniger als 1000°C wi
derstandsfähig ist.
13. Keramikheizer (1) gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhig
keit von wenigstens der Maximalerhitzungszone des isolie
renden keramischen Sinterkörpers (2), in welcher die
Schicht (4, 5) des Heizwiderstands, die aus einem anorgani
schen leitfähigen Material hergestellt ist, eingebettet
ist, in dem Bereich von 0,4 bis 3,0 µm Rmax ist.
14. Keramikheizer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
13, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß, wenn die Entfernung zwischen der
Verbindungsbeginnstelle (22) des zur Befestigung des Kera
mikheizers (1) verwendeten Halterohrs (14) bis zu der Ecke
(23) in der Nähe des äußeren Umfangs von wenigstens zwei
Schichten (4, 5) des Heizwiderstands, die mit den Leitungs
drähten (5, 6) verbunden sind, dn ist, sowie der maximale
Abstand von der Mitte des Querschnitts der Schichten (4, 5)
des Heizwiderstands, welcher die Ecken (23) desselben ent
hält, zu jeder Ecke (23) die Größe Wn hat, ferner die frei
liegende Länge des Keramikheizers (1) von der Verbindungs
beginnstelle (22) bis zu den Spitzen oder vorderen Enden
der beiden Schichten (4, 5) des Keramikheizers (1) die
Größe L hat, und der Außendurchmesser oder die Breite des
isolierenden keramischen Sinterkörpers (2) an der Ecke (23)
die Größe D hat, die nachstehend angegebene Gleichung er
füllt ist:
D/2Wn 2(L - dn)/L
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
worin 2Wn < D
0 < dn < L
n ist eine ganze Zahl.
15. Keramikheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
insbesondere nach Anspruch 1, vorzugsweise für eine Gleich
spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet,
daß der isolierende keramische Sinterkörper (2) ein Silici
umnitrid-Sinterkörper (2) ist, wobei die Korngrenzenphase
desselben sowohl Kristalle von Mo4,8Si₃C0,6 als auch von
MoSi₂ enthält, und wobei die aus Silicat von RE (einem Ele
ment der Gruppe 3a des periodischen Systems) bestehende
Kristallphase, die in der Korngrenze existiert, bevor der
Siliciumnitrid-Sinterkörper (2) bzw. der Siliciumnitridkör
per der Wärme oder Hitze ausgesetzt wird, Monosilicat ent
hält, das dargestellt wird durch RE₂O₃ · SiO₂.
16. Keramikheizer (1) nach Anspruch 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Molverhältnis von SiO₂
zu RE₂O₃, die in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper (2) ent
halten sind, in dem Bereich von 0,8 bis 1,8 ist.
17. Keramikheizer (1) gemäß Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß Al₂O₃, das in dem Sili
ciumnitrid-Sinterkörper (2) enthalten ist, im Bereich von
0,5 bis 1,0 Gew.-% liegt.
18. Keramikheizer gemäß Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, daß RE (ein Element der
Gruppe 3a des periodischen Systems) des durch RE₂O₃ · SiO₂
dargestellten Monosilicats Yb, Y, Ho, Er oder Lu ist.
19. Anwendung des Keramikheizers (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 18 als Glühkerze oder -körper (12) für
Brennkraftmaschinen.
20. Anwendung des Keramikheizers (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 18 als Heiz- oder Erhitzungselement in
anderen Einrichtungen als Brennkraftmaschinen.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP23307593 | 1993-09-20 | ||
JP24440193A JPH0798121A (ja) | 1993-09-30 | 1993-09-30 | セラミックグロープラグ |
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JP2986394A JPH07239123A (ja) | 1994-02-28 | 1994-02-28 | セラミックグロープラグ |
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JP6118418A JP3004168B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-05-31 | セラミック発熱体 |
JP16088494A JPH07139737A (ja) | 1993-09-20 | 1994-07-13 | セラミック発熱体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4433505A1 true DE4433505A1 (de) | 1995-03-23 |
DE4433505C2 DE4433505C2 (de) | 2003-06-18 |
Family
ID=27576592
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4433505A Expired - Fee Related DE4433505C2 (de) | 1993-09-20 | 1994-09-20 | Keramikglühkerze |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5750958A (de) |
DE (1) | DE4433505C2 (de) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0843130A1 (de) * | 1996-11-19 | 1998-05-20 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Keramisches Heizelement und Verfahren für seine Herstellung |
EP0843131A2 (de) * | 1996-11-19 | 1998-05-20 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Keramische Glühkerze |
EP0948001A1 (de) * | 1998-03-31 | 1999-10-06 | TDK Corporation | Widerstandselement |
DE10228077A1 (de) * | 2002-06-20 | 2004-01-08 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Verfahren zur Herstellung einer mechanisch stabilen und elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einem metallischen Aufnahmeelement und einem vorzugsweise stiftförmigen keramischen Element, insbesondere bei Glühkerzen für Dieselmotoren |
DE102004016874A1 (de) * | 2004-03-29 | 2005-10-20 | Fraunhofer Ges Forschung | Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung |
US9074574B2 (en) | 2011-11-11 | 2015-07-07 | Borgwarner Ludwigsburg Gmbh | Glow plug and method for producing a glow pencil |
CN110529310A (zh) * | 2019-09-24 | 2019-12-03 | 西华大学 | 一种高熔点脂肪酸甲酯或乙酯供油*** |
Families Citing this family (65)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6025579A (en) * | 1996-12-27 | 2000-02-15 | Jidosha Kiki Co., Ltd. | Ceramic heater and method of manufacturing the same |
JPH10213324A (ja) * | 1997-01-30 | 1998-08-11 | Jidosha Kiki Co Ltd | 金属線材の接合方法、セラミックヒータおよびその製造方法 |
KR19990066851A (ko) * | 1998-01-12 | 1999-08-16 | 카와무라 히데오 | 금속용탕 온도측정용 열전대 |
US6227127B1 (en) * | 1998-04-28 | 2001-05-08 | Kyocera Corporation | Furnace material, heat resisting protection tube and protective member using the same sintered material |
JP3933345B2 (ja) * | 1999-05-21 | 2007-06-20 | 日本特殊陶業株式会社 | 発熱抵抗体及びセラミックヒータ用発熱抵抗体並びにその製造方法、及びセラミックヒータ |
DE19930334C2 (de) * | 1999-07-02 | 2003-07-31 | Beru Ag | Keramischer Heizstab und diesen enthaltende Glühkerze und Verfahren zu dessen Herstellung |
WO2001016528A1 (de) * | 1999-08-27 | 2001-03-08 | Robert Bosch Gmbh | Keramische glühstiftkerze |
JP3889536B2 (ja) * | 1999-10-29 | 2007-03-07 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータ及びその製造方法、並びに該セラミックヒータを備えるグロープラグ |
ATE301916T1 (de) * | 1999-11-19 | 2005-08-15 | Ibiden Co Ltd | Keramisches heizgerät |
US7061363B2 (en) * | 2000-01-25 | 2006-06-13 | Robert Bosch Gmbh | Passive, high-temperature-resistant resistor element for measuring temperature in passenger and commercial vehicles |
US6674053B2 (en) | 2001-06-14 | 2004-01-06 | Trebor International | Electrical, thin film termination |
US6663914B2 (en) * | 2000-02-01 | 2003-12-16 | Trebor International | Method for adhering a resistive coating to a substrate |
US6479094B2 (en) * | 2000-02-01 | 2002-11-12 | Trebor International, Inc. | Method for forming a resistor |
US7081602B1 (en) | 2000-02-01 | 2006-07-25 | Trebor International, Inc. | Fail-safe, resistive-film, immersion heater |
US6580061B2 (en) | 2000-02-01 | 2003-06-17 | Trebor International Inc | Durable, non-reactive, resistive-film heater |
US6544583B2 (en) * | 2000-02-01 | 2003-04-08 | Trebor International, Inc. | Method for adjusting resistivity of a film heater |
JP3801835B2 (ja) * | 2000-03-23 | 2006-07-26 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータの製造方法 |
DE10030924A1 (de) * | 2000-06-24 | 2002-01-03 | Bosch Gmbh Robert | Glühstiftkerze |
JP2002179464A (ja) * | 2000-12-08 | 2002-06-26 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 窒化珪素/炭化タングステン複合焼結体 |
JP4808852B2 (ja) * | 2001-01-17 | 2011-11-02 | 日本特殊陶業株式会社 | 窒化珪素/炭化タングステン複合焼結体 |
US6474492B2 (en) * | 2001-02-22 | 2002-11-05 | Saint-Gobain Ceramics And Plastics, Inc. | Multiple hot zone igniters |
JP4294232B2 (ja) * | 2001-05-02 | 2009-07-08 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータ及びそれを用いたグロープラグ |
DE60231164D1 (de) * | 2001-05-02 | 2009-04-02 | Ngk Spark Plug Co | Keramisches Heizelement, Glühkerze mit solchem Heizelement und Herstellungsverfahren |
US20030085214A1 (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-08 | University Of Colorado At Boulder | Micro-glow plug and method of making same field of the invention |
JP4092172B2 (ja) * | 2001-11-30 | 2008-05-28 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータの製造方法及びグロープラグの製造方法 |
DE10162276C5 (de) * | 2001-12-19 | 2019-03-14 | Watlow Electric Manufacturing Co. | Rohrförmiger Durchlauferhitzer und Heizplatte sowie Verfahren zu deren Herstellung |
SE521794C2 (sv) * | 2002-04-05 | 2003-12-09 | Sandvik Ab | Tillverkningsförfarande för ett värmeelement av molybdensilicidtyp, jämte ett värmeelement |
SE524966C2 (sv) * | 2002-04-05 | 2004-11-02 | Sandvik Ab | Rörformat elektriskt motståndselement |
WO2003092330A1 (en) * | 2002-04-26 | 2003-11-06 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic heater and glow plug having the same |
JPWO2004107813A1 (ja) * | 2003-05-30 | 2006-07-20 | 日本電気株式会社 | 細線状抵抗体を備えた抵抗発熱体 |
US7332690B2 (en) * | 2003-09-05 | 2008-02-19 | Channel Products, Inc. | Hot wire igniter |
DE10359569A1 (de) * | 2003-12-18 | 2005-07-28 | Robert Bosch Gmbh | Keramischer Schichtverbund |
WO2005117492A1 (ja) * | 2004-05-27 | 2005-12-08 | Kyocera Corporation | セラミックヒータ及びそれを用いたグロープラグ |
AU2005250825B2 (en) * | 2004-05-28 | 2008-07-03 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Igniter systems |
DE102004033153B4 (de) * | 2004-06-11 | 2007-03-29 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Glühkerze und Verfahren zu ihrer Herstellung |
US7223942B2 (en) * | 2004-06-29 | 2007-05-29 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic heater, glow plug, and ceramic heater manufacturing method |
US7745516B2 (en) * | 2005-10-12 | 2010-06-29 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Composition of polyimide and sterically-hindered hydrophobic epoxy |
US20070290379A1 (en) * | 2006-06-15 | 2007-12-20 | Dueber Thomas E | Hydrophobic compositions for electronic applications |
US20080160470A1 (en) * | 2006-12-01 | 2008-07-03 | Mark Holtan | Igniter for furnace |
CN101647314B (zh) * | 2007-02-22 | 2012-05-23 | 京瓷株式会社 | 陶瓷加热器、采用该陶瓷加热器的热线引火塞及陶瓷加热器的制造方法 |
MX2010003164A (es) * | 2007-09-23 | 2010-07-01 | Saint Gobain Ceramics | Sistemas de elementos de calentamiento. |
US20090111948A1 (en) * | 2007-10-25 | 2009-04-30 | Thomas Eugene Dueber | Compositions comprising polyimide and hydrophobic epoxy and phenolic resins, and methods relating thereto |
US20100288747A1 (en) * | 2007-10-29 | 2010-11-18 | Kyocera Corporation | Ceramic heater and glow plug provided therewith |
KR101195918B1 (ko) * | 2008-01-29 | 2012-10-30 | 쿄세라 코포레이션 | 세라믹 히터 및 글로우 플러그 |
EP2257119B1 (de) * | 2008-02-20 | 2018-04-04 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Keramik-heizelement und glühkerze |
DE102008040339A1 (de) * | 2008-07-11 | 2010-01-14 | Robert Bosch Gmbh | Glührohr, insbesondere für eine Glühstiftkerze |
US20100078421A1 (en) * | 2008-10-01 | 2010-04-01 | Federal-Mogul Italy Sr1 | Glow plug adn heater assembly therefor with an improved connection between a central electrode and a heater probe of the heater assembly |
JP5279447B2 (ja) * | 2008-10-28 | 2013-09-04 | 京セラ株式会社 | セラミックヒータ |
EP2262346A1 (de) | 2009-06-10 | 2010-12-15 | Nexans | Verwendung von keramischen Oxidmaterialien oder metallkeramische Verbindungen für elektrische Anwendungen wie Heizelement |
DE102009059649B4 (de) * | 2009-12-19 | 2011-11-24 | Borgwarner Beru Systems Gmbh | HF-Zündeinrichtung |
US20120006809A1 (en) * | 2010-06-23 | 2012-01-12 | Colorado State University Research Foundation | Sublimation crucible with embedded heater element |
DE102010055630B4 (de) * | 2010-12-22 | 2014-05-22 | Webasto Ag | Integraler Sinterkörper für Hochtemperaturanwendungen |
US9681498B2 (en) | 2011-03-30 | 2017-06-13 | Kyocera Corporation | Heater with particle shield for noise |
KR101513389B1 (ko) * | 2011-04-19 | 2015-04-22 | 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤 | 세라믹히터 및 그 제조방법 |
JP6140955B2 (ja) * | 2011-12-21 | 2017-06-07 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータの製造方法 |
WO2014003093A1 (ja) * | 2012-06-29 | 2014-01-03 | 京セラ株式会社 | ヒータおよびこれを備えたグロープラグ |
CN105707982A (zh) * | 2016-01-29 | 2016-06-29 | 郑州新登电热陶瓷有限公司 | 椭圆杯电子烟雾化器 |
CN105661647A (zh) * | 2016-02-02 | 2016-06-15 | 郑州新登电热陶瓷有限公司 | 素烧陶瓷电子烟点烟筒 |
CN207869432U (zh) * | 2018-03-07 | 2018-09-14 | 东莞市国研电热材料有限公司 | 一种多温区陶瓷发热体 |
JP2021519410A (ja) | 2018-03-27 | 2021-08-10 | エスシーピー ホールディングス,アン アシュームド ビジネス ネーム オブ ナイトライド イグナイターズ,リミティド ライアビリティ カンパニー | コンロ用高温表面イグナイタ |
US11237031B2 (en) | 2019-08-20 | 2022-02-01 | Rosemount Aerospace Inc. | Additively manufactured heaters for air data probes having a heater layer and a dielectric layer on the air data probe body |
US11237183B2 (en) * | 2019-12-13 | 2022-02-01 | Rosemount Aerospace Inc. | Ceramic probe head for an air data probe with and embedded heater |
US11565463B2 (en) | 2020-10-20 | 2023-01-31 | Rosemount Aerospace Inc. | Additively manufactured heater |
US11662235B2 (en) | 2021-10-01 | 2023-05-30 | Rosemount Aerospace Inc. | Air data probe with enhanced conduction integrated heater bore and features |
US11624637B1 (en) | 2021-10-01 | 2023-04-11 | Rosemount Aerospace Inc | Air data probe with integrated heater bore and features |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4486651A (en) * | 1982-01-27 | 1984-12-04 | Nippon Soken, Inc. | Ceramic heater |
DE3924777A1 (de) * | 1988-07-26 | 1990-02-08 | Ngk Spark Plug Co | Keramische heizvorrichtung und verfahren zu deren herstellung |
DE3342753C2 (de) * | 1982-11-25 | 1991-02-14 | Nippondenso Co., Ltd., Kariya, Aichi, Jp |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6086324A (ja) * | 1983-10-17 | 1985-05-15 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 自己制御型セラミツクグロ−プラグ |
JPS61109289A (ja) * | 1984-11-01 | 1986-05-27 | 日本碍子株式会社 | セラミツクヒ−タおよびその製造方法 |
JPH0782905B2 (ja) * | 1985-02-28 | 1995-09-06 | 日本電装株式会社 | セラミックヒータおよびセラミックヒータ用発熱体の製造方法 |
JPS6244971A (ja) * | 1985-08-23 | 1987-02-26 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツク基板ヒ−タ− |
US5086210A (en) * | 1988-03-29 | 1992-02-04 | Nippondenso Co., Ltd. | Mo5 Si3 C ceramic material and glow plug heating element made of the same |
JPH01313362A (ja) * | 1988-06-09 | 1989-12-18 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミック発熱体およびその製造方法 |
JP2537271B2 (ja) * | 1988-09-09 | 1996-09-25 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツク発熱体 |
JPH0814376B2 (ja) * | 1989-09-11 | 1996-02-14 | 自動車機器株式会社 | 自己温度制御型グロープラグ |
US5264681A (en) * | 1991-02-14 | 1993-11-23 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic heater |
JP3044632B2 (ja) * | 1991-02-20 | 2000-05-22 | ボッシュ ブレーキ システム株式会社 | セラミックヒータ型グロープラグ |
JP2570481Y2 (ja) * | 1991-05-30 | 1998-05-06 | 自動車機器株式会社 | 自己温度制御型グロープラグ |
JP2804393B2 (ja) * | 1991-07-31 | 1998-09-24 | 京セラ株式会社 | セラミックヒータ |
JP3401648B2 (ja) * | 1993-07-23 | 2003-04-28 | 日本特殊陶業株式会社 | 酸素センサ用棒状セラミックヒータ及びその製造方法 |
-
1994
- 1994-09-13 US US08/305,085 patent/US5750958A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-09-20 DE DE4433505A patent/DE4433505C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4486651A (en) * | 1982-01-27 | 1984-12-04 | Nippon Soken, Inc. | Ceramic heater |
DE3342753C2 (de) * | 1982-11-25 | 1991-02-14 | Nippondenso Co., Ltd., Kariya, Aichi, Jp | |
DE3924777A1 (de) * | 1988-07-26 | 1990-02-08 | Ngk Spark Plug Co | Keramische heizvorrichtung und verfahren zu deren herstellung |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JP-A2 2-78174 (Abstract) * |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6013898A (en) * | 1996-11-19 | 2000-01-11 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic heater for a glow plug having tungsten electrode wires with metal coating |
EP0843131A2 (de) * | 1996-11-19 | 1998-05-20 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Keramische Glühkerze |
EP0843131A3 (de) * | 1996-11-19 | 1998-07-22 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Keramische Glühkerze |
EP0843130A1 (de) * | 1996-11-19 | 1998-05-20 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Keramisches Heizelement und Verfahren für seine Herstellung |
US5998765A (en) * | 1996-11-19 | 1999-12-07 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic glow plug |
CN1060291C (zh) * | 1996-11-19 | 2001-01-03 | 日本特殊陶业株式会社 | 陶瓷热线点火塞 |
EP0948001A1 (de) * | 1998-03-31 | 1999-10-06 | TDK Corporation | Widerstandselement |
US5997998A (en) * | 1998-03-31 | 1999-12-07 | Tdk Corporation | Resistance element |
DE10228077A1 (de) * | 2002-06-20 | 2004-01-08 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Verfahren zur Herstellung einer mechanisch stabilen und elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einem metallischen Aufnahmeelement und einem vorzugsweise stiftförmigen keramischen Element, insbesondere bei Glühkerzen für Dieselmotoren |
DE102004016874A1 (de) * | 2004-03-29 | 2005-10-20 | Fraunhofer Ges Forschung | Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung |
DE102004016874B4 (de) * | 2004-03-29 | 2007-04-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verbundwerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung |
DE102004016874C5 (de) * | 2004-03-29 | 2008-11-27 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verbundwerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung |
US9074574B2 (en) | 2011-11-11 | 2015-07-07 | Borgwarner Ludwigsburg Gmbh | Glow plug and method for producing a glow pencil |
CN110529310A (zh) * | 2019-09-24 | 2019-12-03 | 西华大学 | 一种高熔点脂肪酸甲酯或乙酯供油*** |
CN110529310B (zh) * | 2019-09-24 | 2024-04-02 | 西华大学 | 一种高熔点脂肪酸甲酯或乙酯供油*** |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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US5750958A (en) | 1998-05-12 |
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