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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Glühkerze.
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Es
sind Glühkerzen
bekannt, die eine Spulenheizvorrichtung in einer Röhre aufweisen.
Die
JP 04-00119 A (bzw.
US 51 18 921 A )
offenbart eine Glühkerze
mit einer Spulenheizvorrichtung in einer Metallröhre, deren Spitze ein Durchgangsloch
mit einem kleinen Durchmesser hat, in das ein Ende der Spulenheizvorrichtung
eingefügt
ist. Das Ende der Spulenheizvorrichtung ist an das Durchgangsloch
mit kleinem Durchmesser geschweißt, um das Durchgangsloch mit
kleinem Durchmesser zu schließen und
um eine elektrische Verbindung vorzusehen.
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Bei
diesem Stand der Technik kann eine Länge des geschweißten Abschnittes
der Spulenheizvorrichtung infolge einer Streuung beim Schweißen unregelmäßig sein.
Somit kann eine Streuung des Heizverhaltens der Glühkerze auftreten.
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Aus
DE 10 81 720 B ist
eine Glühkerze
bekannt, wobei der Glühkerzenrohrheizkörper aus
dem Rohrmantel, der am brennraumseitigen Ende abgeschlossen ist,
und aus dem Heizleiter besteht, der an einem zentral eingesetzten
Anschlussbolzen der Glühkerze
befestigt und in einer Mittelbohrung am Rohrende verschweißt ist.
Die Durchmesser und Abstände
der Endwindungen
6 des gewendelten Heizleiters am Ende
des Rohrmantels nehmen kontinuierlich ab und sind somit der Abrundung
des Rohrmantelendes weitgehend angepasst. Der gewendelte Heizleiter
vor der Verschweißung
am Ende ist mit Windungen von kleinstem gleichbleibendem Durchmesser
versehen, die genau in die Mittelbohrung am Ende des Rohrmantels
passen. Damit werden eine günstige Zentrierung
bei der Montage des Heizleiters und eine einwandfreie Verschweißung des
Heizleiters mit dem Rohrende ermöglicht.
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Dokument
US 52 51 589 A offenbart
eine Glühkerze,
die durch eine Spule aus Kaltleitermaterial wie z. B. Nickel erhitzt
wird. Eine Menge an Kaltleitermaterial ist an der Spitze der Schutzummantelung vorgesehen.
Mehrere Windungen der Kaltleiterspule werden in der Öffnung der
Schutzummantelung verschweißt,
um die Öffnung
zu schließen
und um die Spitze der Glühkerze
zuerst zu erhitzen.
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Dokument
DE 199 07 229 A1 offenbart
eine Stabglühkerze,
wobei die Stabglühkerze
durch Verschweißung
der Glühspitze
mit der Heizwendel mit dem Stabilisatorstab geringere Materialanhäufung aufweist
als bei der herkömmlicher
Verschweißung. Darüber hinaus
ermöglicht
der Stabilisatorstab der Stabglühkerze
kleinräumige
lokalisierte Schweißtechniken
wie beispielsweise die Laserschweißtechnik. So ergeben sich bei
Verschweißung
der Heizwendel der Stabglühkerze
mit Stabilisatorstab genauere Widerstandswerte als bei der herkömmlichen
Verschweißung
mit resultierender undefinierter Schweißlinse. Bei der Montage der
Stabglühkerze mit
Stabilisatorstab wird die Heizwendel ruhig gehalten und genau zentriert.
Die Verwendung des Stabilisatorstabes in der Stabglühkerze führt wegen
der geringeren Materialanhäufung
an der Glührohrspitze bei
Verschweißung
und wegen der exakten Zentrierung der Heizwendel im Glührohr zu
der erwünschten gleichmäßigen Wärmeabfuhr.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen einer Glühkerze
vorzusehen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum
Herstellen einer Glühkerze
gemäß Anspruch
1 vor.
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Die
Aufgabe und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen
klarer verständlich.
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1 zeigt
eine Querschnittansicht der Glühkerze
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2A zeigt
eine ausschnittartige vergrößerte Querschnittansicht
der Glühkerze
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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2B zeigt
eine weitere ausschnittartige vergrößerte Querschnittansicht der
Glühkerze
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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3A zeigt
einen Querschnitt der Heizröhre
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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3B zeigt
eine vergrößerte Querschnittansicht
der Heizröhre
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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3C zeigt
eine Querschnittansicht der ersten Spule gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 zeigt
eine vergrößerte Querschnittansicht
der Heizröhre
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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5 zeigt
eine Tabelle von experimentellen Ergebnissen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
und
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6 zeigt
eine Querschnittansicht einer ersten Spule gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die
gleichen oder entsprechenden Bauteile sind durchgängig mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine
Glühkerze
und ein Verfahren zum Herstellen derselben gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
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Die 1 zeigt
eine Querschnittansicht der Glühkerze
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel. Die 2A zeigt
eine ausschnittartige vergrößerte Querschnittansicht
der Glühkerze 100 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Die 2B zeigt eine weitere ausschnittartige vergrößerte Querschnittansicht
der in der 2A gezeigten Glühkerze 100.
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Die
Glühkerzen 100 sind
an Motorzylinderköpfen
(nicht gezeigt) eines Dieselmotors zum Zünden des Kraftstoffes und zum
Beschleunigen der Verbrennung angebracht.
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Die
Glühkerze 100 hat
ein (röhrenartiges) Gehäuse 10,
das aus Stahl (Kohlenstoffstahl oder dergleichen) geschaffen ist.
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Das
Gehäuse 10 hat
einen Gewindeabschnitt 13 zum Anbringen oder zum Abmontieren
der Glühkerze 100 zu
oder von dem Zylinderkopf. Eine Heizröhre 20 hat ein geschlossenes
Ende und ist in ein Loch des Gehäuses 10 an
dessen einem Ende 11 durch einen Lötvorgang oder einen Presspassvorgang
eingepasst.
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Die
Heizröhre
(d. h. die Hülle) 20 ist
aus einem leitenden Material mit einer guten Wärmebeständigkeit und einer guten Oxidationsbeständigkeit wie
zum Beispiel ein rostfreier Stahl SUS310S oder ein Nickelmetall
geschaffen und hat einen Röhrenabschnitt 22 mit
kleinem Durchmesser an der Seite des einen geschlossenen Endes der
Heizröhre 20 und
einen Röhrenabschnitt 24 mit
großen
Durchmesser an der Seite eines Öffnungsabschnittes 23.
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Der
Röhrenabschnitt 24 mit
großem
Durchmesser ist in das Loch des Gehäuses 10 eingepasst, und
der Röhrenabschnitt 22 mit
kleinem Durchmesser steht von dem Röhrenabschnitt 24 mit
großem Durchmesser
ab. Zwischen dem Röhrenabschnitt 22 mit
kleinem Durchmesser und dem Röhrenabschnitt 24 mit
großem
Durchmesser ist ein konischer Röhrenabschnitt 25 (mit
zunehmenden Durchmesser) vorgesehen.
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In
der Heizröhre 20 sind
eine erste Spule (erster Widerstand) 30 und eine zweite
Spule (zweiter Widerstand) 40 entlang der Schraubenachse
der Heizröhre 20 vorgesehen.
Die erste Spule 30 ist in dem Röhrenabschnitt 22 mit
kleinem Durchmesser eingebaut, und die zweite Spule 40 ist
an der Seite des Öffnungsabschnittes 23 eingebaut,
wobei ein Abschnitt der zweiten Spule 40 in dem konischen
Abschnitt 25 und dem Röhrenabschnitt 24 mit
großem Durchmesser
eingebaut ist.
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Ein
Ende 31 der ersten Spule 30 ist an dem Bodenabschnitt
(mit dem einen geschlossenen Ende) 21 der Heizröhre 20 geschweißt, um so
mit der Heizröhre 20 elektrisch
verbunden zu sein. Das andere Ende 32 der ersten Spule 30 ist
mit einem Ende 41 der zweiten Spule 40 elektrisch
verbunden. Das andere Ende 42 der zweiten Spule 40 ist
durch einen Schweißvorgang
mit einem Ende 51 einer Mittelelektrode 50 elektrisch
verbunden, die in dem Gehäuse 10 eingefügt und befestigt
ist.
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Hierbei
beträgt
ein in der 2B gezeigter Abstand L2' zwischen dem Querschnitt
des geschweißten
Abschnittes der Spule 30 an dem Boden 21 und dem
Querschnitt des nächsten
Abschnittes der Spule 30 außerhalb des Bodens 21 an
einer Ebene entlang der Achse der Heizröhre 20 (Schraubenachse
der ersten Spule 30) mehr als 0,11 mm.
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Die
Verbindung von beiden Spulen 30 und 40 wird folgendermaßen geschaffen:
Das
andere Ende 32 der ersten Spule 30 und das eine
Ende 41 der zweiten Spule 40 werden überlagert,
und die überlagerten
Abschnitte werden verschweißt,
um so einen Schweißabschnitt 45 auszubilden.
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Das
Innere der Heizröhre 20 ist
mit einem Isolationspulver gefüllt,
das aus einem wärmebeständigen elektrischen
Isolationsmaterial (zum Beispiel Magnesiumoxid) geschaffen ist,
d. h., dass die Mittelelektrode 50 an der Seite des einen
Endes 51 sowie die erste und die zweite Spule 30, 40 in
dem Magnesiumoxid eingebettet sind.
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Das
Isolationspulver 26 ist hierbei mit einer hohen Dichte
in die Heizröhre 20 gepackt,
die einem Schmiedeprozess ausgesetzt wird. So werden die Mittelelektrode 50 sowie
die erste und die zweite Spule 30, 40 steif in
dem Isolationspulver 26 in der Heizröhre 20 fixiert. Somit
sind die Mittelelektrode 50 an der Seite des einen Endes 51 sowie
die erste Spule 30 (außer
dem einen Ende 31) und die zweite Spule 40 von
der Heizröhre 20 elektrisch
isoliert.
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Die
erste Spule 30 hat ein erstes leitendes Material (zum Beispiel
Chromnickelstahl) mit einer Widerstandsänderungsrate von ungefähr 1 zwischen Raumtemperatur
(20°C) und
1000°C (der
Temperatur der ersten Spule 30 bei dem Vorheizvorgang).
Die zweite Spule 40 hat eine Kobalt-Eisen-Legierung mit einer
relativ großen
Widerstandsänderungsrate
von zum Beispiel 5 bis 14.
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Das
eine Ende 51 der Mittelelektrode 50 ist in dem Öffnungsabschnitt 23 der
Heizröhre 20 eingefügt. Das
andere Ende 52 der Mittelelektrode 50 wird an
dem anderen Ende 12 des Gehäuses 10 durch einen
Befestigungsvorgang einer Mutter 62 an das Gehäuse so befestigt,
dass eine Dichtung 60 wie zum Beispiel ein O-Ring mit einem
Isolationsmaterial wie zum Beispiel ein fluorhaltiges Gummi und
eine Plastikisolationsbuchse 61 zwischen der Mutter 62 und dem
anderen Ende 12 der Heizröhre 20 gedrückt werden.
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An
dem anderen Ende 52 der Mittelelektrode 50 ist
ein Gewindeabschnitt 53 vorgesehen, um ein Verbindungsmaterial
(zum Beispiel ein Verbindungskabel) mit einer (nicht gezeigten)
Stromversorgungsquelle zu verbinden.
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Wie
dies vorstehend erwähnt
ist, erzeugt die Glühkerze 100 Wärme zum
Vorheizen des Motors durch ein Aufbringen einer Nennspannung zwischen der
Mittelelektrode 50 und dem Gehäuse 10, das mit der
Körpermasse
verbunden ist.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C sowie 4A und 4B ein
Verfahren zum Herstellen der Glühkerze 100 näher beschrieben.
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Die 3A zeigt
einen Querschnitt eines Abschnittes der Heizröhre 20. Die 3B zeigt
eine vergrößerte Querschnittansicht
der Heizröhre 20.
Die Heizröhre 20 hat
eine Dicke t und einen Außendurchmesser
D1, der über
die Längsrichtung
außer
an deren Spitze konstant ist. Die Spitze der Heizröhre 20 ist
im Wesentlichen geschlossen, aber sie hat ein Durchgangsloch 27,
dessen Achse AX1 mit einer Schraubenachse AX2 der Heizröhre 20 zusammenfällt.
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D1
beträgt
zum Beispiel 4 bis 7 mm, und t beträgt zum Beispiel 0,6 bis 1,5
mm. Die Länge
(Tiefe) y des Durchgangslochs 27 beträgt 0,4 mm bis 1,5 mm, und der
Innendurchmesser ∅T des Durchgangslochs 27 beträgt ungefähr 1,4 mm.
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Die 3C zeigt
eine Querschnittansicht der ersten Spule 30. Das Heizelement
hat die erste Spule 30 und die zweite Spule 40,
und sie hat die Gestalt einer Stabseule. Die erste Spule 30 hat
einen Abschnitt 34 mit großem Durchmesser, einen konischen
Abschnitt 35 und einen Abschnitt 33 mit kleinem
Durchmesser. Der Durchmesser (Schraubendurchmesser des Abschnitts 34 mit
großem
Durchmesser) D2 ist größer als
der Innendurchmesser ∅T des Durchgangslochs 27.
Der Durchmesser D2 beträgt
zum Beispiel 2,1 mm. Der Abschnitt 33 mit kleinem Durchmesser
hat einen Durchmesser ∅1, der kleiner ist als ∅T
(1,4 mm). Zum Beispiel beträgt
der Durchmesser ∅1 ungefähr 1,3 mm. Die Länge L1 des
konischen Abschnittes 35 beträgt ungefähr 1,2 mm.
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Vorzugsweise
ist der Durchmesser ∅1 mehr als fünfmal so groß wie der
Durchmesser des Heizdrahtes der ersten Spule 30, um einen
konstanten Durchmesser ∅1 vorzusehen. Der Durchmesser ∅2 beträgt zum Beispiel
ungefähr
1,7 mm, und er ist ein kleinster Durchmesser des Heizelements, bei
dem Wärme
erzeugt wird.
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Das
mit der Mittelelektrode 50 verbundene Heizelement wird
in die Heizröhre 20 eingefügt, wobei
die Spitze der ersten Spule 30, d. h. der Abschnitt 33 mit
kleinem Durchmesser in das Durchgangsloch 27 eingefügt wird.
Bei diesem Vorgang berührt
der Heizdraht an dem konischen Abschnitt 35 eine Kante der
Heizröhre 20 um
das Durchgangsloch 27 herum. Dies verhindert, dass eine übermäßige Länge, d.
h. eine übermäßige Anzahl
von Windungen des Heizdrahtes in das Durchgangsloch 27 eingefügt wird. Somit
wird eine vorbestimmte Länge,
das heißt
eine vorbestimmte Anzahl von Windungen des Heizdrahts in das Durchgangsloch 27 eingefügt.
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Somit
ist der Innendurchmesser ∅T zwar größer als der Außendurchmesser ∅1
des Abschnittes 33 mit kleinem Durchmesser, aber er ist
kleiner als der Durchmesser ∅2.
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Der
Durchmesser des Heizdrahtes der ersten Spule 30 beträgt ungefähr 0,26
mm, und der Abstand der Querschnitte des Heizdrahtes beträgt zum Beispiel
0,1 mm.
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Als
nächstes
wird ein Schweißabschnitt
K durch einen Plasmaschweißvorgang
bei einem Zustand ausgebildet, bei dem der Abschnitt 33 mit
kleinem Durchmesser in dem Durchgangsloch 27 eingefügt ist.
Somit wird die erste Spule 30 mit der Heizröhre 20 elektrisch
verbunden, und das eine Ende der Heizröhre 20 wird geschlossen.
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Bei
diesem Vorgang berührt
der konische Abschnitt 35 die Kante um das Durchgangsloch 27 herum,
so dass die Länge
des Heizdrahtes, das heißt eine
vorbestimmte Anzahl von Windungen des Heizdrahtes mit dem Schweißabschnitt
K verschweißt oder
in diesem eingebettet wird. Somit ist die Anzahl von Windungen des
Heizdrahtes außerhalb
des Schweißabschnittes
K, d. h. der eigentliche Heizabschnitt gleichbleibend. Außerdem beträgt der Abstand
L2 zwischen den Querschnitten des Heizelements an dem konischen
Abschnitt 35 mehr als 0,1 mm. Falls eine Länge L3 eine
Streuung aufweist, dann ist die Anzahl von Windungen des Heizdrahtes oder
die Länge
des Heizdrahtes in dem Schweißabschnitt
K nicht so sehr gestreut, da ein Winkel α zwischen der Fläche des
Schweißabschnittes
K und dem Heizdraht an dem konischen Abschnitt 35 groß ist.
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Der
Erfinder hat diesen Zusammenhang experimentell untersucht. Die 5 zeigt
eine Tabelle von experimentellen Ergebnissen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
wobei die in der 4A gezeigte erste
Spule 30 verwendet wird.
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Gemäß der 5 ändert sich
der Abstand L2 von 0 mm (kein Spalt), 0,04 mm, 0,08 mm, 0,1 mm,
0,12 mm, 0,15 mm zu 0,20 mm. Die Länge L3 schwankt von 0,5 mm
bis 1,0 mm, falls der Sollwert 0,7 mm beträgt. Das Kreiszeichen stellt
einen gut verschweißten
(geschmolzenen) Zustand dar, das Dreieckzeichen stellt einen unzureichenden
Schweißzustand
dar und das Kreuzzeichen stellt einen übermäßigen Schweißzustand
dar.
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Falls
der Abstand L2 Null beträgt,
führt die Streuung
der Länge
L3 gemäß der 5 direkt
zu einem unzureichenden bzw. übermäßigen Schweißzustand
der Länge
des geschweißten
oder geschmolzenen Heizdrahtes. Wenn andererseits der Abstand L2
mehr als 0,1 mm beträgt,
kompensiert der Abschnitt des Heizdrahtes mit dem Abstand L2 die Streuung,
die durch die Streuung der Länge
L3 des geschweißten
Abschnittes K erzeugt wird, so dass es stets möglich ist, die vorbestimmte
Anzahl von Windungen (ein vorbestimmtes Maß) der ersten Spule 30 zu
schmelzen (zu schweißen).
Anders gesagt, ist der Winkel α zwischen
der ersten Spule 30 und der Fläche 60 des geschweißten Abschnittes
K ausreichend groß,
so dass die Streuung der Länge
L3 das Maß der
in dem geschweißten
Abschnitt K geschmolzenen ersten Spule 30 nicht sehr beeinflusst.
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Als
nächstes
wird das Isolationspulver in die Heizröhre 20 bei dem Zustand
gefüllt,
bei dem die Mittelachse 50, die erste Spule 30,
die zweite Spule 40 und die Heizröhre 20 kombiniert
sind. Als nächstes
wird die Heizröhre 20 einem
Schmiedevorgang ausgesetzt, um die erste und die zweite Spule 30, 40 sowie
die Mittelelektrode 50 starr zu fixieren. Dann ist die
in der 2 gezeigte Heizröhre 20 fertiggestellt.
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Als
nächstes
werden der Abschnitt 24 mit großem Durchmesser der Heizröhre 20 und
die Mittelelektrode 50 in das Gehäuse 10 durch dessen Ende 11 eingefügt. Der
Abschnitt 24 mit großem Durchmesser
wird in das Gehäuse
eingepasst oder an das Gehäuse 10 gelötet, um
ihn so zu befestigen. Als nächstes
werden das Dichtmaterial 60 und die Isolationsbuchse 61 an
dem Gehäuse 10 über das andere
Ende 52 der Mittelelektrode 50 angeordnet. Als
nächstes
wird die Mutter 62 an dem Gewindeabschnitt 53 befestigt.
Dann ist die Glühkerze 100 fertiggestellt,
wie sie in der 1 gezeigt ist.
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Die
Glühkerze 100 wird
an den Motorzylinderkopf angebracht, und das Verbindungskabel von der
(nicht gezeigten) Stromversorgung wird mit dem Gewindeabschnitt 53 an
der Mittelelektrode 50 verbunden. Wenn eine Nennspannung
zwischen der Mittelelektrode 50 und dem mit dem Körper geerdeten
Gehäuse
aufgebracht wird, werden die erste und die zweite Spule 30, 40 von
einem Strom durchflossen und erzeugen Wärme, um den Motor vorzuheizen.
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Wie
dies vorstehend erwähnt
ist, hat das erfindungsgemäße Verfahren
die folgende Besonderheit:
Die erste Spule 30 ist
mit dem konischen Abschnitt 35 ausgebildet, der dem Abschnitt 33 mit
kleinem Durchmesser folgt, der in das Durchgangsloch 27 so eingefügt ist,
dass der konische Abschnitt 35 die Kante des Loches 27 berührt, um
so die Länge
der in das Durchgangsloch 27 eingefügten ersten Spule 30 eindeutig
festzulegen. Somit ist nicht mehr als eine vorbestimmte Anzahl von
Windungen der ersten Spule 30 in das Durchgangsloch 27 eingefügt, so dass
eine vorbestimmte Anzahl von Windungen oder ein vorbestimmtes Maß der ersten
Spule geschmolzen werden kann.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist der Abstand L2 größer als
0,1 mm. Dies ermöglicht
eine vorbestimmte Anzahl von Windungen oder ein vorbestimmtes Maß der ersten
Spule 30 zu schmelzen, auch wenn der Schweißvorgang
eine Streuung aufweist. Somit unterdrückt dies eine Streuung des Heizverhaltens.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiel
beträgt
die Anzahl von Windungen der ersten Spule 30 an dem Abschnitt 33 mit
kleinem Durchmesser 2, wie dies in der 4 gezeigt
ist. Es ist jedoch aus Kostengründen
wünschenswert,
dass die Anzahl von Windungen einer ersten Spule 30c an dem
Abschnitt 33 mit kleinem Durchmesser gleich oder kleiner
als 1 ist.
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Der
Schweißvorgang
wird in der gleichen Art und Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
beträgt der
Abstand L2 auch mehr als 0,1 mm, so dass die Streuung beim Schweißen das
Heizverhalten nicht wesentlich beeinflusst.
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Außerdem beträgt die Länge (Tiefe)
des Durchgangsloches 27 bei dem ersten Ausführungsbeispiel
y, die mit der Wanddicke der Heizröhre 20 übereinstimmt.
Es ist jedoch auch möglich,
dass eine verwendete Heizröhre 20 eine
Buchse mit einer Länge
y aufweist, die sich von der Heizröhre 20 erstreckt.
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Eine
Glühkerze
weist dann Folgendes auf: die Röhre;
das Stabspulenheizelement in der Röhre, wobei das Ende des Stabspulenheizelements
in das Schweißmaterial
eingebettet ist, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Querschnitten des Stabspulenheizelements mehr als 0,1 mm beträgt. Der äußere Schraubendurchmesser
der Stabseule an ihrer Spitze ist kleiner als das Durchgangsloch. Der äußere Schraubendurchmesser
der Stabseule an dem der Spitze folgenden Abschnitt ist größer als der
Durchmesser des Durchgangslochs. Die Spitze des Stabspulenheizelements
ist in das Durchgangsloch derart eingefügt, dass der Abschnitt die
Kante der an einem Ende geschlossenen Röhre um das Durchgangsloch herum
berührt.
Die Spitze des Heizelements kann sich geradlinig erstrecken.