DE3421950A1

DE3421950A1 - Selbstregelnde gluehkerze

Info

Publication number: DE3421950A1
Application number: DE19843421950
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Itoh; Shinichi Nagoya Aichi Yokoi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1984-12-13
Also published as: DE3421950C2; GB8414542D0; US4636614A; GB2144175A; JPH0155368B2; GB2144175B; JPS59231321A

Description

Selbstregelnde Glühkerze

Die Erfindung betrifft eine schnell aufheizende Glühkerze zum Starten von Dieselmotoren und insbesondere eine Glühkerze dieser Art vom selbstregelnden Typ.

Dieselmotoren lassen sich bekanntlich bei niedrigen Temperaturen nur schwer starten. Gewöhnlich ist daher in den Zylindern des Motors oder in einer Hilfs-Verbrennungskammer eine Glühkerze vorgesehen, um die Temperatur in dem

Zylinder oder der Hilfs-Verbrennungskammer vor dem Star-Ib

ten zu erhöhen. Zu diesem Zweck muß die Glühkerze schnelle Aufheizeigenschaften zeigen. In jüngerer Zeit besteht die Tendenz, Glühkerzen nicht nur zum Starten einzusetzen, sondern auch während des normalen Motorbetriebs, um den Kraftstoffverbrauch zu stabilisieren. Verwendet man eine Glühkerze auf diese Weise kontinuierlich, muß sie eine verbesserte Haltbarkeit haben.

Für diesen Zweck sind schnell aufheizende Glühkerzen entwickelt worden, die aus einem gesinterten Keramikkörper 25

und einem Wolfram-Heizdraht bestehen. Wolfram ist sehr hitzebeständig und es besteht daher nur geringe Gefahr eines Durchbrennens bei hohen Temperaturen. Andererseits besteht jedoch die Möglichkeit, daß der Keramikkörper

durch den Hitzeschock beim schnellen Erhitzen bricht. Um 30

dies zu verhindern, werden in der Praxis Hilfsmittel eingesetzt, z.B. einen Regler für den Stromfluß durch den Heizdraht.

Als Alternative sind sogenannte selbstregelnde Glühkerzen entwickelt worden, die in einem Keramikkörper eingebettet einen Wolfram-Heizdraht aufweisen, der in Reihe mit einem Widerstand geschaltet ist. Der Widerstand hat die Form

eines Drahts aus einem Material, wie Nickel, Wolfram oder Molybdän, mit einem größeren positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands als der Heizdraht, so daß beim schnellen Erhitzen der Widerstand des Widerstandselements schnell zunimmt und so den Heizstrom reduziert und ein Überhitzen des Heizdrahts verhindert. Für eine zufriedenstellende Selbstregulierung einer derartigen Glühkerze ist es wünschenswert, daß der Unterschied des Temperaturkoeffizienten des Widerstands bei Raumtemperatur und z.B. 1000⁰C ausreichend groß ist. Besteht der Widerstand z.B.

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

Dieser Anforderung genügen z.B. Heizdrähte aus Fe-Cr oder

Ni-Cr Legierungen. Es sind bereits Metall-Glühkerzen hergestellt und getestet worden, die einen derartigen Heizdraht in einem isolierenden Pulver aufweisen, das in eigO ne Metallhülle eingefüllt ist. Da der Schmelzpunkt des

Heizdrahts jedoch relativ niedrig ist, hält er der Sintertemperatur des Keramikmaterials nicht stand. Selbst wenn der Heizdraht derartig hohen Temperaturen standhalten würde, könnte er aufgrund der sehr unterschiedlichen Wärmegg ausdehnungskoeffizienten nicht mit Erfolg zusammen mit dem Keramikkörper eingesetzt werden.

Aus diesen Gründen sind Wolfram-Heizdrähte in Kombination mit Keramikkörpern eingesetzt worden. Das Wolfram des Heizdrahts hat eine Reinheit von 99,9 % oder mehr und einen dementsprechend hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Es ist daher unmöglich, einen großen ünterschied hinsichtlich der Temperaturkoeffizienten des Widerstands zwischen dem Heizdraht und dem Widerstandselement einzustellen, so daß die selbstregelnde Funktion einer derartigen Glühkerze ungenügend ist.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine Keramik-Glühkerze mit ausreichender selbstregulierender Funktion bereitzustellen.

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

In Fig. 1 der Zeichnung ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands einer Wolframlegierung mit Rhenium, das das bevorzugte Legierungselement ist, gegen die Rheniummenge aufgetragen. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Rheniummenge vorzugsweise 2 bis 50 Gew.-% beträgt. Bei weniger als 2 Gew.-% Rhenium ist es schwer, das Temperaturkoeffizienten-Verhältnis auf 4 oder darunter einzustellen. Andererseits ist bei Rheniummengen von mehr als 50 Gew.-% das Ziehen des Drahts praktisch unmöglich. Besonders bevorzugt ist eine Rheniummenge von 10 bis 30 Gew.-%.

Andere bevorzugte Wolframlegierungen sind solche mit einem Gehalt an 5 bis 30 Gew.-% Co, 5 bis 60 Gew.-% Mo, 5 bis 30 Gew.-% Th bzw. 5 bis 40 Gew.-% Zr. Diese Legierungen ergeben jeweils ein Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 4 oder weniger und haben einen Schmelzpunkt von 2400⁰C oder darüber.

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

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, bei dem der Temperaturkoeffizient des Widerstands einer Wolfram-Rhenium-Legierung gegen die Rheniummenge aufgetragen ist;

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze; Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt■durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 4A einen Querschnitt durch das keramische Heizteil der Glühkerze von Fig. 3; und
Fig. 4B einen Querschnitt entlang der Linie X-X in Fig.4A.

In Fig. 2 ist ein vertikaler Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen selbstregelnden Glühkerze dargestellt, deren keramisches Heizteil 1 eine Drahtspirale 2 aus einer Wolframlegierung mit einem Rheniumgehalt von 20 Gew.-% aufweist, die in

einem gesinterten Keramikkörper angeordnet ist, welcher hauptsächlich aus Si^N. und SiC besteht und von einer äußeren Metallhülle 3 umgeben ist. Im einzelnen wird ein hauptsächlich aus Si₃N₄ und SiC bestehendes Keramikpulver mit der darin eingebetteten Drahtspirale 2 vorläufig zu einem zylindrischen Körper geformt. Dann wird das vorläufig gesinterte Produkt durch Heißpressen gesintert, worauf man das erhaltene keramische Heizteil 1 durch Schleifen oder Schneiden formt. Der obere Teil des keramischen Heizteils 1 wird an eine äußere Metallhülle 3 gelötet, mit der ein Ende 2a des Drahtes 2 verbunden wird.

Die Metallhülle 3 wird durch Löten in den Innenraum eines Endbereichs einer Befestigungshülse 4 eingesetzt, die als negative Elektrode fungiert. Das andere Ende 2b des Heizdrahts 2 wird an eine Kappe 5 gelötet, die am rückwärtigen Ende des keramischen Heizteils 1 befestigt ist. Ein Ende eines Stabes 6 wird an die Kappe 5 angeschweißt. Das andere Ende des Stabes 6 ist mit einem Ende eines Metallspulenwiderstands 7 aus Nickel verbunden, dessen anderes Ende mit einem Meta11-Mittelteil 8 verlötet ist.

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

Der Wolframlegierungsdraht 2 des keramischen Heizteils 1 enthält vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-% Rhenium, da eine derartige Wolframlegierung ein sehr kleines Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 2 bis 4 ergibt. Da außerdem

der in Reihe mit dem Heizdraht 2 geschaltete Widerstand aus Ni besteht, das ein positives Temperaturkoeffizientenverhältnis von etwa 6 bis 7 hat, nimmt der Widerstandswert des Widerstands 7 schneller zu als der des Heizdrahtes 2, wenn ein Heizstrom durch den Draht 2 fließt. Hierdurch wird der Heizstrom automatisch verringert und ein Überhitzen des Drahtes 2 wird verhindert.

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

Fig. 3 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze, wobei gleiche Komponenten wie in Fig. 2 mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dargestellt sind ein keramisches Heizteil 1' in Form einer Scheibe und ein Heizdraht 2' in Form einer Spirale. Der Aufbau dieser Elemente ist im einzelnen in den Fig. 4A und 4B gezeigt. Ein Metallstab 6' ist in einer Metallhülle 3¹ angeordnet und direkt mit dem hinteren Teil des keramischen Heizteils I¹ verbunden, an das ein Ende 2a¹ des Heizdrahtes 2¹ angeschlossen ist. Das andere Ende 2b¹ des Heizdrahtes 2¹ ist mit der Metallhülle 3¹ verbunden.

Wie oben beschrieben, ist die erfindungsgemäß Glühkerze gekennzeichnet durch einen in einen gesinterten Keramikkörper eingebetteten Heizdraht aus einer Wolframlegierung, die mindestens eines der Legierungselemente Rhenium, Kobalt,Thorium, Molybdän und Zirkon enthält und ein Tempera-

turkoeffizienten-Verhältnis von 4 oder weniger hat. In Reihe mit dem Heizdraht ist ein Widerstand geschaltet, der ein positives Temperaturkoeffizienten-Verhältnis von 5 oder mehr hat. Bei einer derartigen Kombination von Heizdraht und in Reihe geschaltetem Widerstand nimmt der Widerstandswert des Widerstands schneller zu als der des Heizdrahtes, wenn ein Strom durchfließt. Hierdurch wird der Stromfluß verringert und ein überhitzen des Heizdrahtes vermieden. Es findet somit eine wirksame Selbstregulierung der Temperatur des Heizdrahtes ohne komplizierte und teure Mittel statt.

Claims

Patentansprüche

Selbstregelnde Glühkerze, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (1,2) an einem Ende einer Befestigungshülse (4) und einen mit der Heizeinrichtung (1,2) in Reihe geschalteten Stromregelwiderstand (7) zum Regeln der Temperatur der Heizeinrichtung beim Fließen eines Stromes, wobei die Heizeinrichtung (1,2) einen gesinterten Keramikkörper (1) und einen darin eingebetteten Heizdraht (2) aus einer Wolframlegierung umfaßt, die bei 1000⁰C einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich oder kleiner ist als das vierfache dessen bei Raumtemperatur, und wobei der Widerstand (7) innerhalb der Befestigungshülse (4) angeordnet ist und aus einem Draht besteht, der bei 1000⁰C einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich oder größer ist als das fünffache dessen bei Raumtemperatur.
2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframlegierung aus Wolfram und mindestens einem Element aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Thorium, Molybdän und Zirkon besteht.
3. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht des Widerstands (7) aus mindestens einem Material aus der Gruppe Nickel, Wolfram, Molybdän und Eisen besteht.
4. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (2) aus Wolfram mit einem Gehalt von 2 bis 50 Gew.-% Rhenium besteht.

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