DE10151617A1

DE10151617A1 - Heizbares keramisches Element

Info

Publication number: DE10151617A1
Application number: DE2001151617
Authority: DE
Inventors: Andreas Goettler
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: DE10151617B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein heizbares keramisches Element (10) mit mindestens einer Heizzone (12) und mindestens einer Isolationszone (14), wobei das heizbare keramische Element (10) vollständig aus keramischem Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein heizbares keramisches Element mit mindestens einer Heizzone und mindestens einer Isolationszone.
Gattungsgemäße Elemente werden vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt. Beispielsweise werden sie als Glühstift zum Start von Fahrzeugheizungen verwendet.
Weiterhin ist es bekannt, heizbare keramische Elemente als Glühkerzen von Dieselmotoren einzusetzen, wie es beispielsweise in der DE 35 12 483 C2 beschrieben ist. Das dort beschriebene heizbare keramische Element wird betrieben, indem ein elektrischer Strom über elektrisch leitende Elemente einer keramischen Zone mit einem bestimmten elektrischen Widerstand zugeführt wird. Aufgrund des elektrischen Widerstandes kommt es zur erwünschten Erwärmung der Glühkerze. Die elektrischen Zuleitungen sind als metallische Drähte ausgelegt. Nachteilig an der in der DE 35 12 483 C2 beschriebenen Vorrichtung ist allerdings, dass es aufgrund von Temperatureffekten zu mechanischen Spannungen kommen kann, insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen beteiligten Materialien.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein heizbares keramisches Element zur Verfügung zu stellen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik ausgeräumt werden und das insbesondere unter Vermeidung mechanischer Beschädigungen auch bei hohen Temperaturen bei schneller Aufheizung arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird durch ein heizbares keramisches Element mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen heizbaren keramischen Element dadurch auf, dass das heizbare keramische Element vollständig aus keramischem Material besteht. Da es auf diese Weise möglich ist, auf die metallischen Zuleitungsdrähte zu verzichten, die bei den Vorrichtungen des Standes der Technik in die Keramik eingebettet sind, werden mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten vermieden. Auf diese Weise wird bei Heizgeräten ein verbesserter Startbetrieb zur Verfügung gestellt, da höhere Temperaturen und schnellere Aufheizgeschwindigkeiten zugelassen werden können. Es werden makroskopische Spannungen vermieden, so dass letztlich die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Glühstifts beziehungsweise des gesamten Heizgerätes verringert wird. Insgesamt wird auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer eines Heizgerätes beziehungsweise einer sonstigen Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes heizbares keramisches Element eingesetzt ist, erhöht.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass mindestens eine Leiterzone vorgesehen ist. Diese Leiterzone unterscheidet sich von der Heizzone beziehungsweise von der Isolationszone durch einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand. Die Isolationszone ist entsprechend ihrer Bezeichnung isolierend, die Heizzone weist einen geringeren Widerstand als die Isolationszone auf, der jedoch ausreichend hoch gewählt ist, um die gewünschte Heizwirkung zu erzielen, und die Leiterzone weist einen möglichst geringen Widerstand auf. Somit kann die Leiterzone als Ersatz für die im Stand der Technik verwendeten elektrischen Zuleitungen betrachtet werden. Es ist allerdings zu bemerken, dass eine Leiterzone für die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist, da die für den elektrischen Stromfluss erforderliche elektrische Spannung auch direkt an der Heizzone angelegt werden kann. Im zuletzt geschilderten Fall erstreckt sich die Heizzone im Allgemeinen über die gesamte Länge des heizbaren keramischen Elementes.
Das erfindungsgemäße heizbare keramische Element ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Glühstift aus nicht leitendem keramischem Material und leitendem keramischem Material besteht. Durch die Mischung der unterschiedlichen Materialien lassen sich die gewünschten Widerstände der jeweiligen Zonen einstellen.
Beispielsweise kann es nützlich sein, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der keramischen Materialien eingestellt sind. Da unterschiedliche keramische Materialien unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweisen, ist es möglich, durch Wahl unterschiedlicher Materialien die Heizeigenschaft, die Isolationseigenschaft und die leitende Eigenschaft zur Verfügung zu stellen.
Ebenfalls kann es nützlich sein, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Mischungsverhältnisse der keramischen Materialien eingestellt sind. Werden in einer der Zonen unterschiedliche Materialien miteinander gemischt, so kann deren Mischungsverhältnis die Leitfähigkeit beeinflussen, insbesondere, wenn nicht leitende keramische Materialien mit leitenden keramischen Materialien kombiniert werden.
Weiterhin ist das heizbare keramische Element gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Korngröße der keramischen Materialien eingestellt sind. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn für jede der Zonen dieselben Materialien im selben Mischungsverhältnis verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, ein nicht leitendes Basismaterial und ein zugemischtes leitendes Material zu verwenden und allein auf der Grundlage der Korngrößen bei unveränderten Volumenanteilen der Materialien über die verschiedenen Zonen die elektrischen Eigenschaften, das heißt insbesondere den elektrischen Widerstand der Zonen, zu bestimmen.
Besonders nützlich ist es, dass die Zonen aus denselben Materialien bestehen und dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Korngrößen der keramischen Materialien eingestellt sind. Auf diese Weise erhält man ein besonders homogenes heizbares keramisches Element, was im Hinblick auf die Temperaturbeständigkeit besondere Vorzüge aufweist.
Als zusätzliche Maßnahme für die Einstellung des elektrischen Widerstandes kann es hilfreich sein, diesen durch geometrische Anpassung des Designs, insbesondere im Bereich der Heizzone, lokal an die erforderlichen Gegebenheiten anzupassen.
Es kann vorteilhaft sein, dass als nicht leitendes Material mindestens ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂), Aluminiumnitrid (AlN) und SiAlON verwendet wird.
Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn als leitendes Material mindestens ein Material aus der Gruppe Wolframcarbid (WC), Wolframdisilicid (WSi₂), Molybdändisilicid (MoSi₂), Molybdänsilicid-Siliciumcarbid (Mo₅Si₃C), Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (Ti(C, N)), Titancarbid (TiC), Titandisilicid (TiSi₂), Titandiborid (TiB₂), Tantalcarbid (TaC), Tantalnitrid (TaN), Zirkonnitrid (ZrN), Zirkoncarbid (ZrC), Zirkonborid (ZrB), Zirkondisilicid (ZrSi₂), Siliciumcarbid (SiC), SiAlON (Si(Al)(O, N)), Borcarbid (B₄C), Hafniumcarbid (HfC), Hafniumnitrid (HfN), Vanadiumcarbid (VC), Vanadiumnitrid (VN), Niobiumcarbid (NbC), Niobiumnitrid (NbN), Lanthancarbid (LaC₂) und Lanthannitrid (LaN) verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, ein heizbares keramisches Element ohne keramikfremde Materialien herzustellen. Auf diese Weise lassen sich im Hinblick auf ihre Temperatureigenschaften besonders homogene heizbare keramische Elemente, beispielsweise Glühstifte, herstellen. Die Glühstifte können somit auf höhere Temperatur gebracht werden, ohne durch mechanische Spannungen zerstört zu werden. Ebenfalls können die Glühstifte mit höherer Geschwindigkeit aufgeheizt werden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2b eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer im Vergleich zu Fig. 2a variierten Geometrie;
Fig. 3a drei Schnittansichten eines Glühstiftes gemäß Fig. 2a beziehungsweise Fig. 2b;
Fig. 3b drei Schnittansichten eines Glühstiftes gemäß Fig. 2a beziehungsweise Fig. 2b in einer im Vergleich zu Fig. 3a veränderten Geometrie;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 drei Schnittansichten des Glühstiftes gemäß Fig. 4.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Glühstiftes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Glühstift 10 ist vollständig aus keramischen Material hergestellt. Es sind elektrische Zuleitungen 18 aus einem beliebigen Material vorgesehen, die dem Anlegen einer elektrischen Spannung zum Erzeugen von Wärmeenergie durch das heizbare keramische Element 10 dienen. Im Gegensatz zu heizbaren keramischen Elementen des Standes der Technik liegen die elektrischen Zuleitungen 18 beziehungsweise Anschlüsse vollständig außerhalb der Keramik.
Fig. 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen von weiteren Glühstiften 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Glühstifte 10 umfassen jeweils eine Heizzone 12, eine Isolationszone 14 und eine Leiterzone 16. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Zonen 12, 14, 16 können auf unterschiedliche Weise zur Verfügung gestellt werden.
Beispielsweise können unterschiedliche keramische Materialien verwendet werden. Es können innerhalb der Zone unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Keramiken verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, bei gleichen Materialien und gleichen Mischungsverhältnissen den elektrischen Widerstand über die unterschiedlichen Korngrößen der keramischen Materialien sowie durch Wahl eines geeigneten Designs einzustellen. Ebenfalls sind Kombinationen der beschriebenen Einstellmöglichkeiten des elektrischen Widerstandes denkbar.
An der Leiterzone 16 wird eine elektrische Spannung angelegt, so dass entlang der Leiterzone 16 ein elektrischer Strom fließt. Die Isolationsschicht 14 vermeidet einen Kurzschluss der Leiterzonen 16. Die Leiterzonen 16 haben einen geringeren elektrischen Widerstand als die Heizzone 12, so dass sich der Glühstift 10 besonders an seinem freien Ende an der Heizzone 12 aufheizt.
Der Glühstift 10 gemäß Fig. 2a hat eine Heizzone 12, die einen größeren Querschnitt als die Heizzone 12 bei dem Glühstift 10 gemäß Fig. 2b aufweist.
Fig. 3a und 3b zeigen jeweils drei Schnittansichten der Glühstifte 10 gemäß den Fig. 2a und 2b. Die oberen Darstellungen zeigen Schnittansichten entlang der in den Fig. 2a und 2b mit AA gekennzeichneten Linien. Die mittleren Darstellungen zeigen Schnittansichten entlang der in den Fig. 2a und 2b mit BB gekennzeichneten Linien. Die unteren Darstellungen zeigen Schnittansichten entlang der in den Fig. 2a und 2b mit CC gekennzeichneten Linien.
Fig. 3a zeigt Schnittansichten eines Glühstifts mit rechteckigem Querschnitt. Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 3b Schnittansichten eines Glühstifts mit rundem Querschnitt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Glühstiftes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 zeigt drei Schnittansichten des Glühstiftes 10 gemäß Fig. 4. In Fig. 5a ist eine Schnittansicht entlang der in Fig. 4 mit AA gekennzeichneten Linie dargestellt. In Fig. 5b ist eine Schnittansicht entlang der in Fig. 4 mit BB gekennzeichneten Linie dargestellt. In Fig. 5c ist eine Schnittansicht entlang der in Fig. 4 mit CC gekennzeichneten Linie dargestellt. Im vorliegenden Fall ist ein Glühstift 10 mit rundem Querschnitt vorgesehen. Die Heizzone 12 ist in Umfangsrichtung des zylindrischen Querschnittes durch eine Isolationsschicht 14 unterteilt, so dass direkt an der Heizzone 12 eine Spannung angelegt werden kann, die einen Stromfluss in Längsrichtung des Glühstiftes 10 bewirkt. Im vorliegenden Fall kann die elektrische Spannung direkt an der Heizzone 12 angelegt werden. Ebenfalls ist es möglich, entsprechend der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3, eine Leiterzone an der dem freien Ende des Glühstifts 10 abgewandten Seite des Glühstifts 10 vorzusehen, um so die Heizwirkung auf das freie Ende des Glühstiftes 10 zu konzentrieren.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

1. Heizbares keramisches Element (10) mit
mindestens einer Heizzone (12) und
mindestens einer Isolationszone (14)
dadurch gekennzeichnet,
dass das heizbare keramische Element (10) vollständig aus keramischem Material besteht.

2. Heizbares keramisches Element (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterzone (16) vorgesehen ist.

3. Heizbares keramisches Element (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühstift (10) aus nicht leitendem keramischem Material und leitendem keramischem Material besteht.

4. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der keramischen Materialien eingestellt sind.

5. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Mischungsverhältnisse der keramischen Materialien eingestellt sind.

6. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Korngröße der keramischen Materialien eingestellt sind.

7. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl eines geeigneten Designs eingestellt sind.

8. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zonen aus denselben Materialien bestehen und
dass die elektrischen Eigenschaften der Zonen durch Wahl der Korngrößen der keramischen Materialien eingestellt sind.

9. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht leitendes Material mindestens ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂), Aluminiumnitrid (AlN) und SiAlON verwendet wird.

10. Heizbares keramisches Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als leitendes Material mindestens ein Material aus der Gruppe Wolframcarbid (WC), Wolframdisilicid (WSi₂), Molybdändisilicid (MoSi₂), Molybdänsilicid-Siliciumcarbid (Mo₅Si₃C), Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (Ti(C, N)), Titancarbid (TiC), Titandisilicid (TiSi₂), Titandiborid (TiB₂), Tantalcarbid (TaC), Tantalnitrid (TaN), Zirkonnitrid (ZrN), Zirkoncarbid (ZrC), Zirkonborid (ZrB), Zirkondisilicid (ZrSi₂), Siliciumcarbid (SiC), SiAlON (Si(Al)(O, N)), Borcarbid (B₄C), Hafniumcarbid (HfC), Hafniumnitrid (HfN), Vanadiumcarbid (VC), Vanadiumnitrid (VN), Niobiumcarbid (NbC), Niobiumnitrid (NbN), Lanthancarbid (LaC₂) und Lanthannitrid (LaN) verwendet wird.

11. Verwendung eines heizbaren keramischen Elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Heizgerät.

12. Verwendung eines heizbaren keramischen Elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Dieselmotor.