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金属护套电热塞

阅读:598发布:2020-05-13

专利汇可以提供金属护套电热塞专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种 电热塞 (10),包括环形金属 外壳 (12),导 热管 状护套(20), 电极 (22), 电阻 加热元件(24)和电绝缘导热粉末(26)。金属 密封件 (28)位于该护套(20)的开口端内,与该电极(22)密封接合。绝缘层(54)形成在电极(22)的外表面上,以防止金属密封件(28)与电极(22)之间的导电。可选的第二金属层(56)可位于绝缘层(54)与金属密封件(28)之间。,下面是金属护套电热塞专利的具体信息内容。

1.一种电热塞,包括:
具有轴向延伸的孔的金属外壳
导电及导热的管状护套,具有位于所述孔内与所述外壳电接触的开口端和从所述孔伸出的封闭端;
电极,具有延伸到所述管状护套的开口端内的嵌入部分,所述嵌入部分之上具有分离的绝缘层;
位于所述管状护套内的电阻加热元件,具有电连接到所述电极的嵌入部分的近端和电连接到所述管状护套的封闭端的远端;
位于所述管状护套内并包围所述电极的嵌入部分和所述电阻加热元件的电绝缘导热粉末;和
位于所述管状护套的开口端内与所述管状护套和所述电极的绝缘层密封接合的金属密封件
2.如权利要求1所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括焊接接头。
3.如权利要求1所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括钎焊接头。
4.如权利要求1所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括烧结金属粉末
5.如权利要求1所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括合金合金。
6.如权利要求5所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件还包括作为所述铜合金或所述银合金的成分的过渡金属。
7.如权利要求6所述的电热塞,其特征在于,所述过渡金属是
8.如权利要求1所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层包括无机、非橡胶绝缘材料。
9.如权利要求1所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层包括玻璃或陶瓷。
10.如权利要求9所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层是从由酸盐玻璃、酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃组成的组中选择的玻璃。
11.如权利要求9所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层是从由金属化物、金属氮化物和金属氮氧化物组成的组中选择的陶瓷。
12.一种电热塞,包括:
具有轴向延伸的孔的金属外壳;
导电及导热的管状护套,具有位于所述孔内与所述外壳电接触的开口端和从所述孔伸出的封闭端;
电极,具有延伸到所述管状护套的开口端内的嵌入部分,所述嵌入部分之上具有分离的绝缘层;
位于所述管状护套内的电阻加热元件,具有电连接到所述电极的嵌入部分的近端和电连接到所述管状护套的封闭端的远端;
位于所述管状护套内并包围所述电极的嵌入部分和所述电阻加热元件的电绝缘导热粉末;
位于所述管状护套的开口端内与所述管状护套和所述电极的绝缘层密封接合的金属密封件;和
位于所述绝缘层上的第二金属层,所述金属密封件密封接合在所述管状护套与所述第二金属层之间。
13.如权利要求12所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括焊接接头。
14.如权利要求12所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括钎焊接头。
15.如权利要求12所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括烧结金属粉末。
16.如权利要求12所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件包括铜合金或银合金。
17.如权利要求16所述的电热塞,其特征在于,所述金属密封件还包括作为所述铜合金或所述银合金的成分的过渡金属。
18.如权利要求17所述的电热塞,其特征在于,所述过渡金属是钛。
19.如权利要求12所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层包括无机、非橡胶绝缘材料。
20.如权利要求12所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层包括玻璃或陶瓷。
21.如权利要求20所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层是从由硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃组成的组中选择的玻璃。
22.如权利要求20所述的电热塞,其特征在于,所述绝缘层是从由金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物组成的组中选择的陶瓷。
23.一种制造电热塞的加热器组件的方法,该组件包括:具有开口端和封闭端的导电及导热的管状护套;电极,具有延伸到所述管状护套的开口端内的嵌入部分,所述嵌入部分之上具有绝缘层;位于所述护套内并包围电阻加热元件的电绝缘导热粉末;和位于所述管状护套的开口端内密封接合在所述管状护套与所述绝缘层之间的金属密封件;所述方法包括以下步骤:
形成管状护套、电极和电阻加热元件;
在所述电极的嵌入部分的至少一部分上形成绝缘层;
将所述电阻加热元件的一端连接到所述电极的嵌入部分;
将所述电阻加热元件和所述电极的嵌入部分插入到管状护套内;
将所述电阻加热元件的另一端连接到所述管状护套的封闭端;
将粉末插入到所述管状护套内包围所述电阻加热元件;及
在所述管状护套和绝缘层之间形成金属密封件。
24.如权利要求23所述的方法,其特征在于,进一步包括在所述形成金属密封件的步骤之前在所述绝缘层上形成第二金属层的步骤。
25.如权利要求23所述的方法,其特征在于,所述形成金属密封件的步骤包括焊接,钎焊或烧结。
26.如权利要求23所述的方法,其特征在于,还包括将所述加热器组件连接到金属电热塞外壳的步骤。

说明书全文

金属护套电热塞

[0001] 相关申请参考
[0002] 无。

技术领域

[0003] 本发明涉及电热塞,更具体地涉及装有金属护套的电热塞。

背景技术

[0004] 护套型电热塞通常具有电阻加热器,其包括一个或多个位于管状护套内的、嵌入在电绝缘导热粉末中的缠绕电阻丝,该电阻丝除了电连接至该护套的自由封闭端之外,与该管状护套电绝缘。所述类型的电热塞,例如,在美国专利4,963,717中披露。位于护套中的电阻丝完全嵌入在绝缘粉末中,使用橡胶O型密封圈或其他密封装置将该绝缘粉末密封在护套中。这些O型密封圈采用各种橡胶制成,包括含氟聚合物,例如杜邦公司出售的Viton 品牌下的含氟聚合物。虽然O型密封圈已在许多电热塞应用中使用,但其有效的工作温度范围约为150-200℃,这现在被证明是一个制约因素。最近,电热塞应用已经显现出需要更高的工作温度范围,而现有技术的O型密封圈是不适合的。
[0005] 此外,即使在前述较低的工作温度范围内操作,O型密封圈并不气密,因此气和蒸汽会渗透到绝缘粉末和电阻加热元件中导致氧化、开裂,并最终造成故障。这种故障模式会减少或限制电热塞的使用寿命。
[0006] 基于上述观点,需要一种电热塞,可用于工作温度超过200℃的密封区域,并可以提供电极与护套之间的真正的融合的密封。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种电热塞,包括具有轴向延伸的孔的金属外壳。导电及导热的管状护套支撑在该外壳中。该护套具有位于该外壳孔内的开口端和从该孔伸出的封闭端。电极具有穿过该外壳延伸到该护套的开口端内的嵌入部分。该嵌入部分具有分离的绝缘层。电阻加热元件位于该护套内并具有电连接到该电极的嵌入部分的近端和电连接到该护套的封闭端的远端。电绝缘导热粉末位于该护套内并包围该电极的嵌入端和电阻加热元件。
金属密封件形成在该护套的开口端内,气密接合在该护套和该电极的绝缘层之间。该金属密封件提供改进的电极密封,以防止在制造或使用时外部物质进入护套。此外,该金属密封件能有效地消除空气或氧气渗透进入护套,从而延长了电热塞组件的工作寿命。
[0008] 根据本发明的另一方面,如上所述的电热塞还包括了位于电极上的绝缘层上的第二金属层,金属密封件密封接合在护套和第二金属层之间。
[0009] 根据本发明的又一方面,提供了一种制造电热塞的加热器组件的方法,该组件包括具有开口端和封闭端的导电及导热的管状护套,具有延伸到该护套的开口端内的嵌入部分的电极,该嵌入部分之上具有绝缘层,位于该护套内并包围电阻加热元件的电绝缘导热粉末;和位于该护套的开口端内密封接合在该护套与绝缘层之间的金属密封件。该方法包括以下步骤:形成管状护套、电极和电阻加热元件,然后在该电极的嵌入部分的至少一部分上形成绝缘层。将该电阻加热元件的一端连接到该电极的嵌入部分。将该电阻加热元件连同该电极的嵌入部分插入到该管状护套中。将该电阻加热元件的另一端连接到该护套的封闭端。将粉末插入到该护套内包围该电阻加热元件,然后在该护套和绝缘层之间形成金属密封件。附图说明
[0010] 结合以下具体描述和附图,本发明的这些和其他的特征和优点将更容易地理解,其中:
[0011] 图1是根据本发明的装有护套的加热器组件和电热塞的部分剖视图;
[0012] 图2是该加热器组件的局部放大剖视图;
[0013] 图3是沿图2中的线3-3的穿过金属密封件的剖视图;
[0014] 图4是本发明的替代实施例的局部视图,其中第二金属层位于金属密封件和电极上的绝缘层之间;
[0015] 图5是沿图4中的线5-5的剖视图;
[0016] 图6是预成型件状态中的所述护套的剖视图;
[0017] 图7是电阻加热元件的放大视图;和
[0018] 图8是根据本发明用于制造电热塞的装配操作的流程图

具体实施方式

[0019] 参见附图,其中各个附图中相同的数字表示相同或相应的部件,图1示出了根据本发明的第一实施例制造的电热塞10。该电热塞10包括环形金属外壳12,该外壳12具有沿纵轴A延伸的孔14。该外壳12由任何合适的金属制成,如各种等级的。该外壳12还包括层或涂层,如覆盖在其部分或全部表面包括外表面16和孔14上的镍或镍合金涂层,以提高其抗高温氧化和腐蚀性。
[0020] 现有的金属护套电热塞(图未示)在电极和加热端的接地护套部分之间采用如O型密封圈的橡胶或塑料密封件。加热元件,通常是位于护套内的螺旋金属丝电阻加热元件的氧化会导致这种橡胶密封件的性能劣化从而使其使用寿命有限。加热元件通常是封装在氧化镁粉末基层中并以橡胶或塑料垫圈密封。在电热塞操作期间发生的热循环中,金属丝的表面氧化,减少了该金属丝的有效截面,并最终导致在金属丝的这部份中较高的电流密度。因此,金属丝的过热和加热元件的故障是很可能的。影响这种操作模式的因素是橡胶或塑料垫圈的不完全密封,其使氧气和水蒸汽扩散到封装的粉末基层中并与加热元件金属丝发生反应,导致上述氧化和有效截面减少。氧化镁与水蒸汽的反应会产生氢氧化镁,它会腐蚀或氧化金属丝从而造成部件故障,即使该电热塞不在使用中。氧化镁粉末的表面所吸入的其他材料也会造成电阻加热元件电阻丝的劣化。
[0021] 相比之下,本发明包括具有改进的加热器组件18的电热塞10,该加热器组件减少了封装粉末及嵌入在该粉末中的螺旋金属丝电阻加热元件暴露在氧气和水蒸汽下,从而消除或大大减少上文所述的劣化过程。
[0022] 本发明的加热器组件18包括护套20,电极22,电阻加热元件24,粉末封装材料26和密封件28。这里所用的近端和远端的引用参考电热塞10远离护套20的端部,近端接近该端部而远端相对远离该端部。
[0023] 护套20为大致管状结构的导电及导热元件。任何合适的金属可被用来形成护套20,但优选具有抗高温氧化性和耐腐蚀性的金属,特别是关于燃烧气体和与内燃机的操作有关的反应物。合适的金属合金的例子是镍-铬--合金。该护套20具有位于孔14内并与外壳12电接触的开口端30。该护套20还具有远离孔14伸出的封闭端32。优选地,该护套20具有沿其长度变化的外径(D1),以使该外径在接近开口端30处具有直径减少部分34。外径D1可以是任何合适的直径。许多电热塞应用的典型外径D1的例子是约4mm。
直径减少部分34一般略长于密封件28的长度。在示例实施例中,直径减少部分34的轴向长度大约为8mm。外径D1与直径减少部分34之间的径向距离可以是任何量,但在示例实施例中约0.4mm。
[0024] 护套20可具有变形微结构,如冷加工微结构,图6所示的护套预成型件36通过锻造或其他方式再成形,以减少直径并增加护套内的粉末的密度。在示例实施例中,变形可使预成型件36的壁厚减少约20%,如图6中的虚线所示。在该加热器组件18组装之前,彻底清洁该护套20接近密封件28的内表面21,以除去挥发性污染物,如油。该内表面21也可被氧化以利于粘附。当氧化层为此目的产生时,其厚度通常在0.2-5.0微米的范围内。
[0025] 电极22具有延伸到护套20的开口端30内的嵌入部分。该电极22可由任何合适的导电材料制成,但优选金属,或更优选地由钢制成。钢的合适等级的例子包括AISI 1040,AISI 300/400系列,EN 10277-3系列,Kovar*UNS K94610和ASTM F15,29-17合金。电阻加热元件24可以是任何合适的电阻加热装置,包括缠绕或螺旋金属丝电阻加热元件,最佳如图7所示。该电阻加热元件24可具有任何合适的电阻特性,只要它可操作以提供电热塞10的特定应用所需的必要的时间/温度加热响应特性。这可包括由单个(即同种)电阻元件或双结构组成的元件,该单个电阻元件具有正温度系数特性(PTC特性),而该双结构中两个串联的电阻元件端到端相连。在后一种情况下,第一电阻元件40连接到电极22并由具有比第二电阻元件42高的PTC特性的材料制成,该第二电阻元件42连接到护套20的封闭端。因此,该第一电阻元件40作为电流限制器或电流调节元件,而该第二电阻元件42充当加热元件。螺旋金属丝电阻加热元件可由任何合适的材料形成,包括各种金属,例如纯镍及各种镍,镍-铁-铬和铁-钴合金,在此仅举几个例子。再次参见图1和图7,螺旋金属丝双电阻元件加热元件24位于护套20内,其具有电连接到电极22并通过冶金结合如焊接机械固定到电极22的近端44。电阻加热元件24的远端46电连接到护套20的封闭端32并通过冶金结合机械固定到护套20的封闭端32。当电阻加热元件24的远端46焊接到护套预成型件36的远端48(图6)时形成这种机械连接和冶金结合。通过密封预成型件36的远端中的开口50,这种焊接也形成了管状护套20的封闭端32。
[0026] 电绝缘导热封装粉末26位于护套20内并包围电阻加热元件24。该粉末26可包括任何合适的电绝缘导热粉末以包围本领域技术人员知晓的电阻加热元件。在通过将电阻加热元件24连接到护套20的相关焊接封闭开口50后,经由围绕电极22的环形间隙,松散的粉末插入到预成型件36的腔52中。该环形间隙的厚度可以是任何合适的厚度;然而对于电阻加热器组件18的许多应用,环形间隙的宽度在0.2-1.0mm的范围内被认为是有益的。该环形间隙的宽度由直径减少部分34内的护套预成型件36的内径与电极22的外径的径向差确定。在本发明的示例实施例中,由氧化镁化合物制备的粉末26,被压实在电阻加热元件24的周围,连同减少了护套预成型件36的直径,形成了最终完成的护套20。压实的镁粉末26提供所需的导热率,同时也使电阻加热元件24与护套20电绝缘。粉末26也必须可操作以在电热塞10的扩展的工作温度范围内使用,即高达约600-800℃。
[0027] 分离的绝缘层沿电极22穿过护套20的直径减少部分34的部分形成。绝缘层54优选包括无机和非橡胶绝缘材料。在一个优选的实施例中,这种材料可包括玻璃或陶瓷材料。如果选自玻璃材料,它可由酸盐玻璃,酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃形成。当由陶瓷材料制成时,绝缘层54可由金属氧化物,金属氮化物或金属氮氧化物制成。当然,其他合适的材料对于本领域技术人员也是显而易见的。绝缘层54可采用任何现有技术施加,包括物理气相沉积(PVD),这是真空沉积的一种,其中要沉积的材料被加热到高蒸汽压,然后凝固在目标表面上,目标表面在这个例子中是电极22的外表面38。绝缘层54有效地建立电极22与密封件28之间的电绝缘,并为密封件28提供可以建立足够的附着的表面。
[0028] 密封件28由金属成分构成,因而导电。因此,需要绝缘层54以防止接地护套20与带电电极22之间的直接导电。金属密封件28可形成为焊接接头,钎焊接头,或烧结粉末金属接头。各种材料可用于制造金属密封件28,包括和/或铜合金及其合金,以及构成铜和银合金的成分的过渡金属。用于这些合金中的一个常见的过渡金属可以包括
[0029] 因此,如图1-3所示,密封件28位于护套20的开口端30内并通过护套20与绝缘层54之间的环形间隙与护套20密封接合。因此,在粉末26插入到腔52中后,通过焊接,钎焊或烧结施加金属密封件28,以将绝缘层54的外表面结合到护套20的内表面。以此方式,密封件28形成了气密封闭从而防止任何污染物,包括燃烧气体和周围氧气或水蒸汽渗透到腔56中以与粉末26反应。通过提供气密密封,金属密封件28的加入消除或大大减少如上所述这些污染物与粉末26和电阻加热元件24相互作用的能力。这实际上减少了电阻加热元件24的劣化并增加了其使用寿命。
[0030] 为了在电极22与护套20之间提供足够的电绝缘,对于在加热器组件18的大约为-40~800℃的工作温度范围内高达24伏的外加直流电压,绝缘层54优选具有至少约1,000欧姆的电阻。绝缘层54必须在拉伸和剪切模式下在其厚度及与电极22和金属密封件28的界面处具有机械强度,以抵御外部施加的高达10巴的压力。
[0031] 图4和图5描绘了本发明的替代实施例,其中主要标记表示与上述第一实施例相同或相应的部件。在该实施例中,第二金属层56′位于绝缘层54′上。因此金属密封件28′在护套20′与第二金属层56′之间密封接合形成。第二金属层56′可包括由与密封件28′相同或兼容的金属制成的薄金属涂层,从而达到更完善的粘附特性。第二金属层
56′可以制造环境内的可控设置施加,包括上述PVD技术,以实现直接到电极22′的外表面的更好的结合。在此之后,相同或兼容的冶金材料制成的密封件28′可容易地施加并结合以完善上述气密封闭。
[0032] 参考图8,示意性地示出了根据本发明制造电热塞10的加热器组件18的方法100。功能框110包括形成电极22、电阻加热元件24和护套预成型件36的步骤。在功能框
120中,在电极22的外表面上沉积绝缘层54作为涂层。作为可选的步骤,如虚线所示,在沉积步骤120之后,也可以在绝缘层54上沉积第二金属层56。在功能框130,该电极22连接到电阻加热元件24,然后在功能框140,子组件插入到护套预成型件36中。此后,如功能框
150所示,电阻加热元件24在远端48连接到护套预成型件36。接下来,功能框160表示粉末26插入到护套腔52内的步骤,随后通过将金属成分钎焊或可选地焊接或烧结到环形间隙内而形成密封件28。功能框180以虚线表示作为一个可选的步骤,包括通过任何合适的滚压,冲压,压制,挤压或液压操作从护套预成型件36再成形护套20。功能框190表示将完成的加热器组件18压入外壳12内并以现有技术固定的步骤。
[0033] 通过去除橡胶密封件的使用,金属密封件28具有更高的熔点和更好的高温机械和电气性能,本发明的电热塞10适于在大于200℃的温度下工作。更具体地,电热塞10可适于在大于600℃的温度下工作,更特别地适合在高达约800℃下工作。此外,金属密封件28消除或大大降低了周围大气到达粉末基层26和金属丝加热元件24从而导致金属丝加热元件劣化的能力。
[0034] 本发明已按照有关法律标准描述,该描述本质上是示例而非限制。所披露的实施例的变化和修改对本领域技术人员是显而易见的并落在本发明的范围之内。因此本发明的法律保护范围只能通过权利要求确定。
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