CN101449103A - 多层发热元件 - Google Patents

Abstract

一种发热元件，特别是一种陶瓷发热元件，例如用于柴油机和燃气点火机中的高温电热塞的陶瓷发热元件。该发热元件包括一电绝缘层和一导电层。该导电层由单一材料和单一组合物形成。该加工方法包括形成该绝缘层和在该绝缘层周围模塑一导电层的步骤。

Description

多层发热元件

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年3月23日申请的第60/785,334号美国临时申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本文中。

技术领域

本发明涉及发热元件，特别是涉及陶瓷发热元件，例如用于柴油机和燃气点火机中的高温电热塞的陶瓷发热元件，以及该发热元件的制造方法。

背景技术

陶瓷发热元件，例如图1所示的电热塞，是工业应用中常用的元件。如图1所示，电热塞2典型地包括具有导电芯8的发热元件，其中导电芯8由电绝缘层6包覆。该绝缘层6由外阻层4包覆，该外阻层4在电连接区域9与所述导电芯8接触。为制造图1所示的电热塞2，通过在多孔模具中将不同成分的悬浮液顺序注浆成型形成多个层来制成所述层状结构，而后烧结该层状结构以形成一个单体结构。再将所得到的单体结构电性连接，从而形成陶瓷发热元件。

连续浇注带来一个问题，即发热元件的几何结构通常限于允许各渐进层紧靠前一层上成型而形成的形状。在注浆成型的情况下，各层的结构通常限于厚度非常均匀的薄层，或者主要为实心结构、但由于浇铸材料固化时管道的出现可部分呈现空心状的芯部。这种层的连续堆叠限制了发热元件的几何构型，并使得各层无法最优化地用于发热元件中，无法最优化地用于具体应用中。

图1所示类型的电热塞2的另一个缺点是连续成层会造成层与层之间产生不连续界面，当该电热塞在冷和热温度之间循环工作时，会产生故障。为减小故障发生率，许多制造商在较理想的发动机有效运行的温度更低的温度下循环使用电热塞。更特别地，当电热塞在不同温度之间循环工作时，由于不同成分的层之间存在的热膨胀率不同，电热塞经受内应力作用。当不同层以不同的热膨胀率膨胀和接触时，会产生应力，导致电热塞故障，通常是电热塞的发热元件内的故障。

图1所示类型的电热塞2的另一个缺点是导电芯8和外阻层4之间的电连接区域9接近电热塞2的外表面，在使用过程中会被周围大气氧化。电连接区域9处的充分氧化通过形成一电绝缘氧化层或者形成一具有界面多孔性的多孔层，使该电连接区域9退化直至导电芯8和外阻层4之间电流不再流经的程度，从而导致电流流经时电热塞不会发热。

图1所示类型的电热塞2还有一个缺点，即，注浆成型过程产生的层厚度和几何形状的矛盾导致各加工部分之间电阻不一致。该多个注浆成型层由依靠模具或依靠在先形成的一层注浆成型表面的一逐渐累积的材料形成。一旦达到期望的厚度，就去除多余的注浆泥料。层厚度主要通过控制注浆成型时间来控制，但该层厚度也受其他因素的影响，包括注浆泥料的流变性质、模具的渗透性以及任何在先注浆成型层的渗透性。此外，在去除多余的注浆泥料时，新注浆成型的表面在短时期内为湿的，该少量保持液态的泥料可形成滴或流，进一步造成层厚度的不一致。这些因素中任一因素都会导致层厚度产生微小变化，而这些层的厚度的不一致性导致电热塞的电阻产生变化以及电热塞发热轮廓产生变化。

因此，需要提供一种用于电热塞的发热元件，以克服现有技术存在的上述缺点，特别是一种内部热应力低、使用寿命长、耐用性好的电热塞的发热元件，该电热塞的发热元件具有优化的发热几何形状以及精确可控和再生的发热性能。

发明内容

本发明涉及发热元件，特别是涉及用于电热塞和燃气点火机的发热元件，以及该发热元件的制造方法。所述发热元件一般包括由电绝缘材料形成或起电绝缘材料作用的第一层和导电材料制成的且成型于围绕部分所述第一层之外的第二层。通过改变所述第一层的几何轮廓和注塑模具的几何轮廓，可沿所述发热元件的长度或围绕该发热元件的外周改变所述导电层的厚度，为特定应用场合提供所需的发热轮廓。所述第一层的成型轮廓和用于模制导电层的模具的轮廓可以容留这些几何轮廓和变化，这些几何轮廓和变化都是采用注浆成型方法无法实现的。而且，通过将导电层成型为在第一电连接和第二电连接之间延伸的单件，去除了层与层之间的不连续界面并消除了电界面，从而防止了现有方法中存在的各种问题出现。

本发明包括形成发热元件的方法，该方法包括下列步骤：形成第一层；将所述第一层放置于模具中；以及，将导电层成型于所述第一电绝缘层周围。

为了能够更进一步了解本发明的适用范围，请参阅以下详细说明、权利要求、以及附图。然而，很明显，本领域内的普通技术人员能够在本发明的精神和范围内对本发明做各种改变和修改，因此，应当理解，该详细说明和具体实例，指本发明的较佳实施例，仅通过举例的方式对本发明进行说明。

附图说明

为更充分地理解本发明，以下结合具体实施例、所附权利要求以及附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是现有技术注浆成型的发热元件的剖视图；

图2是发热部集中于第一端的本发明的剖视图；

图3是具有延长的发热部的本发明的剖视图；

图4是发热部主要集中于第一端的本发明的剖视图；

图5是发热部主要集中于第一端的本发明的剖视图；

图6是形成发热元件的方法步骤的示图；

图7是形成发热元件的第一可选方法的示图；

图8是形成发热元件的第二可选方法的示图；

图9是沿图8中的9-9线的第一层的剖视图；

图10是沿图8中的10-10线的位于模具中的第一层的剖视图；以及

图11是沿图8中的11-11线的成型的发热元件的剖视图。

具体实施方式

如图2-5所示，本发明发热元件10具有由电绝缘材料形成的电绝缘层20和由导电材料形成的导电层30。如图2所示，导电材料附着于允许电流流经该导电材料以产生热的第一电接触部40和第二电接触部42，所产生的热主要集中于导电层30厚度最小且具有最小横截面积的位置处。虽然图2仅举例说明了电接触部40和42，但该发热元件10一般设有尺寸、形状和结构可变的多个电接触部。发热元件还可包括具有各种结构和形状的基部14。

绝缘层20进一步包括产生几何轮廓的外表面22，所述几何轮廓的形状和尺寸可变以产生所需的发热轮廓。绝缘层20一般包括第一端26、第二端28和中心部27。通道24从第一端26延伸至第二端28。

绝缘层20一般由绝缘材料形成，并可采用由任何已知的电绝缘体通过任何已知的方法制成。这些方法包括挤压、模塑、粉末压制和其他方法。可形成并烧结具有胶凝添加剂和一定的热塑性材料的陶瓷粉末来加工制造性能良好的绝缘体。例如，绝缘材料可采用例如氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝等材料，或者其他陶瓷材料。这些列出的可能的绝缘件并不会限制可用于形成绝缘体的材料。该绝缘材料可由具有良好的电绝缘性能或者通常作为绝缘材料用于发热元件的任何材料构成。该绝缘材料也可以包含电绝缘材料基体中的导电颗粒，例如二硅化钼和氮化硅的复合材料，其中具有传导性的二硅化钼颗粒的含量低于渗滤阈值，因此其彼此电绝缘。

通过模塑或通过其他所列方法，可形成各种形状的绝缘层20，例如图3和图4所示形状的绝缘层，这是现有技术采用注浆成型方法无法实现的。更可取地是，采用可以可靠地模制成各种形状的材料制成绝缘层20。图4和图5举例说明了第一端26处的外径大于中心部27处的外径的轮廓。第二端28也可具有较中心部27大的直径，有时，该直径大于第一端26的直径。可见，绝缘层20可高度用户化，以在与导电层30结合时提供特定的发热轮廓。

导电层30一般由允许电流在第一电接触部40和第二电接触部42之间流动的导电材料制成。该导电层30一般形成发热元件10的外表面12。通过改变绝缘外表面22和导电外表面32之间的厚度，可调整发热轮廓。例如，如图3所示，中心通道24中填满导电层30的导电材料，其厚度相对较大，以减小阻抗，方便电流流动。然而，发热元件10发热部16中的导电层30的厚度较小，从而产生较大阻抗，并增加发热部16附近热输出的量。因此，当电流流经第一和第二电接触部40、42之间时，在导电层30较薄的区域中，发热量将是最大的。如图2所示，该较薄区域仅限于发热元件10末端的一部分，从而产生主要集中于第一端26附近的发热轮廓。通过改变绝缘层20或者导电层30的轮廓可改变该发热轮廓。

如图3所示，导电层30从最接近绝缘层20第一端26的区域沿中心部27向第二端28延伸。这就形成了进一步延伸的发热轮廓，其热容量较图2所示发热元件的热容量大。

图4所示的发热元件10包括主要集中于绝缘层20第一端26附近的发热部，其厚度小于绝缘层中心部27附近的厚度。因此，发热元件10的发热轮廓主要集中于该绝缘体第一端26附近，然而，该发热元件的确提供了沿绝缘体中心部27分布的一些热量。图5是图4中的发热元件进一步变化后的视图，其中导电层30进一步沿绝缘体的中心部27向第二端28延伸。

如图8中步骤301和图9-11中所示，发热元件可包括沿外表面22分布的突出部，该突出部便于在用导电层包覆成型的容纳绝缘层20模具中确定发热元件的中心。这些由绝缘层20形成的突起也可通过在发热元件10外表面12上形成不发热的区域来修改所述发热轮廓。典型地，这些突起中至少三个突起会用于确定该绝缘部分在模具中的中心；然而，可根据几何形状和模具来确定采用更多或更少的突起。导电层30可由各种已知的导电材料制成，例如由现今典型用于电热塞中的陶瓷物质包括二硅化钼、氮化钛、氮化锆和硼化钛构成的导电材料。该导电材料也可以通过在导电材料基体中包含电绝缘性颗粒而形成，例如二硅化钼和氮化硅的复合材料，其中具有传导性的二硅化钼颗粒存在于高于渗滤阈值的情况下，从而形成穿过该材料的连续导电路径。该导电层还可由金属构成，例如铂、铱、铼、钯、铑、金、铜、银、钨及其合金，此处仅举例说明。通常，导电层30需要由便于在模具中模制的导电材料制成。可采用任何当前用于发热元件的导电材料或耐热材料。

一般形成发热元件10的方法，首先形成绝缘层20，如图6中的步骤101、图7中的步骤201以及图8中的步骤301所示。第二步骤中，提供注塑成型模具50，该注塑成型模具50的几何轮廓将形成发热元件10的外表面12，如图6中的步骤102、图7中的步骤202以及图8中的步骤302所示。一旦绝缘层20在绝缘材料外部形成所需几何形状，例如通过模塑粉末成形或其他方法在绝缘材料外部形成所需几何形状，则将该绝缘层20插在注塑成型模具50中，如图6中的步骤103、图7中的步骤203以及图8中的步骤303所示。在将绝缘层20放入模具50中之后，迫使熔化的导电材料注入模具，如图6中的步骤104、图7中的步骤204以及图8中的步骤304所示。在将熔化的导电材料注入模具充分填满各空隙后，让材料冷却凝固，如图6中的步骤105以及图8中的步骤305所示。然后所形成的发热元件10从模具50中移出，如图6中的步骤106、图7中的步骤205以及图8中的步骤306所示。再烧结所述发热元件10，以形成单体材料(图未示)。在图7所示的方法中，在步骤6将多余的材料去除。

本领域的普通技术人员会理解通常通过首先形成一组精细分割的微粒，再烧制该组微粒以将其烧结为单一工件，来形成陶瓷材料。陶瓷材料通常通过下列步骤注塑成型：将这些颗粒与热塑性介质或粘结剂混合，所述热塑性介质或粘结剂例如，但不限于，蜡，聚乙烯，或这两种物质的混合；接着，加热所得到的混合物，使得熔化的混合物充分流动来填满模具空腔；再将塑造的工件冷却，形成可从模具移出的刚性零件。可选地，也可采用非热塑性粘结介质，例如琼脂/水。取出零件后，采用通常称为脱脂的方法将该粘结介质去除，该方法包括溶剂萃取和热脱脂步骤。然后，在适合条件下烧制零件，使得颗粒烧结在一起，形成最终的单体工件。

第一层可由绝缘的或者在一些实施例中甚至非绝缘的材料形成。通过采用稍后可从最终浇铸零件上除去的材料制成第一层能够提供一种采用上述步骤制成发热元件的方法，然而，该方法还具有一个附加步骤(图未示)，从导电层30中除去第一层材料。第一层的去除使得该导体产生空心，可以起到绝缘体的作用。空心的设置，消除了热膨胀差异，延长了发热元件的寿命。因此，第一层可采用任何已知用于浇铸或注塑过程中的材料，以能够在浇铸过程中随后被去除或破坏。在将第一层去除后，可加入绝缘或刚性层，例如不会促进所述包覆成型过程的绝缘体，来填充导电层中的空穴，从而为导电层提供刚性。

如图6和图7所述，绝缘层20的第二端28可与模具的内表面配合，将绝缘层20固定于模具50空腔内适当位置处。这确保了在模具50内进行适当布置，以使熔化的导电层30流动并强制注入模具，产生所需的轮廓，而绝缘层不会移动。然而，在一些实施例中，在绝缘层20上设置如图9所示的突起更为合适，如图8中的步骤303和图10所示，这些突起与模具配合。这些突起通过提供彼此远离的两个区域与模具接触，确保了模制过程中绝缘层20均位于适当位置处。

通过采用与当前用于形成火花塞绝缘体的方法类似的挤压成型或粉末压制方法形成第一层，该第一层可具有特定的几何轮廓。该第一层可由与导电层结合使用的绝缘材料制成，或者由将导电层包覆成型于第一层上后便于去除的材料制成。第一层的几何轮廓与导电层30的几何轮廓相结合时，可形成发热元件10的发热轮廓，该发热轮廓允许存在过热区和过冷区，甚至存在沿该发热元件上的外周以及沿长度逐渐变化的平滑区。因此，需要时，可形成具有例如位于发热元件10半圆周上的的过热区的发热轮廓，该发热轮廓可从绝缘层20的第一端26上去除，以便在该发热元件10上，发热元件10的末端以及其至少一半的圆周和朝向第二端的部分较所需过热区处的温度低。这些类型的发热轮廓是现有制造发热元件的方法所无法获得的。

前述讨论揭示并描述了本发明的示范性实施例。本领域的普通技术人员很容易根据这些讨论、附图以及权利要求，对本发明做各种改变、修改和变更，而不脱离由所附权利要求确定的本发明的真实精神和合理范围。

Claims (27)

1、一种发热元件，包括：

导电层；以及

电绝缘层；

其中所述导电层包括完全形成于所述电绝缘层内的部分，该电绝缘层包括完全形成于所述导电层内的部分。

2、根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于，该发热元件包括由所述导电层形成的第一外表面，所述电绝缘层具有外绝缘表面，所述导电层具有在所述外绝缘表面和所述第一外表面之间的厚度。

3、根据权利要求2所述的发热元件，其特征在于，所述厚度是可变的，厚度较小的区域具有较大的电阻。

4、根据权利要求3所述的发热元件，其特征在于，所述厚度沿该发热元件的长度变化。

5、根据权利要求3所述的发热元件，其特征在于，所述厚度围绕该发热元件的外周变化。

6、根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于，该发热元件具有长度，所述电绝缘层包括外绝缘表面，所述外绝缘层的直径沿所述长度变化。

7、一种发热元件，包括：

具有第一直径的基部；以及

形成于所述基部一端的发热部，该发热部具有第二直径；

其中，所述第一直径大于所述第二直径，所述发热部包括电绝缘层和导电层，该导电层具有第一厚度和第二厚度，所述第二厚度大于所述第一厚度。

8、根据权利要求7所述的发热元件，其特征在于，所述基部具有所述第二厚度，所述发热部具有所述第一厚度。

9、一种发热元件，包括：

具有第一几何轮廓的第一层；以及

成型于所述第一层上的第二层，该第二层具有形成第二几何轮廓的外表面；其中所述第一几何轮廓和第二几何轮廓在所述第二层中形成可变厚度。

10、根据权利要求9所述的发热元件，其特征在于，所述可变厚度形成较高电阻区域和较低电阻区域。

11、根据权利要求10所述的发热元件，其特征在于，所述第一几何轮廓和第二几何轮廓被设计来最优化发热轮廓。

12、根据权利要求9所述的发热元件，其特征在于，所述第一层是电绝缘体，所述第二层是导电材料。

13、根据权利要求12所述的发热元件，其特征在于，所述电绝缘层和所述导电层具有大致相同的热膨胀特性。

14、根据权利要求13所述的发热元件，其特征在于，所述电绝缘层由聚苯乙烯形成。

15、一种具有长度的发热元件，包括：

具有至少两个突起的第一层；以及

第二层，充分包围所述第一层发热元件长度的至少一部分；其中所述第二层和所述至少两个突起形成外表面。

16、根据权利要求15所述的发热元件，其特征在于，所述第一层包括至少三个突起。

17、一种形成发热元件的方法，包括：

形成具有至少三个突起的第一层；

将所述第一层插入模具，以使所述突起与所述模具配合；以及

至少部分地围绕所述第一层形成导电层。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述形成导电层的步骤包括将熔化的导电材料注入所述模具的步骤。

19、根据权利要求17所述的发热元件，其特征在于，所述第一层具有中心通道和外表面，所述第二层设于所述中心通道内并包围所述外表面的至少一部分。

20、根据权利要求19所述的发热元件，其特征在于，所述第二层无接头或界面地形成。

21、根据权利要求19所述的发热元件，其特征在于，所述第二材料作为单件形成。

22、一种发热元件，包括：

具有第一端、第二端和位于所述第一端和第二端之间的中心部的第一层，其中所述第一端和第二端的直径大于所述中心部的直径；以及

第二层。

23、根据权利要求22所述的发热元件，其特征在于，所述第二层导电，以提供电阻发热。

24、根据权利要求22所述的发热元件，其特征在于，所述第一层是电绝缘体。

25、根据权利要求22所述的发热元件，其特征在于，所述第二层成型于所述电绝缘层周围。

26、根据权利要求22所述的发热元件，其特征在于，所述第二层具有外表面，该外表面最接近所述第一层第一端处的直径小于该外表面最接近所述第一层中心部处的直径。

27、一种形成发热元件的方法，包括：

采用第一材料浇铸芯；

在所述芯上包覆成型导电材料；以及

将所述芯从所述导电材料去除。

28、根据权利要求27所述的方法，其特征在于，进一步在所述去除所述芯的步骤之后，包括将电绝缘材料加至所述导体材料的步骤。

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