CN102216689A - 带有改良密封的电热塞，其热探头组件及其构造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种热探头组件，其金属电热塞组件和构造该热探头组件的方法。该金属电热塞组件包括带有通孔的一金属外壳和在一远端与一终端之间延伸的一金属套。该金属套的该终端固定于该外壳的该通孔内。而且一电极提供为具有一末端，带有一加热元件连接于此。该加热元件和该电极的末端容置于该套内。一填充粉末围绕该加热元件设置于该套内。另外，一陶瓷密封具有通过硬钎接头与该套连接的外表面和通过硬钎接头与该电极连接的内表面。该陶瓷密封在该填充粉末与该套外的环境之间提供密封。

Description

带有改良密封的电热塞,其热探头组件及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年10月23日提交的美国临时申请序列号No.61/107,693的权益，其通过引用整体合并入此处。

技术领域

本发明大致涉及一种电热塞，更具体地涉及具有套的电热塞。

背景技术

具有套的热探头型电热塞，如现有技术图1中的1所示，通常具有带有孔2的环形金属外壳，该孔的尺寸正好将热探头组件3容置于其内。该热探头组件3包括金属套4，电极5，电阻加热元件6，粉末填充材料7，以及O形密封8。

该O形密封由各种弹性体制造而成，包括含氟聚合物，例如杜邦公司在VITON商标下的产品。当O形密封被广泛应用于电热塞时，其有效工作温度范围大约在100-200℃之间，但是随着发动机工作温度的提高，现在这已经成为一个限制条件。因此，需要更高工作温度范围的电热塞应用已经出现，而现有技术的O形密封已不再适合。

另外，即使在现有技术的较低温度范围之内进行操作，该O形密封8也不密闭，因此氧气与水汽能够渗透进入到绝缘粉末7内和电阻加热元件6上从而导致电阻加热元件6的氧化，开裂以及最终的失效。这种失效模式导致电热塞1的使用寿命降低或者削减。

因此，由于其电线加热元件的氧化引起的性能退化，传统的金属电热塞都只具有被削减的使用寿命。在热循环的过程中，电线6表面被氧化，因此减少了嵌入的电阻线的有效横截面。这将最终导致电线部分的过热。而导致这种失效模式的主要因素就在于橡胶或塑料垫圈(例如O形)的密封性能不好，使得氧气与水汽渗透进入填充粉末的基座(bed)中，其中的氧气与水汽自由与加热元件电线自由发生反应。氧化镁与水汽发生反应生成氢氧化镁，即使是在该部分投入使用之前，氢氧化镁也能导致该部分出现故障。此外，吸收到镁粉表面的气体也能够导致加热元件电线的退化。

综上所述，需要一种能够在密封区域的工作温度高于200℃下使用的电热塞，能够在电极与套之间形成真正的密封。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种金属电热塞组件。该金属电热塞组件包括带有通孔的金属外壳，和在其远端和终端之间延伸的金属套。该金属套的终端被固定于该外壳内。而且电极提供为具有一末端，带有一加热元件连接于此。该加热元件和该电极的末端容置于该套内。一填充粉末围绕该加热元件设置于该套内。另外，一陶瓷密封具有通过硬钎接头与该套连接的外表面和通过硬钎接头与该电极连接的内表面。该陶瓷密封在该填充粉末与该套外的环境之间提供密封加热加热加热粉末。

根据本发明另一方面，提供了一种电热塞热探头组件。该电热塞热探头组件包括在一远端和一终端之间延伸的金属套。而且一电极具有一末端，带有一加热元件连接于此，其中该末端和该加热元件容置于该套内。一填充粉末围绕该加热元件设置于该套内。以及，一陶瓷密封具有通过第一硬钎接头与该套连接的外表面和通过第二硬钎接头与该电极连接的内表面，从而在该填充粉末与该套外的环境之间提供密封。

根据本发明又一方面，提供一种构造电热塞热探头组件的方法。该方法包括提供具有一开口端的金属套；提供一电极并将一加热元件连接至该电极。此外，将该加热元件与电极的一端设置于套内，并将一填充粉末围绕该加热元件设置于套内。此外，将一陶瓷密封围绕该电极并设置于套内，并在套与电极之间形成硬钎接头以在在该填充粉末与该套外的环境之间提供密封粉末。

具体实施方式

更具体地参考附图，图2示出了根据本发明的一个方面构造的电热塞10。如图3所示，该电热塞10包括具有通孔14的环形金属外壳12，该孔的尺寸正好至少部分容置根据本发明的一个当前优选实施例构造的热探头组件16。热探头组件16包括管状的金属套18，电极20，电阻加热元件22，粉末填充材料24，以及一改良密封26。该改良密封26由陶瓷材料构成，当固定于金属套18和电极20时，该陶瓷材料更好地使电阻加热元件22与氧气和水汽隔离，因此，电热塞10的使用寿命得到延长。

如图2所示，金属外壳12沿着虚线纵轴A延伸。该外壳12可以由任何适合的金属构成，比如各种级别的钢。该外壳12也可以包括一电镀层或者涂层，比如将镍或者镍合金涂覆在包括外表面28以及孔14内的某些或者全部表面上以提高其抗高温氧化与抗腐蚀的能力。外壳12包括外搭扳手平面30或者其他合适的为工具接收配置的部分，从而将螺纹32旋入发动机汽缸盖，预点火室，进气歧管等等的合适的螺纹孔(图未示)内。锥形座34以配合的方式抵靠在互补型的凹处以更好地在操作过程中压紧密封。

套18是一种导电导热的筒形结构元件。任何合适的金属都可以用来形成套18，但是优选具有抗高温氧化与抗腐蚀性能的金属，特别是针对与内燃机的运行相关的燃烧气体和反应物种类。一种合适的金属合金的例子是镍-铬-铁-铝合金。如图3所示，套18具有一终端，也被称作为第一开口端36，设置于外壳12的通孔14内与外壳12电连接，套18还具有一远端，也被称作为第二封闭端38，该封闭端从通孔14的远端伸出。套18可能具有变形的微观结构，例如冷加工微观结构，其中，套的预成型坯(sheath preform图未示)通过模锻或者其他方式成型以减小直径，从而增大其内含有的粉末填充材料24的密度。

在图3中示出了电极20的一部分，示出为延伸到套18的第一开口端36内的嵌入部分。该电极20可由任何适合的导电材料构成，但是优选金属，或者更优选为由钢制成。合适等级的钢的例子包括：AISI 1040，AISI 300/400系列，EN 10277-3系列，Kovar*UNS K94610以及ASTM F15，29-17合金。

电阻加热元件22可以是任何合适的电阻加热装置，包括缠绕或者螺旋缠绕电阻加热元件。该电阻加热元件22具有任何合适的电阻特性，只要其能够有效提供特定应用的电热塞10所需的必要的时间/温度加热响应特性即可。这可能包括一个元件，该元件由具有正温度系数特性(PCT特性)的单一(也就是同质)电阻元件组成，或者是双重构造，在该构造中两个系列-连接(series-connected)的电阻元件端对端连接。在以下方案中，第一电阻元件40直接与电极20连接，且该电阻元件40由比第二电阻元件42更高的PCT特性的材料构成，该第二电阻元件42与套18的第二封闭端38连接。因此，第一电阻元件40充当限流器或者调节元件，而第二电阻元件42充当加热元件。螺旋状的电线电阻加热元件可由任何合适的材料构成，包括各种金属，列举几种例如纯镍，各种镍，镍-铁-铬合金以及铁-钴合金。因此，在图3所示出的例子中，一螺旋电线，双重电阻加热元件22，被设置于套20内，其近端通过冶金结合或者焊接电气连接且机械固定于电极22。电阻加热元件22的远端通过冶金结合或者焊接电气连接且机械固定于套20的第二封闭端32。当电阻加热元件22的远端与套20的远端焊接时，形成这种机械连接和冶金结合。通过密封开口末端成型(an open ended perform)的远端的开口，该焊接操作可用于同时形成管状套20的封闭端32。

传统的橡胶或者塑料的现有密封(图1中的8)已经替换成陶瓷密封，也称作为垫圈26，该垫圈固定于套18和电极20之间。该垫圈26的陶瓷材料在套18与电极20之间起到了电隔绝的作用。密封26的优选的材料组成为氧化铝，但是也可选用其他电绝缘的陶瓷材料。优选为使用独立的陶瓷元件26，从而产生有效、经济和过硬的密封技术，通过降低电线加热元件22发生氧化导致退化的风险，该密封技术将延长电热塞10的使用寿命。

例如，示出的垫圈26具有直径较小的鼻部区域44，其尺寸正好与套18的开口端36轻微干涉配合，该垫圈26还具有直径较大的区域46，该区域的直径与套18的外径相同且与直径较小的区域44同心形成。因此，一平面肩部48在直径较小的区域44与直径较大的区域46之间径向延伸。为了将垫圈26固定于套18，鼻部区域44设置于套18内直到该肩部48面对并贴近于套18的开口端36。然后，第一硬钎接头50在环形间隙内形成，该间隙是由鼻部区域44的外表面与套18的内表面之间轻微干涉配合形成，其中硬钎接头50填充该环形间隙，并在鼻部区域44和套18的内表面之间形成密封。垫圈26也有一中央通孔52，其尺寸与电极20轻微干涉配合。为了将垫圈26固定于电极20，第二硬钎接头54在环形间隙内形成，该间隙是由电极20的外表面与垫圈26的通孔52之间轻微干涉配合形成，其中硬钎接头54填充该环形间隙，并在电极20与通孔52之间形成密封。因此，硬钎接头50，54在含有加热电线22的粉末基座24与外部大气之间形成密封。

本发明的次要特征是优选以在密封过程中从填充粉末基座24内排除氧气和水汽的方式操作和组装各组件。因此，在一个优选的构建热探头组件16的方法中，硬钎接头50，54的硬钎过程在真空中进行，或者在诸如惰性气体的大气环境中进行，使得氧化镁粉末24在形成硬钎接头50，54之前被脱气(off-gassed)，从而去除掉能够导致加热元件电线22退化的反应物质，诸如氧气和水。

前述的发明根据相关法律规范进行描述，因此本说明书是示例性的而不是用于限制本发明。显然，根据以上教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在后所附权利要求的范围内，本发明可不同于上述具体描述而通过其他方式实施。

Claims (16)

1.一种金属电热塞组件，其特征在于，包括：

具有通孔的金属外壳；

金属套，在其远端与终端之间延伸，所述终端被固定于所述外壳内；

容置于所述套内的具有一末端的电极；

连接至所述电极的所述末端并容置于所述套内的加热元件；

设置于所述套内并围绕所述加热元件的填充粉末；

具有一外表面和一内表面的一陶瓷密封，该外表面通过一硬钎接头与所述套连接，该内表面通过一硬钎接头与所述电极连接，所述陶瓷密封在所述填充粉末与所述套外的环境之间提供密封。

2.如权利要求1所述的金属电热塞组件，其特征在于，所述陶瓷密封具有一与所述套形成干涉配合的直径较小的区域以及与所述电极形成干涉配合的通孔，所述硬钎接头中的一个在所述直径较小的区域和所述套之间延伸，而所述硬钎接头中的另一个在所述与电极形成干涉配合的通孔和所述电极之间延伸。

3.如权利要求2所述的金属电热塞组件，其特征在于，所述陶瓷密封具有一平面的肩部和一直径较大的区域，该平面的肩部在所述直径较小的区域与所述直径较大的区域之间延伸，所述肩部贴近所述金属套的所述终端。

4.如权利要求1所述的金属电热塞组件，其特征在于，所述陶瓷密封为氧化铝。

5.一种电热塞热探头组件，其特征在于，包括：

在一远端与一终端之间延伸的金属套；

容置于所述套内的具有一末端的电极；

连接至所述电极的所述末端并容置于所述套内的加热元件；

设置于所述套内并围绕所述加热元件的填充粉末；

具有一外表面和一内表面的陶瓷密封，该外表面通过第一硬钎接头与所述套连接，该内表面通过第二硬钎接头与所述电极连接，所述陶瓷密封在所述填充粉末与所述套外的环境之间提供密封。

6.如权利要求5所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述陶瓷密封的所述外表面的尺寸与所述套干涉配合从而在所述外表面与所述套之间提供一环形间隙，所述第一硬钎接头基本上填充所述环形间隙。

7.如权利要求6所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述陶瓷密封的所述内表面的尺寸与所述电极干涉配合从而在所述内表面与所述电极之间提供一环形间隙，所述第二硬钎接头基本上填充所述环形间隙。

8.如权利要求5所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述陶瓷密封具有贴近所述金属套的所述终端的一肩部。

9.如权利要求8所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述肩部在所述陶瓷密封的一直径较小的区域与所述密封的一直径较大的区域之间延伸。

10.如权利要求8所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述陶瓷密封的所述直径较小的区域容置于所述套内。

11.如权利要求10所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述第一硬钎接头在所述陶瓷密封的所述直径较小的区域与所述套之间延伸。

12.如权利要求5所述的电热塞热探头组件，其特征在于，所述陶瓷密封为氧化铝。

13.一种电热塞热探头组件的构造方法，其特征在于，包括：

提供具有一开口端的金属套；

提供一电极；

将加热元件连接至所述电极；

将所述加热元件与电极的一端设置于所述套内；

将填充粉末围绕所述加热元件设置于所述套内；

将一陶瓷密封围绕所述电极并设置于所述套内；

在所述套与所述电极之间形成一硬钎接头从而在所述填充粉末与所述套外的环境之间提供密封。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述形成硬钎接头的步骤包括在所述陶瓷密封的一外表面与所述套之间形成第一硬钎接头。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述形成硬钎接头的步骤包括在所述陶瓷密封的一内表面与所述电极之间形成第二硬钎接头。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括在形成所述硬钎接头之前在真空中从填充粉末中脱除气态反应物。

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