專利名稱:帶有改良密封的電熱塞,其熱探頭組件及其構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明大致涉及一種電熱塞,更具體地涉及具有套的電熱塞。
背景技術(shù):
具有套的熱探頭型電熱塞,如現(xiàn)有技術(shù)
圖1中的1所示,通常具有帶有孔2的環(huán)形金屬外殼,該孔的尺寸正好將熱探頭組件3容置于其內(nèi)。該熱探頭組件3包括金屬套4,電極5,電阻加熱元件6,粉末填充材料7,以及0形密封8。該0形密封由各種彈性體制造而成,包括含氟聚合物,例如杜邦公司在VITON商標(biāo)下的產(chǎn)品。當(dāng)O形密封被廣泛應(yīng)用于電熱塞時,其有效工作溫度范圍大約在100-200°c之間,但是隨著發(fā)動機(jī)工作溫度的提高,現(xiàn)在這已經(jīng)成為一個限制條件。因此,需要更高工作溫度范圍的電熱塞應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn),而現(xiàn)有技術(shù)的0形密封已不再適合。另外,即使在現(xiàn)有技術(shù)的較低溫度范圍之內(nèi)進(jìn)行操作,該0形密封8也不密閉,因此氧氣與水汽能夠滲透進(jìn)入到絕緣粉末7內(nèi)和電阻加熱元件6上從而導(dǎo)致電阻加熱元件6 的氧化,開裂以及最終的失效。這種失效模式導(dǎo)致電熱塞1的使用壽命降低或者削減。因此,由于其電線加熱元件的氧化引起的性能退化,傳統(tǒng)的金屬電熱塞都只具有被削減的使用壽命。在熱循環(huán)的過程中,電線6表面被氧化,因此減少了嵌入的電阻線的有效橫截面。這將最終導(dǎo)致電線部分的過熱。而導(dǎo)致這種失效模式的主要因素就在于橡膠或塑料墊圈(例如0形)的密封性能不好,使得氧氣與水汽滲透進(jìn)入填充粉末的基座(bed) 中,其中的氧氣與水汽自由與加熱元件電線自由發(fā)生反應(yīng)。氧化鎂與水汽發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鎂,即使是在該部分投入使用之前,氫氧化鎂也能導(dǎo)致該部分出現(xiàn)故障。此外,吸收到鎂粉表面的氣體也能夠?qū)е录訜嵩娋€的退化。綜上所述,需要一種能夠在密封區(qū)域的工作溫度高于200°C下使用的電熱塞,能夠在電極與套之間形成真正的密封。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供了一種金屬電熱塞組件。該金屬電熱塞組件包括帶有通孔的金屬外殼,和在其遠(yuǎn)端和終端之間延伸的金屬套。該金屬套的終端被固定于該外殼內(nèi)。而且電極提供為具有一末端,帶有一加熱元件連接于此。該加熱元件和該電極的末端容置于該套內(nèi)。一填充粉末圍繞該加熱元件設(shè)置于該套內(nèi)。另外,一陶瓷密封具有通過硬釬接頭與該套連接的外表面和通過硬釬接頭與該電極連接的內(nèi)表面。該陶瓷密封在該填充粉末與該套外的環(huán)境之間提供密封加熱加熱加熱粉末。根據(jù)本發(fā)明另一方面,提供了一種電熱塞熱探頭組件。該電熱塞熱探頭組件包括在一遠(yuǎn)端和一終端之間延伸的金屬套。而且一電極具有一末端,帶有一加熱元件連接于此, 其中該末端和該加熱元件容置于該套內(nèi)。一填充粉末圍繞該加熱元件設(shè)置于該套內(nèi)。以及,一陶瓷密封具有通過第一硬釬接頭與該套連接的外表面和通過第二硬釬接頭與該電極連接的內(nèi)表面,從而在該填充粉末與該套外的環(huán)境之間提供密封。根據(jù)本發(fā)明又一方面,提供一種構(gòu)造電熱塞熱探頭組件的方法。該方法包括提供具有一開口端的金屬套;提供一電極并將一加熱元件連接至該電極。此外,將該加熱元件與電極的一端設(shè)置于套內(nèi),并將一填充粉末圍繞該加熱元件設(shè)置于套內(nèi)。此外,將一陶瓷密封圍繞該電極并設(shè)置于套內(nèi),并在套與電極之間形成硬釬接頭以在在該填充粉末與該套外的環(huán)境之間提供密封粉末。
具體實施例方式更具體地參考附圖,圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面構(gòu)造的電熱塞10。如圖3 所示,該電熱塞10包括具有通孔14的環(huán)形金屬外殼12,該孔的尺寸正好至少部分容置根據(jù)本發(fā)明的一個當(dāng)前優(yōu)選實施例構(gòu)造的熱探頭組件16。熱探頭組件16包括管狀的金屬套 18,電極20,電阻加熱元件22,粉末填充材料24,以及一改良密封26。該改良密封沈由陶瓷材料構(gòu)成,當(dāng)固定于金屬套18和電極20時,該陶瓷材料更好地使電阻加熱元件22與氧氣和水汽隔離,因此,電熱塞10的使用壽命得到延長。如圖2所示,金屬外殼12沿著虛線縱軸A延伸。該外殼12可以由任何適合的金屬構(gòu)成,比如各種級別的鋼。該外殼12也可以包括一電鍍層或者涂層,比如將鎳或者鎳合金涂覆在包括外表面觀以及孔14內(nèi)的某些或者全部表面上以提高其抗高溫氧化與抗腐蝕的能力。外殼12包括外搭扳手平面30或者其他合適的為工具接收配置的部分,從而將螺紋32旋入發(fā)動機(jī)汽缸蓋,預(yù)點火室,進(jìn)氣歧管等等的合適的螺紋孔(圖未示)內(nèi)。錐形座 34以配合的方式抵靠在互補(bǔ)型的凹處以更好地在操作過程中壓緊密封。套18是一種導(dǎo)電導(dǎo)熱的筒形結(jié)構(gòu)元件。任何合適的金屬都可以用來形成套18,但是優(yōu)選具有抗高溫氧化與抗腐蝕性能的金屬,特別是針對與內(nèi)燃機(jī)的運行相關(guān)的燃燒氣體和反應(yīng)物種類。一種合適的金屬合金的例子是鎳-鉻-鐵-鋁合金。如圖3所示,套18具有一終端,也被稱作為第一開口端36,設(shè)置于外殼12的通孔14內(nèi)與外殼12電連接,套18 還具有一遠(yuǎn)端,也被稱作為第二封閉端38,該封閉端從通孔14的遠(yuǎn)端伸出。套18可能具有變形的微觀結(jié)構(gòu),例如冷加工微觀結(jié)構(gòu),其中,套的預(yù)成型坯(sheath preform圖未示)通過模鍛或者其他方式成型以減小直徑,從而增大其內(nèi)含有的粉末填充材料M的密度。在圖3中示出了電極20的一部分,示出為延伸到套18的第一開口端36內(nèi)的嵌入部分。該電極20可由任何適合的導(dǎo)電材料構(gòu)成,但是優(yōu)選金屬,或者更優(yōu)選為由鋼制成。 合適等級的鋼的例子包括AISI 1040,AISI 300/400系列,EN 10277-3系列,Kovar*UNS K94610 以及 ASTM F15,29-17 合金。電阻加熱元件22可以是任何合適的電阻加熱裝置,包括纏繞或者螺旋纏繞電阻加熱元件。該電阻加熱元件22具有任何合適的電阻特性,只要其能夠有效提供特定應(yīng)用的電熱塞10所需的必要的時間/溫度加熱響應(yīng)特性即可。這可能包括一個元件,該元件由具有正溫度系數(shù)特性(PCT特性)的單一(也就是同質(zhì))電阻元件組成,或者是雙重構(gòu)造,在該構(gòu)造中兩個系列-連接(series-connected)的電阻元件端對端連接。在以下方案中,第
5一電阻元件40直接與電極20連接,且該電阻元件40由比第二電阻元件42更高的PCT特性的材料構(gòu)成,該第二電阻元件42與套18的第二封閉端38連接。因此,第一電阻元件40 充當(dāng)限流器或者調(diào)節(jié)元件,而第二電阻元件42充當(dāng)加熱元件。螺旋狀的電線電阻加熱元件可由任何合適的材料構(gòu)成,包括各種金屬,列舉幾種例如純鎳,各種鎳,鎳-鐵-鉻合金以及鐵-鈷合金。因此,在圖3所示出的例子中,一螺旋電線,雙重電阻加熱元件22,被設(shè)置于套 20內(nèi),其近端通過冶金結(jié)合或者焊接電氣連接且機(jī)械固定于電極22。電阻加熱元件22的遠(yuǎn)端通過冶金結(jié)合或者焊接電氣連接且機(jī)械固定于套20的第二封閉端32。當(dāng)電阻加熱元件22的遠(yuǎn)端與套20的遠(yuǎn)端焊接時,形成這種機(jī)械連接和冶金結(jié)合。通過密封開口末端成型(an open ended perform)的遠(yuǎn)端的開口,該焊接操作可用于同時形成管狀套20的封閉端32。傳統(tǒng)的橡膠或者塑料的現(xiàn)有密封(圖1中的8)已經(jīng)替換成陶瓷密封,也稱作為墊圈沈,該墊圈固定于套18和電極20之間。該墊圈沈的陶瓷材料在套18與電極20之間起到了電隔絕的作用。密封26的優(yōu)選的材料組成為氧化鋁,但是也可選用其他電絕緣的陶瓷材料。優(yōu)選為使用獨立的陶瓷元件沈,從而產(chǎn)生有效、經(jīng)濟(jì)和過硬的密封技術(shù),通過降低電線加熱元件22發(fā)生氧化導(dǎo)致退化的風(fēng)險,該密封技術(shù)將延長電熱塞10的使用壽命。例如,示出的墊圈沈具有直徑較小的鼻部區(qū)域44,其尺寸正好與套18的開口端 36輕微干涉配合,該墊圈沈還具有直徑較大的區(qū)域46,該區(qū)域的直徑與套18的外徑相同且與直徑較小的區(qū)域44同心形成。因此,一平面肩部48在直徑較小的區(qū)域44與直徑較大的區(qū)域46之間徑向延伸。為了將墊圈沈固定于套18,鼻部區(qū)域44設(shè)置于套18內(nèi)直到該肩部48面對并貼近于套18的開口端36。然后,第一硬釬接頭50在環(huán)形間隙內(nèi)形成,該間隙是由鼻部區(qū)域44的外表面與套18的內(nèi)表面之間輕微干涉配合形成,其中硬釬接頭50填充該環(huán)形間隙,并在鼻部區(qū)域44和套18的內(nèi)表面之間形成密封。墊圈沈也有一中央通孔 52,其尺寸與電極20輕微干涉配合。為了將墊圈沈固定于電極20,第二硬釬接頭M在環(huán)形間隙內(nèi)形成,該間隙是由電極20的外表面與墊圈沈的通孔52之間輕微干涉配合形成, 其中硬釬接頭討填充該環(huán)形間隙,并在電極20與通孔52之間形成密封。因此,硬釬接頭 50,54在含有加熱電線22的粉末基座M與外部大氣之間形成密封。本發(fā)明的次要特征是優(yōu)選以在密封過程中從填充粉末基座M內(nèi)排除氧氣和水汽的方式操作和組裝各組件。因此,在一個優(yōu)選的構(gòu)建熱探頭組件16的方法中,硬釬接頭50, 54的硬釬過程在真空中進(jìn)行,或者在諸如惰性氣體的大氣環(huán)境中進(jìn)行,使得氧化鎂粉末M 在形成硬釬接頭50 J4之前被脫氣(off-gassed),從而去除掉能夠?qū)е录訜嵩娋€22退化的反應(yīng)物質(zhì),諸如氧氣和水。前述的發(fā)明根據(jù)相關(guān)法律規(guī)范進(jìn)行描述,因此本說明書是示例性的而不是用于限制本發(fā)明。顯然,根據(jù)以上教導(dǎo),本發(fā)明的許多修正和變型是可能的。因此,應(yīng)當(dāng)理解,在后所附權(quán)利要求的范圍內(nèi),本發(fā)明可不同于上述具體描述而通過其他方式實施。
權(quán)利要求
1.一種金屬電熱塞組件,其特征在于,包括 具有通孔的金屬外殼;金屬套,在其遠(yuǎn)端與終端之間延伸,所述終端被固定于所述外殼內(nèi); 容置于所述套內(nèi)的具有一末端的電極; 連接至所述電極的所述末端并容置于所述套內(nèi)的加熱元件; 設(shè)置于所述套內(nèi)并圍繞所述加熱元件的填充粉末;具有一外表面和一內(nèi)表面的一陶瓷密封,該外表面通過一硬釬接頭與所述套連接,該內(nèi)表面通過一硬釬接頭與所述電極連接,所述陶瓷密封在所述填充粉末與所述套外的環(huán)境之間提供密封。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬電熱塞組件,其特征在于,所述陶瓷密封具有一與所述套形成干涉配合的直徑較小的區(qū)域以及與所述電極形成干涉配合的通孔,所述硬釬接頭中的一個在所述直徑較小的區(qū)域和所述套之間延伸,而所述硬釬接頭中的另一個在所述與電極形成干涉配合的通孔和所述電極之間延伸。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬電熱塞組件,其特征在于,所述陶瓷密封具有一平面的肩部和一直徑較大的區(qū)域,該平面的肩部在所述直徑較小的區(qū)域與所述直徑較大的區(qū)域之間延伸,所述肩部貼近所述金屬套的所述終端。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬電熱塞組件,其特征在于,所述陶瓷密封為氧化鋁。
5.一種電熱塞熱探頭組件,其特征在于,包括 在一遠(yuǎn)端與一終端之間延伸的金屬套;容置于所述套內(nèi)的具有一末端的電極; 連接至所述電極的所述末端并容置于所述套內(nèi)的加熱元件; 設(shè)置于所述套內(nèi)并圍繞所述加熱元件的填充粉末;具有一外表面和一內(nèi)表面的陶瓷密封,該外表面通過第一硬釬接頭與所述套連接,該內(nèi)表面通過第二硬釬接頭與所述電極連接,所述陶瓷密封在所述填充粉末與所述套外的環(huán)境之間提供密封。
6.如權(quán)利要求5所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述陶瓷密封的所述外表面的尺寸與所述套干涉配合從而在所述外表面與所述套之間提供一環(huán)形間隙,所述第一硬釬接頭基本上填充所述環(huán)形間隙。
7.如權(quán)利要求6所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述陶瓷密封的所述內(nèi)表面的尺寸與所述電極干涉配合從而在所述內(nèi)表面與所述電極之間提供一環(huán)形間隙,所述第二硬釬接頭基本上填充所述環(huán)形間隙。
8.如權(quán)利要求5所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述陶瓷密封具有貼近所述金屬套的所述終端的一肩部。
9.如權(quán)利要求8所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述肩部在所述陶瓷密封的一直徑較小的區(qū)域與所述密封的一直徑較大的區(qū)域之間延伸。
10.如權(quán)利要求8所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述陶瓷密封的所述直徑較小的區(qū)域容置于所述套內(nèi)。
11.如權(quán)利要求10所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述第一硬釬接頭在所述陶瓷密封的所述直徑較小的區(qū)域與所述套之間延伸。
12.如權(quán)利要求5所述的電熱塞熱探頭組件,其特征在于,所述陶瓷密封為氧化鋁。
13.一種電熱塞熱探頭組件的構(gòu)造方法,其特征在于,包括 提供具有一開口端的金屬套;提供一電極;將加熱元件連接至所述電極; 將所述加熱元件與電極的一端設(shè)置于所述套內(nèi); 將填充粉末圍繞所述加熱元件設(shè)置于所述套內(nèi); 將一陶瓷密封圍繞所述電極并設(shè)置于所述套內(nèi);在所述套與所述電極之間形成一硬釬接頭從而在所述填充粉末與所述套外的環(huán)境之間提供密封。
14.如權(quán)利要求13所述的方法,其特征在于,所述形成硬釬接頭的步驟包括在所述陶瓷密封的一外表面與所述套之間形成第一硬釬接頭。
15.如權(quán)利要求14所述的方法,其特征在于,所述形成硬釬接頭的步驟包括在所述陶瓷密封的一內(nèi)表面與所述電極之間形成第二硬釬接頭。
16.如權(quán)利要求13所述的方法,其特征在于,進(jìn)一步包括在形成所述硬釬接頭之前在真空中從填充粉末中脫除氣態(tài)反應(yīng)物。
全文摘要
提供一種熱探頭組件,其金屬電熱塞組件和構(gòu)造該熱探頭組件的方法。該金屬電熱塞組件包括帶有通孔的一金屬外殼和在一遠(yuǎn)端與一終端之間延伸的一金屬套。該金屬套的該終端固定于該外殼的該通孔內(nèi)。而且一電極提供為具有一末端,帶有一加熱元件連接于此。該加熱元件和該電極的末端容置于該套內(nèi)。一填充粉末圍繞該加熱元件設(shè)置于該套內(nèi)。另外,一陶瓷密封具有通過硬釬接頭與該套連接的外表面和通過硬釬接頭與該電極連接的內(nèi)表面。該陶瓷密封在該填充粉末與該套外的環(huán)境之間提供密封。
文檔編號F02P19/02GK102216689SQ200980141672
公開日2011年10月12日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者小威廉·J·沃克 申請人:費德羅-莫格爾點火公司