金屬護套電熱塞的制作方法

專利名稱：金屬護套電熱塞的制作方法
技術領域：
本發明涉及電熱塞，更具體地涉及裝有金屬護套的電熱塞。
背景技術：
護套型電熱塞通常具有電阻加熱器，其包括一個或多個位于管狀護套內的、嵌入 在電絕緣導熱粉末中的纏繞電阻絲，該電阻絲除了電連接至該護套的自由封閉端之外，與 該管狀護套電絕緣。所述類型的電熱塞，例如，在美國專利4，963，717中披露。位于護套 中的電阻絲完全嵌入在絕緣粉末中，使用橡膠0型密封圈或其他密封裝置將該絕緣粉末密 封在護套中。這些0型密封圈采用各種橡膠制成，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。雖然0型密封圈已在許多電熱塞應用中使用，但其有效的工 作溫度范圍約為150-200°C，這現在被證明是一個制約因素。最近，電熱塞應用已經顯現出 需要更高的工作溫度范圍，而現有技術的0型密封圈是不適合的。此外，即使在前述較低的工作溫度范圍內操作，0型密封圈并不氣密，因此氧氣和 水蒸汽會滲透到絕緣粉末和電阻加熱元件中導致氧化、開裂，并最終造成故障。這種故障模 式會減少或限制電熱塞的使用壽命。基于上述觀點，需要一種電熱塞，可用于工作溫度超過200°C的密封區域，并可以 提供電極與護套之間的真正的融合的密封。

發明內容
本發明提供了一種電熱塞，包括具有軸向延伸的孔的金屬外殼。導電及導熱的管 狀護套支撐在該外殼中。該護套具有位于該外殼孔內的開口端和從該孔伸出的封閉端。電 極具有穿過該外殼延伸到該護套的開口端內的嵌入部分。該嵌入部分具有分離的絕緣層。 電阻加熱元件位于該護套內并具有電連接到該電極的嵌入部分的近端和電連接到該護套 的封閉端的遠端。電絕緣導熱粉末位于該護套內并包圍該電極的嵌入端和電阻加熱元件。 金屬密封件形成在該護套的開口端內，氣密接合在該護套和該電極的絕緣層之間。該金屬 密封件提供改進的電極密封，以防止在制造或使用時外部物質進入護套。此外，該金屬密封 件能有效地消除空氣或氧氣滲透進入護套，從而延長了電熱塞組件的工作壽命。根據本發明的另一方面，如上所述的電熱塞還包括了位于電極上的絕緣層上的第 二金屬層，金屬密封件密封接合在護套和第二金屬層之間。根據本發明的又一方面，提供了一種制造電熱塞的加熱器組件的方法，該組件包 括具有開口端和封閉端的導電及導熱的管狀護套，具有延伸到該護套的開口端內的嵌入部 分的電極，該嵌入部分之上具有絕緣層，位于該護套內并包圍電阻加熱元件的電絕緣導熱 粉末；和位于該護套的開口端內密封接合在該護套與絕緣層之間的金屬密封件。該方法包括以下步驟形成管狀護套、電極和電阻加熱元件，然后在該電極的嵌入部分的至少一部分 上形成絕緣層。將該電阻加熱元件的一端連接到該電極的嵌入部分。將該電阻加熱元件連 同該電極的嵌入部分插入到該管狀護套中。將該電阻加熱元件的另一端連接到該護套的封 閉端。將粉末插入到該護套內包圍該電阻加熱元件，然后在該護套和絕緣層之間形成金屬 密封件。


結合以下具體描述和附圖，本發明的這些和其他的特征和優點將更容易地理解， 其中圖1是根據本發明的裝有護套的加熱器組件和電熱塞的部分剖視圖；圖2是該加熱器組件的局部放大剖視圖；圖3是沿圖2中的線3-3的穿過金屬密封件的剖視圖；圖4是本發明的替代實施例的局部視圖，其中第二金屬層位于金屬密封件和電極 上的絕緣層之間；圖5是沿圖4中的線5-5的剖視圖；圖6是預成型件狀態中的所述護套的剖視圖；圖7是電阻加熱元件的放大視圖；和圖8是根據本發明用于制造電熱塞的裝配操作的流程圖。
具體實施例方式參見附圖，其中各個附圖中相同的數字表示相同或相應的部件，圖1示出了根據 本發明的第一實施例制造的電熱塞10。該電熱塞10包括環形金屬外殼12，該外殼12具有 沿縱軸A延伸的孔14。該外殼12由任何合適的金屬制成，如各種等級的鋼。該外殼12還 包括鍍層或涂層，如覆蓋在其部分或全部表面包括外表面16和孔14上的鎳或鎳合金涂層， 以提高其抗高溫氧化和腐蝕性。現有的金屬護套電熱塞(圖未示)在電極和加熱端的接地護套部分之間采用如0 型密封圈的橡膠或塑料密封件。加熱元件，通常是位于護套內的螺旋金屬絲電阻加熱元件 的氧化會導致這種橡膠密封件的性能劣化從而使其使用壽命有限。加熱元件通常是封裝在 氧化鎂粉末基層中并以橡膠或塑料墊圈密封。在電熱塞操作期間發生的熱循環中，金屬絲 的表面氧化，減少了該金屬絲的有效截面，并最終導致在金屬絲的這部份中較高的電流密 度。因此，金屬絲的過熱和加熱元件的故障是很可能的。影響這種操作模式的因素是橡膠 或塑料墊圈的不完全密封，其使氧氣和水蒸汽擴散到封裝的粉末基層中并與加熱元件金屬 絲發生反應，導致上述氧化和有效截面減少。氧化鎂與水蒸汽的反應會產生氫氧化鎂，它會 腐蝕或氧化金屬絲從而造成部件故障，即使該電熱塞不在使用中。氧化鎂粉末的表面所吸 入的其他材料也會造成電阻加熱元件電阻絲的劣化。相比之下，本發明包括具有改進的加熱器組件18的電熱塞10，該加熱器組件減少 了封裝粉末及嵌入在該粉末中的螺旋金屬絲電阻加熱元件暴露在氧氣和水蒸汽下，從而消 除或大大減少上文所述的劣化過程。本發明的加熱器組件18包括護套20，電極22，電阻加熱元件對，粉末封裝材料沈和密封件觀。這里所用的近端和遠端的引用參考電熱塞10遠離護套20的端部，近端接近 該端部而遠端相對遠離該端部。護套20為大致管狀結構的導電及導熱元件。任何合適的金屬可被用來形成護套 20，但優選具有抗高溫氧化性和耐腐蝕性的金屬，特別是關于燃燒氣體和與內燃機的操作 有關的反應物。合適的金屬合金的例子是鎳-鉻-鐵-鋁合金。該護套20具有位于孔14 內并與外殼12電接觸的開口端30。該護套20還具有遠離孔14伸出的封閉端32。優選地， 該護套20具有沿其長度變化的外徑(Dl)，以使該外徑在接近開口端30處具有直徑減少部 分34。外徑Dl可以是任何合適的直徑。許多電熱塞應用的典型外徑Dl的例子是約4mm。 直徑減少部分34 —般略長于密封件觀的長度。在示例實施例中，直徑減少部分34的軸向 長度大約為8mm。外徑Dl與直徑減少部分34之間的徑向距離可以是任何量，但在示例實施 例中約0. 4mm。護套20可具有變形微結構，如冷加工微結構，圖6所示的護套預成型件36通過鍛 造或其他方式再成形，以減少直徑并增加護套內的粉末的密度。在示例實施例中，變形可使 預成型件36的壁厚減少約20%，如圖6中的虛線所示。在該加熱器組件18組裝之前，徹底 清潔該護套20接近密封件觀的內表面21，以除去揮發性污染物，如油。該內表面21也可 被氧化以利于粘附。當氧化層為此目的產生時，其厚度通常在0. 2-5. 0微米的范圍內。電極22具有延伸到護套20的開口端30內的嵌入部分。該電極22可由任何合適 的導電材料制成，但優選金屬，或更優選地由鋼制成。鋼的合適等級的例子包括AISI 1040， AISI 300/400 系列，EN 10277-3 系列，Kovar*UNS K94610 和 ASTM F15J9-17 合金。電阻 加熱元件M可以是任何合適的電阻加熱裝置，包括纏繞或螺旋金屬絲電阻加熱元件，最佳 如圖7所示。該電阻加熱元件^可具有任何合適的電阻特性，只要它可操作以提供電熱塞 10的特定應用所需的必要的時間/溫度加熱響應特性。這可包括由單個(即同種)電阻元 件或雙結構組成的元件，該單個電阻元件具有正溫度系數特性(PTC特性)，而該雙結構中 兩個串聯的電阻元件端到端相連。在后一種情況下，第一電阻元件40連接到電極22并由 具有比第二電阻元件42高的PTC特性的材料制成，該第二電阻元件42連接到護套20的封 閉端。因此，該第一電阻元件40作為電流限制器或電流調節元件，而該第二電阻元件42充 當加熱元件。螺旋金屬絲電阻加熱元件可由任何合適的材料形成，包括各種金屬，例如純鎳 及各種鎳，鎳-鐵-鉻和鐵-鈷合金，在此僅舉幾個例子。再次參見圖1和圖7，螺旋金屬絲 雙電阻元件加熱元件M位于護套20內，其具有電連接到電極22并通過冶金結合如焊接機 械固定到電極22的近端44。電阻加熱元件M的遠端46電連接到護套20的封閉端32并 通過冶金結合機械固定到護套20的封閉端32。當電阻加熱元件M的遠端46焊接到護套 預成型件36的遠端48(圖6)時形成這種機械連接和冶金結合。通過密封預成型件36的 遠端中的開口 50，這種焊接也形成了管狀護套20的封閉端32。電絕緣導熱封裝粉末沈位于護套20內并包圍電阻加熱元件M。該粉末沈可包 括任何合適的電絕緣導熱粉末以包圍本領域技術人員知曉的電阻加熱元件。在通過將電阻 加熱元件M連接到護套20的相關焊接封閉開口 50后，經由圍繞電極22的環形間隙，松散 的粉末插入到預成型件36的腔52中。該環形間隙的厚度可以是任何合適的厚度；然而對 于電阻加熱器組件18的許多應用，環形間隙的寬度在0. 2-1. Omm的范圍內被認為是有益 的。該環形間隙的寬度由直徑減少部分34內的護套預成型件36的內徑與電極22的外徑的徑向差確定。在本發明的示例實施例中，由氧化鎂化合物制備的粉末26，被壓實在電阻加 熱元件M的周圍，連同減少了護套預成型件36的直徑，形成了最終完成的護套20。壓實的 鎂粉末26提供所需的導熱率，同時也使電阻加熱元件M與護套20電絕緣。粉末沈也必 須可操作以在電熱塞10的擴展的工作溫度范圍內使用，即高達約600-800°C。分離的絕緣層沿電極22穿過護套20的直徑減少部分34的部分形成。絕緣層M 優選包括無機和非橡膠絕緣材料。在一個優選的實施例中，這種材料可包括玻璃或陶瓷材 料。如果選自玻璃材料，它可由硅酸鹽玻璃，硼酸鹽玻璃或硼硅酸鹽玻璃形成。當由陶瓷材 料制成時，絕緣層M可由金屬氧化物，金屬氮化物或金屬氮氧化物制成。當然，其他合適的 材料對于本領域技術人員也是顯而易見的。絕緣層M可采用任何現有技術施加，包括物理 氣相沉積(PVD)，這是真空沉積的一種，其中要沉積的材料被加熱到高蒸汽壓力，然后凝固 在目標表面上，目標表面在這個例子中是電極22的外表面38。絕緣層M有效地建立電極 22與密封件觀之間的電絕緣，并為密封件觀提供可以建立足夠的附著的表面。密封件觀由金屬成分構成，因而導電。因此，需要絕緣層M以防止接地護套20 與帶電電極22之間的直接導電。金屬密封件觀可形成為焊接接頭，釬焊接頭，或燒結粉末 金屬接頭。各種材料可用于制造金屬密封件觀，包括銅和/或銅合金，銀及其合金，以及構 成銅和銀合金的成分的過渡金屬。用于這些合金中的一個常見的過渡金屬可以包括鈦。因此，如圖1-3所示，密封件28位于護套20的開口端30內并通過護套20與絕緣 層M之間的環形間隙與護套20密封接合。因此，在粉末沈插入到腔52中后，通過焊接， 釬焊或燒結施加金屬密封件28，以將絕緣層M的外表面結合到護套20的內表面。以此方 式，密封件觀形成了氣密封閉從而防止任何污染物，包括燃燒氣體和周圍氧氣或水蒸汽滲 透到腔56中以與粉末沈反應。通過提供氣密密封，金屬密封件觀的加入消除或大大減少 如上所述這些污染物與粉末沈和電阻加熱元件M相互作用的能力。這實際上減少了電阻 加熱元件M的劣化并增加了其使用壽命。為了在電極22與護套20之間提供足夠的電絕緣，對于在加熱器組件18的大約 為-40 800°C的工作溫度范圍內高達M伏的外加直流電壓，絕緣層M優選具有至少約 1，000歐姆的電阻。絕緣層M必須在拉伸和剪切模式下在其厚度及與電極22和金屬密封 件觀的界面處具有機械強度，以抵御外部施加的高達10巴的壓力。圖4和圖5描繪了本發明的替代實施例，其中主要標記表示與上述第一實施例相 同或相應的部件。在該實施例中，第二金屬層56'位于絕緣層上。因此金屬密封件 28'在護套20'與第二金屬層56'之間密封接合形成。第二金屬層56'可包括由與密 封件觀‘相同或兼容的金屬制成的薄金屬涂層，從而達到更完善的粘附特性。第二金屬層 56'可以制造環境內的可控設置施加，包括上述PVD技術，以實現直接到電極22'的外表 面的更好的結合。在此之后，相同或兼容的冶金材料制成的密封件觀‘可容易地施加并結 合以完善上述氣密封閉。參考圖8，示意性地示出了根據本發明制造電熱塞10的加熱器組件18的方法 100。功能框110包括形成電極22、電阻加熱元件M和護套預成型件36的步驟。在功能框 120中，在電極22的外表面上沉積絕緣層M作為涂層。作為可選的步驟，如虛線所示，在沉 積步驟120之后，也可以在絕緣層M上沉積第二金屬層56。在功能框130，該電極22連接 到電阻加熱元件M，然后在功能框140，子組件插入到護套預成型件36中。此后，如功能框150所示，電阻加熱元件M在遠端48連接到護套預成型件36。接下來，功能框160表示粉 末沈插入到護套腔52內的步驟，隨后通過將金屬成分釬焊或可選地焊接或燒結到環形間 隙內而形成密封件觀。功能框180以虛線表示作為一個可選的步驟，包括通過任何合適的 滾壓，沖壓，壓制，擠壓或液壓操作從護套預成型件36再成形護套20。功能框190表示將完 成的加熱器組件18壓入外殼12內并以現有技術固定的步驟。通過去除橡膠密封件的使用，金屬密封件觀具有更高的熔點和更好的高溫機械 和電氣性能，本發明的電熱塞10適于在大于200°C的溫度下工作。更具體地，電熱塞10可 適于在大于60(TC的溫度下工作，更特別地適合在高達約80(TC下工作。此外，金屬密封件 觀消除或大大降低了周圍大氣到達粉末基層26和金屬絲加熱元件M從而導致金屬絲加熱 元件劣化的能力。本發明已按照有關法律標準描述，該描述本質上是示例而非限制。所披露的實施 例的變化和修改對本領域技術人員是顯而易見的并落在本發明的范圍之內。因此本發明的 法律保護范圍只能通過權利要求確定。
權利要求
1.一種電熱塞，包括具有軸向延伸的孔的金屬外殼；導電及導熱的管狀護套，具有位于所述孔內與所述外殼電接觸的開口端和從所述孔伸 出的封閉端；電極，具有延伸到所述管狀護套的開口端內的嵌入部分，所述嵌入部分之上具有分離 的絕緣層；位于所述管狀護套內的電阻加熱元件，具有電連接到所述電極的嵌入部分的近端和電 連接到所述管狀護套的封閉端的遠端；位于所述管狀護套內并包圍所述電極的嵌入部分和所述電阻加熱元件的電絕緣導熱 粉末；和位于所述管狀護套的開口端內與所述管狀護套和所述電極的絕緣層密封接合的金屬 密封件。
2.如權利要求1所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括焊接接頭。
3.如權利要求1所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括釬焊接頭。
4.如權利要求1所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括燒結金屬粉末。
5.如權利要求1所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括銅合金或銀合金。
6.如權利要求5所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件還包括作為所述銅合金 或所述銀合金的成分的過渡金屬。
7.如權利要求6所述的電熱塞，其特征在于，所述過渡金屬是鈦。
8.如權利要求1所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層包括無機、非橡膠絕緣材料。
9.如權利要求1所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層包括玻璃或陶瓷。
10.如權利要求9所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層是從由硅酸鹽玻璃、硼酸鹽 玻璃和硼硅酸鹽玻璃組成的組中選擇的玻璃。
11.如權利要求9所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層是從由金屬氧化物、金屬氮 化物和金屬氮氧化物組成的組中選擇的陶瓷。
12.一種電熱塞，包括具有軸向延伸的孔的金屬外殼；導電及導熱的管狀護套，具有位于所述孔內與所述外殼電接觸的開口端和從所述孔伸 出的封閉端；電極，具有延伸到所述管狀護套的開口端內的嵌入部分，所述嵌入部分之上具有分離 的絕緣層；位于所述管狀護套內的電阻加熱元件，具有電連接到所述電極的嵌入部分的近端和電 連接到所述管狀護套的封閉端的遠端；位于所述管狀護套內并包圍所述電極的嵌入部分和所述電阻加熱元件的電絕緣導熱 粉末；位于所述管狀護套的開口端內與所述管狀護套和所述電極的絕緣層密封接合的金屬 密封件；和位于所述絕緣層上的第二金屬層，所述金屬密封件密封接合在所述管狀護套與所述第 二金屬層之間。
13.如權利要求12所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括焊接接頭。
14.如權利要求12所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括釬焊接頭。
15.如權利要求12所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括燒結金屬粉末。
16.如權利要求12所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件包括銅合金或銀合金。
17.如權利要求16所述的電熱塞，其特征在于，所述金屬密封件還包括作為所述銅合 金或所述銀合金的成分的過渡金屬。
18.如權利要求17所述的電熱塞，其特征在于，所述過渡金屬是鈦。
19.如權利要求12所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層包括無機、非橡膠絕緣材料。
20.如權利要求12所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層包括玻璃或陶瓷。
21.如權利要求20所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層是從由硅酸鹽玻璃、硼酸鹽 玻璃和硼硅酸鹽玻璃組成的組中選擇的玻璃。
22.如權利要求20所述的電熱塞，其特征在于，所述絕緣層是從由金屬氧化物、金屬氮 化物和金屬氮氧化物組成的組中選擇的陶瓷。
23.一種制造電熱塞的加熱器組件的方法，該組件包括具有開口端和封閉端的導電 及導熱的管狀護套；電極，具有延伸到所述管狀護套的開口端內的嵌入部分，所述嵌入部分 之上具有絕緣層；位于所述護套內并包圍電阻加熱元件的電絕緣導熱粉末；和位于所述管 狀護套的開口端內密封接合在所述管狀護套與所述絕緣層之間的金屬密封件；所述方法包 括以下步驟形成管狀護套、電極和電阻加熱元件； 在所述電極的嵌入部分的至少一部分上形成絕緣層； 將所述電阻加熱元件的一端連接到所述電極的嵌入部分； 將所述電阻加熱元件和所述電極的嵌入部分插入到管狀護套內； 將所述電阻加熱元件的另一端連接到所述管狀護套的封閉端； 將粉末插入到所述管狀護套內包圍所述電阻加熱元件；及 在所述管狀護套和絕緣層之間形成金屬密封件。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，進一步包括在所述形成金屬密封件的步 驟之前在所述絕緣層上形成第二金屬層的步驟。
25.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述形成金屬密封件的步驟包括焊接，釬 焊或燒結。
26.如權利要求23所述的方法，其特征在于，還包括將所述加熱器組件連接到金屬電 熱塞外殼的步驟。
全文摘要
一種電熱塞(10)，包括環形金屬外殼(12)，導熱管狀護套(20)，電極(22)，電阻加熱元件(24)和電絕緣導熱粉末(26)。金屬密封件(28)位于該護套(20)的開口端內，與該電極(22)密封接合。絕緣層(54)形成在電極(22)的外表面上，以防止金屬密封件(28)與電極(22)之間的導電。可選的第二金屬層(56)可位于絕緣層(54)與金屬密封件(28)之間。
文檔編號F23Q7/00GK102149973SQ200980135918
公開日2011年8月10日 申請日期2009年8月21日 優先權日2008年9月8日
發明者勞拉·貝雷塔, 卡米羅·雷納, 桑德羅·戈雷蒂, 馬塞洛·季諾 申請人:費德羅-莫格爾點火公司