CN101507066A - 火花塞 - Google Patents
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Abstract
一种火花塞(10)，其具有由第一玻璃材料和第二玻璃材料形成的玻璃密封(48)。该第一玻璃材料具有大于该第二玻璃材料的玻璃化温度/软化点的玻璃化温度/软化点。该第一玻璃材料和第二玻璃材料形成交联结构，并与填充剂相结合后，具有近似于铅化玻璃的热膨胀率和属性。
Description
相关申请的交叉引用
[0001]本申请主张美国临时专利申请No.60/814,369的优先权，申请日为2006年6月16日，其通过引用合并入此处。
背景技术
[0002]本发明涉及一种用于火花点火型内燃机的火花塞，更具体地，是一种具有使用无铅密封材料组成的绕底部中央电极的气密密封的火花塞。
[0003]火花塞是一种延伸入内燃机燃烧室内并产生火花以引燃气体和燃油混合物的设备。在运行中，通过火花塞中央电极施加高达40,000伏特的电势，由此使火花跳越过中央电极和相对的接地电极之间的间隙。
[0004]内部电阻/抑制器火花塞设计广为认知，并且多年来被证明是行之有效的。该行之有效的火花塞设计的一个关键之处是在中央电极和火花塞绝缘体元件的内孔之间气密密封。在引擎运行过程中，绝缘体的末梢以及中央电极将会暴露在内燃机内产生的高压下，以及暴露于由该燃烧处理所产生的高温。气密密封在火花塞寿命期间能够经受燃烧室内产生的温度和气体压力，是至关重要的。该密封必须防止热的、被增压的气体从燃烧室侵入火花塞的上部部分内，因为该气体会破坏分离的电阻/电感等元件并导致火花塞失效。在极端情况下，也可能会发生对火花塞(接线端柱)以及引擎(火花塞线，等)其它相关部分的破坏。
[0005]如图1所示的一种示例性的火花塞，其具有在绝缘体和中央电极组件的气密玻璃密封。使用此种玻璃密封在行业内是熟知的，因为该玻璃密封提供气密密封以防止各种气体从燃烧室泄漏。直到最近，用于在绝缘体和中央电极组件之间的玻璃包括大部分的铅或氧化铅，例如授予Schurecht的美国专利No.2,898,395所教导。在一些火花塞内，氧化铅占该玻璃密封材料重量比的50％或更多。使用如此大量的铅是技术上必须的，因为该铅化玻璃提升了玻璃密封材料和火花塞的工作性能及耐用性。在制造过程中，具有多种含铅玻璃的玻璃密封材料具有的益处包括提升了玻璃在低密封处理温度下对周围陶瓷材料和金属线的熔合，以及对陶瓷材料的耐用及可靠的接合。另外，铅化玻璃与金属接合良好。含铅玻璃的另一个益处是，当玻璃粉末加热时，在该处理温度范围内的玻璃黏度的最低变化容许了在制造过程中的变化，同时并不会不利地影响获得的火花塞。铅化玻璃的所有上述优点适于容易地制造可靠的火花塞。
[0006]由于最近在汽车及玻璃产业内环境及安全的限制和立法，在火花塞组成中使用铅化材料尽管具有上述优点但不再可取。环境及安全限制方面的变化还导致了使用铅化玻璃材料成本的增加。因此，大部分火花塞制造商正试图逐步淘汰或限制在绝缘体和中央电极之间的气密玻璃密封内所使用的铅的量。因此，需要这样的无铅玻璃，其：(1)，可在类似于铅化玻璃的温度下进行处理，(2)相对于处理而言是坚固耐用的，(3)与在密封组成中使用的金属和绝缘体接合良好，以及(4)使用与现有处理类似的处理方法。
发明内容
[0007]本发明涉及用于火花塞的无铅玻璃密封材料。该玻璃密封材料由具有不同玻璃化温度和软化点的两种无铅玻璃粉末的混合物形成。通过混合这两种无铅玻璃，所得到的玻璃基质可具有类似于铅化玻璃的期望性质。
[0008]该火花塞大致上包括具有两种玻璃配方的不导电的玻璃密封，其中各个所述玻璃配方大体上是无铅的。该玻璃材料进一步大体上不含导电颗粒，并在所述绝缘体和所述联接线(free-through wire)之间形成气密密封。
[0009]该火花塞还包括绝缘体、联接线、以及由第一玻璃粉末和第二玻璃粉末形成的玻璃密封，其中所述第一和第二玻璃粉末具有不同的成分，并且其中该第一和第二玻璃粉末大体上是无铅的。该联接线穿过该玻璃密封延伸，使得该玻璃密封在该绝缘体和该联接线之间形成气密密封。
[0010]该火花塞还可包括由第一玻璃材料和第二玻璃材料形成的玻璃密封，所述第一玻璃材料具有第一玻璃化温度，并且所述第二玻璃材料具有第二玻璃化温度。
[0011]通过以下详细的说明、权利要求和附图，本发明的进一步应用范围是显而易见的。但是，应当理解，尽管该具体描述和示例表明了本发明优选的实施方式，但它们仅为说明性的目的给出，因为在本发明主旨和范围内的多种变化和改变对本领域的技术人员是显而易见的。
附图说明
[0012]结合下面的详细描述、以及所附的权利要求、和附图，本发明将会被更充分地理解，其中：
[0013]图1是火花塞的截面示意图。
具体实施方式
[0014]图1显示了火花塞10的一个实施例的截面示意图。本发明可用于在绝缘体和中央电极之间具有的气密玻璃密封的任何结构的火花塞，因此图1中显示的火花塞的实施例仅用于说明性目的。火花塞10包括外壳20，其具有固定到绝缘体30的接地电极22。绝缘体30具有中央孔，其中容设有接线端40、电阻42、以及弹簧44。导电材料46和玻璃密封材料48在中央电极50和绝缘体30之间提供密封。更具体地，中央电极50包括面向接地电极22的端头56、中央部分54、以及穿过玻璃材料48延伸并进入导电材料46的联接线52。联接线52典型地由低膨胀金属材料构成，其热膨胀小于或大约等于陶瓷绝缘体30。例如低膨胀材料是由Fe-Ni29Co 17形成的材料。玻璃材料48和导电材料46形成密封以气密封该中央孔，以及更具体地，通过联接线52在中央电极50和接线端40之间提供密封。玻璃材料48是非导电材料，从而该玻璃密封不是作为可承载从该接线端到点火端头56的电流的电极结构的一部分。更具体地，玻璃材料用作气密密封，并且电流由联接线52承载。因此，该玻璃材料不是电路的一部分，并且电流流经联接线52。
[0015]玻璃材料48由第一玻璃材料和第二玻璃材料组成。玻璃材料48内还包括有填充物，并且还可包括粘合剂(例如胶体矿物)，以用作粘合剂并在点火过程中促进膨胀。该火花塞内的最终产物是该第一玻璃材料和第二玻璃材料的交联结构，并结合以填充剂作为集料。为近似于铅化玻璃的性质，发明人发现单一无铅玻璃材料的效果不如铅化玻璃那么好，但是，已发现具有两种玻璃化温度和软化点的无铅金属材料可模拟于铅化玻璃的正面属性并可最小化不利的方面。因此，第一玻璃材料具有与第二玻璃材料不同的玻璃化温度和软化点。该第一金属材料的成分以及成分的含量不同于第二金属材料玻璃化温度。该第一金属材料的示例参见表1，并且其目标重量百分比是示例性的，因为该第一玻璃材料可包括表1内列出的任何特定成分的百分比范围，因此并不局限于列出的特定重量百分比。
表1-第一玻璃材料成分
| 成分 | 目标(wt％) |
| SiO2 | 21.9 |
| B2O3 | 38.3 |
| Al2O3 | 21.6 |
| Na2O | 0.7 |
| K2O | 0.25 |
| Li2O | 5.4 |
| CaO | 0.3 |
| SrO | 11.8 |
| BaO | 0.3 |
[0016]尽管上述表1给出了目标重量百分比，但这些成分可在特定的范围内使用。该第一玻璃材料包括19％至24.5％重量比的二氧化硅，优选地19.9％至23.9％的二氧化硅，以及更优选地21.4％至22.4％重量比的二氧化硅。该第一玻璃材料还可包括35％至41％重量比的三氧化二硼，优选地36.3％至40.3％重量比的三氧化二硼，以及更优选地38％至38.5％重量比的三氧化二硼。该第一玻璃材料还可包括以大约重量比为19％至24％存在的Al2O3，优选地重量比为20％至23.5％，以及更优选地重量比为21％至22％。该第一玻璃材料还可包括小于2％的Na2O，优选地小于大约1.5％，以及更优选地小于0.8％。该第一玻璃材料典型地包括至少0.1％的Na2O，以及更具体地0.5％重量比的Na2O。该第一玻璃的示例性玻璃化学成分进一步包括小于0.8％重量比的量的K2O，更具体地小于大约0.3％，以及更具体地约为0.1％至0.3％。在该第一玻璃材料中还包括重量比大约为4％至7％的量的Li2O，具体地重量比为3.4％至6.4％，以及更具体地4.5％至6％重量比的Li2O。该玻璃材料还包括重量比小于大约0.8％的量的CaO，具体地重量比小于大约0.5％，以及更具体地重量比为0.1％至0.5％。该第一玻璃材料包括重量比小于大约0.8％的BaO，具体地重量比小于0.5％的BaO，以及更具体地重量比大约为0.1％至0.5％的BaO。该第一玻璃材料可包括重量比为大约7％至19％的BrO，具体地10％至15％，以及更具体地重量比大约为10.8％至12.8％。所有上述成分和成分的范围以相对于第一玻璃材料总重量的各自成分的重量百分比列出。
[0017]当然，在该第一玻璃材料内可能以微量存在其它成分，例如ZnO、及ZrO2、TiO2、和铁或Fe2O3。大致上，上述微量的成分可以大约为小于0.1％的重量比存在，并且非有意引入。该玻璃大体上不含诸如Pb、Hg、Cr、和Cd等成分，并且这些成分非有意引入至该第一玻璃材料。但是，尽管并非有意引入，上述成分可因制造污染而存在，但该第一玻璃材料具有的小于100ppm的Pb、Hg、Cr、和Cd，将被考虑成大体上不含有任何这些成分。
[0018]在上述表1中给出的用于形成该第一玻璃材料的原料仅仅是示例性的且该给定的目标和重量百分比大约是在某一范围内并且可以变化。该玻璃的实际成分也可能变化。例如，具有相似玻璃化温度和软化温度的玻璃可包括上述范围的最大、最小、或不同于上述范围的目标重量，或具有更少或额外的成分。发明人还发现，当与以下表2所列出的第二玻璃材料相结合时，具有上述成分并且大约在上述重量范围内最小值和最大值之间的玻璃材料提供了期望的玻璃化温度和软化点。
[0019]具有上述表1中原材料和重量百分比的玻璃材料大致上具有大约520℃±30℃(利用差动扫描热量计进行测量)的玻璃化温度和软化点。表1中的玻璃材料在大约25至260℃的温度范围内，还具有大约6.2ppm/℃的热膨胀系数(利用膨胀计测量)。上述形成的玻璃材料被处理成具有这样的颗粒尺寸，即大约95％质量比的该玻璃材料可在符合ASTM C-92的筛(Sieve)测试中通过200mesh(美国标准筛，U.S.Standard Sieve)。为考虑在第一和第二玻璃材料在融合之前更好地混合玻璃颗粒，本发明典型地具有通过200mesh美国标准筛大约为98％的通过率。
[0020]该第二玻璃材料类似于第一玻璃材料制备，但具有稍微不同的性质和材料。表2所示是形成第二玻璃材料的成分的示例，并且目标重量百分比是示例性的，因为该第二玻璃材料可包括表2中列出的任何特定成分的某一范围，而并不局限于列出的特定重量百分比。
表2-第二玻璃材料属性
| 成分 | 目标(wt％) |
| Bi2O3 | 45 |
| SiO2 | 2.5 |
| B2O3 | 22.5 |
| ZnO | 27.5 |
[0021]该第二玻璃材料包括上述示例性的目标重量，并且典型地形成该第二玻璃材料的成分在以下范围内与第一玻璃材料相结合时可提供优越的玻璃密封属性。但是，以下范围是示例性的，并可能在该范围之外提供期望的属性；发明人已发现如下示例性的范围使玻璃材料具有充分的期望属性。该第二玻璃材料包括大约40％至55％的量的Bi2O3，具体地42％至50％，更具体地43％至48％的Bi2O3。第二玻璃材料最小化存在的二氧化硅(SiO2)的量，但可包括多至10％的二氧化硅，具体地小于大约8％，更具体地重量比小于大约5％的二氧化硅。第一玻璃材料可基本上不含二氧化硅，但是，在由发明人形成的该示例性组成中，发明人已发现，当与上述第一玻璃材料相结合时，带有至少0.5％、具体地1％、以及更具体地至少2％二氧化硅的第二玻璃材料提供了具有作为玻璃密封的大体上期望性质的玻璃材料。该第二玻璃材料还包括重量比为大约20％至35％的B2O3，具体地重量比为21％至29％的B2O3，更具体地重量比为21％至27％的B2O3，以及更具体地重量比为21％至24％的B2O3。第二玻璃材料还包括重量比小于1％的Al2O3，具体地重量比小于0.3％的Al2O3，以及更具体地重量比小于0.1％的Al2O3。该第二玻璃材料还包括重量比为大约23％至33％的ZnO，具体地25％至30％的ZnO，更具体地重量比为26％至29％的ZnO，以及更具体地重量比为27％至28％的ZnO。上述范围以各种成分占该第二玻璃材料总重量的重量百分比给出。
[0022]当然，在该第二玻璃材料内可能以微量存在有其它成分，例如ZrO2、TiO2、和铁或Fe2O3。大致上，为应用目的，上述微量的成分可以大约为小于0.1％的重量比存在，并且非有意引入。该玻璃大体上不含诸如Pb、Hg、Cr、和Cd等成分，并且这些成分非有意引入至该第二玻璃材料。但是，尽管并非有意引入，该玻璃大体上不含的上述成分可因制造污染而存在，但该第二玻璃材料具有的小于100ppm的这些成分(Pb、Hg、Cr、和Cd)，将被考虑成大体上不含有任何这些成分。
[0023]如第一玻璃材料那样，该第二玻璃材料还可在重量百分比和所包括的成分上变化。发明人已发现，具有表2内上述给定范围内的成分的示例性第二玻璃材料，当与示例性的第一玻璃材料结合使用时，提供了期望的第二玻璃化温度和软化点。
[0024]该示例性的第二玻璃材料大致上具有大约490℃±30℃(利用差动扫描热量计进行测量)的玻璃化温度和软化点。该示例性的第二玻璃材料具有低于该第一玻璃化温度的玻璃化温度。该第一玻璃化温度和软化点的范围以及该第二玻璃化温度和软化点的范围在给出的示例性材料中会接近邻接或稍稍重叠。然而，该邻接并非必要，但玻璃化温度不应相差多于大约70℃。第二玻璃材料的颗粒尺寸大体上类似于第一玻璃材料的颗粒尺寸。在火花塞的制造中，第一玻璃材料、第二玻璃材料、以及填充剂的粉末可设置于绝缘体上的孔内。然后点燃该火花塞，使玻璃材料融合成交联结构。在由发明人利用示例的第一和第二玻璃材料所制成的示例性的玻璃密封中，该玻璃密封的交联结构所具有的玻璃组成的大约成分和重量百分比可在如下表3中找出。
表3-燃烧后结合的玻璃材料的近似交联结构化学成分
| 成分 | 交联结构(wt％) |
| SiO2 | 16.1 |
| B2O3 | 31.9 |
| Al2O3 | 14.7 |
| Bi2O3 | 15.6 |
| Na2O | 0.4 |
| K2O | 0.2 |
| Li2O | 3.6 |
| CaO | 0.2 |
| MgO | 0.05 |
| SrO | 7.4 |
| BaO | 0.2 |
| ZnO | 9.5 |
| 其它杂质 | 小于1％ |
[0025]当然，表3中的量可根据使用的第一玻璃材料和第二玻璃材料各自的量充分变化。表3中提供的目标组成仅用于示例性玻璃密封混合物中的第一和第二玻璃材料的结合，并不包括任何可能添加到玻璃密封的填充剂。
[0026]也可在玻璃密封中使用填充剂。该填充剂应当具有小于玻璃材料和陶瓷绝缘体的热膨胀系数。该填充剂大致上为结晶氧化物材料，因此不具有玻璃化温度。因此，已发现该填充剂当融合时作为单个颗粒混合入该玻璃交联结构，并且在大多数情况下在该玻璃交联结构内形成清楚可见的块状物。该优选的填充剂大致上大约具有表4中的重量百分比。该填充剂的颗粒尺寸类似于玻璃材料的颗粒尺寸。当然，填充剂可以变化，并且可使用其它具有类似属性的填充剂。
表4-填充剂属性
| 成分 | 目标(wt％) |
| SiO2 | 55 |
| Al2O3 | 32.5 |
| MgO | 12.5 |
| BaO | 2.5 |
[0027]该填充剂典型地占玻璃密封重量的10-40％，以及更具体地20-30％，以及更具体地24-26％。该填充剂包含的二氧化硅(SiO2)以占填充剂重量的50％至60％的量存在，以及更具体地占填充剂重量的53％至57％。该填充剂还可包括以30％至35％的量存在的Al2O3，以及更具体地重量比为31％至33％。典型地包括在该填充剂内的另一种成份化合物为MgO，其典型地以10％至15％的量存在，以及更具体地为填充剂重量的11％至14％。该填充剂还可包括大约多至4％的量的BaO。
[0028]该玻璃密封形成气密密封，联接线穿过该气密密封。更具体地，该玻璃密封在绝缘体和联接线之间形成气密密封，并且由非导电的材料形成，并且特别的，不包括导电密封中所熟知的导电颗粒。另外，该玻璃密封形成为单层，尽管它包括两种玻璃材料。该第一玻璃材料形成该玻璃密封重量的大约40％至55％，以及更具体地重量比为46％至48％。表5说明了所使用的不同玻璃材料的重量百分比，包括玻璃密封填充剂的重量百分比。表5还说明了该密封是否适于在绝缘体和联接线之间形成气密密封。
表5-示例性玻璃密封
| 玻璃ID | 玻璃1(wt％) | 玻璃2(wt％) | 填充剂F(wt％) | T膨胀(℃) | 点燃CTE(ppm/℃) | 膨胀@650℃ | 密封@625℃-650℃ |
| 06-GS-10 | 35.7 | 56.5 | 7.8 | 582 | 7.0 | 0.82-是 | 否 |
| 06-GS-11 | 59.7 | 23.6 | 16.7 | 607 | 6.4 | 0.98---- | 否 |
| 06-GS-12 | 42.2 | 35.8 | 22.0 | 605 | 5.4 | 1.03---- | 是 |
| 06-GS-13 | 14.0 | 55.4 | 30.7 | 602 | 4.3 | 0.89-是 | 是 |
| 06-GS-14 | 65.2 | 9.2 | 25.5 | 615 | 6.3 | 0.92-是 | 是 |
| 06-GS-15 | 54.9 | 36.2 | 8.9 | 598 | 7.4 | 1.07-否 | 否 |
| 06-GS-16 | 38.7 | 46.8 | 14.5 | 595 | 7.0 | 1.00-- | 否 |
| 06-GS-17 | 29.8 | 35.4 | 34.8 | 616 | 4.8 | 0.85-是 | 是 |
| 06-GS-18 | 50.6 | 9.1 | 40.3 | 632 | 4.4 | 0.84-是 | 是 |
| 06-GS-19 | 24.7 | 55.9 | 19.4 | 589 | 6.6 | 1.06-否 | 是 |
| 06-GS-20 | 80.3 | 9.4 | 10.4 | 613 | 7.1 | 0.90-是 | 是 |
| 06-GS-21 | 46.1 | 23.3 | 30.6 | 620 | 5.0 | 1.02--- | 是 |
| 06-GS-22 | 27.1 | 46.3 | 26.6 | 606 | 5.1 | 0.90-是 | 是 |
[0029]需要重点注意的是，发明人已生产出可在低于700℃下形成气密密封的玻璃密封。如本领域所熟知的那样，位于玻璃密封48上方的铜塞46在700℃温度以上会氧化。并且，由典型地用于联接线的材料(例如Kovar)形成的联接线在被点燃至700℃以上的温度下也会氧化。正如本领域的技术人员所知晓的那样，期望火花塞的低温点火，以防止该氧化，并且发明人并未了解到任何大体上无铅的玻璃密封或任何不是有意将铅加入该玻璃密封的任何玻璃密封，其在750℃的温度下以及更优选地700℃或更低的温度下被点燃，于联接线和绝缘体之间形成气密密封。如表5所示，对于特定玻璃成分该密封可在650℃制成，并且有时甚至在600℃制成。具有较低的点燃温度防止了氧化，并还有助于提供更好的气密密封。如表5中所使用，点火过程中，利用垂直推杆式膨胀计测量，玻璃密封材料在T膨胀温度下将会自发地膨胀。当添加填充剂时该膨胀趋于增加，而当添加较低玻璃化温度玻璃材料时趋于减小。膨胀在点火处理过程中是必要的，以完全地填充绝缘体孔。它由玻璃软化并变为流体允许由被束缚的粘土(crays)等释放气体所导致，并在该流体玻璃材料内产生压力。这可使在最终的产物中形成必要的多孔结构。可替换的方案是塌陷的，通过减小高度/增加直径来表现。这意味着该密封在处理温度下将不会完全填充空隙，并且该玻璃足够软，以扰乱该多孔结构的组成。
[0030]表5中，点燃CTE(热膨胀系数)ppm/C(或百万分率每℃)利用在小球(pellet)上的垂直推杆式膨胀计进行测量，该小球首先被点燃至密封温度，然后冷却以固化该材料，然后重新加热以测量该点燃材料的膨胀。该CET在第二次点火的加热过程中从50至300℃的温度范围测量。
[0031]在表5中，膨胀@650C指颗粒状材料的圆柱状小球利用人工液压进行压制，并在多种温度下的熔炉内在650C下加热10分钟。如果该小球的高度比直径增加较多，则该小球被判断为在该650C测试温度下是膨胀的，该温度近似于生产环境下的密封温度。
[0032]在表5中，密封@625-650指点火测试后，试验室熔炉内的火花塞在625和/或650C下持续25分钟，该部分经受静态的800psig气压10秒钟。如果经附加的压力计或差动压力计记录没有气体通过该密封泄漏，则判断该部分已被成功地密封。该结果表明了上述那些玻璃是期望/优选的。
[0033]该火花塞通过通常熟知的方法制造。外壳、接地电极22、绝缘体30、接线端40、电阻42、弹簧44、和中央电极50通常由本领域内熟知的技术形成。玻璃材料48包括该第一玻璃材料、该第二玻璃材料、和该填充剂。各第一玻璃材料、第二玻璃材料、和填充剂通常经处理以获得占支配量的期望尺寸的颗粒。然后，该第一玻璃材料、第二玻璃材料、和填充剂相结合，并湿磨处理(wet ground)，以形成浆料。然后该浆料被喷雾干燥，以粒化该颗粒。该浆料形成带有水的微滴(droplet)，然后其在加热的喷雾干燥器中气干(flash off)，从而剩留下由该第一和第二玻璃材料以及该填充剂的小颗粒所组成的球形粒状颗粒。这些颗粒较易于处理，具有减少的粉化现象，并且在陶瓷绝缘体上的孔内更易于设置。
[0034]当中央电极在绝缘体上置位后，第一和第二玻璃材料以及填充剂的颗粒添加到特定的深度，并围绕该金属联接线受压。然后导电材料添加到玻璃材料48的顶部并受压。然后，包括中央电极、玻璃材料48、和导电材料46的绝缘体被点燃，从而玻璃材料48围绕填充剂部分将第一和第二玻璃材料融合在一起。经融合的玻璃材料48连结到中央电极50以及绝缘体30。经连结的玻璃材料48与绝缘体30和中央电极50形成气密密封。
[0035]更具体地，由第一玻璃材料、第二玻璃材料、和填充剂形成的玻璃材料典型地作为上述期望的喷雾干燥粉末而被提供。该由较大颗粒组成的粉末由该较小颗粒的配料形成，将该粉末设置于火花塞中然后加热以形成密封。在加热至合适温度的过程中，玻璃粉末、斑脱土和碳酸锂，形成与表3中所列的示例性组成相近似的连续交联结构。填充剂是结晶形式的耐热材料，因此在加热处理过程中不熔化。因此它基本上保留了表4中所列出的化学组成和属性。
[0036]发明人已发现，通过应用具有以上所列属性的两种玻璃材料以及示例性的填充剂，加热后该混合物的热膨胀率是适中的，在绝缘体的热膨胀率和联接材料的热膨胀率之间。这容许了在冷却期间绝缘体玻璃和玻璃联接界面受压迫设置，并最小化了在该界面上不期望的张拉应力。通过最小化该热应力，可产生更加耐用的密封。
[0037]本发明的另一个益处是玻璃材料48在密封处理过程中能够形成多孔结构。当起始粉末(碳酸锂或斑脱土)态的材料在各玻璃粉末(第一玻璃材料和第二玻璃材料)的玻璃化温度/软化点的温度下，或者稍稍高于该温度下产生气体，从而可实现该多孔结构。由于铅化材料的气孔在密封点对温度的敏感度最低，对铅化材料而言该多孔结构容易实现，但对于无铅玻璃通常并非如此，因其对温度更加敏感。通过本发明所述的将具有不同的过渡温度/软化点的第一玻璃材料与第二玻璃材料相混合，，结合后的玻璃材料的表现近似于铅化玻璃，其允许该熔融材料限制气体，从而膨胀并填充该空隙以产生更好的密封。由此，该多孔结构提升了混合玻璃材料形成气密密封的能力。点火后，第一玻璃材料和第二玻璃材料形成坚固的填充材料，且周围带有填充材料的离散颗粒。也就是说，该坚固的玻璃材料形成第一和第二玻璃材料的连续玻璃状交联结构，并且填充剂的各个颗粒环绕该玻璃状交联结构。该玻璃材料还可包括其体积以大约10％至30％存在的小孔隙。已经发现该空隙通常不相互连通而是在该玻璃状交联结构内彼此隔离开。
[0038]因为具有不同玻璃化温度和软化点的两种不同玻璃材料对于形成类似铅化玻璃的玻璃材料是至关重要的，发明人已发现玻璃化温度点/软化点应当相差10至50℃。另外，发明人已发现，由于占最终组成的重量百分比，使用较少的具有较低的过渡温度/软化点的玻璃材料是有利的()。更具体地，在本发明中，具有较低玻璃化温度/软化点的玻璃材料通常将会比具有较高玻璃化温度/软化点的玻璃材料具有较小的重量比。尽管给出了第一玻璃材料和第二玻璃材料以及填充剂的特定原料和范围，但预期可使用宽泛范围的填充剂和玻璃材料，只要利用上述范围可产生不同的转化点，并且使用的具有较低玻璃化温度/软化点的玻璃材料其数量小于具有较高玻璃化温度/软化点的玻璃。
[0039]该填充剂主要在点火后修正了玻璃材料48热膨胀。填充剂还用于在点火后韧化该玻璃交联结构，并且还在点火过程中控制膨胀。其它商业上可获得的填充剂也可用于代替所建议的填充剂。该填充剂大致上应当具有小于或等于陶瓷绝缘体和玻璃交联结构的热膨胀。可替代的氧化物填充剂的期望属性应当包括(1)不导电，(2)热膨胀小于绝缘体主体和在玻璃密封材料中使用的玻璃，(3)尺寸小于200mesh，(4)能够与玻璃交联结构相接合，以防止分离和玻璃泄漏，(5)稠密并且大致上无孔，以防止在处理过程中气体卷吸以及在点火过程中的过度排气。潜在的材料包括但不限于氧化物玻璃、锂辉石(spodumene)、β-锂霞石(beta-eucriptyte)、高铝红柱石(mullite)、堇青石(cordierite)以及本领域技术人员熟知的类似材料。
[0040]以上讨论披露和描述了本发明示例性的实施方式。本领域的技术人员容易理解，通过上述讨论，以及通过附图和后附的权利要求，在不偏离由以下权利要求限定的本发明的适当范围和主旨的前提下，可对其进行多种改变、修正和变型。
Claims (58)
1.一种火花塞，其具有非导电的玻璃密封，该火花塞包括：
两种玻璃配方的混合物，其中各所述玻璃配方大体上是无铅的。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其中该玻璃密封大体上不含导电颗粒。
3.根据权利要求1所述的火花塞，进一步包括绝缘体和联接线，以及其中所述玻璃密封在所述绝缘体和所述联接线之间形成气密密封。
4.一种火花塞，其包括：
绝缘体；
联接线；以及
由第一玻璃粉末和第二玻璃粉末形成的玻璃密封，其中所述第一和第二玻璃粉末具有不同的成分，以及所述第一和第二玻璃粉末大体上是无铅的，以及其中所述联接线穿过所述玻璃密封延伸，并且所述玻璃密封在所述绝缘体和所述联接线之间形成气密密封。
5.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述玻璃密封是所述第一玻璃粉末和所述第二玻璃粉末的交联结构。
6.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末具有第一玻璃化温度以及所述第二玻璃粉末具有第二玻璃化温度，所述第一和第二玻璃化温度为不同的温度。
7.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末与所述第二玻璃粉末相融合或烧结。
8.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末具有大约505-535摄氏度的玻璃化温度。
9.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末具有大约每摄氏度6.2ppm的热膨胀系数，该系数为在约25-260摄氏度的温度范围内测量所得。
10.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一和第二玻璃粉末中的每一种具有的尺寸小于200Mesh(美国标准筛)的颗粒，且所述颗粒对于相应的所述第一和第二玻璃粉末中每一种的重量比大约为95％。
11.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比为大约19％至24.5％的SiO2。
12.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比为大约35％至41％的B2O3。
13.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比为大约19％至24％的Al2O3。
14.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比小于大约2％的Na2O。
15.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比小于大约0.8％的K2O。
16.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比为大约4％至7％的Li2O。
17.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比小于大约0.8％的CaO。
18.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比小于大约0.8％的BaO。
19.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括0.1％至1.3％的TiO2。
20.根据权利要求4所述的火花塞，其中该玻璃密封进一步包括无机粘土黏结剂。
21.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一和第二玻璃粉末各包括分别地小于100ppm的铅、汞、铬，以及小于70ppm的镉。
22.根据权利要求4所述的火花塞，其中当将所述玻璃粉末加热至小于750摄氏度的温度时，产生所述交联结构。
23.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述玻璃密封进一步包括重量比多达5％的斑脱土。
24.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃粉末包括重量比大约为5％至17％的SrO。
25.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末包括重量比为大约40％至55％的Bi2O3。
26.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末包括重量比小于大约10％的SiO2。
27.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末包括重量比为大约20％至35％的B2O3。
28.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末包括重量比小于1％的Al2O3。
29.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末包括重量比为大约23％至33％的ZnO。
30.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃材料具有与所述第二玻璃材料的玻璃化温度相差50摄氏度之内的转化温度。
31.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第一玻璃材料具有大于所述第二玻璃材料的玻璃化温度至少10摄氏度的转化温度。
32.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末具有大约475摄氏度至大约505摄氏度的转化温度。
33.根据权利要求4所述的火花塞，其中所述第二玻璃粉末具有大约每摄氏度6.4ppm的热膨胀系数，该系数为在约25至260摄氏度的温度范围内测量所得。
34.一种火花塞，其包括：
由第一玻璃材料和第二玻璃材料形成的玻璃密封，其中所述第一和第二玻璃材料具有不同的成分，以及其中所述第一和第二玻璃材料大体上是无铅的，并且其中所述玻璃密封在小于700摄氏度的温度下形成所述第一和第二玻璃材料的交联结构。
35.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封包括重量比大约为15％至18％的SiO2以及重量比大约为29％至33％的B2O3。
36.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封包括重量比大约为13％至16％的Al2O3以及重量比大约为13％至17％的Bi2O3。
37.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封包括重量比大约为6％至9％的SrO，重量比大约为8％至13％的ZnO，以及重量比大约为3％至4％的Li2O。
38.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封包括各小于大约1％的Na2O、K2O、CaO、MgO、和aO。
39.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封包括小于1％的杂质。
40.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封进一步包括填充剂，其具有重量比大约为50％至60％的SiO2、重量比大约为10％至15％的MgO、以及重量比小于大约5％的BaO。
41.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述填充剂包括各大约小于100ppm的铅、汞、铬、和镉。
42.根据权利要求34所述的火花塞，其中所述玻璃密封进一步包括不具有玻璃化温度的晶体填充剂。
43.根据权利要求34所述的火花塞，进一步包括绝缘体，并且其中所述玻璃密封具有大约等于或小于该绝缘体热膨胀率的热膨胀率。
44.根据权利要求34所述的火花塞，进一步包括联接线，并且其中所述玻璃密封具有大约等于或大于该联接线热膨胀率的热膨胀率。
45.一种火花塞，其包括：
由第一玻璃材料和第二玻璃材料形成的玻璃密封，所述第一玻璃材料具有第一玻璃化温度，并且所述第二玻璃材料具有第二玻璃化温度。
46.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第一玻璃化温度大约比所述第二玻璃化温度高至少10摄氏度。
47.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第一玻璃化温度大约不高于所述第二玻璃化温度50摄氏度。
48.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第一玻璃化温度大约比该第二玻璃化温度高10-50摄氏度。
49.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述玻璃密封所包括的所述第一玻璃材料重量上大于所述第二玻璃材料。
50.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述玻璃密封所包括的所述第一玻璃材料重量上至少比所述第二玻璃材料多10％。
51.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第一玻璃材料重量比大约为35％至65％，并且所述第二玻璃材料重量比大约为10％至35％。
52.根据权利要求52所述的火花塞，其中所述玻璃密封进一步包括填充剂，所述填充剂重量比大约为15％至26％。
53.根据权利要求52所述的火花塞，其中所述填充剂重量比大约为20％至23％。
54.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第一玻璃材料重量比大约为45％至55％。
55.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第二玻璃材料重量比大约为22％至30％。
56.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述第一玻璃材料重量比大约为48％至50％，并且所述第二玻璃材料重量比大约为26％至28％。
57.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述玻璃密封进一步包括碳酸锂。
58.根据权利要求45所述的火花塞，其中所述填充剂为无机填充剂，其热膨胀率大约小于或等于该第一玻璃材料或该第二玻璃材料的热膨胀率。
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