CN1056733A - 热线点火塞的带密封套的加热丝 - Google Patents

Abstract

一种适用于一热线点火塞的改进的加热元件组 合件包括：一整体的护套，该护套有一限定一盲腔的、 较薄而大体上呈环形的壁；一装在盲腔中、用于发出 热量的加热装置；以及一用于将热量从加热装置传给 护套的传热装置。加热装置有一加热丝和一陶瓷绝 缘体。加热丝被埋置在绝缘体内，以被保护而免受氧 化；绝缘体被埋置在护套内，以被保护而免受腐蚀。 护套由预选的材料制成，材料的选择和结构设计使能 降低加热元件组合件因受到热应力、氧化和/或腐蚀 而产生的损坏。

Description

本发明一般涉及热线点火塞，更具体说，涉及用于此热线点火塞的加热元件组合件。

直到最近时期，在应用于柴油内燃机方面，热线点火塞技术的发展主要是仅为满足帮助这种发动机之起动的要求。在这种使用中，柴油发动机燃烧可自动点火的燃料。

这种常规的热线点火塞，仅仅在起动的短暂时间内，由电阻加热短时激发至一预选的中等高温（例如，约900℃/1650°F）。在起动过程中转动发动机曲轴时，从喷油咀喷出的雾化燃料接触或非常靠近地通过热线点火塞，并主要是靠其表面点火而点燃燃料。由于在转动曲轴和起动阶段发动机的转速相当慢，与发动机的正常运转相比，其燃料较长时间地停留在热线点火塞附近。因此，在较冷的发动机中，即使在上述中等高温下，也能使常规的燃料点燃。一旦发动机发动，这种热线点火塞便断电，发动机仅靠燃料的自动点火而继续运转。所以，在发动机正常运转期间，断了电的热线点火塞会冷却到一较低的温度，该温度近似为发动机循环的平均温度（例如，约6750℃/1250°F）。

通常的作法是在转动和起动柴油发动机之前将常规的热线点火塞预热升高至一适中的温度。在诸如堆土机或重型卡车之类的商用车辆中，将热线点火塞预热至中等升高的温度所需的时间（通常约1至2分钟）无关紧要。但是，近些年来，柴油发动机愈来愈多地用于轻型卡车和客车，这就产生了能够在一段短得多的时间（通常可被接受的时间为约1至2秒）内将热线点火塞预热的迫切要求。因此，在近几年里，热线点火塞的技术发展集中于提供一种能够瞬时激发的热线点火塞，要求它们能在转动和起动发动机前的较短时间内被预热。

鉴于常规柴油燃料供应的缺乏和逐减，以及环境保护要求研制更干净燃烧的发动机，制造商们一直在研制能燃烧甲醛、乙醇和多种气体燃料之类的替代燃料的发动机。然而，与柴油燃料相比，这些替代燃料的十六烷值较低，所以，只靠接触被压缩的吸入空气的热量它们很难被点燃。

在开发按照柴油机循环工作但不同于常规柴油机或压缩点火发动机的受助点火发动机方面诸申请人早已一直处于领先地位，在受助点火发动机中，在发动机正常远转过程中，喷入的燃料的点火和火焰的传播主要不是靠燃料与被压缩的吸入空气的热量的接触来实现。下文中，我们将把这种具有受助点火的混合型发动机通称为柴油机循环发动机。

如1988年1月26日公布的Krauja等人的美国专利4721081和1985年10月22日公布的Bailey的美国专利4548172中所述，促进这种燃料的点火的一个方法是提供一直接插入发动机燃料室中的帮助点火装置。例如，这种帮助点火装置可包括一在发动机整个运转中被连续通电因而一直工作在很高的预选温度下的热线点火塞。例如，为了点燃上述替代燃料，所指的很高的预选温度可能为约1200℃/2192°F。

诸申请人最初曾试图在这种应用中使用常规的热线点火塞。1984年10月9日公开的Takizawa等人的美国专利4476378中概略地表示出了一种型式的常规热线点火塞。这种热线点火塞有一加热元件组合件，该组合件包括一个在一心轴上绕成一单螺旋线的金属丝加热丝，该加热丝装在一个一端封闭的护套中，该护套用耐热金属，例如不锈钢制成。护套腔内的剩余空间充满一种耐热电绝缘粉料，例如氧化镁。为了将耐热电绝缘粉料紧密压实在加热丝周围，以给加热丝以足够的支撑和对金属护套有足够有效的传热，通常护套内腔有一定锥度，以逐渐减小其内径从而便于压实粉料。加热丝的位于护套底部的那一端和金属护套相连，使金属护套成为电路的一部分。

诸申请人发现：如用商业上易得到的金属材料做成的热线点火塞护套暴露于并在发动机燃烧室中连续加热，则这种护套易受到氧化和腐蚀的损害。护套受到诸多通过燃料、润滑油、海洋水雾和/或路面盐类进入燃烧室中的杂质，如钠、硫、磷和/或钒的严重损害。金属护套被这些杂质腐蚀掉时，金属加热丝就暴露了。暴露的加热丝受到氧化和腐蚀，很快就会损坏。

于1985年3月5日公布的、Yokoi等人的美国专利4502430概要地描述了另一种型式的常规热线点火塞。在该热线点火塞中，加热元件组合件有一用钨或钼材料制成的大致弯成U形的螺旋加热丝，该加热丝埋入一四氮化三硅（Si₃N₄）做成的陶瓷绝缘体中。这种设计对于陶瓷热线点火塞的结构是有利的，这不仅因为陶瓷材料是一种电绝缘体，而且因为这种材料能被热压实，以实现从加热丝到陶瓷材料的良好传热。此外，四氮化三硅具有适宜的物理性能，诸如高强度、低热膨胀系数、高的维泊尔（Weibull）模数和高韧性，这些特性使热线点火塞端头能经受住由发动机汽缸施加的严重的热负荷和机械负荷。

该种热线点火塞结构设计，当用在一常规柴油发动机中只在发动机起动期间给加热元件组合件通电激发以实现点火时，它表现出了令人满意的寿命。但是，诸申请人发现：这种加热元件组合件当用在公路卡车的柴油机循环发动机中连续工作，以实现甲醛燃料点火时，表现出了不能令人满意的短寿命，例如约250小时。类似于上面讨论的金属护套，四氮化三硅加热元件组合件的热表面也易受到严重的氧化和诸如钠、钒、磷和/或硫等杂质的腐蚀。四氮化三硅护套被这些杂质所腐蚀，金属加热丝就暴露出来。暴露的加热丝受到氧化和腐蚀侵害，很快就损坏。

另一类型已知的热线点火塞公开于1988年11月22日公布的、Nazaki等人的美国专利4786781中。在其装置中，加热元件有一埋在一与Yokai等人的专利中的绝缘体类似的四氮化三硅绝缘体中的、大体上为U形的钨加热丝。然而，又利用一称为化学气相淀积的工艺，在该四氮化三硅绝缘体上复盖了一层高耐热腐蚀材料，例如氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）或四氮化三硅（Si₃N₄），以试图减小由燃烧气体选成的侵蚀和腐蚀。

虽然该参考文献断言道：这种涂层足以保护加热丝以及在该热线点火塞上使用的四氮化三硅包覆层能抵抗氧化和腐蚀的侵害，但诸申请人的经验是：当各种陶瓷涂层用于在高温下连续通电的热线点火塞加热元件组合件时，它们往往出现寿命问题。如果涂层较薄，由于腐蚀和侵蚀的作用，涂层很快就会从加热元件组合件上消失。另一方面，如果涂层较厚它很快会从加热元件组合件上剥落掉。诸申请人认为：这种损坏主要是由厚的涂层中产生的高得不能允许的热应力，以及涂层与绝缘体结合得不够牢而引起的。

本发明着力于克服上述一或多个问题。

本发明的一个方面，公开了一适用于热线点火塞的改进的加热元件组合件，该加热元件组合件包括一整体的护套、一用于发出热量的加热装置、以及一用于将热量从加热装置传到护套的传热装置。该护套有一相当薄的、大体为环形的壁，该壁有一限定了一盲腔的封闭端部。该加热装置包括一密封在一陶瓷绝缘体中的加热丝。该加热装置装在盲腔内并适于连接于一电源。

这种改进的加热元件组合件可用于实现在各类燃烧室中燃烧的燃料的点火。例如，该改进的加热元件组合件尤其适用于柴油机循环发动机，这种发动机（ⅰ）通常使用低十六烷燃料;或（ⅱ）压缩比相当低;或（ⅲ）能在冷态或产生勉强自动点火的状态下运转较长时间。在上述每一例子中，燃料的自动点火都是勉强的。为了达到有效的发动机性能，所提出的加热元件组合件可于帮助燃料点火，并且能被连续地或长时间地通电。所提出的加热元件组合件也能用于其他的燃烧用途，例如为了初始点火或为了帮助点火或燃烧而需要一种较耐用的表面点火加热元件的工业炉。

图1是本发明之第一实施例的示意剖视图;

图2是一类似于图1的示意图，它表示了本发明之第二实施例;

图3是在一组装阶段中图2的加热装置的一端部的放大示意图;

图4是在一组装阶段中图2的加热装置的另一端部的放大示意图;

图5是一类似于图2的示意图，它表示了本发明的第三实施例。

在图1至4中，各图中的相同的标注数字表示相同的元件或结构特点。尽管本发明的可靠的、温度很高的加热元件组合件有许多其他用途，促使本发明的技术发展的主要用途一直是用在柴油机循环发动机的整个或大部分正常运转过程中连续地实现或帮助燃料点火。出于具体说明的目的，说明书将集中于这一用途上展开。

图1中示出了一改进的加热元件组合件10的第一实施例，它适于连接于一通电加热热线点火塞（未画出）。加热元件组合件10包括最好一对适于连接于一电源的较大直径的引线18、20。该加热元件组合件10最好用受让人的待批美国专利申请（于1989年7月28日申请，申请号为07/386064）中所揭示的一套箍以一种压配合密封地连接于一热线点火塞的本体。或者，该加热元件组合件10也用铜焊或另一种常规的紧固工艺密封地连接于热线点火塞本体。本发明具体涉及加热元件组合件本身，下面的讨论将集中于几个实施例和它们的制造方法。

如图1所示，加热元件组合件10包括一耐高温、耐腐蚀且基本上不透气的陶瓷护套24，护套24内装有可发出热量的加热装置或器件26，和一将热量从加热装置26传到护套24的传热装置28。

护套24本身是中空的，它有一相当薄的大体为环形的壁30。该环形壁30有一开口端部31和一与之相对的、收拢起来限定了一护套24之盲腔34的封闭端部32。该环形壁30有一内圆周表面36和一外圆周表面38，两者基本上没有气体会流过的孔隙。内、外圆周表面36、38最好是圆柱形的、基本上光滑的，并在封闭端部32处逐渐形成圆头，以便基本上无应力集中现象。该环形壁30有一在内、外圆周表面36，38之间横向的延伸厚度，该厚度最好沿着护套24的长度大体上是均匀的。

该护套24是由一种仔细选择的材料制成的一整体（即单一）件。护套24的适用材料是按照一新设计方法（methodology）选择的，这种方法在热线点火塞的现有技术中未传授过。

护套24的主要功能是保护加热装置26免遭发动机燃烧室中的腐蚀性气体的侵害。为帮助实现此功能，该护套24必须能够在连续加热至一预选的很高温度（例如约1200℃/2192°F）下抵抗腐蚀性气体的侵害。诸申请人在试图用常规的热线点火塞帮助十六烷值相当低的燃料在柴油机循环发动机内点火之后，他们认识到需要更加耐用的热线点火塞。在试图使用Yokoi的专利中所示的那种四氮化三硅热线点火塞时，发现：被氧化的硅部分和生成的二氧化硅与燃烧室中的杂质反应而形成了较低熔点的化合物。例如二氧化硅与钠杂质反应生成硅化钠。硅化钠形成气泡后熔化或破碎掉。这一过程腐蚀掉了四氮化三硅，并将加热丝暴露于氧化和/或其他形式的腐蚀，最终使电路断掉了。

诸申请人从有关燃气轮机部件的公开文献中发现：当各部件是由四氮化三硅制成，并要求在高温下长时间运转时，有一种类似的腐蚀过程得到证实。公开的文献还揭示了一种腐蚀试验方法，其中试验时四氮化三硅试件被浸在熔融的硫酸钠中。

诸申请人用多个常规的四氮化三硅热线点火塞加热元件组合件进行了这种腐蚀试验，并观察到：腐蚀的物质类似于在一发动机燃烧室中实际工作的这类热线点火塞所经受的腐蚀情况。诸申请人确信：在内燃发动机中侵蚀常规陶瓷热线点火塞的腐蚀过程是由发动机运转过程中存在于燃烧室内的钠和其它杂质引起的。

诸申请人用下面的腐蚀试验评价了各种候选的陶瓷材料。将各陶瓷样件称重量，然后浸没在约1200℃/2192°F高温的熔融的硫酸钠（Na₂SO₄）中保持100小时。用一铂坩锅盛装这些材料。硫酸钠与陶瓷材料的重量比为20∶1。后来，硫酸钠被溶解了。然后将干燥后的陶瓷材料再称重量，并计算重量损失。下表给出了各种材料的腐蚀试验结果：

陶瓷材料  时间（小时）  重量损失%

四氮化三硅[Si₃N₄] ＜25 100

硅铝陶瓷（Sialon）[SiALON]  ＜25  100

氧化铝[Al₂O₃] 100 无

苯碳化硅须晶的氧化铝  100  无

[SiC_w-Al₂O₃]

富铝红柱石[3Al₂O₃2SiO₂] 100 无

堇青石[硅铝酸镁]  25  无

钛酸铝[Al₂TiO₅] 25 无

氧化铍[B_oO] 100 无

上述结果表明：氧化物的陶瓷几乎不受腐蚀试验的影响，而氮化物和氮氧化物族的陶瓷被严重地腐蚀掉了。诸申请人相信：可能有许多上面没有列出的其他氧化物陶瓷也能通过这种腐蚀试验。

一种适宜的护套材料也必须基本上没有透气性。这种特性对于有助于确保护套24有效地封住加热装置26免于接触到存在于运转的发动机的燃烧室中的腐蚀性气体是十分重要的。最好是，护套24的渗透率是在原子扩散系数的数量级上（例如，气体渗透系数为约0.0000001达西）。

最后，候选材料必须具有这些特性，即能确保它们不会由于热应力和/或机械应力而损坏。热量必须经过护套24的环形壁30向外流出，其流动速率应能补偿加热元件组合件10的热损失（通过向热线点火塞本体的传导，辐射和对流），并能将外圆周表面38的温度升至一预选的很高的温度（例如，约1200℃/2192°F）。

热流量一般定义为热能经过一给定的表面积的传递速率。通过护套24的环形壁30的热流量使内圆周表面36的温度高于外圆周表面38的温度。两表面之间的这一温差的作用，结合热膨胀系数和杨氏模量或刚度，使加热元件组合件10的外圆周表面38产生一个拉应力。

诸申请人已得出结论：在工作条件下，护套24中的最大允许平均热应力不应超过护套材料的断裂模数（9也称为四点弯曲强度）的某一预选量。下式是为预估抵抗由热应力引起的损坏的强度而建立的：

σ＝ (（α）（E）（t）（Q/A）)/(K) ＝（f）（MOR）

式中

σ＝最大平均热应力（兆帕）;

α＝护套24的热膨胀系数（毫米/毫米℃）;

E＝护套24的弹性模量（兆帕）;

t＝护套24环形壁30的、沿热流方向上的厚度（毫米）;

Q/A＝通过护套24的环形壁30的热流量（瓦/毫米²）;

K＝护套24的传热率（瓦/毫米℃）;

f＝预选的系数;以及

MOR＝护套24的断裂模数或四点弯曲强度（兆帕）。

可用一个二维有限元模型计算机程序来确定护套24中的温度梯度，以及确定那些温度梯度引起的热应力。这样的模型化计算表明：为了使热应力减少到一满意的低值，环形壁30的厚度t应尽可能做得薄。这样，将上式变换一下可求出t：

t＝ (（f）（MOR）（K）)/(（α）（E）（Q/A）)

为了对一种给定的材料解此等式，要选取预选系素f和热流量的定量值，并将它们代入这一等式中。系素f有效地表示了抵抗热应力造成的损坏的安全裕度。f值可选取为大于0而等于或小于1。例如，若f等于1，则无安全裕度。为使在稳态工作条件下有足够的安全裕度，f可选取为约0.5。但是，由于存在瞬变状态，f最好选择为一较保守的数值，即小于约0.5（例如，f等于约0.25）。

下面的几个实例中，f选为0.25，Q/A选为0.371瓦/毫米²。应注意到：从所关心的运转条件下获得材料特性数据是最理想的。这样，在这些可用数据范围内，可得出在约1200℃/2192°F的这一典型工作温度下每个实例中的护套的材料特性。另一方面，一些实例包含了诸材料特性，而在典型工作温度下可用的数据。如果能正确地推断典型工作温度下的结果，这些实例中的数据和结果应仔细考虑确定。

例1

材料：四氮化三硅[Si₃N₄]

（Kyocera  SN  220M）

E：在1200℃时为270400兆帕

α：在1200℃时为0.0000036毫米/毫米℃

K：在1200℃时为0.0153瓦/毫米℃

MOR：在1200℃时为400兆帕

t：4.24毫米

例2

材料：硅铝陶瓷[SiALON]

E：在20℃时为300，000兆帕

α：在1000℃时为0.00000304瓦/毫米℃

K：在20℃时为0.0213瓦/毫米℃

MOR：在1200℃时为400兆帕

t：6.30毫米

例3

材料：氧化铝[Al₂O₃]

E：在1200℃时为268，000兆帕

α：在1200℃时为0.0000085毫米/毫米℃

K：在1200℃时为0.006瓦/毫米℃

MOR：在1200℃时为20兆帕

t：0.035毫米

例4

材料：带有10%碳化硅须晶的氧化铝[SiC_w-Al₂O₃]

E：在1200℃时为170，000兆帕

α：在1200℃时为0.000007毫米/毫米℃

K：在1200℃时为0.0065瓦/毫米℃

MOR：在1200℃时为178兆帕

t：0.65毫米

例5

材料：烧结富铝红柱石[3Al₂O₃2SiO₂]

E：在1200℃时为100，000兆帕

α：在1200℃时为0.000005毫米/毫米℃

K：在1200℃时为0.004瓦/毫米℃

MOR：在1200℃时为150兆帕

t：0.81毫米

例6

材料：堇青石[硅铝酸镁]

E：在20℃时为61，000兆帕

α：在1200℃时为0.0000028毫米/毫米℃

K：在20℃时为0.007瓦/毫米℃

MOR：在20℃时为55兆帕

t：0.15毫米

例7

材料：钛酸铝[Al₂TiO₅]

E：在1000℃时为20，000兆帕

α：在1200℃时为0.00000153毫米/毫米℃

K：在1200℃时为0.00209瓦/毫米℃

MOR.在1200℃时为120兆帕

t：0.55毫米

例8

材料：氧化铍[BeO]

E：在20℃时为344，740兆帕

α：在1200℃时为0.00001017毫米/毫米℃

K：在1200℃时为0.0178瓦/毫米℃

MOR：在20℃时为207兆帕

t：0.71毫米

要强调的是;诸陶瓷材料是脆性的，因此，护套的任一部分的应力都不可超过该部位的材料强度。换言之，这些材料是不能伸让的，不会象金属那样出现屈服而减小局部应力。而是，一旦应力超过，护套就会因外套将被断裂而损坏。还注意到：整个陶瓷护套上各处的强度实际上是不同的。因此，陶瓷护套24的结构设计要求使用维泊尔模数之类的统计数据，并且以失效概率表示可靠性和耐久性。尽管上面后一个等式为设计人员提供了一种工具，利用这一工具设计人员可以评价其它已被发现通过了诸申请人推荐的腐蚀试验和不透气标准的候选材料，但是精确的设计将要求使用诸如有限元分析的先进分析工具，以在加热元件组合件的温度和失效概率方面获得足够的信心。上述等式也可用于评估用作护套24的非陶瓷材料。

上述后一等式可用来在各材料特性之间进行权衡。例如，普通的氧化铝（Al₂O₃）是本申请人想用作护套材料之首选陶瓷材料之一，因为它表现出优良的耐腐触性。但是，诸申请人发现：用这一材料制成的首制陶瓷护套在一发动机试验中只经几小时的工作就破裂了。上述例3也表明：普通的氧化铝，在其承受热应力的能力方面，不是一种适用的材料。在将普通氧化铝的材料特性值代入上面后一等式时，所得出的护套环形壁30的最大允许厚度t太薄以致于难以制造，且难以承受热线点火塞在发动机燃烧室中通常经承的机械负荷。

例4表明：添加的硅纤维须晶如何改进了氧化铝的热应力特性。这种称为碳化硅须晶增强氧化铝（SiC_w-Al₂O₃）的相当新的合成陶瓷，是由Acro化学公司开发并主要用于刀具头的。添加了须晶后，大大地改善了这种陶瓷的耐热冲击性，从而改变了其材料特性。计算的最大允许厚度t也表明：若该材料制成为实心的一块，类似于Yokoi专利中所示的加热丝的氮化硅绝缘体，它将不具备足以承受发动机燃烧室中的条件的热和机械特性。

在目前，碳化硅须晶增强氧化铝是诸申请人认为最可取的、用于护套24的材料，这已在台架和发动机试验中得到了成功的证明。例如，诸申请人已成功地制成并试验了用这种材料的、筒壁厚度为约0.5毫米/0.02英寸的护套24。这一筒壁厚度是保守地选取的，它小于例4中给定的上限值0.65毫米/0.03英寸，这是为了增大抵抗因热应力产生的损坏的安全因数。另一方面，这一环形壁厚足以允许将护套24制成一整体件。该环形壁厚也能提供足够的强度，以便于将护套24组装到热线点火塞本体上，并且也能承受护套24在发动机燃烧室中经受的机械负荷。护套24的这种合成材料含有约5%～40%体积的碳化硅须晶和约65%～90%体积的氧化铝。碳化硅须晶均是单晶体，其长度约为5-200微米，直径约0.1-3微米。

实例7揭示：从承受热应力的观点出发，钛酸铝（Al₂T_iO₅）是一种有希望的材料。然而，由于这种材料实质上不是不透气的（即它的多孔性简直允许腐蚀性燃烧气体穿过护套而侵害加热装置26），而且还因其材料性质在高温下变得不稳定，因此认为不适用于这种用途。

利用对碳化硅须晶、氧化铝粉末、水和有机粘结剂的一种混合物进行压制、粉浆浇铸、喷射铸造或挤压，就可成型出整体的护套24。为了将护套24做成基本上无孔的，再通过烧结、热压或高温等静压压制来使它致密（通常压实到大于其理论密度的95%）。如有必要，利用机械加工加工出其最终的外圆周面38的内径及其基本上光滑的外表面、盲腔34的内径及其基本上光滑的内表面、闭合端部32的球面轮廓以及盲腔34的开口端部31处的倒角。

其它的各氧化物陶瓷材料也具有可以接受的低的失效概率。富铝红柱石不如氧化铝强硬，但其热膨胀系数和弹性模量较小，这样它在一给定的护套环形壁30壁厚t时的计算热应力就较小。另外，也可将碳化硅须晶加到富铝红柱石基质中以提高合成物的强度。氧化铍是另一种强度相当低的材料，但其传热率及断裂模数相当高，故总起来说它还是一种有希望的材料。钛酸铪和堇青石的强度均较低，但这可由它们各自极低的膨胀系数来弥补。四氮化三硅、硅铝陶瓷材料（Sialon）和碳化硅具有较低的计算应力，但这些材料耐腐蚀性能差，故不适于做护套24的材料。

还有许多其它的陶瓷材料（大多是氧化物陶瓷材料）是适于制作护套24的候选材料。这些适用材料包括普通的氧化铝、氧化钛、氧化钇、钠磷酸锆（Sodium  zirconium  phosphate）和三氧化二铬致密化的氧化铝（Chronium  oxide  densified  aluminum  oxide）。制造三氧化二铬致密化的氧化铝的工艺过程公开于Church等人的、公布于1976.5.11的美国专利（专利号3956531）中。如有必要，这些材料可用从氧化物、碳化物、氮化物和硼化物，诸如氧化锆、碳化硅、四氮化三硅和硼化钛等这一组中选取的颗粒或须晶状的陶瓷材料予以增强。

加强装置26的功能是提供将护套24的外圆周表面38的温度保持在一预定的很高温度（例如约1200℃/2192°F）所需的能量。提供该能量的速率应能补偿由于对流、辐射和对热线点火塞本体的传导造成的护套24的能量损失。加热装置24应选择得其在热膨胀和/或冷收缩过程中不会对护套24施加相当大的应力。但是，由于加热装置26被护套24所覆盖，所以适用于加热装置26的材料不必是耐腐蚀的。

图1表示了加热元件组合件10的第一实施例，其中的加热装置26包括一整体的不导电绝缘体40和一加热丝42。

绝缘体40最好取为大体上呈圆筒形状，它包括一心轴44和一内套46。该心轴44有一绕其外圆周面形成的螺旋槽48和一沿其纵轴线延伸的中心孔49。槽48可设计成一最好有二或多个螺距的单螺旋线。

加热丝42最好由一整根单股电线形成，该电线由一种耐高温电阻发热材料，诸如钼、镍铬合金、镍铝合金、铬镍合金、铂、钨或类似的贵金属、钽、铑、二硅化钼、铼，或铂铑合金制成。在图1的实施例中，加热丝42的一部分位于心轴44的螺旋槽48中，从而构成一单螺旋线。螺旋线的与护套24的封闭端部32邻近的那一端的螺距最好比螺旋线的与护套24的开口端部31邻近的那一端的螺距小一些（即每单位轴向长度上的圈数更多）。加热丝42的另一部分相对来说是直的，它穿过心轴44的中心孔49，而与加热丝42的螺旋状绕线径向地间隔开。或者，加热丝42可按照其它已知的形式，例如双螺旋线形式布置这也不脱离本发明。

最好是，加热丝42的每一端连接于相应的导线18，20。导线18，20互相间隔开，每根导线的一部分埋于绝缘体40中。导线18，20伸出绝缘体40并穿过护套24的开口端部31。每根导线18，20最好是用钨制成，且其横截面直径要显著地大于加热丝42的横截面直径。

加热装置26和护套所用的材料应选择得使加热装置26的热胀和冷缩与护套24的热胀和冷缩相一致。护套24与绝缘体40之间的这种热相容性可以确保绝缘体40不会在热胀和冷缩过程中由于要胀开护套24的约束而使护套内产生机械应力。

绝缘体40最好是由几种陶瓷材料，诸如四氮化三硅、硅铝陶瓷（SiALON），或氮化铝（AIN）中的任一种制成，且可包括一种致密化辅助料，如氧化镁。适用于绝缘体40的材料应是不导电的、导热的和高度抗热应力的。这种材料也应能被成形为一整体埋置并气密地封住加热丝42，以免其受氧化作用。如前所述，还须考虑所希望的热膨胀以及导热性，以求与加热元件组合件10的其余部分相一致。例如，当护套24是用以氧化铝为基质的陶瓷材料，例如碳化硅须晶增强的氧化铝（SiC_w-Al₂O₃）制成时，绝缘体40可用四氮化三硅作材料。

加热丝42、绝缘体40和导线18，20的一部分构成的小组件装在护套24的盲腔34中，且与内圆周面36大体上同心地间隔开。

传热装置28置于加热装置26与护套24的内圆周表面36之间。该传热装置28有两个主要功能。其一是在护套24的盲腔34中支撑加热装置26;其二是作为一将热量有效地从加热装置26传递到护套24之内圆周表面36的装置。这种传到护套24的热量继而通过护套24的环形壁30，使外圆周表面38保持在一很高的预定温度。

在图1中，传热装置28包括填料62。该填料62置于护套24的盲腔34中，并完全填满了加热装置26与护套24之间的剩余空间。该填料62由传热材料组成，它适用于当加热元件组合件10被通电时将加热丝42产生的热量很容易地传给护套24的外圆周表面38。该填料62最好是一种由铝酸钙和蒸馏水组成的温凝水泥。可换用其它的填料，包括硅酸锆水泥、氧化铝粉、氧化镁粉，或任何一种上述材料再加上（约5%～40%的体积）碳化硅、铂、或钼颗粒，以制成传热性更好的填料。

图2-4表示了加热元件组合件10'的第二实施例。除了加热装置26'的结构及其组成不同外，该加热元件组合件10'与图1所示的加热元件组合件10相似。在该实施例中，加热丝42'是一总的来说呈U形的、波浪或波纹状的一整根金属丝。总的呈U形的加热丝42'包括相隔开的两臂50，52和一连接部分53。此外，绝缘体40'最初由多个陶瓷块组成，它包括一中间块或分隔块54和一对外侧块56，58。最好是，这三种块54，56，58是各自单独这样成形的，即当将它们组装在一起时，总起来组成一圆柱形。

现在来简要叙述几种制造改进的加热元件组合件10，10'的方法及其操作。

在图1的第一实施例中，心轴44最好用喷射注模法成型。在模注过程中，围绕心轴44的外周形成了螺旋槽48，相当小的中心孔49是由一根销子成形的，在找开模子前将该销子抽出就行了。此外，在心轴44的外周表面上且在连接导线18，20的那一端，形成一对相对隔开的轴向狭槽。其中一狭槽连接于一沿径向内与中心孔49相交的通道。

加热丝42的一端通过例如缠绕、焊接或模锻与导线18相连。然后加热丝42的自由端穿过中心孔49，直至穿到导线20所在的与中心孔49相交的狭槽中，然后将导线20以同样的方法连接于加热丝42的另一端。再将加热丝42绕心轴44缠绕，使螺旋绕嵌入模制的螺旋槽48中。再使导线18卡住在第二轴向狭槽中而到位。然后，将事先已喷射模注好但尚未焙烧的内套46滑装到上述小组合件上，且使每根导线18，20的一部分伸出其外。然后，将最好用钽或其它耐高温延性材料做成的暂时性罩暂时套装到上述组合件上，且使暂时性罩伸展到超过导线18，20的自由端。该暂时性罩可沿轴向做成有槽或波纹以提供径向/切向的弹性，并向下压折成超出导线18，20的自由端的一扁平平面。刚才所述的压折类似于一饮料吸饮管的弯折端。

接着，将这一组合件加热以驱赶掉有机粘结剂（如果有的话），再将暂时性罩的这一端用一夹子或其它器件气密地封住。再将该组合件置于一等压热压机（HIP）的高压釜中，然后使釜中温度和压力分别升至约1371℃/2500°F和约20690千帕/3000磅/平方英寸。在如此高温和高压下将此组合件在釜中保持约一小时。随后将此组合件从釜中取出，并打开暂时性罩，取出经等热压处理的组件（包括导线18，20;绝缘体40;以及加热丝42）。

通过适当控制把护套24的相当薄壁的整体结构加工成与加热装置26分离的最后形状。护套24的相当光滑而简单的形状实际上是没有应力集中区域的，而且是用如粉浆浇铸、热压、喷射模注，或有选择地机加工实心棒料相当容易选出来。

把约250目的的铝酸钙水泥和蒸馏水和成一种稀泥状的混合物就调成了填料62。每克铝酸钙加上约两毫升蒸馏水，可使调成的湿水泥的稠度为最佳。将此湿粘结剂灌入一注射器，并排出喷射器中的剩余空气。把注射器的注咀向下插入到护套24的空腔34的底部，将湿的铝酸钙水泥注入，直到充满护套24的盲腔34。

现在，将加热装置26（在图1中，它是由绝缘体40、被埋置的加热丝42和导线18，20的被埋置部分构成的小组合件）插入到护套24的盲腔34中。应在填料水泥干燥和固化前，将该加热装置26立即全部推入盲腔34中。再对加热元件组合件10做X射线捡验，以确认加热装置26插到靠近盲腔34的底，以及由导线18，20和加热丝42构成的电路中无短路或断路发生。然后，将此加热元件组合件10置放在一湿润环境中过夜以使填料固化。将该加热元件组合件10置于一保湿箱内就可做到这一点。固化后，将该加热元件组合件10放在例如一烘箱内干燥，以除去湿气。

现在讨论如图2-4所示的加热元件组合10'的第二实施例的组装方法。如图3和4所述，将总的呈U形的加热丝42'的两波浪形臂50，52置于中间块54的两个相面对的表面上。在这一制造步骤上，中间块54以及外侧块56，58均处于其生坯或未焙烧状态。将外侧板56，58置于和中间块54的两侧面相对的位置，将加热丝42'的每个臂50，52夹置在它们之间。在这一组装步骤上，如图3和4所示，组成绝缘体40的三个块总起来近似呈圆柱体形状。在一对加热模64，66之间，绝缘体40′中的有机粘结剂被烧掉，加热装置26'被热压在一暂时性罩中。然后，将加热装置26置于护套24中，且用类似于图1的实施例中的填料62予以灌封。

或者，如图5所示，不用图2中的填料62，而对未焙烧的护套24实行等热压（HIP）工艺过程。在套上暂时性罩和开始等热压工艺之前，将处于未焙烧状态的护套24直接滑套到由40′、40″、54、56和58构成的分组件上。在这一情况中，最终两护套24与加热装置26″之间形成的直接表面接触，用作传热装置28。

在图1所示的加热元件组合件10的工作中，电流从导线8流入，通过加热丝42，并通过导线20流出。直径相对较小的加热丝42的电阻，比电路中任何其它部位的电阻都大，所以，它发热。这一热量很容易通过填料62传递到护套24的外圆周表面28，以便帮助点燃不易自动点火的燃料。

与已知的平面形加热丝相比，加热丝42在护套24内是周向对称设置的，这样就使热量（由加热丝42产生）能更均匀或更周向对称地分布在护套24的外圆周表面28上。螺距较小的螺旋状加热丝42使热线点火塞10产生的热量集中在加热元件组合件10的自由端部分。加热丝42螺距较大的绕线则可使热线点火塞本体中的较直的导线与螺距较小的加热绕线之间有相当平缓的温度过渡。这样的过渡可以确保沿加热元件组合件10的纵轴线不会有过陡的温度梯度。

由一种仔细选择的陶瓷材料制成的护套提供了改进的抗腐蚀和抗氧化性能，例如，与四氮化三硅为基质的材料相比，使用以氧化铝为基质的陶瓷材料抗钠腐蚀能力，可提高1至2个数量级。此外，耐热冲击能力和强度也由于加入颗粒材料而增强了各陶瓷材料而得到了改善。诸申请人的设计方法对于筛选和选择用作护套24的适用材料是有利的。

这种改进的加热元件组合件可用于例如在一运转的内燃发动机中连续通电的热线点火塞中，以确保点燃十六烷值较低的燃料。这种设计有助于保护在十分恶劣环境中工作的热线点火塞加热元件组合件，使它们能比过去已知的热线点火塞加热元件组合件工作更长时间。这种改进的加热元件组合件还可用于其它燃烧用途，例如用在为了初始点火或促进燃料燃烧而需使用一种较耐用的表面点火元件的各种工业炉中。

研究附图、所作的说明以及所附的权利要求书，将能了解本发明的其它各方面、目的和优点。

Claims (15)

1、一种适用于一热线点火塞的加热元件组合件包括：

一整体的耐高温耐腐蚀基本上不透气体的陶瓷护套，所述护套有一相当薄且大体上呈环形的壁，该壁有一开口端部和一形成一盲腔的封闭端部；

一发出热量的加热装置，所述加热装置装在护套的盲腔中并适于连接于一电源，所述加热装置包括一电阻加热丝和一整体的陶瓷绝缘体，所述加热丝气密地封于绝缘体中；以及

一传热量装置，用于将热量从加热装置传给护套。

2、如经利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，护套和加热装置的材料特性及结构都选择得能防止护套和加热装置中的最大热应力和机械应力过制成护套和加热装置之材料各自最小强度。

3、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述护套的环形壁具有一由下面的关系式给定的最大许可壁厚（t_最大）：

t_最大＝ (（f）（MOR）（K）)/(（α）（E）（Q/A）)

式中

t_最大＝外套环形壁沿热流方向的最大允许厚度;

f＝预选的系数，大于0并等于或小于1;

MOR＝护套的断裂模数;

K＝护套的导热率;

α＝护套的热膨胀系数;

E＝护套的弹性模量;以及

Q/A＝热流量。

4、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述护套基本上由一种氧化物陶瓷材料制成。

5、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述护套基本上由一种合成的氧化物陶瓷材料制成。

6、如权利要求5所述的加热元件组合件，其特征在于，所述护套是用从氧化物、碳化物、氮化物和硼化物这一组中选出的颗粒状陶瓷材料增强的。

7、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述护套基本上由一种从增强的氧化铝、氧化铍、氧化钛、氧化钇、富铝红柱石、钠磷酸锆（Sodium  zirconium  phosphate）和三氧化二铬致密化的氧化铝（Chronium  oxide  densified  aluminum  oxide）这一组中选出的陶瓷材料制成。

8、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述加热丝由一种从钼、镍铬合金、镍铝合金、铬镍合金、铂、钨、钽、铑、二硅化钼、铼和铂铑合金这一组中选出的导电耐高温材料制成。

9、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述加热丝是一有两个端头的一整根单股金属线，所述加热元件组合件还包括一对电导线，每根所述导线分别连接于加热丝的一端，并部分埋置于绝缘体中，所述导线端头伸出护套的开口端之外。

10、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述绝缘体基本上由一种陶瓷制成。

11、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述绝缘体基本上由一种从四氮化三硅（Si₃N₄）、硅铝陶瓷材料/（SiAlON）和氮化铝（AIN）这一组中选出的陶瓷制成。

12、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述传热装置包括一置于加热装置与护套之间的盲腔中的耐高温导热填料。

13、如权利要求1所述的加热元件组合件，其特征在于，所述护套有一形成盲腔并直接与绝缘体接触的内圆周表面。

14、一种适用于一热线点火塞的加热元件组合件包括：

一大体上为圆筒形的、整体的、耐高温耐腐蚀的、基本上不透气的陶瓷护套，所述护套有一相当薄且大体上光滑的环形壁，该壁有一封闭端部从而形成一盲腔;

一用于发出热量的加热装置，所述加热装置设置在护套的盲腔中并适于连接一电源，所述加热装置包括一由一气密地封于一非氧化物陶瓷绝缘体中的一整根导线构成的加热丝;以及

一传热装置，用于当热线点火塞加热元件组合件被通电时，将热量从加热装置传给护套。

15、一种适用于一热线点火塞的加热元件组合件包括：

一整体的耐高温耐腐蚀的、基本上不透气的护套，所述外套包括一相当薄的和大体上为环形的壁，该壁有一封闭端部从而形成一盲腔，所述护套的环形壁有一由下面的关系式给定的最大允许壁厚（t_最大），该壁厚

t_最大＝ (（f）（MOR）（K）)/(（α）（E）（Q/A）)

式中

t_最大＝护套环形壁沿热流方向的最大允许厚度;

f＝预选的系数，大于0并等于或小于1;

MOR＝护套的断裂模数;

K＝护套的导热率;

α＝护套的热膨胀系数;

E＝护套的弹性模量;以及

Q/A＝热流量;

一用于发出热量的加热装置，所述加热装置设置在护套的盲腔中并适于连接于一电源，所述加热装置包括一气密地封在一陶瓷绝缘体内的加热丝;以及一传热装置，用于将热量从加热装置传给护套。

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