具有改進的密封的火花塞的製作方法
2023-05-29 14:47:21
本專利申請要求2014年8月10日提交的、序列號為60/035,453的美國臨時專利申請和2015年8月10日提交的、序列號為14/822,159的美國實用專利申請的權益，這些專利申請的所有公開內容在此通過引用而併入本文。發明背景1.
技術領域：
本發明主要涉及用於點火裝置的玻璃密封，更具體地，涉及包括玻璃密封的火花塞及其形成方法。2.相關技術玻璃密封常常被用來形成點火裝置(例如火花塞)的導電部件(諸如中心電極)與絕緣體之間的密封結合。典型地通過把玻璃粉放置在絕緣體的孔中，然後隨後把絕緣體、中心電極和玻璃粉一起在爐子中烘烤，從而形成火花塞的玻璃密封。該熱量也使得玻璃密封的某些成分膨脹，因此形成絕緣體與中心電極之間的密封結合。然而，隨著中心電極與絕緣體之間的玻璃粉熔化和膨脹，形成了氣泡或氣孔，即使當玻璃密封冷卻到室溫，那些氣泡或氣孔仍留在完成的火花塞的玻璃密封中。因此，當火花塞在內燃機中使用和受到高電場時，電場使得包含在氣泡或氣孔中的氣體電離並形成電暈。電離的氣體產成級聯的電離電荷，其把熱量傳送到周圍的固態絕緣體。熱擊穿機制出現，這會造成介質擊穿。特別斷言當氣泡或氣孔很大時由氣體造成的這種介質擊穿的影響，在這種情形下，會發生絕緣體的介質失效。通過絕緣體到膨脹的玻璃密封的介質穿透可能會導致火花塞失效。技術實現要素：本發明的一個方面提供導電率為9x106S/m到65x106S/m的導電玻璃密封，用於提供火花塞的導電部件與絕緣體之間的密封結合。基於玻璃密封的總重量，玻璃密封包括總量為50.0到85.0重量百分比(wt.％)的至少一種玻璃，以及含量為15.0到50.0wt.％的導電金屬粒子。基於玻璃密封的總體積，玻璃密封還包括含量為25.0到75.0體積百分比(vol.％)的充氣孔。本發明的另一方面提供一種火花塞，所述火花塞包括圍繞導電部件的絕緣體，以及提供導電部件與絕緣體之間的密封結合的導電玻璃密封。基於玻璃密封的總重量，所述玻璃密封包括總量為50.0到85.0wt.％的至少一種玻璃，以及總量為15.0到50.0wt.％的導電金屬粒子。導電玻璃密封的導電率從9x106S/m到65x106S/m。基於玻璃密封的總體積，玻璃密封還包括總量為25.0到75.0vol.％的充氣孔。本發明的再一個方面提供製造用於提供火花塞的導電部件與絕緣體之間的密封結合的導電玻璃密封的方法。該方法包括提供一種混合物，基於混合物的總重量，該混合物包括總量為48.8到85.0wt.％的至少一種玻璃粉、含量為0.1到3.0wt.％的粘合劑、含量為0.1到1.0wt.％的膨脹劑，以及含量為14.8到50.0wt.％的導電金屬粒子；並且烘烤所述混合物以形成玻璃密封，其中玻璃密封的導電率從9x106S/m到65x106S/m。本發明的另一個方面提供一種製造火花塞的方法，所述火花塞包括提供導電部件與絕緣體之間的密封結合的導電玻璃密封。該方法包括把混合物置於導電部件與絕緣體之間，其中基於混合物的總重量，混合物包括總量為48.8到85.0wt.％的至少一種玻璃粉、含量為0.1到3.0wt.％的粘合劑、含量為0.1到1.0wt.％的膨脹劑，以及含量為14.8到50.0wt.％的導電金屬粒子。所述方法還包括烘烤所述混合物以形成玻璃密封，其中玻璃密封的導電率從9x106S/m.到65x106S/m。導電粒子圍繞在烘烤玻璃密封期間形成的充氣孔。當火花塞在內燃機中使用並受到高電場時，導電粒子消除越過氣孔的電場。因此，消除了會造成穿過火花塞的絕緣體介質擊穿和介質穿透的氣體的電離。附圖說明當結合附圖考慮時，參照以下的詳細說明可以更好地理解本發明的其它優點，所以將很容易地看到本發明的其它優點，在附圖中：圖1是按照本發明的一個示例性實施例的、包括導電玻璃密封的火花塞的截面圖；圖2是按照本發明的另一個示例性實施例的、包括導電玻璃密封的火花塞的截面圖；圖3是在烘烤步驟後沿A-A線的、圖1所示導電玻璃密封的視圖，該導電玻璃密封包括玻璃、導電金屬粒子和充氣孔；以及圖3A是圖3所示玻璃密封的一部分的放大圖。具體實施方式本發明的一個方面提供火花塞20，其包括導電玻璃密封22，導電玻璃密封22提供在至少一個導電部件(諸如中心電極24)與絕緣體26之間的密封結合，如圖1和2所示。玻璃密封22的組分減小介質擊穿的可能性，從而減小在火花塞20在內燃機中使用期間其中心電極24或其它導電部件接收高頻電場時穿過絕緣體26的介質穿透的可能性。導電玻璃密封22是由一種材料製成的，典型地是包括導電粒子、至少一種粘合劑、膨脹劑與玻璃粉的粉狀混合物。在示例性實施例中，基於玻璃密封22的總重量，玻璃密封22包括含量為15.0到50.0重量百分比(wt.％)、優選20.0wt.％的導電金屬粒子。基於用來形成玻璃密封22的粉末的總重量，用來形成玻璃密封22的粉狀混合物典型地包括含量為14.8到50.0wt.％的導電粒子。導電粒子可包括單種材料或不同材料的混合物。任何導電金屬均可被用來形成導電粒子，但在示例性實施例中，導電粒子由銅組成，或主要由銅組成。另外，導電粒子可包括各種不同的形式，但在示例性實施例中，它們以粒子尺寸小於325篩目或45微米的銅屑形式提供。導電粒子使得玻璃密封22是導電的。在一個示例性實施例中，玻璃密封22的導電率的範圍從9x106S/m到65x106S/m，或大於9x106S/m，優選大於30x106S/m。如上所述，在包括非導電玻璃密封的、可比較的火花塞中，在使用期間，氣泡或氣孔電離並形成電暈，這會導致絕緣體的介質失效。然而，當本發明的導電玻璃密封22在火花塞20中使用時，導電粒子圍繞氣泡或氣孔，由此在能量被施加到火花塞20時消除越過氣泡或氣孔的電場。由於沿導電玻璃密封22的氣泡或氣孔沒有形成電暈放電，消除了穿過絕緣體26的電離擊穿和介質穿透的誘發機制。基於用來形成導電玻璃密封22粉末的總重量，用來形成導電玻璃密封22的粉末還包括含量高達3.0wt.％的至少一種粘合劑。優選地，玻璃密封22包括無機粘合劑與合成或天然的有機粘合劑的混合物。粘合劑幫助把用來形成玻璃密封22的組分粘合在一起。當用來形成導電玻璃密封22的粉末在烘烤步驟期間被加熱到玻璃熔化溫度時，至少一部分粘合劑、典型地有機粘合劑被燒盡，因此它不存在於烘烤過的玻璃密封22的組分中。在示例性實施例中，基於用來形成導電玻璃密封22的粉末的總重量，用來形成導電玻璃密封22的粉末包括含量高達2.0wt.％，或0.1到2.0wt.％，優選1.0wt.％的無機粘合劑。無機粘合劑可包括單種材料或不同材料的混合物。任何類型的無機粘合劑材料均可被用於玻璃密封22，但典型地，無機粘合劑包括天然黏土或工程黏土。在示例性實施例中，無機粘合劑由鈉基膨潤土或鎂鋁矽酸鹽組成，或者主要由鈉基膨潤土或鎂鋁矽酸鹽組成，其以名稱銷售。基於用來形成導電玻璃密封22的粉末的總重量，用來形成本示例性實施例的玻璃密封22的粉末還包括含量高達2.0wt.％，或0.1到2.0wt.％，優選0.65wt.％的合成或天然的有機粘合劑。合成或天然有機粘合劑可包括單種材料或不同材料的混合物。任何類型的合成或天然有機粘合劑材料可被用於玻璃密封22。然而，在示例性實施例中，合成或天然有機粘合劑由聚乙二醇(PEG)和麥芽糊精或糊精組成，或者主要由這些物質組成。在這個實施例中，基於用來形成導電玻璃密封22的粉末的總重量，PEG含量為0.15wt.％，麥芽糊精或糊精含量為0.5wt.％。基於用來形成玻璃密封22的粉末的總重量，用來形成導電玻璃密封22的粉末還包括含量高達1.0wt.％，或0.1到1.0wt.％，優選0.5wt.％的膨脹劑。膨脹劑可包括單種材料或不同材料的混合物。任何類型的膨脹劑可被用於玻璃密封22，但在示例性實施例中，膨脹劑由碳酸鋰組成，或者主要由碳酸鋰組成。當在烘烤步驟期間被加熱到玻璃熔化溫度時，至少一部分膨脹劑從固體轉化成氣體，因此使玻璃密封22膨脹。導電玻璃密封22還由包括細粉狀玻璃的玻璃粉形成。玻璃粉存在的量使得烘烤過的玻璃密封包括佔玻璃密封22總重量50.0到85.0wt.％、優選80.0wt.％的玻璃。在示例性實施例中，基於用來形成導電玻璃密封22的粉末的總重量，玻璃粉以50.0到84.8wt.％，或48.5到85.0wt.％，優選80.0wt.％的含量出現。在一個實施例中，用來形成玻璃密封22的玻璃粉的量被選擇成使得玻璃粉與導電粒子之間的比值約為4比1。玻璃粉包括研磨玻璃，它可包含多種化學元素，被化學地組合和熔化成單種材料。本領域已知的任何類型的玻璃都可以使用。玻璃密封可以用單種玻璃粉配製，或由混合在一起的、具有不同化學成分和不同特性的多種玻璃粉配製。在示例性實施例中，根據玻璃粉的總重量，玻璃粉的所有組分包括含量為35到40wt.％，優選38.6wt.％的二氧化矽(SiO3)。基於玻璃粉的總重量，玻璃粉還包括：含量為20到28wt.％、優選26.9wt.％的氧化硼(B2O3)；含量為10到15wt.％、優選11.7wt.％的氧化鋁(Al2O3)；含量為10.0到15.0wt.％、優選6.0到8.0wt.％、更優選7.3wt.％的氧化鉍(Bi2O3)；以及含量為3.0到5.0wt.％、優選4.8wt.％的氧化鋅(ZnO)。基於玻璃粉的總重量，玻璃粉還包括含量為2.0到6.0wt.％的鹼性金屬氧化物，諸如鋰(Li)、鈉(Na)和鉀(K)的氧化物。在示例性實施例中，基於玻璃粉的總重量，玻璃粉包括總量為4.7wt.％的鹼性金屬氧化物，其中1.5wt.％是氧化鋰，3.1wt.％是氧化鈉。基於玻璃粉的總重量，玻璃粉還包括含量為3.0到7.0wt.％的鹼土金屬氧化物，諸如鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)和鋇(Ba)的氧化物。在示例性實施例中，玻璃粉包括總量為5.9wt.％的鹼土金屬氧化物，其中至少2.95wt.％是氧化鍶，約1.9wt.％是氧化鎂。然而，應當指出，也可以使用其它含量的鹼性金屬氧化物和鹼土金屬氧化物。玻璃粉和整個玻璃密封22還可包括少量的其它成分和/或雜質。表1提供用來形成按照本發明的玻璃密封22的一個示例的粉末的組成成分，基於用來形成玻璃密封22的粉末的總重量，以重量百分比(wt.％)來表示。表1成分數量玻璃粉77.85銅屑20鈉基膨潤土1碳酸鋰0.5聚乙二醇0.15糊精0.5表2提供按照本發明的示例性玻璃粉成分，基於玻璃粉的總重量，以重量百分比(wt.％)表示。表2在表2的示例性組成成分中，鹼性金屬氧化物包括以下組中的一項或多項：氧化鋰、氧化鈉和氧化鉀。在一個例子中，約三分之一的鹼性金屬氧化物是氧化鋰，約三分之二是氧化鈉。然而，可以使用任何比值的鹼性金屬氧化物。示例性組分的鹼土金屬氧化物包括以下組中的一項或多項：氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇。在一個例子中，一半以上的鹼土金屬氧化物是氧化鍶，約三分之一是氧化鎂。然而，可以使用任何比值的鹼土金屬氧化物。然而，本領域技術人員將會理解，作為所列出的那些項的附加項或替代項，可以使用其它類型的鹼性金屬和鹼土金屬。按照另一個示例性實施例，玻璃密封22由玻璃粉、導電粒子、膨脹劑和無機粘合劑的混合物製成，但不包括有機粘合劑。該組分適用於某些類型的火花塞，諸如工業火花塞，它們工作的溫度比汽車火花塞更高。由於更高的工作溫度，玻璃粉具有更高的軟化溫度。另外，膨脹劑在高溫下排出氣體，從而它可與玻璃密封相容。按照這個示例性實施例，基於玻璃密封22的總重量，存在的玻璃粉的量使得烘烤過的玻璃密封22包括含量為72.0到82.0wt.％的玻璃。基於用來形成玻璃密封22的粉末的總重量，用來形成玻璃密封22的粉末典型地包括含量為72.0到82.0wt.％的玻璃粉，含量為15.0到25.0wt.％的導電粒子，含量為1.0到5.0wt.％的無機粘合劑，以及含量為0.10到0.50wt.％的膨脹劑。優選地，導電粒子是銅屑，無機粘合劑是膨潤土，膨脹劑是碳酸鈣。表3提供用來形成按照替換實施例的玻璃密封22的一個示例粉末的組成成分，基於用來形成玻璃密封22的粉末的總重量，以重量百分比(wt.％)表示。表3表4提供在表3所列粉末組分中優選使用的、另一個示例性玻璃粉成分，基於玻璃粉成分的總重量，以重量百分比(wt.％)表示。表4中列出的其他氧化物可包括任何類型的氧化物。表4成分總範圍示例含量氧化矽60–7064.6氧化硼17–2522.2氧化鋁4–105.2鹼性金屬氧化物3–107.7鹼土金屬氧化物0-50.3在表4的示例性成分中，鹼性金屬氧化物包括以下組中的一項或多項：氧化鋰、氧化鈉和氧化鉀。示例性成分的鹼土金屬氧化物包括以下組中的一項或多項：氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇。在一個示例性實施例中，基於玻璃粉的總重量，玻璃粉包括含量為3.3到4.3wt.％的氧化鈉(Na2O)，含量為3.4到4.4wt.％的氧化鉀(K2O)，含量為0.2到0.4wt.％的氧化鎂與氧化鈣的組合(MgO+CaO)，以及總含量為0.0到0.1wt.％的其他氧化物。然而，本領域技術人員可以理解，作為所列出的那些項的附加項或替代項，可以使用其它類型的鹼性金屬和鹼土金屬。用來形成導電玻璃密封22的導電材料可以通過使用各種不同的方法，包括本領域熟知的任何方法，來製備。典型地，方法包括獲得導電粒子、粘合劑、膨脹劑和玻璃粉；把那些成分混合在一起。一旦這些成分被混合在一起，導電材料就可以被置於絕緣體26的孔中。在一個實施例中，在把導電材料布置在絕緣體26中之前，通過幹混合先把材料混合在一起。替換地，材料可以進行溼磨或用水混合以形成懸浮液，然後噴霧乾燥，形成多個顆粒狀粒子或粉末。噴霧乾燥步驟包括把懸浮液放在加熱的噴霧乾燥器中，其中懸浮液形成含有水的小液滴，水在加熱的噴霧乾燥器中閃蒸出來，留下小的球形粒子。然而，也可以使用其它方法來提供粒子或粉狀形式的導電材料。例如，乾粉可以在混合器或攪拌機中進行幹混，隨後加入少量的水，這使得粉狀混合物凝聚成顆粒狀粒子，它們隨後可被乾燥或局部乾燥。粒子或粉末相對容易處理，只產生很少粉塵，可以容易地被填塞，或以其他方式置於圍繞中心電極24和端子30的、絕緣體26的孔中。在另一個實施例中，導電材料僅被置於中心電極24的周圍。粉末也可以放置在其它導電部件的周圍，如果想要的話。一旦導電材料被置於絕緣體26的孔中，絕緣體26、中心電極24和導電材料就按照現有技術的任何方法被一起放在爐子中烘烤。在烘烤步驟期間，導電材料的成分熔化和膨脹，填充圍繞中心電極24和端子30的、絕緣體26的孔的至少一部分，因此形成導電玻璃密封22，提供中心電極24與絕緣體26之間的密封結合。烘烤溫度根據導電材料的成分而變化，具體地，隨玻璃粉的成分而變化，但典型的範圍從600到1000℃。例如，當玻璃粉包括表2的第一示例成分時，烘烤溫度範圍從750到800℃，當玻璃粉包括表2的第二示例成分時，烘烤溫度範圍從650到700℃。當玻璃粉包括表4的替換例成分時，烘烤溫度範圍是850到900℃。在各種情形下，烘烤溫度都高於火花塞20工作期間玻璃密封22的最高溫度。在烘烤步驟期間，玻璃粉熔化成各種混合物並形成均勻的材料。在烘烤步驟期間，膨脹劑的至少一部分從固體轉化成氣體，在材料中生成氣泡，這使得材料膨脹。膨脹劑導致材料具有泡沫狀的結構。材料的體積和被導電玻璃密封22佔據的、孔的體積的增加可以變化。充氣孔導致充氣孔在烘烤步驟之後和玻璃密封22冷卻到室溫時仍舊留在導電玻璃密封22中。當火花塞20在內燃機中使用時，充氣孔仍舊留在玻璃密封22中。典型地，烘烤過的玻璃密封22包括多個充氣孔，基於玻璃密封的總體積，這些孔的含量為25.0到75.0vol.％、優選35.0到45.0vol.％。導電粒子防止由充氣孔導致失效的可能性。除了膨脹劑和燒盡的粘合劑的質量變化以外，在烘烤步驟期間，成分基本上沒有改變，烘烤過的玻璃密封22具有的成分與開始的粉末基本上相同。圖3和3A顯示圖1的導電玻璃密封22，在烘烤步驟後，導電玻璃密封22包括玻璃21、導電金屬粒子23和充氣孔25。孔25具有近似的球形，被包括分布在玻璃21中的金屬粒子的基質27互相分隔開。金屬粒子23分布成在它們之間有充分的電接觸，從而玻璃密封22是導電的。雖然孔25彼此靠近，但它們是互相隔離的，所以在它們之間沒有氣體傳輸，因此沒有氣體穿過玻璃密封22傳輸。如圖所示，導電玻璃密封22典型地圍繞中心電極24的末端28。然而，玻璃密封22也可以圍繞布置在絕緣體26的孔中的其它導電部件，諸如電阻或彈簧。包括本發明的導電玻璃密封22的火花塞20可以具有各種不同的設計，包括但不限於圖1和2顯示的設計。在圖1的示例性實施例中，中心電極24放置在絕緣體26的孔中，位於端子30、彈簧64、電阻24和線36的下方。中心電極24由諸如鎳或鎳合金那樣的導電材料製成。中心電極24具有沿中心軸A從末端28延伸到點火端32的長度，其中中心電極24的大部分長度被絕緣體26包圍。中心電極24的末端28通過絕緣體26的、減小的直徑支撐和保持在預定的軸向位置。火花塞20的中心電極24還包括在點火端32處的中心點火表面，用於提供火花。中心電極24的點火表面還包括中心點火末端68，該中心點火末端68由比用來形成中心電極24的其它部分的材料相比更持久的材料製成。火花塞20的端子30通過多根線連接到絕緣體26。在圖1的實施例中，彈簧62連接端子30與電阻64，線36從中心電極24的末端28向電阻64延伸。導電玻璃密封22填充圍繞中心電極24的末端28和線36的、絕緣體26的孔的一部分。在這個實施例中，包裝材料66填充線36與電阻64之間的空間。在圖2的實施例中，電阻64布置在彈簧62與端子30之間，彈簧62連接電阻64與線36。導電玻璃密封22填充圍繞中心電極24的末端28和線36的、絕緣體26的孔的一部分。雖然未示出，包裝材料66可以填充線36與彈簧64之間的空間。火花塞20的絕緣體26由絕緣材料製成，典型地是陶瓷材料，例如鋁土。在示例性實施例中，絕緣體26沿中心軸A從絕緣體上端38縱向延伸到絕緣體突出端40。絕緣體26還限定圍繞孔的絕緣體內表面42，該表面從絕緣體上端38沿軸向延伸到絕緣體突出端40，用於接納中心電極24、端子30和可能的其它導電部件。絕緣體內表面42限定絕緣體內徑Di，絕緣體內徑Di延伸穿過且垂直於中心軸A。絕緣體內徑Di典型地朝絕緣體突出端40前進，沿絕緣體26的一部分減小，用於支持中心電極24的一部分並將中心電極24保持在預定的軸向位置。示例性實施例的絕緣體26還限定具有絕緣體外徑Do的絕緣體外表面44，該表面延伸穿過並垂直於中心軸A。絕緣體外表面44從絕緣體上端38沿縱向延伸到絕緣體突出端40。在示例性實施例中，絕緣體外徑Do朝絕緣體突出端40前進，沿靠近絕緣體突出端40的、絕緣體26的一部分減小，以限定絕緣體突出區域46。絕緣體外徑Do還在與絕緣體突出區域46間隔開的位置處，大約在絕緣體26的中部，沿朝絕緣體突出端40前進的方向減小，以限定絕緣體下肩部48。絕緣體外徑Do還在與絕緣體下肩部48間隔開的位置處，沿朝絕緣體上端38前進的、絕緣體26的一部分減小，以限定絕緣體上肩部50。火花塞20還包括由金屬形成且包圍絕緣體26的一部分的外殼52。外殼52典型地用來使絕緣體26耦接到內燃機的氣缸體(未示出)。外殼52沿中心軸A從外殼上端54延伸到外殼下端56。外殼上端54布置在絕緣體上肩部50與絕緣體上端38之間，並且嚙合絕緣體26。外殼下端56靠近絕緣體突出區域46布置，從而至少一部分的絕緣體突出區域46沿軸向延伸到外殼下端56之外。火花塞20還包括由導電材料製成的接地電極58。接地電極58從外殼下端56向中心電極24延伸。接地電極58包括面向中心點火表面的接地點火表面，以提供點火表面之間的火花隙。在圖2的實施例中，接地點火表面包括的接地點火尖端70由與用來形成接地電極58的其它部分的材料相比更持久的材料製成。顯然，鑑於以上的教導，本發明的許多修正方案和變形例都是可能的，這許多修正方案和變形例可以不同於這裡具體地描述的方式被實踐，但仍在以下權利要求的範圍內。當前第1頁1 2 3