熱線點火塞的加熱元件組件的製作方法

2023-06-01 04:51:26 2

專利名稱：熱線點火塞的加熱元件組件的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及一種熱線點火塞，更具體地涉及用於這種熱線點火塞的加熱元件組件。
直到不久以前，用於柴油內燃機的熱線點火塞技術的主要改進只是為了滿足幫助這種發動機起動的需要，而在這種用途中，我們知道柴油機用的都是可自動點火的燃料。
這種傳統的點火塞設計成只在起動的短暫期間內暫時通電通過電阻加熱而達到一預定的略高的溫度(比如約900℃/1650°F)。當在起動期間內轉動發動機時，自噴油嘴噴出的霧化燃料與熱的點火塞接觸或極貼近地經過熾熱的點火塞，從而主要由表面點火實現了燃料的點火。由於在此轉動和起動階段內的發動機轉速很小，與發動機正常運轉時相比，燃料在點火塞附近停留的時間較長。結果，即使在上述略高溫度下在較冷的發動機內也能實現常規燃料的點火。一旦發動機起動了起來，這種點火塞的電源就中斷，發動機只由燃料的自動點火來繼續運轉。接著，點火塞就冷卻到與發動機正常運轉期間的發動機平均循環溫度相接近的較低的溫度(比如約為675℃/1250°F)。
習慣上還往往在轉動和起動柴油機前將常規點火塞預熱到那個略高的溫度。在商業上用的車輛中，比如在推土挖土的拖拉機或載重卡車中，常常不大考慮將這類點火塞預熱到此略高溫度所需的時間(一般為1至2分鐘)。然而，由於最近幾年柴油機在輕載卡車和客車上的應用越來越多，人們普遍要求點火塞能在短得多的時間內預熱(一般認為1至2秒鐘是可以接受的)。因此。在近幾年內，點火塞的技術發展也跟著著眼於提供一種在轉動和起動發動機前預加熱需要的時間較少的暫時通電的點火塞。
隨著常規柴油機燃料供給量的減少和不足，同時也為了開發較乾淨的發動機以滿足環境保護上的需要，製造廠家開發了可燃燒代用燃料比如甲醇、乙醇及種種氣體燃料的發動機。然而，這類代用燃料一般與柴油機燃料相比十六烷值較低，因此僅靠與壓縮進氣的熱量相接觸很難點火。
申請人是助燃式發動機的早期開發者，這種發動機工作於狄塞爾循環，但與傳統的柴油發動機或壓縮點燃式發動機的不同之處在於當發動機正常運轉時主要並不是通過燃料與壓縮進氣的熱量相接觸來實現噴入燃料的點火及火焰的傳播的。這類助燃式混合型發動機下面將統稱為狄塞爾循環發動機。
在1988年1月26日授予Krauja等人的美國專利No.4，721，081中及在1985年10月22日授予Bailey的美國專利4，548，172中揭示了促進這種燃料點火的一種方法，它們採用了一個直接延伸入發動機燃燒室的助燃裝置。比如，此助燃裝置可以包括一可連續通電的熱線點火塞，此點火塞在整個發動機運轉中需在一非常高的預定溫度下工作。比如，此非常高的預定溫度可以約為1200℃/2192°F，以便點燃上面提到的代用燃料。
申請人開始時曾在這種應用中採用傳統的點火塞。在1984年10月9日授予Takizawa等人的美國專利No.4，476，378中揭示了一種傳統的熱線點火塞。這種點火塞有一加熱元件組件，此加熱元件組件包括一繞在一芯棒上的單螺旋金屬線或金屬絲，芯棒則位於護殼的盲孔內。護殼用諸如不鏽鋼之類的耐熱金屬製成。然後在盲孔內剩下的空間充填諸如氧化鎂之類的耐熱且電絕緣的粉末。為了將耐熱電絕緣粉末壓實在金屬絲周圍以對此金屬絲提供足夠的支撐並將足夠的熱量傳至金屬護殼，護殼一般向內鍛細以減小其內徑從而壓實粉末。在盲孔底部處的金屬絲一端與金屬護套相連以使金屬護套構成電流迴路的一部分。
申請人發現用商業上可行的金屬材料製成的熱線點火塞護套如果在發動機燃燒室中或暴露在燃燒室中連續加熱則很容易遭到氧化或腐蝕。護套被諸如鈉、硫、磷和/或釩之類的雜質嚴重侵蝕，這些雜質是隨著燃料、潤滑油、海浪和/或公路上的鹽份進入燃燒室的。金屬護套被這些雜質侵蝕掉而使金屬絲暴露。然後暴露的金屬絲被氧化侵蝕而迅速失效。
在1985年3月5日授予Yokoi等人的美國專利No.4，502，430中揭示了另一種傳統熱線點火塞。在這種點火塞中，加熱元件組件具有一繞成螺旋形的金屬細絲，細絲由鎢或鉬製成並彎曲成大致呈U形。金屬絲嵌在由氮化矽(Si3N4)製成的陶瓷絕緣體內。這種設計對陶瓷熱線點火塞的製作有利，這不僅是因為此陶瓷材料是電絕緣的，而且因為這種材料能被熱壓以實現從細絲到陶瓷材料的良好熱傳導。另外，氮化矽具有適宜的物理性能，比如強度高、熱膨脹係數低、維泊爾係數高且硬度高等等，以使點火塞頭部經得住由發動機氣缸施加的嚴重的熱負荷和機械負荷。
當加熱元件組件只在發動機起動期間內才通電加熱以在傳統柴油發動機內點燃燃料時，這種熱線點火塞的壽命是令人滿意的。然而，申請人發現，當在公路上行駛的車輛中的狄塞爾循環發動機中加熱元件組件連續工作以點燃甲醇燃料時，此加熱元件組件的壽命很短，比如只有約250小時。與上面討論的金屬護殼相類似，氧化矽加熱元件組件的熱表面容易受到諸如鈉、礬、磷和/或硫之類的雜質的嚴重腐蝕或氧化。氮化矽絕緣體被這些雜質侵蝕掉而暴露了金屬絲。然後暴露的金屬絲受氧化和腐蝕而迅速失效。
在1988年11月22日授予Nozaki等人的美國專利No.4，786，781中揭示了另一種類型的熱線點火塞。這種點火塞中，加熱元件有一大體成U形的鎢絲嵌置在與Yokai等人專利中相類似的氮化矽絕緣體中。然而，它然後採用一種稱為化學蒸發沉積的方法使氮化矽絕緣體塗覆上一層高耐熱及耐腐蝕的材料，比如氧化鋁(Al2O3)、碳化矽(SiC)或氮化矽(Si3N4)以使受到燃燒氣體的腐蝕或侵蝕減至最小。
儘管這一專利聲稱其塗覆層足以使熱線點火塞的細絲和氮化矽絕緣體免受氧化和侵蝕，但根據申請人的經驗，當陶瓷塗覆層用於在高溫下連續通電的熱線點火塞加熱元件組件上時一般存在著壽命問題。如果塗覆層較薄，由於腐蝕或侵蝕，此塗覆層很快就從加熱元件組件上消失。另一方面，如果塗覆層較厚，此塗覆層就會迅速從加熱元件組件上成片脫落。申請人認為這種破壞主要是由於厚塗覆層內的熱應力過高以及塗覆層在絕緣體上的粘結力不夠所造成的。
本發明的目的是為了克服一個或多個上述問題。
本發明的一個方面揭示了一種適用於熱線點火塞的加熱元件組件。此加熱元件組件包括一整體式護殼、一發出熱量的加熱裝置，還包括一將熱量從加熱裝置傳至護套的傳熱裝置。護套有一較薄的大致環形的壁，它有一封閉端部並形成一盲孔。加熱裝置位於護套的盲孔內並能與電源相連接。
此改進的加熱元件組件可用來點燃在多種類型的燃燒器中使用的燃料。比如，此改進的加熱元件組件在下述情況下的狄塞爾循環的發動機中使用時特別有利(ⅰ)使用低十六烷值燃料開動的柴油發動機;(ⅱ)具有較低的壓縮比的柴油發動機;(ⅲ)在較冷的條件下或在會產生臨界自動點火的情況下運轉相當長一段時間的柴油發動機。在每個上述情況中，燃料的自動點火都是臨界的。為了達到有效的發動機性能，採用本發明的加熱元件組件以幫助燃料點火且能連續地或在較長的時間內通電。本加熱元件組件也可用於其他燃燒應用場合，比如工業爐，工業爐需要較耐用的表面點火加熱裝置來為燃料燃燒點火或幫助點火。


圖1為本發明第一實施例的剖視示意圖;
圖2為圖1的部分放大圖;
圖3為與圖2相似的示意圖，它是本發明的第二實施例;
圖4與圖2相似，它是本發明的第三實施例;
圖5為與圖4相似的部分放大示意圖，它是本發明的第四實施例。此圖對稱於引線18的縱軸。
在圖1至圖6的各圖中，類似的元件或部件用類似的數字編號來表示。雖然本發明的可靠的而且可以工作在非常高溫的加熱元件組件有很多其他應用，促使本發明技術發展的主要應用是在狄塞爾循環的整個或絕大部分正常運轉時間內實現或幫助燃料的連續點火。為了舉例說明起見，此說明書將集中在此用途上。
在圖1和圖2中，示出了一改進的加熱元件組件10的第一實施例，它可用於可通電的熱線點火塞12。點火塞12最好包括一金屬包頭14、一剛性體16、一對空間隔開且電阻較低的第一和第二電引線18、20，還包括一電接頭裝置22。引線18、20連接到接頭裝置22，接頭裝置22可連接到一電源(圖中未畫出)。加熱元件組件10最好用金屬包頭14壓配合而密封地連接到剛性體16上，這種金屬包頭14就如申請人於1989年7月28日提交的No.07/386，064待批美國專利中所揭示的那樣。或者，加熱元件組件10也可以用銅焊或其他常規的固定技術密封地連接到剛性體16上。本發明特別涉及加熱元件組件本身，下面的討論將集中於種種實施例及其製造方法。
如圖1和圖2所示，加熱元件組件10包括一耐熔耐腐蝕且基本不透氣的陶瓷護殼24、一在護殼24內發出熱量的加熱裝置26，還有一將熱量從加熱裝置26傳至護套26的傳熱裝置28。
如圖2所示，護殼24本身是中空的且有一較薄的基本呈環形的壁30。環形壁30有一封閉端部分32從而形成護套24的一盲孔34，它還有一內周面36及一外周面38，兩者基本上都可防止氣流的穿透。最好，內外周面36、38是圓筒形的、大致光滑的且在封閉端部32漸成圓形或漸成圓角使它們基本上沒有應力集中點。環形壁30的厚度為t，最好沿護殼24的軸向長度方向大致是均勻的。
護殼24是由仔細挑選的材料製成的整體部件。適合做護殼24的材料是根據一種在熱線點火塞的已有技術中沒有過的新的設計方法來選擇的。
護殼24的主要作用是保護加熱裝置26免受發動機燃燒室的腐蝕性氣體的侵蝕。為了實現這種作用，當護殼24在預先選定的非常高的溫度(比如約1200℃/2192°F)下連續加熱時，護殼24必須能抵抗這種腐蝕性氣體的侵蝕。申請人在嘗試採用傳統點火塞以在狄塞爾循環發動機中幫助點燃十六烷值較低的燃料後，意識到需要提供一種耐用得多的熱線點火塞。當嘗試採用Yokoi專利中揭示的那種氮化矽點火塞時，發現矽的部分被氧化，所產生的氧化矽與燃燒室中存在的雜質相反應而形成熔點很低的混合物。比如，氮化矽與鈉雜質相反應而形成矽酸鈉。矽酸鈉形成氣泡，接著氣泡熔化或破裂。這個反應過程將氮化矽侵蝕掉從而使加熱金屬絲暴露於氧化和/或其他形式的腐蝕，最後導致電路斷路。
申請人從發表的有關汽輪機部件的文獻中發現，在這些部件用氮化矽製成且需要在高溫下運轉很長時間的情況下也有類似的侵蝕過程產生。發表的文獻還揭示了一種將氮化矽試樣浸沒在熔化的硫酸鈉中的腐蝕試驗。
申請人對傳統的氮化矽熱線點火塞加熱元件組件的試樣進行此腐蝕試驗，觀察到腐蝕的性質與這種點火塞在實際的發動機燃燒室受到的腐蝕相類似。申請人相鄰在內燃機中侵蝕傳統陶瓷點火塞的腐蝕過程是由運轉過程期間發動機燃燒室存在的鈉或其他雜質引起的。
申請人採用下面的腐蝕試驗以評價不同的候選陶瓷材料。試驗時將陶瓷試樣稱重然後在溫度約為1200℃/2192°F的熔化的硫酸鈉(Na2SO4)中浸100小時。用鉑爐來裝納這些材料。硫酸鈉與陶瓷材料的重量比為二十比一。此後，將硫酸鈉溶解。然後對經乾燥後的陶瓷材料進行稱重並計算其重量損失。不同材料的腐蝕試驗結果示於下表陶瓷材料 時間(小時) 重量損失(%)氮化矽 ＜25 100〔Si3N4〕矽鋁陶瓷 ＜25 100〔SiALON〕氧化鋁 100 0〔Al2O3〕有碳化矽晶須的氧化鋁 100 0〔SiCw-Al2O3〕麻來石 100 0〔3Al2O32SiO2〕堇青石 25 0〔矽酸鋁鎂〕鈦酸鋁 25 0〔Al2TiO5〕氧化鈹 100 0〔BeO〕上述結果表明氧化物族的陶瓷幾乎不受腐蝕試驗影響，而氮化物族和氧氮化物族的陶瓷被嚴重腐蝕。申請人相信可能還有許多其他上面未列出的氧化物陶瓷也能通過此腐蝕試驗。
合適的護殼材料還必須基本上不透氣。這種性能對幫助確保護殼24有效地密封加熱裝置26使之不與運轉中的發動機燃燒室內存在的腐蝕性氣體相接觸來說是很重要的。最好，護殼24的透氣能力只有原子擴散係數的數量級(比如約為0.0000001達西的氣體滲透係數)。
最後，候選的材料必須具有確保其不會因熱應力或/和機械應力而失效的性能。熱量必須穿過護殼24的環形壁30向外流出，其速度必須既能補償從加熱元件組件10損失的熱量(通過傳導到熱線點火塞體16、輻射和對流)，又能將外周面的溫度提高到預定的非常高的溫度(比如約1200℃/2192°F)。
熱通量一般定義為通過給定表面積的傳熱率。通過護殼24環形壁30的熱通量使內周面36的溫度超過外周面38的溫度。兩表面間的溫差、加上熱膨脹係數及楊氏模數或剛度在加熱元件組件10的外周面38內產生應力。
申請人得出的結論是，在運轉條件下，護殼24內允許的最大平均熱應力不應當超過護殼材料的斷裂係數(也稱四點彎曲強度)的某個預定量。下面等式用於預計抵抗因受熱應力而破壞(失效)的能力σ＝ ((∝)(E)(t)(Q/A))/(k) ＝(f)(MOR)其中σ＝最大平均熱應力(MPa)∝＝護殼24的熱膨脹係數(mm/mm℃)E＝護殼24的彈性係數(MPa)t＝護殼24環形壁30在熱流方向上的厚度(mm)Q/A＝通過護殼24環形壁30的熱能量(W/mm2)k＝護殼24的導熱率(W/mm℃)
f＝預選因子MOR＝護殼24的斷裂係數或四點彎曲強度(MPa)採用兩維有限元模型電腦程式來確定護殼24內的溫度梯度並確定這些溫度梯度所產生的熱應力。這種模型表明環形壁30的厚度(t)應做得儘可能小以將熱應力減小到令人滿意的較小數量級。從上述等式求解t時可得t＝ ((f)(MOR)(k))/((∝)(E)(Q/A))為了對給定的材料求解，將選擇的預選因子(f)和熱通量的量值代入等式。因子f有效地代表抵抗由熱應力導致失效的安全餘量。f值可以從大於0而小於或等於1間的數值中選定。比如，等於1的f值安全餘量為0。為了在穩態工作條件下有足夠的安全餘量，f可選為約0.5。然而，由於存在瞬態情況，最好選擇一個小於約0.5的較保守的f值(比如f等於約0.25)。
下面幾個例子中，f選為0.25，Q/A選為0.371W/mm2。應當指出材料性能的數據應該是在需要的工作條件下獲得的數據。因此，在這些數據可以得到的情況下的，每個例子中護殼的材料性能都是在約為1200℃/2192°F的典型工作溫度下的性能數據。另一方面，其中有一些例子涉及的材料性能其數據在典型工作溫度下未能獲得。這些例子中的數據及結果應仔細考慮以決定它是否適合於將結果外推到舉例中的工作溫度。
例1材料氮化矽〔Si3N4〕 (Kyocera SN 220M)E270，400MPa，1200℃下∝0.0000036mm/mm℃，1200℃下k0.0153W/mm℃，1200℃下MOR400MPa，1200℃下
t4.24mm例2材料矽鋁陶瓷(Sialon)〔SiALON〕E300，000MPa，20℃下∝0.00000304mm/mm℃，1000℃下k0.0213W/mm℃，20℃下MOR400MPa，1200℃下t6.30mm例3材料氧化鋁〔Al2O3〕E268，000MPa，1200℃下∝0.0000085mm/mm℃，1200℃下k0.006W/mm℃，1200℃下MOR20MPa，1200℃下t0.035mm例4材料具有10%碳化矽晶須的氧化鋁 〔SiCw-Al2O3〕E170，000MPa，1200℃下∝0.000007mm/mm℃，1200℃下k0.0065W/mm℃，1200℃下MOR178MPa，1200℃下t0.65mm例5
材料燒結麻來石〔3Al2O32SiO2〕E100，000MPa，1200℃下∝0.000005mm/mm℃，1200℃下k0.004W/mm℃，1200℃下MOR150MPa，1200°Ft0.81mm例6材料堇青石〔矽酸鋁鎂〕E61，000MPa，20℃下∝0.0000028mm/mm℃，1200℃下k0.0007W/mm℃，20℃下MOR55MPa，20℃下t0.15mm例7材料鈦酸鋁〔Al2TiO5〕E20，000MPa，1000℃下∝0.00000153mm/mm℃，1200℃下k0.00209W/mm℃，1200℃下MOR120MPa，1200℃下t0.55mm例8材料氧化鈹〔BeO〕E344，740MPa，20℃下∝0.00001017mm/mm℃，1200℃下
k0.0178w/mm℃，1200℃下MOR207MPa，20℃下t0.71mm應當強調的是，陶瓷材料很脆，因此護殼任何部分的應力都不能超過那部分的材料強度。換句話說，這種材料是毫不謙讓的，它不會象金屬那樣具有屈服性以減小局部應力。相反，這種護殼受到應力乾脆就斷裂而失效。還應注意到，實際上在整個陶瓷護殼上強度是變化的。因此，陶瓷護殼24的設計需要採用比如維泊爾係數之類的統計數據，可靠性和壽命表達成失效的可能性。儘管上面的最後一個等式為設計者提供了工具使他能對那些通過申請人推薦的腐蝕試驗和透氣性標準的其他候選材料進行評價，但準確的設計仍需採用先進的分析手段，比如採用有限元分析方法，以獲得加熱元件組件可信的溫度和失效的機率。上面的等式也可用來為非陶瓷材料護殼24進行評價。
上述等式可用來在各種材料性能間進行權衡和折衷。比如，普通的氧化鋁(Al2O3)因為具備優秀的耐腐蝕能力而成為護殼材料的首先考慮的陶瓷材料。然而，申請人發現這種材料製成的試驗性陶瓷護殼在發動機試驗中只工作幾小時後就裂開了。上面的例3也表明，普通的氧化鋁在其忍受熱應力的性能上是不適合的材料。當將普通氧化鋁的材料性能數值代入上面的最後一個等式中時，可得到護殼環形壁30允許的最大厚度值t，但此值太小而無法製造，而且也太小而不能經受住熱線點火塞一般在發動機燃燒室中要經受到的機械負荷。
例4顯示了增加矽纖維晶須提高氧化鋁熱應力性能的情況。這種較新的複合陶瓷，也稱為碳酸矽晶須加強鋁(SiCw-Al2O3)，是由Arco化學公司開發的，主要用於機械工具的頭部或刀刃部。晶須的加入改變了陶瓷的材料性能，即大大提高了其耐熱衝擊的能力。計算所得的最大允許厚度t也表明，如果這種材料製成一實心件，即與Yoroi專利所示的嵌納加熱絲的氮化矽絕緣體相類似，它不會有足夠的熱性能及機械性能以在發動機燃燒室中經受住考驗。
目前，碳酸矽晶須加強氧化鋁是申請人選擇用來製造護殼24的材料，業已證明它在工作檯試驗和發動機試驗中都是成功的。比如，申請人已成功地用這種材料製造了其環形壁厚度t約為0.5毫米/0.02英寸的護殼24並對其進行了試驗。保守地將環形壁厚度選擇為低於例4中給出的上限0.65毫米/0.03英寸以下，以增加抵抗熱應力破壞的安全因子。另一方面，此環形壁厚度已足以製造成一體的護殼24。此環形壁厚度也足以為護殼24組裝到熱線點火塞體上提供足夠的強度，同時也足以經得住護殼24在發動機燃燒室中要受到的機械負荷。護殼24的複合材料含有約5%-40%體積的碳酸矽晶須及約95%-60%體積的氧化鋁。碳酸矽晶須為單晶體，其長度約為5至200微米，晶體直徑約為0.1至3微米。
例7表明，鈦酸鋁(Al2TiO5)從經受熱應力角度看是一種有前景的材料。然而，但我們認為它不適合這種用途，因為它不具有不透氣的性能(即其孔隙完全會允許腐蝕性已燃氣體穿過護殼而侵蝕加熱裝置26)，而且也因為其材料性能在高溫下不穩定。
可通過衝壓、粉漿澆鑄、注模或擠壓碳酸矽晶須、氧化鋁粉末、水和有機粘結劑的混合物來製成整體式的護殼24。為了使護殼24基本上不透氣，再通過燒結、熱壓或熱等壓的方法使護殼24密實(一般大於理論密度的95%)。如果需要，外周面38的最後外徑及其大致光滑的輪廓、盲孔34的內徑及其大致光滑的輪廓、封閉端部32的圓形輪廓以及盲孔34另一開口端部處的倒角用諸如機械加工的方法來製作。
其它氧化陶瓷材料也可有可接受的較低的失效機率。麻來石強度雖不如氧化鋁，但其熱膨脹係數和彈性係數較低，這對護殼環形壁30的給定厚度t能有效地給出一較低的計算熱應力值。同時，也可在麻來石基體中加入碳化矽晶須以提高複合物的強度。氧化鈹是另一種強度較低的材料，但它導熱率和斷裂係數較高，總起來說是一種有前景的材料。鈦酸鉿和堇青石材料的低強度可以被其極低熱膨脹係數所彌補。從氮化矽，Sialon和碳化矽的材料特性可以獲得低的計算應力，但這些材料對腐蝕的抵抗能力較低，因而使它們不能成為護殼24的合適材料。
許多其他陶瓷材料(大多數氧化陶瓷材料)也可以成為製作護殼24的合適的候選材料。這些合適的材料包括普通氧化鋁、氧化鈦、氧化釔、磷酸鋯鈉以及氧化鉻緻密的氧化鋁。製作氧化鉻緻密的氧化鋁的方法揭示了在1976年5月11日授予Church等人的美國專利No.3，956，531中。如果需要，可用從諸如氧化鋯、碳化矽、氮化矽及硼化鈦之類的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等物質中選出的顆粒或晶須形式的陶瓷材料來加強這些材料。
加熱裝置26的功能是為將護殼24的外周面38的溫度維持在預定的非常高的溫度(比如約1200℃/2192℃)提供所需的能量。提供這個能量的速度必須能補償由到熱線點火塞體16的對流熱、輻射熱和導熱所造成的從護殼24的能量損失。應選擇加熱裝置26以使加熱裝置26在熱膨脹和/或收縮時不會將較大的應力施加到護殼24。然而，由於加熱裝置26由保護護殼24覆蓋，加熱裝置26的合適材料不必是耐腐蝕的。
圖1和圖2示出了加熱元件組件10的第一實施例，其中加熱裝置26包括芯棒40和加熱絲42。
芯棒40用不導電的剛性材料製成。芯棒40的熱伸縮必須和護殼24的熱伸縮相一致。根據經驗，直徑、熱膨脹係數以及芯棒40的工作溫度和環境溫度的差值之間的乘積應小於直徑、熱膨脹係數以及護殼24的工作溫度和環境溫度的差值之間的乘積。這種護殼24和芯棒40之間的熱一致性保證了在熱膨脹和收縮時芯棒40不會因為超出護殼24的範圍而對護殼24產生機械應力。最好，芯棒40是由氧化物、氮化物或碳化物的物質組中選出的任何一種陶瓷材料製成，但如前所述，它取決於和加熱元件組件10的其他部件相互兼容所需要的熱膨脹及導熱率。比如，當護殼24是由諸如碳化矽晶須加強的氧化鋁(SiCw-Al2O3)之類的基於氧化鋁的陶瓷材料製成時，芯棒40可由麻來石(3Al2O32SiO2)製成。
芯棒40位於盲孔34內並與護殼24的內周面36在空間上是對稱的。芯棒40包括一具有第一及第二端部46、48的光滑外周面44。在圖1和圖2的實施例中，芯棒40的形狀最好為細長的實心圓柱形，第二端部48有一形成徑向槽52的端50。或者，外周面44上可形成較淺的螺旋形槽以容納並使加熱絲42定位。
在圖1和圖2中，加熱絲42位於盲孔34內，並與護殼24的內周面36在空間上隔開。加熱絲42最好由一根連續的單一金屬絲製成，金屬絲用耐火耐熱材料製成，比如用鉬、鎳鉻合金、鎳鋁合金、鎳鉻合金、鉑、鎢或類似的貴金屬、鉭、銠、二矽化鉬、錸或鉑銠合金製成。
加熱絲42有一第一端部54和一第二端部56，以及它們之間的中間部58。加熱絲42的中間部58緊挨著芯棒40的第二端部48的端50。在圖1和圖2的實施例中，加熱絲42的中間部58位於芯棒40的沿直徑方向的槽52內。
加熱絲42的第一端部54以重複的第一預先螺距P1螺旋地繞在芯棒40外周面44的第一端部46上並與之緊密接觸，加熱絲42的第一端部54以重複的第二預選螺距P2螺旋地繞在芯棒40外周面44的第二端部48上並與之緊密接觸。此第二預先螺距P2大於第一螺距P1。比如，第一或較大的螺距P1最好可為約每釐米4.72圈(約每英寸12圈)，而第二螺距P2約為每釐米12.6圈(約每英寸32圈)。
加熱絲42的第二端部56在芯棒的第二和第一端部48、46間徑向地延伸，同時也與護殼24的內周面軸向地隔開。應該記住，在圖2和圖3的任一實施例中，加熱絲42的第一和第二端部54、56隻在加熱絲42的中間部58相連(並相互交叉)。
在圖1和圖2的實施例中，第二端部56螺旋地繞在芯棒40的外周面上並與之緊密接觸。加熱絲42的第二和第一端部54、56的繞成的線圈在軸向上相互間是等間隔的並且總體上形成雙螺旋60。換句話說，雙螺旋60螺旋地繞在芯棒40的第二端部48上，其有效的細螺距約為第二預選螺距P2的兩倍。而且，雙螺旋60還以約兩倍於第一預選螺距P1的有效大螺距螺旋地繞於芯棒40的第一端部46上。
這樣，在上述例子中，加熱絲42的第一和第二端部54、56的有效大螺距約為每釐米9.44圈(約每英寸24圈)。而且，第一和第二端部54、56的有效細螺距約為每釐米25.2圈(約每英寸64圈)。
或者，加熱絲26也可採用其他實施方式，比如在護殼24內周面36上沉積耐火導電加熱材料，或內周面36本身在不同部位用化學處理方法有選擇地改性以形成電路。
傳熱裝置28位於加熱裝置26和護殼24的內周面36之間。傳熱裝置28有兩個作用。一個作用是將加熱裝置26支撐在護殼24的盲孔34內。另一個作用是提供一裝置來有效地將熱量從加熱裝置26傳遞到護殼24的內周面36。然後，此傳遞到護殼24的熱量穿過護殼24的環形壁30以將外周面38維持在預選的非常高的溫度下。
在圖1和圖2中，傳熱裝置28採用填料62。填料62在護殼24的盲孔34內並完全填滿芯棒40、加熱絲42及護殼24之間的剩餘空間。填料62用一種導熱材料製成，在加熱元件組件10通電時，此導熱材料能有效地將由加熱絲42產生的熱量傳遞到護殼24的外周面38。填料62最好是由鋁酸鈣和蒸餾水製成的粘結材料。其它可替換的填料包括矽酸鋯粘結材料、氧化鋁粉末、氧化鎂粉末、或任何上述材料添加(約5至40%體積的)碳化矽、鉑、或鉬顆粒以使填料導熱更好。
圖3示出了加熱元件組件10′的第二實施例。加熱元件組件10'與圖1和圖2中的加熱元件組件10相類似，但芯棒40′的形狀以及加熱絲42′的第二端部56′的位置和結構是不同的。
在圖3中，芯棒40′有一縱向通孔64，加熱絲42′的第二端部56′基本上筆直地通過位於電絕緣芯棒40′的第二和第一端部48、46之間的芯棒孔64而延伸。加熱絲42′的第一端部54′以重複的第一預選螺距P1螺旋地繞在芯棒40′外周面44的第一端部46上並與之緊密接觸。加熱絲42′的第一端部54′以重複的第二預選螺距P2繞在芯棒40′外周面44上並與之緊密接觸，P2大於第一螺距P1。比如，第一或較大螺距P1最好約每釐米4.72圈(約每英寸12圈)，第二螺距P2約每釐米12.6圈(約每英寸32圈)。
或者，加熱絲42′可由具有不同橫截面直徑的兩根金屬絲製成。大直徑金屬位於芯棒通孔64內並穿過其中。小直徑金屬絲螺旋地繞在芯棒40′的外周面44上並與之緊密接觸。兩根金屬絲在靠近芯棒40′第二端部48處相連接。這種設備有利之處在於延伸穿過芯棒40′的加熱絲42′的大直徑部分不會產生大的熱量。這樣，如果在芯棒通孔內64內芯棒40′和加熱絲42′之間有太多的間隙，就不會有明顯的熱量積聚(這會使那部分加熱絲42′熔化)。
圖4示出了加熱元件組件10″的第三實施例。加熱元件組件10″與圖3中的加熱元件組件10′相類似，但沒有芯棒。而且，第一電引線18從中心延伸入盲孔34且靠近封閉端32，在那裡與加熱絲42″的一端部相連接。第二電引線20周向延伸入盲孔34，在那裡與加熱絲42″的另一端部相連接。加熱絲42″為一單螺旋絲，它與護殼24內周面36直接接觸。或者，圖4的實施例也可修改成加熱絲42″為一雙螺旋絲，它與類似於圖2但沒有芯棒的護殼24的內周面直接接觸。
在任何一個上述實施例中，如果護殼24與加熱絲42直接接觸，護殼的材料要選用不導電的材料。而且，在任何一個上述實施例中，如果填料62與加熱絲42直接接觸，填料62的材料也應選用不導電的。
工業可行性下面將簡要說明改進的加熱元件組件10、10′、10″的製造方法及其工作情況。
在圖1和圖2所示的第一實施例中，製造時，芯棒40本身暫時固定到一可轉動的固定用具的(未畫出)有螺旋形螺紋的杆上，固定用具用來將加熱絲42裝配到芯棒40上。螺紋杆至少有兩個分開的且不同螺距的螺紋，當杆和芯棒通過旋轉而一起向前時，不同螺距可有控制地決定加熱絲相鄰線圈之間的軸向間隔。最好在芯棒40的外周面44上塗覆上較普通的粘結劑層(比如由位於美國Illinois州Wood Dale市的Dercon公司製造的Duco粘結劑)，但端50除外。粘結劑的乾結時間應超過將加熱絲42完全繞在芯棒40上所需的時間。
加熱絲42的中間部58位於固定芯棒40的徑向槽52內。在圖1和圖2的實施例中，加熱絲42的第一和第二端部54、56以雙螺旋60的形狀均勻地繞在芯棒40上。在圖3的實施例中，加熱絲42′的第二端56′位於芯棒42′的通孔64內，只有加熱絲42的第一端部54螺旋地繞在芯棒40上。
將加熱絲42緊繞在剛性芯棒40、40′上是有利的，因為加熱絲在周向上是對稱設置的，且因為它形成具有可控制且可重複形狀的絲圈，絲圈可隔得很近且很均勻但不會產生短路。
而且，相鄰線圈的軸向間隔可通過在相鄰加熱絲圈間同時繞一如釣魚線之類的臨時的單絲線的方法進一步加以控制。單絲線的中間部分最好位於芯棒40的端50處形成的第二槽(未畫出)內。第二槽的方向最好與槽52垂直。
在加熱絲圈(單螺旋或雙螺旋)在芯棒40、40′上完全繞好之後，將臨時單絲從組件40、42上取下。等Duco粘結劑乾結後，組件40、42從繞線的固定用具上取下。
最好採用手繞裝置(未畫出)將這對引線18、20與加熱絲42的各自第一和第二端部54、56相連。儘管其他諸如鎢、鉭或銅之類的材料也能代用，但引線16、18最好用鉑包層的鉬製成。較小直徑加熱絲42的每個端部54、56儘可能緊地繞在各自的較大引線16、18上。加熱絲42的端部54、56不必繞得太多，只要足以提供足夠的電氣連接就可以，比如約10圈。線線18、20相互分開，最好將它們插入像一對並排的飲料吸管那樣的薄的陶瓷絕緣體內(未畫出)。比如，陶瓷絕緣體可由氧化鋯製成。
與已知的將加熱絲嵌在燒結陶瓷材料內的加熱元件不同的整體式護殼24是有利的，因為它可控制地製作成與加熱絲42分開的最後形狀從而不會影響加熱絲42的最後形狀和方向。較光滑且形狀簡單的護殼24實質上沒有應力集中部分，且容易用比如粉漿澆鑄、熱壓、注模或可選擇地對棒材機加工等方法進行製造。
製作約250網目的鋁酸鈣粘結材料和蒸餾水的稀薄的混合物以形成填料62。每克鋁酸鈣粘結材料約用兩毫升蒸餾水，可製成具有所希望的稠性的溼粘結材料。將此溼粘結材料倒入注射器，並將過量空氣從中排出。灌注器的注射端向下插入護殼24的空盲孔34底部，將溼鋁酸鈣粘結材料注入直到充滿護殼24的盲孔34為止。
接著將加熱絲、芯棒和引線組件42、40、16、18插入護殼24的盲孔34。組件42、40、16、18在鋁酸鈣粘結材料發生乾結和固化前立刻一直推進到盲孔34內。然後對組件24、42、40、16、18進行X光照射以確保組件24、42、40、16、18伸到盲孔34底部附近且確保引線18、20和加熱絲42形成的電路中沒有短路或斷路。然後將組件24、42、40、16、18或加熱元件組件10在潮溼的環境下凝固一個晚上。這可將加熱元件組件10放在潮溼的腔室內來完成。在凝固後，將加熱元件組件比如在爐內加以乾燥以去除水份。
如果如上所述將Duco粘結材料預先施加到芯棒40上，就應通過對加熱元件組件10進行電加熱將其燒掉。將加熱元件組件10的引線18、20與電源相連，且引線16、18間的電壓以0.5伏的遞增量逐漸從0增至8伏。在約8伏時，加熱元件的電阻大大降低，加熱元件組件開始在加熱絲42開始的頂部位置處灼熱。接下去應讓此熱區發桔紅色光，此時的電流約為6安培。然後將電壓降低至約4伏且保持4伏約1分鐘。然後增加電壓以將電流維持在約4.5安培。此過程只需進行到能在尖端部產生熱區的電壓為止。此過程會因所用的Duco粘結材料的數量而略有變化。然而，最好使此電壓增加約20%並維持加熱元件組件在此狀態約20分鐘。然後將電壓降至零並切斷電源。現在加熱元件組件已能由比如採用金屬套圈或銅焊的方法組裝到熱線點火塞體16上。上面給出的電壓和電流數值只是舉例說明性的，它最終取決於加熱絲42的直經及長度。
或者，芯棒40、40′上可形成淺的螺旋槽，以容納並定位加熱線42的線圈。
現在討論組裝圖4所示加熱元件組件10″第三實施例的方法。此法採用一細長工具(未畫出)以幫助組裝此加熱元件組件10″。此工具包括精確地成形於工具外周面上的螺紋及一從中央軸向穿過的圓柱孔。比如，申請人曾用過修改的No.5-40螺杆作為工具，其中護殼24的內徑選為約4毫米/0.16英寸。
首先，將加熱絲44″的一端部連接到引線20的一端部(比如採用緊密纏繞的方法)。然後將一導管暫時地套在引線20上，導管可卸地夾緊，使它與引線20不會相對於工具發生移動。然後將引線18插入工具的中心孔直到引線18穿出工具孔的另一端。加熱絲42″緊密地繞在工具的螺紋中，加熱絲42″的自由端緊密地繞在引線18的自由端上。然後此工具、引線18、20、導管、加熱絲42″五者的組件用固定用具使之保持不動。為了便於參照附圖進行說明起見，假定組件總體上取與圖4所示的引線18、20和加熱絲42″的方向，在實際組裝這些部件時也可以選擇不同的方向。
在固定用具內，引線18、20的上端部保持分開，且每個暫時比如採用夾緊的方法固定住，使它們不能轉動或軸向移動。引線18的下端部也暫時固定以使它不能發生轉動或軸向移動。然後將工具從線圈中擰出，以將工具從螺旋加熱絲42″取出。同時將使引線18上端部固定住的裝置取下，以使工具能完全從組件上脫出。然後再將引線18的上端部暫時固定。在取下工具後，使引線20和導管橫向移動以停靠在引線18上，而導管則被暫時固定。然後將固定引線18的下端部的裝置取下，將護殼24套在加熱絲42″上直到加熱絲42″到達底部靠近盲孔的封閉端部。然後將固定引線18上端部的裝置取下，以使引線18和加熱絲42″線圈轉動直到加熱絲42″線圈徑向張開而抵在護殼24的內周面上。如果需要引線18和與之相連的加熱絲可以進一步轉動以保持線圈直接與護殼36的內周面接觸。然後再次將引線18、20固定住，且空間上相互隔開。此後將固定導管的裝置取下，將導管在引線20上向上滑移直到完全滑出盲孔34。然後將填料62加入盲孔34(比如採用注射器)以完全填滿其內的任何空隙。使加入盲孔34內的填料凝固，然後將引線18、20、加熱絲42″、護殼24和填料62構成的組件從固定用具上取下。
為了將加熱絲42″製造成雙螺旋形的加熱元件組件，可用一雙螺旋螺杆取代上述繞線工具。此時，採用兩個較短的管件以使引線定位，並可採用一端部有狹槽的可卸的第三個部件來與加熱絲的下端部嚙合。旋轉第三個部件以拉緊線圈，使其平均直徑在與護殼24組裝前縮小。然後在用填料充填盲孔34前將第三個部件和導管取下。
圖5示出了另一種實現同樣的基本目的的方法，它涉及將加熱絲42″和連接到加熱絲42″(比如採用對焊的方法)的較大引線20繞在比護殼24內徑小一些的拋光上蠟的修改過的螺杆工具上。螺杆的螺紋車削成或磨成其外徑與線圈中心線直徑非常接近。將此工具插入護殼24並用填料62浸沒以完全埋住繞得很緊的加熱絲42″線圈以及與之相連引線20的相鄰部分。螺杆有一中心孔以容納中心引線18。使填料62硬化，然後將螺杆工具小心地擰下，留下繞得很緊的加熱絲42″線圈以及一部分引線20埋在填料62內。然後將中心引線18插入盲孔34並與護殼24的縱軸對齊。然後再在盲孔34中加入填料62以完全填滿盲孔34內的剩餘空隙。為了將加熱絲42″和引線20製成雙螺旋形式的加熱元件組件，可採用雙螺旋螺杆以取代該繞線工具。
最好採用組裝圖4所示加熱元件組件10″的第一種方法，因為加熱絲42″的線圈與護殼內周面36直接接觸，這能提高從加熱裝置26到護殼24的傳熱。在這種結構中也容易施加填料，且在其後的組裝步驟中受到破壞的可能性較少。
與圖1、2、3實施例相比，相信圖4中的實施例有以下優點。首先，加熱絲42″的線圈直接與護殼24的內周面36相接觸。與以填料62作為中介面相比，這種直接接觸提供了更有效的傳熱。在加入填料62前進行組裝的過程中，彈簧狀加熱絲42″的線圈張開而抵在內周面36上，更有利地使加熱絲42″定位在護殼盲孔34內。而且，線圈能適應內周面36上可能存在的不規則性。其次，填料62也更容易加入，因為有更多的敞開空間以及因沒有芯棒而增加了流通的機會。第三，完全取消了芯棒，從而相應減少了成本。
在圖1所示的熱線點火塞12工作時，電流通入引線18，經過加熱絲42並由引線20離開。較小直徑的加熱絲42在加熱絲中產生了比電路其他部分為大的電阻，從而產生熱量。此熱量能有效地由填料62連通到護殼24的外周面28，以幫助不易自動點火的燃料點火。
與已知平面加熱絲相比，在護殼24內的加熱絲42的周面對稱布置熱量(由加熱絲42產生)在護殼24的外周面28上形成更均勻或更周向對稱的分布。加熱線42的較小螺距線圈將由熱線點火塞12產生的熱量集中到加熱元件組件10的自由端。加熱絲42的第一端部54上的較大螺距線圈在熱線點火塞體14內的較直的電引線和較小螺距線圈間提供了較平緩的溫度過渡變化。這種溫度變化有利於保證沿加熱元件組件10的縱軸沒有劇烈的溫度梯度。
用由仔細選擇的陶瓷材料製成的保護殼提高了耐腐蝕和抗氧化的能力。比如，與基於氮化矽的材料相比，採用基於氧化鋁的陶瓷材料使抗鈉腐蝕的能力在數值上提高了1至2個數量級。而且，用顆粒狀材料來加強不同的陶瓷材料也使抗熱衝擊能力和強度大為提高。申請人的設計方法有利於為護殼24篩選合適的材料。
比如，在運轉的內燃機中連續通電的熱線點火塞中可採用此改進的加熱元件組件以保證較低十六烷值燃料的點火。這種設計可在非常惡劣的環境下保護熱線點火塞加熱元件組件，從而使它們比從前已知的熱線點火塞加熱元件組件具有更長的壽命。此改進的加熱元件組件也可用於其他燃燒用途中，比如工業用爐，其中需要較耐用的表面點火元件以點燃或助燃燃料。
通過研究附圖、說明書及後附的權利要求書可了解本發明的其他方面、其他目的及其他種種優點。
權利要求
1.一種用於熱線點火塞的加熱元件，其特徵在於，包括一整體式的、耐火的、耐腐蝕的、基本不透氣的陶瓷護殼，所述護殼包括一具有一封閉端部並形成一盲孔的較薄的基本上為環形的壁；用來發出熱量的加熱裝置，所述加熱裝置位於護殼的盲孔內且能與電源相連；用來將熱量從加熱裝置傳到護殼的傳熱裝置。
2.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，護殼及加熱裝置的材料性能和結構根據防止護殼和加熱裝置內的最大熱應力和機械應力超過製成護殼和加熱裝置的材料的各自最小強度來選擇。
3.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述護殼和加熱裝置都有一熱膨脹係數(α1，α2)、一外徑(D1，D2)、它們各自工作溫度和環境溫度間的溫差(△T1，△T2)，其中加熱裝置的熱膨脹係數(α2)、直徑(D2)、工作溫度和環境溫度間的溫差(△T2)三者的乘積小於或等於護殼的熱膨脹係數(α1)、直徑(D1)、工作溫度和環境溫度間的溫差(△T1)三者的乘積。
4.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，護殼的所述環形壁有一由下式限定的可允許的最大厚度(tmax)tmax＝ ((f)(MOR)(k))/((∝)(E)(Q/A))其中，tmax＝護殼環形壁在熱流方向上的最大允許厚度;f＝大於0而等於或小於1的預先因子;MOR＝護殼的斷裂係數;k＝護殼的導熱率;∝＝護殼的熱膨脹係數;E＝護殼的彈性係數;Q/A＝熱通量。
5.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，護殼所述的環形壁有一形成一盲孔的內周以及一基本光滑的外周面。
6.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述護殼是不導電的。
7.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述護殼基本上由陶瓷氧化物材料製成。
8.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述護殼基本上由複合陶瓷氧化物材料製成。
9.如權利要求8所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述的護殼用顆粒狀材料加強。
10.如權利要求9所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述顆粒材料是從氧化物、碳化物、氮化物和硼化物物質組中選出的一種陶瓷。
11.如權利要求8所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述護殼含有約60至95%體積的氧化鋁和約5至40%體積的碳化矽晶須。
12.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述的護殼基本上由從氧化鋁、氧化鈹、氧化鈦、氧化釔、麻來石、磷酸鋯鈉、氧化鉻密實氧化鋁的物質組中選出的一種陶瓷材料製成。
13.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述加熱裝置包括一電阻加熱絲。
14.如權利要求13所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述加熱裝置包括一由不導電的剛性材料製成的芯棒，所述芯棒位於護殼的盲孔內並與護殼的環形壁隔開，所述加熱絲螺旋地繞在芯棒上。
15.如權利要求14所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述芯棒有一第一端部和第二端部，繞在芯棒第一端部的所述加熱絲有一第一預先螺距(P1)，繞在芯棒第二端部的所述加熱絲有一大於第一螺距(P1)的第二預選螺距(R2)。
16.如權利要求14所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述的芯棒基本上用麻來石製成。
17.如權利要求13所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述芯棒有一外周面，所述外周面有第一端部和第二端部，所述芯棒的第二端部有一端，所述加熱絲位於護殼的盲孔內並與護殼隔離開，所述加熱絲有第一端部和第二端部及位於它們之間的中間端部，加熱絲的所述中間端部緊靠在芯棒第二端部的端旁，加熱絲的所述第一端部以一第一預選螺距(P1)繞在芯棒外周面的第一端部上，所述加熱絲的第一端部以一大於第一螺距P1的第二預選螺距(P2)繞在芯棒外周面的第二端部上，加熱絲的所述第二端部在芯棒的第二和第一端部間延伸並與護隔離開。
18.如權利要求17所述的加熱元件組件，其特徵在於，加熱絲的所述第二端部繞在芯棒外周面上並與之緊密接觸，加熱絲的所述第二和第一端部相互隔開並總體形成一雙螺施絲，所述雙螺旋絲以約雙倍於第二螺距(P2)的螺距螺旋地繞在芯棒的第二端部上，所述雙螺旋絲以約雙倍於第一螺距(P1)的有效螺距螺旋地繞在芯棒的第一端部上。
19.如權利要求18所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述加熱絲為一連續的單股金屬絲。
20.如權利要求17所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述芯棒有一縱向孔，加熱絲的所述第二端通過位於芯棒第二端部和第一端部之間的芯棒孔而延伸。
21.如權利要求17所述的加熱元件組件，其特徵在於，芯棒第二端部的所述端有一槽，加熱絲的所述中間部位於此槽內。
22.如權利要求17所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述第一螺距(P1)約為每釐米9.44圈(約每英寸24圈)，所述第二預選螺距(P2)約為每釐米25.2圈(約每英寸64圈)。
23.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述加熱裝置包括一位於盲孔內並與護殼環形壁內周面直接周向接觸的螺旋形電阻加熱絲。
24.如權利要求23所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述螺旋形電阻加熱絲為製成一單螺旋線的第一加熱絲，所述加熱裝置還包括一第二電阻加熱絲，此第二電阻加熱絲延伸入盲孔並相對於第一加熱絲總體上經向向內隔開，同時與第一加熱絲在護殼封閉端部附近相連接。
25.如權利要求23所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述第一和第二加熱絲都有一橫截面面積，其中第一加熱絲的橫截面面積小於第二加熱絲的橫截面面積。
26.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述加熱裝置包括一電阻加熱絲，它成雙螺旋絲結構並位於盲孔內，且與環形壁內周面直接接觸。
27.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述加熱裝置包括一位於盲孔內並與護殼環形壁內周面經向隔開的螺旋形加熱絲。
28.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述傳熱裝置是不導電的。
29.如權利要求28所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述傳熱裝置包括一位於盲孔內加熱裝置和護殼之間的耐火導熱填料。
30.如權利要求29所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述填料是基本上用鋁酸鈣和水製成的粘結材料。
31.如權利要求29所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述填料為基本上由矽酸鋯和水製成的粘結材料。
32.如權利要求29所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述填料基本上由氧化鎂粉末製成。
33.如權利要求29所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述填料包括用來提高填料導熱率的顆粒料。
34.如權利要求33所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述顆粒料包括從碳化矽、鉑和鉬的物質中選出的顆粒。
35.如權利要求1所述的加熱元件組件，其特徵在於，所述傳熱裝置在加熱裝置和護殼環形壁之間直接周向接觸。
36.一種用於熱線點火塞的加熱元件組件，其特徵在於包括一基本上圓筒形整體式的、耐火、耐腐蝕、基本不透氣的陶瓷護殼，所述護殼包括一具有封閉端並形成一盲孔的較薄的且基本上光滑的環形壁;用來發出熱量的加熱裝置，所述加熱裝置包括一位於護殼盲孔內並可與電源連接的連續的單股電阻金屬絲;以及用來當熱線點火塞加熱元件組件通電時將熱將從加熱裝置傳到護殼的傳熱裝置，所述傳熱裝置包括位於盲孔內的耐火、導熱、不導電的填料。
37.一種用於熱線點火塞的加熱元件組件，其特徵在於包括一整體式的、耐火、耐腐蝕，基本上不透氣的護殼，所述護殼包括一具有一封閉端並形成一盲孔的較薄的基本上為環形的壁，護殼的所述環形壁有一由下式限定的最大允許厚度tmaxtmax＝ ((f)(MOR)(k))/((∝)(E)(Q/A))其中，tmax＝護殼環形壁在熱流方向上的最大允許厚度;f＝大於0而等於或小於1的預選因子;MOR＝護殼的斷裂係數;k＝護殼的導熱率;∝＝護殼的熱膨脹係數;E＝護殼的彈性係數;Q/A＝熱通量。用來發出熱量的加熱裝置，所述加熱裝置位於護殼的盲孔內並可與電源連接;用來將熱量從加熱裝置傳到護殼的傳熱裝置。
全文摘要
傳統的熱線點火塞工作壽命極短，且點火塞往往由於熱應力和/或氧化和腐蝕而失效。這裡揭示了一種用於熱線點火塞的改進的加熱元件組件。它包括一具有形成一盲孔的較薄且基本環形的壁的整體式護殼。還包括位於盲孔內且能發出熱量的加熱裝置和一能將熱量從加熱裝置傳至護殼的傳熱裝置。加熱裝置由用預選材料製成的護殼保護，此材料的選擇及其結構使加熱元件組件因熱應力、氧化和/或腐蝕而失效的可能性最小。
文檔編號F23Q7/00GK1056732SQ9110341
公開日1991年12月4日 申請日期1991年5月17日 優先權日1990年5月17日
發明者凱裡·A·託, 斯科特·F·謝弗, 約翰·M·貝利, 米歇爾·M·布蘭科 申請人:履帶拖拉機股份有限公司