多層發熱元件的製作方法

2023-07-03 22:18:56

專利名稱：多層發熱元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及發熱元件，特別是涉及陶瓷發熱元件，例如用於柴油機和燃 氣點火機中的高溫電熱塞的陶瓷發熱元件，以及該發熱元件的製造方法。
背景技術：
陶瓷發熱元件，例如圖l所示的電熱塞，是工業應用中常用的元件。如 圖1所示，電熱塞2典型地包括具有導電芯8的發熱元件，其中導電芯8由 電絕緣層6包覆。該絕緣層6由外阻層4包覆，該外阻層4在電連接區域9 與所述導電芯8接觸。為製造圖1所示的電熱塞2，通過在多孔模具中將不 同成分的懸浮液順序注漿成型形成多個層來製成所述層狀結構，而後燒結該 層狀結構以形成一個單體結構。再將所得到的單體結構電性連接，從而形成 陶瓷發熱元件。
連續澆注帶來一個問題，即發熱元件的幾何結構通常限於允許各漸進層 緊靠前一層上成型而形成的形狀。在注漿成型的情況下，各層的結構通常限 於厚度非常均勻的薄層，或者主要為實心結構、但由於澆鑄材料固化時管道 的出現可部分呈現空心狀的芯部。這種層的連續堆疊限制了發熱元件的幾何 構型，並使得各層無法最優化地用於發熱元件中，無法最優化地用於具體應 用中。
圖1所示類型的電熱塞2的另一個缺點是連續成層會造成層與層之間產 生不連續界面，當該電熱塞在冷和熱溫度之間循環工作時，會產生故障。為 減小故障發生率，許多製造商在較理想的發動機有效運行的溫度更低的溫度
5下循環使用電熱塞。更特別地，當電熱塞在不同溫度之間循環工作時，由於 不同成分的層之間存在的熱膨脹率不同，電熱塞經受內應力作用。當不同層 以不同的熱膨脹率膨脹和接觸時，會產生應力，導致電熱塞故障，通常是電 熱塞的發熱元件內的故障。
圖1所示類型的電熱塞2的另一個缺點是導電芯8和外阻層4之間的電
連接區域9接近電熱塞2的外表面，在使用過程中會被周圍大氣氧化。電連 接區域9處的充分氧化通過形成一電絕緣氧化層或者形成一具有界面多孔性 的多孔層，使該電連接區域9退化直至導電芯8和外阻層4之間電流不再流 經的程度，從而導致電流流經時電熱塞不會發熱。
圖l所示類型的電熱塞2還有一個缺點，g卩，注漿成型過程產生的層厚 度和幾何形狀的矛盾導致各加工部分之間電阻不一致。該多個注槳成型層由 依靠模具或依靠在先形成的一層注漿成型表面的一逐漸累積的材料形成。一 旦達到期望的厚度，就去除多餘的注漿泥料。層厚度主要通過控制注漿成型 時間來控制，但該層厚度也受其他因素的影響，包括注漿泥料的流變性質、 模具的滲透性以及任何在先注漿成型層的滲透性。此外，在去除多餘的注漿 泥料時，新注漿成型的表面在短時期內為溼的，該少量保持液態的泥料可形 成滴或流，進一步造成層厚度的不一致。這些因素中任一因素都會導致層厚 度產生微小變化，而這些層的厚度的不一致性導致電熱塞的電阻產生變化以 及電熱塞發熱輪廓產生變化。
因此，需要提供一種用於電熱塞的發熱元件，以克服現有技術存在的上 述缺點，特別是一種內部熱應力低、使用壽命長、耐用性好的電熱塞的發熱 元件，該電熱塞的發熱元件具有優化的發熱幾何形狀以及精確可控和再生的 發熱性能。

發明內容
本發明涉及發熱元件，特別是涉及用於電熱塞和燃氣點火機的發熱元件， 以及該發熱元件的製造方法。所述發熱元件一般包括由電絕緣材料形成或起 電絕緣材料作用的第一層和導電材料製成的且成型於圍繞部分所述第一層之 外的第二層。通過改變所述第一層的幾何輪廓和注塑模具的幾何輪廓，可沿所述發熱元件的長度或圍繞該發熱元件的外周改變所述導電層的厚度，為特 定應用場合提供所需的發熱輪廓。所述第一層的成型輪廓和用於模製導電層 的模具的輪廓可以容留這些幾何輪廓和變化，這些幾何輪廓和變化都是採用 注漿成型方法無法實現的。而且，通過將導電層成型為在第一電連接和第二 電連接之間延伸的單件，去除了層與層之間的不連續界面並消除了電界面， 從而防止了現有方法中存在的各種問題出現。
本發明包括形成發熱元件的方法，該方法包括下列步驟形成第一層； 將所述第一層放置於模具中；以及，將導電層成型於所述第一電絕緣層周圍。
為了能夠更進一步了解本發明的適用範圍，請參閱以下詳細說明、權利 要求、以及附圖。然而，很明顯，本領域內的普通技術人員能夠在本發明的 精神和範圍內對本發明做各種改變和修改，因此，應當理解，該詳細說明和 具體實例，指本發明的較佳實施例，僅通過舉例的方式對本發明進行說明。


為更充分地理解本發明，以下結合具體實施例、所附權利要求以及附圖 對本發明進行詳細描述，其中
圖1是現有技術注漿成型的發熱元件的剖視圖2是發熱部集中於第一端的本發明的剖視圖3是具有延長的發熱部的本發明的剖視圖4是發熱部主要集中於第一端的本發明的剖視圖5是發熱部主要集中於第一端的本發明的剖視圖6是形成發熱元件的方法步驟的示圖7是形成發熱元件的第一可選方法的示圖8是形成發熱元件的第二可選方法的示圖9是沿圖8中的9-9線的第一層的剖視圖IO是沿圖8中的10-10線的位於模具中的第一層的剖視圖；以及
圖11是沿圖8中的11-11線的成型的發熱元件的剖視圖。
具體實施方式
如圖2-5所示，本發明發熱元件10具有由電絕緣材料形成的電絕緣層
20和由導電材料形成的導電層30。如圖2所示，導電材料附著於允許電流流 經該導電材料以產生熱的第一電接觸部40和第二電接觸部42，所產生的熱 主要集中於導電層30厚度最小且具有最小橫截面積的位置處。雖然圖2僅舉 例說明了電接觸部40和42，但該發熱元件IO—般設有尺寸、形狀和結構可 變的多個電接觸部。發熱元件還可包括具有各種結構和形狀的基部14。
絕緣層20進一步包括產生幾何輪廓的外表面22，所述幾何輪廓的形狀 和尺寸可變以產生所需的發熱輪廓。絕緣層20—般包括第一端26、第二端 28和中心部27。通道24從第一端26延伸至第二端28。
絕緣層20 —般由絕緣材料形成，並可採用由任何已知的電絕緣體通過任 何己知的方法製成。這些方法包括擠壓、模塑、粉末壓制和其他方法。可形 成並燒結具有膠凝添加劑和一定的熱塑性材料的陶瓷粉末來加工製造性能良 好的絕緣體。例如，絕緣材料可採用例如氮化矽、碳化矽、氧化鋁、氮化鋁 等材料，或者其他陶瓷材料。這些列出的可能的絕緣件並不會限制可用於形 成絕緣體的材料。該絕緣材料可由具有良好的電絕緣性能或者通常作為絕緣 材料用於發熱元件的任何材料構成。該絕緣材料也可以包含電絕緣材料基體 中的導電顆粒，例如二矽化鉬和氮化矽的複合材料，其中具有傳導性的二矽 化鉬顆粒的含量低於滲濾閾值，因此其彼此電絕緣。
通過模塑或通過其他所列方法，可形成各種形狀的絕緣層20，例如圖3 和圖4所示形狀的絕緣層，這是現有技術採用注漿成型方法無法實現的。更 可取地是，採用可以可靠地模製成各種形狀的材料製成絕緣層20。圖4和圖 5舉例說明了第一端26處的外徑大於中心部27處的外徑的輪廓。第二端28 也可具有較中心部27大的直徑，有時，該直徑大於第一端26的直徑。可見， 絕緣層20可高度用戶化，以在與導電層30結合時提供特定的發熱輪廓。
導電層30 —般由允許電流在第一電接觸部40和第二電接觸部42之間流 動的導電材料製成。該導電層30 —般形成發熱元件10的外表面12。通過改 變絕緣外表面22和導電外表面32之間的厚度，可調整發熱輪廓。例如，如 圖3所示，中心通道24中填滿導電層30的導電材料，其厚度相對較大，以 減小阻抗，方便電流流動。然而，發熱元件10發熱部16中的導電層30的厚度較小，從而產生較大阻抗，並增加發熱部16附近熱輸出的量。因此，當電
流流經第一和第二電接觸部40、 42之間時，在導電層30較薄的區域中，發 熱量將是最大的。如圖2所示，該較薄區域僅限於發熱元件IO末端的一部分， 從而產生主要集中於第一端26附近的發熱輪廓。通過改變絕緣層20或者導 電層30的輪廓可改變該發熱輪廓。
如圖3所示，導電層30從最接近絕緣層20第一端26的區域沿中心部 27向第二端28延伸。這就形成了進一步延伸的發熱輪廓，其熱容量較圖2 所示發熱元件的熱容量大。
圖4所示的發熱元件10包括主要集中於絕緣層20第一端26附近的發熱 部，其厚度小於絕緣層中心部27附近的厚度。因此，發熱元件10的發熱輪 廓主要集中於該絕緣體第一端26附近，然而，該發熱元件的確提供了沿絕緣 體中心部27分布的一些熱量。圖5是圖4中的發熱元件進一步變化後的視圖， 其中導電層30進一步沿絕緣體的中心部27向第二端28延伸。
如圖8中步驟301和圖9-11中所示，發熱元件可包括沿外表面22分布 的突出部，該突出部便於在用導電層包覆成型的容納絕緣層20模具中確定發 熱元件的中心。這些由絕緣層20形成的突起也可通過在發熱元件10外表面 12上形成不發熱的區域來修改所述發熱輪廓。典型地，這些突起中至少三個 突起會用於確定該絕緣部分在模具中的中心；然而，可根據幾何形狀和模具 來確定採用更多或更少的突起。導電層30可由各種已知的導電材料製成，例 如由現今典型用於電熱塞中的陶瓷物質包括二矽化鉬、氮化鈦、氮化鋯和硼 化鈦構成的導電材料。該導電材料也可以通過在導電材料基體中包含電絕緣 性顆粒而形成，例如二矽化鉬和氮化矽的複合材料，其中具有傳導性的二矽 化鉬顆粒存在於高於滲濾閾值的情況下，從而形成穿過該材料的連續導電路 徑。該導電層還可由金屬構成，例如鉑、銥、錸、鈀、銠、金、銅、銀、鎢 及其合金，此處僅舉例說明。通常，導電層30需要由便於在模具中模製的導 電材料製成。可採用任何當前用於發熱元件的導電材料或耐熱材料。
一般形成發熱元件10的方法，首先形成絕緣層20，如圖6中的步驟101、 圖7中的步驟201以及圖8中的步驟301所示。第二步驟中，提供注塑成型 模具50，該注塑成型模具50的幾何輪廓將形成發熱元件10的外表面12，如圖6中的步驟102、圖7中的步驟202以及圖8中的歩驟302所示。 一旦絕 緣層20在絕緣材料外部形成所需幾何形狀，例如通過模塑粉末成形或其他方 法在絕緣材料外部形成所需幾何形狀，則將該絕緣層20插在注塑成型模具 50中，如圖6中的歩驟103、圖7中的歩驟203以及圖8中的步驟303所示。 在將絕緣層20放入模具50中之後，迫使熔化的導電材料注入模具，如圖6 中的步驟104、圖7中的步驟204以及圖8中的步驟304所示。在將熔化的 導電材料注入模具充分填滿各空隙後，讓材料冷卻凝固，如圖6中的步驟105 以及圖8中的步驟305所示。然後所形成的發熱元件10從模具50中移出， 如圖6中的步驟106、圖7中的步驟205以及圖8中的步驟306所示。再燒 結所述發熱元件IO，以形成單體材料(圖未示)。在圖7所示的方法中，在 步驟6將多餘的材料去除。
本領域的普通技術人員會理解通常通過首先形成一組精細分割的微粒， 再燒制該組微粒以將其燒結為單一工件，來形成陶瓷材料。陶瓷材料通常通 過下列步驟注塑成型將這些顆粒與熱塑性介質或粘結劑混合，所述熱塑性 介質或粘結劑例如，但不限於，蠟，聚乙烯，或這兩種物質的混合；接著， 加熱所得到的混合物，使得熔化的混合物充分流動來填滿模具空腔；再將塑 造的工件冷卻，形成可從模具移出的剛性零件。可選地，也可採用非熱塑性 粘結介質，例如瓊脂/水。取出零件後，採用通常稱為脫脂的方法將該粘結介 質去除，該方法包括溶劑萃取和熱脫脂步驟。然後，在適合條件下燒制零件， 使得顆粒燒結在一起，形成最終的單體工件。
第一層可由絕緣的或者在一些實施例中甚至非絕緣的材料形成。通過採 用稍後可從最終澆鑄零件上除去的材料製成第一層能夠提供一種採用上述步 驟製成發熱元件的方法，然而，該方法還具有一個附加步驟(圖未示)，從導 電層30中除去第一層材料。第一層的去除使得該導體產生空心，可以起到絕 緣體的作用。空心的設置，消除了熱膨脹差異，延長了發熱元件的壽命。因 此，第一層可採用任何已知用於澆鑄或注塑過程中的材料，以能夠在澆鑄過 程中隨後被去除或破壞。在將第一層去除後，可加入絕緣或剛性層，例如不 會促進所述包覆成型過程的絕緣體，來填充導電層中的空穴，從而為導電層 提供剛性。如圖6和圖7所述，絕緣層20的第二端28可與模具的內表面配合，將 絕緣層20固定於模具50空腔內適當位置處。這確保了在模具50內進行適當 布置，以使熔化的導電層30流動並強制注入模具，產生所需的輪廓，而絕緣 層不會移動。然而，在一些實施例中，在絕緣層20上設置如圖9所示的突起 更為合適，如圖8中的步驟303和圖10所示，這些突起與模具配合。這些突 起通過提供彼此遠離的兩個區域與模具接觸，確保了模製過程中絕緣層20 均位於適當位置處。
通過採用與當前用於形成火花塞絕緣體的方法類似的擠壓成型或粉末壓 制方法形成第一層，該第一層可具有特定的幾何輪廓。該第一層可由與導電 層結合使用的絕緣材料製成，或者由將導電層包覆成型於第一層上後便於去 除的材料製成。第一層的幾何輪廓與導電層30的幾何輪廓相結合時，可形成 發熱元件10的發熱輪廓，該發熱輪廓允許存在過熱區和過冷區，甚至存在沿 該發熱元件上的外周以及沿長度逐漸變化的平滑區。因此，需要時，可形成 具有例如位於發熱元件10半圓周上的的過熱區的發熱輪廓，該發熱輪廓可從 絕緣層20的第一端26上去除，以便在該發熱元件10上，發熱元件10的末 端以及其至少一半的圓周和朝向第二端的部分較所需過熱區處的溫度低。這
些類型的發熱輪廓是現有製造發熱元件的方法所無法獲得的。
前述討論揭示並描述了本發明的示範性實施例。本領域的普通技術人員 很容易根據這些討論、附圖以及權利要求，對本發明做各種改變、修改和變 更，而不脫離由所附權利要求確定的本發明的真實精神和合理範圍。
權利要求
1、一種發熱元件，包括導電層；以及電絕緣層；其中所述導電層包括完全形成於所述電絕緣層內的部分，該電絕緣層包括完全形成於所述導電層內的部分。
2、 根據權利要求1所述的發熱元件，其特徵在於，該發熱元件包括由所 述導電層形成的第一外表面，所述電絕緣層具有外絕緣表面，所述導電層具 有在所述外絕緣表面和所述第一外表面之間的厚度。
3、 根據權利要求2所述的發熱元件，其特徵在於，所述厚度是可變的， 厚度較小的區域具有較大的電阻。
4、 根據權利要求3所述的發熱元件，其特徵在於，所述厚度沿該發熱元 件的長度變化。
5、 根據權利要求3所述的發熱元件，其特徵在於，所述厚度圍繞該發熱 元件的外周變化。
6、 根據權利要求1所述的發熱元件，其特徵在於，該發熱元件具有長度， 所述電絕緣層包括外絕緣表面，所述外絕緣層的直徑沿所述長度變化。
7、 一種發熱元件，包括 具有第一直徑的基部；以及形成於所述基部一端的發熱部，該發熱部具有第二直徑； 其中，所述第一直徑大於所述第二直徑，所述發熱部包括電絕緣層和導 電層，該導電層具有第一厚度和第二厚度，所述第二厚度大於所述第一厚度。
8、 根據權利要求7所述的發熱元件，其特徵在於，所述基部具有所述第 二厚度，所述發熱部具有所述第一厚度。
9、 一種發熱元件，包括 具有第一幾何輪廓的第一層；以及成型於所述第一層上的第二層，該第二層具有形成第二幾何輪廓的外表 面；其中所述第一幾何輪廓和第二幾何輪廓在所述第二層中形成可變厚度。
10、 根據權利要求9所述的發熱元件，其特徵在於，所述可變厚度形成 較高電阻區域和較低電阻區域。
11、 根據權利要求10所述的發熱元件，其特徵在於，所述第一幾何輪廓 和第二幾何輪廓被設計來最優化發熱輪廓。
12、 根據權利要求9所述的發熱元件，其特徵在於，所述第一層是電絕 緣體，所述第二層是導電材料。
13、 根據權利要求12所述的發熱元件，其特徵在於，所述電絕緣層和所述導電層具有大致相同的熱膨脹特性。
14、 根據權利要求13所述的發熱元件，其特徵在於，所述電絕緣層由聚 苯乙烯形成。
15、 一種具有長度的發熱元件，包括 具有至少兩個突起的第一層；以及第二層，充分包圍所述第一層發熱元件長度的至少一部分；其中所述第二層和所述至少兩個突起形成外表面。
16、 根據權利要求15所述的發熱元件，其特徵在於，所述第一層包括至少三個突起。
17、 一種形成發熱元件的方法，包括 形成具有至少三個突起的第一層；將所述第一層插入模具，以使所述突起與所述模具配合；以及 至少部分地圍繞所述第一層形成導電層。
18、 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述形成導電層的步驟 包括將熔化的導電材料注入所述模具的步驟。
19、 根據權利要求17所述的發熱元件，其特徵在於，所述第一層具有中 心通道和外表面，所述第二層設於所述中心通道內並包圍所述外表面的至少 一部分。
20、 根據權利要求19所述的發熱元件，其特徵在於，所述第二層無接頭 或界面地形成。
21、 根據權利要求19所述的發熱元件，其特徵在於，所述第二材料作為 單件形成。
22、 一種發熱元件，包括具有第一端、第二端和位於所述第一端和第二端之間的中心部的第一層， 其中所述第一端和第二端的直徑大於所述中心部的直徑；以及 第二層。
23、 根據權利要求22所述的發熱元件，其特徵在於，所述第二層導電，以提供電阻發熱。
24、 根據權利要求22所述的發熱元件，其特徵在於，所述第一層是電絕 緣體。
25、 根據權利要求22所述的發熱元件，其特徵在於，所述第二層成型於 所述電絕緣層周圍。
26、 根據權利要求22所述的發熱元件，其特徵在於，所述第二層具有外 表面，該外表面最接近所述第一層第一端處的直徑小於該外表面最接近所述笛一 巨cb ,1、、卻/ k的古52>
27、 一種形成發熱元件的方法，包括 採用第一材料澆鑄芯； 在所述芯上包覆成型導電材料；以及 將所述芯從所述導電材料去除。
28、 根據權利要求27所述的方法，其特徵在於，進一步在所述去除所述 芯的步驟之後，包括將電絕緣材料加至所述導體材料的步驟。
全文摘要
一種發熱元件，特別是一種陶瓷發熱元件，例如用於柴油機和燃氣點火機中的高溫電熱塞的陶瓷發熱元件。該發熱元件包括一電絕緣層和一導電層。該導電層由單一材料和單一組合物形成。該加工方法包括形成該絕緣層和在該絕緣層周圍模塑一導電層的步驟。
文檔編號F23Q7/22GK101449103SQ200780018494
公開日2009年6月3日 申請日期2007年3月21日 優先權日2006年3月23日
發明者威廉·J·沃克, 約翰·W·霍夫曼, 詹姆斯·L·梅 申請人:費德羅-莫格爾公司