具有改进的密封的电晕点火装置的制作方法

文档序号:11935410阅读:259来源:国知局
本专利申请要求2014年8月10日提交的、序列号为62/035,452的美国临时专利申请和2015年8月10日提交的、序列号为14/822,073的美国实用专利申请的权益,这些专利申请的所有内容通过引用而并入本文。发明背景1.发明领域本发明主要涉及用于点火装置的玻璃密封,更具体地,涉及包括玻璃密封的电晕点火器及其形成方法。2.相关技术玻璃密封常常被用来在点火装置(例如电晕点火器)的导电部件(诸如中心电极)与绝缘体之间形成密封结合。典型地通过把玻璃粉放置在绝缘体的开孔中,然后把绝缘体、中心电极和玻璃粉一起放置在炉中烘烤而形成电晕点火器的玻璃密封。该热量也使得玻璃密封的某些成分膨胀,因此在绝缘体与中心电极之间形成结合。然而,随着玻璃粉在中心电极与绝缘体之间的熔化和膨胀,形成了气泡或气孔,即使玻璃密封冷却到室温,那些气泡或气孔仍留在成品电晕点火器的玻璃密封中。因此,当电晕点火器在内燃机中使用并受到高电场时,电场使包含在气泡或气孔中的气体电离或形成电晕。电离的气体产成级联的电离电荷,其把热量传送到周围的固态绝缘体。出现热击穿机制,这会产生介质击穿。当气泡或气孔很大时,特别能断言由气体造成的这种介质击穿的影响,在此情形下,会发生绝缘体的介质失效。穿过绝缘体到膨胀的玻璃密封的介质穿透可能会导致电晕点火器失效。技术实现要素:本发明的一个方面提供了一种导电玻璃密封,其导电率在9x106S/m到65x106S/m,用于提供电晕点火装置的导电部件与绝缘体之间的密封结合。基于玻璃密封的总重量,玻璃密封包括总量为50.0到85.0重量百分比(wt.%)的玻璃,以及含量为15.0到50.0重量百分比(wt.%)的导电金属粒子。基于玻璃密封的总体积,玻璃密封还包括含量为25.0到75.0体积百分比(vol.%)的气孔。本发明的另一方面提供一种电晕点火器,其包括围绕导电部件的绝缘体和导电玻璃密封,所述导电玻璃密封提供电晕点火装置的导电部件与绝缘体之间的密封结合。基于玻璃密封的总重量,所述导电玻璃密封包括总量为50.0到85.0重量百分比(wt.%)的至少一种玻璃,以及含量为15.0到50.0重量百分比(wt.%)的导电金属粒子。玻璃密封的导电率从9x106S/m到65x106S/m。基于玻璃密封的总体积,玻璃密封还包括含量为25.0到75.0体积百分比(vol.%)的气孔。本发明的再一个方面提供了一种制造用于电晕点火器的玻璃密封的方法。该方法包括提供一种混合物,基于所述混合物的总重量,所述混合物包括总量为48.8到85.0wt.%的至少一种玻璃粉、含量为0.1到3.0wt.%的粘合剂、含量为0.1到1.0wt.%的膨胀剂、以及含量为14.8到50.0wt.%的导电金属粒子。该方法还包括烘烤所述混合物,以便形成玻璃密封,其中玻璃密封的导电率从9x106S/m到65x106S/m。本发明的另一个方面提供了一种制造电晕点火器的方法,所述电晕点火器包括提供导电部件与绝缘体之间的密封结合的导电玻璃密封。该方法包括把混合物置于导电部件与绝缘体之间,其中基于混合物的总重量,混合物包括总量为48.8到85.0wt.%的至少一种玻璃粉、含量为0.1到3.0wt.%的粘合剂、含量为0.1到1.0wt.%的膨胀剂、以及含量为14.8到50.0wt.%的导电金属粒子。该方法还包括烘烤所述混合物,以便形成玻璃密封,其中玻璃密封的导电率从9x106S/m到65x106S/m。导电粒子围绕在烘烤玻璃密封期间形成的任何气体填充孔。当火花塞在内燃机中使用并受到高电场时,导电粒子消除了越过气孔的电场。因此,消除了会造成介质击穿和经过火花塞的绝缘体的介质穿透的气体电离。附图说明当结合附图考虑时,参照以下的详细说明可以更好地理解本发明的其它优点,因此将很容易地看到本发明的其它优点,在附图中:图1是按照本发明示例性实施例的、包括导电玻璃密封的电晕点火器的截面图;图2是在烘烤步骤后的、图1所示导电玻璃密封的、沿A-A线的视图,其中包括玻璃、导电金属粒子和气体填充孔;以及图2A是图2的一部分的放大图。具体实施方式本发明的一个方面提供一种电晕点火器20,其包括导电玻璃密封22,导电玻璃密封22提供在至少一个导电部件,诸如中心电极24,与绝缘体26之间的密封结合,如图1所示。玻璃密封22的组成成分减小介质击穿的可能性,并因而减小电晕点火器20在内燃机中使用期间当其中心电极24或其它导电部件接收高频电场时穿过绝缘体26的介质穿透的可能性。导电玻璃密封22由粉状混合物形成,它包括导电粒子、至少一种粘合剂、膨胀剂与玻璃粉的混合物。在示例性实施例中,基于玻璃密封22的总重量,玻璃密封22包括含量为15.0到50.0重量百分比(wt.%)、优选20.0wt.%的导电金属粒子。基于用来形成玻璃密封22的粉末的总重量,用来形成玻璃密封22的粉末典型地包括含量为14.8到50.0wt.%的导电粒子。导电粒子可包括单种材料或不同材料的混合物。任何导电金属均可被用来形成导电粒子,但在示例性实施例中,导电粒子由主要由铜组成,或主要由铜组成。另外,导电粒子可包括各种形式,但在示例性实施例中,它们以铜屑形式被提供,所述铜屑的粒子尺寸小于325筛目或45微米。导电粒子使得玻璃密封22变得导电。在一个示例性实施例中,玻璃密封22的导电率的范围是9x106S/m到65x106S/m,或大于9x106S/m,优选大于30x106S/m。如上所述,在包括非导电玻璃密封的、可比较的电晕点火器中,在使用期间,气泡或气孔被电离并形成电晕,这会导致绝缘体的介质失效。然而,当在电晕点火器20中使用本发明的导电玻璃密封22时,导电粒子围绕气泡或气孔,由此在高射频电压施加到电晕点火器20时消除越过气泡或气孔的电场。由于沿导电玻璃密封22的气泡或气孔没有形成电晕放电,消除了穿过绝缘体26的电离击穿和介质穿透的诱发机制。根据粉末的总重量,用来形成导电玻璃密封22的粉末还包括数量最多为3.0wt.%的至少一种粘合剂。当玻璃密封22被引入绝缘体26的孔中时,粘合剂帮助把玻璃密封22的各种组分粘合在一起。优选地,玻璃密封22包括无机粘合剂与合成的或天然的有机粘合剂的混合物。当用来形成导电玻璃密封22的粉末在烘烤步骤期间被加热到玻璃熔化温度时,至少一部分粘合剂、典型地为有机粘合剂被烧尽,因此它不出现在烘烤过的玻璃密封22的组分中。在示例性实施例中,基于用来形成导电玻璃密封22的粉末的总重量,用来形成导电玻璃密封22的粉末包括数量高达2.0wt.%、或0.1到2.0wt.%、优选1.0wt.%的无机粘合剂。无机粘合剂可包括单种材料或不同材料的混合物。任何类型的无机粘合剂材料可用于玻璃密封22,但典型地,无机粘合剂包括天然黏土或工程黏土。在示例性实施例中,无机粘合剂由钠基膨润土或镁铝硅酸盐组成,或基本上由钠基膨润土或镁铝硅酸盐组成,其以名称销售。根据用来形成导电玻璃密封22的粉末的总重量,用来形成示例性实施例的玻璃密封22的粉末还包括数量高达2.0wt.%、或0.1到2.0wt.%、优选0.65wt.%的合成的或天然的有机粘合剂。合成的或天然的有机粘合剂可包括单种材料或不同材料的混合物。任何类型的合成有机粘合剂材料或天然有机粘合剂材料可用在玻璃密封22中。然而,在示例性实施例中,合成的或天然的有机粘合剂由聚乙二醇(PEG)和麦芽糊精或糊精组成,或基本上由这些物质组成。在这个实施例中,基于用来形成导电玻璃密封22的粉末的总重量,PEG以0.15wt.%的量存在,而麦芽糊精或糊精以0.5wt.%的量存在。基于用来形成导电玻璃密封22的粉末的总重量,用来形成示例性实施例的玻璃密封22的粉末还包括数量高达1.0wt.%、或0.1到1.0wt.%、优选0.5wt.%的膨胀剂。膨胀剂可包括单种材料或不同材料的混合物。任何类型的膨胀剂可被用于玻璃密封22,但在示例性实施例中,膨胀剂由碳酸锂组成,或主要由碳酸锂组成。当在烘烤步骤期间被加热到玻璃熔化温度时,至少一部分膨胀剂从固体转化成气体,因此使玻璃密封22膨胀。导电玻璃密封22的大部分典型地由玻璃形成。用来形成玻璃密封22的粉末包括多种玻璃粉,它是细粉状玻璃。基于玻璃密封22的总重量,玻璃粉存在的数量使得烘烤过的玻璃密封包括含量为50.0到85.0wt.%、优选80.0wt.%的玻璃。在示例性实施例中,基于用来形成导电玻璃密封22的粉末的总重量,玻璃粉以48.8到85.0wt.%、或50.0到84.8wt.%、优选80.0wt.%的数量存在。在一个实施例中,用来形成玻璃密封22的玻璃粉的量被选择成使玻璃粉与导电粒子之间的比值约为4比1。玻璃粉包括研磨玻璃,它可包含多种化学元素,这些化学元素被化学组合并熔合成单种材料。本领域已知的任何类型的玻璃都可以使用。可以用单种玻璃粉配制玻璃密封,或具有不同化学成分和不同特性的多种玻璃粉可以混合在一起。在示例性实施例中使用多种玻璃粉。基于玻璃粉的总重量,玻璃粉的所有成分包括含量为35到40wt.%、优选38.6%的二氧化硅(SiO3)。基于玻璃粉的总重量,玻璃粉还包括含量为20到28wt.%、优选26.9wt.%的氧化硼(B2O3);含量为10到15wt.%、优选11.7wt.%的氧化铝(Al2O3);含量为10.0到15.0wt.%、优选6.0到8.0wt.%、更优选7.3wt.%的氧化铋(Bi2O3);以及含量为3.0到5.0wt.%、优选4.8wt.%的氧化锌(ZnO)。基于玻璃粉的总重量,玻璃粉还包括总量为2.0到6.0wt.%的碱性金属氧化物,诸如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)的氧化物。在示例性实施例中,基于玻璃料的总重量,玻璃粉包括总量为4.7wt.%的碱性金属氧化物,其中1.5wt.%是氧化锂,3.1wt.%是氧化钠。基于玻璃粉的总重量,玻璃粉还包括总量为3.0到7.0wt.%的碱土金属氧化物,诸如镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)的氧化物。在示例性实施例中,玻璃粉包括总量为5.9wt.%的碱土金属氧化物,其中至少2.95wt.%是氧化锶,约1.9wt.%是氧化镁。然而,应当指出,也可以使用其它数量的碱性金属氧化物和碱土金属氧化物。用来形成玻璃密封22的玻璃粉和/或粉末还可包括少量的其它成分和/或杂质。表1提供用来形成按照本发明的玻璃密封22的一个示例的粉末成分,基于用来形成玻璃密封22的粉末的总重量,以重量百分比(wt.%)表示。表1成分总量玻璃粉77.85铜屑20钠基膨润土1碳酸锂0.5聚乙二醇0.15糊精0.5表2提供按照本发明的示例性玻璃粉成分,基于玻璃粉成分的总重量,以重量百分比(wt.%)表示。表2在表2的示例性成分中,碱性金属氧化物包括以下组中的一项或多项:氧化锂、氧化钠和氧化钾。在一个例子中,碱性金属氧化物的约三分之一是氧化锂,约三分之二是氧化钠。然而,可以使用任何比值的碱性金属氧化物。示例性成分的碱土金属氧化物包括以下组中的一项或多项:氧化镁、氧化钙、氧化锶和氧化钾。在一个例子中,一半以上的碱土金属氧化物是氧化锶,约三分之一是氧化镁。然而,可以使用任何比值的碱土金属氧化物。然而,本领域技术人员将会理解,除了所列出的那些物质以外或代替所列出的那些物质,可以使用其它类型的碱性金属和碱土金属。用来形成导电玻璃密封22的导电粉末可以通过各种不同的方法(包括本领域熟知的任何方法)来备制。典型地,该方法包括获得导电粒子、粘合剂、膨胀剂和玻璃粉,并且把那些成分混合在一起。一旦各成分被混合在一起,导电材料就可置于绝缘体26的孔中。在一个实施例中,在把导电材料置于绝缘体26中之前,先通过干混合把材料混合在一起。替换地,材料可以进行湿磨或与水混合,以形成悬浮液,然后喷雾干燥而形成多个颗粒状粒子或粉末。喷雾干燥步骤包括把悬浮液放置在加热的喷雾干燥器中,其中悬浮液形成含水的小液滴,水在加热的喷雾干燥器中闪蒸出来,留下小的球形粒子。然而,也可以使用其它方法来提供粒子或粉末形式的导电材料。例如,干粉可以在混合器或搅拌机中与随后加入少量的水进行干混合,这使得粉末混合物凝聚成颗粒状粒子,粒子随后被干燥或局部干燥。粒子或粉末相对容易处理,只产生一点粉尘,可以容易地被填塞,或以其他方式围绕中心电极24且围绕其它导电部件放置在绝缘体26的孔中,如果想要的话。一旦导电材料(典型地为粉末)被布置在绝缘体26的孔中,绝缘体26、中心电极24和导电材料一起在炉子中按照现有技术的任何方法烘烤。在烘烤步骤期间,导电粉的成分熔化和膨胀,围绕中心电极24填充绝缘体26孔的至少一部分,因此形成导电玻璃密封22,该导电玻璃密封22提供中心电极24与绝缘体26之间的紧密结合。烘烤温度根据导电材料的成分而变化,具体地,根据玻璃粉的成分而变化,但典型的范围是600到1000℃。例如,当玻璃粉包含表2的第一示例成分时,烘烤温度范围从750到800℃,当玻璃粉包含表2的第二示例成分时,烘烤温度范围从650到700℃。在各种情形下,烘烤温度高于电晕点火器工作期间玻璃密封22的最高温度。而且,在烘烤步骤期间,至少一部分膨胀剂从固体转换成气体,并在材料中产成气泡,这使得材料膨胀。材料体积的增加和导电玻璃密封22所占用的孔的体积可以变化。充气孔导致充气孔在烘烤步骤后和在玻璃密封22冷却到室温时仍旧留在导电玻璃密封22中。当在内燃机中使用电晕点火器20时,充气孔仍旧保留在玻璃密封22中。典型地,基于玻璃密封的总体积,烘烤过的玻璃密封22包括数量为25.0到75.0vol.%、优选35.0到45.0vol.%的多个充气孔。导电粒子防止由充气孔造成失效的可能性。除了膨胀剂和烧尽的粘合剂的质量的改变以外,在烘烤步骤期间,成分基本上没有改变,烘烤过的玻璃密封22具有的成分与开始的粉末基本上相同。图2和2A显示图1的导电玻璃密封22,在烘烤步骤后,导电玻璃密封22包括玻璃21、导电金属粒子23和充气孔25。孔25具有近似的球形,并通过包括分布在玻璃21中的金属粒子的基质27互相分隔开。金属粒子23分布成在它们之间有充分的电接触,从而玻璃密封22是导电的。虽然孔25互相靠近,但它们是彼此隔离的,在它们之间没有气体流动,因此没有气体穿过玻璃密封22流动。如图1所示,导电玻璃密封22典型地围绕中心电极24的末端28,并围绕端子30的一部分。然而,虽然未显示出,玻璃密封22也可以围绕布置在绝缘体26的孔中的其他导电部件,诸如电阻或弹簧。包括本发明的导电玻璃密封22的电晕点火器20可以具有各种不同的设计,包括但不限于图1显示的设计。在图1的示例性实施例中,中心电极24被放置在端子30下方、绝缘体26的孔中,端子30啮合中心电极24的末端28。中心电极24由导电材料、诸如镍或镍合金制成。中心电极24具有长度L,沿中心轴A从末端28延伸到点火端32,其中中心电极24的大部分长度L被绝缘体26包围。中心电极24的末端28通过绝缘体26的减小的直径支撑和维持在预定的轴向位置。另外,在示例性实施例中,中心电极24包括在点火端32处的点火尖端34。点火尖端34具有多个分支,每个分支从中心轴A径向向外延伸,用于在电晕点火器20在内燃机中使用期间发射电场和提供电晕放电。图1的绝缘体26沿中心轴A从绝缘体上端38轴向延伸到绝缘体突出端40。绝缘体26由绝缘材料制成,典型地为诸如铝土那样的陶瓷。绝缘体26还限定围绕孔的绝缘体内表面42,该表面从绝缘体上端38沿轴向延伸到绝缘体突出端40,用于接纳中心电极24、端子30和其它可能的导电部件。中心电极24的点火尖端34布置成沿纵向超过绝缘体突出端40。绝缘体内表面42限定绝缘体内径Di,该内径延伸穿过并垂直于中心轴A。绝缘体内径Di典型地沿着绝缘体26的、朝绝缘体突出端40前进的部分减小,用于支持中心电极24的一部分并将中心电极24保持在预定的轴向位置。示例性实施例的绝缘体26还限定具有绝缘体外径Do的绝缘体外表面44,该外表面延伸穿过并垂直于中心轴A。绝缘体外表面44从绝缘体上端38沿纵向延伸到绝缘体突出端40。在示例性实施例中,朝向绝缘体突出端40前进,绝缘体外径Do沿靠近绝缘体突出端40的、绝缘体26的一部分减小,以限定绝缘体突出区域46。绝缘体外径Do还在与绝缘体突出区域46间隔开的位置处,大约在绝缘体26的中部处,沿着朝绝缘体突出端40前进的方向减小,以便限定绝缘体下肩部48。绝缘体外径Do还在与绝缘体下肩部48间隔开的位置处,朝绝缘体上端38前进,沿着绝缘体26的一部分减小,以便限定绝缘体上肩部50。电晕点火器20还典型地包括由金属制成并且包围一部分绝缘体26的外壳52。外壳52典型地被用来使绝缘体26连接到内燃机的气缸体(未示出)。外壳52从外壳上端54沿中心轴A延伸到外壳下端56。外壳上端54布置在绝缘体上肩部50与绝缘体上端38之间,并且啮合绝缘体26。外壳下端56被布置成靠近绝缘体突出区域46,从而至少一部分的绝缘体突出区域46沿轴向在外壳下端56之外延伸。显然,鉴于以上的教导,本发明的许多修正方案和变形例都是可能的,所述许多修正方案和变形例可以不同于这里具体地描述的方式被实践,但仍在以下的权利要求的范围内。当前第1页1 2 3 
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