注射成型喷嘴和包括注射成型喷嘴的注射器

摘要

一种注射成型喷嘴，包括基体，所述基体包括：具有流体入口和流体出口的流体通道，所述基体包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有正温度系数，其中所述基体在经受电流时适于通过加热的方式使可被接收在流体通道中的流体产生气化，且其中所述流体出口具有适于使流体作为喷射流被喷出的形状。

说明书

背景技术

陶瓷材料的正温度系数(PTC)效应包括：比电阻率ρ作为温度T的函数而产生变化。尽管在一定温度范围内，电阻率ρ随温度T的升高而产生的变化较小，但从所谓居里温度T_c开始，电阻率ρ随着温度的升高而增加。在该第二温度范围内，作为电阻率在给定温度下的相对变化的温度系数可处在50％/K直至100％/K的范围内。

发明内容

本发明描述了一种注射成型喷嘴，所述喷嘴包括基体，所述基体具有被连接至流体入口和流体出口的流体通道。所述基体包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有其欧姆电阻的正温度系数，这种陶瓷在下文中被称作“PTC陶瓷”。在施加了电流之后，基体以使得可被接收在流体通道中的流体产生气化的方式受到加热。流体出口具有使得能够将流体作为蒸气喷射流喷出的形状。

所述喷嘴适于使流动通过其中的流体直接气化，所述流体例如为可以化学方式燃烧的燃料，从而使得燃料可以蒸气形式被释放进入另一种介质内或被释放到另一种介质上。例如，气化的燃料可被喷射进入燃烧室内，在所述燃烧室中，所述燃料与空气混合以便形成可燃烧的混合物，从而例如实现使内燃机的气缸移置的目的。可在所述喷嘴的作用下气化的燃料特别地包括乙醇。然而，所述喷嘴的PTC性质，即，所述PTC陶瓷的成分，还可被调节，以使其它燃料如汽油或柴油产生气化。

由于喷嘴本身构成了用以使流动通过其中的任何流体气化的装置的一部分，因此无需设置附加的加热或气化手段，如附加的热交换器，而使其与流体接触或将其设置在喷嘴本身内，所述热交换器例如以配线杆、敷设管道杆或加热杆的形式存在。这大大简化了用以对流体进行加热的装置的构造、形式和成本。此外，由于喷嘴本身构成了流体的加热手段，因此所述喷嘴的与流体接触的整个表面可被用作热交换装置以便实现使流体气化的目的。这有利于在特别短的时间量内使流体气化。

包括所述PTC陶瓷材料的所述基体具有自调节性质。如果所述基体的温度达到临界水平，则所述PTC陶瓷的电阻也会升高且因此减少了经过所述陶瓷的电流。结果是，所述基体的所述PTC陶瓷停止加热且可进行冷却。因此，无需设置外部调节系统。

根据喷嘴的一个实施例，其基体包含小于百万分之十(10ppm)的金属杂质。金属杂质是会与PTC陶瓷的所需加热性质产生冲突的金属材料。所述所需性质包括使流体在尽可能最短的时间内气化的能力。

本申请人已经找到了将喷嘴基体中的金属杂质含量保持在10ppm的上限的方式，即提供用于制备喷嘴基体的陶瓷材料，如陶瓷给料，的工具，所述工具具有硬涂层以便防止工具产生磨损而进入陶瓷材料内。确定的适当涂层包括碳化钨(WC)。基体本身由给料模制而成，因此包含小于10ppm的金属材料，所述金属材料被包含在可与陶瓷材料接触的工具的任何表面上。

在给料的处理过程中使用的典型工具是混合装置，如双辊磨机。该双辊磨机可包括两个对转的且其间的辊隙可调的差速辊，且当所述给料通过所述辊隙时，所述双辊磨机将强大的剪切应力施加在所述给料的材料上。其它工具包括单螺杆挤出机或双螺杆挤出机以及球磨机或叶片式混合器。

喷嘴的一个实施例包括具有陶瓷材料的基体，所述陶瓷材料具有PTC陶瓷，所述PTC陶瓷具有介于-30℃至340℃之间的居里温度。特别地，优选使用具有这样的PTC陶瓷的基体，所述PTC陶瓷在25℃下的电阻率处在3Ωcm至30000Ωcm的范围内。

包括具有与电阻率和居里温度相关的上述性质的PTC陶瓷的基体适于使流动通过其流体通道的流体尽可能迅速地产生气化。

喷嘴的基体优选包含钛酸钡(BaTiO₃)、钙钛矿陶瓷(ABO₃)。特别是，根据一个实施例，该基体包括以下结构：

Ba_1-x-yM_xD_yTi_1-a-bNMn_bO₃

其中x处在介于0与0.5之间的范围内，且y、a和b分别处在介于0与0.01之间的范围。在该结构中，M代表二价阳离子，如Ca、Sr或Pb，D代表三价或四价供体(施主)，如Y、La或稀土元素，且N代表五价或六价阳离子，如Nb或Sb。

根据一个实施例，基体优选由具有以下成分的PTC陶瓷注射成型而成：

ABO₃+SiO₂

其中A是选自Ba、Ca、Sr、Y中的一种或多种元素，且B是选自Ti、Mn的一种或多种元素，且Si相对于这两种组分的总和所占份数为0.5至4.5摩尔百分比，优选为0.5至2.0摩尔百分比。

所述喷嘴的流体出口优选被连接至所述流体通道的第一部段，且所述流体入口被连接至所述流体通道的第二部段。所述第一部段具有比所述第二部段更大的直径。在所述流体入口处的给定压力下，所述喷嘴的所述第二部段中的流体的流速高于所述第一部段中的流速。所述流体通道的所述剖面可沿从所述流体入口向所述流体出口的方向以阶梯状方式增加或连续增加。因此，所述流体通道可具有阶梯状的或连续的锥形形状。

所述流体出口优选被成形为漏斗形状，从而使得气化的流体能够作为锥形喷射流以特别均质的方式被喷射出来。

本发明还提出了一种将可注射成型的给料制备成喷嘴的方法。所述方法包括通过将陶瓷填料烧结成PTC陶瓷的方式制备可转化的陶瓷填料。所述陶瓷填料与用于与所述填料结合的基质混合，且包括填料和基质的所述混合物被处理成颗粒。在给料的制备过程中，使用可与所述给料接触的工具，所述工具具有较低的磨损度，从而制备出这样的给料，所述给料中包含的由于所述磨损带来的杂质的含量小于10ppm。如前所述，工具可具有防止产生所述磨损的硬涂层。所述基体的所述PTC陶瓷的材料优选与所述给料的所述陶瓷填料的材料是对应的。

由于杂质至少是几乎不存在的，因此当所述给料被注射成型成其所需喷嘴形状时，其电性质如低电阻率和/或其电阻-温度曲线斜率在注射成型的喷嘴中被保持下来了。

此外，本发明提出了一种注射器，所述注射器包括根据本文所述实施例的注射成型的喷嘴，其中提供了位于所述喷嘴的所述流体入口之前的阀，从而使得其可控制流体进入喷嘴的流体通道内的过程。

根据注射器的一个实施例，提供了一种位于所述阀之前的预热元件，其中所述预热元件包括模型，所述模型包括流体通道、流体入口和流体出口。所述模型进一步包括具有正温度系数的陶瓷材料，由此使得在施加电流之后，所述模型受到加热从而使得可对通过所述流体通道的流体进行预热。

受到预热的流体随后可经由所述阀到达所述注射成型喷嘴，在所述喷嘴处，所述流体迅速气化并经由所述喷嘴的所述流体出口被排出。

附图说明

下面，将结合以下附图和实例对所述实施例进行描述。

图1是注射成型喷嘴的示意图；

图2是注射成型喷嘴的透视图，图中示出了该喷嘴的外表面和外电极条带的一部分；

图3是注射成型喷嘴的透视图，图中示出了喷嘴的内部部分和钝化层；

图4是注射成型喷嘴的透视图，图中示出了位于喷嘴的基体的内侧上的层压突部；和

图5是注射器的剖视图，所述注射器包括注射成型喷嘴。

具体实施方式

图1示出了注射成型喷嘴，所述喷嘴具有成形为阶梯状椎体的基体，所述基体包括PTC陶瓷。该锥形基体2包括具有不同剖面的至少两个部段2a和2b。这两个部段中较宽的部段2a被连接至流体入口3，且这两个部段中较窄的部段2b被连接至流体出口4。两个部段优选通过具有变化剖面的倾斜的第三部段2c被联接在一起。然而，这两个部段2a和2b可直接联接在一起，由此使得无需设置具有变化的剖面的将两个部段2a和2b连接起来的过渡部段2c。后一种情况如图中虚线所示。

该基体优选包含钛酸钡，特别是如前所述的结构为Ba_1-x-yM_xD_yTi_1-a-bNMn_bO₃的钛酸钡。该基体优选包括具有介于-30℃与340℃之间的居里温度的PTC陶瓷。特别是，所述基体可被调节以便包括这样的PTC陶瓷，所述PTC陶瓷在室温，特别是在25℃，下的电阻率处在3Ωcm至30000Ωcm的范围内。

更具体而言，该PTC陶瓷优选包括BaCO₃、TiO₂、含Mn溶液和含Y离子溶液，如MnSO₄和YO_3/2，和选自SiO₂、CaCO₃、SrCO₃和Pb₃O₄中的至少一种物质。例如，在这些基材中，陶瓷材料可具有以下成分

(Ba _0,3290Ca_0,0505Sr_0,0969Pb_0,1306Y_0,005)(Ti_0,502Mn_0,0007)O_1,5045该陶瓷材料的基体具有122℃的特征基准温度T_b，和取决于烧结过程中的条件的处在40Ωcm至200Ωcm范围内的电阻率。

上述基体的材料特征和电特征对于结合以下附图描述的实施例而言同样有效。

在施加电压的情况下，基体2被加热，从而使得流经所述基体的流体相应地受到加热并气化。适当的电压为13.5V(12V)或24V或介于二者之间的电压，这取决于应用的喷嘴。相应的电流取决于电压和电阻，与基体2的RT特征曲线无关。

图2示出了注射成型的喷嘴1，所述喷嘴具有大体上呈锥形形状的基体2，该基体包括PTC陶瓷。基体2的较宽端部设有流体入口3，该基体的较窄端部设有流体出口4。流体出口4呈漏斗形，且其较宽的开口伸向基体外，而较窄的开口指向基体内。流体出口和流体入口通过流体通道5彼此相连。

根据喷嘴的一个实施例，基体设有极性相反的电极7和8，每个电极优选包括条带形状，所述条带沿基体的外表面在纵向方向上延伸。电极被布置在彼此相隔足够距离的位置处，以便防止产生电弧。另一种可选方式是，具有第一极性的一个电极8可被布置在基体的内表面上，即沿流体通道被布置，且具有相反极性的另一电极7被布置在基体的外表面上。

电极优选包括选自以下组群的至少一种材料：Cr、Ni、Al、Ag。电极可以是印刷在基体的相应表面上的薄膜或厚膜。另一种可选方式是，所述电极可借助于电流沉积法被施加到基体的相应表面上。

图3示出了根据图1所示的注射成型的喷嘴1，如图所示，流体通道5包括被连接至流体入口3的第一部段5a和被连接至流体出口4的第二部段5b。至少在沿喷嘴的纵向轴线的一个点处，第一部段5a具有比在沿流体通道5的第二部段5b的点处更宽的直径或剖面。流体通道5的第一部段和第二部段优选包括恒定或近似恒定的剖面。

流体通道的第一部段5a和第二部段5b可通过第三部段5c彼此相连。该第三部段具有始于第一部段5a处且终止于第二部段5b处的渐窄的直径或剖面。

尽管前面描述了多种几何构型和形状，但流体通道可包括连续减小的剖面，这种剖面始于流体入口3处且终止于该优选呈漏斗形的流体出口4的起始位置处。

根据喷嘴的一个实施例，基体设有钝化材料，所述钝化材料具有绝缘性质，由此可防止在基体与可被接收在流体通道中的流体，特别是燃料，之间产生化学反应。钝化材料优选作为层6被施加到流体通道的壁部上，所述流体通道的外表面在图3中由虚线表示。钝化层6包含这样的材料，所述材料特别地可防止在乙醇、汽油或柴油与基体之间产生化学反应。为此目的，玻璃被认为是适于包含在钝化层6中的钝化材料。特别是，申请人发现低熔点的玻璃或纳米复合物漆料是适用的。例如，纳米复合物漆料可包括以下复合物中的一种或多种：SiO₂-聚丙烯酸酯复合物、SiO₂-聚醚复合物、SiO₂-硅酮复合物。

钝化层6的特征优选与根据前图所示的条带形电极7和8的特征相结合。电极7和8可被烧制在已经设有钝化层6的基体内，由此使得钝化层在这样的区域中熔化，所述区域是电极8被施加在基体的内表面上所处的区域。

根据喷嘴的一个实施例，沿作为流体通道5的壁部和/或作为流体入口3的壁部和/或作为流体出口4的壁部的基体2的内表面设置了至少一个突部。该突部用以增加通道壁部的表面积，从而使得增加了用于使流体通道中包含的流体气化的热交换表面。

根据该突部的一个实施例，其可具有层压形状。层压形状被认为达到了这样的层压程度，即，使得流经该层压结构的流体以大体上层压的方式流动。即，该突部的形状将流体的不适当紊流降至最低限度。

根据该突部的一个实施例，其形状被设计成使得从喷嘴流出的气化流体具有方向不同于喷嘴的纵向轴线的特定速度，且该方向取决于流体出口的形状。这种性质可包括使流出的气化流体产生自旋，或使流体具有特定喷射方向或使该流体的喷射方向偏离纵轴。因此，流出喷嘴的喷射流可包括与流体出口的形状相对应的锥形形状，其中，此外，锥形形状在旋转方面也可发生变化。喷射流整体可被引导偏离喷嘴的纵向轴线，由此被不对称地注入另一介质内或注射到另一介质上。

本文所述的突部可被设置在喷嘴的内表面的所有部段中，所述部段也包括流体入口和流体出口在内。然而，也可仅沿流体通道的壁部和流体出口设置该突部。

图4示出了一个实施例，根据该实施例，彼此平行地被布置的多个突部沿着基体2的内表面且沿着流体通道5被设置为扭曲肋部。与肋部互补地，可设置与该肋部平行地延伸的一系列沟槽12a。该沟槽可被看作流体通道的壁部中的没有肋部的部段，或者也可通过使这种部段中的基体壁厚比沿该本体的纵向轴线的平均厚度更薄的方式，而在流体通道壁部内挖出实际的沟槽。这种形状可通过注射成型的方式获得。

彼此平行地延伸的一系列肋部或沟槽增加了可与流体接触的基体的接触表面和热交换表面。特别是，肋部或沟槽可以螺旋方式被布置，即，它们可具有扭曲形状并分别沿流体通道的壁部延伸。同时，这种肋部和/或沟槽使得流体能够更快速地产生气化，扭曲的肋部可使流动的流体产生自旋，从而使得当气化流体从流体出口3中被喷射出来时，喷射的喷射流将产生自旋。气化流体的自旋喷射流将在具有高度均质性的情况下被喷射到另一介质上，如内燃室的内部。该自旋的喷射流本身使得可在燃烧室中更迅速地获得特别均质的燃料/空气混合物。

图2至图4具体示出的实施例可能进行组合。在这种情况下，注射成型的喷嘴1将包括基体2，所述基体具有电极7和8、沿流体通道的壁部且沿流体入口3和流体出口4的内壁被设置的钝化层和沿流体通道的壁部被设置的至少一个突部12。

基体的最大横截面面积优选处在1.8-2.2mm范围内。

流体入口3的最大横截面面积优选处在0.8-1.2mm范围内。

流体入口3的最大横截面面积优选处在0.8-1.2mm范围内。

流体通道的介于流体入口3与流体出口4之间的最大横截面面积优选处在介于0.1mm与0.5mm之间的范围内。

从流体入口3经由流体通道5到达流体出口4的喷嘴的长度优选处在介于1cm与2cm之间的范围内。

在电极7和8被成形为条带的情况下，所述条带优选具有介于1.8mm与2.2mm之间的最大宽度。

图5示出了注射器的剖面，所述注射器包括根据所述实施例的注射成型的喷嘴1和注射成型的预热元件9。预热元件9可由与喷嘴1的基体2的任何实施例相同的方式、相同的材料制成，且具有相同的几何性质和/或形貌。然而，预热元件优选并不包括漏斗形流体出口，而是包括作为流体通道的延续部分的流体出口。通过在相对较冷的燃料到达喷嘴之前就对其进行预热，使得可燃喷射流11可更高效地从喷嘴的出口4被喷射出来。预热器9的PTC陶瓷和施加的电流被选择以使得，燃料在经由喷嘴的流体入口3进入喷嘴之前仅仅受到加热，但优选并不产生气化。

阀10被布置在注射成型的预热器9与注射成型的喷嘴1之间。阀可根据预热元件9中达到的温度且因此根据压力而打开。阀的预张力可基于实验被调节，这取决于在预热元件9的流体通道中的给定压力水平下何时打开该阀。优选地，用于打开阀10的启动压力处在足以将燃料排入喷嘴内的水平下。阀可包括弹性装置，如弹簧，从而使得当达到启动压力时，该弹簧可以搭扣方式打开。用于打开阀的启动压力和相应的阀预张力被调节，以使得穿过喷嘴的流速导致燃料仍有时间在喷嘴中产生气化并作为喷射流11从所述喷嘴中被喷射出来。