JP2004340562A

JP2004340562A - グロープラグ

Info

Publication number: JP2004340562A
Application number: JP2004010149A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Kumada; 智哲熊田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-12-02
Also published as: DE602004004827T2; EP1471307B1; EP1471307A1; US20040222207A1; DE602004004827D1

Abstract

【課題】有効にコイル部材に発生する熱量を金属チューブに伝熱することができるグロープラグを提供することを目的とする。
【解決手段】グロープラグ１が、先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブ３と、該金属チューブ３内に収納され、金属チューブ３と間隔をおいて配置された棒状の絶縁体１４と、該絶縁体の外周面を取り囲むように配置されたコイル部材５と、該金属チューブ３内を密封するように充填された絶縁粉末１５とを備え、絶縁体１４が、絶縁粉末１５よりも低い熱伝導率を持つ材料からなる。これにより、コイル部材５内の熱伝導率をコイル部材５と金属チューブ３との間の熱伝導率より低くすることで、コイル部材５で発生する熱がコイル部材５内側に伝導することを抑制し、金属チューブ３に有効に伝導されることになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのシリンダ内を予熱するためのグロープラグや水の予熱のための加熱プラグに使用されるグロープラグに関する。

従来のグロープラグは、先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、該金属チューブ内に収納され、金属チューブと間隔をおいて配置された棒状の絶縁体と、該絶縁体の外周面を取り囲むように配置されたコイル部材と、該金属チューブ内を密封するように充填された絶縁粉末とを備える（特許文献１参照）。
特開昭５７−５８０１７号公報（第１頁）

この特許文献１のグロープラグでは、棒状の絶縁体をコイル部材の内部空間に挿入することで、金属チューブの絞り加工時にコイル部材が曲がり、コイル部材が金属チューブに接合するのを防止したり、コイル部材の巻き線のピッチが不均一になり、各グロープラグの発熱の特性がばらつくのを防止している。また、絶縁粉末のみが充填された金属チューブ内は、絞り加工後も、粉末粒子と粉末粒子との間にわずかな間隙が生じる。そこで、棒状の絶縁体を挿入することで、絶縁粉末を充填するスペースを少なくし、間隙を減らすことで、充填性を高めている。

しかし、特許文献１のグロープラグでは、コイル部材で発生した熱量を金属チューブに有効に伝導することができない。これは、コイル部材で発生した熱量が、直接ディーゼルエンジンのシリンダ内の予熱や水の予熱に起因する金属チューブのみに伝導するだけでなく、コイル部材からコイル部材内側の絶縁体にも伝導されるからである。その結果、有効な発熱源としてグロープラグを使用することができない虞があった。

本発明は、こうした問題を鑑みてなされたものであって、コイル部材に発生する熱量を有効に金属チューブに伝熱することができるグロープラグを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明（請求項１に記載の発明）は、先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、該金属チューブ内に収納され、金属チューブと間隔をおいて配置された棒状の絶縁体と、該絶縁体の外周面を取り囲むように配置されたコイル部材と、該金属チューブ内を密封するように充填された絶縁粉末と、を備えるグロープラグにおいて、前記絶縁体は、前記絶縁粉末よりも低い熱伝導率を持つ絶縁体材料からなることを特徴とする。

本発明のグロープラグでは、コイル部材内側に挿入される絶縁体が、金属チューブ内を密封するように充填された絶縁粉末よりも低い熱伝導率を持つ絶縁体材料とする。つまり、コイル部材の内側の熱伝導率をコイル部材と金属チューブとの間の熱伝導率より低くすることで、コイル部材で発生する熱が金属チューブに伝導することが増大し、金属チューブに有効に伝導されることになる。よって、有効な発熱源として使用できるグロープラグを得ることができる。

ところで、グロープラグは、内燃機関の予熱のために、所定温度を設定し、その所定温度で維持するものが一般的である。そこで、グロープラグを所定温度にて維持するために、コイル部材に所定の電流にて通電されつづけることが必要となる。その結果、コイル部材が断線したりする危険性がある。

ところが、本発明のグロープラグのように、コイル部材の内側に熱伝導率が絶縁粉末より低い絶縁体材料からなる絶縁体を挿入する。これにより、コイル部材で発生する熱が金属チューブに有効に伝導するので、所定温度に維持するためのコイル部材への発熱量が従来のグロープラグより低減することができる。その結果、コイル部材へ流れる所定の電流も低減され、コイル部材の耐久性も向上することができる。

また、本発明のグロープラグは、絶縁体の径をＡ、コイル部材の内径をＢとして、Ａ≧０．６Ｂであると良い。これにより、コイル部材の内側における絶縁体の占める割合が大きくなり、有効にコイル部材の内側の熱伝導率を低減することができる。なお、コイル部材の内径Ｂとは、コイル部材を軸方向に投影した時にできるコイル部材の影の内径のことである。

また、本発明のグロープラグは、絶縁粉末が酸化マグネシウムであって、絶縁体材料がアルミナであるとよい。このように、絶縁粉末が酸化マグネシウムであって、絶縁体材料がアルミナであると、より有効にコイル部材の熱量を金属チューブに伝熱することができる。

また、かかる目的を達成するためになされた別の本発明（請求項４に記載の発明）は、先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、該金属チューブ内に収納されると共に金属チューブと間隔をおいて配置され、絶縁体材料からなる棒状の絶縁体と、該絶縁体の外周面を取り囲むように配置されたコイル部材と、該金属チューブ内を密封するように充填された絶縁粉末と、を備えるグロープラグにおいて、軸線に対して垂直な断面にて切断した時に、金属チューブとコイル部材との間隙における絶縁粉末のほうが、絶縁体における絶縁体材料よりも同面積当りの占有率が大きいことを特徴とする。

本発明のグロープラグでは、金属チューブとコイル部材との間隙における絶縁粉末の占有率を、絶縁体における絶縁体材料の占有率よりも大きくする。このため、金属チューブとコイル部材との間隙の空隙が、絶縁体の空隙よりも少なく、絶縁粉末の熱伝導率が絶縁体の熱伝導率よりも低くすることができ、コイル部材で発生する熱を有効に金属チューブに伝導することができる。なお、占有率は、グロープラグの軸線に垂直に切断した断面において同面積当りにて測定する。

また、本発明のグロープラグのように、金属チューブとコイル部材との間隙における絶縁粉末の占有率を、絶縁体における絶縁体材料の占有率よりも大きくする。これにより、コイル部材で発生する熱が金属チューブに有効に伝導するので、所定温度に維持するためのコイル部材への発熱量が従来のグロープラグより低減することができる。その結果、コイル部材へ流れる所定の電流も低減され、コイル部材の耐久性も向上することができる。

また、本発明のグロープラグは、絶縁粉末の平均粒径を、絶縁体材料の平均粒径よりも小さくすることが良い。これにより、金属チューブとコイル部材との間隙における絶縁粉末の占有率を、絶縁体における絶縁体材料の占有率よりも大きくことができ、コイル部材で発生する熱を有効に金属チューブに伝導することができる。

また、前記絶縁体材料は、前記絶縁粉末よりも低い熱伝導率を持つことが良い。つまり、コイル部材の内側の熱伝導率をコイル部材と金属チューブとの間の熱伝導率より低くすることで、コイル部材で発生する熱が金属チューブに伝導することが増大し、金属チューブに有効に伝導されることになる。よって、さらに有効な発熱源として使用できるグロープラグを得ることができる。

以下、本発明の実施形態１を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一例であるグロープラグ１の内部構造を示すものであり、図２は先端部の拡大図の内部構造を示すものである。グロープラグ１は、軸Ｏ方向に延びる筒状の主体金具３と、主体金具の先端に固着した軸Ｏ方向に延びる先端を閉塞した筒状の金属チューブ２と、電極となる中軸４とから概略構成される。金属チューブ２はＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼からなる。中軸４は主体金具３の中心を通って金属チューブ２内に達しており、また、金属チューブ２の筒底と中軸４の先端はコイル部材５を介して電気的に繋がっている。コイル部材５は先端側に発熱コイル５１、後端側に制御コイル５２となっている。発熱コイル５１は、例えば、その２０℃での電気抵抗比Ｒ２０が８０μΩ・ｃｍ以上２００μΩ・ｃｍ以下、１０００℃での電気抵抗比をＲ１０００として、Ｒ１０００／Ｒ２０が０．８〜３以下の材料、具体的には、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金等により構成されている。また、制御コイル５２は、例えばその２０℃での電気抵抗比Ｒ２０が５μΩ・ｃｍ以上２０μΩ・ｃｍ以下、１０００℃での電気抵抗比をＲ１０００として、Ｒ１０００／Ｒ２０が６以上の材料具体的Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金等により構成されている。なお、実施形態は、制御コイル５２を中軸４と発熱コイル５１の間に介在させて両者を間接的に接続したが、制御コイル５２を設けないようにして発熱コイル５１と中軸４とを直結するようにしてもよい。

金属チューブ２内のコイル部材５内側には、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）等の絶縁体材料からなる棒状の絶縁体１４が挿入されている。また、金属チューブ２内を密封するように酸化マグネシウム（マグネシア）粉末等からなる絶縁粉末１５が詰められている。このように、そして、金属チューブ２と中軸４の前端部との間に弾性パッキン１６によるシールがされていて、その弾性パッキン１６で金属チューブ２がふさがれている。なお、上記のアルミナとマグネシアとのように、絶縁体１４は絶縁粉末１５よりも熱伝導率が低い絶縁体材料により形成されている。その結果、コイル部材５の内側の熱伝導率をコイル部材５と金属チューブ２との間の熱伝導率より低くすることで、コイル部材５で発生する熱が金属チューブ２に伝導することが増大し、金属チューブ２に有効に伝導されることになる。よって、有効な発熱源として使用できるグロープラグ１を得ることができる。

また、グロープラグ１を内燃機関の予熱のために、所定温度を設定し、その所定温度で維持する場合でも、コイル部材５で発生する熱が金属チューブ２に有効に伝導するので、所定温度に維持するためのコイル部材５への発熱量が従来のグロープラグより低減することができる。その結果、コイル部材５へ流れる所定の電流も低減され、コイル部材５の耐久性も向上することができる。

さらに、絶縁体１４の径Ａは、コイル部材５の内径Ｂと略同一となっている。絶縁体１４の径をＡ、コイル部材５の内径をＢとして、Ａ≧０．６Ｂであると、コイル部材５内側の熱伝導率が増加し、有効に金属チューブ２にコイル部材５の熱量を伝熱することができる。

そして、主体金具３の上端には段付き孔７が形成されており、その段付き孔７に嵌めたブッシュ状の絶縁環８によって中軸４の上部が主体金具３の中心に支持され且つ両者の接合部分が電気的に絶縁されている。また、段付き孔７と中軸４の間には隙間があり、その隙間にはＯリング９によってふさがれている。

一方、主体金具３の上端の胴部外周には六角ボルト形態の工具係合部１０があり、また、その下にディーゼルエンジン（図示せず）等を接続するネジ部１１が形成されている。また、中軸４の上部には、ネジ部１２が形成されており、そのネジ部１２に螺合する丸ナット１３で絶縁環８が押さえつけられている。なお、中軸４と電源ケーブルとを電気的に接続するにあたっては、本実施形態のように両者を直接接続するものに限定されず、例えば、中軸の頂部を覆う形態で端子電極（図示せず）を設け、その端子電極を中軸４に固定した上で端子電極と電気ケーブルとを接続させてもよい。

以下、グロープラグ１の製造方法について説明する。まず、制御コイル５２と発熱コイル５１とが溶接されたコイル部材５内に絶縁体１４を挿入し、後端側（制御コイル５２側）を中軸４に、例えば、抵抗溶接により接合する。そして、発熱コイル５１側からコイル部材５を金属チューブ２内側に挿入し、発熱コイル５１の先端側を金属チューブ２の先端に例えば、アーク溶接等の溶接により接合する。そして、金属チューブ２内側を密封するように、絶縁粉末１５を充填し、さらに、金属チューブ２の後端側内部に弾性パッキン１６を挿入する。

そして、スエージング加工にて金属チューブ２の後端側を搾り弾性パッキン１６を加締め、さらに金属チューブ２全体を後端側から先端側に向かってスエージングで所定の寸法になるように絞り加工をする。そして、その後、中軸４の後端側から主体金具３の先端側内孔に挿入し、金属チューブ２の後端側にて、主体金具３に圧入等の締まり嵌めをする。そして、主体金具３の後端側にOリング９に封止し、その後、絶縁環８、丸ナット１３を中軸４に順に挿入することで、グロープラグ１が完成する。

次に、本発明の実施形態２について説明する。
なお、実施形態２のグロープラグ１００は、上述したグロープラグ１の絶縁粉末１５と絶縁体１４の材料及び平均粒径が異なる形態である。よって、グロープラグ１００の構成については、実施形態１のグロープラグ１の構成と同一であるため、図１及び図２を代用し、同一部分は同一符号で示し、絶縁粉末１５及び絶縁体１４について主に説明する。

実施形態２のグロープラグ１００のコイル部材５内側には、酸化マグネシウム（マグネシア）等の絶縁体材料からなる棒状の絶縁体１４が挿入されている。また、金属チューブ２内を密封するように絶縁体１４の絶縁体材料と同一の酸化マグネシウム（マグネシア）粉末等からなる絶縁粉末１５が詰められている。そして、グロープラグ１００の絶縁粉末１５の平均粒径は７５μｍである。一方、絶縁体１４の絶縁体材料の平均粒径は１２０μｍである。このように、絶縁粉末１５の平均粒径を、絶縁体１４の絶縁体材料の平均粒径よりも小さくすることで、グロープラグ１００を軸線に対して垂直に切断した断面における金属チューブ２とコイル部材５との間隙における絶縁粉末１５の占有率を、絶縁体１４における絶縁体材料の占有率よりも大きくすることができる。このため、金属チューブ２とコイル部材５との間隙の空隙が、絶縁体１４の空隙よりも少なく、絶縁粉末１５の熱伝導率が絶縁体１４の熱伝導率よりも低くすることができ、コイル部材５で発生する熱を有効に金属チューブ２に伝導することができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。まず、図1に示す形態のグロープラグ１を、上記説明した方法により作製した。なお、コイル部材５の径を直径０．３５ｍｍとし、長さを２２ｍｍとした。さらに、金属チューブ２の長さを４２ｍｍ、チューブ径を先端側を直径４．５ｍｍ、後端側を直径５ｍｍ、金属チューブ２の厚さ０．７５ｍｍとする。そして、絶縁体１４の絶縁体材料及び絶縁粉末１５を表１のような材料にするグロープラグ１を作成した。そして、直流１１Ｖを印加し、６０秒後の金属チューブ２の表面温度、発熱量を調べた。なお、表面温度は金属チューブ２の最高発熱温度であり、また、発熱量は６０秒時の電流量と印加電圧から算出した。また、上記グロープラ１グに直流１３Ｖを５分間印加し、その後１分間通電をやめるという通電サイクルで、断線するサイクル数を測定した。結果を表１に示す。なお、試料番号１、４、５は比較例、試料番号２、３は本実施例である。

表1において、発熱量が８０Ｗである試料番号１、２、４を比較すると、試料番号１、４はそれぞれ表面温度が９００℃、８５０℃であったのに対して、試料番号２は、表面温度が９３０℃となった。このように、絶縁粉末１５を酸化マグネシウムとし、絶縁体１４の絶縁体材料をアルミナとすることで、コイル部材５で発生する熱量が、金属チューブ２に有効に伝導されることが分かる。

さらに、表面温度が９００℃である試料番号１、３、５を比較すると、試料番号１、５は、それぞれ耐久性が１００００サイクル、３０００サイクルであったのに対して、試料番号３は、耐久性が１３０００サイクルであった。これにより、グロープラグ１を所定温度（この場合は９００℃）で維持するためのコイル部材５の発熱量が低減され、コイル部材５の耐久性も向上することができる。

次に、図1に示す形態のグロープラグ１００を、作製した。なお、コイル部材５の径を直径０．３５ｍｍとし、長さを２２ｍｍとした。さらに、金属チューブ２の長さを４２ｍｍ、チューブ径を先端側を直径４．５ｍｍ、後端側を直径５ｍｍ、金属チューブ２の厚さ０．７５ｍｍとする。そして、酸化マグネシウムからなる絶縁体１４及び酸化マグネシウムからなる絶縁粉末１５とするグロープラグ１を作成した。そして、直流１１Ｖを印加し、６０秒後の金属チューブ２の表面温度、発熱量を調べた。なお、表面温度は金属チューブ２の最高発熱温度であり、また、発熱量は６０秒時の電流量と印加電圧から算出した。また、上記グロープラグ１に直流１３Ｖを５分間印加し、その後１分間通電をやめるという通電サイクルで、断線するサイクル数を測定した。さらに、グロープラグ１の先端から５ｍｍ後端側に位置する断面にて切断し、その面の絶縁体１４及び金属チューブ２とコイル部材５との間隙をそれぞれ０．３ｍｍ平方の面を画像処理にて撮影して、絶縁体材料及び絶縁粉末１５の占有率も調べた。その結果を表２に示す。なお、試料番号６は試料番号１と同様のグロープラグ１であり、７、８は本実施例である。

表２において、発熱量が８０Ｗである試料番号６、７を比較すると、試料番号６はそれぞれ表面温度が９００℃であったのに対して、試料番号７は、表面温度が９２０℃となった。このように、金属チューブ２とコイル部材５との間隙における絶縁粉末１５の占有率が絶縁体１４における絶縁体材料の占有率よりも大きいときに、表面温度が増加し、コイル部材５で発生する熱量が、金属チューブ２に有効に伝導されることが分かる。

さらに、表面温度が９００℃である試料番号６、８を比較すると、試料番号６は、それぞれ耐久性が１００００サイクルであったのに対して、試料番号８は、耐久性が１２０００サイクルであった。これにより、グロープラグ１を所定温度（この場合は９００℃）で維持するためのコイル部材５の発熱量が低減され、コイル部材５の耐久性も向上することができる。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。例えば、上記実施例では、グロープラグ１について説明したが、これに限られず、水を加熱するウォータヒータとしても利用可能である。

本発明の実施形態１及び実施形態２を示すグロープラグ１、１００の縦断面図である。本発明の実施形態１及び実施形態２を示すグロープラグ１、１００の先端部の拡大断面図である。

符号の説明

１、１００・・・グロープラグ、２・・・金属チューブ、３・・・主体金具、４・・・中軸、５・・・コイル部材、５１・・・発熱コイル、５２・・・発熱コイル、８・・・絶縁環、９・・・Ｏリング、１３・・・丸ナット、１４・・・絶縁体、１５・・・絶縁粉末、１６・・・弾性パッキン

Claims

先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、該金属チューブ内に収納され、金属チューブと間隔をおいて配置された棒状の絶縁体と、該絶縁体の外周面を取り囲むように配置されたコイル部材と、該金属チューブ内を密封するように充填された絶縁粉末と、を備えるグロープラグにおいて、
前記絶縁体は、前記絶縁粉末よりも低い熱伝導率を持つ絶縁体材料からなることを特徴とするグロープラグ。
請求項１に記載のグロープラグにおいて、
絶縁体の径をＡ、コイル部材の内径をＢとして、Ａ≧０．６Ｂであることを特徴とするグロープラグ。
請求項１または２に記載のグロープラグにおいて、
前記絶縁粉末が酸化マグネシウムであって、前記絶縁体材料がアルミナであることと特徴とするグロープラグ。
先端側が閉塞した軸線方向に延びる筒状の金属チューブと、該金属チューブ内に収納されると共に金属チューブと間隔をおいて配置され、絶縁体材料からなる棒状の絶縁体と、該絶縁体の外周面を取り囲むように配置されたコイル部材と、該金属チューブ内を密封するように充填された絶縁粉末と、を備えるグロープラグにおいて、
軸線に対して垂直な断面にて切断した時に、前記金属チューブと前記コイル部材との間隙における前記絶縁粉末のほうが、前記絶縁体における前記絶縁体材料よりも同面積当りの占有率が大きいことを特徴とするグロープラグ。
請求項４に記載のグロープラグにおいて、
前記絶縁粉末の平均粒径は、前記絶縁体材料の平均粒径よりも小さいことを特徴とするグロープラグ。
請求項４または５に記載のグロープラグにおいて、
前記絶縁体材料は、前記絶縁粉末よりも低い熱伝導率を持つことを特徴とするグロープラグ。