JP2006125776A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 シーズヒータの表面温度を高めることができ、また、シーズヒータの耐久性を高め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】 シーズヒータ２０は、先端側が閉じたシースチューブ２１内に、直列接続された発熱コイル２４と制御コイル２３とが配設され、マグネシア粉末２２が充填されることによって、コイルとシースチューブ２１の内周面との接触による短絡が防止されている。発熱コイル２４の外径Ａは、制御コイル２３の外径Ｂよりも大きく構成されており、発熱コイル２４がシースチューブ２１の内周面に近づくことにより熱伝導効率が高められ、シーズヒータ２０としての表面温度を高くすることができる。また、制御コイル２３とシースチューブ２１の内周面とが離れるため、接触による短絡が起きにくい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの始動を補助するためのグロープラグに関するものである。

一般に、ディーゼルエンジンの始動を補助するためのグロープラグとして、シーズヒータを用いたシース型グロープラグが知られている。シーズヒータは、先端が閉じたシースチューブの内部に発熱コイルを収容し、その一方の電極は、シースチューブの内面に電気的に接続されている。さらにシースチューブ内にはマグネシア粉末が充填されており、発熱コイルとシースチューブの内面との間での絶縁がなされている。このシーズヒータは、筒形状の主体金具の軸孔内に、先端側を突出させた状態で後端側の周囲が取り囲まれて保持されており、シースチューブと主体金具とは導通される。また、発熱コイルの他方の電極は、主体金具と絶縁した状態でその軸孔内を挿通される中軸の一端に電気的に接続されている。そして、主体金具と、その後端から突出した中軸の他端との間に電圧を印加することで、発熱コイルが通電されて発熱する。

従来、このように構成されるシーズヒータを用いたグロープラグでは、発熱コイルに印加する電圧を外部より調整することで、発熱コイルの発熱温度の調整が行われていた。近年、発熱コイルの過度の温度上昇を制御するため、温度上昇とともに自己の抵抗値が増加することで発熱コイルに流す電流を制限する制御コイルを、発熱コイルと直列に接続して内蔵したシーズヒータが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ところで、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のＨＣやＮＯｘ成分の量を低減させるには、グロープラグの絶対温度を高く維持して燃焼ガスをより早く高温で燃焼し、また燃焼室が十分暖まるまで加熱することが必要である。そのためには、発熱コイルの外径を大きくしてその外周をシースチューブの内面により近づけ熱伝導効率を高めることが有効である。一方で、車両の保証期間延長を目指し、グロープラグの長時間稼働に対する耐久性の向上が求められている。そのためには、発熱コイルへの電流を制御し、発熱コイルでの発熱量をディーゼルエンジンにとって必要十分な温度域に留まるように抑制する必要がある。すなわち、制御コイルが発熱コイルの発熱によって加熱され、抵抗値が高まることで発熱コイルを流れる電流の制御が可能になるという特性を利用する。したがって、排気ガス中の有害成分を低減すること、およびグロープラグとしての加熱性能を維持したまま耐久性を向上させること、という要求を満たすことができる。
特公平８−１４３７３号公報

しかしながら、発熱コイルおよび制御コイルの外径を大きくしてシースチューブの内面と発熱コイルの外周との間隙が、より狭くなると、シーズヒータの製造の際にシースチューブの内面に発熱コイルや制御コイルの外周が接触して短絡が発生する虞があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、シーズヒータの表面温度を高めることができ、また、シーズヒータの耐久性を高め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。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のグロープラグは、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、先端側が閉じ、後端側が前記主体金具の前記軸孔内にて保持されたシースチューブと、前記シースチューブ内において、前記先端側に配置される発熱コイルと、前記発熱コイルの後方側に接合部を介し、これと直列接続される制御コイルとを備え、前記制御コイルの平均外径は、前記発熱コイルの最大外径より小さいことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のグロープラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記発熱コイルの最大外径とは、前記接合部よりも先端側の部位のうち、前記発熱コイルの発熱の際に最も温度が高くなる部位を含み、最も外径の大きな部位における前記発熱コイルの外径であることを特徴とする。

請求項１に係る発明のグロープラグでは、発熱コイルをシースチューブの内周面に近づけて熱伝導効率を高めることで、発熱コイルの発熱量を上げることなくグロープラグの表面温度を高くすることができる。ここで、接合部を介し発熱コイルと直列に接続された制御コイルの平均外径を、発熱コイルの最大外径よりも小さくすれば、制御コイルとシースチューブの内周面との距離を離すことができるので、制御コイルの接触による短絡の虞を低減することができる。すなわち、発熱コイルおよび制御コイルをシースチューブ内に配置する際に、発熱コイルがシースチューブの内周面と接触しないように留意すれば足りるので、工数を減らし生産コストを低減することができる。

また、制御コイルの温度が上昇し、抵抗値が増大した結果、制御コイルへの分圧が大きくなり、コイル全体へ流れる電流が低減するため、発熱コイル自体の発熱量は下がるが、制御コイルより発熱コイルの外径を大きくしたことによる熱伝導効率の良さから、グロープラグの表面温度を従来のものと同等にすることができる。すると、発熱コイルにかかる負荷が低減されるので、発熱コイル自体の耐久性を向上させることができる。

また、請求項２に係る発明のグロープラグでは、請求項１に係る発明の効果に加え、発熱コイルの最大外径が、発熱コイルの発熱の際に最も温度が高くなる部位を含み、最も外径の大きな部位における発熱コイルの外径であるが、その最も温度が高くなる部位とはすなわち発熱コイルがシースチューブの内周面に最も近づく部位であるため、制御コイルの平均外径をこれより小さくすれば、制御コイルは発熱コイルよりもシースチューブの内周面と離れることとなる。すると、発熱コイルや制御コイルとシースチューブとの接触による短絡を防止する上では、シースチューブと発熱コイルとの接触がないように留意すれば足りるため、工数を減らし生産コストを低減することができる。

以下、本発明を具体化したグロープラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１，図２を参照して、本実施の形態のグロープラグ１００の構造について説明する。図１は、グロープラグ１００の部分断面図である。図２は、シーズヒータ２０の部分断面図である。なお、軸線Ｏ方向において、シーズヒータ２０の配置された側（図１における下側）をグロープラグ１００の先端側として説明する。

図１に示すように、本実施の形態のグロープラグ１００は、例えばディーゼルエンジンの燃焼室に取り付けられ、エンジン始動時の点火を補助する熱源として利用される。グロープラグ１００はいわゆるシース型のグロープラグであり、主体金具４０の軸孔４３内に丸棒状のシーズヒータ２０の後端側を保持している。

主体金具４０は、軸線Ｏ方向に貫通する軸孔４３を有する長細い筒状の金属部材であり、胴部４４の後端側にエンジンヘッドの取付孔（図示外）に螺合する雄ねじ部４１が形成されている。また、主体金具４０の後端には、エンジンヘッドへの取り付けの際に使用される工具が係合する、軸線断面六角形状の工具係合部４２が形成されている。主体金具４０の軸孔４３は後端付近を除き略同径に形成され、その軸孔４３には中軸３０が挿通されており、その両端部分は拡径されて形成されている。

中軸３０は、軸線Ｏ方向に沿って延びる円柱状の鉄系素材（例えばＳＣＭ４３５（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼））からなる金属棒であり、その両端部分は軸孔４３からそれぞれ突出されている。中軸３０の先端にはその胴部分よりも小径の係合部３１が形成されており、後述するシーズヒータ２０の制御コイル２３の電極が溶接されている。この状態で中軸３０の係合部３１を含む先端部分は、シーズヒータ２０のシースチューブ２１内に挿入され、固定されている。また、中軸３０の外周面とシースチューブ２１の内周面との間には耐熱性ゴム等からなる絶縁体３２が介在され、両者間の絶縁がなされている。シーズヒータ２０の後端部分は、主体金具４０の軸孔４３の拡径された部分の後端側に圧入されており、中軸３０はその軸孔４３内にて主体金具４０と非接触状態となるように位置決めされている。

中軸３０の後端側には環状のＯリング７および絶縁リング５０が嵌められ、この絶縁リング５０は主体金具４０の後端にて拡径された部分に係合されている。Ｏリング７が主体金具４０の軸孔４３の内周面と、中軸３０の外周面と、絶縁リング５０の先端側の面とに当接することによって軸孔４３内の気密性が保たれている。また、絶縁リング５０によって、中軸３０と主体金具４０の軸孔４３とが非接触となり、両者の絶縁が保たれている。さらに、絶縁リング５０の後端より突出した中軸３０の後端部分には、キャップ状のピン端子６０が嵌合されている。絶縁リング５０を主体金具４０に対して押圧した状態でピン端子６０の外周が加締められることによって、シーズヒータ２０と主体金具４０と中軸３０とが位置決め固定されている。

次に、図２を参照して、シーズヒータ２０の詳細について説明する。図２に示すように、シーズヒータ２０は、先端を球面状に閉じた導電性金属からなる円筒状のシースチューブ２１の内部に、螺旋状に巻かれた導電性の発熱コイル２４および制御コイル２３が配設され、絶縁材料としてのマグネシア粉末２２が充填された構造を有する。発熱コイル２４の一方の電極はシースチューブ２１の内面に溶接され、接合部２５を形成し固定されている。また、発熱コイル２４の他方の電極は制御コイル２３の一方の電極と接合部２６にて接合され、両者が電気的に直列に接続されている。制御コイル２３の他方の電極は、上述したように中軸３０の係合部３１に溶接されており、中軸３０と電気的に接続されている。そして充填されたマグネシア粉末２２により、シースチューブ２１の内周面と、発熱コイル２４および制御コイル２３とが、導通部分（接合部２５）を除き絶縁された状態で維持される。

こうしたシーズヒータ２０の製造の際には、互いに接合された発熱コイル２４と制御コイル２３とがシースチューブ２１内に配設され、マグネシア粉末２２が充填された後に、シーズヒータ２０の外周に対しスエージング加工が施される。これにより、シーズヒータ２０の外径が小さくされるとともに、マグネシア粉末２２の充填密度が高められると同時にシースチューブ２１内の余分な気体を押し出し、シースチューブ２１と、発熱コイル２４および制御コイル２３との熱伝導効率が高められる。

発熱コイル２４はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌの合金からなり、電圧を印加されると発熱する。また、制御コイル２３はＣｏ−Ｎｉ−Ｆｅの合金からなり、温度の上昇に伴って、その抵抗値が高くなる特性を有する。本実施の形態では、発熱コイル２４の外径（図２における外径Ａ）は、制御コイル２３の外径（図２における外径Ｂ）よりも大きく構成されている。こうすることにより、発熱コイル２４の外周をシースチューブ２１の内周面に近づけ、シースチューブ２１への熱伝導効率を高めてシーズヒータ２０の表面温度を高くしている。

また、制御コイル２３の外径Ｂを発熱コイル２４の外径Ａよりも小さくしたことで、制御コイル２３の蓄熱効率を高めている。これにより、制御コイル２３がシースチューブ２１の外部の温度変化の影響を受けにくくし、より発熱コイル２４の温度変化に合わせた抵抗値変化が生じるようにして、より確実に、発熱コイル２４への印加電圧の制御が行われるようにしている。なお、発熱コイル２４の発熱量は、制御コイル２３のコイル形成長（制御コイル２３のコイルを形成する部分の総合長さ）やコイル軸線長（軸線Ｏ方向の長さ）等を変えることによって調整される。

さらに、本実施の形態では、発熱コイル２４のコイル軸線長、線径を制御コイル２３と比べて短くしている。シーズヒータ２０の作製の際には、長細いシースチューブ２１内にその軸線Ｏに沿って発熱コイル２４および制御コイル２３を挿入するが、シースチューブ２１の内周面と発熱コイル２４とが接触しないように留意すれば、発熱コイル２４よりも外径の小さな制御コイル２３がシースチューブ２１の内周面と接触する虞が低減される。

もっとも、シースチューブ２１の先端が球面状に閉じられていることから、発熱コイル２４の外径は先端側ほど小さくなる。また、制御コイル２３との接合部２６付近の発熱コイル２４の外径も、制御コイル２３との無理な接合がなされないように、その外径が小さくなるように加工される場合もある。そこで本実施の形態では、発熱コイル２４の外径Ａの基準として、もっとも外径の大きな部位における外径、すなわち最大外径を基準としている。また、制御コイル２３は中軸３０係合部３１に溶接されるが、係合部３１の径により制御コイル２３の外径が一定しない場合もある。しかし、制御コイル２３の全長に対し、係合部３１と係合する部分の制御コイル２３の長さは短く、制御コイル２３の全体の外径への影響が少ないことから、本実施の形態では制御コイル２３の外径Ｂの基準を、制御コイル２３の外径の平均値、すなわち平均外径としている。

シースチューブ２１内に配設する発熱コイル２４および制御コイル２３の構成をこのようにすれば、発熱コイル２４に流れる電流を低減しつつもグロープラグとしての発熱性能を低下させることなく、そして後述する実施例１の結果から明らかなように、発熱コイル２４の耐久性（いわゆる寿命）を高めることができる。

このように、シーズヒータ２０に内蔵する発熱コイル２４の最大外径よりも制御コイル２３の平均外径を小さくしたことによる効果を実施例１，２に示す評価試験を行って確認した。

［実施例１］
以下に示す評価試験では、後述する外径の異なる発熱コイルと制御コイルを組み合わせて接合し、グロープラグの完成時の寸法において内径が３．５ｍｍとなるようにシースチューブ内に配設して５種類のサンプルを作製した。なお、シースチューブの肉厚は０．５ｍｍとなるようにしている。そして各サンプルのシースチューブ内にマグネシア粉末を充填し、更に中軸、絶縁体を挿入した後、スエージング加工を施すことによって、外径が４．４ｍｍ、内径が３．１ｍｍのシーズヒータをそれぞれ完成させた。そして各シーズヒータを組み付けた各グロープラグに対し、ＤＣ１１Ｖの電圧を６０秒印加した後の各シーズヒータの最高発熱部の温度を測定した。なお、最高発熱部はシーズヒータの軸線Ｏ方向において最も温度の高い部位であり、後述する実施例２に示す試験によって、その部位をシーズヒータの先端よりの位置であることを確認した。さらに、各サンプルに対し、ＤＣ１３Ｖを３分間印加後に１分間放置するサイクルを１サイクルとし、発熱コイルに断線が発生したときのサイクル数を確認した。

なお、５種類のサンプルの構成について説明すると、第１のサンプルは、発熱コイルの最大外径および制御コイルの平均外径がともに２．４ｍｍである、比較例としての従来のシーズヒータを用いたグロープラグである。第２，第３のサンプルは、発熱コイルの最大外径を２．６ｍｍ、制御コイルの最大外径を２．４ｍｍとしたシーズヒータを用いたグロープラグであり、第４のサンプルは、発熱コイルの最大外径および制御コイルの平均外径をともに２．６ｍｍとしたシーズヒータを用いたグロープラグである。第５のサンプルは、発熱コイルの最大外径を２．４ｍｍ、制御コイルの平均外径を２．３ｍｍとしたシーズヒータを用いたグロープラグである。この評価試験の結果を以下に示す。

この評価試験の結果、従来のグロープラグと同等の第１のサンプルでは、スエージング加工を施してもシースチューブの内周面に発熱コイルおよび制御コイルが接触して短絡（ショート）が発生することはなかった（表１中「○」で示す。）。そして最高発熱部の表面温度は９５０℃であり、耐久性は１００００サイクルを越えた。

第２のサンプルでは、制御コイルの平均外径は変更せず発熱コイルの最大外径を大きくしたが、シースチューブの内周面に対し接触してショートすることはなかった。また、第１のサンプルと同条件で最高発熱部の表面温度を測定したところ９８０℃となった。また、第２のサンプルでも耐久性は１００００サイクルを越えた。この評価試験により、シーズヒータの製造の際には発熱コイルとシースチューブの内周面との接触がないように留意すれば足りることがわかった。また、シースチューブの内周面と発熱コイルとが近づくことにより熱伝導効率が高くなるので、発熱コイルおよび制御コイルへの電流が小さくなってもシーズヒータの発熱性能が損なわれてしまうことはない。

次に、第３のサンプルでは第２のサンプルと同様に発熱コイルの最大外径のみを大きくした。シースチューブに対するショートは発生しなかった。第１のサンプルとの比較のため、制御コイルのコイル形成長およびコイル軸線長を従来のものより長くして発熱コイルに流れる電流が小さくなるように調整し、最高発熱部の表面温度を９５０℃とした。このとき、発熱コイルの耐久性は１３０００サイクルを越えた。この評価試験により、シースチューブの内周面と発熱コイルとが近づくことにより熱伝導効率が高くなるので、シーズヒータの表面温度が従来と同等であるためには発熱コイルに流れる電流が下がればよい。その結果、発熱コイルにかかる熱負荷が低減されるので、発熱コイルの耐久性が向上することがわかった。

第４のサンプルでは、発熱コイルの最大外径および制御コイルの平均外径を、共に従来のものより大きくしたところ、スエージング加工後にショートが発生するサンプルがでた（表１中「△」で示す。）。ショートを防止するにはシーズヒータの製造の際に、発熱コイルおよび制御コイルがシースチューブの内周面に接触することがないように留意する必要があり、工数が増え生産コストの増加を招く虞があって好ましくないことがわかった。

また、第４のサンプルで、ショートが発生しなかったものを用いて評価試験を続行した。このとき、第３のサンプルと同様に、最高発熱部の表面温度が９５０℃となるように制御コイルの長さ（コイル形成長およびコイル軸線長）を調整した。発熱コイルの耐久性は１２０００サイクルを越えたが、第３のサンプルよりも耐久性が低下した。これは、発熱コイルだけでなく制御コイルもシースチューブの内周面に近づくため、制御コイルの熱が逃げやすくなり、発熱コイルに流れる電流の調整機能が低下することによるものである。

次に、第５のサンプルでは、発熱コイルの最大外径を従来のものと同じくし、制御コイルの平均外径を小さくした。シースチューブに対するショートは発生しなかった。第１のサンプルと比較できるように、シーズヒータの最高発熱部の温度が９５０℃となるように制御コイルの長さ（コイル形成長およびコイル軸線長）を調整したところ、発熱コイルの耐久性は１１０００サイクルを越えた。制御コイルの平均外径を小さくすることでシースチューブに対する熱伝導効率が下がり、発熱コイルから制御コイルに伝導された熱が逃げにくくなる。このため、より発熱コイルの温度変化に合わせた電流の調整がなされるため、発熱コイルへの負担が低減されて耐久性が向上することがわかった。

［実施例２］
実施例２に示す評価試験では、シーズヒータの最高発熱部を特定するために行った試験である。第２のサンプルを用い、ＤＣ１１Ｖの電圧を印加して６０秒後に、シースチューブの先端から２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍ，８ｍｍ，１０ｍｍ，１２ｍｍ，１４ｍｍ，１６ｍｍの各位置（温度測定位置）において表面温度を測定した。その結果、各温度測定位置にて測定されたシースチューブの表面温度は、順に、９８５．７℃，９８５．３℃，９６０．９℃，９２５．２℃，９０９．９℃，８８８．９℃，８３４．５℃，７４０．５℃であった。これを図３に示すようにグラフ化した。

図３に示すように、シースチューブの先端から４ｍｍを越えた位置より後端側に向けて、表面温度が徐々に低下していくことがわかる。また、シースチューブの先端から２〜４ｍｍの位置では表面温度がほぼ同じであり、上記各温度測定位置のなかで最も温度の高い位置付近であることがわかる。これよりこの部位が最高発熱部としてふさわしいと判断され、実施例１において表面温度の測定を行うこととした。なお、シースチューブは先端が球面状に加工されているため、その球面状の部位の内周面と発熱コイルとの距離は一定せず、熱伝導効率にばらつきが出る虞がある。そこで、シースチューブの最高発熱部としては、シースチューブの先端から２ｍｍ未満の球面状の部位を除くことが望ましい。

また、上記のように、最高発熱部としてシースチューブの先端の球面状の部位を除く場合、最高発熱部では、シースチューブの内部において発熱コイルからシースチューブへの熱伝導効率が最も大きい部位であるといえる。すなわちその部位は、発熱コイルの最も外径の大きな部位が最もシースチューブの内周面に近い部位であるといえる。つまり、本発明において、発熱コイルの最大外径とは、発熱コイルの最高発熱部を含み、最も外径の大きい部位であるといえる。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、シースチューブ２１の先端は球面状に閉じられるとしたが、円錐状であってもよい。また、発熱コイル２４の外径は、発熱コイル２４の先端側において、必ずしも先細り状に加工されていなくともよい。

本発明は、発熱コイルと制御コイルとを収容したシーズヒータを組み付けたグロープラグに適用することができる。

グロープラグ１００の部分断面図である。 シーズヒータ２０の部分断面図である。 最高発熱部を特定するための試験結果を示すグラフである。

符号の説明

２１ シースチューブ
２３ 制御コイル
２４ 発熱コイル
２６ 接合部
４０ 主体金具
４３ 軸孔
１００ グロープラグ

Claims (2)

1. 軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、
   先端側が閉じ、後端側が前記主体金具の前記軸孔内にて保持されたシースチューブと、
   前記シースチューブ内において、前記先端側に配置される発熱コイルと、
   前記発熱コイルの後方側に接合部を介し、これと直列接続される制御コイルと
   を備え、
   前記制御コイルの平均外径は、前記発熱コイルの最大外径より小さいことを特徴とするグロープラグ。
2. 前記発熱コイルの最大外径とは、前記接合部よりも先端側の部位のうち、前記発熱コイルの発熱の際に最も温度が高くなる部位を含み、最も外径の大きな部位における前記発熱コイルの外径であることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
   

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