JP2006153306A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 シースチューブや発熱コイルの劣化を防止し耐久性を向上することができるグロープラグを提供する。
【解決手段】 シーズヒータ２０のシースチューブ２１内に、中軸３０と接続した制御コイル２３および発熱コイル２４を組み付け、マグネシア粉末２２を充填する（部材組付工程）。このシーズヒータ２０をチャンバ２００内に入れ、チャンバ２００内をアルゴン雰囲気に真空置換する（真空置換工程）。この状態で封止部材３２を嵌め込んだシースチューブ２１の後端部２６外周を加締め、シースチューブ２１内を封止する（封止工程）。このようにして製造されたシーズヒータ２０は、そのシースチューブ２１内にアルゴンガスが封止されており、通電により、シースチューブ２１の内面や発熱コイル２４が酸化したり窒化したりすることがなく、シーズヒータ２０の長寿命化を図ることができる。
【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、主体金具との後端から露出された中軸の他端と主体金具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。

このようなグロープラグのひとつとして、発熱コイルと中軸との間に制御コイルを介在させ、その制御コイルによって発熱コイルへ流れる電流を抑制することを目的としたものがある。この制御コイルは先端側に接続された発熱コイルが発する熱の影響を受け、抵抗値が増大することによって自身を流れる電流を制御するものである。ところが制御コイルは発熱コイルや燃焼室からの熱によって高温となると、周囲の酸素により酸化腐食して劣化する虞がある。このため、例えば発熱コイルが埋設されたセラミックヒータに制御コイルを接続した構成のグロープラグでは、この制御コイルを囲むように密封室を設け、室内を減圧したり、不活性ガスを充填させたりして、密封室内の酸素を排除することで制御コイルの酸化を防止している（例えば特許文献１参照）。

しかし、密封室を設けることによりヒータの小型化が難しくなり、また、生産コストがかかるという問題がある。また、発熱コイルを有する発熱部と制御コイルを封止する密封室とを別体として構成しなければならず、製品の設計においても自由度が低下してしまう。そこで、例えばシーズヒータの場合、シースチューブの後端の開口を封止部材で封止して、シースチューブを密閉する構成が考えられる。この構成とすることで、発熱コイルと制御コイルとをひとつのシースチューブ内に収容することが可能となる。この構成における封止部材は、従来シリコンゴムを利用していたが、シリコンゴムは酸素を遮断することができるものの、窒素は透過させてしまう性質のものであった。このため、発熱コイル等の材料にアルミニウムやクロム等の窒化しうる成分が含まれていると、封止部材を透過してシースチューブ内に侵入した窒素と反応し、窒化アルミニウムや窒化クロム等の窒化化合物が生成されてしまい、これが発熱コイル等の組織の脆弱化の原因となって断線や変形が生じてしまうという問題があった。こうした問題を解決するためには、窒素を透過させ難いフッ素ゴムやガラスシールなどを、封止部材として用いることが有効である（例えば特許文献２参照）。
特開平７−１９４７６号公報 特許第２７１２２１１号公報

上記構成とすることで、グロープラグ使用中における窒素のシースチューブ内への進入は防ぐことが可能となる。しかしながらグロープラグの製造工程においてシースチューブ内に入り込んだ大気に関してはこの限りではない。一般的に、グロープラグの製造工程では、シースチューブ内に発熱コイルおよび制御コイルを配置した後にマグネシア等の絶縁粉末を充填し、封止部材によりシースチューブを封止する工程が行われる。この製造工程においてシースチューブ内に大気が混入してしまうことがある。すると、この工程により製造されたグロープラグはシースチューブ内に大気中の酸素や窒素が存在するため、上記特許文献２に記載された発明のように窒素を透過させない封止部材を用いたとしても、グロープラグを使用した際のシースチューブ内の部材のアルミニウム成分やクロム成分の酸化や窒化は免れない。このようにシースチューブ内への気体の進入を防止するだけでは、発熱コイルやシースチューブ等の酸化、窒化を確実に防ぐのは困難であった。

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、シースチューブや発熱コイルの劣化を防止し耐久性を向上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。

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、前記シースチューブの後端の開口を封止する封止部材とを備え、少なくとも前記シースチューブまたは前記発熱コイルのうちの一方の部材に、少なくともアルミニウムまたはクロムのうちの一方が含有されたグロープラグにおいて、前記シースチューブ内にアルゴンガスが封入されていることを特徴とする。

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、前記封止部材は、フッ素ゴムまたはガラスシールからな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、少なくとも、シースチューブ内に配置される発熱コイル、またはそのシースチューブのうちの一方の部材に、少なくともアルミニウムまたはクロムのうちの一方が含有されているが、そのシースチューブ内にアルゴンガスを封入することができる。すなわち、製造されたグロープラグのシースチューブ内には酸素や窒素を含有する大気が存在しない。このため、発熱コイルへの通電により発熱コイルやシースチューブが高温となっても、シースチューブの内面や発熱コイル自身が酸化したり、これらに含有されるアルミニウムやクロムが窒化したりすることがなく、すなわち脆弱化による発熱コイルの断線やシースチューブの変形が防止されるので、グロープラグの長寿命化を図ることができる。

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、封止部材を酸素や窒素を通過させにくいフッ素ゴムまたはガラスシールから形成したので、グロープラグの製造後に、シースチューブ内に大気中の酸素や窒素が進入することがなく、グロープラグの長寿命化を図ることができる。

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。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、後述する絶縁リング５０にあわせて拡径された後端付近と、軸孔４３内で保持するシーズヒータ２０を挿入しやすくするため僅かに拡径された先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、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内に挿入されている。

シーズヒータ２０は、先端部２５を球面状に閉じたニッケル系合金（例えばインコネル（商標名））やステンレス等の金属製の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。本実施の形態の発熱コイル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。発熱コイル２４の一方の電極はシースチューブ２１の先端部２５の内面に溶接されている。また、発熱コイル２４の他方の電極は制御コイル２３の一方の電極に接合されており、両者は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。そしてシースチューブ２１内に充填されたマグネシア粉末２２により、シースチューブ２１の内面と、発熱コイル２４および制御コイル２３とが、発熱コイル２４の一方の電極を除き絶縁された状態で維持される。

また、中軸３０の外周面とシースチューブ２１の後端部２６の内面との間には、耐熱絶縁性の高いフッ素ゴムからなる封止部材３２が介在される。この状態でシースチューブ２１の後端部２６の外周が加締められることによって、中軸３０とシースチューブ２１とが絶縁された状態で一体に固定されている。また、この封止部材３２により、シースチューブ２１は封止される。

中軸３０と一体となったシーズヒータ２０の後端部２６は、主体金具４０の先端側より軸孔４３内に圧入されており、中軸３０が軸孔４３内にて主体金具４０と非接触の状態で、シーズヒータ２０が位置決め固定されている。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とが非接触の状態で位置決めされ、両者の絶縁が確実となる。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。

このような構成の本実施の形態のグロープラグ１００では、シーズヒータ２０を製造する際に、シースチューブ２１内にマグネシア粉末２２を充填したときに混入した大気をアルゴンガスに置換することで、シースチューブ２１内を酸化や窒化等の反応が起こらない安定した雰囲気とし、発熱コイル２４の発熱にともなってシースチューブ２１の内周面や発熱コイル２４等が酸化したり窒化したりすることを防止している。以下、図２を参照して、シーズヒータ２０の製造方法の概略について説明する。図２は、シーズヒータ２０の製造工程の概略を示す図である。

図２に示すように、シーズヒータ２０の製造工程では、まず、制御コイル２３の一方の電極を発熱コイル２４の他方の電極と直列に接合し、制御コイル２３の他方の電極を中軸３０の係合部３１に嵌め込み溶接する。次に、シースチューブ２１内に、発熱コイル２４、制御コイル２３および中軸３０の先端部を発熱コイル２４側から挿入し、発熱コイル２４の一方の電極をシースチューブ２１の先端部２５の内面に溶接する。そして、発熱コイル２４、制御コイル２３および中軸３０を軸線Ｏ方向に引っ張りながら、シースチューブ２１の後端部２６の開口よりマグネシア粉末２２を充填する（部材組付工程）。

この状態で未完成のシーズヒータ２０をチャンバ２００内に入れ、真空ポンプ２２０を稼働させて真空引きを行う。真空引きが終わるとバルブ２１０を開放してチャンバ２００内にアルゴンガスを導入し、チャンバ２００内をアルゴン雰囲気に真空置換し、未完成のシーズヒータ２０の内部の空隙がアルゴンガスで満たされるようにする（真空置換工程）。そして、中軸３０の後端側よりフッ素ゴムからなるリング状の封止部材３２を嵌め込み、シースチューブ２１の後端部２６の内周面と、中軸３０の外周面との間に配置させる。さらにシースチューブ２１の後端部２６の外周を加締め、シースチューブ２１内の密封と中軸３０の固定とを行う（封止工程）。その後、このシースチューブ２１の外周にスエージング加工を施して、シーズヒータ２０を細径化する。これにより、シースチューブ２１内のマグネシア粉末２２の充填密度を高くするとともに、シースチューブ２１と発熱コイル２４や制御コイル２３との熱伝導性を向上させる。

このような工程を経て製造されるシーズヒータ２０内には、密に充填されたマグネシア粉末２２の微細な間隙に不活性ガスとしてのアルゴンガスが封入された状態となり、真空引きされた大気は存在しない。つまり、製造されたシーズヒータ２０のシースチューブ２１内には、酸素や窒素が存在しない。従って、シーズヒータ２０が通電され発熱コイル２４が加熱することで発熱コイル２４やシースチューブ２１が高温となっても、シースチューブ２１の内面や発熱コイル２４自身などが大気混入による酸素によって酸化したり、これらの部材が成分として含有するアルミニウムやクロムが窒化したりすることがない。すなわち、酸化や窒化によりシースチューブ２１自身を含めたシースチューブ２１内部の部材が脆弱化して断線や変形を生ずる虞がなく、シーズヒータ２０の長寿命化を図ることができる。

このように、シーズヒータ２０の製造の際にシースチューブ２１内に混入する大気をアルゴンガスで真空置換したことによる長寿命化の効果を確認するために、実施例１に示す評価試験を行った。

［実施例１］
実施例１の評価試験では、表１に示すように、発熱コイルの材質や真空置換の有無の異なる５つのシーズヒータを用い、サンプルとしてのグロープラグを作製し、それらの耐久性を調べた。第１〜第３のサンプルでは、発熱コイルをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌからなる合金で作製し、第４，第５のサンプルでは、発熱コイルをＮｉ−Ｃｒからなる合金で作製した。また、制御コイルおよび封止部材については第１〜第５のサンプル共通で、制御コイルはＣｏ−Ｎｉ−Ｆｅからなる合金で作製し、封止部材はフッ素ゴムを用いて作製した。そして、第１，第４のサンプルは、シースチューブ内の真空置換を行わなかった。また、第２，第５のサンプルはアルゴンガスで、第３のサンプルは窒素ガスで、それぞれシースチューブ内の真空置換を行った。

そして第１〜第５のサンプルに対し、ＤＣ１３Ｖの電圧印加を３分間、無通電状態を１分間行い、これを１サイクルとする通電サイクルを複数サイクル繰り返す耐久試験を行った。なお、各サンプルはそれぞれ１０本製造し、発熱コイルが断線した際の最低サイクル数を確認した。

この表１に示した耐久性は、それぞれのサンプルにおいて、最も少ないサイクル数で断線したものについて、そのサイクル数を百の位で切り捨てて表示したものである。すなわち、第１のサンプルでは、発熱コイルの断線が発生するまで、少なくとも１００００サイクル以上の通電サイクルを行うことができたことを示している。同様に第２のサンプルでは１３０００サイクル以上、第３のサンプルでは５０００サイクル以上、第４のサンプルでは８０００サイクル以上、第５のサンプルでは１００００サイクル以上の通電サイクルを行えたことを示している。

第１，第２のサンプルについて比較した結果、シースチューブ内を不活性ガスであるアルゴンガスで真空置換することにより、シーズヒータの耐久性が向上することが確認できた。また、第１〜第３のサンプルについて比較した結果、真空置換する不活性ガスが窒素である場合、発熱コイルの含有するアルミニウム成分やクロム成分が窒化するため耐久性が低下することが確認できた。

また、第４，第５のサンプルについて比較した結果、発熱コイルにアルミニウム成分が含有されていなくともクロム成分が窒化するため、シースチューブ内をアルゴンガスで真空置換すれば耐久性が向上することが確認できた。なお、この評価試験においては最も高温となる発熱コイルに対してのみ試験を行っているが、シースチューブに含まれるアルミニウム成分やクロム成分の反応を抑制する効果があることは言うまでもない。また、中軸や制御コイル等のシースチューブ内に含まれる部材に対しても同様のことが言える。

なお、本発明は各種の変形が可能である。例えば、封止部材３２にはフッ素ゴムを用いたが、窒素を透過し難い絶縁性の部材であればよく、例えばガラスシールを用いてもよい。また、本実施の形態ではシースチューブ２１内へのマグネシア粉末２２の充填後にアルゴンガスによる真空置換を行ったが、マグネシア粉末２２の充填から封止部材３２によるシースチューブ２１の封止までの工程をアルゴン雰囲気下で行ってもよい。

また、シースチューブ２１内の真空置換を行った不活性ガスは本実施の形態で説明したアルゴンガス以外にも、ヘリウムガス、ネオンガス等の希ガスあってもよいが、経済的な理由からはアルゴンガスが望ましい。また、アルゴンガスによる真空置換は大気が完全に置換された状態が望ましいが、シースチューブ２１や発熱コイル２４等の脆弱化に影響を与えない程度であれば、大気が残留していてもよい。

また、シースチューブ２１や発熱コイル２４にはアルミニウムやクロム成分が含有されているとしたが、チタン、ジルコニウム、バナジウム、モリブデン等の窒化しやすい元素を含有している場合にも、シースチューブ２１内にアルゴンガスを封入すれば、グロープラグ１００の長寿命化の効果を得ることができる。

本発明は、発熱コイルを収容するシースチューブ内に絶縁粉末を充填して作製したシーズヒータを使用した、内燃機関用のグロープラグや家電用のヒータ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の製造工程の概略を示す図である。

符号の説明

２１ シースチューブ
２４ 発熱コイル
２５ 先端部
２６ 後端部
３２ 封止部材
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、前記シースチューブの後端の開口を封止する封止部材とを備え、
   少なくとも前記シースチューブまたは前記発熱コイルのうちの一方の部材に、少なくともアルミニウムまたはクロムのうちの一方が含有されたグロープラグにおいて、
   前記シースチューブ内にアルゴンガスが封入されていることを特徴とするグロープラグ。
2. 前記封止部材は、フッ素ゴムまたはガラスシールからな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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