JP2007046898A - セラミックグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】金属外筒から露出したセラミック部分の曲げ強度が強く、かつ、速熱性に優れ、さらに燃焼気流を乱すことの少ないセラミックグロープラグを提供する。
【解決手段】セラミックヒータ素子４の金属外筒３から先端側に露出した部分の直径に径差を設けて２段となるように、基体セラミック１１が金属外筒３から露出した付近の基径Ｄ１より基体セラミック１１の先端近傍の先端径Ｄ２が細くなるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの始動時に着火源として用いられるグロープラグに関し、特に発熱体をセラミックの中に埋設し一体に焼結したセラミックグロープラグに関する。

従来実用化されているセラミックグロープラグは、例えば特開昭５９−２３１３２２号公報に記載されているように、タングステン（Ｗ）等の細線からなる発熱線コイルとリード線とを接続したものを窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の粉末中に埋設し焼結成形してセラミックヒータ素子としたものであった。この種のセラミックグロープラグは金属発熱線コイルの作製に手間と費用がかかり、コスト高になるという問題点があった。

そこで、特開平９−１４６５９号公報に記載されているように、金属線からなる発熱線コイルの代わりに、タングステン（Ｗ）合金等の導電材料の粉末と窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の粉末を混合したものを成形してセラミック発熱体とし、基体セラミックとなる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）と共に焼結成形してセラミックヒータ素子としたものが研究されている。この種のセラミックグロープラグではセラミック発熱体を埋設した基体セラミックを円柱形状に形成し、その側周を金属外筒で支持すると共に基体セラミックの先端部を露出させ、燃焼室に曝して先端部を着火源とするものであった。そして、円柱形状の基体セラミックは金属外筒に覆われた根本部分も燃焼室に曝される先端部分も同じ外径にしたものであった。

しかしながら、根本部分も先端部分も同じ外径のストレートの基体セラミックでは基体セラミックの外径が太くなりがちであった。これは、セラミックヒータ素子の先端すなわち基体セラミックの先端はディーゼルエンジンの燃焼室に曝され激しい燃焼気流に曝される。このため、基体セラミックの先端部には燃焼室の気流による曲げ抗圧荷重が掛かる。基体セラミックの金属外筒から露出したセラミック露出部分は、この曲げ抗圧荷重をセラミック自体の強度により支えなければならない。このため、基体セラミックの外径は曲げ抗圧強度を強くするため太くなりがちであった。

基体セラミックの外径が太くなると、第１に基体セラミック先端部の熱容量が大きくなることから、第２にセラミック発熱体から基体セラミック表面までの肉厚が厚くなることから、セラミックグロープラグの昇温特性のうち速熱性が悪くなるという問題点があった。ここで速熱性とはグロープラグに電圧が印加されてから先端部がいかに早く始動可能となる目安の温度（８００℃）に達するかという特性である。また、燃焼室に突き出したセラミックグロープラグの先端部はディーゼルエンジンの始動時にのみ必要であり始動時以外は燃焼室の燃焼気流を乱す邪魔物になる。従って、基体セラミックの外径は細ければ細いほど好ましく、太い基体セラミックは燃焼気流を乱すという問題点があった。

そこで、本発明は、金属外筒から露出したセラミック部分の曲げ強度が強く、かつ、昇温特性の速熱性に優れ、さらに先端部が小さく燃焼気流を乱すことの少ない、優れたセラミックグロープラグを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のうち請求項１記載の発明は、主体金具と、その主体金具に保持された金属外筒と、その金属外筒に外周部を保持されて先端部を露出させ略円柱状をした電気絶縁物からなる基体セラミックと、その基体セラミック中に埋設されて通電により発熱するセラミック発熱体と、を備えるセラミックグロープラグにおいて、前記基体セラミックが金属外筒から露出した付近の基体セラミックの直径（以下基径Ｄ１と称す）より基体セラミックの先端近傍の直径（以下先端径Ｄ２と称す）が細くなるように（Ｄ１＞Ｄ２）形成されていることを特徴とする。

このように形成すると、金属外筒から露出した基体セラミックに掛かる曲げ荷重による応力が集中する部分である金属外筒の端縁近傍の基体セラミックの径は基径Ｄ１であり、太い。このため、曲げ荷重に強くなる。そして、基体セラミックの先端部はその径が先端径Ｄ２であり、細い。このため、セラミック発熱体から基体セラミック表面までの肉厚が薄くなり、また、先端部が細いだけその熱容量が小さくなり、昇温特性の速熱性が良くなる。さらに、基体セラミックの先端部が細く小さいため、燃焼室の燃焼気流を乱す度合いが小さくなる。

ここで、請求項２記載の発明のように、前記基体セラミックが、前記基径Ｄ１の部分から前記先端径Ｄ２の部分へ移行する径差のある部分が滑らかな曲線で形成されていることを特徴とすることができる。このように形成すると、径差のある部分への曲げ荷重による応力集中が緩和されるから、より曲げ荷重に強くなる。また、熱傾斜の集中も緩和され、耐久性に優れる。

ここで、請求項３記載の発明のように、前記基体セラミックの基径Ｄ１が、３．３５ｍｍ以上あることを特徴とすることができる。このように形成すると、実際のディーゼルエンジンの燃焼室で発生する燃焼気流による曲げ荷重に充分耐え、実用的に充分耐久性のあるセラミックグロープラグを提供することができる。

ここで、請求項４記載の発明のように、前記基体セラミックの先端径Ｄ２が、基径Ｄ１以下であり、かつ、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、（単位はｍｍ）であることを特徴とすることができる。このように形成すると、基体セラミックの先端部の実用的な強度を確保しながら、昇温特性の速熱性を良好に保つことができる。

本発明の実施の形態について図面を参照し説明する。図１は本発明に係るセラミックグロープラグの部分断面図である。セラミックグロープラグ１の主体金具２は低炭素鋼で構成され、プラグレンチと嵌合する６角形部２Ａと、シリンダヘッドに螺合するねじ部２Ｂとを備えている。主体金具２の先端には燃焼室との密閉を図るシート面２Ｃが形成されている。主体金具２の先端から図面下方に突出してステンレス材（ＳＵＳ）からなる金属外筒（スリーブ）３が配設されている。その金属外筒３に保護されて略円柱形状で先端が半球状のセラミックヒータ素子４が配設され、その先端部を金属外筒３から図面下方に露出させている。金属外筒３は主体金具２にロウ付け固着され、セラミックヒータ素子４は金属外筒３にロウ付け固着されている。

主体金具２の後退側（図面上部）には低炭素鋼からなる中軸５が配設されている。中軸５はセラミックグロープラグ１の電極となる部材であり、その上部にねじ部５Ａが形成されている。中軸５はガラスシール材６により主体金具２の中心に位置するようにされ、絶縁体７を介してナット８により固定されている。中軸５とセラミックヒータ素子４とはリードコイル９により電気的に接続されている。

図２はセラミックグロープラグ１の先端部を拡大して示し、特に、セラミックヒータ素子４の内部構造を示す断面図である。セラミックヒータ素子４は略円柱形状をした電気絶縁体である基体セラミック１１の中に、Ｕ字形状をしたセラミック発熱体１２と、そのセラミック発熱体の両端に嵌合された第１及び第２のリード線１３，１４が埋設されている。第１のリード線１３は基体セラミック１１の上端近傍の側周に露出し、リードコイル９にロウ付けされる。第２のリード線１４は基体セラミック１１の中程の側周に露出し、金属外筒３にロウ付けされる。

従って、中軸５に電圧（通常＋１１Ｖ程度）を印加すると電流は、中軸５、リードコイル９、第１のリード線１３、セラミック発熱体１２、第２のリード線１４、金属外筒３、主体金具２と流れ接地される。この電流によりＵ字形状をしたセラミック発熱体１２の先端部が強く発熱し基体セラミック１１の先端部を加熱する。

セラミックヒータ素子４の構成についてさらに詳細に説明する。セラミックヒータ素子４の本体となる基体セラミック１１には電気絶縁体である窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の焼成体を用いる。セラミック発熱体１２には導電材料であるタングステンカーバイト（ＷＣ）と窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）との混合物を焼結したものを用いる。リード線１３，１４には耐熱性のある純タングステン（Ｗ）線を用いる。

セラミックヒータ素子４の製造方法について簡単に説明する。
工程１、タングステンカーバイト（ＷＣ）等の導電材料に規定量の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び焼結助剤を添加し、湿式にて７２Ｈｒ混合粉砕を行う。
工程２、その泥漿を乾燥後、粉末状態とし、混練機中にその粉末及び成形補助バインダーを投入し、４Ｈｒ混練する。
工程３、その混練した導電材料をペレット状に裁断し、射出成形機に投入してインサート成形のようにしてリード線１３，１４が嵌合したセラミック発熱体１２を成形する。
工程４、基体セラミックの材料となる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）に焼結助剤を添加し、４０Ｈｒ湿式にて混合粉砕した後、噴霧乾燥により造粒粉末とする。
工程５、上記工程４で得られた粉末中に工程３で得られたリード線１３，１４が嵌合したセラミック発熱体１２を埋没し、一体プレスする。
工程６、上記の一体プレス品をホットプレス法により焼成する。
工程７、上記の焼成体を円柱形状に研磨し、先端側を半球状にＲ研磨し、セラミックヒータ素子４とする。このとき、上記焼成体のうち金属外筒３に覆われる部分及び金属外筒３から露出した付近に相当する部分の直径Ｄ１より先端側の部分の直径Ｄ２が縮径されて径差ができるように先端部をより細く研磨する。そして、径差のある部分Ｒが滑らかな曲線を形成するよう研磨する。

図２を参照し、上記のように製造されたセラミックヒータ素子４を用いたセラミックグロープラグ１では、基体セラミック１１が金属外筒３から露出したセラミック露出部分は、金属外筒３付近の金属外筒３の内径と等しい直径（基径Ｄ１）を持つ部分と、より先端側で縮径されやや細い直径（先端径Ｄ２）を持つ部分とがある。基径Ｄ１部分の長さＬ１は、Ｌ１＝３．０、（単位はｍｍ以下同じ）であり、先端径Ｄ２部分の長さＬ２は、Ｌ２＝６．０、である。従って、セラミック露出長Ｌ３は、Ｌ３＝９．０、である。基径Ｄ１部分から先端径Ｄ２部分へ移行する径差のある部分Ｒは滑らかな曲線で形成され、階段状にならないようにＲがつけられている。先端径Ｄ２部分の基体セラミック１１の肉厚Ｔ（基体セラミックの表面からセラミック発熱体１２までの距離）は基径Ｄ１部分の肉厚に比べて薄くなるように作られている。基径Ｄ１は、Ｄ１＝３．３０〜３．５０、の種々のものを用意し、先端径Ｄ２は、Ｄ２＝３．３０、から基径Ｄ１までの種々のものを用意した。

図３は上記で用意した種々の基径Ｄ１及び先端径Ｄ２を有するセラミックグロープラグ１での、セラミックヒータ素子４の素子径（先端径Ｄ２）と曲げ荷重に対する抗圧強度との関係を示すグラフ図である。抗圧強度はセラミックヒータ素子４を金属外筒３に組み込んだ状態でセラミックヒータ４の先端すなわち基体セラミック１１の先端に曲げ荷重を加え、セラミックヒータ素子４が折損した時の荷重をＫｇｆで表した。グラフ図の縦軸は抗圧強度であり、単位はＫｇｆである。横軸は先端径Ｄ２であり、単位はｍｍである。

図中で記号□でプロットし、破線Ｄにより示されるデータは、Ｄ１＝Ｄ２，すなわち基径Ｄ１と先端径Ｄ２が等しく先端部が縮径されていない従来のストレートのセラミックヒータ素子でその径を変えていった時のもので、対比のためのデータである。破線Ｄのデータによれば、素子径（先端径Ｄ２）が３，５０ｍｍから３．３０ｍｍまで細くなるだけで、抗圧強度は５５．０Ｋｇｆから３１．０Ｋｇｆまで大幅に低下している。

これに対して、図中で記号○でプロットし、直線Ａにより示されるデータは、基径Ｄ１が、Ｄ１＝３．５０、のものである。直線Ａのデータによれば、先端径Ｄ２を３．４０，３．３５，３．３０と細くしていっても抗圧強度の低下は５５．０Ｋｇｆから５４．０Ｋｇｆまでの僅少の低下に止まっている。図中で記号△でプロットし直線Ｂにより示されるデータは基径Ｄ１が、Ｄ１＝３．４０、のものであり、記号◇でプロットし直線Ｃにより示されるデータは基径Ｄ１が、Ｄ１＝３．３５，のものである。いずれのデータも先端径Ｄ２の減少に伴う抗圧強度の低下は僅少であり、従来例の破線Ｄのデータと大きな隔たりを示している。

本発明品に係るデータを示す直線Ａ，Ｂ、Ｃの勾配が破線Ｄの勾配に比べてはるかに緩いことは、先端径Ｄ２が細くても長さＬ１＝３．０ｍｍの基径Ｄ１部分の存在によりセラミックヒータ素子４が強い抗圧強度を持つに至ったことを示している。このことは、本発明の効果である先端部の径が小さくとも金属外筒から露出したセラミック部分の曲げ強度が強いという特徴を如実に示すものである。

次に、基体セラミック１１の基径Ｄ１は最低限どの程度必要かについて検討する。実際のディーゼルエンジンにセラミック露出長Ｌ３＝１１．０ｍｍのものを装着し実機耐久試験を行った結果、セラミックヒータ素子の折損が発生した。このときの推定抗圧荷重は３０Ｋｇｆであった。この対策として抗圧強度が３５Ｋｇｆのものを用いたところ問題は発生しなかった。以上のことから抗圧強度が３５Ｋｇｆ以上のセラミックグロープラグを用いれば実際のエンジンで問題が生じないと考えられる。抗圧強度が３５Ｋｇｆ以上という条件を図３のグラフ図から見れば、直線Ｃのデータから、基径Ｄ１は３．３５ｍｍ以上あることが望ましい。この結論は請求項３の発明を支持するものである。

図４はセラミックヒータ素子４の素子径（先端径Ｄ２）と温度係数との関係を示すグラフ図である。ここで温度係数とはグロープラグの速熱性を評価するためこの明細書で仮に定義した係数であり、通電開始後５秒経過時の先端温度と４０秒経過時の先端温度との比（５秒時温度／４０秒時温度）をいう。５秒時温度はグロープラグの先端が昇温途中の温度であり、これに対して４０秒時温度はほぼ飽和温度に達した温度である。従って、上記で定義した温度係数が１．０に近いほど素早く昇温する速熱性に優れたグロープラグといえる。

図４は基径Ｄ１が、Ｄ１＝３．５０，のセラミックグロープラグでのデータをプロットしたものであり、横軸は先端径Ｄ２で単位はｍｍ、縦軸は上記で定義した温度係数である。データはほぼ直線に乗り、先端径Ｄ２が細くなるほど高い温度係数を示している。このように、先端径Ｄ２が小さくなるほど高い温度係数を示すのは、先端径Ｄ２が小さいほど基体セラミック１１の肉厚Ｔが薄くなりセラミック発熱体１２の温度が素早く基体セラミック１１の表面に伝わることと、先端径Ｄ２が小さいほどセラミックヒータ素子４の先端部の容積が小さくなりそれだけ熱容量が小さくなるためであると考えられる。

図３及び図４のデータからセラミックヒータ素子４の先端径Ｄ２は、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、であることが望ましい。先端径Ｄ２が３．３０ｍｍ未満になると図３の直線Ｃのデータから抗圧強度が３５Ｋｇｆに近づき、製品のバラツキによってはセラミックヒータ素子４の折損を懸念しなければならなくなる。また、基体セラミック１１の肉厚Ｔが余りに薄くなると燃料腐食（高温での使用による燃料によるセラミックの腐食）に対しての余裕度が無くなり好ましくない。一方、先端径Ｄ２が３．５０ｍｍを超過すると図４のデータから上記温度係数が０．８６を下回り、速熱性に欠けたセラミックグロープラグになる。速熱性に欠けたグロープラグを急速昇温させるためには飽和温度を高くしなければならず、飽和温度を高くするとセラミックグロープラグの耐久性が低下する。従って、先端径Ｄ２は、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、であることが望ましい。この結論は請求項４の発明を支持するものである。

なお、セラミックヒータ素子４を径差のある２段構造とせず、従来のストレートの形状のまま、基体セラミック１１の肉厚Ｔを全長にわたって薄くして昇温特性の速熱性を良くしようとしても問題が生ずる点について触れておく。基体セラミック１１の削り代を大きくして肉厚Ｔを薄くしようとするとセラミックヒータ素子４の径が細くなり、図３の破線Ｄで示すように素子の抗圧強度が急激に低下して強度が確保できなくなる。また、セラミックヒータ素子４の径を維持し抗圧強度を確保して肉厚Ｔのみを薄くすれば、速熱性は達成できるかも知れないが、素子の先端径は大きいままであり、燃焼室の燃焼気流を乱すという問題点は残ったままである。従って、本発明のようにセラミックヒータ素子４を径差のある２段構造とすることが好ましいのである。

以上説明したように、本発明は、セラミックヒータ素子の金属外筒から先端側に露出した部分の直径に径差を設けて２段となるように、基体セラミックが金属外筒から露出した付近の基径Ｄ１より基体セラミックの先端近傍の先端径Ｄ２が細くなるように（Ｄ１＞Ｄ２）形成したものであるから、金属外筒から露出したセラミック部分の曲げ強度が強く、かつ、先端部の昇温特性の速熱性に優れるという優れた効果がある。また、先端径Ｄ２を小さくできるからセラミックヒータ素子の先端部を小さくでき、燃焼室の燃焼気流の乱れが少なくなるという効果がある。

本発明に係るセラミックグロープラグの部分断面図である。 セラミックグロープラグの先端部を拡大して示す断面図である。 素子径と抗圧強度との関係を示すグラフ図である。 素子径と温度係数との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ セラミックグロープラグ
２ 主体金具
３ 金属外筒
４ セラミックヒータ素子
１１ 基体セラミック
１２ セラミック発熱体
Ｄ１ 基径
Ｄ２ 先端径
Ｒ 径差部
Ｔ 肉厚

Claims (4)

1. 主体金具と、その主体金具に保持された金属外筒と、その金属外筒に外周部を保持されて先端部を露出させ略円柱状をした電気絶縁物からなる基体セラミックと、その基体セラミック中に埋設されて通電により発熱するセラミック発熱体と、を備えるセラミックグロープラグにおいて、
   前記基体セラミックが金属外筒から露出した付近の基体セラミックの直径（以下基径Ｄ１と称す）より基体セラミックの先端近傍の直径（以下先端径Ｄ２と称す）が細くなるように（Ｄ１＞Ｄ２）形成されていることを特徴とするセラミックグロープラグ。
2. 前記基体セラミックが、前記基径Ｄ１の部分から前記先端径Ｄ２の部分へ移行する径差のある部分が滑らかな曲線で形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックグロープラグ。
3. 前記基体セラミックの基径Ｄ１が、３．３５ｍｍ以上あることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックグロープラグ。
4. 前記基体セラミックの先端径Ｄ２が、基径Ｄ１以下であり、かつ、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、（単位はｍｍ）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックグロープラグ。

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