JP2008089233A - グロープラグ - Google Patents
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Abstract
【課題】 限られた容量の電源で、高温に加熱可能なグロープラグの提供を目的とする。
【解決手段】
通電により発熱するセラミック製の発熱体１００と、発熱体１００が埋設されるセラミック製の絶縁性支持体１２０と、端子部１１２、１１４が絶縁性支持体１２０の表面に引き出され発熱体１００に導通する一対のリード線１１１、１１３とからなる発熱部を有し、エンジンの燃焼室を加熱し着火を補助するグロープラグ１であって、発熱体１００は正の抵抗温度係数を有し、２０℃における抵抗値をＲ２０、１２００℃における抵抗値をＲ１２００としたとき、（ａ）Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６Ω以下、（ｂ）Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下、（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下の関係を満たす領域Ａに含まれることを特徴とする。
【選択図】 図５
【解決手段】
通電により発熱するセラミック製の発熱体１００と、発熱体１００が埋設されるセラミック製の絶縁性支持体１２０と、端子部１１２、１１４が絶縁性支持体１２０の表面に引き出され発熱体１００に導通する一対のリード線１１１、１１３とからなる発熱部を有し、エンジンの燃焼室を加熱し着火を補助するグロープラグ１であって、発熱体１００は正の抵抗温度係数を有し、２０℃における抵抗値をＲ２０、１２００℃における抵抗値をＲ１２００としたとき、（ａ）Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６Ω以下、（ｂ）Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下、（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下の関係を満たす領域Ａに含まれることを特徴とする。
【選択図】 図５
Description
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃焼室を予熱し、着火を補助する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において、始動性向上のために、燃焼室内に発熱部が露出するように設けられ、通電によって発熱する発熱部を有するグロープラグによって、該燃焼室内を加熱し、着火を補助する方法が広く実施されている。
近年、始動時の速熱性を図るべく、昇温速度の高い抵抗温度係数の大きな発熱体を備えたグロープラグを用いることが提言されている。
例えば、特許文献１には、発熱体３３の１２００℃時の抵抗値をＲ１、発熱体３３の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、Ｒ１／Ｒ２≧２とした抵抗温度係数の大きな発熱体３３を用いることにより、速熱性を向上させたグロープラグが開示されている。
特許文献２には、抵抗発熱ヒータが、２０℃での電気抵抗Ｒ２０に対する１０００℃での電気抵抗Ｒ１０００の比Ｒ１０００／Ｒ２０が６以上となる抵抗発熱体を有するグロープラグが開示されている。
例えば、特許文献１には、発熱体３３の１２００℃時の抵抗値をＲ１、発熱体３３の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、Ｒ１／Ｒ２≧２とした抵抗温度係数の大きな発熱体３３を用いることにより、速熱性を向上させたグロープラグが開示されている。
特許文献２には、抵抗発熱ヒータが、２０℃での電気抵抗Ｒ２０に対する１０００℃での電気抵抗Ｒ１０００の比Ｒ１０００／Ｒ２０が６以上となる抵抗発熱体を有するグロープラグが開示されている。
また、エンジン始動時の着火性向上に加え、始動後の安定性向上や排ガス浄化性能の向上を図るため、エンジン始動時のみならず、始動後もグロープラグへの通電を実施するアフターグローの要求が高まってきている。
このような場合、電源の負荷をできる限り少なくすると共に、エンジンの状況に応じて、より精密にグロープラグの温度制御を図るべく、従来の電磁リレーの開閉による通電制御に代わって、スイッチング回路を用いた通電制御が試みられている。
このような場合、電源の負荷をできる限り少なくすると共に、エンジンの状況に応じて、より精密にグロープラグの温度制御を図るべく、従来の電磁リレーの開閉による通電制御に代わって、スイッチング回路を用いた通電制御が試みられている。
例えば、特許文献２には、スイッチング回路保護のため、抵抗温度係数の大きい抵抗発熱ヒータと抵抗温度係数の小さい突入電流抑制抵抗体とを直列に接続し、抵抗発熱ヒータの受電電圧に対応してデューティ比が一義的に定められたＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）制御により通電制御されるグロープラグが開示されている。
特開２００４−２４５１０３号公報
特開２００４−４４５７９号公報
しかしながら、エンジン始動安定性向上のために、グロー温度の更なる高温化を図るべく、従来の抵抗温度係数の大きな発熱体を用いると、バッテリの容量を大きくしなければならない。即ち、初期抵抗が低く、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いると、突入電流が大きいので、従来のバッテリ容量では、スタータ回転のための電力が不足し、始動に成功しない虞もある。
また、初期抵抗が高く、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いると、突入電流は小さくできるが、発熱抵抗値が非常に高くなってしまい、従来のバッテリ容量では、電力不足となり、充分な発熱温度に到達しなくなる虞もある。
更に、ＰＷＭ制御においては、バッテリ電圧の変動に影響されず安定した実行値電圧を印加することができるが、バッテリ電圧を直接印加する場合に比べ、上記実行値電圧は低く抑えられるので、従来と同じ発熱量を維持するためには、発熱体の抵抗値を低くした低定格用グロープラグを用いなければならず、突入電流が大きくなってしまう。
また、初期抵抗が高く、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いると、突入電流は小さくできるが、発熱抵抗値が非常に高くなってしまい、従来のバッテリ容量では、電力不足となり、充分な発熱温度に到達しなくなる虞もある。
更に、ＰＷＭ制御においては、バッテリ電圧の変動に影響されず安定した実行値電圧を印加することができるが、バッテリ電圧を直接印加する場合に比べ、上記実行値電圧は低く抑えられるので、従来と同じ発熱量を維持するためには、発熱体の抵抗値を低くした低定格用グロープラグを用いなければならず、突入電流が大きくなってしまう。
そこで、本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、突入電流の抑制化と加熱温度の高温化との二律背反する課題を解決し、速熱性に優れ、限られた容量の電源で高温に加熱可能なグロープラグの提供を目的とする。
請求項１の発明は、通電により発熱するセラミック製の発熱体と、該発熱体が埋設されるセラミック製の絶縁性支持体と、該絶縁性支持体の表面に引き出され上記発熱体に導通する一対のリード線とからなる発熱部を有し、エンジンの燃焼室を加熱し着火を補助するグロープラグであって、
上記発熱体は正の抵抗温度係数を有し、上記発熱体の２０℃における抵抗値を初期抵抗値Ｒ２０、１２００℃における抵抗値を発熱抵抗値Ｒ１２００とし、上記発熱抵抗値Ｒ１２００と上記初期抵抗値Ｒ２０との比を抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０としたとき、
（ａ）初期抵抗値Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６Ω以下
（ｂ）発熱抵抗値Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下
（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下
の関係を満たす領域に含まれることを特徴とする。
上記発熱体は正の抵抗温度係数を有し、上記発熱体の２０℃における抵抗値を初期抵抗値Ｒ２０、１２００℃における抵抗値を発熱抵抗値Ｒ１２００とし、上記発熱抵抗値Ｒ１２００と上記初期抵抗値Ｒ２０との比を抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０としたとき、
（ａ）初期抵抗値Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６Ω以下
（ｂ）発熱抵抗値Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下
（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下
の関係を満たす領域に含まれることを特徴とする。
請求項１の発明によれば、最大電圧１３．５ｖ印加時でもグロープラグへの突入電流を４５Ａ以下に低く抑えることができ、グロープラグ１本当たりの消費電力を７０Ｗ以下に抑えることができ、実行電圧７Ｖ印加時でも上記発熱体の発熱温度を１２００℃レベルに維持できる。
請求項２の発明は、定格電圧印加後にて、放射率Ｅ＝１、測定円φ０．５の放射温度計で測定したときの上記発熱部の表面温度が１１００℃以上である。
請求項２の発明によれば、上記燃焼室を充分に加熱し、安定した着火性を維持できる。
請求項３の発明は、定格電圧印加後にて、上記発熱部の表面温度が１１００℃以上となる範囲が、上記発熱部の先端から５ｍｍ以上である。
請求項３の発明によれば、上記グロープラグが上記燃焼室内へ突出した部分のほとんどが１１００℃以上となるので、有効に上記燃焼室内を加熱し、更に安定した着火性を維持できる。
請求項４の発明は、上記発熱体は窒化硅素を主成分とし、炭化タングステン又は二硅化モリブデンの少なくともいずれか１種と、炭化珪素又はレニウム若しくはモリブデンのいずれかから選択される少なくとも１種以上とを含有するセラミックからなる。
請求項４の発明によれば、炭化タングステン又は二硅化モリブデンと、炭化珪素又はレニウム若しくはモリブデンとの混合比の調整によって上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０を設定できる。
請求項５の発明は、上記絶縁性支持体は窒化硅素を主成分とし、二硅化モリブデンを含有するセラミックからなる。
請求項５の発明によれば、上記発熱体と同じく窒化硅素を主成分とするため上記発熱体との熱膨張率の差を小さくできる。
請求項６の発明は、上記エンジンの状態に応じてパルス信号を発生する電子制御装置（ＥＣＵ）と該ＥＣＵからのパルス信号に従って上記グロープラグへの通電を実施するスイッチング回路からなるグロープラグ通電制御装置（ＥＤＵ）とを具備し、デューティ比の調整によって安定した実行電圧を印加するＰＷＭ（パルス幅変調）制御通電によって、温度を制御される。
請求項６の発明によれば、ＰＷＭ制御により電源電圧の変動に左右されず安定した実行電圧を上記グロープラグに印加できる。
請求項７の発明は、上記エンジンの圧縮比εが１６以下に設定された場合に用いられる。
請求項７の発明によれば、低い圧縮比であっても、上記グロープラグの発熱温度が１１００℃以上であるので、確実に着火、始動することができる。
従って、圧縮比を１６以下に設定することにより、ＮＯｘの生成を抑制するとともにエンジン騒音、振動を低減できる。
従って、圧縮比を１６以下に設定することにより、ＮＯｘの生成を抑制するとともにエンジン騒音、振動を低減できる。
本発明によれば、グロープラグに通電した時の突入電流を低く抑えつつ、グロープラグの発熱温度を１１００℃以上に高温化できる。
しかも、１１００℃以上の表面温度を持つ発熱部の範囲が５ｍｍ以上と広いため、より安定した着火性が得られる。
しかも、１１００℃以上の表面温度を持つ発熱部の範囲が５ｍｍ以上と広いため、より安定した着火性が得られる。
図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるグロープラグ１の構造およびエンジンヘッド２への取付状態を説明する。
グロープラグ１は、例えば、図略の自動車用ディーゼルエンジンの気筒毎に設置され、エンジンの燃焼室を予熱してエンジンの始動時ないし始動後の燃料の着火および燃焼を補助するものとして好適である。
グロープラグ１は、ハウジング１４０によって支持される発熱部１０の先端の有効発熱温度範囲４がエンジンの燃焼室３内に突出するように、エンジンヘッド２にハウジングネジ部１４１の螺合により固定される。
上記発熱部１０は、発熱体１００と、該発熱体に導通する通電用リード線１１３および接地用リード線１１１と、これらを埋設し絶縁性を確保する絶縁性支持体１２０と、該絶縁性支持体１２０を支持する金属製スリーブ１１５とによって構成されている。
上記発熱体１００は、通電によって発熱する導電性セラミックからなり、全長４１が例えば１２ｍｍ程度の略Ｕ字形に形成され、一端が上記接地用リード線１１１に接続され、他端が上記通電用リード線１１３に接続されている。
上記接地用リード線１１１の接地用端子部１１２は、上記絶縁性支持体１２０の中腹部表面に露出し上記金属製スリーブ１１５に接続されている。
上記通電用リード線１１３の通電端子部１１４は、上記絶縁性支持体１２０の基端側表面の上記金属製スリーブ１１５に接触しない位置で露出し、後述する通電用中軸１３０と連結用キャップ１２１を介して接続されている。
上記連結用キャップ１２１は、例えばステンレス等の導電性材料からなり、段付き円筒状に形成されている。
上記通電用リード線１１３の通電端子部１１４は、上記絶縁性支持体１２０の基端側表面の上記金属製スリーブ１１５に接触しない位置で露出し、後述する通電用中軸１３０と連結用キャップ１２１を介して接続されている。
上記連結用キャップ１２１は、例えばステンレス等の導電性材料からなり、段付き円筒状に形成されている。
上記絶縁性支持部１２０の燃焼室側先端は、上記発熱体１００の埋設されている部分が上記金属製スリーブ１１５から５ｍｍ以上露出している。
上記通電用中軸１３０は、例えば炭素鋼等の導電性金属材料からなり、棒状に形成され、燃焼室側先端には、上記連結用キャップ１２１が嵌着される細径のキャップ挿入部１３１が形成され、基端側には締付用ネジ部１３２および通電用ターミナル部１３３が形成されている。
上記ハウジング１４０は、鋼鉄（例えばＳ２５Ｃ）等の導電性金属材料からなり、略筒状に形成され、燃焼室側には上記発熱部１０を拘持する発熱体拘持部１４３が形成され、中腹外周には上記エンジンヘッド２に螺結固定するためのネジ部１４１が形成され、基端側には締付用六角部１４２が形成されている。
上記発熱部１０は、上記発熱体拘持部１４３とロウ付け固定され、上記通電用中軸１３０は、上記ハウジング１４０の中央に電気的に絶縁された状態で絶縁性シール材１５１、１５２を介して支持され、例えばガラス等からなる封止材１５０によって封止固定され、更に絶縁性のシール材１６０を介して上記締付用ネジ部１３３と螺合するナット１６１でネジ締めされている。
上記接地用リード線１１１は、上記接地用端子部１１２が上記金属製スリーブ１１５とロウ付けされ、上記金属製スリーブ１１５と上記ハウジング１４０とを介して上記エンジンヘッド２に電気的に接続され、接地状態となる。
上記通電用リード線１１３は、上記連結用キャップ１２１を介して上記通電用中軸１３０と電気的に接続され、上記発熱体１００に通電可能となる。
上記通電用リード線１１３は、上記連結用キャップ１２１を介して上記通電用中軸１３０と電気的に接続され、上記発熱体１００に通電可能となる。
上記発熱体１００の全長４１が１２ｍｍと長く、上記絶縁性支持部材１２０の先端から５ｍｍ以上が上記金属性スリーブ１１５から露出しているので、上記発熱体１００に通電した時に表面温度が１１００℃以上となる範囲が５ｍｍ以上となる。
図２に本発明のグロープラグ１を４気筒エンジンに搭載した回路構成例を示す。
上記グロープラグ１は、エンジンヘッド２に螺結固定されることで上記エンジンヘッド２に接地され、上記通電用ターミナル部１３３は、通電制御装置（ＥＤＵ）６に接続される。
電源５は車両に搭載されるバッテリまたは図略のオルタネータからなり、陰極が上記エンジンヘッド２に接地され、陽極がグローヒューズ６１を介して上記ＥＤＵ６のＢＡＴＴ端子に接続され上記グロープラグ１への電力供給源となる。
電源５は車両に搭載されるバッテリまたは図略のオルタネータからなり、陰極が上記エンジンヘッド２に接地され、陽極がグローヒューズ６１を介して上記ＥＤＵ６のＢＡＴＴ端子に接続され上記グロープラグ１への電力供給源となる。
上記ＥＤＵ６には、上記電源５の電圧変動および上記エンジンの運転状況に応じたＰＷＭ信号を発生する電子制御装置（ＥＣＵ）７からＰＷＭ信号が送信され、上記ＥＤＵ６から上記ＥＣＵ７には自己診断（ダイアグ）信号が送信される。
上記ＥＣＵ７からのＰＷＭ信号に従って、上記ＥＤＵに内蔵される図略のスイッチング回路が開閉し上記グロープラグ１への通電を制御する。
上記ＥＣＵ７からのＰＷＭ信号に従って、上記ＥＤＵに内蔵される図略のスイッチング回路が開閉し上記グロープラグ１への通電を制御する。
ＰＷＭ制御は、スイッチング回路の開時間と閉時間の割合を変えて、出力電圧を制御し、出力電圧が低下すると開時間を長くし、上昇すると短くするデューティ比の調整によって、上記グロープラグ１に印加される実行電圧を電源５の電圧変動によらず常に一定に保つことができる上に、上記ＥＣＵ７に入力される上記ダイアグ信号によって上記グロープラグの発熱状態を監視し、上記グロープラグ１の発熱温度を最適の状態に維持できる。
一般に、圧縮比εが１６以下の低圧縮比エンジンにおいては、圧縮比が低いので圧縮高温したときの最高温度が低いのでＮＯｘの発生を抑えられるが、その反面、着火性が低下し、ＰＭ（粒子状物質）の発生が増加する場合がある。
グロープラグ温度を１１００℃以上に加熱すると着火性が向上し、ＮＯｘの発生の抑制とＰＭの発生の抑制との二律背反する課題を同時に解決できる。
グロープラグ温度を１１００℃以上に加熱すると着火性が向上し、ＮＯｘの発生の抑制とＰＭの発生の抑制との二律背反する課題を同時に解決できる。
次いで、図３に本発明の実施形態におけるグロープラグと従来の低定格用グロープラグとの違いを、放射率Ｅ＝１、測定円φ０．５の放射温度計で測定した発熱部の温度分布を比較して示す。
図３に比較例として示す従来のグロープラグの場合、着火性向上に有効な１１００℃以上に発熱する範囲が、発熱部の先端から３ｍｍ以下である。
一方、本発明の実施例では、着火性向上に有効な１１００℃以上に発熱する範囲が、発熱部の先端から５ｍｍ以上である。
従って、本発明によれば、１１００℃以上に発熱する有効温度範囲が広く、着火性がより安定する。
図３に比較例として示す従来のグロープラグの場合、着火性向上に有効な１１００℃以上に発熱する範囲が、発熱部の先端から３ｍｍ以下である。
一方、本発明の実施例では、着火性向上に有効な１１００℃以上に発熱する範囲が、発熱部の先端から５ｍｍ以上である。
従って、本発明によれば、１１００℃以上に発熱する有効温度範囲が広く、着火性がより安定する。
次いで、上記構成のグロープラグ１について、上記発熱体１００の２０℃における抵抗値を初期抵抗Ｒ２０とし、１２００℃における抵抗値を発熱抵抗Ｒ１２００とし、上記発熱抵抗Ｒ１２００と上記初期抵抗Ｒ２０との比を抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０としたとき、上記初期抵抗Ｒ２０、上記発熱抵抗Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０を種々変化させた場合の試験結果を表１に示す。
実施例１〜４では、突入電流は４５Ａ以下の比較的低い値に抑えられ、直ちにスタータが回転し、発熱抵抗Ｒ１２００は１．３Ω以下となり、グロープラグ１本あたりの消費電力７０Ｗ以下で上記発熱体１００が１２００℃に昇温し、クランキング開始後３０秒以内で速やかに始動に成功した。
比較例１および比較例２では、グロープラグ１への突入電流が大きく、スタータへの電力供給が不足し、スタータを回すことができず、始動に成功しなかった。
比較例３では、始動に成功したものの、グロープラグ１への突入電流が大きく、スタータへの電力供給が不足し、スタータの回転が遅く、始動に時間が掛かった。
比較例４および比較例５では、突入電流は２７Ａ以下の低い値に抑えられるので、スタータの回転は可能であるが、発熱抵抗が大きく、電力不足となり、グロー温度を１１００℃以上に上げることができず、始動に成功しなかった。
比較例１および比較例２では、グロープラグ１への突入電流が大きく、スタータへの電力供給が不足し、スタータを回すことができず、始動に成功しなかった。
比較例３では、始動に成功したものの、グロープラグ１への突入電流が大きく、スタータへの電力供給が不足し、スタータの回転が遅く、始動に時間が掛かった。
比較例４および比較例５では、突入電流は２７Ａ以下の低い値に抑えられるので、スタータの回転は可能であるが、発熱抵抗が大きく、電力不足となり、グロー温度を１１００℃以上に上げることができず、始動に成功しなかった。
図４に、上記実施例１〜４並びに比較例１〜５の温度と抵抗値の測定結果を示す。始動に成功した実施例１〜４の結果から、以下の知見を得た。
即ち、発熱体１００の電気的特性が、
（ａ）初期抵抗値Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６５Ω以下
（ｂ）発熱抵抗値Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下
（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下
の関係を満たす領域Ａに含まれるとき、上記グロープラグ１に通電した際の突入電流を４５Ａ以下に抑え、７０Ｗ以下の低い消費電力で発熱体１００が１２００℃以上に発熱し、グロープラグ１の表面温度を１１００℃以上に保つことができ、確実に始動可能となる。
図５に上記領域Ａおよび上記実施例１〜４を示す。
即ち、発熱体１００の電気的特性が、
（ａ）初期抵抗値Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６５Ω以下
（ｂ）発熱抵抗値Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下
（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下
の関係を満たす領域Ａに含まれるとき、上記グロープラグ１に通電した際の突入電流を４５Ａ以下に抑え、７０Ｗ以下の低い消費電力で発熱体１００が１２００℃以上に発熱し、グロープラグ１の表面温度を１１００℃以上に保つことができ、確実に始動可能となる。
図５に上記領域Ａおよび上記実施例１〜４を示す。
上記発熱体１００の調合例を表２に示す。上記実施例１〜４、および比較例１〜５において、上記発熱体１００は窒化硅素を主成分とし、炭化タングステンと炭化珪素を含有するセラミックで、各成分の配合比率を変化させた。なお、焼結助剤としてイットリアを使用した。
表２の配合比と表１に示した上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０との関係をまとめて図６〜図８に示す。
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、窒化硅素と炭化タングステンとの関係において、炭化タングステンの割合を増やすと、上記初期抵抗値Ｒ２０および上記発熱抵抗値Ｒ１２００は低くなり、図６（ｃ）に示すように、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０は炭化タングステンの量によらず一定であった。
また、図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように窒化硅素と炭化タングステンとの関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００および上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が低くなった。
また、図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように窒化硅素と炭化タングステンとの関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００および上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が低くなった。
図７（ａ）に示すように、窒化硅素と炭化珪素との関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記初期抵抗値Ｒ２０および上記発熱抵抗値Ｒ１２００は、ともに高くなる傾向にあった。
また、図７（ｂ）に示すように、窒化硅素と炭化珪素との関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０は低くなった。
また、図７（ｂ）に示すように、窒化硅素と炭化珪素との関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０は低くなった。
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、炭化タングステンと炭化珪素との関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００は、ともに高くなった。
図８（ｃ）に示すように、炭化タングステンと炭化珪素との関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記抵抗温度係数は低くなった。
図８（ｃ）に示すように、炭化タングステンと炭化珪素との関係において、炭化珪素の割合を増やすと、上記抵抗温度係数は低くなった。
図９に表２の配合例を窒化硅素−炭化タングステン−炭化珪素の三元系状態図様に示す。上記実施例１〜４を黒丸●で示し、上記比較例を白丸○で示す。
図５に示した上記領域Ａの範囲内に上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が収まるように、図９に示した黒丸●の近傍で各成分の割合を適宜変更しても、本発明の効果が期待できる。
図５に示した上記領域Ａの範囲内に上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が収まるように、図９に示した黒丸●の近傍で各成分の割合を適宜変更しても、本発明の効果が期待できる。
なお、上記実施例１〜４においては、上記発熱体は、窒化硅素、炭化タングステン、炭化珪素および酸化イットリウムによって構成したセラミックであるが、炭化珪素の全部または一部をレニウムまたはモリブデンに替えても良い。
更に、炭化タングステンの全部または一部を二硅化モリブデンに替えても良い。
更に、炭化タングステンの全部または一部を二硅化モリブデンに替えても良い。
図１０に本発明のグロープラグの製造方法を示す。
先ず、窒化硅素、炭化タングステン、炭化珪素、酸化イットリウムを所定の割合で調合し、混合・粉砕し、上記発熱体１００を形成するための発熱体原料を得る。
次いで、該発熱体原料を、例えば、インジェクション、印刷等の成形手段により略Ｕ字形（例えば全長１２ｍｍ、外径φ3.3ｍｍ）に成形する。
この時、タングステン製の接地用端子部１１２を有する上記接地用リード線１１１、通電用端子部１１４を有する上記通電用リード線１１３を挿通する。
先ず、窒化硅素、炭化タングステン、炭化珪素、酸化イットリウムを所定の割合で調合し、混合・粉砕し、上記発熱体１００を形成するための発熱体原料を得る。
次いで、該発熱体原料を、例えば、インジェクション、印刷等の成形手段により略Ｕ字形（例えば全長１２ｍｍ、外径φ3.3ｍｍ）に成形する。
この時、タングステン製の接地用端子部１１２を有する上記接地用リード線１１１、通電用端子部１１４を有する上記通電用リード線１１３を挿通する。
別途、窒化硅素、二硅化モリブデン、酸化イットリウムを所定の割合で調合し、混合・粉砕し、上記絶縁性支持体１２０を形成するための絶縁性支持体原料を得る。
次いで、上記絶縁性支持体原料を用いて、上記発熱体１００を包含するように略円筒形の上記絶縁性支持体１２０を成形する。
次いで、上記絶縁性支持体原料を用いて、上記発熱体１００を包含するように略円筒形の上記絶縁性支持体１２０を成形する。
得られた成形体を焼成し、外径寸法を上記金属製スリーブ１１５の内径に適合するように修正すると共に上記接地用端子部１１２、上記通電用端子部１１４が上記絶縁性支持体１２０の表面に露出するよう研削、修正をする。
上記発熱体１００と上記接地用リード線１１１と上記通電用リード線１１３とが埋設され一体となった上記絶縁性支持体１２０を上記金属製スリーブ１１５に挿通し、上記接地用端子部１１２と上記金属製スリーブ１１５とをロウ付け等により接合する。
上記金属製スリーブ１１５から露出する上記通電用端子部１１４を上記連結用キャップ１２１に挿通し、上記通電用端子部１１４と上記連結用キャップ１２１とをロウ付け等により接合する。
以上により上記発熱部１０が形成される。
上記金属製スリーブ１１５から露出する上記通電用端子部１１４を上記連結用キャップ１２１に挿通し、上記通電用端子部１１４と上記連結用キャップ１２１とをロウ付け等により接合する。
以上により上記発熱部１０が形成される。
別途用意した上記通電用中軸１３０の上記挿入部１３１を上記連結用キャップ１２１に挿嵌し、カシメにより嵌着せしめる。
上記通電用中軸１３０の連結された上記発熱部１０を、別途用意した略円筒状のハウジング１４０に挿入し、上記金属製スリーブ１１５と上記ハウジング１４０の上記拘持部１４３とをロウ付けし固定する。
上記通電用中軸１３０の連結された上記発熱部１０を、別途用意した略円筒状のハウジング１４０に挿入し、上記金属製スリーブ１１５と上記ハウジング１４０の上記拘持部１４３とをロウ付けし固定する。
上記通電用中軸１３０を、上記ハウジング１４０の中央に電気的に絶縁された状態で絶縁性シール材１５１、１５２を介して支持し、例えばガラス等からなる上記封止材１５０によって封止固定する。
これにＮｉ表面処理し、更に上記絶縁性のシール材１６０を介して上記締付用１３２螺合するナット１６１でネジ締め固定する。
以上により本発明のグロープラグ１が完成する。
これにＮｉ表面処理し、更に上記絶縁性のシール材１６０を介して上記締付用１３２螺合するナット１６１でネジ締め固定する。
以上により本発明のグロープラグ１が完成する。
図１１に本発明の上記グロープラグ１に用いられる上記発熱部１０の別の形態を示す。
本実施例においては、タングステン製の接地用リード線１１１ｂと通電用リード線１１３ｂとの一方の端部のそれぞれが、導電性セラミック１１２ａ、１１４ａを介して、略Ｕ字形に形成された上記発熱体１００と接続され、更に上記接地用リード線１１１ｂの他端部は、上記導電性セラミック１１２ａと同材質からなる導電性セラミック１１２ｂを介して上記金属スリーブ１１５に接地され、上記通電用リード線１１３ｂの他端部は、上記導電性セラミック１１４ａと同材質からなる導電性セラミック１１４ｂを介して、上記連結用キャップ１２１に接続されている。
上記伝導性セラミック１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂは、上記発熱体１００より抵抗の小さい導電性セラミックが用いられ、例えば、窒化硅素と炭化タングステンとからなる。
本実施例においては、タングステン製の接地用リード線１１１ｂと通電用リード線１１３ｂとの一方の端部のそれぞれが、導電性セラミック１１２ａ、１１４ａを介して、略Ｕ字形に形成された上記発熱体１００と接続され、更に上記接地用リード線１１１ｂの他端部は、上記導電性セラミック１１２ａと同材質からなる導電性セラミック１１２ｂを介して上記金属スリーブ１１５に接地され、上記通電用リード線１１３ｂの他端部は、上記導電性セラミック１１４ａと同材質からなる導電性セラミック１１４ｂを介して、上記連結用キャップ１２１に接続されている。
上記伝導性セラミック１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂは、上記発熱体１００より抵抗の小さい導電性セラミックが用いられ、例えば、窒化硅素と炭化タングステンとからなる。
上記発熱体１００が上記一対のリード線１１１ｂ、１１３ｂと直接接続されている場合には、該接続部のリード線が発熱し、上記発熱体１００と上記リード線１１１ｂ、１１３ｂとの熱膨張係数の違いにより、熱応力が発生し、断線を引き起こす可能性がある。
本実施形態によれば、上記発熱体１００と上記一対のリード線１１１ｂ、１１３ｂとの間に上記導電性セラミック１１２ａ、１１４ａを介することにより、該接続部での発熱を抑制し、熱応力の発生を緩和することができる。
本実施形態によれば、上記発熱体１００と上記一対のリード線１１１ｂ、１１３ｂとの間に上記導電性セラミック１１２ａ、１１４ａを介することにより、該接続部での発熱を抑制し、熱応力の発生を緩和することができる。
なお、当然のことながら、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記発熱体の組成は上記実施例に限定するものではなく、上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が本発明の請求項１に記載した領域内と成るよう適宜選択し得るものである。
また、上記スイッチング回路は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＤＢＴ等の半導体素子を用いたものが好適であるが、これに限定するものではない。
例えば、上記発熱体の組成は上記実施例に限定するものではなく、上記初期抵抗値Ｒ２０、上記発熱抵抗値Ｒ１２００、上記抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が本発明の請求項１に記載した領域内と成るよう適宜選択し得るものである。
また、上記スイッチング回路は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＤＢＴ等の半導体素子を用いたものが好適であるが、これに限定するものではない。
１ グロープラグ
１０ 発熱部
１００ 発熱体
１１１ 接地リード線
１１２ 接地リード線端子
１１３ 通電リード線
１１４ 通電リード線端子
１１５ 金属製スリーブ
１２０ 絶縁性支持体
１２１ 連結用キャップ
１３０ 通電用中軸
１３１ 通電用中軸挿入部
１３２ 通電用中軸ネジ部
１３３ 通電用中軸端子部
１４０ 金属製ハウジング
１４１ ハウジングネジ部
１４２ ハウジング六角部
１４３ ハウジング支持部
１５０ 封止材
１５１、１５２ シール材
１６０ 絶縁ブッシュ
１６１ 固定ナット
２ エンジンヘッド
３ 燃焼室
４ 有効発熱範囲
４１ 発熱体全長
１０ 発熱部
１００ 発熱体
１１１ 接地リード線
１１２ 接地リード線端子
１１３ 通電リード線
１１４ 通電リード線端子
１１５ 金属製スリーブ
１２０ 絶縁性支持体
１２１ 連結用キャップ
１３０ 通電用中軸
１３１ 通電用中軸挿入部
１３２ 通電用中軸ネジ部
１３３ 通電用中軸端子部
１４０ 金属製ハウジング
１４１ ハウジングネジ部
１４２ ハウジング六角部
１４３ ハウジング支持部
１５０ 封止材
１５１、１５２ シール材
１６０ 絶縁ブッシュ
１６１ 固定ナット
２ エンジンヘッド
３ 燃焼室
４ 有効発熱範囲
４１ 発熱体全長
Claims (7)
- 通電により発熱するセラミック製の発熱体と、該発熱体が埋設されるセラミック製の絶縁性支持体と、該絶縁性支持体の表面に引き出され上記発熱体に導通する一対のリード線とからなる発熱部を有し、エンジンの燃焼室を加熱し着火を補助するグロープラグであって、
上記発熱体は正の抵抗温度係数を有し、上記発熱体の２０℃における抵抗値を初期抵抗値Ｒ２０、１２００℃における抵抗値を発熱抵抗値Ｒ１２００とし、上記発熱抵抗値Ｒ１２００と上記初期抵抗値Ｒ２０との比を抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０としたとき、
（ａ）初期抵抗値Ｒ２０が０．３Ω以上、０．６５Ω以下
（ｂ）発熱抵抗値Ｒ１２００が０．７Ω以上、１．３Ω以下
（ｃ）抵抗温度係数Ｒ１２００／Ｒ２０が２．０以上、４．０以下
の関係を満たす領域に含まれることを特徴とするグロープラグ。 - 定格電圧印加後にて、放射率Ｅ＝１、測定円φ０．５の放射温度計で測定したときの上記発熱部の表面温度が１１００℃以上である請求項１に記載のグロープラグ。
- 定格電圧印加後にて、上記発熱部の表面温度が１１００℃以上となる範囲が、上記発熱部の先端から５ｍｍ以上である請求項１または２に記載のグロープラグ。
- 上記発熱体は窒化硅素を主成分とし、炭化タングステン又は二硅化モリブデンの少なくともいずれか１種と、炭化珪素又はレニウム若しくはモリブデンのいずれかから選択される少なくとも１種以上とを含有するセラミックからなる請求項１ないし３いずれか１項に記載のグロープラグ。
- 上記絶縁性支持体は窒化硅素を主成分とし、二硅化モリブデンを含有するセラミックからなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のグロープラグ。
- 上記エンジンの状態に応じてパルス信号を発生する電子制御装置（ＥＣＵ）と該ＥＣＵからのパルス信号に従って上記グロープラグへの通電を実施するスイッチング回路からなるグロープラグ通電制御装置（ＥＤＵ）とを具備し、デューティ比の調整によって安定した実行電圧を印加するＰＷＭ（パルス幅変調）制御通電によって、温度を制御される請求項１ないし５のいずれか１項に記載のグロープラグ。
- 上記エンジンの圧縮比εが１６以下に設定された場合に用いられる請求項１ないし６のいずれか１項に記載のグロープラグ。
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