JP2009158431A - シースヒータ及びグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】シースヒータ及びグロープラグにおいて、発熱コイル内部への窒素の侵入を抑制し、発熱コイル内部の窒化を防止することで、耐久性の向上及び長寿命化を図る。
【解決手段】グロープラグ１は、筒状の主体金具２と、当該主体金具２に装着されたシースヒータ３とを備える。シースヒータ３は、軸線Ｃ１方向に延びるチューブ７と、当該チューブ７内に挿通される中軸８、発熱コイル９、及び、制御コイル１０とを備える。チューブ７は、Ｎｉ又はＦｅを主成分とするとともに、発熱コイル９には、Ａｌが５質量％以上含有される。チューブ７の先端部分及び発熱コイル９の先端部分は、先端側接合部位２１で接合される。先端側接合部位２１の内側表面から５μｍ以内の表層領域３１のうち、少なくとも発熱コイル９の先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲におけるＡｌ含有量が３．５質量％以上とされている
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体や気体の加熱装置としてのシースヒータや、当該シースヒータを備えたディーゼルエンジンの予熱などに使用するグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの予熱などに使用するグロープラグとしては、一般に、先端部の閉じた金属製のチューブ内に、クロム（Ｃｒ）やアルミニウム（Ａｌ）等を含有する発熱コイルを封入したシースヒータを用いるものが知られている。

チューブ内に配設される発熱コイルの先端部は、当該先端部とチューブの先端部とを溶融して形成された溶融部によって接合される。一方で、発熱コイルの後端部は、直接又は制御コイルを介して、チューブ後部に挿入された中軸（リード部材）の先端に接合される。そして、当該中軸を介して通電されることにより発熱コイルが発熱する。

ここで、グロープラグを長期間使用していると、発熱コイル内部へと窒素が侵入し、Ｃｒ等の窒化が進行してしまうおそれがある。窒化が進行してしまうと、発熱コイル内部に窒化物が散在することとなってしまうため、発熱コイルの脆弱化、ひいては断線を引き起こしてしまうおそれがある。

これに対し、チューブの後端開口にフッ素ゴムよりなる封止体を設けることで、チューブ内への窒素の侵入を防止し、発熱コイル内部の窒化を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１−１６７５２９号公報

ところが、近年、グロープラグの長寿命化が益々要求されるようになっており、排ガスをよりクリーンなものとするために、ディーゼルエンジン始動後、従前よりも高温かつ長時間にわたっての加熱が必要となってきている。このような状況下において、上記技術では十分に窒素の侵入を防止することができないおそれがある。

そこで、発熱コイル内部への窒素の侵入経路について、本願発明者が鋭意検討したところ、次のような事実が明らかとなった。すなわち、発熱コイルを構成する材料にＡｌが含まれていると、その表層には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の被膜が形成される。そして、当該被膜の形成により発熱コイル表層からの窒素の侵入が効果的に抑制される。一方で、例えば、発熱コイル先端部とチューブとが相互に溶融されて形成された溶融部を鑑みると、チューブにはＡｌが含有されていない場合が一般的であるため、前記溶融部におけるＡｌの含有量は比較的少ないものとなってしまう。そのため、発熱コイルの近傍にＡｌ含有量が少ない領域が存在すると、ＡｌＮ等の被膜が形成されずに、当該領域から発熱コイルの内部へと窒素が侵入してしまうおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱コイル内部への窒素の侵入を抑制することで、発熱コイル内部の窒化を防止し、ひいては耐久性に優れ、長寿命化を図ることが可能なシースヒータ及びグロープラグを提供することにある。

以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成のシースヒータは、軸線方向に延びるとともに先端部が閉塞した筒状のチューブと、
先端が前記チューブ内に位置し、後端が当該チューブの後端側へ突出するリード部材と、
抵抗発熱線よりなり、前記チューブ内に配設されるとともに、先端が前記チューブの先端に接合され、後端が前記リード部材の先端部と直接的或いは間接的に接合されることで前記リード部材と電気的に接続される発熱コイルとを備えたシースヒータであって、
前記チューブはニッケル（Ｎｉ）又は鉄（Ｆｅ）を主成分とするとともに、
前記発熱コイルはアルミニウム（Ａｌ）を５質量％以上含有し、
前記チューブの先端及び前記発熱コイルの先端が接合された部位であって、前記チューブを構成する金属及び前記発熱コイルを構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことによって形成された先端側接合部位のうち、内側表面から５μｍ以内の表層領域であって、少なくとも前記発熱コイルの先端外周から前記先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内におけるアルミニウム（Ａｌ）の含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とする。

上記構成１によれば、発熱コイルには、Ａｌが５質量％以上含有されている。このため、発熱コイル表層に酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の被膜（以下、便宜上「Ａｌ系被膜」という）が形成され、これにより、発熱コイル表層からの窒素の侵入を防止することができる。

さらに、本構成１によれば、先端側接合部位の表層領域のうち、発熱コイルの先端外周から先端側接合部位の内側表面に沿って少なくとも１００μｍの範囲内には、Ａｌが３．５質量％以上含有されている。すなわち、先端側接合部位のうち、窒素の侵入が最も懸念される発熱コイルの近傍部位について、当該部位の表層におけるＡｌ含有量が３．５質量％以上とされている。これにより、先端側接合部位のうち、発熱コイルの近傍部位の表層においてＡｌ系被膜を形成することができ、発熱コイル内部への窒素の侵入を効果的に防止することができる。

以上のように、発熱コイル表層からの窒素の侵入、及び、発熱コイル近傍の先端側接合部位からの窒素の侵入を一挙に抑制できることから、発熱コイル内部における窒化物の生成をより確実に防止することができ、ひいては耐久性の飛躍的な向上及び長寿命化を図ることができる。

尚、発熱コイル中のＡｌ含有量が５質量％未満の場合には、Ａｌ系被膜の形成に必要なＡｌが不足してしまい、上述の作用効果が十分に奏されないおそれがある。

一方、発熱コイル内部における窒化物の生成をより確実に防止するという観点からは、Ａｌ含有量をより増大させることが好ましい。ところが、Ａｌ含有量の増大に伴い、発熱コイルの加工性が低下してしまうおそれがある。このため、良好な加工性を確保するためには、Ａｌ含有量を８質量％以下とすることが望ましい。換言すれば、このようにＡｌ含有量が最小限に抑えられた発熱コイルを用いた上で、本構成１を採用することにより、加工性の低下を伴うことなく、発熱コイル内部の窒化を効果的に防止することができるといえる。

構成２．本構成のシースヒータは、上記構成１において、前記チューブにおけるＡｌの含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とする。

上記構成２によれば、チューブにはＡｌが３．５質量％以上含有されている。このため、Ａｌを５質量％以上含有する発熱コイルと当該チューブとを溶融して接合することで、先端側接合部位におけるＡｌ含有量を確実に３．５質量％以上とすることができる。これにより、先端側接合部位の表層全域においてＡｌ系被膜を形成することができるとともに、チューブにおいてもＡｌ系被膜を形成することができる。その結果、発熱コイル内部への窒素の侵入をより効果的に抑制することができ、耐久性の一層の向上を図ることができる。

構成３．本構成のシースヒータは、上記構成１又は２において、前記発熱コイルはクロム（Ｃｒ）を含有するとともに、
前記表層領域のうち、少なくとも前記発熱コイルの先端外周から前記先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内には、１０００℃におけるクロム（Ｃｒ）の窒化物生成自由エネルギーよりも１０００℃における窒化物生成自由エネルギーが少ない元素を少なくとも１種類含有する領域が存在していることを特徴とする。

上記構成３によれば、発熱コイルにはＣｒが含有されるため、発熱コイルの抵抗値を十分に増大させることができる。このため、発熱コイルに過度の細径化を施すことなく、十分な発熱性能を実現することができる。また、発熱コイルの過度の細径化を図る必要がないことから、発熱コイルを比較的太いものとすることでき、その結果、発熱コイルの耐久性の向上を図ることができる。

一方で、Ｃｒは比較的窒化しやすい元素であるため、Ｃｒの窒化が進行してしまい、発熱コイルの耐久性が低下してしまうことが懸念される。また、先端側接合部位の形成によって、先端側接合部位中にＣｒが溶融され得るが、当該Ｃｒが窒化してしまうことによって、発熱コイル近傍の先端側接合部位の表層におけるＡｌ系被膜中にＣｒ窒化物が散在してしまい、不連続なＡｌ系被膜が形成されてしまうおそれがある。その結果、発熱コイル内部への窒素の侵入を十分に抑制できないことが懸念される。

この点、本構成３によれば、シースヒータ使用時を想定した高温環境下（１０００℃）におけるＣｒの窒化物生成自由エネルギーより小さい窒化物生成自由エネルギーを有する元素を含有する領域が、前記表層領域のうち、少なくとも前記発熱コイルの先端外周から先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内に存在している。これにより、高温環境下において、当該元素がいわゆる窒素ゲッター元素として機能し、発熱コイル内部におけるＣｒの窒化を防止することができる。また、Ｃｒ窒化物の生成を抑制することができるため、発熱コイル近傍の先端側接合部位において連続的なＡｌ系被膜を形成することができる。その結果、窒素の侵入を一層効果的に防止することができ、耐久性のより一層の向上を図ることができる。

尚、窒素ゲッター元素としては、例えば、マンガン、ケイ素、ボロン、バナジウム、タンタル、マグネシウム、チタン、及び、ジルコニウム、ハフニウム、セリウム等の希土類元素等を挙げることができる。

構成４．本構成のシースヒータは、軸線方向に延びるとともに先端部が閉塞した筒状のチューブと、
先端が前記チューブ内に位置し、後端が当該チューブの後端側へ突出するリード部材と、
抵抗発熱線よりなり、前記チューブ内に配設されるとともに、先端が前記チューブの先端に接合され、後端が前記リード部材の先端部と間接的に接合されることで前記リード部材と電気的に接続される発熱コイルと、
先端が前記発熱コイルの後端と接合され、後端が前記リード部材の先端部に接合された制御コイルとを備えたシースヒータであって、
前記チューブはＮｉ又はＦｅを主成分とするとともに、
前記発熱コイルはＡｌを５質量％以上含有し、
前記発熱コイルの後端及び前記制御コイルの先端が接合された部位であって、前記発熱コイルを構成する金属及び前記制御コイルを構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことによって形成された後端側接合部位におけるＡｌの含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とする。

上記構成４によれば、発熱コイルには、Ａｌが５質量％以上含有されている。このため、発熱コイル表層にＡｌ系被膜を形成することができ、発熱コイル表層からの窒素の侵入を防止することができる。

さらに、本構成４によれば、後端側接合部位におけるアルミニウム含有量が３．５質量％以上とされている。このため、後端側接合部位の表層においてＡｌ系被膜を形成することができる。これにより、後端側接合部位から発熱コイル内部への窒素の侵入を効果的に抑制することができ、耐久性の一層の向上を図ることができる。

構成５．本構成のシースヒータは、上記構成４において、前記制御コイルにおけるＡｌの含有量を２質量％以上としたことを特徴とする。

上記構成５によれば、制御コイルには、Ａｌが２質量％以上含有されている。これにより、発熱コイルを構成する金属と制御コイルを構成する金属とが溶融して形成された後端側接合部位におけるＡｌ含有量を比較的容易に３．５質量％以上とすることができる。すなわち、本構成５を採用することで、上記構成４を比較的容易に実現することができる。

構成６．本構成のシースヒータは、上記構成４又は５において、前記発熱コイルはＣｒを含有するとともに、
前記後端側接合部位には、１０００℃におけるＣｒの窒化物生成自由エネルギーよりも１０００℃における窒化物生成自由エネルギーが少ない元素を少なくとも１種類含有する領域が存在していることを特徴とする。

上記構成６によれば、発熱コイルにはＣｒが含有されるため、発熱コイルの抵抗値を十分に増大させることができる。このため、発熱コイルに過度の細径化を施すことなく、十分な発熱性能を実現することができる。また、発熱コイルの過度の細径化を図る必要がないことから、発熱コイルを比較的太いものとすることでき、その結果、発熱コイルの耐久性の向上を図ることができる。

一方で、Ｃｒは比較的窒化しやすい元素であるため、Ｃｒの窒化が進行してしまい、発熱コイルの耐久性が低下してしまうことが懸念される。また、後端側接合部位の形成によって、後端側接合部位中にＣｒが溶融され得るが、当該Ｃｒが窒化してしまうことによって、後端側接合部位の表層におけるＡｌ系被膜にＣｒ窒化物が散在してしまい、Ａｌ系被膜が不連続なものとなってしまうおそれがある。

これに対して、本構成６によれば、シースヒータ使用時を想定した高温環境下（１０００℃）におけるＣｒの窒化物生成自由エネルギーより小さい窒化物生成自由エネルギーを有する元素を含有する領域が、後端側接合部位に存在している。これにより、高温環境下において、当該元素がいわゆる窒素ゲッター元素として機能し、発熱コイル内部におけるＣｒの窒化を防止することができる。また、後端側接合部位において連続的なＡｌ系被膜を形成することができるため、窒素の侵入を一層効果的に防止することができる。

構成７．本構成のシースヒータは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記発熱コイルはＣｒを含有するとともに、ジルコニウム（Ｚｒ）を０．００５質量％以上２質量％以下、或いは、チタン（Ｔｉ）を０．００５質量％以上５質量％以下含有することを特徴とする。

上記構成７によれば、発熱コイルには、窒素ゲッター元素として、Ｚｒ又はＴｉが所定量含有されている。このため、Ｃｒの窒化をより確実に抑制することができる。

尚、Ｚｒ或いはＴｉの含有量が０．００５質量％未満である場合には、Ｃｒの窒化を十分に抑制できないおそれがある。一方で、Ｚｒの含有量が２質量％を超える場合、或いは、Ｔｉの含有量が５質量％を超える場合には、発熱コイルの加工が困難となってしまうおそれがある。

構成８．構成１乃至７のいずれかに記載のシースヒータを具備することを特徴とするグロープラグ。

上記構成８によれば、筒状の主体金具を具備するグロープラグに上記思想が適用される。すなわち、グロープラグとしてディーゼルエンジン等に使用された場合に、上記作用効果が奏されることとなる。尚、この場合において、上記構成１〜７のシースヒータのチューブは、主体金具の先端側から自身の先端部を突出させた状態で、前記主体金具に固定される。また、リード部材は、自身の後端が前記主体金具の後端から突出させられる。

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔第１実施形態〕
図１（ａ）は、本発明にかかるシースヒータを具備してなるグロープラグの一例を示す全体図であり、図１（ｂ）はその縦断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、グロープラグ１は、筒状の主体金具２と、主体金具２に装着されたシースヒータ３とを備えている。

主体金具２は、軸線Ｃ１方向に貫通する軸孔４を有するとともに、その外周面には、ディーゼルエンジンへの取付用のねじ部５と、トルクレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部６とが形成されている。

シースヒータ３は、チューブ７とリード部材としての中軸８とが軸線Ｃ１方向に一体化されて構成されている。

図２に示すように、チューブ７は、先端部が閉じた金属製の筒状チューブである。また、当該チューブ７の内側には、チューブ７先端に接合される発熱コイル９と、当該発熱コイル９の後端に直列接続された制御コイル１０とが酸化マグネシウム粉末等の絶縁粉末１１とともに封入されている。

本実施形態において、チューブ７と発熱コイル９とは、両者を構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことで形成された先端側接合部位２１によって接合されている。尚、先端側接合部位２１を形成するに際しては、発熱コイル９の先端に金属製のチップ部材を溶融接合した上で、当該発熱コイル９の接合されたチップ部材とチューブ７とを溶融することで形成してもよい。このとき、前記チップ部材は、先端側接合部位２１の一部を構成することとなる。また、発熱コイル９の先端部にアルミニウムメッキを施した後、当該発熱コイル９とチューブ７とを溶融接合することとしてもよい。

また、発熱コイル９と制御コイル１０とは、両者を構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことで形成された後端側接合部位２２によって接合されている。尚、後端側接合部位２２を形成するに際しては、発熱コイル９及び制御コイル１０間に金属製のチップ部材を介した上で、両コイル９，１０及び当該チップ部材を溶融することで形成してもよい。

さらに、チューブ７の後端は、中軸８との間で環状ゴム１７により封止されている。加えて、前述のように、発熱コイル９は、その先端においてチューブ７と導通しているが、発熱コイル９及び制御コイル１０の外周面とチューブ７の内周面とは、絶縁粉末１１の介在により絶縁された状態となっている。

発熱コイル９は、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）系合金の抵抗発熱線により構成されている（この点については後述する）。また、制御コイル１０は発熱コイル９の材質よりも電気比抵抗の温度係数が大きい材質、例えばコバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）−Ｆｅ系合金等に代表されるＣｏ又はＮｉを主成分とする抵抗発熱線により構成されている。これにより、制御コイル１０は、自身の発熱及び発熱コイル９からの発熱を受けることにより電気抵抗値を増大させ、発熱コイル９に対する電力供給量を制御する。従って、通電初期においては発熱コイル９には比較的大きな電力供給がなされ、発熱コイル９の温度は急速に上昇する。すると、その発熱により制御コイル１０が加熱されて電気抵抗値が増大し、発熱コイル９への電力供給が減少する。これにより、シースヒータ３の昇温特性は、通電初期に急速昇温した後、以降は制御コイル１０の働きにより電力供給が抑制されて温度が飽和する形となる。つまり、制御コイル１０の存在により、急速昇温性を高めつつ発熱コイル９の温度の過昇（オーバーシュート）も生じにくくすることができるようになっている。

また、チューブ７には、スウェージング加工等によって、その先端部に発熱コイル９等を収容する小径部７ａが形成されるとともに、その後端側において小径部７ａよりも径の大きい大径部７ｂが形成されている。そして、この大径部７ｂが、主体金具２の軸孔４に形成された小径部４ａに対し圧入接合されることにより、チューブ７が主体金具２の先端より突出した状態で保持される。

中軸８は、自身の先端がチューブ７内に挿入され、前記制御コイル１０の後端と電気的に接続されるとともに、主体金具２の軸孔４に挿通されている。中軸８の後端は主体金具２の後端から突出しており、この主体金具２の後端部においては、ゴム製等のＯリング１２、樹脂製等の絶縁ブッシュ１３、絶縁ブッシュ１３の脱落を防止するための押さえリング１４、及び、通電用のケーブル接続用のナット１５がこの順序で中軸８に嵌め込まれた構造となっている〔図１（ｂ）参照〕。

さらに、本実施形態において、発熱コイル９には、Ａｌが５質量％以上（例えば、６質量％）含有されている。尚、発熱コイル９の加工性低下を防止するという観点からは、Ａｌ含有量を８質量％以下とすることが好ましい。

加えて、図３に示すように、先端側接合部位２１のうち、発熱コイル９側の内側表面から５μｍ以内の表層領域３１であって、少なくとも発熱コイル９の先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲には、Ａｌが３．５質量％以上（例えば、４質量％）含有されている。

尚、当該発熱コイル９に、Ｃｒを所定量（例えば、５質量％以上３０質量％以下）含有することとしてもよい。

また、Ｃｒを含有する場合には、１０００℃におけるＣｒの窒化物生成自由エネルギーより１０００℃における窒化物生成自由エネルギーの小さい元素（「窒素ゲッター元素」という）を少なくとも１種類含有する領域が、前記表層領域３１のうち、少なくとも発熱コイルの先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲内に存在するように構成することが望ましい。

さらに、発熱コイル９に前記窒素ゲッター元素を含有することとしてもよい。この場合には、先端側接合部位２１を形成するのに伴って、前記表層領域３１の前記範囲内（少なくとも発熱コイルの先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲内）に、窒素ゲッター元素を含有する領域を比較的容易に存在させることができる。

尚、前記窒素ゲッター元素としては、例えば、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ボロン（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、及び、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、セリウム（Ｃｅ）等の希土類元素等を挙げることができる。ここで、Ｔｉを含有する際には、含有量を０．００５質量％以上５質量％以下とすることが好ましく、また、Ｚｒを含有する際には、含有量を０．００５質量％以上２質量％以下とすることが好ましい。Ｚｒの含有量が２質量％を超える場合、或いは、Ｔｉの含有量が５質量％を超える場合には、発熱コイル９の加工が困難となってしまうおそれがある。

次に上記のように構成されてなるグロープラグ１の製造方法について説明する。

まず、Ａｌが５質量％以上含有されているＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の抵抗発熱線をコイル形状に加工し、発熱コイル９を得る。

次いで、前記発熱コイル９の後端部分と、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金等の抵抗発熱線をコイル形状に加工した制御コイル１０の先端部分とを接合する。接合に際しては、アーク溶接によって両コイル９，１０を構成する合金成分が溶融された後端側接合部位２２を形成することにより、両コイル９，１０が接合される。

次に、最終寸法より加工代分だけ大径に形成され、かつ、先端の閉じていない筒状のチューブ７内に、中軸８の先端と、当該中軸８と一体となった発熱コイル９及び制御コイル１０とが配置される。そして、アーク溶接によって、チューブ７の先端部分を閉塞させるとともに、当該チューブ７の先端部分と発熱コイル９の先端部分とを接合すべく、チューブ７を構成する金属及び発熱コイル９を構成する金属を相互に溶融させて、先端側接合部位２１が形成される。このとき、先端側接合部位２１の表層領域３１のうち、少なくとも発熱コイル９の先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲において、Ａｌ含有量が３．５質量％以上とされている。

その後、チューブ７内に絶縁粉末１１を充填した後、当該チューブ７にスウェージング加工を施す。これにより、大径部７ａを有するチューブ７が形成されるとともに、当該チューブ７が中軸８と一体となってシースヒータ３が完成する。

そして、上記のように形成されたシースヒータ３が主体金具２の軸孔４に圧入固定されるとともに、主体金具２の後端部分において、前記Ｏリング１２や絶縁ブッシュ１３等が中軸８に嵌め込まれることで、グロープラグ１が完成する。

次に、本実施形態によって奏される作用効果を確認するべく、耐久性評価試験を行った。耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、発熱コイルの組成比、チューブの組成比、及び、表層領域のうちＡｌ含有量が３．５質量％以上となっている部位の発熱コイル先端外周からの平均長さ（「表層Ａｌ長さ」という）を種々変更したグロープラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、１４Ｖで３００秒間通電した後、１００秒間冷却することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでのサイクル数（断線サイクル数）を測定した。尚、表層Ａｌ長さの計測に際しては、表面より３μｍ内側の箇所を、スポット径３μｍ、１０μｍ間隔でＡｌ濃度を測定し、当該Ａｌ濃度が３．５質量％以上を満たす領域の長さを計測することとした。また、前記Ａｌ濃度については、ＥＰＭＡのＷＤＳにより定量分析にて、電圧２０ｋＶ、電流２．５×１０^-8の条件下で算出することとした。

ここで、断線サイクル数が７０００サイクル以上のサンプルについては、耐久性に優れるとして「○」の評価を下すこととし、断線サイクル数が８０００サイクル以上のサンプルについては、耐久性に非常に優れるとして「◎」の評価を下すこととした。一方で、断線サイクル数が７０００サイクル未満のサンプルについては、耐久性が不十分であるとして「×」の評価を下すこととした。

表１に、当該評価試験の結果を示す。尚、発熱コイルを構成する合金としては、Ｆｅ−２２Ｃｒ−５．３Ａｌ［カンタル(登録商標)］、Ｆｅ−２６Ｃｒ−７．５Ａｌ［パイロマックス（登録商標)］、或いは、カンタルに窒素ゲッター元素としてのＺｒやＴｉを含有した合金を用いた。また、チューブを構成する合金としては、Ｆｅ−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ（ＳＵＳ３１０）、Ｎｉ−２３Ｃｒ−１４．４Ｆｅ−１．４Ａｌ〔Ｉｎｃｏｎｅｌ６０１（登録商標）〕、Ｎｉ−１８．７Ｃｏ−１４．５Ｃｒ−５Ｍｏ−４Ａｌ−３Ｔｉ(Ｕｄｉｍｅｔ７００)、或いは、Ｎｉ−１５Ｃｒ−１４Ｃｏ−５Ａｌ−４Ｔｉ［Ｎｉｍｏｎｉｃ１１５(登録商標)］を用いた。加えて、表１中のサンプル１〜４，７，８，１１，１２については、発熱コイル及びチューブを直接接合して先端側接合部位を形成し、サンプル５，６，９，１９，１３については、発熱コイル及びチューブを、Ｆｅを主成分とし、Ａｌを２質量％、３質量％、或いは１０質量％含有するチップ部材を介して接合して先端側接合部位を形成した。さらに、表１中のサンプル４においては、発熱コイル先端２ｍｍに厚さ１００μｍのＡｌメッキを施した上で、サンプル７においては、発熱コイル先端２ｍｍに厚さ２００μｍのＡｌメッキを施した上で、発熱コイル及びチューブを接合して先端側接合部位を形成した。

表１に示すように、発熱コイルのＡｌ含有量が５質量％以上であっても、表層Ａｌ長さが１００μｍ未満のサンプル（サンプル１，２，３，４，５）は、断線サイクル数が７０００サイクル未満となってしまい、耐久性が不十分であることが明らかとなった。これは、発熱コイル表層にＡｌ系被膜が形成され、当該発熱コイル表層からの窒素の侵入を抑制できたとしても、発熱コイル先端近傍の先端側接合部位において十分なＡｌ系被膜が形成されず、その結果、窒素の侵入を十分に防止することができなかったことに起因すると考えられる。

一方で、発熱コイルのＡｌ含有量が５質量％以上であって、表層Ａｌ長さが１００μｍ以上のサンプル（サンプル６，７，８，９，１０，１１，１２，１３）については、断線サイクル数が７０００サイクル以上となり、優れた耐久性を発揮できることがわかった。これは、発熱コイル表層に加え、発熱コイル近傍の先端側接合部位においてもＡｌ系被膜が形成されたため、窒素の侵入を効果的に抑制できたことに起因すると考えられる。

特に、チューブにＡｌが３．５質量％以上含有されたサンプル（サンプル８，１１，１２）は、先端側接合部位の全域においてＡｌ含有量が３．５質量％以上となり、極めて優れた耐久性能を実現することができた。また、Ａｌを１０質量％含有するチップ部材を介して接合して先端側接合部位を形成したサンプル（サンプル１３）については、表層Ａｌ長さが５００μｍと長いものとなり、優れた耐久性能を実現することができた。

また、発熱コイルにＴｉやＺｒが含有されたサンプル（サンプル９，１０）については、断線サイクル数が８０００サイクル以上となり、ＴｉやＺｒの有無を除いて、発熱コイルの組成比等が略等しいサンプル（サンプル６）と比較して、耐久性の一層の向上が認められた。これは、次の理由によるものと考えられる。すなわち、ＺｒやＴｉが含有された発熱コイルとチューブとが溶融接合されたことで、先端側接合部位の表層領域のうち、少なくとも発熱コイルの先端外周から先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内にＴｉやＺｒを含有する領域が存在することとなる。その結果、当該ＴｉやＺｒが窒素ゲッター元素として機能し、Ｃｒの窒化を抑制できたこと、及び、発熱コイル先端近傍の先端側接合部位において連続的なＡｌ系被膜を形成することができたため、窒素の侵入をより一層効果的に防止できたことによると考えられる。
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に説明する。

上記第１実施形態では、先端側接合部位２１の表層領域３１のうち、発熱コイル先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲において、Ａｌが３．５質量％以上含有されていた。

これに対し、本実施形態では、発熱コイル９及び制御コイル１０を接合する後端側接合部位２２において、Ａｌが３．５質量％以上含有されていることを特徴としている。

次いで、本実施形態における作用効果を確認すべく、制御コイルの組成比、発熱コイルの組成比、及び、後端側接合部位のＡｌ含有量を種々変更したグロープラグを作製し、各サンプルについて、上述した耐久性評価試験を行った。表２に、当該評価試験の結果を示す。

尚、制御コイルとしては、Ｙ−Ｎｉ合金（Ｎｉをベースとし、Ｙ（イットリウム）を微量に分散させた合金）、又は、Ｙ−Ｎｉ−２Ａｌ合金を用いることとした。一方、発熱コイルとしては、Ｆｅ−２２Ｃｒ−５．３Ａｌ(カンタル)を用い、サンプル２４においては、カンタルにＺｒを含有することとした。また、サンプル２１，２２，２４においては、発熱コイル及び制御コイルを直接接合して後端側接合部位を形成し、サンプル２３については、発熱コイル及び制御コイルを、Ｆｅを主成分とし、Ａｌを１０質量％含有するチップ部材を介して接合することで後端側接合部位を形成した。

表２に示すように、発熱コイルのＡｌ含有量が５質量％以上であっても、後端側接合部位におけるＡｌ含有量が３．５質量％未満のサンプル（サンプル２１）については、断線サイクル数が７０００サイクル未満となり、耐久性が不十分であることがわかった。これは、後端側接合部位におけるＡｌ系被膜の形成が不十分であったため、当該後端側接合部位から発熱コイル内部に窒素が侵入してしまったことに起因すると考えられる。

一方、発熱コイルのＡｌ含有量が５質量％以上であって、後端側接合部位におけるＡｌ含有量が３．５質量％以上のサンプル（サンプル２２，２３，２４）については、断線サイクル数が７０００サイクル以上となり、優れた耐久性能を実現できることが明らかとなった。これは、発熱コイル表層に加え、後端側接合部位の表層においてもＡｌ系被膜が形成されたことにより、発熱コイル内部への窒素の侵入が効果的に抑制できたことによると考えられる。

また、発熱コイルにＺｒが含有されたサンプル（サンプル２４）については、断線サイクル数が８０００サイクル以上となり、窒素ゲッター元素の有無を除いて、発熱コイルや制御コイルの組成比等が略等しいサンプル（サンプル２２）と比較して、耐久性をより一層向上できることがわかった。これは、Ｚｒが含有された発熱コイルと制御コイルとが溶融接合されたことで、後端側接合部位にＺｒを含有する領域が存在することとなり、当該Ｚｒが窒素ゲッター元素として機能し、Ｃｒの窒化を抑制できたこと、及び、後端側接合部位において連続的なＡｌ系被膜が形成されたため、窒素の侵入をより一層効果的に防止できたことによると考えられる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記第１実施形態では、表層領域３１のうち、少なくとも発熱コイル９の先端外周ＧＳから先端側接合部位２１の内側表面に沿って１００μｍの範囲において、Ａｌ含有量が３．５質量％以上とされている。これに対して、チューブ７にＡｌを３．５質量％以上含有することで、先端側接合部位２１におけるＡｌ含有量を３．５質量％以上とする構成を採用してもよい。これにより、先端側接合部位２１の表層全域においてＡｌ系被膜が形成されるとともに、チューブ７の表層においてもＡｌ系被膜が形成されることとなり、発熱コイル９内部への窒素の侵入をより一層効果的に防止することができる。

（ｂ）上記第２実施形態では、制御コイル１０のＡｌ含有量について特に規定していないが、制御コイル１０に、Ａｌを２質量％以上含有する構成を採用することとしてもよい。この場合には、後端側接合部位２２におけるＡｌ含有量を比較的容易に３．５質量％以上とすることができる。

（ｃ）グロープラグ１の形状等は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、チューブ７は、大径部７ｂが省略され、その外径が略一定のストレート形態のものであってもよい。また、主体金具２の軸孔４の小径部４ａを省略し、軸線方向にストレート形態となった軸孔４にチューブ７が圧入される構成としてもよい。

（ｄ）また、制御コイル１０を省略し、発熱コイル９の後端を直接中軸８に接合することとしてもよい。

（ｅ）さらに、上記実施形態では、シースヒータ３を具備するグロープラグ１を具体例として説明しているが、ディーゼルエンジン用のグロープラグ１以外の分野に上記思想を適用することもできる。すなわち、上記特徴を具備するシースヒータを、各種分野において液体や気体を加熱するための加熱手段として利用してもよい。

（ａ）は本実施形態のグロープラグを示す全体図であり、（ｂ）はその縦断面図である。 シースヒータを説明するための部分拡大断面図である。 本実施形態における先端側接合部位等を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１…グロープラグ、２…主体金具、３…シースヒータ、７…チューブ、９…加熱コイル、１０…制御コイル、２１…先端側接合部位、２２…後端側接合部位、３１…表層領域、Ｃ１…軸線、ＧＳ…発熱コイル先端外周。

Claims (8)

1. 軸線方向に延びるとともに先端部が閉塞した筒状のチューブと、
   先端が前記チューブ内に位置し、後端が当該チューブの後端側へ突出するリード部材と、
   抵抗発熱線よりなり、前記チューブ内に配設されるとともに、先端が前記チューブの先端に接合され、後端が前記リード部材の先端部と直接的或いは間接的に接合されることで前記リード部材と電気的に接続される発熱コイルとを備えたシースヒータであって、
   前記チューブはニッケル又は鉄を主成分とするとともに、
   前記発熱コイルはアルミニウムを５質量％以上含有し、
   前記チューブの先端及び前記発熱コイルの先端が接合された部位であって、前記チューブを構成する金属及び前記発熱コイルを構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことによって形成された先端側接合部位のうち、内側表面から５μｍ以内の表層領域であって、少なくとも前記発熱コイルの先端外周から前記先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内におけるアルミニウムの含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とするシースヒータ。
2. 前記チューブにおけるアルミニウムの含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とする請求項１に記載のシースヒータ。
3. 前記発熱コイルはクロムを含有するとともに、
   前記表層領域のうち、少なくとも前記発熱コイルの先端外周から前記先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内には、１０００℃におけるクロムの窒化物生成自由エネルギーよりも１０００℃における窒化物生成自由エネルギーが少ない元素を少なくとも１種類含有する領域が存在していることを特徴とする請求項１又は２に記載のシースヒータ。
4. 軸線方向に延びるとともに先端部が閉塞した筒状のチューブと、
   先端が前記チューブ内に位置し、後端が当該チューブの後端側へ突出するリード部材と、
   抵抗発熱線よりなり、前記チューブ内に配設されるとともに、先端が前記チューブの先端に接合され、後端が前記リード部材の先端部と間接的に接合されることで前記リード部材と電気的に接続される発熱コイルと、
   先端が前記発熱コイルの後端と接合され、後端が前記リード部材の先端部に接合された制御コイルとを備えたシースヒータであって、
   前記チューブはニッケル又は鉄を主成分とするとともに、
   前記発熱コイルはアルミニウムを５質量％以上含有し、
   前記発熱コイルの後端及び前記制御コイルの先端が接合された部位であって、前記発熱コイルを構成する金属及び前記制御コイルを構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことによって形成された後端側接合部位におけるアルミニウムの含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とするシースヒータ。
5. 前記制御コイルにおけるアルミニウムの含有量を２質量％以上としたことを特徴とする請求項４に記載のシースヒータ。
6. 前記発熱コイルはクロムを含有するとともに、
   前記後端側接合部位には、１０００℃におけるクロムの窒化物生成自由エネルギーよりも１０００℃における窒化物生成自由エネルギーが少ない元素を少なくとも１種類含有する領域が存在していることを特徴とする請求項４又は５に記載のシースヒータ。
7. 前記発熱コイルはクロムを含有するとともに、ジルコニウムを０．００５質量％以上２質量％以下、或いは、チタンを０．００５質量％以上５質量％以下含有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシースヒータ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシースヒータを具備することを特徴とするグロープラグ。

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