JP2009531640A - 多層加熱要素 - Google Patents

Abstract

加熱要素、特にセラミック加熱要素、たとえばディーゼルエンジンのための高温グロープラグおよびガス点火装置に使用されるセラミック加熱要素を提供する。加熱要素は、電気絶縁体と導電層とを含む。導電層は、単一の材料および単一の組成で形成される。製造方法は、絶縁層を形成するステップと、絶縁層の周囲に導電層を成形するステップとを含む。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００６年３月２３日付けの米国仮出願連続番号第６０／７８５，３３４号の優先権を主張し、引用によってここに援用する。

発明の背景
本発明は加熱要素に関し、特にセラミック加熱要素、たとえばディーゼルエンジンのための高温グロープラグおよびガス点火装置に使用されるセラミック加熱要素、ならびにその製造方法に関する。

セラミック加熱要素、たとえば図１に示すグロープラグが業界において周知である。図１に示すように、グロープラグ２は典型的に、電気絶縁層６によって包囲された導電コア８を有する加熱要素を含む。絶縁層６は、電気接続領域９において導電コア８と接触する外側抵抗層４によって包囲される。図１に示すグロープラグ２を製造するには、種々の組成の懸濁液から多孔質の型で連続的に層をスリップキャスティングし、次に焼成して、モノリシック体を形成することによって、積層構造が形成される。その結果得られる本体が電気的に接続されて、セラミック加熱要素を形成する。

連続キャスティングの問題点の１つは、加熱要素の幾何学的構成が一般的に、累加する各層が先の層に対して形成することができる形状に限定される点である。スリップキャスティングの場合、いずれの層の構成も、厚さが相当に均一な薄い層または、ほぼ中実であるがコアキャスト材料が凝固すると生じる管によって部分的に中空であり得るコアに一般的に限定される。この連続的な層の積重ねが幾何学的構成を限定し、各層が加熱要素における使用に最適ではなくなり、特定の用途における使用に最適ではなくなる。

図１に示すグロープラグ２の形式の別の欠点は、連続積層によって層間に不連続な界面が生じ、グロープラグが低温と高温との間で循環されると故障が生じ得る点である。故障率を低下させるため、多くの製造業者は、効率的なエンジン動作に望ましい温度よりも低温でグロープラグを循環させる。具体的には、グロープラグが温度間を循環すると、異なる組成の層同士の熱膨張率の差異による内部応力を被る。異なる層が異なる速度で膨張し収縮するにつれて、通常グロープラグの加熱要素においてグロープラグの故障を引起し得る応力が発生し得る。

図１に示すグロープラグ２の形式のさらに別の欠点は、導電コア８と外側抵抗層４との間の電気接続９がグロープラグ２の外側面に密接しており、使用中に周囲の雰囲気からの酸化に晒され得る点である。電気接続９における十分な酸化により、導電コア８と抵抗層４との間において電流が流れなくなる程度まで、電気絶縁酸化層を形成するかまたは界面気孔率を有する多孔層を形成することで、電気接続９が劣化し得る。その結果、電流が与えられた際にグロープラグが加熱されなくなる。

図１に示すグロープラグ２の形式のさらに別の欠点は、キャスティング処理によって生じる層厚および形状における不整合が、製造ロット間の抵抗値の不整合に繋がる点である。キャスト層は、型に対してまたは先に形成されているキャスト面に対して材料を徐々に蓄積することによって形成される。所望の厚さに達すると、余分な液体キャスティングスリップが除去される。厚さは主にキャスティング時間によって制御されるが、キャスティングスリップの流動特性、型の透過性、およびいずれかの先のキャスト層の透過性を含む
他の要因によっても影響される。その上、キャスティングスリップを除去する際、新たなキャスト面が短時間湿った状態に維持され、この少量の残存液体スリップは、不均一な層厚のさらなる一因となる滴または流出となり得る。これらの要因のいずれによっても層厚と層同士の厚さの均一性とにおいてわずかな変動が引起され得、その結果グロープラグの電気抵抗における変動およびグロープラグの加熱特性における変化が生じる。

したがって、先行技術の欠点を解消するグロープラグにおいて使用される加熱要素、特に内部熱応力が低く、加熱に最適な幾何学的形状を有し、寿命および耐久性が向上し、正確に制御可能かつ再生可能な加熱特性を有するグロープラグのための加熱要素を提供することが望ましい。

発明の概要
本発明は、加熱要素、特にグロープラグおよびガス点火装置に使用される加熱要素、ならびにその製造方法に関する。加熱要素は概して、電気絶縁材料からなるまたは電気絶縁材料として作用する第１の層と、第１の層の一部分の周囲に成形される導電性材料からなる第２の層とを含む。第１の層の幾何学的特性および射出ダイの幾何学的特性を変化させることによって、長さに沿って、かつ加熱要素の周縁の周りにおいて導電層の厚さを変化させ、特定の用途に望ましい加熱特性をもたらし得る。第１の層の成形特性および導電層が成形されるダイの特性は、これらの幾何学的特性と、スリップキャスティング法では得られない加熱特性における変動とを可能にする。さらに、第１の電気接続と第２の電気接続との間に延在する導電層を一体に成形することにより、層間の不連続な界面を除去し、かつ電気的界面を排除することによって、先行技術の方法の問題点の多くを防ぐ。

本発明は加熱要素を形成する方法を含み、第１の層を形成するステップと、第１の層をダイに配置するステップと、第１の電気絶縁層の周囲に導電層を成形するステップとを含む。

本発明のさらなる適用可能範囲は、以下の詳細な説明、請求項および図面から明らかとなるであろう。しかし、当業者にとって、本発明の精神および範囲内においてさまざまな変更および修正が明らかであるため、詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい実施形態を示すものの、図示のみを目的として示されていると理解されるべきである。

本発明は、以下の詳細な説明、添付の請求項および付随する図面からより十分に理解されるであろう。

好ましい実施形態の詳細な説明
図２〜図５に示す本発明は、電気絶縁材料からなる電気絶縁層２０と、導電材料からなる導電層３０とを有する加熱要素１０に関する。図２に示すように、導電材料は第１の電気接点４０および第２の電気接点４２に取付けられ、これにより導電材料を電流が流れ、導電層３０の厚さが最も薄く断面積が最も小さい箇所に主に集中する熱を生成する。図２のみに電気接点４０および４２を示すが、加熱要素１０は概して、寸法、形状および構成が異なり得る電気接点を有して形成される。加熱要素は、多様な構成および形状で形成される基部１４も含み得る。

絶縁層２０は、形状および直径が異なり得る幾何学的特性を生じさせて所望の加熱特性をもたらす外側面２２をさらに含む。絶縁層２０は概して、第１の端部２６、第２の端部
２８、および中心部分２７を含む。通路２４が第１の端部２６から第２の端部２８に延在する。

絶縁層２０は一般に絶縁材料からなり、任意の公知の方法によって任意の公知の電気絶縁体で形成することができる。このような方法は、押出、成形、粉末圧縮、および他の方法を含み得る。ゲル化添加剤を含むセラミックパウダーおよびある特定の熱可塑性材料を形成し、焼成して、良好な絶縁体を作製し得る。たとえば絶縁材料は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または他のセラミック材料などの材料であり得る。考えられる絶縁要素のこの一覧は、絶縁体を形成するのに使用され得る材料を決して限定するものではない。絶縁材料は、良好な電気絶縁特性を有する、または絶縁材料として加熱要素に一般に用いられる任意の材料で形成され得る。絶縁材料は、二ケイ化モリブデンと窒化シリコンとの複合物などの電気絶縁材料の基材において導電粒子も含み得る。ここにおいて、導電する二ケイ化モリブデン粒子は浸出しきい値より下に存在し、それゆえ互いに電気的に分離される。

成形によって、または他の上記の方法によって、多様な形状、たとえば従来スリップキャスティング法では可能ではなかった図３および図４に示すような形状に絶縁層２０を形成することができる。絶縁層２０は、多様な形状に確実に成形され得る材料で形成されることが好ましい。図４および図５は、第１の端部２６における外径が中心部分２７における外径よりも大きい形状を示す。第２の端部２８も中心部分２７より直径が大きく、第１の端部２６より直径が大きい場合もある。分かり得るように、導電層３０と組合せたときに特定の加熱特性をもたらすように、絶縁層２０を高度に特化させてもよい。

導電層３０は一般に、第１の電気接点４０と第２の電気接点４２との間に電流を流すことができる導電材料で形成される。導電層３０は概して、加熱要素１０の外側面１２を形成する。絶縁外側面２２と導電外側面３２との間の厚さを変化させることによって、加熱特性を調整し得る。たとえば、図３に示すように、中心通路２４は導電層３０の導電材料で充填され、比較的厚さが厚く、これにより抵抗値が低くなり、かつ電流が流れやすくなる。しかし、加熱要素１０の加熱部分１６における導電層３０の厚さは非常に薄く、抵抗値がより大きく、加熱部分１６付近で出力される熱量が増大する。したがって、導電層３０の薄い領域において第１の電気接点４０と第２の電気接点４２との間に電流が流れると、加熱出力が最大となる。図２に示すように、薄い領域は加熱要素１０の先端の一部分にのみ限定され、これによって第１の端部２６近傍に主に集中される加熱特性が生じる。加熱特性は、絶縁層２０または導電層３０の特性を変えることによって変化させ得る。

図３に示すように、導電層３０は、絶縁層２０の第１の端部２６に近接した領域から中心部分２７に沿って第２の端部２８に向かって延在する。これにより、図２に示した加熱要素よりも大きい加熱容量に加えて、さらに延在する加熱特性が生じる。

図４に示す加熱要素１０は、絶縁層２０の第１の端部２６付近に主に集中する加熱部分を含み、その厚さは絶縁層の中心部分２７付近の厚さよりもはるかに薄い。したがって、加熱要素１０の加熱特性は、絶縁体の第１の端部２６付近に主に集中するが、加熱要素は絶縁体の中心部分２７に沿っていくらかの熱を与える。図５は図４の加熱要素のさらなる変形を示し、導電層３０は絶縁体の中心部分２７に沿って第２の端部２８に向かってさらに延在している。

図８のステップ３０１および図９〜図１１に示すように、加熱要素は外側面２２に沿って突起を有してもよく、導電層によって重ね成形するために絶縁層２０を収容するダイに加熱要素を中心合せすることができる。絶縁層２０から形成されたこれらの突起は、発熱しない領域を加熱要素１０の外側面１２上に生成することによって、加熱特性を修正する
ことも可能である。典型的にこれらの突起のうち少なくとも３個を使用して、絶縁部分をダイ内において中心合せし得る。しかし幾何学的形状およびダイによっては、それより多くの、またはそれより少ない突起を使用してもよい。導電層３０は、多様な公知の伝導性材料、たとえば二ケイ化モリブデン、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ホウ化チタンを含む、今日グロープラグに典型的に使用されているセラミック物質からなる伝導性材料で形成され得る。伝導性材料は、二ケイ化モリブデンと窒化シリコンとの複合物などの導電材料の基材において電気絶縁粒子も含み得る。ここにおいて、導電する二ケイ化モリブデン粒子は浸出しきい値より上に存在し、それゆえ材料を通過する連続導電経路を構成する。導電層は、数例を挙げると、白金、イリジウム、レニウム、パラジウム、ロジウム、金、銅、銀、タングステンなどの金属、およびこれらの合金も含み得る。一般に、ダイにおいて容易に成形が可能な伝導性材料で導電層３０を形成する必要がある。加熱要素に現在使用されている任意の伝導性材料または抵抗加熱材料を使用し得る。

加熱要素１０は一般に、図６のステップ１０１、図７のステップ２０１、および図８のステップ３０１に示した絶縁層２０を第１に形成する方法によって形成される。第２のステップにおいて、加熱要素１０の外側面１２を構成することになり、かつ図６のステップ１０２、図７のステップ２０２、および図８のステップ３０２に示される幾何学的特性を有する射出成形ダイ５０が設けられる。たとえば粉末成形形成または他の方法によって絶縁層２０が絶縁材料から所望の幾何学的形状に形成されると、図６のステップ１０３、図７のステップ２０３、図８のステップ３０３に示すように、射出成形ダイ５０に絶縁層２０が挿入される。絶縁層２０がダイ５０に配置された後、図６のステップ１０４、図７のステップ２０４、および図８のステップ３０４に示すように、溶融伝導材料がダイに強制流入される。溶融伝導材料がダイ内に入り、空洞をほぼ充填すると、図６のステップ１０５および図８のステップ３０５に示すように、材料が冷却され硬化される。形成された加熱要素１０は、図６のステップ１０６、図７のステップ２０５、および図８のステップ３０６に示すように、ダイ５０から取出される。加熱要素１０はその後焼成され、モノリシック材料（図示せず）を形成する。図７に示した方法では、ステップ２０６において余分な材料が除去される。

セラミック材料は通常、細かく砕いた粒子の集合体を第一に形成し、次に集合体を焼成して、粒子をモノリシック物質に焼結させることによって形成されることが当業者には理解されるであろう。通常、限定はしないがワックスもしくはポリエチレンまたは両者の混合物などの熱可塑性媒体もしくは結合剤に粒子を混合し、その結果生じる混合物を、溶融混合物が十分に流体であってダイの空洞を充填するように加熱し、その後成形物を冷却してダイから除去することができる剛性部分を形成することによって、セラミック材料が射出成形される。代替的に、寒天／水などの非熱可塑性結合剤媒体も使用し得る。結合剤媒体は、溶媒の抽出および熱脱脂工程を含み得る、脱脂として一般に知られている処理によって除去される。当該部分は適切な状況下で燃焼され、粒子を互いに焼結させ、最終的なモノリシック物体を形成する。

第１の層は、一部の実施形態において、絶縁性または非絶縁性の材料で形成することができる。最終的なキャスト部から後で除去可能な材料で第１の層を形成することによって、上記の工程に実質的に従って加熱要素を形成する方法が可能となるが、第１の層の材料を導電層３０内から除去する追加的な工程（図示せず）を有し得る。第１の層の除去によって、絶縁体として作用し得る導電体に実質的に空のコアが生じる。中空のコアを有することによって、熱膨張率におけるすべての差異が除去され、加熱要素の寿命を延長させ得る。したがって第１の層は、キャスティングまたは成形処理において後に除去することができる、またはキャスティング処理中に破壊することができると知られている任意の材料を使用し得る。導電層に剛性を与えるため、第１の層を除去した後に、絶縁性または剛性層、たとえば重ね成形処理に寄与しない絶縁体を付加して導電層内のポケットを充填し得
る。

図６および図７に示すように、絶縁材料２０の第２の端部２８は、ダイの内側面に係合して、ダイ５０の空洞内の所定の位置に絶縁層２０を保持し得る。これにより、溶融導電層３０が流れてダイに強制流入されるにつれて、所望の特性が生じかつ絶縁層２０が移動しないように、ダイ５０内において適切な配置が確保される。しかし一部の実施形態では、図８のステップ３０３および図１０に示すように突起がダイに係合するように、図９に示すように絶縁層２０上に突起を有することが望ましい場合がある。これらの突起により、互いに除去される２つの接触領域をダイに設けることによって、成形処理中に絶縁層２０が所定の位置に留まることが確実となる。

スパークプラグ絶縁体を形成するのに現在用いられているのと同様の押出成形または粉末圧縮法で第１の層を形成することにより、第１の層を特定の幾何学的特性で形成することができる。第１の層は、導電層と併せて使用される絶縁材料、または導電層が第１の層上に重ね成形されると容易に除去可能な材料で形成することができる。この第１の層の幾何学的特性を導電層３０の幾何学的特性と組合せると、周縁の周囲においてかつ長さに沿って、高温箇所および低温箇所、ならびに加熱要素上で徐々に変化する領域さえも可能にする加熱特性が加熱要素１０について生じ得る。したがって必要であれば、加熱要素１０の周縁の半分上にたとえば高温箇所を有する加熱特性を生じさせ、加熱要素１０上において、加熱要素の先端、ならびに周縁の少なくとも半分および第２の端部に向かう部分が所望の高温箇所より低温であり得るように、絶縁層２０の第１の端部２６から除去することができる。これらの種類の加熱特性は、加熱要素を形成する先行技術の方法では従来得ることができなかった。

上記の記載は、本発明の例示的な実施形態を開示し説明する。添付の請求項に規定される発明の真の精神および公正な範囲から逸脱することなく、このような記載ならびに添付の図面および請求項から修正および変更を行ない得ることを当業者は容易に理解するであろう。

先行技術のスリップキャスティングされた加熱要素の断面図である。 加熱部分が第１の端部に集中する本発明の断面図である。 延長された加熱部分を有する本発明の断面図である。 加熱部分が第１の端部に主に集中する本発明の断面図である。 加熱部分が第１の端部に主に集中する本発明の断面図である。 加熱要素の形成における方法のステップを示す図である。 加熱要素を形成する第１の代替的な方法の図である。 加熱要素を形成する第２の代替的な方法の図である。 図８の線９−９に沿った第１の層の断面図である。 図８の線１０−１０に沿ったダイの第１の層の断面図である。 図８の線１１−１１に沿った、形成された加熱要素の断面図である。

Claims (28)

1. 導電層と、
   電気絶縁層とを備え、前記導電層は、前記絶縁層内に完全に形成された部分を含み、前記絶縁層は、前記導電層内に完全に形成された部分を含む、加熱要素。
2. 前記加熱要素は、前記導電層によって規定された第１の外側面を有し、前記電気絶縁層は外側絶縁面を有し、前記導電層は、前記外側絶縁面と前記外側面との間においてある厚さを有する、請求項１に記載の加熱要素。
3. 前記厚さは、厚さがより薄い領域の電気抵抗がより大きい状態で変動可能である、請求項２に記載の加熱要素。
4. 前記厚さは加熱要素の長さに沿って変動する、請求項３に記載の加熱要素。
5. 前記厚さは加熱要素の周縁について変動する、請求項３に記載の加熱要素。
6. 前記加熱要素はある長さを有し、前記電気絶縁層は外側絶縁面を有し、前記外側絶縁層の直径は前記長さに沿って変動する、請求項１に記載の加熱要素。
7. 第１の直径を有する基部と、
   基部の一端に形成された加熱部分とを備え、前記加熱部分は第２の直径を有し、前記第１の直径は前記第２の直径より大きく、前記加熱部分は電気絶縁層と導電層とを含み、前記導電層は第１の厚さと第２の厚さとを有し、前記第２の厚さは前記第１の厚さよりも大きい、加熱要素。
8. 前記基部は前記第２の厚さを含み、前記加熱部分は前記第１の厚さを含む、請求項７に記載の加熱要素。
9. 第１の幾何学的特性を有する第１の層と、
   前記第１の層の上に成形された第２の層とを備え、前記第２の層は、第２の幾何学的特性を構成する外側面を有し、前記第１の幾何学的特性および第２の幾何学的特性は、第２の層において変動可能な厚さを生じさせる、加熱要素。
10. 前記変動可能な厚さは、電気抵抗がより高い領域と電気抵抗がより低い領域とを生じさせる、請求項９に記載の加熱要素。
11. 前記第１の幾何学的特性および第２の幾何学的特性は、加熱特性を最適化するように設計される、請求項１０に記載の加熱要素。
12. 前記第１の層は電気絶縁体であり、前記第２の層は導電材料である、請求項９に記載の加熱要素。
13. 前記電気絶縁層および前記導電層は、ほぼ同じ熱膨張特性を有する、請求項１２に記載の加熱要素。
14. 前記電気絶縁層はポリスチレンで形成される、請求項１３に記載の加熱要素。
15. ある長さを有する加熱要素であって、
    少なくとも２つの突起を含む第１の層と、
    加熱要素の長さの少なくとも一部分について前記第１の層をほぼ包囲する第２の層とを備え、前記第２の層と前記少なくとも２つの突起が外側面を構成する、加熱要素。
16. 前記第１の層は少なくとも３つの突起を有する、請求項１５に記載の加熱要素。
17. 加熱要素を形成する方法であって、
    少なくとも３つの突起を有する第１の層を形成するステップと、
    前記突起がダイに係合するように、前記第１の層をダイに挿入するステップと、
    前記第１の層の周囲に少なくとも部分的に導電層を形成するステップと、を備える方法。
18. 導電層を形成する前記ステップは、溶融導電材料を前記ダイに射出するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の層は中心通路と外側面とを有し、前記第２の層は前記中心通路内に配置され、かつ前記外側面の少なくとも一部分を包囲する、請求項１７に記載の加熱要素。
20. 前記第２の層は、接合部または界面なしに形成される、請求項１９に記載の加熱要素。
21. 前記第２の材料は一体として形成される、請求項１９に記載の加熱要素。
22. 第１の端部、第２の端部、および前記第１の端部と第２の端部との間の中心部分を有する第１の層を備え、前記第１の端部および第２の端部の直径は、中心部分の直径よりも大きく、さらに、
    第２の層を備える、加熱要素。
23. 前記第２の層は導電性であり、抵抗加熱をもたらす、請求項２２に記載の加熱要素。
24. 前記第１の層は電気絶縁体である、請求項２２に記載の加熱要素。
25. 前記第２の層は前記電気絶縁層の周囲に成形される、請求項２２に記載の加熱要素。
26. 前記第２の層は外側面を有し、前記第１の層の前記第１の端部に近接した前記外側面の直径は、前記第１の層の中心部分に近接した外側面の直径より小さい、請求項２２に記載の加熱要素。
27. 加熱要素を形成する方法であって、
    第１の材料でコアを成形するステップと、
    導電材料を前記コア上に重ね成形するステップと、
    前記導電材料から前記コアを除去するステップとを備える、方法。
28. 前記コアを除去する前記ステップの後に、電気絶縁材料を前記導電材料に付加するステップをさらに備える、請求項２７に記載の方法。

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