JP2011506910A - 層状のグロープラグ - Google Patents

Abstract

環状の金属シェル、熱伝導性のチューブ状のシール、中央電極、抵抗加熱素子、および電気的に絶縁で熱伝導性の粉末を含むグロープラグは、シース内のシールされたキャビティを形成するためにシースと電極とのかみ合わせをシールするガラスシールを含む。ガラスシールは、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスおよびホウケイ酸ガラスを含んでいてもよく、クロム、コバルト、ニッケル、鉄および銅の酸化物のような１またはそれより多い遷移金属酸化物を含んでいてもよい。ガラスは、合成石英、ユークリプタイト、白榴石、コージライト、ベータ−リシア輝石、ガラス−セラミックス、低膨張ガラス（ＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）、ムライト、ジルコン、ジルコニア、およびアルミナからなる群から選ばれるようなセラミックス酸化物を含むフィラーを含んでいてもよい。シールされたキャビティは保護挿入ガスを収容してもよい。抵抗加熱素子は、タングステン、モリブデン、またはタングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムを含む合金からなる群から選ばれる金属から形成されてもよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００７年１２月１７日に出願された米国仮特許出願番号第６１／０１４，１２２号および２００８年６月１３日に出願された米国仮特許出願番号第６１／０６１，３８７号の利益を主張するものであり、その内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。

発明の背景
１．技術分野
本出願は、概してグロープラグに関し、より特定的には層状のグロープラグに関する。

２．関連技術
ディーゼルエンジン用途に用いられるような層状のグロープラグは、一般的に、スパイラル状にねじれた抵抗ワイヤのように、１またはそれより多い抵抗素子を含む電気抵抗加熱を有し、チューブ状のシースの自由閉端との電気的な接続を除き、設置されるチューブ状のシースから電気的に絶縁されるように、酸化マグネシウムのような電気的に絶縁する伝導性の粉末に組み込まれる。単一の電気抵抗素子を用いるグロープラグは正の温度係数特性（ＰＴＣ特性）を有していてもよく、２組の接続された電気抵抗を用いるグロープラグにおいて、グロープラグの電極に接続される抵抗は、チューブ状のシースの自由閉端に接続される抵抗よりも高いＰＴＣ特性を有する。

述べたタイプのグロープラグは、１またはそれより多い抵抗素子を有していても、全体としては絶縁粉末に組み込まれた抵抗素子を有し、絶縁粉末は、エラストマーのＯ−リングシールまたは他のシール形状を用いるチューブ状のシースに密閉される。これらのＯ−リングシールは、登録商標バイトン（Ｖｉｔｏｎ）としてデュポンにより販売されているような種々のフッ素重合体を含む、多数のエラストマーまたはプラスティックを用いてなる。シールを形成するとすぐに、通常、粉末の隙間内に酸素が存在し、これにより潜在的に抵抗素子は酸素の存在下で酸化される傾向にある。Ｏ−リングシールがグロープラグ適用に用いられる間、有効な作動温度範囲は約１５０−２００℃である。近年、グロープラグ用途は、より高い温度範囲で必要とされ、Ｏ−リングシールが適切でないところが問題となっている。

グロープラグの作動中に生じる熱サイクル中、ワイヤの表面は酸化され、ワイヤの有効断面を減らし、結果としてワイヤのこの部分のより高い電流密度をもたらし、ワイヤの過熱および加熱素子の不具合をもたらす。この不具合の状態に作用する要素は、ゴムまたはプラスティックまたはＯ−リングによって提供される不完全なシールであり、酸素および水蒸気が粉末充填層に広がり、加熱素子ワイヤと反応することを可能とし、結果として上述した有効な断面の酸化および縮小をもたらす。酸化マグネシウムの水蒸気との反応は水酸化マグネシウムを形成し得、金属抵抗ワイヤを腐食または酸化することが可能であり、これにより、グロープラグが稼動中でないときであっても、その部分の不具合をもたらす。酸化マグネシウム粉末の表面に吸収される他の材料は、ガスを含んでいてもよく、加熱素子ワイヤの分解にも貢献し得る。この不具合の作用は、グロープラグの運用寿命を短くするか制限するように働く可能性がある。

上述した観点から、２００℃を超える作動温度で用いることができ、上昇する温度に耐えることができ、さらに電極およびシース間に向上したシールを提供できるグロープラグの必要性がある。

発明の概要
概略、本発明の一の局面は、グロープラグのための層状の加熱具を提供し、軸方向に延在するボアを有する環状の金属シェルと、導電性および熱伝導性のチューブ状のシースとを含み、シースは、シェルと電気的に接触してボア内に配置された開口端と、ボアから突出した閉口端とを有し、シースの開口端に延在する電極をさらに含み、電極に電気的に接続される近位端と、シースの閉口端に電気的に接続される遠位端とを有するシェル内に配置された抵抗加熱素子と、シース内に配置され、抵抗加熱素子を取り囲む電気的に絶縁性で熱伝導性の粉末と、開口端において、シースおよび電極とかみ合ってシールするように配置されたガラスシールとをさらに含む。加熱アセンブリは、グロープラグを形成するためにシェルへ挿入されてもよい。用いられるガラスシールは、向上した密閉性を提供し、これにより、抵抗加熱素子の環境の劣化の抵抗を向上でき、グロープラグの作動範囲を６００−８００℃まで高める。

一の局面では、ガラスシールは、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスおよびホウケイ酸ガラスからなる群より選ばれる。ガラスは実質的に鉛フリーであることが好ましい。

別の局面では、ガラスは、ガラスの成分として遷移金属の酸化物を含んでいてもよい。遷移金属はクロム、コバルト、ニッケル、鉄および銅からなる群から選んでもよい。酸化物はガラスの１０モルパーセントまたはそれ未満であってもよい。

別の局面では、ガラスは、再結晶微細構造を含んでいてもよい。再結晶微細構造は、ガラスの９０体積パーセントより多くてもよい。

別の局面では、ガラスは、ガラスの成分としてフィラーを含んでいてもよい。フィラーは、セラミックス酸化物を含んでいてもよい。セラミックス酸化物は、合成石英、ユークリプタイト、コージライト、ガラスセラミックス、ムライト、アルミナ、ジルコン、ジルコニア、ベータ−リシア輝石、低膨張ガラス（ＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）および白榴石からなる群から選ばれてもよい。

別の局面では、チューブ状のシースはその長さに沿って変化する外径を有し、開口端に隣接した小径部を有する。外径および小径部は、約０．４ｍｍの直径の差を有していてもよい。ガラスシールは長さを有し、小径部は長さを有し、小径部の長さはガラスシールの長さよりも大きい。典型的な実施例では、小径部の長さは約８ｍｍである。シースは金属を含んでいてもよい。シースは変形した微細構造を有していてもよい。

別の局面では、ガラスシールは、シースにより提供されるキャビティを取り囲む密閉シールを含み、キャビティ内に配置された保護ガスをさらに含む。保護ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群から選ばれてもよい。

別の局面では、抵抗加熱素子は金属ワイヤスパイラルを含んでいてもよい。金属ワイヤスパイラルは、純ニッケル、ニッケル合金、ニッケル−鉄−クロム合金および鉄−コバルト合金からなる群から選ばれた金属を含んでいてもよい。

別の局面では、抵抗加熱素子は金属ワイヤスパイラルを含んでいてもよい。金属ワイヤスパイラルは、タングステンと、モリブデンと、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムを含む合金とからなる群から選ばれた金属を含んでいてもよい。

別の局面では、熱伝導性で、電気的に絶縁された粉末は、酸化マグネシウムを含んでいてもよい。

別の局面にしたがえば、グロープラグのための加熱アセンブリを製造する方法が提供される。方法は、導電性および熱伝導性のチューブ状であり、開口端および閉口端を有するシースを提供するステップと、電極の一方端に電気的に接続された抵抗加熱素子を有する電極をさらに提供するステップとを含む。抵抗加熱素子をシースの開口端に拡大するステップと、シースの閉口端を形成するために、抵抗加熱素子の端部と、シースの遠位端とを接続するステップとをさらに含む。その後、シースと抵抗加熱素子との間のキャビティ内に、電気的に絶縁した熱伝導性の粉末を配置するステップを含む。その後、水蒸気および／または酸素のキャビティへの浸透の可能性からキャビティを遮断するために、シースおよび電極とかみ合うように、シースの開口端に密閉シールを形成するステップをさらに含む。

別の局面では、方法は、密封シールを形成するステップに先立って、キャビティへ挿入ガスを配置することによって、キャビティ内の酸素を抜くステップをさらに含む。挿入ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群から選ぶことができる。

別の局面では、抵抗加熱素子を、タングステン、モリブデン、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムからなる群から選ぶステップを含む。

別の局面では、方法は、ガラスシールとして密閉シールを形成するステップを含む。
別の局面では、シールのガラスを、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスおよびホウケイ酸ガラスからなる群より選ぶステップを含む。

別の局面では、ガラスの成分として遷移金属の酸化物を含むようにガラスを提供するステップを含む。

別の局面では、ガラスの成分としてフィラーを含むようにガラスを提供するステップを含む。フィラーは、セラミックス酸化物を含んでいてもよい。セラミックス酸化物は、合成石英、ユークリプタイト、コージライト、ガラスセラミックス、ムライト、アルミナ、ジルコン、ジルコニア、ベータ−リシア輝石、低膨張ガラス（ＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）および白榴石からなる群から選ばれてもよい。

別の局面では、シースの開口端にガラスプリフォームを挿入することにより、および、ガラスシールからガラスを溶かすために十分な時間および温度でガラスプリフォームを加熱することにより、ガラスシールを形成するステップを含む。

以下の好ましい実施の形態および最良の形態の詳細な説明、請求項および図面と併せて考慮すると、本発明のこれらおよび他の特徴および利点がより容易に理解されるであろう。

本発明の層状の加熱アセンブリおよびグロープラグの部分断面図である。 本発明のチューブ状のシースプリフォームの断面図である。 本発明の抵抗加熱素子の正面図である。 電極とチューブ状のシースとの間の環状のギャップに挿入されたガラスプリフォームの概略断面図である。 図４Ａのガラスプリフォームを溶かすことにより形成された電極とチューブ状のシースとの間の環状のギャップにおけるガラスシールの概略断面図である。 本発明のグロープラグ製造する方法のフローチャートである。

好ましい実施形態の詳細な説明
本発明は、改善したシールおよび加熱素子アセンブリを有するグロープラグを提供し、改善したシールおよび加熱素子アセンブリは、熱導電性で電気的に絶縁する粉末、および粉末に組み込まれるスパイラル状のワイヤ加熱素子の酸素および水蒸気に対する露出を低減し、これにより、上述した分解プロセスを除去または実質的に低減する。本発明のグロープラグにおいて、シールの取り付け中に粉末層内で酸素および水蒸気が除去または実質的に低減されるような方法で、成分は処理される。一旦取り付けられると、シールは、酸素および水蒸気を含む周囲の雰囲気の能力を削除または大幅に低減して、絶縁粉末に広がりワイヤ加熱素子に到達し、これにより、上述したようなワイヤ加熱素子の分解の可能性を抑制する。

本発明のグロープラグおよびグロー加熱アセンブリは、エラストマーまたはプラスティックのシールの代わりに、Ｏ−リングのようなガラスまたはガラスセラミックスのシールを利用している。ガラスまたはガラスセラミックスシールは、シェルと電極との電気抵抗を提供し、抵抗加熱素子を含む粉末層と周囲の雰囲気との密封シールを生成する。ガラスシールの材料は、プリフォームとして、あるいは、充填または圧密により所定の位置に形成される遊離した粉末からグロープラグアセンブリに位置付けられる。プリフォームは圧縮された粉末または緑の粉末成形体または実質的に完全に密度の高いガラスチューブの一部を備えていてもよい。ガラスプリフォームは、ガラスが溶解されるように加熱されて、電極とシースとを結合する。材料は、ガラスを変形し、再結晶化されたガラス−セラミックスを形成するために加熱処理もされてよい。シールを形成するためのグロープラグ加熱アセンブリの加熱は、酸化マグネシウム粉末からガスを放出し、加熱素子ワイヤの分解に貢献することが知られている酸素および水のような潜在的な反応物質種を取り除く。好ましい方法は、上述の反応物質種をより完全に取り除くために、真空および／または挿入ガス雰囲気で加熱アセンブリを加熱する。したがって、本発明にしたがってグロープラグを構成すると、グロープラグはエラストマーまたはプラスティックのシールに関する上述した潜在的に悪い影響が実質的に存在しないような長く改良された有益な寿命を示すことが可能となり、極端に高温のエンジン適用環境においても作動を可能にすることができる。

図で詳細に説明すると、図１は本発明の好ましい一実施の形態にしたがって構成されたグロープラグ１０を示す。グロープラグ１０は環状の金属シェル１２を有し、シェル１２はシェル１２の長手方向の軸１５に沿って延在するボア１４を有する。金属シェル１２は、種々のグレードの鋼のようないかなる適切な金属から形成されていてもよく、外面１６およびボア１４を含み、高温酸化および腐食に対するシェル１２の抵抗を向上するために、ニッケルやニッケル合金のようなメッキまたは被覆層をその表面に取り込んでもよい。グロープラグ１０は、加熱アセンブリ１８も含む。加熱アセンブリ１８は、チューブ状のシース２０、電極２２、抵抗加熱素子２４、絶縁粉末充填材料２６、固体物質により占められていない空間を占める挿入ガス２７、および密封シールを有し、密封シールは以下において他に特定しない場合にはガラスシール２８と示し、たとえば酸素および水蒸気のような大気種がチューブ状のシース２０内のシールされた領域に入ることを防止する。

チューブ状のシース２０は導電性および熱伝導性であり、好ましくは金属から形成される。環状のシース２０を形成するためにいかなる適した材料が用いられてもよいが、特に内燃機関の運転に関連した燃焼ガスおよび反応物質種に関して、金属は高温酸化および腐食に対して抵抗があるので好ましい。適切な金属合金の一例は、ニッケル−クロム−鉄−アルミニウム合金である。チューブ状のシース２０は開口端３０および閉口端２１を有し、開口端３０は金属シェル１２のボア１４内に、シェル１２と電気的に接触するように配置され、閉口端２１はボア１４から突出する。チューブ状のシース２０はその長さに沿って変化する外径（Ｄ１）を有し、開口端３０に隣接する小径部３４を有する。外径（Ｄ１）はいかなる適した外径であってもよく、多くのグロープラグ適用の典型的な外径はたとえば約４ｍｍである。小径部３４は一般的にはガラスシール２８の長さよりも大きい長さを有する。限定されない典型的な形態では、小径部３４の長さは約８ｍｍであった。外径（Ｄ１）と小径部３４との直径の差は、適用要件に依存し、所望の量であってよいが、典型的な形態ではその差は約０．４ｍｍであった。チューブ状のシース２０は、冷間加工された微細構造のような変形した微細構造を有していてもよく、シースプリフォーム３６（図２）は、直径を低減し、シース２０内の絶縁粉末２６の密度を増加するために、スエージングあるいは別の方法で形成される。典型的な形態では、図２において透視された断面に示されるように、変形は、シースのプリフォーム３６の壁厚さにおいて約２０％減少するような量であってもよい。

電極２２は、シース２０の開口端３０に延在する。電極２２は適した導電性材料からなっていてもよいが、好ましくは金属からなる。典型的な形態では、電極２２は鋼からなる。鋼の適したグレードの例は、ＡＩＳＩ１０４０、ＡＩＳＩ３００／４００ファミリー、ＥＮ１０２７７−３ファミリー、コバールＵＮＳＫ９４６１０およびＡＳＴＭＦ１５，２９−１７合金を含む。電極２２の外面３８は、電極２２に結合するためのガラスシール２８の能力を高めるために、加熱アセンブリ１８への取り込みに先立って、オイルのような揮発性の汚染物質を電極の表面から取り除くために、一般的に、十分に清浄化される。ガラスシール２８に隣接した電極２２の外面３８は酸化されるかもしれない。酸化されると、酸化層は必要とされる付着を提供するのに適した厚みにまで成長し、多くの酸化層は約０．２−５．０ミクロンの範囲にある。また、電極２２の遠位端３９は、必要に応じて、電極２２への取り付けと連結して、直径を減少すること等により形成されてもよく、電極２２上に抵抗加熱素子２４を合わせることを容易にし、素子を設置する肩４１を提供する。

抵抗加熱素子２４は、グロープラグ１０に必要とされる必須の時間／温度加熱反応特性を提供することができるのであれば、適した加熱装置が提供されてもよく、いかなる適した抵抗特性を有していてもよく、２０００−３４２２℃の極端に高い作動温度に耐えるように提供される。これは、正の温度係数特性（ＰＴＣ特性）を有する単一の電気抵抗素子、または、連続して接続された２つの電気抵抗素子（図３）を備えた素子を含んでもよい。２つの電気抵抗素子を備えた素子では、グロープラグ１０の電極２２に接続された第１の抵抗素子４０は、チューブ状のシース２０の閉口端３２に接続された第２の抵抗素子４２よりも高いＰＴＣ特性を有している。このように、第１の抵抗素子４０はリミッタまたはレギュレータ素子として振舞い、第２の抵抗素子４２は加熱素子として振舞う。スパイラル状のワイヤ抵抗加熱素子は、いかなる適した材料から形成されてもよく、たとえば、純ニッケルのような種々の金属を含んでもよく、ニッケル−鉄−クロム、鉄−コバルト合金のような種々のニッケルを含んでもよい。しかしながら、極端に高温の適用がある場合、単一または複数の抵抗加熱素子は、たとえばタングステン、モリブデン、または、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムを含む合金のような高温抵抗材料から形成されることが好ましい。図１〜図３を再び参照して、スパイラル状のワイヤ、２つの抵抗素子の加熱素子２４は、近位端４４を有するチューブ状のシース２０内に配置され、近位端４４は電極２２と溶接のような冶金の結合により電気的に接続され、かつ機械的に固定され、遠位端４６はシース２０の閉口端３２と冶金の結合により電気的に接続され、かつ機械的に固定される。抵抗加熱素子２４の遠位端４６がシースプリフォーム３６（図２）に溶接される場合に、この機械的な付着および冶金の結合は形成される。この溶接はまた、シースプリフォーム３６の遠位端の開口５０をシールすることにより、チューブ状のシース２０の閉口端３２を形成する。

電気的に絶縁で、熱伝導性の充填粉末２６は、電極２２を取り囲み、抵抗加熱素子２４とシース２０のキャビティ５２の内部体積との間の全ての空間を完全に満たすために、シース内に配置される。粉末２６は、酸化マグネシウム、二酸化アルミニウム、またはムライトのような、いかなる適した電気的に絶縁で、熱伝導性の粉末を含んでもよい。遊離した粉末は、シースのプリフォーム３６のキャビティ５２へ挿入され、シース２０の内面５８と、電極２２の外面３８および抵抗加熱素子２４の外面の結合との間に配置され、これは、シースのプリフォーム３６への抵抗加熱素子２４の取り付け、および、これらの素子を互いに取り付ける関連した溶接による開口５０の閉鎖の後に環状のギャップ５４を介して行なわれる。環状のギャップ５４の厚みはいかなる適した厚みであってもよいが、約０．２−１．０ｍｍの環状のギャップ５４の幅は、加熱アセンブリ１８の多くの適用に適している。環状のギャップ５４の幅は、シースプリフォーム３６の近位端３０で、シースプリフォーム３６の内側の直径と電極２２の外側の直径との直径の差により決定される。キャビティ５２は、シースプリフォーム３６の近位端で直径が狭められた部分である環状のギャップ５４内の空間を一般的に含まない。これは、ガラスプリフォーム５６を受けるよう作動する空間であるためである。しかしながら、ガラスシール２８の所望の構成を形成するために十分な空間が残っている場合には、粉末は環状のギャップ５４の遠位端へわずかに延在してもよい。シース２０および電極２２の酸化は、粉末２６から吸収した水を低減または除去するために、シース２０のキャビティ内への配置で酸素中で粉末２６を加熱するとともになされてもよい。本発明の典型的な形態では、電気的に絶縁で熱伝導性の粉末２６は、酸化マグネシウムであり、シース２０を形成するためにシースプリフォーム３６の直径を低減するとともに抵抗加熱素子２４の周囲で成形される。成形された粉末２６は、抵抗加熱素子２４をシース２０から電気的に絶縁しつつ、所望の熱伝導性を提供する。粉末２６は、グロープラグ１０の拡張した運転温度範囲を超えて使用でき、極端に高い温度エンジン環境において、約２０００−３４２２℃まで運転できる。

挿入ガス２７は限定されないが、例としてはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンのようなガスが提供されることが可能である。挿入ガス２７は、予め酸素によって占められていたキャビティ内の全ての空間を満たすように配置され、これにより酸素はキャビティから完全に排除される。したがって、挿入ガス２７は、シース２０、電極２２、抵抗加熱素子２４の間の全ての空間および粉末２６の個々の粒の間の空間を満たす。

ガラスシール２８は、シース２０の開口端３０に位置し、環状のギャップ５４内のシース２０および電極２２とのかみ合わせをシールする。キャビティ５２への粉末の挿入後、所定の位置に挿入ガス２７を導入することによってキャビティ５２内に酸素を排出するとすぐに、図４Ａに示されるように、ガラスプリフォーム５６は環状のギャップ５４へ挿入される。その後、図４Ｂに示されるように、十分に圧縮して、電極２２の外面およびシース２０の内面５８にプリフォーム５６を結合するために、ガラスプリフォーム５６は十分に加熱されて、ガラスシール２８を形成し、好ましくはガラスを溶かし、続いて冷却することによって行なわれる。ガラスシール２８は、キャビティ５２および粉末２６およびシェル１２のボア１４間の密閉シールを形成し、これにより、燃焼ガス、および、ボア１４に侵入する周囲の酸素または水蒸気を含む汚染物質がキャビティ５２に入ることを防止する。

ガラスプリフォーム５６の形成は、環状のギャップ５４に注がれ、粉末を成形するために詰められるガラス粉末を提供することを含み、そして環状プリフォーム５６を形成してもよく、あるいは、分離して形成され、単に環状のギャップ５４に挿入された緑粉末プリフォームを成形し、あるいは、適切な長さに切断され、環状のギャップ５４へ挿入される十分に密度の高いガラスチューブの一部を形成する。予め成形されるプリフォームが使用される場合には、プリフォームが加熱アセンブリに設置された後で、かつガラスシール２８を形成するためにガラスを溶解する前に、圧縮がさらに実施されてもよい。一軸的に、平衡にあるいは他の方法で圧縮されたものを含み、プリフォームのすべての態様は本発明の範囲内であり、たとえば加熱アセンブリに配置するなど、プリフォームのハンドリングを容易にするためにたとえば理論上の約９５％まで、材料を固めて焼結するために、ガラスの軟化点よりも低い温度で焼結される。ガラス粉末は、粉末にされ、粒状にされ、吹き付け乾燥されたガラス材料を含む。加熱アセンブリまたは独立のプリフォーム内に加圧成形されていても、ガラスプリフォーム５６は概して１−５０ｋｐｓｉ（６．０−３４０ＭＰａ）の範囲の圧力を用いて加圧成形される。

ガラスシール２８は、いかなる適したガラスから形成されてもよく、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスあるいはホウケイ酸ガラスのいかなる組み合わせを含んでもよい。１種類以上のガラスまたはガラス組成物が用いられ、豊富でないガラスのガラス転移温度よりも豊富なガラスのガラス転移温度が好ましく、ガラス転移温度の差は約３０℃以上であることがより好ましい。豊富でないガラスは、ガラス成分全体の約４５体積パーセント以下存在することがさらに好ましく、豊富でないガラスは約５−４５体積パーセント存在することがより好ましい。ガラスは実質的に鉛フリーであることが好ましいと考えられる。特定の最高作動温度がおおよそ１００−３００℃を超えるような、加熱アセンブリ１８の作動中、ガラスの材料は、ガラスを軟化させないことを確保するような材料から選ばれる。これにより、約１００−１５０℃の従来技術のグロープラグと同様の最高作動温度を有する適用例において用いられる加熱アセンブリ１８にとって、ガラス転移温度は一般的に約２００℃以上である。たとえば６００−８００℃のような、より高温の作動温度での使用が意図された加熱アセンブリにとって、ガラス転移温度は一般的に約７００℃以上である。ガラスシール２８は、ガラス成分として遷移金属酸化物が取り込まれてもよい。遷移金属酸化物はクロム、コバルト、ニッケル、鉄または銅の単独またはいかなる組み合わせの酸化物であってもよい。使用されるときには、遷移金属酸化物はガラスの１０モルパーセントまたはそれ未満であってもよく、純度の高い特定の酸化物粉末に、ここで述べたようなガラスプリフォームを形成する前のガラス粉末に、あるいはガラスプリフォームに溶解されるガラスを形成する前の溶解ガラスに添加してもよい。ガラスシール２８は、ガラスの成分としてフィラーを含んでいてもよく、１またはそれ以上のセラミックス酸化物を含んでいてもよい。セラミックス酸化物は、合成石英、ユークリプタイト、白榴石、コージライト、ベータ−リシア輝石、ガラス−セラミックス、低膨張ガラス（ＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）、ムライト、ジルコン、ジルコニア、またはアルミナの単独またはいかなる組み合わせを含んでいてもよい。存在する場合には、フィラーはガラスの約４５体積パーセントまたはそれ以下の量で用いられることが好ましい。フィラーが用いられる場合には、フィラーの熱膨張係数（ＣＴＥ）はいかなるガラスの熱膨張係数よりも低いことが概して望ましい。フィラーの１つの目的は靱性を向上することであり、靱性はガラスの破壊靱性を含む。しかしながら、白榴石のようなガラスよりも熱膨張係数が高いフィラーは、熱膨張係数を組み合わせて調整されることが望ましい場合がある。

シェル２０から電極を電気的に絶縁することを防止するために、約−４０から３４２２℃である加熱アセンブリ１８の作動温度範囲を超えて２４ＶＤＣ以下の印加電圧のためには少なくとも約１ｋオームの抵抗をガラスシール２８が有していることが一般的に好ましい。ガラスシール２８は、１０ｂａｒ以下の外部からの印加圧力に抵抗するために厚みを介し、シース２０と電極２２との界面で、引張りおよびせん断の機械的強度を有する。

ガラスシール２８は、典型的な多くのガラスのアモルファス微細構造を有していてもよく、シングルステップの傾斜、浸漬または適切な遅い冷却プロセスによって追随した温度での保持を用いて形成されてもよい。加えて、ガラスシール２８は、再結晶微細構造を形成するために適した構成要素で熱処理されて（すなわち温度で浸漬により追随した加熱を傾斜して）もよい。再結晶微細構造が成長される場合、ガラスの９０体積パーセント以上占めることが好ましい。ガラスプリフォーム５６は、ガラスプリフォーム５６を溶解するのに十分な、電極２２およびシース２０の一方または両方の誘導加熱を含む、いかなる適した加熱源または加熱方法を用いて加熱されてもよい。熱処理は、挿入ガス雰囲気の加圧されたチャンバのように、いかなる適した熱処理雰囲気を用いて実施されてもよい。挿入ガス２７の昇圧を用いることによって、ガラスシール２８の形成中、キャビティ５２内で挿入ガス２７の残量はシールされる。これは、粉末２６から酸素および水蒸気のような吸収した汚染物質を追い払うことと、グロープラグ１０の作動中抵抗加熱素子２４の持続した保護を提供するためにキャビティ５２内の挿入ガス２７の残量をシールするという利益を有する。

電極２２、シース２０およびガラスシール２８の材料は、ガラス中のクラックの発生および伝播を避けるために十分なレベルでのいかなる応力を維持する場合、界面で加熱アセンブリの作動範囲全体への可能な範囲の引張応力を避けるまたは最小化するために、特に、相対的なＣＴＥの観点から選ばれるべきである。特に電極２２とシース２０とのそれぞれの界面で、圧縮状態でガラスシール２８を維持するＣＴＥで選ばれることが好ましい。上述した引張応力を維持する１つのアプローチとして、ガラスシール２８のＣＴＥがシース２０および電極２２とおおよそ等しいような材料を選ぶことがあり、ガラス成分のすべてを含むガラスシール２８の材料のＣＴＥは、ガラスシール２８を形成するために必要な過程を含む加熱アセンブリの作動温度範囲を超えてシース２０および電極２２の１０％以内である。上述した引張応力を維持するための別のアプローチとして、ガラスシール２８のＣＴＥはシース２０と電極２２の中間にある材料を選ぶことがあり、特に加熱アセンブリの作動温度範囲を超えてＣＴＥ_電極＜ＣＴＥ_ガラス＜ＣＴＥ_シースとなるように選ぶことがある。

図５を参照して、本発明にしたがって、本発明の別の局面にしたがって、グロープラグ１０は、開口端３０および閉口端３２を有する導電性で熱伝導性のチューブ状のシース２０と、シースの開口端に延在する電極２２と、電極２２と電気的に接続される近位端４４およびシース２０の閉口端３２に電気的に接続される遠位端４６を有し、シース内に配置される抵抗加熱素子２４と、シース２０内に配置され、抵抗加熱素子２４を囲む電気的に絶縁で熱伝導性の粉末２６と、シース２０、電極２２、抵抗加熱素子２４および粉末２６の個々の粒の間の空間に完全に占める挿入ガスと、開口端３０に配置され、シース２０および電極２２のかみ合わせをシールするガラスシール２８とを含むグロープラグ１０の加熱アセンブリ１８の形成方法は、以下のステップを含む。すなわち、グロープラグ１０の加熱アセンブリ１８の形成方法は、チューブ状のシースプリフォーム３６、電極２２および抵抗加熱素子２４の形成１１０と、抵抗加熱素子２４の近位端４４への電極２２の遠位端の取り付け１２０、抵抗加熱素子２４および電極２２のチューブ状のシースプリフォーム３６への挿入１３０と、シース２０の閉口端３２を形成するためにチューブ状のシースプリフォーム２０の遠位端３２への抵抗加熱素子２４の遠位端４６の取り付け１４０と、抵抗加熱素子２４を囲むためにシースプリフォーム３６への粉末の挿入１５０と、開口端３０へのガラスプリフォーム５６の挿入１５５と、シースプリフォーム２０におけるガラスプリフォームおよび粉末を維持するための仮シールの挿入１６０と、チューブ状のシース２０を形成するためにシースプリフォーム３６の外径の選択的な減少１６５と、仮シールを蒸発させるために十分な時間および温度でガラスプリフォーム５６の加熱１７０と、ガラスを溶融してガラスシール２８を形成するために十分な時間および温度で相対的に正圧下で挿入ガス２７内でのガラスプリフォームの加熱１７５と、挿入ガス２７内で相対的に正圧下でグロープラグの冷却１８０と、環状の金属シェル１２の軸方向に延在するボア１４への加熱アセンブリ１８の接合１９０とを含む。

チューブ状のシースプリフォーム３６、電極２２および抵抗加熱素子２４を形成するステップ１１０は、適した電極材料のワイヤまたはロッドの取出しのように、これらの成分を形成し、長さ方向にワイヤまたはロッドを切断し、図１に示す特徴に圧印加工し、機械加工し、あるいは別に必要な除去を形成する、いかなる適した方法を利用してもよい。抵抗加熱素子２４は、適した抵抗加熱の１または複数の材料のワイヤ（複数でもよい）を取り出すことにより、２ピースの加熱素子の場合、マンドレル周りに所望の形態に巻くことにより、および第１の抵抗素子を第２の抵抗素子に接合することにより、作られてもよい。チューブ状のシースプリフォーム３６は、適したシース材料のシリンダー状のチューブを形成することにより、および、これらの特徴を形成するための既知の過程を用いて、所望のテーパまたは曲率を形成するように外径を減少した端部を形成することにより、作製されてもよい。

抵抗加熱素子２４の近位端４４に電極２２の遠位端３９を取り付けるステップ１２０は、界面を作るために、抵抗加熱素子の近位端の電極端の遠位端の外径を形成することにより、および、その後加熱素子の近位端に電極の遠位端を圧入することにより、実施されてもよい。これは、それぞれの材料を接合するために適した溶接過程を用いて、抵抗加熱素子の近位端を電極の遠位端に溶接することによって順に進められてもよい。

抵抗加熱素子２４および電極２２をチューブ状のシースプリフォーム３６に挿入するステップ１３０は、一般的に、シース２０の閉口端３２を形成するために、抵抗加熱素子２４の遠位端４６をチューブ状のシースプリフォーム２０の遠位端４８に取り付けるステップ１４０と組み合わされ、前者は後者よりも必ず先行する。挿入するステップ１３０は、互いに上述したように成分を正しい方向に置くことを可能とする内在する付属品および治具の使用を含んでもよい。取り付けるステップ１４０は、シースプリフォーム３６内の開口５０を閉じる間、抵抗加熱素子２４およびシースプリフォーム３６を接合するいかなる適した方法を含んでもよい。好ましくは、取り付けるステップ１４０は、結果として溶接されるように、これらの成分を溶接するステップと、シースプリフォーム３６内の開口５０を閉じるステップとを含む。

抵抗加熱素子２４を囲むように粉末２６をシースプリフォーム３６に挿入するステップ１５０は、シースプリフォーム３６のキャビティ５２へ遊離した粉末を注入するステップを含むように、シースプリフォームに粉末２６を配置するいかなる適した方法を用いて実行してもよい。典型的には、粉末を挿入した後にシース電極アセンブリを振動させることによる方法のように、キャビティ内の遊離した粉末を固めて抵抗加熱素子２４の周りおよび内部の空間を満たす方法を用いることが望ましい。

開口端３０へガラスプリフォーム５６を挿入するステップ１５５は、遊離した粉末、緑粉末プリフォームまたは密度の高いガラスチューブまたは他のプリフォーム形状を含む、いかなる適したガラスプリフォーム５６を用いてもよく、自由流れ粉末を注入する方法、加圧下または環状のギャップ５４へ固定された外形を有するプリフォームの配置で粉末を吹き込む方法を含み、環状のギャップ５４へプリフォーム５６を配置するいかなる適した方法を用いてもよい。

ガラスプリフォーム５６およびプリフォーム中の粉末を維持するための仮シールを挿入するステップ１６０は、シース２０の開口端３０におけるガラスプリフォーム５６を隣接するためのＰＴＦＥシールリングを挿入することによって実施されてもよい。

方法１００は、チューブ状のシース２０を形成するためにシースプリフォーム３６の外径を減少するステップ１６５を選択的に含んでもよい。これは成形体粉末２６をさらに供し、これにより粉末の熱伝導を増加する。また抵抗加熱素子２４をよりしっかりと得、キャビティ５２内の抵抗加熱素子２４の移動または振動の機会を低減することを供する。これは、シースプリフォーム３６のようにチューブ状の金属プリフォームを低減するいかなる適した機構および方法により実行されてもよく、加締加工、圧印加工、圧延形成および金属チューブの外径を減らすための他の既知の方法を含んでもよい。クラックまたは別のシールの阻害を避けるために、シースプリフォーム３６の外面を減らして、外面の隣接したガラスシール２８の一部を避けることが望ましい。これを完成させるために、ガラスシール２８に隣接したシースプリフォーム３６の一部の外径は、シース２０の外径（Ｄ１）よりも小さいことが望ましい。

仮シールを蒸発させるのに十分な時間、真空でガラスプリフォーム５６を加熱するステップ１７０は、存在するかもしれない酸素をキャビティ５２から除去する間、仮シールを蒸発させるステップを含む。

相対的に正圧下、ガラスを溶解しガラスシール２８を形成するために十分な温度で挿入ガス２７内のガラスプリフォーム５６を加熱するステップ１７５は、挿入ガス２７とともにキャビティ５２内で酸素から放出された空間を満たすステップを含み、このステップではいかなる適した加熱機構および方法を用いてもよく、上述した方法を含んでもよい。

挿入ガス２７中、相対的に正圧下でグロープラグ１０を冷却するステップ１８０は、使用中であっても、キャビティ５２内に挿入ガス２７を維持し、キャビティの外部の酸素がキャビティに入ることを抑制する密閉シールの形成を完成するステップを含む。

グロープラグ１０を形成するために、方法１００は、環状の金属シェル１２の軸方向に延在するボア１４に加熱アセンブリ１８を接合するステップ１９０をさらに含んでいてもよい。これは、シース２０の外径に合わせて作るステップと、界面を作るためにシェル１２のボア１４を軸方向に延在するステップとを含んでもよく、その後、シース２０の遠位端の所望の暴露長さを作るために加熱アセンブリ１８をボア１４にあわせるように圧入するステップを含んでいてもよい。

グロープラグ１０を形成するために、方法１００は、環状の金属シェル１２の軸方向に延在するボア１４に加熱アセンブリを接合するステップをさらに含んでもよい。これは、シース２０の外径に合わせて作るステップと、界面を作るためにシェル１２のボア１４を軸方向に延在するステップとを含んでもよく、その後、シース２０の遠位端の所望の暴露長さを作るために加熱アセンブリ１８をボア１４にあわせるように圧入するステップを含んでいてもよい。

エラストマーシールの使用および融点よりもかなり高い温度を有し、優れた高温機械および電気特性を有するガラスシール２８の使用をなくし、電極２２、シース２０、電気抵抗素子２４および熱伝導性で電気的に絶縁性の粉末２６にとって互換性のある高温材料の選択および使用により、本発明のグロープラグ１０の加熱アセンブリ１８は２００℃よりも高い温度での作動に適応させる。より特定的には６００℃よりも高い温度での作動に適応させ、さらに特定的には最高約３４２２℃までの作動に適応させる。

上述の発明は関連する法的基準に従って述べられており、このためこの説明は本質的に限定的というよりもむしろ例示的である。開示された実施例に対する変更および修正は当業者には明らかであり、本発明の範囲に属する。したがって、この発明に与えられる法的保護の範囲は、特許請求の範囲を検討することによってのみ決定され得る。

Claims (37)

1. 軸方向に延在するボアを有する環状の金属シェルと、
   導電性および熱伝導性のチューブ状のシースとを備え、前記シースは、前記シェルと電気的に接続されて前記ボア内に配置された開口端と、前記ボアから突出した閉口端とを有し、
   前記シースの前記開口端に延在する電極と、
   抵抗加熱素子とをさらに備え、前記抵抗加熱素子は、前記シースに配置され、前記電極に電気的に接続される近位端と、前記シースの前記閉口端に電気的に接続される遠位端とを有し、
   前記シース内に配置され、前記抵抗加熱素子を取り囲む、電気的に絶縁性で熱伝導性の粉末と、
   前記開口端において、前記シースおよび前記電極とかみ合ってシールするように配置されたガラスシールとをさらに備える、グロープラグ。
2. 前記ガラスシールは、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスおよびホウケイ酸ガラスからなる群より選ばれるガラスを備える、請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記ガラスの成分として遷移金属の酸化物をさらに備える、請求項２に記載のグロープラグ。
4. 前記遷移金属は、クロム、コバルト、ニッケル、鉄および銅からなる群から選ばれる、請求項３に記載のグロープラグ。
5. 前記酸化物は、前記ガラスの１０モルパーセントまたはそれより少なく備える、請求項３に記載のグロープラグ。
6. 前記ガラスは再結晶微細構造を備える、請求項２に記載のグロープラグ。
7. 前記再結晶微細構造は、前記ガラスの９０体積パーセントより多く備える、請求項６に記載のグロープラグ。
8. 前記ガラスは、実質的に鉛フリーである、請求項２に記載のグロープラグ。
9. 前記ガラスの成分として、フィラーをさらに備える、請求項２に記載のグロープラグ。
10. 前記フィラーは、セラミックス酸化物である、請求項９に記載のグロープラグ。
11. 前記セラミックス酸化物は、合成石英、ユークリプタイト、白榴石、コージライト、ベータ−リシア輝石、ガラス−セラミックス、低膨張ガラス（ＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）、ムライト、ジルコン、ジルコニア、およびアルミナからなる群から選ばれる、請求項１０に記載のグロープラグ。
12. 前記シースは、その長さに沿って変化する外径を有し、前記開口端に隣接する小径部を有する、請求項１に記載のグロープラグ。
13. 前記ガラスシールは長さを有し、前記小径部は長さを有し、前記小径部の前記長さは前記ガラスシールの前記長さよりも大きい、請求項１２に記載のグロープラグ。
14. 前記キャビティ内に配置された保護ガスをさらに備える、請求項１に記載のグロープラグ。
15. 前記保護ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群から選ばれる、請求項１４に記載のグロープラグ。
16. 前記抵抗加熱素子は、金属ワイヤスパイラルを備える、請求項１に記載のグロープラグ。
17. 前記金属ワイヤスパイラルは、純ニッケル、ニッケル合金、ニッケル−鉄−クロム合金および鉄−コバルト合金からなる群から選ばれた金属を備える、請求項１６に記載のグロープラグ。
18. 前記金属ワイヤスパイラルは、タングステン、モリブデン、またはタングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムを含む合金からなる群から選ばれた金属を備える、請求項１６に記載のグロープラグ。
19. グロープラグのための加熱アセンブリであって、
    開口端および閉口端を有する、導電性および熱伝導性のチューブ状のシースと、
    前記シースの前記開口端に延在する電極と、
    抵抗加熱素子とを備え、前記抵抗加熱素子は、前記シースに配置され、前記電極に電気的に接続される近位端と、前記シースの前記閉口端に電気的に接続される遠位端とを有し、
    前記シース内に配置され、前記抵抗加熱素子を取り囲む、電気的に絶縁性で熱伝導性の粉末と、
    前記開口端において、前記シースおよび前記電極とかみ合ってシールするように配置されたガラスシールとをさらに備える、加熱アセンブリ。
20. 前記ガラスシールは、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスおよびホウケイ酸ガラスからなる群より選ばれるガラスを備える、請求項１９に記載の加熱アセンブリ。
21. 前記ガラスの成分として遷移金属の酸化物をさらに備える、請求項２０に記載の加熱アセンブリ。
22. 前記遷移金属は、クロム、コバルト、ニッケル、鉄および銅からなる群から選ばれる、請求項２１に記載の加熱アセンブリ。
23. 前記ガラスの成分として、フィラーをさらに備える、請求項２０に記載の加熱アセンブリ。
24. 前記フィラーは、セラミックス酸化物である、請求項２３に記載の加熱アセンブリ。
25. 前記セラミックス酸化物は、合成石英、ユークリプタイト、白榴石、コージライト、ベータ−リシア輝石、ガラス−セラミックス、低膨張ガラス（ＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）、ムライト、ジルコン、ジルコニア、およびアルミナからなる群から選ばれる、請求項２４に記載の加熱アセンブリ。
26. 前記シースは、その長さに沿って変化する外径を有し、前記開口端に隣接する小径部を有する、請求項１９に記載の加熱アセンブリ。
27. 前記ガラスシールは長さを有し、前記小径部は長さを有し、前記小径部の前記長さは前記ガラスシールの前記長さよりも大きい、請求項１２に記載のグロープラグ。
28. 前記キャビティ内に配置された保護ガスをさらに備える、請求項１９に記載の加熱アセンブリ。
29. 前記保護ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群から選ばれる、請求項２８に記載の加熱アセンブリ。
30. 前記抵抗加熱素子は、純ニッケル、ニッケル合金、ニッケル−鉄−クロム合金および鉄−コバルト合金からなる群から選ばれた金属ワイヤスパイラルを備える、請求項１９に記載の加熱アセンブリ。
31. 前記抵抗加熱素子は、タングステン、モリブデン、またはタングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムを含む合金からなる群から選ばれた金属ワイヤスパイラルを備える、請求項１９に記載のグロープラグ。
32. グロープラグのための加熱アセンブリの製造方法であって、
    チューブ状のシースプリフォーム、電極および抵抗加熱素子を形成するステップと、
    前記電極の遠位端に前記抵抗加熱素子の近位端を取り付けるステップと、
    前記抵抗加熱素子とおよび電極を前記チューブ状のシースプリフォームに挿入するステップと、
    前記シースの閉口端を形成するために、前記抵抗加熱素子の遠位端を前記チューブ状のシースプリフォームの遠位端に取り付けるステップと、
    前記抵抗加熱素子を取り囲むために、電気的に絶縁性で熱伝導性の粉末を前記シースプリフォーム内に配置するステップと、
    前記開口端にガラスプリフォームに挿入するステップと、
    前記ガラスを溶解し、前記ガラスシールを形成するために十分な温度および時間前記ガラスプリフォームを加熱するステップとを備えた、方法。
33. 前記チューブ状のシースを形成するために前記シースプリフォームの外径を減少するステップをさらに備えた、請求項３２の方法。
34. 真空中または保護ガスで覆った状態で、プリフォーミングを行なうステップをさらに備える、請求項３２に記載の方法。
35. 窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群から保護ガスを選ぶステップをさらに備える、請求項３４に記載の方法。
36. 前記ガラスシールの位置に隣接する前記電極または前記シース上に酸化層を形成するステップをさらに備える、請求項３２に記載の方法。
37. タングステン、モリブデン、またはタングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、タンタル、ニオブ、チタン、バナジウム、オスミウムおよびクロムを含む合金からなる群から選ばれた金属から前記抵抗加熱素子を形成するステップをさらに備える、請求項２３に記載の方法。

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