JP2017083103A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】グロープラグにおいて、高温環境下での耐酸化性の確保と、高温環境下でのチューブと発熱コイルとの短絡の抑制と、を両立する。【解決手段】グロープラグは、閉塞した筒状のチューブと、チューブの内部に設けられるとともに、自身の先端がチューブの先端に電気的に接続され、通電によって発熱する発熱部材コイルと、チューブの内面と発熱部材コイルとの間に充填されたＭｇＯを主成分とする絶縁材と、を備える。チューブを形成する合金は、５０重量％以上のＮｉと、１８重量％以上３０重量％以下のＣｒと、Ａｌと、ＹとＺｒとから選ばれた少なくとも一種の成分と、を含む。Ａｌの含有量は、１重量％以下であり、ＹとＺｒとから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．０１重量％以上０．３重量％以下である。【選択図】図１

Description

本明細書は、内燃機関等に利用されるグロープラグに関する。

従来から、内燃機関の始動補助などのために利用されるグロープラグとして、シースヒータを用いるグロープラグが知られている。シースヒータとしては、先端が閉塞した筒状のチューブと、チューブ内に設けられ、通電によって発熱する発熱コイルと、チューブの内面と発熱コイルとの間に充填されたマグネシア（ＭｇＯ）と、を備える構成が知られている（例えば、特許文献２）。

特許文献１には、グロープラグのチューブの材料として、３６から３９重量％のニッケルと、２０から２３重量％のクロムと、鉄と、を主要な成分とし、０から０．５重量％のアルミニウムを含む合金が開示されている。

特許文献２には、グロープラグのチューブの材料として、５０重量％を超えるニッケルと、クロムと、鉄と、を主要な成分とし、少量のアルミニウムを含む合金（具体的には、Ｎｉ−２３Ｃｒ−１４Ｆｅ−０．３Ａｌ−０．５Ｍｎ−０．２Ｓｉ）が開示されている。

特表２０１４−５２２４５０号公報 国際公開第２０１１／１６２０７４号公報

しかしながら、近年、エミッションの低減や燃費向上のために、内燃機関の燃焼室内の更なる高温化が求められており、グロープラグについても更なる高温環境下での動作が求められている。動作時の温度が高くなるほど、酸化反応が進行しやすいので、チューブの材料には、より高い耐酸化性が求められる。このため、特許文献１に開示された合金では、耐酸化性に優れたニッケルの含有量が比較的少ないために、相対的に、耐酸化性に劣る鉄の含有量を多くなるので、高温環境下での耐酸化性を確保することは困難である。これに対して、特許文献２に開示された合金では、耐酸化性に優れたニッケルの含有量が５０重量％を超えているので、特許文献１に開示された合金と比較して耐酸化性に優れている。

ここで、動作温度が高くなると、チューブに含まれるアルミニウムによってチューブ内に充填されたマグネシアが還元されやすくなる。チューブ内のマグネシアが還元されると、導電性のマグネシウムがチューブ内に生成されて、チューブと発熱コイルとの短絡を引き起こす可能性がある。このために、動作時の温度が高くなるほど、耐酸化性に加えて、アルミニウムによるマグネシアの還元を抑制することが求められる。

特許文献２に開示された合金では、アルミニウムの含有量が比較的少ないために、アルミニウムによるマグネシアの還元を抑制して、チューブと発熱コイルとの短絡を抑制することは可能かもしれないが、耐酸化性を十分に確保できない可能性があった。具体的には、特許文献２に開示された合金では、耐酸化性に優れたニッケルの含有量は５０％を超えているものの、アルミニウムの含有量が比較的少ないために、アルミの酸化被膜が合金の表面に形成されにくくなる。この結果、高温環境下での耐酸化性を確保することは困難であった。

本明細書は、グロープラグにおいて、高温環境下での耐酸化性の確保と、高温環境下でのチューブと発熱コイルとの短絡の抑制と、を両立できる技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］先端が閉塞した筒状のチューブと、
前記チューブの内部に設けられるとともに、自身の先端が前記チューブの先端に電気的に接続され、通電によって発熱する発熱コイルと、前記チューブの内面と前記発熱コイルとの間に充填されたマグネシア（ＭｇＯ）を主成分とする絶縁材と、を備えるグロープラグであって、
前記チューブを形成する合金は、
５０重量％以上のニッケル（Ｎｉ）と、
１８重量％以上３０重量％以下のクロム（Ｃｒ）と、
アルミニウム（Ａｌ）と、
イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分と、
を含み、
アルミニウム（Ａｌ）の含有量は、１重量％以下であり、
イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．０１重量％以上０．３重量％以下であることを特徴とする、グロープラグ。

上記構成によれば、チューブを形成する合金は、５０重量％以上のニッケルを含むので、ニッケルが５０重量％未満である合金、例えば、鉄（Ｆｅ）を主成分とするＦｅベースの合金と比較して、耐酸化性に優れている。さらに、この合金は、１８重量％以上３０重量％以下のクロムを含んでいるので、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）の被膜が十分に合金の表面に形成され、耐酸化性を向上できる。さらに、この合金は、アルミニウムの含有量が、１重量％以下に押さえられているので、マグネシアの還元を抑制できる。この結果、チューブと発熱コイルとが短絡する不具合を抑制することができる。

一方で、アルミニウムの含有量が１重量％以下に押さえられていることによって、合金の表面に形成されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の被膜が減少するので、耐酸化性が低下し得るが、この合金は、イットリウムとジルコニウムとから選ばれた少なくとも一種の成分を、合計で０．０１重量％以上０．３重量％以下だけ含んでいる。この結果、合金の表面に形成されるアルミナの被膜が減少することによる耐酸化性の低下分を補って、十分な耐酸化性を確保することができる。

このような合金を用いてチューブが形成されているので、このグロープラグは、高温環境下での耐酸化性の確保と、高温環境下でのチューブと発熱コイルとの短絡の抑制と、を両立できる。

［適用例２］適用例１に記載のグロープラグであって、
前記チューブを形成する前記合金は、さらに、
ケイ素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから選ばれた少なくとも一種の成分を含み、
ケイ素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．２重量％以上１．５重量％以下であることを特徴とする、グロープラグ。

ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）は、アルミニウム（Ａｌ）と異なり、酸化物の生成自由エネルギーが高温でもマグネシウムより大きいので、マグネシア（ＭｇＯ）を還元し難い。さらに、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）は、酸化物の生成自由エネルギーがクロム（Ｃｒ）およびニッケル（Ｎｉ）より小さいので、少量の添加で合金の表面に酸化被膜（例えば、シリカ、酸化チタン、酸化マンガン）を形成できる。したがって、上記構成のグロープラグによれば、マグネシア（ＭｇＯ）の還元を引き起こすことなく、さらに、チューブの耐酸化性を向上できる。また、合金の成形性が低下することもないので、チューブを容易に成形できる。

［適用例３］適用例１または２に記載のグロープラグであって、
前記チューブを形成する前記合金は、さらに、５重量％以上２０重量％以下の鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする、グロープラグ。

こうすれば、チューブの耐酸化性を低下させることなく、チューブの成形性を向上できる。

なお、本明細書に開示の技術は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、シースヒータ、シースヒータのチューブ、シースヒータのチューブ用の合金等の態様で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのグロープラグを示す断面図である。 ヒータ部材８００の先端近傍の拡大図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．グロープラグの構成：
本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態としてのグロープラグを示す断面図である。グロープラグ１０は、図示しない内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）の始動補助等のための熱源として機能する。具体的には、図示された軸線ＣＬは、グロープラグ１０の中心軸を示している。軸線ＣＬと平行な方向を「軸線方向」とも呼ぶ。図中の第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とは、軸線ＣＬと平行であり、第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１と反対の方向である。後述するように、通電によって発熱するヒータ部材８００は、グロープラグ１０の第１方向Ｄ１側の端部を形成している。以下、このような第１方向Ｄ１側を「先端側」とも呼び、第２方向Ｄ２側を「後端側」とも呼ぶ。また、グロープラグ１０の種々の部材の第１方向Ｄ１側の端を「先端」とも呼び、第２方向Ｄ２側の端を「後端」とも呼ぶ。

グロープラグ１０は、主体金具２０と、中軸３０と、Ｏリング５０と、絶縁部材６０と、端子部材８０と、ヒータ部材８００と、を含んでいる。

主体金具２０は、軸線ＣＬに沿って延びる貫通孔２０ｘを有する筒状の部材であり、例えば、炭素鋼などの導電性の金属材料を用いて形成されている。主体金具２０は、第２方向Ｄ２側の端部に形成された工具係合部２８と、工具係合部２８よりも第１方向Ｄ１側に設けられた雄ネジ部２２と、雄ネジ部２２よりも第１方向Ｄ１側の部分を形成する胴体部２１と、を有している。工具係合部２８は、グロープラグ１０の脱着時に、図示しない工具と係合する部分である。雄ネジ部２２は、図示しない内燃機関の取付孔の雌ネジに螺合するためのネジ山を含んでいる。

中軸３０は、丸棒状の部材であり、例えば、ステンレス鋼などの導電性の金属材料を用いて形成されている。中軸３０は、主体金具２０の内部、すなわち、貫通孔２０ｘに配置されている。中軸３０の後端部３１９は、主体金具２０の第２方向Ｄ２側の開口ＯＰ２から第２方向Ｄ２に向かって突出している。中軸３０の先端側の部分は、後述するチューブ８１０の軸孔ＡＨに挿入されている。

Ｏリング５０は、環状の部材であり、ゴムなどの絶縁性の弾性材料を用いて形成されている。Ｏリング５０は、主体金具２０の開口ＯＰ２の近傍において、中軸３０の外周面と、貫通孔２０ｘを形成する主体金具２０の内周面と、の間に、配置されている。

絶縁部材６０は、樹脂などの絶縁性の材料を用いて形成されている。絶縁部材６０は、筒状部６２と、筒状部６２の第２方向Ｄ２側に設けられたフランジ部６８と、を有している。筒状部６２は、主体金具２０の開口ＯＰ２から、貫通孔２０ｘに挿入されており、筒状部６２の先端は、Ｏリング５０に接触している。筒状部６２に形成された貫通孔には、中軸３０が挿通されている。フランジ部６８は、主体金具２０の後端面に接触している。Ｏリング５０と絶縁部材６０とによって、中軸３０の後端側の部分が、主体金具２０に対して固定されるとともに、中軸３０と、主体金具２０と、の間が電気的に絶縁される。

端子部材８０は、キャップ状の部材であり、例えば、ニッケルやニッケル合金などの導電性の金属材料を用いて形成されている。端子部材８０は、主体金具２０よりも後端側に配置されている。なお、上記の絶縁部材６０のフランジ部６８は、端子部材８０と、主体金具２０と、の間に配置され、端子部材８０と主体金具２０との間を絶縁している。端子部材８０には、中軸３０の後端部３１９が挿入されている。端子部材８０が加締められることによって、端子部材８０が後端部３１９に固定されている。これにより、端子部材８０と中軸３０とは、電気的に接続されている。

ヒータ部材８００は、主体金具２０の先端部（具体的には、第１方向Ｄ１側の開口ＯＰ１）に、圧入されている。ヒータ部材８００は、本実施形態では、通電によって発熱する発熱コイル８２０を含む、いわゆるシースヒータである。ヒータ部材８００の第２方向Ｄ２側の一部は、貫通孔２０ｘの先端側の開口ＯＰ１から、貫通孔２０ｘ内に、圧入されている。ヒータ部材８００は、発熱コイル８２０、および、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０と、パッキン８５０と、それらの部材８２０、８３０、８４０、８５０を収容するチューブ８１０と、を含む。

チューブ８１０は、詳細は後述する導電性のＮｉベース合金を用いて形成されている。チューブ８１０は、例えば、軸線ＣＬに沿って延びる軸孔ＡＨを有し、軸線ＣＬに沿って延びる円筒形状に成形されている。チューブ８１０の先端部（「先端部８１１」と呼ぶ）は、閉塞しており、チューブ８１０の後端部（「後端部８１９」と呼ぶ）は、開口している。

発熱コイル８２０は、螺旋状に形成された細線であり、本実施形態では、タングステンを用いて形成されている。発熱コイル８２０は、チューブ８１０の内部、具体的には、チューブ８１０の軸孔ＡＨの先端側に、配置されている。発熱コイル８２０の先端部８２１は、チューブ８１０の先端部８１１に、溶接またはロウ付によって接合されており、電気的に接続されている。

制御コイル８３０は、螺旋状に形成された細線であり、本実施形態では、制御コイル８３０は、鉄とクロムとアルミニウム（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ）の合金を用いて、形成されている。なお、本明細書において、電気比抵抗の温度係数とは、常温（摂氏２０度）と、昇温後の規定温度（昇温によって到達することが想定されている温度。例えば、摂氏１１００度以上の温度）との間の電気比抵抗の差を、温度差で除した商である。制御コイル８３０は、チューブ８１０の内部、具体的には、チューブ８１０の軸孔ＡＨにおける発熱コイル８２０より後端側に、配置されている。制御コイル８３０の先端部８３１は、発熱コイル８２０の後端部８２９に、溶接またはロウ付によって接合されており、電気的に接続されている。制御コイル８３０の後端部８３９は、チューブ８１０の軸孔ＡＨ内に挿入された中軸３０の先端部３２１に、巻き付けられたうえで溶接によって接合されており、電気的に接続されている。

絶縁粉末８４０は、マグネシア（ＭｇＯ、酸化マグネシウムとも呼ぶ）の粉末であり、チューブ８１０の内部、すなわち、チューブ８１０の軸孔ＡＨに充填されている。換言すれば、絶縁粉末８４０は、チューブ８１０の内面（内周面）と、コイル８２０、８３０および中軸３０との間に充填されている。

パッキン８５０は、リング状に形成された部材であり、フッ素ゴムなどの絶縁性の弾性材料を用いて形成されている。パッキン８５０は、チューブ８１０の後端部８１９と中軸３０との間に配置されている。

パッキン８５０と絶縁粉末８４０とは、チューブ８１０と中軸３０との間を、軸線ＣＬを囲む全周に亘って、電気的に絶縁している。また、絶縁粉末８４０は、発熱コイル８２０と制御コイル８３０と中軸３０とチューブ８１０との間の意図しない短絡を、抑制している。

図２は、ヒータ部材８００の先端近傍の拡大図である。具体的には、図１に領域Ｘとして示す部位を拡大して示す断面図である。このグロープラグ１０は、内燃機関のエミッションの低減や燃費向上のために、比較的高温での動作が想定されている。具体的には、チューブ８１０の先端近傍の表面温度の最大値は、摂氏１０００度以上であることが好ましく、摂氏１１００度以上であることがさらに好ましく、摂氏１２００度以上であることが特に好ましい。発熱コイル８２０の温度は、チューブ８１０の表面温度より摂氏３００度以上高くなるので、発熱コイル８２０の温度は、摂氏１３００〜１５００度に達する。このような高温環境下では、酸化反応が進行しやすいので、チューブ８１０の材料には、高い耐酸化性が求められる。さらに、このような高温環境下では、チューブ８１０内に重点されたマグネシアの還元反応が進行しやすい。チューブ８１０内のマグネシアが還元されると、導電性のマグネシウムがチューブ８１０内に生成される。このマグネシウムによって、チューブ８１０と発熱コイル８２０とが、先端部８２１とは異なる位置で導通する、いわゆる短絡が引き起こされ得る。このような短絡が発生すると、グロープラグ１０は、本来の性能を発揮することができない。

チューブ８１０の表面と発熱コイル８２０と温度差を小さくして、発熱コイル８２０の温度を低く抑えるために、チューブ８１０の内面と、発熱コイル８２０と、の間隔は、比較的狭くされている。例えば、本実施形態において、チューブ８１０の内面と、発熱コイル８２０と、の間隔が、最小値ΔＮｔとなる位置は、図２に示すように、チューブ８１０の先端の閉塞した部分に、近い位置になる。本実施形態では、最小値ΔＮｔは、０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以下であることがさらに好ましく、０．２ｍｍ以下であることが特に好ましい。

このように、特に、チューブ８１０の内面と発熱コイル８２０との間隔が狭い部位では、マグネシアの還元によりわずかなマグネシウムが生成されるだけで、上述した短絡が引き起こされ得る。

Ａ２．製造方法
上記のグロープラグ１０は、種々の方法で製造可能である。ヒータ部材８００を作成する場合、製造者は、例えば、後述する合金製の金属板を深絞り加工を用いて筒状に成形することによって、チューブ８１０を作成する。製造者は、発熱コイル８２０と制御コイル８３０との溶接と、制御コイル８３０と中軸３０との溶接と、を行って、発熱コイル８２０と制御コイル８３０と中軸３０とを一体化する。製造者は、中軸３０と一体化された制御コイル８３０および発熱コイル８２０を、チューブ８１０の内側に配置する。その後、製造者は、チューブ８１０の先端部８１１と発熱コイル８２０とを溶接する。例えば、チューブ８１０の外からのアーク溶接によって、チューブ８１０の先端部８１１と発熱コイル８２０の先端部８２１とが接合される。その後、製造者は、チューブ８１０の内側に絶縁粉末８４０を充填し、絶縁粉末８４０が充填されたチューブ８１０の後端側に、パッキン８５０を嵌め込む。

チューブ８１０の後端側にパッキン８５０を嵌め込んだ後、製造者は、チャックおよび回転ダイスを備えるスウェージング装置を用いて、ヒータ部材８００に対してスウェージング加工を施すことによって、ヒータ部材８００の径を調整する。スウェージング加工では、製造者は、ヒータ部材８００に固定された中軸３０をチャックに把持した後、チャックを移動させることによってヒータ部材８００を軸線ＣＬに沿って移動させながら、回転ダイスによってチューブ８１０の周囲に打撃を加える。これによって、ヒータ部材８００の径は、所定の径に調整され、ヒータ部材８００が完成される。

製造者は、完成したヒータ部材８００を用いて、グロープラグ１０を組み立てる。具体的には、製造者は、中軸３０が固定されたヒータ部材８００を、主体金具２０の貫通孔２０ｘに圧入することによって固定する。そして、製造者は、主体金具２０の後端側の開口ＯＰ２に、Ｏリング５０と絶縁部材６０とを嵌め込む。そして、製造者は、端子部材８０を加締めることによって、端子部材８０を中軸３０の後端部３１９に固定する。以上により、グロープラグ１０が完成する。

Ａ３．チューブ８１０の材料
チューブ８１０を形成する材料について説明する。チューブ８１０の材料は、５０重量％以上のニッケル（Ｎｉ）を含む、いわゆるＮｉベースの合金である。この合金は、添加物として、１８重量％以上３０重量％以下のクロム（Ｃｒ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、を含んでいる。アルミニウム（Ａｌ）の含有量は、１重量％以下である。この合金は、さらに、添加物として、イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分と、を含んでいる。イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．０１重量％以上０．３重量％以下である。

この合金を用いて、チューブ８１０を形成することによって、グロープラグ１０は、高温環境下でのチューブ８１０の耐酸化性の確保と、高温環境下でのチューブ８１０と発熱との短絡の抑制と、を両立できる。

具体的には、チューブ８１０の材料は、５０重量％以上のニッケルを含む、いわゆるＮｉベースの合金であるので、例えば、ニッケルが５０重量％未満である合金、例えば、鉄（Ｆｅ）を主成分とするＦｅベースの合金と比較して、耐酸化性に優れている。例えば、Ｆｅベースの合金を採用すれば、ベースの合金の耐酸化性が不十分であるので、添加物を制御したとしても、十分な耐酸化性を得られない。

また、この合金は、１８重量％以上のクロムを含んでいるので、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）の被膜が十分に合金の表面に形成される。したがって、合金の耐酸化性を向上できる。

また、公知のエリンガム図（図示省略）に示されるように、比較的低温では、アルミナの標準生成自由エネルギー（ΔＧ^０）は、マグネシアのΔＧ^０より、十分に大きい。しかし、高温になるに連れて、アルミナとマグネシアのΔＧ^０の差は、小さくなり、非常に高温な環境下では、アルミナのΔＧ^０は、マグネシアのΔＧ^０より小さくなる。したがって、高温になるほど、アルミによってマグネシアが還元されやすくなる。この合金は、アルミニウムの含有量は、１重量％以下に押さえられているので、マグネシアの還元を抑制できる。この結果、マグネシアの還元によって生成される導電性のマグネシウムを介して、チューブ８１０と発熱とが短絡する不具合を抑制することができる。

一方で、アルミニウムの含有量が１重量％以下に押さえられていることによって、合金の表面に形成されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の被膜が減少するので、耐酸化性が低下してしまう。この合金は、イットリウムとジルコニウムとから選ばれた少なくとも一種の成分を、合計で０．０１重量％以上含んでいる。この結果、合金の表面に形成されるアルミナの被膜が減少することによる耐酸化性の低下分を補って、十分な耐酸化性を確保することができる。この理由は以下のように考えられる。イットリウムやジルコニウムは、合金の表面と、該表面に形成される酸化皮膜（アルミナや酸化クロム）と、の界面に集まりやすく、該界面にて、合金と酸化被膜との結合する楔として機能する。このために、イットリウムやジルコニウムを、ごく少量添加することで、合金と酸化被膜との結合が強化されて、合金の耐酸化性を向上することができる。

なお、耐酸化性の観点から、アルミナの被膜が少量でも形成されることが好ましいために、アルミニウムは、１重量％以下の範囲で、少量含まれることが好ましい。例えば、アルミニウムの含有量は、０．５重量％以上１重量％以下であることが、特に好ましい。

以上の説明から解るように、この合金を用いて、チューブ８１０を形成することによって、高温環境下での耐酸化性の確保と、高温環境下でのチューブ８１０と発熱との短絡の抑制と、を両立できる。

また、この合金において、クロムの含有量は、３０重量％以下であるので、合金が過度に硬化されることもない。したがって、チューブ８１０の製造時の加工性が低下することもなく、チューブ８１０を容易に成形できる。

また、この合金において、イットリウムとジルコニウムとから選ばれた少なくとも一種の成分の合計は、０．３重量％以下である。ここで、イットリウムやジルコニウムは、ニッケルに微量しか固溶しない。そのため、ニッケルに対するイットリウムやジルコニウムの含有量が多すぎると、これらを主成分とする析出物が生成されてしまい、加工時に、これらの析出物を起点としたクラックが形成されるおそれがある。イットリウムとジルコニウムとから選ばれた少なくとも一種の成分の合計は、０．３重量％以下であれば、このようなクラックが形成されることもなく、チューブ８１０を容易に成形できる。

チューブ８１０を形成する合金は、さらに、ケイ素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから選ばれた少なくとも一種の成分を含むことが好ましい。そして、ケイ素とチタンとマンガンとから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．２重量％以上１．５重量％以下であることが、好ましい。

ケイ素、チタン、マンガンは、アルミニウムと異なり、高温環境下でも、酸化物のΔＧ^０が高温でもマグネシウムより十分に大きいので、マグネシアを還元し難い。さらに、ケイ素、チタン、マンガンは、酸化物のΔＧ^０がクロムより小さいので、少量の添加で合金の表面に酸化被膜（例えば、シリカ、酸化チタン、酸化マンガン）を形成できる。したがって、さらに、ケイ素とチタンとマンガンとから選ばれた少なくとも一種の成分を、合計で０．２重量％以上含む合金を用いて、チューブ８１０を形成すれば、マグネシアの還元を引き起こすことなく、さらに、チューブ８１０の耐酸化性を向上できる。

また、ケイ素とチタンとマンガンとから選ばれた少なくとも一種の成分の合計が、１．５重量％を超えると、これらの元素による固溶強化によって、合金が過度に硬化する可能性がある。ケイ素とチタンとマンガンとから選ばれた少なくとも一種の成分の合計を、１．５重量％以下とすれば、合金が過度に硬化されることもないので、チューブ８１０の製造時の加工性が低下することもなく、チューブ８１０を容易に成形できる。

チューブ８１０を形成する合金は、さらに、５重量％以上２０重量％以下の鉄（Ｆｅ）を含むことが好ましい。

鉄は、延性がニッケルより高く加工性が高い。したがって、さらに、鉄を５重量％以上含む合金を用いれば、合金の成形性を向上できるので、チューブ８１０を容易に成形できる。また、鉄の含有量は、２０重量％以下とすれば、合金の耐酸化性を低下させることもない。したがって、チューブ８１０の耐酸化性を低下させることなく、合金の成形性を向上できるので、チューブをより容易に成形できる。

Ａ４．評価試験：
グロープラグのサンプルを用いて、絶縁性、耐酸化性、加工性を評価する評価試験が実行された。評価試験では、表１に示すように、３９種類のグロープラグのサンプル１〜３９を作成した。各サンプルにおいて、チューブ８１０を形成する材料（合金）以外の構成は、上述したグロープラグ１０のとおりであり、共通である。例えば、以下の事項は、各サンプル間で共通である。
絶縁粉末８４０の材料：ＭｇＯ
発熱の材料：タングステン
制御コイル８３０：Ｆｅ−２２重量％Ｃｒ−５重量％Ａｌ
チューブ８１０の内面と発熱コイルとの間隔の最小値ΔＮｔ：０．２ｍｍ以下

なお、各サンプルについて、チューブ８１０は、厚さ０．６ｍｍの板材を、外径５．１５ｍｍ、軸線方向の長さ４０ｍｍに、深絞り加工することによって形成された（スウェージング加工前）。そして、スウェージング加工前のチューブ８１０を用いて、上述したスウェージング加工を含む行程を行うことで、各サンプルのヒータ部材８００が製造された。

３９種類のサンプル１〜３９では、チューブ８１０に用いられた合金が異なる。各サンプルに用いられた材料は、表１に示す添加元素（Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ）の少なくとも一部を、表１に示す含有量（単位は、重量％）だけ含み、残りはニッケルで構成されたニッケルベース合金である。３９種類のサンプル１〜３９では、表１に示すように、添加元素の少なくとも一部の種類または含有量がそれぞれ異なる。３９種類のサンプル１〜３９のいずれにおいても、ニッケルの含有量は、５０重量％以上である。

具体的には、サンプル１〜３３、３５〜３９では、合金は、鉄を含んでおり、サンプル３４では、合金は、鉄を含んでいない。鉄を含んでいるサンプル１〜３３、３５〜３９では、鉄の含有量は、２重量％、５重量％、１０重量％、１４重量％、２０重量％、２５重量％のいずれかとされている。

全てのサンプル１〜３９にて、合金は、クロムを含んでおり、クロムの含有量は、１５重量％、１８重量％、２３重量％、３０重量％、３３重量％のいずれかとされている。

全てのサンプルサンプル１〜３９にて、合金は、アルミを含んでおり、アルミの含有量は、０．１重量％、０．５重量％、１重量％、１．１重量％、１．５重量％、２．５重量％のいずれかとされている。

全てのサンプル１〜３９にて、合金は、ケイ素、マンガン、チタンのいずれかを含んでいる。ケイ素を含むサンプル１〜２７、３４〜３９では、ケイ素の含有量は、０．１重量％、０．２重量％、０．５重量％、１．５重量％、２重量％のいずれかとされている。マンガンを含むサンプル２８〜３０では、マンガンの含有量は、０．２重量％、１．５重量％、２重量％のいずれかとされている。チタンを含むサンプル３１〜３３では、チタンの含有量は、０．２重量％、１．５重量％、２重量％のいずれかとされている。

サンプル１、５〜８では、合金は、イットリウムおよびジルコニウムのいずれも含んでいない。サンプル２〜４、９〜３９は、イットリウムおよびジルコニウムの少なくとも一方を含んでいる。イットリウムを含むサンプル２〜４、９〜１６、２３〜３９では、イットリウムの含有量は、０．０１重量％、０．０５重量％、０．１重量％、０．３重量％、０．４重量％のいずれかとされている。ジルコニウムを含むサンプル２〜４、１７〜２４では、ジルコニウムの含有量は、０．０１重量％、０．１重量％、０．３重量％、０．４重量％のいずれかとされている。

評価試験では、グロープラグ１０の各サンプルの加熱と冷却とのサイクルを１００００回繰り返す冷熱試験を行った。具体的には、１回のサイクルでは、チューブ８１０が室温（摂氏約２５度）の状態で、グロープラグ１０のサンプルへの通電をオンにすることによって、チューブ８１０の表面温度が２秒以内に摂氏１０００度に到達するように、サンプルを加熱した。その後、チューブ８１０の表面温度を摂氏１０５０度に３分間維持した後に、サンプルへの通電をオフにすることによって、チューブ８１０の表面温度が室温になるまで、サンプルを冷却した。

冷熱試験後の各サンプルのヒータ部材８００において、チューブ８１０と発熱コイル８２０との短絡が生じているかを確認した。具体的には、各サンプルの端子部材８０と主体金具２０との間の抵抗値が測定された。そして、抵抗値が、試験前と比較して基準値を下回っている場合には、チューブ８１０と発熱コイル８２０との短絡が生じていると判断し、抵抗値が、試験前と比較して基準値を下回っていない場合に、当該短絡が生じていないと判断した。

そして、短絡が生じていないサンプルの絶縁性の評価を「Ａ」とし、短絡が生じているサンプルの絶縁性の評価を「Ｃ」とした。

さらに、冷熱試験後の各サンプルのヒータ部材８００において、チューブ８１０の劣化の程度を調べた。具体的には、先端から軸線方向に所定長さＬ１だけ離れた位置（図２参照）におけるチューブ８１０の外径を、冷熱試験の前後で比較して、冷熱試験による外径の減少量を測定した。所定長さＬ１は、５ｍｍとされた。そして、測定された外径の減少量に基づいて、チューブ８１０の肉厚の減少率が計算された。

そして、チューブ８１０の肉厚の減少率が１０％未満であるサンプルの耐酸化性の評価を「Ａ」とし、１０％以上１５％未満であるサンプルの耐酸化性の評価を「Ｂ」とし、１５％以上であるサンプルの耐酸化性の評価を「Ｃ」とした。

さらに、評価試験では、各サンプルの合金で形成された厚さ０．６ｍｍの板材を、外径５．１５ｍｍ、軸線方向の長さ４０ｍｍのチューブ８１０に成形する深絞り加工を１００回行った。これによって、サンプルごとに、スウェージング加工前のチューブ８１０を１００個ずつ作成した。そして、各サンプルの１００個のチューブ８１０について、深絞り加工による割れ（クラック）の有無を、目視で調べた。

そして、１００個のチューブ８１０の全てについて、割れがなかったサンプルの加工性の評価を「Ａ」とし、１個以上の割れが認められたサンプルの加工性の評価を「Ｂ」とした。

さらに、絶縁性、耐酸化性、加工性の３つの評価について、「Ａ」を２点、「Ｂ」を１点、「Ｃ」を０点として、合計点を算出した。そして、合計点が６点のサンプルの総合評価を「Ａ」とし、合計点が５点のサンプルの総合評価を「Ｂ」とし、合計点が４点以下のサンプルの総合評価を「Ｃ」とした。

評価試験の結果は、表１に示すとおりである。アルミニウムの含有量が、１重量％を超えるサンプル１〜５の絶縁性の評価は、いずれも「Ｃ」であった。アルミニウムによるマグネシアの還元が発生して、チューブ８１０と発熱コイル８２０との短絡が発生したと考えられる。アルミニウムの含有量が、１重量％以下であるサンプル６〜３９の絶縁性の評価は、いずれも「Ａ」であった。アルミニウムによるマグネシアの還元が発生せず、チューブ８１０と発熱コイル８２０との短絡が発生していない、と考えられる。

なお、アルミニウムの含有量が、１重量％を超えるサンプル１〜５の耐酸化性の評価は、イットリウムおよびジルコニウムの添加の有無とは無関係に、いずれも「Ｂ」であった。これは、アルミナの被膜が十分に形成されるために、イットリウムおよびジルコニウムの添加の有無に、関わらずに、耐酸化性が確保されていると考えられる。

アルミニウムの含有量が、１重量％以下であるサンプル６〜３９のうち、イットリウムおよびジルコニアのいずれも含まないサンプル６〜８の耐酸化性の評価は、いずれも「Ｃ」であった。これは、アルミニウムの含有量が少ないために、アルミナの被膜が十分に形成されず、かつ、イットリウムまたはジルコニアによる合金表面と酸化被膜（例えば、アルミナや酸化クロム）との間の結合の強化もされていないためである、と考えられる。

アルミニウムの含有量が、１重量％以下であるサンプル６〜３９のうち、イットリウムおよびジルコニアの少なくとも一方を、合計で０．０１重量％以上含むサンプル９〜３９の耐酸化性の評価は、サンプル１０を除いて、いずれも「Ｂ」または「Ａ」であった。これは、アルミニウムの含有量が少ないために、アルミナの被膜が十分に形成されていないが、これに起因する耐酸化性の低下が、イットリウムまたはジルコニアによる合金表面と酸化被膜との間の結合の強化によって、補われているためである、と考えられる。このために、これらのサンプル９〜３９では、サンプル１０を除いて、耐酸化性が低下していない。

これらのサンプル９〜３９のうち、サンプル１０は、耐酸化性の評価は、「Ｃ」であった。これは、イットリウムおよびジルコニアの少なくとも一方を、合計で０．０１重量％以上含むとしても、クロムの含有量が１５重量％であるために、酸化クロムの被膜が十分に形成されないためであると考えられる。

以上の結果から、チューブ８１０の形成に用いられる５０重量％以上のニッケルベース合金は、以下の（１）〜（３）を満たすことが、耐酸化性の確保と、絶縁性の確保（短絡の防止）と、を両立する観点から好ましいことが、確認できた。
（１）１８重量％以上のクロム（Ｃｒ）を含むこと
（２）アルミニウム（Ａｌ）を含み、アルミニウム（Ａｌ）の含有量は、１重量％以下であること
（３）イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分と、を含み、イットリウムとジルコニウムとから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．０１重量％以上であること

さらに、上記（１）〜（３）を満たすサンプル９、１１〜３９であっても、０．３重量％を超えるイットリウムを含むサンプル１６、および、０．３重量％を超えるジルコニウムを含むサンプル２２は、加工性の評価が「Ｂ」であった。また、サンプル９、１１〜３９のうち、イットリウムとジルコニウムの含有量が合計で０．３重量％以下であるサンプル９、１１〜１５、１７〜２１、２３〜３９は、後述するサンプル１４、２７、３０、３３〜３５を除いて、加工性の評価が「Ａ」であった。これは、サンプル１６、２２では、イットリウムまたはジルコニウムの含有量が多いために、合金が硬化したからであると考えられる。

同様に、上記（１）〜（３）を満たすサンプル９、１１〜３９であっても、３０重量％を超えるクロムを含むサンプル１４は、加工性の評価が「Ｂ」であった。また、サンプル９、１１〜３９のうち、クロムの含有量が合計で３０重量％以下であるサンプル９、１１〜１３、１５〜３９は、上述のサンプル１６、２２、および、後述するサンプル２７、３０、３３〜３５を除いて、加工性の評価が「Ａ」であった。これは、サンプル１４では、クロムの含有量が多いために、合金が硬化したからであると考えられる。

以上の結果から、加工性の観点を加味すると、チューブ８１０の形成に用いられる合金は、さらに、以下の（４）、（５）を満たすことが好ましいことが、確認できた。
（４）クロムの含有量は、３０重量％以下であること
（５）イットリウムとジルコニウムとから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．３重量％以下であること

さらに、上記（１）〜（３）を満たすサンプル９、１１〜３９のうち、ケイ素を０．２重量％以上含むサンプル２５〜２７、３４〜３９と、マンガンを０．２重量％以上含むサンプル２８〜３０と、チタンを０．２重量％以上含むサンプル３１〜３３の耐酸化性の評価は、後述するサンプル３９を除いて、いずれも「Ａ」であった。これに対して、上記（１）〜（３）を満たすサンプル９、１１〜３９のうち、ケイ素、チタン、マンガンの含有量が０．２重量％未満であるサンプル９、１１〜２４の耐酸化性の評価は、いずれも「Ｂ」であった。サンプル３１〜３８では、ケイ素、マンガン、チタンの酸化被膜が合金の表面に形成されたために、耐酸化性が向上したと考えられる。そして、これらのサンプル２５〜３８では、絶縁性の評価は、いずれも「Ａ」であり、絶縁性の低下は認められなかった。ケイ素、マンガン、チタンは、マグネシアを還元しないためであると考えられる。なお、ケイ素、マンガン、チタンの役割は、同じであると考えられるために、ケイ素、マンガン、チタンの含有量は、これらの合計値を考慮すれば良いと考えられる。

以上の結果から、耐酸化性の確保と、絶縁性の確保（短絡の防止）と、を両立する観点から、チューブ８１０の形成に用いられる合金は、上記の（１）〜（３）に加えて、以下の（６）を満たすことが、さらに、好ましいことが、確認できた。
（６）ケイ素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから選ばれた少なくとも一種の成分を含み、ケイ素とチタンとマンガンとから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．２重量％以上であること

さらに、上記（１）〜（６）を満たすサンプル２５〜３９であっても、１．５重量％を超えるケイ素を含むサンプル２７、および、１．５重量％を超えるマンガンを含むサンプル３０、および、１．５重量％を超えるチタンを含むサンプル３３は、加工性の評価が「Ｂ」であった。これに対して、サンプル２５〜３９のうち、ケイ素、マンガン、チタンの含有量が、１．５重量％以下であるサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３４〜３９は、後述するサンプル３４、３５を除いて、加工性の評価は「Ａ」であった。これは、サンプル２７、３０、３３では、ケイ素またはマンガンまたはチタンの含有量が多いために、合金が硬化したためであると考えられる。

以上の結果から、加工性の観点を加味すると、チューブ８１０の形成に用いられる合金は、さらに、以下の（７）を満たすことが、さらに、好ましいことが、確認できた。
（７）ケイ素とチタンとマンガンとから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、１．５重量％以下であること

さらに、上記の（１）〜（７）を満たすサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３４〜３９のうち、鉄の含有量が５重量％未満のサンプル３４、３５の加工性の評価は「Ｂ」であった。これに対して、（１）〜（７）を満たすサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３４〜３９のうち、鉄の含有量が５重量％以上のサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３６〜３９の加工性の評価は「Ａ」であった。これは、鉄の含有量が５重量％以上であれば、合金の延性が向上するために、加工性が向上するためであると考えられる。

さらに、上記の（１）〜（７）を満たすサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３４〜３９のうち、鉄の含有量が２０重量％以下のサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３４〜３８の耐酸化性の評価は「Ａ」であった。これに対して、（１）〜（７）を満たすサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３４〜３９のうち、鉄の含有量が２０重量％を超えるサンプル３９の耐酸化性の評価は「Ｂ」であった。これは、鉄の含有量が２０重量％を超えると、耐酸化性に劣る鉄の影響で合金の耐酸化性が低下し得るが、鉄の含有量が２０重量％未満であれば、耐酸化性の低下は生じないことを示している。

以上の結果から、チューブ８１０の形成に用いられる合金は、さらに、以下の（８）を満たすことが、さらに、好ましいことが、確認できた。
（８）５重量％以上２０重量％以下の鉄（Ｆｅ）を含むこと

なお、最後に総合評価について説明する。上記（１）〜（５）を少なくとも満たすサンプル９、１１〜１３、１５、１７〜２１、２３〜３９の総合評価は、「Ｂ」または「Ａ」であった。上記（１）〜（５）のうちの少なくとも１個を満たさないサンプル１〜８、１０、１４、１６、２２の総合評価は、「Ｃ」であった。

以上から、総合的に見て、上記チューブ８１０を形成に用いられる合金は、上記（１）〜（５）を満たすことが好ましいことが解った。

さらには、上記（１）〜（５）を少なくとも満たすサンプル９、１１〜１３、１５、１７〜２１、２３〜３９のうち、さらに、（６）〜（８）を満たすサンプル２５、２６、２８、２９、３１、３２、３６〜３８の総合評価は、「Ａ」であった。

以上から、総合的に見て、上記チューブ８１０を形成に用いられる合金は、さらに、（６）〜（８）を満たすことが、特に好ましいことが解った。例えば、耐酸化性の観点からは、さらに、（６）を満たすことが、特に好ましく、加工性の観点からは、さらに、（７）、（８）のいずれかを満たすことが好ましい。

Ｂ．変形例：
（１）グロープラグ１０の構成としては、上記実施形態にて説明した構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、発熱コイル８２０は、タングステンを用いて形成されているが、これに限られない。例えば、発熱コイル８２０は、タングステンと他の成分（例えば、レニウムやクロム）とを含む合金を用いて形成されても良く、モリブデンまたはモリブデンと他の成分とを含む合金を用いて形成されても良い。

また、制御コイル８３０は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を用いて、形成されているが、これに限られない。例えば、制御コイル８３０は、タングステンを用いて形成されても良い。

また、絶縁粉末８４０は、マグネシアに限らず、マグネシアと他の成分（例えば、他のセラミックス）とを含む材料で形成されても良い。一般的には、絶縁粉末８４０は、マグネシアを主成分とする絶縁材料で形成されていれば良い。マグネシアを主成分とするとは、絶縁粉末８４０に占める重量％が最も多い成分がマグネシアであることを意味する。

また、上記実施形態では、制御コイル８３０と発熱コイル８２０との２個のコイルを用いているが、これに代えて、制御コイル８３０は省略され、発熱コイル８２０が直接的に中軸３０に接続されていても良い。

（２）上記実施形態のグロープラグ１０の製造方法は、一例であり、種々の製造方法が採用可能である。例えば、ヒータ部材８００の製造において、スウェージング加工は、省略されても良い。また、チューブ８１０は、深絞り加工に限らず、例えば、金属板を丸めてアーク溶接する方法で形成されても良い。

（３）上記実施形態のグロープラグは、内燃機関の始動補助のために利用されるグロープラグに限らず、種々のグロープラグに適用可能である。例えば、排気ガスを昇温するための排気ガスヒータ装置や、触媒やディーゼル粒子フィルタ（DPF: Diesel Particulate Filter）を再活性化するためのバーナーシステムや、冷却水を昇温するためのウォータヒータ装置等の種々の装置に利用されるグロープラグに、上記実施形態のグロープラグを適用可能である。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

１０...グロープラグ、２０...主体金具、２０ｘ...貫通孔、２１...胴体部、２２...雄ネジ部、２８...工具係合部、３０...中軸、５０...Ｏリング、６０...絶縁部材、６２...筒状部、６８...フランジ部、８０...端子部材、３１９...後端部、３２１...先端部、８００...ヒータ部材、８１０...チューブ、８１１...先端部、８１９...後端部、８２０...発熱コイル、８２１...先端部、８２９...後端部、８３０...制御コイル、８３１...先端部、８３９...後端部、８４０...絶縁粉末、８５０...パッキン

Claims (3)

1. 先端が閉塞した筒状のチューブと、
   前記チューブの内部に設けられるとともに、自身の先端が前記チューブの先端に電気的に接続され、通電によって発熱する発熱コイルと、前記チューブの内面と前記発熱コイルとの間に充填されたマグネシア（ＭｇＯ）を主成分とする絶縁材と、を備えるグロープラグであって、
   前記チューブを形成する合金は、
   ５０重量％以上のニッケル（Ｎｉ）と、
   １８重量％以上３０重量％以下のクロム（Ｃｒ）と、
   アルミニウム（Ａｌ）と、
   イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分と、
   を含み、
   アルミニウム（Ａｌ）の含有量は、１重量％以下であり、
   イットリウム（Ｙ）とジルコニウム（Ｚｒ）とから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．０１重量％以上０．３重量％以下であることを特徴とする、グロープラグ。
2. 請求項１に記載のグロープラグであって、
   前記チューブを形成する前記合金は、さらに、
   ケイ素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから選ばれた少なくとも一種の成分を含み、
   ケイ素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから選ばれた少なくとも一種の成分の含有量の合計は、０．２重量％以上１．５重量％以下であることを特徴とする、グロープラグ。
3. 請求項１または２に記載のグロープラグであって、
   前記チューブを形成する前記合金は、さらに、５重量％以上２０重量％以下の鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする、グロープラグ。

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