JP2018003671A - レーザ点火装置および放熱構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】動力を用いることなく、かつ簡易な構成の放熱手段により、プラグホール内に設置されたレーザ点火プラグの冷却を実現可能なレーザ点火装置を提供する。
【解決手段】レーザ点火プラグ１を収容するプラグホール２に挿入される管状の放熱手段を備え、放熱手段は、プラグホール２の深さよりも長く、少なくとも一部がプラグホール２の外側へ突出して配設され、上端で外気に開口する排気部１１と、下端でレーザ点火プラグ１が配置された空間に開口する循環部１２と、少なくともプラグホール２の外側に露出する側面で外気に開口する吸気部１３と、を有し、排気部１１と循環部１２とが連通する排気流路２２と、吸気部１３と循環部１２とが連通する吸気流路２１とを画成する仕切板１４を備える放熱構造体１０であるレーザ点火装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ点火装置および放熱構造体に関する。

レーザ点火装置は、内燃機関などの点火に用いられ、優れた着火効率が得られることが知られている。レーザ点火装置としては、例えば、プラグホールに設置されるレーザ点火プラグを備え、レーザ装置からのレーザ光をレーザ共振器に照射してパルスを発振させ、パルス光を集光レンズ等の光学素子を用いてエンジンの燃焼室に集光することでエアブレークダウンを発生させ、燃焼室内の混合気の着火を行うものが知られている。

点火プラグ内部のＹＡＧ結晶などのレーザ共振器は、エンジンからの熱やレーザ共振器に入射されるレーザ光による熱により温度が上昇すると、発振効率が低下し、レーザ出力も低下してしまうおそれがある。そのため、十分な冷却、放熱を行う必要がある。これに対し、温度変化によるレーザ出力の変動を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特許文献１には、レーザ媒質より発せられた熱の放熱を行うヒートシンクを備え、ヒートシンクの収容部に出力鏡から出射されるレーザ光の光軸と平行方向に延設された複数本の第１通路を含む冷却通路を備え、複数本の第１通路それぞれに対して、レーザ光の出射側から光軸方向反対側に向かって冷却媒体を流動させることにより、ヒートシンクの冷却を行う技術が開示されている。

特許文献２には、レーザ点火プラグを搭載するガスエンジンを備えたシステム付帯の設備系統による冷却源を用いて冷却する技術が開示されている。

しかしながら、液体の冷媒を用いた冷却方式では、液体の流路を設けることによるプラグの大型化や、高コスト化を招くことがあり、さらに液漏れの可能性を考慮しなければならない。また、冷媒を循環させるためのポンプや、駆動するための電源が必要となることがある。一方、空冷ファン等による冷却では、プラグホールの奥に配置された対象を冷却することは容易ではなく、やはりファンを駆動するための電源が別途必要となる。

そこで、本発明は、動力を用いることなく、かつ簡易な構成の放熱手段により、プラグホール内に設置されたレーザ点火プラグの冷却を実現可能なレーザ点火装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係るレーザ点火装置は、レーザ点火プラグを収容するプラグホールに挿入される管状の放熱手段を備え、前記放熱手段は、前記プラグホールの深さよりも長く、少なくとも一部が前記プラグホールの外側へ突出して配設され、上端で外気に開口する排気部と、下端で前記レーザ点火プラグが配置された空間に開口する循環部と、少なくとも前記プラグホールの外側に露出する側面で外気に開口する吸気部と、を有し、前記排気部と前記循環部とが連通する排気流路と、前記吸気部と前記循環部とが連通する吸気流路とを画成する仕切板を備える放熱構造体であることを特徴とするレーザ点火装置である。

本発明によれば、動力を用いることなく、かつ簡易な構成の放熱手段により、プラグホール内に設置されたレーザ点火プラグの冷却を実現可能なレーザ点火装置を提供することができる。

レーザ点火装置による強制点火方式の内燃機関の例を示した図である。 プラグホール周辺の低温雰囲気及び高温雰囲気を模式的に示した説明図である。 本発明にかかる放熱構造体の一例を示す図である。 本発明のレーザ点火装置の一実施形態の要部を示した断面図である。 放熱構造体による放熱の機構（気圧）を説明する断面図である。 放熱構造体による放熱の機構（気流）を説明する断面図である。 光ファイバが放熱構造体の吸気流路内を通る態様を示す断面図である。 光ファイバが放熱構造体の排気流路内を通る態様を示す断面図である。 本発明にかかる放熱構造体の他の例を示す図である。 図９の放熱構造体の取り付けを説明する断面図である。 放熱フィンを有するレーザ点火プラグの上面図（Ａ）、斜視図（Ｂ）、配置された状態を示す断面図（Ｃ）である。 放熱構造体の着脱可能な固定の態様を示す断面図である。

以下、本発明に係るレーザ点火装置及び放熱構造体について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

レーザ点火装置について図１及び図２に基づき説明する。
図１は、レーザ点火プラグによる強制点火方式の内燃機関の例を示した図である。レーザ点火プラグ１はプラグホール２内に設置され、ネジ固定されている。
レーザ点火プラグ１は、レーザ装置３から出射されるレーザ光を用いることにより、優れた着火効率を有する内燃機関用点火プラグである。レーザ点火プラグ１では、レーザ装置３のレーザ光源からの光をＱスイッチ式のレーザ媒質を含むレーザ共振器に照射してジャイアントパルスを発振させる。また、レーザ点火プラグ１では、そのパルス光を集光レンズ等の光学素子を用いてエンジン５に集光することでエアブレークダウンを発生させることにより、燃焼室内の混合気の着火を行う。このため、レーザ点火プラグ１には、レーザ装置３のレーザ光源からの光を伝送する光ファイバ４が接続されている。

レーザ点火プラグ１のレーザ共振器において、レーザ装置３から照射されたレーザ光のエネルギーのうち、ジャイアントパルスとして出力されなかったエネルギーが熱に変換され、結果としてレーザ共振器が発熱することになる。これによりレーザ共振器の温度が上昇すると、十分な出力のパルスレーザが励起されないことがある。そこで、レーザ点火プラグ１の放熱が必要となる。

しかしながら、図２に示すように、外部が低温雰囲気（図中Ｌで示す）であっても、プラグホール２の内部は、エンジンからの熱による高温雰囲気（図中Ｈで示す）が滞留した状態となることがある。このような状態ではレーザ点火プラグ１の放熱は困難である。
これに対し、本発明のレーザ点火装置は、プラグホール２内に設置されたレーザ点火プラグ１の放熱を実現する放熱構造体を備えている。

図３に放熱構造体の一例を示す。図３（Ａ）は側面斜視図、図３（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
放熱構造体１０は、底部に発熱体を収容する深穴部に挿入される管状の構造体であり、深穴部の深さよりも長く、少なくとも一部が深穴部の外側へ突出して配設される。
放熱構造体１０は、上端で外気に開口する排気部１１と、下端で発熱体が配置された空間に開口する循環部１２と、少なくとも深穴部の外側に露出する側面で外気に開口する吸気部１３と、を有し、排気部１１と循環部１２とが連通する排気流路２２と、吸気部１３と循環部１２とが連通する吸気流路２１とを画成する仕切板１４を備えている。

放熱構造体１０は、深穴部に収容された冷却対象物（発熱体）上の空間を、吸気部１３と連続した空間と、排気部１１と連続した空間とに分割する構造の煙突状の構造体であり、動力を用いることなく、かつ簡易な構成で、煙突効果により冷却対象物の放熱及び冷却を実現することができる。

〔第一の実施形態〕
図４に、図３に示した放熱構造体１０を備える本発明のレーザ点火装置の要部を示す。
本実施形態にかかるレーザ点火装置は、レーザ点火プラグ１を収容するプラグホール２に挿入される管状の放熱手段としての放熱構造体１０を備え、放熱構造体１０は、プラグホール２の深さよりも長く、少なくとも一部がプラグホール２の外側へ突出して配設される。
放熱構造体１０は、上端で外気に開口する排気部１１と、下端でレーザ点火プラグ１が配置された空間に開口する循環部１２と、少なくともプラグホール２の外側に露出する側面で外気に開口する吸気部１３と、を有し、排気部１１と循環部１２とが連通する排気流路２２と、吸気部１３と循環部１２とが連通する吸気流路２１とを画成する仕切板１４を備える構造体である。

放熱構造体１０による放熱の機構について、図５及び図６に基づき説明する。図５及び図６は、いずれも重力方向を下方向として示した図である。
放熱構造体１０の頂点（上端）に形成された排気部１１付近の気圧（Ｐ０）をＰtopとすると、吸気部１３付近の図中Ｘで示す位置における気圧（ＰＡ）は、Ｐtop＋ρLgh(ρL：プラグホール外の低温雰囲気密度、g:重力加速度、ｈ：吸気口との距離)となる。一方、同じ高さの排気側空間（排気流路２２）の気圧（ＰＢ）は、Ｐtop+ρHgh(ρH：プラグホール内の高温雰囲気密度、g:重力加速度、ｈ：吸気口との距離)となる。
このとき、空気の密度は高温のほうが低く、ρL＞ρHであることから、気圧ＰＡ＞気圧ＰＢである。この気圧差によって気流が生じ、循環が生じる。すなわち、図６に示すように低温気流２３によって高温気流２４が押し出される効果が得られる。

放熱を行わない場合、図２に示したようにプラグホール２の内部の高温雰囲気Ｈは滞留し、底部に残り続けてしまう。これに対し、本実施形態のレーザ点火装置においては、放熱構造体１０の煙突効果による吸排気の方向付けがなされ、プラグホール２内に低温雰囲気Ｌを導入し、高温雰囲気Ｈを外部に排出する流れを作り出すことが出来るようになる。
図６に示すように、低温気流２３がレーザ点火プラグ１の表面を通過することにより、レーザ点火プラグ１の低温気流２３への熱伝達による放熱が促される。その結果、レーザ点火プラグ１が冷却され、内部のレーザ共振器の温度上昇が抑制される。

なお、図４〜図６に示すように、放熱構造体１０は、循環部１２においてレーザ点火プラグ１に当接することが好ましい。レーザ点火プラグ１の形状により当接部位は異なるが、少なくとも仕切板１４が当接していることが好ましい。このような構成により、低温雰囲気Ｌを直接レーザ点火プラグ１に送り込むことができるため、冷却効率が向上する。

レーザ点火装置は、レーザ装置３のレーザ光源からの励起光を伝送する光ファイバ４を備えており、光ファイバ４はレーザ点火プラグ１に接続される。
光ファイバ４は、図７に示すように、放熱構造体１０の吸気流路２１内を通ってレーザ点火プラグに接続されることが好ましい。構造上、図８に示すように排気流路２２を通って接続される場合よりも光ファイバ４の長さを短縮することができ、かつ光ファイバ４の熱による劣化を防止することができる。

〔第二の実施形態〕
放熱構造体１０の形状は、煙突効果によるレーザ点火プラグ１の冷却を実現可能な形状であれば上述の例に限定されない。
例えば、図９に示すように、吸気部１３が、管状の構造体の長手方向全長にわたり均一に形成された開口部であり、かつ吸気流路２１の断面形状が均一である構造とすることができる。
このような形状とすることにより、型を用いた押出しにより簡単に製造することができる。

また、図９に示す形状の放熱構造体１０によれば、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、レーザ点火プラグ１と光ファイバ４が接続された状態のまま、後付けで容易に放熱構造体１０を取り付けることができる。図１０（Ａ）は放熱構造体１０を取り付ける前の状態、図１０（Ｂ）は放熱構造体１０を取り付けた状態を示している。

〔第三の実施形態〕
本実施形態にかかるレーザ点火装置のレーザ点火プラグ１を図１１に示す。図１１（Ａ）は上面図、（Ｂ）は斜視図、（Ｃ）はプラグホール２に配置された状態を示す側面図である。
図１１に示すように、レーザ点火プラグ１は、冷却効率を向上させるために、中心軸に対して回転対称となる配置で配設された放熱フィン３０を有している。
放熱フィン３０を設けることにより、レーザ点火プラグ１の表面積を増大させ、低温気流２３に対する熱交換の効率を上げることができる。

また、中心軸に対して回転対称となる配置で放熱フィン３０を設けることにより、レーザ点火プラグ１をエンジン５に対してネジ固定する場合、どのような角度で固定されても放熱構造体１０とレーザ点火プラグ１との相対的な設置角度による放熱性能の変動を小さくすることができる。

上述のいずれの実施形態においても、放熱構造体１０は、レーザ点火プラグ１の交換作業などの際の作業性を考慮して、着脱可能に配設されていることが好ましい。

放熱構造体１０を容易に着脱可能とする構成としては、特に限定されないが、例えば、図１２（Ａ）のように放熱構造体１０に固定用の面を設け、ねじ７による固定を行う構成が挙げられる。図１２（Ａ）の構成では、ねじ７の締結を解除すれば放熱構造体１０を引き抜いて容易に取り外すことができる。また、図１２（Ｂ）のように、放熱構造体１０に固定用の面を設け、ばねを用いたクランプ８でこれを固定する構成とすることもできる。この構成では、クランプを押圧して容易に着脱することができる。

１ レーザ点火プラグ
２ プラグホール
３ レーザ装置
４ 光ファイバ
５ エンジン
１０ 放熱構造体
１１ 排気部
１２ 循環部
１３ 吸気部
１４ 仕切板
２１ 吸気流路
２２ 排気流路
２３ 低温気流
２４ 高温気流
３０ 放熱フィン

特開２００９−１７０４５１号公報 特開２０１４−１６３２９２号公報

Claims (7)

1. レーザ点火プラグを収容するプラグホールに挿入される管状の放熱手段を備え、
   前記放熱手段は、
   前記プラグホールの深さよりも長く、少なくとも一部が前記プラグホールの外側へ突出して配設され、
   上端で外気に開口する排気部と、下端で前記レーザ点火プラグが配置された空間に開口する循環部と、少なくとも前記プラグホールの外側に露出する側面で外気に開口する吸気部と、を有し、
   前記排気部と前記循環部とが連通する排気流路と、前記吸気部と前記循環部とが連通する吸気流路とを画成する仕切板を備える放熱構造体であることを特徴とするレーザ点火装置。
2. 前記放熱構造体の前記吸気部が、管状の構造体の長手方向全長にわたり均一に形成された開口部であり、かつ前記吸気流路の断面形状が均一であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
3. 前記放熱構造体は、前記循環部において前記レーザ点火プラグに当接することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ点火装置。
4. レーザ光源からの光を伝送する光ファイバを備え、
   前記光ファイバが、前記放熱構造体の前記吸気流路内を通って前記レーザ点火プラグに接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ点火装置。
5. 前記レーザ点火プラグが、中心軸に対して回転対称となる配置で配設された放熱フィンを有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ点火装置。
6. 前記放熱構造体が着脱可能に配設されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザ点火装置。
7. 底部に発熱体を収容する深穴部に挿入される管状の構造体であって、
   前記深穴部の深さよりも長く、少なくとも一部が前記深穴部の外側へ突出して配設され、
   上端で外気に開口する排気部と、下端で前記発熱体が配置された空間に開口する循環部と、少なくとも前記深穴部の外側に露出する側面で外気に開口する吸気部と、を有し、
   前記排気部と前記循環部とが連通する排気流路と、前記吸気部と前記循環部とが連通する吸気流路とを画成する仕切板を備えることを特徴とする放熱構造体。