JP2019032151A

JP2019032151A - グロープラグ

Info

Publication number: JP2019032151A
Application number: JP2018111561A
Authority: JP
Inventors: 紘文岡田; Hirofumi Okada; 誠江尻; Makoto Ejiri
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-02-28

Abstract

【課題】急速昇温性を確保しつつ発熱コイルの耐久性を向上できるグロープラグを提供すること。【解決手段】グロープラグは、軸線に沿って延びる金属製のチューブと、Ｗを主成分としチューブの先端部に自身の先端側の埋設部が埋め込まれる発熱コイルと、を備える。発熱コイルは、埋設部の少なくとも一部を成し、埋設部からチューブの内側まで連続的に形成された螺旋部を備える。軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、埋設部における螺旋部の断面積の総計である第１合計値を埋設部における螺旋部の切断面の数で除した第１平均値は、チューブの内側における螺旋部の断面積の総計である第２合計値をチューブの内側における螺旋部の切断面の数で除した第２平均値よりも小さい。【選択図】図３

Description

本発明はグロープラグに関し、特に発熱温度を高温化できるグロープラグに関するものである。

グロープラグは、圧縮着火方式によるディーゼルエンジン等の内燃機関の補助熱源として用いられる。グロープラグは、内燃機関の始動性を向上させるため、短時間で所定温度まで昇温させる性能（以下「急速昇温性」と称す）が要求される。また、グロープラグは、内燃機関の規制が厳格化される中、発熱温度の高温化も求められている。特許文献１には、金属製のチューブの先端部に発熱コイルの先端側の部分を埋め込んだグロープラグにおいて、発熱温度の高温化を図るため、高融点のＷを主成分とする発熱コイルを用いる技術が開示されている。

国際公開第２０１４／２０６８４７号

しかしながら上述した従来の技術では、発熱コイルが発熱すると、発熱コイルやチューブの熱膨張によって発熱コイルに応力が作用する。その応力に抗して発熱コイルを破断し難くするために線径を太くすると、発熱コイルの先端側の部分が埋め込まれたチューブの先端部の体積が大きくなる。その結果、チューブの熱容量が大きくなり、急速昇温性が低下するという問題点がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、急速昇温性を確保しつつ発熱コイルの耐久性を向上できるグロープラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のグロープラグは、軸線に沿って延び、軸線方向の先端が閉じた金属製のチューブと、チューブの内側に配置され、Ｗを主成分とし、チューブの先端部に自身の先端側の埋設部が埋め込まれる発熱コイルと、を備える。発熱コイルは、埋設部の少なくとも一部を成し、埋設部からチューブの内側まで連続的に形成された螺旋部を備える。軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、埋設部における螺旋部の断面積の総計である第１合計値を埋設部における螺旋部の切断面の数で除した第１平均値は、チューブの内側における螺旋部の断面積の総計である第２合計値をチューブの内側における螺旋部の切断面の数で除した第２平均値よりも小さい。

請求項１記載のグロープラグによれば、軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、埋設部における螺旋部の断面積の総計である第１合計値を埋設部における螺旋部の切断面の数で除した第１平均値は、チューブの内側における螺旋部の断面積の総計である第２合計値をチューブの内側における螺旋部の切断面の数で除した第２平均値よりも小さい。即ち、埋設部の線径はチューブの内側における螺旋部の線径より細いので、チューブの内側における螺旋部の線径の太さを確保できる。その結果、発熱コイルを破断し難くできるので、耐久性を向上できる。また、チューブの内側における螺旋部の線径に比べて埋設部の線径が細いので、チューブの内側における螺旋部の線径と埋設部の線径とが同じ場合に比べて、埋設部が埋め込まれるチューブの先端部の体積を小さくできる。その結果、チューブの熱容量を小さくできるので、急速昇温性を確保できる。

請求項２記載のグロープラグによれば、埋設部とチューブの先端部とが互いに溶融した溶融部が形成される。軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、溶融部の断面積の合計を第１合計値に加えた値を、埋設部における螺旋部の切断面の数で除した第３平均値は、第２平均値よりも小さい。即ち、チューブの先端部から溶融部が露出しないように埋設部を先端部に埋め込んだときも、埋設部の線径がチューブの内側における螺旋部の線径と同じ場合に比べて、先端部の体積を小さくできる。埋設部および溶融部を先端部に埋め込むことにより、溶融部が露出することによる埋設部の酸化を防止できるので、請求項１の効果に加え、埋設部の酸化による耐久性の低下を抑制できる。

請求項３記載のグロープラグによれば、軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、チューブの内側における螺旋部の各々の断面積は、第１平均値に対して１．３倍以下である。これにより、請求項１又は２に記載の効果に加え、チューブの内側における螺旋部の破断を防ぎ、耐久性を向上できる。

請求項４記載のグロープラグによれば、チューブの先端部は、内側に向かって凸状をなす凸部を有する。軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、チューブの内側における螺旋部のうち、凸部の周囲に少なくとも一部が配置される部位である第１螺旋部の断面積の総計である第３合計値を第１螺旋部の切断面の数で除した第４平均値は、第２合計値から第３合計値を減じた値を、チューブの内側における螺旋部の切断面の数から第１螺旋部の切断面の数を減じた値で除した第５平均値よりも小さい。

これにより、第１螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値を第１螺旋部以外の螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きくできる。先端部は、先端部よりも後端側のチューブに比べて熱容量が大きいが、先端部の近くに位置する第１螺旋部の抵抗値を大きくすることにより第１螺旋部の発熱量を大きくできるので、先端部の温度を上昇させ易くできる。よって、請求項１から３のいずれかの効果に加え、急速昇温性を向上できる。

請求項５記載のグロープラグによれば、軸線を含む断面上に現出する発熱コイルにおいて、チューブの内側における螺旋部のうち、チューブの先端から後端側へ向かって３ｍｍまでの間に少なくとも一部が位置する第２螺旋部の断面積の総計である第４合計値を第２螺旋部の切断面の数で除した第６平均値は、第２合計値から第４合計値を減じた値を、チューブの内側における螺旋部の切断面の数から第２螺旋部の切断面の数を減じた値で除した第７平均値よりも小さい。これにより、第２螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値を第２螺旋部以外の螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きくできるので、請求項４と同様の効果がある。

第１実施の形態におけるグロープラグの片側断面図である。一部を拡大したグロープラグの断面図である。グロープラグの軸線を含む断面図である。第２実施の形態におけるグロープラグの軸線を含む断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は第１実施の形態におけるグロープラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図であり、図２は一部を拡大したグロープラグ１０の断面図である。図１及び図２では、軸線Ｏに沿って延びる中軸２０及び発熱コイル５０等は側面図が示されている。図１及び図２では、紙面下側をグロープラグ１０の先端側、紙面上側をグロープラグ１０の後端側という（図３及び図４においても同じ）。

図１に示すようにグロープラグ１０は中軸２０、主体金具３０、チューブ４０及び発熱コイル５０を備えている。これらの部材はグロープラグ１０の軸線Ｏに沿って組み付けられている。グロープラグ１０は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関（図示せず）の始動時などに用いられる補助熱源である。

中軸２０は円柱形状の金属製の導体であり、発熱コイル５０に電力を供給するための部材である。中軸２０は先端に発熱コイル５０が電気的に接続されている。中軸２０は、後端が主体金具３０から突出した状態で主体金具３０に挿入されている。

中軸２０は、本実施の形態では、後端に雄ねじからなる接続部２１が形成されている。中軸２０は、後端に、先端側から順に絶縁ゴム製のＯリング２２、合成樹脂製の筒状部材である絶縁体２３、金属製の筒状部材であるリング２４、金属製のナット２５が組み付けられている。接続部２１は、バッテリ等の電源から電力を供給するケーブルのコネクタ（図示せず）が接続される部位である。ナット２５は、接続されたコネクタ（図示せず）を固定するための部材である。

主体金具３０は炭素鋼等により形成される略円筒形状の部材である。主体金具３０は、軸線Ｏに沿って軸孔３１が貫通し、外周面にねじ部３２が形成されている。主体金具３０は、ねじ部３２より後端側に工具係合部３３が形成されている。軸孔３１は中軸２０が挿入される貫通孔である。軸孔３１の内径は中軸２０の外径より大きいので、中軸２０と軸孔３１との間に空隙が形成される。ねじ部３２は、内燃機関（図示せず）に嵌まり合う雄ねじである。工具係合部３３は、ねじ部３２を内燃機関のねじ穴（図示せず）に嵌めたり外したりするときに用いる工具（図示せず）が関わり合う形状（例えば六角形）をなす部位である。

主体金具３０は、軸孔３１の後端側において、Ｏリング２２及び絶縁体２３を介して中軸２０を保持する。絶縁体２３にリング２４が接した状態で中軸２０にリング２４が加締められることで、絶縁体２３は軸方向の位置が固定される。絶縁体２３によって主体金具３０の後端側とリング２４とが絶縁される。主体金具３０は、軸孔３１の先端側にチューブ４０が固定されている。

チューブ４０は先端が閉じた金属製の筒状体である。チューブ４０の後端側が軸孔３１に圧入されることで、チューブ４０は主体金具３０に固定される。チューブ４０の材料は、例えばニッケル基合金、ステンレス鋼などの耐熱合金が挙げられる。

チューブ４０は、先端側から順に、先端部４１、第１部４２、第２部４３及び第３部４４が連接されている。先端部４１は、第１部４２から第３部４４によるチューブ４０の中空部分の先端を閉塞する。第１部４２及び第３部４４は、それぞれ先端から後端に亘って外径が同一に設定されている。第１部４２の外径は第３部４４の外径よりも小さい。第２部４３は、第１部４２と第３部４４とを連絡する部分であり、外周面がテーパ状に形成されている。

チューブ４０の第３部４４に中軸２０の先端側が挿入されている。第３部４４の内径は中軸２０の外径より大きいので、中軸２０と第３部４４との間に空隙が形成される。シール材４５は、中軸２０の先端側と第３部４４との間に挟まれた円筒形状の絶縁部材である。シール材４５は中軸２０とチューブ４０との間隔を維持し、中軸２０とチューブ４０との間を密閉する。発熱コイル５０は軸線Ｏに沿ってチューブ４０に収容されている。絶縁粉末６０はチューブ４０に充填されている。

図２に示すように発熱コイル５０は、螺旋状に巻かれた螺旋部５１と、螺旋部５１の先端に連接される直線部５２と、を備えている。直線部５２は、発熱コイル５０の端末に形成されている。直線部５２は、軸線Ｏを含む平面に交わる螺旋部５１とは異なり、軸線Ｏを含む平面上に位置する。

螺旋部５１の一部および直線部５２は、チューブ４０の先端部４１に埋め込まれる埋設部５３を構成する。直線部５２だけでなく、螺旋部５１の一部が先端部４１に埋め込まれるので、埋設部５３と先端部４１との接合信頼性を向上できる。埋設部５３が先端部４１に埋め込まれて接合されることにより、螺旋部５１は、埋設部５３からチューブ４０（本実施の形態では第１部４２）の内側まで配置される。

発熱コイル５０は、Ｗを主成分とする線材を巻いて連続的に形成される。Ｗを主成分とは、発熱コイル５０を形成する線材の質量に対するＷの含有量が５０ｗｔ％以上であることをいう。本実施の形態では、発熱コイル５０は、後端側に比べて先端側の発熱量を増やすため、先端側のピッチが後端側のピッチに比べて小さくされる。発熱コイル５０は、後端が溶接によって後端コイル５４に接合されている。発熱コイル５０と後端コイル５４との間に、溶接で溶けて溶接金属が固まった接合部５５が形成されている。

後端コイル５４は接合部５５を介して発熱コイル５０と直列に接続される部材である。後端コイル５４は、発熱コイル５０の抵抗比Ｒ１より小さい抵抗比Ｒ２をもつ導電材料で形成されている。発熱コイル５０及び後端コイル５４は、後端コイル５４の２０℃における抵抗値Ｒ_２が、発熱コイル５０の２０℃における抵抗値Ｒ_１よりも大きい値に設定されている。発熱コイル５０の抵抗比Ｒ１とは、発熱コイル５０の２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比であり、後端コイル５４の抵抗比Ｒ２とは、後端コイル５４の２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比である。

後端コイル５４の材料としては、例えばＦｅＣｒＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金などが挙げられる。後端コイル５４は軸線Ｏに沿ってチューブ４０（第１部４２から第３部４４）に収容されており、後端が溶接により中軸２０の先端に接合されている。中軸２０は後端コイル５４及び発熱コイル５０を介してチューブ４０と電気的に接続されている。

絶縁粉末６０は電気絶縁性を有し、且つ、高温下で熱伝導性を有する粉末である。絶縁粉末６０は、発熱コイル５０及び後端コイル５４とチューブ４０との間、中軸２０とチューブ４０との間、発熱コイル５０及び後端コイル５４の内側に充填される。絶縁粉末６０は、発熱コイル５０からチューブ４０へ熱を移動させる機能、発熱コイル５０及び後端コイル５４とチューブ４０との短絡を防ぐ機能、発熱コイル５０及び後端コイル５４を振動し難くして断線を防ぐ機能がある。絶縁粉末６０としては、例えばＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物粉末が挙げられる。ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物粉末に加え、ＣａＯ，ＺｒＯ_２及びＳｉＯ_２，Ｓｉ等の粉末を添加できる。

グロープラグ１０は、例えば、次のようにして製造される。まず、所定の組成を有する抵抗発熱線をコイル状に加工し、発熱コイル５０及び後端コイル５４をそれぞれ製造する。次に、発熱コイル５０と後端コイル５４との端部同士を溶接して接合部５５を設け、後端コイル５４を中軸２０の先端に接合する。一方、所定の組成を有する金属鋼管（素管）をチューブ４０の最終寸法よりも大径に形成し、かつ、その先端を他の部分よりも減径させて、先端が開口した先窄まり状のチューブ前駆体を製造する。

次いで、チューブ前駆体の内部に中軸２０と一体となった発熱コイル５０及び後端コイル５４を挿入し、チューブ前駆体の先窄まり状の開口部の内側に発熱コイル５０の先端を配置する。チューブ前駆体の開口部を溶融し、チューブ前駆体の先端部分を閉塞して先端部４１を形成しつつ、発熱コイル５０の先端部分を先端部４１に溶接し、発熱コイル５０の先端部分を先端部４１に埋め込む。これにより、チューブ４０（素管）の内部に発熱コイル５０及び後端コイル５４が収容されたヒータ前駆体を形成する。

次に、ヒータ前駆体のチューブ４０内に絶縁粉末６０を充填した後、チューブ４０の後端の開口部と中軸２０との間にシール材４５を挿入して、チューブ４０を封止する。次いで、チューブ４０が所定の外径になるまでチューブ４０にスウェージング加工を施す。チューブ４０（素管）にスウェージング加工を施してチューブ４０を絞ることにより、絶縁粉末６０の充填密度を上げつつ充填のばらつきを少なくできる。これにより、絶縁粉末６０を介して発熱コイル５０からチューブ４０への熱伝導性を向上できる。

次に、スウェージング加工後のチューブ４０を主体金具３０の軸孔３１に圧入固定し、中軸２０の後端から主体金具３０と中軸２０との間にＯリング２２及び絶縁体２３を嵌め込む。リング２４で中軸２０を加締めてグロープラグ１０を得る。

グロープラグ１０は、接続部２１と主体金具３０との間に電圧Ｖが印加されると、発熱コイル５０の抵抗値Ｒ_１及び後端コイル５４の抵抗値Ｒ_２の和Ｒ_１＋Ｒ_２で電圧Ｖを除した電流Ｉが、発熱コイル５０及び後端コイル５４に流れる。単位時間当たりの発熱コイル５０の発熱量はＲ_１・Ｉ^２であり、単位時間当たりの後端コイル５４の発熱量はＲ_２・Ｉ^２である。

発熱コイル５０及び後端コイル５４は、後端コイル５４の２０℃における抵抗値Ｒ_２が、発熱コイル５０の２０℃における抵抗値Ｒ_１よりも大きい値に設定されているので、常温において発熱コイル５０に流れる電流Ｉ（突入電流）を確保し、発熱コイル５０を発熱させることができる。後端コイル５４は発熱コイル５０の抵抗比Ｒ１よりも小さい抵抗比Ｒ２をもつので、発熱コイル５０の発熱による温度上昇に伴い、発熱コイル５０の抵抗値Ｒ_１が後端コイル５４の抵抗値Ｒ_２よりも大きくなる。その結果、発熱コイル５０の単位時間当たりの発熱量Ｒ_１・Ｉ^２を、後端コイル５４の単位時間当たりの発熱量Ｒ_２・Ｉ^２より大きくできる。発熱コイル５０はＷを主成分とする高融点金属により形成されているので、発熱コイル５０の発熱温度を高温化できる。

図３はグロープラグ１０の軸線Ｏを含む断面図である。図３では、軸線Ｏを含む断面上に現出する発熱コイル５０は図示されているが、後端コイル５４の１巻き目よりも後端側の部分の図示が省略されている。図３に示すようにグロープラグ１０は、先端部４１の内部に、埋設部５３と先端部４１とが互いに溶融した溶融部５６が形成されている。

埋設部５３は、発熱コイル５０のうち外周が完全に先端部４１に囲まれた部分のことをいう。従って、螺旋部５１のうち先端部４１に一部が接触し残部が絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１ａは、埋設部５３に含まれない。

発熱コイル５０はＷを主成分とするので、チューブ４０の材料に比べて融点が高い。そのため、埋設部５３は先端部４１内に残存し、埋設部５３と先端部４１とが互いに溶融した溶融部５６が形成される。発熱コイル５０の組成や溶接の入力エネルギーにもよるが、溶融部５６の厚さは１０μｍ以下である。溶融部５６は、埋設部５３と先端部４１とが接触する部分に存在し、例えばＥＰＭＡを用いたＷＤＳ分析により検出できる。

発熱コイル５０は、グロープラグ１０の軸線Ｏを含む断面上に切断面が現出する。発熱コイル５０の切断面は、ＳＥＭ等の顕微鏡を用いて観察される。発熱コイル５０の切断面の断面積は、画像解析ソフト（例えばSoft Imaging System GmbH社製Analysis Five）を用い、視野内の画像を２値化処理して算出できる。

グロープラグ１０の軸線Ｏを含む断面上に現出する発熱コイル５０において、埋設部５３における螺旋部５１の断面積の総計である第１合計値（Ａ）を、埋設部５３における螺旋部５１の切断面の数（Ｂ）で除した第１平均値（Ａ／Ｂ）と、チューブ４０の内側における螺旋部５１の断面積の総計である第２合計値（Ｃ）を、チューブ４０の内側における螺旋部５１の切断面の数（Ｄ）で除した第２平均値（Ｃ／Ｄ）と、を比較すると、第１平均値（Ａ／Ｂ）は第２平均値（Ｃ／Ｄ）よりも小さい。

第１合計値（Ａ）は、埋設部５３における螺旋部５１のうち、先端部４１に囲まれた螺旋部５１の断面積の総計である。先端部４１に一部が接触し残部が絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１ａは埋設部５３に含まれないので、螺旋部５１ａの断面積は第１合計値に含まれない。また、埋設部５３のうち直線部５２の断面積も第１合計値に含まれない。螺旋部５１を構成する線材の線長方向（長手方向）に略垂直な平面で切断された切断面の断面積を求めるためである。

埋設部５３における螺旋部５１の切断面の数（Ｂ）は、先端部４１に囲まれた螺旋部５１の切断面の数である。本実施の形態ではＢ＝１である。第１平均値（Ａ／Ｂ）は、先端部４１に囲まれた螺旋部５１のＢ個の平均の断面積である。

第２合計値（Ｃ）は、チューブ４０（第１部４２）の内側における螺旋部５１のうち、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の断面積の総計である。第１部４２の内側における螺旋部５１のうち、先端部４１に一部が接触し残部が絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１ａの断面積は、第２合計値に含まれる。チューブ４０の内側に存在する後端コイル５４の切断面の断面積は、第２合計値に含まれない。螺旋部５１を構成する線材の線長方向（長手方向）に略垂直な平面で切断された切断面の断面積を求めるためである。

チューブ４０の内側における螺旋部５１の切断面の数（Ｄ）は、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の切断面の数である。本実施の形態ではＤ＝２２である。第２平均値（Ｃ／Ｄ）は、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１のＤ個の切断面の平均の断面積である。

第１平均値（単位はｍｍ^２）を第２平均値（単位はｍｍ^２）より小さくすることは、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の線径を、先端部４１に囲まれた螺旋部５１の線径より太くすることに等しい。これにより、チューブ４０の内側における（絶縁粉末６０に接触する）螺旋部５１の線径の太さを確保できるので、発熱コイル５０やチューブ４０の熱膨張によって発熱コイル５０に作用する応力に抗して、発熱コイル５０を破断し難くできる。よって、発熱コイル５０の耐久性を向上できる。

また、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の線径に比べて先端部４１に囲まれた螺旋部５１の線径が細いので、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の線径と先端部４１に囲まれた螺旋部５１の線径とが同じ太さの場合に比べて、埋設部５３が埋め込まれる先端部４１の体積を小さくできる。その結果、チューブ４０の熱容量を小さくできるので、急速昇温性を確保できる。よって、所望する温度（例えば１０００℃）までチューブ４０の発熱温度を急速に昇温できる。

なお、第１平均値（ｍｍ^２）及び第２平均値（ｍｍ^２）は、小数点第４位を四捨五入した値を比較する。小数点第４位を四捨五入した第１平均値（ｍｍ^２）と第２平均値（ｍｍ^２）との間に差がなければ、急速昇温性や発熱コイル５０の耐久性に有意差がないからである。

ここで、発熱コイル５０は先端側のピッチが後端側のピッチに比べて小さいので、発熱コイル５０の先端側の発熱量を発熱コイル５０の後端側の発熱量よりも大きくできる。従って、発熱コイル５０の先端側を囲む第１部４２の一部（先端側の部分）を急速に昇温できる。また、チューブ４０は第１部４２の外径が第３部４４の外径よりも小さいので、チューブ４０の全体が第３部４４の外径と同一径の場合に比べて、チューブ４０の先端部４１付近（第１部４２及び先端部４１）の熱容量を小さくできる。よって、急速昇温性を確保し易くできる。

さらに、第１部４２よりも外径の大きいチューブ４０の第３部４４が主体金具３０に圧入されるので、主体金具３０の内径を第１部４２の外径に応じて小さくしなくても良い。また、中軸２０の先端は第３部４４に挿入されるので、中軸２０の直径を第３部４４の内径に応じて小さくしなくても良い。即ち、中軸２０の外径や主体金具３０の内径を第１部４２の外径と無関係に設定できるので、中軸２０や主体金具３０の設計の自由度を確保できる。

本実施形態では、チューブ４０の第１部４２の外径はΦ３．５ｍｍ以下に設定されている。これにより、内部に発熱コイル５０が配置された第１部４２の熱容量が過大にならないようにできるので、急速昇温性を確保し易くできる。

また、グロープラグ１０の軸線Ｏを含む断面上に現出する発熱コイル５０において、溶融部５６の断面積の合計（Ｅ）を第１合計値（Ａ）に加えた値（Ｆ）を、埋設部５３における螺旋部５１の切断面の数（Ｂ）で除した第３平均値（Ｆ／Ｂ）は、第２平均値（Ｃ／Ｄ）よりも小さい。なお、溶融部５６の断面積の合計（Ｅ）は、埋設部５３における螺旋部５１のうち、先端部４１に囲まれた螺旋部５１に形成された溶融部５６の断面積の総計である。螺旋部５１ａは埋設部５３に含まれないので、螺旋部５１ａに形成された溶融部の断面積は、合計（Ｅ）に含まれない。また、埋設部５３のうち直線部５２は螺旋部５１に含まれないので、直線部５２に形成された溶融部の断面積も合計（Ｅ）に含まれない。

これにより、チューブ４０の先端部４１から溶融部５６が露出しないように埋設部５３を先端部４１に埋め込んだときも、先端部４１に囲まれた螺旋部５１の線径と絶縁粉末６０に囲まれた螺旋部５１の線径とが同じ場合に比べて、先端部４１の体積を小さくできる。埋設部５３及び溶融部５６を先端部４１に埋め込むことにより、チューブ４０の外に溶融部５６が露出することによる溶融部５６及び埋設部５３の酸化を防止できる。よって、急速昇温性を確保しつつ埋設部５３の酸化による発熱コイル５０の耐久性の低下を抑制できる。

本実施形態では、チューブ４０のスウェージング加工を利用して、発熱コイル５０の第１平均値（Ａ／Ｂ）を第２平均値（Ｃ／Ｄ）より小さくする。スウェージング加工によりチューブ４０の第１部４２を径方向の外側から押圧して第１部４２を縮径すると、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１は径方向に圧縮されるので、螺旋部５１のコイル平均径は縮小する。しかし、螺旋部５１の体積は一定なので、螺旋部５１のコイル平均径が縮小する分だけ螺旋部５１の線材の直径、即ち軸線Ｏを含む断面上に現出する螺旋部５１（特にピッチが小さい先端側の部分）の断面積を拡大できる。

一方、先端部４１に囲まれた螺旋部５１（埋設部５３の少なくとも一部）は、螺旋部５１の内外に存在する先端部４１によってコイルの形状が拘束されている。さらに、Ｗを主成分とする螺旋部５１は先端部４１に比べて硬度が高いので、先端部４１に囲まれた螺旋部５１は第１部４２のスウェージング加工の影響をほとんど受けない。従って、先端部４１に囲まれた螺旋部５１の線材の直径、即ち軸線Ｏを含む断面上に現出する螺旋部５１の断面積は、スウェージング加工前後でほとんど変わらない。

従って、螺旋部５１のうち先端部４１に囲まれた部分と絶縁粉末６０に接触する部分との変形し易さの違いを利用して、第１平均値（先端部４１に囲まれた螺旋部５１の断面積）を第２平均値（絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の断面積）より小さくすることができる。具体的には、スウェージングの絞り比（加工前の第１部４２の直径／加工後の第１部４２の直径）を１．０８〜１．２４に設定することにより、小数点第４位を四捨五入した第１平均値（ｍｍ^２）を第２平均値（ｍｍ^２）より小さくできる。これにより、急速昇温性を確保しつつ発熱コイル５０の耐久性を向上できる。

なお、軸線Ｏを含む断面上に現出する発熱コイル５０において、チューブ４０の内側における（絶縁粉末６０に接触する）螺旋部５１の各々の断面積を、第１平均値に対して１．３倍以下にすることが好ましい。スウェージング加工を利用して第１平均値および第２平均値を設定する場合に、絶縁粉末６０に接触する螺旋部５１の線材が加圧され過ぎないようにできるので、線材が縮れて破断し易くなるのを防止できるからである。

なお、第１平均値および第２平均値を設定する手段は、スウェージングの絞り比を調整する手段に限られない。例えば、螺旋部５１のうちチューブ４０の内側に配置される部分の線径が、螺旋部５１のうち先端部４１に埋め込まれる部分の線径より太い発熱コイル５０を用いても良い。この場合には、スウェージングの絞り比に関係なく第１平均値を第２平均値より小さくできる。

図４を参照して第２実施の形態について説明する。図４は第２実施の形態におけるグロープラグの軸線Ｏを含む断面図である。図４ではグロープラグのチューブ７０のうち先端側の部分だけが図示されている。チューブ７０は、第１実施形態におけるグロープラグ１０のチューブ４０に代えて配置される。よって、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

チューブ７０はニッケル基合金等の耐熱合金製であり、先端部７１の後端側に第１部７２が隣接している。第２部４３及び第３部４４（図２参照）は第１部７２の後端側に順に連接されている。先端部７１は、絶縁粉末６０に接触する界面が、自身の径方向の外側の部位よりも径方向の内側の部位が後端側（図４上側）へ突出する凸状に形成されている。即ち先端部７１は、チューブ７０の内側に向かって凸状をなす凸部７１ａを有している。

発熱コイル８０は、Ｗを主成分とする線材が螺旋状に巻かれた螺旋部８１を備えている。螺旋部８１の後端側に接合部５５（図２参照）を介して後端コイル５４が接続されている。螺旋部８１は、埋設部８２、第１部分８３，８４、第２部分８５及び第３部分８６からなる。埋設部８２は、先端部７１に外周が完全に囲まれる部分である。第１部分８３，８４、第２部分８５及び第３部分８６は、チューブ７０（第１部７２）の内側に配置される部分である。埋設部８２と先端部７１とが溶融してなる溶融部８７が、埋設部８２に形成される。溶融部８７の厚さは１０μｍ以下である。

第１部分８３，８４（第１螺旋部）は、先端部７１（凸部７１ａ）の最も後端側の部位である後端７３よりも少なくとも一部が先端側（図４下側）に位置する。第１螺旋部は、凸部７１ａの周囲（凸部７１ａとチューブ７０（第１部７２）との間）に少なくとも一部が配置される部位である。第１部分８３は、先端部７１に一部が接触し残りが絶縁粉末６０に接触する。絶縁粉末６０に接触する部分のある第１部分８３は、埋設部８２に含まれない。第１部分８４は、絶縁粉末６０に外周が完全に囲まれる。第１部分８３，８４は、先端部７１の後端７３を通り軸線Ｏに垂直な仮想直線７４と交わるか、又は、仮想直線７４よりもチューブ７０の先端７５側に位置する。

第１部分８３，８４及び第２部分８５（第２螺旋部）は、チューブ７０（第１部７２）の内側に配置される螺旋部８１（第１部分８３，８４、第２部分８５及び第３部分８６）のうち、チューブ７０の先端７５から後端側へ向かって３ｍｍまでの間に少なくとも一部が位置する部位である。第１部分８３，８４及び第２部分８５は、チューブ７０の先端７５から３ｍｍ離れた軸線Ｏ上の点を通り軸線Ｏに垂直な仮想直線７６と交わるか、又は、仮想直線７６よりもチューブ７０の先端７５側に位置する。第３部分８６は仮想直線７６よりも後端側に位置する。

第２実施形態では、埋設部８２における螺旋部８１の断面積の総計である第１合計値（Ａ）を、埋設部８２における螺旋部８１の切断面の数（Ｂ、本実施形態では４）で除した第１平均値（Ａ／Ｂ）と、チューブ７０（第１部７２）の内側における螺旋部８１（第１部分８３，８４、第２部分８５及び第３部分８６）の断面積の総計である第２合計値（Ｃ）を、チューブ７０の内側における螺旋部８１の切断面の数（Ｄ）で除した第２平均値（Ｃ／Ｄ）と、を比較すると、第１実施形態と同様に、第１平均値（Ａ／Ｂ）は第２平均値（Ｃ／Ｄ）よりも小さい。

また、溶融部８７の断面積の合計（Ｅ）を第１合計値（Ａ）に加えた値（Ｆ）を、埋設部８２における螺旋部８１の切断面の数（Ｂ）で除した第３平均値（Ｆ／Ｂ）は、第１実施形態と同様に、第２平均値（Ｃ／Ｄ）よりも小さい。

チューブ７０（第１部７２）の内側における螺旋部８１のうち、凸部７１ａの周囲に少なくとも一部が配置される第１螺旋部（第１部分８３，８４）の断面積の総計である第３合計値（Ｇ）を第１螺旋部の切断面の数（Ｈ、本実施形態では３）で除した第４平均値（Ｇ／Ｈ）は、第２合計値（Ｃ）から第３合計値（Ｇ）を減じた値（Ｃ−Ｇ）を、チューブ７０の内側における螺旋部８１の切断面の数（Ｄ）から第１螺旋部の数（Ｈ）を減じた値（Ｄ−Ｈ）で除した第５平均値（（Ｃ−Ｇ）／（Ｄ−Ｈ））よりも小さい。

これにより、第１螺旋部（第１部分８３，８４）の断面積を相対的に小さくできるので、第１螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値を第１螺旋部以外の螺旋部８１（第２部分８５及び第３部分８６）の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きくできる。先端部７１は、チューブ７０の第１部７２に比べて熱容量が大きいが、先端部７１の近くに位置する第１螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値を大きくすることにより第１螺旋部の発熱量を大きくできるので、先端部７１の温度を上昇させ易くできる。よって、急速昇温性を向上できる。

また、チューブ７０（第１部７２）の内側における螺旋部８１のうち、チューブ７０の先端７５から後端側へ向かって３ｍｍまでの間に少なくとも一部が位置する第２螺旋部（第１部分８３，８４及び第２部分８５）の断面積の総計である第４合計値（Ｉ）を第２螺旋部の切断面の数（Ｊ）で除した第６平均値（Ｉ／Ｊ）は、第２合計値（Ｃ）から第４合計値（Ｉ）を減じた値（Ｃ−Ｉ）を、チューブ７０の内側における螺旋部８１の切断面の数（Ｄ）から第２螺旋部（Ｊ）の数を減じた値（Ｄ−Ｊ）で除した第７平均値（（Ｃ−Ｉ）／（Ｄ−Ｊ））よりも小さい。

これにより、第２螺旋部（第１部分８３，８４及び第２部分８５）の断面積を相対的に小さくできるので、第２螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値を第２螺旋部以外の螺旋部８１（第３部分８６）の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きくできる。先端部７１は、チューブ７０の第１部７２に比べて熱容量が大きいが、先端部７１の近くに位置する第２螺旋部の単位長さ当たりの抵抗値を大きくすることにより第２螺旋部の発熱量を大きくできるので、先端部７１の温度を上昇させ易くできる。よって、急速昇温性を向上できる。

なお、第４平均値から第７平均値を設定する手段は、第１実施形態と同様に、スウェージングの絞り比を調整する手段の他、チューブ７０の後端側に配置される部分の線径が、先端部７１の近くに配置される部分の線径より太い発熱コイル８０を用いても良い。この場合には、スウェージングの絞り比に関係なく、第４平均値を第５平均値より小さくしたり、第５平均値を第６平均値より小さくしたりできる。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

＜サンプルの作成＞
Ｗ及び不可避不純物からなる種々の線径の発熱コイル５０、及び、ＮｉＣｒ合金で作られた線径Φ０．３８ｍｍの後端コイル５４を準備した。溶接により後端コイル５４を発熱コイル５０に接合して、後端コイル５４及び発熱コイル５０が直列に接続された種々のコイルを作成した。コイルは、４端子法で測定した２０℃における抵抗値が０．３３Ωになるように線長や線径などを調整した。

このコイルを用いて、図１に示すグロープラグ１０と同様の構造を有するグロープラグを前述のとおりに製造し、表１に示すサンプル１〜９におけるグロープラグを得た。各サンプルは同じ条件で製造したものを２本準備し、１本は耐久性を評価する試験を行い、もう１本は軸線を含む平面で切断して、切断面に現出する発熱コイル５０の断面積を測定した。

なお、サンプル１〜９におけるグロープラグは、スウェージングの絞り比（加工前の第１部４２の直径／加工後の第１部４２の直径）を変えて、スウェージング後のチューブ４０の第１部４２の外径がΦ３．２５ｍｍ、第３部４４の外径がΦ４．００ｍｍとなるようにした。

＜発熱コイルの断面積の測定＞
発熱コイル５０の断面積を測定する各サンプルを、軸線Ｏを含む平面で切断して、その切断面を顕微鏡で観察した。画像解析ソフトを用いて、先端部４１に存在する螺旋部５１及び第１部４２の内側に存在する螺旋部５１の断面積および螺旋部５１の切断面の数を測定した。先端部４１に存在する螺旋部５１の断面積の総計を、その螺旋部５１の切断面の数で除して第１平均値を求めた。同様に、第１部４２の内側に存在する螺旋部５１の断面積の総計を、その螺旋部５１の切断面の数で除した第２平均値を求めた。第１平均値および第２平均値（ｍｍ^２）は小数点第４位を四捨五入した。さらに、第１部４２の内側に存在する螺旋部５１の各々の断面積を第１平均値で除した比を計算し、その比の最大値を求めた。計算結果は表１に記した。

＜耐久性の評価＞
耐久性を評価する各サンプルのチューブ４０の先端から軸線Ｏ方向に２ｍｍ離れたチューブ４０の表面の位置にＰＲ熱電対を接合し、チューブ４０の先端部４１付近の温度を測定した。なお、ＰＲ熱電対の代わりに放射温度計を用いても良い。

電圧を印加してから２秒後のチューブ４０の先端部４１付近の温度が１０００℃になるように、各サンプルの接続部２１と主体金具３０との間に直流電圧を印加した後、チューブ４０の先端部４１付近の温度が１１００℃で飽和するように定格電圧を印加した。定格電圧を１８０秒間印加した後、電圧印加を止め、チューブ４０の先端部４１付近を１２０秒間空冷して、先端部４１付近の温度を常温に戻した。試験は、これを１サイクルとして複数サイクルを繰り返した。

評価は、試験開始から１００時間（約１２００サイクル）より前にコイル（発熱コイル）が断線したものを「Ｃ」、試験開始後１００時間から５００時間（約６０００サイクル）までの間にコイルが断線したものを「Ｂ」、試験開始後５００時間経過してもコイルが断線しなかったものを「Ａ」とした。評価結果は表１に記した。

サンプル１〜９は、電圧を印加してから２秒後に、チューブ４０の先端部４１付近の温度が常温から１０００℃まで上昇することがわかった。よって、急速昇温性を確保できることが明らかになった。

一方、耐久性では、先端部４１に存在する螺旋部５１の断面積の総計を切断面の数で除した第１平均値が、第１部４２の内側に存在する螺旋部５１の断面積の総計を切断面の数で除した第２平均値よりも小さいサンプル２〜６，８は、評価が「Ａ」であった。一方、第１平均値が第２平均値と同じサンプル１，９は、評価が「Ｂ」であった。

サンプル１，９は、発熱コイル５０やチューブ４０の熱膨張に起因する応力により、第１部４２の内側に存在する螺旋部５１が破断したものと推察される。これに対し、第１平均値が第２平均値よりも小さいサンプル２〜６，８は、発熱コイル５０やチューブ４０の熱膨張に起因する応力による螺旋部５１の破断を防ぎ、急速昇温性を確保しつつ耐久性を向上できたと推察される。

また、第１部４２の内側に存在する螺旋部５１の各々の断面積を第１平均値で除した比の最大値が１．３５のサンプル７は、耐久性の評価が「Ｃ」であった。Ｘ線透視装置によってサンプル７を観察したところ、発熱コイル５０の螺旋部５１の半分以上が縮れており、螺旋部５１に断面積の狭い部分が局所的に存在することがわかった。サンプル７は、スウェージング加工の絞り比が１．２６であることから、螺旋部５１に過大な圧力が加わったものと推察される。

この実施例によれば、第１平均値を第２平均値よりも小さくすることにより、急速昇温性を確保しつつ耐久性を向上できることが明らかになった。また、第１部４２の内側に存在する螺旋部５１の各々の断面積を第１平均値で除した比の最大値を１．３以下、特に１．０５〜１．３０にすることにより、チューブ４０の内側に存在する螺旋部５１の破断を防ぎ、耐久性を向上できることが明らかになった。

以上、実施の形態および実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、チューブ４０，７０の形状は筒状である限り特に限定されず、軸線Ｏに直交する断面が円形状、楕円形状、多角形状等であってもよい。また、発熱コイル５０，８０の線径や直径、チューブ４０，７０の厚さや直径は、発熱コイル５０，８０やチューブ４０，７０の熱容量などを考慮して適宜設定できる。

実施形態では、主体金具３０に圧入されるチューブ４０，７０の第３部４４の外径が、チューブ４０，７０の先端部４１，７１に隣接する第１部４２，７２の外径よりも大きい場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。先端部４１，７１を除き、チューブ４０，７０の全体を同一の外径にすることは当然可能である。

第１実施形態では、発熱コイル５０の端末に直線部５２が設けられる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。直線部５２を省略することは当然可能である。同様に、第２実施形態で説明した発熱コイル８０（螺旋部８１）の端末に直線部を設け、その直線部を先端部７１に埋め込むことは当然可能である。なお、発熱コイル５０，８０の巻き数やピッチは適宜設定できる。同様に、埋設部５３，８２における螺旋部５１，８１の巻き数も適宜設定できる。

実施形態では、埋設部５３，８２に溶融部５６，８７が形成された場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。発熱コイル５０，８０の組成や先端部４１，７１を形成するときの温度等の条件を設定して、溶融部５６，８７が形成されないようにすることは当然可能である。

実施形態では、Ｗを主成分とする発熱コイル５０，８０に、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金などで形成された後端コイル５４が接続される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。後端コイル５４の材質は、これに限られるものではなく適宜設定できる。また、後端コイル５４を省略して、Ｗを主成分とする発熱コイル５０，８０だけをチューブ４０，７０の内部に配置することは当然可能である。

第１実施形態も、第２実施形態と同様に、チューブ４０（第１部４２）の内側における螺旋部５１のうち、チューブ４０の先端４６から後端側へ向かって３ｍｍまでの間に少なくとも一部が位置する第２螺旋部の断面積の総計である第４合計値（Ｉ）を第２螺旋部の切断面の数（Ｊ）で除した第６平均値（Ｉ／Ｊ）は、第２合計値（Ｃ）から第４合計値（Ｉ）を減じた値（Ｃ−Ｉ）を、チューブ４０の内側における螺旋部５１の切断面の数（Ｄ）から第２螺旋部（Ｊ）の数を減じた値（Ｄ−Ｊ）で除した第７平均値（（Ｃ−Ｉ）／（Ｄ−Ｊ））よりも小さい。これにより、第２実施形態と同様に急速昇温性を向上できる。

なお、上記実施の形態には以下の発明も開示されている。軸線に沿って延び、軸方向の先端が閉じた金属製のチューブと、前記チューブの内側に配置され、Ｗを主成分とし、前記チューブの先端部に自身の先端側の埋設部が埋め込まれる発熱コイルと、を備えるグロープラグを製造する方法であって、前記発熱コイルの前記埋設部が前記先端部に埋め込まれた前記チューブに絶縁粉末を充填する充填工程と、前記チューブをスウェージングする加工工程と、を備え、前記加工工程において、加工前の前記チューブの外径を加工後の前記チューブの外径で除した絞り比が１．０８〜１．２４であるグロープラグの製造方法。

このグロープラグの製造方法によれば、加工工程において絞り比を１．０８〜１．２４にすることにより、絶縁粉末を介して発熱コイルを径方向に圧縮し、埋設部における発熱コイルの線材の断面積よりもチューブの内側における発熱コイルの線材の断面積を大きくできる。その結果、発熱コイルを破断し難くできるので、耐久性を向上できる。さらに、チューブの内側における発熱コイルの線材の断面積と埋設部における発熱コイルの線材の断面積とが同じ場合に比べて、埋設部が埋め込まれるチューブの先端部の体積を小さくできる。その結果、チューブの熱容量を小さくできるので、急速昇温性を確保できる。

１０グロープラグ
４０，７０チューブ
４１，７１先端部
４６，７５チューブの先端
５０，８０発熱コイル
５１，８１螺旋部
５３，８２埋設部
５６，８６溶融部
７１ａ凸部
８３，８４第１部分（第１螺旋部、第２螺旋部）
８５第２部分（第２螺旋部）
Ｏ軸線

Claims

軸線に沿って延び、軸線方向の先端が閉じた金属製のチューブと、
前記チューブの内側に配置され、Ｗを主成分とし、前記チューブの先端部に自身の先端側の埋設部が埋め込まれる発熱コイルと、を備えるグロープラグであって、
前記発熱コイルは、前記埋設部の少なくとも一部を成し、前記埋設部から前記チューブの内側まで連続的に形成された螺旋部を備え、
前記軸線を含む断面上に現出する前記発熱コイルにおいて、前記埋設部における前記螺旋部の断面積の総計である第１合計値を前記埋設部における前記螺旋部の切断面の数で除した第１平均値は、前記チューブの内側における前記螺旋部の断面積の総計である第２合計値を前記チューブの内側における前記螺旋部の切断面の数で除した第２平均値よりも小さいグロープラグ。
前記埋設部と前記チューブの前記先端部とが互いに溶融した溶融部が形成され、
前記軸線を含む断面上に現出する前記発熱コイルにおいて、前記溶融部の断面積の合計を前記第１合計値に加えた値を、前記埋設部における前記螺旋部の切断面の数で除した第３平均値は、前記第２平均値よりも小さい請求項１記載のグロープラグ。
前記軸線を含む断面上に現出する前記発熱コイルにおいて、前記チューブの内側における前記螺旋部の各々の断面積は、前記第１平均値に対して１．３倍以下である請求項１又は２に記載のグロープラグ。
前記チューブの前記先端部は、内側に向かって凸状をなす凸部を有し、
前記軸線を含む断面上に現出する前記発熱コイルにおいて、前記チューブの内側における前記螺旋部のうち、前記凸部の周囲に少なくとも一部が配置される部位である第１螺旋部の断面積の総計である第３合計値を前記第１螺旋部の切断面の数で除した第４平均値は、前記第２合計値から前記第３合計値を減じた値を、前記チューブの内側における前記螺旋部の切断面の数から前記第１螺旋部の切断面の数を減じた値で除した第５平均値よりも小さい請求項１から３のいずれかに記載のグロープラグ。
前記軸線を含む断面上に現出する前記発熱コイルにおいて、前記チューブの内側における前記螺旋部のうち、前記チューブの先端から後端側へ向かって３ｍｍまでの間に少なくとも一部が位置する部位である第２螺旋部の断面積の総計である第４合計値を前記第２螺旋部の切断面の数で除した第６平均値は、前記第２合計値から前記第４合計値を減じた値を、前記チューブの内側における前記螺旋部の切断面の数から前記第２螺旋部の切断面の数を減じた値で除した第７平均値よりも小さい請求項１から３のいずれかに記載のグロープラグ。