JP2019090567A - グロープラグ用のセラミックヒータ及びグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】高い耐熱衝撃性及び長い寿命を達成する。【解決手段】導電性セラミックス（１１）と、導電性セラミックス（１１）を覆う絶縁性セラミックス（１６）とを備え、導電性セラミックス（１１）は、筒状の第１の導電部（１２）と、先端が第１の導電部（１２）の先端に接続され、第１の導電部（１２）の内側において軸線（ｘ）方向に延在する第２の導電部（１５）とを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグ用のセラミックヒータ及び当該セラミックヒータを備えたグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの始動補助用に使用されるグロープラグとして、セラミックヒータ型グロープラグが知られている。このようなセラミックヒータ型グロープラグは、セラミックヒータと、少なくとも先端が露出するようにセラミックヒータの一部を収容する外筒と、を備えている。そしてセラミックヒータは、ヒータの先端に配置された発熱部と、当該発熱部の後端に接続されて発熱部よりも抵抗率が低いリードとを有し、これら発熱部及びリードは、絶縁性セラミックスによって覆われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−３３４７６８号公報

図４は、従来のセラミックヒータ型グロープラグのセラミックヒータの、発熱部を含む部分における中心軸線方向と垂直な断面図である（特許文献１の図８（ｄ）参照）。特許文献１に記載されているような多くの従来のセラミックヒータ１００では、発熱部２００の断面が略楕円形であり、セラミックヒータ１００を所定の箇所において断面視した場合、発熱部２００の一部がセラミックヒータ１００の中心軸線を挟むように対をなして絶縁性セラミックス３００中に配置されている箇所がある。

発熱部２００を絶縁性セラミックス中に配置することにより、例えば、セラミックヒータ１００の外周上において、発熱部２００に近接した位置Ｐ１と、Ｐ１に比べて発熱部２００から離れた位置Ｐ２との間に大きな温度差が生じる。

内燃機関始動フェーズ、特にコールドスタート時において、燃焼室内に浸入した水がセラミックヒータ１００の表面に衝突すると、セラミックヒータ１００の表面が急冷されて、セラミックヒータ１００は熱衝撃に曝されることがある。例えば、セラミックヒータ１００の位置Ｐ１，Ｐ２においては温度差が生じており、表面が急冷された結果、位置Ｐ１，Ｐ２における表面にそれぞれ異なる熱膨張差が生じるとともに、セラミックヒータ１００の表面近傍に大きさの異なる熱応力が広範囲に発生する。この熱応力（セラミックヒータ１００の表面の引張応力）による負の影響を軽減したいという要求がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い耐熱衝撃性及び長い寿命を備えたセラミックヒータ及びセラミックグロープラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るセラミックヒータは、導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を備え、前記導電性セラミックスは、筒状の第１の導電部と、先端が前記第１の導電部の先端に接続され、前記第１の導電部の内側において軸線方向に延在する第２の導電部と、を有することを特徴とする。

また、前記導電性セラミックスの外周面は、前記絶縁性セラミックスの外周面に沿って
延在しているとよい。

また、前記第１の導電部は、先端が前記第２の導電部に接続された筒状の発熱部と、前記発熱部の後端に接続された筒状のリードと、を有しているとよい。

また、前記第２の導電部は、後端において前記絶縁性セラミックスから全周にわたって露出した露出部を有しているとよい。

上記目的を達成するために、さらに、本発明に係るセラミックグロープラグは、導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を有するセラミックヒータと、少なくとも先端が露出するように前記セラミックヒータの一部を収容する外筒と、を備え、前記導電性セラミックスは、第１の導電部と、先端が前記第１の導電部の先端に接続され、前記第１の導電部の内側において軸線方向に延在する第２の導電部と、を有することを特徴とする。

また、前記第１の導電部は、後端において前記絶縁性セラミックスから全周にわたって露出した露出部を有し、前記露出部は、前記外筒の内周面と電気的に接続されているとよい。

本発明により、耐熱衝撃性が向上し、長寿命を得ることができる。

本実施の形態に係るグロープラグの軸線に沿った断面図である。 本実施の形態に係るグロープラグの図１におけるII−II断面図である。 本実施の形態に係るグロープラグの図１におけるIII−III断面図である。 従来のセラミックヒータ型グロープラグのセラミックヒータの、発熱部を含む部分における軸線方向と垂直な断面図である。

本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施の形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施形態をとりうる。

図１は、本実施の形態に係るグロープラグの軸線に沿った断面図である。図２は、図１に示すII−II線に沿ったグロープラグの断面図である。図３は、図１に示すIII−III線に沿ったグロープラグの断面図である。

本実施の形態におけるグロープラグ１は、セラミックヒータ型グロープラグであり、セラミックヒータ１０と、金属製の外筒２０と、ハウジング３０と、を備えている。

セラミックヒータ１０は、内燃機関の始動を補助するものであり、燃焼室内（予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室）に先端が挿入され、外筒２０を介してハウジング３０に固定されている。セラミックヒータ１０は、例えば、セラミックスにより形成されている。セラミックヒータ１０は、導電性セラミックス１１と、導電性セラミックス１１を覆う絶縁性セラミックス１６とを有する。セラミックヒータ１０は、先端がドーム状の棒状の部材である。

導電性セラミックス１１は、グロープラグ１において通電により加熱される部材であり、外周面が円筒状に形成されている。導電性セラミックス１１は、円筒状に形成された筒状導電部（第１の導電部）１２と、先端が筒状導電部１２の先端に接続され、当該筒状導
電部１２の内側において軸線ｘ方向に延在する円柱状の棒状導電部（第２の導電部）１５とを備える。導電性セラミックス１１の外周面は、絶縁性セラミックス１６の外周面に沿うようにして形成されている。

セラミックヒータ１０が外筒２０に部分的に挿入されて支持された状態において、先端部は、外筒２０から露出している。筒状導電部１２は、その先端部を閉じるようにして湾曲してドーム状に形成された底部１２ａを有する。

筒状導電部１２は、先端には上記底部１２ａを有し、後端には開口１２ｂを有して有底筒状に形成されている。筒状導電部１２は、先端が棒状導電部１５に接続された筒状の発熱部１３と、当該発熱部１３の後端に接続された筒状のリード１４と、を有する。

図１及び図２に示すように、発熱部１３は、底部１２ａを含み、その外周壁部１３ａは、絶縁性セラミックス１６の外周面に沿って環状に、具体的には略円形に延在している。発熱部１３は、リード１４に対して高抵抗性を有する発熱抵抗体であり、高抵抗性を有するためにリード１４に対して肉厚が薄くなるように形成されている。発熱部１３は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）などを含む炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とする材料により形成されている。発熱部１３は、特に、高い耐熱性を有するとともに、比抵抗が小さい点で無機導電性を有する炭化タングステン（ＷＣ）を含有することが好ましい。

発熱部１３は、上記主成分の他に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有しており、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が２０質量％以上であるものが好ましい。例えば、発熱部１３となる導体成分は、窒化珪素質セラミックスを含む絶縁性セラミックス１６中の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。

これに対して、発熱部１３中に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を添加することにより、熱膨張率を絶縁性セラミックス１６の熱膨張率に近づけて、セラミックヒータ１０の昇温時及び降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。

また、発熱部１３に含まれる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が４０質量％以下であるときには、発熱部１３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。したがって、発熱部１３に含まれる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２０〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２５〜３５質量％がよい。

なお、発熱部１３への同様の添加物として、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の代わりに４〜１２質量％の窒化硼素（ＢＮ）を添加してもよい。さらに、発熱部１３には、元素周期表第４周期の４，５，６，７，８族の元素（チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ））のうち少なくとも一種類を含有していてもよい。例えば、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）の元素の発熱部１３における含有率は、０．５モル％以下であることが好ましい。

また、発熱部１３は、例えば、数十ＰＰＭ程度の酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素化合物を含む混合物であることが好ましく、焼結により形成された焼結体である。

図１及び図３に示すように、リード１４は、円筒状に形成されており、先端側で発熱部１３の後端に全周にわたって接続されている。リード１４は、セラミックヒータ１０の絶縁性セラミックス１６中において、当該絶縁性セラミックス１６の外周面に沿って環状に、具体的には円環状に延在している。リード１４は、後端側において絶縁性セラミックス
１６の外周面から全周にわたって露出した露出部１４ａを有する。

リード１４は、発熱部１３に対して低抵抗性を有し、発熱部１３よりも大きな肉厚を有している。発熱部１３への移行部におけるリード１４の肉厚は、発熱部１３に向かうに連れて薄くなるようにテーパ状に形成されている。リード１４は、軸線ｘに沿ってセラミックヒータ１０の後端まで延在している。リード１４の外周壁部１４ｂは、絶縁性セラミックス１６の外周面に沿って環状に、具体的には略円形に延在している。

リード１４の露出部１４ａは、後述する接合部２１を介して、外筒２０の内周面にろう付け等によって接合されている。リード１４は、露出部１４ａを介して導電性を有する金属材料により形成された外筒２０の内周面の全周にわたって電気的に接続されている。リード１４の露出部１４ａは、負極側電極として機能する。

リード１４は、無機導電体である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とし、これに窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有率が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が増すにつれてリード１４の熱膨張率を絶縁性セラミックス１６に含有される窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の熱膨張率に近づけることができる。

窒化珪素の含有率が４０質量％以下であるときには、リード１４の抵抗値が小さくなるとともに安定する。したがって、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は１５〜４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２０〜３５質量％とするのがよい。

さらに、リード１４には、元素周期表第４周期の４，５，６，７，８族の元素（チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ））のうち少なくとも一種類の酸化物及び／又は窒化物が含まれてもよい。例えば、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）の元素のリード１４における含有率は、０．５モル％以下であることが好ましい。

リード１４は、例えば、数十ＰＰＭ程度の酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素化合物を含む混合物であることが好ましく、後述するように焼結により形成された焼結体である。

リード１４は、発熱部１３と同じ材料により形成されているが、例えば、形成材料を発熱部１３よりも多く含んだり、図２及び図３に示すように、発熱部１３よりも断面積を大きくしたりすることにより発熱部１３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっている。

筒状導電部１２は、底部１２ａと、発熱部１３の外周壁部１３ａと、リード１４の外周壁部１４ｂとの間で後述する棒状導電部１５を収容している。

棒状導電部１５は、正極側電極として機能し、セラミックヒータ１０の軸線ｘ方向に沿って筒状導電部１２の内側を延在し、先端が発熱部１３の底部１２ａに接続され、後端が開口１２ｂから突出している。棒状導電部１５は、先端から後端まで同一の断面積を有する。

棒状導電部１５は、絶縁性セラミックス１６から露出した露出部１５ａを有し、当該露出部１５ａは、キャップ状の接続部１５ｂを介してリードワイヤ１５ｃに電気的に接続されている。棒状導電部１５は、筒状導電部１２のリード１４と同じ材料により形成されている。

絶縁性セラミックス１６は、例えば、焼結により形成された外周面が円筒状の焼結体である。絶縁性セラミックス１６は、導電性セラミックス１１を全体的に被覆しており、具体的には、絶縁性セラミックス１６は、筒状導電部１２及び棒状導電部１５を覆っている。換言すると、筒状導電部１２及び棒状導電部１５は、絶縁性セラミックス１６に埋設されている。

絶縁性セラミックス１６は、セラミックスにより形成されているので、急速昇温時の信頼性が高いセラミックヒータ１０を提供することが可能になる。具体的には、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。

特に、窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性及び耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスは、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）、酸化エリビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、さらに焼結体に含まれる二酸化珪素（ＳｉＯ_２）量として１．５〜５質量％となるように二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を混合され、ホットプレス焼成することにより得られる。

また、絶縁性セラミックス１６として窒化珪素質セラミックスから成るものを用いる場合、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱部１３の熱膨張率に近づけることができ、セラミックヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

外筒２０は、例えば、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が円筒形状になって構成されている。図１に示すように、外筒２０は、セラミックヒータ１０を当該セラミックヒータ１０の先端部が露出した状態で収容するものである。セラミックヒータ１０を収容した状態において外筒２０の内周面には、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って所定の長さにわたってセラミックヒータ１０と外筒２０とを、例えば、銀ろう等のろう材を用いてろう付により接合する接合部２１が形成されている。

接合部２１は、絶縁性セラミックス１６の外周面に銀ろう等のろう材のろう付けによりメタライズすることにより形成されており、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って所定の長さ（長さＡに相当。）だけセラミックヒータ１０の外周面と外筒２０の内周面との間に形成されている。本実施の形態において接合部２１は、外筒２０の先端から、絶縁性セラミックス１６が後端側で外筒２０の先端部の内周面と接触している位置まで形成されている。しかし、接合部２１は、その先端が軸線ｘにおいて外筒２０から進出していても、また、外筒２０内にあってもよい。

ハウジング３０は、図示しないエンジンのシリンダヘッドへの取付具であり、図１に示すように、セラミックヒータ１０を外筒２０とともに収容するものである。

ハウジング３０は、放熱性に優れた熱伝導性の金属材料から形成されている。ハウジング３０は、例えば、円筒状に形成されており、セラミックヒータ１０は、外筒２０に支持され、当該外筒２０がハウジング３０の内部に配置される。この状態において、セラミックヒータ１０の先端側は、ハウジング３０の先端から外側に突出している。

グロープラグ１においは、絶縁性セラミックス１６と外筒２０の内周面との接合部２１の軸線ｘ方向における長さＡ、接合部２１の後端から発熱部１３及びリード１４の接触点
までの長さＢ、並びに接合部２１の後端から発熱部１３又は底部１２ａと棒状導電部１５との接触点までの長さＣの関係が、Ｃ＞Ｂ＞Ａを満たしている。

以上のようなグロープラグ１によれば、絶縁性セラミックス１６によって覆われた導電性セラミックス１１は、筒状導電部１２を有し、特に、先端に筒状の発熱部１３を有するので、絶縁性セラミックス１６の先端において発熱部１３が全周にわたって存在することになる。かくして、セラミックヒータ１０の先端部は、全体的に高温を維持することができる。

セラミックヒータ１０においては、図４に示すような従来のセラミックヒータ１００に比べて、少なくとも発熱部１３が位置する領域において均一な温度分布を形成することができる。従来のセラミックヒータ１００においては、発熱部２００が位置する領域における温度分布にはばらつきがあった。セラミックヒータ１００の内部と外周面との間の温度差がセラミックヒータ１００の所々によってばらつきがあった。

これに対して、セラミックヒータ１０の内部には、導電性セラミックス１１の外周面が絶縁性セラミックス１６の外周面に沿って延在している。つまり、絶縁性セラミックス１６内部にはその外周面に沿って延在する筒状の発熱部１３が設けられているので、セラミックヒータ１０の内部と外周面との温度差は、セラミックヒータ１０の周方向において均一に保つことができ、熱応力により負荷を軽減することができる。

また、セラミックヒータ１０において内部と外周面との温度差を小さく保つことができ、燃焼室内に浸入した水がセラミックヒータ１０に衝突したとしても、表面の急冷により生じる熱膨張差は全周にわたってほぼ均一であり、生じる熱応力差も全体的にほぼ均一になる。かくして、セラミックヒータ１０の高い耐熱衝撃性を獲得することができる。つまり、温度差に起因するセラミックヒータ１０にかかる負荷を小さく抑えることができるので、従来のセラミックヒータ１００の寿命に比べて、セラミックヒータ１０の寿命を長くすることができる。

さらに、筒状導電部１２のリード１４は、後端において発熱部１３とは反対側の端部に絶縁性セラミックス１６から全周にわたって露出した露出部１４ａを有しているので、リード１４は、外筒２０の内周面と全周にわたって安定的に接続することができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られるものではなく、本発明の範囲を超えない範囲で適宜変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、棒状導電部１５は、その先端において筒状導電部１２の底部１２ａに一体に接続されていたが、棒状導電部１５の先端が底部１２ａを貫くようになっていてもよい。つまり、棒状導電部１５の先端が発熱部１３の外周面に露出しているようになっており、筒状導電部１２の底部１２ａは、発熱部１３及び棒状導電部１５により形成されていてもよい。

また、導電性セラミックス１１及び絶縁性セラミックス１６の外周面は、本実施の形態においては、円筒状に形成されているが、楕円形や矩形等の多角形のように種々異なる断面形状を有していてもよい。

１ グロープラグ
１０ セラミックヒータ
１１ 導電性セラミックス
１２ 筒状導電部（第１の導電部）
１２ａ 底部
１２ｂ 開口
１３ 発熱部
１３ａ 外周壁部
１４ リード
１４ａ 露出部
１４ｂ 外周壁部
１５ 棒状導電部（第２の導電部）
１５ａ 露出部
１６ 絶縁性セラミックス
２０ 外筒
３０ ハウジング

Claims (6)

1. 導電性セラミックスと、
   前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、
   を備え、
   前記導電性セラミックスは、
   筒状の第１の導電部と、
   先端が前記第１の導電部の先端に接続され、前記第１の導電部の内側において軸線方向に延在する第２の導電部と、を有する
   ことを特徴とするグロープラグ用のセラミックヒータ。
2. 前記導電性セラミックスの外周面は、前記絶縁性セラミックスの外周面に沿って延在していることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ用のセラミックヒータ。
3. 前記第１の導電部は、
   先端が前記第２の導電部に接続された筒状の発熱部と、
   前記発熱部の後端に接続された筒状のリードと、を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のグロープラグ用のセラミックヒータ。
4. 前記第２の導電部は、後端において前記絶縁性セラミックスから全周にわたって露出した露出部を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のグロープラグ用のセラミックヒータ。
5. 導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を有するセラミックヒータと、
   少なくとも先端が露出するように前記セラミックヒータの一部を収容する外筒と、
   を備え、
   前記導電性セラミックスは、第１の導電部と、先端が前記第１の導電部の先端に接続され、前記第１の導電部の内側において軸線方向に延在する第２の導電部と、を有する
   ことを特徴とするグロープラグ。
6. 前記第１の導電部は、後端において前記絶縁性セラミックスから全周にわたって露出した露出部を有し、
   前記露出部は、前記外筒の内周面と電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項５に記載のグロープラグ。
   
   

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