JP3658770B2

JP3658770B2 - Ceramic glow plug

Info

Publication number: JP3658770B2
Application number: JP34942193A
Authority: JP
Inventors: 英紀北; 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: JPH07190362A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジン等に使用されるセラミックスグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン用グロープラグとしては、特開昭６２−１４１４２４号公報に開示されたものがある。該グロープラグは中空状ホルダの先端部に筒状セラミックスヒータを設けたものであり、該セラミックスヒータは、絶縁性セラミックスから成る薄板状絶縁体と該薄板状絶縁体の両側面及び一端部に積層される導電性セラミックスによる薄板状抵抗体とから成る積層体を幅方向に曲げて筒状体を形成し、該筒状体の後端側外周部に導電性セラミックスによる保護パイプを嵌装させて焼成して一体的に成形したものである。
【０００３】
また、自己電流制御型グロープラグとしては、タングステン線等による発熱線をセラミック材中に埋設した棒状セラミックスを用い、熱伝達効率を向上させ、発熱線への通電電力を自己制御して発熱特性を改善し、ヒータ部分での過熱を防止するものが知られている。例えば、自己電流制御型グロープラグとして、特公平４−３４０５２号公報、特公昭６０−１９４０４号公報、特開昭５９−１５７４２３号公報等に開示されたものがある。
【０００４】
また、特開平２−１８３７１８号公報に開示されたグロープラグは、ケーシングの先端側に発熱体がセラミックス焼結体に埋設された発熱部が設けられており、発熱体をタングステンから作製し、セラミックス焼結体を窒化アルミニウム焼結体の表面に気相法によって炭化ケイ素被覆層を形成したものである。
【０００５】
更に、特開平４−２５９７８１号公報に開示されたセラミックヒータは発熱体を埋設する発熱部が窒化アルミニウム質セラミックスで形成され、発熱部を支持する支持部が窒化ケイ素質セラミックスで形成されているものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のグロープラグでは、タングステン線等の高融点を有する金属線はホットプレスによりサンドイッチ状に窒化ケイ素等のセラミックス内に埋設されて一体化された構造を有している。そのため、従来のグロープラグでは、中心に温度勾配が付き、不均一な熱応力が発生し、金属線を埋め込んだセラミックスが割れ、クラック等を起こして破損し易いという問題を有している。
【０００７】
或いは、従来の金属コイルは、Ｆｅ−Ｃｒ合金でラッシュコイル即ち発熱体コイルを作製し、Ｎｉでブレーキコイル即ち電流制御コイルを作製し、異種金属から成る発熱体コイルと電流制御コイルとを直列に結線している。そして、従来のグロープラグは、上記金属コイルを金属鞘内部に配置し、空間部にＭｇＯ粉末を充填したものであるが、Ｆｅ−Ｃｒ合金及びＮｉは共融点が低く、一般に、セラミックスと一体焼結ができないものであり、Ｓｉと反応してシリサイドを形成し易い性質を有しており、熱膨張係数の差が大きいという問題を有している。
【０００８】
更に、従来のグロープラグで使用されているＡｌＮは、焼成時に１５〜２０％の収縮が発生する特性を有している。そのため、グロープラグを作製する工程におけるホットプレス焼成時に、コイルの形状が二次元形状にならざるを得ず、その結果、グロープラグの発熱では温度不均一になり、セラミックスの割れ、クラック等の発生原因になり、耐久性が低下するという問題がある。
【０００９】
また、従来の自己電流制御型グロープラグでは、タングステン線等の発熱線をセラミックス中に成形時に埋設して焼結するため、焼結は加圧焼結が必要となり、ホットプレス即ち一軸加圧焼結が通常行われている。そのため、セラミックス中に埋設される発熱線の形状が制限され、二次元の構造になることから、セラミックス製外殻の内壁面或いは内包のセラミックスと発熱線との間が離れ、熱伝達効率が低下し、セラミックスヒータの速熱性が低下するという問題がある。また、発熱部がタングステン線とＳｉ₃Ｎ₄とがホットプレス時に一体化された構造のセラミック製グロープラグでは、タングステン線とＳｉ₃Ｎ₄との境界に隙間が形成され、該隙間から水分或いは酸素が侵入し、腐食等が発生するという問題が発生する。特に、タングステン線とＳｉ₃Ｎ₄との境界の隙間から水分或いは酸素が侵入するのを防止するため、境界を密封しなければならないという問題がある。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、電流制御用コイルと発熱体コイルから成るタングステン線等の金属コイルを配置し、発熱部と電流制御部を流れる電流を調節して最適の発熱量を確保する自己電流制御型に構成し、金属コイルにＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ₃Ｎ₄から成るスラリーで肉付けし、反応焼結した後、反応焼結セラミックスの表面にＣＶＤ或いは溶射によってＳｉ₃Ｎ₄等の緻密なセラミックス被膜を形成し、金属コイルを三次元形状に構成でき、低コストで作製できるセラミックスグロープラグを提供することである。
【００１１】
この発明の別の目的は、緻密質セラミックスから外殻を作製し、該外殻内に電流制御用コイルと発熱体コイルから成る金属コイルを配置し、発熱部と電流制御部を流れる電流を調節して最適の発熱量を確保する自己電流制御型に構成し、焼成時に外殻内での収縮が発生しない反応焼結セラミックスを外殻内に充填し、該金属コイルを前記充填部材に内包すると共に、該充填部材に対する金属コイルの熱応力の緩和と反応防止のために金属コイルの外周面に傾斜材料からなるセラミックス膜を電気泳動法で被覆し、金属コイルを三次元形状に構成して均一加熱ができるように構成し、低コストで作製できるセラミックスグロープラグを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成されている。即ち、この発明は、発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されていることを特徴とするセラミックスグロープラグに関する。また、このセラミックスグロープラグにおいて、前記被膜を構成するセラミックスはＳｉ₃Ｎ₄から成り、前記グロープラグ本体にＣＶＤ及び溶射のいずれかでコーティングされているものである。
【００１３】
又は、この発明は、緻密質セラミックスから作製した外殻、該外殻内に内包された発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、前記外殻内に充填され且つ前記金属コイルの間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉを含むセラミックスから成る充填部材、及び前記金属コイルの表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜、から構成したことを特徴とするセラミックスグロープラグに関する。また、このセラミックスグロープラグにおいて、前記セラミックス被膜は電気泳動法により被覆されたＭｇＯ，ＺｒＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃の各層から構成され、前記各層はそれらの熱膨張係数が傾斜的になるように配置されている。また、前記充填部材を構成するセラミックスは、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｓｉ，Ｔｉから成るスラリーを反応焼結して構成した無収縮セラミックスから構成されているものである。
【００１４】
このセラミックスグロープラグは、発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されているので、前記金属コイルに電流を流せば、前記発熱体コイルで発生した熱は前記被膜を加熱して外部に放熱するのに対して前記電流制御用コイルでは温度上昇に伴って前記電流制御用コイルに流れる電流が抑制され、電流制御部を構成する。即ち、前記電流制御用コイルが高温になれば、その抵抗値が大きくなり、前記金属コイルに流れる電流が小さくなり、前記外殻からの発熱量が自己制御され、最適値に制御されることになる。
【００１５】
特に、このセラミックスグロープラグは、最外周部の前記被膜が薄膜であるのでその熱容量が小さく、しかも前記被膜の熱伝導率が高いので、急速な昇温が可能になる。また、前記グロープラグ本体を構成する反応焼結セラミックスは焼成時に収縮が発生せず、しかも金属コイルのコイル形状の自由度が大きくなり、最も形状の安定したコイル状の三次元形状に形成することができ、発熱時の温度分布が均一になって、割れ等が発生せず、低コストで製造できる。
【００１６】
特に、前記外殻内に充填した無収縮セラミックスは、Ｓｉ，Ｔｉ及びＳｉ₃Ｎ₄を含んでいる原料を緻密質のＳｉ₃Ｎ₄からなる外殻内に充填してＮ₂ガス内で反応焼成することによって、ＳｉとＴｉとをＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮに変化させるものであり、前記外殻を緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄で作製しておけば、焼成時にＴｉＮが膨張し、外殻のＳｉ₃Ｎ₄と反応Ｓｉ₃Ｎ₄とが密着することができ、しかも、加圧無しで焼成しても、ＴｉＮの膨張作用によって外殻と充填部材との間の境界に隙間が発生せず、前記金属コイルを三次元形状に形成しても該金属コイルと前記外殻との接触状態を悪化させることがなく、熱伝達効率を向上でき、発熱部での迅速な昇温を可能にする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明によるセラミックスグロープラグの実施例を説明する。図１はこの発明によるセラミックスグロープラグの一実施例を示す断面図、及び図２はセラミックスグロープラグについての通電時間と発熱部の表面温度との関係を示すグラフである。
【００１８】
このセラミックスグロープラグは、主として、ディーゼルエンジン等に組み込まれて始動補助装置として使用されるものであり、発熱体コイル５と電流制御用コイル４とを直列に接続し且つ端子となる接続線６，７を有する金属コイル３、該金属コイル３の周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体１、及び該グロープラグ本体１の外面である表面９に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜２から構成されている。被膜２を構成するセラミックスは、Ｓｉ₃Ｎ₄から成り、グロープラグ本体１の表面９にＣＶＤ法及び溶射法のいずれかでコーティングされた薄膜を構成するものである。このセラミックスグロープラグは、被膜２をコーティングしたグロープラグ本体１の先端側を発熱部８に構成したものである。
【００１９】
金属コイル３を埋設するグロープラグ本体１を構成するセラミックスは、焼成時に膨張するセラミックスを用い、被膜２を緻密質セラミックスで構成したものである。被膜２は、グロープラグ本体１の全表面９にコーティングされ、一端が閉鎖端部１０に形成され、他端が開放端部１１に形成された窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄等の緻密質セラミックスから作製されている。
【００２０】
また、このセラミックスグロープラグにおいて、グロープラグ本体１を構成する反応焼結セラミックスは、ＳｉとＴｉとの原料を焼成することによってＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮを含んでいる多孔質セラミックスに転化したものであり、焼成前のＳｉとＴｉとの原料の体積と焼成後のＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮとの体積が実質的に同一であり、焼結収縮を起こさないものである。従って、緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄の被膜２の内面１２と無収縮セラミックスのグロープラグ本体１の表面９との間の境界には隙間が存在しない。
【００２１】
また、金属コイル３は、高融点金属等のタングステン線で三次元形状のコイルに作製され、被膜２の内面１２に接触状態に配置されている部分が発熱体コイル５を構成し、また被膜２の内面１２から隔置状態に配置されている部分が電流制御用コイル４を構成しているものである。更に、金属コイル３は、発熱体コイル５の一端と電流制御用コイル４の一端とを接続する接続線１３、発熱体コイル５の他端に接続した被膜２内を延びてグロープラグ本体１から突出する接続線７、及び電流制御用コイル４の他端に接続して被膜２内を延びてグロープラグ本体１から突出する接続線６を有している。
【００２２】
次に、この発明によるセラミックスグロープラグを作製する方法の一実施例について説明する。このセラミックスグロープラグの製造方法において、高融点金属である１本のタングステン線を線径がφ０．２ｍｍのコイル状に巻き、発熱体コイル５となる部分を内径φ３．５ｍｍに形成し、電流制御用コイル４となる部分を若干小さい内径に形成して金属コイル３を作製した。金属コイル３を内径φ３．５ｍｍの穴部を有する石膏型内に配置し、石膏型内にＳｉ，Ｔｉから成るスラリーを充填し、該スラリーを固化した。石膏型から固化した成形体を取り出し、該成形体を乾燥させた後、該成形体をＮ₂ガス中で１４００℃で焼成してグロープラグ本体１となる焼結体即ち多孔質セラミックスを作製した。この多孔質セラミックスは、Ｓｉ，Ｔｉを含む原料から成るスラリーがＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮからなる無収縮セラミックスに転化したものである。また、この状態では、発熱体コイル５となる部分の金属コイル３は多孔質セラミックスの表面に露出した状態であり、また、電流制御用コイル４となる部分の金属コイル３は多孔質セラミックス内部に埋め込まれた状態である。
【００２３】
次いで、グロープラグ本体１の表面９に被膜２を形成するため、ＣＶＤ法又は溶射法を適用できるが、この実施例ではＣＶＤ法で被膜２を形成した。即ち、ＳｉＣｌ₄，ＮＨ₃，Ｎ₂，Ｈ₂（キャリアガス）を原料ガスとして、１５００℃のＣＶＤ炉内で金属コイル３を内包した多孔質セラミックスの表面９に約１５０μｍの厚みとなるように、ＣＶＤ−Ｓｉ₃Ｎ₄膜である緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄の被膜２を形成してセラミックスグロープラグを作製した。
【００２４】
このセラミックスグロープラグについては、上記のＣＶＤの処理工程によって、グロープラグ本体１と被膜２とは密着した状態になって多孔質セラミックスを緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄で密閉した状態になり、多孔質セラミックス内に存在するＯ₂ガス濃度は、ほぼ零になり、金属コイル３を形成するタングステン線の酸化を防止できると共に、ＣＶＤ反応によって多孔質セラミックスの表面に存在する極めて小さな穴も閉塞され、多孔質セラミックス内への水分の混入等も防止することができる。また、ＣＶＤ−Ｓｉ₃Ｎ₄膜即ち被膜２には、その粒界に酸化物を含まない構造に構成される。
【００２５】
このセラミックスグロープラグについて、昇温特性を測定した結果を図２に示す。このセラミックスグロープラグ（本発明品）の昇温特性を、従来のＡｌＮの表面にＳｉＣをコーティングしたグロープラグ（従来品）の昇温特性と比較した。図２において、横軸に通電時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸に発熱部８の表面温度（℃）をとっている。図２から分かるように、本発明品は従来品に比較して通電時間が短くて所定の温度まで直ちに昇温しており、速熱性に優れていることが分かる。即ち、この発明によるセラミックスグロープラグは、最外周部が被膜２の薄膜で構成されているため、熱容量が小さく、また、高い熱伝導率であるため、急速に昇温できるものである。また、被膜２を構成するＣＶＤによるＳｉ₃Ｎ₄は、粒界に助剤等の酸化物を含まず、この部分でフォノン散乱が生じ難く、熱が伝わり易くなる。また、ＣＶＤ−Ｓｉ₃Ｎ₄の結晶粒は、焼結Ｓｉ₃Ｎ₄が１０μｍ程度であるのに対して、５０μｍと大きいものであり、熱伝導率が高くなる要因と考えられる。しかるに、ＣＶＤ−Ｓｉ₃Ｎ₄の熱通過率Ｋは５０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対して、ホットプレス即ち焼結Ｓｉ₃Ｎ₄の熱通過率Ｋは２７Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２６】
次に、図３、図４及び図５を参照して、この発明によるセラミックスグロープラグの別の実施例を説明する。この実施例のセラミックスグロープラグは、主として、緻密質セラミックスから作製した外殻２２、外殻２２内に内包された発熱体コイル２５と電流制御用コイル２４とを直列に接続し且つ端子２６，２７を有する金属コイル２３、及び外殻２２内に充填され且つ金属コイル２３の間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉを含むセラミックスから成る充填部材２１、及び金属コイル２３の表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜３２，３３，３４（総称は符号３０で示す）から構成されている。この実施例では、外殻２２の先端側が発熱体コイル２５が外殻２２に接触して発熱部２８を構成している。外殻２２は、発熱部２８側端部が閉鎖端部３５に形成され、また他端が開口端部３１に形成され、接続線２６，２７が延び出ている。
【００２７】
このセラミックスグロープラグにおいて、発熱体コイル２５がＦｅ−Ｃｒから作製され、電流制御用コイル２４がＮｉから作製されている。金属コイル２３は、発熱体コイル２５と電流制御用コイル２４とを直列に結線し、それらの表面にセラミックス被膜３２，３３，３４をコーティングして構成されている。Ｆｅ−Ｃｒの融点は１５１６℃であり、熱膨張係数αが１５×１０^{- 6}／℃である。Ｎｉの融点は１４５５℃であり、熱膨張係数αが１３×１０^{- 6}／℃である。また、金属コイル２３の表面に被覆された内部のセラミックス被膜３２はＭｇＯであり、中間のセラミックス被膜３３はＺｒＯ₂であり、また、外部のセラミックス被膜３４はＡｌ₂Ｏ₃である。ＭｇＯの熱膨張係数αが１３×１０^{- 6}／℃であり、ＺｒＯ₂の熱膨張係数αが９．５×１０^{- 6}／℃であり、Ａｌ₂Ｏ₃の熱膨張係数αが７．５×１０^{- 6}／℃である。充填部材２１を構成するセラミックスは、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｓｉ，Ｔｉから成るスラリーを反応焼結して構成した無収縮セラミックスから構成されている。この無収縮セラミックスの熱膨張係数αが３×１０^{- 6}／℃である。また、外殻２２を構成する緻密質セラミックスは、緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄であり、その熱膨張係数αが３．５×１０^{- 6}／℃である。
【００２８】
このセラミックスグロープラグは、上記の構成を有しており、金属コイル２３は充填部材２１を構成する無収縮セラミックスとの間で熱膨張係数が傾斜的に変化するセラミックス被膜３０で電気泳動法或いはゾル・ゲル法でコーティングされているので、無収縮セラミックスには熱応力が緩和され、耐久性に優れ、昇温特性も良好になる。また、ＭｇＯは金属部と他種材料との反応抑制の効果を有するものである。
【００２９】
次に、このセラミックスグロープラグは、次のようにして作製できる。まず、ラッシュコイル即ち発熱体コイル２５をＦｅ−Ｃｒによって作製し、ブレーキコイル即ち電流制御用コイル２４をＮｉ（正の抵抗温度係数を持つ）によって作製する。電流制御用コイル２４と発熱体コイル２５とを直列に接続して金属コイル２３を作製した。次いで、金属コイル２３の外周面を電気泳動法によってＭｇＯ，ＺｒＯ₂及びＡｌ₂Ｏ₃の順序で被覆し、金属コイル２３の表面に熱膨張係数が傾斜して変化するようにセラミックス被膜３２，３３，３４を被覆し、それぞれの厚さを５０μｍに形成した。一方、外殻２２を相対密度９９％以上のＳｉ₃Ｎ₄でφ３．５に形成した。
【００３０】
そこで、外殻２２内にセラミックス被膜３２、３３、３４を被覆した金属コイル２３を入れ、外殻２２の空間部にＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ₃Ｎ₄粉末から成るスラリーを充填した。スラリーの乾燥後、Ｎ₂ガス中で１３００℃で反応焼結し、無収縮セラミックスを構成した。従って、外殻２２に充填された充填部材２１の表面２９は外殻２２の内壁面２０に密着し、しかも金属コイル２３の発熱体コイル２５も外殻２２の内壁面２０に密着する。それ故に、外殻２２と充填部材２１との境界には隙間が発生せず、しかも発熱体コイル２５で発生する熱は外殻２２の発熱部２８に良好に熱伝導し、速熱性を向上させる。
【００３１】
また、反応焼結する場合の温度は、１２００℃〜１４００℃であり、この実施例では１３００℃で反応焼結したものである。実際には、３Ｓｉ＋２Ｎ₂→Ｓｉ₃Ｎ₄の反応であり、発熱を伴うので、内部の温度は不明である。また、スラリーにＳｉ₃Ｎ₄粉末を混合することによって、焼結時の発熱量を小さくすることができる。言い換えれば、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末を混合してスラリーを構成するＳｉ，Ｔｉの実質量を減少させることによって発熱量を低くできるものである。この時、金属コイル２３はセラミックス被膜３２，３３，３４で被覆されているので、無収縮セラミックスの充填部材２１内に金属コイル２３を内包した場合には、セラミックス被膜３２，３３，３４が充填部材２１に対して熱膨張係数緩和を行う機能を発揮し、充填部材２１の割れ、クラック等の発生を防止することができる。
【００３２】
この実施例のセラミックスグロープラグについて、昇温特性を測定した結果を図５に示す。このセラミックスグロープラグ（本発明品）の昇温特性を、従来のタングステンコイルを用いたグロープラグ（従来品）の昇温特性と比較した。図５において、横軸に通電時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸に発熱部８の表面温度（℃）をとっている。図５から分かるように、本発明品は従来品に比較して通電時間が短くて所定の温度（１０００℃）まで同様に昇温しており、速熱性に優れていることが分かる。
【００３３】
また、本発明品とセラミックス被膜を行っていないＦｅ−Ｃｒコイルを用いた従来品との耐久性評価を行うため、室温から１０００℃までの昇温と降温とを５００サイクル繰り返した後、充填部材を構成するセラミックス及び金属コイルの観察を行った。本発明品では、充填部材２１には亀裂等の破損の発生は認められなかった。本発明品の金属コイル２３のコイル表面に反応層の発生は認められなかった。これに対して、従来品の充填部材を構成するセラミックスには亀裂が発生していることが認められた。また、セラミックス被膜を行っていないＦｅ−Ｃｒコイルでは、コイル表面にシリサイドの反応層の発生は認められた。シリサイドの厚さは５０μｍであった。即ち、本発明品は、従来品に比較して耐久性に富んでいることが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によるセラミックスグロープラグは、発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されているので、最外周部が被膜の薄膜であり、発熱体コイルに接触した状態になる。従って、被膜の熱容量が小さくなって高い熱伝導率であるので、発熱部が急速に昇温できる。また、被膜自体は、Ｓｉ₃Ｎ₄のＣＶＤ膜で構成でき、粒界に助剤等の酸化物を含んでおらず、被膜の部分でのフォノン散乱が生じ難く、熱が伝わり易い構造になっている。また、被膜では、その結晶粒も５０μｍと大きい構造であるので、熱伝導率が高くなる。
【００３５】
このセラミックスグロープラグについて、前記金属コイルに電流を流せば、前記発熱体コイルで発生した熱は前記被膜を加熱して外部に放熱するのに対して前記電流制御用コイルでは温度上昇に伴って前記電流制御用コイルに流れる電流が抑制され、電流制御部を構成する。即ち、前記電流制御用コイルが高温になれば、その抵抗値が大きくなり、前記金属コイルに流れる電流が小さくなり、前記外殻からの発熱量が自己制御され、発熱部が最適値に制御されることになる。
【００３６】
また、このセラミックスグロープラグは、最外周部の前記被膜が薄膜であるのでその熱容量が小さく、しかも前記被膜の熱伝導率が高いので、急速な昇温が可能になる。また、前記グロープラグ本体を構成する反応焼結セラミックスは焼成時に収縮が発生せず、しかも金属コイルのコイル形状の自由度が大きくなり、最も形状の安定したコイル状の三次元形状に形成することができ、発熱体コイルはコイル状に形成されて被膜の内壁面に密着しており、通電時に温度が不均一になることがなく、発熱時の温度分布が均一になって、内部のグロープラグ本体の割れ等が発生せず、耐久性に富むと共に低コストで製造できる。
【００３７】
或いは、この発明によるセラミックスグロープラグは、緻密質セラミックスから作製した外殻、該外殻内に内包された発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、前記外殻内に充填され且つ前記金属コイルの間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ₃Ｎ₄を含むセラミックスから成る充填部材、及び前記金属コイルの表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜から構成したので、セラミックス被膜が前記金属コイルと前記充填部材との間の熱膨張差を吸収する熱膨張傾斜機能材即ち熱膨張差の緩和材として機能し、前記充填部材の割れ等の発生を防止でき、耐久性を向上でき、昇温特性も向上させることができる。更に、前記充填部材を作製する場合に、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末を含んでいるので、焼結時の発熱量を小さくでき、前記充填部材を所望の多孔質の無収縮セラミックスに構成できる。
【００３８】
また、前記セラミックス被膜は電気泳動法により被覆されたＭｇＯ，ＺｒＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃の各層から構成され、前記各層はそれらの熱膨張係数が傾斜的になるように配置されているので、前記セラミックス被膜を所望な熱膨張傾斜機能に形成できる。前記発熱体コイルが発熱部を構成するが、前記発熱体コイルが前記外殻の内壁面に接触して配置されているので、前記外殻全体が均一に温度上昇する。前記外殻の内壁面に前記発熱体コイルが密着し、前記発熱体コイルを埋める状態に前記充填部材が充填されているので、前記発熱部の熱伝導性が極めて良好になり、通電すると直ちに昇温し、速熱性を向上させることができる。
【００３９】
また、前記外殻内に充填した無収縮セラミックスは、Ｓｉ，Ｔｉ及びＳｉ₃Ｎ₄を含んでいる原料を緻密質のＳｉ₃Ｎ₄からなる外殻内に充填してＮ₂ガス内で反応焼成することによって、ＳｉとＴｉとをＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮに変化させるものであり、前記外殻を緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄で作製しておけば、焼成時にＴｉＮが膨張し、外殻のＳｉ₃Ｎ₄と反応Ｓｉ₃Ｎ₄とが密着することができ、しかも、加圧無しで焼成しても、ＴｉＮの膨張作用によって外殻と充填部材との間の境界に隙間が発生せず、前記金属コイルを三次元形状に形成しても該金属コイルと前記外殻との接触状態を悪化させることがなく、熱伝達効率を向上でき、発熱部での迅速な昇温を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるセラミックスグロープラグの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のセラミックスグロープラグにおける通電時間と発熱部の表面温度との関係を示すグラフである。
【図３】この発明によるセラミックスグロープラグの別の実施例を示す断面図である。
【図４】図３のセラミックスグロープラグの金属コイルと充填部材との境界を説明するための拡大断面図である。
【図５】図３のセラミックスグロープラグにおける通電時間と発熱部の表面温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１グロープラグ本体
２被膜
３，２３金属コイル
４，２４電流制御用コイル
５，２５発熱体コイル
６，７，２６，２７接続線
８，２８発熱部
９グロープラグ本体の表面
１０，３５閉鎖端部
１１，３１開口端部
１２被膜の内面
２１充填部材
２２外殻
２９充填部材の表面
３０セラミックス被膜
３２ＭｇＯのセラミックス被膜
３３ＺｒＯ₂のセラミックス被膜
３４Ａｌ₂Ｏ₃のセラミックス被膜[0001]
[ TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION ]
The present invention relates to a ceramic glow plug used for a diesel engine or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a glow plug for a diesel engine is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-141424. The glow plug is provided with a cylindrical ceramic heater at the tip of a hollow holder, and the ceramic heater is laminated on a thin plate insulator made of insulating ceramic and on both side surfaces and one end of the thin plate insulator. A laminated body made of a thin plate-like resistor made of conductive ceramic is bent in the width direction to form a cylindrical body, and a protective pipe made of conductive ceramic is fitted on the outer periphery of the rear end side of the cylindrical body. It is fired and integrally molded.
[0003]
In addition, the self-current control type glow plug uses rod-shaped ceramics in which a heating wire such as a tungsten wire is embedded in a ceramic material, improves heat transfer efficiency, and self-controls the energization power to the heating wire to provide heat generation characteristics. What is known to improve and prevent overheating in the heater portion. For example, self-current control type glow plugs are disclosed in Japanese Patent Publication No. 4-34052, Japanese Patent Publication No. 60-19404, Japanese Patent Publication No. 59-157423, and the like.
[0004]
In addition, the glow plug disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-183718 is provided with a heat generating portion in which a heating element is embedded in a ceramic sintered body on the front end side of the casing. In the sintered body, a silicon carbide coating layer is formed on the surface of the aluminum nitride sintered body by a vapor phase method.
[0005]
Further, in the ceramic heater disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-259778, the heat generating portion in which the heating element is embedded is formed of aluminum nitride ceramics, and the support portion that supports the heat generating portion is formed of silicon nitride ceramics. It is.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional glow plug has a structure in which a metal wire having a high melting point, such as a tungsten wire, is embedded in a ceramic such as silicon nitride in a sandwich shape by hot pressing. Therefore, the conventional glow plug has a problem that a temperature gradient is formed at the center, non-uniform thermal stress is generated, and the ceramic embedded with the metal wire is easily broken due to cracks and cracks.
[0007]
Alternatively, in the conventional metal coil, a rush coil or a heating element coil is made of an Fe-Cr alloy, a brake coil or a current control coil is made of Ni, and a heating element coil and a current control coil made of different metals are connected in series. Connected. In the conventional glow plug, the metal coil is disposed inside the metal sheath and the space portion is filled with MgO powder. Fe—Cr alloy and Ni have a low eutectic point and are generally integrally fired with ceramics. In other words, it has a property that it can easily form silicide by reacting with Si and has a large difference in thermal expansion coefficient.
[0008]
Furthermore, AlN used in conventional glow plugs has a characteristic that shrinkage of 15 to 20% occurs during firing. Therefore, during hot press firing in the process of making glow plugs, the shape of the coil must be a two-dimensional shape. As a result, the heat generated by the glow plug becomes non-uniform in temperature, causing ceramic cracks, cracks, etc. This causes a problem that durability is lowered.
[0009]
Further, in the conventional self-current control type glow plug, since a heating wire such as a tungsten wire is embedded in the ceramic at the time of molding, the sintering requires pressure sintering, and hot pressing, that is, uniaxial pressure sintering. Yui is usually done. For this reason, the shape of the heating wire embedded in the ceramic is limited and a two-dimensional structure is formed, so that the inner wall surface of the ceramic outer shell or the ceramic in the inner shell and the heating wire are separated, and the heat transfer efficiency is lowered. However, there is a problem that the rapid heating property of the ceramic heater is lowered. Also, the heat generating part is tungsten wire and Si _Three N _Four In ceramic glow plugs that are integrated with each other during hot pressing, tungsten wire and Si _Three N _Four There is a problem that a gap is formed at the boundary between the two and moisture or oxygen enters from the gap and corrosion or the like occurs. In particular, tungsten wire and Si _Three N _Four There is a problem that the boundary must be sealed in order to prevent moisture or oxygen from entering through the gap at the boundary.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and a metal coil such as a tungsten wire made up of a current control coil and a heating element coil is arranged to adjust the current flowing through the heating part and the current control part. It is configured as a self-current control type that ensures optimal heat generation, and the metal coil is made of Si, Ti, Si _Three N _Four After fleshing with a slurry consisting of, reaction-sintering, the surface of the reaction-sintered ceramic is Si or CVD by thermal spraying _Three N _Four It is an object to provide a ceramic glow plug that can be manufactured at a low cost by forming a dense ceramic film such as a metal coil and forming a metal coil in a three-dimensional shape.
[0011]
Another object of the present invention is to produce an outer shell from dense ceramics, and arrange a metal coil comprising a current control coil and a heating element coil in the outer shell, and adjust the current flowing through the heating section and the current control section. Thus, a self-current control type that secures an optimum heat generation amount is filled, and the reaction sintered ceramic that does not shrink in the outer shell during firing is filled in the outer shell, and the metal coil is enclosed in the filling member. In addition, a ceramic film made of a gradient material is coated on the outer peripheral surface of the metal coil by electrophoresis to alleviate the thermal stress of the metal coil against the filling member and prevent reaction, and the metal coil is uniformly formed in a three-dimensional shape. The object is to provide a ceramic glow plug that can be heated and manufactured at low cost.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. That is, the present invention relates to a metal coil having a heating element coil and a current control coil connected in series and having a terminal, and a reactive sintered ceramic having a porosity of 10% or more containing Si and Ti around the metal coil. A glow plug body, and a coating made of ceramics containing no oxide at the grain boundaries formed on the surface of the glow plug body. The coating is formed in contact with the heating element coil. The present invention relates to a ceramic glow plug. In this ceramic glow plug, the ceramic constituting the coating is Si. _Three N _Four The glow plug body is coated with either CVD or thermal spraying.
[0013]
Alternatively, the present invention provides an outer shell made of a dense ceramic, a heating element coil enclosed in the outer shell, and a current control coil connected in series and having a terminal, and filling the outer shell And a filler member made of ceramics containing Si and Ti disposed in the gap between the metal coils, and a plurality of layers of ceramic coatings formed on the surface of the metal coil and having different thermal expansion coefficients. The present invention relates to a characteristic ceramic glow plug. Further, in this ceramic glow plug, the ceramic film is coated with MgO, ZrO coated by electrophoresis. ₂ , Al ₂ O _Three The layers are arranged such that their thermal expansion coefficients are inclined. Further, the ceramic constituting the filling member is Si. _Three N _Four , Si and Ti are made of non-shrinkable ceramics formed by reaction sintering.
[0014]
this The ceramic glow plug is composed of a metal coil having a heating element coil and a current control coil connected in series and having a terminal, and a reactive sintered ceramic having a porosity of 10% or more containing Si and Ti around the metal coil. A glow plug body, and a coating made of ceramics that does not contain oxide at the grain boundaries formed on the surface of the glow plug body. The coating is formed in contact with the heating element coil. Therefore, when a current is passed through the metal coil, the heat generated in the heating element coil heats the coating and dissipates it to the outside, whereas in the current control coil, the current control coil The current flowing through is suppressed and constitutes a current control unit. That is, if the current control coil becomes hot, the resistance value increases, the current flowing through the metal coil decreases, and the amount of heat generated from the outer shell is self-controlled and controlled to an optimum value. Become.
[0015]
In particular, the ceramic glow plug has a small heat capacity because the coating on the outermost peripheral portion is a thin film, and has a high thermal conductivity, so that a rapid temperature increase is possible. In addition, the reaction sintered ceramics constituting the glow plug body does not shrink during firing, and the degree of freedom of the coil shape of the metal coil is increased, so that it is formed into the most stable coiled three-dimensional shape. Therefore, the temperature distribution during heat generation becomes uniform, cracks do not occur, and manufacturing can be performed at low cost.
[0016]
In particular, non-shrinkable ceramics filled in the outer shell are Si, Ti and Si. _Three N _Four The raw material containing Si is dense Si _Three N _Four N filled in the outer shell ₂ Si and Ti are converted into Si by reactive baking in gas. _Three N _Four , TiN, TiO ₂ , TiON, and the outer shell is made of dense Si _Three N _Four In this case, TiN expands during firing, and Si of the outer shell _Three N _Four And reaction Si _Three N _Four In addition, even when baked without pressurization, no gap is formed at the boundary between the outer shell and the filling member due to the expansion action of TiN, and the metal coil is formed in a three-dimensional shape. However, the contact state between the metal coil and the outer shell is not deteriorated, the heat transfer efficiency can be improved, and the temperature can be quickly raised at the heat generating portion.
[0017]
[ BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION ]
Embodiments of a ceramic glow plug according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the ceramic glow plug according to the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between the energization time and the surface temperature of the heat generating portion for the ceramic glow plug.
[0018]
This ceramic glow plug is mainly incorporated in a diesel engine or the like and used as a starting auxiliary device. The ceramic glow plug is connected to a heating element coil 5 and a current control coil 4 in series and serves as a terminal. 7, a glow plug body 1 made of a reactive sintered ceramic containing Si and Ti and having a porosity of 10% or more, and a surface 9 that is an outer surface of the glow plug body 1. The formed grain boundary is composed of a coating 2 made of ceramics containing no oxide. The ceramic constituting the coating 2 is Si _Three N _Four The thin film is formed by coating the surface 9 of the glow plug body 1 with either the CVD method or the thermal spraying method. In this ceramic glow plug, the tip side of the glow plug body 1 coated with the coating 2 is formed as a heat generating portion 8.
[0019]
The ceramic constituting the glow plug body 1 in which the metal coil 3 is embedded is a ceramic that expands during firing, and the coating 2 is made of a dense ceramic. The coating 2 is coated on the entire surface 9 of the glow plug body 1, silicon nitride Si having one end formed on the closed end 10 and the other end formed on the open end 11. _Three N _Four It is made from dense ceramics.
[0020]
Moreover, in this ceramic glow plug, the reaction sintered ceramics constituting the glow plug body 1 are obtained by firing Si and Ti raw materials. _Three N _Four , TiN, TiO ₂ , Converted to porous ceramics containing TiON, the raw material volume of Si and Ti before firing and Si after firing _Three N _Four , TiN, TiO ₂ , TiON and the volume are substantially the same, and sintering shrinkage does not occur. Therefore, dense Si _Three N _Four There is no gap at the boundary between the inner surface 12 of the coating 2 and the surface 9 of the non-shrinkable ceramic glow plug body 1.
[0021]
Further, the metal coil 3 is made into a three-dimensional coil with a tungsten wire such as a refractory metal, and the portion disposed in contact with the inner surface 12 of the coating 2 constitutes the heating element coil 5. The portion arranged in a spaced state from the inner surface 12 of the current constitutes the current control coil 4. Furthermore, the metal coil 3 extends from the glow plug body 1 by extending through the connecting wire 13 connecting one end of the heating element coil 5 and one end of the current control coil 4 and the coating 2 connected to the other end of the heating element coil 5. The connecting wire 7 protrudes from the glow plug main body 1 by connecting to the other end of the current control coil 4 and extending through the coating 2.
[0022]
Next, an embodiment of a method for producing a ceramic glow plug according to the present invention will be described. In this ceramic glow plug manufacturing method, one tungsten wire, which is a refractory metal, is wound into a coil shape with a wire diameter of φ0.2 mm, and the portion that becomes the heating element coil 5 is formed with an inner diameter of φ3.5 mm to control the current. A metal coil 3 was manufactured by forming a portion to be the coil 4 for use with a slightly smaller inner diameter. The metal coil 3 was placed in a gypsum mold having a hole with an inner diameter of φ3.5 mm, and a slurry made of Si and Ti was filled in the gypsum mold to solidify the slurry. After taking out the solidified molded body from the gypsum mold and drying the molded body, ₂ A sintered body that becomes the glow plug body 1, that is, a porous ceramic, was fired at 1400 ° C. in a gas. In this porous ceramic, a slurry made of a raw material containing Si and Ti is made of Si. _Three N _Four , TiN, TiO ₂ , Converted to non-shrinkable ceramics made of TiON. Further, in this state, the metal coil 3 that becomes the heating element coil 5 is exposed on the surface of the porous ceramics, and the metal coil 3 that becomes the current control coil 4 is placed inside the porous ceramics. It is in an embedded state.
[0023]
Next, in order to form the film 2 on the surface 9 of the glow plug body 1, a CVD method or a thermal spraying method can be applied. In this example, the film 2 was formed by the CVD method. That is, SiCl _Four , NH _Three , N ₂ , H ₂ CVD-Si so that the thickness of the surface 9 of the porous ceramics containing the metal coil 3 in a 1500 ° C. CVD furnace is about 150 μm, using (carrier gas) as a source gas. _Three N _Four Dense Si film _Three N _Four A ceramic glow plug was produced by forming the coating 2.
[0024]
With respect to this ceramic glow plug, the glow plug body 1 and the coating 2 are brought into close contact with each other by the above-described CVD process, and the porous ceramic is made into dense Si. _Three N _Four O sealed in the porous ceramics ₂ The gas concentration becomes almost zero, and the oxidation of the tungsten wire forming the metal coil 3 can be prevented. At the same time, very small holes existing on the surface of the porous ceramic are blocked by the CVD reaction. Mixing etc. can also be prevented. CVD-Si _Three N _Four The film, that is, the film 2 has a structure in which no oxide is included in the grain boundary.
[0025]
The results of measuring the temperature rise characteristics of this ceramic glow plug are shown in FIG. The temperature rise characteristics of this ceramic glow plug (product of the present invention) were compared with those of a glow plug (conventional product) in which SiC was coated on the surface of a conventional AlN. In FIG. 2, the horizontal axis represents the energization time (sec), and the vertical axis represents the surface temperature (° C.) of the heat generating portion 8. As can be seen from FIG. 2, the product of the present invention has a shorter energization time than the conventional product, and immediately rises to a predetermined temperature. That is, the ceramic glow plug according to the present invention has a heat capacity that is small because the outermost peripheral portion is formed of a thin film of the coating 2, and has a high thermal conductivity. Further, Si by CVD constituting the coating 2 _Three N _Four Does not contain an oxide such as an auxiliary agent at the grain boundary, and phonon scattering hardly occurs in this portion, so that heat is easily transmitted. CVD-Si _Three N _Four The crystal grains are sintered Si _Three N _Four Is about 10 μm, whereas it is as large as 50 μm, which is considered to be a factor that increases the thermal conductivity. However, CVD-Si _Three N _Four The heat transfer rate K of the steel is 50 W / m · K, whereas _Three N _Four The heat transfer rate K is 27 W / m · K.
[0026]
Next, another embodiment of the ceramic glow plug according to the present invention will be described with reference to FIG. 3, FIG. 4 and FIG. The ceramic glow plug of this embodiment mainly includes an outer shell 22 made of a dense ceramic, a heating element coil 25 enclosed in the outer shell 22 and a current control coil 24 connected in series, and terminals 26 and 27. , A filling member 21 made of ceramics containing Si and Ti, filled in the outer shell 22 and disposed in the gap between the metal coils 23, and thermal expansion formed on the surface of the metal coil 23. It is composed of a plurality of layers of ceramic coatings 32, 33, and 34 (generically indicated by reference numeral 30) having different coefficients. In this embodiment, the heating element coil 25 is in contact with the outer shell 22 at the front end side of the outer shell 22 to constitute the heat generating portion 28. The outer shell 22 has an end portion on the heat generating portion 28 side formed at the closed end portion 35 and the other end formed at the open end portion 31, and the connection lines 26 and 27 extend.
[0027]
In this ceramic glow plug, the heating element coil 25 is made of Fe—Cr, and the current control coil 24 is made of Ni. The metal coil 23 is configured by connecting a heating element coil 25 and a current control coil 24 in series, and coating the surfaces thereof with ceramic coatings 32, 33, and 34. The melting point of Fe—Cr is 1516 ° C. and the thermal expansion coefficient α is 15 × 10. ^-6 / ° C. Ni has a melting point of 1455 ° C. and a thermal expansion coefficient α of 13 × 10. ^-6 / ° C. Further, the internal ceramic film 32 coated on the surface of the metal coil 23 is MgO, and the intermediate ceramic film 33 is ZrO. ₂ And the external ceramic coating 34 is made of Al. ₂ O _Three It is. The thermal expansion coefficient α of MgO is 13 × 10 ^-6 / ° C, ZrO ₂ Has a coefficient of thermal expansion α of 9.5 × 10 ^-6 / ℃, Al ₂ O _Three Has a coefficient of thermal expansion of 7.5 × 10 ^-6 / ° C. The ceramic constituting the filling member 21 is Si. _Three N _Four , Si, Ti, and non-shrinkable ceramics formed by reaction sintering. This non-shrinkable ceramic has a thermal expansion coefficient α of 3 × 10. ^-6 / ° C. Further, the dense ceramic constituting the outer shell 22 is a dense Si. _Three N _Four The coefficient of thermal expansion α is 3.5 × 10 ^-6 / ° C.
[0028]
This ceramic glow plug has the above-described configuration, and the metal coil 23 is electrophoretic or sol-coated with a ceramic coating 30 in which the thermal expansion coefficient changes in an inclined manner with respect to the non-shrinkable ceramic constituting the filling member 21. -Since it is coated by the gel method, thermal stress is relieved in non-shrinkable ceramics, and it has excellent durability and good temperature rise characteristics. Further, MgO has an effect of suppressing the reaction between the metal part and other kinds of materials.
[0029]
Next, this ceramic glow plug can be manufactured as follows. First, the rush coil, that is, the heating element coil 25 is made of Fe—Cr, and the brake coil, that is, the current control coil 24 is made of Ni (having a positive resistance temperature coefficient). A metal coil 23 was produced by connecting a current control coil 24 and a heating element coil 25 in series. Next, the outer peripheral surface of the metal coil 23 is electrophoresed with MgO, ZrO. ₂ And Al ₂ O _Three The ceramic coatings 32, 33, and 34 were coated on the surface of the metal coil 23 so that the thermal expansion coefficient changed in an inclined manner, and each thickness was formed to 50 μm. On the other hand, the outer shell 22 is made of Si having a relative density of 99% or more. _Three N _Four And formed to φ3.5.
[0030]
Therefore, a metal coil 23 coated with ceramic coatings 32, 33, 34 is placed in the outer shell 22, and Si, Ti, Si are placed in the space of the outer shell 22. _Three N _Four A slurry consisting of powder was filled. After drying the slurry, N ₂ Reaction-sintering was performed at 1300 ° C. in gas to constitute a non-shrinkable ceramic. Therefore, the surface 29 of the filling member 21 filled in the outer shell 22 is the inner wall surface of the outer shell 22. 20 In addition, the heating element coil 25 of the metal coil 23 is also in close contact with the inner wall surface 20 of the outer shell 22. Therefore In addition, no gap is generated at the boundary between the outer shell 22 and the filling member 21, and the heat generated by the heating element coil 25 is favorably conducted to the heat generating portion 28 of the outer shell 22, thereby improving the rapid heating property.
[0031]
The temperature for reaction sintering is 1200 ° C. to 1400 ° C., and in this example, reaction sintering is performed at 1300 ° C. Actually, 3Si + 2N ₂ → Si _Three N _Four The internal temperature is unknown because of the reaction. In addition, the slurry is Si _Three N _Four By mixing the powder, the amount of heat generated during sintering can be reduced. In other words, Si _Three N _Four The calorific value can be lowered by reducing the substantial amount of Si and Ti constituting the slurry by mixing the powder. At this time, since the metal coil 23 is covered with the ceramic coatings 32, 33, 34, when the metal coil 23 is enclosed in the non-shrinkable ceramic filling member 21, the ceramic coatings 32, 33, 34 are filled with the filling member 21. The function of relaxing the thermal expansion coefficient with respect to 21 can be exhibited, and the occurrence of cracks, cracks and the like of the filling member 21 can be prevented.
[0032]
FIG. 5 shows the results of measuring the temperature rise characteristics of the ceramic glow plug of this example. The temperature rise characteristics of this ceramic glow plug (product of the present invention) were compared with those of a glow plug (conventional product) using a conventional tungsten coil. In FIG. 5, the horizontal axis represents energization time (sec), and the vertical axis represents the surface temperature (° C.) of the heat generating portion 8. As can be seen from FIG. 5, the product of the present invention has a shorter energization time than the conventional product, and similarly rises to a predetermined temperature (1000 ° C.), and it can be seen that it is excellent in rapid heating.
[0033]
In addition, in order to evaluate the durability of the product of the present invention and a conventional product using an Fe—Cr coil not coated with a ceramic film, the temperature rise from room temperature to 1000 ° C. and the temperature drop were repeated 500 cycles, and then the filling member The ceramics and metal coils constituting the metal were observed. In the product of the present invention, no damage such as cracks was observed in the filling member 21. Generation | occurrence | production of the reaction layer was not recognized on the coil surface of the metal coil 23 of this invention product. On the other hand, it was recognized that cracks occurred in the ceramics constituting the conventional filling member. In addition, in the Fe—Cr coil without the ceramic coating, generation of a silicide reaction layer was observed on the coil surface. The thickness of the silicide was 50 μm. That is, it can be seen that the product of the present invention is richer in durability than the conventional product.
[0034]
【The invention's effect】
The ceramic glow plug according to this invention , Departure A metal coil in which a thermal coil and a current control coil are connected in series and having a terminal; a glow plug body made of a reaction sintered ceramic containing Si and Ti around the metal coil and having a porosity of 10% or more; and It is composed of a coating made of ceramics that does not contain oxide at the grain boundaries formed on the surface of the glow plug body. The coating is formed in contact with the heating element coil. Therefore, the outermost peripheral part is a thin film of a film, and it will be in the state which contacted the heating element coil. Therefore, the heat capacity of the coating is small Become Since the heat conductivity is high, the heating part can be rapidly heated. The coating itself is made of Si. _Three N _Four The film has a structure in which no oxide such as an auxiliary agent is included in the grain boundary, phonon scattering hardly occurs at the coating portion, and heat is easily transmitted. Moreover, since the crystal grains have a large structure of 50 μm, the thermal conductivity is increased.
[0035]
With respect to the ceramic glow plug, when a current is passed through the metal coil, the heat generated in the heating element coil heats the coating and dissipates it to the outside, whereas the current control coil increases the temperature as the temperature increases. The current flowing through the current control coil is suppressed, and the current control unit is configured. That is, when the current control coil becomes hot, its resistance value increases, the current flowing through the metal coil decreases, the amount of heat generated from the outer shell is self-controlled, and the heat generating part is controlled to the optimum value. Will be.
[0036]
Further, the ceramic glow plug has a small heat capacity because the coating on the outermost peripheral portion is a thin film, and has a high thermal conductivity, so that a rapid temperature increase is possible. In addition, the reaction sintered ceramics constituting the glow plug body does not shrink during firing, and the degree of freedom of the coil shape of the metal coil is increased, so that it is formed into the most stable coiled three-dimensional shape. The heating element coil is formed in the shape of a coil and is in close contact with the inner wall surface of the coating, so that the temperature does not become non-uniform when energized, the temperature distribution during heat generation becomes uniform, and the internal glow plug The main body is not cracked, and it has excellent durability and can be manufactured at low cost.
[0037]
Alternatively, the ceramic glow plug according to the present invention includes an outer shell made of a dense ceramic, a heating element coil enclosed in the outer shell and a current control coil connected in series and a metal coil having a terminal, Si, Ti, Si filled in the shell and disposed in the gap of the metal coil _Three N _Four The ceramic member is made of a ceramic material containing ceramic and a plurality of layers of ceramic coatings having different thermal expansion coefficients formed on the surface of the metal coil, so that the ceramic coating has a thermal expansion between the metal coil and the filling member. It functions as a thermal expansion gradient functional material that absorbs the difference, that is, a thermal expansion difference mitigating material, can prevent the filling member from cracking, improve durability, and improve temperature rise characteristics. Furthermore, when producing the filling member, Si _Three N _Four Since the powder is contained, the calorific value at the time of sintering can be reduced, and the filling member can be formed into a desired porous non-shrinkable ceramic.
[0038]
In addition, the ceramic coating is MgO, ZrO coated by electrophoresis. ₂ , Al ₂ O _Three The layers are arranged so that their thermal expansion coefficients are inclined, so that the ceramic coating can be formed in a desired thermal expansion gradient function. Although the said heat generating body coil comprises a heat generating part, since the said heat generating body coil is arrange | positioned in contact with the inner wall face of the said outer shell, the temperature of the said whole outer shell rises uniformly. Since the heating element coil is in close contact with the inner wall surface of the outer shell and the filling member is filled so as to fill the heating element coil, the heat conductivity of the heating portion becomes extremely good and immediately increases when energized. It can warm and improve quick heat property.
[0039]
The non-shrinkable ceramic filled in the outer shell is composed of Si, Ti and Si. _Three N _Four The raw material containing Si is dense Si _Three N _Four N filled in the outer shell ₂ Si and Ti are converted into Si by reactive baking in gas. _Three N _Four , TiN, TiO ₂ , TiON, and the outer shell is made of dense Si _Three N _Four In this case, TiN expands during firing, and Si of the outer shell _Three N _Four And reaction Si _Three N _Four In addition, even when baked without pressurization, no gap is formed at the boundary between the outer shell and the filling member due to the expansion action of TiN, and the metal coil is formed in a three-dimensional shape. However, the contact state between the metal coil and the outer shell is not deteriorated, the heat transfer efficiency can be improved, and the temperature can be quickly raised at the heat generating portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a ceramic glow plug according to the present invention.
2 is a graph showing the relationship between the energization time and the surface temperature of the heat generating part in the ceramic glow plug of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the ceramic glow plug according to the present invention.
4 is an enlarged cross-sectional view for explaining a boundary between a metal coil and a filling member of the ceramic glow plug of FIG. 3;
5 is a graph showing the relationship between the energization time and the surface temperature of the heat generating part in the ceramic glow plug of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Glow plug body
2 Coating
3,23 metal coil
4,24 Coil for current control
5,25 Heating element coil
6, 7, 26, 27 connecting line
8,28 Heating part
9 Surface of glow plug body
10,35 closed end
11,31 Open end
12 Inner surface of the coating
21 Filling member
22 outer shell
29 Filler surface
30 Ceramic coating
32 MgO ceramic coating
33 ZrO ₂ Ceramic coating
34 Al ₂ O _Three Ceramic coating

Claims

A metal coil in which a heating element coil and a current control coil are connected in series and having a terminal; a glow plug body made of a reactive sintered ceramic containing Si and Ti around the metal coil and having a porosity of 10% or more; A ceramic glow plug characterized in that it is formed of a coating made of ceramics that does not contain oxide at the grain boundary formed on the surface of the glow plug body, and the coating is formed in contact with the heating element coil .

2. The ceramic glow plug according to claim 1, wherein the ceramic constituting the coating is made of Si ₃ N ₄ , and the glow plug body is coated by either CVD or thermal spraying.

An outer shell made of a dense ceramic, a heating element coil enclosed in the outer shell and a current control coil connected in series and having a terminal, and a metal coil filled in the outer shell and of the metal coil It is composed of a filler member made of ceramics containing Si, Ti, Si ₃ N ₄ disposed in the gap, and a plurality of ceramic coatings having different thermal expansion coefficients formed on the surface of the metal coil. Ceramic glow plug.

The ceramic coating is composed of MgO, ZrO ₂ , and Al ₂ O ₃ layers coated by electrophoresis, and the layers are arranged so that their thermal expansion coefficients are inclined. The ceramic glow plug according to claim 3.

4. The ceramic glow plug according to claim 3, wherein the ceramic constituting the filling member is made of a non-shrinkable ceramic formed by reactive sintering of a slurry made of Si ₃ N ₄ , Si, Ti. .