JP4390427B2 - ヒータ並びにグロープラグ及びウォーターヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体、液体などの加熱対象物を加熱するヒータ並びにディーゼルエンジンのグロープラグ及び水を加熱するウォーターヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンに使用するヒータとしてグロープラグがある。このグロープラグは、筒状の主体金具と、発熱部を構成する有底筒状の外筒と、その外筒内に配置される発熱手段たる発熱コイルと、外筒の開口部から内部に臨み前記発熱コイルに直接又は制御コイルを介して間接的に接続された中軸と、外筒の内部に詰めた絶縁粉末とから構成される。前記外筒の開口部は、中軸との間に施された弾性パッキンによって塞がれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記グロープラグの不具合事例として、絶縁粉末が吸湿したことに起因する外筒の膨らみと、外筒内にオイルが染み込んだことに起因するオイルショートがある。これらは外筒の開口部のシール不良により発生するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記に鑑みなされたもので、有底筒状の外筒と、その外筒内面に一端を接続した発熱手段と、外筒の開口部から内部に臨み前記発熱手段に直接又は間接的に接続された中軸と、外筒の内部に詰めた絶縁粉末とを有し、前記外筒と中軸の間に弾性パッキンによるシールを施して外筒の開口部を塞ぐようにしたヒータにおいて、前記弾性パッキンは、その材質がフッ素樹脂であり、且つＯリング状又は断面四角形のリング状であり、前記弾性パッキンの被シール面に対する密着長さを２．５ｍｍ以上、６ｍｍ以下の範囲に設定されており、前記ヒータは、内孔内に嵌合部が形成され、当該嵌合部にて前記外筒を締まり嵌め状態に固着する主体金具を備え、前記外筒は、前記主体金具に形成される前記嵌合部と固着される固着部と、前記開口部を含んで形成され、前記嵌合部の内径よりも小さい外径を有する径小部とを有し、前記径小部の軸方向の長さは、前記弾性パッキンの密着長さよりも長く、さらに、前記主体金具に形成される前記嵌合部の内径と前記外筒の前記径小部の開口部における外径との径差が、０．０２〜０．５ｍｍの範囲とされているヒータを提供する。
【０００５】
弾性パッキンの被シール面に対する密着長さを２.５ｍｍ以上に設定したことにより、プレッシャークッカー試験（日本電子機械工業会規格ＩＣ−１２１）をクリアするシール性能が得られ、且つ、オイルに浸した後に通電するというパターンを繰り返す試験を行ってもオイルショートが発生しない。
【０００６】
また、前記弾性パッキンの密着長さを６ｍｍ以下に設定するとよい。弾性パッキンの密着長さを大きくすることはシール部への挿入性を悪くする要因になるが、前記の範囲内であれば挿入性の悪化が問題になることは殆どなく、むしろシール性能の向上による利益の方が格段に大きい。
【０００７】
また、前記ヒータは、内孔内に嵌合部が形成され、当該嵌合部にて前記外筒を締まり嵌め状態に固着する主体金具を備え、前記外筒は、前記主体金具に形成される前記嵌合部と固着される固着部と、前記開口部を含んで形成され、前記嵌合部の内径よりも小さい外径を有する径小部とを有し、前記径小部の軸方向の長さは、前記弾性パッキンの密着長さよりも長くするとよい。
【０００８】
ところで、内部に発熱手段及び絶縁粉末を収容する外筒を有するヒータとしては、主体金具の内孔に設けられた嵌合部に締まり嵌め（圧入嵌合）させて固定した構造を有するものが一般的である。そして、このように外筒を主体金具の嵌合部に圧入嵌合するにあたり、太さが一様の外筒を上記嵌合部に圧入する場合には、外筒の開口部側が嵌合部に入るときから圧入が開始されるため、外筒を圧入しながら主体金具の内部に押し込む距離が長くなる傾向にある。そのために、圧入荷重が大きくなったり、ばらつきを生じることになり、圧入荷重過大による外筒の曲がり等を誘発する危険性がある。
【０００９】
そこで、本発明のように、外筒を、主体金具に形成される嵌合部と固着される固着部と、開口部を含んで形成され、嵌合部の内径よりも小さい外径を有する径小部と有するものとすることが好ましい。このように、外筒を主体金具の嵌合部に挿入する際の当該外筒の挿入側となる開口部を含んで形成される径小部を、嵌合部の内径よりも小さい外径とすることで、外筒の主体金具の嵌合部への装着開始当初における嵌合部通過時の抵抗が殆どなくなる。従って、外筒の主体金具への圧入荷重が必要以上に大きくなることがなく、外筒の曲がりを抑制することができる。
【００１０】
そして、本発明では、このように外筒に固着部、径小部を設けるにあたって、径小部の軸方向の長さを、前記弾性パッキンの密着長さよりも長くすることが注目すべき点である。このような構成を図ることで、前記弾性パッキンは径小部の内周面の部分にのみ密着することになる。すなわち、外筒のうちで、主体金具の嵌合部に圧入固定されることになる固着部の内周面には、弾性パッキンが接することなく、当該弾性パッキンに比して硬質な絶縁粉末が固着部の内側に充填された形態で内周面に接することになり、固着部と嵌合部との間で締まり嵌めによって生じる応力が均一にかかり、より確実に外筒を主体金具に保持することができる。
【００１１】
さらに、前記主体金具に形成される前記嵌合部の内径と前記外筒の前記径小部の開口部における外径との径差が、０．０２〜０．５ｍｍの範囲とされているとよい。この径差が０．０２ｍｍ未満であると、径小部を主体金具の嵌合部に圧入する際にスムーズな挿入が困難となることがあり、外筒の主体金具の嵌合部への装着開始当初における嵌合部通過時の抵抗低減効果を十分に得られないことがある。一方、径差が０．５ｍｍを超えると、外筒の主体金具の嵌合部への装着時に、主体金具の中心軸線に対して径小部が偏芯し易く、この偏芯を生ずることにより圧入荷重が却って過大となり、外筒に曲がりが生じる危険性がある。なお、この径差については、０．０２〜０．３ｍｍの範囲とすることがより好ましい。
【００１２】
前記弾性パッキンは、外筒の開口部からはみ出ず、その内部に収納されているのがよい。また、弾性パッキンの一部が外筒の開口部から外にはみ出る構成を図る場合には、そのはみ出し長さを３ｍｍ以下とするのが好ましい。弾性パッキンを、外筒の開口部からはみ出させずに、あるいは外筒の開口部からのはみ出す場合にもそのはみ出し長さを外筒の軸方向にみたときに０〜３ｍｍに制限することで、外筒を主体金具の内孔内に挿入する際に、弾性パッキンがその挿入を妨げるように作用するのを抑制することができる。
【００１３】
なお、本発明では、弾性パッキンの材質は、フッ素樹脂が耐熱性に優れていて好ましい。また、弾性パッキンは、請求項１に記載したように、Ｏリング状又は断面四角形のリング状にしている。そうすることにより、外筒への弾性パッキンの挿入が容易になり、なおかつ周方向に及び均等な弾力性の確保により高いシール性能が得られる。
【００１４】
また、本発明は、前記ヒータの用途をディーゼルエンジンに特定したグロープラグを提供し、また別にヒータの用途を水を加熱する用途に特定したウォーターヒータを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、ヒータの代表であるグロープラグを例示して説明する。なお、図１はは右半面を断面にして示す全体正面図、図２（ａ）〜（ｃ）は弾性パッキンの装着工程を示す要部の断面図である。
【００１６】
グロープラグ１は、図１に示したように、軸Ｏ方向に延びる筒状の主体金具２と、主体金具２の先端に固着した軸Ｏ方向に延びる有底筒状の外筒３と、電極となる中軸４とから概略構成される。前記中軸４は主体金具２の中心を通って外筒３内に達しており、また、外筒３の筒底と中軸４の先端は制御コイル５と発熱手段たる発熱コイル６を介して電気的に繋がっている。なお、実施形態は、前記制御コイル５を中軸４と発熱コイル６の間に介在させて両者を間接的に接続したが、制御コイル５を設けないようにして発熱手段たる発熱コイル６と中軸４を直結するようにしてもよい。
【００１７】
前記主体金具２の上端には段付き孔７が形成されており、その段付き孔７に嵌めたブッシュ状の絶縁環８によって中軸４の上部が主体金具２の中心に支持され且つ両者の接合部分が電気的に絶縁されている。また、段付き孔７と中軸４の間には隙間があり、その隙間がＯリング９によって塞がれている。
【００１８】
一方、主体金具２の上端の胴部外周には六角ボルト形態の工具係合部１０があり、また、その下にディーゼルエンジン（図示せず）に装着するための雄ねじ１１が形成されている。また、中軸４の頂部には電源ケーブル（図示せず）を接続するネジ部１２が形成されており、そのネジ部１２に螺合する丸ナット１３で前記絶縁環８が押さえ付けられている。なお、中軸４と電源ケーブルとを電気的に接続するにあたっては、本実施形態のように両者を直接接続するものに限定されず、例えば、中軸４の頂部を覆う形態で端子電極（図示せず）を設け、その端子電極を中軸４に固定した上で当該端子電極と電源ケーブルとを接続させてもよい。
【００１９】
また、外筒３と主体金具２とは、締まり嵌め状態により固定（圧入固定）されている。より詳細には、主体金具２の内孔２ｂ内に嵌合部２ａが形成され、この嵌合部２ａに外筒３の固着部３ａが圧入固定されている。そして、この外筒３には、上記固着部３ａより基端側において、開口部３ｃを含んで形成され、主体金具２に形成される嵌合部２ａの内径よりも小さい外径を有する径小部３ｂが設けられている。
【００２０】
なお、本実施の形態では、主体金具２の嵌合部２ａの内径は４．３ｍｍに形成されている。また、外筒３は、主体金具２に圧入される前の状態において、開口部３ｃを含む径小部３ｂと、その径小部３ｂの外径よりも大きく、且つ嵌合部１２の内径より若干大きい外径を有する径大部とが形成されている。このとき、径小部３ｂの開口部３ｃの位置での外径は４．２ｍｍであり、径大部の外径は４．４ｍｍとなっている。
【００２１】
そして、外筒３の前記径大部の外径と嵌合部２ａの内径の差（４．３ｍｍ−４．４ｍｍ＝−０．１ｍｍ）によって、外筒３が嵌合部２ａに締め付けられて主体金具２に固定（圧入固定）されるのである。圧入固定後における外筒３の前記径大部については、嵌合部２ａの嵌合面と接触する部分にて固着部３ａを構成し、その固着部３ａの外径は４．３ｍｍとなっている。
【００２２】
また、嵌合部１２の内径（４．３ｍｍ）と径小部３ｂの開口部３ｃの位置における外径（４．２ｍｍ）との径差が０．１ｍｍとなるように設定されている。これにより、外筒３の主体金具２の嵌合部２ａへの装着開始当初における嵌合部２ａ通過時の抵抗を低減することができると共に、外筒３と主体金具２との軸芯合わせが精度良く行われることになる。
【００２３】
前記外筒３は、導電性金属で形成されており、図１に示すように、内部に例えばマグネシア等の絶縁粉末１４が詰められている。そして、外筒３と中軸４の間に弾性パッキン１５によるシールが施されていて、その弾性パッキン１５で外筒３の開口部３ｃが塞がれている。そのシール工程を示したのが図２（ａ）〜（ｃ）である。
【００２４】
なお、弾性パッキン１５はフッ素樹脂（フッ素ゴム）製で断面四角形のリング状であり、シール肯定での変形（潰れ）を見込んで密着長さが２．５ｍｍ以上になるように高さと厚みが設定されている。また、外筒３の筒底には前工程で発熱コイル６が溶接等により接続されていて、外筒３の開口部３ｃから中軸４が突出している。但し、中軸４は図１中符号Ｚで示した部分で継ぎ合わされているのであって、外筒３のシール工程が終了してから溶接される。従ってシール工程が完了するまでの中軸４は半製品であり、単純な丸棒形態である。
【００２５】
しかして、先ず、外筒３の内部に、弾性パッキン１５を挿入するためのスペースを残して絶縁粉末１４を入れる。次にこのスペースにおける外筒３の内周面に付いた絶縁粉末１４を完全に取り除く。なお、外筒３の弾性パッキン１５に対応する内周面は内側から削られていて肉薄になっている。
【００２６】
次に半製品の中軸４の上から、中軸４の外周面に沿ってリング状の弾性パッキン１５を通し、その弾性パッキン１５を図２（ａ）のように外筒３の前記スペースに挿入する。次に図２（ｂ）のように外筒３の上部のみをスウェージングで搾って弾性パッキン１５を締め、続いて図２（ｃ）のように外筒３の全体を所定の寸法になるまでスウェージングで加工する。
【００２７】
こうしてシール工程が完了した時点において、弾性パッキン１５の被シール面に対する軸方向の密着長さＬ１は２．５ｍｍ以上、６ｍｍ以下の範囲になっている。なお、前記スウェージング加工によって外筒３の全体を所定の寸法に調整すると共に、外筒３の開口部３ｃ近傍に当該開口部３ｃを含む形態で前記径小部３ｂを形成する。このとき、この径小部３ｂの外径は、主体金具２の嵌合部２ａの内径よりも、０．０２〜０．５ｍｍ小さくなるように形成される（本実施の形態では、上述したように径小部３ｂの外径が嵌合部２ａの内径に比して０．１ｍｍ小さくされている）。このように径小部３ｂを形成することによって、外筒３を嵌合部２ａに圧入する工程の際に、外筒３に加わる圧入荷重を最小限に抑え、スムーズに挿入することが可能となる。また、主体金具２の嵌合部２ａの内径との径差が０．５ｍｍ以下と小さく、径小部３ｂの外径を最大限確保できるため、外筒３の強度を最大限確保することができる。
【００２８】
さらに、主体金具２の嵌合部２ａの内径よりも小さい外径を有する径小部３ｂの軸方向の長さＬ２は、弾性パッキン１５の軸方向の密着長さＬ１よりも長く、すなわち、Ｌ２＞Ｌ１となるように設定されている（具体的には、Ｌ２＝５〜２５ｍｍ）。したがって、外筒３のうちで、主体金具２の嵌合部２ａに圧入固定されることになる固着部３ａの内周面には、弾性パッキン１５が接することなく、当該弾性パッキン１５に比して硬質な絶縁粉末１４が固着部３ａの内側に充填された形態で内周面に接することになり、固着部３ａと嵌合部２ａとの間で締まり嵌めによって生じる応力が均一にかかり、より確実に外筒３を主体金具２に保持することができる（図１参照）。
【００２９】
なお、弾性パッキン１５は、図２（ｃ）に示すように、外筒３の開口部３ｃからはみ出ないのがよい。また、弾性パッキン１５が、外筒３の開口部３ｃから外部にはみ出す場合には、そのはみ出し長さを外筒３の軸Ｏ方向でみたときに３ｍｍ以下とするのが好ましい。弾性パッキン１５の外筒３の開口部３ｃからのはみ出し長さを０〜３ｍｍとすることにより、外筒３を主体金具２に挿入する際に、はみ出した弾性パッキン１５が干渉するのを有効に抑制することができる。
【００３０】
【性能試験】
弾性パッキン１５の外筒３のない有面に対する密着長さを異ならせて５種類の試作品を製造し、それぞれについて吸湿性の試験であるプレッシャークッカー試験（日本電子機械工業会規格ＩＣ−１２１）を行った。また、オイルに浸した後に通電するパターンを繰り返す試験を行ってオイルショートの発生状況を調べた。その各結果を表１、表２に示す。なお、各表中「×」は試作品の全てに問題が発生し、「○」は試作品の一部に問題が発生し、「◎」は試作品全てに問題が発生しなかったことを示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
以上の結果から明らかなように弾性パッキン１５の被シール面における密着長さが２．５ｍｍ以上の場合には、参考例としてのシリコーンゴム製の弾性パッキン１５と本実施例としてのフッ素樹脂製の弾性パッキン１５の双方に吸湿による外筒３の膨らみ防止効果が認められ、特にフッ素樹脂製の弾性パッキン１５では膨らみ防止効果が顕著であった。また、フッ素樹脂製の弾性パッキン１５とシリコーンゴム製の弾性パッキン１５で密着長さが２．５ｍｍ以上の場合にオイルショートの発生防止効果が顕著に現れた。
【００３４】
以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば実施形態の弾性パッキン１５は断面四角形のリング状（円筒状）であるが、断面円形のＯリング状であってもよい。また、実施形態はグロープラグ１について説明したが、水を加熱するウォーターヒータ（具体的な使用例として、湯沸かしポット等の家電品、魚類等の飼育水槽、水道配管の凍結防止装置など）としても利用可能である。さらに、外筒３に形成される径小部３ｂの外形の形状は、主体金具２の嵌合部１２の内径より小さい外径を有する形状であればよく、本実施の形態のように段部を有する二段構造に限定されることなく、例えば開口部３ｃに向けて徐々に外径が縮小化するようなテーパー状を有していてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、弾性パッキンの被シール面に対する密着長さを２.５ｍｍ以上に設定したことにより、プレッシャークッカー試験（日本電子機械工業会規格ＩＣ−１２１）をクリアできるだけの優れたシール性能が得られ、なおかつオイルに浸した後に通電するパターンを繰り返す試験にもオイルショートが発生しない、という優れた効果を発揮する。
【００３６】
また、弾性パッキンの密着長さを大きくすることはシール部への挿入性を悪くする要因になるが、前記弾性パッキンの密着長さを６ｍｍ以下に設定した場合には、挿入性の悪化が問題となることは殆どなく、むしろシール性能の向上による利益の方が格段に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 右半面を断面にして示すグロープラグ（ヒータ）の全体正面図である。
【図２】 （ａ）〜（ｃ）は弾性パッキンの装着工程を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
１ ・・・グロープラグ（ヒータ）
２ ・・・主体金具
２ａ・・・嵌合部
２ｂ・・・内孔
３ ・・・外筒
３ａ・・・固着部
３ｂ・・・径小部
３ｃ・・・開口部
４ ・・・中軸
６ ・・・発熱コイル（発熱手段）
１４・・・絶縁粉末
１５・・・弾性パッキン

Claims (4)

1. 有底筒状の外筒と、その外筒内面に一端を接続した発熱手段と、外筒の開口部から内部に臨み前記発熱手段に直接又は間接的に接続された中軸と、外筒の内部に詰めた絶縁粉末とを有し、前記外筒と中軸の間に弾性パッキンによるシールを施して外筒の開口部を塞ぐようにしたヒータにおいて、
   前記弾性パッキンは、その材質がフッ素樹脂であり、且つＯリング状又は断面四角形のリング状であり、
   前記弾性パッキンの被シール面に対する密着長さを２．５ｍｍ以上、６ｍｍ以下の範囲に設定されており、
   前記ヒータは、内孔内に嵌合部が形成され、当該嵌合部にて前記外筒を締まり嵌め状態に固着する主体金具を備え、前記外筒は、前記主体金具に形成される前記嵌合部と固着される固着部と、前記開口部を含んで形成され、前記嵌合部の内径よりも小さい外径を有する径小部とを有し、前記径小部の軸方向の長さは、前記弾性パッキンの密着長さよりも長く、
   さらに、前記主体金具に形成される前記嵌合部の内径と前記外筒の前記径小部の開口部における外径との径差が、０．０２〜０．５ｍｍの範囲とされていることを特徴とするヒータ。
2. 前記弾性パッキンは、前記外筒内部に収納されるか、０〜３ｍｍの範囲で前記外筒の前記開口部からはみ出していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 請求項１又は２に記載のヒータであって、ディーゼルエンジンに装着して使用するようにしたグロープラグ。
4. 請求項１又は２に記載のヒータであって、水を加熱する用途に使用するようにしたウォーターヒータ。

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