JP5074534B2 - セラミックヒーター装置 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒーター装置に関し、詳しくはディーゼルエンジンの始動促進用などに使用されるグロープラグ或いは石油ファンヒーターの着火用ヒーターなどに使用されるセラミックヒーター装置に関する。

図５は、この種のセラミックヒーター装置の一例としてディーゼルエンジン用のセラミックグロープラグ１０１を示したものである。このものは、金属製筒状体３の内側（円柱状の空孔）に、丸棒（円柱）状のセラミックヒーター２を、ヒーター先端２ａが金属製筒状体（以下、単に筒状体ともいう）３の先端３ａから突出するように固定し、これらを筒状をなす金属製本体（以下、単に本体ともいう）４内にその先端４ａから突出するようにして保持（固定）されている。このものの組立ては、例えば、セラミックヒーター２を筒状体３の内側に隙間嵌めし、その隙間に加熱した溶融ロウ（図示せず）を流し込み、流し込まれたロウ材層１０による筒状体３の熱膨張及び冷却収縮を利用してセラミックヒーター２を締め付けて筒状体３内に気密状に固定する。そして、セラミックヒーター２が一体化された筒状体３を本体４に同様に隙間嵌めし、その隙間に溶融ロウ１０を流し込むことで組立てられていた。

なお、セラミックヒーター２は、そのヒーター先端２ａ寄り内部に、例えば導電性セラミックからなり折り返し状（Ｕ字状）に形成されたセラミック発熱体又は高融点金属線からなる発熱体（図示せず）を埋設してなるものである。そして、この発熱体のＵ字の両端部（両脚の端部）に、要すれば中継線を介してセラミックヒーター２の後端２ｃ寄り部位の側面などに端子を設け、この端子に通電用リード１５、１６がロウ付けされている。このようなヒーター装置は、通電用リード１５、１６を介して電流を印加することでセラミ
ックヒーター２を抵抗発熱して加熱するように構成されている。

前記した従来の構造のものにおいて、筒状体３内にロウ材層により固定されたセラミックヒーター２は、その後のグロープラグ１０１の組立てに至るまでの製造工程や取扱いにおいて、様々な外力（落下による衝撃、エンジンへの取付け時における曲げ力）を受ける。このため、セラミックヒーター２は、金属製筒状体３内で、図５中に示したような太線部Ｓで切断（折損）している場合がある。しかし、そのような切断は金属製筒状体３内であることから外部からは視認できない。このため、そのままエンジン（シリンダ内又は副燃焼室）Ｅへ組み込まれてしまうことがある。

一方、エンジンの燃焼中、セラミックヒーター２は、常時著しい温度変化（熱衝撃）及び爆風に晒されている。このため、エンジンが運転された際には、振動や昇温による金属製筒状体３とセラミックヒーター２との熱膨張差により、両者間に弛緩（緩み）が生じる。一方、金属製筒状体３の内周面３ｄは内径が一定でストレートのため、このような弛緩が生じると、図６に示したように、セラミックヒーター２のヒーター先端２ａ側の切断部分が分離してエンジンＥの燃焼室内に落下する危険があるといった問題があった。

すなわち、金属製筒状体３と本体４とのロウ付けは両部品ともに金属製であるため、その接合強度は高く安定している。また、金属製筒状体３の内周面３ｄとロウ材層１０との接合強度は高いものの、セラミックヒーター２の外周面２ｂとロウ材層１０との接合強度は焼き嵌め状態になっているのみであるため相対的に低く、しかもセラミックとロウ材との熱膨張係数の相違が大きい。このため、セラミックヒーター２の外周面２ｂとロウ材層１０との界面では弛緩（緩み）が生じやすい。とくに、金属製筒状体３の先端３ａに近いところで切断している場合には、切断しているセラミックヒーター２の部分を保持する力も小さいことから、分離、脱落を招きやすい。

また、このようなセラミックヒーター装置においては、ロウ材層によって固定されたものに代えて、セラミックヒーターが金属製筒状体３内に圧入されて保持されているものもある。しかし、圧入によるものにおいても、セラミックヒーターに上記のような切断がある場合には、ロウ材層によるものと同様、その切断部の分離、脱落の問題がある。また、ロウ材層構造、又は圧入構造に限らず、このようなセラミックヒーターの切断は、エンジンへの組み込み後において発生する可能性もあるが、その場合でも、同様の問題がある。

本発明は、上記した従来のグロープラグなどのセラミックヒーター装置における問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、セラミックヒーターが金属製筒状体内にロウ付けによって固定されているものにおいて、セラミックヒーターの切断部分が分離、脱落するのを防止することにある。

上記の課題を解決するために請求項１に記載の発明は、金属製筒状体内に、軸状のセラミックヒーターを、ヒーター先端が該金属製筒状体の先端から突出するように配置させた構造を有するセラミックヒーター装置において、
前記セラミックヒーターの先端に先細りテーパー状のテーパー部を形成し、
該テーパー部の先細り起点よりも先端側に前記金属製筒状体の先端を存在させて該セラミックヒーターを前記金属製筒状体内に配置させ、
該金属製筒状体の内周面と該セラミックヒーターの外周面との間に、溶融ロウの流し込みにより形成されたロウ材層を介在させて該金属製筒状体と該セラミックヒーターの両者を固定し、
このロウ材層を該テーパー部の先細り起点よりも先端側にも存在させたことを特徴とする。

上記手段により、テーパー部の先細り起点よりも先端側に存在させたロウ材層がある。このようなロウ材層は、セラミックヒーターが金属製筒状体内で緩んでいたとしても、金属製筒状体に対し先端側に摺り抜けようとする際にテーパー部に係合する形となって抜け止め作用をする。すなわち、セラミックヒーターが、例えばテーパー部の先細り起点よりも後端側で切断した場合において、その切断箇所より先端側の外周面とロウ材層との界面に弛緩が生じたとしても、テーパー部の先細り起点よりも先端側に存在するロウ材層がテーパー部の表面において厚く形成されている。これが、テーパー部に係合する形となって抜け止め作用をするため、切断したセラミックヒーターの先端部が金属製筒状体から抜け落ちることが防止される。このように、本発明が例えばグロープラグとして具体化された場合において、セラミックヒーターが金属製筒状体内で切断しているまま、エンジンへ組み込まれて運転された際にセラミックヒーターと金属製筒状体との間に弛緩が生じたとしても、セラミックヒーターの切断部がエンジンの副燃焼室内へ脱落するのが防止される。なお、テーパー部のテーパー角度は、１０分〜５度程度とするのが適切である。

そして、請求項２に記載の発明は、金属製筒状体内に、軸状のセラミックヒーターを、ヒーター先端が該金属製筒状体の先端から突出するように配置させた構造を有するセラミックヒーター装置であって、該金属製筒状体の内周面と該セラミックヒーターの外周面との間に、溶融ロウの流し込みにより形成されたロウ材層を介在させて該金属製筒状体と該セラミックヒーターの両者が固定されているものにおいて、
前記セラミックヒーターのうち、前記金属製筒状体内にありしかも該金属製筒状体の先端寄り部位に対応する部位に、該金属製筒状体内にある他の部位よりも小径の小径部を、先端に向ってストレート状のストレート部として形成し、
該小径部において介在されている前記ロウ材層を、前記セラミックヒーターが前記金属製筒状体に対し先端側に摺り抜けようとする際の抜け止め作用をなすように存在させたことを特徴とする。

前記小径部は、請求項２に記載のように、先端に向ってストレート状のストレート部としたものでもよいし、請求項３に記載のように、先細りテーパー状のテーパー部としたものでもよい。なお、本発明における前記小径部があると、そこにロウ材層が入り込み、前記セラミックヒーターが前記金属製筒状体に対し先端側に摺り抜けようとする際の抜け止め作用をするためである。

なお、上記のいずれの手段においても、抜け止め作用をするロウ材層は、金属製筒状体の先端寄り部位にあるセラミックヒーターの最大外径と最小外径との差によって構成されるが、この差は、１０μｍ〜３００μｍの範囲にあるとよい。この差が、１０μｍより小さいと、抜け止め作用が不充分となる一方、３００μｍを超えるようだと、溶融ロウが毛管現象で金属製筒状体の内周面とセラミックヒーターの外周面との隙間にいきわたらず（埋まらず）、ロウ材層による固定不良を発生させる危険性があるためである。

以上の説明から明らかなように、本発明のセラミックヒーター装置によれば、これが例えばグロープラグとして具体化されたときは、セラミックヒーターが金属製筒状体内で切断しているまま、エンジンへ組み込まれ、その後、運転された際においても、その切断部のエンジン内への落下を防止できる。また、エンジンへ組み込まれた後で切断が生じた場合でも同様である。さらに、石油ファンヒーターの着火用ヒーターなどに適用された場合であっても、切断部分の分離、脱落ということが防止できるといった効果がある。

本発明に係るセラミックヒーター装置（グロープラグ）の実施形態の要部断面図及びそのさらに要部の拡大断面図。 図１のグロープラグを先端面側からみた拡大図。 図１のグロープラグをなすセラミックヒーターを金属製筒状体に挿入してロウ付けする工程の説明用断面図であり、Ａはそのロウ付け前のセット状態の断面図、Ｂはロウ付け後の断面図。 本発明に係るセラミックヒーター装置（グロープラグ）の実施形態の要部断面図及びそのさらに要部の拡大断面図。 従来のグロープラグの要部断面図。 図５においてヒーター先端部が切断、分離した状態の説明図。

本発明の請求項１の実施形態について図１〜図４に基いて詳細に説明する。図１は、セラミックヒーター装置として本例ではディーゼルエンジン用のグロープラグ１の要部断面を示したものである。このものは、詳しくは後述するが、先細り丸棒状（円断面の軸状）のセラミックヒーター２と、このセラミックヒーター２を内挿してロウ材層による固定して配置させた金属製筒状体３と、同ヒーター２を一体化した金属製筒状体３を保持する本体４などから構成されている。セラミックヒーター２は、その先端（図１の下端）２ａ寄り部位を突出させて金属製筒状体３内に隙間嵌め状に内挿されて銀ロウ１０により固定されている。そして、一体化された金属製筒状体３は、その後で、後端３ｃ寄り部位を、本体４の先端４ａ寄りの内周面４ｄが若干縮径された縮径部５に隙間嵌め状に内挿して、銀ロウ１０により固定し、本体４に組み付けられている。なお、図中、１５、１６は、通電用リードであり、セラミックヒーター２の後端２ｃ寄りの側面に導出された端子に接続されている。そして、この通電用リード１５、１６を介して電流を印加することでヒーター先端を発熱するように構成されている。このような基本的な構成は、従来のグロープラグと同じである。

一方、本形態のグロープラグ１を構成する、セラミックヒーター２は、ストレートの同径円断面からなる円柱部６と、円柱部６の端部（図１下端部）から先端２ａが円錐台状で先細りテーパー状をなすテーパー部２ｔとからなっている。そして、このセラミックヒーター２は、本例では、直径３．５ｍｍで長さ４５ｍｍの円柱状のものをその先端から後端側に向って１２ｍｍの範囲について、先細りテーパー状のテーパ部２ｔとしている。ただし、テーパー部２ｔのテーパー角度θは、例えば１度３０分とされ、先端２ａは半球面状に形成されている。なお、このようなセラミックヒーター２は、窒化珪素などのセラミック絶縁体からなるセラミック基体中に、図示はしないが導電性セラミックや高融点金属からなる抵抗発熱体（線）を埋設状にして焼結、形成されてなるものである。

そして、このようなセラミックヒーター２は、一定の肉厚をもつ直管で円筒状をなす金属製（例えばＳＵＳ４３０製）筒状体（長さ２０ｍｍ）３中に隙間嵌め状に挿入され、金属製筒状体３の先端３ａをテーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１よりも先端側にＬ１の寸法をおいて位置させ、銀ロウによりロウ付けされている。こうして、先端２ａ寄り部位を所定長さ（本例では１０ｍｍ）突出させている。ロウ付けしたロウ材層１０は円柱部６の外周面と、テーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１よりも先端側の外周面においても存在しており、この先細り起点Ｐ１よりも先端側においては厚肉となっている。なお、筒状体３は常温で本例では、内径３．６ｍｍで肉厚が０．７ｍｍのものである。

このように本形態においてロウ材層１０は、セラミックヒーター２のテーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１よりも後端側のストレートの円柱部６の外周面ではその厚さＴ１が５０μｍと略一定である。しかし、テーパー部２ｔの周面においては先端側に向うほどその先細りテーパーに対応して厚肉となり、金属製筒状体３の先端３ａで最大となり、その最大厚さＴ２は本例では約８０μｍとされている。すなわち、図１に示したように、軸線Ｇを通る平面で切断したとき、テーパー部２ｔにおいてはロウ材層１０が断面視において、先端側に向うほどその内径が小さく厚肉をなす楔形を呈しており、セラミックヒーター２の先端側への移動を規制する形となっている。

このため、セラミックヒーター２が例えば図１中の線Ｓのように切断しており、そのまま、ディーゼルエンジンの副燃焼室Ｅに取付けられ、運転される場合には次のようになる。すなわち、本形態においては、エンジンの運転に伴う熱衝撃や爆風により、ロウ材層１０とセラミックヒーター２の外周面との界面が分離し、セラミックヒーター２の先端２ａ側が金属製筒状体３に対し先端側に摺り抜けようとしても、テーパー部２ｔにおいて存在する断面楔形のロウ材層１０がその抜け止め作用をする。このため、セラミックヒーター２の先端部がこのように切断しており、ロウ材層１０との弛緩が生じたとしても、従来のようにその切断部の先端側が副燃焼室Ｅ内に落下してしまうといったことがない。また、エンジンへの組み付け後においてこのような切断が発生したとしても同様である。このように本形態では、テーパー部２ｔにおいて固定しているロウ材層１０が、セラミックヒーターの先端側への抜け止め作用をしていることから、セラミックヒーター２の先端部の分離、脱落を防止できるといった効果がある。

本形態では、テーパー部２ｔのテーパー角度θが大きいほど、そして、テーパー部２ｔに存在するロウ材層１０の軸線Ｇ方向の寸法が大きいほど、抜け止め作用は大きい。しかし、テーパー角度θやロウ材層１０の軸線Ｇ方向の寸法が大きくなるほど、ロウ付け前のセラミックヒーター２のテーパー部２ｔの外周面２ｂと金属製筒状体３の内周面３ｄとのなす隙間が先端側で大きくなる。このため、溶融ロウの流し込み作業時における溶融ロウの毛管現象による濡れ広がりが阻害され、ロウがテーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１よりも先端側に十分にいきわたらない危険もある。一方、テーパー角度θが小さいほど、抜け止め作用は低下する。軸線Ｇ方向に沿う、テーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１から金属製筒状体３の先端面３ａまでの距離Ｌ１にもよるが、テーパー角度θは１０分〜５度の範囲に設定するのが好ましい。なお、十分な抜き止め作用が期待できない場合には、金属製筒状体３の先端３ａ寄り部位を縮径ないし絞り込むようにカシメてからロウ付けしてもよい。

ここで、本形態におけるセラミックヒーター２を金属製筒状体３にロウ付けする方法について図３を参照して説明する。なお、図３では、ロウ付けに使用される両者の支持治具は省略してある。図３Ａに示したように、セラミックヒーター２を筒状体３中に隙間嵌め状に挿入し、先端２ａを所定長さ突出するようにして保持する。すなわち、テーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１よりも先端側にＬ１の寸法をおいて金属製筒状体３の先端３ａを位置させる。そして、その状態の下で隙間に溶融ロウ（銀ロウ）を流し込む。こうすることで、図３Ｂに示したように、金属製筒状体３の内周面３ｄとセラミックヒーター２の外周面２ｂとにロウ材を介在させて両者を固定され、ロウ材層１０は円柱部６の外周面２ｂと、テーパー部２ｔの先細り起点Ｐ１よりも先端側においても存在する。なお、セラミックヒーター２の周面（表面）には溶融ガラスを塗布して焼き付けておくのが、溶融ロウの濡れ性の向上から好ましい。

さて次に、本発明の請求項２の実施形態について図４に基づいて詳細に説明する。ただし、本形態のグロープラグ２１は上記形態の変形とでも言うべきものであり、本質的相違はないので、同一の部位には同一の符号を付し、相違点のみ説明する。

前記形態では、セラミックヒーター２の先端が先細りテーパー状に形成されていたのに対し、本形態では、セラミックヒーター２のうち、金属製筒状体３内にありしかも金属製筒状体３の先端３ａ寄り部位に対応する部位に、他の部位（円柱部）６の直径Ｄ１よりも小径の直径Ｄ２からなる小径部２ｓを形成したものである。ただし、小径部２ｓは、他の部位つまり後端寄りの大径の円柱部６と同軸（同心）円断面で、先端２ａに向ってストレート状のストレート部をなしている。因みに、本形態では、大径部６の直径Ｄ１が３．５ｍｍであるのに対し、小径部２ｓは直径Ｄ２が３．３ｍｍであり、金属製筒状体３は前記のものと同じである。したがって、ロウ材層１０の大径部６の外周面での厚さＴ１は約５０μｍであるのに対し、小径部２ｓの外周面での厚さＴ２は約１５０μｍである。

このような本形態においても、線Ｓでセラミックヒーターが切断している場合において、固定しているロウ材層１０と、セラミックヒーター２２の外周面との界面に弛緩が生じたとしても前記形態と同様の作用、効果がある。すなわち、小径部２ｓの外周面に存在し、軸線Ｇに沿う寸法Ｌの範囲にあるロウ材層１０がセラミックヒーター２２の切断部の抜け止作用をなすことから、その抜け落ちが防止される。

本形態は、大径部６と小径部２ｓとの境界点Ｐ２において、明確な異径段部が形成されるため、抜け止め作用は前記形態より大きい。なお、このような小径部２ｓは、ストレートでなく、図４中に２点鎖線Ｎで示したように、先細りテーパー状のテーパー部としてもよい。この場合のテーパー角度は１０分〜４５度の範囲に設定するのが好ましい。ただし、いずれにしても、小径部２ｓは大径部と同軸（同心）状に設けるのが好ましい。また、小径部２ｓがあまり細いと、ロウ材の充填不良を招いてしまうので、そのような不良のない範囲において適切な抜け止め作用が得られる範囲で、その太さ及び抜け止作用をなすロウ材層の寸法Ｌ１を設定するとよい。なお、十分な抜き止め作用が期待できない場合には、この場合においても、金属製筒状体３の先端３ａ寄り部位を縮径ないし絞り込むようにカシメてから、ロウ材層によって固定してもよい。

上記の各形態では、グロープラグとしてセラミックヒーター装置を具体化した場合を例示したが、その適用例はこれに限定されるものではない。石油ファンヒーターの着火用ヒーターのほか、各種の加熱用ヒーターに適用できる。

１、２１ グロープラグ（セラミックヒーター装置）
２、２２ セラミックヒーター
２ａ セラミックヒーターの先端
２ｂ セラミックヒーターの外周面
２ｔ テーパー部
２ｓ、２２ｓ 小径部（ストレート部）
３ 金属製筒状体
３ａ 金属製筒状体の先端
３ｄ 金属製筒状体の内周面
１０ ロウ材層（銀ロウ）
Ｐ１ テーパー部の先細り起点
Ｄ１ セラミックヒーターの円柱部の外径
Ｄ２ セラミックヒーターの小径部の外径

Claims (3)

1. 金属製筒状体内に、軸状のセラミックヒーターを、ヒーター先端が該金属製筒状体の先端から突出するように配置させた構造を有するセラミックヒーター装置において、
   前記セラミックヒーターの先端に先細りテーパー状のテーパー部を形成し、
   該テーパー部の先細り起点よりも先端側に前記金属製筒状体の先端を存在させて該セラミックヒーターを前記金属製筒状体内に配置させ、
   該金属製筒状体の内周面と該セラミックヒーターの外周面との間に、溶融ロウの流し込みにより形成されたロウ材層を介在させて該金属製筒状体と該セラミックヒーターの両者を固定し、
   このロウ材層を該テーパー部の先細り起点よりも先端側にも存在させたことを特徴とするセラミックヒーター装置。
2. 金属製筒状体内に、軸状のセラミックヒーターを、ヒーター先端が該金属製筒状体の先端から突出するように配置させた構造を有するセラミックヒーター装置であって、該金属製筒状体の内周面と該セラミックヒーターの外周面との間に、溶融ロウの流し込みにより形成されたロウ材層を介在させて該金属製筒状体と該セラミックヒーターの両者が固定されているものにおいて、
   前記セラミックヒーターのうち、前記金属製筒状体内にありしかも該金属製筒状体の先端寄り部位に対応する部位に、該金属製筒状体内にある他の部位よりも小径の小径部を、先端に向ってストレート状のストレート部として形成し、
   該小径部において介在されている前記ロウ材層を、前記セラミックヒーターが前記金属製筒状体に対し先端側に摺り抜けようとする際の抜け止め作用をなすように存在させたことを特徴とするセラミックヒーター装置。
3. 金属製筒状体内に、軸状のセラミックヒーターを、ヒーター先端が該金属製筒状体の先端から突出するように配置させた構造を有するセラミックヒーター装置であって、該金属製筒状体の内周面と該セラミックヒーターの外周面との間に、溶融ロウの流し込みにより形成されたロウ材層を介在させて該金属製筒状体と該セラミックヒーターの両者が固定されているものにおいて、
   前記セラミックヒーターのうち、前記金属製筒状体内にありしかも該金属製筒状体の先端寄り部位に対応する部位に、該金属製筒状体内にある他の部位よりも小径の小径部を、先細りテーパー状のテーパー部として形成し、
   該小径部において介在されている前記ロウ材層を、前記セラミックヒーターが前記金属製筒状体に対し先端側に摺り抜けようとする際の抜け止め作用をなすように存在させたことを特徴とするセラミックヒーター装置。

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