JP5255706B2 - グロープラグ及びその製造方法、並びに、加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの予熱などに使用するグロープラグ、及び、加熱装置に関する。

ディーゼルエンジンの予熱などに使用するグロープラグとしては、一般に、鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金により形成され、先端が閉じた筒状をなすチューブ内に、ＦｅやＮｉを主成分として、クロム（Ｃｒ）やアルミニウム（Ａｌ）等を含有してなる合金により形成された発熱抵抗体を、絶縁粉末とともに封入したシースヒータを有するものが知られている。

ところで近年では、エミッションの更なる低減等を図るべく、燃焼室内の更なる高温化の要請がある。この要請に応えるべく、グロープラグをより高温で（例えば、チューブ表面を１１５０℃以上に）発熱させることが考えられるが、チューブ表面と発熱抵抗体との温度差は３００℃程度あることから、グロープラグをより高温で発熱させるためには、発熱抵抗体を極めて高温（例えば、１４５０℃以上）にまで加熱する必要がある。しかしながら、従前使用されていたＦｅやＮｉを主成分とする合金は、その融点が１５００℃前後である。そのため、上述のような極めて高温にまで加熱された場合には、発熱抵抗体に溶損等の不具合が生じてしまうおそれがある。

そこで、耐熱性の向上を図るべく、高融点のタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）により発熱抵抗体を形成することが考えられる（例えば、特許文献１等参照）。

特開昭５８−１５８４２５号公報

しかしながら、ＷやＭｏは非常に酸化しやすい性質を有するため、チューブ内側に存在する酸素と反応して、発熱抵抗体が急速に劣化してしまうおそれがある。

また、グロープラグをより高温で発熱可能とするためには、発熱抵抗体だけでなく、チューブ自体の耐久性を向上させることが必要である。ところが、高温下において、ＦｅやＮｉは酸化してしまいやすく、ＦｅやＮｉを主成分としつつＡｌやＣｒを十分に含まない合金により形成されたチューブでは、耐久性が不十分となってしまうおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｗ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成された発熱抵抗体を有するグロープラグにおいて、発熱抵抗体及びチューブ双方の耐久性を向上させることができ、長期間に亘ってより高温での発熱が可能となるグロープラグ及びその製造方法、並びに、グロープラグを備えてなる加熱装置を提供することにある。

以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成の加熱装置は、発熱抵抗体を有して加熱部を構成するグロープラグと、
前記発熱抵抗体に対する供給電力を調節可能に構成され、前記供給電力の調節により、前記発熱抵抗体の発熱を制御可能な通電制御装置とを備える加熱装置であって、
前記通電制御装置は、前記加熱部の温度が常温から１０００℃に３秒以内で上昇するように、前記発熱抵抗体に対して電力を供給し、
前記グロープラグは、
先端部が閉塞し、内部に前記発熱抵抗体が挿通されて前記加熱部を構成する筒状のチューブと、
前記チューブの後端側開口に設けられ、前記チューブ内を封止状態とするシール部とを備え、
前記発熱抵抗体は、Ｗ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成されるとともに、
前記チューブは、Ａｌを０．５質量％以上５．０質量％以下、Ｃｒを２０質量％以上４０質量％以下含有する合金により形成されることを特徴とする。

尚、「加熱部」とあるのは、発熱抵抗体が挿通されたチューブを意味するが、チューブ表面のうち、通電により温度が最も高くなる部位を「加熱部」に相当するものとしてもよい。

上記構成１によれば、発熱抵抗体は高融点のＷ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成されるため、発熱抵抗体において優れた耐熱性を実現することができる。

一方で、上述の通り、ＷやＭｏを用いることによる耐酸化性の低下が懸念されるが、上記構成１によれば、チューブには、Ａｌが０．５質量％以上含有され、Ｃｒが２０質量％以上含有されている。従って、発熱時において、ＷやＭｏよりも酸化しやすいＡｌやＣｒが酸素ゲッター元素として機能して、チューブ内周面にＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜が形成されることとなり、ひいてはチューブ内が封止状態であることから、チューブ内側の酸素分圧を効果的に低下させることができる。その結果、ＷやＭｏを主成分とする発熱抵抗体の酸化をより確実に防止することができる。

また、チューブにＡｌやＣｒを所定量以上含有させることで、チューブ外表面の広範囲に亘ってＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃の酸化膜を形成することができる。当該酸化膜によりチューブ内部への酸素の侵入をより確実に抑制することができ、チューブの耐酸化性を向上させることができる。さらに、ＡｌやＣｒ含有量が十分に大きなものとされているため、冷熱サイクルの繰り返しによる熱応力に伴い酸化膜に剥離や割れが生じても、酸化膜をより確実に、かつ、より長期間に亘って再形成することができる。

以上のように、上記構成１によれば、チューブにＡｌやＣｒを所定量以上含有させることで、ＷやＭｏ等からなる発熱抵抗体の酸化を効果的に防止して、ＷやＭｏの優れた耐熱性を十分に発揮させることができるとともに、チューブにおいて優れた耐酸化性を長期間維持させることができる。その結果、発熱抵抗体及びチューブ双方の耐久性を飛躍的に向上させることができ、グロープラグにおいて、長期間に亘ってより高温での発熱が可能となる。

さらに、上記構成１によれば、通電制御装置により、チューブ表面（加熱部）の温度が常温から１０００℃に３秒以内で上昇するように、発熱抵抗体に対して電力が供給される。このようにチューブを急速に加熱することで、チューブに加わる熱応力を増大させることができる。従って、チューブ内周面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜が割れやすくなり、チューブ内周面に未酸化の金属面が当該酸化膜から露出しやすくなる。その金属面に含まれるＡｌやＣｒが新たに酸化することにより、チューブ内側の酸素分圧をより一層低減させることができ、ひいてはＷ等からなる発熱抵抗体の酸化を極めて効果的に防止することができる。

尚、チューブにおけるＡｌ含有量を５．０質量％よりも大きくしたり、Ｃｒ含有量を４０質量％よりも大きくしたりすると加工性が低下してしまうおそれがある。従って、Ａｌ含有量を５．０質量％以下とし、Ｃｒ含有量を４０質量％以下とすることが好ましい。

構成２．本構成の加熱装置は、上記構成１において、前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における常温抵抗の平均値が、前記発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも大きいことを特徴とする。

尚、「前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における常温抵抗の平均値」とあるのは、発熱抵抗体のうちその先端からチューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位（先端側発熱体）の常温抵抗を、チューブの中心軸に沿った先端側発熱体の長さで割った値（すなわち、チューブの中心軸に沿った単位長さ当たりの先端側発熱体の常温抵抗）をいう。また「発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値」とあるのは、発熱抵抗体全体の常温抵抗を、チューブの中心軸に沿った発熱抵抗体の長さで割った値（すなわち、チューブの中心軸に沿った単位長さ当たりの発熱抵抗体の常温抵抗）をいう（以下、同様）。

一般にグロープラグを内燃機関に組付けた状態において、チューブのうちその先端から後端に約４ｍｍまでの間の部位（以下、「露出部」と称す）は燃焼室の内壁から突き出して燃焼室内に配置される。従って、前記露出部は、周囲に内燃機関の構成部が位置するチューブのその他の部位と比較して発熱時において温度がより高くなりやすい。また、露出部は、チューブのその他の部位と比較して急速に昇温するとともに、急速に冷却されるため、急激な温度変化が生じやすい。そこで、発熱抵抗体に対する電力の供給時においては、前記露出部を特に昇温させることで、チューブをより高温にすることができ、また、チューブに急激な温度変化を生じさせることができる。チューブをより高温にしたり、チューブに急激な温度変化を生じさせたりすることができれば、チューブに生じる熱応力を一層増大させることができ、チューブ内周面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜を一層割れやすくすることができる。その結果、上記構成１による発熱抵抗体の酸化防止効果をより高めることができる。

この点を鑑みて、上記構成２によれば、発熱抵抗体のうち、その先端からチューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位（先端側発熱体）における常温抵抗の平均値が、発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも大きくされている。ここで、先端側発熱体の常温抵抗の平均値を発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも大きくすることで、チューブのうちその先端から後端に約２ｍｍの部分（つまり、露出部の中心部及びその近傍）を積極的に昇温させることができる。従って、上記構成２によれば、チューブをより高温にできるとともに、チューブに急激な温度変化を生じさせることができる。その結果、チューブに生じる熱応力を一層増大させることができ、ひいては発熱抵抗体の酸化防止効果を一層向上させることができる。

また、燃焼室内を急速昇温させるためには、前記露出部を特に昇温させることが望ましい。従って、この点においても上記構成２は有意である。

構成３．本構成の加熱装置は、上記構成１又は２において、前記発熱抵抗体は、コイル状をなすとともに、その線径が０．２ｍｍ以上であり、
前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における平均ピッチが、前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端よりも後端側に位置する部位における平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さいことを特徴とする。

尚、「平均ピッチ」とあるのは、発熱抵抗体の中心軸（コイル軸）を含む断面において、隣接する発熱抵抗体の断面の中心間の前記中心軸（コイル軸）に沿った距離（ピッチ）の平均をいう（以下、同様）。

上記構成３によれば、発熱抵抗体のうちその先端から６ｍｍ後端までの間の部位（先端側発熱体）における平均ピッチが、発熱抵抗体のうち先端から６ｍｍ後端の部分よりも後端側に位置する部位（後端側発熱体）の平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さいものとされている。従って、先端側発熱体を過度に細くすることなく（発熱抵抗体の線径を０．２ｍｍ以上としつつ）、先端側発熱体の常温抵抗の平均値を発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも十分に大きなものとすることができる。すなわち、上記構成３によれば、発熱抵抗体の機械的強度を十分に維持しつつ、前記露出部のより一層急速な昇温等が可能となる。その結果、発熱抵抗体の酸化防止効果をより一層向上させることができる。

また、先端側発熱体を過度に細くする必要がないため、発熱抵抗体を比較的容易に製造することができ、生産性の低下をより確実に防止することができる。

構成４．本構成の加熱装置は、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記グロープラグは、前記チューブ内において前記発熱抵抗体の周囲に充填される絶縁粉末を備え、
前記絶縁粉末は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする粉末であることを特徴とする。

上記構成４によれば、絶縁粉末として熱伝導率に優れるＭｇＯが用いられるため、発熱抵抗体からチューブに対する熱伝導性を向上させることができる。その結果、発熱抵抗体を過度に昇温させることなく、グロープラグ（加熱部）を一層高温で発熱させることができる。

また、チューブ（加熱部）をより高温とすることができるため、チューブに加わる熱応力をより増大させることができ、ひいてはチューブ内周面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜がより割れやすくなる。そのため、チューブ内周面に未酸化の金属面がより露出しやすくなり、その金属面に含まれるＡｌやＣｒの酸化によりチューブ内側の酸素分圧を一層効果的に低減させることができる。

さらに、ＭｇＯは、チューブ内周面に形成されたＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃との間で複合酸化物を作りやすいところ、この複合酸化物は、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる酸化膜と比べて非常に粗い。従って、チューブ中に含有されたＡｌやＣｒと、チューブ内側の酸素とがより一層反応しやすくなり、チューブ内側の酸素分圧をより一層低下させることができる。

つまり、ＭｇＯの有する良熱伝導性という性質と、Ａｌ₂Ｏ₃等との間で複合酸化物を作りやすいという性質とが相乗的に作用して、チューブ内側の酸素分圧を極めて効果的に低減させることができる。その結果、発熱抵抗体の耐久性を一層向上させることができ、グロープラグにおいて、一層長期間に亘ってより高温での発熱が可能となる。

構成５．本構成の加熱装置は、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記シール部は、酸素透過率が２．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下の材料により形成されることを特徴とする。

上記構成５によれば、シール部の酸素透過率が２．０×１０^-9以下と十分に小さくされている。そのため、シール部を過度に厚くすることなく、チューブ内側への酸素の侵入を効果的に防止することができる。

構成６．本構成の加熱装置は、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記チューブの先端部に前記発熱抵抗体の先端部が接合されており、
前記チューブの先端部は、Ｗを含有せず、前記金属材料におけるＣｒの含有量以上のＣｒを含むことを特徴とする。

尚、発熱抵抗体を構成する金属材料にＣｒを含有させることとしてもよいし、Ｃｒを含有させないこととしてもよい。

チューブの先端部に対して発熱抵抗体の先端部を接合したグロープラグが知られている。ここで、チューブに対して発熱抵抗体を接合する手法としては、先端部が開いた状態のチューブに発熱抵抗体を挿通した上で、アーク溶接等により、チューブ先端部を塞ぎつつ、チューブの先端部と発熱抵抗体の先端部とを溶接する手法が知られている。この手法を用いて、Ｗを主成分とする発熱抵抗体をチューブの先端部に接合すると、チューブの先端部にＷが含まれてしまうおそれがある。チューブ先端部（特に外表面）にＷが含まれてしまうと、Ｗが急激に酸化してしまい、チューブの破損が生じてしまうおそれがある。

この点、上記構成６によれば、チューブの先端部は、Ｗを含有せず、また、発熱抵抗体におけるＣｒ含有量（尚、発熱抵抗体はＣｒを含有しないものであってもよい）以上のＣｒを含んで構成されている。従って、Ｗの含有に伴う上記不具合の発生を防止することができるとともに、含有されたＣｒによりチューブの先端部表面にＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜をより確実に形成することができる。その結果、チューブ先端部において十分に優れた耐久性を実現することができ、チューブの破損をより確実に防止することができる。

尚、上述した手法によりチューブの先端部と発熱抵抗体の先端部とを接合しつつ、上記構成６を実現するにあたっては、例えば、Ｗを含有しない一方で、Ｃｒを含む金属片を発熱抵抗体の先端部に予め溶接した上で、前記金属片とチューブの先端部とを溶接する手法を挙げることができる。

構成７．本構成のグロープラグは、先端部が閉塞した筒状のチューブと、
前記チューブ内に挿通された発熱抵抗体と、
前記チューブの後端側開口に設けられ、前記チューブ内を封止するシール部とを備えたグロープラグであって、
前記発熱抵抗体は、Ｗ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成されるとともに、
前記チューブは、Ａｌを０．５質量％以上５．０質量％以下、Ｃｒを２０質量％以上４０質量％以下含有する合金により形成されることを特徴とする。

上記構成７によれば、基本的には上記構成１と同様の作用効果が奏されることとなる。すなわち、チューブにＡｌやＣｒを所定量以上含有させることで、ＷやＭｏ等からなる発熱抵抗体の酸化を効果的に防止して、ＷやＭｏの有する優れた耐熱性を十分に発揮させることができるとともに、チューブにおいて優れた耐酸化性を長期間に亘って維持することができる。その結果、発熱抵抗体及びチューブ双方の耐久性を飛躍的に向上させることができ、グロープラグにおいて、長期間に亘ってより高温での発熱が可能となる。

構成８．本構成のグロープラグは、上記構成７において、前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における常温抵抗の平均値が、前記発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも大きいことを特徴とする。

上記構成８によれば、基本的には上記構成２と同様の作用効果が奏されることとなる。

構成９．本構成のグロープラグは、上記構成７又は８において、前記発熱抵抗体は、コイル状をなすとともに、その線径が０．２ｍｍ以上であり、
前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における平均ピッチが、前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端よりも後端側に位置する部位における平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さいことを特徴とする。

上記構成９によれば、基本的には上記構成３と同様の作用効果が奏されることとなる。

構成１０．本構成のグロープラグは、上記構成７乃至９のいずれかにおいて、前記チューブ内において、前記発熱抵抗体の周囲に充填される絶縁粉末を備え、
前記絶縁粉末は、ＭｇＯを主成分とする粉末であることを特徴とする。

上記構成１０によれば、基本的には上記構成４と同様の作用効果が奏される。

構成１１．本構成のグロープラグは、上記構成７乃至１０のいずれかにおいて、前記シール部は、酸素透過率が２．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下の材料により形成されることを特徴とする。

上記構成１１によれば、基本的には上記構成５と同様の作用効果が奏される。

構成１２．本構成のグロープラグは、上記構成７乃至１１のいずれかにおいて、前記チューブの先端部に前記発熱抵抗体の先端部が接合されており、
前記チューブの先端部は、Ｗを含有せず、前記金属材料におけるＣｒの含有量以上のＣｒを含むことを特徴とする。

上記構成１２によれば、基本的には上記構成６と同様の作用効果が奏される。

構成１３．本構成のグロープラグの製造方法は、先端部が閉塞した筒状のチューブと、
前記チューブ内に挿通された発熱抵抗体と、
前記チューブの後端側開口に設けられ、前記チューブ内を封止するシール部とを備えたグロープラグの製造方法であって、
Ｗ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成された前記発熱抵抗体を、Ａｌを０．５質量％以上５．０質量％以下、Ｃｒを２０質量％以上４０質量％以下含有する合金により形成された前記チューブ内に配置する配置工程と、
前記チューブの後端側開口に前記シール部を設け、前記チューブ内を封止する封止工程と、
前記封止工程の後において、前記チューブの外表面を加熱する加熱工程とを含むことを特徴とする。

上記構成１３によれば、封止工程後の加熱工程において、チューブ外表面が加熱されるため、発熱抵抗体よりもチューブ中のＡｌやＣｒを率先してチューブ内側の酸素と反応させることができる。その結果、発熱抵抗体の酸化を抑制しつつ、チューブ内側の酸素分圧をより低下させることができ、発熱抵抗体の耐久性をより一層向上させることができる。

尚、チューブ外表面の加熱温度が低すぎたり、加熱時間が短すぎたりすると、チューブ中のＡｌやＣｒの酸化が十分に促進されなくなってしまうおそれがあり、また、加熱温度が高すぎたり、加熱時間が長すぎたりすると、シール部の破損を招いてしまうおそれがある。従って、ＡｌやＣｒの酸化をより確実に促進しつつ、シール部の破損防止を図るべく、加熱温度を７００℃以上１３００℃以下とし、加熱時間を１秒以上６０秒以下とすることが好ましく、加熱温度を８００℃以上１３００℃以下とし、加熱時間を３秒以上３０秒以下とすることがより好ましい。

加熱装置の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は、グロープラグの一部破断正面図であり、（ｂ）は、グロープラグ先端部の部分拡大断面図である。 チューブ先端部と発熱コイル先端部との接合方法を説明するための部分拡大断面図である。 第２実施形態における発熱コイル等の構成を示す部分拡大断面図である。 内燃機関に組付けられたグロープラグ等を示す一部破断拡大図である。 第３実施形態における発熱コイル等の構成を示す部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は、サンプルの構成を示す部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は、サンプルの構成を示す部分拡大断面図である。

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明にかかる加熱装置２１の概略構成を示すブロック図である。

加熱装置２１は、グロープラグ１と、グロープラグ１に対する通電を制御する通電制御装置としてのグロー制御装置（ＧＣＵ）３１とを備えている。尚、図１では、グロープラグ１を１つのみ示しているが、実際のエンジンには複数の気筒が設けられており、各気筒に対応してグロープラグ１や後述するスイッチ３３が設けられる。

ＧＣＵ３１は、バッテリＶＡから供給される電力によって動作するものであり、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータ３２と、バッテリＶＡからグロープラグ１に対する通電のオン・オフを切り替えるスイッチ３３とを備えている。

ＧＣＵ３１によるグロープラグ１への通電制御は、ＰＷＭ制御により行われ、スイッチ３３は、マイクロコンピュータ３２からの指示に従い、グロープラグ１への通電のオン・オフを切り替えるようになっている。

また、本実施形態において、グロープラグ１の抵抗値を測定するため、スイッチ３３は、電流検知機能を有するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を、ＮＰＮ型トランジスタ等を介して動作させるように構成されている。加えて、グロープラグ１の電力供給用の端子に対して、分圧抵抗（図示せず）を介して、マイクロコンピュータ３２が接続されており、マイクロコンピュータ３２には、グロープラグ１に印加される電圧（ＧＣＵ３１から出力される電圧）を分圧した電圧が入力される。マイクロコンピュータ３２は、入力された電圧に基づいてグロープラグ１への印加電圧を算出することができ、また、当該印加電圧と前記スイッチ３３によって測定されるグロープラグ１に流れる電流とからグロープラグ１の抵抗値を得ている。

また、本実施形態におけるマイクロコンピュータ３２は、エンジンキーがオンとされた際に、グロープラグ１を急速昇温させるプリグロー通電と、プリグロー通電の後に、所定時間の間に亘って、グロープラグ１を所定時間に亘って所定温度にて維持するアフターグロー通電とが行えるように設定されている。

本実施形態では、プリグロー通電において、グロープラグ１の後述するチューブ７の表面が、常温から１０００℃に３秒以内で昇温し、グロープラグ１を所定の目標温度まで急速に昇温させるようにグロープラグ１に対して電力を供給するようになっている。

このプリグロー通電では、グロープラグ１に投入する電力と経過時間との関係を示す曲線を、予め作成した基準となる曲線に一致させることで、グロープラグ１の特性によらずグロープラグ１を急速に目標温度まで昇温させる。具体的には、予め定めた上記基準とする曲線を示す関係式又はテーブルを用い、通電開始からの経過時間に応じた各時点においての投入すべき電力を求める。グロープラグ１に流れる電流と、その時点においての投入すべき電力の値との関係から、グロープラグ１に印加すべき電圧を求め、ＰＷＭ制御により、グロープラグ１に印加する電圧を制御する。これにより、基準とする曲線と同じカーブを描くようにして電力の投入が行われ、昇温過程の各時点までに投入された電力の積算量に応じ、グロープラグ１が発熱する。従って、上記基準とする曲線に沿った電力の投入が完了すれば、グロープラグ１は基準曲線通りの時間で目標温度に到達する。

また、アフターグロー通電においては、比較的長期間（例えば、１８０秒程度）の間、前記チューブ７の表面温度が１１５０℃以上と極めて高温となるようにグロープラグ１に対する供給電力が調節されるようになっている。

このアフターグロー通電では、グロープラグ１の抵抗値が、グロープラグ１を目標の温度とした際の抵抗値（目標抵抗値）と一致するようにグロープラグ１に対する通電が制御される。具体的には、グロープラグ１の現在の抵抗値と目標抵抗値との差分から、例えば、ＰＩ制御により、グロープラグ１に印加すべき実効電圧が算出され、当該実効電圧に基づいてＤｕｔｙ比が設定される。尚、アフターグロー通電時において、チューブ７の表面が１１５０℃以上の高温に維持されることで、エミッションの低減等を図ることができる。

次いで、上記ＧＣＵ３１によって通電制御されるグロープラグ１の構成について詳述する。図２（ａ），（ｂ）に示すように、グロープラグ１は、筒状の主体金具２と、主体金具２に装着されたシースヒータ３とを備えている。

主体金具２は、軸線ＣＬ１方向に貫通する軸孔４を有するとともに、その外周面には、ディーゼルエンジン等への取付用のねじ部５と、トルクレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部６とが形成されている。

シースヒータ３は、チューブ７と中軸８とが軸線ＣＬ１方向に一体化されて構成されている。

チューブ７は、鉄（Ｆｅ）又はニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属材料から形成され、先端部が閉じた筒状チューブである。また、チューブ７内には、所定の金属材料からなる発熱コイル９（本発明の「発熱抵抗体」に相当する）が設けられており、当該発熱コイル９の先端部はチューブ７の先端部に接合されている（チューブ７を構成する金属材料や発熱コイル９を構成する金属材料については後に詳述する）。

尚、チューブ７は、発熱コイル９を接合する際に、その先端部が閉じられるように構成されており、発熱コイル９の接合前において、チューブ７の先端部は開いた状態となっている。本実施形態においては、発熱コイル９の先端部に後述する金属片ＭＰ（図３参照）を予め溶接した上で、前記金属片ＭＰをチューブ７の先端開口に配置し、アーク溶接等により金属片ＭＰ等を溶融させることで、チューブ７の先端部を閉塞するとともに、チューブ７の先端部に発熱コイル９の先端部が接合されるようになっている。そのため、チューブ７の先端部には、溶融部７Ｍが形成されている。

尚、本実施形態において、金属片ＭＰは、チューブ７を構成する金属材料と同一の金属材料から形成されている。また、発熱コイル９が挿通されたチューブ７が、本発明における「加熱部」に相当するが、チューブ７の表面のうち、通電により温度が最も高くなる部位（本実施形態では、チューブ７の先端から後端側に２ｍｍの位置）を「加熱部」に相当するものとしてもよい。

また、発熱コイル９の周囲には絶縁粉末１０が充填されている。そのため、発熱コイル９は、その先端においてチューブ７と導通しているが、発熱コイル９の外周面とチューブ７の内周面との間は、絶縁粉末１０の介在により絶縁された状態となっている。

さらに、前記チューブ７の後端は、中軸８との間で環状のシール部１１により封止されており、チューブ７の内側は封止状態とされている。

また、軸孔４には、その先端部に大径部４ａが形成されるとともに、大径部４ａの後端側には小径部４ｂが形成されている。チューブ７は、軸孔４の小径部４ｂに対して圧入接合されることで、主体金具２の先端部より突出した状態で保持されている。

前記中軸８は、自身の先端がチューブ７内に挿入され、前記発熱コイル９の後端と電気的に接続されるとともに、主体金具２の軸孔４に挿通されている。中軸８の後端は主体金具２の後端から突出しており、この主体金具２の後端部においては、ゴム製等のＯリング１２、樹脂製等の絶縁ブッシュ１３、絶縁ブッシュ１３の脱落を防止するための押さえリング１４、及び、通電用のケーブル接続用のナット１５がこの順序で中軸８に嵌め込まれた構造となっている。

次いで、発熱コイル９を構成する金属材料やチューブ７を構成する金属材料の組成等について説明する。

本実施形態において、発熱コイル９は、タングステン（Ｗ）又はモリブデン（Ｍｏ）を主成分とする金属材料〔本実施形態では、ＷやＭｏの純金属（尚、不可避不純物が含有されていてもよい）〕により形成されている。

加えて、前記チューブ７は、Ｎｉ又はＦｅを主成分とするとともに、アルミニウム（Ａｌ）を０．５質量％以上５．０質量％以下、クロム（Ｃｒ）を２０質量％以上４０質量％以下含有する金属材料により形成されている。尚、本実施形態では、チューブ７におけるＣｒ含有量が、発熱コイル９におけるＣｒ含有量よりも多くされており、チューブ７にはＷが含有されていない。

さらに、絶縁粉末１０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする粉末により構成されている。

加えて、前記シール部１１は、酸素透過率が２．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下の弾性材料〔例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭゴム）やフッ素ゴム等〕により形成されている。尚、シール部１１の軸線ＣＬ１方向に沿った厚さは、比較的小さなもの（例えば、１０ｍｍ以下）とされている。

また、前記溶融部７Ｍ（チューブ７の先端部）は、ともに同一材料からなるチューブ７及び金属片ＭＰが溶融されることで形成されているため、少なくともその外表面においては、Ｗを含有せず、また、発熱コイル９を構成する金属材料におけるＣｒの含有量（本実施形態における発熱コイル９にはＣｒが含有されていない）以上のＣｒを含んで構成されている。

次いで、上述したグロープラグ１の製造方法について説明する。尚、特に明記しない部位については、従来公知の方法が採用される。

まず、Ｗ又はＭｏを主成分とする抵抗発熱線をコイル形状に加工し、発熱コイル９を製造しておく。また、Ｎｉ又はＦｅを主成分とし、Ａｌを０．５質量％〜５．０質量％、Ｃｒを２０質量％〜４０質量％含有する金属材料により、先端の閉じていない筒状のチューブ７を製造しておく。

次いで、図３に示すように、発熱コイル９の先端部に、チューブ７を構成する金属材料と同一の金属材料からなる金属片ＭＰを接合した上で、配置工程において、前記筒状のチューブ７内に、中軸８の先端と、当該中軸８と一体となった発熱コイル９とを配置する。そして、チューブ７の先端開口に前記金属片ＭＰを配置した上で、アーク溶接等によって、金属片ＭＰ及びチューブ７を溶融させ、チューブ７の先端部分を閉塞するとともに、チューブ７の先端部と発熱コイル９の先端部とを接合する。

その後、チューブ７内に絶縁粉末１０を充填するとともに、封止工程において、チューブ７の後端開口と中軸８との間にシール部１１を設け、チューブ７内を封止する。これにより、チューブ７が中軸８と一体となってシースヒータ３が完成する。尚、チューブ７内を封止した後、チューブ７の先端部にスウェージング加工を施し、チューブ７の先端部を細径化することとしてもよい。スウェージング加工を施すことで、絶縁粉末１０の充填密度をより増加させることができる。

最後に、上記のように形成されたシースヒータ３が主体金具２の軸孔４に圧入固定されるとともに、主体金具２の後端部分において、前記Ｏリング１２や絶縁ブッシュ１３等が中軸８に嵌め込まれる。これにより、上述したグロープラグ１が得られる。

尚、得られたグロープラグ１において、チューブ７の外表面を加熱する予備加熱を行うこととしてもよい。予備加熱においては、チューブ７のうち発熱コイル９が位置する部分（例えば、チューブ７先端から軸線ＣＬ１方向後端側に１ｍｍまでの範囲）の外表面が８００℃〜１３００℃となるように、１秒〜３０秒間に亘って電気炉や高周波加熱装置により加熱される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、発熱コイル９は高融点のＷ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成されるため、発熱コイル９において優れた耐熱性を実現することができる。

一方で、ＷやＭｏを用いることによる耐酸化性の低下が懸念されるが、本実施形態においては、チューブ７に、Ａｌが０．５質量％以上含有され、Ｃｒが２０質量％以上含有されている。従って、発熱時において、ＷやＭｏよりも酸化しやすいＡｌやＣｒが酸素ゲッター元素として機能して、チューブ７内周面にＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜が形成されることとなり、ひいてはチューブ７内は封止状態であることから、チューブ７内側の酸素分圧を効果的に低下させることができる。その結果、ＷやＭｏを主成分とする発熱コイル９の酸化をより確実に防止することができる。

また、チューブ７にＡｌやＣｒを所定量以上含有させることで、チューブ７外表面の広範囲にＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃の酸化膜を形成することができる。当該酸化膜によりチューブ７内部への酸素の侵入をより確実に抑制することができ、チューブ７の耐酸化性を向上させることができる。さらに、ＡｌやＣｒ含有量が十分に大きなものとされているため、冷熱サイクルの繰り返しによる熱応力に伴い酸化膜に剥離や割れが生じても、酸化膜をより確実に、かつ、より長期間に亘って再形成することができる。

以上のように、本実施形態によれば、チューブ７にＡｌやＣｒを所定量以上含有させることで、ＷやＭｏ等からなる発熱コイル９の酸化を効果的に防止して、ＷやＭｏの優れた耐熱性を十分に発揮させることができるとともに、チューブ７において優れた耐酸化性を長期間維持させることができる。その結果、発熱コイル９及びチューブ７双方の耐久性を飛躍的に向上させることができ、グロープラグ１において、長期間に亘ってより高温での発熱が可能となる。

加えて、ＧＣＵ３１により、チューブ７表面（加熱部）の温度が常温から１０００℃に３秒以内で上昇するように発熱コイル９に対して電力が供給されるため、チューブ７に加わる熱応力を増大させることができる。従って、チューブ７内周面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜が割れやすくなり、チューブ７内周面に未酸化の金属面が前記酸化膜から露出しやすくなる。その金属面に含まれるＡｌやＣｒが新たに酸化することにより、チューブ７内側の酸素分圧をより一層低減させることができ、ひいてはＷ等からなる発熱コイル９の酸化を極めて効果的に防止することができる。

特に本実施形態では、アフターグロー通電において、チューブ７の表面温度（加熱部）が１１５０℃以上と非常に高温とされ、長期間に亘っての発熱が困難な条件であるが、上述の作用効果が相乗的に作用することで、このような高温であっても長期間に亘って発熱することが可能となる。換言すれば、本発明は、比較的長期間行われるアフターグロー通電において、チューブ７の表面温度（加熱部）の温度が１１５０℃以上の高温とされる場合に特に有意である。

さらに、絶縁粉末１０として熱伝導率に優れるＭｇＯが用いられているため、発熱コイル９からチューブ７に対する熱伝導性を向上させることができる。その結果、発熱コイル９を過度に昇温させることなく、グロープラグ１（チューブ７）を一層高温で発熱させることができる。

また、チューブ７をより高温とすることができるため、チューブ７に加わる熱応力を増大させることができ、ひいてはチューブ７内周面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜がより割れやすくなる。そのため、チューブ７内周面に未酸化のＡｌやＣｒがより露出しやすくなり、チューブ７内側の酸素分圧を一層効果的に低減できる。

さらに、ＭｇＯは、チューブ７内周面に形成されたＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃との間で複合酸化物を作りやすいところ、この複合酸化物は、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる酸化膜と比べて非常に粗い。従って、チューブ７中に含有されたＡｌやＣｒと、チューブ７内側の酸素とがより一層反応しやすくなり、チューブ７内側の酸素分圧をより一層低下させることができる。

つまり、絶縁粉末１０としてＭｇＯを主成分とする金属材料を用いることで、ＭｇＯが有する良熱伝導性という性質と、Ａｌ₂Ｏ₃等との間で複合酸化物を作りやすいという性質とが相乗的に作用して、チューブ７内側の酸素分圧を極めて効果的に低減させることができる。その結果、発熱コイル９の耐久性を一層向上させることができ、グロープラグ１において、一層長期間に亘ってより高温での発熱が可能となる。

併せて、シール部１１を構成する材料の酸素透過率が２．０×１０^-9以下と十分に小さくされているため、シール部１１を過度に厚くすることなく、チューブ７内側への酸素の侵入を効果的に防止することができる。

また、溶融部７Ｍ（チューブ７の先端部）は、少なくともその外表面において、Ｗを含有せず、また、発熱コイル９を構成する金属材料におけるＣｒの含有量以上のＣｒを含んで構成されている。従って、Ｗの含有に伴う酸化を防止することができるとともに、チューブ７の先端部表面にＣｒ₂Ｏ₃からなる酸化膜をより確実に形成することができる。その結果、チューブ７先端部において十分に優れた耐久性を実現することができ、チューブ７の破損をより確実に防止することができる。

さらに、一般に発熱コイル９を構成する材料として、Ｃｒを含有するものが知られているが、本実施形態では、ＷやＭｏの純金属から発熱コイル９が形成されている。このため、表面にＣｒの酸化膜の形成されることで、発熱コイル９の成分に変化が生じ、ひいては発熱コイル９の抵抗値が低下してしまうといった事態を防止することができる。その結果、発熱コイル９の耐久性のより一層の向上を図ることができる。

また、製造時において予備加熱を行うこととすれば、発熱コイル９よりもチューブ７中のＡｌやＣｒを率先してチューブ７内側の酸素と反応させることができる。その結果、発熱コイル９の酸化を抑制しつつ、チューブ７内側の酸素分圧をより低下させることができ、発熱コイル９の耐久性をより一層向上させることができる。
〔第２実施形態〕
次いで、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に説明する。本第２実施形態では、図４に示すように、発熱コイル４９のうち、その先端からチューブ４７の中心軸ＣＬ２（本実施形態では、軸線ＣＬ１と一致する）に沿って６ｍｍ後端までの間に位置する先端側コイル４９Ａの線径が、発熱コイル４９のうち前記先端側コイル４９Ａよりも後端側に位置する後端側コイル４９Ｂの線径よりも小さくされている。具体的には、先端側コイル９４Ａの先端部は、先端側に向けて徐々に線径が小さくなるように構成されている。

そして、先端側コイル４９Ａの線径が後端側コイル４９Ｂの線径よりも小さくされることで、チューブ４７の中心軸ＣＬ２に沿った単位長さ当たりの先端側コイル４９Ａの常温抵抗の平均値が、前記中心軸ＣＬ２に沿った単位長さ当たりの発熱コイル４９全体の常温抵抗の平均値よりも大きくされている。このように先端側コイル４９Ａにおける常温抵抗の平均値が発熱コイル４９全体の常温抵抗の平均値よりも大きくされることで、バッテリＶＡからグロープラグ１（発熱コイル４９）への電力投入時に、チューブ４７のうちその先端から後端に約２ｍｍの部位Ｘ及びその近傍を積極的に昇温させることができ、前記部位Ｘ及びその近傍を最も高温とすることができる。

尚、グロープラグ１を内燃機関ＥＮに組付けた状態においては、図５に示すように、一般にチューブ４７のうちその先端から後端に約４ｍｍまでの間に位置する部位（以下、「露出部」と称す）４７Ｅが燃焼室ＥＲ内に配置される。従って、前記部位Ｘは、露出部７Ｅのほぼ中心に位置する部位といえる。

以上詳述したように、本第２実施形態によれば、温度がより高くなりやすく、急激な温度変化が生じやすいチューブ４７の露出部４７Ｅを積極的に昇温させることができ、チューブ４７をより高温にすることができるとともに、チューブ４７に急激な温度変化を生じさせることができる。従って、チューブ４７に生じる熱応力を一層増大させることができ、チューブ４７内周面に形成される酸化膜を一層割れやすくすることができる。その結果、発熱コイル４９の酸化防止効果を一層向上させることができる。
〔第３実施形態〕
次いで、第３実施形態について上記第２実施形態との相違点を中心に説明する。上記第２実施形態では、先端側コイル４９Ａの常温抵抗の平均値を発熱コイル４９全体の常温抵抗の平均値よりも大きくするために、先端側コイル４９Ａの線径が後端側コイル４９Ｂの線径よりも小さくされている。これに対して、本第３実施形態においては、図６（尚、図６〜図８においては、発熱コイルを模式的に示す）に示すように、先端側コイル５９Ａの平均ピッチが後端側コイル５９Ｂの平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さくされることで、先端側コイル５９Ａにおける常温抵抗の平均値が、発熱コイル５９全体の常温抵抗の平均値よりも十分に大きくなるように（本第３実施形態では、先端側コイル５９Ａの常温抵抗の平均値が、発熱コイル５９全体の常温抵抗の平均値の２倍以上となるように）構成されている。また、本第３実施形態では、発熱コイル５９の線径が０．２ｍｍ以上とされており、発熱コイル５９は、その先端から後端にかけて略一定の線径を有するように構成されている。

以上、本第３実施形態によれば、チューブ５７の露出部を積極的に昇温させることができ、チューブ５７のより一層急速な昇温等が可能となる。従って、チューブ５７内周面に形成される酸化膜をより一層割れやすくすることができ、発熱コイル５９の酸化防止効果をさらに高めることができる。

加えて、本第３実施形態では、先端側コイル５９Ａの太さを十分に確保できるため、発熱コイル５９の機械的強度を十分に維持することができる。

さらに、先端側コイル５９Ａを過度に細くする必要がないため、発熱コイル５９を比較的容易に製造することができ、生産性の低下をより確実に防止することができる。

次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、発熱コイルをＦｅ−２６Ｃｒ−７．５Ａｌ（パイロマックス）、Ｗ、又は、Ｍｏにより形成するとともに、チューブをＦｅやＮｉを主成分とするとともに、ＡｌやＣｒの含有量を種々変更した金属材料から形成したグロープラグのサンプルを作製し、各サンプルについて耐久性評価試験を行った。耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルについて、チューブ表面（加熱部）を常温から１０００℃まで２秒間又は１０秒間で昇温させるとともに、１１５０℃又は１２００℃にてチューブ表面温度が飽和するように６０秒間通電を行い、その後１８０秒間風冷することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでのサイクル数（断線サイクル）を測定した。ここで、チューブ表面温度が１１５０℃にて飽和する際に、断線サイクルが１００００サイクル以上となったサンプルは、優れた耐久性を有するとして「○」の評価を下し、一方で、断線サイクルが１００００サイクル未満となったサンプルは、耐久性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。また、チューブ表面温度が１２００℃にて飽和する際に（つまり、発熱コイルがより断線しやすい条件において）、断線サイクルが５０００サイクル以上となったサンプルは「○」の評価を下し、断線サイクルが５０００サイクル未満となったサンプルは「×」の評価を下した。尚、チューブに破損が生じてしまったサンプルは、下記表１〜表３の判定欄に「＊」を付した。

表１に、発熱コイルをＦｅ−２６Ｃｒ−７．５Ａｌにより形成したサンプルの試験結果を示す。また、表２に、発熱コイルをＷにより形成したサンプルの試験結果を示し、表３に、発熱コイルをＭｏにより形成したサンプルの試験結果を示す。尚、常温から１０００℃まで２秒間で昇温させる際には、サンプルに対して１１Ｖで２秒間通電し、常温から１０００℃まで１０秒間で昇温させる際には、サンプルに対して４．５Ｖで５秒間通電した後、７．５Ｖで５秒間通電した。また、チューブ表面温度を１１５０℃にて飽和させる際には、６．５Ｖで６０秒間通電し、チューブ表面温度を１２００℃で飽和させる際には、７．５Ｖで６０秒間通電した。尚、各サンプルともに、シール部をフッ素ゴムにより形成し、チューブ組成は、ＥＰＭＡによる定量分析により特定した。また、発熱コイルをＦｅ−２６Ｃｒ−７．５Ａｌにより形成したサンプルについては、常温から１０００℃まで２秒間で昇温させる試験のみを行った。

表１に示すように、発熱コイルをＦｅ−２６Ｃｒ−７．５Ａｌ（パイロマックス）により形成したサンプルは、チューブの組成に関わらず、早い段階で発熱コイルに断線が生じてしまい、特に１２００℃まで昇温させたときには、発熱コイルが溶融してしまうことが分かった。これは、発熱コイルを構成する金属材料の融点が１５００℃程度と比較的低く、チューブ表面を１１５０℃以上の高温とした際に、発熱コイルが自身の融点付近まで加熱されてしまったためであると考えられる。

加えて、表２及び表３に示すように、発熱コイルを高融点のＷ又はＭｏにより形成した場合であっても、チューブのＡｌ含有量やＣｒ含有量が比較的少ない場合には、耐久性が不十分となってしまうことが明らかとなった。これは、Ｗ及びＭｏは比較的酸化しやすい性質を有するため、高温下において、発熱コイルの酸化消耗が急激に進んでしまったことに起因すると考えられる。

また、チューブをＮｉ−１５Ｃｒ−８Ｆｅ−０．５Ｍｎ−０．２Ｓｉ〔インコネル（登録商標）６００〕により形成したサンプルは、チューブに破損が生じてしまうことが確認された。これは、チューブがＡｌを含有せず、また、チューブのＣｒ含有量が比較的少なかったため、チューブ表面にＡｌやＣｒが酸化してなる酸化被膜が十分に形成されず、チューブの耐酸化性が不十分となってしまったためであると考えられる。

これに対して、発熱コイルをＷ又はＭｏにより形成するとともに、チューブのＡｌ含有量を０．５質量％以上、Ｃｒ含有量を２０質量％以上としたサンプルは、優れた耐久性を有することが明らかとなった。これは、チューブに含有されたＡｌ及びＣｒが、発熱コイルのＷ又はＭｏよりも優先的に酸化したことで、チューブ内の酸素分圧を低下させることができ、ひいては発熱コイルの酸化を抑制できたこと、また、チューブの外表面にＡｌやＣｒからなる酸化膜が十分に形成され、チューブにおいて１１５０℃以上の高温に耐え得る優れた耐酸化性を長期間に亘って実現できたことによると考えられる。

また特に、チューブにおけるＡｌやＣｒの含有量を増加させるほど、優れた耐久性を実現できることが確認された。

以上の試験結果より、発熱コイル及びチューブ双方の耐久性を向上させ、長期間に亘ってより高温での発熱を可能とするためには、発熱コイルをＷ又はＭｏを主成分とする金属材料により形成するとともに、チューブにおけるＡｌ含有量を０．５質量％以上とし、Ｃｒ含有量を２０質量％以上とすることが好ましいといえる。また、耐久性の更なる向上を図るべく、Ａｌ含有量を１．４質量％以上や２．４質量％以上とより増加させたり、Ｃｒ含有量を２３質量％以上や２６質量％以上とより増加させたりすることが望ましいといえる。但し、Ａｌ含有量を５．０質量％超としたり、Ｃｒ含有量を４０質量％超としたりすると、加工性が悪化してしまうおそれがある。従って、Ａｌ含有量を５．０質量％以下、Ｃｒ含有量を４０質量％以下とすることが好ましい。

次いで、発熱コイルをＷ又はＭｏにより形成するとともに、チューブをＮｉ−２６Ｃｒ−１１Ｆｅ−２．４Ａｌ−０．２Ｃ−０．２Ｔｉ−０．１Ｚｒ−０．１Ｙ（Ａｌｌｏｙ６０２）により形成したグロープラグのサンプルを複数作製した。そして、各サンプルについて昇温時間を種々変更してチューブ表面を常温から１０００℃まで昇温させるとともに、１２００℃に到達後、その温度を６０秒間維持するように通電を行い、その後１８０秒間風冷することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでの断線サイクルを測定した。表４に、発熱コイルをＷにより形成したサンプルの試験結果を示し、表５に、発熱コイルをＭｏにより形成したサンプルの試験結果を示す。尚、各サンプルともに、シール部をフッ素ゴムにより形成した。

表４及び表５に示すように、常温から１０００℃までの昇温時間を３秒超とした場合には、断線サイクルが７０００サイクル前後となったのに対し、常温から１０００℃までの昇温時間を３秒以内とした場合には、断線サイクルが８５００サイクル以上となり、一層優れた耐久性を実現できること分かった。また、常温から１０００℃までの昇温時間を２秒以内としたことで、断線サイクルが９０００サイクルを超え、更なる耐久性の向上が図られることが確認された。これは、昇温時間が短いほどチューブに加わる熱応力が増大することから、チューブ内壁に生成された酸化膜が破壊されやすくなり（換言すれば、未酸化のＡｌやＣｒがチューブ内表面に露出しやすくなり）、その結果、チューブ内側の酸素とＡｌやＣｒとの酸化がより一層促進され、チューブ内側における酸素分圧がより一層低下したためであると考えられる。

以上の試験結果より、耐久性を一層向上させるべく、ＷやＭｏを主成分とする金属材料により発熱コイルを形成し、ＡｌやＣｒを所定量以上含有する金属材料によりチューブを形成したグロープラグにおいては、チューブ表面温度が常温から１０００℃に３秒以内で上昇するように電力を供給することが好ましく、常温から１０００℃に２秒以内で上昇するように電力を供給することが一層好ましいといえる。

次に、チューブ内に充填される絶縁粉末をＭｇＯ、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、又は、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）としたグロープラグのサンプルを作製し、７．５Ｖで６５秒間通電し（常温から１０００℃まで５秒で昇温させ）、その後１８０秒間風冷することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでの断線サイクルを測定した。表６に、当該試験の結果を示す。尚、各サンプルともに、発熱コイルをＷにより形成するとともに、チューブをＮｉ−２３Ｃｒ−１４Ｆｅ−１．４Ａｌ−０．５Ｍｎ−０．２Ｓｉ〔インコネル（登録商標）６０１〕、Ａｌｌｏｙ６０２、又は、ＳＵＳ３１０ｓにより形成した。また、シール部をフッ素ゴムにより形成するとともに、作製後のサンプルに対して８００℃で３０秒間の予備加熱を行った。

表６に示すように、チューブをインコネル６０１やＡｌｌｏｙ６０２により形成したサンプルは、いずれの絶縁粉末においても優れた耐久性を有することが確認された。また特に、絶縁粉末をＭｇＯにより形成したサンプルは、絶縁粉末をＡｌ₂Ｏ₃やＳｉ₃Ｎ₄により形成したサンプルよりも耐久性に一層優れることが明らかとなった。これは、ＭｇＯは、チューブ内周に形成されたＡｌやＣｒの酸化物との複合酸化物を作りやすいところ、当該複合酸化物は非常に粗いため、チューブ中のＡｌやＣｒとチューブ内側の酸素とが反応しやすくなり、結果として、チューブ内側における酸素分圧をより低下させることができたこと、及び、Ａｌ₂Ｏ₃等と比較して、ＭｇＯは熱伝導性に優れることから、チューブにより大きな熱応力が加わり、その結果、チューブ内周の酸化膜が割れやすくなり、チューブ内側の酸素とチューブ中のＡｌやＣｒとの酸化がより一層促進されたこと等に起因すると考えられる。

以上の試験結果より、耐久性の更なる向上を図るという観点からは、絶縁粉末として、ＭｇＯを主成分とする材料を用いることが好ましいといえる。

次いで、シール部をＥＰＤＭ、又は、フッ素ゴムにより形成したグロープラグのサンプルを作製し、各サンプルについて７．５Ｖで６５秒間通電し（常温から１０００℃まで５秒で昇温させ）、その後１８０秒間風冷することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでの断線サイクルを測定した。表７に当該試験の結果を示す。尚、発熱コイルはＷにより形成し、チューブはインコネル６０１、又は、Ａｌｌｏｙ６０２により形成した。また、シール部の軸線方向に沿った厚さを１０ｍｍとした。

表７に示すように、各サンプルともに優れた耐久性を有し、特にシール部の酸素透過率が小さいほどより一層優れた耐久性を実現できることが明らかとなった。これは、チューブ内へのシール部を透過した酸素の侵入がより抑制されたためであると考えられる。

以上の試験結果より、発熱コイルの耐久性を一層向上させるためには、シール部の酸素透過率を２．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下とすることが好ましく、酸素透過率を１．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下とすることがより好ましいといえる。

次に、発熱コイルをＷにより形成するとともに、チューブをインコネル６０１により形成したグロープラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて、チューブの先端部（先端から１ｍｍまでの範囲）を電気炉に挿入し、７００℃〜１４００℃で１秒〜６０秒間に亘ってチューブを予備加熱した。そして、予備加熱を行ったサンプルに対して、チューブ表面を常温から１０００℃まで２秒間で昇温させるとともに、チューブ表面温度が１２００℃にて飽和するように６０秒間通電を行い（つまり、１１Ｖで２秒間通電した後、７．５Ｖで６０秒間通電し）、その後１８０秒間風冷することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでのサイクル数（断線サイクル）を測定した。表８に、当該試験の結果を示す。尚、シール部はフッ素ゴムにより形成した。また、表８においては、参考として、予備加熱を行わなかったサンプルの断線サイクルも併せて示す。

表８に示すように、８００℃以上で６０秒間予備加熱を行ったサンプルや、１４００℃で予備加熱を行ったサンプルは、耐久性が極端に低下してしまうことが分かった。これは、長時間の加熱でシール部に溶損が生じてしまったり、極めて高温での加熱によりチューブが薄肉になってしまったりしたことに起因すると考えられる。

これに対して、７００℃〜１３００℃で１秒〜３０秒間に亘って予備加熱を行ったサンプルや、７００℃で６０秒間に亘って予備加熱を行ったサンプルは、予備加熱を行わなかったサンプルと比較して、一層優れた耐久性を有することが明らかとなった。これは、チューブを加熱したことで、発熱コイルよりもチューブ中のＡｌやＣｒが率先してチューブ内側の酸素と反応することとなり、その結果、発熱コイルの酸化を抑制しつつ、チューブ内側の酸素分圧をより低下させることができたためであると考えられる。

また特に、８００℃から１３００℃で３秒間から３０秒間に亘って予備加熱を行ったサンプルは、断線サイクルが９０００サイクルを超え、非常に優れた耐久性を有することが確認された。

以上の試験結果より、耐久性の更なる向上を図るべく、チューブ先端部の予備加熱を行うことが好ましいといえる。特に耐久性を確実に向上させるという点からは、７００℃以下の比較的低温で予備加熱を行うこと、又は、７００℃超１３００℃以下で１秒間から３０秒間に亘って予備加熱を行うことがより好ましく、８００℃以上１３００℃以下で３秒間から３０秒間に亘って予備加熱を行うことがより一層好ましいといえる。

次に、発熱コイルの線径を種々変更したグロープラグのサンプルを複数作製するとともに、放射温度計を用いてチューブ表面のうち先端から後端側に２ｍｍの部位（露出部の中心）における温度を測定しつつ、各サンプルに対して１１Ｖで２秒間通電した後、６Ｖで１８０秒間通電した。そして、チューブのうちその先端から後端側に２ｍｍの部分（測定対象部）における温度が１０００℃に到達したときの時間（１０００℃到達時間）を計測した。ここで、前記測定対象部が３秒以内に１０００℃となったサンプルは、チューブを急速昇温させやすく、チューブ内周面に未酸化のＡｌやＣｒを露出しやすくできるため、発熱コイルの耐酸化性向上という面で好ましいといえる。表９に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、発熱コイルをＭｏにより形成するとともに、発熱コイルのピッチを一定とし、発熱コイルの外径を２．５ｍｍとし、発熱コイル全体の常温抵抗を３００ｍΩとした。また、各サンプルにおいては、発熱コイル全体の常温抵抗をそれぞれ等しくすべく、発熱コイルの線径に応じて、発熱コイルの軸線に沿った長さや発熱コイルの巻き数を変更した。表９では、参考として、各サンプルにおける発熱コイルの長さや巻き数を併せて示す。

表９に示すように、発熱コイルの線径を０．１５ｍｍ以下としたサンプルは、前記測定対象部が３秒以内に１０００℃となり、露出部の急速昇温が容易に可能となることが分かった。

次に、発熱コイルのうちその先端からチューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間に位置する部位（先端側コイル）の線径を変更する一方で、発熱抵抗体のうち先端側コイルよりも後端側に位置する部位（後端側コイル）の線径を一定（０．２ｍｍ）としたグロープラグのサンプルを複数作製し、各サンプルを上述の通電条件（１１Ｖで２秒間通電後、６Ｖで１８０秒間通電）で昇温させた。そして、前記測定対象部における温度が１０００℃に到達したときの時間を計測した。表１０に、当該試験の試験結果を示す。

尚、各サンプルともに、発熱コイルをＭｏにより形成するとともに、発熱コイルの外径を２．５ｍｍとし、先端側コイルの長さを６ｍｍとし、後端側コイルの長さを１８ｍｍとした。また、各サンプルともに、先端側コイルに相当する部位を後端側コイルに相当する部位に溶接することで発熱コイルを作製した。さらに、先端側コイルの線径に合わせて、先端側コイルの平均ピッチを変更し、先端側コイルの常温抵抗が１５０ｍΩとなるように調節した。また、後端側コイルの常温抵抗も１５０ｍΩとすることで、発熱コイル全体の常温抵抗を３００ｍΩとし、発熱コイル全体の常温抵抗の平均値を１２．５ｍΩ／ｍｍ（＝３００ｍΩ／２４ｍｍ）とした。

表１０に示すように、各サンプルともに、前記測定対象部が３秒以内に１０００℃となり、露出部の急速昇温が容易に可能となることが確認された。

ところで、発熱コイルが十分な機械的強度を有するように構成するには、発熱コイルの線径を２．０ｍｍ以上とすることが好ましい。そこで次に、発熱コイルの線径を２．０ｍｍとした上で、先端側コイルのピッチを変更することにより先端側コイルの常温抵抗の平均値を変更したグロープラグのサンプルを複数作製し、各サンプルを上述の通電条件（１１Ｖで２秒間通電後、６Ｖで１８０秒間通電）で昇温させた。そして、前記測定対象部が３秒以内に１０００℃となったサンプルは、露出部を急速昇温させやすいとして「○」の評価を下すこととし、一方で、前記測定対象部の温度が３秒以内に１０００℃に到達しなかったサンプルは、露出部をやや昇温させにくいとして「△」の評価を下すこととした。表１１に、当該試験の試験結果を示す。

また、測定対象部が３秒以内に１０００℃となったサンプルについては、１１Ｖで２秒間通電した後、７．５Ｖで１８０秒間通電し、次いで、通電を１２０秒間停止することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでのサイクル数（断線サイクル）を併せて測定した。表１１には、前記試験の結果に加えて、測定された断線サイクルも示す。

尚、各サンプルともに、発熱コイルをＭｏにより形成するとともに、発熱コイルの外径を２．５ｍｍとした。また、図７（ａ），（ｂ）に示すように、各サンプルともに、先端側コイルの長さを６ｍｍとし、後端側コイルの長さを１８ｍｍとした。そして、先端側コイルの常温抵抗（ピッチ）の変更に合わせて、後端側コイルのピッチを調節することで後端側コイルの常温抵抗も変更し、各サンプルともに発熱コイル全体の常温抵抗を３００ｍΩとした。表１１では、先端側コイルの常温抵抗、後端側コイルの常温抵抗、先端側コイルの平均ピッチ、及び、後端側コイルの平均ピッチを併せて示す。尚、先端側コイルの平均ピッチは、先端側コイルのうち、チューブの先端に隣接する１巻分（発熱コイルの最先端部）を除外して算出した。

表１１に示すように、先端側コイルの常温抵抗の平均値を発熱コイル全体の常温抵抗の平均値よりも大きくしたサンプルは、測定対象部が３秒以内に１０００℃となり、露出部の急速昇温が容易に可能となることが明らかとなった。また特に、先端側コイルの平均ピッチを後端側コイルの平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さくしたサンプルは、測定対象部が２秒以内に１０００℃となり、露出部の急速昇温性に一層優れることが分かった。

さらに、１０００℃到達時間を短くするほど、発熱コイルの耐久性を向上できることが改めて確認された。

次いで、先端側コイルの常温抵抗及び後端側コイルの常温抵抗の双方を１５０ｍΩに設定するとともに、図８（ａ），（ｂ）に示すように、先端側コイルの長さを６ｍｍとした上〔つまり、先端側コイルの常温抵抗値の平均値を一定値（２５ｍΩ／ｍｍ）とした上〕で、後端側コイルの長さＬを変更することにより、発熱コイル全体の常温抵抗の平均値を変更したグロープラグのサンプルを作製した。そして、各サンプルを上述の通電条件（１１Ｖで２秒間通電後、６Ｖで１８０秒間通電）で昇温させ、測定対象部が３秒以内に１０００℃となったサンプルは、「○」の評価を下し、測定対象部が３秒以内に１０００℃とならなかったサンプルは、「△」の評価を下した。表１２に、当該試験の試験結果を示す。

また、評価が「○」となったサンプルは、１１Ｖで２秒間通電した後、７．５Ｖで１８０秒間通電し、次いで、通電を１２０秒間停止することを１サイクルとして、発熱コイルが断線するまでのサイクル数（断線サイクル）を測定した。表１２には、上記試験の試験結果に加えて、断線サイクルも併せて示す。

尚、各サンプルともに、発熱コイルをＷにより形成するとともに、発熱コイルの外径を２．５ｍｍとした。

表１２に示すように、先端側コイルの常温抵抗の平均値を発熱コイル全体の常温抵抗の平均値よりも大きくすることで、露出部を容易に急速昇温可能となることが改めて確認された。また、先端側コイルの平均ピッチを後端側コイルの平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さくすることで、露出部の急速昇温性を一層向上できる点も改めて確認された。

上記試験の結果より、発熱コイルにおける耐酸化性の更なる向上を図るべく、より高温となりやすいチューブの露出部を積極的に昇温させるためには、先端側コイルの常温抵抗の平均値を発熱コイル全体の常温抵抗の平均値よりも大きくすることが好ましいといえる。また、発熱コイルの耐酸化性をより一層向上させるために、先端側コイルの平均ピッチを後端側コイルの平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さくすることがより好ましいといえる。

尚、表９〜表１２における試験結果は、上述の通り、１１Ｖで２秒間通電した後、６Ｖで１８０秒間通電したときに得られたものである。従って、この通電条件において、露出部がやや急速昇温しにくいと評価されたサンプルであっても、通電条件を変更することで、露出部の表面温度を３秒以内に１０００℃以上とすることは可能である。また、通電条件や発熱コイルの構成を変更することで、チューブのうち露出部以外の部位の表面温度を３秒以内に１０００℃以上とすることも可能である。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では、発熱コイル９を構成する金属材料として、ＷやＭｏの純金属が例示されているが、発熱コイル９を構成する金属材料は、ＷやＭｏを主成分とする合金であればよい。従って、発熱コイル９を、ＷやＭｏを主成分とし、レニウム（Ｒｅ）や酸化トリウム（ＴｈＯ₂）、Ｃｒ等を含有してなる金属材料により形成することとしてもよい。Ｒｅを数質量％以上数十質量％以下含有させることで、発熱コイル９に過度の細径化を施すことなく（つまり、発熱コイル９の耐久性を維持したまま）、発熱コイル９の抵抗値を十分に増大させることができ、十分な発熱性能を実現することができる。また、ＴｈＯ₂を数質量％含有させることで、高温下における発熱コイル９の粒成長を抑制することができ、発熱コイル９の耐久性をより一層向上させることができる。

（ｂ）上記実施形態では、チューブ７の先端部と発熱コイル９の先端部とが接合されているが、チューブ７の先端部と発熱コイル９の先端部とを接合することなく構成することとしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、シール部１１を構成する材料としてＥＰＤＭゴムやフッ素ゴムが例示されているが、シール部１１を構成する材料はこれに限定されるものではない。従って、ある程度の厚さを有するシリコンゴムを用いることとしてもよいし、チューブ７に対してスウェージング加工を行わないのであれば、シール部１１としてガラス材を用いることとしてもよい。

（ｄ）上記実施形態において、金属片ＭＰは、チューブ７を構成する材料と同一組成の材料により形成されているが、金属片ＭＰを組成はこれに限定されるものではない。但し、チューブ７の先端部にＷが含有されないように構成するためには、金属片ＭＰはＷが含有されていないものであることが好ましい。また、上記実施形態のように、チューブ７の先端部にＣｒを含有させ、チューブ７の先端部における耐酸化性を向上させるためには、金属片ＭＰにＣｒを含有させることが好ましい。

（ｅ）上記実施形態では、絶縁粉末１０がＭｇＯを主成分とする金属材料により構成されているが、絶縁粉末１０を、他の金属（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉ₃Ｎ₄）を主成分とする材料により構成することとしてもよい。

（ｆ）グロープラグ１の形状等は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、チューブ７について、その先端部に小径部を設けるように構成することとしてもよい。また、主体金具２の軸孔４の大径部４ａを省略し、軸線方向にストレート形態となった軸孔４にチューブ７が圧入される構成としてもよい。

（ｇ）上記実施形態において、発熱コイル９の後端に中軸８が直接接合されているが、発熱コイル９と中軸８との間に、発熱コイル９と異なる金属材料〔例えば、コバルト（Ｃｏ）−Ｎｉ−Ｆｅ系合金等に代表されるＣｏ又はＮｉを主成分とする金属材料〕からなるコイル（いわゆる制御コイル）を設けることとしてもよい。この場合には、昇温（比較的低温）時には、制御コイルの抵抗値が比較的低く、発熱コイル９を急速に昇温させることができる一方で、温度が飽和した際には、制御コイルの抵抗値が比較的高くなり、発熱コイル９に対する電力供給量が抑制され、ひいては発熱コイル９の過昇温を抑制することができる。

１…グロープラグ、７…チューブ、９…発熱コイル（発熱抵抗体）、１０…絶縁粉末、１１…シール部、２１…加熱装置、３１…ＧＣＵ（通電制御装置）。

Claims (13)

1. 発熱抵抗体を有して加熱部を構成するグロープラグと、
   前記発熱抵抗体に対する供給電力を調節可能に構成され、前記供給電力の調節により、前記発熱抵抗体の発熱を制御可能な通電制御装置とを備える加熱装置であって、
   前記通電制御装置は、前記加熱部の温度が常温から１０００℃に３秒以内で上昇するように、前記発熱抵抗体に対して電力を供給し、
   前記グロープラグは、
   先端部が閉塞し、内部に前記発熱抵抗体が挿通されて前記加熱部を構成する筒状のチューブと、
   前記チューブの後端側開口に設けられ、前記チューブ内を封止状態とするシール部とを備え、
   前記発熱抵抗体は、タングステン又はモリブデンを主成分とする金属材料により形成されるとともに、
   前記チューブは、アルミニウムを０．５質量％以上５．０質量％以下、クロムを２０質量％以上４０質量％以下含有する合金により形成されることを特徴とする加熱装置。
2. 前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における常温抵抗の平均値が、前記発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記発熱抵抗体は、コイル状をなすとともに、その線径が０．２ｍｍ以上であり、
   前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における平均ピッチが、前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端よりも後端側に位置する部位における平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱装置。
4. 前記グロープラグは、前記チューブ内において前記発熱抵抗体の周囲に充填される絶縁粉末を備え、
   前記絶縁粉末は、酸化マグネシウムを主成分とする粉末であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加熱装置。
5. 前記シール部は、酸素透過率が２．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下の材料により形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加熱装置。
6. 前記チューブの先端部に前記発熱抵抗体の先端部が接合されており、
   前記チューブの先端部は、タングステンを含有せず、前記金属材料におけるクロムの含有量以上のクロムを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加熱装置。
7. 先端部が閉塞した筒状のチューブと、
   前記チューブ内に挿通された発熱抵抗体と、
   前記チューブの後端側開口に設けられ、前記チューブ内を封止するシール部とを備えたグロープラグであって、
   前記発熱抵抗体は、タングステン又はモリブデンを主成分とする金属材料により形成されるとともに、
   前記チューブは、アルミニウムを０．５質量％以上５．０質量％以下、クロムを２０質量％以上４０質量％以下含有する合金により形成されることを特徴とするグロープラグ。
8. 前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における常温抵抗の平均値が、前記発熱抵抗体全体の常温抵抗の平均値よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載のグロープラグ。
9. 前記発熱抵抗体は、コイル状をなすとともに、その線径が０．２ｍｍ以上であり、
   前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端までの間の部位における平均ピッチが、前記発熱抵抗体のうち、その先端から前記チューブの中心軸に沿って６ｍｍ後端よりも後端側に位置する部位における平均ピッチよりも０．９ｍｍ以上小さいことを特徴とする請求項７又は８に記載のグロープラグ。
10. 前記チューブ内において、前記発熱抵抗体の周囲に充填される絶縁粉末を備え、
    前記絶縁粉末は、酸化マグネシウムを主成分とする粉末であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のグロープラグ。
11. 前記シール部は、酸素透過率が２．０×１０^-9（ｃｍ³・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ）以下の材料により形成されることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のグロープラグ。
12. 前記チューブの先端部に前記発熱抵抗体の先端部が接合されており、
    前記チューブの先端部は、タングステンを含有せず、前記金属材料におけるクロムの含有量以上のクロムを含むことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のグロープラグ。
13. 先端部が閉塞した筒状のチューブと、
    前記チューブ内に挿通された発熱抵抗体と、
    前記チューブの後端側開口に設けられ、前記チューブ内を封止するシール部とを備えたグロープラグの製造方法であって、
    タングステン又はモリブデンを主成分とする金属材料により形成された前記発熱抵抗体を、アルミニウムを０．５質量％以上５．０質量％以下、クロムを２０質量％以上４０質量％以下含有する合金により形成された前記チューブ内に配置する配置工程と、
    前記チューブの後端側開口に前記シール部を設け、前記チューブ内を封止する封止工程と、
    前記封止工程の後において、前記チューブの外表面を加熱する加熱工程とを含むことを特徴とするグロープラグの製造方法。

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