JP5865196B2 - シースヒータ及びグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、液体や気体の加熱装置として用いられるシースヒータ、及び、シースヒータを備えるグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの始動補助等に用いられるグロープラグは、軸線方向に延びる軸孔を有するハウジングと、自身の先端部がハウジングの先端から突出する状態で前記軸孔に挿通され、通電により発熱するヒータ部材とを備えている。ヒータ部材としては、先端部が閉塞する筒状のチューブと、当該チューブの内部に配置される金属製の発熱体（例えば、発熱コイル）とを備えるシースヒータが知られている。また、チューブ内には、絶縁粉末が充填され、当該絶縁粉末により、発熱体の外周面とチューブの内周面とが絶縁されるようになっている（例えば、特許文献１等参照）。尚、絶縁粉末は、当初粉末であるが、発熱体の発熱に伴い高温となることで焼結する。

特開２０１１−１２８９８号公報

ところで、前記発熱体は、自身が加熱・冷却されることで膨張・収縮し、発熱体の膨張時に、絶縁粉末は、発熱体により押圧・圧縮される。ここで、上述のように焼結した絶縁粉末においては、発熱体により圧縮されることで形状が固定化されてしまい、発熱体が収縮しても元の形状に戻らないおそれがある。このような場合には、発熱体と絶縁粉末との間に大きな隙間が形成されてしまい、当該隙間の影響により発熱体の熱がチューブへと引かれにくくなってしまう。その結果、発熱体が過熱されてしまい、発熱体の溶断を招い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、発熱体と絶縁粉末との間に隙間が形成されてしまうことを効果的に抑制し、発熱体の過熱をより確実に防止することができるシースヒータ及びグロープラグ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．本構成のシースヒータは、先端部が閉塞する筒状の金属のみからなるチューブと、
前記チューブの内部に配設される金属のみからなる発熱体と、
前記チューブ内に充填される絶縁粉末とを備えたシースヒータであって、
前記発熱体の少なくとも一部が、多孔質の金属からなることを特徴とする。

上記構成１によれば、発熱体の少なくとも一部は、多孔質の金属により形成されている。従って、発熱体の熱膨張に伴い、発熱体から絶縁粉末に加わる圧縮応力を低減させることができる。これにより、発熱体と絶縁粉末との間に隙間が形成されてしまうことを効果的に抑制でき、発熱体の過熱や過熱に伴う溶断をより確実に防止することができる。

構成２．本構成のシースヒータは、上記構成１において、前記発熱体の全体が、多孔質の金属からなることを特徴とする。

上記構成２によれば、発熱体の全体が、多孔質の金属により形成されているため、発熱体の外表面全域において、絶縁粉末との間に隙間が形成されてしまうことを効果的に抑制できる。従って、発熱体の過熱や溶断をより一層確実に防止することができる。

構成３．本構成のシースヒータは、上記構成１又は２において、前記金属の融点が、１４００℃以上であることを特徴とする。

上記構成３によれば、発熱体の耐熱性をより高めることができ、発熱体の溶断を一段と確実に防止することができる。

構成４．本構成のグロープラグは、上記構成１乃至３のいずれかに記載のシースヒータを具備することを特徴とする。

上記構成４によれば、上記構成１等と同様の作用効果が奏されることとなる。

（ａ）は、グロープラグの一部破断正面図であり、（ｂ）は、グロープラグの先端部の一部破断拡大正面図である。 （ａ）は、シースヒータの拡大断面図であり、（ｂ）は、発熱コイルの拡大断面図である。 別の実施形態における発熱体の構成を示す拡大断面図である。 別の実施形態における発熱体の構成を示す拡大断面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１（ａ）は、グロープラグ１の一部破断正面図であり、図１（ｂ）は、グロープラグ１の先端部の一部破断拡大正面図である。尚、図１等では、グロープラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をグロープラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、グロープラグ１は、筒状のハウジング２と、当該ハウジング２の先端から自身の先端部が突出した状態でハウジング２に固定されたシースヒータ３とを備えている。

ハウジング２は、軸線ＣＬ１方向に延びる軸孔４を有し、その外周面には、グロープラグ１を内燃機関（ディーゼルエンジン等）のエンジンヘッドに取付ける際に、エンジンヘッドの取付孔に螺合されるねじ部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、所定の金属（例えば、ＦｅやＮｉを主成分とする金属）からなる
先端部が閉塞する筒状のチューブ７と、当該チューブ７内に設けられた発熱コイル８（本
発明の「発熱体」に相当する）及び制御コイル９とを備えており、両コイル８，９への通
電経路をなす中軸１０が接続されている。

発熱コイル８は、所定の電熱線が螺旋状に巻回されてなり、制御コイル９と直列的に接続されるとともに、その先端部がチューブ７の先端部に接合されている。

制御コイル９は、発熱コイル８及び中軸１０間に設けられており、発熱コイル８の材質よりも電気比抵抗の温度係数が大きい材質（例えば、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）からなる抵抗発熱線が螺旋状に巻回されることで構成されている。これにより、制御コイル９は、自身の発熱及び発熱コイル８からの発熱を受けることにより電気抵抗値を増大させ、発熱コイル８に対する供給電力を制御する。詳述すると、通電初期においては発熱コイル８に対して比較的大きな電力が供給され、発熱コイル８の温度は急速に上昇する。すると、その発熱及び自身の発熱により制御コイル９が加熱され、制御コイル９の電気抵抗値が増大し、発熱コイル８への供給電力が減少する。これにより、シースヒータ３の昇温特性は、通電初期に急速昇温した後、以降は制御コイル９の働きにより供給電力が抑制されて温度が飽和する形となる。つまり、制御コイル９の存在により、急速昇温性を高めつつ、発熱コイル８の過昇温（オーバーシュート）が生じにくくなるように構成されている。

中軸１０は、所定の導電性金属により形成されており、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる棒状をなしている。また、中軸１０は、その先端部がチューブ７内に挿通されるとともに、制御コイル９の後端部に接合され、その後端部がハウジング２の後端から突出している。そして、ハウジング２の後端部においては、ゴム等からなるＯリング１３、樹脂等からなる絶縁ブッシュ１４、絶縁ブッシュ１４の脱落を防止するための押さえリング１５、及び、通電用のケーブルを接続するためのナット１６がこの順序で中軸１０に嵌め込まれた構造となっている。

さらに、チューブ７内には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする絶縁粉末１１が封入されており、絶縁粉末１１が介在することにより、発熱コイル８及び制御コイル９の外周面とチューブ７の内周面とが絶縁された状態となっている。また、チューブ７の後端は、中軸１０との間で環状ゴム１２により封止されている。尚、本実施形態において、発熱コイル８を構成する金属の熱膨張率は、絶縁粉末１１の熱膨張率よりも大きなものとされている。

加えて、チューブ７には、スウェージング加工等によって、その先端部に発熱コイル８等を収容する小径部７Ａが形成されるとともに、その後端部に自身の外径が小径部７Ａの外径よりも大きい大径部７Ｂが形成されている。そして、シースヒータ３は、前記大径部７Ｂが、軸孔４のうち内径が比較的小さい小径部４Ａに圧入されることで、ハウジング２に固定されている。

さらに、本実施形態では、発熱コイル８の熱膨張を抑制すべく、図２（ａ），（ｂ）に示すように、発熱コイル８の少なくとも一部（本実施形態では、発熱コイル８の全体）が、内部に多数の気孔を有する多孔質の金属により形成されている。尚、発熱コイル８の熱膨張をより確実に抑制するという観点から、前記多孔質の金属の気孔率を３０％以上とすることが好ましく、５０％以上とすることがより好ましく、７０％以上とすることがより一層好ましい。

また、本実施形態では、発熱コイル８を構成する金属として、融点が１４００℃以上の金属（例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、及び、これらのうち少なくとも一種を主成分とする合金等）が用いられている。

尚、発熱コイル８は、例えば、多孔質のスポンジ材に金属メッキを施した後、当該金属メッキが施されたスポンジ材を低温で焼成することにより得ることができる。また、例えば、金属粉末と有機物の粉末との混合物を成形するとともに、前記成形された混合物を焼成することで得ることもできる。さらに、溶融した金属にＨ₂やＮ₂等のガスを固溶させておき、金属の凝固時に前記ガスを発泡させることで得ることもできる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、発熱コイル８が多孔質の金属により形成されているため、発熱コイル８の熱膨張に伴い、発熱コイル８から絶縁粉末１１に加わる圧縮応力を低減させることができる。これにより、発熱コイル８と絶縁粉末１１との間に隙間が形成されてしまうことを効果的に抑制でき、発熱コイル８の過熱や過熱に伴う溶断をより確実に防止することができる。

特に本実施形態では、発熱コイル８の全体が、多孔質の金属により形成されているため、発熱コイル８の外表面全域において、絶縁粉末１１との間に隙間が形成されてしまうことを効果的に抑制できる。従って、発熱コイル８の過熱や溶断を非常に効果的に防止することができる。

尚、本実施形態のように、発熱コイル８を構成する金属の熱膨張率が絶縁粉末１１の熱膨張率よりも大きい場合には、発熱コイル８の熱膨張時に、発熱コイル８から絶縁粉末１１に加わる応力が比較的大きなものとなる。従って、発熱コイル８及び絶縁粉末１１間において比較的大きな隙間が形成されてしまいやすいが、上述の構成とすることで、隙間の形成を効果的に防止することができる。換言すれば、上述の構成（発熱コイル８を多孔質の金属により形成すること）は、発熱コイル８を構成する金属の熱膨張率が絶縁粉末１１の熱膨張率よりも大きい場合に、特に有意である。

また、本実施形態では、発熱コイル８を構成する金属の融点が１４００℃以上とされている。そのため、発熱コイル８の耐熱性をより高めることができ、発熱コイル８の溶断を一段と確実に防止できる。

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８の全体が多孔質の金属により形成されているが、発熱コイル８の一部を多孔質の金属により形成することとしてもよい。従って、例えば、通電時に最も発熱し、熱膨張量が最も大きくなる発熱コイル８の先端部のみを多孔質の金属により形成することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、発熱コイル８の過昇温を防止すべく、発熱コイル８及び中軸１０間に制御コイル９が介在されているが、発熱コイル８に中軸１０を直接接触させ、制御コイル９を省略してもよい。

（ｃ）上記実施形態では、発熱体としての発熱コイル８は螺旋状をなしているが、発熱体の形状はこれに限定されるものではない。従って、例えば、図３に示すように、軸線ＣＬ１に沿って延び、先端部がチューブ７の先端部に接合される棒状の発熱体２１を用いることとしてもよい。また、図４に示すように、軸線ＣＬ１に沿ってそれぞれ平行に延びる２本の棒状部分と、両棒状部分の先端部同士を連結する連結部分とを備えてなるＵ字状の発熱体２２を用いることとしてもよい。尚、これらのように構成した場合には、発熱体の全長が比較的小さくなるため、発熱体の抵抗値が減少し、発熱体の発熱性能が低下してしまうことが考えられる。しかしながら、発熱体を多孔質の金属により形成することで、発熱体の単位長さ当たりの抵抗値を増大させることができ、発熱体の全長が比較的小さい場合であっても、発熱体の抵抗値を十分に大きなものとすることができる。そのため、発熱体を上述の形状としつつ、良好な発熱性能を確保することができる。

（ｄ）上記実施形態において、工具係合部６は断面六角形状とされているが、工具係合部６の形状は、このような形状に限定されるものではない。従って例えば、工具係合部６を、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等としてもよい。

（ｅ）シースヒータ３の形状は特に限定されるものではなく、例えば、断面楕円形状や断面長円形状、断面多角形状であってもよい。

（ｆ）上記実施形態においては、チューブ７を構成する金属材料としてＦｅやＮｉを主成分とする金属を挙げているが、これは例示であって、チューブ７を構成する金属材料はこれに限定されるものではない。

（ｇ）発熱コイル８の気孔内に絶縁粉末１１が存在していてもよい（例えば、気孔内に絶縁粉末１１を充填してもよい）。絶縁粉末１１は、熱膨張率が低いため、発熱コイル８の気孔内に絶縁粉末１１が存在していても、発熱コイル８の熱膨張を十分に抑制することができる。従って、発熱コイル８とその外周に位置する絶縁粉末１１との間における隙間の形成を十分に抑制することができる。

１…グロープラグ、３…シースヒータ、７…チューブ、８…発熱コイル（発熱体）、１１…絶縁粉末。

Claims (4)

1. 先端部が閉塞する筒状の金属のみからなるチューブと、
   前記チューブの内部に配設される金属のみからなる発熱体と、
   前記チューブ内に充填される絶縁粉末とを備えたシースヒータであって、
   前記発熱体の少なくとも一部が、多孔質の金属からなることを特徴とするシースヒータ。
2. 前記発熱体の全体が、多孔質の金属からなることを特徴とする請求項１に記載のシースヒータ。
3. 前記金属の融点が、１４００℃以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシースヒータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシースヒータを具備することを特徴とするグロープラグ。

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