JP5988484B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの予備加熱や、液体、気体等の加熱に使用されるグロープラグに関する。

グロープラグには、有底筒状の金属管の先端部（※本発明において、説明の便宜上、グロープラグの発熱側の端部を「先端」、反対側の端部を「後端」という。）に発熱コイルを収容してなるヒータを採用したものや、絶縁性セラミックをヒータの基体としその内部に導電性セラミックからなる発熱体を埋設してなるセラミックヒータを採用したものがある。
これらのグロープラグは、いずれもディーゼルエンジンの予備加熱等に使用されているが、近年、エンジンの高性能化による高温耐久性の要望の高まりから、セラミックヒータを備えたグロープラグの需要が高くなっている。

セラミックヒータを備えた従来のグロープラグ１０１は、例えば図４（ａ）に示したようにセラミックヒータ１０２と、外周にエンジンＥ（図１参照）側のプラグ取付孔Ｈ（図１参照）に取り付けるための雄ネジ部１０３を有すると共に中心部に軸方向に貫通する軸孔１０４を有する主体金具１０５と、該主体金具１０５の先端に固着されてセラミックヒータ１０２の後端部を圧入保持する外筒１０６と、外部電力をセラミックヒータ１０２へ供給するための中軸１０７と、主体金具１０５の軸孔１０４後端に嵌合して中軸１０７の絶縁を確保する絶縁部材１０８と、その絶縁部材１０８と主体金具１０５の間に介装されて主体金具１０５内の気密を保つＯリング１０９等を備えている。

また、図４（ａ）に示した従来のグロープラグ１０１は、前記中軸１０７の先端とセラミックヒータ１０２の後端部が、例えば金属製のリング部材１１０で機械的に剛接合されている。そして従来のグロープラグ１０１は、斯かる剛接合構造において生じ得るいくつかの問題、例えば、中軸１０７がセラミックヒータ１０２に対して偏心していた場合、そのずれを矯正するときの応力でセラミックヒータ１０２が破損するおそれがある、という組立時の問題に対応するため、中軸１０７の途中に細径の括れ部１１１を形成し、その括れ部１１１の撓りで前記応力が緩和されるようにしてある（特許文献１参照）。

特開２００６−２０７９８８号公報

上記のようにグロープラグ１０１の中軸１０７に括れ部１１１を設けたことで、グロープラグ組立時におけるセラミックヒータ１０２の破損は減少したが、エンジンに装着した後にセラミックヒータ１０２が破損する場合があった。

その原因を解明するため、セラミックヒータ１０２が破損したグロープラグ１０１を検査したところ、括れ部１１１の後端付近（図４（ａ）矢示Ｘ参照）を頂点として中軸１０７が屈曲し、セラミックヒータ１０２の後端部付近（図４（ａ）矢示Ｙ参照）で破断していた。
このことから推測すると、実使用環境において中軸１０７の主体金具１０５の後端から突出した部分である端子部１１２にコネクタを着脱等する際、該端子部１１２にそれと交差する方向の外力Ｆｃが作用し、その外力Ｆｃによって主体金具１０５の後端部を支点として中軸１０７に曲げ応力が発生し、その曲げ応力で撓りやすい括れ部１１１が屈曲し、その結果、主体金具１０５側に拘束されたセラミックヒータ１０２に大きな引張り応力σが作用して破断に至ったものと考えられる。

そこで、図４（ａ）のグロープラグ１０１について、実使用環境において外力Ｆｃを受ける中軸１０７の状態を図４（ｂ）に示した単純な両端支持梁に置き換え、中軸１０７の支点間距離に相当する前記剛接合部から主体金具１０５の後端部までの長さＬａと、中軸１０７の剛接合部から括れ部１１１の特定位置までの長さＬｂと、括れ部１１１のうち当該特定位置における外径Ｒと、括れ部１１１に作用する最大引張り応力σ(max)の関係を近似的に導いた。なお、中軸１０７の剛接合部から括れ部１１１の特定位置までの長さＬｂは、上記剛接合部を基点として括れ部の先端部から後端部までの区間を全て対象にして設定される変数であり、外径Ｒは、括れ部１１１のうちで特定位置に設定された位置の外径に対応するものである。

すなわち、図４（ｂ）において中軸１０７は、主体金具１０５の後端部に対応する支点Ａと、剛接合部たるリング部材１１０の後端に相当する支点Ｂで支えられているものと仮定する。この中軸１０７の端子部１１２に主体金具１０５の後端部（支点Ａ）から距離Ｌｃの位置に外力Ｆｃが加わると、支点Ａに作用する反力Ｆｏは、支点Ｂ回りのモーメントのつり合いから Ｆｏ＝Ｆｃ（Ｌａ＋Ｌｃ）／Ｌａ となる。
次に、中軸１０７の括れ部１１１が受ける曲げモーメントＭは、Ｍ＝Ｆｏ×（Ｌａ−Ｌｂ）−Ｆｃ×（Ｌａ−Ｌｂ＋Ｌｃ）であり、これに前記Ｆｏを代入して整理すると、Ｍ＝−Ｆｏ×（Ｌｂ×Ｌｃ）／（Ｌａ＋Ｌｃ）となる。つまり、図４（ｂ）において、「屈曲」と記載された矢印の方向に正の曲げ応力が作用することとなる。
一方、括れ部１１１の断面係数Ｚは、πＲ^３ ／３２であるから括れ部１１１に作用する最大引張り応力σ(max)は、σ(max)＝Ｍ／Ｚ＝Ｆｏ×（Ｌｂ×Ｌｃ）／（Ｌａ＋Ｌｃ）×３２／（πＲ^３ ）＝[（Ｌｂ＋Ｌｃ）／｛（Ｌａ＋Ｌｃ）× Ｒ^３ ｝]×（Ｆｏ×３２／π）となる。
ここでＬｃが十分短いものと考えると、最大引張り応力σ(max)は、Ｌｂ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）にほぼ比例すると言える。

そこで、本発明者は、上記の結果を基に、実使用環境下でのセラミックヒータの破損リスクが小さいグロープラグの検討を行った。

本発明は上記知見に基づきなされたもので、その目的は、中軸とセラミックヒータが剛接合され且つ中軸に括れ部を有するものであって、実使用環境下でのセラミックヒータの破損リスクが小さいグロープラグを提供することにある。

上記の目的を達成するため本発明は、
通電によって発熱する発熱体を先端側内部に収容した棒状のセラミックヒータと、
軸方向に貫通する軸孔を有する筒形状であって前記軸孔内に前記セラミックヒータの後端部を受け入れる主体金具と、
金属製の棒状体であって前記主体金具の前記軸孔内に挿通されており、該軸孔の後端から外部に突出する後端部分に外部より電力が供給される端子部が形成され、一方、自身の先端に前記セラミックヒータの後端部が機械的に剛接合され、さらに前記セラミックヒータとの剛接合部から前記主体金具後端部までの間に細径の括れ部が形成されている中軸と、を備えたグロープラグであって、
前記セラミックヒータの長さをＬｈとし、前記中軸の前記剛接合部から前記主体金具後端部までの長さをＬａとし、前記剛接合部から前記括れ部の先端部までの長さをＬｂ１とし、前記剛接合部から前記括れ部の後端部までの長さをＬｂ２とし、前記剛接合部を基点にして前記括れ部の先端部から後端部までの区間を対象にして選択される任意の部位までの長さを変数であるＬｚとしたとき、
Ｌｈ＞Ｌａで、且つ、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）≦０.０３（但し、Ｒは、前記括れ部のうち、前記剛接合部を基点として前記Ｌｚの長さに該当する位置の外径）を満たすようにしたグロープラグを提供する。

中軸とセラミックヒータが剛接合され且つ中軸に括れ部を有するグロープラグについて、Ｌｈ＞Ｌａで、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）≦０.０３の条件を満たす設定とすることによって、実使用環境下におけるセラミックヒータの破損リスクを効果的に減少させることができる。とりわけ、セラミックヒータの長さＬｈより、中軸の剛接合部から主体金具後端部までの長さＬａの方が小さいグロープラグは、中軸変形時の支点となる主体金具の後端部から中軸の剛接合部までの距離が短くて前記外力Ｆｃによる曲げモーメントの影響がセラミックヒータに伝わりやすい（破損リスクが高まる）ため、本願発明の効果が顕著になる。

一部拡大図を含むグロープラグの縦断面図である。 変数であるＬｚを変化させたときのＬｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）の推移を示すグラフである。 他の形態を示すもので、一部拡大図を含むグロープラグの縦断面図である。 （ａ）は従来のグロープラグの縦断面図、（ｂ）は実使用環境下において中軸が受け得る外力Ｆｃと中軸の支持状態を近似的に表した模式図である。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
実施形態のグロープラグ１は、図１に示したように、セラミックヒータ２と、該セラミックヒータ２を先端側に保持する主体金具３と、前記セラミックヒータ２に接合される中軸４と、から概略構成されている。

［セラミックヒータ］
前記セラミックヒータ２は、軸直角方向の断面が略円形で、先端から後端までの長さがＬｈ（例えば４２ｍｍ）の細長い棒状であり、絶縁性セラミック基体２ａの内部に導電性セラミックからなる発熱体２ｂと二本のリード部２ｃ，２ｄが埋設された公知のものである。

［主体金具］
前記主体金具３は、軸方向に貫通する軸孔５を有する筒形状であって、その先端に鍔付き筒状形態の外筒３ａが溶接等により固着されており、該外筒３ａに前記セラミックヒータ２が圧入状態で保持されている。この主体金具３は、例えばＳ４５Ｃ相当の鉄系素材で形成され、外周の中間位置にエンジンＥ側のプラグ取付孔Ｈに取り付けるための雄ネジ部３ｂを有すると共に、外周の後端位置に取付け工具が係合する工具係合部３ｃが形成されている。また、主体金具３の軸孔５の後端には、主体金具３内の気密を保つＯリング６と、筒状の絶縁部材７が装着されている。

［中軸］
前記中軸４は、金属製の棒状体であって主体金具３の軸孔５内に挿通されており、該軸孔５の後端から外部に突出する後端部分に加締めにより一体化された端子部４ａを有し、該端子部４ａにコネクタ（図示せず）を接続して外部より電力が供給される。
この中軸４の先端は、自身の先端に固着（溶接）されたリング部材８を介して前記セラミックヒータ２の後端部と機械的に剛接合され、さらにリング部材８を介してセラミックヒータ２の一方のリード部２ｃと電気的に接続されている。なお、セラミックヒータ２のもう一方のリード部２ｄは、前記外筒３ａを介して主体金具３に接続され、惹いては主体金具３を介してエンジンＥ側に電気的に接続されている。
一方、中軸４の後端側は、主体金具３の軸孔５後端に嵌合された絶縁部材７によって支持されている。なお、中軸４は、Ｆｅ系、Ｎｉ系の金属やステンレス合金（例えばＳＵＳ４３０）にて構成される。

中軸４は、太さ一様の棒状体である軸本体部４ｂの途中に該軸本体部４ｂの径より小径の括れ部４ｃが形成されている。括れ部４ｃと軸本体部４ｂの境界には括れ部４ｃから軸本体部４ｂに向かって拡径するテーパ部４ｄ，４ｄが形成されているが、該テーパ部４ｄ，４ｄも括れ部４ｃの一部に含まれる。なお、括れ部４ｃのうち、テーパ部４ｄ，４ｄ間に位置する部位の外径は一様な値となっている。

実施形態のグロープラグ１は、図１に示したように、セラミックヒータ２の先端からリング部材８内に位置する後端までの軸方向に沿った長さをＬｈ（単位：ｍｍ）とし、中軸４の剛接合部（リング部材８の後端）から主体金具３の後端部までの軸方向に沿った長さをＬａ（単位：ｍｍ）とし、中軸４の剛接合部（リング部材８の後端）から括れ部４ｃの先端部（先端側のテーパ部４ｄと軸本体部４ｂの境界部）までの軸方向に沿った長さをＬｂ１（単位：ｍｍ）とし、中軸４の剛接合部（リング部材８の後端）から括れ部４ｃの後端部（後端側のテーパ部４ｄと軸本体部４ｂの境界部までの軸方向に沿った長さをＬｂ２（単位：ｍｍ）としたとき、Ｌｈ＞Ｌａで、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）≦０.０３を満たすように設定されている。前記Ｒは、括れ部４ｃのうち、剛接合部（リング部材８の後端）を基点として前記Ｌｚ（単位：ｍｍ）の長さに該当する位置の外径（単位：ｍｍ）に対応する。つまり、実施形態のグロープラグ１では、括れ部４ｃの先端部から後端部までの区間を全て対象にして、変数にあたるＬｚの長さに該当する位置を考慮したときにも、上記の条件を満たすものとなっている。

具体的な本発明のグロープラグ１は、セラミックヒータ２の先端から後端までの長さ（Ｌｈ）と、中軸４の剛接合部（リング部材８の後端）から主体金具３後端部までの長さ（Ｌａ）と、中軸４の剛接合部（リング部材８の後端）から括れ部４ｃの後端部までの長さ（Ｌｚ）と、中軸４の軸本体部４ｂの外径４ｍｍに対して括れ部４ｃの外径（Ｒ）の夫々が表１の本発明品１〜７のように設定される。
なお、本発明品１〜７では、括れ部４ｃがテーパ部４ｄ，４ｄ間に一様な外径を有する部位が大部分を占めていることを考慮し、変数にあたるＬｚとして最大値となる中軸４の剛接合部から、括れ部４ｃのうち外径が一様な部位と後端側のテーパ部４ｄとの境界までの長さを設定した。また、本発明の効果は、表１の本発明品１〜７を３個づつ製造し、それらの主体金具３を固定して端子部４ａに前記外力Ｆｃ＝３５Ｋｇを付加する試験を行い、これによる中軸４の曲がりの有無とセラミックヒータ２の破損の有無を検証することにより確認した。その結果を表１に示す。ここで表１「中軸屈曲」欄の「無し」は括れ部４ｃの屈曲が目視で確認されなかったことを意味し、同欄の「有り」は括れ部４ｃの屈曲が目視で確認されたことを意味する。また、表１の「判定」欄の「○」はセラミックヒータ２が破損していなかったことを意味し、同欄の「×」はセラミックヒータ２が破損していたことを意味する。
また、比較のため、各寸法を表１の比較例１〜６のように設定したグロープラグについても各３個づつ製造して上記と同じ試験を行い、その結果を表１に示した。

表１の結果から明らかなように、Ｌｈ＞Ｌａで且つＬｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）≦０.０３を満たす本発明のグロープラグ１は、実使用環境下におけるセラミックヒータ２の破損リスクが非常に小さい。

ここで、括れ部４ｃの外径として２.６ｍｍと一様な外径を有する一方、括れ部４ｃの長さが１４ｍｍ、１８ｍｍと異なる２種のグロープラグ、即ち、上記表１の本発明品１と比較例２に関して、変数であるＬｚを変化させたときのＬｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）の推移を図２に示す。図２に示すように、中軸４の剛接合部から括れ部４ｃの特定部位までの長さを当該括れ部４ｃの先端部（詳細には、括れ部４ｃのうち外径が一様な部位と先端側のテーパ部４ｄとの境界位置）から１ｍｍずつ後端側に向かって変化させていったとき、本発明品１では、いずれのＬｚの値においても、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）の値がセラミックヒータ２の破損が生じない０.０３以下となった。なお、剛接合部から、括れ部４ｃのうち外径が一様な部位と先端側のテーパ部４ｄとの境界までの長さは、本発明品１、比較例２共に８ｍｍである。これに対して、比較例２では、括れ部４ｃのうちＬｚの値が１７ｍｍ、１８ｍｍとなる特定部位では、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）の値がセラミックヒータ２の破損が生じ得る０.０３より大きい値となった。そのため、表１に示したように、比較例２では、セラミックヒータ２の破損が認められた。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、上記の実施形態のグロープラグ１では、中軸４に設けられる括れ部４ｃとして、テーパ部４ｄ，４ｄ間に一様な外径を有する部位が大部分を占める形態を有する構成を採った。これに対し、図３に示すグロープラグ１１のように、中軸１４として、太さ一様の棒状体である軸本体部１４ｂの途中に先端側に向かって外径が徐々に縮小する縮径状部１４ｅを設けつつ、その縮径状部１４の先端側に軸本体部１４ｂに向かって拡径するテーパ部１４ｄを形成する形態を採っても良い。

このように括れ部１４ｃとして縮径状部１４ｅが大部分を占めるグロープラグ１１においても、セラミックヒータ２の先端からリング部材８内に位置する後端までの軸方向に沿った長さをＬｈ（単位：ｍｍ）とし、中軸１４の剛接合部（リング部材８の後端）から主体金具３の後端部までの軸方向に沿った長さをＬａ（単位：ｍｍ）とし、中軸１４の剛接合部（リング部材８の後端）から括れ部１４ｃの先端部（先端側のテーパ部１４ｄと軸本体部４ｂの境界部）までの軸方向に沿った長さをＬｂ１（単位：ｍｍ）とし、中軸１４の剛接合部（リング部材８の後端）から括れ部１４ｃの後端部（縮径状部１４ｅと軸本体部４ｂの境界部までの軸方向に沿った長さをＬｂ２（単位：ｍｍ）としたとき、Ｌｈ＞Ｌａで、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）≦０.０３を満たす（前記Ｒは、括れ部１４ｃのうち、剛接合部（リング部材８の後端）を基点として前記Ｌｚ（単位：ｍｍ）の長さに該当する位置の外径（単位：ｍｍ）に対応）ように設定するようにしている。これにより、グロープラグ１１においても、上記の実施形態のグロープラグ１と同様に、セラミックヒータ２の破損リスクを小さくすることが可能となる。

１，１１ …グロープラグ
２ …セラミックヒータ
２ｂ …発熱体
３ …主体金具
４，１４ …中軸
４ａ …端子部
４ｃ，１４ｃ …括れ部
５ …軸孔

Claims (1)

1. 通電によって発熱する発熱体を先端側内部に収容した棒状のセラミックヒータと、
   軸方向に貫通する軸孔を有する筒形状であって前記軸孔内に前記セラミックヒータの後端部を受け入れる主体金具と、
   金属製の棒状体であって前記主体金具の前記軸孔内に挿通されており、該軸孔の後端から外部に突出する後端部分に外部より電力が供給される端子部が形成され、一方、自身の先端に前記セラミックヒータの後端部が機械的に剛接合され、さらに前記セラミックヒータとの剛接合部から前記主体金具後端部までの間に細径の括れ部が形成されている中軸と、を備えたグロープラグであって、
   前記セラミックヒータの長さをＬｈとし、前記中軸の前記剛接合部から前記主体金具後端部までの長さをＬａとし、前記剛接合部から前記括れ部の先端部までの長さをＬｂ１とし、前記剛接合部から前記括れ部の後端部までの長さをＬｂ２とし、前記剛接合部を基点にして前記括れ部の先端部から後端部までの区間を対象にして選択される任意の部位までの長さを変数であるＬｚとしたとき、
   Ｌｈ＞Ｌａで、且つ、Ｌｚ／（Ｌａ×Ｒ^３ ）≦０.０３（但し、Ｒは、前記括れ部のうち、前記剛接合部を基点として前記Ｌｚの長さに該当する位置の外径）を満たすようにしたことを特徴とするグロープラグ。

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