JP6279925B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、グロープラグに関する。

グロープラグとしては、シースヒータを用いたシース型グロープラグが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。グロープラグのシースヒータは、シースチューブと発熱コイルとを備える。シースチューブは、先端部が閉塞した筒状体である。発熱コイルは、シースチューブの内側に設けられた発熱体である。引用文献３には、急速昇温性および耐久性を向上させるために、シースチューブの先端側に向かうに連れて発熱コイルのコイル外径を小さくしたグロープラグが記載されている。

特開２００５−６１８２８号公報 特開２００６−１２５７７６号公報 特開２００７−２６３４９５号公報

近年、グロープラグには、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を図るために、シースチューブの先端側における発熱量を十分に確保する特性（先端発熱性）が求められている。しかしながら、特許文献１〜３のグロープラグでは、シースチューブの先端側に発熱コイルが十分に配置されていないため、シースチューブの先端側における発熱量を十分に確保できないという課題があった。特に、特許文献３のグロープラグでは、シースチューブの先端側に向かうに連れて発熱コイルのコイル外径が小さくなり、これによって発熱コイルの１巻きごとの抵抗値が小さくなるため、シースチューブの先端側における発熱量が不足するという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本発明の一形態によれば、先端側から後端側へと延びた筒状を成し、前記先端側に閉塞部を有する筒状体と；前記筒状体の内側に設けられ、前記先端側から前記後端側へと延びた螺旋状を成し、通電によって発熱する発熱コイルと、を備えるグロープラグが提供される。このグロープラグにおいて、前記発熱コイルは、前記後端側から前記閉塞部に向かうに従ってコイル外径が拡大するとともに前記閉塞部に接合された拡径部を、有し、前記拡径部における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘと、前記発熱コイルのうち前記拡径部より前記後端側に位置する前記拡径部とは異なる部位における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎとの関係は、（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たす。この形態によれば、拡径部において発熱コイルの１巻きごとの抵抗値を大きくできるため、筒状体の先端側における発熱量を増加できる。その結果、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を図ることができる。

（１）本発明の一形態によれば、先端側から後端側へと延びた筒状を成し、前記先端側に閉塞部を有する筒状体と；前記筒状体の内側に設けられ、前記先端側から前記後端側へと延びた螺旋状を成し、通電によって発熱する発熱コイルと、を備えるグロープラグが提供される。このグロープラグにおいて、前記発熱コイルは、前記後端側から前記閉塞部に向かうに従ってコイル外径が拡大するとともに前記閉塞部に接合された拡径部を、有する。この形態によれば、拡径部において発熱コイルの１巻きごとの抵抗値を大きくできるため、筒状体の先端側における発熱量を増加できる。その結果、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を図ることができる。

（２）上記形態のグロープラグにおいて、前記発熱コイルにおいて１巻きごとの抵抗値が最大となる部位は、前記拡径部に位置してもよい。この形態によれば、筒状体の先端側における発熱量をいっそう増加できる。

（３）上記形態のグロープラグにおいて、前記拡径部における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘと、前記発熱コイルのうち前記拡径部より前記後端側に位置する前記拡径部とは異なる部位における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎとの関係は、（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たしてもよい。この形態によれば、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を十分に図ることができる。

（４）上記形態のグロープラグにおいて、前記拡径部における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘと、前記発熱コイルのうち前記筒状体の前記先端側の表面から前記後端側へ６ｍｍ以上離れた部位における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎとの関係は、（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たしてもよい。この形態によれば、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を十分に図ることができる。

本発明は、グロープラグ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述のグロープラグを備える内燃機関、上述の筒状体と発熱コイルとを備える発熱装置、上述のグロープラグを製造する製造方法などの形態で実現することができる。

グロープラグの構成を示す説明図である。 グロープラグにおけるシースヒータの詳細構成を示す説明図である。 グロープラグの発熱特性および高温特性を評価した結果を示す表である。 試料における発熱コイルの１巻きごとの抵抗値を測定した結果を示す表である。 試料における発熱コイルの１巻きごとの抵抗値を測定した結果を示す表である。 各試料における発熱コイルの抵抗値を測定する様子を示す説明図である。

Ａ．実施形態
Ａ１．グロープラグの構成
図１は、グロープラグ１０の構成を示す説明図である。図１には、グロープラグ１０の中心軸ＳＣを境界として、紙面右側にグロープラグ１０の外観形状が図示され、紙面左側にグロープラグ１０の断面形状が図示されている。本実施形態の説明では、グロープラグ１０における図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。

グロープラグ１０は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関（図示しない）の始動時における着火を補助する熱源として機能する。グロープラグ１０は、中軸２００と、主体金具５００と、シースヒータ８００とを備える。本実施形態では、グロープラグ１０の中心軸ＳＣは、中軸２００、主体金具５００、およびシースヒータ８００の各部材における中心軸でもある。

グロープラグ１０の中軸２００は、主体金具５００の内側に設けられた導体である。本実施形態では、中軸２００は、中心軸ＳＣを中心とする円柱状を成す金属製の導体である。中軸２００は、シースヒータ８００へと電力を中継する。

中軸２００は、先端側に設けられた先端部２１０と、後端側に設けられた後端部２９０とを備える。中軸２００の先端部２１０は、主体金具５００の先端側に接合されたシースヒータ８００の内側に挿入されている。中軸２００の後端部２９０は、主体金具５００の後端側から突出している。本実施形態では、後端部２９０には、雄ネジが形成されている。本実施形態では、後端部２９０には、先端側から順に、絶縁ゴム製の環状部材であるＯリング４６０と、絶縁樹脂製の筒状部材である絶縁ブッシュ４１０と、金属製の筒状部材であるリング３００と、金属製のナット１００とが組み付けられている。

グロープラグ１０の主体金具５００は、中心軸ＳＣを中心とする円筒状を成す金属製の導体である。本実施形態では、主体金具５００は、ニッケルめっきが施された低炭素鋼である。他の実施形態では、主体金具５００は、亜鉛めっきが施された低炭素鋼であっても良いし、めっきが施されていない低炭素鋼であっても良い。

主体金具５００は、軸孔５１０と、工具係合部５２０と、ネジ部５４０とを備える。主体金具５００の軸孔５１０は、中心軸ＳＣを中心とする貫通孔である。軸孔５１０の先端側には、シースヒータ８００が圧入によって接合されている。軸孔５１０の内径は、中軸２００の外径よりも大きい。軸孔５１０の内側には、中軸２００が保持されている。中軸２００と軸孔５１０との間には、空隙が形成されている。主体金具５００の工具係合部５２０は、グロープラグ１０の取り付けおよび取り外しに用いられる工具（図示しない）に係り合う外周形状（例えば、六角形）を成す部位である。主体金具５００のネジ部５４０は、内燃機関（図示しない）に対して嵌り合う雄ネジが外周に形成された部位である。

グロープラグ１０のシースヒータ８００は、熱を発生させる発熱装置である。シースヒータ８００は、シースチューブ８１０と、発熱コイル８２０と、制御コイル８４０と、絶縁粉末８７０とを備える。

図２は、グロープラグ１０におけるシースヒータ８００の詳細構成を示す説明図である。図２には、シースチューブ８１０を中心軸ＳＣに沿って半分に切断したシースヒータ８００が図示されている。

シースヒータ８００のシースチューブ８１０は、先端側から後端側へと延びた筒状を成す筒状体である。シースチューブ８１０の先端側には、閉塞した部位である閉塞部８１１が形成されている。閉塞部８１１の内側には、発熱コイル８２０が溶接によって接合されている。シースチューブ８１０の後端側における内側には、絶縁ゴム製の筒状部材であるパッキン６００を介して中軸２００が挿入されている。シースチューブ８１０の後端側における外側は、主体金具５００における軸孔５１０の内側に接触している。

本実施形態では、シースチューブ８１０の材質は、ニッケル基合金（インコネル６０１（「ＩＮＣＯＮＥＬ」は登録商標））である。他の実施形態では、シースチューブ８１０の材質は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ）であってもよい。

本実施形態では、シースチューブ８１０の外径は、約３．５ｍｍ（ミリメートル）である。本実施形態では、シースチューブ８１０の側面における肉厚は、約０．５ｍｍである。本実施形態では、シースチューブ８１０の閉塞部８１１における肉厚は、約１．０ｍｍである。

シースヒータ８００の発熱コイル８２０は、通電によって発熱する発熱体である。発熱コイル８２０は、シースチューブ８１０の内側に設けられている。発熱コイル８２０は、先端側から後端側へと延びた螺旋状を成す。発熱コイル８２０の先端側は、シースチューブ８１０における閉塞部８１１の内側に溶接によって接合されている。発熱コイル８２０の後端側は、溶接によって制御コイル８４０に接合されている。発熱コイル８２０と制御コイル８４０との間には、溶融部８３０が形成されている。溶融部８３０は、
発熱コイル８２０と制御コイル８４０との溶接時に溶融した後に凝固した部位である。

発熱コイル８２０は、拡径部８２２と、同径部８２７とを有する。発熱コイル８２０の拡径部８２２は、同径部８２７より先端側に位置し、閉塞部８１１に接合されている。拡径部８２２のコイル外径は、後端側から閉塞部８１１に向かうに従って拡大する。発熱コイル８２０の同径部８２７は、拡径部８２２より後端側に位置し、制御コイル８４０へと接続されている。同径部８２７のコイル外径は、後端側から先端側にわたってほぼ同一である。

図２には、拡径部８２２のコイル外径と同径部８２７のコイル外径とを比較しやすいように、仮想線ＯＬと、仮想線ＲＬと、仮想線ＤＬとが図示されている。仮想線ＯＬは、拡径部８２２および同径部８２７に外側で接する線分である。仮想線ＲＬは、仮想線ＯＬと同一平面上で同径部８２７における中心径を繋ぐ線分である。仮想線ＤＬは、拡径部８２２と同径部８２７との境界を示す線分である。本実施形態では、閉塞部８１１の外側から仮想線ＤＬまでの中心軸ＳＣに沿った距離Ｌ１は、約６ｍｍである。他の実施形態では、距離Ｌ１は、６ｍｍより短くてもよいし、６ｍｍより長くてもよい。

本実施形態では、拡径部８２２は、発熱コイル８２０における先端側から１巻き目Ｗ１から４巻き目Ｗ４までの合計４巻き分を占め、同径部８２７は、発熱コイル８２０における先端側から５巻き目Ｗ５から９巻き目Ｗ９までの合計５巻き分を占める。他の実施形態では、拡径部８２２の巻き数は、４巻き未満であってもよいし、４巻き超過であってもよい。他の実施形態では、同径部８２７の巻き数は、５巻き未満であってもよいし、５巻き超過であってもよい。

発熱コイル８２０において１巻きごとの抵抗値が最大となる部位は、拡径部８２２に位置する。本実施形態では、１巻き目Ｗ１の抵抗値が、発熱コイル８２０において最大となる。他の実施形態では、２巻き目Ｗ２以降における１巻きごとの抵抗値が、発熱コイル８２０において最大となってもよい。

急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を十分に図る観点から、拡径部８２２における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘと、発熱コイル８２０のうち拡径部８２２より後端側に位置する拡径部８２２とは異なる部位（同径部８２７）における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎとの関係は、（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たすことが好ましい。言い換えると、拡径部８２２における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘと、発熱コイル８２０のうちシースチューブ８１０の先端側の表面から後端側へ中心軸ＳＣに沿って６ｍｍ以上離れた部位における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎとの関係は、（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たすことが好ましい。抵抗比（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎの値は、０．４９以上がより好ましく、０．５０以上がさらに好ましく、０．６０以上がいっそう好ましい。抵抗比（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎの評価については後述する。

本実施形態では、発熱コイル８２０の材質は、鉄（Ｆｅ）から主に構成される合金であり、鉄（Ｆｅ）は、発熱コイル８２０に占める割合が最も多い成分（好ましくは、６５質量％以上）である。発熱コイル８２０は、クロム（Ｃｒ）およびアルミニウム（Ａｌ）の少なくとも一方を含有してもよし、クロム（Ｃｒ）およびアルミニウム（Ａｌ）以外の他の成分を含有してもよい。他の実施形態では、発熱コイル８２０の材質は、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）合金であってもよい。

シースヒータ８００の制御コイル８４０は、シースチューブ８１０の内側において発熱コイル８２０と直列に接続され、発熱コイル８２０による発熱を制御する。制御コイル８４０の先端側は、溶接によって発熱コイル８２０に接合されている。制御コイル８４０の後端側は、中軸２００の先端部２１０に接続されている。

制御コイル８４０の材質は、発熱コイル８２０より電気比抵抗の温度係数が大きい。本実施形態では、制御コイル８４０の材質は、純ニッケル（Ｎｉ）である。制御コイル８４０は、コバルト（Ｃｏ）−鉄（Ｆｅ）合金であってもよいし、コバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）合金であってもよい。

シースヒータ８００の絶縁粉末８７０は、電気絶縁性を有する粉末である。本実施例では、絶縁粉末８７０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から主に成る。絶縁粉末８７０は、シースチューブ８１０の内側に充填され、中軸２００と、シースチューブ８１０と、発熱コイル８２０と、制御コイル８４０との各隙間を電気的に絶縁する。

Ａ２．グロープラグの評価
図３は、グロープラグ１０の発熱特性および高温特性を評価した結果を示す表である。試験者は、評価対象となるグロープラグ１０として、試料Ｓ１〜Ｓ８を用意した。試料Ｓ１〜Ｓ８に共通する試料は、次のとおりである。
・シースチューブ８１０の材質：ニッケル合金（インコネル６０１）
・発熱コイル８２０の材質：鉄（Ｆｅ）-クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金
・制御コイル８４０の材質：純ニッケル（Ｎｉ）

試料Ｓ１〜Ｓ８は、発熱コイル８２０の拡径部８２２におけるコイル外径について、それぞれ他の試料と異なる。試料Ｓ１〜Ｓ８は、シースチューブ８１０および制御コイル８４０の形状、発熱コイル８２０の同径部８２７におけるコイル外径、並びに、発熱コイル８２０における各部の線径について、それぞれ他の試料と同様である。

図３の評価試験において、試験者は、各試料の発熱特性および高温特性を評価するために通電試験を行った。通電試験では、試験者は、各試料におけるシースチューブ８１０の表面に対して、先端側から１ｍｍごとにＰＲ熱電対を取り付けた。その後、試験者は、ＰＲ熱電対を取り付けた試料に対して１１Ｖ（ボルト）の電圧を印加し、シースチューブ８１０における各部の温度変化を測定した。

試験者は、次の評価基準に基づいて各試料の発熱特性を評価した。
◎（優）：シースチューブ８１０の先端側から１ｍｍ以下の範囲で発熱開始
○（良）：シースチューブ８１０の先端側から１ｍｍ超過２ｍｍ以下の範囲で発熱開始
△（可）：シースチューブ８１０の先端側から２ｍｍ超過３ｍｍ以下の範囲で発熱開始
×（劣）：シースチューブ８１０の先端側から３ｍｍ超過の範囲で発熱開始

試験者は、次の評価基準に基づいて各試料の高温特性を評価した。
◎（優）：１１Ｖの電圧を印加してから２秒後の温度が１０８０℃以上
○（良）：１１Ｖの電圧を印加してから２秒後の温度が１０５０℃以上〜１０８０℃未満
△（可）：１１Ｖの電圧を印加してから２秒後の温度が９５０℃以上〜１０５０℃未満
×（劣）：１１Ｖの電圧を印加してから２秒後の温度が９５０℃以下

図３の評価試験において、試験者は、通電試験を終えた後、各試料における発熱コイル８２０の１巻きごとの抵抗値を測定した。図４は、試料Ｓ５における発熱コイル８２０の１巻きごとの抵抗値を測定した結果を示す表である。図５は、試料Ｓ８における発熱コイル８２０の１巻きごとの抵抗値を測定した結果を示す表である。

図６は、各試料における発熱コイル８２０の抵抗値を測定する様子を示す説明図である。試験者は、発熱コイル８２０の抵抗値を測定するために、シースチューブ８１０の先端側を中心軸ＳＣに沿って半分に削ることによって、シースチューブ８１０から発熱コイル８２０を露出させた。その後、試験者は、シースチューブ８１０の閉塞部８１１における測定点Ｍ０と、発熱コイル８２０の１巻き目Ｗ１における測定点Ｍ１との間の抵抗値を、発熱コイル８２０における１巻き目Ｗ１の抵抗値として測定した。その後、試験者、発熱コイル８２０の２巻き目Ｗ２における測定点Ｍ２についても同様に測定点Ｍ０との間の抵抗値を測定し、この測定値から１巻き目Ｗ１の抵抗値を減算した値を、発熱コイル８２０における２巻き目Ｗ２の抵抗値として算出した。試験者は、発熱コイル８２０における３巻き目Ｗ３以降の抵抗値についても、２巻き目Ｗ２と同様に抵抗値を求めた。

試験者は、発熱コイル８２０における各部の抵抗値に基づいて、抵抗比（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎを求めた。図４，５に示すように、試料Ｓ５，Ｓ８の例では、拡径部８２２における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘは、発熱コイル８２０の１巻き目Ｗ１の抵抗値であり、同径部８２７における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎは、５巻き目Ｗ５の抵抗値であった。試料Ｓ５，Ｓ８の例では、発熱コイル８２０における５巻き目Ｗ５は、発熱コイル８２０のうちシースチューブ８１０の先端側の表面から後端側へ６ｍｍ以上離れた部位であった。

図３の評価試験の結果によれば、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を十分に図る観点から、抵抗比（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎの値は、０．４５以上が好ましく、０．４９以上がより好ましく、０．５０以上がさらに好ましく、０．６０以上がいっそう好ましいことが分かる。

Ａ３．効果
以上説明した実施形態によれば、拡径部８２２において発熱コイル８２０の１巻きごとの抵抗値が閉塞部８１１に向けて大きくなるため、シースチューブ８１０の先端側における発熱量を増加できる。その結果、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を図ることができる。また、発熱コイル８２０において１巻きごとの抵抗値が最大となる部位が拡径部８２２に位置するため、シースチューブ８１０の先端側における発熱量をいっそう増加できる。また、抵抗比（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たすことによって、急速昇温性を確保しつつ発熱温度の高温化を十分に図ることができる。

Ｂ．他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…グロープラグ
１００…ナット
２００…中軸
２１０…先端部
２９０…後端部
３００…リング
４１０…絶縁ブッシュ
４６０…Ｏリング
５００…主体金具
５１０…軸孔
５２０…工具係合部
５４０…ネジ部
６００…パッキン
８００…シースヒータ
８１０…シースチューブ
８１１…閉塞部
８２０…発熱コイル
８２２…拡径部
８２７…同径部
８３０…溶融部
８４０…制御コイル
８７０…絶縁粉末

Claims (2)

1. 先端側から後端側へと延びた筒状を成し、前記先端側に閉塞部を有する筒状体と、
   前記筒状体の内側に設けられ、前記先端側から前記後端側へと延びた螺旋状を成し、通電によって発熱する発熱コイルと、を備えるグロープラグであって、
   前記発熱コイルは、前記後端側から前記閉塞部に向かうに従ってコイル外径が拡大するとともに前記閉塞部に接合された拡径部を、有し、
   前記拡径部における１巻きごとの抵抗値の最大値Ｒｘと、前記発熱コイルのうち前記筒状体の前記先端側の表面から前記後端側へ６ｍｍ以上離れた部位における１巻きごとの抵抗値の最小値Ｒｎとの関係は、（Ｒｘ−Ｒｎ）／Ｒｎ≧０．４５を満たす、グロープラグ。
2. 前記発熱コイルにおいて１巻きごとの抵抗値が最大となる部位は、前記拡径部に位置する、請求項１に記載のグロープラグ。

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