JP6374651B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、グロープラグに関する。

グロープラグは、圧縮着火方式による内燃機関（例えばディーゼルエンジン等）の補助熱源として用いられるシースヒータを備える。グロープラグは、良好な加熱特性などが求められ、これを達成するために種々の手法が提案されている。例えば、シース管と発熱体との溶融を制御して、発熱体の加熱特性を安定させる手法が知られている（例えば、特許文献１）。

特許第４２８８８５０号公報

上記先行技術が有する課題は、耐久性に向上の余地があることである。通常、シース管および発熱体は、互いに異なる材料によって形成される。よって、シース管と発熱体とを溶接することによって形成される溶融部には、シース管にも発熱体にも含まれていない新たな化合物が生成する場合がある。化合物は、靱性が弱い場合があり、溶融部における耐久性低下の原因となることがある。

本発明は、先述した課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、通電によって発熱する発熱体と；前記発熱体の外周に配置され、軸線方向に延びる筒部と、少なくとも前記筒部の主成分と前記発熱体の主成分とを含有し、前記筒部の先端を閉塞する溶融部とを備えるシース管と；を備えるグロープラグが提供される。このグロープラグは、前記筒部と前記発熱体との少なくとも一方は、アルミニウムを含み；前記溶融部は、前記筒部との境界付近において、アルミニウムの含有率が５質量％未満であることを特徴とする。この形態によれば、溶融部の耐久性が向上する。筒部との境界付近において、アルミニウムの含有率が５質量％未満であることによって、アルミニウムと他の金属との金属間化合物の生成が抑制されるからである。

（２）上記形態において、前記発熱体はアルミニウムを含んでもよい。この形態によれば、発熱体がアルミニウムを含む場合に、上記形態の効果を得ることができる。

（３）上記形態において、前記筒部は、アルミニウムの含有率が１．７質量％より多くてもよい。この形態によれば、筒部のアルミニウムの含有率が１．７質量％よりも多い場合に、上記形態の効果を得ることができる。

（４）上記形態において、前記筒部は、クロムの含有率が２４〜２６質量％であり、アルミニウムの含有率が１．８〜２．４質量％でもよい。この形態によれば、筒部におけるクロムの含有率が２４〜２６質量％であり、筒部におけるアルミニウムの含有率が１．８〜２．４質量％である場合に、上記形態の効果を得ることができる。

（５）上記形態において、前記発熱体の主成分は、ニッケルでもよい。この形態によれば、発熱体の主成分がニッケルである場合に、上記形態の効果を得ることができる。

（６）上記形態において、前記溶融部は、前記境界付近において、アルミニウムの含有率が２質量％以下でもよい。この形態によれば、溶融部の耐久性が更に向上する。

（７）上記形態において、前記溶融部は、前記境界付近において、アルミニウムの含有率が１質量％以下でもよい。この形態によれば、溶融部の耐久性が更に向上する。

本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、グロープラグの製造方法等として実現できる。

グロープラグの外観図および断面図。 シースヒータの断面図。 シース管と発熱コイルとの溶接前における先端付近の断面図。 溶融部と筒部との境界付近における分析対象の部位を示す図。 境界付近におけるアルミニウムの含有率とクラック発生との関係を示す図。 他の実施形態におけるシース管と発熱コイルとの溶接前における先端付近の断面図。 他の実施形態におけるシース管と発熱コイルとの溶接前における先端付近の断面図。

図１は、グロープラグ１０を示す。図１は、軸線Ｏから紙面右側に外観構成を示し、軸線Ｏから紙面左側に断面構成を示す。グロープラグ１０は、ディーゼルエンジンの始動時における点火を補助する熱源として機能する。

グロープラグ１０は、中軸部材２００と、主体金具５００と、通電によって発熱するシースヒータ８００とを備える。これらの部材は、グロープラグ１０の軸線Ｏに沿って組み付けられている。なお、本明細書では、グロープラグ１０におけるシースヒータ８００側を「先端側」と呼び、その反対側を「後端側」と呼ぶ。

主体金具５００は、炭素鋼を筒状に成形した部材である。主体金具５００は、先端側の端部においてシースヒータ８００を保持する。主体金具５００は、後端側の端部において絶縁部材４１０とオーリング４６０とを介して中軸部材２００を保持する。絶縁部材４１０は、絶縁部材４１０の後端に接するリング３００が中軸部材２００に加締められることで、軸線Ｏ方向の位置が固定される。絶縁部材４１０によって、主体金具５００の後端側が絶縁される。主体金具５００は、絶縁部材４１０からシースヒータ８００に至る中軸部材２００の部位を内包する。主体金具５００は、軸孔５１０と、工具係合部５２０と、雄ネジ部５４０とを備える。

軸孔５１０は、軸線Ｏに沿って形成された貫通孔であり、中軸部材２００よりも大きな径を有する。軸孔５１０に中軸部材２００が位置決めされた状態で、軸孔５１０と中軸部材２００との間には、両者を電気的に絶縁する空隙が形成される。軸孔５１０の先端側には、シースヒータ８００が圧入されて接合されている。雄ネジ部５４０は、内燃機関（図示しない）に形成された雌ネジに嵌り合う。工具係合部５２０は、グロープラグ１０の取り付けと取り外しとに用いられる工具（図示しない）に係合する。

中軸部材２００は、導電材料で円柱状に成形されている。中軸部材２００は、主体金具５００の軸孔５１０に挿入された状態で軸線Ｏに沿って組み付けられる。中軸部材２００は、先端側に形成された中軸部材先端部２１０と、後端側に設けられた接続部２９０とを備える。中軸部材先端部２１０は、シースヒータ８００の内部に挿入される。接続部２９０は、主体金具５００から突出した雄ネジである。接続部２９０には、係合部材１００が嵌り合う。

図２は、シースヒータ８００の詳細な構成を示す断面図である。シースヒータ８００は、シース管８１０と、発熱体としての発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを備える。

シース管８１０は、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉塞した筒状部材である。シース管８１０は、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを内包する。シース管８１０は、シース管先端部８１１とシース管後端部８１９とを備える。シース管先端部８１１は、シース管８１０の先端側において、外側に向けて丸く形成された端部である。シース管後端部８１９は、シース管８１０の後端側において開口した端部である。後端部８１９からシース管８１０の内部に中軸部材２００の中軸部材先端部２１０が配置されている。シース管８１０は、パッキン６００と絶縁粉末８４０とによって、中軸部材２００から電気的に絶縁される。パッキン６００は、中軸部材２００とシース管８１０との間に挟まれた絶縁部材である。シース管８１０は、主体金具５００とは電気的に接続されている。

制御コイル８３０は、発熱コイル８２０を形成する材料よりも電気比抵抗の温度係数が大きい導電材料で形成されたコイルである。この導電材料としては、ニッケルが好ましく、この他、例えば、コバルトやニッケルを主成分とする合金でもよい。制御コイル８３０は、シース管８１０の内側に設けられ、発熱コイル８２０に供給される電力を制御する。制御コイル８３０は、先端側の端部である制御コイル先端部８３１と、後端側の端部である制御コイル後端部８３９とを備える。制御コイル先端部８３１は、発熱コイル８２０の発熱コイル後端部８２９に溶接されることによって、発熱コイル８２０と電気的に接続される。制御コイル後端部８３９は、中軸部材２００の中軸部材先端部２１０に接合されることによって中軸部材２００と電気的に接続される。

絶縁粉末８４０は、電気絶縁性を有する粉末である。絶縁粉末８４０としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末が用いられる。絶縁粉末８４０は、シース管８１０の内側に充填され、シース管８１０と、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、中軸部材２００との各隙間を電気的に絶縁する。

発熱コイル８２０は、導電材料で形成されたコイルである。発熱コイル８２０は、シース管８１０の内側に軸線Ｏ方向に沿って配置され、通電によって発熱する。発熱コイル８２０は、先端側の端部である発熱コイル先端部８２１と、後端側の端部である発熱コイル後端部８２９とを備える。発熱コイル先端部８２１は、シース管８１０の先端付近に溶接されることによってシース管８１０と電気的に接続される。

図３は、シース管８１０と発熱コイル８２０との溶接前における先端付近の断面図である。シース管８１０は、発熱コイル８２０と溶接される前は、先端が開口している。発熱コイル８２０は、溶接の前に、その開口端を貫通するように配置される。溶接前における発熱コイル８２０の先端は、図３に示されるように、軸線Ｏに対して斜めに延びるように形成されている。この配置で、シース管８１０と発熱コイル８２０とが溶接されることによって、先端付近は、図２に示された形状になる。本実施形態における溶接は、アーク溶接によって実現する。

図４は、シース管８１０と発熱コイル８２０との溶接後における溶融部８５０付近の断面図である。溶融部８５０は、発熱コイル８２０とシース管８１０とが溶融した状態で混ざり合い、その後、固まって形成された部位であり、図４ではハッチングで示されている。溶融部８５０の外表面は、シース管先端部８１１を形成する。図４に示された筒部８６０は、シース管８１０から溶融部８５０を除いて残った部位である。溶融部８５０は、このように溶接によって形成されるので、発熱コイル８２０の主成分と、筒部８６０の主成分とを少なくとも含有する。

図４を用いて、溶融部８５０の成分分析について説明する。この分析は、後述する実験の準備として実施され、溶融部８５０と筒部８６０との境界付近を対象とする。

分析対象の部位は以下のように決定する。図４における軸線Ｏの左側において、溶融部８５０と筒部８６０との界面上の最先端側の点Ａ、最後端側の点Ｂをとり、点Ａと点Ｂとを通過する直線Ｗを引く。よって、直線Ｗが溶融部８５０と筒部８６０との界面であるとは限らない。軸線Ｏの左側とは、軸線ＯをＸＹ平面におけるＹ軸とした場合に、先端側をＹ軸の正の向き、後端側をＹ軸の負の向きとしたとき、Ｘ軸の負の向きに相当する。

溶融部８５０と筒部８６０との界面は、例えば、断面を鏡面仕上げした後、シュウ酸二水和物による電解エッチングを行い、拡大した画像に基づき目視で決定する。

直線Ｗを軸線Ｏ側に０．３ｍｍ並進させた直線Ｘを引く。溶融部８５０上の直線Ｘに沿って１０μｍ間隔でライン状に分析する。この分析によって得られた各点におけるアルミニウムの含有率の平均値を、境界付近のアルミニウムの含有率として算出する。ただし、溶融部８５０の表面から０．０３ｍｍまでは酸化被膜が含まれる可能性が高いため、分析結果から除外する。

同様に、図４における軸線Ｏの右側において、溶融部８５０と筒部８６０との界面上の最先端側の点Ｃ、最後端側の点Ｄをとり、点Ｃと点Ｄとを通過する直線Ｙを引く。直線Ｙを軸線Ｏ側に０．３ｍｍ並進させた直線Ｚを引く。溶融部８５０上の直線Ｚに沿って１０μｍ間隔でライン状に分析する。ただし、溶融部８５０の表面から０．０３ｍｍまでは酸化被膜が含まれる可能性が高いため、分析結果から除外する。

上記のように分析部位を決定したのは、この部位にクラックが発生しやすいと考えられるからである。ここでいうクラックとは、界面に生じる亀裂のことである。靱性が低い金属間化合物は、溶融部８５０と筒部８６０との境界付近に発生しやすく、且つ、熱膨張特性が元の金属と異なる。加えて、境界付近は機械的にも弱い。このため、熱膨張と熱収縮とが繰り返し発生すると、境界付近の界面にクラックが発生する場合がある。本実施形態では、その境界付近の一例として上記の部位を採用する。

分析の手順を説明する。第１のステップとして、ＥＰＭＡとＷＤＳとを用いて、溶融部８５０における定性分析を実施する。この分析によって、溶融部８５０に含まれる元素を特定し、最大質量％の元素を主成分とする。ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）とは、電子線マイクロアナライザのことである。ＷＤＳ（Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer）とは、波長分散型Ｘ線分光器のことである。

第２のステップとして、ＥＰＭＡの測定条件を決定する。この決定は、分析精度を高めるために実施される。この条件は、第１のステップで特定した主成分の検出において、Ｘ線の大量入射による数え落としが起こらないビーム電流量で、測定カウント数が１万カウント以上得られることが満たされるように決定される。

第３のステップとして、第１のステップで特定した元素を第２のステップで決定した条件で定量分析し、先述した複数の分析対象点の平均値をアルミニウムの含有率として算出する。加速電圧は２０ｋＶ、プローブ電流２．５×１０^-8Ａ、ビームの照射径１０μｍで主ピークを１０秒、バックグラウンドを高角、低角側それぞれ５秒ずつ取り込む。正味の強度から各元素のＣＰＳ（Count Per Second）を得て、同条件で分析した比較試料（ASTIMEX社製標準試料）のＣＰＳを用いてＺＡＦ法によって定量計算を実施する。この比較試料は、アルミニウムの含有率が予め分析されている。ＺＡＦとは、原子番号効果（Z effect）と、吸収効果（Absorption effect）と、蛍光励起効果（Fluorescence excitation effect）とに基づく頭字語である。この定量計算の際、含有率の合計が１００％となるようにノーマライズ（規格化）する。

図５は、先述した境界付近におけるアルミニウムの含有率と、クラックの発生との関係を調べた実験結果をテーブルによって示す。

実験No.１の場合、発熱コイル８２０は、ニッケルを主成分とし、クロムも含む一方、アルミニウムを含まない材質によって形成されたものを使用した。本願で「アルミニウムを含まない」という場合、アルミニウムが誤差程度の含有率で含まれていてもよい。実験No.１の場合、筒部８６０は、アルミニウムが含まれない材質（例えばＳＵＳ３１０Ｓ）によって形成されたものを用いた。この結果、実験No.１における溶融部８５０のアルミニウムの含有率は、０．００質量％であった。

No.２〜１０の場合、発熱コイル８２０は、鉄を主成分とし、クロム及びアルミニウムも含む材質によって形成されたものを使用し、筒部８６０は、Ａｌｌｏｙ６０２によって形成されたものを用いた。Ａｌｌｏｙ６０２とは、本願出願時におけるドイツ工業規格（ＤＩＮ）で規定されたＤＩＮ２．４６３３の合金のことである。Ａｌｌｏｙ６０２は、クロムの含有率が２４〜２６質量％であり、アルミニウムの含有率が１．８〜２．４質量％である。この結果、溶融部８５０におけるアルミニウムの含有率は、３．００〜５．５０質量％となった。アルミニウムの含有率は、溶融前の発熱コイル８２０の先端形状や、発熱コイル８２０に含まれるアルミニウムの含有率を調整することによって、変化させた。

耐久性を判定する実験として、熱衝撃を繰り返し負荷した場合に、溶融部８５０にクラックが発生するか否かを確認した。熱衝撃の負荷として、グロープラグ１０に対して、８０００サイクルの加熱と冷却とを施した。加熱は、グロープラグ１０の表面が１１５０℃になるように２０秒間、実施した。冷却は、冷却開始から１秒後に１４９℃低下することを条件に、６０秒間、実施した。なお、これら実験条件としての数値は、全て例示であり、再現実験の際には、どのように変更してもよい。例えば、冷却開始から１秒後に低下する温度は１３９〜１５９℃であってもよいし、加熱時におけるグロープラグ１０の表面温度は１１４０〜１１６０℃であってもよい。

図５に示されるように、実験No.１〜６の場合、クラックは発生しなかった。実験No.７〜１０の場合、クラックが発生した。よって、アルミニウムの含有率は、５．００質量％未満が好ましく、４．９５質量％以下が更に好ましい。

さらに、アルミニウムと他の金属（例えば、Ａｌｌｏｙ６０２に含まれるニッケルとの化合物であるＮｉ₃Ａｌ）との金属間化合物の生成を抑制するためには、アルミニウムの含有率は小さければ小さいほど好ましい。例えば、２．００質量％以下が好ましく、１．００質量％以下が更に好ましい。

本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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。例えば、以下のものが例示される。

図６は、他の実施形態として、シース管８１０と発熱コイル８２０ａとの溶接前の形状を示す。発熱コイル８２０ａは、実施形態における発熱コイル８２０を代替するものである。発熱コイル８２０ａの先端は、図６に示されるように、軸線Ｏとほぼ平行に延びるように形成されている。

図７は、さらに他の実施形態として、シース管８１０と発熱コイル８２０ｂとの溶接前の形状を示す。発熱コイル８２０ｂは、実施形態における発熱コイル８２０を代替するものである。発熱コイル８２０ｂの先端は、図７に示されるように、開口端から突き出た部位が密巻きに形成されている。この他、溶接前の発熱コイルの形状は、図３，図６，図７に示されたものとは異なる形状であってもよい。

発熱コイルと筒部との一方のみがアルミニウムを含んでもよい。
筒部は、アルミニウムの含有率が０〜１．７質量％でもよい。例えばインコネル６０１（INCONELは登録商標）を用いてもよい。インコネル６０１のアルミニウムの含有率は、１．０〜１．７質量％である。

溶融部のアルミニウムの含有率を測定する手法は、実施形態に示したものに限られない。測定に用いる機器を変更してもよいし、測定する部位を変更してもよい。例えば、クラックが発生しやすい部位を選定して、その部位を測定対象としてもよい。例えば、アルミニウムが最も凝集している部位を、クラックが発生しやすい部位として選定してもよい。アルミニウムが最も凝集している部位は、例えば、アルミニウムの含有率の分布を示した画像に基づき、観察者が選定してもよい。この画像の倍率は、例えば、３０倍であってもよい。測定点の数および間隔は、耐久性を評価するのに適切なものとなるように、適宜、変更してもよい。

発熱コイルに用いる材料は、ニッケルを主成分とするものを用いてもよい。
本願における溶融部とは、発熱体の外周に配置され、軸線方向に延びる筒部と、少なくとも筒部の主成分及び発熱体の主成分を含有し、筒部の先端を閉塞する部位のことを指し、溶接を用いて製造される部位に限られない。

１０…グロープラグ
１００…係合部材
２００…中軸
２１０…中軸部材先端部
２９０…接続部
３００…リング
４１０…絶縁部材
４６０…オーリング
５００…主体金具
５１０…軸孔
５２０…工具係合部
５４０…雄ネジ部
６００…パッキン
８００…シースヒータ
８１０…シース管
８１１…シース管先端部
８１９…シース管後端部
８２０…発熱コイル
８２０ａ…発熱コイル
８２０ｂ…発熱コイル
８２１…発熱コイル先端部
８２９…発熱コイル後端部
８３０…制御コイル
８３１…制御コイル先端部
８３９…制御コイル後端部
８４０…絶縁粉末
８５０…溶融部
８６０…筒部
Ｏ…軸線

Claims (5)

1. 通電によって発熱する発熱体と、
   前記発熱体の外周に配置され、軸線方向に延びる筒部と、少なくとも前記筒部の主成分と前記発熱体の主成分とを含有し、前記筒部の先端を閉塞する溶融部とを備えるシース管と
   を備えるグロープラグであって、
   前記筒部と前記発熱体との少なくとも一方は、アルミニウムを含み、
   前記溶融部は、前記筒部との境界付近において、アルミニウムの含有率が２質量％未満であり、
   前記発熱体の主成分は、鉄である
   ことを特徴とするグロープラグ。
2. 前記発熱体はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記筒部は、アルミニウムの含有率が１．７質量％よりも多い
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のグロープラグ。
4. 前記筒部は、クロムの含有率が２４〜２６質量％であり、アルミニウムの含有率が１．８〜２．４質量％である
   ことを特徴とする請求項３に記載のグロープラグ。
5. 前記溶融部は、前記境界付近において、アルミニウムの含有率が１質量％以下である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のグロープラグ。

Images