JP6809065B2 - レーザ点火装置およびレーザ点火プラグ冷却手段 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ点火装置およびレーザ点火プラグ冷却手段に関する。

レーザ点火装置は、内燃機関などの点火に用いられ、優れた着火効率が得られることが知られている。レーザ点火装置としては、例えば、プラグホールに設置されるレーザ点火プラグを備え、レーザ装置からのレーザ光をレーザ共振器に照射してパルスを発振させ、パルス光を集光レンズ等の光学素子を用いてエンジンの燃焼室に集光することでエアブレークダウンを発生させ、燃焼室内の混合気の着火を行うものが知られている。

レーザ点火プラグ内部のレーザ媒質は、エンジンからの熱やレーザ共振器に入射されるレーザ光による熱により温度が上昇すると、発振効率が低下し、レーザ出力も低下してしまうおそれがある。そのため、十分な冷却、放熱を行う必要がある。

これに対し、レーザ媒質を冷却する目的でレーザ点火プラグを冷却するための手段（冷却器）を設けたレーザ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、内燃機関に設けられたプラグ取付け穴内に取り付けられ、レーザ点火プラグの燃焼室側の端部、つまり近位の端部を介して内燃機関の燃焼室内にレーザ点火エネルギーを集束させるように構成されたレーザ点火プラグに用いられる冷却器が開示されている。
レーザ点火プラグは、近位の端部とは反対の側に位置する遠位の端部に、冷却器との解離可能な機械的および熱的な結合のためのカップリング手段を有し、該カップリング手段は、レーザ点火プラグがプラグ取付け穴内に取り付けられた状態で冷却器の連結および連結解除を可能にするように構成されている。また、冷却器は、レーザ点火プラグとの解離可能な機械的および熱的な連結（カップリング）のために形成された近位の端部を有し、該近位の端部が、プラグ取付け穴の内部で行われる、冷却器とレーザ点火プラグとの連結およびレーザ点火プラグからの前記冷却器の連結解除を可能にするように構成されている。

レーザ点火装置における熱源としては、内燃機関（エンジン）から伝熱する熱と、レーザ媒質からの発熱の二つが挙げられる。
特許文献１のように、レーザ点火プラグの端部に熱的カップリングを有する構成では、これら二つの熱源から最も遠い位置で吸熱を行うことになるため、十分な冷却効率が得られないおそれがある。特にレーザ媒質付近は熱の発生部位であるとともに、内燃機関からの熱が通過する部位でもあるため、周囲と比較して高温となる。

一方、特許文献１に記載のレーザ点火装置において、レーザコンポーネントおよび冷却器が互いに分離される２つの別個の構成部分からなる態様が開示されている。
レーザ点火プラグは、組立作業や調整の利便性の観点から、このように内燃機関に組み付けられる側の部材と光導入側の部材とを含む二以上の部材で構成されることが好ましい。

しかしながら、複数の部材の結合部には微小な隙間が存在し、当該隙間からプラグホール内に充満するガス（燃焼室から漏れたガスを含む外気）がプラグ内に侵入し、内部の光学素子やレーザ媒質の表面が汚染されることが懸念される。

そこで、本発明は、十分な冷却効率が得られ、レーザ媒質付近の温度上昇を抑制可能な冷却手段を備えるとともに、レーザ点火プラグ内部へのガス侵入による光学素子等の汚染を防止可能なレーザ点火装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係るレーザ点火装置は、レーザ点火プラグと、前記レーザ点火プラグを収容するプラグホールに挿入され、前記レーザ点火プラグを冷却する冷却手段とを備え、前記レーザ点火プラグのハウジングは、少なくとも内燃機関に固定される固定部、及び内部にレーザ媒質を有するレーザ光導入部を有し、前記冷却手段は、前記固定部及び前記レーザ光導入部の双方に当接して熱交換を行い、前記固定部と前記レーザ光導入部とを結合する連結部材を備え、前記冷却手段は、前記連結部材に当接する領域を有することを特徴とする。

本発明によれば、十分な冷却効率が得られ、レーザ媒質付近の温度上昇を抑制可能な冷却手段を備えるとともに、レーザ点火プラグ内部へのガス侵入による光学素子等の汚染を防止可能なレーザ点火装置を提供することができる。

レーザ点火装置による強制点火方式の内燃機関の例を示した図である。 本発明に係るレーザ点火装置の一実施形態を示す断面模式図であり、（ａ）は冷却手段が装着されていない状態、（ｂ）は冷却手段が装着された状態を示している。 熱交換手段として空冷フィンと接続された例を示す模式図である。 熱交換手段として液体冷媒循環システムと接続された例を示す模式図である。 従来のレーザ点火装置（ａ）と、本発明に係るレーザ点火装置（ｂ）における冷却模式的に示した説明図である。 本発明に係るレーザ点火装置の一実施形態を示す断面模式図である。 本発明に係るレーザ点火装置の一実施形態を示す断面模式図である。 本発明に係るレーザ点火装置の一実施形態を示す断面模式図である。

以下、本発明に係るレーザ点火装置及びレーザ点火プラグ冷却手段について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

レーザ点火装置における課題について図１に基づき説明する。
図１は、レーザ点火プラグによる強制点火方式の内燃機関の例を示した図である。レーザ点火プラグ１はプラグホール２内に設置され、ネジ固定されている。

レーザ点火プラグ１は、レーザ光源３から出射されるレーザ光を用いることにより、優れた着火効率を有する内燃機関用点火プラグである。レーザ点火プラグ１では、レーザ光源３からの光をＱスイッチ式のレーザ媒質を含むレーザ共振器に照射してジャイアントパルスを発振させる。また、レーザ点火プラグ１では、そのパルス光を集光レンズ等の光学素子を用いて内燃機関（エンジン）５に集光することでエアブレークダウンを発生させることにより、燃焼室内の混合気の着火を行う。このため、レーザ点火プラグ１には、レーザ光源３のレーザ光源からの光を伝送する光ファイバ４が接続されている。

レーザ点火プラグ１のレーザ媒質において、レーザ光源３から照射されたレーザ光のエネルギーのうち、ジャイアントパルスとして出力されなかったエネルギーが熱に変換され、結果としてレーザ媒質が発熱することになる。そして、レーザ媒質の温度が上昇すると、特性が低下し、所望の出力のパルスレーザが励起されないことがある。そこで、レーザ点火プラグ１の放熱・冷却が必要となる。

プラグホール２内部の雰囲気には、内燃機関５の燃焼室から漏れたガスなどが含まれている。このガスが、レーザ点火プラグ１を構成する部品の結合部位の継ぎ目などからレーザ点火プラグ１の内部に侵入すると、ガスに含まれる有機物が内部の光学素子等の表面を汚染し、光利用効率を低下させてしまうことが懸念される。

次に、本発明のレーザ点火装置を図２〜４に基づき説明する。
図２（ａ）は、レーザ点火プラグ１に対して冷却手段６を装着する前の状態（外した状態）を、図２（ｂ）は装着した状態をそれぞれ示している。
冷却手段６は、レーザ点火プラグ１に対して着脱可能である。冷却手段６の着脱が可能であることにより、例えば、レーザ点火プラグ１を内燃機関（以下、「エンジン」ともいう）５に対して固定したり外したりする作業が容易となる。また、レーザ点火プラグ１を交換の必要が生じた場合において、冷却手段６は交換せずに継続して使用することも可能である。

本発明のレーザ点火装置は、レーザ点火プラグ１と、レーザ点火プラグ１を収容するプラグホール２に挿入されてレーザ点火プラグ１を冷却する冷却手段６とを備える。レーザ点火プラグ１のハウジングは、少なくとも内燃機関に固定される固定部１Ａ、及び内部にレーザ媒質を有するレーザ光導入部１Ｂを有し、冷却手段６は、固定部１Ａ及びレーザ光導入部１Ｂの双方に当接して熱交換を行う。

レーザ点火プラグ１のハウジングは、固定部１Ａ及びレーザ光導入部１Ｂからなり、固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとは、図２（ａ）において符号１２で示す部位（以下、「結合部位」という）で結合している。
冷却手段６は、図２（ｂ）に示すように、固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとの結合部位１２に当接する領域を有している。

冷却手段６は、外部の熱交換手段と接続されてなる。また冷却手段６は、少なくともレーザ点火プラグ１のハウジングと当接する冷却部６Ａと、冷媒により冷却部６Ａの熱を熱交換手段へ輸送する冷媒配管６Ｂとを有する。

冷却部６Ａは、内壁をレーザ点火プラグ１の外周面に接触させることにより熱伝導でレーザ点火プラグ１を冷却する高熱伝導材料の部材である。
冷媒配管６Ｂは、冷却部６Ａから奪った熱をプラグホール２の外に設けられた熱交換手段まで輸送する冷媒を内部に有する部材である。

図３は、冷却手段６が外部の熱交換手段として空冷フィン８と接続された例を示す図である。図３の例において、冷媒配管はヒートパイプ７である。内部に封入した冷媒の相変化を利用してヒートパイプ７により冷却部６Ａの熱が空冷フィン８へ輸送される。

図４は、冷却手段６が外部の熱交換手段として液体冷媒循環システムと接続された例を示す図である。
図４の液体冷媒循環システムは、貯液タンク９内の液体冷媒９Ａを、ポンプ１０によって送液し、ラジエータ１１を通して液の放熱を行うものである。冷却部６Ａは、低温の液体冷媒９Ａが内部を通過することにより低温に保たれる。液体冷媒９Ａを周囲環境温度以下まで冷却する場合は、さらにペルチェ素子やコンプレッサーなどを備える態様であってもよい。また、冷媒としては液体に限定されず、気体であってもよい。

次に、レーザ点火装置における構成と冷却について図５に基づき説明する。図５（ａ）は従来のレーザ点火装置の一例例であり、図５（ｂ）は本発明に係るレーザ点火装置の一例である。

図５（ａ）は、例として特許文献１のレーザ点火装置を模式的に示したもので、エンジン５から見た遠位の端部に冷却器１６との熱的・機械的なカップリングを設けることで冷却を行うものである。
しかしながらこの冷却器１６の配置では、熱源（エンジン５及びレーザ媒質１Ｃ）から最も遠い領域を冷却しているため、十分な冷却効率が得られない可能性がある。
また、第一の熱源であるエンジン５からの熱（伝熱により高温となっている領域５０からの熱、矢印Ｈ１Ａで示す）と、第二の熱源であるレーザ媒質１Ｃからの発熱（矢印Ｈ２Ａで示す）が重なり、最も冷却が必要となるレーザ共振器付近の領域Ｌが非常に高温となってしまう。

一方、図５（ｂ）に示すレーザ点火装置は、レーザ点火プラグ１を覆うように設けられた冷却手段６を備えている。固定部１Ａ、及び内部にレーザ媒質１Ｃを含むレーザ光導入部１Ｂの双方に冷却手段６の冷却部６Ａの内壁が当接することにより、熱伝導で冷却を行うものである。
第一の熱源であるエンジン５からの熱（伝熱により高温となっている領域５０からの熱、矢印Ｈ１Ｂで示す）が、第二の熱源であるレーザ媒質１Ｃに届く前に冷却部６Ａにより冷却され、かつレーザ媒質１Ｃからの発熱（矢印Ｈ２Ｂで示す）も冷却部６Ａにより吸熱され、最も冷却が必要となるレーザ共振器付近の温度上昇が防止される。

さらに、図５（ａ）に示す従来のレーザ点火装置では、エンジン５の燃焼室５Ａから漏れるガスがプラグホール２内に充満した際、固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとの結合部の微小な隙間からガスが入り込み、このガスに含まれる有機物質がレーザ点火プラグ１内のレーザ媒質１Ｃあるいはその他の光学素子に付着・堆積することでレーザの透過率を低下させ、レーザ点火プラグの性能に対して悪影響を及ぼすことが懸念される。
これに対し、図５（ｂ）に示す本実施形態のレーザ点火装置では、冷却手段６が固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとの結合部を覆うように当接するため、ガスの侵入を抑制することができる。

レーザ点火プラグを構成する材料としては、固定部１Ａを構成する部材の熱伝導率をＴ１、レーザ光導入部１Ｂを構成する部材の熱伝導率をＴ２としたとき、Ｔ２≧Ｔ１の関係を満たすことが好ましい。
固定部１Ａを構成する部材の材料としては、例えば、ステンレスやインコネルなどの強固で比較的熱伝導率の低い材料が好ましい。このような材料を用いることにより、エンジン５からの伝熱を防止することができる。
一方、レーザ光導入部１Ｂを構成する部材の材料としては、例えば、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料が好ましい。このような材料を用いることにより、レーザ媒質１Ｃからの発熱をダイレクトに冷却部６Ａに逃がすことが出来る。

また、レーザ点火プラグ１のハウジングを構成する部材のうち、熱膨張率が最も大きい部材の熱膨張率をＥ１、冷却手段６の少なくともレーザ点火プラグ１と当接する領域を構成する部材の熱膨張率をＥ２としたとき、Ｅ２≧Ｅ１の関係を満たすことが好ましい。
このような構成とすることにより、レーザ点火プラグ１および冷却部６Ａがエンジン運転による熱で高温となった場合に膨張による寸法増加量がレーザ点火プラグ１の方が小さいため、レーザ点火プラグ１の外周面が冷却部６Ａの内周面に対してかじりついて冷却部６Ａが抜けなくなったり、レーザ点火プラグ１が冷却部６Ａに圧迫されて歪みが生じたりする等の不具合を抑制できる。

本発明に係るレーザ点火装置の他の実施形態を図６に示す。
本実施形態のレーザ点火装置は、図６に示すように、レーザ点火プラグ１のハウジングと冷却手段６とが当接する領域の少なくとも一部を、下端方向に向かって径が拡張するテーパ形状とすることができる。
レーザ点火プラグ１に対して冷却手段６を上から装着する場合、レーザ点火プラグ１に対して冷却手段６の内壁が突き当たるところで係止される。この状態において、レーザ点火プラグ１のハウジングと冷却手段６とがテーパ形状部で突き当たるようにすることもできる。当接部をテーパ形状にして密着させることで、接触熱抵抗による熱伝導のロスを小さくすることができ、冷却効率を高めることができる。

本発明に係るレーザ点火装置を構成する冷却手段６の他の実施形態を図７に示す。
図７（ａ）は冷却手段６が矢印方向へ移動してレーザ点火プラグに装着される状態を示す斜視図であり、図７（ｂ）は冷却部６Ａの水平方向の断面図である。
本実施形態における冷却手段６は、図７に示すように、冷却部６Ａに隙間６Ｃを設けることができる。ただし、外部からレーザ点火プラグ１内に流入するガスの量が許容できる範囲である場合、または隙間６Ｃに対応する領域にガス流入を防止するための対策が講じられている場合に限られる。

冷却部６Ａが隙間６Ｃを有する形状とすることにより、冷却手段６の着脱において、光ファイバ４等のレーザ点火プラグ１に接続されたケーブル類を取り外す必要がなくなり、作業性が向上する。

本発明に係るレーザ点火装置を構成するレーザ点火プラグ１の他の実施形態を図８に示す。
本実施形態のレーザ点火プラグ１は、図８に示すように、固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとを結合する連結部材１Ｄを備えている。冷却手段６は、連結部材１Ｄに当接する領域を有する。

連結部材１Ｄを介して固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとを結合する態様において、連結部材１Ｄを構成する材料としては、例えば、セラミック等の熱伝導性の低いものを用いることが好ましい。これによりエンジン５からの伝熱を低減し、断熱効果を高めることができる。

連結部材１Ｄを介して固定部１Ａとレーザ光導入部１Ｂとを結合することにより、部材間の結合部位が増えるため、冷却部６Ａは、固定部１Ａと結合部材１Ｄ、及び結合部材１Ｄとレーザ光導入部１Ｂの結合部位を覆うように当接することが好ましい。

上述のように、本実施形態のレーザ点火装置は、レーザ点火プラグ１を収容するプラグホール２に挿入され、レーザ点火プラグ１を冷却する手段であって、レーザ点火プラグ１のハウジングのうち、内燃機関に固定される固定部１Ａと、内部にレーザ媒質１Ｃを有するレーザ光導入部１Ｂとの双方に当接して熱交換を行うレーザ点火装置の冷却手段６を備える。
これにより、十分な冷却効率が得られ、レーザ媒質１Ｃ付近の温度上昇を抑制可能であるとともに、レーザ点火プラグ１内部へのガス侵入による光学素子等の汚染を防止することができる。

１ レーザ点火プラグ
１Ａ 固定部
１Ｂ レーザ光導入部
１Ｃ レーザ媒質
２ プラグホール
３ レーザ光源
４ 光ファイバ
５ 内燃機関（エンジン）
５Ａ 燃焼室内
６ 冷却手段
６Ａ 冷却部
６Ｂ 冷媒配管

特許第５８１３２２４号公報

Claims (8)

1. レーザ点火プラグと、前記レーザ点火プラグを収容するプラグホールに挿入され、前記レーザ点火プラグを冷却する冷却手段とを備え、
   前記レーザ点火プラグのハウジングは、少なくとも内燃機関に固定される固定部、及び内部にレーザ媒質を有するレーザ光導入部を有し、
   前記冷却手段は、前記固定部及び前記レーザ光導入部の双方に当接して熱交換を行い、
   前記固定部と前記レーザ光導入部とを結合する連結部材を備え、
   前記冷却手段は、前記連結部材に当接する領域を有する
   ことを特徴とするレーザ点火装置。
2. 前記レーザ点火プラグのハウジングと前記冷却手段とが当接する領域の少なくとも一部が、下端方向に向かって径が拡張するテーパ形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
3. レーザ点火プラグと、前記レーザ点火プラグを収容するプラグホールに挿入され、前記レーザ点火プラグを冷却する冷却手段とを備え、
   前記レーザ点火プラグのハウジングは、少なくとも内燃機関に固定される固定部、及び内部にレーザ媒質を有するレーザ光導入部を有し、
   前記冷却手段は、前記固定部及び前記レーザ光導入部の双方に当接して熱交換を行い、
   前記レーザ点火プラグのハウジングと前記冷却手段とが当接する領域の少なくとも一部が、下端方向に向かって径が拡張するテーパ形状である
   ことを特徴とするレーザ点火装置。
4. 前記冷却手段は、前記固定部と前記レーザ光導入部との結合部位に当接する領域を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ点火装置。
5. 前記固定部を構成する部材の熱伝導率をＴ１、前記レーザ光導入部を構成する部材の熱伝導率をＴ２としたとき、Ｔ２≧Ｔ１の関係を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ点火装置。
6. 前記レーザ点火プラグのハウジングを構成する部材のうち、熱膨張率が最も大きい部材の熱膨張率をＥ１、前記冷却手段の少なくとも前記レーザ点火プラグと当接する領域を構成する部材の熱膨張率をＥ２としたとき、Ｅ２≧Ｅ１の関係を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ点火装置。
7. 前記冷却手段は、外部の熱交換手段と接続されてなり、
   少なくとも前記レーザ点火プラグのハウジングと当接する冷却部と、冷媒により前記冷却部の熱を前記熱交換手段へ輸送する冷媒配管と、を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザ点火装置。
8. レーザ点火プラグを収容するプラグホールに挿入され、前記レーザ点火プラグを冷却する冷却手段であって、
   前記レーザ点火プラグのハウジングのうち、内燃機関に固定される固定部と、内部にレーザ媒質を有するレーザ光導入部との双方に当接して熱交換を行い、
   前記固定部と前記レーザ光導入部とを結合する連結部材に当接する領域を有することを特徴とするレーザ点火プラグ冷却手段。