KR20100126517A - 스파크 플러그 - Google Patents

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KR20100126517A
KR20100126517A KR1020107023125A KR20107023125A KR20100126517A KR 20100126517 A KR20100126517 A KR 20100126517A KR 1020107023125 A KR1020107023125 A KR 1020107023125A KR 20107023125 A KR20107023125 A KR 20107023125A KR 20100126517 A KR20100126517 A KR 20100126517A
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마코토 구리바야시
히로카즈 구로노
도시타카 혼다
도모아키 가토
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

스파크 플러그(100)의 절연애자(10)는, 중심전극(20)의 선단부(22)와 금속쉘(50)의 지지부(56)를 격절부위(P)에 의해 절연상태로 이격하고 있고, 중간부(P2)에서 외경이 변화되면서 연장되는 부위를 가짐으로써 양자의 절연거리를 확보한다. 또한 격절부위(P)의 체적(V)에 대한 외표면(14)의 표면적(S)의 비율(S/V)이 1.26㎜-1≤S/V를 만족하는 것에 의해, 선단부(22)와 지지부(56)의 절연거리를 기존의 치수 조건을 유지하면서도 충분히 확보한다. 그리고 S/V=1.40㎜-1을 만족함으로써, 외표면(14)의 표면적(S)의 증대에 의해 연소실로부터의 수열량이 증대하는 것에 수반하는 중심전극(20)의 온도상승을 억제해서 열가 조건을 유지한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}
본 발명은 내연기관에 조립되어 혼합기에 대한 점화를 행하기 위한 스파크 플러그에 관한 것이다.
종래, 자동차 엔진 등의 내연기관에는 점화를 위한 스파크 플러그가 사용되고 있다. 일반적인 스파크 플러그는, 중심전극과, 중심전극을 축구멍(axial hole) 내에 지지하는 절연애자와, 절연애자를 통구멍(cylindrical hole) 내에 지지하는 금속쉘과, 금속쉘에 접합되며, 중심전극과의 사이에서 불꽃 방전 간극을 형성하는 접지전극을 가지고 있다. 연소실 내로 불꽃 방전 간극이 돌출하도록 스파크 플러그를 엔진에 부착하고, 불꽃 방전 간극에 의해 불꽃 방전{기체의 절연파괴에 의해 이루어지는 불꽃 방전이며, 후술하는 연면방전(沿面放電, creeping discharge)과 구별하기 위해서 기중방전(氣中放電, aerial discharge)이라고도 한다.}을 행함으로써 혼합기에 대한 점화가 이루어진다.
그런데, 절연애자는 축구멍 내의 선단측에 중심전극을 지지하고 있다. 또, 금속쉘은 통구멍 내에 형성되는 지지부를, 절연애자의 외표면에 직접, 또는 간접적으로 맞닿게 해서 절연애자를 지지하고 있다. 금속쉘과 중심전극은, 절연애자 중, 금속쉘의 지지부가 절연애자에 직접 또는 간접적으로 맞닿는 부위보다도 선단측의 부위{이하, 이 부위를 「격절 부위(隔絶部位, isolation portion)」라고 한다}에서 이격되어 절연상태가 유지되고 있다.
격절부위에 의해 이격된 금속쉘과 중심전극의 사이에 높은 전압이 인가(印加)되면, 격절부위에 있어서, 절연애자의 표면 위에서 불꽃이 흐르듯이 방전하는, 소위 연면방전이 발생하는 경우가 있다. 전극의 소모에 의해 정규의 불꽃 방전 간극(즉 중심전극과 접지전극의 간극)이 넓어지거나, 혹은 착화성의 향상을 위해 스파크 플러그의 불꽃 방전 간극을 넓게 설계하면, 불꽃 방전 간극에서 기중방전을 행하기 위한 요구 전압이 높아진다. 이에 맞춰서 불꽃 방전 간극에 인가하는 전압을 높인 경우, 격절부위를 통해서 연면방전이 발생하는 경우가 있고, 정규의 불꽃 방전 간극에서 불꽃 방전이 이루어질 확실성의 저하를 야기할 우려가 있다.
이러한 연면방전의 발생을 방지하려면, 격절부위를 축선방향으로 길게 해서 절연거리를 연장하면 좋다. 그러나, 단순히 격절부위를 축선방향으로 길게 설계해서 절연거리를 연장한 경우, 격절부위 자체가 커져서 열용량이 증가하기 때문에, 격절부위에서의 열전도 성능이 저하되는 경우가 있다. 그러면 스파크 플러그가 저열가형(低熱價型, low heat value type){소위, 열형(hot type)}이 되기 쉽고, 엔진이 요구하는 열가조건을 만족시킬 수 없게 될 우려가 있다. 이것을 방지하려면, 예를 들면, 격절부위에 요철형상의 주름(corrugation)을 형성해서, 격절부위의 축선방향의 길이를 변경하지 않고도, 격절부위에 있어서의 연면방전의 절연거리를 연장하는 것을 생각할 수 있다. 이와 같이 하면, 스파크 플러그의 열가가 크게 바뀔 일은 없다. 또, 불꽃 방전의 요구 전압이 높아져도 연면방전이 발생하기 어려워져서, 정규의 불꽃 방전 간극에서 기중방전을 발생시킬 수 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또한 상기한 바와 같이, 금속쉘은, 지지부를 절연애자의 외표면에 맞닿게 해서 절연애자를 지지하고 있지만, 이 지지부와 절연애자가 맞닿아 있는 위치보다 선단측에 있어서, 지지부와 격절부위의 사이에는, 금속쉘의 통구멍과 격절부위의 사이의 간극보다 좁은 간극이 발생한다. 이 간극을 크게 확보하면, 오손(汚損)시에 지지부와 격절부위의 간극에서 스파크가 발생하는 것을 억제할 수 있지만, 스파크 플러그의 소형화의 관점에서, 간극의 크기를 확보하는 것은 어렵다. 따라서, 지지부와 격절부위의 간극을 최대한 작게 해서 0.4㎜ 이하로 함으로써, 간극 내로 미연(未然)가스가 침입하는 것을 방지하고, 간극 내에 있어서의 내(耐) 오손성(汚損性)을 향상시킨 결과, 지지부와 격절부위의 간극에서 스파크가 발생하는 것을 방지할 수 있었다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1 : 일본국 실용신안공개 소50-59428호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 제2002-260817호 공보
그러나, 최근 몇 년 동안 엔진출력의 향상이 도모되어, 연소실 내의 압력(혼합기의 압축비)이 종래보다 높아지는 경향에 있으며, 이것에 수반해서 불꽃 방전을 위한 요구 전압이 더욱 높아지고 있다. 이때, 연소실 내의 압력과 불꽃 방전의 요구 전압의 관계에 있어서, 압력의 상승에 대한 요구 전압의 상승의 정도는, 연면방전보다 기중방전이 큰 것이 알려져 있다. 따라서, 연소실 내의 압력이 종래보다 높아진 경우, 특허문헌 1의 스파크 플러그와 같이, 요철형상의 주름에 의해 절연거리를 연장하였다고 해도, 연면방전이 발생하기 쉬워질 우려가 있었다. 또, 전극 사이에 보다 높은 전압이 인가되는 것에 의해, 지지부와 격절부위의 간극이 오손되는 것은 방지할 수 있어도, 간극 내에서 스파크가 발생해서, 격절부위에서 스파크가 발생한 위치가 연면방전의 기점이 될 우려가 있었다. 이것을 방지하려면 연면방전의 절연거리를 더욱 연장하면 되지만, 이것을 위해 격절부위에 극단적인 요철형상을 형성하면 격절부위의 표면적이 증가한다. 그러면 엔진으로부터의 수열량(受熱量)이 높아져서, 스파크 플러그가 저열가형이 되기 쉽고, 엔진이 요구하는 열가 조건을 만족시킬 수 없게 될 우려가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 엔진이 요구하는 열가 조건을 만족함과 아울러, 절연애자의 격절부위에서 연면방전이 발생하는 것을 억제해서, 정규의 불꽃 방전 간극에서 확실하게 불꽃 방전을 행할 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 관한 스파크 플러그는, 중심전극과, 상기 중심전극의 축선방향으로 연장되는 축구멍(axial hole)을 가지며, 이 축구멍 내의 선단측에서 상기 중심전극을 지지하는 절연애자와, 상기 축선방향으로 연장되는 통구멍(cylindrical hole)을 가짐과 아울러, 이 통구멍 내에 상기 절연애자의 둘레방향 전체에 걸쳐서 상기 절연애자의 외표면에 직접 또는 간접적으로 맞닿아서, 상기 절연애자를 상기 통구멍 내에 지지하기 위한 지지부를 가지는 금속쉘과, 일단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 타단부측이 상기 중심전극의 선단부를 향해서 굴곡됨과 아울러, 그 타단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 불꽃 방전 간극을 형성하는 접지전극을 구비하고 있다. 또, 상기 절연애자 중, 상기 축선방향의 선단측에서 보았을 때, 상기 절연애자가 최초로 상기 지지부에 직접 또는 간접적으로 접촉하는 위치(Q)보다도, 상기 축선방향의 선단측의 부위를 격절부위로 했을 때에, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 외표면으로써, 상기 지지부를 구성하는 면 중 상기 축선방향과 직교하는 지름방향의 내측을 향하는 내향면과 마주보는 부분은, 상기 내향면에 대해, 둘레방향 전체에 걸쳐서 상기 지름방향으로 0.4㎜ 이하의 간극으로 배치되어 있고, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 체적(V)에 대한, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 외표면의 표면적(S)의 비율(S/V)이, 1.26≤S/V≤1.40[㎜-1]을 만족함과 아울러, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 최대 외경(外徑)이, 상기 위치(Q)에 있어서의 상기 절연애자의 외경 이하인 것을 특징으로 한다.
본 실시형태에서는, 중심전극과 금속쉘의 지지부를 이격하는 격절부위에 있어서의 외표면과 지지부의 간극을 0.4㎜ 이하로 함으로써, 내 오손성을 확보할 수 있다. 또한, 절연애자의 격절부위의 체적(V)에 대한, 외표면의 표면적(S)의 비율(S/V)을 1.26㎜-1 이상으로 함으로써, 격절부위를 통한 연면방전의 발생을 방지하는데 충분한 절연거리를 확보할 수 있다. 따라서, 엔진의 고출력화에 따라 연소압이 상승하고 불꽃 방전을 위한 요구 전압이 높아져도, 정규의 불꽃 방전 간극에서 확실하게 불꽃 방전을 행할 수 있다. 한편, 표면적(S)의 증대에 수반해서 연소실로부터의 수열량이 증가하지만, S/V를 1.40㎜-1 이하로 함으로써, 중심전극의 온도상승을 억제할 수 있으므로, 열가 조건을 유지할 수 있다. 따라서, 종래의 치수 비율을 유지하면서도 스파크 플러그의 소형화를 도모할 수 있으므로, 엔진의 소형화 및 고출력화를 실현하는데 있어서 적합하다.
이때, 절연애자의 격절부위의 체적(V)에 대한 외표면의 표면적(S)의 비율(S/V)이 상기 범위를 만족할 수 있도록 하는데에는, 예를 들면 격절부위에 요철형상을 형성하면 용이하다. 이러한 형상을 형성함에 있어서, 격절부위에 있어서의 절연애자의 최대 외경을, 위치(Q)에 있어서의 절연애자의 외경 이하로 억제함으로써, 격절부위가 금속쉘의 통구멍의 내주면에 가까워지는 것을 제한할 수 있다. 따라서, 격절부위와 통구멍의 내주면의 사이에서 기중방전{소위 래터럴 스파크(lateral sparks)}이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 격절부위의 상기 축선방향 선단부가, 상기 금속쉘의 선단으로부터 1.0㎜ 이상 돌출해도 좋다. 또, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 절연애자의 외표면에 있어서, 선단면과 외측면이 이루는 능각(稜角)부위에 모따기 치수 0.4㎜ 이하의 환형상 모따기 가공을 해도 좋으며, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 절연애자의 상기 축구멍과 상기 중심전극의 상기 지름방향의 거리를 0.05㎜ 이상으로 해도 좋다.
금속쉘의 선단면과 통구멍의 내주면이 이루는 능각부위는, 전계(電界) 강도가 높아지기 쉬운 부위이므로, 절연애자의 외표면에 있어서 상기 능각부위에 가까운 부분과, 상기 능각 부위는, 기중방전(래터럴 스파크)의 기점이 되기 쉽다. 그리고 래터럴 스파크가 발생했을 때에는, 상기 기점과 중심전극의 사이에서, 절연애자의 외표면을 흐르는 연면방전이 발생하게 된다. 따라서, 격절부위의 선단부를 금속쉘의 선단으로부터 1.0㎜ 이상 돌출시키면, 연면방전 경로에 있어서의 절연거리를 연장할 수 있으므로, 능각부위와 중심전극의 사이의 절연저항을 더 높게 할 수 있다. 그러므로 고출력화가 더욱 도모된 엔진에, 본 실시형태에 관한 스파크 플러그를 사용함으로써, 충분한 절연성능을 얻을 수 있고, 래터럴 스파크의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 상기 격절부위의 선단부에 있어서, 선단면과 외측면이 이루는 능각부위에 결함이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 이러한 결함의 발생을 방지하려면, 스파크 플러그의 제조과정에서 상기 능각부위에 환형상 모따기 가공을 실시하면 좋다. 다만, 모따기 치수가 커지는 만큼, 모따기 부분에 있어서 절연거리가 짧아진다. 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 본 실시형태에 관한 스파크 플러그를 사용하려면, 모따기 치수를 0.4㎜ 이하로 해서 충분한 절연거리를 확보하면 좋다.
또, 상기 격절부위의 선단부에 있어서, 절연애자의 축구멍과 중심전극의 사이에 간극을 형성하면, 공기층에 의한 절연 효과에 의해, 금속쉘과 중심전극의 사이의 절연거리를 더 확보할 수 있다. 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 본 실시형태에 관한 스파크 플러그를 사용하는데 있어서 충분한 절연성을 얻으려면, 절연애자의 축구멍과 중심전극 사이의 지름방향의 거리를 0.05㎜ 이상으로 하면 좋다.
또, 본 실시형태에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 격절부위의 상기 선단부가, 상기 축선방향으로 연장되는 원통형상을 이루고 있어도 좋으며, 상기 축선방향에 있어서, 상기 금속쉘의 선단의 위치를 넘어서 배치되어도 좋다. 그리고, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 체적(V)에 대한, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 표면적(S)의 비율(S/V)이 1.40≤S/V≤2.00[㎜-1]을 만족하면 좋다. 원통형상을 이루는 상기 격절부위의 선단부를, 축선방향에 있어서, 금속쉘의 선단의 위치를 넘어서 배치시키면, 전계 강도가 높아지기 쉬운 능각부위와, 절연애자의 외표면 사이의 거리를 확보할 수 있으므로, 래터럴 스파크의 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 절연거리를 확실하게 확보하기 위해서는, 상기와 같이 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)을 규정하면 좋으며, 구체적으로는 S/V를 1.40≤S/V≤2.00[㎜-1]로 하면 좋다. 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 S/V가 1.40㎜-1 미만이어도 실용범위로서는 충분한 절연거리를 확보할 수 있지만, 엔진의 고출력화가 더욱 도모되어 요구 전압이 높아진 경우에도, 상기 격절부위의 선단부에 있어서 확실한 절연거리를 확보하려면, 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 S/V를 1.40㎜-1 이상으로 하면 좋다. 한편, 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 S/V가 커지면, 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 연소실로부터의 수열량이 많아져서 중심전극의 온도상승을 야기하기 때문에, 상기 격절부위의 선단부에 있어서의 S/V는 2.00㎜-1 이하로 하면 좋다.
또, 본 실시형태에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 금속쉘이, 자신의 외주측에, 자신을 내연기관에 부착하기 위한 나사산이 형성된 부착부를 가져도 좋다. 또, 이 나사산의 공칭 지름이 M8 ~ M12이면 좋고, 상기 지름방향에 있어서, 상기 금속쉘의 선단면과 상기 통구멍의 내주면이 이루는 능각부위와, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 외표면 사이의 최단 거리(L)가, 상기 불꽃 방전 간극의 크기(G)보다 크면 좋다.
금속쉘의 능각부위와, 격절부위에 있어서의 절연애자의 외표면의 최단 거리(L)를, 불꽃 방전 간극의 크기(G)보다도 크게 하는 것에 의해, 전계 강도가 높아지기 쉬운 능각부위를 기점으로 하는 래터럴 스파크의 발생을 방지할 수 있고, 정규의 불꽃 방전 간극에서의 불꽃 방전을 확실하게 행할 수 있다. 그리고, 본 발명의 적용에 의해, 종래의 치수 비율을 유지하면서 스파크 플러그의 소형화를 도모해도, 래터럴 스파크나 연면방전의 발생을 방지할 수 있으므로, 금속쉘의 부착부의 나사산의 공칭 지름이 M8 ~ M12인 스파크 플러그에 적용하면, 엔진의 소형화 및 고출력화를 동시에 실현하는데 있어서 적합하다.
또, 본 실시형태에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 상기 지름방향의 최소 두께(T)를 0.5㎜ 이상으로 해도 좋다. 격절부위에 있어서의 절연애자의 외표면의 표면적(S)을 보다 크게 한 후, 본 실시형태와 같이 격절부위에 있어서의 절연애자의 최소 두께(T)를 0.5㎜ 이상으로 하면, 절연애자의 제조과정에서 취급할 때에 충분한 강도를 확보할 수 있으며, 부러짐 등의 문제점의 발생을 억제할 수 있다.
또한 본 실시형태에 관한 스파크 플러그는, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 최대 외경과, 상기 금속쉘의 상기 통구멍의 내주면의 내경의 지름 차이가 반지름 차이로 0.5㎜ 이상인 것을 특징으로 해도 좋다.
도 1은 스파크 플러그(100)의 부분 단면도
도 2는 스파크 플러그(100)의 격절부위(P, 隔絶部位, isolation portion)를 확대해서 나타낸 단면도
도 3은 변형예로서의 스파크 플러그(200)의 격절부위(P)를 확대해서 나타낸 부분 단면도
도 4는 변형예로서의 스파크 플러그(300)의 격절부위(P)를 확대해서 나타낸 부분 단면도
도 5는 변형예로서의 스파크 플러그(400)의 격절부위(P)를 확대해서 나타낸 부분 단면도
도 6은 변형예로서의 스파크 플러그(500)의 격절부위(P)를 확대해서 나타낸 부분 단면도
도 7은 연면방전의 발생 빈도와, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)의 상관관계를 나타내는 그래프
도 8은 격절부위(P)에 있어서의 절연 저항값과, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)의 상관관계를 나타내는 편대수(片對數) 그래프
도 9는 중심전극의 선단부의 온도와, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)의 상관관계를 나타내는 그래프
도 10은 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 최소 두께(T)와, 절연애자의 제조과정에서의 부러짐 발생률의 관계를 나타내는 그래프
이하, 본 발명을 구체화한 스파크 플러그의 제 1 실시형태에 대하여, 도면을 참조해서 설명한다. 또한 도 1에 있어서, 스파크 플러그(100)의 축선(O)방향을 도면에 있어서의 상하방향으로 하고, 하측을 스파크 플러그(100)의 선단측으로, 상측을 후단측으로 해서 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이 스파크 플러그(100)는, 개략적으로, 중심전극(20)과, 중심전극(20)을 축구멍(12, axial hole) 내에 지지하는 절연애자(10)와, 절연애자(10)를 통구멍(55, cylindrical hole) 내에 지지하는 금속쉘(50)과, 금속쉘(50)에 접합되며 중심전극(20)과의 사이에서 불꽃 방전 간극(GAP)을 형성하는 접지전극(30)과, 절연애자(10)의 후단측에 형성되는 금속 단자(40)로 구성되어 있다.
우선, 절연애자(10)에 대해서 설명한다. 절연애자(10)는 주지와 같이, 알루미나 등을 소성해서 형성되며, 그 중심에 축선(O)방향으로 연장되는 축구멍(12)이 형성된 통형상으로 이루어져 있다. 축선(O)방향의 대략 중앙에는 외경(外徑)이 가장 큰 플랜지부(19)가 형성되어 있으며, 이보다 후단측(도 1에 있어서의 상측)에는 후단측 몸통부(18)가 형성되어 있다. 플랜지부(19)보다 선단측(도 1에 있어서의 하측)에는 후단측 몸통부(18)보다도 외경이 작은 선단측 몸통부(17)가 형성되고, 선단측 몸통부(17)보다 더욱 선단측에는 선단측 몸통부(17)보다도 외경이 작은 다리부(13)가 형성되어 있다. 다리부(13)는 선단측을 향해서 지름이 작아지도록 되어 있으며, 스파크 플러그(100)가 내연기관의 엔진 헤드(도시생략)에 부착될 때에 연소실로 돌출된다. 또, 후술하는 금속쉘(50)의 통구멍(55) 내에 절연애자(10)를 지지함과 아울러 기밀(氣密)을 유지할 수 있도록, 다리부(13)와 선단측 몸통부(17)의 사이에 계단형상의 부위가 형성되어 있으며, 본 실시형태에서는 이 부위를 단차부(15)라고 호칭한다. 또한 후술하겠지만 본 실시형태에서는, 상기 다리부(13)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)이 요철형상으로 형성되어 있다.
이어서, 중심전극(20)은, 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 니켈계 합금으로 형성된 모재(24)의 내부에, 이 모재(24)보다도 열전도성이 뛰어난 동(銅) 등으로 이루어진 금속심(23)을 매설한 구조를 가지는 봉형상의 전극이다. 중심전극(20)은 절연애자(10)의 축구멍(12) 내의 선단측에 지지되어 있다. 중심전극(20)의 선단부(22)는 절연애자(10)의 선단으로부터 돌출해서, 후술하는 접지전극(30)의 선단부(31)와의 사이에서 불꽃 방전 간극(GAP)을 형성한다. 또, 중심전극(20)은 축구멍(12)의 내부에 형성된 밀봉체(4) 및 세라믹 저항(3)을 경유해서, 후단측(도 1에 있어서의 상측)의 금속 단자(40)와 전기적으로 접속되어 있다. 금속 단자(40)에는 플러그 캡(도시생략)을 통해서 고압케이블(도시생략)이 접속되고, 불꽃 방전을 위한 고전압이 인가되게 되어 있다.
이어서, 접지전극(30)에 대해서 설명한다. 접지전극(30)은 내부식성(耐腐食性)이 뛰어난 금속으로 구성되며, 일례로써 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 니켈 합금이 사용된다. 접지전극(30)은, 그 길이방향의 횡단면이 대략 직사각형으로 이루어져 있으며, 기부(基部, 32)가 금속쉘(50)의 선단면(57)에 용접되어 있다. 접지전극(30)의 선단부(31)는 중심전극(20)의 선단부(22)를 향해서 굴곡되고, 양자 사이에 불꽃 방전 간극(GAP)이 형성되어 있다.
이어서, 금속쉘(50)에 대해서 설명한다. 금속쉘(50)은, 내연기관의 엔진 헤드(도시생략)에 스파크 플러그(100)를 고정하기 위한 원통형상의 금속부재이다. 금속쉘(50)은, 절연애자(10)의 후단측 몸통부(18)의 일부에서부터 다리부(13)에 걸친 부위를 에워싸도록 해서, 절연애자(10)를 통구멍(55)에 지지하고 있다. 금속쉘(50)은 저탄소강을 재료로 형성되고, 도시하지 않은 스파크 플러그 렌치에 걸어 맞춰지는 공구 걸어맞춤부(51)와, 엔진 헤드의 나사 구멍(도시생략)에 맞물리는 나사산이 형성된 부착부(52)를 가진다.
금속쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)와 부착부(52)의 사이에는 플랜지형상의 밀봉부(54)가 형성되어 있다. 부착부(52)와 밀봉부(54) 사이의 외주면에는 판체(板體)를 구부려서 형성한 환형상의 개스킷(5)이 끼워져서 배치되어 있다. 개스킷(5)은, 스파크 플러그(100)를 엔진 헤드의 부착구멍(도시생략)에 부착할 때에, 부착구멍의 개구 가장자리부와 밀봉부(54)의 사이에서 짓눌려 변형해서, 양자 사이를 밀봉함으로써, 연소실 내에서 부착구멍을 통해 가스가 누출되는 것을 방지하는 것이다.
금속쉘(50)에 있어서의 부착부(52)가 형성된 위치의 내주에는, 통구멍(55)의 내주면(59)에서 내향으로 돌출하는 지지부(56)가, 둘레방향 전체에 걸쳐서 형성되어 있다. 이 지지부(56)에는 환형상의 판 패킹(8)을 통해서 절연애자(10)의 단차부(15)가 지지되어 있다. 또, 금속쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)보다 후단측에는 두께가 얇은 코킹부(caulking portion, 53)가 형성되고, 밀봉부(54)와 공구 걸어맞춤부(51)의 사이에는 코킹부(53)와 같이 두께가 얇은 버클링부(buckle portion, 58)가 형성되어 있다. 금속쉘(50)의 통구멍(55)의 내주면(59)에 있어서의 공구 걸어맞춤부(51)에서 코킹부(53)에 걸친 부분과, 절연애자(10)의 후단측 몸통부(18)의 외표면(14)의 사이에는, 원형의 링 부재(6,7)가 개재되어 있으며, 또한 양 링 부재(6,7)의 사이에 탤크(활석, 9) 분말이 충전되어 있다. 금속쉘(50)의 코킹부(53)를 내측으로 구부려서 코킹하는 것에 의해, 절연애자(10)가 통구멍(55) 내에서 선단측을 향해 압압되고, 코킹부(53)와 지지부(56)의 사이에 지지되어, 금속쉘(50)과 일체가 된다. 이때, 금속쉘(50)과 절연애자(10) 사이의 기밀성은, 지지부(56)와 단차부(15) 사이에 개재되는 판 패킹(8)에 의해 유지되어, 연소가스의 유출이 방지된다. 또 버클링부(58)는, 코킹을 할 때에 압축력이 가해짐에 따라, 외측으로 휘어져 변형하도록 구성되어 있으며, 탤크(9)가 축선(O)방향으로 압축되는 길이를 크게 해서 금속쉘(50) 내의 기밀성을 높이고 있다.
이와 같이 구성된 본 실시형태의 스파크 플러그(100)에서는, 불꽃 방전 시에, 불꽃 방전 간극(GAP)에서 불꽃 방전이 확실하게 이루어지도록, 절연애자(10)의 외표면(14) 상에서 흐르는 연면방전(沿面放電, creeping discharge)의 발생을 억제하기 위한 구조를 가진다. 이하, 절연애자(10)의 구성에 대하여 도 2를 참조해서 설명한다.
상기한 바와 같이, 도 2에 나타낸 절연애자(10)의 다리부(13)는, 절연애자(10)를 금속쉘(50)에 지지하기 위해서 형성된 단차부(15)보다도 선단측에 형성된 부위이다. 단차부(15)는 판 패킹(8)을 통해서 금속쉘(50)의 지지부(56)에 지지되어 있다. 환언하면, 금속쉘(50)의 지지부(56)는, 판 패킹(8)을 통해서 간접적으로 절연애자(10)의 단차부(15)에 맞닿아서, 절연애자(10)를 지지하고 있다. 본 실시형태에서는, 절연애자(10)의 외표면(14)에 있어서, 판 패킹(8)이 단차부(15)에 맞닿는 위치 중, 축선(O)방향의 가장 선단의 위치를 Q라고 한다. 그리고, 절연애자(10)의 부위 중, 위치(Q)보다 축선(O)방향의 선단측에 존재하고, 중심전극(20)과 지지부(56)를 절연상태로 이격시킨 부위를 격절부위(P, 隔絶部位, isolation portion)라고 하고 있다. 구체적으로, 도 2에서는 절연애자(10)의 격절부위(P)를 실선으로 나타낸다.
스파크 플러그(100)의 가동 시에는, 금속쉘(50)과 금속 단자(40)(도 1 참조)의 사이에 고전압이 인가되어, 금속쉘(50)에 접합된 접지전극(30)과, 금속 단자(40)에 전기적으로 접속된 중심전극(20) 사이의 불꽃 방전 간극(GAP)에서 불꽃 방전{기중방전(氣中放電, aerial discharge)}이 발생해서, 혼합기에 대한 착화가 이루어진다. 이때, 금속쉘(50)과 중심전극(20)의 사이에도 고전압이 가해지므로, 양자 사이에 개재되는 격절부위(P)에서 연면방전이 발생해서, 중심전극(20)과 금속쉘(50){지지부(56)}의 사이에서 불꽃 방전이 발생하지 않도록, 양자 사이에 충분한 절연거리를 확보하는 것이 중요하다. 또한 종래보다 연소실 내의 압력이 높아진 상태에서도, 불꽃 방전 간극(GAP)에서 확실하게 불꽃 방전(기중방전)을 발생시키려면, 격절부위(P)의 표면을 따르는 금속쉘(50)과 중심전극(20) 사이의 거리를 연장할 뿐만 아니라, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)의 표면적을 보다 크게 하는 것이 바람직하다.
이것을 실현하기 위해서, 본 실시형태의 스파크 플러그(100)에서는 일례로서, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)이 요철형상으로 형성되어 있다. 이 요철형상은, 단지 격절부위(P)에 형성되면 좋은 것은 아니고, 엔진이 요구하는 열가(熱價) 조건을 만족함과 아울러, 격절부위(P)를 통하여 연면방전을 확실하게 방지하기 위해서, 이하와 같은 각종 규정을 두고 있다.
우선, 도 2에 나타낸 바와 같이, 절연애자(10)의 격절부위(P)에 대해서, 지름방향{축선(O)과 직교하는 방향}으로 금속쉘(50)의 지지부(56)와 마주보는 부위를 기단부(P1)라고 한다. 본 실시형태에 있어서, 기단부(P1)는 대략 동일한 외경으로 축선(O)방향으로 연장되며 원통형상을 이룬다. 또, 기단부(P1)에서 축선(O)방향의 선단측을 향해서, 외경이 변화하면서 연장되는 부위를 중간부(P2)라고 한다. 상기한 바와 같이, 본 실시형태에서는 중간부(P2)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)이 요철형상을 이룬다. 또한 중간부(P2)에서 축선(O)방향의 선단측을 향해서 연장되는 부위를 선단부(P3)라고 한다. 선단부(P3)는, 기단부(P1)와 같이 원통형상으로 이루어져서 축선(O)방향으로 연장되며, 선단면(61)이 금속쉘(50)의 선단면(57)보다 축선(O)방향 선단측에 배치되어 있다.
기단부(P1)에 있어서의 외표면(14)은, 지지부(56)를 구성하는 면 중, 지름방향의 내측을 향하는 내향면(60)과 마주보는 부위(F)를 가진다. 부위(F)는 내향면(60)과의 사이에 간극(J)을 가지는데, 둘레방향 전체에 걸쳐서 간극(J)의 크기(지름방향 길이)가 0.4㎜ 이하가 되도록, 기단부(P1)의 크기(외경)가 설정되어 있다. 간극(J)이 0.4㎜ 보다 크면, 내연기관 구동 시에 미연소가스가 간극(J) 내로 침입해서, 오손(汚損) 물질이 간극(J) 내에 축적될 우려가 있다. 오손 물질의 축적에 의해 형성되는 층이 성장해서, 지지부(56)의 내향면(60)과, 부위(F)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)이 오손 물질을 통해 전기적으로 접속되면, 금속쉘(50)과 중심전극(20) 사이의 절연저항이 내려가서, 격절부위(P)를 통한 연면방전이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 한편, 지지부(56)의 내향면(60)과, 부위(F)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14) 사이의 기중방전에 대한 절연저항을 확보하기 위해서는, 간극(J)의 크기를 0.05㎜ 이상 확보하는 것이 바람직하고, 0.2㎜ 이상 확보할 수 있으면 더욱 좋다.
또, 간극(J)을 구성하는 지지부(56)의 내향면(60)과, 부위(F)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)이, 축선(O)방향으로 연장되는 길이를 H라고 했을 때, 길이(H)를 0.5㎜ 이상 확보하는 것이 좋다. 길이(H)가 0.5㎜보다 짧으면 간극(J) 내로 미연소가스가 침입하는 것을 효과적으로 방지하는 것이 어려워진다. 한편, 길이(H)가 길어질수록, 금속쉘(50)의 통구멍(55) 내에 있어서의 간극(J)의 개구가, 축선(O)방향으로 선단측에 더욱 가까워진다. 그러면, 간극(J)의 개구 부근에 있어서의 격절부위(P)를 통한 연면방전의 절연거리가 짧아지기 때문에, 간극(J)의 개구 부근에 오손 물질이 부착된 경우, 오손 물질을 통한 스파크가 발생할 우려가 있다. 그러므로, 길이(H)는 2.5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 간극(J)의 크기를 규정함으로써, 상기한 바와 같이 내오손성(耐汚損性)은 향상되지만, 기중방전에 있어서의 절연저항은 저하되므로, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)을 규정해서, 격절부위(P)에 있어서의 연면방전의 절연거리를 확보하고 있다. 구체적으로, S/V가 1.26≤S/V≤1.40[㎜-1]을 만족할 것을 규정하고 있다. 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)이 1.26㎜-1 미만인 경우, 격절부위(P)에 충분한 크기의 표면적(S)을 얻을 수 없고, 격절부위(P)를 통한 금속쉘(50)과 중심전극(20)의 사이에 있어서의 연면방전에 대해, 절연거리를 충분히 확보하지 못할 우려가 있다. 한편, 격절부위(P)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율이 커지는 것은, 동등한 크기의 스파크 플러그에 비해, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 표면적(S)이 증가하게 되므로, 연소실로부터의 수열량(受熱量)이 많아진다. 구체적으로, S/V가 1.40㎜-1 보다 커지면, 격절부위(P)로부터의 수열에 의한 중심전극(20)의 온도상승이 커지고, 스파크 플러그(100)가 저열가형(低熱價型)(소위 열형)이 되기 때문에, 엔진이 요구하는 열가 조건을 만족시킬 수 없게 될 우려가 있다.
이와 같이, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)이, 1.26≤S/V≤1.40[㎜-1]을 만족하도록 규정함으로써, 종래의 치수 비율을 유지하면서도 소형화된 스파크 플러그를, 연소압이 보다 높은 엔진에 이용하는 것도 가능하다. 즉, 본 발명을 적용하면, 스파크 플러그를 설계하는데 있어서, 다리부를 축선(O)방향으로 연장하는 것에 의해, 금속쉘의 지지부와 중심전극 사이의 절연거리를 확보하는 것이 아니라, 종래의 치수 비율을 유지하면서 소형화하더라도 절연거리를 충분히 확보할 수 있는 것이다. 구체적으로, 금속쉘(50)의 부착부(52)의 나사산의 공칭 지름이 M8 ~ M12인 스파크 플러그(100)에 적용하면, 엔진의 소형화 및 고출력화를 동시에 실현하는데 있어서 적합하다.
또한 스파크 플러그(100)에서는, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 최대 외경이, 위치(Q)에 있어서의 절연애자(10)의 외경(U) 이하가 될 것을 규정하고 있다. 본 실시형태에서는 격절부위(P)의 중간부(P2)가 요철형상을 이룸과 아울러, 선단측을 향해서 지름이 작아지도록 되어 있기 때문에, 격절부위(P)에 있어서 절연애자(10)의 외경이 최대가 되는 위치는 위치(Q)와 일치한다. 이와 같이 일치하지 않더라도, 이 규정에 의해서, 격절부위(P)가 위치(Q)에 있어서의 절연애자(10)의 외경(U)보다 지름방향 외측으로 돌출하지 않는다. 따라서, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)의 표면적(S)을 크게 하면서도, 격절부위(P)가 금속쉘(50)의 통구멍(55)의 내주면(59)에 가까워지는 것이 제한되므로, 격절부위(P)와 통구멍(55)의 내주면(59)의 사이에서 기중방전{소위, 래터럴 스파크(lateral sparks)}이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 보다 바람직하게는, 금속쉘(50)의 통구멍(55)의 내경(X)과, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 최대 외경의 차이를 1.0㎜ 이상(반지름 차이로 0.5㎜ 이상) 확보하는 것이 바람직하다.
또, 금속쉘(50)의 선단면(57)과 통구멍(55)의 내주면(59)이 이루는 능각(稜角)부위(W)와, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14) 사이의 최단 거리(L)가, 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기(G)보다 클 것을 규정하고 있다. 능각을 이루는 부위는 전계(電界) 강도가 높아져서, 불꽃 방전의 기점이 되기 쉬운 것이 알려져 있는데, 능각부위(W)와 중심전극(20)의 사이에서 불꽃 방전이 발생하려면, 능각부위(W)와 격절부위(P) 사이에서의 기중방전과, 격절부위(P)의 외표면(14)상에서, 상기 기중방전이 발생한 기점과 중심전극(20) 사이에서의 연면방전이 필요하다. 즉, 능각부위(W)와 격절부위(P)의 최단 거리(L)가 불꽃 방전 간극(GAP)보다 크면, 능각부위(W)와 중심전극(20) 사이에 있어서의 절연 저항값이, 불꽃 방전 간극(GAP)에 있어서의 절연 저항값을 밑돌기 어렵기 때문에, 엔진의 구동 시에, 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에서 보다 확실하게 불꽃 방전을 발생시킬 수 있다.
또, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 최소 두께(T)가 스파크 플러그(100)의 지름방향으로 0.5㎜ 이상이 될 것을 규정하고 있다. 상기와 같이 격절부위(P)가 금속쉘(50)의 통구멍(55)의 내주면(59)에 가까워지는 것을 제한하면서, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14)의 표면적(S)을 보다 크게 하려면, 절연애자(10)의 두께를 부분적으로 얇게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 절연애자(10)는, 알루미나 등의 절연 분말을 압축하고, 절삭가공에 의해 성형한 후에 소성해서 제작되나, 축구멍(12)을 가지므로 지름방향의 두께가 작아지면, 성형 시에 부러짐 등이 발생해서 수율(yield rate, 收率)이 나빠질 우려가 있다. 특히, 격절부위(P)에 있어서는 요철형상에 의해 절연애자(10)의 최소 두께(T)가 작아지기 쉽다. 이것을 방지하는데에는, 후술하는 실시예 4에 의하면, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 최소 두께(T)를 0.5㎜ 이상으로 해서, 절연애자(10)에 충분한 두께를 확보하는 것이 바람직하다.
이와 같이 각종 규정을 둠으로써, 종래보다도 연소실 내의 압력이 높아진 상태이더라도, 격절부위(P)를 통한 연면방전의 발생을 충분히 방지할 수 있지만, 연소실 내의 압력 상승이, 상기한 규정에서 목표로 하는 상승폭보다 더욱 상승한 경우에도 대응할 수 있는 스파크 플러그(100)를 제공하기 위해, 본 실시형태에서는 이하의 규정을 더 두고 있다.
우선, 절연애자(10)의 선단부(P3)가, 축선(O)방향에 있어서, 금속쉘(50)의 선단면(57)보다도 선단측으로 돌출하는 돌출길이(N)를 1.0㎜ 이상으로 하면 좋다. 상기한 바와 같이, 금속쉘(50)의 능각부위(W)와 절연애자(10)의 외표면(14)의 최단 거리(L)를, 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기(G)보다 크게 하면, 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에서 확실하게 불꽃 방전을 발생시킬 수 있다. 이때 연소실 내의 압력이 더욱 상승하는 것에 수반해서, 전극 사이에 대한 인가 전압이 높아진 경우에, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14) 상에서, 능각부위(W)와 격절부위(P)의 사이에서 기중방전이 발생한 기점과, 중심전극(20) 사이에서 연면방전이 발생하는 것을 억제하려면, 상기 연면방전이 발생할 수 있는 부위와 중심전극(20) 사이의 절연거리를 길게 하는 것이 중요하다. 후술하는 실시예 5에 의하면, 축선(O)방향에 있어서, 절연애자(10)의 선단부(P3)가, 금속쉘(50)의 선단면(57)보다도 선단측으로 돌출하는 돌출길이(N)를, 1.0㎜ 이상으로 하면, 중심전극(20)과 금속쉘(50) 사이에 있어서의 절연저항을 보다 높일 수 있는 것을 알 수 있었다. 물론, 1.0㎜ 미만이어도, 실용적인 크기의 범위의 절연저항을 얻을 수 있다. 이와 같이 하면, 능각부위(W)와 중심전극(20) 사이의 절연저항을 더욱 높게 할 수 있다. 따라서, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 스파크 플러그(100)를 사용하는데 있어서, 충분한 절연성능을 얻을 수 있으므로, 래터럴 스파크(lateral spark)의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 한편, 돌출길이(N)가 길어지면, 선단부(P3)에 있어서의 연소실로부터의 수열량이 증가해서, 온도상승을 야기하기 때문에, 돌출길이(N)는 4.3㎜ 이하, 보다 바람직하게는 4.0㎜ 이하로 하면 좋다. 또한 상기한 바와 같이, 선단부(P3)는 원통형상으로 이루어지지만, 대략 동일한 외경으로 축선(O)방향으로 연장되며, 금속쉘(50)의 선단면(57)의 위치를 넘어서는 것, 즉, 축선(O)방향에 있어서의 선단부(P3)의 중간 정도의 위치에 능각부위(W)가 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 능각부위(W)와, 선단부(P3)에 있어서의 절연애자(10)의 외표면(14) 사이의 절연거리(양자 사이에 있어서 발생할 수 있는 기중방전에 대한 절연거리)를 확보할 수 있으므로, 래터럴 스파크의 발생을 방지할 수 있다.
또한 스파크 플러그(100)의 제조과정에 있어서, 절연애자(10)의 선단부(P3)에 있어서의 선단면(61)과 외측면이 이루는 능각부위가 결함을 일으키기 쉬워질 우려가 있다. 이러한 결함의 발생을 방지하려면, 그 능각부위에 환형상으로 모따기 가공을 하면 좋고, 이 모따기 치수(K)를 0.1㎜ 이상으로 하면 좋다. 후술하는 실시예 8에 의하면, 모따기 치수(K)가 0.1㎜ 미만인 경우, 스파크 플러그(100)의 제조과정에 있어서, 상기 능각부위가 결함을 일으킬 우려가 있다. 한편, 모따기 치수(K)가 커지는 만큼, 모따기 부분에 있어서 절연거리가 짧아지기 때문에, 모따기 치수(K)는 0.45㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.40㎜ 이하로 하면 좋다.
또, 선단부(P3)에 있어서, 절연애자(10)의 축구멍(12)과 중심전극(20)의 사이에, 지름방향에 있어서 0.05㎜ 이상의 간극(M)을 가지면 좋다. 구체적으로는 도 2에 나타낸 바와 같이, 중심전극(20)의 선단부(22)의 외경을, 후단측의 외경보다 반지름 차이로 0.05㎜ 이상 작게 해서 간극(M)을 형성하면 좋다. 물론, 절연애자(10)의 축구멍(12)의 내경을, 선단부(P3)에 있어서, 반지름 차이로 0.05㎜ 이상 크게 해서 간극(M)을 형성해도 좋고, 혹은 중심전극(20)과 절연애자(10)의 쌍방에 가공을 실시해서 상기 간극(M)을 형성해도 좋다. 상기와 같이 간극(M)을 형성함으로써, 격절부위(P)에 의한 중심전극(20)과 금속쉘(50) 사이의 절연거리를 더욱 연장할 수 있다. 후술하는 실시예 6에 의하면, 간극(M)을 0.05㎜보다 작게 하면, 격절부위(P)에 있어서의 절연저항이 실용범위로서는 충분하기는 하지만, 간극(M) 내의 공기층에 의한 절연 효과가 약해진다. 한편, 간극(M)을 너무 크게 하면, 선단부(P3)에 있어서 연소실로부터 받은 열을 중심전극(20)측으로 전달하기 어려워져서, 열가 조건의 저하를 야기할 우려가 있기 때문에, 실용범위로서는 0.47㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.45㎜ 이하로 억제하면 좋다.
그리고, 선단부(P3)에 있어서의 절연거리를 확실하게 확보하기 위해서는, 상기와 같이, 선단부(P3)에 있어서의 절연애자(10)의 체적(V)에 대한, 표면적(S)의 비율(S/V)을 규정하면 좋다. 구체적으로, S/V가 1.40≤S/V≤2.00[㎜-1]을 만족할 것을 규정하고 있다. 후술하는 실시예 7에 의하면, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 1.40㎜-1 미만이어도 실용범위로서는 충분한 절연거리를 확보할 수 있지만, 요구 전압이 높은 상황에서도 선단부(P3)에 있어서 확실한 절연거리를 확보하려면, 선단부(P3)에 있어서의 S/V를 1.40㎜-1 이상으로 하면 좋다. 또, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 커지면, 선단부(P3)에 있어서의 연소실로부터의 수열량이 많아져서 중심전극(20)의 온도상승을 야기하기 때문에, 선단부(P3)에 있어서의 S/V를 2.25㎜-1 이하, 보다 바람직하게는 2.00㎜-1 이하로 하면 좋다.
또한 본 발명은 각종의 변형이 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 스파크 플러그(200)와 같이, 절연애자(210)의 격절부위(P){중간부(P2)}를 다단형상으로 형성해서, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(210)의 외표면(214)의 표면적(S)을 보다 크게 함으로써, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(210)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)이 1.26 ~ 1.40[㎜-1]가 되도록 해도 좋다. 또한 금속쉘(250)의 지지부(256)가 판 패킹(8)을 통해서 간접적으로 절연애자(210)의 단차부(215)에 맞닿는 위치 중, 가장 선단측의 위치를 위치(Q)로 하고, 위치(Q)보다 선단측에 존재함과 아울러, 중심전극(20)과 지지부(256)를 절연상태로 이격시킨 부위(도 3에 있어서 실선으로 나타내는 부위)를 격절부위(P)로 해서 각종 규정을 두는 것이나, 선단부(P3)에 대해서 각종 규정을 두는 것 등은 제 1 실시형태와 같다.
또, 도 4에 나타낸 스파크 플러그(300)와 같이, 절연애자(310)의 격절부위(P)의 기단부(P1) 및 중간부(P2)를, 축선(O)방향으로 연장되면서 지름방향의 두께가 얇아지도록 해서, 격절부위(P)(도 4에 있어서 실선으로 나타낸 부위)에 있어서의 절연애자(310)의 체적(V)에 대한 절연애자(310)의 외표면(314)의 표면적(S)의 비율(S/V)이 1.26 ~ 1.40[㎜-1]을 만족하도록 해도 좋다. 즉, 격절부위(P)를 축선(O)방향으로 연장함으로써 연면방전시의 절연거리를 연장함과 아울러, 두께를 얇게 함으로써 격절부위(P)에 있어서의 축열량을 저하시킬 수 있으므로, 스파크 플러그(300)가 저열가형이 되지 않도록 할 수 있다. 또한 스파크 플러그(300)는, 금속쉘(350)의 지지부(356)와 절연애자(310)의 단차부(315) 사이에 패킹을 설치하지 않은 경우의 예이기도 하다. 또한 절연애자(310)는, 기단부(P1)에 있어서의 외경이 일정하지 않은 경우의 예이기도 하며, 이러한 경우에도, 지지부(356)의 내향면(360)과, 기단부(P1){지지부(356)에 대응하는 부위}에 있어서 내향면(360)과 마주보는 부위(F) 사이의 간극(J)의 크기(여기에서는 최대의 크기)가 0.4㎜ 이하가 되면 좋다. 이 경우에도, 지지부(356)가 직접적으로 절연애자(310)에 맞닿는 위치 중, 가장 선단측의 위치를 위치(Q)로 하고, 이 위치(Q)보다도 선단측에 존재하며, 중심전극(20)과 지지부(356)를 절연상태로 이격시킨 부위(도 4에 있어서 실선으로 나타내 보이는 부위)를 격절부위(P)로 해서 각종 규정을 두는 것이나, 선단부(P3)에 대해서 각종 규정을 두는 것 등은 상기와 같다.
또, 도 5에 나타낸 스파크 플러그(400)와 같이, 격절부위(P)의 중간부(P2)를, 기단부(P1)에서 선단부(P3)를 향할수록 외경이 점차 작아지는 테이퍼형상으로 형성해도 좋다. 또 도 6에 나타낸 스파크 플러그(500)와 같이, 스파크 플러그(500)의 중간부(P2)를 복수의 다단형상(여기에서는 2단)으로 형성해도 좋다. 상기 도 5, 도 6에 나타낸 스파크 플러그(400,500)는 모두, 격절부위(P)에 대해서 각종 규정을 두는 것이나, 선단부(P3)에 대해서 각종 규정을 두는 것 등은 제 1 실시형태와 같다.
이와 같이 절연애자(10)의 격절부위(P)에 있어서, 절연애자(10)의 외표면(14)의 표면적(S)을 크게 하면서 상기한 각종 규정을 두는 것에 의해, 엔진이 요구하는 열가 조건을 만족하면서도, 격절부위(P)에 있어서의 연면방전의 발생을 억제할 수 있다. 또한 선단부(P3)에 대해서 각종 규정을 두는 것에 의해, 격절부위(P)를 통한 중심전극(20)과 금속쉘(50)의 절연성을 보다 높일 수 있으며, 이것에 의해, 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에 있어서, 기중방전이 확실하게 발생하도록 할 수 있다.
실시예 1
이어서, 상기한 각종 규정을 두는 것에 의한 효과를 확인하기 위하여 평가시험을 행하였다. 우선, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율을 높이는 것에 의해, 종래보다 고출력인 엔진(즉, 연소압이 높은 엔진)에서도, 중심전극과 금속쉘 사이에 절연거리를 충분히 확보할 수 있는 것을 확인하기 위한 평가시험을 행하였다.
이 평가시험에서는, 금속쉘의 나사산의 공칭 지름이 M12이고 열가 6번인 종래의 스파크 플러그의 절연애자를 대체해서 조립 가능한 절연애자를 제작하는데 있어서, 다리부{보다 상세하게는 격절부위(P)의 중간부(P2)}의 외표면의 형상을 다르게 한 것을 7종류, 각각 3개씩 준비하였다. 또한 다리부의 축선(O)방향의 길이는 모든 샘플이 15㎜가 되도록 하였다. 이 절연애자들의 설계 치수로부터 격절부위(P)에 있어서의 외표면의 표면적(S)과 체적(V)을 계산해서, 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)을 구한 결과, 1.07, 1.13, 1.20, 1.24, 1.26, 1.30, 1.33[㎜-1]이었다. 그리고 상기 7종류, 총 21개의 절연애자를 사용해서 제작한 스파크 플러그의 각 샘플을, 스파크 플러그에 대한 요구 열가가 6번이고 배기량이 2000㏄인 직렬 4기통 DOHC 직분사형 엔진에 각각 조립해서, 테스트 주행 패턴을 5 사이클 반복하는 주행시험을 행하였다. 또한 테스트 주행 패턴은, 스파크 플러그의 샘플을 부착한 엔진을, 외기온(外氣溫), 수온, 유온(油溫)이 -20℃인 상태에서 시동시키고, 주행속도 10㎞/h ~ 20㎞/h의 사이에서, 가/감속을 10회 반복한 후, 구동 정지시키는 것을 1 사이클로 한 주행 패턴이다.
그리고 각 샘플에 대해서, 주행시험 중에 발생한 연면방전의 빈도와, 주행시험 후의 격절부위(P)에 있어서의 절연저항에 대해 평가하였다. 구체적으로, 주행시험 중의 방전 파형을 관찰하고, 임의의 방전 100회 분에 상당하는 방전 파형(波形)을 추출해서, 그 중 연면방전에 수반해서 격절부위(P)에서 스파크가 발생한 것으로 인정되는 방전 파형을 특정하고, 그 발생 횟수를 세는 것에 의해, 연면방전의 발생 빈도(발생률)를 구하였다. 또한 주행시험 후에, 각 샘플의 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에 절연재를 배치한 상태에서 중심전극과 금속쉘의 사이에 고전압을 인가해서, 연면방전에 있어서의 절연 저항값을 측정하였다. 도 7에, 주행시험 중의 연면방전의 발생 빈도와, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)의 상관관계에 대한 평가의 결과를 나타낸다. 또, 도 8에, 격절부위(P)에 있어서의 절연 저항값과, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)의 상관관계에 대한 평가의 결과를 나타낸다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)이 증가함에 따라서, 연면방전의 발생 빈도가 저하되는 경향을 볼 수 있었다. S/V가 1.26㎜-1 이상이면 연면방전의 발생 빈도는 2% 이하가 되었다. 또, 도 8에 나타낸 바와 같이 S/V가 증가함에 따라서, 격절부위(P)에 있어서의 절연 저항값도 대수적(對數的, logarithm)으로 커지는 경향을 볼 수 있었다. 일반적으로, 절연 저항값이 수십 ㏁이면 중심전극과 금속쉘 사이의 연면방전을 억제할 수 있으며, S/V가 1.20㎜-1 이상이면 충분하지만, S/V가 1.24㎜-1 이상이면 절연 저항값이 100㏁ 이상이 되어, 연면방전을 보다 확실하게 방지하는데 바람직한 것을 알 수 있었다. 이상으로부터, S/V가 1.26㎜-1 이상이면 연면방전을 보다 확실하게 방지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2
이어서, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자(10)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율의 상한에 대해 확인하기 위한 평가시험을 행하였다. 실시예 1과 같이, 다리부{격절부위(P)의 중간부(P2)}의 외표면의 형상을 다르게 하고, 격절부위(P)에 있어서의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)을 1.20 ~ 1.45[㎜-1]의 범위에서 0.05㎜-1씩 다르게 한 6종류의 절연애자를 제작해서, 금속쉘의 나사산의 공칭 지름이 M12이고 열가 6번인 종래의 스파크 플러그의 절연애자를 대체해서 조립한 샘플을 준비하였다. 또한 다리부의 축선(O)방향의 길이는 모든 샘플이 15㎜가 되도록 하였다. 그리고 각 샘플을, 엔진 헤드와 같이 알루미늄재를 사용해서 제작되며, 25℃의 냉각수가 순환하는 수냉기구를 가지는 알루미늄 부시에 부착해서, 축선(O)방향의 선단측에서 수직으로 프로판 버너에 의해 각 샘플을 가열하고, 이때의 중심전극의 선단부의 온도를 측정하였다. 도 9에 중심전극의 선단부의 온도와, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)의 상관관계에 대한 평가의 결과를 나타낸다.
도 9에 나타낸 바와 같이 S/V가 증가함에 따라서 수열량이 많아지며, 중심전극의 선단부의 온도가 높아지는 것이 확인되었다. 그리고 S/V가 1.40㎜-1보다 커지면 중심전극의 선단부의 온도가 1000℃을 넘어서, 조기 점화 등이 발생하기 쉬워질 우려가 있으므로, 보다 고열가형(냉형)인 스파크 플러그를 사용할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.
실시예 3
이어서, 금속쉘의 선단면과 통구멍의 내주면이 이루는 능각부위(W)와, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 외표면 사이의 최단 거리(L)가, 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기(G)보다 크면 좋은 것을 확인하기 위한 평가시험을 행하였다. 이 평가시험에서는 실시예 1과 같이, 다리부{격절부위(P)의 중간부(P2)}의 외표면의 형상을 다르게 하고, 금속쉘의 능각부위(W)와 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 외표면 사이의 최단 거리(L)가, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3[㎜]가 되도록 설계한 4종류의 절연애자를 제작하였다. 그리고 각 절연애자를, 금속쉘의 나사산의 공칭 지름이 M12이고 열가 6번인 종래의 스파크 플러그의 절연애자를 대체해서 조립해서, 상기 최단 거리(L)의 순서대로 샘플 11 ~ 14로 하였다. 이때, 각 샘플의 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기(G)는 모두 1.1㎜가 되도록 조정하였다. 이 각 샘플을 가압 챔버에 부착해서, 챔버 내에 불활성 가스를 충전하고, 내압을 1㎫로 조정해서 500회의 불꽃 방전을 행하였다. 그리고, 이 불꽃 방전의 모습을 촬영해서 500회의 불꽃 방전 중, 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에서 불꽃 방전이 발생하지 않고, 금속쉘의 능각부위(W)와 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 외표면의 사이에서 불꽃 방전(소위 래터럴 스파크)이 발생한 횟수를 세었다. 이 평가시험의 결과를 표 1에 나타낸다.
샘플 최단거리(L)[㎜] 래터럴 스파크
발생횟수		 판정
11 1.0 8회 이상 ×
12 1.1 3 ~ 7회 ×
13 1.2 2회 이하 △
14 1.3 0회 ○
표 1에 나타낸 바와 같이, 금속쉘의 능각부위(W)와 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 외표면 사이의 최단 거리(L)가, 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기(G) 이하(1.1㎜ 이하)인 샘플 11, 12에서는, 래터럴 스파크가 500회의 불꽃 방전중 3회 이상 발생했으며, 최단 거리(L)가 작아지면 래터럴 스파크의 횟수가 증가하였으므로, 바람직하지 않다고 판단해서 「×」로 나타냈다. 한편, 최단 거리(L)가 1.2㎜로, 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기(G)(1.1㎜) 보다 큰 샘플 13에서는, 500회의 불꽃 방전 중 래터럴 스파크가 2회 이하로 발생하였으므로, 래터럴 스파크의 발생을 완전히 방지할 수는 없지만 실용상 문제가 없다고 판단하여 「△」로 나타냈다. 그리고 최단 거리(L)가 1.3㎜인 샘플 14에서는, 래터럴 스파크가 발생하지 않았으므로, 바람직하다고 판단하여 「○」로 나타냈다. 이것에 의하여, 금속쉘의 능각부위(W)와 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 외표면 사이의 최단 거리(L)가, 불꽃 방전 간극(GAP)의 크기보다 크면, 능각부위(W)에 전계의 집중이 발생해도 래터럴 스파크의 발생을 충분히 억제할 수 있고, 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에서 불꽃 방전을 발생시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
실시예 4
이어서, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 최소 두께(T)가 0.5㎜ 이상이면 좋은 것을 확인하기 위한 평가시험을 행하였다. 실시예 1과 같이, 금속쉘의 나사산의 공칭 지름이 M12인 종래의 스파크 플러그의 절연애자를 대체해서 조립가능한 절연애자를 설계하는데 있어서, 다리부{격절부위(P)의 중간부(P2)}의 외표면의 형상을 다르게 해서, 격절부위(P)에 있어서 두께가 가장 얇은 부위의 두께(T)가, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6[㎜]인 4종류의 절연애자를 설계하였다. 그리고, 설계에 따라 절연애자를 제작하는 과정에 있어서, 부러짐 등의 문제점이 발생한 비율{각 두께(T) 마다 100개씩 제작한 샘플 중 부러짐이 발생한 비율}을 구하였다. 구체적으로, 절연애자의 제조과정에 있어서, 알루미나 등의 절연 분말을 압축한 후에 이루어지는 절삭가공 중에, 부러짐 등의 문제점이 발생할 우려가 있다. 이 평가시험의 결과를 도 10에 나타낸다.
도 10에 나타낸 바와 같이 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 최소 두께(T)가 0.3㎜인 경우, 부러짐 발생률이 30%가 되었지만, 두께(T)가 0.4㎜에서는 부러짐 발생률이 2%로 감소하고, 두께(T)가 0.5㎜ 이상에서는 부러짐이 발생하지 않았다. 이것에 의하여, 격절부위(P)에 있어서의 절연애자의 최소 두께(T)를 0.5㎜ 이상으로 하면 좋은 것을 알 수 있었다.
실시예 5
이어서, 격절부위(P)의 선단부(P3)가 금속쉘의 선단면으로부터 돌출하는 돌출길이(N)에 대하여 평가하였다. 이 평가시험에서는 금속쉘의 나사산의 공칭 지름이 M12인 종래의 스파크 플러그의 절연애자를 대체해서 조립 가능하며, 기단부(P1)에서 선단부(P3)를 향하여 중간부(P2)의 외경이 점차 작아지는 테이퍼형상을 이루는(도 5 참조) 절연애자를 4개 준비하였다. 또한 이 절연애자를 제작할 때에, 이하의 조건을 만족하도록 설계하였다. 스파크 플러그에 조립했을 때에 금속쉘의 지지부의 내향면과 기단부(P1)의 외주면의 사이의 간극(J)의 크기가 0.4㎜가 되도록, 기단부(P1)의 외경을 조정하였다. 격절부위(P)의 S/V비가 1.26㎜-1이 되도록, 중간부(P2)에 형성한 테이퍼의 각도를 조정하였다. 선단부(P3)에 실시해진 모따기 치수(K)가 0.4㎜가 되도록 조정하였다. 또, 금속쉘과 중심전극에 대해서도 본 평가시험용의 것을 제작하였다. 금속쉘은, 축선(O)방향에 있어서의 지지부의 후단을 향한 면의 위치를 조정한 4종류의 금속쉘을 준비하고. 중심전극은, 조립 후에 절연애자의 선단부(P3)에 있어서의 축구멍 내에 배치되는 선단부의 외경을, 후단측의 외경보다 반지름 차이로 0.05㎜ 가늘게 한 것을 4개 준비하였다. 이 절연애자, 금속쉘 및 중심전극을 사용해서 스파크 플러그를 조립해서, 금속쉘의 선단면으로부터 돌출하는 절연애자의 선단부(P3)의 돌출길이(N)가, 0.8, 1.0, 4.0, 4.3[㎜]로 이루어진 4종류의 샘플을 완성하고, 순서대로 샘플 21 ~ 24로 하였다.
그리고, 각 샘플의 정규의 불꽃 방전 간극(GAP)에 절연재를 배치한 상태에서, 중심전극과 금속쉘의 사이에 고전압을 인가해서, 격절부위(P)를 통한 연면방전에 있어서의 절연 저항값을 측정하였다. 또한 각 샘플을, 엔진 헤드와 같이 알루미늄재를 사용하여 제작되며, 25℃의 냉각수가 순환하는 수냉기구를 가지는 알루미늄 부시에 부착해서, 축선(O)방향의 선단측으로부터 수직으로 프로판버너에 의해 각 샘플을 가열하고, 이때의 중심전극의 선단부의 온도를 측정하였다. 각 측정결과를 표 2에 나타낸다.
샘플 21 22 23 24
간극(J)[㎜] 0.4
격절부위(P)의 S/V비[㎜-1] 1.26
선단부(P3)의 돌출길이(N)[㎜] 0.8 1.0 4.0 4.3
모따기 치수(K)[㎜] 0.4
중심전극의 간극(M)[㎜] 0.05
절연 저항값(㏁) 200 300 320 320
중심전극의 온도(℃) 875 875 940 980
상기한 바와 같이, 일반적으로, 절연 저항값이 수십 ㏁이면 중심전극과 금속쉘의 사이의 연면방전을 억제할 수 있으며, 또한 절연 저항값이 100㏁ 이상이면, 연면방전을 보다 확실하게 방지하는데 있어서 바람직하게 된다. 그리고, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 사용하려면, 보다 높은 절연 저항값이 필요하게 되므로, 구체적으로는 250㏁ 이상인 것이 바람직하다. 표 2에 나타낸 바와 같이 선단부(P3)의 돌출길이(N)가 0.8㎜인 샘플 21은, 절연 저항값에 대해서 실용범위의 값을 얻을 수 있다. 그러나, 선단부(P3)의 돌출길이(N)가 1.0㎜ 이상인 샘플 22 ~ 24이라면, 보다 바람직한 절연 저항값을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
또, 중심전극의 온도에 대해서도, 일반적으로는 1000℃ 이하로 억제되면, 종래의 스파크 플러그와 동등한 열가 조건(열가 6번)을 만족하는 것으로 되어 있다. 그리고, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 사용하려면, 보다 높은 열가 조건이 요구되며, 그러기 위해서는 중심전극의 온도를 950℃ 이하로 확보하는 것이 바람직하다. 표 2에 나타낸 선단부(P3)의 돌출길이(N)가 4.3㎜인 샘플 24는, 중심전극의 온도를 1000℃ 이하로 확보하고 있으므로, 실용범위의 값을 얻을 수 있다. 그러나, 중심전극의 온도를 950℃ 이하로 확보할 수 있는, 선단부(P3)의 돌출길이(N)가 4.0㎜ 이하인 샘플 21 ~ 23이라면, 보다 바람직한 열가 조건을 만족시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
따라서, 절연 저항값으로서 250㏁ 이상을 확보할 수 있고, 중심전극의 온도를 950℃ 이하로 확보할 수 있는 샘플 22, 23이라면, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 대해서도 충분히 사용 가능한 것을 알 수 있었다. 따라서, 선단부(P3)의 돌출길이(N)를 1.0㎜ 이상으로 하면 좋은 것을 알 수 있었다.
실시예 6
이어서, 격절부위(P)의 선단부(P3)에 있어서의 절연애자의 축구멍과 중심전극의 간극(M)의 크기에 대해서 평가하였다. 이 평가시험에서는, 실시예 5와 같은 크기 조건을 만족하는 절연애자를 4개 준비하였다. 또, 중심전극은, 조립 후에 절연애자의 선단부(P3)에 있어서의 축구멍 내에 배치되는 선단부의 외경을, 후단측의 외경과 비교해서, 다른 크기로 한 것을 4종류 준비하였다. 이 절연애자와 중심전극을 사용하여 스파크 플러그를 조립해서, 간극(M)의 크기가 0.03, 0.05, 0.45, 0.47[㎜]로 이루어진 4종류의 샘플을 완성하고, 순서대로 샘플 31 ~ 34로 하였다. 그리고, 각 샘플에 대해서, 실시예 5와 같은 평가시험을 행해서, 각 샘플의 절연 저항값과 중심전극의 선단부의 온도를 측정하였다. 각 측정결과를 표 3에 나타낸다.
샘플 31 32 33 34
간극(J)[㎜] 0.4
격절부위(P)의 S/V비[㎜-1] 1.26
선단부(P3)의 돌출길이(N)[㎜] 1.0
모따기 치수(K)[㎜] 0.4
중심전극의 간극(M)[㎜] 0.03 0.05 0.45 0.47
절연 저항값(㏁) 170 300 370 380
중심전극의 온도(℃) 875 875 950 990
표 3에 나타낸 바와 같이, 중심전극의 간극(M)이 0.03㎜인 샘플 31은, 절연 저항값에 대해서, 실용범위의 값(100㏁ 이상)을 얻을 수 있다. 그러나, 중심전극의 간극(M)이 0.05㎜ 이상인 샘플 32 ~ 34이라면, 보다 바람직한 절연 저항값(250㏁ 이상)을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 중심전극의 온도에 대해서, 중심전극의 간극(M)이 0.47㎜인 샘플 34는, 실용범위로서 유효한 1000℃ 이하를 확보할 수 있지만, 중심전극의 간극(M)이 0.45㎜ 이하인 샘플 31 ~ 33이라면 950℃ 이하를 확보할 수 있으므로, 보다 바람직한 열가 조건을 만족시킬 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 절연 저항값으로써 250㏁ 이상을 확보할 수 있고, 중심전극의 온도로서 950℃ 이하를 확보할 수 있는 샘플 32, 33이라면, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 대해서도 충분히 사용 가능한 것을 알 수 있었다. 따라서, 중심전극의 간극(M)의 크기(외경의 반지름 차이)를 0.05㎜ 이상으로 하면 좋은 것을 알 수 있었다.
실시예 7
이어서, 격절부위(P)의 선단부(P3)에 있어서의, 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율(S/V)에 대해서 평가하였다. 이 평가시험에서는 격절부위(P)에 있어서의 S/V가 1.26㎜-1, 선단부(P3)의 돌출길이(N)가 1.0㎜, 모따기 치수(K)가 0.4㎜인 각 조건을 만족하고, 금속쉘에 조립한 후의 지지부와의 사이의 간극(J)이 0.4㎜ 이하가 되도록 기단부(P1)의 외경을 조정하고, 또한 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 1.35 ~ 2.25[㎜-1]의 범위에서 적절히 설정되도록, 중간부(P2)에 형성한 테이퍼의 각도나, 기단부(P1), 중간부(P2) 및 선단부(P3)의 축선방향의 길이 등을 조정해서, 5종류의 절연애자를 설계하고, 설계 치수에 따라 절연애자를 제작하였다. 또, 중심전극은, 조립 후의 절연애자의 축구멍과의 간극(M)이 0.05㎜가 되도록, 선단부의 외경을 조정한 것을 5개 준비하였다. 이 절연애자와 중심전극을 사용하여 스파크 플러그를 조립해서, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 1.35, 1.40, 1. 60, 2.00, 2.25[㎜-1]로 이루어진 5종류의 샘플을 완성하고, 순서대로 샘플 41 ~ 45로 하였다. 그리고, 각 샘플에 대해서, 실시예 5와 같은 평가시험을 행해서, 각 샘플의 절연 저항값과 중심전극의 선단부의 온도를 측정하였다. 각 측정결과를 표 4에 나타낸다.
샘플 41 42 43 44 45
간극(J)[㎜] 0.4
격절부위(P)의 S/V비[㎜-1] 1.26
선단부(P3)의 S/V비[㎜-1] 1.35 1.40 1.60 2.00 2.25
선단부(P3)의 돌출길이(N)[㎜] 1.0
모따기 치수(K)[㎜] 0.4
중심전극의 간극(M)[㎜] 0.05
절연 저항값[㏁] 230 280 300 370 380
중심전극의 온도[℃] 860 860 875 920 960
표 4에 나타낸 바와 같이, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 1.35㎜-1인 샘플 41은, 절연 저항값에 대해서, 실용범위의 값(100㏁ 이상)을 얻을 수 있다. 그러나, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 1.40㎜-1 이상인 샘플 42 ~ 45이라면, 보다 바람직한 절연 저항값(250㏁ 이상)을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 중심전극의 온도에 대해서, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 2.25㎜-1인 샘플 45는, 실용범위로서 유효한 1000℃ 이하를 확보할 수 있지만, 선단부(P3)에 있어서의 S/V가 2.00㎜-1 이하인 샘플 41 ~ 44이라면 950℃ 이하를 확보할 수 있으므로, 보다 바람직한 열가 조건을 만족시킬 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 절연 저항값으로서 250㏁ 이상을 확보할 수 있으며, 중심전극의 온도로서 950℃ 이하를 확보할 수 있는 샘플 42 ~ 44이라면, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 대해서도 충분히 사용 가능한 것을 알 수 있었다. 따라서, 선단부(P3)에 있어서의 S/V를 1.40 ~ 2.00㎜-1로 하면 좋은 것을 알 수 있었다.
실시예 8
이어서, 격절부위(P)의 선단부(P3)에 실시한 모따기 가공의 모따기 치수(K)에 대해서 평가하였다. 이 평가시험에서는 격절부위(P)에 있어서의 S/V가 1.26㎜-1, 선단부(P3)의 돌출길이(N)가 1.0㎜인 각 조건을 만족하고, 금속쉘에 조립한 후의 지지부와의 사이의 간극(J)이 0.4㎜ 이하가 되도록 기단부(P1)의 외경을 조정하고, 또한, 선단부(P3)의 모따기 치수(K)가 0.05 ~ 0.45[㎜]의 범위에서 적절히 설정되도록, 4종류의 절연애자를 설계하고, 설계 치수에 따라 절연애자를 제작하였다. 또, 중심전극은, 조립 후에 절연애자의 축구멍과의 간극(M)이 0.05㎜가 되도록, 선단부의 외경을 조정한 것을 4개 준비하였다. 이 절연애자와 중심전극을 사용하여 스파크 플러그를 조립해서, 선단부(P3)에 있어서의 모따기 치수(K)가 0.05, 0.1, 0.4, 0.45[㎜]로 이루어진 4종류의 샘플을 완성하고, 순서대로 샘플 51 ~ 54로 하였다. 그리고, 각 샘플에 대해서, 실시예 5와 같은 평가시험을 행해서, 각 샘플의 절연 저항값과 중심전극의 선단부의 온도를 측정하였다. 각 측정결과를 표 5에 나타낸다.
샘플 51 52 53 54
간극(J)[㎜] 0.4
격절부위(P)의 S/V비[㎜-1] 1.26
선단부(P3)의 돌출길이(N)[㎜] 1.0
모따기 치수(K)[㎜] 0.05 0.1 0.4 0.45
중심전극의 간극(M)[㎜] 0.05
절연 저항값[㏁] 320 320 300 230
중심전극의 온도[℃] 875 875 875 875
결함의 발생 있음 없음 없음 없음
모따기 치수(K)를 조정한 것만으로는 선단부(P3)에 있어서의 열용량에 큰 영향을 미치는 일이 없고, 표 5에 나타낸 바와 같이, 모든 샘플에서 중심전극의 온도로서 950℃ 이하를 확보할 수 있었다. 한편, 절연 저항값에 대해서, 모따기 치수(K)가 0.45㎜인 샘플 54에서는, 실용범위의 값(100㏁ 이상)을 얻을 수 있었지만, 보다 바람직한 250㏁ 이상의 절연 저항값은 얻을 수 없었다. 또, 모따기 치수(K)가 0.1㎜ 이상 0.4㎜ 이하인 샘플 52, 53은, 절연 저항값으로서 250㏁ 이상을 확보할 수 있었다. 그러나, 모따기 치수(K)가 0.05㎜인 샘플 51은, 절연 저항값으로서 250㏁ 이상을 확보할 수 있었지만, 스파크 플러그를 제조하는 과정에 있어서, 결함이 발생했다. 따라서, 절연 저항값으로서 250㏁ 이상을 확보할 수 있고, 중심전극의 온도로서 950℃ 이하를 확보할 수 있음과 아울러, 제조과정에 있어서 결함이 발생하기 어려운 샘플 52, 53이라면, 고출력화가 더욱 도모된 엔진에 대해서도 충분히 사용 가능한 것을 알 수 있었다. 따라서, 선단부(P3)에 있어서의 모따기 치수(K)를 0.1㎜ 이상으로 하면 좋은 것을 알 수 있었다.

Claims (5)

  1. 중심전극과,
    상기 중심전극의 축선방향으로 연장되는 축구멍(axial hole)을 가지며, 이 축구멍 내의 선단측에서 상기 중심전극을 지지하는 절연애자와,
    상기 축선방향으로 연장되는 통구멍(cylindrical hole)을 가짐과 아울러, 이 통구멍 내에, 상기 절연애자의 둘레방향 전체에 걸쳐서 상기 절연애자의 외표면에 직접 또는 간접적으로 맞닿아서, 상기 절연애자를 상기 통구멍 내에 지지하기 위한 지지부를 가지는 금속쉘과,
    일단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 타단부측이 상기 중심전극의 선단부를 향해서 굴곡됨과 아울러, 그 타단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 불꽃 방전 간극을 형성하는 접지전극을 구비하며,
    상기 절연애자 중, 상기 축선방향의 선단측에서 보았을 때, 상기 절연애자가 최초로 상기 지지부에 직접 또는 간접적으로 접촉하는 위치(Q)보다도, 상기 축선방향의 선단측의 부위를 격절부위(隔絶部位, isolation portion)로 했을 때에,
    상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 외표면으로서, 상기 지지부를 구성하는 면 중 상기 축선방향과 직교하는 지름방향의 내측을 향하는 내향면과 마주보는 부분은, 상기 내향면에 대해, 둘레방향 전체에 걸쳐서 상기 지름방향으로 0.4㎜ 이하의 간극으로 배치되어 있고,
    상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 체적(V)에 대한, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 외표면의 표면적(S)의 비율(S/V)이, 1.26≤S/V≤1.40[㎜-1]을 만족함과 아울러,
    상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 최대 외경(外徑)이, 상기 위치(Q)에 있어서의 상기 절연애자의 외경 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 격절부위의 상기 축선방향 선단부는, 상기 금속쉘의 선단으로부터 1.0㎜ 이상 돌출하고, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 절연애자의 외표면에 있어서, 선단면과 외측면이 이루는 능각(稜角)부위에 모따기 치수 0.4㎜ 이하의 환형상 모따기 가공이 이루어져 있음과 아울러, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 절연애자의 상기 축구멍과 상기 중심전극의 상기 지름방향의 거리가 0.05㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 격절부위의 상기 선단부는, 상기 축선방향으로 연장되는 원통형상을 이루고, 상기 축선방향에 있어서, 상기 금속쉘의 선단의 위치를 넘어서 배치됨과 아울러, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 체적(V)에 대한, 상기 격절부위의 상기 선단부에 있어서의 상기 표면적(S)의 비율(S/V)이, 1.40≤S/V≤2.00[㎜-1]을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속쉘은, 자신의 외주측에, 자신을 내연기관에 부착하기 위한 나사산이 형성된 부착부를 가지고, 상기 나사산의 공칭 지름이 M8 ~ M12임과 아울러,
    상기 지름방향에 있어서, 상기 금속쉘의 선단면과 상기 통구멍의 내주면이 이루는 능각부위와, 상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 외표면 사이의 최단 거리(L)가, 상기 불꽃 방전 간극의 크기(G)보다도 큰 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격절부위에 있어서의 상기 절연애자의 상기 지름방향의 최소 두께(T)가 0.5㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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