JP3754529B2 - 自己制御型セラミックヒータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を着火するための自己制御型セラミックヒータに関するもので、特にディーゼルエンジンの始動を補助するための自己制御型セラミックヒータに係わる。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車に搭載されるディーゼルエンジンでは、空気を圧縮したときに発生する熱で燃料を着火させるため、特に寒冷時には着火困難(始動困難)になり易い。このため、これを補う目的で予熱装置を設けている。そして、予熱装置は、一般にグロープラグ、グロープラグコントローラおよびグロープラグリレーなどで構成されている。
【0003】
そして、グロープラグとしては、図5に示したように、筒状の取付金具(図示せず)と、この取付金具の内周に金属外筒111を介して嵌め合わされ、先端側に発熱体を埋め込んだセラミック焼結体112と、このセラミック焼結体112の正極側電極部と中軸113とを電気的に接続する正極側リードコイル114と、中軸113と外部接続端子115との間に介在する抵抗体用コイル116と、この抵抗体用コイル116を保護する保護カバー117とを備えた自己制御型セラミックグロープラグ(第1従来例)110が知られている。
【0004】
また、特公平3−13486号公報においては、図6に示したように、筒状の取付金具121と、この取付金具121の内周に金属外筒122を介して嵌め合わされ、先端側に発熱体123を埋め込んだセラミック焼結体124と、このセラミック焼結体124の後端部の外周に露出した正極側電極部125に電気的に接続する正極側リードコイル126と、この正極側リードコイル126と外部接続端子127との間に介在した抵抗体用コイル128とを備えた自己制御型セラミックグロープラグ(第2従来例)120が記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第1、第2従来例の自己制御型セラミックグロープラグ110、120においては、抵抗体用コイル116、128と正極側リードコイル114、126と外部接続端子115、127とを直列に接続しているので、軸方向の全長が長くなることにより、大型化するという問題が生じている。また、正極側リードコイル114、126とは別体にて製作された両抵抗体用コイル116、128の中心軸を一致させて接続することが困難であり、中心軸の不一致は曲がりを生ずることになる。このような状態で取付金具121内に組み付けることによりショートを生じやすい。また、部品点数の増加や組付工数の増加を招き製造価格を上昇させることにもなる。
【0006】
【発明の目的】
本発明の目的は、軸方向寸法を短縮することにより小型化することができ、且つショートの危険性を回避でき、部品点数および組付工数が減少することにより製造価格を抑えることのできる自己制御型セラミックヒータを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、外部接続端子を形成する筒状の主体金具と、この主体金具の先端側に嵌め込まれた導電性の外筒と、前記主体金具の先端より突出した状態で、前記主体金具の先端側に前記外筒を介して嵌め込まれたセラミック焼結体と、このセラミック焼結体の先端側に埋め込まれた発熱体と、前記セラミック焼結体の後端側の外周に露出され、前記発熱体と電気的に接続する電極部と、前記主体金具内において前記セラミック焼結体の後端側の外周に嵌め合わされ、前記電極部と前記外筒とを直接接続する抵抗体とを備えた技術手段を採用している。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の自己制御型セラミックヒータに加えて、前記主体金具の後端より突出した状態で、前記主体金具の後端側に嵌め込まれた正極側ターミナルと、前記セラミック焼結体の後端側の外周に露出され、前記発熱体と電気的に接続する正極側電極部と、前記主体金具内において前記セラミック焼結体の後端側の外周に嵌め合わされ、前記正極側電極部と前記正極側ターミナルとを直接接続する正極側抵抗体とを備えたことを特徴とする。
【0009】
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の自己制御型セラミックヒータに加えて、常温の時の抵抗温度係数に対して1000℃の時の抵抗温度係数が6.0倍以上の正特性抵抗材料により、前記抵抗体を製作したことを特徴とする。
【0010】
【作用および発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、主体金具の先端より突出するセラミック焼結体の後端側の外周で露出した電極部と主体金具の先端側に嵌め込まれた外筒とを抵抗体のみを介して直列に、且つ直接電気的に接続することにより、主体金具の軸方向寸法を短縮することができるので、自己制御型セラミックヒータの軸方向寸法が短くなり、自己制御型セラミックヒータの小型化を図ることができる。また、主体金具内の構成部品の部品点数および組付工数を減少することができるので、自己制御型セラミックヒータの組付作業を非常に簡単に行うことができ、自己制御型セラミックヒータの製造価格を抑えることができる。
【0011】
請求項2に記載の発明によれば、主体金具の先端より突出するセラミック焼結体の後端側の外周で露出した正極側電極部と主体金具の後端より突出する正極側ターミナルとを正極側抵抗体のみを介して直列に、且つ直接電気的に接続することにより、主体金具の軸方向寸法を短縮することができるので、自己制御型セラミックヒータの軸方向寸法が短くなり、自己制御型セラミックヒータの小型化を図ることができる。また、主体金具内の構成部品の部品点数および組付工数を減少することができるので、自己制御型セラミックヒータの組付作業を非常に簡単に行うことができ、自己制御型セラミックヒータの製造価格を抑えることができる。
【0012】
請求項3に記載の発明によれば、常温の時の抵抗温度係数に対して1000℃の時の抵抗温度係数が6.0倍以上の正特性抵抗材料により抵抗体を製作することにより、使用中に、抵抗体の温度が上昇し過ぎて抵抗体と電極部との接続箇所、抵抗体と外部接続端子との接続箇所、あるいは抵抗体と外筒との接続箇所が溶断する不具合を回避することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態の構成〕
図1および図2は本発明の第1実施形態を示したもので、図1は自己制御型セラミックグロープラグの全体構造を示した図で、図2は自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した図である。
【0014】
自己制御型セラミックグロープラグ1は、本発明の自己制御型セラミックヒータに相当するもので、筒状の取付金具2と、この取付金具2の後端より突出するように組み付けられた外部接続端子3と、取付金具2の先端側に円筒形状の金属外筒4を介して保持固定されたセラミック焼結体5と、このセラミック焼結体5の後端側の外周で露出した正極側、負極側電極部6、7と、正極側電極部6と外部接続端子3とを電気的に接続する正極側リードコイル8と、負極側電極部7と金属外筒4とを電気的に接続する負極側リードコイル9とを備えている。
【0015】
取付金具2は、本発明の主体金具に相当するもので、例えば炭素鋼等の導電性金属により略円筒形状となるように製作されている。この取付金具2は、各構成部品を収容するヒータケースであり、予燃焼室や渦流室などの副燃焼室付ディーゼルエンジンのシリンダヘッド(図示せず)に自己制御型セラミックグロープラグ1を取り付けるための部品である。そして、取付金具2は、自己制御型セラミックグロープラグ1の負極側ターミナル(第2外部接続端子)を構成する部品でもある。
【0016】
そして、取付金具2の略中央部分の外周には、自己制御型セラミックグロープラグ1をシリンダヘッドに締付け固定するための取付用雄ねじ部11が形成されている。そして、取付金具2の後端側の外周には、取付用工具(図示せず)が係合する六角ボルト部12が形成されている。
【0017】
そして、取付金具2の軸心部分には、軸方向に貫通するように段付き形状の内孔13が形成されている。この内孔13は、先端側が最も細く、また後端側が最も太く、さらに中間部が先端側よりも太く、後端側よりも細くなるように略丸孔形状に形成されている。また、内孔13の後端に形成される開口部は、ガラスシール材14で封着されている。さらに、内孔13内には、溶融ガラス等よりなる充填粉末15が充填されている。なお、その充填粉末15はなくても良い。
【0018】
外部接続端子3は、例えばステンレス鋼等の導電性金属により略丸棒形状となるように製作されている。この外部接続端子3は、自己制御型セラミックグロープラグ1の正極側ターミナル(第1外部接続端子)を構成する部品である。そして、外部接続端子3の先端側は、内孔13内において取付金具2の内周面よりも離れた状態で取付金具2の後端側に差し込まれている。さらに、外部接続端子3の先端部分は、他の箇所の外径よりも細い外径を持つ円柱形状の電極接続部16とされている。
【0019】
また、外部接続端子3の後端側は、内孔13の後端に形成される開口部よりも後方に突出しており、雄ねじ部17に螺合する端子ナット18を用いて取付金具2の後端側に嵌め込まれている。なお、端子ナット18と取付金具2の後端との間には、両者を電気的に絶縁するための円環板形状の絶縁体19が装着されている。
【0020】
金属外筒4は、耐熱性の優れた金属材料(例えばインコネル601やSUS430等)により円筒形状となるように製作されている。この金属外筒4は、取付金具2の先端側でセラミック焼結体5を保持する際にセラミック焼結体5に大きな応力が作用しないように働くと共に、セラミック焼結体5に埋め込まれた発熱体10と取付金具2とを電気的に接続する導電部材として働く。
【0021】
セラミック焼結体5は、耐熱性の優れた絶縁材料(例えば窒化珪素)により略丸棒形状となるように製作されたヒータ本体である。このセラミック焼結体5は、先端部(発熱部)が金属外筒4の先端より突出し、且つ後端部(電極取出部)が金属外筒4の後端より突出した状態で、金属外筒4を介して内孔13内に緊密的に嵌め込まれて取付金具2の先端側に保持されている。そして、セラミック焼結体5の先端部には、U字形状の発熱部10が埋め込まれている。その発熱体10は、U字形状に形成され、両端面から正極側、負極側リード21、22が取り出されている。そして、発熱体10は通電されることにより、セラミック焼結体5の表面温度が高くなり、霧化燃料を暖める。
【0022】
正極側電極部6は、セラミック焼結体5の後端部(の後端側)の外周の所定の位置で露出するようにセラミック焼結体5の表面に形成されている。そして、正極側電極部6は、正極側リード21を介して発熱体10の一端と電気的に接続している。また、負極側電極部7は、正極側電極部6と所定の絶縁距離を隔てた位置、セラミック焼結体5の後端部(の先端側)の外周の正極側電極部6とは反対側の位置で露出するようにセラミック焼結体5の表面に形成されている。そして、負極側電極部7は、負極側リード22を介して発熱体10の他端と電気的に接続している。
【0023】
正極側リードコイル8は、本発明の抵抗体に相当する部品で、抵抗材料(例えば純鉄、コバルト鉄合金)により製作された第1抵抗体である。この正極側リードコイル8の一端側は、セラミック焼結体5の後端部の外周に巻装されてろう付け等の接合手段を用いて正極側電極部6と直接接続されている。また、正極側リードコイル8の他端側は、外部接続端子3の電極接続部16の外周に巻装されてろう付け等の接合手段を用いて外部接続端子3と直接接続されている。
【0024】
負極側リードコイル9は、本発明の抵抗体に相当する部品で、抵抗材料(例えば純鉄、コバルト鉄合金)により製作された第2抵抗体である。この負極側リードコイル9の一端側は、セラミック焼結体5の後端部の外周に巻装されてろう付け等の接合手段を用いて負極側電極部7と直接接続されている。また、負極側リードコイル9の他端は、金属外筒4の後端面にろう付け等の接合手段を用いて直接接続されている。このため、負極側リードコイル9の他端は、金属外筒4を介して取付金具2に電気的に接続される。
【0025】
次に、本実施形態では、通電耐久性および実機耐久性を確保し、且つ自己制御型セラミックグロープラグ1の軸長を短縮するために、正極側、負極側リードコイル8、9の線径Xを下記の数1の式の範囲内に設定している。望ましくは、正極側、負極側リードコイル8、9の線径をφ0.3mm〜φ0.5に設定する。
【数1】
φ0.3mm≦X≦φ1.0mm
【0026】
また、正極側リードコイル8の巻回数Yを下記の数2の式の範囲内に設定している。望ましくは、正極側リードコイル8の巻回数を5.0回〜10.0回に設定する。
【数2】
4.0回≦Y≦20.0回
【0027】
さらに、負極側リードコイル9の巻回数Zを下記の数3の式の範囲内に設定している。望ましくは、負極側リードコイル9の巻回数を2.0回〜20.0回に設定する。
【数3】
2.0回≦Z≦30.0回
【0028】
そして、正極側、負極側リードコイル8、9の材質として、常温の時の抵抗温度係数に対して1000℃の時の抵抗温度係数が6.0倍以上の正特性抵抗材料を使用している。具体的には、常温(例えば25℃)の時の電気抵抗値が40mΩ、1000℃の時の電気抵抗値が280mΩの純鉄を使用している。あるいは、常温(例えば25℃)の時の電気抵抗値が30mΩ、1000℃の時の電気抵抗値が300mΩのコバルト鉄合金を使用する。
【0029】
〔第1実施形態の作用〕
次に、本実施形態の自己制御型セラミックグロープラグ1の作用を図1および図2に基づいて簡単に説明する。
【0030】
ディーゼルエンジン車の乗員がイグニッションスイッチをキーシリンダ内に差し込むと、グロープラグリレーが作動して自己制御型セラミックグロープラグ1への通電が開始される。このとき、外部接続端子3→正極側リードコイル8→正極側電極部6→正極側リード21→発熱体10→負極側リード22→負極側電極部7→負極側リードコイル9→金属外筒4→取付金具2のように自己制御型セラミックグロープラグ1内を電流が流れる。
【0031】
上記のように発熱体10に通電がなされることで発熱体10が急速に昇温するが、正極側、負極側リードコイル8、9の材質として常温の時の抵抗温度係数に対して1000℃の時の抵抗温度係数が6.0倍以上の正特性抵抗材料を使用しているので、発熱体10の電気抵抗値に対して正極側、負極側リードコイル8、9の電気抵抗値が速やかに増大することにより、発熱体10に流れる電流値が抑えられて発熱体10の過熱による溶断が阻止される。
【0032】
〔第1実施形態の効果〕
以上のように、本実施形態の自己制御型セラミックグロープラグ1は、抵抗体用コイル116、128を正極側リードコイル8と外部接続端子3との間に直列に接続するのではなく、発熱体10への通電部品である正極側、負極側リードコイル8、9自身を自己制御用抵抗体として使用することにより、抵抗体用コイル116、128の軸方向寸法の分だけ自己制御型セラミックグロープラグ1の軸長を短縮でき、小型化を図ることができる。また、抵抗体用コイル116、128を取付金具2に収容する必要がないので、導電部品同士の組付作業を非常に簡単に行うことができ、自己制御型セラミックグロープラグ1の製造価格を低減できる。
【0033】
ここで、本実施形態では、正極側、負極側リードコイル8、9の線径をφ0.3mm以上で、且つφ1.0mm以下に設定している。これは、正極側、負極側リードコイル8、9の線径をφ0.3mmよりも小さくすると、通電耐久性が低下する可能性があるからである。また、正極側、負極側リードコイル8、9の線径をφ1.0mmよりも大きくすると、取付金具2との隙間が少なくなり、ショート(短絡)を生じる可能性が高くなる。
【0034】
また、本実施形態では、正極側リードコイル8の巻回数を4.0回以上で、且つ20.0回以下に設定している。これは、正極側リードコイル8の巻回数を4.0回よりも少なくすると、正極側リードコイル8と正極側電極部6との接続箇所および正極側リードコイル8と外部接続端子3の電極接続部16との接続箇所に必要な接合強度が得られない可能性があるからである。また、正極側リードコイル8の巻回数を20.0回よりも多くすると、正極側リードコイル8と外部接続端子3との距離を大きくする必要があり、自己制御型セラミックグロープラグ1の軸長短縮の効果が低下するからである。
【0035】
さらに、本実施形態では、負極側リードコイル9の巻回数を2.0回以上で、且つ30.0回以下に設定している。これは、負極側リードコイル9の巻回数を2.0回よりも少なくすると、制御に必要な電気抵抗値が得られない可能性があるからである。また、負極側リードコイル9の巻回数を30.0回よりも多くすると、セラミック焼結体5の後端部、特に負極側リードコイル9を巻装する負極側巻装部の軸方向の寸法が長くなってしまい、自己制御型セラミックグロープラグ1の軸長短縮の効果が低下するからである。
【0036】
〔第2実施形態〕
図3は本発明の第2実施形態を示したもので、自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した図である。本実施形態では、正極側リードコイル23の材質として例えばニッケル等の導電材料を使用することにより、負極側リードコイル9のみを自己制御用抵抗体として利用している。
【0037】
〔第3実施形態〕
図4は本発明の第3実施形態を示したもので、自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した図である。本実施形態では、負極側リードコイル9を廃止して、負極側電極部7を金属外筒4に直接接続すると共に、正極側リードコイル8の代わりに使用したキャップ部材24のみを自己制御用抵抗体として使用することにより、自己制御型セラミックグロープラグ1の軸長をさらに短縮している。
【0038】
〔他の実施形態〕
本実施形態では、本発明を自己制御型セラミックグロープラグ1に適用したが、本発明を自己制御型ヒートフランジ、自己制御型バーナヒータや自己制御型エアヒータ等の自己制御型セラミックヒータに適用しても良い。
【0039】
本実施形態では、自己制御用抵抗体として正極側、負極側リードコイル8、9、キャップ部材24を使用したが、自己制御用抵抗体としてその他の形状の接続部材を使用しても良い。例えば負極側電極部7と金属外筒4との間に円筒形状の抵抗体を挟み込むようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】自己制御型セラミックグロープラグの全体構造を示した断面図である(第1実施形態)。
【図2】自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した断面図である(第1実施形態)。
【図3】自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した断面図である(第2実施形態)。
【図4】自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した断面図である(第3実施形態)。
【図5】自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した側面図である(第1従来例)。
【図6】自己制御型セラミックグロープラグの主要構造を示した側面図である(第2従来例)。
【符号の説明】
1 自己制御型セラミックグロープラグ(自己制御型セラミックヒータ)
2 取付金具(主体金具)
3 外部接続端子
4 金属外筒
5 セラミック焼結体
6 正極側電極部
7 負極側電極部
8 正極側リードコイル(抵抗体)
9 負極側リードコイル(抵抗体)
10 発熱体
Claims (3)
- (a)外部接続端子を形成する筒状の主体金具と、
(b)この主体金具の先端側に嵌め込まれた導電性の外筒と、
(c)前記主体金具の先端より突出した状態で、前記主体金具の先端側に前記外筒を介して嵌め込まれたセラミック焼結体と、
(d)このセラミック焼結体の先端側に埋め込まれた発熱体と、
(e)前記セラミック焼結体の後端側の外周に露出され、前記発熱体と電気的に接続する電極部と、
(f)前記主体金具内において前記セラミック焼結体の後端側の外周に嵌め合わされ、前記電極部と前記外筒とを直接接続する抵抗体と
を備えた自己制御型セラミックヒータ。 - 請求項1に記載の自己制御型セラミックヒータにおいて、
前記主体金具の後端より突出した状態で、前記主体金具の後端側に嵌め込まれた正極側ターミナルと、
前記セラミック焼結体の後端側の外周に露出され、前記発熱体と電気的に接続する正極側電極部と、
前記主体金具内において前記セラミック焼結体の後端側の外周に嵌め合わされ、前記正極側電極部と前記正極側ターミナルとを直接接続する正極側抵抗体と
を備えたことを特徴とする自己制御型セラミックヒータ。 - 請求項1または請求項2に記載の自己制御型セラミックヒータにおいて、
前記抵抗体は、常温の時の抵抗温度係数に対して1000℃の時の抵抗温度係数が6.0倍以上の正特性抵抗材料により製作されたことを特徴とする自己制御型セラミックヒータ。
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