JP6058380B2

JP6058380B2 - グロープラグ

Info

Publication number: JP6058380B2
Application number: JP2012279349A
Authority: JP
Inventors: 有美杉山; 健一熊谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014122761A

Description

本発明は、グロープラグに関する。

従来、グロープラグに関する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１に開示されたグロープラグでは、シース管の内部に発熱コイルが配置されるとともに、絶縁性の粉末が充填されている。

実開昭６３−５０６０４号公報特開２００８−２４９２５３号公報特開２００９−１６８３０４号公報特開２０１１−６９５５０号公報特公平８−１４３７３号公報特開２００７−２４００３０号公報特開平５−３３２５３９号公報特開２０１０−２４９３５４号公報特開２０００−２４０９４３号公報特開平３−９１６１４号公報

しかし、特許文献１に記載されたグロープラグでは、シース管の膨張量の方が、絶縁粉末の膨張量よりも大きいため、シース管と粉末との間において隙間が発生する場合があった。そして、この隙間が断熱層となって、発熱コイルの熱がシース管に伝達しにくくな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、ヒータ部を有す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；前記ヒータ部は；閉塞した先端を有する筒状部材と；前記筒状部材の内部に配置され、熱によって膨張する膨張部材と；前記筒状部材の内部に充填された絶縁性のＭｇＯ粉末と；を備え；前記膨張部材は、金属製の略円柱形状であり；前記膨張部材の外径は、前記筒状部材の内径の１５％以上、発熱コイルの内径の１００％未満であり；前記膨張部材の熱膨張係数は、１０．０×１０ ^-6 ［／Ｋ］以上であり；前記膨張部材は、前記発熱コイルの内側のみに存在している。

（１）本発明の一形態によれば、ヒータ部を有す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；前記ヒータ部は；閉塞した先端を有する筒状部材と；前記筒状部材の内部に配置され、熱によって膨張する膨張部材と；前記筒状部材の内部に充填された絶縁性のＭｇＯ粉末とを備え；前記膨張部材は、金属製の略円柱形状であり；前記膨張部材の外径は、前記筒状部材の内径の１５％以上、発熱コイルの内径の１００％未満であり；前記膨張部材の熱膨張係数は、１０．０×１０−６［／Ｋ］以上であることを特徴とする。この形態のグロープラグによれば、ヒータ部の発熱時における膨張部材の膨張量が、粉末の膨張量よりも大きくなるので、筒状部材と粉末との間における隙間の発生を抑制することができる。そして、断熱層となる隙間の発生が抑制されるので、発熱コイルの熱が粉末を介して筒状部材へ効率良く伝達し、ひいてはグロープラグの使用可能な温度領域を、高温側に広げることができる。

（２）上記形態のグロープラグにおいて；前記膨張部材の表面には、絶縁層が形成されていてもよい。この形態のグロープラグによれば、膨張部材の表面の絶縁層が発熱コイルに接触しても、膨張部材へ電流が流れるのを防ぐことができる。

（３）上記形態のグロープラグは、さらに；前記発熱コイルよりも後端側に配置され、前記発熱コイルよりも電気抵抗率の温度係数が大きい材料によって形成されている制御コイルを備えてもよく；前記膨張部材は、前記制御コイルの内側には存在せず、前記発熱コイルの内側にのみに存在していてもよい。この理由は、制御コイルの温度は発熱コイルの温度よりも低いため、制御コイルの周囲におけるシース管と粉末との間の隙間の発生が少なく、この配置が許容されるからである。したがって、この形態のグロープラグによれば、発熱コイルの周囲における隙間の発生を抑制し、発熱コイルの熱を効率よくシース管に伝えることができる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、グロープラグの製造方法や設計方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのグロープラグの構成を示す説明図である。芯材の周囲を拡大して示す断面図である。ヒータ部を軸線に垂直な平面によって切断した断面を示す説明図である。実験例の結果を表形式で示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施形態に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ｂ．実験例：
Ｃ．変形例：

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としてのグロープラグ１００の構成を示す説明図である。この図１には、グロープラグ１００の軸線Ｏの左側に外観が示され、軸線Ｏの右側に断面が示されている。以下では、図１における下方をグロープラグ１００の先端側と定義し、上方をグロープラグ１００の後端側と定義して説明する。また、図１には、グロープラグ１００の先端側近傍を拡大した断面図も示されている。

グロープラグ１００は、自動車用のディーゼルエンジン等の内燃機関において、燃焼の補助を行なう発熱体として機能する。グロープラグ１００は、主な構成要素として、ハウジング１１０と、ヒータ部１５０と、中軸１７０と、端子金具１８０とを備えている。

ハウジング１１０は、軸線Ｏ方向に延びる軸孔１１１を有する略円筒状の部材である。ハウジング１１０の外周には、取付ねじ部１１２と、工具係合部１１４とが形成されている。取付ねじ部１１２は、グロープラグ１００が内燃機関のエンジンヘッドに取り付けられる際に、エンジンヘッドの取付孔に螺合する。工具係合部１１４は、トルクレンチ等の工具を係合させるための部位であり、本実施形態の工具係合部１１４の断面は、六角形となっている。

ヒータ部１５０は、シース管１５１と、発熱コイル１５２と、制御コイル１５３と、絶縁粉末１５４とを備えている。シース管１５１は、先端側が半球状に閉塞した筒状部材であり、本実施形態では、ＦｅやＮｉ等を主成分とする金属によって形成されている。

発熱コイル１５２は、シース管１５１の内部に配置された螺旋状の電熱線であり、電力が供給されると、電気抵抗によって発熱する。本実施形態では、発熱コイル１５２は、Ｆｅを主成分とし、ＡｌやＣｒ等を含む合金によって形成されている。発熱コイル１５２の先端部は、シース管１５１の先端（底）に接合している。本実施形態では、発熱コイル１５２の内側に、略円柱形状の芯材１５８が配置されている。芯材１５８の詳細については後述する。

制御コイル１５３は、発熱コイル１５２と中軸１７０との間に設けられた螺旋状の電熱線である。この制御コイル１５３は、発熱コイル１５２よりも電気抵抗率（比抵抗）の温度係数が大きい材料によって形成されている。本実施形態では、制御コイル１５３は、ＣｏやＮｉを主成分とする金属によって形成されている。

制御コイル１５３が設けられているため、発熱コイル１５２に投入される電力は、制御コイル１５３によって減少し、発熱コイル１５２の過昇温を抑制することができる。ただし、制御コイル１５３が省略され、発熱コイル１５２と中軸１７０とが直接接続されてもよい。

絶縁粉末１５４は、シース管１５１の内部に充填された絶縁性の粉末である。この絶縁粉末１５４によって、発熱コイル１５２及び制御コイル１５３の外周と、シース管１５１の内周とが絶縁されている。本実施形態では、絶縁粉末１５４として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする粉末が充填されている。

中軸１７０は、ハウジング１１０の軸孔１１１内に配置された棒状の導電性の金属部材である。中軸１７０の先端は、シース管１５１の後端に挿入されており、制御コイル１５３の後端に接続されている。中軸１７０の後端は、ハウジング１１０の後端から突出している。なお、シース管１５１の後端と中軸１７０との間は、環状ゴム１６２によって封止されている。

端子金具１８０は、グロープラグ１００にケーブル（図示せず）を接続するための端子であり、中軸１７０の後端に加締めによって固定されている。端子金具１８０とハウジング１１０との間には、これらの間における短絡を抑制するために、絶縁性の材料によって形成された絶縁ブッシュ１８２が設けられている。また、絶縁ブッシュ１８２の先端部とハウジング１１０との間には、軸孔１１１内の気密性を向上させるために、絶縁性の材料によって形成された環状のシール部材１８４が設けられている。

ケーブルを介して端子金具１８０に電力が供給されると、中軸１７０、制御コイル１５３を通じて発熱コイル１５２に電力が供給され、ヒータ部１５０が発熱する。

図２は、芯材１５８の周囲を拡大して示す断面図である。ただし、発熱コイル１５２は、断面ではなく、外観が示されている。上述したように、本実施形態では、発熱コイル１５２の内側に、略円柱状の芯材１５８が配置されている。本実施形態では、芯材１５８は、ニッケルを主成分とし、鉄、クロム等を含む合金であるＮＣＦ６０１によって形成されている。

ここで、芯材１５８の材料であるＮＣＦ６０１の熱膨張係数は、約１７．７×１０^-6［／Ｋ］であり、絶縁粉末１５４の材料であるマグネシア（ＭｇＯ）の熱膨張係数は、約１３．７×１０^-6［／Ｋ］である。すなわち、芯材１５８の熱膨張係数は、１０．０×１０−６［／Ｋ］以上である。このため、ヒータ部１５０の発熱時における芯材１５８の膨張量は、絶縁粉末１５４の膨張量よりも大きくなる。したがって、シース管１５１と絶縁粉末１５４との間における隙間の発生を抑制することができる。そして、断熱層となる隙間の発生が抑制されるので、発熱コイル１５２の熱が絶縁粉末１５４を介してシース管１５１へ効率良く伝達し、ひいてはグロープラグ１００の使用可能な温度領域を、高温側に広げることができる。

また、本実施形態では、芯材１５８の表面には、絶縁層１５９が形成されている。本実施形態では、絶縁層１５９は、マグネシア（ＭｇＯ）によって形成されている。このため、芯材１５８の表面の絶縁層１５９が発熱コイル１５２に接触した場合であっても、膨張部材へ電流が流れるのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、芯材１５８は、制御コイル１５３の内側には存在せず、発熱コイル１５２の内側のみに存在している（図１参照）。この理由は、制御コイルの温度は発熱コイルの温度よりも低いため、制御コイルの周囲におけるシース管と粉末との間の隙間の発生が少なく、この配置が許容されるからである。したがって、芯材１５８が発熱コイル１５２の内側のみに存在していても、発熱コイルの周囲における隙間の発生を抑制し、発熱コイルの熱を効率よくシース管に伝えることができる。

図３は、ヒータ部１５０を軸線Ｏに垂直な平面によって切断した断面を示す説明図である。この図３に示す芯材１５８の表面には、絶縁層１５９は形成されていない。また、芯材１５８の表面に絶縁層１５９が形成されている場合であっても、以下で説明する芯材１５８の外径Ｒ１には、絶縁層１５９の厚さは含まれない。

本実施形態では、芯材１５８の外径Ｒ１は、発熱コイル１５２の内径Ｒ２の１００％未満である。すなわち、芯材１５８の外径Ｒ１は、自身が発熱することで最も膨張する発熱コイルの内径Ｒ２未満であり、芯材１５８の外周と発熱コイル１５２の内周との間の距離が充分に確保され、芯材１５８と発熱コイル１５２との接触を抑制することができ、膨張部材へ電流が流れるのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、芯材１５８の外径Ｒ１は、シース管１５１の内径Ｒ３の１５％以上である。したがって、芯材１５８の膨張量が充分に確保され、シース管１５１と絶縁粉末１５４との間における隙間の発生を適切に抑制することができる。

このように、本実施形態では、絶縁粉末１５４よりも膨張量の大きい芯材１５８が、発熱コイル１５２の内側に配置されているので、シース管１５１と絶縁粉末１５４との間における隙間の発生を抑制することができる。なお、シース管１５１は、本発明の「筒状部材」に相当し、芯材１５８は、本発明の「膨張部材」に相当する。

Ｂ．実験例：
本実験例では、芯材１５８の材質（熱膨張係数）及び芯材１５８の外径Ｒ１と、隙間の発生との関係を調べた。まず、芯材１５８の材質（熱膨張係数）及び芯材１５８の外径Ｒ１の異なるグロープラグのサンプルを複数用意した。そして、グロープラグ１００のサンプルに対して、ＯＮとＯＦＦの繰り返し通電を行った。その後、グロープラグ１００のサンプルを解体して、シース管１５１と絶縁粉末１５４の間における隙間の発生の有無を確認した。なお、本実験例で用いられた絶縁粉末１５４は、マグネシア（ＭｇＯ、熱膨張係数：約１３．７×１０^-6［／Ｋ］）である。

図４は、実験例の結果を表形式で示す説明図である。シース管１５１と絶縁粉末１５４の間に隙間が発生しなかった場合には、「隙間評価」の項目に、「○」を示し、隙間が発生した場合には、「×」を示した。

図４の結果をみると、芯材１５８の外径Ｒ１が、シース管１５１の内径Ｒ３の１５％以上であり、かつ、芯材１５８の熱膨張係数が１０．０×１０^-6［／Ｋ］以上であれば、隙間が発生しなかったことが理解できる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施形態では、芯材１５８の材料として、ＮＣＦ６０１が用いられている。しかし、芯材１５８の材料として、絶縁粉末１５４の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する他の材料が用いられてもよい。例えば、芯材１５８の材料として、ＳＵＳ４３０や、純Ｆｅ、純Ｎｉ、ＮＣＦ６２５ＴＢ、ＤＩＮ２.４６３３（ドイツ工業規格ＤＩＮ）等が用いられてもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記実施形態では、芯材１５８の材料として、絶縁粉末１５４の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材料が用いられている。しかし、ヒータ部１５０の発熱時における芯材１５８の膨張量が、絶縁粉末１５４の膨張量よりも大きくなれば、芯材１５８の材料として、絶縁粉末１５４の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料が用いられてもよい。例えば、芯材１５８の材料として、ＳＵＳ４３０（熱膨張係数：約１２．４×１０^-6［／Ｋ］）が用いられてもよい。

ただし、芯材１５８の熱膨張係数が、絶縁粉末１５４の熱膨張係数より小さ過ぎると、芯材１５８の膨張量は、絶縁粉末１５４の膨張量よりも大きくなりにくい。したがって、芯材１５８の熱膨張係数は、１０．０×１０^-6［／Ｋ］以上であることが好ましい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施形態では、芯材１５８は、略円柱状である。この略円柱には、長径に対する短径の比が９５％以上である楕円柱や、円周部が完全な円形にはなっていないが、実質的に円形になっている円柱も含まれる。

Ｃ４．変形例４：
上記実施形態では、芯材１５８は、制御コイル１５３の内側には存在せず、発熱コイル１５２の内側のみに存在している芯材１５８は、略円柱状である。しかし、芯材１５８は、発熱コイル１５２の内側と制御コイル１５３の内側との両方に存在していてもよい。

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。

１００…グロープラグ
１１０…ハウジング
１１１…軸孔
１１２…取付ねじ部
１１４…工具係合部
１５０…ヒータ部
１５１…シース管
１５２…発熱コイル
１５３…制御コイル
１５４…絶縁粉末
１５８…芯材
１５９…絶縁層
１６２…環状ゴム
１７０…中軸
１８０…端子金具
１８２…絶縁ブッシュ
１８４…シール部材

Claims

ヒータ部を有するグロープラグであって、
前記ヒータ部は、
閉塞した先端を有する筒状部材と、
前記筒状部材の内部に配置され、熱によって膨張する膨張部材と、
前記筒状部材の内部に充填された絶縁性のＭｇＯ粉末と、
を備え、
前記膨張部材は、金属製の略円柱形状であり、
前記膨張部材の外径は、前記筒状部材の内径の１５％以上、発熱コイルの内径の１００％未満であり、
前記膨張部材の熱膨張係数は、１０．０×１０^-6［／Ｋ］以上であり、
前記膨張部材は、前記発熱コイルの内側のみに存在していることを特徴とする、
グロープラグ。
請求項１に記載のグロープラグであって、
前記膨張部材の表面には、絶縁層が形成されていることを特徴とする、
グロープラグ。
請求項１または請求項２に記載のグロープラグであって、さらに、
前記発熱コイルよりも後端側に配置され、前記発熱コイルよりも電気抵抗率の温度係数が大きい材料によって形成されている制御コイルを備え、
前記膨張部材は、前記制御コイルの内側には存在しないことを特徴とする、
グロープラグ。