JP6931566B2

JP6931566B2 - グロープラグ

Info

Publication number: JP6931566B2
Application number: JP2017145147A
Authority: JP
Inventors: 紘文岡田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: JP2018096670A

Description

本発明はグロープラグに関し、特に発熱温度を高温化できるグロープラグに関するものである。

グロープラグは、圧縮着火方式によるディーゼルエンジン等の内燃機関の補助熱源として用いられる。グロープラグは、内燃機関の始動性を向上させるため、短時間で所定温度まで昇温させる性能（以下「急速昇温性」と称す）が要求される。また、グロープラグは、内燃機関の規制が厳格化される中、発熱温度の高温化も求められている。特許文献１には、中軸の先端にコイルが接合されたグロープラグにおいて、発熱温度の高温化の要求に応えるため、ＦｅＣｒＡｌ合金やＮｉＣｒ合金よりも高融点のＷやＭｏを主成分とする耐熱金属をコイルに用いる技術が開示されている。

国際公開第２０１４／２０６８４７号

しかしながら、ＷやＭｏ等の耐熱金属の抵抗比はＮｉＣｒ合金の抵抗比に比べて大きいので、上記従来の技術では、所定温度まで上昇させるためにコイルに一定電圧を印加すると、コイルの抵抗が急激に増加して電流値が急激に低下する。ここで、抵抗比とは、「コイルの２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比」であり、抵抗比の値が大きくなるほど高温での抵抗値が大きくなる。そして、発熱量は電流値の２乗に比例するので、短時間で所定温度まで昇温させ難く、急速昇温性に欠けるという問題点がある。

これに対し、耐熱金属からなるコイル（先端コイル）の後端側に、耐熱金属の抵抗比よりも小さい抵抗比のＦｅＣｒＡｌ合金やＮｉＣｒ合金からなる後端コイルを接合することが考えられる。これにより、コイル全体の抵抗値を過度に増加させることなく先端コイルを所定温度まで上昇させることができ、急速昇温性を確保できる。

しかしながら、所定温度に昇温したコイルの温度を飽和させるために印加電圧を下げると、コイルの熱が後端コイルに移動し、先端コイルの温度が一時的に大きく低下し易くなる。その結果、エンジンの燃焼が不安定になったり排気ガスのエミッションが増加したりする問題点がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、発熱温度の高温化および急速昇温性を確保しつつ、温度を飽和させるために印加電圧を下げたときの温度低下を抑制できるグロープラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のグロープラグは、軸線方向に延びる金属製の中軸と、中軸の先端に電気的に接続するコイルと、コイル及び中軸の先端側を収容してコイルが電気的に接続されると共に先端が閉じた金属製のチューブと、を備える。コイルは、チューブの先端に電気的に接続されると共にＷやＭｏを主成分とする先端コイルと、先端コイルの後端に電気的に接続される後端コイルと、を備える。先端コイルの２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比である抵抗比Ｒ１と、後端コイルの２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比である抵抗比Ｒ２とは、Ｒ１＞Ｒ２の関係を満たす。そして、チューブの先端と先端コイルの後端との間の２０℃における抵抗値に対する、チューブの先端から軸線方向の後端側に向かって４ｍｍの位置における先端コイルとチューブの先端との間の２０℃における抵抗値の割合が５５〜８０％である。

請求項１記載のグロープラグによれば、チューブの先端と先端コイルの後端との間の２０℃における抵抗値に対する、チューブの先端から軸線方向の後端側に向かって４ｍｍの位置における先端コイルとチューブの先端との間の２０℃における抵抗値の割合が５５〜８０％なので、先端コイルの４ｍｍまでの部分の発熱量を、先端コイルの残りの部分の発熱量よりも大きくできる。従って、先端コイルの４ｍｍまでの部分を急速に昇温させることができ、急速昇温性を確保できる。

先端コイルの残りの部分は抵抗値の割合（２０〜４５％）に応じて発熱するので、印加電圧を下げたときに、先端コイルの４ｍｍまでの部分から後端側へ移動する熱量を抑制できる。よって、温度を飽和させるために印加電圧を下げたときの温度低下を抑制できる。

なお、「ＷやＭｏを主成分」とは、コイル材料の全体含有量に対するＷ又はＭｏの合計含有量が５０ｗｔ％以上であることをいう。

請求項２記載のグロープラグによれば、チューブの先端と先端コイルの後端との間の抵抗値が０．１３Ω以下なので、請求項１の効果に加え、コイルに過大な電圧を印加しなくても先端コイルに流れる電流値を確保し、先端コイルを発熱させることができる。

請求項３記載のグロープラグによれば、先端コイルは、自身の先端から後端まで組成が同一であり、先端側のピッチが後端側のピッチよりも小さい。よって、請求項１又は２の効果に加え、先端コイルの構造を簡素化できる。

請求項４記載のグロープラグによれば、チューブの先端と後端コイルの後端との間の２０℃における抵抗値が０．３６Ω以下なので、先端コイルを流れる突入時の電流値を十分に確保できる。先端コイルの発熱量を確保できるので、請求項１から３のいずれかの効果に加え、急速昇温性を確保できる。

請求項５記載のグロープラグによれば、チューブの先端から先端コイルの後端までの軸線方向の長さは、６ｍｍ以上１１ｍｍ以下である。従って、請求項１から４のいずれかの効果に加え、先端コイルの４ｍｍまでの部分の抵抗値の割合を設定し易くできる。

請求項６記載のグロープラグによれば、チューブの先端から軸線方向の後端側に向かって４ｍｍの位置までのチューブの外径は３．５ｍｍ以下なので、先端コイルが配置されたチューブの先端近傍の熱容量が過大にならないようにできる。その結果、請求項１から５のいずれかの効果に加え、急速昇温性を確保し易くできる。

グロープラグの片側断面図である。一部を拡大したグロープラグの断面図である。グロープラグに印加した電圧と発熱温度との関係を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１及び図２を参照して本発明の一実施の形態におけるグロープラグ１０について説明する。図１はグロープラグ１０の片側断面図であり、図２は一部を拡大したグロープラグ１０の断面図である。図１及び図２では、紙面下側をグロープラグ１０の先端側、紙面上側をグロープラグ１０の後端側という。

図１に示すようにグロープラグ１０は中軸２０、主体金具３０、チューブ４０及びコイル５０を備えている。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。グロープラグ１０は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関（図示せず）の始動時などに用いられる補助熱源である。

中軸２０は円柱形状の金属製の導体であり、コイル５０に電力を供給するための部材である。中軸２０は先端にコイル５０が電気的に接続されている。中軸２０は、後端が主体金具３０から突出した状態で主体金具３０に挿入されている。

中軸２０は、本実施の形態では、後端に雄ねじからなる接続部２１が形成されている。中軸２０は、後端に、先端側から順に絶縁ゴム製のＯリング２２、合成樹脂製の筒状部材である絶縁体２３、金属製の筒状部材であるリング２４、金属製のナット２５が組み付けられている。接続部２１は、バッテリ等の電源から電力を供給するケーブルのコネクタ（図示せず）が接続される部位である。ナット２５は、接続されたコネクタ（図示せず）を固定するための部材である。

主体金具３０は炭素鋼等により形成される略円筒形状の部材である。主体金具３０は、軸線Ｏに沿って軸孔３１が貫通し、外周面にねじ部３２が形成されている。主体金具３０は、ねじ部３２より後端側に工具係合部３３が形成されている。軸孔３１は中軸２０が挿入される貫通孔である。軸孔３１の内径は中軸２０の外径より大きいので、中軸２０と軸孔３１との間に空隙が形成される。ねじ部３２は、内燃機関（図示せず）に嵌まり合う雄ねじである。工具係合部３３は、ねじ部３２を内燃機関のねじ穴（図示せず）に嵌めたり外したりするときに用いる工具（図示せず）が関わり合う形状（例えば六角形）をなす部位である。

主体金具３０は、軸孔３１の後端側において、Ｏリング２２及び絶縁体２３を介して中軸２０を保持する。絶縁体２３にリング２４が接した状態で中軸２０にリング２４が加締められることで、絶縁体２３は軸方向の位置が固定される。絶縁体２３によって主体金具３０の後端側とリング２４とが絶縁される。主体金具３０は、軸孔３１の先端側にチューブ４０が固定されている。

チューブ４０は先端４１が閉じた金属製の筒状体である。チューブ４０は軸孔３１に圧入されることで、主体金具３０に固定される。チューブ４０の材料は、例えばニッケル基合金、ステンレス鋼などの耐熱合金が挙げられる。

チューブ４０は中軸２０の先端側が挿入されている。チューブ４０の内径は中軸２０の外径より大きいので、中軸２０とチューブ４０との間に空隙が形成される。シール材４２は、中軸２０の先端側とチューブ４０の後端との間に挟まれた円筒形状の絶縁部材である。シール材４２は中軸２０とチューブ４０との間隔を維持し、中軸２０とチューブ４０との間を密閉する。コイル５０は軸線Ｏに沿ってチューブ４０に収容されている。絶縁粉末６０はチューブ４０に充填されている。

図２に示すようにコイル５０は螺旋状に形成されており、通電により発熱する。コイル５０は、チューブ４０の先端４１に接合された先端コイル５１と、中軸２０の先端に接合された後端コイル５２とを備えている。

先端コイル５１は、先端が溶接によりチューブ４０の先端４１に接合されている。先端コイル５１の材料としては、Ｗ，Ｍｏを主成分とする高融点金属からなる。なお、これらの元素の単体、又は、これらの元素のいずれかを主成分とする合金を先端コイル５１として用いることができる。先端コイル５１は、後端が溶接によって後端コイル５２に接合されている。先端コイル５１と後端コイル５２との間に、溶接で溶けて溶接金属が固まった溶融部５３が形成されている。

後端コイル５２は溶融部５３を介して先端コイル５１と直列に接続される部材である。後端コイル５２は、先端コイル５１の抵抗比Ｒ１より小さい抵抗比Ｒ２をもつ導電材料で形成されている。後端コイル５２の材料としては、例えばＦｅＣｒＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金などが挙げられる。後端コイル５２は軸線Ｏに沿ってチューブ４０に収容されており、後端が溶接により中軸２０の先端に接合されている。中軸２０は後端コイル５２及び先端コイル５１を介してチューブ４０と電気的に接続されている。

絶縁粉末６０は電気絶縁性を有し、且つ、高温下で熱伝導性を有する粉末である。絶縁粉末６０は、コイル５０とチューブ４０との間、中軸２０とチューブ４０との間、コイル５０の内側に充填される。絶縁粉末６０は、コイル５０からチューブ４０へ熱を移動させる機能、コイル５０とチューブ４０との短絡を防ぐ機能、コイル５０を振動し難くして断線を防ぐ機能がある。絶縁粉末６０としては、例えばＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物粉末が挙げられる。ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物粉末に加え、ＣａＯ，ＺｒＯ_２及びＳｉＯ_２，Ｓｉ等の粉末を添加できる。本実施の形態では、絶縁粉末６０は絶縁粉末６０の全質量に対してＭｇＯ粉末を８５質量％以上１００質量％未満含有し、Ｓｉ粉末も含有する。

先端コイル５１は、チューブ４０の先端４１から軸線Ｏ方向の後端側に向かって４ｍｍ離れた位置までの第１部５４、及び、第１部５４の後端（チューブ４０の先端４１から軸線Ｏ方向の後端側に向かって４ｍｍ離れた位置）から溶融部５３までの第２部５５からなる。先端コイル５１は、チューブ４０の先端４１と先端コイル５１の後端（溶融部５３）との間の２０℃における抵抗値が０．１３Ω以下に設定されている。なお、抵抗値は４端子法により測定される値のことをいう。

先端コイル５１は、チューブ４０の先端４１と先端コイル５１の後端（溶融部５３）との間の２０℃における抵抗値に対する、第１部５４の２０℃における抵抗値の割合が５５〜８０％、第２部５５の２０℃における抵抗値の割合が２０〜４５％に設定されている。

コイル５０は、チューブ４０の先端４１と後端コイル５２の後端（後端コイル５２と中軸２０との溶接部）との間の２０℃における抵抗値が０．３６Ω以下に設定されている。本実施の形態では、チューブ４０の先端４１と後端コイル５２の後端との間の２０℃における抵抗値が０．２９Ω以上に設定されている。

また、先端コイル５１は、チューブ４０の先端４１から溶融部５３までの軸線Ｏ方向の長さ、即ち第１部５４の軸線Ｏ方向の長さと第２部５５の軸線Ｏ方向の長さとを加えた全長が、６ｍｍ以上１１ｍｍ以下に設定されている。

本実施の形態では、先端コイル５１は、チューブ４０の先端４１及び溶融部５３の溶接金属を除いて、先端４１から溶融部５３まで組成が同一であり、先端コイル５１の先端側のピッチを後端側のピッチよりも小さくすることにより、第１部５４及び第２部５５の抵抗値の割合が設定されている。これにより、先端コイル５１の構造を簡素化できる。

なお、第１部５４及び第２部５５の抵抗値の割合を設定する手段は、先端コイル５１のピッチを調節する手段に限られない。抵抗値の割合を設定する他の手段としては、例えば、先端コイル５１の先端側の線径を後端側の線径よりも小さくする手段、２０℃における比抵抗の異なる材料で作られた２つのコイルを直列に接合して先端コイル５１を作り、比抵抗の高い方のコイルをチューブ４０の先端４１に接合する手段などが挙げられる。これらの場合も先端コイル５１の先端側の抵抗値を後端側の抵抗値よりも高くできるので、第１部５４の抵抗値の割合を第２部５５の抵抗値の割合より大きくできる。

次に図３を参照して、グロープラグ１０に印加した電圧Ｖとグロープラグ１０の発熱温度Ｔとの関係を説明する。図３は電圧Ｖとグロープラグ１０の発熱温度Ｔとの関係を示す模式図である。図３は横軸に時間（秒）をとり、実線は発熱温度Ｔを示し、破線は電圧Ｖを示す。

グロープラグ１０の接続部２１と主体金具３０との間に電圧Ｖを印加すると、先端コイル５１の抵抗値Ｒ_１及び後端コイル５２の抵抗値Ｒ_２の和Ｒ_１＋Ｒ_２で電圧Ｖを除した電流Ｉが、コイル５０に流れる。単位時間当たりの先端コイル５１の発熱量はＲ_１・Ｉ^２であり、単位時間当たりの後端コイル５２の発熱量はＲ_２・Ｉ^２である。

先端コイル５１の２０℃における抵抗値Ｒ_１は０．１３Ω以下なので、接続部２１と主体金具３０との間に印加する電圧を過大にしなくても、発熱時に先端コイル５１を流れる電流Ｉを確保できる。よって、先端コイル５１の発熱量を確保できる。なお、コイル５０は、後端コイル５２の２０℃における抵抗値Ｒ_２が、先端コイル５１の２０℃における抵抗値Ｒ_１よりも大きい値（具体的には０．０６Ω以上）に設定されている。常温においてコイル５０に流れる電流Ｉ（突入電流）を確保し、コイル５０を発熱させるためである。

後端コイル５２は先端コイル５１の抵抗比Ｒ１よりも小さい抵抗比Ｒ２をもつので、コイル５０の発熱による温度上昇に伴い、先端コイル５１の抵抗値Ｒ_１が後端コイル５２の抵抗値Ｒ_２よりも大きくなる。その結果、先端コイル５１の単位時間当たりの発熱量Ｒ_１・Ｉ^２を、後端コイル５２の単位時間当たりの発熱量Ｒ_２・Ｉ^２より大きくできる。

先端コイル５１はＷ，Ｍｏを主成分とする高融点金属により形成されているので、発熱温度Ｔを高温化できる。グロープラグ１０は、先端コイル５１の２０℃における抵抗値Ｒ_１に対する、先端コイル５１のうち第１部５４の２０℃における抵抗値の割合が５５〜８０％なので、第１部５４の発熱量を第２部５５の発熱量よりも大きくできる。従って、所望する温度（例えば１０００℃）まで第１部５４の発熱温度Ｔを急速に昇温させることができ、急速昇温性を確保できる。

所望する温度（ここでは１０００℃）に発熱温度Ｔが到達した後、発熱温度Ｔを安定時の飽和温度（例えば１１００℃）にするため、グロープラグ１０に印加する電圧Ｖを低下させる。後端コイル５２の発熱量は先端コイル５１の発熱量より小さいので、電圧Ｖを低下させる遷移時に、先端コイル５１の熱量が後端コイル５２へ移動する。その結果、先端コイル５１の依存度の高い発熱温度Ｔが、一時的に温度Ｄだけ低下する。温度Ｄが大きくなり発熱温度Ｔが大きく低下すると、エンジンの燃焼が不安定になったり排気ガスのエミッションが増加したりする。

これを防ぐため、グロープラグ１０は、先端コイル５１のうち第２部５５の２０℃における抵抗値の割合が２０〜４５％に設定されている。第２部５５は、先端コイル５１に対する抵抗値の割合（２０〜４５％）に応じて発熱するので、飽和状態へ遷移させるために電圧Ｖを下げたときに、第１部５４から第２部５５へ移動する熱量を抑制できる。よって、発熱温度Ｔを飽和させるために電圧Ｖを下げたときの遷移時の温度低下（温度Ｄ）を抑制できる。その結果、発熱温度Ｔの高温化および急速昇温性を確保しつつ、発熱温度Ｔを飽和させるために電圧Ｖを下げたときの温度低下を抑制できる。従って、グロープラグ１０はエンジンの燃焼を補助し、始動後のエンジンのアイドル運転を安定化できると共に、排気ガスのエミッションを減少できる。

なお、グロープラグ１０は、チューブ４０の先端４１と後端コイル５２の後端との間（コイル５０）の２０℃における抵抗値が０．３６Ω以下に設定されているので、先端コイル５１を流れる電流値を確保できる。先端コイル５１の発熱量を確保できるので、急速昇温性を確保できる。

グロープラグ１０は、突入時は電圧の印加によって先端コイル５１の第１部５４が急速に発熱し、さらに飽和状態に遷移するときの第１部５４の温度低下を抑制できる。従って、グロープラグ１０の省電力化を実現できる。

また、チューブ４０の先端４１と後端コイル５２の後端との間（コイル５０）の２０℃における抵抗値が０．２９Ω以上に設定されているので、突入時の電流値を規制できる。その結果、グロープラグ１０を制御するコントローラ（図示せず）に過大な突入電流が流れないようにできるので、コントローラを保護できる。

なお、コントローラに流れる突入電流を抑制するために、グロープラグ１０とは別に保護抵抗を設けることは当然可能である。保護抵抗を設ける場合には、グロープラグ１０の２０℃における抵抗値を０．２９Ω以上に設定しなくても良い。しかし、グロープラグ１０の２０℃における抵抗値を０．２９Ω以上に設定することにより、保護抵抗を省略できるので、その分だけ部品点数を削減できる。

先端コイル５１は、チューブ４０の先端４１から溶融部５３までの軸線Ｏ方向の長さ、即ち第１部５４の軸線Ｏ方向の長さと第２部５５の軸線Ｏ方向の長さとを加えた全長が、６ｍｍ以上１１ｍｍ以下に設定されている。これにより、先端コイル５１の展開長さを適度に設定できる。その結果、先端コイル５１の抵抗値が過大にならないようにしつつ、先端コイル５１の抵抗値に対する第１部５４の抵抗値の割合を設定し易くできる。

絶縁粉末６０はＳｉ粉末を含有するので、絶縁粉末６０の全てがＭｇＯ粉末の場合に比べて、絶縁粉末６０の熱伝導性を悪化させることができる。その結果、絶縁粉末６０の熱伝導による第１部５４の熱放散を抑制できるので、チューブ４０の先端４１から発熱させることにより、突入時の急速昇温性の確保と遷移時の温度低下の抑制とを絶縁粉末６０が助長する。

グロープラグ１０は、例えば、次のようにして製造される。まず、所定の組成を有する抵抗発熱線をコイル状に加工し、先端コイル５１及び後端コイル５２をそれぞれ製造する。次いで、先端コイル５１と後端コイル５２との端部同士を溶接により接合し、コイル５０とする。次いで、コイル５０のうち後端コイル５２を中軸２０の先端に接合する。

一方、所定の組成を有する金属鋼管をチューブ４０の最終寸法よりも大径に形成し、かつ、その先端を他の部分よりも減径させて、先端が開口した先窄まり状のチューブ前駆体を製造する。チューブ前駆体の内部に中軸２０と一体となったコイル５０を挿入し、チューブ前駆体の先窄まり状の開口部にコイル５０の先端を配置する。チューブ前駆体の開口部とコイル５０の先端部分とを溶接によって溶融し、チューブ前駆体の先端部分を閉塞し、内部にコイル５０が収容されたヒータ前駆体を形成する。

次いで、ヒータ前駆体のチューブ４０内に絶縁粉末６０を充填した後、チューブ４０の後端の開口部と中軸２０との間にシール材４２を挿入して、チューブ４０を封止する。次に、チューブ４０が所定の外径になるまでチューブ４０にスウェージング加工を施す。

次に、スウェージング加工後のチューブ４０を主体金具３０の軸孔３１に圧入固定し、中軸２０の後端から主体金具３０と中軸２０との間にＯリング２２及び絶縁体２３を嵌め込む。リング２４で中軸２０を加締めてグロープラグ１０を得る。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

＜サンプル１〜１０の作成＞
タングステンを主成分とする合金で作られた線径Φ０．２０ｍｍの線材を用い、巻き数、ピッチ及び全長を調整して、第１部５４及び第２部５５の２０℃における抵抗値が種々の割合に設定された全長が６〜１１ｍｍの先端コイル５１を作成した。同様に、ＮｉＣｒ合金で作られた線材を用いて種々の後端コイル５２を作成した。溶接により後端コイル５２を先端コイル５１に接合して、後端コイル５２及び先端コイル５１が直列に接続された種々のコイル５０を作成した。

このコイル５０を用いて、図１に示すグロープラグ１０と同様の構造を有するグロープラグを前述のとおりに製造し、表１に示すサンプル１〜１０におけるグロープラグを得た。なお、サンプル１〜１０におけるグロープラグは、０．２質量％のＳｉ粉末を含有するＭｇＯ粉末を絶縁粉末６０とした。

なお、サンプル１〜１０におけるグロープラグは、チューブ４０の外径をΦ３．５ｍｍ以下（つまり、チューブ４０のうちコイル５０の第１部５４の外側の部分（チューブ４０の先端４１から後端側に向かって４ｍｍの位置までの部分）の外径をΦ３．５ｍｍ以下）とした。

各サンプルのチューブ４０の先端４１から軸線Ｏ方向に２ｍｍ離れたチューブ４０の表面の位置にＰＲ熱電対を接合し、チューブ４０の先端４１付近の温度を測定した。なお、ＰＲ熱電対の代わりに放射温度計を用いても良い。

＜突入時の温度＞
各サンプルの接続部２１と主体金具３０との間に１１Ｖの直流電圧を印加し、電圧を印加してから２秒後のチューブ４０の先端４１付近の温度を測定した。評価は、温度が９００℃以上のサンプルは「◎：特に優れている」、温度が８５０℃以上９００℃未満のサンプルは「〇：優れている」、温度が８００℃以上８５０℃未満のサンプルは「△：良い」、温度が８００℃未満のサンプルは「×：劣る」とした。結果は表１の「突入時の温度」の欄に記した。

＜遷移時の温度低下＞
電圧を印加してから２秒後のチューブ４０の先端４１付近の温度が１０００℃になるように、各サンプルの接続部２１と主体金具３０との間に直流電圧を２秒間印加した後、印加電圧を下げた。このときの印加電圧は、チューブ４０の先端４１付近の温度が１１００℃に飽和する定格電圧とした。印加電圧を下げるとチューブ４０の温度は一時的に低下し、時間の経過につれて１１００℃の飽和温度に向かって上昇した（図３参照）。急速昇温時のチューブ４０の最高温度と、印加電圧を下げた遷移時のチューブ４０の温度と、の温度差（図３に示す温度Ｄ）を測定した。

評価は、温度差が３０℃未満のサンプルは「◎：特に優れている」、温度差が３０℃以上５０℃未満のサンプルは「〇：優れている」、温度差が５０℃以上８０℃未満のサンプルは「△：良い」、温度差が８０℃以上のサンプルは「×：劣る」とした。結果は表１の「遷移時の温度低下」の欄に記した。

＜総合評価＞
高い「突入時の温度」と小さい「遷移時の温度低下」を両立できるグロープラグが要求される。従って「突入時の温度」の評価、「遷移時の温度低下」の評価の低い方を表１の「総合」の欄に記した。

＜抵抗値の測定＞
温度の測定を終えた各サンプルのチューブ４０を軸線Ｏ方向に切り開き、チューブ４０内に充填した絶縁粉末６０を取り除いて、チューブ４０の先端４１と中軸２０とに両端が接合した状態のコイル５０を露出させた。４端子法により、以下の（１）〜（４）の部分の２０℃における抵抗値を測定した。（１）チューブ４０の先端４１と溶融部５３との間の先端コイル５１、（２）チューブ４０の先端４１とチューブ４０の先端４１から軸線Ｏ方向に４ｍｍ離れた位置との間の第１部５４、（３）チューブ４０の先端４１から軸線Ｏ方向に４ｍｍ離れた位置と溶融部５３との間の第２部５５、（４）チューブ４０の先端４１と後端コイル５２の後端（中軸２０の先端）との間のコイル５０。

抵抗値の測定後、チューブ４０の先端４１と先端コイル５１の後端（溶融部５３）との間の２０℃における抵抗値に対する、第１部５４の２０℃における抵抗値の割合、及び、第２部５５の２０℃における抵抗値の割合を求めた。結果は表１に記した。なお、全てのサンプルのコイル５０の２０℃における抵抗値は０．３３Ωであった。

＜結果＞
表１に示すように、先端コイル５１の抵抗値が０．１３Ωのサンプル１〜８において、第１部５４の抵抗値の割合が８０％を超え、第２部５５の抵抗値の割合が２０％未満のサンプル１及び２は、突入時の温度は評価基準を満たすが、遷移時の温度低下の評価基準は満たさなかった。サンプル１及び２は第２部５５の発熱量が小さいので、印加電圧を下げると、第１部５４から第２部５５への熱伝導により第１部５４の熱量が一時的に小さくなり、チューブ４０の温度が低下したと推察された。

第１部５４の抵抗値の割合が５５％未満であり、第２部５５の抵抗値の割合が４５％を超えたサンプル７及び８は、遷移時の温度低下は評価基準を満たすが、突入時の温度は評価基準を満たさなかった。サンプル７及び８は第１部５４の抵抗値の割合が小さいので、第１部５４の急速昇温に必要な発熱量を確保できないと推察された。

これに対し、第１部５４の抵抗値の割合が５５％〜８０％、第２部５５の抵抗値の割合が２０％〜４５％のサンプル３〜６は、突入時の温度および遷移時の温度低下の評価基準を満たした。サンプル３〜６は、第１部５４の急速昇温に必要な発熱量を確保し、併せて第１部５４から第２部５５へ移動する熱量を抑制できたと推察された。

なお、サンプル９及び１０は第１部５４の抵抗値の割合が５５％、第２部５５の抵抗値の割合が４５％であるが、突入時の温度は評価基準を満たさなかった。サンプル９及び１０は先端コイル５１の抵抗値が０．１３Ωを超えているので、この実施例で印加した１１Ｖの直流電圧では、先端コイル５１の急速昇温に必要な電流値を確保できなかったと推察される。

従って、第１部５４の抵抗値の割合を５５％〜８０％に設定することにより、急速昇温性を確保しつつ、遷移時の温度低下を抑制できることが明らかになった。さらに、先端コイル５１の抵抗値を０．１３Ω以下に設定することにより、１１Ｖの直流電圧の印加によって発熱量を確保できることが明らかになった。また、チューブ４０のうちチューブ４０の先端４１から後端側に向かって４ｍｍの位置までの部分の外径をΦ３．５ｍｍ以下にすることにより、チューブ４０の先端４１近傍の熱容量が過大にならないようにすることができ、急速昇温性を確保できることがわかった。

＜サンプル１１〜１４の作成＞
サンプル３と同様にして先端コイル５１を作成した。ＮｉＣｒ合金で作られた線材を用いて種々の後端コイル５２を作成した。溶接により後端コイル５２を先端コイル５１に接合して、後端コイル５２及び先端コイル５１が直列に接続された種々のコイル５０を作成した。後端コイル５２の巻き数を調整して、コイル５０の２０℃における抵抗値を調整した。なお、抵抗値の測定方法はサンプル１〜１０について説明したとおりであり、各サンプルの温度の測定を終えた後に抵抗値を測定した。

このコイル５０を用いて、図１に示すグロープラグ１０と同様の構造を有するグロープラグを前述のとおりに製造し、表２に示すサンプル１１〜１４におけるグロープラグを得た。なお、サンプル１１〜１４におけるグロープラグは、０．２質量％のＳｉ粉末を含有するＭｇＯ粉末を絶縁粉末６０とした。

＜突入時の温度＞
各サンプルの接続部２１と主体金具３０との間に１１Ｖの直流電圧を印加し、電圧を印加してから２秒後のチューブ４０の先端４１付近の温度を測定した。評価は、温度が９５０℃以上のサンプルは「◎：特に優れている」、温度が９００℃以上９５０℃未満のサンプルは「〇：優れている」、温度が８５０℃以上９００℃未満のサンプルは「△：良い」とした。結果は表２の「突入時の温度」の欄に記した。

＜結果＞
表２に示すように、コイル５０（チューブ４０の先端４１と後端コイル５２の後端との間）の２０℃における抵抗値が０．２９Ω以上０．３６Ω以下のサンプル１１〜１４は、抵抗値が小さくなるにつれて温度が高くなり、急速昇温性が向上することが確認された。これは、コイル５０の２０℃における抵抗値が小さくなるにつれて、先端コイル５１を流れる突入時の電流値が大きくなるからであると推察される。その結果、先端コイル５１の突入時の発熱量を大きくできるので、急速昇温性を向上できると推察される。

以上、実施の形態および実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、チューブ４０の形状は筒状である限り特に限定されず、軸線Ｏに直交する断面が円形状、楕円形状、多角形状等であってもよい。また、コイル５０の線径や直径、チューブ４０の厚さや直径は、コイル５０やチューブ４０の熱容量などを考慮して適宜設定できる。

実施の形態では、先端４１の部分を除き、チューブ４０の全体を同一の外径にする場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、チューブ４０のうち先端４１から後端側に向かって４ｍｍの位置の外径よりも、チューブ４０のうち主体金具３０の内側の部分の外径を大きくした異径のチューブ４０を採用することは当然可能である。先端側の外径が小さい異径のチューブ４０を採用することにより、チューブ４０の先端４１側の熱容量を小さくできるので、急速昇温性を確保し易くできる。

さらに、先端４１側よりも外径の大きいチューブ４０の後端側が主体金具３０に圧入されるので、主体金具３０の内径をチューブ４０の先端４１側の外径に応じて小さくしなくても良い。また、中軸２０の先端はチューブ４０の後端側に挿入されるので、中軸２０の直径をチューブ４０の後端側の内径に応じて小さくしなくても良い。即ち、中軸２０の外径や主体金具３０の内径をチューブ４０の先端４１側の外径と無関係に設定できるので、中軸２０や主体金具３０の設計の自由度を確保できる。

１０グロープラグ
２０中軸
４０チューブ
４１先端
５０コイル
５１先端コイル
５２後端コイル
５４第１部（部分）
Ｏ軸線

Claims

軸線方向に延びる金属製の中軸と、
前記中軸の先端に電気的に接続するコイルと、
前記コイル及び前記中軸の先端側を収容して前記コイルが電気的に接続されると共に先端が閉じた金属製のチューブと、を備えるグロープラグであって、
前記コイルは、前記チューブの前記先端に電気的に接続されると共にＷやＭｏを主成分とする先端コイルと、前記先端コイルの後端に電気的に接続される後端コイルと、を有し、
前記先端コイルの２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比である抵抗比Ｒ１と、前記後端コイルの２０℃での抵抗値に対する１０００℃での抵抗値の比である抵抗比Ｒ２とは、Ｒ１＞Ｒ２の関係を満たし、
前記チューブの前記先端と前記先端コイルの前記後端との間の２０℃における抵抗値に対する、前記チューブの前記先端から軸線方向の後端側に向かって４ｍｍの位置における前記先端コイルと前記チューブの先端との間の２０℃における抵抗値の割合が５５〜８０％であるグロープラグ。
前記チューブの前記先端と前記先端コイルの前記後端との間の前記抵抗値が０．１３Ω以下である請求項１記載のグロープラグ。
前記先端コイルは、自身の先端から前記後端まで組成が同一であり、先端側のピッチが後端側のピッチよりも小さい請求項１又は２に記載のグロープラグ。
前記チューブの先端と前記後端コイルの後端との間の２０℃における抵抗値が０．３６Ω以下である請求項１から３のいずれかに記載のグロープラグ。
前記チューブの前記先端から前記先端コイルの前記後端までの軸線方向の長さは、６ｍｍ以上１１ｍｍ以下である請求項１から４のいずれかに記載のグロープラグ。
前記チューブの前記先端から軸線方向の後端側に向かって４ｍｍの位置までの前記チューブの外径は３．５ｍｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載のグロープラグ。