JP7037338B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの始動補助用に使用されるグロープラグとして、セラミックヒータ型グロープラグが知られている。このようなセラミックヒータ型グロープラグは、セラミックヒータと、少なくとも先端が露出するようにセラミックヒータの一部を収容する外筒と、を備えている。

外筒は、グロープラグの軸線方向において先端側に外径が比較的小径の先端部と、軸線方向において先端部の後端に一体に連続した先端部の外径よりも外径が大きい基端部とを有している。

セラミックヒータは、外筒に挿入された状態において外筒の先端から露出するとともに、外筒の後端からも露出しており、外筒の基端部においてろう付け等の接合部を介して支持されている。セラミックヒータは、略円柱形状をした絶縁性セラミックスの中に、Ｕ字形状をした発熱部と、その発熱部の両後端に接続された２つのリードとを有する。２つのリードのうち一方のリードは、絶縁性セラミックスの外周面から外部に露出した露出部を有しており、当該露出部が接合部を介して外筒の内周面に電気的に接続されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、セラミックヒータを先端部及び基端部を有する外筒の先端部に接合部を介して支持するグロープラグが公知である（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１３－７６５１３号公報 特開２０１１－７３７２号公報

ところで、特許文献１のように、セラミックヒータが軸線方向に沿って外筒の先端から突出しているとともに、後端からも突出しているグロープラグにおいては、セラミックヒータを長く構成する必要があり、製造コストが高くなっていた。

これに対して、特許文献２のように、セラミックヒータの長さを短くして、外筒の先端部に接合部を介してセラミックヒータを接合することでセラミックヒータの延在長さを抑えて製造コストを抑えることを試みた場合、露出部の位置が発熱部に近い位置にくるので、リードの露出部が高温になり、露出部と外筒とを接合する接合部への熱負荷が高まることになる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、セラミックヒータにおいてリードの露出部と外筒とを接合する接合部への熱負荷を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るグロープラグは、セラミックヒータと、前記
セラミックヒータの少なくとも先端が露出するように前記セラミックヒータの一部を収容する外筒と、を備え、前記外筒は、接合部を介して前記セラミックヒータと接合される筒状の先端部と、前記先端部の後端に接続する筒状の基端部と、を有し、前記基端部の外周面は、前記先端部の外周面と面一をなしている、又は前記外筒の中心軸線に対して前記先端部の外周面よりも外側に位置し、前記基端部の内周面は、前記中心軸線に対して前記先端部の内周面よりも内側に位置することを特徴とする。

また、前記外筒は、円筒状に形成されており、前記先端部の外径をＤ_Ａ、前記基端部の外径をＤ_Ｂとし、前記先端部の内径をｄ_Ａ、前記基端部の内径をｄ_Ｂとしたとき、Ｄ_Ａ≦Ｄ_Ｂ、かつ、ｄ_Ａ＞ｄ_Ｂ、を満たすとよい。

また、前記セラミックヒータは、導電性セラミックスと、該導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスとを有し、前記導電性セラミックスは、発熱部と該発熱部の後端に接続されたリードとを有し、前記リードは、正極側リードと、負極側リードとを有し、前記負極側リードは、後端が前記絶縁性セラミックスの外周面から露出して前記外筒の先端部の内周面に電気的に接続されているとよい。

また、前記外筒の基端部を支持する筒状のハウジングをさらに備え、前記基端部は、その先端が前記ハウジングから少なくとも部分的に突出している記外筒の基端部を支持する筒状のハウジングをさらに備え、前記基端部は、その先端が前記ハウジングから少なくとも部分的に突出しているとよい。

本発明によれば、セラミックヒータにおいてリードの露出部と外筒とを接合する接合部への熱負荷を抑制する。

シリンダヘッドに取り付けられた状態の本実施の形態に係るグロープラグの軸線に沿った断面図である。 本実施の形態に係るグロープラグの外筒の構成を説明するための概略図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施の形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施の形態をとりうる。図１は、シリンダヘッドに取り付けられた状態の本実施の形態に係るグロープラグの軸線に沿った断面図である。図２は、本実施の形態に係るグロープラグの外筒の構成を説明するための概略図である。

グロープラグ１は、例えば、セラミックヒータ型グロープラグであり、図１に示すように、セラミックヒータ１０と、セラミックヒータの一部を収容する金属製の外筒２０と、ハウジング３０と、を備えている。

セラミックヒータ１０は、内燃機関の始動を補助するものであり、燃焼室Ｃｃ内（予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室）に先端が挿入され、外筒２０を介してハウジング３０に固定されている。セラミックヒータ１０は、セラミックスにより形成されている。

セラミックヒータ１０は、導電性セラミックス１１と、導電性セラミックス１１を覆う絶縁性セラミックス１６とを有する。セラミックヒータ１０は、先端がドーム状の棒状の
部材である。

導電性セラミックス１１は、グロープラグ１において通電により加熱されるものであり、先端に配置されたＵ字状に成形された発熱部１２と、発熱部１２の後端に接続されたリード１４とを有する。

発熱部１２は、リード１４に対して高抵抗性を有する発熱抵抗体であり、導電性セラミックスにより形成されている。発熱部１２は、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って互いに平行に延在する一対の延在部１２ａ，１２ｂと、当該延在部１２ａ，１２ｂを連結する湾曲部１２ｃとを有する。なお、軸線ｘ方向に垂直な断面視において発熱部１２の形状は、特に限定されず、円形、楕円形、長円形、多角形等の種々の形状をとり得る。なお、「軸線ｘ」は、セラミックヒータ１０の横断面における重心を通る線である。

発熱部１２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）などを含む炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とする材料により形成されている。発熱部１２は、特に、高い耐熱性を有するとともに、比抵抗が小さい点で無機導電性を有する炭化タングステン（ＷＣ）を含有することが好ましい。

発熱部１２は、上記主成分の他に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有しており、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が２０質量％以上であるものが好ましい。例えば、発熱部１２となる導体成分は、窒化珪素質セラミックスを含む絶縁性セラミックス１６中の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱部１２中に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を添加することにより、熱膨張率を絶縁性セラミックス１６の熱膨張率に近づけて、セラミックヒータ１０の昇温時及び降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。

また、発熱部１２に含まれる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が４０質量％以下であるときには、発熱部１２の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。したがって、発熱部１２に含まれる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２０～４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２５～３５質量％がよい。

なお、発熱部１２への同様の添加物として、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の代わりに４～１２質量％の窒化硼素（ＢＮ）を添加してもよい。さらに、発熱部１２には、元素周期表第４周期の４，５，６，７，８族の元素（チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ））のうち少なくとも一種類を含有していてもよい。

例えば、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）の元素の発熱部１２における含有率は、０．５モル％以下であることが好ましい。

リード１４は、一端側で発熱部１２に接続されるとともに、他端側で絶縁性セラミックス１６から露出している。リード１４は、正極側リード１４ａと、負極側リード１４ｂとを有する。なお、軸線ｘ方向に垂直な断面視においてリード１４の形状は、特に限定されず、円形、楕円形、長円形、多角形等の種々の形状をとり得る。

正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂはそれぞれ、発熱部１２に対して低抵抗性を有する導電性セラミックスにより形成されている。正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂは、セラミックヒータ１０の軸線ｘ方向に沿って互いに平行に延在している。正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂは、Ｕ字状に延在する発熱部１２の延在部１２
ａ，１２ｂそれぞれの後端に接続されている。

正極側リード１４ａは、発熱部１２の延在部１２ａに接続されている。正極側リード１４ａは、絶縁性セラミックス１６の後端まで絶縁性セラミックス１６の内部を延在している。セラミックヒータ１０の後端において正極側リード１４ａは、絶縁性セラミックス１６から露出してキャップ状の接続部１１４を介してリードワイヤ１１５に電気的に接続されている。

負極側リード１４ｂは、後端が絶縁性セラミックス１６の外周面から露出して外筒２０の先端部２２の内周面に電気的に接続されている。負極側リード１４ｂは、先端が発熱部１２の延在部１２ｂに接続され、後端に絶縁性セラミックス１６から外周面に一部露出した露出部１４ｃを有する。

リード１４の露出部１４ｃは、後述する接合部２１を介して外筒２０の内周面にろう付け等によって接合されている。導電性を有する金属材料により形成された外筒２０に電気的に接続されている。負極側リード１４ｂの露出部１４ｃは、負極側電極として機能する。

リード１４は、無機導電体である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とし、これに窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有率が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が増すにつれて正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂの熱膨張率を絶縁性セラミックス１６に含有される窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の熱膨張率に近づけることができる。

窒化珪素の含有率が４０質量％以下であるときには、正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂの抵抗値が小さくなるとともに安定する。したがって、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は１５～４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２０～３５質量％とするのがよい。

さらに、リード１４には、元素周期表第４周期の４，５，６，７，８族の元素（チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ））のうち少なくとも一種類の酸化物及び／又は窒化物が含まれてもよい。例えば、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）の元素のリード１４における含有率は、０．５モル％以下であることが好ましい。

リード１４は、例えば、数十ＰＰＭ程度の酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素化合物を含む混合物であることが好ましく、焼結により形成された焼結体である。

リード１４は、発熱部１２と同じ材料により形成されているが、例えば、形成材料を発熱部１２よりも多く含んだり、発熱部１２よりも断面積を大きくしたりすることにより発熱部１２よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっている。

絶縁性セラミックス１６は、例えば、焼結により形成された外周面が円筒状の焼結体である。絶縁性セラミックス１６は、導電性セラミックス１１を被覆しており、より具体的には、絶縁性セラミックス１６は、発熱部１２及びリード１４を覆っている。換言すると、発熱部１２及びリード１４は、絶縁性セラミックス１６に埋設されている。

絶縁性セラミックス１６は、セラミックスにより形成されているので、急速昇温時の信頼性が高いセラミックヒータ１０を提供することが可能になる。具体的には、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミ
ックスが挙げられる。

特に、窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスは、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３～１２質量％の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）、酸化エリビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素酸化物、０．５～３質量％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、さらに焼結体に含まれる二酸化珪素（ＳｉＯ_２）量として１．５～５質量％となるように二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を混合され、ホットプレス焼成することにより得られる。

また、絶縁性セラミックス１６として窒化珪素質セラミックスから成るものを用いる場合、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱部１２の熱膨張率に近づけることができ、セラミックヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

図２に示すように、外筒２０は、例えば、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が円筒形状になって構成されている。外筒２０は、セラミックヒータ１０を当該セラミックヒータ１０の先端部が露出した状態で収容するものである。

外筒２０は、軸線ｘ方向先端側（燃焼室Ｃｃ側）に位置して、グロープラグ１のセラミックヒータ１０を少なくとも先端が露出するように収容する筒状の先端部２２と、シリンダヘッドＣｈに取り付けられるハウジング３０に支持される先端部２２の後端に接続した筒状の基端部２３と、を備える。

外筒２０の基端部２３の外周面は、軸線ｘに対して先端部２２の外周面よりも外側に位置し、基端部２３の内周面は、軸線ｘに対して先端部２２の内周面よりも内側に位置している。本実施の形態の外筒２０においては、先端部２２の外径をＤ_Ａ、基端部２３の外径をＤ_Ｂとし、先端部２２の内径をｄ_Ａ、基端部２３の内径をｄ_Ｂとしたとき、Ｄ_Ａ＜Ｄ_Ｂ、かつ、ｄ_Ａ＞ｄ_Ｂを満たす。

つまり、外筒２０においては、先端部２２の外径Ｄ_Ａは、基端部２３の外径Ｄ_Ｂよりも小さいが、先端部２２の内径ｄ_Ａは、基端部２３の内径ｄ_Ｂより大きい。先端部２２に対する基端部２３の肉厚（壁厚）は大きくなっており、具体的には、基端部２３は、外周面が先端部２２の外周面に対して径方向において外側に位置しており、内周面が先端部２２の内周面に対して径方向において内側に位置しているので、基端部２３の肉厚は、先端部２２の肉厚よりも大きくなっている。

なお、本実施の形態においては、先端部２２の外径Ｄ_Ａ及び基端部２３の外径Ｄ_Ｂは、Ｄ_Ａ＜Ｄ_Ｂ、の関係にあるが、この関係に限定されず、先端部２２の外径Ｄ_Ａ及び基端部２３の外径Ｄ_Ｂが同じ（Ｄ_Ａ＝Ｄ_Ｂ）であってもよい。この場合、外筒２０においては、Ｄ_Ａ＝Ｄ_Ｂ、かつ、ｄ_Ａ＞ｄ_Ｂ、となる。

先端部２２と基端部２３との間には、先端部２２側から基端部２３側に向かうに連れて拡径するテーパ部２４が形成されているが、当該テーパ部２４は、基端部２３に含まれる。

セラミックヒータ１０を収容した状態において外筒２０の先端部２２の内周面には、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って所定の長さにおいてセラミックヒータ１０と外筒２０とを、例えば、銀ろう等のろう材を用いてろう付により接合する接合部２１が形成され
ている。絶縁性セラミックス１６の外周面から露出した負極側リード１４ｂの露出部１４ｃは、外筒２０の先端部２２の内周面と接合部２１を介して電気的に接続されている。

接合部２１は、絶縁性セラミックス１６の外周面に銀ろう等のろう材のろう付けによりメタライズして形成されており、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って所定の長さだけセラミックヒータ１０の外周面と外筒２０の内周面との間に形成されている。本実施の形態において接合部２１は、外筒２０の先端から、絶縁性セラミックス１６が後端側で外筒２０の先端部２２の内周面と接触している位置まで形成されている。しかし、接合部２１は、その先端が軸線ｘにおいて外筒２０から進出していても、また、外筒２０内にあってもよい。

ハウジング３０は、エンジンのシリンダヘッドＣｈへの取付具であり、セラミックヒータ１０を外筒２０とともに収容するものである。ハウジング３０は、放熱性に優れた熱伝導性の金属材料から形成されている。ハウジング３０は、例えば、円筒状に形成されており、外筒２０の基端部２３の先端が少なくとも部分的に突出するようにして外筒２０の基端部２３を支持する。

以上のようなグロープラグ１によれば、外筒の２０の先端部２２においてセラミックヒータ１０の先端が露出するようにセラミックヒータ１０を収容するので、例えば、基端部において支持される従来のセラミックヒータに比べて、軸線ｘ方向における長さを短くすることができ、セラミックヒータ１０の製造コストを抑えることができる。

さらに、セラミックヒータ１０の外筒２０の先端部２２の外径Ｄ_Ａ及び基端部２３の外径Ｄ_Ｂが、Ｄ_Ａ＜Ｄ_Ｂ、を満たし、かつ先端部２２の内径ｄ_Ａ及び基端部２３の内径ｄ_Ｂが、ｄ_Ａ＞ｄ_Ｂ、を満たしているので、セラミックヒータ１０において発生して先端部２２を伝わる熱を排出する大きな経路を基端部２３に確保することができる。

グロープラグ１においては、外筒２０の先端部２２においてセラミックヒータ１０が支持されているので、負極側リード１４ｂの露出部１４ｃが接合部２１を介して先端部２２と接触する位置は、基端部２３においてセラミックヒータ１０が支持される場合と比べて発熱部１２に近くなっている。しかし、基端部２３においては排熱経路が大きく確保されているため、露出部１４ｃが接触している接合部２１における熱負荷を軽減することができ、かくして、接合部２１の長期寿命を達成することができる。

また、基端部２３における肉厚は、先端部２２の外径Ｄ_Ａに対して外径Ｄ_Ｂを大きくするだけでなく、先端部２２の内径ｄ_Ａに対して内径ｄ_Ｂを小さくすることで先端部２２の肉厚よりも大きくなっている。これにより、基端部２３の外径Ｄ_Ｂだけが大きくなることを抑えることができ、外筒２０は、その設置スペースの省スペース化に貢献することができる。

また、基端部２３において外径Ｄ_Ｂが拡大することを抑えることができるので、シリンダヘッドＣｈのグローホールＧｈの内周面に接触することなく基端部２３を部分的にハウジング３０から突出させることができる。これにより、ハウジング３０からの基端部２３の突出量を比較的自由に調整することができ、セラミックヒータ１０自体の長さを変更することなく、燃焼室Ｃｃ内へのグロープラグ１の突き出し量を調整することができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られるものではなく、本発明の範囲を超えない範囲で適宜変更が可能である。例えば、セラミックヒータ１０の外周面は、本実施の形態においては、円筒状に形成されているが、楕円形や矩形等の多角形のように種々異なる断
面形状を有していてもよい。

外筒２０の断面が円筒に限らず、例えば矩形に形成されている場合には、外筒２０の基端部２３の外周面が先端部２２の外周面と面一をなしている、又は、外筒２０の中心軸線に対して先端部２２の外周面よりも外側に位置し、基端部２３の内周面が中心軸線に対して先端部２２の内周面よりも内側に位置するようになっていればよい。ここで「外筒２０の中心軸線」は、外筒２０の横断面における図心を通る線である。

換言すると、先端部２２の外周長さをＬ_Ａ、基端部２３の外周長さをＬ_Ｂとし、先端部２２の内周長さをｌ_Ａ、基端部２３の内周長さをｌ_Ｂとしたとき、Ｌ_Ａ≦Ｌ_Ｂ、かつ、ｌ_Ａ＞ｌ_Ｂ、を満たすようになっている。

１ グロープラグ
１０ セラミックヒータ
１１ 導電性セラミックス
１２ 発熱部
１４ リード
１４ａ 正極側リード
１４ｂ 負極側リード
１４ｃ 露出部
１６ 絶縁性セラミックス
２０ 外筒
２１ 接合部
２２ 先端部
２３ 基端部
３０ ハウジング
Ｄ_Ａ 先端部の外径
ｄ_Ａ 先端部の内径
Ｄ_Ｂ 基端部の外径
ｄ_Ｂ 基端部の内径
ｘ 軸線

Claims (3)

1. セラミックヒータと、
   前記セラミックヒータの少なくとも先端が露出するように前記セラミックヒータの一部を収容する外筒と、
   を備え、
   前記外筒は、
   接合部を介して前記セラミックヒータと接合される筒状の先端部と、
   前記先端部の後端に接続する筒状の基端部と、
   を有し、
   前記基端部の外周面は、前記先端部の外周面と面一をなしている、又は前記外筒の中心軸線に対して前記先端部の外周面よりも外側に位置し、
   前記基端部の内周面は、前記中心軸線に対して前記先端部の内周面よりも内側に位置し、
   前記外筒の基端部を支持する筒状のハウジングをさらに備え、
   前記基端部は、その先端が前記ハウジングから少なくとも部分的に突出している、
   ことを特徴とするグロープラグ。
2. 前記外筒は、円筒状に形成されており、
   前記先端部の外径をＤ_Ａ、前記基端部の外径をＤ_Ｂとし、
   前記先端部の内径をｄ_Ａ、前記基端部の内径をｄ_Ｂとしたとき、
   Ｄ_Ａ≦Ｄ_Ｂ、かつ、ｄ_Ａ＞ｄ_Ｂ
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記セラミックヒータは、導電性セラミックスと、該導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスとを有し、
   前記導電性セラミックスは、発熱部と該発熱部の後端に接続されたリードとを有し、
   前記リードは、正極側リードと、負極側リードとを有し、
   前記負極側リードは、後端が前記絶縁性セラミックスの外周面から露出して前記外筒の先端部の内周面に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のグロープラグ。

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