JPH0155367B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 本発明は、たとえば、デイーゼルエンジンのグ
ロー・プラグとして使用する型の外装付き電気ヒ
ータに関する。一層詳しくは、本発明はデイーゼ
ルエンジンなどのための急速加熱自己調整式電気
抵抗グロー・プラグ・ヒータに関する。 背 景 デイーゼルエンジンの分野では、エンジン始動
時や寒冷作動時に燃料の点火を助けるべく燃料の
噴射される燃焼室あるいは予燃焼室に電気加熱グ
ロー・プラグを設けることは公知である。このよ
うなグロー・プラグの型は数多くあるが、それぞ
れそれ独特の動作特性を有する。 単純な一定抵抗値ヒータを、付加的な制御器な
しで用いると、グロー・プラグがエンジン始動を
可能とするに適した作動温度に達する前に、しば
しば１分より長い過剰なウオーミングアツプ時間
の障害にさらされる。急速加熱グロー・プラグ
を、ひとたび作動温度に達したならばそれを所望
範囲に維持するように電流を中断または調整する
制御装置と組合わせたシステムによつて、この待
ち時間をかなり短縮している。このようなシステ
ムは効果的に作動するが、コストがかさみ、構造
複雑となるという欠点がある。 或るエンジンメーカーは、温度の上昇に伴なう
コイルの抵抗の増加を通して最終的な作動温度を
制限しながら幾分ウオーミングアツプ時間を短く
することを許容する電気抵抗の正の温度係数
（PTC）を有する材料で加熱コイルを作つた自己
調整型グロー・プラグを支持している。二重コイ
ル式グロー・プラグも開発されているが、先端で
の加熱コイルをヒータ本体にあるPTCコイルと
直列に接続して性能を幾分改善している。しかし
ながら、これらのシステムは、通常、急速加熱制
御システムの急速ウオーミングアツプ性能及び／
又はグロー・プラグ耐久性について妥協してい
る。 従来のPTC型や二重コイル式のグロー・プラ
グを検討したところ、耐久性の問題はPTC材が
予燃焼室式間接噴射デイーゼルエンジンの満足で
きる始動を行なうのに必要な作動温度で酸化して
温度性能に限界があるということに一部起因して
いることがわかつた。或る種の二重コイル設計で
は、PTCコイルが先端内の高温ヒータあるいは
グロー・プラグに物理的に接近していることと共
にグロー・プラグの急速加熱を促進するようにす
るワイヤのサイズおよび材質の選択を原因として
PTCコイルの過剰温度が生じている。普通には、
このような設計では、作動温度到達後数秒以内に
電流を遮断し、寿命に大きく影響する過剰温度で
の作動を回避しなければならない。また、コイル
を閉接続することによつても、PTCコイルによ
る早期の調整を生起し、これは大きすぎる電流を
減らし、所望作動温度までのヒータ・コイルのウ
オーミングアツプを遅らせる。或る種の二重コイ
ル設計に発見した別の問題としては、溶接部を非
常に小さくして隣合つた単線のワイヤを通してコ
イルを接続しており、抵抗値を高くし、作動温度
を局部的に高くしていて早期の故障を招いている
ということがある。 発明の概要 本発明は、従来のグロー・プラグ構造に見出さ
れる問題の多くのものを解決しながら動作をかな
り改善している二重コイル式グロー・プラグ構造
あるいは外装付きヒータ構造を包含する。本発明
による外装付きヒータあるいはグロー・プラグで
は、或る種の従来のグロー・プラグ配置に見出さ
れるような抵抗線または材料の先端及び本体の二
重コイルを直列に接続している。しかしながら、
従来構造とは異なる多くの特徴を有し、急速ウオ
ーミングアツプおよび最終温度制御を望ましい状
態で組合わせて耐久性を高めるように抵抗線材料
の選択および寸法決めを行なつている。 とりわけ、本発明は一端にある高温先端コイル
と反対端にある外装付きヒータを支持する比較的
冷たいシエルの両方からPTCコイルの相対的な
断熱を行なつている。この断熱は、本体コイルに
自己発生熱に大きく依存してその作動温度を決定
させ、抵抗値を所望値まで高めてコイルの耐久性
を延ばすに充分な低さまで作動温度を制限させる
ことができるようにするに充分なものである。 先端、コイル及び本体コイルの抵抗は、好まし
くは、正しい比率をもつて選定され、先端の所望
急速加熱率を与え、次いで最高電流を調節してア
フタグロー動作が延びたときの先端、PTCコイ
ルの過熱を防ぐ。これには、各コイルを囲む熱質
量、表面積を考慮しながら初期抵抗値および最終
抵抗値を正しく選定することが必要である。 別の特徴では、先端コイル及び本体コイルは比
較的高い導電性の太い低抵抗接続を行なう大きい
表面積を介して接続してあつて接続点での発熱お
よび酸化を最小限に抑えている。好適実施例で
は、先端コイル及び本体コイルの隣接端から延
び、溶接、好ましくは機械的係合で相互に固着さ
れている相互係合小直径コイルを好ましくは含む
部分を広い範囲にわたつて溶接している。 本発明のこれらおよび他の特徴、利点は添付図
面に関連した好適実施例についての以下の説明か
らより充分に理解してもらえよう。 実施例の説明 図面を詳しく参照して、符号１０は本発明の特
徴を有するデイーゼルエンジンのグロー・プラグ
を全体的に示している。 グロー・プラグ１０は普通の金属製の外側シエ
ル１２を包含し、このシエルは一端にある円錐形
密封表面１４と、両端の中間のねじ付き部分１６
と、密封表面と反対の端にある六角形ヘツド１８
とを有する。このシエルは長手方向の内径部２０
を包含しており、この内径部の下部には本発明に
従つて形成した外装付きヒータ組立体が緊密に嵌
合してある。このヒータ組立体は全体的に２２で
示してある。 ヒータ組立体２２は内径部２０内に固定した開
放端部２６と内径部２０の軸線に沿つてシエルの
外方に突出する細長い閉鎖端部２８とを備える管
状の金属製の外装２４を包含する。 外装内には長手方向に延びる二重コイル式電気
抵抗型加熱要素３０が中心に設置してある。この
加熱要素の一端３２は外装の閉鎖端に電気接続し
てある。加熱要素は外装の閉鎖端からほぼその中
央まで延びており、ここで中央ロツドまたは端子
３４の端に取付けてある。この端子は外装２４の
開放端を通り、内径部２０を通つてシエル１２の
六角形ヘツド端の外に突出している。中央端子の
露出端には端子ブレード３６が取付けてあつて電
気装着用クリツプを受入れるようになつている。 端子３４は、端子とシエル間にあるフエノール
絶縁体３８と端子と外装開放端間にある圧縮ゴム
のＯリング４０とによつてシエル１２及び外装内
にそれらから断熱状態で中心に設置してある。外
装内の残つた空間には適当な伝熱性電気絶縁性材
４２、たとえば、圧縮粒状または粉末状酸化マグ
ネシウムが充填してあり、加熱コイルおよび端子
を外装内の中心位置に保持すると共に、外装の閉
鎖端の意図的な結合点を除いて加熱コイル、端子
間の電気接触を防いでいる。 第２図に最も良く示すように、加熱要素３０は
２つの個別のコイル、すなわち、グローあるいは
ヒータ先端コイル４４と調整PTC本体コイル４
６とで形成したいわゆる二重コイル要素である。
先端コイル４４は耐高温ワイヤ材料、たとえば、
本質的に80％のニツケルと20％のクロムからなる
合金である商品名NichromeVで作られる。先端
コイルの主発熱部は複数の比較的大きい直径のら
せん状コイル部を有する拡大中央部４８である。
これらのコイル部はその一端で徐々に小さくなる
コイル部からなる下向きのテーパの付いた端部５
０とつながる。この端部は外装の端を係合し、３
２のところで溶接してある。反対端で、先端コイ
ルは小直径の閉鎖コイル部からなる一体に密着し
て巻いた延長部を有し、本体コイルと接続するコ
ネクタ部５２を与える。 本体コイル４６は正の温度係数（PTC）ワイ
ヤ材料、たとえば、72％のニツケルと28％の鉄か
らなる合金である商品名Hytemcoで作つてある。
本体コイルの主制御発熱部は複数の比較的大きい
直径のらせん状コイル部を有する拡大中央部５４
である。これに隣接して内端部５６が徐々に小さ
くなるコイル部を通して先細になつて小コイル部
からなる密着して巻いた部分に達する。この部分
は端子ロツド３４の縮径端５８を覆つてすべり嵌
合しており、好ましくはそこに溶接してあつて確
実な機械的電気的な結合をなす。本体コイルの他
端にはコネクタ部６０があり、これは先端コイル
のコネクタ部からなる小直径コイル部のまわりに
密着嵌合する寸法となつている複数の縮径コイル
部を包含する。 好ましくは、両コイルおよびそれらのコネクタ
部は、特別に、同じ方向に巻いてあり、緊密にか
らみ合つたコネクタ部が同じリードを有する。し
たがつて、正しい寸法のとき、コネクタ部を相互
に螺合させて入れ子になつた内外の連結コイルを
形成し、これが２つのコイルの主加熱部間の多コ
イル・コネクタ・セクシヨンを画成する。しかし
ながら、任意要件として、一方を他方に螺合させ
ずただ挿入したときに互いに密着嵌合させるよう
にコネクタ部の寸法を決めてもよく、この場合、
コイルの巻き方向は同じでも反対でもよい。 加熱要素の先端及び本体コイル・コネクタ部の
係合しているコイル部は、好ましくは、多数のか
らみ合つたコイル部を相互に溶接してコイル部間
に広い電気接触面積を与えると共に、接続してい
る導電性溶接部およびワイヤの比較的大きい質量
によつて電気接続抵抗を低くしてある。この低抵
抗接続およびそれの与える電流流れ面積の増加に
より、先端コイル及び本体コイル間のコネクタ・
セクシヨンを通る電流による熱の発生を制限する
ことができ、それによつて、以下により充分に説
明するように低温動作と長寿命を約束する。 設計態様 或る特定の用途において本発明の特徴の最大の
利点を引出すためのヒータあるいはグロー・プラ
グの設計は、当然、材料および寸法使用の正しい
選定を要求する。適当な選択は公知の材料、利用
可能な設計およびテスト手順を用いて研究開発す
ることによつて達成することができる。自動車の
グロー・プラグへの応用では、耐熱性のニツケル
をベースとする超合金（nickel based super
alloy）、好ましくは、Inconel601（公称、約60.5％
のニツケル、23％のクロム、14.1％のアルミニウ
ム、0.05％の炭素、最大約0.5％の銅からなる合
金の商品名）で外装を形成するとよい。 PTC本体コイルは、Hytemco（72％のニツケル
と28％の鉄からなる合金の商品名）で作るとよい
が、市販の純ニツケルワイヤを用いてもよい。
Hytemcoは、抵抗値がニツケルの二倍であり、
抵抗温度係数（TCR）がほぼ同じであるから、
一層望ましい。こうすることにより、コイルとし
てもつと大きいサイズのワイヤを用いることがで
き、製造中の取扱いが一層容易になる。 先端ヒータコイルは、NichromeV（80％のニツ
ケルと20％のクロムからなる合金の商品名）で作
るとよく、これは或る種の他の材料よりも耐久性
が大きい。 種々の構成要素の寸法および組立体内での相対
位置関係についての選定は或る程度まで選択事項
である。グロー・プラグの先端部および本体部の
熱質量、時間に関する各セクシヨンに加わる熱エ
ネルギおよび対流、伝熱、輻射による時間に関す
る各セクシヨンからの熱損失を考えた計算を行な
うことによつて種々のグロー・プラグのウオーミ
ングアツプ、動作条件のコンピユータ・シミユレ
ーシヨンを行なうことができる。 このようなシミユレーシヨンは正しいコイル寸
法および抵抗値を選んでグロー・プラグの先端
部、本体部の所望作動温度を得る際に助けとな
る。最低先端部温度はエンジンの始動要件によつ
て決まり、本体コイル付近の最高本体温度は好ま
しくは先端部温度よりも低くて過剰酸化を回避す
ることによつて本体コイルそれ自体の耐久性を高
める。 本体コイルの耐久性は、先端コイルおよび本体
コイルの発熱部の隣接端の間に実質的に加熱され
ない空間を設けて適度な断熱状態を維持すること
によつても助けられる。図示の好ましい実施例で
は、この断熱空間はグロー・プラグ外装の外径と
ほぼ等しい長手方向距離にわたつて延びるコイル
連結セクシヨンの長さによつて与えられる。コイ
ル連結セクシヨンにおける結合したコイル接続部
分の抵抗が低いために、グロー・プラグ電流は有
意な量の熱を発生することなくこの連結セクシヨ
ンを流れる。したがつて、グロー・プラグのこの
断熱セクシヨンは先端、本体コイルの両方からそ
れに伝達された熱を放散させると共にこれらのコ
イル間の伝熱流に制限を与える。 好ましくは、両コイルの発熱部分間の断熱空間
は先端からの熱を放散させ、先端のウオーミング
アツプを遅らせるような過剰長さとなることがな
いように制限される。種々の影響を考慮すれば、
発熱コイル部分間の断熱空間の長さがグロー・プ
ラグ外装の隣接外径よりも50％小さい値から50％
大きい値までの範囲にある場合、前記の型のグロ
ー・プラグにとつて好ましい。 上述実施例の構造は、適当な電気接続部を持つ
エンジンにグロー・プラグをすえ付けたとき、電
流はブレード３６から端子３４、二重加熱要素３
０を通つて外装２４の閉鎖端に流れ、そしてそこ
からエンジンにアースしてあるシエル１２にもど
り、加熱要素をして外装付きヒータ組立体の露出
端の作動温度を上昇させる。 第１表は本発明の図示実施例の代表的なグロ
ー・プラグの構成要素についての公称仕様を挙げ
ている。

【表】 第１表に挙げた仕様を実質的に有するグロー・
プラグのウオーミングアツプ、制御特性が第３図
に示してある。制御作動温度近くまでの加熱の期
間45秒にわたつて生じた先端、本体温度はそれぞ
れ線６２，６４で示してある。ここに示した先
端、本体温度は、端子に11.5ボルトの電圧を印加
したときに各コイルの中間点で外装の表面を測定
したものである。それによつて生じた電流が線６
６で示してある。これでわかるように、先端の温
度は急勾配で上昇し、約10秒で850℃に到達し、
45秒後1000℃をやや越える温度で安定する。
PTC本体コイルに隣接した本体部分の温度は緩
い率で上昇する。本体コイルの初期抵抗値が比較
的低く、先端コイルから比較的断熱されているか
らである。 本体コイル温度が上昇するにつれて、その抵抗
もかなり上昇し、全電流が図に示すように低下
し、最終的には約11.5アンペアの初期電流から約
６アンペアの比較的安定したレベルに達する。こ
れにより、本体および先端の温度が安定すること
になる。抵抗および熱放散区域を含むこのグロ
ー・プラグの設計により、本体コイルに隣接した
本体部分の温度は約830℃で安定し、PTC本体コ
イル材料の作動範囲が広がり、しかも故障なしに
図に示すように先端の作動温度よりかなり低くな
る。 このグロー・プラグのウオーミングアツプ特性
は加熱要素を囲む外装付きヒータ部分の質量をで
きる限り小さく作ることによつて助けらることは
認識されたい。これは、グロー・プラグで可能な
５mmの外装直径を用いることによつて部分的に行
なわれる。さらに、先端コイルを囲む先端部分の
熱質量は、材質、抵抗を選んで比較的高い熱容量
を持つ実質的により短い先端コイルとすることに
よつて本体コイルを囲む本体部分に対して小さく
作る。これにより、先端部分が燃料点火温度まで
急速にウオーミングアツプするのを可能とすると
共に、本体コイルの温度上昇率を緩やかにして先
端が所望燃料点火温度に到達した後まで調節作用
の全影響を遅らせることができる。 本発明を説明の目的で選んだ特定の実施例につ
いて説明してきたが、発明の概念から逸脱するこ
となく数多くの変更をなし得ることは了解された
い。したがつて、本発明は記載した実施例に限定
されるものではなく、特許請求の範囲の表現によ
つて許される全範囲を持つものであると考える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるヒータ組立体を有するグ
ロー・プラグの部分横断面図である。第２図は第
１図のグロー・プラグのヒータ組立体の拡大横断
面図である。第３図は本発明によるグロー・プラ
グの特定の実施例からのウオーミングアツプ・デ
ータを示すグラフの図である。 〔主要部分の符号の説明〕、１０……自己調整
式電気抵抗グロー・プラグ・ヒータ、２４……外
装、３０……二重コイル加熱要素、３２……加熱
要素の一端、４２……伝熱性電気絶縁体、４４…
…先端コイル、４６……本体コイル、４８，５４
……高抵抗発熱部、５２，６０……低抵抗接続
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 自己調整式電気抵抗グロー・プラグ・ヒータ
   １０であつて、一端２８を閉鎖された細長い導電
   性管状金属製の外装２４を有し、該外装が長手方
   向に延びる自己調整式二重コイル加熱要素３０を
   収容しており、該加熱要素が一端３２を前記外装
   ２４の閉鎖端に隣接して該外装２４に電気的にア
   ースしてあり、他の部分が伝熱性電気絶縁体４２
   によつて絶縁してあり、前記加熱要素３０が急速
   加熱用先端コイル４４と電流調節正温度係数本体
   コイル４６とを有し、該先端コイル及び本体コイ
   ルはそれぞれ前記外装の隣接の露出した先端部お
   よび本体部内の共通軸線上に直列に接続してあり
   かつ長手方向に隔たつており、前記先端コイル４
   ４が前記外装２４の閉鎖端２８と接続しかつそれ
   に近接して配置してあり、また、この先端コイル
   が特定の電流で前記外装の隣接先端部を所望の正
   常動作温度まで加熱するのに有効な所定の電気抵
   抗値を有し、前記本体コイル４６が前記先端コイ
   ル４４とそれの外装閉鎖端から離れた端のところ
   で接続してあり、またこの先端コイルが前記先端
   部の所定正常動作温度よりも実質的に低い本体部
   温度で前記特定の電流を与えかつより低い動作温
   度で先端コイルの急速ウオーミングアツプのため
   の実質的に高い電流を与えるようになつている電
   気抵抗の正の温度係数を持つている型の自己調整
   式電気抵抗グロー・プラグ・ヒータにおいて、 前記本体コイル４６がコネクタ部５２，６０に
   よつて前記先端コイル４４に接続し、該コネクタ
   部５２，６０はらせん状となつておりかつそれぞ
   れのコイルの隣接した発熱部４８，５４に対して
   縮径部となつており、該らせん状の縮径コネクタ
   部５２，６０の一方が他方の内側に挿入されてお
   りかつコネクタ部の広い面積にわたつて２つのコ
   イルを接続するように密着嵌合してコネクタ部に
   おける熱の発生を最小限にすべくいずれのコイル
   の等しい長さの抵抗よりもはるかに低い抵抗の電
   気接続部を供し、前記先端コイル及び本体コイル
   の高抵抗発熱部４８，５４が前記低抵抗接続部５
   ２，６０によつて実質的な距離に隔てられてい
   て、これらのコイルを熱的に互いに隔離すると共
   に前記先端コイル４４からより低い温度の前記本
   体コイル４６への熱の伝達を制限して前記本体コ
   イル４６の動作耐久性を高めるようにしたことを
   特徴とする自己調整式電気抵抗グロー・プラグ・
   ヒータ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の自己調整式電気
   抵抗グロー・プラグ・ヒータにおいて、前記らせ
   ん状の縮径コネクタ部がその広い面積にわたつて
   互いに溶接しあつてコイル間の前記低抵抗、低温
   動作長寿命電気接続部を提供することを特徴とす
   る自己調整式電気抵抗グロー・プラグ・ヒータ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の自
   己調整式電気抵抗グロー・プラグ・ヒータにおい
   て、前記らせん状コネクタ部が同じ方向および同
   じリードで巻いてあり、相互係合しているコネク
   タ部を互いにねじ係合させるような寸法となつて
   いることを特徴とする自己調整式電気抵抗グロ
   ー・プラグ・ヒータ。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   １つの項に記載の自己調整式電気抵抗グロー・プ
   ラグ・ヒータにおいて、前記先端コイルの発熱部
   と前記本体コイルの発熱部との間の距離が前記管
   状外装の隣接外径より50％小さい値からそれより
   50％大きい値までの範囲にあることを特徴とする
   自己調整式電気抵抗グロー・プラグ・ヒータ。