JP2012509452A - 金属ヒータプローブを有するグロープラグ - Google Patents

Abstract

グロープラグアセンブリ（１１０）は、金属シェル（１１２）の内部に支持された金属ヒータプローブ（１１８）を有する。シェル（１１２）の底辺の移行区域（１４４）は、膜（１４６）および筒部（１４８）を含む。ヒータプローブ（１１８）の第１の開放端（１３０）は、筒部（１４８）と噛合う減径パイロット部（１５０）を用いて形成されて、部品同士の間の接合領域を確立する。膜（１４６）は、グロープラグアセンブリ（１１０）への圧力センサ（１５６）の一体化に適応するように、弾性的に歪み可能に形成され得る。

Description

関連出願との相互参照
なし。

発明の背景
発明の分野
本発明は概して燃焼室内の冷間始動燃焼を補助する種類のグロープラグに関し、特に金属ヒータプローブを有するグロープラグに関する。

関連技術
グロープラグは典型的に、燃焼を直接的に開始させるため、または燃焼の開始を補助するために強烈な熱源を必要とする用途に用いられる。したがってグロープラグは、数例を挙げるとスペースヒータ、工業用炉およびディーゼルエンジンに用いられる。ディーゼルエンジン用途に用いられるグロープラグは普通、開放コイル型装置またはシース型装置に分類される。シース型グロープラグはさらに、セラミック型ヒータプローブおよび金属型ヒータプローブに分けられる。金属型シースヒータプローブでは、１つ以上の螺旋状巻回抵抗配線が金属シースに入れられ、電気絶縁かつ熱導電性粉末に埋込まれている。この種類のグロープラグは、たとえば米国特許第４，９６３，７１７号に記載されている。シース内に配置される電気抵抗配線は絶縁粉末に完全に埋込まれ、絶縁粉末は、弾性Ｏリング封止材または他のガスケット装置を用いてシース内に封入される。

金属型シースヒータプローブは通常、機械的な締まりばめによってグロープラグシェルに挿入される。締まりばめは、正確な製作公差とともにプローブおよびシェルの両方からの高強度を必要とする。高強度が求められるため、これらの用途で使用可能な最小金属肉厚が制限され、シェル−管−プローブ接合部における最低可能直径がもたらされる。この必要性によって同様に、プローブの最低可能直径がもたらされ、これは現在約４ミリメートルである。したがって、接合面（プローブからシェル）は現在の技術を用いると少なくともこの直径を有しているはずである。

ディーゼルエンジンの管理は、燃焼室圧力をリアルタイムで監視すれば向上させることができる。圧力センサは独立型装置として、またはより好ましくはグロープラグに一体化されて導入され得る。一体型グロープラグ圧力センサの１つの設計では、ヒータプローブとシェルとの間に設けられた可撓性膜を用いる。これによってグロープラグ寸法が増大し、さまざまなグロープラグ部品の小型化がさらに不可能になる。現在の技術によると、金属プローブを用いると現在はこの種類のグロープラグ設計の最小直径が制限される。なぜなら、当該膜用の十分なスペースがなく、当該膜はプローブとの締まりばめを支持するのに十分強力でないからである。したがって、現在の技術を用いると、小さなグロープラグ直径を達成するために、セラミックプローブがこの種類の一体型圧力センサ用途に典型的に用いられる。セラミックプローブを用いた場合、直径は現在の技術を用いると約３．２ミリメートルまで減少させることができ、この直径減少によってグロープラグ直径全体を同様に減少させることができる。しかし、セラミックプローブは金属ヒータプローブよりも高価であるため、グロープラグのコストが増加してしまう。

したがって、コストを大幅に節約するために、グロープラグ用途に小径金属ヒータプローブを用いることが望まれる。

発明の要約
本発明は、燃焼室内の冷間始動燃焼を補助する種類のグロープラグアセンブリを提供する。本アセンブリは、軸方向のボアを規定する全体的に筒状の金属シェルと、シェルに関連付けられた移行区域とを含む。移行区域は、ボアと同心であり、かつ燃焼室の開口に接する封止材を設けるように適合された円形座部を有する。移行区域はさらに、座部から径方向内向に延在する全体的に環状の膜と、膜から軸方向に延在する中空筒部とを含む。細長いヒータプローブがシェルのボアと軸方向に並んでおり、第１の開放端と第２の閉鎖端との間に延在する全体的に筒状の金属シースを含む。シースは、全体的に円筒状の外側ボディ面を有する。シースは、自身の第１の開放端に隣接した減径パイロット部を含む。パイロット部は、外側ボディ面に比べて直径が減少しており、かつ肩部によって外側ボディ面から分離されている。減径パイロット部および肩部は、移行区域の筒部と直接接する接合領域を形成する。

本発明では、接合面、すなわちグロープラグシェルとヒータプローブとの接合部の直径をヒータプローブのボディよりも小さくすることができる金属ヒータプローブの新規の構造を説明する。ヒータプローブに対する圧縮をもたらさない固定技術によって、組立時にこの接合面に対する高応力が避けられる。したがって、接合すべき部材は、先行技術設計から従来公知であったものよりも薄い壁部分を用いることができる。

本発明の別の実施例では、説明される種類のグロープラグアセンブリは、関連燃焼室内の圧力変動を監視するための一体型圧力センサを含む。この新規の接合構造を用いることによって、金属ヒータプローブを、先行技術では収容されなかったが、グロープラグに嵌合させることができる。

本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面とともに考慮されるとより容易に認識されるであろう。

シース型金属ヒータプローブを含む種類の先行技術のグロープラグアセンブリの側面図である。 図１の線２−２に沿って全体的に切取られた先行技術のヒータプローブアセンブリの部分的な断面図である。 図２と同様の断面図であるが、本発明の原理に従って構成されたグロープラグアセンブリを示す図である。 移行区域の筒部が自身の長さに沿った可変外径を有する、本発明の代替実施例の部分的な断面図である。 図４と同様の図であるが、筒部の外径がヒータプローブの直径よりも大きく、かつレーザ溶接部が封止ガスケットの近傍に適用された、さらに別の代替実施例を示す図である。 図３と同様の本発明の断面図であるが、燃焼室内の圧力変動を監視するために電極とシェルとの間に圧力センサが取付けられた、本発明のさらに別の代替実施例を示す図である。

好ましい実施例の詳細な説明
全体にわたって同様の番号は同様のまたは対応する部分を示す図面を参照して、先行技術に係るグロープラグが図１および図２において全体的に１０で示される。グロープラグ１０は、仮想縦軸Ａに沿って延在するボア１４を有する環状金属シェル１２を含む。シェル１２は、さまざまな等級の鋼などのいずれかの好適な金属で形成され得る。シェル１２はさらに、耐高温酸化性および耐腐食性を向上させるために、外面１６を含む自身の表面のいくつかまたはすべてに、かつボア１４の内部に、ニッケルまたはニッケル合金コーティングなどのめっき層またはコーティング層を含み得る。

グロープラグアセンブリ１０は、全体的に１８で示されるヒータプローブを含む。ヒータプローブ１８は、金属シース２０、電極２２、抵抗加熱素子２４、粉末充填材料２６、および封止材２８を含む。シース２０は、全体的に筒状構造の導電性かつ熱導電性部材である。シース２０を形成するのにいずれかの好適な金属が用いられ得るが、特に内燃機関の動作に関連付けられる燃焼ガスおよび反応種に関しては、耐高温酸化性および耐腐食性を有する金属が好ましい。好適な金属合金の一例は、ニッケル−クロム−鉄−アルミニウム合金である。シース２０は、ボア１４の内部に配置され、かつシェル１２と電気接触している第１の開放端３０を有する。シース２０の第２の閉鎖端３２は、ボア１４から離れるように突出する。

シース２０は、シースプリフォーム（図示せず）がスエージ加工または他の方法によって再形成されて直径を全体的に減少させることによってその中に入れられる粉末充填材料２６の密度を増大することができる、冷間加工されたミクロ構造などの変形ミクロ構造を有し得る。

シェル１２は、ねじ山３６をエンジンシリンダヘッド、過早点火チャンバ、吸気マニホルドなどの適切なねじ穴（図示せず）に進ませるための、レンチ平面３４または他の好適に構成された工具受部を含む。テーパ座部３８が噛合特徴における相補的に成形されたポケットに当たり、動作時に気密封止部を完成する。

図２には電極２２の一部が示されており、シース２０の第１の開放端３０内に延在する埋込部分が示される。電極２２はいずれかの好適な導電性材料からなり得るが、好ましくは金属であり、より好ましくは鋼からなる。好適な等級の鋼の例は、ＡＩＳＩ １０４０、ＡＩＳＩ ３００／４００系統、ＥＮ １０２７７−３系統、Kovar^*ＵＮＳ Ｋ９４６１０およびＡＳＴＭ Ｆ１５，２９−１７合金を含む。抵抗加熱素子２４は、巻回または螺旋状巻回抵抗加熱素子を含む任意の好適な抵抗加熱素子であり得る。抵抗加熱素子２４は、グロープラグ１０の特定の用途に必要な必要時間／温度加熱反応特性を提供するように動作可能である限り、任意の好適な抵抗特性を有し得る。これは、正の温度係数特性（ＰＴＣ特性）を有する単一の（すなわち均質な）電気抵抗素子、または２つの直列接続された電気抵抗素子が端と端が繋がれて接合された二重構造を有する素子を含み得る。後者の場合、第１の抵抗素子４０が電極２２に直接接続され、シース２０の第２の閉鎖端３２に接続された第２の抵抗素子４２よりもＰＴＣ特性が高い材料から形成される。したがって、第１の抵抗素子４０は電流制限器または調整器素子として作用する一方で、第２の抵抗素子４２は加熱素子として作用する。螺旋状配線抵抗加熱素子は、数例を挙げると純ニッケル、さまざまなニッケル、ニッケル−鉄−クロムおよび鉄−コバルト合金などのさまざまな金属を含む、いずれかの好適な材料から形成され得る。したがって、図２に示される例では、螺旋状配線の二重抵抗加熱素子２４は、その近端が冶金結合部または溶接部によって電極２２に電気的に接続され、機械的に固定された状態で、シース２０内に配置される。抵抗加熱素子２４の遠端は、冶金結合部によってシース２０の第２の閉鎖端３２に電気的に接続され、機械的に固定される。この機械的取付けおよび冶金結合は、抵抗加熱素子２４の遠端がシース２０の遠端に溶接された場合に形成される。この溶接作業を用いて、開放端プリフォームの遠端の開口を封止することによって筒状シース２０の閉鎖端３２が同時に形成され得る。

次に図３を参照して、本発明に係る改良されたグロープラグアセンブリが示されており、上述の参照番号は統一性のため、および便宜上１００番台で示される。全体的に１４４で示される移行区域がシェル１１２に関連付けられる。移行区域１４４は、座部１３８から径方向内向きに延在する全体的に環状の膜１４６とともに円形座部１３８を含む。本発明のこのバージョンでは、膜１４６はシェル１１２の厚くなった一体化した延長部であり、全体的に剛性の内向きに突出する特徴を確立する。移行区域１４４はさらに、膜１４６から軸方向に延在する中空筒部１４８を含む。移行区域１４４は、小径金属ヒータプローブ１１８を支持し、確実に保持するように作用する。

ヒータプローブ１１８は、先行技術の金属プローブ設計と比較して、移行区域１４４と接合するように再構成されている。この端に向かって、金属シース１２０は、自身の第１の開放端１３０において、または第１の開放端１３０に隣接して減径パイロット部１５０を含む。パイロット部１５０はシース１２０の外側ボディ面１２１に比べて直径が小さく、肩部１５２によって外側ボディ面１２１から分離されている。減径パイロット部１５０および肩部１５２は、移行区域１４４の筒部１４８と直接接する接合領域を形成する。

筒部１４８は、自身の長さに沿って概して一定の外径を有する。本発明のこの実施例では、筒部１４８の外径はヒータプローブ１１８の外側ボディ面１２１の直径よりも大きい。筒部１４８は、はんだ付けまたはろう付けを含むさまざまな技術を用いてパイロット部１５０に取付けられ得る。代替的に、筒部１４８のパイロット部１５０への固定は、少なくとも１つの溶接部１５４を用いて達成され得る。より好ましくは、図４および図５に示されるように、少なくとも２つの軸方向に間隔を空けられた溶接部１５４が用いられる。これらの例の両方において、溶接部１５４のうちの少なくとも１つが肩部１５２を貫通する。溶接部１５４は、たとえばレーザ溶接技術、またはＴＩＧ溶接部を用いて達成され得る。代替的に、条件さえそろえば、筒部１４８は機械的な締まりばめを用いてパイロット部１５０に取付けられ得る。

図４の代替実施例では、筒部１４８は、自身の長さに沿った可変外径を有するように構成される。この場合、肩部１５２に隣接した最小外径から膜１４６に隣接した最大外径まで直線テーパが確立される。図６の代替実施例では、筒部１４８の外径は、ヒータプローブ１１８の外側ボディ面１２１の径と概して等しい。図６の代替実施例では、示された設計を用いて、非常に小さな直径のシェル１１２を有するグロープラグ１１０を作ることもできる。この設計によって、非常に小さな直径のシェル１１２に、通常は大きすぎるヒータプローブ１１８を実装することができる。これは、金属プローブ１１８の直径を小さくすることが困難または高価である場合に適用することができ、セラミックプローブのコストは現在、金属製よりもはるかに高い。

図７に、本発明のさらに別の代替実施例が示される。この例では、全体的に１５６で示される圧力センサがグロープラグアセンブリに一体化されている。圧力センサ１５６は電極１２２とシェル１１２との間に取付けられ、燃焼室内の圧力変動を監視するように適合される。この用途では、膜１４６を、弾性的に変形可能であるように大幅に薄くしなければならない。したがって、燃焼室内の圧力が変動するにつれて、ヒータプローブ１１８が電極１２２とともにシェル１１２に対して昇降する。圧力センサ１５６はこれらの動きを記録し、対応する電気信号を電子制御モジュールまたは他の好適な監視装置に伝達する。

本発明の特定の利点は、グロープラグアセンブリ１１０の製造が先行技術のグロープラグアセンブリ技術と実質的に同様であることである。１つの形成順序では、ヒータプローブ１１８がスエージ加工、ハンマー加工、機械加工、研磨などの作業によって製造された後に、パイロット部１５０が導入され得る。パイロット部１５０の最終的な直径は、封止材１２８を維持するために金属シース１２０内に十分な強度を残すように選択される。グロープラグシェル１１２は、この減径パイロット部１５０に適合するように移行区域１４４を用いて製造される。この結果、シェル１１２は、ろう付け、はんだ付け、溶接（レーザ溶接部１５４を含む）、熱焼きばめ、または工具細工および負荷を適切に制御をすれば締まりばめによってさえ、ヒータプローブ１１８に取付けられ得る。接合部１５０の直径は先行技術の設計から大幅に減少され得るため、以前はセラミックプローブしか嵌合し得なかったが、通常の金属プローブを用いることができる。部品を接合する他の形態の補足として、またはその代わりに、さまざまな形態のレーザ溶接部１５４が示される。グロープラグシェル１１２の内部に入れることができる場合は、図５に示されるようなレーザ溶接技術が好まれ得る。しかし、入れることができない場合やパイロット部１５０がこの場所において非常に薄い場合は、図４に示されるようなレーザ溶接技術が用いられ得る。また、熱焼きばめまたは光の干渉とともに、１つのレーザ溶接ビード（３つの位置のいずれかにおいて）が用いられ得る。ろう付け型接合部を採用する場合、パイロット部１５０、肩部１５２および筒部１４８の間の噛合面全体が結合され得る。

上記の本発明は関連の法的基準に従って説明したため、本説明は本来限定的なものではなく例示的なものである。開示された実施例に対する変形例および修正例が当業者にとって明らかになり得、本発明の範囲内に収まり得る。したがって、本発明に与えられる法的保護範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ決定され得る。

Claims (19)

1. 燃焼室内の冷間始動燃焼を補助する種類のグロープラグアセンブリであって、
   軸方向に延在するボアを規定する全体的に筒状の金属シェルと、
   前記シェルに関連付けられた移行区域とを備え、前記移行区域は、前記ボアと同心であり、かつ燃焼室の開口に接する封止材を設けるように適合された円形座部と、前記座部から径方向内向に延在する全体的に環状の膜と、前記膜から軸方向に延在する中空筒部とを有し、前記アセンブリはさらに、
   前記シェルの前記ボアと軸方向に並んだ細長いヒータプローブを備え、前記ヒータプローブは、第１の開放端と第２の閉鎖端との間に延在する全体的に筒状の金属シースを含み、前記シースは全体的に円筒状の外側ボディ面を有し、
   前記シースは、自身の前記第１の開放端において減径パイロット部を含み、前記パイロット部は、前記外側ボディ面に比べて直径が減少しており、かつ肩部によって前記外側ボディ面から分離されており、前記減径パイロット部および前記肩部は、前記移行区域の前記筒部と直接接する接合領域を形成する、アセンブリ。
2. 前記ヒータプローブは、前記シースの内部に配置された抵抗加熱素子と、前記抵抗加熱素子を囲む電気絶縁かつ熱導電性粉末とを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記シェルの前記ボアの内部に配置され、かつ前記ボアから電気的に絶縁された電極をさらに備え、前記電極は、前記ヒータプローブの前記抵抗加熱素子に動作可能に接触して前記抵抗加熱素子に電荷を伝達する、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記ヒータプローブは、前記シースの前記第１の開放端と前記電極との間に動作可能に配置されたプローブ封止材を含む、請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記膜および前記座部は単一構造として一体形成される、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記電極と前記シェルとの間に取付けられた圧力センサをさらに備える、請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記移行区域の前記膜は弾性的に変形可能である、請求項６に記載のアセンブリ。
8. 前記移行区域の前記筒部は、長さ、および前記長さに沿った概して一定の外径を有する、請求項５に記載のアセンブリ。
9. 前記筒部の前記外径は、前記ヒータプローブの前記外側ボディ面の直径よりも大きい、請求項８に記載のアセンブリ。
10. 前記筒部の前記外径は、前記ヒータプローブの前記外側ボディ面の直径と概して等しい、請求項８に記載のアセンブリ。
11. 前記移行区域の前記筒部は、長さ、および前記長さに沿った可変外径を有する、請求項５に記載のアセンブリ。
12. 前記移行区域の前記筒部は、少なくとも１つの溶接部を用いて前記ヒータプローブの前記パイロット部に取付けられる、請求項５に記載のアセンブリ。
13. 前記移行区域の前記筒部は、少なくとも２つの軸方向に間隔を空けられた溶接部を用いて前記ヒータプローブの前記パイロット部に取付けられる、請求項５に記載のアセンブリ。
14. 前記少なくとも２つの軸方向に間隔を空けられた溶接部のうちの１つは前記肩部を貫通する、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. 前記移行区域の前記筒部は、機械的な締まりばめを用いて前記ヒータプローブの前記パイロット部に取付けられる、請求項５に記載のアセンブリ。
16. 前記移行区域の前記筒部は、ろう付け結合部またははんだ付け結合部を用いて前記ヒータプローブの前記パイロット部に取付けられる、請求項５に記載のアセンブリ。
17. 燃焼室内の冷間始動燃焼を補助する種類のグロープラグアセンブリであって、
    軸方向に延在するボアを規定する全体的に筒状の金属シェルと、
    前記シェルに関連付けられた移行区域とを備え、前記移行区域は、前記ボアと同心であり、かつ燃焼室の開口に接する封止材を設けるように適合された円形座部と、前記座部から径方向内向に延在する全体的に環状の膜と、前記膜から軸方向に延在する中空筒部とを有し、前記アセンブリはさらに、
    前記シェルの前記ボアと軸方向に並んだ細長いヒータプローブを備え、前記ヒータプローブは、第１の開放端と第２の閉鎖端との間に延在する全体的に筒状の金属シースを含み、前記シースは、全体的に円筒状の外側ボディ面と、前記シースの内部に配置された抵抗加熱素子と、前記抵抗加熱素子を囲む電気絶縁かつ熱導電性粉末とを有し、前記アセンブリはさらに、
    前記シェルの前記ボアの内部に軸方向に配置され、かつ前記ボアから電気的に絶縁された電極を備え、前記電極は、前記ヒータプローブの前記抵抗加熱素子に動作可能に接触して前記抵抗加熱素子に電荷を伝達し、
    前記シースは、自身の前記第１の開放端において減径パイロット部を含み、前記パイロット部は、前記外側ボディ面に比べて直径が減少しており、かつ肩部によって前記外側ボディ面から分離されており、前記減径パイロット部および前記肩部は、前記移行区域の前記筒部と直接接する接合領域を形成する、アセンブリ。
18. 燃焼室内の冷間始動燃焼を補助する種類のグロープラグアセンブリであって、
    軸方向に延在するボアを規定する全体的に筒状の金属シェルと、
    前記シェルに関連付けられた移行区域とを備え、前記移行区域は、前記ボアと同心であり、かつ燃焼室の開口に接する封止材を設けるように適合された円形座部と、前記座部から径方向内向に延在する全体的に環状の膜と、前記膜から軸方向に延在する中空筒部とを有し、前記アセンブリはさらに、
    前記シェルの前記ボアと軸方向に並んだ細長いヒータプローブを備え、前記ヒータプローブは、第１の開放端と第２の閉鎖端との間に延在する全体的に筒状の金属シースを含み、前記シースは、全体的に円筒状の外側ボディ面と、前記シースの内部に配置された抵抗加熱素子と、前記抵抗加熱素子を囲む電気絶縁かつ熱導電性粉末とを有し、前記アセンブリはさらに、
    前記シェルの前記ボアの内部に軸方向に配置され、かつ前記ボアから電気的に絶縁された電極を備え、前記電極は、前記ヒータプローブの前記抵抗加熱素子に動作可能に接触して前記抵抗加熱素子に電荷を伝達し、
    前記シースは、自身の前記第１の開放端において減径パイロット部を含み、前記パイロット部は、前記外側ボディ面に比べて直径が減少しており、かつ肩部によって前記外側ボディ面から分離されており、前記減径パイロット部および前記肩部は、前記移行区域の前記筒部と直接接する接合領域を形成し、前記アセンブリはさらに、
    前記電極と前記シェルとの間に取付けられた、燃焼室内の圧力変動を監視するように適合された圧力センサを備える、アセンブリ。
19. 前記移行区域の前記膜は弾性的に変形可能である、請求項１８に記載のアセンブリ。

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