JP2015200468A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】グロープラグに備えられたコイル中のＡｌの酸化を抑制する技術を提供する。【解決手段】グロープラグは、一端が閉塞したシース管と、シース管の内側に配置されるコイルと、シース管とコイルとの間に配置される酸化物と、を備える。コイルは、アルミニウムを含む芯材と、芯材の外周を被覆するニッケル層と、を含むクラッド材により形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、グロープラグに関する。

グロープラグは、一般に、コイルとシース管とを備える。コイルとシース管との間には、ＭｇＯ等の酸化物が充填される。グロープラグの使用時には、発熱と冷却とが繰り返されるため、コイル中の金属成分が酸化物中の酸素と反応し、コイルが酸化されてしまう場合がある。このような問題に関し、例えば、特許文献１では、コイルを白金で被覆することによりコイル中の鉄（Ｆｅ）の酸化を防止している。

特開２００１−１５３３５９号公報 特開２００４−２６３９５１号公報

コイルの材料としては、Ｆｅに加えて、アルミニウム（Ａｌ）を含む合金が用いられる場合がある。この場合、ＦｅよりもＡｌの方が、イオン化傾向が大きく、酸化されやすい。そのため、グロープラグに備えられたコイル中のＡｌの酸化を抑制することが可能な技術が望まれている。

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。

（１）本発明の一形態によれば、グロープラグが提供される。このグロープラグは、一端が閉塞したシース管と；前記シース管の内側に配置されるコイルと；前記シース管と前記コイルとの間に配置される酸化物と、を備え、前記コイルは、アルミニウムを含む芯材と、前記芯材の外周を被覆するニッケル層と、を含むクラッド材により形成されていることを特徴とする。このような形態のグロープラグであれば、ニッケル層によって芯材が被覆されているため、酸化物中の酸素によって、芯材中のアルミニウムが酸化されてしまうことを抑制することができる。

（２）上記形態のグロープラグにおいて、前記ニッケル層の厚みが１０μｍ以上であってもよい。このような形態であれば、コイルの耐久性や温度性能が低下することを効果的に抑制することができる。

（３）上記形態のグロープラグにおいて、前記ニッケル層の厚みが５０μｍ以下であってもよい。このような形態であれば、ニッケル層によって芯材を被覆することによりコイルの温度性能が低下してしまうことを効果的に抑制することができる。

（４）上記形態のグロープラグにおいて、前記芯材は、更に、鉄とクロムとを含んでもよい。

本発明は、上述したグロープラグとしての形態に限らず、種々の形態で実現することが可能である。例えば、グロープラグの製造方法や、グロープラグを備える内燃機関あるいは車両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を示す説明図である。 シースヒータの詳細な構成を示す断面図である。 発熱コイルの断面図である。

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１０を示す説明図である。グロープラグ１０は、熱を発生させるシースヒータ（発熱装置）８００を備え、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関の始動時における点火を補助する熱源として機能する。グロープラグ１０は、シースヒータ８００の他、中軸２００と、主体金具５００とを備える。これらグロープラグ１０を構成する部材は、グロープラグ１０の軸線Ｏに沿って組み付けられている。図１では、軸線Ｏから紙面右側に外観構成を図示し、軸線Ｏから紙面左側に断面構成を図示した。なお、本明細書では、グロープラグ１０におけるシースヒータ８００側を「先端側」と呼び、係合部材１００側を「後端側」と呼ぶ。

主体金具５００は、炭素鋼を筒状に成形した部材である。主体金具５００は、先端側の端部においてシースヒータ８００を保持する。また、主体金具５００は、後端側の端部において絶縁部材４１０およびＯ（オー）リング４６０を介して中軸２００を保持する。絶縁部材４１０の軸線Ｏに沿った位置は、絶縁部材４１０の後端に接するリング３００が中軸２００に加締められることで固定される。更に、主体金具５００は、絶縁部材４１０からシースヒータ８００に至る中軸２００の部位を内包する。

主体金具５００は、軸孔５１０と、工具係合部５２０と、雄ネジ部５４０とを備える。軸孔５１０は、軸線Ｏに沿って形成された貫通孔であり、中軸２００よりも大きな径を有する。軸孔５１０に中軸２００が位置決めされた状態で、軸孔５１０と中軸２００との間には、両者を電気的に絶縁する空隙が形成される。軸孔５１０の先端側には、シースヒータ８００が圧入されて接合されている。主体金具５００の工具係合部５２０は、グロープラグ１０の取り付けおよび取り外しに用いられる工具に係合する。雄ネジ部５４０は、内燃機関に形成された雌ネジに嵌り合う。

中軸２００は、導電材料で円柱状に成形された部材である。中軸２００は、主体金具５００の軸孔５１０に挿入された状態で軸線Ｏに沿って組み付けられる。中軸２００は、先端側に形成された先端部２１０と、後端側に設けられた雄ネジ部２９０とを備える。先端部２１０は、シースヒータ８００の内部に挿入される。雄ネジ部２９０は、主体金具５００から後端側に突出している。雄ネジ部２９０には、係合部材１００が嵌り合う。

図２は、シースヒータ８００の詳細な構成を示す断面図である。シースヒータ８００は、シースヒータ８００の内部に中軸２００の先端部２１０が挿入された状態で、主体金具５００の軸孔５１０に圧入され接合されている。シースヒータ８００は、シース管８１０と、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを備える。

シース管８１０は、軸線Ｏ方向に延び、一端（先端）が閉塞した筒状部材である。シース管８１０は、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを内包する。シース管８１０は、外側に向けて丸く形成された先端部８１１と、先端部８１１とは反対側に開口した端部である後端部８１９とを備える。この後端部８１９からシース管８１０の内部に中軸２００の先端部２１０が挿入されている。シース管８１０は、パッキン６００および絶縁粉末８４０によって中軸２００と電気的に絶縁される。一方、シース管８１０は、主体金具５００と接触して電気的に接続されている。シース管８１０は、例えば、鉄とクロムと炭素とを含有するオーステナイト系ステンレス材料によって形成されている。

発熱コイル８２０は、シース管８１０の内側に軸線Ｏ方向に沿って配置され、通電によって発熱する。発熱コイル８２０は、先端側のコイル端部である先端部８２１と、後端側のコイル端部である後端部８２９とを備える。先端部８２１は、シース管８１０の先端部８１１の内壁に溶接されることによりシース管８１０と電気的に接続される。後端部８２９は、制御コイル８３０に溶接されることにより制御コイル８３０と電気的に接続される。発熱コイル８２０の詳細については後述する。

制御コイル８３０は、発熱コイル８２０を形成する材料よりも電気比抵抗の温度係数が大きい導電材料（例えば、ニッケルや、コバルト−ニッケル合金）で形成されたコイルである。制御コイル８３０は、シース管８１０の内側に設けられ、発熱コイル８２０に供給される電力を制御する。制御コイル８３０は、先端側のコイル端部である先端部８３１と、後端側のコイル端部である後端部８３９とを備える。先端部８３１は、発熱コイル８２０の後端部８２９に溶接されることにより発熱コイル８２０と電気的に接続される。後端部８３９は、中軸２００の先端部２１０に接合されることにより中軸２００と電気的に接続される。

絶縁粉末８４０は、電気絶縁性を有する絶縁材料の粉末である。絶縁粉末８４０としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末が用いられる。絶縁粉末８４０は、シース管８１０と、発熱コイル８２０および制御コイル８３０との間に充填（配置）され、シース管８１０と、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、中軸２００との各隙間を電気的に絶縁する。

図３は、発熱コイル８２０の断面図である。図３には、シースヒータ８００の軸線Ｏに沿った半断面における発熱コイル８２０の断面を示している。発熱コイル８２０は、アルミニウムを含む芯材８２２と、芯材８２２の外周に接合され、芯材８２２の外周を被覆するニッケル層８２３と、を含むクラッド材により形成されている。

本実施形態では、芯材８２２として、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金を用いている。これら各成分の含有率は、例えば、Ｆｅは、６０〜８０質量％であり、Ｃｒは１５〜３０質量％であり、Ａｌは４〜１０質量％である。本実施形態では、Ｆｅが６５質量％、Ｃｒが２６質量％、Ａｌが７．５質量％である。ニッケル層８２３は、純度が９９．０％以上のニッケル（Ｎｉ）によって形成されている。ニッケル層８２３のＡｌ含有率は、０．１０質量％以下であり、好ましくは、０質量％である。ニッケル層８２３は、Ｎｉ以外に、例えば、炭素（Ｃ）を０．０２質量％以下、硫黄（Ｓ）を０．０１質量％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．３０質量％以下、Ｆｅを０．４０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．３０質量％以下、銅（Ｃｕ）を０．２０質量％以下、含有してもよい。

発熱コイル８２０の材料となるクラッド材は、Ｎｉによって形成されたパイプ状の材料に芯材を挿入して中間体を形成し、その中間体を引き抜き加工によって所定の径（例えば、０．４ｍｍ）に絞ることで形成される。発熱コイル８２０は、こうして形成されたクラッド材に、コイル巻き加工を施すことで形成される。

上述したように、本実施形態では、発熱コイル８２０が、ニッケルを含むクラッド材によって形成されている。そのため、ニッケルを含む制御コイル８３０との溶接を良好に行うことができる。また、本実施形態では、発熱コイル８２０が、ニッケルを含むクラッド材によって形成されているため、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金だけで形成されるよりも、Ｆｅ成分の割合を少なくすることができる。そのため、発熱コイル８２０の先端部８２１とシース管８１０の内壁との溶接部における耐食性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、グロープラグ１０は、コイルとして、発熱コイル８２０と制御コイル８３０との２種類のコイルを備えているが、グロープラグ１０は、発熱コイル８２０だけを備える構成であっても良い。

Ｂ．グロープラグの評価：
以下の表１には、グロープラグについて評価試験を行った結果を示している。この評価試験では、表１に示す７種類のグロープラグ１０のサンプルを用意し、それぞれのサンプルについて、温度性能と、性能劣化と、耐久性と、について評価を行った。サンプル１は、発熱コイル８２０が芯材（つまり、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金）のみによって形成されたサンプルである。サンプル２〜４は、芯材８２２の外周にニッケルめっきが形成されたサンプルである。サンプル５〜７は、上記実施形態に従ってクラッド材を使用することにより、芯材８２２の外周にニッケル層８２３が形成されたサンプルである。

サンプル２およびサンプル５は、芯材の外周に形成された外層（ニッケルめっき、または、クラッド材によって形成されたニッケル層８２３）の厚み（図３における厚みＴ）が１０μｍ未満である。具体的には、サンプル２およびサンプル５として、外層の厚みが５μｍのサンプルを用いた。サンプル３およびサンプル６は、外層の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下である。具体的には、サンプル３およびサンプル６として、外層の厚みが、１０μｍ，３０μｍ，５０μｍのものを用いた。サンプル４およびサンプル７は、外層の厚みが５０μｍ超である。具体的には、サンプル４またはサンプル７として、外層の厚みが、８０μｍのものを用いた。各サンプルの発熱コイル８２０の直径は、外層の厚みも含め、いずれも０．４ｍｍである。

表２は、温度性能、性能劣化、耐久性のそれぞれの評価方法と、表１における評価結果（「○」、「△」、「×」）の基準を示している。

表２に示すように、温度性能については、グロープラグ１０に定格電圧（例えば、１１Ｖ）を印加して、シースヒータ８００の３０秒後の最高発熱部の温度を放射温度計により測定し、測定された温度を、サンプル１を同条件によって測定した温度と比較することにより評価した。この温度性能の評価結果において、「○」は、サンプル１よりも、２％以内の範囲で温度が低かったことを示している。「△」は、サンプル１よりも、２％超１０％未満の範囲で温度が低かったことを示している。「×」は、サンプル１よりも、１０％以上、温度が低かったことを示している。表１に示すように、この温度性能の評価結果によれば、サンプル２，３，５，６の評価が「○」であり、サンプル４，７の評価が「△」であった。つまり、芯材８２２の外周を覆う外層（ニッケルめっき、または、ニッケル層８２３）の厚みは、５０μｍ以下が好ましいことが示された。外層の厚みが厚くなるほど温度性能が低下するのは、外層の厚みが厚くなると、それだけ、芯材８２２の直径が小さくなり、電気抵抗が小さくなるからである。

表２に示すように、性能劣化については、グロープラグ１０に定格電圧を６０秒間印加して、その後、６０秒間、風冷するサイクルを繰り返す通電耐久試験を実施し、試験開始から温度性能が１０％低下したサイクル数を、サンプル１を同条件によって測定したサイクル数と比較することにより評価した。この性能劣化の評価結果において、「○」は、サンプル１に対してサイクル数が１０％以上増加したことを示している。「△」は、サンプル１に対してサイクル数が１０％未満の増加であったことを示している。「×」は、サンプル１に対してサイクル数が同等若しくは劣ったことを示している。表１に示すように、この性能劣化の評価試験によれば、サンプル６，７の評価が「○」であり、サンプル４，５の評価が「△」であった。また、サンプル２，３の評価は「×」であった。つまり、発熱コイル８２０の外層としては、ニッケルめっきよりも、クラッド材によって形成されたニッケル層８２３の方が好ましく、更に、ニッケル層８２３の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましいことが示された。

表２に示すように、耐久性については、グロープラグ１０に対して、上述した通電耐久試験を実施し、発熱コイル８２０が断線したサイクル数を、サンプル１を同条件によって測定したサイクル数と比較することにより評価した。この耐久性の評価結果において、「○」は、サンプル１に対してサイクル数が１０％以上増加したことを示している。「△」は、サンプル１に対してサイクル数が１０％未満の増加であったことを示している。「×」は、サンプル１に対してサイクル数が同等若しくは劣ったことを示している。表１に示すように、この耐久性の評価試験によれば、サンプル６，７の評価が「○」であり、サンプル４，５の評価が「△」であった。また、サンプル２，３の評価は「×」であった。つまり、この耐久性の評価試験においても、性能劣化の評価試験と同様に、発熱コイル８２０の外層としては、ニッケルめっきよりも、クラッド材によって形成されたニッケル層８２３の方が好ましく、更に、ニッケル層８２３の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましいことが示された。

上述した性能劣化の評価試験や耐久性の評価試験において、ニッケルめっきよりも、クラッド材によって形成されたニッケル層８２３の方が良い評価となったのは、めっき処理では、厚みを増したとしても、ピンホールの形成が避けられず、そのピンホールを通じて、芯材８２２中のＡｌと絶縁粉末（ＭｇＯ）８４０中の「Ｏ」とが反応してしまうためであると考えられる。芯材８２２中のＡｌと絶縁粉末８４０中の「Ｏ」とが反応して芯材８２２が酸化されると、その部分における芯材８２２の抵抗値が下がるため、芯材８２２に抵抗値の分布が生じる。そうすると、発熱コイル８２０中の一部が局所的に温度上昇する場合があり、性能の劣化や耐久性の低下を招くことになる。

以上で説明した評価試験の結果によれば、グロープラグ１０の発熱コイル８２０には、ニッケルめっきが施されているよりも、クラッド材の使用によってニッケル層８２３が形成されていることが好ましく、また、ニッケル層８２３の厚みは、１０μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましいことが示された。こうしたグロープラグ１０であれば、グロープラグ１０を繰り返し使用した際に、発熱コイル８２０を構成する芯材８２２中のＡｌの酸化が抑制されるため、抵抗値の変化が小さくなる。そのため、発熱コイル８２０の温度分布の変化も小さくなるので、温度が局所的に高くなるなどの異常が生じにくく、耐久性が高い（つまり、断線しにくい）グロープラグ１０を提供することが可能になる。

なお、発熱コイル８２０の外層がクラッド材によって形成されているか、めっきによって形成されているかは、ＣＰ（クロスセクションポリッシャ）加工によって発熱コイル８２０の断面を図３のように形成し、その断面における外層部分を走査型電子顕微鏡等によって観察することで判別することが可能である。具体的には、外層部分に均一な組織が観察されれば、外層がクラッド材によって形成されていることが判別できる。一方、外層部分に、厚み方向に延びる柱状の組織が観察されれば、外層がめっきによって形成されていることが判別できる。なお、ＣＰ加工とは、イオンビームと遮蔽板とを用いて試料の断面を加工する技術である。

本発明は、上述の実施形態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。

１０…グロープラグ
１００…係合部材
２００…中軸
２１０…先端部
２９０…雄ネジ部
３００…リング
４１０…絶縁部材
４６０…リング
５００…主体金具
５１０…軸孔
５２０…工具係合部
５４０…雄ネジ部
６００…パッキン
８００…シースヒータ
８１０…シース管
８１１…先端部
８１９…後端部
８２０…発熱コイル
８２１…先端部
８２２…芯材
８２３…ニッケル層
８２９…後端部
８３０…制御コイル
８３１…先端部
８３９…後端部
８４０…絶縁粉末
Ｏ…軸線

Claims (4)

1. 一端が閉塞したシース管と、
   前記シース管の内側に配置されるコイルと、
   前記シース管と前記コイルとの間に配置される酸化物と、
   を備えるグロープラグであって、
   前記コイルは、アルミニウムを含む芯材と、前記芯材の外周を被覆するニッケル層と、を含むクラッド材により形成されていることを特徴とするグロープラグ。
2. 請求項１に記載されたグロープラグであって、
   前記ニッケル層の厚みが１０μｍ以上であることを特徴とするグロープラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載されたグロープラグであって、
   前記ニッケル層の厚みが５０μｍ以下であることを特徴とするグロープラグ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載されたグロープラグであって、
   前記芯材は、更に、鉄とクロムとを含むことを特徴とするグロープラグ。

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