JP5584370B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに使用されるグロープラグに関する。

従来から、ディーゼルエンジンの始動補助等に使用されるグロープラグとして、先端部の閉じた金属製のチューブ（シーズ管）内に、発熱コイルを収容するとともにＭｇＯ粉末等の絶縁粉末を封入したシーズヒータを用いるものが知られている。発熱コイルの材質としては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金やＮｉ−Ｃｒ合金等が知られている。

Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金は、融点が１５２０℃と高い。一方、Ｎｉ−Ｃｒ合金は、融点が１３７０℃であり、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金と比べて１５０℃も融点が低い。このため、発熱コイルの材質としてＮｉ−Ｃｒ合金を用いると、急速昇温時に発熱コイルが溶損してしまう可能性がある。そこで、従来は発熱コイルの材質としてＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を使用するのが一般的であった。また、発熱コイルの急速昇温を可能とし、かつ、過昇温を防止するため、ＮｉやＦｅを主成分とする制御コイルをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金からなる発熱コイルに直列に接続した構成としたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−１５７４８５号公報

上述したように、従来の急速昇温可能なグロープラグでは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金からなる発熱コイルと、ＮｉやＦｅを主成分とする制御コイルを直列に接続し、シーズ管内に収容した構成となっているものが多い。

しかしながら、発熱コイルにＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を用いた場合、発熱コイル中のＡｌが酸化されることによってＡｌ濃度が徐々に低下し、その抵抗値が低下するため、発熱コイルを流れる電流が次第に増大し、発熱コイルが劣化して断線してしまう（以下、劣化断線という）という問題が発生することが分かった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものである。本発明は、発熱コイル中のＡｌ濃度の低下による抵抗値の減少によって発熱コイルの劣化断線が生じることを防止できるとともに、急速昇温時の過昇温による発熱コイルの溶損を防止することができ、断線寿命の長期化を図ることのできるグロープラグを提供することを目的とする。

本発明のグロープラグの一態様は、軸線方向に延びる筒状の主体金具と、先端が閉じた金属製のチューブ、及び前記チューブ内に収容されたコイルを有し、前記チューブ内に絶縁粉末が充填され、前記主体金具に装着されたヒータと、先端側が前記チューブ内にて前記コイルに接続され、後端側が前記チューブの後端から突出した中軸と、を備えたグロープラグであって、前記コイルは、前記チューブ内の先端側に配置されるＮｉ−Ｃｒ合金からなる発熱コイルと、当該発熱コイルの後端側に接続された制御コイルとを有し、常温抵抗値が３００ｍΩ〜５００ｍΩであり、通電開始より２秒後までの前記発熱コイルの累積発熱量が４００Ｗ以下であり、前記通電開始時における突入電流値と、前記通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流値／通電開始より２秒後の電流値）が１．２以上であり、前記制御コイルの温度抵抗係数が５以上であり、前記制御コイルの軸線方向の長さをＬとしたときに、前記制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値が２５ｍΩ以上であることを特徴とする。

上記構成の本発明のグロープラグでは、Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる発熱コイルを用いることによって、発熱コイル中のＡｌ濃度の低下による抵抗値の減少によって発熱コイルの劣化断線が生じることを防止することができる。また、ヒータを構成するコイルは、発熱コイルの後端側に制御コイルが直列に接続された構成とされ、常温抵抗値が３００ｍΩ〜５００ｍΩ、通電開始より２秒後までの発熱コイルの累積発熱量が４００Ｗ以下、通電開始時における突入電流値と、通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流値／通電開始より２秒後の電流値）が１．２以上、制御コイルの温度抵抗係数（１０００℃の抵抗値／２０℃の抵抗値）が５以上、制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値が２５ｍΩ以上となっており、これによって、通電開始より２秒後の温度が略１０００℃となる急速昇温が可能で、かつ、急速昇温時の過昇温によって発熱コイルが溶損することを防止することができる。その結果、断線寿命の長期化を図ることができる。

上記のように常温抵抗を３００ｍΩ〜５００ｍΩとするのは、以下のような理由による。すなわち、常温抵抗は突入電流値に大きく影響を与え、例えば、１１Ｖで２秒間電圧を印加した際に、常温抵抗が３００ｍΩ未満であると、突入電流値が大きくなり過ぎて発熱コイルへの負担が大きくなり、急速昇温時の過昇温によって、発熱コイルが溶損するからである。また。常温抵抗が５００ｍΩを超えた場合、例えば、１１Ｖの電圧を印加した時の突入電流値が小さくなり過ぎ、急速昇温が難しくなるからである。

また、上記のように通電開始より２秒後までの発熱コイルの累積発熱量を４００Ｗ以下とするのは、発熱コイルの累積発熱量が４００Ｗを超えた場合、発熱コイルへの負担が大きくなり、急速昇温時の過昇温によって、発熱コイルが溶損するからである。なお、本発明では、通電開始から２秒後のチューブ表面の温度を略１０００℃以上とすることを前提としている。

さらに、通電開始より２秒後の電流値の比を１．２以上とするのは、この比が１．２未満であると急速昇温時に制御コイルの抵抗値が大きくならないため、発熱コイルの負荷が大きくなり、急速昇温時の過昇温によって、発熱コイルが溶損するからである。

さらにまた、制御コイルの温度抵抗係数を５以上とするのは、制御コイルの温度抵抗係数が５未満であると、通電開始より２秒後の電流値が大きくなり、発熱コイルの負荷が大きくなって、急速昇温時の過昇温によって、発熱コイルが溶損するからである。

さらに、制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値が２５ｍΩ以上とするのは、制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値が２５ｍΩ未満であると、通電開始より２秒後の電流値が大きくなり、発熱コイルの負荷が大きくなって、急速昇温時の過昇温によって、発熱コイルが溶損するからである。

上記構成のグロープラグでは、ヒータの発熱コイルが存在する部分における単位体積あたりの抵抗値を３．０ｍΩ／ｍｍ^３〜５．０ｍΩ／ｍｍ^３とすることが好ましい。これは、単位体積あたりの抵抗値が３．０ｍΩ／ｍｍ^３未満であると、急速昇温させてシーズ（チューブ）表面を所定温度にするために、発熱コイルの単位体積あたりの発熱量を大きくする必要が生じ発熱コイルの負荷が大きくなるからである。一方、単位体積あたりの抵抗値が５．０ｍΩ／ｍｍ^３を超える場合は、コイルの巻き線間隔が狭くなりすぎて、隣り合うコイルが互いの発熱の影響を受けるため、発熱コイルが過昇温して発熱コイルの負荷が大きくなるためである。

また、上記構成のグロープラグでは、発熱コイルを構成する線材の断面積を０．１５ｍｍ^２〜０．３０ｍｍ^２とすることが好ましい。

上記のように、発熱コイルを構成する線材の断面積を０．１５ｍｍ^２〜０．３０ｍｍ^２とするのは、以下のような理由による。すなわち、線材の断面積が０．３０ｍｍ^２を超えると巻線間隔が狭くなり、発熱コイルの負荷が大きくなるためである。一方、線材の断面積が０．１５ｍｍ^２未満となるとシーズ（チューブ）表面を所定温度にするために、発熱コイルの負荷が大きくなるからである。なお、ヒータ中心軸を含む任意断面における線材の断面形状は、有効発熱部において、軸線方向に長軸、径方向に短軸をもつ楕円形状とすることが好ましい。これによって、効率良くシーズ（チューブ）の表面の温度を上昇させることができ、急速昇温性を高めることができる。

本発明によれば、発熱コイル中のＡｌ濃度の低下による抵抗値の減少を防止できるとともに、急速昇温時の過昇温による発熱コイルの溶融断線を防止することができ、断線寿命の長期化を図ることのできるグロープラグを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るグロープラグの概略構成を示す図。 図１のグロープラグの断面概略構成を示す図。 図１のグロープラグの要部断面概略構成を示す図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るグロープラグ１の全体概略構成を示す図であり、図２はグロープラグ１の縦断面概略構成を示す図であり、図３グロープラグ１の要部縦断面概略構成を示す図である。

図１、図２に示すように、グロープラグ１は、筒状の主体金具２と、主体金具２に装着されたシーズヒータ３とを備えており、軸線Ｃ_１方向に延びている。

主体金具２には、軸線Ｃ_１方向に貫通する軸孔４が形成されている。また、主体金具２の外周面には、ディーゼルエンジンへの取付用のねじ部５と、トルクレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部６とが形成されている。

シーズヒータ３は、シーズ管７を具備している。図３に示すように、シーズ管７は、先端部が閉じた金属製、例えばニッケル基合金等からなる筒状のチューブから構成されている。

シーズ管７の内側には、シーズ管７の先端に接合される発熱コイル９と、当該発熱コイル９の後端に直列接続された制御コイル１０とからなるコイル２０が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末等の絶縁粉末１１とともに封入されている。シーズ管７と発熱コイル９とは、先端部において接合されている。

さらに、シーズ管７の後端は、中軸８との間で環状ゴム１７により封止されている。加えて、前述のように、発熱コイル９は、その先端においてシーズ管７と導通しているが、発熱コイル９及び制御コイル１０の外周面とシーズ管７の内周面とは、絶縁粉末１１の介在により絶縁された状態となっている。

発熱コイル９は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）合金の抵抗発熱線により構成されている。また、制御コイル１０は、発熱コイル９の材質よりも電気比抵抗の温度係数が大きい材質、例えば、コバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）−Ｆｅ系合金等に代表されるＣｏ又はＮｉを主成分とする抵抗発熱線により構成されている。発熱コイル９は、通電によって発熱し、シーズ管７の表面温度を所定の温度まで昇温させ、制御コイル１０は、発熱コイル９の過昇温を生じ難くする。このように、本実施形態のグロープラグ１では、Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる発熱コイル９を用いることによって、発熱コイル９中のＡｌ濃度の低下による抵抗値の減少によって、発熱コイルの劣化断線が生じることを防止することができる。

また、ヒータを構成するコイル２０は、発熱コイル９の後端側に制御コイル１０が直列に接続された構成とされ、常温抵抗値が３００ｍΩ〜５００ｍΩ、通電開始より２秒後までの発熱コイル９の累積発熱量が４００Ｗ以下、通電開始時における突入電流値と、通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流値／通電開始より２秒後の電流値）が１．２以上、制御コイル１０の温度抵抗係数（１０００℃の抵抗値／２０℃の抵抗値）が５以上、制御コイル１０の先端Ｔ１からＬ／２までの部位Ｓにおける抵抗値が２５ｍΩ以上とされている。なお、「制御コイル１０の軸線Ｃ_１方向の長さＬ」とは、図３に示すように、発熱コイル９と溶接された制御コイル１０の先端Ｔ１から、中軸８と溶接された制御コイル１０の後端Ｔ２までの長さのことを指す。そして、部位Ｓは、図３に示すように、制御コイル１０の先端からＬ／２までの部位（図３では、先端からＬ／２の位置を点線で示す）のことを指す。このような発熱コイル９、制御コイル１０の構成を採用することによって、通電開始より２秒後の温度が略１０００℃となる急速昇温が可能で、かつ、急速昇温時の過昇温によって発熱コイル９が溶損することを防止することができる。その結果、断線寿命の長期化を図ることができる。

なお、シーズヒータ３の発熱コイル９が存在する部分における単位体積あたりの抵抗値を３．０ｍΩ／ｍｍ^３〜５．０ｍΩ／ｍｍ^３とすることが好ましい。また、発熱コイル９を構成する線材の断面積を０．１５ｍｍ^２〜０．３０ｍｍ^２とすることが好ましい。さらに、シーズヒータ３の中心軸を含む断面における発熱コイル９を構成する線材の断面形状は、有効発熱部において、軸線方向に長軸、径方向に短軸をもつ楕円形状とすることが好ましい。

シーズ管７には、スウェージング加工等によって、その先端部に発熱コイル９等を収容する小径部７ａが形成されるとともに、その後端側において小径部７ａよりも径の大きい大径部７ｂが形成されている。そして、この大径部７ｂが、主体金具２の軸孔４に形成された小径部４ａに対し圧入接合されることにより、シーズ管７が主体金具２の先端より突出した状態で保持される。

中軸８は、自身の先端がシーズ管７内に挿入され、制御コイル１０の後端Ｔ２と電気的に接続されるとともに、主体金具２の軸孔４に挿通されている。中軸８の後端は主体金具２の後端から突出しており、この主体金具２の後端部においては、ゴム製等のＯリング１２、樹脂製等の絶縁ブッシュ１３、絶縁ブッシュ１３の脱落を防止するための押さえリング１４、及び、通電ケーブル接続用のナット１５がこの順序で中軸８に嵌め込まれた構造となっている（図２参照）。

次いで、グロープラグ１の製造方法について説明する。まず、シーズヒータ３を製造する際には、まず、Ｎｉ−Ｃｒ合金の抵抗発熱線をコイル形状に加工し、発熱コイル９を得る。

次いで、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金等の抵抗発熱線をコイル形状に加工し、制御コイル１０を得る。そして、発熱コイル９の後端部分と、制御コイル１０の先端部分とを、接合部位２２においてアーク溶接等によって接合する。さらに、制御コイル１０の後端側に、中軸８をアーク溶接等によって接合する。

一方、先端が閉じておらず、先端に開口を有し、最終寸法より加工代分だけ大径に形成された円筒状のチューブ素材を準備する。そして、このチューブ素材の中に、中軸８の先端部分と、当該中軸８と一体となった発熱コイル９及び制御コイル１０からなるコイル２０を配置する。

そして、外側からアーク溶接等を行うことによって、チューブ素材の先端部分の開口を閉塞させるとともに、チューブ素材の先端部分と発熱コイル９の先端部分とを接合する。

次に、チューブ素材内に絶縁粉末を充填した後、当該チューブ素材にスウェージング加工を施す。これにより、小径部７ａを有するシーズ管７が形成されるとともに、当該シーズ管７が中軸８と一体となってシーズヒータ３が完成する。

そして、上記のように形成されたシーズヒータ３が主体金具２の軸孔４に圧入固定されるとともに、主体金具２の後端部分において、Ｏリング１２や絶縁ブッシュ１３等が中軸８に嵌め込まれることで、グロープラグ１が完成する。

次に、実施例及び比較例について説明する。表１に示すように、発熱コイルの材質がＮｉ−Ｃr合金からなる実施例１〜５及び比較例３〜７、発熱コイルの材質がＦｅ−Ｃｒ−Ａｌからなる比較例１、２のグロープラグを作成した。これらの実施例１〜５及び比較例１〜７のグロープラグのコイルの常温抵抗値（ｍΩ）、通電開始より２秒後の発熱コイルの累積発熱量（Ｗ）、突入電流値と通電開始より２秒後の電流値との比（突入電流／２秒時電流）、制御コイルの温度抵抗係数、制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値（ｍΩ）、ヒータの発熱コイルが存在する部分における単位体積あたりの抵抗値（ｍΩ／ｍｍ^３）、発熱コイルを構成する線材の有効発熱部の断面積（ｍｍ^２）は、夫々表１に示す値となっていた。なお、表１に示す各実施例１〜５及び比較例１〜７の測定は、以下のようにして行った。

常温抵抗値は、常温（２５℃）でのグロープラグの抵抗値を計測した。
発熱コイルの累積発熱量は、グロープラグに通電し、突入時〜２秒時までの電流値を常に計測し、Ｗ＝ＲＩ^２にて累積を計測した（発熱コイルの抵抗値Ｒは発熱コイルの温度を温測プラグで確認して、発熱コイルの温度抵抗係数を掛け合わせることで算出した。）。
通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流／２秒時電流）は、通電開始後２秒で略１０００℃となるように通電した際の突入電流値及び２秒時の電流値を夫々計測してその比を求めた。
制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値は、グロープラグのシーズ管７を取り外し、制御コイルの先端とＬ／２までの部位とに端子を接触させて抵抗測定機で測定した。
単位当たりの抵抗値は、発熱コイル部分に相当するシーズ管の体積（シーズ管の厚みを含む）と、発熱コイルの抵抗値から算出した。

そして、上記の各実施例１〜５及び比較例１〜７について、抵抗値低下、急速昇温性、断線寿命の試験を行いその評価を行った。この評価結果を表２に示す。

上記の抵抗値低下については、以下のようにして試験を行い評価した。机上耐久試験により、
１サイクル：通電開始→２秒時（シーズ管温度１０００℃）→その電流値でそのまま通電→飽和温度１１００℃を１８０秒→１２０秒冷却
上記の試験を２０００サイクル行った時の常温抵抗値の低下が初期の常温抵抗値に対して５％未満を○、５％以上を×とした。

急速昇温性については、以下のようにして試験を行い評価した。グロープラグへの初期通電で判断した。なお、温度の測定はチューブの先端から２ｍｍの位置にて熱電対等を用いて計測した。
１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が９５０℃以上１０５０℃以下であれば◎。
１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が９００℃以上９５０℃未満、又は１０５０℃を超え１１００℃以下であれば○。
１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が９００℃未満、又は１１００℃を超えた場合は×。

断線寿命については、上記の抵抗値低下と同様の机上耐久試験を行い以下のように評価した。なお、急速昇温性が所定の評価が×となったグロープラグについては、断線寿命の評価を行わなかった。
断線サイクル数が８０００以上が◎。
断線サイクル数が５０００以上８０００未満が○。
断線サイクル数が５０００未満が×。

表２の評価結果に示されるように、発熱コイルの材質がＦｅ−Ｃｒ−Ａｌからなる比較例１、２のグロープラグでは、通電を繰り返すうちに５％以上の抵抗値低下が生じた。これに対して、実施例１〜５、比較例１〜７の発熱コイルの材質をＮｉ−Ｃｒとしたグロープラグでは、抵抗値低下は５％未満であった。

また、常温抵抗値が３００ｍΩ〜５００ｍΩ、通電開始より２秒後までの発熱コイルの累積発熱量が４００Ｗ以下、突入電流値と、通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流／２秒時電流）が１．２以上、制御コイルの温度抵抗係数が５以上である実施例１〜５では、急速昇温性、断線寿命とも良好な結果となった。

さらに、発熱コイルが存在する部分における単位体積あたりの抵抗値が３．０ｍΩ／ｍｍ^３〜５．０ｍΩ／ｍｍ^３である実施例１〜３では、急速昇温性がさらに良好であった。さらにまた、実施例１〜３のうち、発熱コイルの線材の断面積が０．１５ｍｍ^２〜０．３０ｍｍ^２の範囲である実施例１では、断線寿命がさらに良好であった。

これに対して、常温抵抗値が３００ｍΩ未満の比較例３、常温抵抗値が５００ｍΩを超える比較例４、通電開始より２秒後までの累積発熱量が４００Ｗを超える比較例５〜７、通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流／２秒時電流）が１．２未満の比較例５〜７、制御コイルの温度抵抗係数が５未満の比較例６、制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値が２５ｍΩ未満の比較例５、７では、急速昇温性を満たすことができなかった。

比較例３、比較例５、比較例６、比較例７の場合、１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が１１００℃を超えてしまった。このように、１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が１１００℃を超えてしまうと、発熱コイルへの負担が大きくなり、急速昇温時の過昇温によって、発熱コイルが溶損してしまう。他方、比較例４の場合、１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が９００℃未満であった。このように、１１Ｖの電圧を２秒印加した時の温度が９００℃未満であると、急速昇温が困難となる。

また、発熱コイルの材質がＦｅ−Ｃｒ−Ａｌからなる比較例１、２では、断線寿命を満たすことができなかった。これは、発熱コイル中のＡｌが酸化されることによってＡｌ濃度が徐々に低下し、その抵抗値が低下するため、発熱コイルを流れる電流が次第に増大し、発熱コイルが劣化断線し、その結果、断線寿命が短くなってしまうからである。

以上本発明の詳細を実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。

１……グロープラグ、２……主体金具、３……シーズヒータ、７……シーズ管（チューブ）、８……中軸、９……発熱コイル、１０……制御コイル、２０……コイル。

Claims (3)

1. 軸線方向に延びる筒状の主体金具と、
   先端が閉じた金属製のチューブ、及び前記チューブ内に収容されたコイルを有し、前記チューブ内に絶縁粉末が充填され、前記主体金具に装着されたヒータと、
   先端側が前記チューブ内にて前記コイルに接続され、後端側が前記チューブの後端から突出した中軸と、
   を備えたグロープラグであって、
   前記コイルは、前記チューブ内の先端側に配置されるＮｉ−Ｃｒ合金からなる発熱コイルと、当該発熱コイルの後端側に接続された制御コイルとを有し、常温抵抗値が３００ｍΩ〜５００ｍΩであり、
   通電開始より２秒後までの前記発熱コイルの累積発熱量が４００Ｗ以下であり、
   前記通電開始時における突入電流値と、前記通電開始より２秒後の電流値の比（突入電流値／通電開始より２秒後の電流値）が１．２以上であり、
   前記制御コイルの温度抵抗係数が５以上であり、
   前記制御コイルの軸線方向の長さをＬとしたときに、前記制御コイルの先端からＬ／２までの部位における抵抗値が２５ｍΩ以上である
   ことを特徴とするグロープラグ。
2. 請求項１記載のグロープラグであって、
   前記ヒータの前記発熱コイルが存在する部分における単位体積あたりの抵抗値が３．０ｍΩ／ｍｍ^３〜５．０ｍΩ／ｍｍ^３である
   ことを特徴とするグロープラグ。
3. 請求項１又は２記載のグロープラグであって、
   前記発熱コイルを構成する線材の断面積が０．１５ｍｍ^２〜０．３０ｍｍ^２である
   ことを特徴とするグロープラグ。

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