(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室における燃料空気混合物に点火するためのコロナ点火器（２０）であって、
コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延在し、第１の電圧でエネルギを受け、第１の電圧よりも高い第２の電圧でエネルギを伝達するためのコイル（２４）を備え、
前記コイル（２４）は、前記コイル中心軸（ａｃ）を中心として円周方向に延在する複数の巻線（２６）を含み、
前記巻線の各々は、隣接する複数の巻線の１つから前記巻線までの間隔に相当する巻き間隙を呈し、前記点火器（２０）はさらに、
前記巻線（２６）間において前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って配置される磁気コア（３０）を備え、
前記磁気コア（３０）は複数の個別部分（３２）を含み、
前記個別部分（３２）の各々は、コア間隙（３４）によって、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）から軸方向に間隔を空けて配置され、
前記コイル（２４）は、第１の電圧でエネルギを受ける低電圧コイル端部（４８）から第２の電圧でエネルギを受ける高電圧端部にまで長手方向に延在し、前記コイル（２４）は、前記低電圧コイル端部（４８）と前記高電圧コイル端部（５０）との間にコイル長（ｌｃ）を呈し、前記磁気コア（３０）は、前記低電圧コイル端部（４８）に隣接する低電圧コア端部（７０）から前記高電圧コイル端部（５０）に隣接する高電圧コア端部（７２）にまで延在し、前記磁気コア（３０）の前記個別部分（３２）を合わせると、前記低電圧コア端部（７０）から前記高電圧コア端部（７２）にまで延びるコア長（ｌｍ）となり、前記コア長（ｌｍ）は前記コイル長（ｌｃ）よりも長く、
前記点火器（２０）はさらに、電気絶縁性の非磁性材料で作られ、前記磁気コア（３０）から前記巻線（２６）までの間隔に相当するフォーマ厚（ｔｆ）を呈するコイルフォーマ（６２）を含み、
前記コイル長（ｌｃ）と前記コア長（ｌｍ）との間に長さの差（ｌｄ）があり、前記長さの差（ｌｄ）は前記フォーマ厚（ｔｆ）以上であり、
前記点火器（２０）はさらに、前記コイルフォーマ（６２）とは異なる電気絶縁材料から形成され、前記巻き間隙（５６）に配置されるコイル充填材（６８）を備え、前記コイル充填材（６８）により、前記巻線（２６）の各々が前記巻線（２６）のうち隣接する巻線（２６）から間隔を空けて配置され、
前記コイル充填材（６８）は、少なくとも３ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力、少なくとも０．１２５Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率、および６未満の比誘電率を有する、点火器（２０）。
【請求項２】
非磁性材料から形成され、前記コア間隙（３４）に配置される間隙充填材（７８）を含み、前記個別部分（３２）の各々は、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）からコア間隙（３４）によって軸方向に間隔を空けて配置される、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項３】
間隙充填材（７８）は１５以下の比透磁率を有する、請求項２に記載の点火器（２０）。
【請求項４】
前記個別部分（３２）の各々は、底面（７４）および上面（７６）を含み、底面（７４）および上面（７６）の各々は平坦であり、前記個別部分（３２）のうちの１つの個別部分（３２）の前記底面（７４）は、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）の上面（７６）に面し、かつ前記上面（７６）に対して平行である、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項５】
前記コア間隙（３４）の各々は、前記コア長（ｌｍ）の１％〜１０％の間隙厚（ｔｇ）を呈する、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項６】
前記コア間隙（３４）の各々の前記間隙厚（ｔｇ）を合わせると、間隙厚の合計は前記コア長（ｌｍ）の２５％以下となる、請求項５に記載の点火器（２０）。
【請求項７】
前記コイル充填材（６８）により、前記巻線（２６）の各々が前記巻線（２６）のうち隣接する巻線（２６）から長手方向に間隔を空けて配置される、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項８】
複数の壁（３８）を有するハウジング（３６）を備え、前記複数の壁（３８）は、それらの間に前記コイル（２４）および前記磁気コア（３０）収容するためのハウジング（３６）体積を呈し、前記ハウジング（３６）は、６未満の比誘電率を有し前記ハウジング（３６）を満たす電気絶縁成分（４４）を含む、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項９】
電気絶縁性の非磁性材料から作られ、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延在するコイルフォーマ（６２）を含み、前記コイルフォーマ（６２）により、前記巻線（２６）が前記コイル中心軸（ａｃ）から間隔を空けて配置され、前記コイルフォーマ（６２）は、前記巻線内面（５８）に沿って延在するフォーマ外面（６４）と、前記磁気コア（３０）に係合するフォーマ内面（６６）とを有する、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項１０】
前記コイル（２４）は、少なくとも５００マイクロヘンリーのインダクタンスを有し、前記磁気コアは少なくとも１２５の比透磁率を有する、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項１１】
前記コイル（２４）は銅から形成され、前記磁気コア（３０）は、フェライト材料または粉末状の鉄材料から形成される、請求項１０に記載の点火器（２０）。
【請求項１２】
前記コイル（２４）に電気的に結合され、前記コイル（２４）からエネルギを受けるための電極（２８）を含む、請求項１に記載の点火器（２０）。
【請求項１３】
燃焼室における燃料空気混合物に点火するためのコロナ点火器（２０）であって、
コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延在し、第１の電圧でエネルギを受け、第１の電圧よりも高い第２の電圧でエネルギを伝達するためのコイル（２４）を備え、
前記コイル（２４）は、前記コイル中心軸（ａｃ）を中心として円周方向に延在する複数の巻線（２６）を含み、
前記巻線の各々は、隣接する複数の巻線の１つから前記巻線までの間隔に相当する巻き間隙を呈し、前記点火器（２０）はさらに、
前記巻線（２６）間において前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って配置される磁気コア（３０）を備え、
前記磁気コア（３０）は複数の個別部分（３２）を含み、
前記個別部分（３２）の各々は、コア間隙（３４）によって、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）から軸方向に間隔を空けて配置され、
前記コイル（２４）は、第１の電圧でエネルギを受ける低電圧コイル端部（４８）から第２の電圧でエネルギを受ける高電圧端部にまで長手方向に延在し、前記コイル（２４）は、前記低電圧コイル端部（４８）と前記高電圧コイル端部（５０）との間にコイル長（ｌｃ）を呈し、前記磁気コア（３０）は、前記低電圧コイル端部（４８）に隣接する低電圧コア端部（７０）から前記高電圧コイル端部（５０）に隣接する高電圧コア端部（７２）にまで延在し、前記磁気コア（３０）の前記個別部分（３２）を合わせると、前記低電圧コア端部（７０）から前記高電圧コア端部（７２）にまで延びるコア長（ｌｍ）となり、前記コア長（ｌｍ）は前記コイル長（ｌｃ）よりも長く、
前記コイル長（ｌｃ）と前記コア長（ｌｍ）との間に長さの差（ｌｄ）があり、前記巻線（２６）は、前記コイル中心軸（ａｃ）に面する巻線内面（５８）を含み、前記巻線内面（５８）から前記コイル中心軸（ａｃ）にまで延びる巻線内半径（ｒｗ）を呈し、前記長さの差（ｌｄ）は前記巻線内半径（ｒｗ）以上であり、
前記点火器（２０）はさらに、電気絶縁材料で作られ、前記巻線（２６）を前記磁気コア（３０）から間隔を空けて配置するコイルフォーマ（６２）を含み、
前記点火器（２０）はさらに、前記コイルフォーマ（６２）とは異なる電気絶縁材料から形成され、前記巻き間隙（５６）に配置されるコイル充填材（６８）を備え、前記コイル充填材（６８）により、前記巻線（２６）の各々が前記巻線（２６）のうち隣接する巻線（２６）から間隔を空けて配置され、
前記コイル充填材（６８）は、少なくとも３ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力、少なくとも０．１２５Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率、および６未満の比誘電率を有する、点火器（２０）。
【請求項１４】
燃料空気混合物の一部をイオン化し、燃焼室においてコロナ放電（２２）をもたらすよう高周波電界を与えるためのコロナ点火器（２０）であって、
複数の壁（３８）を含むハウジング（３６）を備え、前記複数の壁（３８）の間にハウジング（３６）体積を呈し、
前記壁（３８）は、コイル中心軸（ａｃ）に沿って配置され前記ハウジング（３６）体積を介してエネルギを伝達することを可能にするための低電圧インレット（４０）および高電圧アウトレット（４２）を呈し、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
導電性材料からなり、前記ハウジング（３６）を囲むシールド（４６）と、
前記ハウジング（３６）に配置され、第１の電圧でエネルギを受け、第１の電圧よりも少なくとも１５倍高い第２の電圧でエネルギを伝達するためのコイル（２４）とを備え、
前記コイル（２４）は、前記低電圧インレット（４０）に隣接し第１の電圧でエネルギを受けるための低電圧コイル端部（４８）から、前記高電圧アウトレット（４２）に隣接し第２の電圧でエネルギを伝達するための高電圧コイル端部（５０）にまで、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延びるコイル長（ｌｃ）を有し、
前記コイル（２４）は、少なくとも５００マイクロヘンリーのインダクタンスを有し、
前記コイル（２４）は、前記コイル中心軸（ａｃ）を中心として円周方向に、かつ前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延在する複数の巻線（２６）を含み、
前記巻線（２６）の各々は、前記巻線（２６）のうち隣接する巻線（２６）と水平に位置合わせされ、前記隣接する巻線（２６）から前記巻線（２６）までの間隔に相当する巻き間隙（５６）を呈し、
前記巻線（２６）は、前記コイル中心軸（ａｃ）に面する巻線内面（５８）と、前記巻線内面（５８）とは反対方向に面する巻線外面（６０）とを呈し、
前記巻線（２６）は、両側の前記巻線内面（５８）間において、前記コイル中心軸（ａｃ）を通過して前記コイル中心軸（ａｃ）に対して垂直に延びる巻線内径（Ｄｗ）を呈し、
前記巻線（２６）は、前記巻線内面（５８）から前記巻線内径（Ｄｗ）に沿って前記コイル中心軸（ａｃ）にまで延びる巻線内半径（ｒｗ）を呈し、
前記巻線（２６）は、両側の前記巻線外面（６０）間において、前記コイル中心軸（ａｃ）を通過して前記コイル中心軸（ａｃ）に対して垂直に延びる巻線外周（Ｐｗ）を呈し、
前記巻線（２６）の各々は、前記巻線内面（５８）から前記巻線外面（６０）にまで延びる巻線厚（ｔｗ）を呈し、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
電源から前記コイル（２４）の低電圧端部にエネルギを伝達するための低電圧コネクタ（５２）と、
前記コイル（２４）に電気的に結合され、前記コイル（２４）からエネルギを受けるための電極（２８）と、
前記コイル（２４）および前記電極（２８）を電気的に結合し、前記コイル（２４）から前記電極（２８）にエネルギを伝達する高電圧コネクタ（５４）と、
電気絶縁性の非磁性材料から作られ、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延在するコイルフォーマ（６２）とを備え、前記コイルフォーマ（６２）により、前記巻線（２６）が前記コイル中心軸（ａｃ）から間隔を空けて配置され、
前記コイルフォーマ（６２）は、前記巻線内面（５８）に係合するフォーマ外面（６４）と、前記フォーマ外面（６４）とは反対方向であって前記コイル中心軸（ａｃ）に向かって面し、前記コイル中心軸（ａｃ）を中心として円周方向に延在するフォーマ内面（６６）とを有し、
前記フォーマ内面（６６）は前記コイル中心軸（ａｃ）を通過して延びるフォーマ内径（Ｄｆ）を呈し、
前記コイルフォーマ（６２）は、前記フォーマ内面（６６）と前記フォーマ外面（６４）との間にフォーマ厚（ｔｆ）を呈し、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
前記コイルフォーマ（６２）とは異なる電気絶縁材料から形成され、前記巻き間隙（５６）に配置されるコイル充填材（６８）を備え、前記コイル充填材（６８）により、前記巻線（２６）の各々が前記巻線（２６）のうち隣接する巻線（２６）から間隔を空けて配置され、
前記コイル充填材（６８）は、少なくとも３ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力、少なくとも０．１２５Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率、および６未満の比誘電率を有し、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
磁性材料から形成され、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って前記巻線（２６）間に配置された磁気コア（３０）を備え、
前記磁気コア（３０）は、前記コイルフォーマ（６２）に収容され、前記フォーマ内面（６６）によって係合され、
前記磁性材料は少なくとも１２５の比透磁率を有し、
前記磁気コア（３０）は、前記低電圧コイル端部（４８）に隣接する低電圧コア端部（７０）から、前記高電圧コイル端部（５０）に隣接する高電圧コア端部（７２）にまで、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って軸方向に延びるコア長（ｌｍ）を有し、
前記磁気コア（３０）は、前記コイル中心軸（ａｃ）を中心として、前記フォーマ内面（６６）に沿って連続的に、かつ前記フォーマ内径（Ｄｆ）にわたって連続的に延在し、
前記磁気コア（３０）は複数の個別部分（３２）を含み、前記複数の個別部分（３２）を合わせると前記コア長（ｌｍ）となり、
前記個別部分（３２）の各々は、前記高電圧アウトレット（４２）に面する底面（７４）と、前記底面（７４）とは反対方向であって前記低電圧インレット（４０）に向かって面する上面（７６）とを有し、
前記個別部分（３２）のうちの１つの個別部分（３２）の前記底面（７４）は、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）の上面（７６）に面し、かつ前記上面（７６）に対して平行であり、
前記個別部分（３２）の前記上面（７６）および前記底面（７４）は平坦であり、
前記個別部分（３２）は、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って互いから軸方向に十分に間隔を空けて配置され、
前記個別部分（３２）の各々は、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）からコア間隙（３４）によって軸方向に間隔を空けて配置され、
前記コア長（ｌｍ）は前記コイル長（ｌｃ）よりも長く、
前記コア長（ｌｍ）と前記コイル長（ｌｃ）との間に長さの差（ｌｄ）があり、
前記長さの差（ｌｄ）は前記フォーマ厚（ｔｆ）以上であり、
前記長さの差（ｌｄ）は前記巻線内半径（ｒｗ）以上であり、
前記コア間隙（３４）の各々は、前記フォーマ内径（Ｄｆ）にわたって連続的に延在し、
前記コア間隙（３４）の各々は、前記コイル中心軸（ａｃ）に沿って軸方向に延びる間隙厚（ｔｇ）を有し、
前記コア間隙（３４）の各々の前記間隙厚（ｔｇ）は前記コア長（ｌｍ）の１〜１０％であり、
すべての前記コア間隙（３４）の前記間隙厚（ｔｇ）を合わせると、間隙厚の合計は前記コア長（ｌｍ）の２５％以下となり、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
１５以下の比透磁率を有する非磁性材料から形成され、前記コア間隙（３４）に配置される間隙充填材（７８）を備える、コロナ点火器（２０）。
【請求項１５】
燃料空気混合物の一部をイオン化し、燃焼室においてコロナ放電（２２）をもたらすよう高周波電界を与えるためのコロナ点火器（２０）を形成する方法であって、
コイル中心軸（ａｃ）に沿って長手方向に延在し、コイル中心軸（ａｃ）を中心として円周方向に延在する複数の巻線（２６）を含むコイル（２４）を設けるステップを含み、前記巻線（２６）の各々は、隣接する複数の巻線の１つから前記巻線までの間隔に相当する巻き間隙を呈し、前記コイル（２４）は、前記低電圧コイル端部（４８）と前記高電圧コイル端部（５０）との間にコイル長（ｌｃ）を呈し、前記方法はさらに、
磁性材料から形成される磁気コア（３０）の複数の個別部分（３２）を、巻線（２６）間においてコイル中心軸（ａｃ）に沿って配置するステップを含み、前記磁気コア（３０）は、前記低電圧コイル端部（４８）に隣接する低電圧コア端部（７０）から前記高電圧コイル端部（５０）に隣接する高電圧コア端部（７２）にまで延在し、
前記方法はさらに、磁気コア（３０）の個別部分（３２）の各々を、コア間隙（３４）によって、前記個別部分（３２）のうち隣接する個別部分（３２）から軸方向に間隔を空けて配置するステップを含み、前記磁気コア（３０）の前記個別部分（３２）を合わせると、前記低電圧コア端部（７０）から前記高電圧コア端部（７２）にまで延びるコア長（ｌｍ）となり、前記コア長（ｌｍ）は前記コイル長（ｌｃ）よりも長く、前記コイル長（ｌｃ）と前記コア長（ｌｍ）との間に長さの差（ｌｄ）があり、
前記方法はさらに、電気絶縁性の非磁性材料で作られたコイルフォーマ（６２）により前記巻線（２６）を前記磁気コア（３０）から間隔を空けて配置するステップを含み、前記コイルフォーマは、前記磁気コアから前記巻線までの間隔に相当するフォーマ厚（ｔｆ）を呈し、前記コイル長（ｌｃ）と前記コア長（ｌｍ）との間の前記長さの差（ｌｄ）は前記フォーマ厚（ｔｆ）以上であり、
前記方法はさらに、前記コイルフォーマ（６２）とは異なる電気絶縁材料から形成されるコイル充填材（６８）を前記巻き間隙（５６）に配置し、前記コイル充填材（６８）により、前記巻線（２６）の各々を前記巻線（２６）のうち隣接する巻線（２６）から間隔を空けて配置するステップを含み、前記コイル充填材（６８）は、少なくとも３ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力、少なくとも０．１２５Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率、および６未満の比誘電率を有する、方法。
【請求項１６】
非磁性材料から形成される間隙充填材（７８）をコア間隙（３４）に配置するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
電気絶縁性の非磁性材料で作られ、前記磁気コア（３０）から前記巻線（２６）までの間隔に相当するフォーマ厚（ｔｆ）を呈するコイルフォーマ（６２）を含む、請求項１３に記載の点火器（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１１年２月２２日に提出され、その内容の全体が引用によりこの明細書中に援用される出願連続番号第６１／４４５，３２８号の利益を主張する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、概して、燃焼室における燃料空気混合物に点火するための点火器に関し、より特定的には、コロナ点火器のエネルギ効率に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
コロナ放電点火システムの一例が、Ｆｒｅｅｎに対する米国特許第６，８８３，５０７号に開示される。コロナ放電点火システムは、高周波電位に帯電された電極を備えたコロナ点火器を含む。他のタイプの点火システムの点火器と同様に、コロナ点火器は、磁気コアを囲んで電源から電極にエネルギを伝達する複数の巻線を備えた点火コイルを含む。コロナ点火器の点火コイルの一例を図４に示す。コロナ点火器は、第１の電圧でエネルギの供給を受け、典型的には第１の電圧よりも１５〜５０倍高い第２の電圧で電極にエネルギを伝達する。次いで、電極は、強い高周波電界を形成する。この高周波電界は、燃焼室における燃料と空気との混合物の一部のイオン化、および絶縁破壊の開始を引き起こし、燃料空気混合物の燃焼を促進する。電界は、好ましくは、燃料空気混合物が誘電特性を維持し、非熱プラズマとも称されるコロナ放電が引き起こされるように制御される。燃料空気混合物のうちのイオン化された部分は火炎前面を形成し、これは、次いで、自己持続するようになり、残りの燃料空気混合物を燃焼させる。
【０００４】
コロナ点火器の点火コイルは、発火端部アセンブリとともに、好適な電圧および周波数の信号の供給時に高圧正弦波を発生させることのできる共振Ｌ−Ｃシステムを作り出すよう設計されている。コロナ点火器の動作中、電流がコイルを流れて、コイルの周りに磁界を生じさせる。理想的には、磁束線は、磁気コアを辿ってコイルの全長を通過し、磁気コアの端部から出て、さらに、コイルの外側周囲に戻る。この理想的な状況においては、すべての磁束がすべての巻線と結合されることとなり、磁束密度は、磁気コアのすべての径方向断面において等しくなるだろう。さらに、磁気コアは、理想的には、所望の電気的挙動および材料特性に応じた大きさにされるので、電気損失およびエネルギ損失が低くなるだろう。
【０００５】
しかしながら、実際には、より濃い領域がより高い磁束密度に相当する図５Ａに示されるように、磁気コアの中心においては磁束密度ははるかに大きくなる。対応する磁束線を図７に示す。中心において磁束密度が高くなるのは、著しい量の磁束が部分的に磁気コアを通過し、さらに、磁気コアの端部に達する前に径方向に巻線を通って折返して戻ってくるためである。磁気コアの中心において磁束密度が高くなると、磁性材料が飽和に近づけられ、最終的に、熱損失およびエネルギ損失が大きくなってしまう。
【０００６】
磁気コアの端部に達する前に磁気コアを抜け出る磁束は、巻線を通る電流の流れに対して悪影響を及ぼす。磁束が磁気コアの両端付近の巻線を通過する場合、図６Ａに示されるように、巻線内の電流密度が局所的に高くなり、このため、巻線の断面にわたる電流密度が不均等になる。電流密度が高くなると、結果として、抵抗が高くなり、このため、より高いエネルギが熱として失われてしまう。悪影響を受けた巻線を通って流れる電流はワイヤの中心においてより低くなり、この電流は、影響を受けたワイヤの総断面積に比べて、ワイヤの外面に隣接する比較的小さな断面積を通って流れざるを得なくなる。これにより、ワイヤの機能的かつ動作のための断面が実質的に小さくなり、はるかに高い抵抗がもたらされ、結果としてエネルギ損失が大きくなってしまう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面は、燃焼室における燃料空気混合物に点火するための点火器を提供する。点火器は、コイル中心軸に沿って長手方向に延在し、第１の電圧でエネルギを受け、第１の電圧よりも高い第２の電圧でエネルギを伝達するためのコイルを含む。コイルは、コイル中心軸を中心として円周方向に延在する複数の巻線を含む。磁気コアは、コイル中心軸に沿って巻線間に配置される。磁気コアは複数の個別部分を含む。個別部分の各々は、コア間隙によってその隣接する個別部分から軸方向に間隔を空けて配置される。
【０００８】
本発明の別の局面に従うと、点火器は、燃料空気混合物の一部をイオン化し、燃焼室においてコロナ放電をもたらすよう高周波電界を与えるためのコロナ点火器である。コロナ点火器は、コイルと、個別部分を備えた磁気コアとを含む。
【０００９】
本発明のさらに別の局面は、点火器を形成する方法を提供する。当該方法は、コイル中心軸を中心として円周方向に延在する複数の巻線を含むコイルを設けるステップと、磁気コアの個別部分をコイル中心軸に沿って巻線間に配置するステップと、個別部分の各々を、その隣接する個別部分からコア間隙によって間隔を空けて配置するステップとを含む。
【００１０】
個別部分を備えた磁気コアを形成することにより、磁束および電流密度が磁気コアおよび巻線の全体にわたってより均一に分散される。点火器により、ヒステリシス損失がより小さくなり、コイルにおける抵抗がより小さくなり、コイルおよび磁気コアの不所望な加熱がより少なくなり、結果として品質係数（Ｑ）が改善される。したがって、当該点火器によれば、個別部分のない点火器と比べて、エネルギ効率および性能が改善される。
【００１１】
図面の簡単な説明
本発明の他の利点は、添付の図面に関連付けて考慮されると、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、容易に認識されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一局面に従った点火器を含むコロナ点火システムの一部を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例に従った点火器の点火コイルおよび磁気コアを示す断面図である。
【図２Ａ】図２の一部の拡大図である。
【図２Ｂ】単層の巻線を示す代替的な実施例である。
【図３】本発明の別の実施例に従った点火器の点火コイルおよび磁気コアを示す断面図である。
【図３Ａ】図３の一部の拡大図である。
【図４】比較例の点火器の点火コイルおよび磁気コアを示す断面図である。
【図４Ａ】図４の一部の拡大図である。
【図５Ａ】図４のコイルおよび磁気コアに沿った磁束を示す図である。
【図５Ｂ】図２のコイルおよび磁気コアに沿った電流密度および磁束を示す図である。
【図６Ａ】図４の巻線における電流密度を示す図である。
【図６Ｂ】図２の巻線における電流密度を示す図である。
【図７】図４のコイルおよび磁気コアに沿った磁束線を示す図である。
【図８】図４の比較例の点火器に比べて改善された図２の点火器のエネルギ効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
詳細な説明
本発明の一局面は、燃料空気混合物を含む燃焼室に配置され、放電をもたらして燃料空気混合物をイオン化し点火するための点火器２０を含む点火システムを提供する。この明細書中に記載される点火システムは、図１に示されるように、コロナ点火器２０を含むコロナ点火システムである。しかしながら、本発明はまた、他のタイプの点火器、たとえば、火花点火システム、マイクロ波点火システムまたは別のタイプの点火システムの点火器にも適用される。
【００１４】
コロナ点火器２０は、燃焼室に配置され、高周波電界を放射して、燃料空気混合物の一部をイオン化し、燃焼室においてコロナ放電２２をもたらす。点火器２０は、図２に示されるように、複数の巻線２６を含む点火コイル２４を備える。点火コイル２４は、電源（図示せず）からエネルギを受け、エネルギをより高い電圧で（図１に示される）電極２８に伝達する。点火器２０はまた、巻線２６間に配置された磁気コア３０を含む。磁気コア３０は、コア間隙３４によって互いから軸方向に間隔を空けて配置された複数の個別部分３２を含む。好ましくは、コア間隙３４は非磁性材料で満たされ、磁気コア３０が有するコア長ｌｍは複数の巻線２６にわたって延びている。磁気コア３０の設計により、コイル２４のヒステリシスおよび抵抗がもたらすエネルギ損失が小さくなり、このため、磁気コア３０の個別部分３２を備えないコロナ点火器２０と比べて改善されたエネルギ効率および性能が得られる。
【００１５】
コロナ点火器２０は、複数の壁３８を有するハウジング３６を含み、これらの複数の壁３８の間には、コイル２４および磁気コア３０を収容するためのハウジング体積が存在する。壁３８が提供する低電圧インレット４０により、エネルギを電源（図示せず）からコイル２４に伝達することが可能となる。同様に壁３８が提供する高電圧アウトレット４２により、エネルギをコイル２４から電極２８に伝達することが可能となる。低電圧インレット４０および高電圧アウトレット４２は、典型的には、図２に示されるように、コイル中心軸ａｃに沿って配置される。ハウジング３６は、コイル中心軸ａｃに対して平行に延在する側壁３８を含み得る。６未満の比誘電率を有する電気絶縁成分４４、たとえば加圧された気体、周囲空気、絶縁油または低誘電率固体がハウジング３６を満たしている。コロナ点火器２０はまた、アルミニウムなどの導電性材料から形成されるシールド４６を含んでもよく、このシールド４６は、電磁妨害の放射を制限するようハウジング３６を囲む。
【００１６】
コイル２４はハウジング３６の中心に配置され、第１の電圧でエネルギを受け、第１の電圧よりも少なくとも１５倍高い第２の電圧でエネルギを伝達する。コイル２４は、低電圧インレット４０に隣接する低電圧コイル端部４８から高電圧アウトレット４２に隣接する高電圧コイル端部５０にまで延在する。低電圧コネクタ５２は、低電圧インレット４０を通ってハウジング３６内に延び、エネルギを電源からコイル２４の低電圧端部へと運ぶ。（図１に示される）電極２８は、高電圧コネクタ５４によってコイル２４に電気的に結合される。高電圧コネクタ５４は、高電圧アウトレット４２を通って延び、コイル２４から電極２８にエネルギを伝達する。
【００１７】
図２に示されるように、コイル２４は、コイル中心軸ａｃに沿って低電圧コイル端部４８から高電圧コイル端部５０へと長手方向に延びるコイル長ｌｃを有する。コイル２４は典型的には銅または銅合金から形成され、少なくとも５００マイクロヘンリーのインダクタンスを有する。
【００１８】
コイル２４は複数の巻線２６を含む。複数の巻線２６は各々、図２に示されるように、コイル中心軸ａｃを中心として円周方向に、かつコイル中心軸ａｃに沿って長手方向に延在する。各々の巻線２６は、その隣接する巻線２６と水平に位置合わせされる。コイル２４は複数の巻き間隙５６を呈し、各々の巻き間隙５６により、巻線２６の各々がその隣接する巻線２６から間隔を空けて配置される。一実施例においては、コイル２４は、図２Ａに示されるように、多層の巻線２６を含む。別の実施例においては、コイル２４は、図２Ｂに示されるように、単層の巻線２６を含む。
【００１９】
巻線２６は、コイル中心軸ａｃに面する巻線内面５８と、巻線内面５８とは反対方向を向いている巻線外面６０とを呈する。図２Ａに示されるように、巻線内面５８は、コイル中心軸ａｃに最も近い巻線２６に沿った箇所にあり、巻線外面６０は、コイル中心軸ａｃから最も遠い巻線２６に沿った箇所にある。コイル２４が多層の巻線２６を含む場合、巻線内面５８はコイル中心軸ａｃに最も近い巻線２６上にあり、外面は、コイル中心軸ａｃから最も遠い巻線２６上にある。
【００２０】
巻線２６は、両側の巻線内面５８間においてコイル中心軸ａｃを通過しコイル中心軸ａｃに対して垂直に延びる巻線内径Ｄｗを呈する。一実施例においては、巻線内径Ｄｗは１０〜３０ｍｍである。巻線内半径ｒｗは、巻線内径Ｄｗに沿って巻線内面５８からコイル中心軸ａｃにまで延びる。実施例においては、巻線内半径ｒｗは５〜１５ｍｍである。巻線２６はまた、両側の巻線外面６０間においてコイル中心軸ａｃを通過しコイル中心軸ａｃに対して垂直に延びる巻線外周Ｐｗを呈する。実施例においては、巻線外周Ｐｗは１０．５〜４０ｍｍである。図２Ａに示されるように、巻線厚ｔｗは、巻線内面５８と巻線外面６０との間に延びる。
【００２１】
電気絶縁性の非磁性材料から作られるコイルフォーマ６２は、典型的には、巻線２６をコイル中心軸ａｃおよび磁気コア３０から間隔を空けて配置するのに用いられる。図２に示されるように、コイルフォーマ６２はコイル中心軸ａｃに沿って長手方向に延在する。コイルフォーマ６２は、巻線内面５８に係合するフォーマ外面６４と、フォーマ外面６４とは反対方向であってコイル中心軸ａｃに向かって面し、コイル中心軸ａｃを中心として円周方向に延在するフォーマ内面６６とを有する。フォーマは、両側のフォーマ内面６６間においてコイル中心軸ａｃを通過して延びるフォーマ内径Ｄｆを呈する。フォーマ厚ｔｆはフォーマ内面６６とフォーマ外面６４との間にあり、実施例においては、１ｍｍ〜５ｍｍである。図２〜図３Ａに示されるコイルフォーマ６２は入れ物にまとめられている（binned）。しかしながら、コイルフォーマ６２は代替的には、入れ物（bins）でははく、単純な管を含み得る。たとえば、単層の巻線２６は、典型的には、単純な管の面に沿って配置される。
【００２２】
電気絶縁材料から作られたコイル充填材６８は、典型的には、巻き間隙５６において巻線２６の周りに配置される。絶縁材料の例として、シリコーン樹脂およびエポキシ樹脂が含まれ、これらは、コイル２４上に配置され、コイル２４をハウジング３６に配置する前に硬化される。図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、コイル充填材６８により、好ましくは、巻線２６の各々が、その隣接する巻線２６から間隔を空けて配置される。コイル充填材６８は、少なくとも３ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力、少なくとも０．１２５Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率および６未満の比誘電率を有する。
【００２３】
磁気コア３０は磁性材料から形成され、巻線２６間においてコイル中心軸ａｃに沿って配置される。磁気コア３０はコイルフォーマ６２に収容され、フォーマ内面６６に係合される。実施例においては、磁気コア３０の直径は９．９〜２５ｍｍである。磁気コア３０の磁性材料は、少なくとも１２５の比透磁率を有し、典型的にはフェライト材料または粉末状の鉄材料である。
【００２４】
図２に示されるように、磁気コア３０は、低電圧コイル端部４８に隣接する低電圧コア端部７０から高電圧コイル端部５０に隣接する高電圧コア端部７２にまでコイル中心軸ａｃに沿って軸方向に延びるコア長ｌｍを有する。磁気コア３０はまた、コイル中心軸ａｃを中心として、フォーマ内面６６に沿って連続的に、かつフォーマ内径Ｄｆにわたって連続的に延在する。コア長ｌｍとコイル長ｌｃとの間に長さの差ｌｄがある。コア長ｌｍは好ましくはコイル長ｌｃよりも長い。一実施例においては、長さの差ｌｄはフォーマ厚ｔｆ以上であり、より好ましくは、巻線内半径ｒｗ以上である。実施例においては、コア長ｌｍは２０〜７５ｍｍである。磁気コア３０のサイズを大きくするか、または巻線２６の数を減らすことによって、コア長ｌｍを伸ばすことができる。
【００２５】
磁気コア３０の個別部分３２同士を合わせるとコア長ｌｍとなる。個別部分３２は各々、典型的には、高電圧アウトレット４２に面する平坦な底面７４と、底面７４とは反対方向であって低電圧インレット４０に向かって面する平坦な上面７６とを備える。個別部分３２のうちの１つの個別部分３２の底面７４は、隣接する個別部分３２の上面７６に面し、これに対して平行である。各々の個別部分３２は、コア間隙３４のうちの１つにより、コイル中心軸ａｃに沿って、隣接する個別部分３２から軸方向に十分に間隔を空けて配置される。コア間隙３４は各々、コイル中心軸ａｃに対して垂直にフォーマ内径Ｄｆにわたって連続的に延在しており、コイル中心軸ａｃに沿って軸方向に延びる間隙厚ｔｇを有する。図２〜図２Ｂの実施例においては、コロナ点火器２０は単一のコア間隙３４を含む。この間隙３４により、１対の個別部分３２が間隔を空けて配置される。しかしながら、図３および図３Ａに示されるように、コロナ点火器２０は代替的には複数のコア間隙３４を含み得る。この場合、コア間隙３４の各々は、低電圧コイル端部４８と高電圧コイル端部５０との間に配置される。各々のコア間隙３４の間隙厚ｔｇは好ましくはコア長ｌｍの１〜１０％であり、コア間隙３４全体の間隙厚ｔｇを合わせると、間隙厚の合計がコア長ｌｍの２５％以下となる。
【００２６】
コロナ点火器２０はまた、コア間隙３４に配置された非磁性材料から形成された間隙充填材７８を含む。非磁性材料は、１５以下の比透磁率を有し、たとえば、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：polyethylene terephthalate）である。一実施例においては、間隙充填材７８はゴムスペーサである。
【００２７】
本発明の別の局面では、上述のコロナ点火器２０を形成する方法を提供する。当該方法は、コイル中心軸ａｃに沿って長手方向に延在するコイル２４を設けるステップと、磁気コア３０の個別部分３２を巻線２６間においてコイル中心軸ａｃに沿って配置するステップと、磁気コア３０の個別部分３２の各々を、コア間隙３４のうちの１つによって、隣接する個別部分３２から軸方向に間隔を空けて配置するステップとを含む。当該方法はまた、典型的には、非磁性材料から形成された間隙充填材７８をコア間隙３４に配置し、電極２８をコイル２４に電気的に結合するステップを含む。
【００２８】
個別部分３２を備えた磁気コア３０を含むコロナ点火器２０により得られる改善された品質係数（Ｑ）は、点火システムの寄生抵抗に対するインピーダンス（システムの純インダクタンスによる）の比に等しい。改善されたＱとは、点火器２０において、ヒステリシス損失がより低くなり、コイル２４における抵抗がより低くなり、コイル２４および磁気コア３０の不所望な加熱が少なくなることを意味する。したがって、点火器２０によれば、磁気コア３０の個別部分３２を備えない点火器２０と比べて、エネルギ効率および性能が改善される。図５Ａおよび図５Ｂは、（個別部分３２を備えた）図２のコロナ点火器２０の磁気コア３０における磁束が、（個別部分３２を備えない）図４の比較例のコロナ点火器２０よりも著しく低いことを示す。図５Ａおよび図５Ｂのより濃い領域は、より高い磁束密度に相当する。図６Ａおよび図６Ｂは、図２Ａの巻線２６における電流が、（個別部分３２を備えない）図４の比較例のコロナ点火器２０において用いられる同じ巻線２６における電流よりもより均一に分散されることを示している。図６Ａおよび図６Ｂのより濃い領域は、より高い電流密度に相当する。図８は、図２のコロナ点火器２０および図４のコロナ点火器２０についての入力電圧対出力電圧をグラフ化したものである。図８は、図４の比較例のコロナ点火器２０と比べて、図１のコロナ点火器２０のエネルギ効率が改善されていることを示す。
【００２９】
本発明の多くの変更例および変形例が上述の教示に照らして実現可能であり、添付の特許請求の範囲内であれば具体的に記載された以外のやり方でも実施され得ることは明らかである。加えて、請求項における参照番号は単に便宜上のものであり、限定的なものとして読まれるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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