(57)【要約】【課題】本発明は、耐久性を向上させることができるグロープラグを提供する。【解決手段】グロープラグ１０が備えるシースヒータ８００において、チューブ８１０を形成するニッケル（Ｎｉ）合金は、１．０〜２．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有し、発熱コイル８２０を形成する鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金は、２．０〜４．０質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル（Ｎｉ）合金で形成され、筒状に成形されたチューブと、
前記チューブの内側に設けられ、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金で形成され、通電によって発熱する発熱コイルと、
前記チューブの内側に充填され、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有し、電気絶縁性を有する絶縁粉末と、を備えるグロープラグであって、
前記チューブを形成する合金は、１．０〜２．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有し、
前記発熱コイルを形成する合金は、２．０〜４．０質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有する、グロープラグ。
【請求項２】
前記チューブを形成する合金は、更に、０．１〜０．５質量％のチタン（Ｔｉ）を含有する請求項１に記載のグロープラグ。
【請求項３】
前記チューブを形成する合金は、更に、２０〜３０質量％のクロム（Ｃｒ）を含有する請求項１または請求項２に記載のグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関の始動を補助するグロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
グロープラグのシースヒータは、筒状に成形されたチューブと、チューブ内に設けられた発熱コイルと、チューブ内に充填された絶縁粉末とを備える。シースヒータを構成する各部材の材質としては、チューブにニッケル（Ｎｉ）合金、発熱コイルに鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、絶縁粉末に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いたものが知られている。このようなシースヒータでは、発熱コイルに含まれるアルミニウム（Ａｌ）が発熱コイルの表層に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミニウムの保護皮膜を形成することによって、窒化や酸化による発熱コイルの劣化を防止する。特許文献１には、６質量％以上１５質量％以下のアルミニウムを含有する発熱コイルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発熱コイルの表層に形成された酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）は、絶縁粉末の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と反応してスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）に変化し易いため、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が発熱コイルの保護皮膜としての機能を十分に果たせないばかりか、発熱コイルに含まれるアルミニウムが消費されることで発熱コイルの劣化を助長してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記した課題を踏まえ、耐久性を向上させることができるグロープラグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］  適用例１のグロープラグは、ニッケル（Ｎｉ）合金で形成され、筒状に成形されたチューブと、前記チューブの内側に設けられ、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金で形成され、通電によって発熱する発熱コイルと、前記チューブの内側に充填され、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有し、電気絶縁性を有する絶縁粉末と、を備えるグロープラグであって、前記チューブを形成する合金は、１．０〜２．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有し、前記発熱コイルを形成する合金は、２．０〜４．０質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有することを特徴とする。適用例１のグロープラグによれば、チューブに含まれるアルミニウムによって、チューブ内部の窒素を減らし、かつ、チューブの外側から発熱コイルへの窒素の拡散（侵入）を防止した上で、発熱コイルに含まれるアルミニウムの生成物の生成を抑制することができる。これによって、発熱コイルに含まれるアルミニウムの含有量を４質量％以下としても、窒化による発熱コイルの劣化を抑制することができる。さらに、発熱コイルのアルミニウム含有量を４質量％以下にすることにより、発熱コイルのアルミニウムと、絶縁粉末の酸化マグネシウムとの反応が抑制され、発熱コイルの劣化を防止できる。その結果、グロープラグの耐久性を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］  適用例１のグロープラグにおいて、前記チューブを形成する合金は、更に、０．１〜０．５質量％のチタン（Ｔｉ）を含有すると良い。適用例２のグロープラグによれば、チューブに含まれるアルミニウムに加え、チューブに含まれるチタンによっても、チューブ内の窒素を減らし、かつ、チューブの外側から発熱コイルへの窒素の拡散を防止することができる。これによって、窒化による発熱コイルの劣化を更に抑制することができる。
【０００９】
［適用例３］  適用例１または適用例２のグロープラグにおいて、前記チューブを形成する合金は、更に、２０〜３０質量％のクロム（Ｃｒ）を含有すると良い。適用例３のグロープラグによれば、クロムによって酸素の拡散を防止し、酸化による発熱コイルの劣化を抑制することができる。
【００１０】
本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】グロープラグを示す説明図である。
【図２】グロープラグにおけるシースヒータの詳細構成を主に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用したグロープラグについて説明する。
【００１３】
Ａ．実施例：
Ａ１．グロープラグの構成：
図１は、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（図示しない）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の中心軸ＳＣに沿って組み付けられている。図１では、グロープラグ１０を中心軸ＳＣで分割し、中心軸ＳＣから紙面右側に外観構成を図示し、中心軸ＳＣ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。
【００１４】
グロープラグ１０の主体金具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を保持すると共に、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を保持し、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。主体金具５００の軸孔５１０は、中心軸ＳＣ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（図示しない）に係合し、主体金具５００の雄ネジ部５４０は、内燃機関（図示しない）に形成された雌ネジに嵌り合う。
【００１５】
グロープラグ１０の中軸２００は、導電材料で円柱状に成形された部材であり、主体金具５００の軸孔５１０に挿入された状態で中心軸ＳＣ上に組み付けられる。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。中軸２００の先端部２１０は、シースヒータ８００の内部に挿入される。他方、中軸２００の雄ネジ部２９０は、主体金具５００から突出し、係合部材１００に嵌り合う。係合部材１００は、リング３００を介して絶縁部材４１０を保持する。本実施例では、グロープラグ１０の外部からシースヒータ８００に対する給電は、中軸２００の雄ネジ部２９０を通じて行われる。
【００１６】
図２は、グロープラグ１０におけるシースヒータ８００の詳細構成を主に示す断面図である。グロープラグ１０のシースヒータ８００は、主体金具５００の先端側に設けられ、本実施例では、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に圧入接合されている。シースヒータ８００は、チューブ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。
【００１７】
シースヒータ８００のチューブ８１０は、導電材料であるニッケル（Ｎｉ）合金で形成され、先端側の端部である先端部８１１を閉塞した筒状に成形された部材であり、発熱コイル８２０、制御コイル８３０、絶縁粉末８４０を内包する。チューブ８１０は、先端部８１１とは反対側に開口した端部である後端部８１９を備え、この後端部８１９からチューブ８１０の内部に中軸２００の先端部２１０が挿入されている。チューブ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、主体金具５００と相互に接触して電気的に接続されている。チューブ８１０を形成するニッケル合金は、１．０〜２．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有する。チューブ８１０のニッケル合金は、チタン（Ｔｉ）を含有する場合、０．１〜０．５質量％のチタンを含有するのが好ましく、クロム（Ｃｒ）を含有する場合、２０〜３０質量％のクロムを含有するのが好ましい。
【００１８】
シースヒータ８００の発熱コイル８２０は、導電材料である鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金で形成されたコイルであり、チューブ８１０の内側に設けられ、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。発熱コイル８２０の先端部８２１は、チューブ８１０の先端部８１１の内側に溶接されることによりチューブ８１０と電気的に接続され、発熱コイル８２０の後端部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ている。発熱コイル８２０を形成する鉄−クロム−アルミニウム合金は、２．０〜４．０質量％のアルミニウム（Ａｌ）を含有する。
【００１９】
シースヒータ８００の制御コイル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、コバルトやニッケルを主成分とする合金）で形成されたコイルであり、チューブ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。制御コイル８３０の先端部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、制御コイル８３０の後端部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ている。
【００２０】
シースヒータ８００の絶縁粉末８４０は、電気絶縁性を有する絶縁材料の粉末であり、チューブ８１０の内側に充填され、チューブ８１０、発熱コイル８２０、制御コイル８３０、中軸２００の各隙間を電気的に絶縁する。本実施例では、絶縁粉末８４０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末である。
【００２１】
Ａ２．発熱コイルおよびチューブの材質評価：
発熱コイルおよびチューブの材質がシースヒータの耐久性に与える影響を確認するために、発熱コイルおよびチューブの材質が異なるシースヒータとして、合計１４種類の試験品１〜５，１１〜１９について性能評価を行った。なお、これらの試験品におけるチューブには、酸化マグネシウムを主成分とする絶縁粉末を充填した。試験品１〜５の性能評価を表１に示し、試験品１１〜１９の性能評価を表２に示す。
【００２２】
【表１】
2011038720.tif 000003
【００２３】
【表２】
2011038720.tif 000004
【００２４】
各試験品の性能評価では、まず、チューブおよび発熱コイルの材質が異なるシースヒータを実際に作成して加工性を評価した後、その作成されたシースヒータを組み込んだグロープラグに対して耐久試験を実施した。この耐久試験では、次の（１）〜（３）の行程を１サイクルとし、このサイクルを連続して繰り返し実施した。
（１）チューブ表面における先端から２ミリメートルの部位が通電開始から２秒後に１０００℃になる電圧で２秒間通電
（２）チューブ表面温度が１１００℃になる電圧で１８０秒間通電
（３）１２０秒間通電を停止
【００２５】
表１および表２における「チューブ加工性」は、チューブを塑性加工して成形する際の加工性を示し、その評価基準は次の通りである。
◎（優）：良好にチューブを成形可能
○（良）：寸法のバラツキが大きいがチューブを成形可能
×（不可）：チューブを成形不可能
【００２６】
表１および表２における「コイル耐久性」は、耐久試験における発熱コイルの耐久性を示し、その評価基準は次の通りである。
◎（優）：一万サイクルで発熱コイルの断線なし
○（良）：６０００サイクル以上〜一万サイクル未満で断線
△（劣）：２０００サイクル以上〜６０００サイクル未満で断線
×（不可）：２０００サイクル未満で断線
【００２７】
なお、試験品１５，１６については、チューブを塑性加工することができなかったため、耐久試験を実施することができなかった。また、試験品１７については、発熱コイルの抵抗値が小さく発熱量が少ないため、耐久試験を実施することができなかった。
【００２８】
チューブ加工性の観点から試験品１−５，１５，１６の性能評価を比較すると、チューブに含まれるアルミニウムの含有量が３．０質量％以上である場合や、チューブに含まれるチタンの含有量が０．７質量％以上である場合には、塑性加工によってチューブを成形することが不可能であることが分かった。表１および表２の性能評価によれば、チューブ加工性の観点から、チューブに含まれるアルミニウムの含有量は１．４質量％以下、チューブに含まれるチタンの含有量は０．３質量％以下が好ましいことが分かった。追試験において、アルミニウムおよびチタンの含有量を変化させ、鉄を１３質量％、クロムを２３質量％、残余成分をニッケルとした材料で塑性加工によるチューブの成形を試みたところ、アルミニウムの含有量が２．５質量％以下、チタンの含有量が０．５質量％以下であれば、塑性加工によってチューブを成形することが可能であることが分かった。
【００２９】
チューブのアルミニウム含有量がコイル耐久性に与える影響を検討すると、試験品１と試験品１４との比較から、チューブに含まれるアルミニウムの含有量が０．７質量％以下では、発熱コイルの窒化を十分に防止できないことが分かった。また、試験品２，３の性能評価から判断すると、発熱コイルの窒化を十分に防止するためには、チューブに含まれるアルミニウムの含有量は１．４質量％以上が好ましいことが分かった。追試験において、試験品２におけるチューブに含まれるアルミニウムの含有量を減らしたところ、チューブのアルミニウム含有量が１．０質量％以上であれば、６０００サイクル以上のコイル耐久性を保持できることが分かった。なお、試験品１１，１２は、アルミニウム含有量が０．１質量％未満のステンレス合金をチューブに用いたものであり、耐久試験において発熱コイルの窒化を防止することができなかった。
【００３０】
チューブのチタン含有量がコイル耐久性に与える影響を検討すると、試験品１−３，１４の性能評価から、チューブに含まれるチタンの含有量が０．１質量％未満では、発熱コイルの窒化を十分に防止できず、発熱コイルの窒化を十分に防止するためには、０．２質量％以上のチタン含有量が好ましいことが分かった。追試験において、試験品２におけるチューブに含まれるチタンの含有量を減らしたところ、チューブのチタン含有量が０．１質量％以上であれば、６０００サイクル以上のコイル耐久性を保持できることが分かった。
【００３１】
コイル耐久性およびチューブ加工性の性能評価で「○（良）」以上であった試験品１−５では、チューブのクロム含有量は２３質量％である。追試験において、チューブのクロム含有量を増減したところ、チューブのクロム含有量が２０〜３０質量％であれば、「○（良）」以上の性能評価を保持できることが分かった。
【００３２】
発熱コイルのアルミニウム含有量がコイル耐久性に与える影響を検討すると、試験品２，４，５，１８，１９の性能評価から、発熱コイルのアルミニウム含有量が４．５質量％以上では、発熱コイルの耐久性を十分に確保することができず、発熱コイルのアルミニウム含有量は２．５〜３．５質量％が好ましく、３．０質量％がより好ましいことが分かった。追試験において、試験品５における発熱コイルのアルミニウム含有量を増やしたところ、発熱コイルのアルミニウム含有量が４．０質量％以下であれば、６０００サイクル以上のコイル耐久性を保持できることが分かった。また、試験品４における発熱コイルのアルミニウム含有量を減らしたところ、発熱コイルのアルミニウム含有量が２．０質量％以上であれば、グロープラグとして十分な発熱量を得ることができる抵抗値を保持できることが分かった。
【００３３】
Ａ３．効果：
以上説明した実施例のグロープラグ１０によれば、チューブ８１０を形成する合金は、１．０〜２．５質量％のアルミニウムを含有し、発熱コイル８２０を形成する合金は、２．０〜４．０質量％のアルミニウムを含有することから、チューブ８１０に含まれるアルミニウムによってチューブ８１０内の窒素を減らし、かつ、チューブ８１０の外側から発熱コイル８２０への窒素の拡散を防止した上で、発熱コイル８２０に含まれるアルミニウムの生成物であるスピネルの生成を抑制することができる。これによって、発熱コイル８２０に含まれるアルミニウム量を４質量％以下としも、窒化による発熱コイル８２０の劣化を抑制することができる。さらに、発熱コイル８２０のアルミニウム含有量を４質量％以下にすることにより、発熱コイル８２０のアルミニウムと、絶縁粉末８４０の酸化マグネシウムとの反応が抑制され、発熱コイル８２０の劣化を防止できる。その結果、グロープラグ１０の耐久性を向上させることができる。
【００３４】
また、チューブ８１０を形成する合金は、更に、０．１〜０．５質量％のチタンを含有することから、チューブ８１０に含まれるアルミニウムに加え、チューブ８１０に含まれるチタンによっても、チューブ８１０内の窒素を減らし、かつ、チューブ８１０の外側から発熱コイル８２０への窒素の拡散を防止することができる。これによって、窒化による発熱コイル８２０の劣化を更に抑制することができる。
【００３５】
また、チューブ８１０を形成する合金は、更に、２０〜３０質量％のクロムを含有することから、クロムによって酸素の拡散を防止し、酸化による発熱コイル８２０の劣化を抑制することができる。
【００３６】
Ｂ．その他の変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、前述の実施形態では、発熱コイル８２０に制御コイル８３０が接続されているが、制御コイル８３０を省略して発熱コイル８２０のみを備えるグロープラグとすることができる。また、前述の実施形態では、チューブ８１０は一定の外径を有しているが、発熱コイル８２０が配置された先端側を後端側よりも小径にするなど、必要に応じて、小径部、大径部（および中径部）を設けた形状とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
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…Ｏ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…チューブ
８１１…先端部
８１９…後端部
８２０…発熱コイル
８２１…先端部
８２９…後端部
８３０…制御コイル
８３１…先端部
８３９…後端部
８４０…絶縁粉末
ＳＣ…中心軸
【図１】
2011038720.tif 000005
【図２】
2011038720.tif 000006