(57)【要約】  ヒータプローブアセンブリ、それを備えた金属グロープラグアセンブリおよびこのヒータプローブアセンブリの構築方法が提供される。金属グロープラグアセンブリは、貫通ボアを有するシェルと、遠位端部と端子端部との間に延在する金属シースとを含む。金属シースの端子端部は、シェルの貫通ボア内に固定されている。さらに、加熱素子が取付けられた端部を有する電極が設けられている。加熱素子および電極の端部は、シース内に収容されている。充填粉末は、シース内に加熱素子の周りに配置される。さらに、セラミックシールは、ろう付接合によってシースに取付けられた外側表面と、ろう付接合によって電極に取付けられた内側表面とを有する。セラミックシールは、充填粉末とシースの外部の環境との間の気密封止を提供する。
2012506988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属グロープラグアセンブリであって、
貫通ボアを有する金属シェルと、
遠位端部と端子端部との間に延在する金属シースとを備え、前記端子端部は、前記シェル中に固定されており、
前記シース内に収容された端部を有する電極と、
前記電極の前記端部に取付けられ、前記シース内に収容された加熱素子と、
前記シース内に前記加熱素子の周りに配置された充填粉末と、
ろう付接合によって前記シースに取付けられた外側表面を有し、ろう付接合によって前記電極に取付けられた内側表面を有するセラミックシールとをさらに備え、前記セラミックシールは、前記充填粉末と前記シースの外部の環境との間の気密封止をもたらす、金属グロープラグアセンブリ。
【請求項２】
前記セラミックシールは、前記シース内での隙間嵌めのための大きさに作られた縮径領域と、前記電極の周りでの隙間嵌めのための大きさに作られた貫通開口部とを有し、前記ろう付接合のうち一方は、前記縮径領域と前記シースとの間に延在し、前記ろう付接合のうち他方は、前記貫通開口部と前記電極との間に延在する、請求項１に記載の金属グロープラグ。
【請求項３】
前記セラミックシールは、拡径領域と、前記縮径領域と前記拡径領域との間に延在する平面肩部とを有し、前記肩部は、前記金属シースの前記端子端部に当接している、請求項２に記載の金属グロープラグアセンブリ。
【請求項４】
前記セラミックシールは、酸化アルミニウムである、請求項１に記載の金属グロープラグアセンブリ。
【請求項５】
グロープラグヒータプローブアセンブリであって、
遠位端部と端子端部との間に延在する金属シースと、
前記シース内に収容された端部を有する電極と、
前記電極の前記端部に取付けられ、前記シース内に収容された加熱素子と、
前記シース内に前記加熱素子の周りに配置された充填粉末と、
第１のろう付接合によって前記シースに取付けられた外側表面を有し、第２のろう付接合によって前記電極に取付けられた内側表面を有するセラミックシールとを備え、前記セラミックシールは、前記充填粉末と前記シースの外部の環境との間の気密封止をもたらす、グロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項６】
前記セラミックシールの前記外側表面は、前記シース内での隙間嵌めのための大きさに作られていて、前記外側表面と前記シースとの間の環状の間隙をもたらし、前記第１のろう付接合は、前記環状の間隙を実質的に埋めている、請求項５に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項７】
前記セラミックシールの前記内側表面は、前記電極の周りでの隙間嵌めのための大きさに作られていて、前記内側表面と前記電極との間の環状の間隙をもたらし、前記第２のろう付接合は、前記環状の間隙を実質的に埋めている、請求項６に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項８】
前記セラミックシールは、前記金属シースの前記端子端部に当接した肩部を有する、請求項５に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項９】
前記肩部は、前記セラミックシールの縮径領域と前記シールの拡径領域との間に延在する、請求項８に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項１０】
前記セラミックシールの前記縮径領域は、前記シース内に収容されている、請求項８に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１のろう付接合は、前記セラミックシールの前記縮径領域と前記シースとの間に延在する、請求項１０に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項１２】
前記セラミックシールは、酸化アルミニウムである、請求項５に記載のグロープラグヒータプローブアセンブリ。
【請求項１３】
グロープラグヒータプローブアセンブリの構築方法であって、
開端部を有する金属シースを設けるステップと、
電極を設けるステップと、
電極にヒータ素子を取付けるステップと、
ヒータ素子および電極の端部をシース内に配置するステップと、
充填粉末をヒータ素子の周りにシース内に配置するステップと、
セラミックシールを電極の周りにシース内部に配置するステップと、
ろう付接合をシースと電極との間に形成して、充填粉末とシースの外部の環境との間の気密封止をもたらすステップとを備える、方法。
【請求項１４】
ろう付接合を形成するステップは、第１のろう付接合をセラミックシールの外側表面とシースとの間に形成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ろう付接合を形成するステップは、第２のろう付接合をセラミックシールの内側表面と電極との間に形成するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ろう付接合を形成するステップの前に、真空中で充填粉末から反応物をガス抜きするステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組込まれる２００８年１０月２３日に出願された米国仮特許出願番号第６１／１０７，６９３号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、概してグロープラグに関し、より具体的には、シーズド型グロープラグに関する。
【０００３】
２．関連技術
シーズドヒータプローブ型のグロープラグは、先行技術図１において１に一般的に示されるように、典型的に、その中にヒータプローブアセンブリ３を固定収容するための大きさに作られたボア２を備えた環状の金属シェルを有する。ヒータプローブアセンブリ３は、金属シース４と、電極５と、抵抗加熱素子６と、粉末充填材料７と、Ｏリングシール８とを含む。
【０００４】
これらのＯリングシールは、デュポン（DuPont）社によってバイトン（VITON）（登録商標）の商標下で販売されるものなどのフッ素重合体を含めて、さまざまなエラストマーを用いて作られている。Ｏリングシールは、多くのグロープラグ適用例において用いられているものの、それらの有用動作温度範囲は、約１００〜２００℃であり、これは、動作温度を上昇させたエンジン進歩に鑑みて、現在では制約となっている。結果として、より高い動作温度範囲が必要とされ、かつ先行技術のＯリングシールが適さないグロープラグ用途が新興しつつある。
【０００５】
加えて、より低い、先行技術の温度範囲内で動作しているときでさえ、Ｏリングシール８は、気密性がなく、結果として、酸素および水蒸気が絶縁粉末７中におよび抵抗加熱素子６まで浸透して、抵抗加熱素子６の酸化、ひび割れおよび最終的には不良を引起すおそれがある。この不良の態様は、グロープラグ１の耐用寿命を短くするまたは別の方法で制限するように働くおそれがある。
【０００６】
よって、従来の金属グロープラグは、それらのワイヤ加熱素子の酸化による性能の劣化が原因となって耐用寿命が限られている。熱サイクル中、ワイヤ６の表面が酸化することによって、埋込まれた抵抗ワイヤの有効断面が減少する。これは最終的にはワイヤの一部の過熱に繋がる。この不良態様に至る主要な要因は、たとえばＯ−リングのようなゴムまたはプラスチックガスケットの不完全な封止であり、これにより酸素および水蒸気が充填粉末層中に拡散することが可能になり、この層の中で酸素および水蒸気は、加熱素子ワイヤと自由に反応する。酸化マグネシウムと水蒸気との相互作用は、水酸化マグネシウムを形成し、これは、部品が供用される以前でさえもその部品の不良を引き起こすおそれがある。その上、マグネシウム粉末の表面上に吸収されたガスも、加熱素子ワイヤの劣化に寄与することがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記に鑑み、２００℃を上回る封止領域内の動作温度で使用可能であり、かつ電極とシースとの間の真の気密封止をもたらすことができるグローランプが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
この発明の１つの局面に従って、金属グロープラグアセンブリが提供される。この金属グロープラグアセンブリは、貫通ボアを有する金属シェルと、遠位端部と端子端部との間に延在する金属シースとを含む。金属シースの端子端部は、シェル内に固定されている。さらに、加熱素子が取付けられた端部を有する電極が設けられる。加熱素子および電極の端部は、シース内に収容されている。充填粉末がシース内に加熱素子の周りに配置されている。さらに、セラミックシールは、ろう付接合によってシースに取付けられた外側表面と、ろう付接合によって電極に取付けられた内側表面とを有する。セラミックシールは、充填粉末とシースの外部の環境との間の気密封止をもたらす。
【０００９】
この発明の別の局面に従って、グロープラグヒータプローブアセンブリが提供される。このグロープラグヒータプローブアセンブリは、遠位端部と端子端部との間に延在する金属シースを含む。さらに、電極は、加熱素子が取付けられた端部を有し、この端部および加熱素子は、シース内に収容されている。充填粉末がシース内に加熱素子の周りに配置されている。また、セラミックシールは、第１のろう付接合によってシースに取付けられた外側表面と、第２のろう付接合によって電極に取付けられた内側表面とを有して、充填粉末とシースの外部の環境との間の気密封止をもたらす。
【００１０】
この発明のさらに別の局面に従って、グロープラグヒータプローブアセンブリの構築方法が提供される。この方法は、開端部を有する金属シースを設けるステップと、電極を設けるステップと、電極にヒータ素子を取付けるステップとを含む。さらに、ヒータ素子および電極の端部をシース内に配置するステップと、充填粉末をヒータ素子の周りにシース内に配置するステップとを含む。さらにまた、セラミックシールを電極の周りにシース内部に配置するステップと、ろう付接合をシースと電極との間に形成して、充填粉末とシースの外部の環境との間の気密封止をもたらすステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】先行技術を示す図である。
【図２】この発明の１つの局面に従って構築されたグロープラグを説明する図である。
【図３】この発明の１つの現在好ましい実施例に従って構築されたヒータプローブアセンブリを少なくとも部分的にその中に固定収容するための大きさに作られた貫通ボアを有する環状金属シェルを含むグロープラグを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図２には、この発明の１つの局面に従って構築されたグロープラグ１０が説明されている。図３に示されるように、グロープラグ１０は、貫通ボア１４を有する環状金属シェル１２を含み、この貫通ボアは、その中にこの発明の１つの現在好ましい実施例に従って構築されたヒータプローブアセンブリ１６を少なくとも部分的に固定収容するための大きさに作られている。ヒータプローブアセンブリ１６は、管状金属シース１８と、電極２０と、抵抗加熱素子２２と、粉末充填材料２４と、改良されたシール２６とを含む。改良されたシール２６は、セラミック材料で構築されており、この材料は、金属シース１８および電極２０に固定されたときに、抵抗加熱素子２２を酸素および水蒸気から隔離するようによりよく構成されているので、グロープラグ１０の耐用寿命が向上する。
【００１３】
図２に示されるように、金属シェル１２は、架空の長手方向軸Ａに沿って延在する。シェル１２は、さまざまなグレードの鋼などの任意の適切な金属から形成されてもよい。シェル１２は、その高温酸化および腐食に対する耐性を向上させるために、外側表面２８を含めてその表面の一部または全部の上におよびボア１４内部に、ニッケルまたはニッケル合金被膜などのめっきまたは被覆層も組入れていてもよい。シェル１２は、ねじ山３２をエンジンシリンダヘッド、予点火室、吸気マニホールドなどにある適宜雌ねじを切られた穴（図示せず）の中に進めるために、外部レンチ用平坦部３０または他の適切に構成された工具受部を含む。先細りになった台座部３４は、嵌め合い機構にある相補的な形状のくぼみにもたれかかって、動作中の耐圧封止を完成させる。
【００１４】
シース１８は、おおむね管状構造の導電性および熱伝導性部材である。任意の適切な金属を用いてシース１８を形成してもよいが、高温酸化および腐食に対する耐性を有する金属が、特に内燃機関の動作に関連する燃焼ガスおよび反応物種に関して好ましい。適切な金属合金の例は、ニッケル−クロム−鉄−アルミニウム合金である。図３に示されるように、シース１８は、シェル１２の貫通ボア１４内部にシェル１２と電気的に接続されて配置された、第１の開端部３６とも称される端子端部と、貫通ボア１４の遠位端部から突出している、第２の閉端部３８とも称される遠位端部とを有する。シース１８は、冷間加工された微細構造などの、変形微細構造を有してもよく、その場合、シース予備成形品（図示せず）は、スエージングまたは他の方法によって再成形されて、直径を全体的に減少させることによって、その中に入っている粉末充填材料２４の密度を増加させる。
【００１５】
図３において、電極２０の一部分が描かれており、シース１８の第１の開端部３６の中へと延在する埋込まれた部分が示されている。電極２０は、任意の適切な導電性材料から作ってもよいが、好ましくは金属、またはよりいっそう好ましくは鋼鉄から作られる。適切なグレードの鋼鉄の例には、ＡＩＳＩ  １０４０、ＡＩＳＩ  ３００／４００ファミリー、ＥＮ  １０２７７−３ファミリー、Kovar＊ＵＮＳ  Ｋ９４６１０およびＡＳＴＭ  Ｆ１５、２９−１７合金が含まれる。
【００１６】
抵抗加熱素子２２は、巻かれたまたは螺旋状に巻かれた抵抗加熱素子を含めて、任意の適切な抵抗加熱装置であってもよい。抵抗加熱素子２２は、グロープラグ１０の特定の用途に対して必要とされる必要な時間／温度加熱応答特性を提供するように動作可能である限り、任意の適切な抵抗特性を有してもよい。これは、正温度係数特性（ＰＣＴ特性：Positive Temperature Coefficient Characteristic）を備えた単一（すなわち均質）電気抵抗素子または２つの並列接続された電気抵抗素子が端部と端部で連結されている二重構造を含む素子を含んでもよい。この後者のシナリオにおいて、第１の抵抗素子４０は、電極２０に直接接続されており、シース１８の第２の閉端部３８に接続された第２の抵抗素子４２よりも高いＰＣＴ特性を有する材料から作製される。よって、第１の抵抗素子４０は、電流リミッターまたはレギュレータ素子として働き、第２の抵抗素子４２は、加熱素子として働く。螺旋状ワイヤ抵抗加熱素子は、ほんの数例を挙げれば、純ニッケル、さまざまなニッケル、ニッケル−鉄−クロム合金および鉄−コバルト合金などのさまざまな金属を含めて、任意の適切な材料から形成されてもよい。よって、図３に示される例において、螺旋状ワイヤ、すなわち二重抵抗加熱素子２２は、その近位端部が冶金的接合またははんだによって電極２２に電気的に接続されかつ機械的に固定されている状態でシース２０内に配置されている。抵抗加熱素子２２の遠位端部は、冶金的接合によってシース２０の第２の閉端部３２に電気的に接続され機械的に固定されている。この機械的取付けおよび冶金的接合は、抵抗加熱素子２２の遠位端部がシース２０の遠位端部に溶接されるときに形成される。この溶接作業を用いて、端部が開いた予備成形品の遠位端部にある開口部を封止することにより管状シース２０の閉端部３２を同時に形成してもよい。
【００１７】
従来のゴムまたはプラスチック先行技術シール（図１における８）は、ガスケット２６とも称されるセラミックシールで置き換えられており、このガスケットは、シース１８および電極２０に適所で固定される。ガスケット２６のセラミック材料は、シース１８と電極２０との間の電気抵抗を提供する。シール２６の好ましい材料組成は、酸化アルミニウムであるが、他の電気絶縁性のセラミック材料を用いてもよい。独立したセラミックの部品２６が好ましくは用いられ、これにより、効果的で安価で頑強な封止技術がもたらされ、この技術は、ワイヤ加熱素子２２の酸化による劣化のリスクを低下させることによってグロープラグ１０の耐用寿命を延長する。
【００１８】
ガスケット２６は、たとえば、シース１８の開端部３６内部でのわずかな隙間嵌めのための大きさに作られた縮径先端領域４４と、シース１８とおよそ同じ外径を有し、かつ縮径領域４４と同心状に形成された拡径領域４６とを有する。したがって、平面肩部４８は、縮径領域４４と拡径領域４６との間に径方向に延在する。ガスケット２６をシース１８に固定するために、先端領域４４は、シース１８の中に肩部４８がシース１８の開端部３６に面し、当接するまで配置される。次に、第１のろう付接合５０が、先端領域４４の外側表面とシース１８の内側表面との間のわずかな隙間嵌めによって形成された環状の間隙内部に形成され、ろう付接合５０は、環状間隙を埋め、先端領域４４とシース１８の内側表面との間の気密封止をもたらす。ガスケット２６も、電極２０の周りのわずかな隙間嵌めのための大きさに作られた中心貫通ボア５２を有する。ガスケット２６を電極２０に固定するために、第２のろう付接合５４が、電極２０の外側表面とガスケット２６の貫通ボア５２との間のわずかな隙間嵌めによって形成された環状の間隙内部に形成され、ろう付接合５４は、環状の間隙を埋め、電極２０と貫通ボア５２との間の気密封止をもたらす。したがって、ろう付接合５０、５４は、加熱ワイヤ２２を含む粉末層２４と外側雰囲気との間の気密封止をもたらす。
【００１９】
本発明の二次的な特徴は、好ましくは、封止プロセス中に充填粉末層２４から酸素および水蒸気が取除かれるように部品が処理され、組立てられる点である。よって、ヒータプローブアセンブリ１６の好ましい構築方法において、ろう付接合５０、５４は、真空中またはたとえば不活性ガスなどの雰囲気中でのろう付けプロセスにおいて形成され、そのためろう付接合５０、５４の形成前に酸化マグネシウム粉末２４がガス抜きされることによって、さもなければ加熱素子ワイヤ２２の劣化に寄与するおそれがある酸素および水などの反応物を除去する。
【００２０】
前述の発明は、関連する法規に従って説明されたものであり、よってこの説明は、本質的に、限定的ではなく例示的である。明らかに、この発明の多くの変形例および変更例が上記の教示に鑑みて可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、この発明は、特定的に説明されたものとは異なるやり方で実施されてもよいことが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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