(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーズチューブ内に、発熱抵抗体と電流制御抵抗体とを直列接続した発熱体を配するとともに絶縁粉体を充填して前記発熱体を固定した電熱式シーズヒータにおいて、
前記電流制御抵抗体に銅の含有量が１重量％以上１４重量％以下のコバルト−銅合金を用いたことを特徴とする電熱式シーズヒータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電熱式シーズヒータを、機関への取り付けネジが形成された筒状主体金具の先端部に嵌着してなる自己温度制御型グロープラグ。
【請求項３】
請求項１において、前記発熱抵抗体および前記電流制御抵抗体は、コイルであることを特徴とする電熱式シーズヒータ。
【請求項４】
請求項２において、前記発熱抵抗体および前記電流制御抵抗体は、コイルであることを特徴とする自己温度制御型グロープラグ。
【請求項５】
請求項３または４において、前記発熱抵抗体と前記電流制御抵抗体との間に低電気抵抗体を介在させたことを特徴とする自己温度制御型グロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電熱式シーズヒータおよびディーゼルエンジンなど内燃機関の始動補助のため燃焼室に装着される自己温度制御型グロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
機関の始動を迅速に行うには、予熱時間はできるだけ短時間であることが望ましい。このため、グロープラグに大電流を通電して電熱式シーズヒータの表面温度の立ち上がりを急速に行うとともに発熱体の溶断を防止する速熱型グロープラグとして、発熱抵抗体と抵抗温度特性が大きい正の値を有する電流制御抵抗体を直列接続した２材式発熱体を備える自己温度制御型グロープラグが実用されている。
【０００３】
この自己温度制御型グロープラグは、一般的には、先端を閉鎖した耐熱金属製シーズチューブ内に、発熱抵抗体としての発熱コイルと電流制御抵抗体としての電流制御抵抗コイルとを直列して溶接した発熱体を配し、電気絶縁性セラミックなどの絶縁粉体を充填して発熱体を固定した電熱式シーズヒータを、筒状主体金具の先端に先端部側を突出して嵌着した構造を有する。また、電熱式シーズヒータの発熱抵抗体としては鉄クロム合金が使用され、電流制御抵抗体としては、いずれも高い温度抵抗係数を有する、ニッケルメッキを施した鉄、またはコバルト鉄合金を使用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、ニッケルメッキを施した鉄は、大きい抵抗温度係数を有するが、耐酸化性が不充分であるとともに７００℃以上において抵抗温度係数が小さくなる問題がある。コバルト鉄合金は、抵抗温度係数は高温度においても大きいまま維持できるが、発熱抵抗体との溶接性が悪い問題がある。
この発明の目的は、耐酸化性、高温度での抵抗温度係数および溶接性のいずれにも優れる抵抗体を備えた電熱式シーズヒータおよび自己温度制御型グロープラグの提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、シーズチューブ内に、発熱抵抗体と電流制御抵抗体とを直列接続した発熱体を配するとともに絶縁粉体を充填して前記発熱体を固定した電熱式シーズヒータにおいて、前記電流制御抵抗体に銅の含有量が１重量％以上１４重量％以下のコバルト−銅合金を用いたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明では、前記電熱式シーズヒータを、機関への取り付けネジが形成された筒状主体金具の先端部に嵌着して自己温度制御型グロープラグを構成した。なお、通常、前記発熱抵抗体および前記電流制御抵抗体は、いずれもコイル形状のものを溶接により直列接続して用いる。また、前記発熱抵抗体と前記電流制御抵抗体との間に熱伝導を抑制する低電気抵抗体を介在させると、急速昇温し、エンジン始動後のアフターグロー時の温度を約８００℃に保持できる。
【０００７】
【発明の作用、効果】
この発明では、電流制御抵抗体として使用している銅の含有量が１重量％以上１４重量％以下のコバルト−銅合金が、優れた耐酸化性を有するとともに、発熱抵抗体として使用される鉄クロム合金との溶接性が良く、繰り返しの通電に対し断線が生じ難い特性を有する。また、９００℃以上の高温度においても、室温の１２倍程度の高い抵抗温度係数を保持している。
【０００８】
銅の含有量を１重量％以上としたのは、純コバルトは六方構造で加工性が悪いが、銅を１重量％以上混ぜると成形が容易である面心立方構造に変化して加工性が良くなるためである。また、銅の含有量を１４重量％以下としたのは、銅を１４重量％含有させたコバルトの液相線が１４００℃程度であり、１４重量％以下の場合は液相線が１４００℃以上となるため電熱式シーズヒータまたは自己温度制御型グロープラグの使用温度の上限を十分にカバーできるという理由による。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は電熱式シーズヒータ１を示し、ステンレスなど耐熱金属製のシーズチューブ１１と、該シーズチューブ１１の中心に配された発熱体２とを有する。シーズチューブ１１は、先端１２が球殻状に閉じるとともに後端１３が開口している。シーズチューブ１１内には、電気絶縁性のセラミック粉末からなる絶縁粉体１４が充填されて発熱体２を固定している。
【００１０】
シーズチューブ１１の後部には、後端１３の開口から中心電極３が同軸的に差し込まれており、発熱体２はシーズチューブ１１の先端１２の内壁と中心電極３の先部３１との間を電気的に接続している。シーズチューブ１１の後端１３の開口にはシリコンシール１５が施されており、外部からシーズチューブ１１内への水分、オイル等の浸入を防止している。
【００１１】
発熱体２は、発熱抵抗コイル（発熱抵抗体）２１と電流制御抵抗コイル（電流制御抵抗体）２２とを溶接して直列接続してなる。発熱抵抗コイル２１は鉄クロム合金製であり、先端がシーズチューブ１１の先端１２の内壁にアーク溶接され、後端は電流制御抵抗コイル２２の先端にアーク溶接２３されている。電流制御抵抗コイル２２は、Ｃｏ−Ｃｕ合金製であり、先端が発熱抵抗コイル２１の後端に溶接され、後端が中心電極の先部３１に溶接されている。
【００１２】
電流制御抵抗コイル２２は、Ｃｕの含有割合が１重量％以上１４重量％以下の線材を使用している。純Ｃｏは六方構造で固いため加工性が悪いが、Ｃｕを１重量％以上混ぜると成形が容易である面心立方構造に変化して加工性が良くなり、容易にコイルが形成できる。Ｃｕを１４重量％含有させたＣｏの強度が急減する液相線は１４００℃程度であり、含有量の減少とともに液相線は上昇する。電熱式シーズヒータまたは自己温度制御型グロープラグの使用温度の上限は１４００℃以上であれば全ての使用条件を十分にカバーできる。
【００１３】
Ｃｕの含有割合は、望ましくは１重量％以上１４重量％以下であり、３重量％以上１２重量％以下が最適である。また、電流制御抵抗コイル２２にＣｏ−Ｃｕ合金線材を使用するのは、７００℃以上の高温度においても抵抗温度係数が大きく、かつ、鉄クロム合金、ニッケルクロム合金との溶接性が良いという理由による。さらに、Ｃｏ−Ｃｕ合金線材は、Ｃｏ−Ｆｅ合金線材よりも加熱−冷却サイクルの耐久性に優れている。
【００１４】
図２は、この発明の自己温度制御型グロープラグＡを示し、接地電極となる筒状主体金具４の先端部４３内に電熱式シーズヒータ１の後部を差し込んで銀ろう付けあるいは圧接により嵌着し、主体金具４の後端部４５に絶縁環４１を嵌め込んで中心電極３を同軸に支持している。このグロープラグＡは、キースイッチＫを介して電源であるバッテリーまたは発電機Ｖに接続されている。主体金具４は、機関への取り付けネジ４２が設けられた径小の先端部４３と、後端に六角部４４が形成された径大の後端部４５からなる。
【００１５】
中心電極３は、径小の先部３１と、径大で外周ネジが形成された後部３２とからなり、後部３２には固定ナット３３およびハーネスを固定する端子ナット３４が螺合されている。絶縁環４１は、主体金具４の六角部４４内に嵌め込まれる筒部４６と、主体金具４の後端面４７に当接する鍔部４８とからなり、固定ナット３３と後端面４７との間に保持されている。
【００１６】
図３は、Ｃｕの含有量が１０重量％であるこの発明の自己温度制御型グロープラグＡ、電流制御抵抗コイルにＣｏ−８Ｆｅ合金線材を電流制御抵抗コイルに使用した従来の自己温度制御型グロープラグＢ、および電流制御抵抗コイルにＮｉメッキ純鉄線材を使用した従来の自己温度制御型グロープラグＣの通電時間と温度の関係を示す。各自己温度制御型グロープラグは、図２に示す如く、定圧電源に接続し、キースイッチＫをオンして通電したときの電熱式シーズヒータ１の径小先部の表面温度の変化を示す。
【００１７】
図３から、この発明の自己温度制御型グロープラグＡは、電流制御抵抗コイルにＣｏ−８Ｆｅ合金線材を電流制御抵抗コイルに使用した従来の自己温度制御型グロープラグＢと同程度に８００℃を越えて急速に抵抗値が上昇するため、自己温度制御の機能を有することが証明される。なお、電流制御抵抗コイルにＮｉメッキ純鉄線材を使用した従来の自己温度制御型グロープラグＣは、純鉄が高い抵抗温度係数（９００℃で約１１．５倍）を有するが８００℃を越えても緩慢に上昇するため急速に電流制御ができず、機関の円滑な始動が可能となる８００℃までの立ち上がり時間が長くなり、速熱性に劣ることが判る。
【００１８】
図４は、グロープラグＡ，Ｂ，Ｃの断線耐久性のテストの結果を示す。
１４Ｖの電源に３００秒間接続して通電し、６０秒間通電停止するサイクルを繰り返した結果を示す。Ａは、１万サイクルを越えても断線が生じず、Ｂは７千サイクルで断線し、Ｃは２千サイクルで断線している。
【００１９】
図５は、他の実施例を示す。この実施例では、発熱抵抗コイル２１と電流制御抵抗コイル２２と中間に低電気抵抗コイル２０を介装して両者の位置を離している。この構成では、発熱抵抗コイル２１でのジュール熱が溶接点から直接に電流制御抵抗コイル２２に伝達されることを阻止している。
【００２０】
これにより、発熱抵抗コイル２１でのジュール熱により、発熱チューブ１の先端部の表面温度が急速昇温し、電流制御抵抗コイル２２の温度上昇が遅れ、電流制御が遅延することから、アフターグロー時の発熱温度を抑制し、耐久性を向上することができる。低電気抵抗コイル（低電気抵抗体）２０としては、ニッケル、ニツケルクロム合金線が使用できる。また、この構成では、発熱抵抗コイル２１と電流制御抵抗コイル２２との双方に溶接性の良い材料を使用することもできる。
【００２１】
上記実施例では、シーズチューブ１１をグロープラグに適用したが、小型の温水器、たとえばトイレのウォッシャー、手洗用温水器などの少量の水を短時間に加熱する場合の加熱源としても好適に利用できる。
なお、発熱抵抗体、電流制御抵抗体、および低電気抵抗体は、コイル以外の形状であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】電熱式シーズヒータの断面図である。
【図２】自己温度制御型グロープラグの断面図である。
【図３】グロープラグの昇温特性グラフである。
【図４】耐久テストの結果を示すグラフである。
【図５】他の実施例の電熱式シーズヒータの断面図である。
【符号の説明】
１  電熱式シーズヒータ
２  発熱体
３  中心電極
４  筒状主体金具
１１  シーズチューブ
１４  絶縁粉体
２０  低電気抵抗コイル（低電気抵抗体）
２１  発熱抵抗コイル（発熱抵抗体）
２２  電流制御抵抗コイル（電流制御抵抗体）
４２  取り付けネジ
４３  先端部
Ａ    自己温度制御型グロープラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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