JPH09196376A

JPH09196376A - 自己電流制御型グロープラグ

Info

Publication number: JPH09196376A
Application number: JP2870296A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Okada; 充岡田
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1996-01-24
Filing date: 1996-01-24
Publication date: 1997-07-29

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、所定時間経過後に外部温度に感知
してヒータコイルへの通電を自動的に遮断できる自己電
流制御形グロープラグを提供する。【解決手段】この自己電流制御形グロープラグは、中
空状本体１から突出して取り付けられた発熱部４を構成
するパイプ２内にヒータコイル３を配置し、ヒータコイ
ル３と接続端子１２に対して直列に接続されたＰＴＣサ
ーミスタ５を中空状本体１内に配置し、ＰＴＣサーミス
タ５の外側を覆うように高熱伝導性のセラミックスと樹
脂から成る複合体層７を中空状本体１内に充填する。複
合体層７はポリイミド樹脂中に窒化アルミニウムを分散
させた材料から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ディーゼルエンジン
等に使用される自己電流制御型グロープラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンの始動補助装
置として、グロープラグが使用されている。例えば、図
４に示すように、グロープラグ４０は、加熱部４４を有
し、その加熱部４４はディーゼルエンジンのシリンダヘ
ッド４５に形成した副室の燃焼室４６内に配置されてい
る。グロープラグ４０は、エンジンのキー４３がオンす
ることによってリレー即ちスイッチ４１が接続され、バ
ッテリー４２からの大電流がグロープラグ４０の加熱部
４４に投入され、該加熱部４４が短時間に加熱され、該
加熱部４４に燃料が接触して燃料が着火燃焼するもので
ある。

【０００３】従来の自己電流制御型グロープラグとし
て、図３に示すようなものが知られている。該自己電流
制御型グロープラグは、中空状本体２１内に接続端子３
２が絶縁部材３３を介して配設され、接続端子３２はナ
ット３０によって中空状本体２１内に接続端子３２を押
し込むようにして固定されている。中空状本体２１は、
その外面に設けたねじ３１によって燃焼室壁体等に取り
付けられる。発熱部２４を構成するパイプ２２が中空状
本体２１から突出して中空状本体２１に取り付けられて
いる。タングステン等の発熱線を構成するヒータコイル
２３がパイプ２２内に充填されたセラミック充填部材２
６内に配置されている。ヒータコイル２３と接続端子３
２とは、発熱線よりも正の抵抗温度係数の大きな材料か
ら成る抵抗体２５によって直列に接続されている。抵抗
体２５としては、例えば、ＰＴＣサーミスタ（positive
temperature coefficient thermistor ）が使用されて
いる。中空状本体２１内の中空部２９には、抵抗体２５
を覆う状態でセラミック部材２７が充填されている（例
えば、特開平７−１６７４３３号公報参照）。

【０００４】上記のような自己電流制御型グロープラグ
では、ＰＴＣサーミスタとして図５に示すものが知られ
ている。ＰＴＣサーミスタであるＰＴＣ部材５０は、あ
る温度で電気抵抗値が指数的に急激に増加する材料で作
製され、所定温度以上で抵抗値が急激に増加してコイル
に流れる電流を遮断する機能を有する正の温度係数部材
である。ＰＴＣ部材５０は、半導体化したＢａＴｉＯ₃
系焼結体から構成され、一端がコイルのコイル端子５８
に他端がコネクタ部５３にそれぞれ並列に接続された複
数のＰＴＣ端子５７から構成されている。金属ディスク
５４は、コネクタ部５３上で長手方向にＰＴＣスペーサ
５５によって隔置された複数のディスク部材であり、コ
イル端子５８は各金属ディスク５４にそれぞれ対応する
複数のＰＴＣ端子５７を有している。金属ディスク５４
をＰＴＣスペーサ５５で隔置しておくと、低温時には金
属ディスク５４で電流が流れるが、高温になると、ＰＴ
Ｃスペーサ５５には電流の流れが低減され、金属ディス
ク５４間での導通状態は遮断されると共に、コネクタ部
５３からコイル端子５８への通電が実質的に遮断される
ことになる。ＰＴＣ部材５０を構成するＰＴＣ端子５７
が１０枚であったとすると、ＰＴＣ端子５７は並列に接
続しているので、ＰＴＣ部材５０の全体の抵抗値が高く
なってＰＴＣ部材５０には電流は殆ど流れない状態にな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
自己電流制御型グロープラグにおいて、ＰＴＣサーミス
タを設け、ＰＴＣサーミスタを通電電力要素としてヒー
タコイルに直列に接続すると、ＰＴＣサーミスタの室温
比抵抗は１０〜１０⁴Ωｃｍ程度であり、タングステン
の比抵抗は５．６５×１０^{- 6}Ωｃｍであるため、ＰＴ
Ｃサーミスタ部分の室温抵抗値を、その他の通電部分の
抵抗値に合わせるとすると、その長さはμｍオーダとな
り、これを実用上使用するとすれば困難になる。また、
仮に長さをμｍオーダに構成しても、ＰＴＣサーミスタ
の耐電圧、耐電流の点で成立し得ないものとなる。

【０００６】更に、上記の自己電流制御型グロープラグ
では、ＰＴＣサーミスタ、リードワイヤから成る構成物
を、取付金具内にガラス材で封止する構造に構成されて
いるが、酸化物系ガラスの軟化温度は７００〜１０００
℃程度であるので、ＰＴＣ材料及びＰＴＣ電極の耐熱性
を考慮すると、この構造を成立させることは困難であ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の主な目的は、
上記の課題を解決することであり、セラミック製パイプ
内にヒータコイルを配置した発熱部とＰＴＣサーミスタ
を配置した電流制御部を構成したものであり、ヒータコ
イルと接続端子とを所定温度以上で抵抗値が急激に増加
する機能を有するＰＴＣサーミスタで接続し、発熱部の
温度に応答してＰＴＣサーミスタの抵抗を変化させ電流
を自己制御し、所定時間経過後に外部温度が上昇すれ
ば、それを感知してヒータコイルへの通電を自動的に遮
断でき、例えば、燃焼室を設けたエンジン本体の温度に
応答して検知できる構造に構成し、エンジン本体が昇温
した後、通電電力を遮断できるように構成した自己電流
制御型グロープラグを提供することである。

【０００８】この発明は、接続端子が絶縁部材を介して
配設された中空状本体、前記中空状本体から突出して前
記中空状本体に取り付けられた発熱部を構成するパイ
プ、前記パイプ内に充填されたセラミック充填部材に配
置されたヒータコイル、前記ヒータコイルと前記接続端
子とに直列に接続され且つ所定温度以上で抵抗値が増加
して前記ヒータコイルへの電流を減少させる前記中空状
本体内に配置されたＰＴＣサーミスタ、及び前記ＰＴＣ
サーミスタの外側を覆うように前記中空状本体内に充填
された高熱伝導性のセラミックスと樹脂とから成る複合
体層から構成した自己電流制御型グロープラグに関す
る。

【０００９】また、この自己電流制御型グロープラグで
は、前記ＰＴＣサーミスタは、室温での比抵抗が５〜２
０Ωｃｍで且つ厚さが０．３〜１．０ｍｍのＢａＴｉＯ
₃焼結体を２０〜１００層積層した構造を有するもので
ある。

【００１０】また、前記複合体層は、ポリイミド樹脂中
に窒化アルミニウムを分散させた材料から構成されてい
る。更に、前記複合体層は、その厚さが０．０５〜０．
５ｍｍであり、ポリイミド樹脂中に分散された窒化アル
ミニウムの粒径が１〜５０μｍであり、ポリイミド樹脂
に対する窒化アルミニウムの含有率が２０〜７０ｗｔ％
に設定されている。また、前記複合体層について、その
熱伝導率と流動性（粘度）とは、図２に示すように、ポ
リイミド樹脂と窒化アルミニウムとの配合比を調整する
ことによって適正に決定することができる。

【００１１】また、この自己電流制御型グロープラグ
は、前記ＰＴＣサーミスタを配置した前記中空状本体の
部分の外部温度を前記複合体層を通じて前記ＰＴＣサー
ミスタが検知できる構造に構成されている。

【００１２】この自己電流制御型グロープラグは、上記
のように構成されているので、前記ヒータコイルが配置
された前記パイプの前端部が発熱部を構成し、前記中空
状本体内の前記ＰＴＣサーミスタが電流制御部を構成す
る。前記ＰＴＣサーミスタが有する抵抗を低温時には低
減できると共に、前記ＰＴＣサーミスタが位置する領域
の温度上昇に伴って前記ＰＴＣサーミスタの抵抗値が急
激に増大して前記ヒータコイルへ供給される電流が自動
的に遮断される。特に、前記ＰＴＣサーミスタは、高熱
伝導性の前記複合体層を介して前記中空状本体内に封入
されているので、前記中空状本体の外部温度に敏感に応
答し、例えば、燃焼室を設けたエンジン本体の温度を検
知でき、エンジン本体が昇温した時には該温度に応答し
て通電電力を遮断できる。

【００１３】また、この自己電流制御型グロープラグで
は、前記ＰＴＣサーミスタ及びリード線を中空状本体内
に封着させる材料として、ポリイミド樹脂中に窒化アル
ミニウム粒子を分散させた前記複合体層を使用している
ので、作業温度を低くすることができ、例えば、シリン
ダヘッド及び発熱部からの熱移動を良好に構成され、前
記ＰＴＣサーミスタが適正に作用できるように構成され
ている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による自己電流制御型グロープラグの実施例を説明す
る。図１はこの発明による自己電流制御型グロープラグ
の一実施例を示す断面図、及び図２は図１の自己電流制
御型グロープラグに組み込まれるＰＴＣサーミスタを固
定する複合体層のＡｌＮの添加量に対する熱伝導率の関
係を示すグラフである。

【００１５】この自己電流制御型グロープラグは、主と
して、絶縁ブッシュ、樹脂等から成る絶縁部材１３を介
在して接続端子１２を中空部９に取り付けた中空状本体
１、セラミック製パイプ２、タングステン線等から成る
ヒータコイル３及びリード線８、ヒータコイル３に一体
に延びるリード線８と接続端子１２とを接続するＰＴＣ
サーミスタ５、パイプ２の端部側内部に充填されたセラ
ミック充填部材６、及びＰＴＣサーミスタ５及びリード
線８が位置する中空状本体１の中空部９に充填された複
合体層７から構成されている。中空状本体１は、耐熱合
金等の金属から作製され、燃焼室を設けたシリンダヘッ
ド等のエンジン本体への取り付けのための外周面にねじ
１１が形成されている。接続端子１２は位置決め固定用
のナット１４が螺入され、接続端子１２は中空状本体１
に対して位置決め固定される。

【００１６】セラミック製パイプ２を中空状本体１に接
続するには、セラミック製パイプ２の外周面１５をメタ
ライジングして中空状本体１の内周面１６に嵌合接合す
れば、パイプ２と中空状本体１とは極めて強固に接合で
きる。また、セラミック製パイプ２の先端部はヒータコ
イル３がパイプ２に内接して配置されて発熱部４を構成
し、発熱部４は中空状本体１の端部１７から突出状態に
配置されている。ヒータコイル３は、その端部がリード
線８に接続され、リード線８がＰＴＣサーミスタ５の一
端に接続され、ＰＴＣサーミスタ５の他端部は接続端子
１２にコネクタ部１８を介して接続されている。ヒータ
コイル３の他端１０が中空状本体１に連結されて電気的
にアース状態に接続されている。

【００１７】この自己電流制御型グロープラグでは、パ
イプ２の発熱部４は閉鎖状態に構成され、パイプ２の他
端部は絶縁部材１３によって封鎖されている。パイプ２
の中空部の内壁面１９及び中空状本体１の発熱部４側の
部分の中空部９には、反応焼結セラミックス等のセラミ
ックスから成るセラミック充填部材６が充填されてい
る。例えば、パイプ２を構成するセラミックスはＳｉ₃
Ｎ₄であり、また、セラミック充填部材６を構成するセ
ラミックスは、Ｓｉ₃Ｎ₄とＴｉＯ₂とから構成され、
場合によっては、ＴｉＮが含まれている。

【００１８】この自己電流制御型グロープラグは、特
に、ＰＴＣサーミスタ５の外側を覆うように、高熱伝導
性で且つ非導電性のセラミックスと樹脂とから成る複合
体層７が中空状本体１内に充填されていることである。
複合体層７は、セラミック充填部材６を充填したパイプ
２の後端に接するように中空状本体１内に充填されると
共に、内部に接続端子１２の端部とそれと接続するＰＴ
Ｃサーミスタ５を充填している。複合体層７は、ポリイ
ミド樹脂（芳香族ジアミンと無水ピロメリト酸の反応で
生成される芳香族ポリイミドであり、耐熱応力性を有す
る材料）中に窒化アルミニウムＡｌＮを分散させた材料
から構成されている。

【００１９】また、複合体層７は、電気絶縁性を確保す
るためにはその層が厚いほど良く、熱伝導性を上げるた
めには層が薄いほど良い。複合体層７は、上記のことを
考慮すると、その厚さが０．０５〜０．５ｍｍであるこ
とが好ましい。また、複合体層７の厚さが０．０５〜
０．５ｍｍであるポリイミド樹脂中に窒化アルミニウム
を均一に分散させるためには、窒化アルミニウムの粒径
を１〜５０μｍに選定することが好ましい。

【００２０】更に、図２から分かるように、複合体層７
の熱伝導率を大きくするには、ポリイミド樹脂に対する
窒化アルミニウムの含有率を大きくする方が好ましい。
一方、複合体層７を均一な膜に構成するには、流動性が
高いことが必要であり、そのためにはポリイミド樹脂に
対する窒化アルミニウムの含有率を小さくする方が好ま
しい。複合体層７を構成する材料については、ポリイミ
ド樹脂中の窒化アルミニウムの含有率と熱伝導率（Ｗ／
ｍ・ｋ）、及びポリイミド樹脂中の窒化アルミニウムの
含有率と粘度ｃｐｓ（図２では、縦軸に粘度の逆数ｃｐ
ｓ^{- 1}でプロットされている）との関係を考慮すると、
複合体層７は窒化アルミニウムをポリイミド樹脂中に重
量比で２０〜７０ｗｔ％程度分散させることが好ましい
ことが分かる。即ち、複合体層７は、窒化アルミニウム
をポリイミド樹脂中に重量比が２０ｗｔ％以上では、熱
伝導率が１５Ｗ／ｍ・ｋ以上になり、７０ｗｔ％以下で
は、粘度の逆数が２×１０^{- 3}ｃｐｓ^{- 1}以下になり、
パイプ２への複合体層７の充填が容易であり且つ適正な
熱伝導率を確保できる。

【００２１】複合体層７は、上記のように構成されてい
るので、ガラス化温度が低くなり、ＰＴＣサーミスタ５
を中空状本体１から電気絶縁し、中空状本体１の熱をＰ
ＴＣサーミスタ５へ良好に伝達でき、ＰＴＣサーミスタ
５の温度変化に応答する抵抗変化を鋭敏にする。例え
ば、上記のように、複合体層７が熱伝導率が良好である
ので、ＰＴＣサーミスタ５を配置した中空状本体１の部
分の外部温度は、複合体層７を通じてＰＴＣサーミスタ
５が鋭敏に検知できる構造に構成されることになり、中
空状本体１が燃焼室壁体等のエンジン本体に取り付けら
れると、その熱を直ちに感知してＰＴＣサーミスタ５の
抵抗値が変化することになる。

【００２２】また、ＰＴＣサーミスタ５は、ある温度で
電気抵抗値が指数的に急激に増加する材料で作製され、
所定温度以上で抵抗値が急激に増加してヒータコイル３
に流れる電流を遮断する機能を有する正の温度係数部材
である。ＰＴＣサーミスタ５は、半導体化したＢａＴｉ
Ｏ₃のバルク焼結体（ペレット状焼結体）から構成され
ている。ＰＴＣサーミスタ５は、室温での比抵抗が５〜
２０Ωｃｍであり、その厚さが０．３〜１．０ｍｍのＢ
ａＴｉＯ₃のバルク焼結体であり、それを２０〜１００
層、好ましくは、２０〜５０層を積層した構造に構成
し、室温抵抗値が１０〜１００ｍΩに設定されているも
のである。

【００２３】この自己電流制御型グロープラグでは、ヒ
ータコイル３とリード線８はタングステン線等から構成
され、ヒータコイル３はパイプ２の先端部の発熱部４の
内側の内壁面１９に接触状態に配置されている。パイプ
２の内部には、熱伝導性の良好なセラミックス充填部材
６が充填され、セラミックス充填部材６によってヒータ
コイル３がパイプ２の内壁面１９に接触状態に押し付け
られている。

【００２４】この自己電流制御型グロープラグは、上記
のように構成されているので、次のように作用する。即
ち、このセラミック製グロープラグでは、バッテリーか
ら供給される電流は接続端子１２、ＰＴＣサーミスタ５
を通じてヒータコイル３に供給される。ＰＴＣサーミス
タ５は中空部９内に電気絶縁状態に配置されており、ヒ
ータコイル３はパイプ２の内壁面１９に接触しているの
で、パイプ２の発熱部４はヒータコイル３の発熱によっ
て加熱されて昇温する。従って、パイプ２の発熱部４
は、ディーゼルエンジンの燃焼室に配置されて始動補助
装置として機能することができる。ここで、ヒータコイ
ル３で発生する熱はパイプ２を通じて放熱されるが、Ｐ
ＴＣサーミスタ５の熱は放熱されずに、ＰＴＣサーミス
タ５はヒータコイル３に比較して極端に高温になる。Ｐ
ＴＣサーミスタ５が高温になれば、ＰＴＣサーミスタ５
は、電流制御機能を果たし、その抵抗が上昇して大きく
なり、ヒータコイル３に流れる電流は抑制されて小さく
なり、発熱部４の発熱量が自己制御される。また、ＰＴ
Ｃサーミスタ５の温度が下がれば、再びヒータコイル３
に電流が流れてヒータコイル３によって発熱部４が加熱
されるので、従って、発熱部４は常に最適発熱量に維持
され、燃焼室での始動補助として良好に機能する。更
に、この自己電流制御型グロープラグを取り付けている
エンジン本体がの温度が上昇すれば、エンジン本体の熱
は、中空状本体１及び複合体層７を通じてＰＴＣサーミ
スタ５に伝達されるので、ＰＴＣサーミスタ５がエンジ
ン本体から伝達された熱によって抵抗値が上昇し、ＰＴ
Ｃサーミスタ５に流れる電流が制限され、ヒータコイル
３へ供給される電流が遮断される。従って、ＰＴＣサー
ミスタ５は、あたかもタイマーや電流遮断用コントロー
ラの機能を果たすので、従来の自己電流制御型グロープ
ラグが必要としていたタイマーやコントローラを必要と
せず、部品点数を低減できる。

【００２５】

【発明の効果】この発明による自己電流制御型グロープ
ラグは、上記のように構成されているので、ＰＴＣサー
ミスタが所定温度以上に加熱されると、ヒータコイルに
流れる電流を自動的に遮断することができると共に、前
記ヒータコイルを配置した前記パイプの先端部が発熱部
を構成し、中空状本体内に配置された前記ＰＴＣサーミ
スタの部分が電流制御部を構成し、前記発熱部が最適温
度で安定させることができる。しかも、前記ＰＴＣサー
ミスタは高熱伝導性の複合体層を介して前記中空状本体
内に配置されているので、例えば、前記中空状本体がエ
ンジン本体に取り付けられた構造では、前記エンジン本
体が暖まるまでの間は、前記ＰＴＣサーミスタが電流制
御機能を果たして電流を自己制御するが、前記エンジン
本体が暖まった時には、従来の自己電流制御型グロープ
ラグに設けていたコントローラによる電流遮断の制御
を、前記ＰＴＣサーミスタが行うことになり、電流遮断
用のコントローラを設ける必要がない。

【００２６】即ち、この自己電流制御型グロープラグで
は、前記ヒータコイルに電流を流せば、前記ヒータコイ
ルの位置する部分が発熱部を構成し、前記ＰＴＣサーミ
スタが電流制御部を構成し、前記ＰＴＣサーミスタが高
温になれば、その抵抗値が大きくなり、前記ヒータコイ
ルに流れる電流が小さくなり、前記発熱部からの発熱量
が自己制御され、最適値に制御されることになる。ま
た、エンジンが順調に運転されて燃焼室からの燃焼熱或
いはコイルで発生する熱が前記ＰＴＣ部材に伝達される
と、前記ＰＴＣサーミスタが所定温度以上に温度上昇
し、前記ＰＴＣサーミスタの抵抗値が急激に大きくな
り、前記ヒータコイルへの電流を遮断する。従って、デ
ィーゼルエンジンの始動補助装置として、この自己電流
制御型グロープラグを適用した場合に、自己電流制御型
グロープラグを遮断するためのタイマー、コントローラ
等を必要とせず、バッテリー等の電力を無駄に消費する
こともない。

【００２７】また、前記中空状本体内に充填された複合
体層は、高熱伝導性で且つ非導電性のセラミックスと樹
脂とから構成されているので、前記中空状本体の熱を前
記ＰＴＣサーミスタへ良好に伝達でき、前記ＰＴＣサー
ミスタの温度変化に応答する抵抗変化を鋭敏にする効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明による自己電流制御型グロープ
ラグの一実施例を示す断面図である。

【図２】図１の自己電流制御型グロープラグに組み込ま
れるＰＴＣサーミスタを固定する複合体層のＡｌＮの添
加量に対する熱伝導率の関係を示すグラフである。

【図３】従来の自己電流制御型グロープラグを示す断面
図である。

【図４】従来のディーゼルエンジンの燃焼室にグロープ
ラグを配置した状態を示す説明図である。

【図５】従来の自己電流制御型グロープラグに組み込ま
れるＰＴＣ部材を示す拡大断面図である。

【符号の説明】

１中空状本体２セラミック製パイプ３ヒータコイル４発熱部５ＰＴＣサーミスタ６セラミック充填部材７複合体層１２接続端子１３絶縁部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接続端子が絶縁部材を介して配設された
中空状本体、前記中空状本体から突出して前記中空状本
体に取り付けられた発熱部を構成するパイプ、前記パイ
プ内に充填されたセラミック充填部材に配置されたヒー
タコイル、前記ヒータコイルと前記接続端子とに対して
直列に接続され且つ所定温度以上で抵抗値が増加して前
記ヒータコイルへの電流を減少させる前記中空状本体内
に配置されたＰＴＣサーミスタ、及び前記ＰＴＣサーミ
スタの外側を覆うように前記中空状本体内に充填された
高熱伝導性のセラミックスと樹脂から成る複合体層から
構成した自己電流制御型グロープラグ。
【請求項２】前記ＰＴＣサーミスタは、室温での比抵
抗が５〜２０Ωｃｍで且つ厚さが０．３〜１．０ｍｍの
ＢａＴｉＯ₃焼結体を２０〜１００層積層した構造を有
する請求項１に記載の自己電流制御型グロープラグ。
【請求項３】前記複合体層はポリイミド樹脂中に窒化
アルミニウムを分散させた材料から構成されている請求
項１又は２に記載の自己電流制御型グロープラグ。
【請求項４】前記複合体層の厚さが０．０５〜０．５
ｍｍであり、ポリイミド樹脂中に分散された窒化アルミ
ニウムの粒径が１〜５０μｍであり、ポリイミド樹脂に
対する窒化アルミニウムの含有率が２０〜７０ｗｔ％に
設定されている請求項３に記載の自己電流制御型グロー
プラグ。
【請求項５】前記ＰＴＣサーミスタを配置した前記中
空状本体の部分の外部温度を前記複合体層を通じて前記
ＰＴＣサーミスタが検知できる構造に構成されている請
求項１〜４のいずれか１項に記載の自己電流制御型グロ
ープラグ。