JP4905947B2 - 保護装置 - Google Patents

Description

この発明は、可動接点体を有する接点形回路遮断素子、たとえば、感温ペレット型温度ヒューズを使用する保護装置において、可動接点体の開離時に伴う接点溶着を防止するようにした非復帰型保護装置、特に、可動接点を有する接点形温度ヒューズを直流回路で使用する場合に可溶合金を用いた非接点形回路遮断素子と併用して安全に電気回路を遮断するワンショットタイプの保護装置に関する。

家庭用あるいは産業用電子、電気機器の過熱による損傷を保護するために広く温度ヒューズ等の保護装置が使用されている。温度ヒューズは温度の異常な上昇を検出し、速やかに回路を遮断して機器の損傷や火災を未然に防止する機能を有する非復帰型回路遮断素子であり、小形で堅牢な構造のワンショットタイプで電気回路を遮断する回路遮断素子である。代表的な温度ヒューズとしては、特許文献１に開示されるような環境上問題のある有害金属を含まない低融点可溶合金を感温材に使用する可溶合金型温度ヒューズが知られている。図２はこの種可溶合金型温度ヒューズ２０の断面図を示し、一対のリード２１、２２間に低融点可溶合金２３が接合して接続され、その表面にフラックス２４が被覆されている。フラックス２４が被覆された可溶合金２３は絶縁ケース２５に収容され、一対のリード２１、２２が樹脂封止材２６、２７で封着されたケース２５から外部に導出されている。一方、公称定格電流が０．５Ａ〜１５Ａと幅広く設定でき、６Ａ以上の高電流用としても使用可能な可動接点体を有する感温ペレット型温度ヒューズも知られている。図３に示すように、感温材に感温物質成形体を用いて所定の動作温度で動作するようにした感温ペレット型温度ヒューズ３０は、感温ペレット３１を強圧縮ばね３２、可動接点体３３および弱圧縮ばね３４を金属ケース３５内に収容し、一対のリード３６および３７を一方は絶縁体の碍子３８および樹脂封着剤３９により、他方は直接ケース３５にかしめ固定して取付けている。なお、特許文献２および３は、高負荷用温度ヒューズとして、ケーシング内に充填した易融はんだのタブレットと摺動可能な作動ピンとを用いて、接点ばねを作動ピンの摺動により作動させカットオフする温度安全スイッチが開示される。
特開２００５−２７６５７７号公報 特開平０４−２１２２３４号公報 特開昭５６−０６７１３０号公報

従来、上述の可動接点体を有する接点形温度ヒューズを所定の動作温度で回路遮断する際に、接点部分が溶着して回路遮断に不具合を生ずることがある。特に、直流電源と負荷回路に接点形温度ヒュ−ズの保護装置を直列接続して使用する場合、遮断動作の際にプラズマやアーク放電が生じて可動接点電極が加熱され接点部材が溶着する不具合となる。こうした不具合は、高電圧・高電流等の負荷回路で問題となり、保護装置としての利用に支障をきたすことがある。この対策として、感温ペレット型温度ヒューズに高抵抗や電流ヒューズを並列に併設してスパーク防止する高電流対応の保護装置とすることが考えられるが、接点形温度ヒューズの利用で接点部分の解離または開離時に伴う接点部材の不具合を阻止できない。特に、高電圧、高電流の高負荷で感温材の変形が緩やかな場合に、可動接点体の開離が徐々に行われると遮断時の接点部分が溶解損傷するが、直流回路での接点形温度ヒューズの使用で顕著になり、負荷電流が大きければ大きいほど問題となる。たとえば、動作温度で遮断する際、動作電流により接点部の溶着を招き確実かつ安全な遮断動作を困難にすることがあった。

特に、高電流の直流回路で可動接点体を有する接点形温度ヒューズを使用する場合には、回路遮断でプラズマ放電が継続して安全に遮断できないことが生ずる。また、可動接点体のない非接点形温度ヒューズである可溶合金型温度ヒューズでは、定格電流が小さく高電流負荷に使用できないという問題がある。さらに、可動接点形回路遮断素子と並列に電流ヒューズを配置する場合には、電流によらない異常過熱が生じた際、電流ヒューズのみが導通し、異常温度で回路が切断されないといった問題がある。それゆえに、高負荷回路に使用できる接点形温度ヒューズを利用した際の電路開放時に生ずるトラブルを回避する何等かの対策が要請され、常に安全に回路遮断できる非復帰型温度安全スイッチあるいは温度ヒューズを含むワンショトタイプの保護装置の提供が望まれていた。

したがって、本発明は上述の欠点を排除するために提案されたものであり、一回限りの作動であるワンショットタイプ回路遮断素子において、所定の動作条件の下で電気回路を化学的な変化による解離または物理的な変化による開離で開放する際、スパークやプラズマ放電による溶着等の不具合発生を阻止し、安全に電気回路が遮断できる新規かつ改良された保護装置の提供を目的とするものである。

特に、回路遮断素子が温度ヒューズである場合に、スイッチング部材を感温材の物理的変形を利用して作動させかつ感温材の変形特性が急峻でない場合、加温が緩やかで徐々に変形が生じたりする場合、あるいは高電圧・高電流の負荷回路や直流回路で使用するなどの不安定な作動に対する有効な手段として、異種タイプの回路遮断素子を並列接続して安全に回路遮断する改良されたワンショットタイプの保護装置の提供を目的とする。

本発明によれば、電源および負荷と直列に設けた一対の保護用端子間に接続する保護装置であって、前記保護装置は、感温ペレットを備えて第１の動作温度を有する接点形温度ヒューズと、可溶合金を備えてこの接点形温度ヒューズと並列接続されて前記第１の動作温度より高い第２の動作温度を有する非接点形温度ヒューズとを具備し、前記接点形温度ヒューズを前記非接点形温度ヒューズの動作条件に先んじて作動させることを特徴とする保護装置が提供される。すなわち、第１の動作温度で作動する接点形回路遮断素子に、過電流または第２の動作温度で作動する可溶合金を有する非接点形回路遮断素子を並列接続した保護装置が提供される。この保護装置は、電源および負荷が直流回路で構成され、前記接点形回路遮断素子が第１の動作温度で作動する可動接点部材を有する接点形温度ヒューズであり、前記非接点形回路遮断素子が前記第１の動作温度より高い第２の動作温度で作動する非接点形温度ヒューズで構成されるのが望ましく、それにより、安全で確実な遮断をする保護装置となる。さらに、前記一対の保護用端子間に接続されるそれぞれの温度ヒューズの抵抗値を内部抵抗とするとき、接点形温度ヒューズの内部抵抗（ｒ１）は前記非接点形温度ヒューズの内部抵抗（ｒ２）より小さく、ｒ１＜ｒ２の関係に設定する。好ましくは、この関係式を（ｒ２／ｒ１）＞５として設定し、より好ましくは、この比率の５倍以上を１０倍以上とし、それにより一層確実な遮断機能を発揮することが判明した。すなわち、可溶合金を有する非接点形温度ヒューズに電流を流すと抵抗値が高いために自己発熱で動作温度に達して切断するため、可動接点体を有する接点形温度ヒューズを低抵抗に、非接点形温度ヒューズを高抵抗にすることで動作時の電流が可動接点体を有する接点形温度ヒューズ側に誘導される。元来温度ヒューズの内部抵抗は接点形温度ヒューズが低く、非接点形温度ヒューズが高いのでバイパス回路の付設による保護装置は異種形温度ヒューズの並列接続で有効に達成される。ここで内部抵抗である抵抗値は、必要に応じて、温度ヒューズのリード部分およびエレメント部分を利用して調整をすることも可能である。たとえば、非接点形温度ヒューズの抵抗値を高めるには小形化により自ずと抵抗値が上がるし、また、リード線の長さによっても調整できる。

前述する保護装置の具体的構造において、異なる形の回路遮断素子は互いに表面を絶縁チューブやコーティング被膜で絶縁するのが有利である。たとえば、接点形温度ヒューズであれば外部表面を絶縁することで感温検知部に接触させ、また、非接点形温度ヒューズをバイパス的に併設しても電気的絶縁を満足に得ることができる。このような異種の回路遮断素子を温度差のある環境下で配置する際には、接点形温度ヒューズを高温側に、非接点形温度ヒューズを低温側に配置し、接点形温度ヒューズを非接点形温度ヒューズに先立って作動可能にする。また、高電流を許容するためには、接点形温度ヒューズを複数個用いて並列接続して通電電流の分散化を図り、許容電流を大きくすることもできる。さらに、非接点形温度ヒューズは絶縁材によってモールド加工することで動作を遅延させて保護装置の安定で確実な動作をさせるなどで有効性を高めることもできる。

換言すると、温度ヒューズの感温材として、可溶合金を有する非接点形温度ヒューズには低融点可溶合金が用いられ、可動接点体を有する接点形温度ヒューズには感温物質成形体がペレットにして用いられる。後者の接点形温度ヒューズにあっては、内部抵抗が小さいので接続端子間は低抵抗回路となる。一方、高抵抗回路として過電流で電流溶断するか所定の動作温度で溶断する非接点形温度ヒューズの回路遮断素子が一対の保護用端子間に接続される。保護装置を形成する一対の端子間に低抵抗回路の回路遮断素子と高抵抗回路の回路遮断素子で並列回路を形成する。異常温度で動作温度に達したとき、接点形回路遮断素子の低抵抗回路が所定の動作温度で低抵抗回路を開放し、その直後に、非接点形回路遮断素子の高抵抗回路に一時的な通電を許容して開放し、保護端子間が電気的に完全に遮断する非復帰型保護装置が提供される。ここで、低抵抗回路が感温材を用いた接点形温度ヒューズであり、高抵抗回路が可溶合金を有する非接点形温度ヒューズであり、接点形回路遮断素子の作動後に非接点形回路遮断素子が開放して回路を完全に遮断する。好ましくは、低抵抗回路は感温ペレットを使用した感温ペレット型温度ヒューズであり、高抵抗回路は低抵抗回路の作動後に一時的に通電を許容し電流溶断により解離または開離して回路遮断させる非接点形回路遮断素子である。

本発明は接点形回路遮断素子を用いた保護装置において、非接点形回路遮断素子を並列接続して構成するものであり、それによって、回路遮断の安定化が図られ、スパークやプラズマ放電による不具合の発生を阻止して安全で確実な遮断動作を行わせる。すなわち、遮断動作が感温材による開離開放とそれに続く電流溶断エレメントへの通電による開離開放の２ステップを経て安全確実に回路遮断を達成させる。特に、直流回路での高電圧・高電流の高負荷回路で接点形温度ヒューズの使用領域を広範囲に拡大し、遮断時の不具合解消を図るものとして実用的効果が大きい。

本発明の実施態様は、一対の保護用端子間に接点形回路遮断素子と非接点形回路遮断素子とを並列に接続して保護装置を構成する。この保護装置は、特に、直流電源と負荷に直列接続して利用され、接点形回路遮断素子の特徴とする高電圧・高電流対応を有効に発揮させる。ここで、接点形回路遮断素子は、第１の動作温度で作動する可動接点部材を有する感温ペレット型温度ヒューズが用いられる。一方、非接点形回路遮断素子は所定の過電流または第２の動作温度で作動する低融点可溶合金を有する可溶合金型温度ヒューズが用いられる。この場合に、第１の動作温度は第２の動作温度に比べて低く設定されており、並列接続した状態では先ず接点形回路遮断素子が作動して開放状態に遮断され、次いで、非接点形回路遮断素子が作動して開放状態に遮断され、保護用端子間は完全にカットオフの遮断状態に至る。なお、一対の保護用端子は、保護装置を電源および負荷回路に直列接続するターミナルとして機能する。また、可溶合金型温度ヒューズは自己抵抗により発熱するので過電流を検出して作動する場合でも開放状態に遮断される。

本発明の別の実施態様は、直流回路の保護装置であって、接点形および非接点形回路遮断素子としてそれぞれ温度ヒューズを使用する。ここで、接点形温度ヒューズは第１の動作温度で作動し、この第１の動作温度は非接点形温度ヒューズが有する第２の動作温度と比較して同等もしくはそれより低く設定される。たとえば、直流電源および負荷回路に直列接続の一対の保護用端子が設けられ、この端子間に異種タイプの温度ヒューズが並列接続して構成される。感温ペレット型温度ヒューズのような接点形回路遮断素子は接続端子間の抵抗値である内部抵抗（ｒ１）が小さい低抵抗回路であり、低融点可溶合金型温度ヒューズのような非接点形回路遮断素子はこれに比べて接続端子間の抵抗値である内部抵抗（ｒ２）が大きな高抵抗回路を構成する。動作において、異常温度時に、先ず、第１の動作温度が検知されると低抵抗回路の接点形温度ヒューズが可動接点体を解離して開放され遮断状態になる。次いで、第２の動作温度を検知して高抵抗回路の非接点形回路遮断素子が可溶合金の溶融により開離して開放遮断状態に作動し、その結果、保護用端子間の接続状態は完全にカットオフの遮断となって回路の安全を図る。すなわち、低抵抗回路の可動接点体が感温物質の解離で可動すると接点が開放されるが、その際に、高抵抗回路への通電によりスパークやプラズマ放電が生起せず円滑に次の第２ステップへ移行する。第２ステップは可溶合金への通電電流により、過電流による自己発熱あるいは周囲温度を検知する第２の動作温度によって非接点形温度ヒューズが作動して安全確実に保護用端子間をカットオフ状態にする。かくして、ワンショットタイプの非復帰型保護装置が提供される。

本発明の第２の実施態様は、上述する回路遮断素子として用いる温度ヒューズの配置構造と内部抵抗を利用する場合の構造上の変形例である。すなわち、それぞれの回路遮断素子として用いる温度ヒューズについて、接続される端子間のリード抵抗値である内部抵抗を適正に調整設定して安全確実な保護装置を提供することである。具体的に、接点形回路遮断素子の内部抵抗を（ｒ１）、非接点形回路遮断素子の内部抵抗を（ｒ２）とする時、それぞれの内部抵抗をｒ１＜ｒ２の関係式に維持し、たとえば、（ｒ２／ｒ１）＞５の関係で設定することが有利であると見出した。さらに、この関係は（ｒ２／ｒ１）＞１０とすることにより安全に遮断することが実験的に明かにされた。異種タイプの温度ヒューズの抵抗値の関係比（ｒ２／ｒ１）は値が大きいほど安定化に役立つことが判明しており、この動作試験結果は試験条件と共に表１に示している。

本発明の第３の実施態様は、上述する回路遮断素子に温度ヒューズを使用する場合、回路遮断素子の表面を絶縁チューブまたは絶縁コーティング被膜で被覆して絶縁することである。この構造に依れば、狭い空間での回路構成における絶縁確保に有効である。また、回路遮断素子の配置構成においては、接点形温度ヒューズを高温側に、非接点形温度ヒューズを低温側に配置し、接点形温度ヒューズを非接点形温度ヒューズに先立って作動可能にすることを確実化して動作の安全性を確保する。さらに、接点形温度ヒューズを複数個並列接続して通電電流を分散させ許容電流を大きくする保護装置を開示する。これによって、特に直流回路での使用時の温度ヒューズの規制が緩和でき大容量化を実現可能にする。さらに別の変形例として、非接点形温度ヒューズの使用に関して、絶縁材のモールド加工を施し動作の遅延を図る保護装置がある。これらの実施態様の異常温度での動作において、接点形回路遮断素子である低抵抗回路の感温ペレット型温度ヒューズを先行して開放遮断し、次いで高抵抗回路としての非接点形可溶合金型温度ヒューズが通電発熱を含めて溶断して回路を完全な遮断状態にスイッチングする。このような遮断動作は、高負荷回路が多少の遅延動作を要件とするものでカットオフ時のスパークが抑止され放電に伴う不具合の発生を阻止し、あるいは動作中の接点溶着を阻止して安全で確実な遮断状態へのスイッチングが達成されるワンショットタイプの非復帰型保護装置を開示する。

本発明の実施例である保護装置１０は、図１に示すように、直流電源１２および負荷１４と直列に保護用端子１６および１８間に接点形回路遮断素子として感温ペレット型温度ヒューズ３０を接続し、この感温ペレット型温度ヒューズ３０と並列に非接点形回路遮断素子として可溶合金型温度ヒューズ２０を接続して構成する。ここで、各温度ヒューズの動作温度は、感温ペレット型温度ヒューズ３０の動作温度は１０９℃の接点形温度ヒューズの市販製品を使用し、可溶合金型温度ヒューズ２０の動作温度は１８２℃の非接点形温度ヒューズの市販製品を使用した。すなわち、前者の動作温度に比べて後者の動作温度は高く設定して使用される。それゆえに、接点形温度ヒューズの作動時にスパークやプラズマ放電が生起せず、可動接点体の溶着が生ぜず何等の不具合もない。なお、接点形回路遮断素子には各種感温物質を使用した温度ヒューズのほかにサーモスイッチがあり、非接点形回路遮断素子にはアキシャルタイプ、ラジアルタイプ、薄型タイプなどの各種可溶合金型温度ヒューズのほかにＰＴＣのポリスイッチやサーミスタなどが適用可能である。

本発明に係る保護装置について、図１に示す実施例では直流負荷回路に適用した場合、電源電圧２５Ｖおよび５０Ｖと、負荷電流５Ａおよび３０Ａのそれぞれの組合せで試験して動作状態を確認した。ここで使用された温度ヒューズは接点形回路遮断素子３０がＮＥＣ／ＳＣＨＯＴＴ製タイプＳＦＨ１０９Ｅの感温型温度ヒューズであり、非接点形回路遮断素子２０がＮＥＣ／ＳＣＨＯＴＴ製タイプＳＭ１８２Ａの可溶合金型温度ヒューズを用いた。この動作試験の結果は、表１に示すように、４種類の動作試験のいずれの場合も感温型温度ヒューズの可動接点に溶着等による不具合は生ずることなくすべて正常に動作することが確認された。

一方、表２には、異種タイプの温度ヒューズの内部抵抗ｒ２/ｒ１の比を異にする場合について、１０９℃の動作温度を有する接点形温度ヒューズと、４種類の異なる動作温度を有する非接点形温度ヒューズの各市販品を用いた組み合わせにより、動作結果の良否を判定した。結果は正常の場合を○印で表示したが、動作温度が試験電圧５０Ｖ、電流１０Ａ、内部抵抗の比が３で第１および第２の動作温度を同一とした場合のみ遮断動作に異常があったが、他の場合は全て良好であった。これらの結果により、内部抵抗の比（ｒ２／ｒ１）を５以上に設定することが好ましいことが判明した。また、接点形温度ヒューズの使用例として、交流回路と直流回路の比較では、従来方式のようにバイパスを設けず並列回路としない場合において、直流回路の５０Ｖ／５Ａおよび７５Ｖ／５Ａ回路の場合に溶着等による不具合が生じたが、同様条件での交流回路では問題が生じないことが試験結果から判明した。このことから、直流回路での有効性が顕著であることが判明した。

本発明の実施例である保護装置を示す回路図である。 図１の非接点形回路遮断素子として利用する代表的な可溶合金型温度ヒューズの断面図である。 同じく接点形回路遮断素子として利用する代表的な感温ペレット型温度ヒューズの断面図である。

符号の説明

１０…保護装置、 １２…電源、 １４…負荷、 １６、１８…保護用端子、
２０…可溶合金型温度ヒューズ（非接点形回路遮断素子）、
３０…感温ペレット型温度ヒューズ(接点形回路遮断素子)。

Claims (5)

1. 電源および負荷と直列に設けた一対の保護用端子間に接続する保護装置であって、前記保護装置は、感温ペレットを備えて第１の動作温度を有する接点形温度ヒューズと、可溶合金を備えてこの接点形温度ヒューズと並列接続されて前記第１の動作温度より高い第２の動作温度を有する非接点形温度ヒューズとを具備し、前記接点形温度ヒューズを前記非接点形温度ヒューズの動作条件に先んじて作動させることを特徴とする保護装置。
2. 前記一対の保護用端子間に接続されるそれぞれの前記温度ヒューズの抵抗値を内部抵抗とするとき、前記接点形温度ヒューズの内部抵抗（ｒ１）は前記非接点形温度ヒューズの内部抵抗（ｒ２）より小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の保護装置。
3. 前記温度ヒューズは、前記保護用端子間で温度差のある場所に配置するとき、接点形温度ヒューズを高温側、非接点形温度ヒューズを低温側とし、前記接点形温度ヒューズを前記非接点形温度ヒューズに先立って作動させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の保護装置。
4. 前記接点形温度ヒューズは互いに並列接続した複数個からなり、通電電流の分散により許容電流を大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の保護装置。
5. 前記非接点形温度ヒューズは絶縁材のモールド加工が施され、それにより動作を遅延させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の保護装置。
   

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