JPH0461577B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、PTC導電性ポリマー素子および
該PTC素子から離れて該PTC素子を囲む囲いを
備えた回路保護装置に関する。

この種の装置は回路が正常な作動状態にある場
合には比較的低い抵抗値を有するが、たとえば過
大電流あるいは過大温度等の故障状態が生じたと
きには、「解除」され即ち高い抵抗値状態に変化
する。この種の装置は、たとえばアメリカ合衆国
特許No.4237441、4238812、4255698、4315237、
4317027および4352083、ならびにヨーロツパ特許
公開公報No.38715および63440に記載されている。
囲いは、ポリマー素子を電気的に絶縁しかつ／ま
たは物理的に保護する。

回路保護装置に常に要求される特性のひとつ
は、装置が「フエイルセーフ」である、即ち装置
が故障したとき、（回路の完全な解除を含む）高
抵抗値状態になることが必要とされることであ
る。PTC導電性ポリマー素子と、それと離れて
位置する囲いとを備えた最良の従来技術による装
置を用いて実行された試験では、同一に作成され
た一組の装置がおよそ240ボルトあるいはさらに
高いピーク電圧で試験されたときに、フエイルセ
ーフとはならない（即ち、低抵抗値状態である）
比率はピーク電圧に依存していた。このように、
大半の装置が240ボルトのピーク電圧でフエイル
セーフとはならず、また直流600ボルトのピーク
電圧においては、さらに高い比率でフエイルセー
フとはならなかつた。我々の研究によれば、
PTC導電性ポリマー素子が解除されたときに、
炭素質の粉末がPTC素子から放出され、この粉
末は装置を低抵抗値状態で不機能にする原因であ
る不変な低抵抗値電通路を形成することが見い出
されている。

発明の目的 本発明は、装置内の表面に付着して電気的短絡
部分を形成する炭素質の粉末の厚みを最小にする
ための、PTC素子の大きさとPTC素子を封入す
る囲いの（囲いそのものの内表面を含む）表面積
との相互関係に注目した回路保護装置を提供する
ことを目的とする。

発明の構成 この結果、本発明によれば、ＶがPTC素子の
立方センチメートル単位の体積であつて、Ａが装
置の正常作動中には電流を通さない囲い内部の平
方センチメートル単位の表面積である場合に、装
置の物理的大きさは、比Ｖ／Ａが0.02センチメー
トルよりも小さく、好ましくは0.018センチメー
トルよりも小さく、さらに好ましくは0.015セン
チメートルよりも小さく、特別には0.0075センチ
メートルよりも小さくなるように選択される。好
ましくはPTC素子のむき出し部分の表面積の面
積Ａに対する比率は0.2よりも小さく特別には
0.10よりも小さい。

PTC導電性素子がトリツプしてPTC導電性素
子から炭素質の埃が放出されることにより、永久
的な低抵抗の経路が形成される可能性を更に減じ
るために、装置は、以下の(A)ないし(D)の手段の一
つまたはより多くを適用することができる。

(A) PTC素子を封入する囲いの少なくとも内表
面部分、および／または炭素粉末で覆われたと
きに装置内に電気的短絡部分を形成する他の表
面部分に適した部材の選択。

(B) たとえば囲いの両端の如く互いに比較的幅広
く離れているとともに、リード線の挿入口を有
する囲いの使用と、絶縁されたリード線の使用
とを含み、電気的に接続されるとPTC素子周
囲での短絡の原因となる装置の絶縁されていな
い部分間に（炭素質の粉末で覆われうる表面に
沿つた）適当な距離を確実に維持する手段。

(C) PTC素子の適切な形状の選択。

(D) もしも電気的に接続されたならば、PTC素
子の周囲での短絡の原因となる装置の未絶縁部
分間に横たわり、炭素質の粉末で覆われうる装
置の部分における熱伝達特性の選択。

本発明によれば、回路保護装置を600ボルトあ
るいはさらに高いピーク電圧においてもフエイル
セーフであるようにすることが可能である。

ある好ましい一実施例では、囲いの内表面の一
部分と囲いの内の他の付加的な非導電性の表面が
少なくとも、直流440ボルトの試験電圧において
また好ましくは直流600ボルトの試験電圧におい
て、炭素燃焼試験に合格する絶縁部材によつて構
成されている。

炭素燃焼試験の詳細は本明細書で後述する。こ
の種の適当な絶縁部材としては、セラミツクスや
ポリ四弗化エチレンのほかに、四弗化エチレンの
コポリマーを含む高融点弗素ポリマー類がある。

PTC導電性ポリマーを備えた公知の回路保護
装置では、電極の電源装置への接続は囲い内の絶
縁された開口部を通る電気リード線によつて達成
される。電気リード線は絶縁されておらず、供給
される電圧はリード線間に電圧アークを発生させ
るほどではないで、リード線と囲いの開口部は互
いに比較的接近している。しかしながら、PTC
素子から放出される炭素質の粉末がたとえばリー
ド線間に低抵抗値電通路を形成したために故障が
生じうることが一度でも理解されたならば、リー
ド線と囲いの開口部を離して分置することによ
り、あるいはリード線のひとつ（そして好ましく
は両方）を少なくとも実質的な比率の長さ（そし
て好ましくは全線）にわたつて絶縁することによ
り、そのような故障の発生する可能性を減少させ
ることができることが理解されるであろう。

例えば本発明は、 (1) (a)高分子成分を含み、その高分子成分中にカ
ーボンブラツクを含んだ特定の導電性の添加物
を分散させてある、23℃において、抵抗率が
100オーム・センチメートル以下であるPTC導
電性ポリマー組成物により構成されるととも
に、 (b)細片の形状については、好ましくはその長
さが細片の最も大きな断面の直径よりも大きい
円筒上の細片である PTC素子と、 (2) PTC素子の両端と電気的に接続された２つ
の電極と、を備えた回路保護装置を供給する。

本発明のこのような装置の好ましい一実施例で
は、各電極は、(i)PTC素子の一端部と接触し、
その一端部と実質的に等しい断面を有する実質的
に平坦な終端部と、(ii)PTC素子の側部と接触す
る側壁とを有するカツプ形状である。他の好まし
い実施例では、各電極はPTC素子の終端部分に
埋め込まれる。

このような装置のための囲いは、好ましくは、
密閉された終端部を有するチユーブ形状をしてい
る。そのチユーブはその軸とPTC素子の軸とが
実質的に同一であり、密閉された終端部が電極と
接続された電気リード線を通す開口部を備えてい
る。

本発明の装置は、比較的高い電圧たとえば少な
くとも240ボルト、少なくとも360ボルトあるいは
少なくとも440ボルトを有する電源装置によつて
駆動される電気回路、および240ボルト以下たと
えば50−140ボルトの直流電源装置により駆動さ
れるけれども比較的高いピーク電圧を生じて故障
しやすい電気回路を保護することに特に有効であ
る。

本発明の装置に使用される囲いはもちろん２つ
の電極間に電通路を供給してはならないし、一般
的にそれゆえに、囲いは少なくとも部分的には絶
縁部材にてなる。しばしば、囲いが電極とPTC
素子を封入するとともにそれらから離れて位置す
るために、装置が電極と接続された（あるいは一
体的に電極とともに形成された）電気リード線を
含んでいることが有効である。このような状態に
おいては、開口部を形造る囲いの両端部の少なく
とも１つが絶縁部材で構成され、かつ／またはリ
ード線のひとつあるいは両方が絶縁されているこ
とが好ましい。

電極の１つあるいは両方が囲いの部分を形成す
ることもまた可能である。このような状態では、
電極と接触する囲いの各部分は絶縁部材で造られ
ていることが好ましい。

上述したように、装置が低抵抗値状態になる可
能性の決定に際し、装置の内表面の性質が重要な
役割を演じることが見い出されている。特に、
PTC素子からの炭素粉末で覆われうるとともに、
そうして短絡回路のための電通路を供給しうる表
面の少なくとも一部分は、後述の「炭素燃焼試
験」に合格する部材にて構成されるのが好ましい
ことが見い出されている。こうして、囲いの内表
面の部分、特別にはもちろん装置の作動中に異な
る電位にある装置の部分間に（その表面に沿つ
て）最短距離を達成するこれらの部分が上記のよ
うな部材にて構成されることが好ましい。また、
装置が囲い内部に１つあるいは２つのリード線を
備えているときに、少なくとも１つのリード線は
炭素燃焼試験に合格する部材によつて絶縁され、
かつ／または囲いの開口部の少なくとも１つは上
記の部材にて構成されている囲いの端部によつて
形成されることが好ましい。

炭素燃焼試験 厚さが少なくとも0.1センチメートル（0.04イ
ンチ）であり、平坦な上部表面の幅が0.64センチ
メートル（0.25インチ）でその長さが少なくとも
1.27センチメートル（0.5インチ）である単一の
長方形の小板状の部材が準備されている。２つの
穴が上記小板を貫通して平坦な上部表面の右すみ
にあけられていて、各穴の中心は互いに0.64セン
チメートル（0.25インチ）離れており、小板の両
縁からは0.32センチメートル（0.125インチ）あ
るいはそれ以上離れていて、各穴の直径は（直径
0.09センチメートルの）20ゲージワイヤにちよう
ど適応した大きさである。20ゲージの固体の銅製
ワイヤが、平坦な表面から0.64センチメートル
（0.25インチ）だけ突出するように各穴に貫通さ
れる。第３図に示されるように、このようにして
準備された典型的な試験サンプルは、それに貫通
されたワイヤ６２および６３を有する小板６１を
備えている。第４図に示される回路は、固定抵抗
６５と直列に接続された銅製ワイヤ６２および６
３と、電流計６６と電圧可変電源装置６７とから
形成される。該小板の水平面には、第４図中の６
４に示されるように、溜まることがなくなるカー
ボンブラツクがその表面にふりまかれている。次
に、電圧が零から試験電圧までおよそ10ボルト／
秒の速さで増加される。電圧増加とともに、とき
どき、平坦な表面の上方にてワイヤー間に電気ア
ークが発生し、ある量のカーボンブラツクを吹き
飛ばす。電気アークが発生すると、電圧は零に減
少し、カーボンブラツクは試験を繰り返す前に小
板の表面上に再びふりまかれる。電圧が試験電圧
まで増加すると、電圧が零となり試験が終了する
前に定常状態に達するまでその電圧が維持され
る。

好ましい部材にて造られた小板は、炭素燃焼試
験を課せられたときに燃焼も溶解もあるいは変形
もせず、このような部材は本明細書中では「炭素
燃焼試験を合格する部材」と記述されている。特
別には、炭素燃焼試験が課せられたときに試験を
合格するだけでなく、試験終了時点に0.005アン
ペア以下の電流を試験回路に流すような部材が使
用されることが好ましい。

およそ240ボルト以上の電圧における炭素燃焼
試験に合格する特定の部材の特性は、試験中に供
給される試験電圧に依存し、また少しは電源装置
が直流電源装置と交流電源装置のどちらかである
かにも依存している（本明細書での電圧とは交流
電源装置の実効電圧である）。600ボルト直流電圧
を使用する試験においては、ポリ四弗化エチレン
（イー・アイ・デユポンデユネモアス（E.I.du
Pont de Nemours）の販売名「テフロン
（Teflon）」）と種々のセラミツク材が炭素燃焼試
験に合格し、一方ポリメタクリル酸メチル（「プ
レキシグラス（Plexiglas」）、ポリカルボネート
（「レキサン（Lexan）」）、アセタール樹脂（「デル
リン（Delrin）」）、工業用ガラス、ホウケイ酸ガ
ラス、エポキシ樹脂およびフエノール樹脂含浸紙
が試験に不合格であることが見い出されている。
回路保護装置内のPTC導電性ポリマー素子を封
入する囲いの内表面の少なくとも一部分に従来よ
り使用されている絶縁部材は、エポキシ樹脂（た
とえばハイソルエポキシ樹脂EE0149）と通常の
ガラスである。これらの部材は直流440ボルトの
電圧における炭素燃焼試験に不合格である。

装置が確実に高抵抗値状態で不機能であるよう
にするためには、炭素燃焼試験に使用される試験
電圧は少なくとも装置が故障状態のときに生ずる
電圧よりも高くなければならない。カーボンブラ
ツクとしてラベン（Reven）8000を使用して試験
が実施されたが、その結果は使用されたカーボン
ブラツクに依存しないと思われる。

本発明に使用される囲いはPTC素子を絶縁し
かつ物理的に保護するとともに、さらにPTC素
子から放出された炭素質の粉末が隣接した部材
（特に後記のような沈積により、好ましくない変
化が生じる可能性がある電気的に動作する部材）
に沈積することを防御する。炭素質の粉末が
PTC素子から放出されるときには、一般にガス
状の分解生成物が同時に放出される。もしも放出
されなければ、それらのガスは囲い内部に好まし
くない高圧力を生ずることができるので、囲いは
その内部に生じめられるガスを通すことが好まし
い。

装置の熱伝導特性は、一般的にその内表面の性
質および表面積ほど重要でないけれども、低抵抗
値となる可能性におけるそれらの特性の効果は無
視できない。炭素粉末によつて覆われた装置の一
部が熱浸透されることによつて、短絡が炭素粉末
を介して形成される可能性が増加しうることが見
い出されている。逆に、もしも、その部分が極め
て十分に絶縁されていれば、短絡が生じる可能性
は減少する。

本発明の回路保護装置は1000オーム以下、しば
しば100オーム以下、特別には50オーム以下の抵
抗値を有する。

本発明のPTC素子は、好ましくは23℃におい
て100オームセンチメートル以下の、より好まし
くは50オームセンチメートル以下の、特に好まし
くは10オームセンチメートル以下の抵抗率を有す
る導電性ポリマー組成物により構成されている。
適切な組成物はここに参照によつて援用した文献
中に記述されているが、好ましくはそれらは電気
アーク制御添加物たとえば水和金属酸化物を含ん
でいる。

PTC素子の形状は長さがその最大の断面の直
径よりも大きい細片とすることができる。素子
は、任意の既知の方法、たとえば鋳造、特に電極
の周囲での鋳造によつて、あるいは溶融押し出し
成型された細片を短い長さに切断することによつ
て形成することが可能である。そのような素子を
使用するときには、電極は好ましくは電気的に細
片の両端と接続されている。電極は一般的には
PTC素子と直接接続されているけれども、電気
的には他の素子たとえばZTC導電性ポリマー素
子を介してPTC素子と接続されてもよい。PTC
素子は一般的には円筒形状であるが、円形でない
断面を有する細片もまた使用されてよい。好まし
くはPTC素子は、ここに参照によつて援用され
た文献中に記述されるように、電極から離れて高
温領域が形成されるように誘導する手段を含んで
いる。

本発明に使用される電極は、記載されかつ公知
である平坦な円柱状の電極だけでなく、前述の如
き新規の外形を含む適切な任意の外形とすること
ができる。平坦な電極はPTC素子の断面部分の
すべてあるいはその一部分を覆うことができる。

本発明の回路では、供給電圧は240ボルト以上
であつて、たとえば少なくとも360ボルトあるい
は少なくとも440ボルトである。また、本発明は、
供給電圧が240ボルト以下たとえば直流50−140ボ
ルトであるけれども、予期される故障状態によつ
て少なくとも240ボルトのピーク電圧が装置の両
端に発生する回路を含んでいる。

さて、第１図について述べれば、第１図は
PTC素子１の中央部での高温領域の形成を誘導
するために、PTC素子１を貫通してあけられた
穴１１を有する円筒状のPTC素子１を備えた本
発明による回路保護装置の断面図が示されてい
る。リード線３を有するカツプ形状の電極２が
PTC素子１の終端部に取り付けられている。２
つの絶縁用円盤４１はリード線３を通して設けら
れ、絶縁用テープ４３で外側を覆われた円筒形状
の金属チユーブ４２内側に取り付けられている。

次に、第２図について言及すれば、第２図には
電源装置１０１と回路保護装置１０２とそれらと
直列に接続された電気的負荷１０３とを備えた本
発明の電気回路が示されている。

次に、実施例によつて本発明を説明する。

実施例 第１図に示される回路保護装置は以下のように
準備された。

粒状の導電性ポリマー組成物は、ヨーロツパ特
許公開公報第0038715号（アメリカ合衆国特許出
願第141987号）に記述された手順によつて準備さ
れた。それは、体積百分率で約54.7％の高密度ポ
リエチレンと、約26.9％のカーボンブラツク（フ
ルネツクス（Furnex）N765）と、約16.5％のア
ルミナ三水和物と、約1.9％の酸化防止剤とを含
んでいた。粒状の組成物は直径0.33センチメート
ル（0.128インチ）の棒に溶解押し出し成型され
た。上記棒は長さ0.88センチメートル（0.345イ
ンチ）のPTC素子に切断され、0.064センチメー
トル（0.025インチ）の穴が各素子の中心を貫通
して半径方向にあけられた。各素子はおよそ40メ
ガラドまで照射されてから焼成された。米国針金
ゲージ２２（直径0.07センチメートル）のリード
線を有するとともに、内直径が0.32センチメート
ル（0.125インチ）であり、深さ0.25センチメー
トル（0.1インチ）であるカツプ形状の電極を
PTC素子の両終端部にプレス圧着し、ひだを形
成した。

そのPTC素子と電極とを金属シリンダからな
る円筒状のさや（内直径が0.64センチメートル即
ち0.25インチ、長さが1.9センチメートル即ち0.75
インチ）中に収容し、その金属シリンダの周囲に
粘着性ポリエステル／アクリルのテープを巻い
た。中心部に米国針金ゲージ２２の穴を有すると
ともに、外直径が0.64センチメートル即ち0.25イ
ンチであるポリ四弗化エチレン製の装置両端部の
円盤を、両リード線を通して円筒状のさやにプレ
ス圧着し、さやには円盤の周囲にひだを形成し
た。

上述した装置は、交流600ボルトのピーク電圧
において試験されたときにフエイルセーフである
ことが見い出された。

発明の効果 本発明によれば、回路保護装置を600ボルトあ
るいはさらに高いピーク電圧においてもフエイル
セーフであるようにすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は本発明の一実施例を示す電気回路図、第３図
は炭素燃焼試験に使用される小板とワイヤの構成
を示す斜視図、第４図は炭素燃焼試験に使用され
る電気回路図である。 １……PTC素子、２……電極、３……リード
線、４１……円盤、４２……金属チユーブ、４３
……テープ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高分子成分を含み、カーボンブラツクを含ん
   だ微粒の導電性添加物を該高分子成分中に分散さ
   せてあるとともに、PTC（正性の温度係数）の特
   性を示す導電性のポリマー組成物より構成される
   PTC素子と； 上記PTC素子と電気的に接続されるとともに、
   上記PTC素子に電流を通過させるために電源装
   置と接続可能である２つの電極と； 上記PTC素子全体から離れるようにして該
   PTC素子を囲み、かつ、実質的に炭素粉末を通
   さない１つの囲いとを備え； ＶがPTC素子の立方センチメートル単位の体
   積であり、Ａが当該装置の正常動作中には電流を
   通さない上記囲い内部の平方センチメートル単位
   の表面積であるときに、比Ｖ／Ａが0.02センチメ
   ートル以下であることを特徴とし、さらに上記
   PTC素子は上記二つの電極に物理的に直接接触
   されるが装置の他の固体構成部分に物理的に直接
   接触されないことを特徴とする回路保護装置。 ２ 比Ｖ／Ａが0.0075センチメートル以下である
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 面積Ａに対するPTC素子の露出した表面面
   積の比が0.2以下である特許請求の範囲第１項あ
   るいは第２項記載の装置。 ４ 上記囲いの内表面の少なくとも一部が直流
   440ボルトの試験電圧における炭素燃焼試験に合
   格する絶縁部材によつて構成されている特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の装
   置。 ５ 上記絶縁部材が直流600ボルトの試験電圧に
   おける炭素燃焼試験に合格する特許請求の範囲第
   ４項に記載の装置。 ６ 上記絶縁部材がセラミツク材あるいは弗素ポ
   リマー材である特許請求の範囲第４項あるいは第
   ５項に記載の装置。 ７ (i)上記PTC素子の形状が細片であつて、(ii)
   上記電極が電気的にPTC素子の両終端部に接続
   されており、(iii)上記各電極と接続されかつ上記囲
   いの両終端部を通過する電気リード線が備えられ
   ている特許請求の範囲第１項ないし第６項のいず
   れかに記載の装置。 ８ 上記各電極が上記PTC素子の一終端部に取
   り付けられたカツプ形状である特許請求の範囲第
   ７項に記載の装置。 ９ 上記各電極が上記PTC素子の両終端部に埋
   め込まれた特許請求の範囲第７項に記載の装置。