JPH09168233A

JPH09168233A - 電流制限装置

Info

Publication number: JPH09168233A
Application number: JP8146344A
Authority: JP
Inventors: Anil R Duggal; アニル・ラージュ・ドゥガル; Lionel M Levinson; ライオネル・モンティ・レビンソン; Harold J Patchen; ハロルド・ジェイ・パッチェン; Larry N Lewis; ラリー・ニール・ルイス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 1997-06-24
Anticipated expiration: 2016-06-10
Also published as: BR9602736A; CN1146088A; EP0762439A2; US5614881A; US5877467A; JP3896175B2; CN1076896C; EP0762439A3

Abstract

(57)【要約】【課題】回路保護のために短絡状態に対して繰り返し
再使用できる電流制限装置を提供する。【解決手段】電流制限装置は導電性複合材料と不均質
な抵抗分布構造を用いる。装置の少なくとも１つの所定
の薄層の抵抗が装置の残部の抵抗よりはるかに高くなる
ように、不均質な抵抗分布を選択する。実際の装置で
は、複合材料に所定の薄層に垂直な方向に圧力を加え
る。短絡の発生時には、この所定の薄層の断熱抵抗加熱
に続いて急速な熱膨張が生じ、これにより所定の薄層の
所で装置の部分的または完全な物理的分離が生じて、装
置全体の電流に対する抵抗が大きくなり、装置を通る短
絡電流を制限する。短絡状態がなくなると、装置は低抵
抗状態に復帰して、電流の正常な流れを許す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、配電やモータ
制御用途などの一般的な回路保護に適当な装置に関し、
特に、種々の用途に合わせて製造することが可能な、簡
単で、再使用可能な、低コストの装置に関する。さらに
詳しくは、本発明は、システム電圧が１００Ｖ以上で短
絡電流が１００Ａ以上の比較的大電力の用途に適した、
導電性複合材料および不均質な抵抗分布構造を用いる電
流制限装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】短絡が起こったときに回路に流れる電流
を制限することができる装置は多数ある。現在用いられ
ている電流制限装置には、通常ＰＴＣＲ（正の抵抗温度
係数）またはＰＴＣ効果と呼ばれる効果を有する充填材
入りポリマー材料を含むものがある。ＰＴＣＲまたはＰ
ＴＣ効果の特質として、ある特定のスイッチ温度で、Ｐ
ＴＣＲ材料が比較的導電性から比較的抵抗性への変態を
生じる。従来の電流制限装置の中には、ＰＴＣＲ材料
（代表的にはカーボンブラック充填ポリエチレン）を加
圧接触電極間に配置しているものがある。

【０００３】使用時には、このような従来の電流制限装
置は、保護すべき回路に配置される。正常な回路条件下
では、電流制限装置は高導電性状態にある。短絡が起こ
ったとき、ＰＴＣＲ材料は抵抗加熱により発熱し、つい
には温度がスイッチ温度を越える。この時点で、ＰＴＣ
Ｒ材料の抵抗が高抵抗状態に変わり、短絡電流が制限さ
れる。短絡状態がなくなると、電流制限装置はスイッチ
温度以下まで冷却して、高導電性状態に戻る。高導電性
状態の電流制限装置は、将来の短絡発生に応答して再び
高抵抗状態に切りかわることができる。

【０００４】米国特許第５，３８２，９３８号に、正の
温度係数の抵抗率を有する導電性ポリマー組成物の本体
と、該本体を通して電流を流すために本体の２つの平行
な端面と接触して配置された２つの電極とを備えるＰＴ
Ｃ素子が記載されている。本体のポリマー組成物は、ポ
リマー材料に導電性粉末材料を分布させたものである。
用語「ＰＴＣ素子」は、米国特許第５，３８２，９３８
号の第１図に示されているように、スイッチ温度で正の
抵抗温度係数を示す素子についての用語として認められ
ている。本体の平行な表面の少なくとも一方は、電極
と、あるいは導電性ポリマー組成物の別の本体の平行な
表面と自由接触関係にある。加圧装置により、本体（１
つまたは複数）の平行な表面に垂直な方向に圧力を電極
に対して加える。可圧装置には、弾性能力を有する圧力
印加装置を設けるのが好ましい。ＰＴＣ素子は、低抵抗
状態から高抵抗状態に変化した後、初期抵抗に復帰する
ので、短絡電流を受けた後でも再利用できる。ポリマー
組成物の本体（１つまたは複数）の平行な表面は同心と
するのがよい。ＰＴＣ素子は電気回路に過電流保護の目
的で使用される。

【０００５】米国特許第５，３１３，１８４号に、抵抗
器本体を２つの接触端子間に配置してなる電気抵抗器が
記載されている。この抵抗器コアはＰＴＣ挙動を示す素
子を含み、この素子は、材料に特有の温度以下で、２つ
の接触端子間に導電通路を形成する。抵抗器は簡単かつ
安価とすることができるが、それでも局部的過電圧およ
び全体的過電圧に対して保護された高定格の電流導通容
量を有する。このことは、抵抗器コアにバリスタ挙動を
呈する材料を追加含有させることにより達成される。バ
リスタ材料は、少なくとも１つのバリスタを形成するよ
うに導電通路の少なくとも１つのサブセクションと並列
に接続され、かつ該少なくとも１つのサブセクションを
形成するＰＴＣ材料の部分と電気的に密着関係に置かれ
る。ＰＴＣ挙動を有する素子とバリスタとの並列接続
は、ミクロな構成およびマクロな配置の両方により実現
することができる。

【０００６】欧州特許０，６４０，９９５Ａ１には、２
つの平行な平面電極間に配置された、ＰＴＣ特性を有す
る抵抗材料を含み、両電極に圧力を加えるようにした電
気抵抗素子が記載されている。抵抗材料は、導電性粒子
からなる２種の充填成分をポリマー母材に埋設して構成
される。短絡電流が生じた場合、電極に接していて、２
種の充填成分の内の少なくとも第１充填成分を含有する
表面層において、抵抗材料の抵抗率が制限温度値以上で
ステップ状すなわち階段状に変化する。２種の充填成分
の内の第２充填成分を適切に選択して、少なくともポリ
マー母材と第２充填成分を含有する複合材料が、表面層
より１桁以上大きい階段状変化特性を持つＰＴＣ特性を
示すようにする。同時に、この複合材料の抵抗率は、ポ
リマー母材と第１充填成分から形成される複合材料より
１桁以上低い。

【０００７】上述の方策はすべてＰＴＣ挙動を利用し
て、一層簡単で一層耐久性の高い電流制限装置を得よう
としたものであるが、配電およびモータ制御用途におけ
る全般的回路保護に適していて、種々の用途に合わせて
製作することが可能な、更に簡単で、更に耐久性が高
く、再使用可能な、低コストの電流制限装置が依然とし
て必要とされている。このような装置は、回路を少なく
とも２回の短絡、好ましくは多数回の短絡から保護する
こと、材料がＰＴＣＲ効果を示すことを必要としないこ
と、そして１００−５００ボルトまたはそれ以上の高電
圧で使用できることが、要求される。

【０００８】

【発明の概要】電流制限装置は、多くの用途において、
電気回路内の敏感な構成要素を大きな故障電流から保護
する目的で使用される。用途は、低電圧／電流回路から
高電圧／電流配電システムにまで及ぶ。本発明は、種々
の用途に合わせて製作することができる、簡単で、再使
用可能な、低コストの電流制限装置を提供する。

【０００９】本発明によれば、ＰＴＣ効果を持たない、
導電性充填材を含有する導電性複合材料と、前記複合材
料に対して作動的に配置された少なくとも２つの電極
と、外側電極間に作動的に配置された不均質な抵抗分布
と、前記導電性複合材料に圧縮圧力を加える手段とを備
える電流制限装置が提供される。したがって、本発明の
目的は、なんらＰＴＣ効果を示さない材料からなる電流
制限装置を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的や効果は、図面を参照に
した以下の詳細な説明から明らかになろう。

【００１１】

【詳しい説明】本発明の電流制限装置は、熱分解温度ま
たは蒸発温度の低いバインダと導電性充填材を含む複合
材料を、不均質な抵抗分布構造と組み合わせて使用す
る。バインダは、低温（＜８００°Ｃ）で有意なガス発
生が起こるようなものを選ぶ必要がある。不均質な抵抗
分布構造は、代表的には、電流制限装置の少なくとも１
つの薄層が電流制限装置の残部よりはるかに高い抵抗を
もつように選ばれる。

【００１２】理論に縛られるつもりはないが、本発明の
すぐれた効果が得られるのは、短絡が生じているとき
に、この薄層の断熱抵抗加熱に続いて、急速な熱膨張が
生じると共にバインダ材料からガスが発生することによ
り、上記薄層の所で電流制限装置の部分的または完全な
物理的分離が生じ、この結果、電流に対して装置全体の
抵抗がより大きくなるためである、と考えられる。こう
して、電流制限装置は短絡電流通路に流れる電流を制限
する。外部手段により短絡が除かれたとき、電流制限装
置は、電流制限装置に組込まれた圧縮圧力により、低抵
抗状態に戻って、電流を平常に流れさすことができるよ
うになる。本発明の電流制限装置は、特に各短絡の過酷
さや長さのような要因にもよるが、このような短絡条件
に対して多数回再使用することができる。

【００１３】本発明をさらに明瞭にするために、以下に
好適な実施態様と実施例を説明するが、これらの実施例
は本発明の使用例を示しているにすぎない。本発明の１
実施態様によれば、導電性複合材料を用いて、装置全体
に不均質な抵抗分布が生じるように、電流制限装置を構
成する。この装置が再使用可能な電流制限装置として適
切に働くためには、電流制限装置の少なくとも１つの薄
層が電流の流れ方向に直角に位置し、装置内の同じ寸法
および配向の平均層の平均抵抗よりはるかに大きな抵抗
をもつように、不均質な抵抗分布を配置しなければなら
ない。さらに、電流制限装置は、選ばれた高抵抗薄層に
垂直な方向に圧縮圧力をかけなければならない。

【００１４】本発明による電流制限装置の１例では、熱
分解温度の低いバインダおよび導電性充填材を有する高
導電性複合材料を電極に圧接して、複合材料と電極（片
方または両方）との間に有意な接触抵抗があるようにす
る。使用時には、電流制限装置を、保護すべき電気回路
と直列に配置する。正常作動中は、電流制限装置の抵抗
は低い（この例では、電流制限装置の抵抗は、高導電性
複合材料の抵抗と電極の抵抗と接触抵抗との和に等し
い）。短絡が起こると、高電流密度の電流が装置に流れ
始める。短絡の初期段階では、装置の抵抗加熱が断熱的
であると考えられる。したがって、電流制限装置の抵抗
の大きい選ばれた薄層は電流制限装置の残部よりはるか
に速く発熱すると考えられる。薄層が適切に設計されて
いれば、この薄層が十分急速に発熱し、薄層の熱膨張お
よび／または薄層からのガス発生により、薄層の所で電
流制限装置内に分離が生じると考えられる。

【００１５】代表的な電流制限装置においては、複合材
料の蒸発および／またはアブレーション（ａｂｌａｔｉ
ｏｎ）により電極が複合材料から離れると考えられる。
この分離状態で、複合材料のアブレーションが起こり、
電流制限装置の分離された層間にアークが発生すると考
えられる。しかし、分離状態での全抵抗は非分離状態で
の抵抗よりはるかに大きい。この大きなアーク抵抗は、
複合材料のバインダからのガス発生により界面に発生し
た高い圧力とガスの消イオン特性とが組み合わさるため
であると考えられる。いずれにしても、本発明の電流制
限装置は、回路の他の構成要素が短絡により破壊されな
いように、短絡電流を制限するのに有効である。

【００１６】短絡電流を遮断した後、本発明の電流制限
装置は、適切に設計されていれば、圧縮圧力が分離され
た層を互いに押し付けるように作用するため、非分離状
態に戻る、つまり復旧すると考えられる。ひとたび電流
制限装置の複数の層が非分離状態、すなわち低抵抗状態
に戻ってしまえば、電流制限装置は、将来他の短絡導体
に応答して電流制限作用を行うのに完全な準備ができた
状態にある。

【００１７】本発明の別の実施態様の電流制限装置は、
抵抗器、バリスタまたは他の直線性または非直線性素子
を含む並列電流通路を用いて、特定の回路において電流
制限装置の両端間に現れ得る最大電圧を制御し、或いは
回路エネルギの一部を通す別の通路を形成して電流制限
装置の有効な寿命を延長するように構成することができ
る。

【００１８】［実施例１］本発明の効果を実証するため
に、図１に示すような電流制限装置を作製した。導電性
複合材料は、バインダ材料としてのエラストマ、たとえ
ばシリコーンエラストマと、充填材としての金属、たと
えば銀とからなり、その抵抗率は約０．００４Ω−ｃｍ
であった。銀充填硬化性シリコーン材料（エラストマ）
を、２成分ＡおよびＢを混合することにより製造した。
成分Ａは、末端ジメチルビニルシロキシ単位とジメチル
シロキシ単位を有し、粘度が２５°Ｃで４００ｃｐｓで
あるビニルシリコーンオルガノポリシロキサン流体（２
３ｇ）と、アメス・ゴールドスミス社（ＡｍｅｓＧｏ
ｌｄｓｍｉｔｈＣｏｒｐ．）から市販されている銀粒
子であるＡｇ４３００（４６．６ｇ）、Ａｇ１０３６
（３７．３ｇ）およびＡｇ１０２４（３７．３ｇ）と、
珪素に結合した化学結合水素約０．８重量％を有する流
体を与えるように末端トリメチルシロキシ単位を有する
シリコーンハイドライドシロキサン流体（１ｇ）とから
構成した。成分Ｂは、末端ジメチルビニルシロキシ単位
とジメチルシロキシ単位を有し、粘度が４００ｃｐｓで
あるビニルシリコーンオルガノポリシロキサン流体（２
ｇ）と、ジメチルマレエート（１４μｌ）と、クラステ
ッド（Ｋａｒｓｔｅｄｔ）白金触媒（白金の５％キシレ
ン溶液として８３μｌ）（詳しくは、米国特許第３，７
７５，４５２号参照）とから構成した。成分Ａ（４０
ｇ）と成分Ｂ（０．４４ｇ）を混合して、モールドに注
入した後、カーバー（Ｃａｒｖｅｒ）プレスで１５０°
Ｃ、圧力５０００ポンドにて３０分間硬化させた。

【００１９】電極をニッケル電気メッキ銅から作製し、
複合材料に圧接させた。なお、導電性複合材料も電極材
料もＰＴＣＲスイッチング効果を示さない。電極は直径
約１／４インチであった。これらの電極を、直径３／４
インチ、厚さ約１／８インチの複合材料の中心に配置し
た。両電極間に約３．７ｋｇの力を加えて圧力を加えた
（圧力は約１７０ｐｓｉとなった）。本例の電流制限装
置は、装置に約３０Ａ未満の電流を流したとき、約０．
０６Ωの抵抗値を有する簡単な抵抗器として機能した。

【００２０】図２に、短絡条件のシミュレーションに用
いた電圧パルスを示す。電圧は、最初の約１ミリ秒の
間、正常回路動作をシミュレーションするために約２．
５Ｖである。つぎに電圧は、短絡条件のシミュレーショ
ンのために、約３ミリ秒の間、約１００Ｖにジャンプす
る。次に電圧は、短絡の是正のシミュレーションのため
に約４ミリ秒で約２．５Ｖまで降下する。

【００２１】図３に、図２に示す電圧パルスを電流制限
装置に印加したときに、電流制限装置に流れる電流と同
装置の両端間に現れる電圧を示す。図４は、図３の短絡
のシミュレーションの初期部分の拡大図である。電圧が
約１００Ｖに跳ね上がるとき、電流が約１９０Ａに跳ね
上がり、次いで急激に約１Ａの低い値まで降下し、その
後パルスの残りの期間その低い値に留まる。したがっ
て、電流は約１６６７Ａ（１００Ｖ／０．０６Ω）の予
測値から１Ａ以下の値に制限されている。

【００２２】図５は電流制限装置の抵抗を時間の関数と
して示すグラフである。約１００Ｖのパルスがサンプル
の電流制限装置に印加されたとき、抵抗が３０００倍以
上変化することがわかる。このパルス試験の終了後、電
流制限装置の抵抗が約０．０６Ωの初期値に戻った（３
０Ａの電流プローブを用いて測定した）。したがって、
本電流制限装置は次の電流制限動作を待つ準備ができて
いる。実際、この電流制限装置に、さらに３回の電流制
限動作を行わせたところ、いかなる種類の故障も生じな
かった。材料および電極両方の損傷の程度が低かったの
で、この電流制限装置がこれ以上多くの回数で働かない
と考える理由は認められない。

【００２３】［実施例２］好適な導電性複合材料を用い
て本発明に従って構成した別の電流制限装置の例の動作
特性を図６乃至９に示す。本例では、図１に示す電流制
限装置構造を使用し、複合材料は、熱硬化性バインダ、
たとえばエポキシ・テクノロジイ社（Ｅｐｏｘｙ−Ｔｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．）から商品名Ｎ３０として
市販されているエポキシバインダと、導電性充填材とし
ての金属、たとえばニッケル粉末とからなる。この複合
材料は抵抗率が約０．０２乃至０．０３Ω−ｃｍで、Ｐ
ＴＣＲ効果を示さない。物理的には、本例の装置では、
直径約１／４インチのニッケル電気メッキ銅電極を使用
し、これらを直径３／４インチ、厚さ約１／８インチの
複合材料の中心に配置した。両電極間に約８．２ｋｇの
力を加えて圧力を加えた（圧力は約３７０ｐｓｉとなっ
た）。本例の電流制限装置は、装置に約３０Ａ未満の電
流を流したとき、約０．１Ωの抵抗値を有する簡単な抵
抗器として機能した。

【００２４】図６に、短絡条件をシミュレーションする
ために約５００Ｖの電圧パルスを電流制限装置に印加し
たときの、電流制限装置に流れる電流と同装置両端間に
現れる電圧を示す。０秒での印加電圧パルスの開始時
に、電流は約２００Ａに上昇し、ついでその値を約１．
２ミリ秒維持する。この約２００Ａの初期電流値は、こ
の試験に用いた電圧パルス装置の出力能力により制限さ
れた。この装置の制約のため、電圧はこの初期の１．２
ミリ秒の間に５００Ｖに達しない。しかし、この初期の
１．２ミリ秒の間に、電流制限装置の電圧は、電流制限
装置が高抵抗状態に移行するにつれて上昇する。１．２
ミリ秒後、電流制限装置が高抵抗状態に達するので、電
流制限装置の作用により電流は約５０Ａより低い値に下
がり、電流制限装置の両端間の測定電圧は最大５００Ｖ
であった。装置の電圧を１４ミリ秒後に停止するまで、
電流は約５０Ａより低いレベルに留まった。

【００２５】図７に、電圧波形を電流波形で割ることに
より、図６に示すデータから得られた電流制限装置の抵
抗を示す。なお、電圧パルスの開始時に、抵抗は約０．
１Ωであり、抵抗は約１．２ミリ秒後に約１０Ωより高
い値まで上昇し、電圧パルスを１４ミリ秒で停止するま
で、この高抵抗状態を維持した。このように電流制限が
実際に示された後、この電流制限装置が低電流（＜３０
Ａ）条件下で初期の低抵抗値０．１Ωに回復したことが
実証された。この電流制限装置が再使用可能な限流器と
して機能し得ることを証明するために、この試験順序を
同じ装置で繰り返したところ、５００Ｖ短絡シミュレー
ション電圧パルスで合計３回の動作に成功した。

【００２６】図３乃至７に示した実施例は、本発明の電
流制限装置が、ＰＴＣＲ効果を有する材料を用いなくて
も、直流（ＤＣ）回路における短絡時に電流を効果的に
制限できることを実証している。図８は、本発明の電流
制限装置が、交流（ＡＣ）回路用の再使用可能な電流制
限装置としても使用できることを示す。図８に示す実験
に使用した電流制限装置は、材料、構成ともに、直流
（ＤＣ）回路用の先の実施例で用いた装置と同一であ
る。低電流（＜３０Ａ）パルスを用いて測定した電流制
限装置の初期抵抗は約０．１Ωであった。

【００２７】図８は、電流制限装置に振幅約３７０Ｖで
６０ＨｚのＡＣ電圧パルスを約１５０ミリ秒の間印加し
たときの、電流および電圧波形を示す。ＡＣパルスを閉
成移相角約１２０°で約４０ミリ秒の間印加した。な
お、電流は約＋１００Ａの値まで増加し、ついで減少
し、電圧が０Ｖを横切る際に０Ａを横切り、次いで約−
１００Ａの値まで（絶対値として）増加した。この後、
電圧の絶対値は上昇し続けたにもかかわらず、電流の絶
対値は、電流制限装置の作用により約２Ａ未満のレベル
に下がった。ついで、約１９５ミリ秒の間、ＡＣ電圧を
＋３７０Ｖと−３７０Ｖとの間で振動させ続けたとき、
電流の絶対値は約２Ａ未満のレベルに留まった。その
後、この電圧パルスを停止した。したがって、電流制限
装置は１８５Ωより大きい抵抗値の高抵抗状態を達成し
た。

【００２８】このように電流制限が実際に示された後、
この電流制限装置が低電流（＜３０Ａ）条件下で初期の
低抵抗値０．１Ωに回復したことが実証された。この電
流制限装置が再使用可能な電流制限装置として機能し得
ることを証明するために、この試験順序を同じ３７０Ｖ
のＡＣ電圧パルスでもう一度繰り返したところ、成功し
た。

【００２９】本発明の電流制限装置は、（フューズとは
異なり）２度以上機能すること、接触抵抗に基づく界面
での加熱により動作開始すること、有機バインダのよう
な低い熱分解／分解／アブレーション温度（＜８００°
Ｃ）のバインダと導電性充填材を必要とすること、金属
および／または半導体電極と圧力下で組み合わせられる
こと、材料がＰＴＣＲ効果を呈することを必要としない
こと、ＡＣおよびＤＣ電圧／電流波形を制限する作用を
有すること、５００Ｖまでの電圧について試験されてい
ること（上限は現在のところ不明）、電極を材料に一体
的に取り付けるか簡単に圧力接触（圧接）できること
が、当業者に明らかである。

【００３０】以下の実施例で、実際に行った実験を報告
する。これらの実施例は、種々のバインダ材料、導電性
充填材料、必要に応じて第３相充填材料および電極材料
を使用し、シミュレーションの短絡電流を前述したのと
同様の態様で制限した点ですべて有効であった。以下の
実験はすべて、図１の基本的な電流制限装置形状を用い
て行った。しかしながら、本発明は、図１に示す単一の
複合材料と２電極の組合せに限定されず、複数の複合材
料と３つ以上の電極の組合せを包含する。

【００３１】［実施例３］導電性充填材として金属、具
体的には銀を含有した、熱硬化性バインダ、具体的には
エポキシバインダを、次のように、アメス・ゴールドス
ミス社（ＡｍｅｓＧｏｌｄｓｍｉｔｈＣｏｒｐ．）か
ら市販されている銀粒子であるＡｇ４３００（５．６
ｇ）、Ａｇ１０３６（４．２ｇ）およびＡｇ１０２４
（４．２ｇ）と、ポキシ・テクノロジイ社（Ｅｐｏｘｙ
−ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．）から商品名エポテ
ック３０１（Ｅｐｏｔｅｋ３０１）として市販されて
いる２成分エポキシを用いて用意した。エポキシ樹脂
（２．３ｇ）を硬化剤（０．６ｇ）と混合し、ついで銀
粒子を加え、混合物をテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ：登録商
標）のモールド内に配置し、６０°Ｃで１時間硬化し
た。Ｎｉ被覆Ｃｕで電極を形成した。

【００３２】［実施例４］導電性充填材として金属、具
体的には銀を含有した、熱硬化性バインダ、具体的には
エポキシバインダを、ナショナル・スターチ・アンド・
ケミカル社（ＮａｔｉｏｎａｌＳｔａｒｃｈａｎｄ
ＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ）のエイブルステ
ィック・エレクトロニック・マテリアルズ・アンド・ア
ドヘシブズ事業部（ＡｂｌｅｓｔｉｋＥｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ）
から商品名エイブルボンド（Ａｂｌｅｂｏｎｄ）９６７
−１として市販されているの導電性接着材料を用いて用
意した。混合物をテフロンのモールドに入れて、８０°
Ｃで２時間硬化した。Ｎｉ被覆Ｃｕで電極を形成した。

【００３３】［実施例５］導電性充填材として金属、具
体的にはニッケルを含有した、熱硬化性バインダ、具体
的にはエポキシバインダを、エポキシ・テクノロジイ社
（Ｅｐｏｘｙ−ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．）から
商品名エポテック（Ｅｐｏｔｅｋ）Ｎ３０として市販さ
れている導電性接着材料を用いて用意した。混合物をテ
フロンのモールドに入れて、１５０°Ｃで約１時間硬化
した。この特定の導電性複合材料用い、且つそれぞれ別
々のＮｉ被覆Ｃｕ、ステンレス鋼、Ａｇ被覆Ｃｕおよび
Ｃｕ製の電極を有する電流制限装置を試験した。

【００３４】［実施例６］導電性充填材として２成分金
属導電充填材、具体的には銀とアルミニウムを含有し
た、エラストマバインダ、具体的にはシリコーンバイン
ダを、２成分ＡおよびＢを混合することにより製造し
た。成分Ａは、末端ジメチルビニルシロキシ単位とジメ
チルシロキシ単位を有し、粘度が４００ｃｐｓであるビ
ニルシリコーンオルガノポリシロキサン流体（２３ｇ）
と、アルミニウム粉末（３７．３ｇ）と、アメス・ゴー
ルドスミス社から市販の銀粒子であるＡｇ４３００（４
６．６ｇ）、Ａｇ１０３６（３７．３ｇ）およびＡｇ１
０２４（３７．３ｇ）と、珪素に結合した化学結合水素
約０．８重量％を有する流体を与えるように末端トリメ
チルシロキシ単位を有するシリコーンハイドライドシロ
キサン流体（１ｇ）とから構成した。成分Ｂは、末端ジ
メチルビニルシロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有
し、粘度が４００ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガ
ノポリシロキサン流体（２ｇ）と、ジメチルマレエート
（１４μｌ）と、カーステッド（Ｋａｒｓｔｅｄｔ）白
金触媒（前掲、白金の５％キシレン溶液として８３μ
ｌ）とから構成した。成分Ａ（４０ｇ）と成分Ｂ（０．
４４ｇ）を混合し、モールドに注入した後、カーバー
（Ｃａｒｖｅｒ）プレスで約１５０°Ｃ、圧力約５００
０ポンドにて約３０分間硬化させた。この例では、電極
をＮｉ被覆Ｃｕまたはｎ型Ｓｉ半導体で形成した。

【００３５】［実施例７］導電性充填材として金属、具
体的には銀のみを含有した、エラストマバインダ、具体
的にはシリコーンバインダを、２成分ＡおよびＢを混合
することにより製造した。成分Ａは、末端ジメチルビニ
ルシロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有し、粘度が
４００ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガノポリシロ
キサン流体（２３ｇ）と、アメス・ゴールドスミス社か
ら市販の銀粒子であるＡｇ４３００（４６．６ｇ）、Ａ
ｇ１０３６（３７．３ｇ）およびＡｇ１０２４（３７．
３ｇ）と、珪素に結合した化学結合水素約０．８重量％
を有する流体を与えるように末端トリメチルシロキシ単
位を有するシリコーンハイドライドシロキサン流体（１
ｇ）とから構成した。成分Ｂは、末端ジメチルビニルシ
ロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有し、粘度が４０
０ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガノポリシロキサ
ン流体（２ｇ）と、ジメチルマレエート（１４μｌ）
と、カーステッド白金触媒（前掲、白金の５％キシレン
溶液として８３μｌ）とから構成した。成分Ａ（４０
ｇ）と成分Ｂ（０．４４ｇ）を混合し、モールドに注入
した後、カーバープレスで１５０°Ｃ、圧力５０００ポ
ンドにて３０分間硬化させた。この例では、電極をＮｉ
被覆Ｃｕで形成した。

【００３６】［実施例８］エラストマバインダ、具体的
には銀充填硬化性シリコーンを、２成分ＡおよびＢを混
合することにより製造した。成分Ａは、末端ジメチルビ
ニルシロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有し、粘度
が４００ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガノポリシ
ロキサン流体（３３ｇ）と、アメス・ゴールドスミス社
から市販の銀粒子であるＡｇ４３００（４６．６ｇ）、
Ａｇ１０３６（３７．３ｇ）およびＡｇ１０２４（３
７．３ｇ）と、ミヌシル（Ｍｉｎｕｓｉｌ）のα−石英
（２３ｇ）と、珪素に結合した化学結合水素約０．８重
量％を有する流体を与えるように末端トリメチルシロキ
シ単位を有するシリコーンハイドライドシロキサン流体
（２ｇ）とから構成した。成分Ｂは、末端ジメチルビニ
ルシロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有し、粘度が
４００ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガノポリシロ
キサン流体（１０ｇ）と、ジメチルマレエート（７０μ
ｌ）と、カーステッド白金触媒（前掲、白金の５％キシ
レン溶液として４１５μｌ）とから構成した。成分Ａ
（４０ｇ）と成分Ｂ（０．５ｇ）を混合し、モールドに
注入した後、カーバープレスで約１５０°Ｃ、圧力約５
０００ポンドにて約３０分間硬化させた。この例では、
電極をＮｉ被覆Ｃｕで形成した。

【００３７】［実施例９］導電性充填材として２種の金
属、具体的には銀とアルミニウムを含有した、強化エラ
ストマバインダ、具体的にはフュームドシリカで補強し
た硬化性シリコーンを、２成分ＡおよびＢから製造し
た。成分Ａは、エラストマバインダ、すなわち末端ジメ
チルビニルシロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有
し、粘度が４００ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガ
ノポリシロキサン流体（２３ｇ）と、珪素に結合した化
学結合水素約０．８重量％を有する流体を与えるように
末端トリメチルシロキシ単位を有するシリコーンハイド
ライドシロキサン流体（２ｇ）と、シクロオクタメチル
テトラシロキサンおよびヘキサメチルジシラザンで処理
した比表面積３００ｍ² ／ｇの二重処理フュームドシリ
カ（１．２ｇ）と、アルミニウム粉末（３７．３ｇ）
と、アメス・ゴールドスミス社から市販の銀粒子である
Ａｇ４３００（４６．６ｇ）、Ａｇ１０３６（３７．３
ｇ）およびＡｇ１０２４（３７．３ｇ）とから構成し
た。成分Ｂは、末端ジメチルビニルシロキシ単位とジメ
チルシロキシ単位を有し、粘度が４００ｃｐｓであるビ
ニルシリコーンオルガノポリシロキサン流体（２ｇ）
と、ジメチルマレエート（１４μｌ）と、カーステッド
白金触媒（前掲、８３μｌ）とから構成した。成分Ａ
（４０ｇ）と成分Ｂ（０．４４ｇ）を合わせ、手で混合
して硬化性組成物を得、これをモールドに入れた。カー
バープレスで１５０°Ｃ、圧力５０００ポンドにて３０
分間硬化させた。この例では、電極をＮｉ被覆Ｃｕで形
成した。

【００３８】［実施例１０］エラストマバインダ、具体
的にはニッケル充填シリコーンを、２成分ＡおよびＢか
ら製造した。成分Ａは、末端ジメチルビニルシロキシ単
位とジメチルシロキシ単位を有し、粘度が４００ｃｐｓ
であるビニルシリコーンオルガノポリシロキサン流体
（２５ｇ）と、ＩＮＣＯタイプ１２３のニッケル粉末
（１００ｇ）と、珪素に結合した化学結合水素約０．８
重量％を有する流体を与えるように末端トリメチルシロ
キシ単位を有するシリコーンハイドライドシロキサン流
体（２ｇ）とから構成した。成分Ｂは、末端ジメチルビ
ニルシロキシ単位とジメチルシロキシ単位を有し、粘度
が４００ｃｐｓであるビニルシリコーンオルガノポリシ
ロキサン流体（１０ｇ）と、ジメチルマレエート（７０
μｌ）と、カーステッド白金触媒（白金の５％キシレン
溶液として４１５μｌ）とから構成した。成分Ａ（４０
ｇ）と成分Ｂ（０．５ｇ）を混合し、モールドに注入し
た後、カーバープレスで１５０°Ｃ、圧力５０００ポン
ドにて３０分間硬化させた。この例では、電極をＮｉ被
覆Ｃｕで形成した。

【００３９】［実施例１１］半導電性充填材、具体的に
はカーボンブラックを含有する熱可塑性バインダ、具体
的にはポリテトラフルオロエチレンバインダの市販品を
入手した。すなわちダブリュ・エル・ゴア・アンド・ア
ソシエイツ社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉ
ａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）から商品名ＧＳ−２１００−０
８０−５０００−ＳＣとして市販の導電性フッ素ポリマ
ーを、Ｎｉ被覆Ｃｕの電極とともに使用した。［実施例１２］さらに、導電性充填材として金属、具体
的には銀を含有した、熱可塑性バインダ、具体的にはポ
リ（エチレングリコール）を製造した。アメス・ゴール
ドスミス社から市販の銀粒子であるＡｇ４３００（２．
８ｇ）、Ａｇ１０３６（２．１ｇ）およびＡｇ１０２４
（２．１ｇ）からなる銀粒子混合物を約８０°Ｃに加熱
し、約８０°Ｃの溶融ポリ（エチレングリコール）（Ｍ
Ｗ８０００）に加え、混合した。この材料をテフロンの
モールドに注入し、室温で硬化させた。この例では電極
をＮｉ被覆Ｃｕから形成した。

【００４０】上述した実施例について、電流制限装置と
して試験する場合、電極を導電性複合材料に対して約６
乃至約３７０ｐｓｉの範囲の圧力でプレスした。具体的
には、実施例３、４、６、７および１１では約１７０ｐ
ｓｉの圧力を用い、実施例５、８および１０では約３７
０ｐｓｉの圧力を、実施例９および１２では約６ｐｓｉ
の圧力を用いた。上記圧力範囲を実際にテストしたが、
本発明の装置はそれより高い圧力でも低い圧力でも適正
な性能を示す可能性がある。

【００４１】上述したところから明らかなように、低い
熱分解温度または蒸発温度（＜８００°Ｃ）を有するバ
インダ材料、たとえば熱可塑性樹脂（たとえばポリテト
ラフルオロエチレン、ポリ（エチレングリコール）、ポ
リエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミ
ド、ポリメチルメタクリレート、ポリエステルなど）；
熱硬化性樹脂（たとえばエポキシ、ポリエステル、ポリ
ウレタン、フェノール、アルキッドなど）；エラストマ
（たとえばシリコーン（ポリオルガノシロキサン）、ポ
リウレタン、イソプレンゴム、ネオプレンなど）；有機
または無機結晶を、粒子または発泡体形態の導電性充填
材、たとえば金属（たとえばニッケル、銀、銅など）ま
たは半導体（たとえばカーボンブラック、二酸化チタン
など）と組合せ、金属または半導体電極をその導電性複
合材料に圧接したものも、本発明の電流制限装置として
有効な性能を発揮する。

【００４２】複合材料の特性、たとえば機械的特性や誘
電特性を向上させるために、あるいは消弧特性や難燃性
を与えるために、第３相充填材を使用することができ
る。複合材料に第３相充填材として使用することのでき
る材料としては、フュームドシリカなどの補強用充填材
や、沈降シリカなどの増量用充填材から選ばれる充填
材、またはこれらの混合物がある。他の充填材として、
二酸化チタン、リトポン、酸化亜鉛、珪藻珪酸塩、シリ
カエーロゲル、酸化鉄、珪藻土、炭酸カルシウム、シラ
ザン処理シリカ、シリコーン処理シリカ、ガラス繊維、
酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化ジルコニウム、α
−石英、焼成クレー、炭素、グラファイト、コルク、
綿、重炭酸ナトリウム、ほう酸、アルミナ水和物などが
ある。他の添加剤としては、電流制限装置へのダメー
ジ、たとえば突然の衝撃による亀裂発生を防止する耐衝
撃性向上剤、電流制限装置における火炎形成を防止およ
び／または阻止する難燃剤、ユーザの要求に応えて特定
の色成分を与える染料および着色剤、日光その他の紫外
線にさらされることによる物理的特性の低下を防止する
ＵＶ遮断剤などが上げられる。

【００４３】最後に、本発明の限流器は並列な線形また
は非線形回路素子、たとえば抵抗器またはバリスタとと
もに用いることができる。本明細書やここに開示した発
明の実施態様を参照すれば、本発明の他の実施態様も当
業者には明らかである。以上の説明も実施例も本発明の
例示にすぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載の
通りである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電流制限装置の概略構成図であ
る。

【図２】短絡条件のシミュレーションに用いる電圧パル
スを示すグラフである。

【図３】図２に示すような電圧パルスを図１の電流制限
装置に印加したときの、電流制限装置に流れる電流およ
び電流制限装置両端間の電圧を示すグラフである。

【図４】シミュレーションにより短絡した電流制限装置
の電流および電圧の初期部分を示すグラフである。

【図５】図１の電流制限装置の抵抗を時間の関数として
示すグラフである。

【図６】ニッケル充填エポキシ材料を導電性複合材料と
して用いて製造した図１の電流制限装置について、短絡
条件をシミュレーションした約５００ボルトの電圧パル
スを印加したときの、電流制限装置に流れる電流と電流
制限装置両端間の電圧を示すグラフである。

【図７】電圧波形を電流波形で割ることにより図６のデ
ータから得られる図１の電流制限装置の抵抗を示すグラ
フである。

【図８】振幅約３７０Ｖ、６０ＨｚのＡＣ電圧パルスを
１５０ミリ秒の間、図１の電流制限装置に印加したとき
の電流および電圧波形を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ライオネル・モンティ・レビンソンアメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネクタデイ、リンダ・レーン、１番 (72)発明者ハロルド・ジェイ・パッチェンアメリカ合衆国、ニューヨーク州、バーント・ヒルズ、レイク・ヒル・ロード、123 番 (72)発明者ラリー・ニール・ルイスアメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコティア、ハービスト・ドライブ、７番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性充填材を含有していて、ＰＴＣ効
果を持たない導電性複合材料と、前記複合材料に対して作動的に配置された少なくとも２
つの電極と、外側電極間に作動的に配置された不均質な抵抗分布と、前記複合材料に圧縮圧力を加える手段とを備える電流制
限装置。
【請求項２】電流の方向に直角に配置された少なくと
も１つの薄層が当該電流制限装置内の同じ寸法および配
向の平均層の平均抵抗よりはるかに高い抵抗を有するよ
うに、前記不均質な抵抗分布が配置されている請求項１
に記載の電流制限装置。
【請求項３】短絡時に、前記薄層の断熱抵抗加熱に続
いて前記複合材料の急激な熱膨張と蒸発が生じ、それに
続いて前記薄層の所で当該電流制限装置の少なくとも一
部分の物理的層分離が生じる請求項１に記載の電流制限
装置。