JP2001516126A - 電気設備のための安全装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電流回路たとえば自動車内の電流回路のための安全装置に関する。この場合、ヒューズが設けられており、これは定格電流を超える電流負荷が発生したときに電流回路を持続的に遮断する。さらに本発明は、このようなヒューズエレメントの作動方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、電気的設備たとえば車両用電気的設備のための安全装置に関する。

【０００２】 たとえば自動車において、電気的な線路を保護するためにヒューズが用いられ
る。ヒューズによる保護の欠点は、このような保護によっても最適な線路保護が
得られないことである。

【０００３】 短期間加わる過電流が発生したとき、車両内の一般的な電気線路はヒューズよ
りもかなり多くの電流に耐えることができるので、短期間の過電流について一般
的なヒューズは小さく設計されている。これに対し、それよりも長く持続する過
電流の領域ではヒューズはかなり遅く遮断するので、そのような状況では電気的
な導体および／または負荷が十分には保護されないことになる。ヒューズの公称
溶融電流に対し３５％の過電流であると、ヒューズが実際に切れるまでに３０分
はかかる可能性がある。ヒューズの公称切断電流の３．５倍に相応する２５０％
の過電流であると、ヒューズ切断までに５秒はかかる可能性がある。

【０００４】 さらに別の問題として挙げられるのは、公称切断電流値の高いヒューズの値の
場合、ヒューズを十分な速さで切断するには実際の切断電流がかなり高くなけれ
ばならないことである。このことは、公称切断電流が２５０Ａまたはそれ以上の
ヒューズであれば、ヒューズを十分な速さで切断するには２５０％の過電流のと
きに少なくとも８７５Ａの電流が流れなくてはならないことを意味する。たとえ
ば車両において事故が発生したときなど多数の線路が短絡したときには、そもそ
もバッテリが上述のようなヒューズを切断するために十分に大きな電流を確実に
供給することはできない。

【０００５】 ドイツ連邦共和国特許出願 DE-A1-195 27 997 に開示されている装置によれば
、ヒューズの切断をいっそう良好に設定できる。この場合、ヒューズを流れる電
流が測定され、保護すべき線路と並列にサイリスタが接続され、これは過電流発
生時に規定的にスイッチオンさせることができる。電流が閾値を超えるとサイリ
スタがスイッチオンされ、ヒューズに付加的な過電流が発生され、これによって
ヒューズの切断を引き起こそうというものである。このような装置構成の欠点は
、公称切断電流の高い大きなヒューズ値のために、数１００Ａの公称電流をもつ
大きいサイリスタを用いなければならず、あるいは複数のサイリスタを並列に使
用しなければならないことである。また、相応のサイリスタのトリガに必要とさ
れる公称電流をそもそも車両内のバッテリから確実に調達することはできない。

【０００６】 本発明の課題は、規定された切断電流をもち高い公称切断電流にも適したヒュ
ーズを提供することにある。

【０００７】 この課題は、独立請求項の特徴部分に記載の構成により解決される。従属請求
項ならびに以下の説明には本発明の有利な実施形態が示されている。

【０００８】 本発明によれば、ヒューズエレメントは溶融導体を有しており、この溶融導体
は少なくとも部分的に反応素子（Reaktionselement）により形成されている。こ
の場合、反応素子および／または溶融導体の溶融温度を少なくとも局所的に超え
るような発熱性の反応が、点弧信号により引き起こされる。

【０００９】 反応素子は有利には、アルミニウムおよび／またはニッケルおよび／または鉄
を有する。

【００１０】 有利には反応素子は溶着シートから成り、これは交互に配置された非常に薄い
多数の金属シートから成る層の列によって構成されている。これによる利点は、
点弧信号により金属シートの反応を上下に重なり合って引き起こすことができる
ことであり、その際に溶着シートが溶融し、電流回路が非常に高速に持続的に遮
断されるようになる。

【００１１】 １つの有利な実施形態によれば、反応素子は少なくとも部分的に粒の細かい粉
末によって形成されている。

【００１２】 有利には、車載電源および／または車両の不所望な動作状態に依存して点弧信
号をトリガできるようにすることで、加熱素子を制御してスイッチオンすること
ができる。

【００１３】 １つの有利な実施形態によれば、ヒューズエレメントが点弧衝撃ないし点弧パ
ルスを制御する制御ユニットと接続されている。これにより同じヒューズエレメ
ントを用いて種々の特性を作ることができ、様々な定格切断電流を形成すること
ができ、その結果、ヒューズエレメントの切断特性曲線をダイナミックに変化さ
せることができる。

【００１４】 次に、本発明にとって重要な特徴について基本回路図を参照しながら詳しく説
明する。

【００１５】 従来技術による一般的なヒューズは、所定の抵抗値をもつ規定的に形成された
電気導体によって構成されている。電流が流れることによって、導体が有利には
特別に準備された領域（以下では溶融導体と称する）において加熱され、ヒュー
ズの種類に従って４２０゜Ｃ〜１０００゜Ｃを超える範囲で導体の融点に到達す
る。溶融導体が溶融することによって、電流回路の遮断が引き起こされる。溶融
導体に錫の丸薬が設けられていることも多く、これは２３０゜Ｃ以上で溶融し、
溶融導体材料と反応し、その結果、溶融導体の融点を引き下げることになる。

【００１６】 ドイツ連邦共和国特許出願 DE-A1 195 27 997 から公知の従来技術で行われて
いるように負荷に並列にサイリスタを接続することで、溶融導体に対し付加的に
高い電流が加えられる。これによって、付加的に発生する過電流が線路に加わら
なくても、付加的な抵抗損失により溶融導体が溶融して切断することになる。

【００１７】 本発明によるヒューズエレメントは少なくとも部分的に、点弧衝撃により励起
されると自己発熱性の反応を実行する材料によって構成されている。

【００１８】 格別有利であるのは、点弧衝撃を所定の時点および／または所定の状態で供給
できるようにする手段が設けられていることである。好適には、エラー状況が発
生したときにはじめて励起される。種々の状態殊にエラー信号を供給の判定基準
として利用することができ、有利には負荷の過電流監視のための過電流信号、お
よび／または負荷の過剰温度監視のための温度信号、および／または電圧信号お
よび／または衝突信号を利用することができ、これは車両事故発生時に電気的負
荷を車載電源から分離することを目的とする。点弧信号を制御して供給すること
により、正常動作中はヒューズが誤ってトリガされることのないようにされ、こ
れに対しエラー発生時には非常に高速かつ高い信頼性をもってトリガさせること
ができる。

【００１９】 本発明の１つの利点は、設計許容範囲に関して本来のヒューズエレメントに対
してなされる要求を下げることができることである。

【００２０】 さらに別の利点は、ヒューズエレメントの抵抗を下げることができることであ
る。それというのも、溶融導体をトリガするためにヒューズエレメント自体に抵
抗損失を生じさせる必要がないからである。これにより有利には、バッテリから
負荷までの電圧降下が小さくなる。

【００２１】 本発明による大きな利点は、同じヒューズエレメントを用いて様々な特性およ
び／または種々の公称切断電流を作り出すことができることである。ヒューズエ
レメントのトリガ時点は有利には、適切なインテリジェント制御ユニットにより
ダイナミックに変化させることができる。その結果、好適には、電気導体の様々
な負荷のために、たとえばそれぞれ異なる車両やそれらのバリエーションに対し
、同じヒューズエレメントを用いることができることになる。このことで、かな
り画一的な電気的保護装備を種々異なる車両に設けることができ、それによって
製造が非常に簡単になり、コストの利点がもたらされる。

【００２２】 有利な発熱性反応素子はたとえば溶着シートから成り、これは点弧衝撃の作用
によって強い発熱性反応を引き起こし、きわめて短期間に著しく高い温度に到達
する。溶着シートは有利には、非常に薄い一連の金属シートによって構成されて
おり、たとえばアルミニウムシートおよびニッケルシートおよび／または鉄シー
トから成り、それらが交互に上下に積層されている。個々のシートの典型的な層
厚は、いくつかの原子層（Atomlage, Atomic layer）〜１００個の原子層の範囲
にある。適切な点弧衝撃によりトリガされて、金属シートの構成要素が互いに反
応し合い、典型的には数ｍｓで２５゜Ｃ〜１０００゜Ｃ以上まで加熱する。

【００２３】 このような発熱性反応を起こす他の材料の組み合わせも、シート形状または粉
末形状の反応素子として適している。この場合、反応素子によって溶融導体を取
り囲むことができ、たとえば粉末状の反応材料によって溶融導体をカプセル内で
取り囲むこともできるし、あるいはカプセル内で溶融導体の隣りに配置させても
よい。その際、粉末の粒子の大きさは有利にはサブミクロン領域である。

【００２４】 有利な点弧方法は、トランジスタによって、またはコンデンサからの電流パル
スによって反応素子を励起することである。別の有利な点弧方法は、光学的励起
たとえば紫外線放射および／または熱的な外部加熱により反応素子を励起するこ
とである。反応状態に至らせるために、反応素子を局所的に加熱すれば十分であ
る。さらに別の適切な点弧方法は、反応素子をバッテリのイグニッションスパー
クまたはアークに晒すことである。

【００２５】 ここで有利であるのは、反応素子のこのような構成には点弧のための固有の電
流給電を必要とせず、適切な点弧衝撃があればよいことである。さらに有利には
、点弧衝撃を適切な制御により形成および／またはコントロールすることができ
るので、エラー発生時に信頼性が高くかつ高速なトリガを実現することができる
。

【００２６】 図１には本発明による装置が示されている。車載電源におけるバッテリ１によ
り負荷１０が給電される。バッテリ１と負荷１０との間にヒューズエレメントが
配置されており、これは負荷側の端子３、バッテリ側の端子２およびその間に設
けられた溶融導体１２を有している。この場合、溶融導体は全体的に反応素子（
Reaktionselement）によって形成されている。しかし溶融導体を、一部分のみ反
応素子によって形成することもできる。溶融導体１２はコンポーネント７たとえ
ばＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と接続されており、これはソース側でアースと接
続されている。コンポーネント７は制御端子として構成された接触点１３を介し
て、反応素子１２と接続されている。

【００２７】 エラーの発生に依存して制御されるコンポーネント７は、使用される点弧方式
に応じてコンデンサ、熱源、バッテリ、高電圧素子あるいは光源を有することが
でき、これらはエラー発生時にトリガエネルギーを供給したり、あるいは切り替
えたりする。

【００２８】 電流センサ９および評価およびトリガユニット８を用いることで、ヒューズエ
レメント２，３，１２から負荷１０へと導かれる線路１１中の電流を求めること
ができる。評価ユニット８内には、ヒューズエレメントのトリガカーブが格納さ
れている。最も簡単な事例の場合、これをヒューズエレメントの閾値および／ま
たは電流／時間特性とすることができる。

【００２９】 線路１１中の目下の電流値がこのトリガカーブあるいは相応に設定された限界
値を超えると、ユニット８はコンポーネント７をスイッチオンし、その結果、始
動衝撃（Startimpuls）または点弧衝撃（Zuendimpuls）が形成され、溶融導体と
してはたらく反応素子を点弧する。これはその材料による発熱性の温度上昇によ
って非常に高速に加熱して溶融し、これにより電流回路は確実かつ短期間に遮断
される。

【００３０】 この実施例の場合にはエラーが発生すると、スイッチとして用いられるＭＯＳ
ＦＥＴがトリガユニット８により制御されて導通状態におかれ、その結果、エラ
ー電流に加えて短絡電流もヒューズエレメント２，３，１２を通りアースに向か
って流れ、それによりいずれにせよ引き起こされる溶融導体１２の付加的な加熱
によって、溶融導体の発熱性の自己破壊が起きる。

【００３１】 これに加えて、評価ユニット８を衝突センサによって制御させることもできる
。この場合、衝突センサはそれが装備されている車両の事故発生時、たとえば主
安全装置として組み込まれているヒューズエレメント２，３，１２または他のヒ
ューズエレメントをトリガする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 回路の基本原理図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年２月１５日（２０００．２．１５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス シュルツ ドイツ連邦共和国 ウンテレンジンゲン イム フォルナセット （番地なし) Ｆターム(参考） 5G004 AA04 AB02 BA03 BA04 DA05 DC12 EA04 5G502 AA01 AA13 EE06 EE10 FF10 KK02

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 定格電流を超える電流回路の負荷が発生したときに持続的に
   遮断されるヒューズが設けられている、電流回路たとえば自動車内の電流回路の
   ための安全装置において、 ヒューズエレメント（２，３，１２）は、溶融のために設けられた領域に発熱
   性の反応素子（１２）を有することを特徴とする、 電流回路のための安全装置。
2. 【請求項２】 前記反応素子はアルミニウムと鉄を有する、請求項１記載の
   安全装置。
3. 【請求項３】 前記反応素子（１２）はアルミニウムとニッケルを有する、
   請求項１または２記載の安全装置。
4. 【請求項４】 前記反応素子（１２）は粉末である、請求項１，２または３
   記載の安全装置。
5. 【請求項５】 前記反応素子（１２）は溶着シートである、請求項１，２ま
   たは３記載の安全装置。
6. 【請求項６】 前記ヒューズエレメント（２，３，１２）は、その発熱性反
   応素子の領域内に付加的な制御端子（１３）を有する、請求項１〜５のいずれか
   １項記載の安全装置。
7. 【請求項７】 安全装置を流れる電流が測定され、該安全装置は定格電流を
   超える電流負荷のときに切断されて電流回路を持続的に遮断する、たとえば請求
   項１または請求項２〜６のいずれか１項記載の安全装置の作動方法において、 電流回路内でエラー信号が発生したとき、ヒューズエレメント（２，３，１２
   ）の少なくとも溶融導体（１２）に点弧衝撃を加えることを特徴とする、 安全装置の作動方法。
8. 【請求項８】 エラー信号として電流閾値を用いる、請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 評価ユニット（８）に格納されているヒューズエレメントの
   切断特性曲線から前記電流閾値を求める、請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 エラー信号として温度閾値を用いる、請求項７，８または
    ９記載の方法。
11. 【請求項１１】 エラー信号として電圧閾値を用いる、請求項７〜１０のい
    ずれか１項記載の方法。
12. 【請求項１２】 エラー信号として衝突信号を用いる、請求項７〜１１のい
    ずれか１項記載の方法。
13. 【請求項１３】 反応素子（１２）の外部過熱により点弧衝撃を生じさせる
    、請求項７〜１２のいずれか１項記載の方法。
14. 【請求項１４】 反応素子（１２）に対する電流パルスの作用により点弧衝
    撃を生じさせる、請求項７〜１３のいずれか１項記載の方法。
15. 【請求項１５】 反応素子（１２）に対する光パルスの作用により点弧衝撃
    を生じさせる、請求項７〜１４のいずれか１項記載の方法。
16. 【請求項１６】 反応素子（１２）に対するバッテリのイグニッションスパ
    ークの作用により点弧衝撃を生じさせる、請求項７〜１５のいずれか１項記載の
    方法。
17. 【請求項１７】 反応素子（１２）に対するアークの作用により点弧衝撃を
    生じさせる、請求項７〜１６のいずれか１項記載の方法。
18. 【請求項１８】 反応素子（１２）に対するコンデンサのイグニッションア
    ークの作用により点弧衝撃を生じさせる、請求項７〜１７のいずれか１項記載の
    方法。
19. 【請求項１９】 請求項７または請求項８〜１８のいずれか１項記載の方法
    を実施するための回路装置において、 電流源（１）と負荷（１０）との間の線路（１１）にヒューズエレメント（２
    ，３，１２）が直列に接続されており、該ヒューズエレメントは付加的な制御端
    子（１３）を有しており、該制御端子は制御可能なコンポーネント（７）と接続
    されていて、該コンポーネントを介して前記ヒューズエレメント（２，３，１２
    ）へ付加的なエネルギーが加えられることを特徴とする回路装置。