JP2006179842A - 金属酸化物バリスタ故障時の切り離し雷防護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属酸化物バリスタ１の劣化・故障時に短絡電流を安全に遮断し、かつ、金属酸化物バリスタ１が劣化したことで発熱が多大になったことを検知し、金属酸化物バリスタ１を電源回路から切り離す雷防護装置を提供すること。
【解決手段】 金属酸化物バリスタ１の端子に温度ヒューズ機能および電流ヒューズ機能を有する低融点金属合金板２を取り付けること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、耐雷素子の金属酸化物バリスタが劣化したり、短絡故障したときに速やかに電源回路から切り離す雷防護装置に関する。

金属酸化物バリスタは、許容値以上の電圧を連続的に印加すると、電圧制限動作中に自己発熱により温度上昇し、やがて熱劣化して低抵抗化し電気的な短絡状態に至る。この短絡により、電源側の過剰な電流によって金属酸化物バリスタが異常発熱し、発煙や発火が生じることで、プリント基板や周辺に焼損を与える二次障害を引き起こす。
このような危険な障害は、回路電圧に対して不適切なバリスタ電圧の金属酸化物バリスタを使用した場合だけでなく、サージ電流が繰り返されることで金属酸化物バリスタ自体が劣化して、バリスタ電圧が低下し回路電圧が相対的に高くなった場合でも発生することがある。
危険な障害を防止するため、劣化した金属酸化物バリスタを回路から切り離すことを目的とした過熱動作装置たとえば温度ヒューズからなる切り離し装置が用いられていた。

温度ヒューズは金属酸化物バリスタの絶縁部に接触させて配置し、絶縁部を通して伝達される熱により動作する。しかしながら応答が遅いため金属酸化物バリスタ劣化時の高温度の異常発熱が発生し、発熱が持続する危険な状態が避けられない場合があった。

さらに、金属酸化物バリスタを接続した電源回路の電源容量が大きく、金属酸化物バリスタが劣化し瞬間的に回路短絡に至る場合は、バリスタに流れる電流が非常に大きく、本来、短絡遮断能力を有していない温度ヒューズでは安全に短絡電流を遮断できない場合があった。

温度ヒューズの融点を１２０℃以下と低くすることで切り離しを行う方法があったが（例えば特許文献１参照）、バリスタが劣化しないような短時間の過電圧印加による自己発熱でも低融点金属が溶融し、金属酸化物バリスタが劣化していないにも関わらず引き離されてしまうことがあった。とくに他の発熱部品が近くにあるような周囲温度が高い場合に切り離しが起きやすくなる欠点があった。

金属酸化物バリスタの近傍に温度ヒューズを配置する手段については、さまざまであり、バリスタ絶縁部と温度ヒューズの熱伝導的結合は不確かであり、適切な切り離し動作が得られないケースがあった。

温度ヒューズをプリント板にはんだ付けするときには、はんだ付け温度条件によって、温度ヒューズが劣化することを防ぐために、放熱のためにクリップ等で温度ヒューズの端子根元をはさみこむなどの手間がかかる欠点があった。
特開２００３−１９７０８０号公報

従来の温度ヒューズによる金属酸化物バリスタの切り離し方法においては、金属酸化物バリスタ故障時に安全に短絡電流を遮断できない、または、熱伝導結合の不確実さで速やかな切り離しができない、さらに、金属酸化物バリスタが劣化していないにも関わらず引き離されてしまう等の課題があった。
そこで、本発明は、金属酸化物バリスタ故障時に短絡電流を安全に遮断し、かつ、金属酸化物バリスタが劣化したことで発熱が多大になったことを検知し、金属酸化物バリスタを速やかに確実に切り離す手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係わる金属酸化物バリスタ故障時切り離し雷防護装置は、金属酸化物バリスタの故障時に安全に短絡電流を遮断でき、かつ、金属酸化物バリスタの劣化時に異常発熱を一定値以上の温度で検知し、金属酸化物バリスタを切り離す方法であって、金属酸化物バリスタの一方の端子に電流ヒューズ機能と温度ヒューズ機能を併せ持つ低融点金属合金板を電気機械的に接続して、金属酸化物バリスタの故障・劣化時に、低融点金属合金板が電流ヒューズ、または、温度ヒューズとして動作することで故障・劣化した金属酸化物バリスタを電源回路から引き離すものである。

本発明は、次のような著大な効果を奏する。
本発明に係わる金属酸化物バリスタ故障時切り離し装置によれば、金属酸化物バリスタが劣化してから温度ヒューズ機能が動作するので、金属酸化物バリスタ単体と同じ程度の装置寿命を期待でき、金属酸化物バリスタが劣化しないにもかかわらず切り離すことはない。

さらに、低融点金属合金板を機械的電気的熱的に金属酸化物バリスタの一方の端子の定位置に結合したことで、金属酸化物バリスタが徐々に劣化すると、発熱が伝導し、一定温度以上で速やかに確実に定時間で温度ヒューズ機能が動作し、電源回路から切り離しができる。

また、金属酸化物バリスタが瞬時に故障短絡に到る場合には、低融点金属合金板の電流ヒューズ機能により短絡電流を遮断し、発煙発火や焼損などの２次障害を防ぐことができ安全である。

かつ、定格をはるかに越える大きな誘導雷サージが金属酸化物バリスタに加わると金属酸化物バリスタは故障に到るが、同時に低融点金属合金板が電流ヒューズとして遮断し、故障した金属酸化物バリスタを電源回路から切り離すことができる。

なお、金属酸化物バリスタが耐えることのできる誘導雷サージでは、低融点金属合金板は充分な耐サージ性を有するので電流ヒューズ動作をしない。

また、従来は金属酸化物バリスタと温度ヒューズとのふたつの部品であったが、本装置によりひとつにまとめ一体化したことから、温度ヒューズ選定に関する回路設計と実装を省力化できる。

また、温度ヒューズをプリント板にはんだ付けする場合には、温度ヒューズ端子をクリップでつまむなどの放熱を必要としたが、本装置ではその必要がなく、簡便にプリント板へのはんだ付けができる。

以下、図１と図２をもって本発明の雷防護装置を説明する。１は、金属酸化物バリスタであり、その片側の端子１ｂに低融点金属合金板２を電気的機械的に接続し、低融点金属合金板のもう一方の終端を電極端子３に電気的機械的に接続する。金属酸化物バリスタ１および低融点金属合金板２、および電極端子３を絶縁性樹脂ケース４に配置し、同じく絶縁性樹脂のカバー５を嵌め合わせ密閉することで、金属酸化物バリスタの故障・劣化時に、低融点金属合金板２が温度ヒューズないし電流ヒューズの機能動作を行い、金属酸化物バリスタ１を電源回路から引き離す手段を設ける。

金属酸化物バリスタ１としては電子機器用避雷素子の円盤状酸化亜鉛バリスタのもので、直径１０ないし１４ｍｍ、サージ耐量１，２５０ないし２，５００Ａ（サージ波形８×２０μｓｅｃ）のものが使われる。

低融点金属合金板２は融点が２１７℃以上、２４３℃以下であり、フラックス６を塗布してある。

低融点金属合金板２の形状は温度ヒューズ機能と電流ヒューズ機能を合わせ持つものであれば、どのような形でも良いが、例えば断面寸法の精度が出て簡単に成型ができる図３に示す平板状が適当である。その電流ヒューズ機能としてのサージ耐量が金属酸化物バリスタ１のサージ耐量１，２５０ないし２，５００Ａ（サージ波形８×２０μｓｅｃ）とほぼ等しくなる断面積を持つもので０．３ｍｍ^２以下である。

低融点金属合金板２の終端が接続された電極端子３はケース内壁に接触しており、プリント板半田付け時の熱を放散することで、クリップで挟むなどの作業が必要ではなくなり、作業性が良くなる。

金属酸化物バリスタ１の片側の端子から電極端子３までに接続された低融点金属合金板の長さｘは５ｍｍ以上であり、短絡遮断後の絶縁を確保できる。

以上の雷防護装置において内蔵の金属酸化物バリスタ１が劣化すると、実質のバリスタ電圧が低下して電源回路電圧により自己発熱を続け、金属酸化物バリスタ端子１ｂから低融点金属合金板２へ熱が伝わる。端子１ｂと低融点金属合金板２の接続部の温度が低融点金属合金板２の融点を超えると低融点金属合金板２が溶融し、フラックス６の働きにより、表面張力が発揮され、球状化溶断して、金属酸化物バリスタ１を電源回路から引き離すことで、金属酸化物バリスタ１の発火発煙を防ぐことができる。

同じく雷防護装置に金属酸化物バリスタ１のサージ耐量以上のサージが印加され、金属酸化物バリスタ１が劣化し低抵抗化し、短絡電流が流れると低融点金属合金板２は電流ヒューズとして遮断し、金属酸化物バリスタ１を電源回路から切り離して、金属酸化物バリスタ１の発火発煙を防ぎ、かつ、電源回路の短絡事故を防止できる。

従来は図４のように金属酸化物バリスタ１と温度ヒューズ８のふたつの部品をプリント板へ配置しており、回路図は図６で示される。本発明装置は図２のようにそれらを組合せてひとつとしたことから、金属酸化物バリスタ１と温度ヒューズ８の配置を設計する必要が無く、プリント板装着が簡単になる。回路図は図５で示される。
また、金属酸化物バリスタ端子１ｂと低融点金属合金板２は図１の接続位置ｙに固定されるので、切り離し動作が確実に行える。

さらに絶縁性樹脂ケース４および絶縁性樹脂カバー５を透明樹脂とすることで、低融点金属合金板２の溶断ないし遮断による切り離し動作を目視で確認できる。

図１において低融点金属合金板２はＡｇ・Ｓｎ合金（融点２２０℃）を用いる。金属酸化物バリスタ１の片側の端子１ｂと低融点金属合金板２の接続および電極端子３と低融点金属合金板２の接続は交流スポット溶接法で容易にできる。この電極端子３は円形断面を有する棒状が良い。その後、耐熱性樹脂ケース４に格納し、低融点金属合金板２にフラックス６を塗布した後、耐熱性透明樹脂カバー５を接着し、密閉する。

金属酸化物バリスタ１を許容値以上の電圧を連続的に印加すると故障し、発煙発火に到るが、温度ヒューズ８を金属酸化物バリスタ１の絶縁部に接触させて配置する従来の方法では短絡故障後、約１３秒で温度ヒューズ８が動作し、その間、発煙があり、金属酸化物バリスタ１の表面絶縁物が焼け焦げていた。本雷防護装置では、短絡故障後、約１．３秒と速やかに金属酸化物バリスタ１を切り離すことができ、わずかな発煙でおさえることができる。

定格サージ電流耐量が１，５００Ａの金属酸化物バリスタ１（直径１０ｍｍ，サージ波形８×２０μｓｅｃ）のものに、耐量を越える２，５００Ａサージ電流を１回加えても金属酸化物バリスタ１は劣化しない。この時、雷防護装置の低融点金属合金板２は遮断しない。次に５，０００Ａのサージ電流を１回加えると金属酸化物バリスタ１は故障し、短絡状態となるが、雷防護装置の低融点金属合金板２が電流ヒューズとして動作し、金属酸化物バリスタ１を回路から切り離すことで金属酸化物バリスタ１の短絡故障時の２次障害を防ぐことができる。

金属酸化物バリスタ１はプリント板において周辺に発熱する部品が配置される高密度実装の中で、高温の下におかれることがある。従来の融点１２０℃以下の切り離し方法においては、周囲温度６０℃と高い周囲温度では、正常な金属酸化物バリスタ１の自己発熱でも雷防護装置が動作することがあった。本発明では周囲温度６０℃と高くても、低融点金属合金板２の融点が２２０℃と大きいことから、通常使用での切り離し動作は発生せず、高密度実装での使用が可能である。

本発明の雷防護装置の縦断面図である。 本発明の雷防護装置のプリント板実装時の外観図である。 低融点金属合金板の実施例である。 従来の実施形態の外観である。 本発明の雷防護装置の回路図である。 従来の実施形態の回路図である。

符号の説明

１ 金属酸化物バリスタ
２ 低融点金属合金板
３ 電極端子
４ 絶縁性樹脂ケース
５ 絶縁性樹脂カバー
６ フラックス
７ プリント板
８ 温度ヒューズ

Claims (2)

1. 耐雷素子の金属酸化物バリスタ（１）とその近傍に配置し、電気的に接続された温度ヒューズ（８）を有する金属酸化物バリスタの故障時に電源回路より切り離す方法において、金属酸化物バリスタの一方の端子（１ｂ）と電極端子（３）に温度ヒューズ機能および電流ヒューズ機能を有する低融点金属合金板（２）を電気的機械的に接続し、それらを耐熱性樹脂（４）（５）により覆うことを特徴とする金属酸化物バリスタ故障時切り離し手段を有する装置。
2. 低融点金属合金板（２）は融点が２１７℃以上、２４３℃以下であり、そのサージ耐量が金属酸化物バリスタの波頭長８μｓ、波尾長２０μｓのサージ耐量とほぼ等しく、その断面積Ｓが０．３ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１記載の金属酸化物バリスタ故障時切り離し装置。

Images