JP2006196902A - Ｐｔｃ限流器 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流や短絡電流の制限のときに生成されるアークを有効に抑制し電極間のフラッシュオーバーを防止して、低圧系統だけでなく高圧系統においても使用可能なＰＴＣ限流器を提供することを目的とする。
【解決手段】ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するＰＴＣ限流器であって、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられた絶縁物からなるモールド部とを含み、上記モールド部は、弾性材質の絶縁物、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つの絶縁物からなるＰＴＣ限流器を採用した。
【選択図】図２

Description

本発明はＰＴＣ限流器に関するものであって、より詳しくは、ＰＴＣ素子と接触電極間に発生するアーク及び接触電極間のフラッシュオーバー（ｆｌａｓｈｏｖｅｒ）が防止できるＰＴＣ限流器に関する。

一般に、低圧、高圧系統の短絡電流に対する対策として、遮断機が広く用いられている。現在広く用いられている電気の周波数は６０Ｈｚであり、その一位相を秒単位で換算すると１６．７ｍｓになる。これを１サイクルと定義するとき、従来の遮断機は、遮断時間が数サイクル以上に長くかかり予想事故電流値に対する限流機能がないため事故波及効果の持続時間が相対的に長い。また、短絡電流遮断の失敗のときは、周辺の電力機器及び電力系統に与える影響がかなり大きい。従って、短時間内に系統の短絡電流を有効に制限できる限流技術に対する要求が益々高くなっている。

上記のような限流技術の中には、代表的に限流器があるが、限流器とは、電力系統で発生する過電流及び短絡電流を制限し遮断するものであって、一般に、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子を用いてその機能を達成することができる。

ＰＴＣ特性を有する物質は常温においては相対的に抵抗が低くて電流をよく通過させる。しかし、周囲の温度が上昇したり許容値以上の電流が流入されて自体的に発熱する場合、抵抗が数百倍或いはそれ以上に急激に上昇するようになるので電流を制限することができる。従って、これを用いて回路素子を構成する場合、温度上昇のとき各種の回路を保護することができる。

これと関連して、日本特許公開平１０‐３２１４１３号には、ＰＴＣ素子を用いた限流器が開示されている。この技術を示した図１を参照すると、従来のＰＴＣ素子を用いた限流器は、導電性粒子が混入されてＰＴＣ特性を有するＰＴＣポリマー素子１、ＰＴＣポリマー素子１の両方の表面に溶着されて配置される第１電極２、３及び第１電極２、３の表面に電気的に接続された状態で配置される第２電極４、５から構成されている。

このとき、上記限流器はＰＴＣポリマー素子１の表面積が第１電極２、３の表面積より大きく、第１電極２、３の表面積は第２電極４、５の表面積より大きいか同じであるという条件を有する。このような構造にすることによって第１電極２、３の両端で発生する内部短絡事故を防止することができて、限流器の動作前後での限流器の抵抗の変化を小さくして大きい負荷電流を通電させることができる。また、ＰＴＣポリマー素子１の周囲に絶縁部材からなる枠６、７を設けて絶縁距離を長くすることによって第１電極２、３と第２電極４、５間のフラッシュオーバーを防止することができる。

しかし、従来技術による限流器を実際に１００Ｖ以上、１０ｋＡ以上の短絡電流の制限用途として用いる場合、ＰＴＣポリマー素子１とこれに接触されている第１電極２、３間には両者の熱容量の差により発生抵抗の時間差と非線形性が存在する。従って、ＰＴＣポリマー素子１と第１電極２、３の接触界面から相当な抵抗が、ＰＴＣポリマー素子１の発熱による抵抗より先に発生するようになる。これによって、熱ストレスが集中するようになりＰＴＣ素子１と第１電極２、３間の界面でアークが発生し、これとともに相当な騒音も発生するようになる。このようなアークはＰＴＣポリマー素子１を分解させ炭化させて結局絶縁破壊を引き起こす。また、このようなアークとＰＴＣポリマー１素子自体の発熱によってＰＴＣ物質が溶融及び気化されてＰＴＣポリマー素子１の厚さは持続的に薄くなって第１電極２、３がＰＴＣポリマー素子１の内部に含浸されてしまう。

これによって、上記従来技術による限流器は第１及び第２電極２、３、４、５の表面積を調節する加圧構造を用いて接圧力を増加させようとするが、実際のＰＴＣポリマー素子１と界面で発生する抵抗の時間差と電子反発力によるアーク発生は不可避であり、発生したアークによる限流特性の低下及び電極間のフラッシュオーバーを回避することは容易ではない。

また、従来技術が提示しているＰＴＣポリマー素子１の周辺の両端に設けられる絶縁部材からなる枠６、７は絶縁距離の確保という側面においては肯定的であるが、ＰＴＣポリマー素子１と第１電極２、３で発生するアークは源泉的に除去できなく、遮断のとき発生する騒音緩和も期待し難い。

上記のような理由により既存の限流器は低電流領域においては、無騒音、無アークの電流制限が可能であるが、高電流大容量の構造においてはアーク発生が不可避でありアークによりＰＴＣ素子の劣化及び寿命の減縮をもたらす問題点がある。

特開平１０−３２１４１３号公報

本発明は上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、過電流や短絡電流の制限のときに生成されるアークを有効に抑制し電極間のフラッシュオーバーを防止して、低圧系統だけでなく高圧系統においても使用可能なＰＴＣ限流器の提供をその目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によるＰＴＣ限流器は、ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するＰＴＣ限流器として、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられた絶縁物からなるモールド部とを含む。ここで、上記モールド部は、弾性材質の絶縁物、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つの絶縁物からなる。

そして、望ましくは、上記モールド部は１０^３Ωないし１０^２０Ωの絶縁抵抗を有し、５％以上の延伸率を有する熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂からなる。

また、上記弾性材質の絶縁物はシリコーン樹脂またはポリウレタン樹脂からなることが望ましい。

さらに、上記電極部は、上記ＰＴＣ素子に接触する接触電極と、上記接触電極と連結されて接触電極を外部回路と通電させる電流リードとを含み、上記モールド部は上記接触電極の全部及び上記電流リードの一部を包むことが望ましい。

ひいては、上記ＰＴＣ素子は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、エポキシ（ＥＰＯＸＹ）、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及びポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群より選択される一つ以上のポリマーと、カーボン、金属及び金属酸化物からなる群より選択される一つ以上の電導性粒子と、酸化防止剤とを含むことができる。

また、望ましくは、上記ＰＴＣ素子及び電極部と上記モールド部間の界面に介在されたコーティング層をさらに含む。

そして、上記モールド部には、上記ＰＴＣ素子と外部とを連通するガス排気口が形成されていることが望ましい。

さらに、上記モールド部の外部表面を包むケースをさらに含むとより好ましい。

このＰＴＣ素子は、上記電極部をＰＴＣ素子の方に加圧する加圧手段をさらに含むことができて、上記加圧手段の加圧力は大気圧（１ｂａｒ）以上にすることが望ましい。

このとき、上記加圧手段は、上記モールド部を受容するハウジングと、上記モールド部をＰＴＣ素子側に加圧できるように上記ハウジングの内側面に支持されて付勢された弾性部材とを含む。

代案として、上記加圧手段は、上記モールド部を間に介在して配置された一対のプレートと、上記一対のプレートを相互締結して固定させる締結部材とが含まれる構成とすることができる。そして、上記モールド部の少なくとも一面をＰＴＣ素子側に加圧できるように上記プレートの内側面に支持されて付勢された弾性部材をさらに含むと、より効果的である。

また、本発明に係るＰＴＣ限流器は、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられた流動性絶縁物からなる第１絶縁体と、上記第１絶縁体を包むように設けられた第２絶縁体を備えるモールド部とを含むことを特徴としている。

望ましくは、上記流動性絶縁物は、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つである。また、上記流動性絶縁物が真空からなる場合、上記第１絶縁体は１０^−３ｔｏｒｒ以上の真空度を有することが望ましく、上記流動性絶縁物がガスからなる場合、上記第１絶縁体は１ｂａｒ以上のＳＦ_６、Ｎ_２またはこれらの混合ガスであることが望ましくて、上記流動性絶縁物がオイルからなる場合、上記第１絶縁体は冷却性能を有する絶縁油であることが望ましい。

また、望ましくは、上記電極部は、上記ＰＴＣ素子に接触する接触電極と、上記接触電極と連結されて接触電極を外部回路と通電させる電流リードとを含み、上記モールド部は上記接触電極の全部及び上記電流リードの一部を包むように構成される。

そして上記ＰＴＣ素子は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、エポキシ（ＥＰＯＸＹ）、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及びポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群より選択される一つ以上のポリマーと、カーボン、金属及び金属酸化物からなる群より選択される一つ以上の電導性粒子と、酸化防止剤とを含むことが望ましい。

或いは、本発明に係るＰＴＣ限流器は、ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するＰＴＣ限流器において、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられ、弾性材質の絶縁物、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つの絶縁物からなるモールド部とを含むことを特徴としている。

本発明に係るＰＴＣ源流器は、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、少なくとも上記ＰＴＣ素子と上記電極部間の界面部位を包むようにＰＴＣ素子及び電極部の周辺に設けられ、弾性材質の絶縁物からなるモールド部とを含み、ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するので、過電流や短絡電流の制限のとき、ＰＴＣ素子と接触電極間に生成されるアークを有効に抑制し除去して、電極間のフラッシュオーバーを防止できる。即ち、ＰＴＣ素子を直接包むように構成されたモールド部がＰＴＣ素子の限流動作のときＰＴＣ素子と接触電極との界面で発生する瞬間衝撃エネルギーと初期アークを瞬時吸収してこれを消滅させるのである。

そして、フラッシュオーバーが起こらない絶縁距離を確保することが重要であるが、本発明に係るＰＴＣ限流器の電極部には、ＰＴＣ素子に接触する接触電極と、この接触電極と連結されて接触電極を外部回路と通電させる電流リードとを含み、モールド部がＰＴＣ素子と接触電極の全部及び電流リードの一部を包むように構成されることにより、ＰＴＣ素子の両端に十分な絶縁距離を確保する。従って、接触電極の周辺に相当な絶縁耐力を確保することができてフラッシュオーバーを防止することができる。

また、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられた流動性絶縁物からなる第１絶縁体と、上記第１絶縁体を包むように設けられた第２絶縁体を備えるモールド部とを含む構成のＰＴＣ限流器の場合、第１絶縁体がアーク発生及びフラッシュオーバーを防止する機能がさらに有効に発揮させることができる。さらに、第１絶縁体はＰＴＣ素子を直接包むように構成されてＰＴＣ素子と接触電極間に発生するアーク及び騒音を除去する。即ち、第１絶縁体はＰＴＣ素子の動作のとき、ＰＴＣ素子と接触電極の界面で発生する瞬間衝撃エネルギーと初期アークを瞬時吸収してこれを消滅させることができ、アークと騒音がほとんど発生しない。

以上での説明のように、本発明によるＰＴＣ限流器は、過電流や短絡電流の制限のとき、ＰＴＣ素子と接触電極間に生成されるアークを有効に抑制し除去して、電極間のフラッシュオーバーを防止する。従って、ＰＴＣ素子の磨耗を防止しＰＴＣ限流器の寿命をより延長させ得る。また、本発明によるＰＴＣ限流器は低圧系統にだけでなく高圧系統においてもより信頼性の高い限流作用をすることができる。これによって、過電流や短絡電流を制限するときに生成されるアークを有効に抑制して、電極間のフラッシュオーバーを防止することができる。

以下、添付された図面を参照しながら本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に用いられる用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけなく、発明者は自分の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に基づいて本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されるべきである。従って、本明細書に記載された実施形態と図面とに示された構成は本発明の最も望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

［第１実施形態］
図２は、本発明の第１実施形態によるＰＴＣ限流器を示す断面図である。図２を参照すると、本実施形態によるＰＴＣ限流器は、ＰＴＣ素子１１０と、ＰＴＣ素子１１０を間に介在して配置された一対の電極部１２０、１３０と、ＰＴＣ素子１１０と電極部１２０、１３０との周辺に設けられたモールド部１４０とを含む。

ＰＴＣ素子１１０は上述したように、周囲温度の上昇につれて特定温度値で電気抵抗が急激に上昇して電力系統で過電流を抑制する素子である。

ＰＴＣ素子１１０は制限しようとする電流値によってその物性が異なるが、本実施形態においては、２５℃で比抵抗が１００Ωｍ以下であり、電流供給によるジュール（Ｊｏｕｌｅ）熱が発生するスイッチング温度においての比抵抗は上記２５℃比抵抗の１０^５倍以上に上昇することが望ましい。また、ＰＴＣ素子１１０は、電気的及び熱的安定性を保ちながら交流１００Ｖ以上の電圧に耐えられ、１ｃｍ当り３０ｋＶ以上の過電圧を印加するとき、フラッシュオーバーが発生しないように設計される必要がある。同時に、ＰＴＣ素子１１０は回路に投入されたとき、常時電流、例えば、１Ａ前後の電流の通電ができるように、１Ａ前後の電流の通電のときトリップされないようにすべきである。また、正常運転電流の１０倍以上の過電流が通電のとき１／２サイクル（１サイクルは１６．７ｍｓ）以内に抵抗の上昇が起こり過電流を制限し短絡電流の大きさが大きくなるほど動作時間が速くなる特徴を有し、上記過電流の制限動作以後の数分以内に以前の状態に還元できるように作製されることが望ましい。

望ましくは、上記ＰＴＣ素子１１０は板状構造であり、その形態は円形、楕円形、または多角形などに構成され得る。また、その面積と厚さとはＰＴＣ素子１１０の使用条件、即ち、常時電流、制限しようとする過電流、動作時間などの要因を考慮して設計されることが望ましい。

ＰＴＣ素子１１０はＰＴＣ特性を有するポリマーから構成されることが望ましい。ＰＴＣポリマーは、アモルファス領域（ａｒｍｏｐｈｏｕｓ ａｒｅａ）と結晶領域（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｒｅａ）とが存在する結晶質または半結晶質の重合体に電導性粒子が含浸された構成を有する。このようなＰＴＣポリマーに一定値以上の電流が供給されてジュール熱が発生すればＰＴＣポリマーは常温状態から高温状態に変化するようになる。温度上昇により上記重合体は結晶領域がアモルファス状態になりながら体積膨脹を伴うようになるが、このとき電導性粒子の位置が移動され連結状態が散発的に途切れて素子の全体抵抗が急激に上昇するようになる。

上記ポリマーは、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、エポキシ（ＥＰＯＸＹ）、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及びポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群より選択された何れか一つ以上のポリマーにすることができる。また、上記電導性粒子は、カーボン、金属及び金属酸化物（ＴｉＢ_２）からなる群より選択される何れか一つ以上の物質にすることができる。

また、ＰＴＣポリマーの酸化を防止するために酸化防止剤をさらに追加することができる。ひいては、上記ＰＴＣポリマーには無機添加剤をさらに追加して常温での低抵抗特性及び高温での高抵抗特性をより向上させることができる。

上記電極部１２０、１３０は、ＰＴＣ素子１１０に接触する接触電極１２１、１３１及び接触電極１２１、１３１を外部回路に通電させる電流リード１２２、１３２を含む。

接触電極１２１、１３１は、銅箔またはその他の金属系列素子から構成され得る。また、接触電極１２１、１３１は、例えば、ラミネーションまたはフリーコンタクト（ｆｒｅｅ ｃｏｎｔａｃｔ）方式などのなるべく接触抵抗を減らす形態でＰＴＣ素子１１０の両面に付着される。

接触電極１２１、１３１の接触面積は、ＰＴＣ素子１１０の面積及び厚さを考慮してＰＴＣ素子１１０の動作するとき、接触電極１２１、１３１間フラッシュオーバーが生じないように決定されることが望ましい。

電流リード１２２、１３２は、接触電極１２１、１３１と連結されて接触電極１２１、１３１を電力系統と通電させる。より詳しくは、電流リード１２２、１３２は一端が接触電極に電気的に連結され他端は外部回路と連結されるように延長形成される。また、電流リード１２２、１３２は金属系物質を用いて作製されて、系統電流の通電容量に合う断面積と厚さを有することが望ましい。

さらに望ましくは、上記限流器は接触電極１２１、１３１と電流リード１２２、１３２間に介在される連結電極（図示せず）が設けられる。上記連結電極は相対的に抵抗が小さい金、銀などの金属から構成されて電力系統から限流器への電流通電をさらに円滑にする。

上記モールド部１４０は、ＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１間の界面部位を包むように構成される。即ち、ＰＴＣ素子１１０、接触電極１２１、１３１及び電流リード１２２、１３２の周辺にモールドされる。モールド部１４０は弾性を有する絶縁物からなる。望ましくは、モールド部１４０は十分な絶縁耐力を提供するために１０^３Ωないし１０^２０Ωの絶縁抵抗を有するようにする。また、電流制限のとき発生する瞬間衝撃に伸縮的に対応してモールド部１４０が破壊されることを防止するため、最少限５％以上の延伸率を有するように構成することが望ましい。このようなモールド部１４０は熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂からなるが、例えば、シリコーン樹脂、ポリウレタンなどが採択され得る。しかし、本発明がこれに限定されるのではない。

過電流によってＰＴＣ素子１１０が動作すれば、接触電極１２１、１３１との界面ではアークが瞬時発生し、アークによりＰＴＣ素子１１０の特性が劣化され焼損される恐れがある。そして、アーク発生が反復されればＰＴＣ素子１１０の性能はさらに低下して使用できなくなる可能性もある。しかし、本発明においては、ＰＴＣ素子１１０を直接包むように構成されたモールド部１４０がＰＴＣ素子１１０の限流動作のときＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１との界面で発生する瞬間衝撃エネルギーと初期アークを瞬時吸収してこれを消滅させる。

また、ＰＴＣ素子１１０の電流制限動作のとき、両端の接触電極１２１、１３１とＰＴＣ素子１１０との界面間に発生するアークは、ＰＴＣ素子１１０を飛び越えて両端の接触電極１２１、１３１間でフラッシュオーバーを誘発できる。従って、フラッシュオーバーが起こらない絶縁距離を確保することが重要である。本発明においては、モールド部１４０がＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１の全部及び電流リード１２２、１３２の一部を包むように構成されてＰＴＣ素子１１０の両端に十分な絶縁距離を確保する。即ち、接触電極１２１、１３１の周辺に相当な絶縁耐力を確保することができてフラッシュオーバーを防止することができる。

ひいては、モールド部１４０はＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１間に完全に接触できない空間を気密することによって接触抵抗特性を向上させ得る。

望ましくは、本実施形態によるＰＴＣ限流器は、ＰＴＣ素子１１０及び電極部１２０、１３０とモールド部１４０との間の界面に介在されるコーティング層１５０をさらに含む。コーティング層１５０はモールド部１４０とＰＴＣ素子１１０との間、モールド部１４０と電極部１２０、１３０との間の界面接合性を向上させるために付加するものであって、例えば、シリコーン樹脂、ポリウレタンまたはエポキシ樹脂が採択され得る。しかし、本発明がこれに限定されるのではない。

本実施形態によるＰＴＣ限流器は本発明の目的範囲内で、モールド部の形態を多様に変形できるが、その一例が図３に示されている。図３を参照すると、本変形例によるＰＴＣ限流器のモールド部１４１は、ＰＴＣ限流器１１０を包むがその周りの面が露出するように構成することができる。

また、図４及び図５は、本実施形態によるＰＴＣ限流器の他の変更例を示す断面図である。図４及び図５において、以前の図面と同一の部材番号は同一の機能をする同一の部材を指すので、その詳細な説明は省略する。

まず、図４を参照すると、本変更例によるＰＴＣ限流器のモールド部１４２にはガス排気口１６１、１６２が形成されている。ＰＴＣ限流器が限流作用をするとき、ＰＴＣ素子１１０は分解されてガスが発生する場合がある。このような分解ガスには、炭化された導電性金属粒子が含まれており上記導電性金属粒子がＰＴＣ素子１１０に吸着されると炭化された導電路を形成し絶縁に悪い影響を与える。また、限流作用のとき、分解ガスが瞬時発生する場合、分解ガスによる内部の圧力が上昇するようになって弾性を有するモールド部１４０が過大膨張する恐れがある。このときモールド部１４２に形成されたガス排気口１６１、１６２はＰＴＣ素子１１０の分解ガスを外部に排出することができて上記のような問題点を解決する。このようなガス排気口１６１、１６２はＰＴＣ素子の分解ガスがより有効に排出できるように少なくとも一つ以上が設けられる。

一方、図５を参照すると、本変更例によるＰＴＣ限流器は、モールド部１４０を受容するように設けられたケース１７０をさらに含む。ケース１７０はモールド部１４０の構造を支持して、限流作用のとき、モールド部１４０の過度な膨脹を抑える。また、外部環境、即ち、光、湿気、汚染源などからモールド部１４０を保護する。

このようなケース１７０は、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはベークライト（ｂａｋｅｌｉｔｅ）などの絶縁性を有した物質から構成され得る。しかし、本発明はこれに限定されなく本発明の目的を達成するための範囲内で当業者により多様に変形されて採用されることができる。

この他のＰＴＣ限流器の例として、ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に絶縁物からなるモールド部とが設けられる構成が挙げられる。ここで、上記モールド部は、弾性材質の絶縁物、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つの絶縁物からなる。

［第２実施形態］
図６には、本発明の第２実施形態によるＰＴＣ限流器が示されている。図６において、以前の図面と同一の部材番号は同一の機能をする同一の部材を指すので、その詳細な説明は省略する。

図６を参照すると、本実施形態によるＰＴＣ限流器は、電極部１２０、１３０をＰＴＣ素子１１０側に加圧する加圧手段をさらに含む。上記加圧手段はハウジング６１０及び弾性部材６２０、６３０を含む。

ハウジング６１０はモールド部１４０を受容することによって、ＰＴＣ素子１１０、接触電極１２１、１３１の全部を受容し、電流リード１２２、１３２の一部を受容する。電流リード１２２、１３２の一部はハウジング６１０を貫通して外部に延長されて電力系統と連結される。

弾性部材６２０、６３０は上記ハウジング６１０の内側面に支持されて、電流リード１２２、１３２の外周部を包むように構成され、モールド部１４０を加圧することによって電流リード１２２、１３２を接触電極１２１、１３１側に加圧する。これによって接触電極１２１、１３１をＰＴＣ素子１１０側に加圧する。望ましくは、弾性部材６２０、６３０は一対の電流リード１２２、１３２のうち一方または両方の電流リードの方に設けられることができる。

一方、弾性部材６２０、６３０の加圧力は短絡事故のとき発生する電子反発力によるＰＴＣ素子１１０及び接触電極１２１、１３１の界面分離に対応するために、最少限大気圧（１ｂａｒ）以上を有するように設計されることが望ましい。また、反復的な限流作用によりＰＴＣ素子１１０の厚さが１／２に減少したときにも１ｂａｒ以上の加圧力を保つことができるようにすることが望ましい。

弾性部材６２０、６３０は、例えば、電流リード１２２及び／または１３２の外周面を包むように設けられたコイルスプリングから構成され得る。しかし、本発明はこれに限定されなく本発明の目的を達成するための範囲内で当業者により多様に変形されて採用することができる。

図７には、本実施形態によるＰＴＣ限流器の変更例が示されている。図７において、以前の図面と同一の部材番号は同一の機能をする同一の部材を指すので、その詳細な説明は省略する。

図７を参照すると、本変更例によるＰＴＣ限流器の加圧手段は、上部及び下部プレート７１０、７２０と、上部及び下部プレート７１０、７２０を連結する締結部材とを含む。

上部及び下部プレート７１０、７２０間には、ＰＴＣ素子１１０と、接触電極１２１、１３１と、電流リード１２２、１３２とが配置されて、電流リード１２２、１３２が外部回路と連結されるようにその中心部に貫通孔７２１を備える。

上部及び下部プレート７１０、７２０の周辺には、締結孔７１１、７１２が備えられて締結部材が締結孔７１１、７１２を通して上部及び下部プレート７１０、７２０を相互固定させる。具体的に、締結孔７１１、７１２にはボルト７３０が貫通されナット７４０がボルト７３０に締結されて上部及び下部プレート７１０、７２０を相互固定する。

望ましくは、上記加圧手段は、電流リード１２２、１３２を包むように設けられた弾性部材６２０、６３０をさらに含む。弾性部材６２０、６３０は上記プレート７１０、７２０の内側面に支持され、電流リード１２２、１３２の外周面に沿って圧縮されて付勢される。これによって、モールド部１４０を加圧することによって接触電極１２１、１３１がＰＴＣ素子１１０を加圧するようになる。弾性部材６２０、６３０の加圧力は前述した実施形態と実質的に同一である。

一方、図７において、弾性部材６２０、６３０は、電流リード１２２、１３２の両方に配置されているが、必要によって電流リードの一方のみにも配置できる。

また、図６及び図７において、加圧手段は図２に示したようなモールド部１４０を有するＰＴＣ限流器に対して適用されるものとして示されているが、モールド部の構造が異なる図３ないし図５に示されたＰＴＣ限流器に対しても同一に加圧手段を適用できることは言うまでもない。

上述した実施形態においては、加圧手段の構成が具体的に開示されたが、本発明はこれに限定されず、上記電極部１２０、１３０をＰＴＣ素子１１０の方に加圧できる加圧手段の多様な変更例が採用可能であると理解すべきである。

［第３実施形態］
図８は、本発明の第３実施形態によるＰＴＣ限流器が示されている。図８において、以前の図面と同一の部材番号は同一の機能をする同一の部材を指すので、その詳細な説明は省略する。

図８を参照すると、本実施形態によるＰＴＣ限流器は、図２に示された第１実施形態のＰＴＣ限流器とモールド部の構造が異なる。即ち、本実施形態のモールド部の流動性絶縁物からなる第１絶縁体１８０及び第１絶縁体１８０を包むように設けられた第２絶縁体１９０を含む。

第１絶縁体１８０は、ＰＴＣ素子１１０、接触電極１２１、１３１の全部及び電流リード１２２、１３２の一部または全部を包むように構成され得る。これによって、第１絶縁体１８０がアーク発生及びフラッシュオーバーを防止する機能がさらに有効に発揮することができる。

第１絶縁体１８０はＰＴＣ素子１１０を直接包むように構成されてＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１間に発生するアーク及び騒音を除去する。即ち、第１絶縁体１８０はＰＴＣ素子１１０の動作のとき、ＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１の界面で発生する瞬間衝撃エネルギーと初期アークを瞬時吸収してこれを消滅させる。従って、アークと騒音がほとんど発生しない。また、流動性絶縁物から構成されるため、ＰＴＣ素子１１０と接触電極１２１、１３１間に完全に接触できない空間を気密させることができることによってアークの発生を低下させる。

また、第１絶縁体１８０は両端の接触電極１２１、１３１間の絶縁距離を確保する。上述したように、ＰＴＣ素子１１０の電流制限動作のとき、両端の接触電極１２１、１３１とＰＴＣ素子１１０との界面にはアークが瞬時発生するが、上記アークが抑制できなければＰＴＣ素子１１０を飛び越えて両端の接触電極１２１、１３１間でフラッシュオーバーが起こるようになる。従って、フラッシュオーバーが起こらない絶縁距離を確保することが重要であるが、第１絶縁体１８０は、ＰＴＣ素子１１０、接触電極１２１、１３１の全部及び電流リード１２２、１３２の一部または全部を包むように構成されてＰＴＣ素子１１０の両端に絶縁距離を確保する。即ち、接触電極１２１、１３１の周辺に相当な絶縁耐力を確保することができてフラッシュオーバーを防止することができる。

また、第１絶縁体１８０によりＰＴＣ素子１１０は電流を制限する動作後過熱された状態から短時間内に正常温度状態に冷却されることができる。

具体的に、上記第１絶縁体１８０を成す流動性絶縁物は真空からなるものとすることができる。さらに具体的に、上記真空は１０^−３ｔｏｒｒ以上の真空度を有する真空層にする。真空は、一般の空気に比べて１０倍以上の絶縁耐力を有しており、真空状態においてはエネルギーを伝達できる媒体がないため絶縁破壊が進展されることを防止することができる。従って、第１絶縁体１８０を真空から構成すれば真空での高い絶縁耐力を具現できて、アークが真空中に急速に消滅されることを用いてアークを消弧でき絶縁体をより軽く構成できる。

代案として、上記第１絶縁体１８０を構成する流動性絶縁物はガスからなることができる。望ましくは、上記ガスは１ｂａｒ以上のＳＦ_６ガスまたはＮ_２ガスから構成され得る。

上記ＳＦ_６ガスは不活性ガスであって、無臭、無害、無毒、不燃、非爆発性の性質を有しており、誘電体損失と漏洩損失が少なく熱的に安定したガスである。絶縁耐力は８９ｋＶ／ｃｍであって３０ｋＶ／ｃｍの絶縁耐力を有する大気圧の空気に比べてかなり高い。また、液体、固体の絶縁物に比べて誘電率が少なくて充電電流が少なく、固体絶縁物に比べて自由な絶縁体の形状の具現が可能である。

上記Ｎ_２ガスは空気の主成分であり、ＳＦ_６ガスに類似する非可燃性ガスであり、求めやすいため経済的である。

さらに望ましくは、上記ガスは１ｂａｒ以上のＳＦ_６−Ｎ_２の混合ガスから構成され得る。空気の主成分であり沸点が低く安価で無毒性及び非可燃性などの化学的安定性に優れたＮ_２ガスをＳＦ_６に混合したガスは、異物質の存在や電極表面の粗度などによる絶縁耐力の低下が少なくて、より低い沸点と安価な費用などの側面から経済的な絶縁ガスとして利用され得る。

さらに他の代案として、上記第１絶縁体１８０を成す流動性絶縁物はオイルからなるものとすることができる。望ましくは、上記オイルは不純物が含まれずに冷却性能を有する絶縁油を用いることができて、例えば、ナフテン系、パラフィン系、芳香族系の炭化水素を主成分とする鉱油から構成され得る。上記冷却性能とは、上記絶縁油がＰＴＣ素子１１０の動作後３分以内に正常状態に復帰できる性能を有していることを意味する。

上記流動性絶縁物の具体的な例が本明細書で開示されたが、本発明はこれに限定されず多様な変更例が採用可能なこととして理解されるべきである。

第２絶縁体１９０は限流動作のとき膨張できる第１絶縁体１８０の形態を保って支持するようにするケースの役割を果たす。また、光、湿度、汚染物などの外部環境から第１絶縁体１８０を保護する。従って、第２絶縁体１９０は第１絶縁体１８０を外部から完全に気密させるように構成されることが望ましい。

上記第２絶縁体１９０は、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはベークライト（ｂａｋｅｌｉｔｅ）などの絶縁性を有した物質から構成され得る。しかし、本発明はこれに限定されなく本発明の目的を達成するための範囲内で当業者により多様に変形されて採用されることができる。

図９は、本実施形態によるＰＴＣ限流器の変更例を概略的に示す断面図である。図９において、以前の図面と同一の部材番号は同一の機能をする同一の部材を指すので、その詳細な説明は略する。

図９を参照すると、本変更例によるＰＴＣ限流器はＰＴＣ素子１１０及び電極部１２０、１３０と第１絶縁体１８０との間に介在されるコーティング層１５０をさらに含む。

第１絶縁体１８０でＰＴＣ素子１１０を包むとき、その接触界面には気泡が発生し得る。そうすると、ＰＴＣ素子１１０の動作のとき絶縁破壊が上記気泡を通じて進む可能性があって第１絶縁体１８０の機能がよく発揮できない恐れがある。このとき上記界面にコーティング層１５０を設けるとＰＴＣ素子１１０の表面に第１絶縁体１８０がよりよく密着できてＰＴＣ限流器の作用がさらに有効になる。

望ましくは、コーティング層１５０はエポキシまたはシリコーンゴムを塗布してなるものとすることができる。しかし、本発明はこれに限定されず本発明の目的を達成するための範囲内で当業者により多様に変形して採用され得る。

図１０は、本発明によるＰＴＣ限流器に過電流を印加したとき、遮断動作の波形を表したグラフであり、図２の実施形態に従って作製された。実験のとき、電圧は４００ＶをＰＴＣ素子の両端に印加し、事故電流は２ｋＶから３０ｋＶまで可変して印加しながら限流特性を検査した。図１０を参照すると、２ｋＡの低電流が流れる場合だけでなく、１０ｋＡ、１５ｋＡ、２０ｋＡまたは３０ｋＡの高電流が流れる全ての場合にも迅速で正確に限流作用が行われて過電流を有効に遮断していることがわかる。

以上のように、本発明は限定された実施形態と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明の属する技術分野において通常の知識を有した者によって本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なことは言うまでもない。

なお、本明細書に添付される以下の図面は本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、上述した発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすので、本発明はこのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。

以上の説明のように、本発明によるＰＴＣ限流器は、過電流や短絡電流の制限のとき、ＰＴＣ素子と接触電極間に生成されるアークを有効に抑制し除去して、電極間のフラッシュオーバーを防止する。従って、ＰＴＣ素子の磨耗を防止しＰＴＣ限流器の寿命をより延長させ得る。また、本発明によるＰＴＣ限流器は低圧系統にだけでなく高圧系統においてもより信頼性よく限流作用をすることができる。

従来技術によるＰＴＣ限流器を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるＰＴＣ限流器を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるＰＴＣ限流器の変更例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるＰＴＣ限流器の他の変更例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるＰＴＣ限流器のさらに他の変更例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態によるＰＴＣ限流器を示す断面図である。 本発明の第２実施形態によるＰＴＣ限流器の変更例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態によるＰＴＣ限流器を示す断面図である。 本発明の第３実施形態によるＰＴＣ限流器の変更例を示す断面図である。 本発明によるＰＴＣ限流器に過電流を印加したとき、遮断動作の波形を表すグラフである。

符号の説明

１１０ ＰＴＣ限流器
１２０、１３０ 電極部
１２１、１３１ 接触電極
１２２、１３２ 電流リード
１４０、１４１、１４２ モールド部
１５０ コーティング層
１６１、１６２ ガス排気口
１７０ ケース
１８０ 第１絶縁体
１９０ 第２絶縁体
６１０ ハウジング
６２０、６３０ 弾性部材
７１０、７２０ プレート
７３０、７４０ 締結部材

Claims (22)

1. ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するＰＴＣ限流器において、
   ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、
   上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、
   少なくとも上記ＰＴＣ素子と上記電極部間の界面部位を包むようにＰＴＣ素子及び電極部の周辺に設けられ、弾性材質の絶縁物からなるモールド部とを含むＰＴＣ限流器。
2. 上記弾性材質の絶縁物は、１０^３Ωないし１０^２０Ωの絶縁抵抗を有し、５％以上の延伸率を有する熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
3. 上記弾性材質の絶縁物は、シリコーン樹脂またはポリウレタン樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載のＰＴＣ限流器。
4. 上記電極部は、
   上記ＰＴＣ素子に接触する接触電極と、
   上記接触電極と連結されて接触電極を外部回路と通電させる電流リードとを含み、
   上記モールド部は上記接触電極の全部及び上記電流リードの一部を包むことを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
5. 上記ＰＴＣ素子は、
   高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、エポキシ（ＥＰＯＸＹ）、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及びポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群より選択される一つ以上のポリマーと、
   カーボン、金属及び金属酸化物からなる群より選択される一つ以上の電導性粒子と、
   酸化防止剤とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
6. 上記ＰＴＣ素子及び電極部と上記モールド部間の界面に介在されたコーティング層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
7. 上記モールド部には、上記ＰＴＣ素子と外部とを連通するガス排気口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
8. 上記モールド部の外部表面を包むケースをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
9. 上記電極部をＰＴＣ素子の方に加圧する加圧手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣ限流器。
10. 上記加圧手段の加圧力は大気圧以上であることを特徴とする請求項９に記載のＰＴＣ限流器。
11. 上記加圧手段は、
    上記モールド部を受容するハウジングと、
    上記モールド部の少なくとも一面をＰＴＣ素子側に加圧できるように上記ハウジングの内側面に支持されて付勢された弾性部材とを含むことを特徴とする請求項９に記載のＰＴＣ限流器。
12. 上記加圧手段は、
    上記モールド部間に介在して配置された一対のプレートと、
    上記一対のプレートを相互締結して固定させる締結部材とが含まれることを特徴とする請求項９に記載のＰＴＣ限流器。
13. 上記モールド部の少なくとも一面をＰＴＣ素子側に加圧できるように上記プレートの内側面に支持されて付勢された弾性部材をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のＰＴＣ限流器。
14. ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するＰＴＣ限流器において、
    ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、
    上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、
    上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられた流動性絶縁物からなる第１絶縁体と、上記第１絶縁体を包むように設けられた第２絶縁体を備えるモールド部とを含むＰＴＣ限流器。
15. 上記流動性絶縁物は、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１４に記載のＰＴＣ限流器。
16. 上記流動性絶縁物が真空からなる場合、上記第１絶縁体は１０^−３ｔｏｒｒ以上の真空度を有することを特徴とする請求項１５に記載のＰＴＣ限流器。
17. 上記流動性絶縁物がガスからなる場合、上記第１絶縁体は１ｂａｒ以上のＳＦ_６、Ｎ_２またはこれらの混合ガスであることを特徴とする請求項１５に記載のＰＴＣ限流器。
18. 上記流動性絶縁物がオイルからなる場合、上記第１絶縁体は冷却性能を有する絶縁油であることを特徴とする請求項１５に記載のＰＴＣ限流器。
19. 上記電極部は、
    上記ＰＴＣ素子に接触する接触電極と、
    上記接触電極と連結されて接触電極を外部回路と通電させる電流リードとを含み、
    上記モールド部は上記ＰＴＣ素子の全部、上記接触電極の全部及び上記電流リードの一部を包むことを特徴とする請求項１４に記載のＰＴＣ限流器。
20. 上記ＰＴＣ素子は、
    高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、エポキシ（ＥＰＯＸＹ）、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及びポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群より選択される一つ以上のポリマーと、
    カーボン、金属及び金属酸化物からなる群より選択される一つ以上の電導性粒子と、
    酸化防止剤とを含むことを特徴とする請求項１４に記載のＰＴＣ限流器。
21. 上記ＰＴＣ素子及び電極部と上記第１絶縁体との間の界面に介在されたコーティング層をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のＰＴＣ限流器。
22. ＰＴＣ特性を用いて電流を制限するＰＴＣ限流器において、
    ＰＴＣ特性を有するＰＴＣ素子と、
    上記ＰＴＣ素子を挟んで対向するように両面に配置された一対の電極部と、
    上記ＰＴＣ素子と上記電極部の少なくとも一部を包むようにその周辺に設けられ、弾性材質の絶縁物、真空、ガス及びオイルからなる群より選択された何れか一つの絶縁物からなるモールド部とを含むＰＴＣ限流器。

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