JP2009099404A - 電流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低融点導体の溶断時に発生するアーク放電を素早く確実に消弧する電流遮断装置を提供する。
【解決手段】ほぼ直線状に配置された第１の電極１、第２の電極２及び第３の電極３と、
上記各電極の融点よりも低い融点を有し、上記第２及び第３の電極間に配設されて上記第２及び第３の電極を接続すると共に、軟化あるいは溶融時に分離して上記第２及び第３の電極間の導通を遮断し得るようにされた低融点導体４と、上記第１及び第２の電極に跨って設けられた可撓導体５と、上記第１の電極近傍の固定部７と上記第２の電極２との間に張架され、上記低融点導体の分離時に上記可撓導体５を変形させて上記第２の電極２の低融点導体側端部を上記第１の電極１側に偏位させる付勢手段６とを備えた構成とする。
【選択図】図５

Description

この発明は電流遮断装置、特に機器の回路ショートや回路部品の故障などに起因する過電流によって生じる機器の発熱を感知して回路を遮断する他、通電などにより自己発熱して回路を遮断する電流遮断装置に関するものである．

従来のこの種電流遮断装置の一例としてヒューズエレメントを少なくとも２つの接点要素間に半田付け等によって結合し、結合部分の温度が所定値を超えたときに上記半田が溶融してヒューズエレメントと少なくとも１つの接点要素との間を分離して電気接触を遮断することにより、電流遮断時に妨害となるアーク放電を回避するようにしたものがある。（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−３１７１４４号公報（請求項１、図１）

上述したような温度ヒューズによる従来の電流遮断装置は、ヒューズ導体が溶断することで電気接触が分離されるものであるため、ヒューズ導体が２つ以上ある場合には、どちらのヒューズ導体のどの部分が溶断するかが定まっていないことから、同時に全てのヒューズ導体を溶断するのは困難であった。しかし、同時に全てのヒューズ導体が溶断しなければ、溶断時の回路遮断にバネ要素の力を用いたとしても十分な距離を確保することができず、従って溶断したヒューズ導体間に生じるアーク放電を素早く消弧することができないため、アーク放電が継続し続けるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、より短時間で確実にアーク放電を消弧することができる電流遮断装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力遮断装置は、ほぼ直線状に配置された第１の電極、第２の電極及び第３の電極と、上記各電極の融点よりも低い融点を有し、上記第２及び第３の電極間に配設されて上記第２及び第３の電極を接続すると共に、軟化あるいは溶融時に分離して上記第２及び第３の電極間の導通を遮断し得るようにされた低融点導体と、上記第１及び第２の電極に跨って設けられた可撓導体と、上記第１の電極近傍の固定部と上記第２の電極との間に張架され、上記低融点導体の分離時に上記可撓導体を変形させて上記第２の電極の低融点導体側端部を上記第１の電極側に偏位させる付勢手段とを備えたものである。

この発明に係る電力遮断装置は上記のように構成されているため、低融点導体が軟化、あるいは溶融したときには、付勢手段によって第２の電極が低融点導体を分離し、第３の電極との電極間距離を離す方向へ素早く偏位（回動）するため、短時間で絶縁距離を大きく離すことができる。従って、絶縁距離を速やかに確保することができ、低融点導体の溶断時に発生するアーク放電を素早く確実に消弧することが可能となる、

また、付勢手段の一端は第２の電極に固定され、他端は第１の電極近傍の固定部に固定されているため、可撓導体に力を加えることなく、低融点導体に電極間距離を離す方向の力を作用させることができる。更に、付勢手段を電路にする必要がなく付勢手段の取り付けも電流遮断装置組立ての最後の工程で行なうことができるため、電流遮断装置自体の組
立てが容易となり、かつ大電流を扱うことが可能である。又、第１の電極と第２の電極とを可撓導体で接続しているため、可撓導体が変形可能な方向に対しては、第１、第２の電極をネジ等で回路に接続した際に生じる力を導体部分で吸収することが可能である。

更に、低融点導体を直接または間接的に加熱可能なヒータを設けて低融点導体を加熱し得るようにしているため、低融点導体を、より早く軟化あるいは溶融させることが可能である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による電流遮断装置の構成を示す側断面図、図２は、図１に示す装置において低融点導体の溶断時の状態を示す側断面図、図３は、実施の形態１による電流遮断装置の他の実施例を示す側断面図、図４は、第２の電極と付勢手段であるバネの伸び量と遮断結果との関係を示す表である。
これらの図において、同一または相当部分には同一符号を付している。

実施の形態１は、図１及び図２に示すように、例えばＰＢＴ（ポリブチレン テレフタレート：プラスチック樹脂）からなる絶縁体ケース７の底部に第１の電極１、第２の電極２、第３の電極３を所定の位置関係、例えばほぼ直線状あるいは側面から見たとき、上下方向に位置がずれた階段状に配置して構成される。各電極１、２、３は例えば厚さ１mmのCu板で平板状に形成されている。各電極の材料はCuに限るものではなく、Cuを主成分とする金属やAlなど電気抵抗率の低い金属であればよい。

３つの電極のうち第１の電極１及び第３の電極３は絶縁体ケース７に固定され、第２の電極２は第１の電極１及び第３の電極３の中間部に両電極と適宜の間隔を介して配設され、絶縁体ケース７には固定されていない。

第２の電極２と第３の電極３とは低融点導体４により結合され電気的、機械的に接続されている。低融点導体４は第１、第２、第３の電極１、２、３の融点よりも低い融点を有し、各電極の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率を有する金属、例えばSnを主成分とするSn-Ag-Cu半田が使用されているが、この半田に限るものではなく、Ag,Cu,In,Bi,Pb,Zn,Ni等を主成分とする半田で、第１、第２、第３の電極１、２、３の融点よりも低い融点を有し、各電極の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率を有するものであれば他の金属でもよい。

また、第１の電極１と第２の電極２とは複数の可撓導体５によって結合され、第２の電極２が偏位（回動）可能に構成されている。可撓導体５は低融点導体４よりも高い融点を有する金属体で構成され、例えば厚さ200μｍのAlリボンや薄いCu板を１枚乃至５枚積層したり、AlワイヤやCuワイヤなどの細線状の金属にて形成され、両端部は超音波接合や溶接等の直接接合によって第１の電極１、第２の電極２に接合されている。しかしこの接合方法は超音波接合や溶接に限るものではなく、ろう材や半田、導電性接着剤等を用いた間接接合に加えて、かしめやネジ止め等の機械的接合を用いてもよい。特に、超音波接合は加熱を行なわずに接合することができ、低融点導体４の状態に影響されないため好ましい接合手段と云える。

第２の電極２の低融点導体４側には突出部２Ａが設けられ、この突出部２Ａと第１の電極１側の固定部である絶縁体ケース７との間に引張り力を作用させる付勢手段６が張架されている。付勢手段６は引張りバネとすることが望ましく、図１、図２では例えばＳＵＳ（ステンレス ユースド スティール：ステンレス鋼）で構成された引張りバネが張架され、第２の電極２の低融点導体４側端子を可撓導体５側端子を中心にして図において反時計方向に回動させるような力を作用させている。

図示の場合、第２の電極２の長さは例えば８ｍｍであり、常態よりも数ｍｍ伸張させた状態のバネ６を張架して引張りバネとしている。なお、付勢手段６は引張りバネに限るものではなく、低融点導体４の分離前には可撓導体５に力を加えることなく、低融点導体４の分離時に第２の電極２を図において反時計方向に回動させ、かつ低融点導体４の分離後は、第２の電極２や分離した低融点導体４Ａの一部、そして付勢手段６自身が絶縁体ケース７の所定の位置に納まり、第１、第２、第３の電極１、２、３を含む電気回路を再び導通させることのない機能を有しているものであれば、バネ以外の手段であってもよい。例えば上記の機能を有するゴム等を用いてもよい。

次に、上記のように構成された実施の形態１による電流遮断装置の動作について説明する。
図１の構成において、規定値未満の電流が低融点導体４、可撓導体５を介して第１、第２、第３の電極１、２、３に流れているときには、低融点導体４における抵抗発熱は低く、従って低融点導体４が軟化あるいは溶融するまでには至らない。

一方、規定値以上の電流が低融点導体４、可撓導体５を介して第１、第２、第３の電極１、２、３に流れたときには、低融点導体４における抵抗発熱により低融点導体４に局所的な温度上昇が生じる。そして低融点導体４の融点付近にまで温度が上昇すると、低融点導体４が軟化あるいは溶融し、引張りバネ６の引張り力によって、図２に４Ａ、４Ｂで示すように、低融点導体４を分離し、第２の電極２を図において反時計方向に回動して第２の電極２と第３の電極３間の導通を遮断する。

このとき、引張りバネ６の力によって分離された第２の電極２と、その端部に付着した低融点導体４Ａは、引張りバネ６に引張られた状態のまま、可撓導体５が変形して図２に示すように、絶縁体ケース７の所定の位置に納まり、再び回路を導通させることはない。

上述した特許文献１において、ヒューズ導体が２つ以上ある場合には、上述のように、絶縁距離を大きく確保するためには全てのヒューズ導体を同時に分断することが必要となるが、実際には低融点導体が温度上昇して軟化あるいは溶融するまでの時間に差が生じるため、同時に複数のヒューズ導体を分断するのは極めて困難であった。また、バネによってヒューズ導体を押さえつけた状態で電極間にヒューズ導体を接続しなければならないため、ヒューズの作成自体が困難であったが、この実施の形態の電流遮断装置によれば、上述のように、確実に低融点導体４を分離することが可能となる。又、低融点導体４が軟化あるいは溶融した後に第２の電極２が引張りバネ６の力によって反時計方向に回動し、絶縁距離を素早く、大きく確保することが可能となる。

よって回路遮断動作が起こったときに発生するアーク放電を、より短時間で確実に消弧することが可能となる。従ってこの発明の実施の形態においては、高電圧におけるアーク遮断特性が高められるものである。さらに、付勢手段であるバネを取り付ける作業は全ての電極間を接続した後になるため、電流遮断装置の作成を容易に行うことが可能となり、作業性も高められるものである。

なお、この実施の形態の電流遮断装置において、低融点導体４が分離された後の引張りバネ６による第２の電極２の回動距離（偏位量）が十分でない場合や、低融点導体４の量が過剰である場合、あるいはこれらの両方が組み合わさった場合には、低融点導体４が分離されても、発生したアーク放電を素早く消弧できない、あるいは引張りバネ６によって回動した第２の電極２が、引張りバネ６の反動によって再度図において時計方向に回動して第３の電極３に接触し、回路が再び導通してしまい、アーク放電が再発生するといった事態が起こり得る。

よって、このような事態を避けるため、引張りバネ６の伸び量及び第２、第３の電極２、３を接続する低融点導体４の量や形状、第２の電極２の厚みと長さ、第２、第３の電極２、３間の距離は、低融点導体４が軟化あるいは溶融した時には、第２、第３の電極２、３間の導通が確実に遮断されるように設定する必要がある。

これを実現するために特に重要となる、引張りバネの伸び量と第２の電極２の長さとの関係について実験を行って確認した結果について説明する。実験で電流遮断装置に印加した電圧は100V〜２kVである。結果を図４に示す。図中の遮断結果に示した○、◎は、実験範囲で安全に遮断されたことを意味する。

図４に示すように、アーク放電を安全に消弧するためには、引張りバネ６の伸び量が第２の電極２の長さの半分以上であることが好ましいこと、第２の電極２の長さの１倍以上であればアーク放電の持続時間が極めて短く、より安全に遮断可能であるため、更に好ましいことが分かった。又、第２、第３の電極２、３間の距離が長くなるほど、それを接続している低融点導体４の電気抵抗値が大きくなるため、扱える電流値が小さくなる。従って、より高電流、高電圧の電流を取り扱うためには、第２、第３の電極２、３間の距離は短い方が好ましい。

又、引張りバネ６の一端を絶縁体ケース７に固定し、この絶縁体ケース７に第１及び第３の電極１、３を固定しているため、引張りバネ６を電路として使用せず、かつ引張りバネ６の力によって回動した第２の電極２を、絶縁体ケース７内の所定の位置に収めることができ、低融点導体４の分離前においては引張りバネ６の力を可撓導体５に加えないようにすることができる。さらに絶縁体ケース７はＰＢＴで構成しているが、ＰＢＴに限るものではなく、絶縁物であれば他の材料で構成してもよい。

又、この絶縁体ケース７はこの電流遮断装置において必ず必要な構成ではなく、絶縁体ケース７を使用しない場合でも、この電流遮断装置を構成することは可能である。その場合、図３のように、引張りバネ６を電流遮断装置に取り付ける前に、第１及び第３の電極１、３を固定具１２等を用いて回路導体１３上に先に取り付ける等して、第１及び第３の電極１、３の位置を固定しておく必要がある。

また、引張りバネ６の第１の電極１側の取り付け位置を用意する必要があるが、それが電路であった場合には、引張りバネ６が絶縁体でなければ引張りバネ６も電路の一部となる。
そのため、電流遮断装置をより安全で確実に使用するためには、絶縁体ケース７を使用するのが好ましい。

又、可撓導体５として様々な方向に変形可能な導体を使用し、第１及び第２の電極１、２間の距離を少し、例えば１mm程度確保しておくことにより、第１の電極１と第３の電極３を絶縁体ケース７に取り付けたときに発生する力を、可撓導体５で吸収することが可能となる。

この実施の形態１による電流遮断装置の製造方法は、第２の電極２と第３の電極３とを低融点導体４で接続する第１工程、第１の電極１と第１工程で接続した第２及び第３の電極２、３と低融点導体４とを絶縁体ケース７に組み付ける第２工程、第１の電極１と第２の電極２とを可撓導体５によって接続する第３工程があり、最後に引張りバネ６を絶縁体ケース７と第２の電極２間に張架する第４工程とから構成される。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図５は、実施の形態２による電流遮断装置の構成を示す側断面図である。なお、図５において図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、低融点導体４の下部の絶縁体ケース７に低融点導体４を能動的に加熱する加熱手段を設けた点である。

図５では加熱手段の一例としてセラミックヒータ８を示している。セラミックヒータ８は、シース部８Ａと、その下面に装着された発熱体９と、発熱体９に電気的に接続され電力供給を行うリード線１０とから構成されている。セラミックヒータ８のシース部８Ａの材料は、絶縁体であればよいが、例えばアルミナ等が高融点で絶縁性も高いため適している。実施の形態２では厚み１mmのアルミナを使用している。

この加熱手段は、低融点導体４を加熱して軟化あるいは溶融させることができ、かつ自身が電流遮断装置の接続されている回路導体と電気的に接続されておらず、電流遮断装置の動作を妨げない構成であればセラミックヒータに限定されるものではない。

図６は、図５の平面図である。図５において紙面と垂直な方向を幅寸法とすると、セラミックヒータ８の形状は、シース部８Ａを平板とし、その幅寸法が図６に示すように、第３の電極３の幅寸法以下とされ、発熱体９はシース部８Ａの幅寸法以下であるが可能な限り広く取り、かつその幅寸法は第２の電極２もしくは低融点導体４の幅寸法を超えないようにすることが好ましい。即ち、セラミックヒータ８のシース部８Ａに接触している第２の電極２、低融点導体４の領域に対応して発熱体９が配置されていることが好ましい。

このように、セラミックヒータ８のシース部８Ａと発熱体９とを配置することで、セラミックヒータ８から発生する熱を効率的に低融点導体４に伝達し、セラミックヒータ８の温度上昇を抑制しながら、効率的に低融点導体４を加熱することが可能となる。もちろん、このような構成に限定するものではなく、シース部８Ａの幅寸法が第３の電極３の幅寸法を超えるようにしてもよいし、発熱体９の幅寸法が第２の電極２もしくは低融点導体４の幅寸法を超えるようにしてもよい。

更に、シース部８Ａを低融点導体４に直接接触させる代わりに図７に示すように、シース部８Ａを第３の電極３に接触させ、第３の電極３を介して低融点導体４を間接的に加熱してもよい。この場合、低融点導体４にシース部８Ａを直接接触させる場合に比べて、セラミックヒータ８の熱を低融点導体４に伝える効率は悪くなるが、低融点導体４が軟化あるいは溶融して、引張りバネ６によって第２の電極２が図８に示すように、回動した時に、セラミックヒータ８が自身の発熱によって破壊される危険が少なくなる。

なお、リード線１０は電流遮断装置の動作を阻害せず、電流遮断装置と電気的に接触することのないように発熱体９に電気的に接続する。即ち、リード線１０は発熱体９との接続部を除いて絶縁性の被膜等で覆われ、電気的に絶縁されていることが好ましい。

次に、上記のように構成された実施の形態２による電流遮断装置の動作について説明する。実施の形態２による電流遮断装置は図５に示すように、リード線１０からの通電によりセラミックヒータ８の発熱体９を加熱することで低融点導体４をあらかじめ加熱している。従って規定値以上の電流が低融点導体４に流れた場合には、低融点導体４は軟化あるいは溶融し易い状態にあるため、引張りバネ６によって第２の電極２を素早く回動させ、絶縁距離を大きく確保することが可能となる。

このため、回路遮断動作が起こったときに発生するアーク放電を、より短時間で確実に消弧することができる。このように、実施の形態２による電流遮断装置は高電圧におけるアーク遮断特性が高められている。さらに、引張りバネ６の取り付け作業は、第１、第２、第３の電極１、２、３を全て接続した後に行うため、電流遮断装置の組み立てを容易に行うことができる。従って、実施の形態２による電流遮断装置は、電流遮断装置組み立て時の作業性も高められている。

更に、この実施の形態においては、低融点導体４に流れている電流に関係なくセラミックヒータ８によって低融点導体４を軟化あるいは溶融させることが可能であり、又、セラミックヒータ８の発熱量を調節することで、低融点導体４を分離させるまでの時間を、ある程度任意に設定することが可能になるという効果を得ることができる。

実施の形態２による電流遮断装置の製造方法は、第２の電極２と第３の電極３を低融点導体４で接続する第１工程、セラミックヒータ８を低融点導体４の下側に配設する第２工程、第１の電極１と第１工程で接続した第２、第３の電極２、３と低融点導体４とを絶縁体ケース７に組み付ける第３工程、第１の電極１と第２の電極２とを可撓導体５によって接続する第４工程があり、最後に引張りバネ６を絶縁体ケース７と第２の電極２間に取り付ける第５工程とから構成される。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図９は、実施の形態３による電流遮断装置の構成を示す平面図である。図６と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図６と異なる点は、可撓導体５を細線ワイヤ１４で構成した点である。

金属ワイヤ１４の材料としては、例えば直径400μmのAlワイヤが使用されるが、低融点導体４よりも高い融点を有する導体であれば他の材料でもよい。例えば、Cuは高融点で電気抵抗率も低く、接合も容易であるため適している。又、金属ワイヤ１４の断面形状は円形の他、楕円形、四角形、三角形等でもよい。

金属ワイヤ１４を用いた場合、扱う電流値によって使用する金属ワイヤ１４の本数や、形状を金属板と比較して自由に変更することができる。又、変形の自由度も高く、その配置も上下に重ねて設けることが可能である。

実施の形態３の動作及び製造方法については、実施の形態１または２と同様であるため説明を省略する。

この発明の実施の形態１による電流遮断装置の構成を示す側断面図である。 図１に示す装置において、低融点導体の溶断時の状態を示す側断面図である。 実施の形態１による電流遮断装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。 実施の形態１における実験結果を示す表である。 この発明の実施の形態２による電流遮断装置の構成を示す側断面図である。 実施の形態２による電流遮断装置の構成を示す平面図である。 実施の形態２による電流遮断装置の他の実施例を示す側断面図である。 図５に示す装置において、低融点導体の溶断時の状態を示す側断面図である。 この発明の実施の形態３による電流遮断装置の構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 電極、２ 電極、２Ａ 突出部、３ 電極、４、４Ａ、４Ｂ 低融点導体、５ 可
撓導体、６ 引張りバネ、７ 絶縁体ケース、８ セラミックヒータ、８Ａ シース部
、９ 発熱体、１０ リード線、１２ 固定具、１３ 回路、１４ 金属ワイヤ。

Claims (6)

1. 所定の位置関係に配置された第１の電極、第２の電極及び第３の電極と、
   上記各電極の融点よりも低い融点を有し、上記第２及び第３の電極間に配設されて上記第２及び第３の電極を接続すると共に、軟化あるいは溶融時に分離して上記第２及び第３の電極間の導通を遮断し得るようにされた低融点導体と、
   上記第１及び第２の電極に跨って設けられた可撓導体と、
   上記第１の電極近傍の固定部と上記第２の電極との間に張架され、上記低融点導体の分離時に上記可撓導体を変形させて上記第２の電極の低融点導体側端部を上記第１の電極側に偏位させる付勢手段と、
   を備えたことを特徴とする電流遮断装置。
2. 上記低融点導体の近傍に設けられ、上記低融点導体を加熱するヒータを備えたことを特徴とする請求項１記載の電流遮断装置。
3. 上記第１及び第３の電極を固定すると共に、上記第１の電極近傍の固定部を形成し、上記低融点導体の分離時に偏位した第２の電極を所定の導通遮断状態で収容する絶縁体ケースを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電流遮断装置。
4. 上記可撓導体は薄板状金属またはそれらの積層体あるいは細線状金属またはそれらの集合体により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電流遮断装置。
5. 上記ヒータは、上記各電極の幅より小さい幅の平板状絶縁体からなるシース部と、上記シース部の一面に装着され上記各電極または上記低融点導体の幅より小さい幅の発熱体とから構成されたことを特徴とする請求項２記載の電流遮断装置。
6. 上記付勢手段は、上記第２の電極の長さの1/2以上の寸法を伸張させた状態で上記固定部と上記第２の電極との間に張架されたことを特徴とする請求項１記載の電流遮断装置。

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