JP2014132819A - 過熱保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】温度依存スイッチの寿命及び／又はスイッチング電力を、設計が簡単かつ安価な方法で改良した電気機器を保護する過熱保護回路を提供する。
【解決手段】電気機器４６を保護する過熱保護回路４２であって、スイッチング機構１１と、スイッチング機構１１に配置され、互いに電気的に接続された２つの受け接点２７、２８を備える電流伝達素子２４とを備える温度依存スイッチ１０を備え、受け接点が温度により２つの固定接点３１、３２と接続し、２つの電流端子４７、４８と制御入力４９とを有するＡＣ電圧用の制御可能な半導体バルブ４１を備え、２つの電流端子４７、４８がそれぞれ、接続端子３９、４０の一方と接続され、少なくとも温度依存スイッチ１０が閉じているときに、制御入力４９がスイッチング機構１１を介して電流伝達素子２４の受け接点２７、２８と電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの電気接続端子を備えた、機器を保護するための過熱保護回路に関する。この過熱保護回路は温度依存スイッチを備え、温度依存スイッチは温度依存スイッチング機構と、接続端子に接続された２つの固定接点と、スイッチング機構に配置され、スイッチング機構によって動作し、互いに電気的に接続された２つの受け接点を備える電流伝達素子とを備える。これらの受け接点は、温度により２つの固定接点と支持接触し、これによって前記固定接点を互いに接続し、電気的に導通させる。

過熱保護回路に用いることの可能な温度依存スイッチが、ＤＥ ２６ ４４ ４１１ Ｃ２により知られている。

この既知のスイッチは、ハウジングの下部がカップ形状になっており、そこに温度依存スイッチング機構が収納されている。下部は上部により閉じられており、下部の直立リムが上部を支持している。下部は金属でも絶縁材料でもよいが、上部は絶縁材料で作製される。

上部には２本の接点リベットが配置され、その内側頭部はスイッチング機構の固定接点の役割を果たす。リベットの軸は、上部の貫通孔を通って外部へ突出して外側頭部と一体化しており、この外側頭部は外部端子接続のために用いられる。接続用のリッツ線をこれら外側頭部に直接はんだづけしてもよいが、外側頭部上に傾斜接点を置き、この傾斜接点に接続リッツ線をはんだづけ又は圧着することも知られている。

スイッチング機構は、接点ブリッジの形態をした電流伝達素子を有し、２つの受け接点がその上側に設けられている。これらの受け接点は、接点ブリッジを介して互いに電気的に接続されており、温度により２つの固定接点と支持接触し、その結果固定接点を互いに電気的に接続する。

温度依存スイッチング機構はバイメタルスナップアクションディスク及びばねスナップアクションディスクを備え、これらのディスクの中心部を貫通するピンが接点ブリッジを支持している。ばねスナップアクションディスクは、周囲をハウジングに固定されている。バイメタルスナップアクションディスクは温度により下部の肩部又はばねスナップアクションディスクのリムに支持され、その過程で接点ブリッジを２つの固定接点に支持接触させたり、接点ブリッジを受け接点から離し、結果として外部端子間の電気接続を遮断したりする。

この温度依存スイッチは、電気機器の過熱を防ぐ目的において既知の方法で用いられる。このために、スイッチは、保護する電気機器及びそのＡＣ電源電圧と直列になるよう電気的に接続され、電気機器と熱的に接触するような方法で機械的に電気機器上に配置される。

バイメタルスナップアクションディスクの応答温度より低い温度では、接点ブリッジは２つの固定接点に押し付けられ、その結果回路が閉じて、保護する電気機器の負荷電流はスイッチに流れる。温度が許容値を超えて上昇すると、バイメタルスナップアクションディスクは、ばねスナップアクションディスクの作用力に抗して固定接点から接点ブリッジを離れさせる。その結果スイッチが開き、保護する電気機器の負荷電流が遮断される。

電流が遮断されると、機器の温度は再び下がる。その過程で、機器と熱的に結合されたスイッチの温度も下がり、再度自動的に閉じる。

このスイッチは、接点ブリッジの寸法を必要に応じて変えることにより、保護する機器の負荷電流が、関連するバイメタルスナップアクションディスク又はばねスナップアクションディスクに直接流れるような他の温度依存スイッチよりもはるかに高い動作電流を伝導することができ、結果として消費電力の大きな大型電気機器の保護に用いることができる。

既に述べた通り、このスイッチは、機器が温度低下により保護された後、自動的にオンに切り替わる。このようなスイッチング応答は例えばヘアドライヤーなどを保護するには申し分ないが、保護対象の機器が損傷を避ける目的でスイッチオフされた後、再び自動的にオンされてはならない場合には、このような応答は概して望ましくない。例えば、駆動アセンブリとして用いられる電気モータなどがこれにあたる。

そこで、ＤＥ １９８ ２７ １１３ Ｃ２では、いわゆる自己保持抵抗器を外部端子と電気的に並列に設けることが提案されている。自己保持抵抗器は、スイッチが開いているときには保護する機器と電気的に直列になり、自己保持抵抗器の抵抗値のために、機器に流れるのは危険のない残留電流のみとなる。しかしながら、この残留電流は、バイメタルスナップアクションディスクをスイッチング温度よりも高い温度に保つ程度に自己保持抵抗器を加熱するに足るものである。

ＤＥ １９８ ２７ １１３ Ｃ２により知られているスイッチもまた、電流依存スイッチング機能を備えることができる。この目的のために加熱抵抗器が設けられ、この抵抗器は外部端子と常に直列になるよう接続されている。それにより、保護する電気機器の負荷電流は、常に加熱抵抗器を流れることになる。加熱抵抗器は、負荷電流が所定の強度を超えるとバイメタルスナップアクションディスクの温度が応答温度よりも確実に高くなるような寸法にしておくことができる。これにより、負荷電流が上昇しても、保護する電気機器が許容レベルを超えて加熱される前に、スイッチが開くことになる。

このようなスイッチは、日常の使用にに関しては信頼性が証明されている。接点ブリッジを介して高い電流を伝導することが可能であるため、特に消費電力の高い電気機器を保護するために用いられる。ＡＣ電源電圧のゼロ交差においてスイッチが開かない場合、接点ブリッジが固定接点から離れたときに固定接点と受け接点との間にアークが形成され、スイッチにおける電圧低下がアーク電圧までとなる。印加されたＡＣ電源電圧の極性が変わるまで、すなわち次のゼロ交差に達するまで、電圧低下はこのレベルにとどまる。よって、アークが消去され、スイッチは確実に開く。

このようなスイッチング電力の高いスイッチの従来の用途では、強度の高い負荷電流は遮断する必要がある。これは、強いアークにより接点が腐食し、長期的にはスイッチング領域の形状が変化し、しばしばスイッチング応答性が損なわれることを意味している。

スイッチ内部でフラッシュオーバが制御されない場合、アークによりバイメタルスナップアクションディスクが損傷することもある。またアークが生じた結果、スイッチング領域の固定接点と受け接点とが、いわゆるくっついた状態となり、接点ブリッジが固定接点から離れなくなったり、十分な速さで離れなくなったりする。

これらの問題は、スイッチングサイクル数が増えるにつれて増加し、その結果、時間の経過とともにスイッチング応答性が損なわれる。このような背景から、このようなスイッチの寿命すなわち許容されるスイッチングサイクル数が限定されることになり、寿命もまたスイッチング電力、すなわち切り替えられる電流の電流強度に依存すると言える。

出願人による一般的なタイプのスイッチの場合、例えばＡＣ電源電圧が２５０ボルトであれば、負荷電流１０アンペアにおける典型的な寿命は１００００スイッチングサイクルであり、負荷電流２５アンペアにおけるスイッチングサイクルは２０００である。

このような背景から、スイッチング電力が高く、かつ寿命の長い温度依存スイッチが求められている。

アークの形成は避けられないことが知られているが、スイッチング領域の構成をアークに対応可能なものとすることにより、アークによる損傷を低減し、遅らせることができることも知られている。そのためには特定の形状や材料を接点に用いることが必要となり、その結果スイッチの設計が複雑になり、コストも増大する。

アークが飛ぶことによる損傷からバイメタルスナップアクションディスクを保護するために、このスイッチは、ばねスナップアクションディスク及び接点ブリッジによって、スイッチが開いている間、発生するアークからバイメタルスナップアクションディスクが遮断されるように設計されている。

これらの保護手段は概して成果を上げることが証明されているが、アークの形成に関連する損傷を完全には防止できず、スイッチ寿命及びスイッチング電力を、特に出願人によるスイッチの場合に典型的な上記の値に制限してしまう。

また、これらの保護手段は複雑であり、コストがかかるという点においても不都合である。

中継器及び接触器との接続に関して、アークは電磁場の影響を受け、回路の容量性部品及び誘導性部品によって消去できることが知られている。さらに、アークを素早く消去できるように、接触器で発生するアークをいわゆる永久磁石を用いた吹き消しによって導くことが知られている。

さらに、ＤＥ ３１ ３２ ３３８ Ａ１には、２つの固定接点と、固定接点に接続された半導体バルブの電流端子によって直線状に動作可能な接点ブリッジとを備えた接触器にトライアックなど制御可能な半導体バルブを並列に接続することが開示されている。トライアックの制御入力は、直列抵抗器及び接触器内部に引き込まれたフレキシブルな線を介して接点ブリッジの端子と接続されている。この端子は、固定接点と接触する２つの接点の間に位置している。

接触器が閉じているとき、２つの接触点間の電圧低下を非常に小さくして、制御端子と２つ電流端子の一方にあたる基準端子との間でトライアックの有効制御電流が生じないようにする必要がある。このときトライアックは導通せず、電流は遮断されたままとなる。

外部駆動の結果接触器が開くと２つのアークが発生するが、そのアーク電圧は、トライアックをトリガすることのできる直列抵抗器に制御電流が流れるまでの間、十分な時間にわたって接点ブリッジが基準端子に対して十分な電位差を有することになるような高い電圧でなくてはならない。一旦トライアックがトリガされ、導通すると、トライアックは接触器に流れる負荷電流を取り込み、アークは消去される。

接点ブリッジの急速な電磁駆動により、ＡＣ電源電圧のゼロ交差において一旦負荷電流が遮断されると、トライアックの再トリガが起きないほど迅速に、接点ブリッジは固定接点から十分に離れる。

したがって、この方法には３つの不可欠な条件が存在する。接点間における電圧低下は、スイッチが閉じているときは大き過ぎてはならず、またスイッチが開いている一定時間の間は小さ過ぎてはならない。また、トライアックを再トリガしない程度に、電流の遮断速度は速くなくてはならない。さらに、フレキシブルな線を接触器内部に引き込む必要があることは、少なくとも設計上の問題となる。

ＤＥ ２ ２５３ ９７５ Ａには、ＡＣ電圧回路において温度依存スイッチが開いた際に形成されるアークを、スイッチと並列に接続したトライアックにより消去する回路が開示されている。用いられる温度依存スイッチは、中央に接点を有するチェンジオーバースイッチであり、この接点は、温度により、負荷の負荷回路に配置された主接点又はトライアックの制御入力に常に接続されている補助接点のいずれかに接続されている。補助接点が閉じると、永久残留電流が流れ、電力損失につながる。

このような従来技術を考慮し、本発明は、冒頭で述べた過熱保護回路において、温度依存スイッチの寿命及び／又はスイッチング電力を、設計が簡単かつ安価な方法で改良することを目的とする。

本発明によれば、上記目的は、冒頭で述べた過熱保護回路において達成される。この過熱保護回路は、２つの電流端子と制御入力とを有するＡＣ電圧用の制御可能な半導体バルブを備え、２つの電流端子はそれぞれ接続端子の一方に接続されており、制御入力は、少なくとも温度依存スイッチが閉じているときは、スイッチング機構を介して電流伝達素子の受け接点と電気的に接続されている。

本願発明者らは、様々なテストの結果、驚くべきことに上述のＤＥ ３１ ３２ ３３８ Ａ１に記載されているアーク消去の原理は、冒頭で述べたような種類の既存の温度依存スイッチにも使用可能であることを証明できた。すなわち、半導体バルブの制御入力が好ましくは下部を介してスイッチのスイッチング機構に接続され、スイッチング機構を介して電流伝達素子の受け接点に接続されていると、ＤＥ ２６ ４４ ４１１ Ｃ２により知られているスイッチの場合、ばねスナップアクションディスク及び／又はバイメタルスナップアクションディスクを介して接点ブリッジに電気的に接続され、接点ブリッジを介して受け接点に電気的に接続されることになる。この場合、接点ブリッジ自体が導電性であるため、制御入力は接点ブリッジに設けられた２つの受け接点に接続され、２つの受け接点と同じ電位となる。

しかしながら、接点ブリッジ自体が導電性である必要はない。接点ブリッジに設けられた受け接点が互いに電気的に接続され、かつスイッチング機構と電気的に接続されていればよい。その結果、スイッチング機構は受け接点と同じ電位を有することになる。

温度依存スイッチが閉じているとき、この電位は、半導体バルブの基準電流端子のＡＣ電源電圧の電位に相当する。その結果、半導体バルブのための制御電流は生じない。温度依存スイッチが開くと、接点ブリッジが固定接点から離れたときにアークが形成され始め、アーク電圧はすぐさま１０ボルトに達する。その結果、半導体バルブを制御するための十分に高く十分長く持続する電流が生じ、半導体バルブはトリガされて開く。

半導体バルブは、トリガされるとただちに負荷電流を取り込み、温度依存スイッチの電流は遮断される。結果としてアークは消去される。ＡＣ動作電圧がゼロ交差に達すると、半導体バルブは再び閉じる。この間、接点ブリッジは固定接点から十分に離れているため、フラッシュオーバやアークの再形成が起こることはない。

この場合、可動ケーブルをスイッチ部の電流伝達素子まで引き込む必要がない上に、予期せぬようなかたちで、温度依存スイッチング機構が半導体バルブの制御入力と電流伝達素子上の受け接点との間に電気的接続を確立することができることは設計上の利点と言える。驚くべきことに、上述した電圧低下及びスイッチング速度に対する要求が、ここで満たされている。

本発明によってＡＣ電圧用の制御可能な半導体バルブを用いると、驚くべきことに、アークが素早く消去されるだけでなく、既存の温度依存スイッチのスイッチング電力及び寿命が顕著に増加する。

冒頭で述べた出願人によるスイッチの場合、負荷電流を２倍の５０アンペアにしても、２００００スイッチングサイクル後のスイッチング応答性は損なわれなかった。

このように、冒頭で述べたタイプの既存の温度依存スイッチは、何ら設計を変更することなく比較的高いスイッチング電力でも用いることができ、アーク消去半導体バルブのない過熱保護回路の場合に比べて長い寿命を示す。

ある構成において、これら既存のスイッチは、バイメタルストリップから作製可能なばねスナップアクションディスクを有する。このばねスナップアクションディスクは電流伝達素子を支持し、機械的かつ電気的に下部と常に接続されている。この場合、導電性の電流伝達素子は、半導体バルブの制御入力と常に接続されている。

しかしながら、バイメタルばねスナップアクションディスクを用いた設計では、少なくともスイッチが完全に開いた後、ばねスナップアクションディスクが凸状から凹状に変化するため、下部との電気的な接続を失うことが知られている。スイッチが開き始めると、ばねスナップアクションディスクは下部に接したリムでさらに内向きに力を加えるものの、バイメタルスナップアクションディスクはすでにばねスナップアクションディスクの力に抗して固定接点から電流伝達素子を離し始めている。この過程で、ばねスナップアクションディスクは押されて徐々に平らになり、アークが形成される。

バイメタルスナップアクションディスクに押されて十分に平らになると、ばねスナップアクションディスクはスナップオーバーする。しかしながら、この時点まで、ばねスナップアクションディスクは下部と電気的に接続されており、制御電流は制御入力に流れる。驚くべきことに、このスナップオーバーまでの時間は、半導体バルブをトリガするのに十分な時間である。

したがって、本発明によって半導体バルブを用いる場合、制御入力がスイッチング機構と常に電気的に接続されている必要はない。ただし、スイッチが閉じてその後半導体バルブがトリガされる、すなわちオンになるまでこの接続が存続することが重要である。

本願の発明者らは、ある種の既存の温度依存スイッチが電流伝達素子上の受け接点と下部との間の電気的接続を確立し、スイッチが開く動作の開始時に少なくともアーク形成により半導体バルブをトリガするのに十分な時間の間、その接続が維持されることを初めて突き止めた。

これには、半導体バルブが給電ラインによって適切な位置で温度依存スイッチと並列に接続されているだけでよい。これに加えて必要となるのは、制御入力からスイッチング機構への制御ラインのみである。この場合、半導体バルブは、必要なスペースさえあればどこにでも取り付け可能である。また、取り付けスペースは、半導体バルブがコイル巻線内に配置されないよう選択してよいが、半導体バルブの機能が損なわれない比較的低温の場所が有利である。

このように、半導体バルブを機器に直接配置する必要はない。したがって、半導体バルブを、例えばプラグなどによって機器に取り付けるのは、温度依存スイッチが機器に取り付けられ、かつ機器が含浸されている場合（これは、特に電気モータ及びコイル線において有利である）に限られるかもしれない。

この方法の利点の１つは、半導体バルブをいつでも後付け及び／又は交換できることである。

本発明はまた、設計が簡単であり、そのためで安価な温度依存スイッチを、半導体バルブの追加なしでは適合しないようなスイッチング電力に用いることを、初めて可能にした。

これにより、温度依存スイッチを高い電流強度に信頼性をもって用いることが初めて可能となった。このスイッチは、電流伝達素子として接点板ではなくばね部を備え、このばね部は２つの受け接点を支持又は具現化する。ばね部はバイメタル部品、特にバイメタルスナップアクションディスクであってもよい。バイメタルスナップアクションディスクは、温度依存スイッチング機能を提供するだけでなく、スイッチが閉じると導通する。

本発明によれば、スイッチが開くとともに２つの受け接点で形成されるアークは半導体バルブによって非常に素早く消去されるため、スイッチが開く際のバイメタルディスクの損傷は皆無又はごくわずかである。そのため、非常に簡単な構成のこれら温度依存スイッチの寿命及び許容されるスイッチング電力は、半導体バルブなしの使用と比べて顕著に増加する。

このように、発明者らは、従来技術のたどった道、すなわちアークに関わる問題に関して既知のスイッチの設計をさらに最適化するという方法ではなく、一見したところ従来とは異なる、成功が約束されていない道、すなわち半導体バルブを追加して使用するという方法を、コストの増加にもかかわらず選択した。

しかしながら、発明者らの知見によると、既存の温度依存スイッチの寿命が延びただけでなく、予想に反して既存のスイッチが高いスイッチング電力においても使用可能になったという事実は、増加したコストを吸収して余りあるものである。

発明者らは、冒頭で述べたタイプのバイメタルスイッチング機構を有する温度依存スイッチ用のＡＣ回路において電子アーク消去効果を発揮する回路を提供した。

このように、本発明の基礎をなす目的は、完全に達成されている。

本発明において「制御可能な半導体バルブ」は、半導体部品を意味するものと理解されたい。制御電圧が印加されると、この半導体部品は、制御入力における制御信号なしに、電流端子に印加されるＡＣ電圧を遮断し、オンに切り替わる。すなわちスイッチが入り、言い換えれば開く。いくつかの実施形態では、制御電流が遮断された後、半導体バルブはオンのままであるが、ＡＣ電圧がゼロ交差に達して極性が変わると、再び閉じる。

本発明による過熱保護回路は、過熱から保護する電気機器のＡＣ電源回路に接続される。この保護回路では、前記半導体バルブと少なくとも１つの温度依存スイッチとが２つの接続端子間で相互に接続されている。

本発明において用いられる半導体バルブの重要な１実施形態は、例えば位相ゲート制御に用いられるトライアック、すなわち双方向サイリスタトライオードである。半導体バルブは、半導体層構造及び３つの端子を有する１電子部品の形態であってもよい。しかしながら、半導体バルブは、組み合わせることでトライアックの機能を果たす個別の部品から構成することもできる。

この場合、温度依存スイッチング機構がばね部を備え、ばね部は電流伝達素子を支持し、これと電気的に導通するよう接続され、かつ少なくとも温度依存スイッチが閉じているとき制御入力と導通するよう電気的に接続されることが好ましい。

このスイッチはハウジングを有し、ハウジングはスイッチング機構を収納し、下部及び上部を備え、上部の内側に固定接点が配置されていることが好ましい。

ばね部は、細長いバイメタルアーム又はばねアームであってもよい。このアームはその自由端において電流伝達素子を支持し、他端がハウジングに固定されて制御入力のための端子を形成する。ばね部がばねアームである場合、バイメタル部がばね部に関連づけられている。このバイメタル部は、ばねアームの自由端を温度により固定接点から離し、スイッチを開く。これらの実施形態では、制御入力は温度依存スイッチング機構に常に接続されている。

しかしながら、ばね部は好ましくはバイメタルスナップアクションディスクである。バイメタルスナップアクションディスクは、その中心部で電流伝達素子を支持し、少なくとも温度依存スイッチが閉じているときは下部に支持されている。

あるいは、ばね部は、少なくとも温度依存スイッチが閉じているときは下部で支持されるばねスナップアクションディスクであって、ここにバイメタルスナップアクションディスクが設けられ、バイメタルスナップアクションディスクのスイッチング温度より高い温度になると固定接点から電流伝達素子を離れさせる。

これらの手段は、既存のスイッチを温度依存スイッチとして使用できるため、設計上有利である。

接触圧力を生じて温度によりスイッチを確実に開けるバイメタルスナップアクションディスクのみを設ければ十分であるが、ばねスナップアクションディスクによって、温度が低い状態の位置にあるバイメタルスナップアクションディスクが機械的負荷から解放されるようにしてもよい。このばねスナップアクションディスクは、バイメタルスナップアクションディスクとともに、あるいはそれ自体で、接触圧力を発揮し、スイッチング応答性の長期的安定性に大きく寄与する。

出願人による初期耐久テストによれば、半導体バルブをトリガするのに必要な低い電流は、ばねスナップアクションディスク及びバイメタルスナップアクションディスクのいずれによっても伝導することができる。

下部を作製する材料は、導電材料であっても絶縁材料であってもよい。絶縁材料から作製される場合、下部はその底部に電極を有し、その電極がバイメタルスナップアクションディスク及び／又はばねスナップアクションディスクを支持し、電極は下部から出て制御入力に接続されている。

一方、下部自体が導電性である場合、制御入力は下部の外側に接続されていればよい。これは設計上有利である。

ばね部が常に下部と電気的に接続されている場合、スイッチが開く動作中に生じるアークを、設計が簡単かつ安価な方法で確実に制御入力への制御電流とすることができる。

自己保持抵抗器が受け接点間に接続されていることは、さらに好ましい。加熱抵抗器が固定接点の１つと関連する接続端子との間に接続されていることが好ましい。

自己保持スイッチ及び／又は所定の電流依存を有するスイッチを使用できることは、有利である。本願の発明者らの試験によれば、予想に反し、自己保持抵抗器及び／又は加熱抵抗器が本発明による半導体バルブの使用を損なわないことが確認された。

電流伝達素子が導電性の接点板であり、この接点板上に２つの受け接点が配置され、これら２つの受け接点が接点板を介して互いに電気的に導通するよう接続され、接点板がスイッチング機構と電気的に導通するよう接続されていることがさらに好ましい。

この手段も同様に、設計上有利である。接点板はその上側に受け接点を有してもよく、受け接点は接点板上部の２つのコーティングされた接点領域により形成してもよい。接点板の上側自体が受け接点を形成してもよく、またＤＥ １０ ２０１１ ０１６ １４２ Ａ１に記載されているように、接点領域として連続的に形成されていてもよい。

接点板は、円形の接点ディスクであってもよく、細長い接点ブリッジの形態であってもよい。

すでに述べたように、電流伝達素子はばね部を兼ねていてもよく、このばね部は特にバイメタルスナップアクションスプリングであって、ばね部により互いに電気的に導通している受け接点が配置あるいは具現化されていてもよい。

したがって、ばね部は半導体バルブの制御入力と常に接続されていることが好ましい。この接続は、温度依存スイッチの下部が導電性であることによって、あるいは中央でバイメタルスナップアクションばねを支持し、温度依存スイッチのハウジングから突出して制御入力と接続されているさらなる支持電極によって達成できる。

双極常閉接点の形態をした２つの固定接点を有する温度依存スイッチの代わりに、それぞれ２つの外部端子を有する２つの単極温度依存スイッチを過熱保護回路に用いることもできる。これらのスイッチは、それぞれ１つの外部端子を介して電気的に直列に接続されており、各スイッチのもう１つの外部端子が過熱保護回路の接続端子の役割を果たす。この配置は、ツイン配置とも呼ばれる。このツイン回路では、単極常閉接点を有する従来のあらゆる温度依存スイッチを使用できる。

本発明によれば、電子アークを確実に消去するため、半導体バルブの電流端子は２つの接続端子に接続され、制御入力は外部端子に接続され、外部端子は互いに接続されている。

ＡＣ電源電圧の半周期の間に２つの温度依存スイッチが開くと、形成されたアークのアーク電圧が半導体バルブをトリガし、半導体バルブが閉じて負荷電流を取り込み、その結果アークが消去される。

このような背景下、本願はまた、保護する機器のための２つの電気接続端子を備えた過熱保護回路に関し、この過熱保護回路は、温度により２つの外部端子間の電気的接続を確立したり開いたりする温度依存スイッチング機構をそれぞれ有する２つの温度依存スイッチを備え、それぞれの場合において一方のスイッチの１つの外部端子が接続端子の１つに接続されているか、あるいは接続端子としての役割を果たし、もう一方の外部端子が互いに接続されており、２つの電流端子と制御入力とを備えるＡＣ電圧用の制御可能な半導体バルブが設けられ、２つの電流端子はそれぞれ、接続端子の一方に接続され、制御入力は外部端子と電気的に接続され、外部端子は互いに接続されている。

本発明の利点は、使用する温度依存スイッチの高いスイッチング電力及び長い寿命に加え、半導体バルブ、特にトライアックが、アークが生じた際に負荷電流を短時間導通するのみであり、トライアックの過熱が起きないことである。そのため半導体バルブを冷却する必要はない。

「正常」な連続運転では、負荷電流は温度依存スイッチを通るが、温度依存スイッチを冷却する必要もない。

さらなる利点について、添付の図面を参照しつつ説明する。

言うまでもないが、上述の、あるいは以下で説明する特徴は、個々に言及した組み合わせだけでなく、他の組み合わせにおいても、あるいはそれら自体でも、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく適用可能である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。

図２に示す新規な過熱保護回路に用いることができる温度依存スイッチの縦方向断面の概略（原寸比とは異なる）を示す。 図１に示すスイッチを用いた、新規な過熱保護回路の第１の実施形態の概略を示す。 図４に示す単極温度依存スイッチを２つ用いた、図２に示す過熱保護回路の第２の実施形態を示す。 図３に示す過熱保護回路に用いられる単極温度依存スイッチを示す。 図２に示す新規な過熱保護回路において用いることができる温度依存スイッチの第２の実施形態の縦方向断面の概略（原寸比とは異なる）を示す。

図１において、１０は、ハウジング１２に収納された温度依存スイッチング機構１１を備えた温度依存スイッチを示す。

ハウジング１２は、導電材料から成る下部１４と、絶縁材料から成る上部１５とを備える。上部１５は下部１４を封止し、下部１４上に下部１４のフランジリム１６により保持されている。下部１４と上部１５との間には、リング１７が配置されている。リング１７は、下部１４の肩部１８で支持され、スイッチング機構１１のばねスナップアクションディスク２１のリムを固定している。これによりばねスナップアクションディスクは、常に電気的に導通する状態で下部１４に接続されている。

スイッチング機構１１は、ばねスナップアクションディスク２１に加えて、バイメタルスナップアクションディスク２２を備える。バイメタルスナップアクションディスク２２及びばねスナップアクションディスク２１の中央にはピン状のリベット２３が通り、このリベットによって、これら２つのスナップアクションディスクは、機械的かつ電気的に、導電材料で作製された接点板２４の形態をした電流伝達素子に接続されている。リベット２３は、第１肩部２５及び第２肩部２６を有し、第１肩部２５には、バイメタルスナップアクションディスク２２が半径方向及び軸方向に遊びのある状態で載置され、同様に第２肩部２６には、ばねスナップアクションディスク２１が半径方向及び軸方向に遊びのある状態で載置されている。

バイメタルスナップアクションディスク２２は、下部１４の内側で周縁により支持されている。

接点板２４は、上部１５の側に、面積の大きい２つの受け接点２７、２８を有する。受け接点２７、２８は、接点板２４を介して互いに電気的に接続され、上部１５の内側２９に配置された２つの固定接点３１、３２と相互作用する。固定接点３１、３２は、接点リベット３３、３４の内側頭部である。接点リベット３３、３４は、上部１５を貫通しており、外部端子３５、３６としての役割を果たす外側頭部を有している。

図１に示すスイッチ位置では、ばねスナップアクションディスク２１及びバイメタルスナップアクションディスク２２は、接点板２４を固定接点３１及び３２に押しつけ、受け接点２７、２８を介して固定接点を互いに接続している。このように、スイッチ１０は閉じている。

バイメタルスナップアクションディスク２２の温度が応答温度を超えて上昇すると、バイメタルスナップアクションディスク２２は図示した凸状から凹状に反転する。その過程において、バイメタルスナップアクションディスク２２のリムはリング１７の領域で支持されており、ばねスナップアクションディスク２１の力に抗して接点板２４を固定接点３１、３２から引き離す。このようにして、スイッチ１０は開く。

このようなスイッチは、ＤＥ ２６ ４４ ４１１ Ｃ２及びＤＥ １９８ ２７ １１３ Ｃ２により知られている。温度が下がると、ＤＥ ２６ ４４ ４１１ Ｃ２のスイッチは、再度反転して図１に示す閉じた状態に戻る。

この所望しない動作を防止するため、略図に示す自己保持抵抗器３７が上部１５の内側に設けられている。この自己保持抵抗器は、２つの固定接点３１、３２の間に電気的に直列に接続されており、スイッチ１０が開くと、残留電流を伝導し、バイメタルスナップアクションディスク２２を復帰温度よりも高い温度に保つ程度にスイッチを加熱する。

図示した実施形態の接点板２４は、円形のばねスナップアクションディスク２１及び円形のバイメタルスナップアクションディスク２２を備える温度依存スイッチング機構１１によって動かされるが、ばねスナップアクションディスクを省いてバイメタルスナップアクションディスク２２のみを用いて接点板２４を動かすこともできる。また、円形の接点板２４に代えて、細長い接点ブリッジを用いることもできる。

図示した実施形態において、接点板２４は、その中央部がバイメタルスナップアクションディスク２２及びばねスナップアクションディスク２１により支持されているが、一端を固定し、固定されていない他端で接点ブリッジを支持する細長いバイメタルスプリングを用いることもできる。このような細長いバイメタルスプリングは、例えば、ＤＥ １０ ２００４ ０３６ １１７ Ａ１により知られている。

図２では、２つの接続端子３９、４０の間において、図１の温度依存スイッチ１０が制御可能な半導体バルブ４１と相互に接続され、破線で囲んだ過熱保護回路４２を形成している。この過熱保護回路は、接続端子３９、４０を介して、ＡＣ電源４５及び保護する電気機器４６を含む直列回路に接続されている。

図２では、スイッチ１０は概略的にのみ示している。その設計上の特徴には、図１と同じ参照符号を付している。２本の接続ライン４３、４４は、スイッチ１０の２つの外部端子３５、３６に接続され、外部端子３５、３６は固定接点３１、３２に接続されている。固定接点３１、３２は、図１に示すスイッチ位置ではスイッチング機構１１に支持された接点板２４を介して短絡している。外部端子３５、３６はそれぞれ、過熱保護回路４２の接続端子３９及び４０に接続されている。

接点板２４は、スイッチング機構１１（この場合はばねスナップアクションディスク２１）を介して下部１４と電気的に接続されている。下部１４は、図２では端子として丸印で表されている。半導体バルブ４１は、２つの電流端子４７、４８を有し、これらの電流端子はそれぞれ接続ライン４３、４４に接続されている。また、半導体バルブ４１は、制御入力４９を有し、制御入力４９は制御ライン５０を介して下部１４に接続されている。

接続ライン４３、４４及び制御ライン５０の波形部分５１は、半導体バルブ４１を任意適切な位置で接続ライン４３、４４に接続できることを示している。波形部分５１はプラグとして具現化できる。

ＡＣ電源４５及び電気機器４６とスイッチ１０との既存又は恒久的配線を用いることにより、半導体バルブ４１を接続ライン４３、４４又は外部ライン５３、５４に所望通りに接続できる。この目的のためにこれらのラインを新たに設ける必要はなく、電流端子４７、４８との接続のために適切な位置で絶縁材を剥ぎ取りさえすればよい。制御ライン５０のみ、スイッチ１０まで配線し、下部１４の外部に接続する必要がある。その結果、スイッチング機構１１との接続、及びスイッチング機構を介した接点板２４との接続が確立される。

このように、既存のスイッチ１０を半導体バルブ４１に接続することができ、この半導体バルブ４１は、冒頭で簡単に述べたように、スイッチ１０が開く際に受け接点２７、２８と固定接点３１、３２との間に形成されるアークを素早く消去する。これらのアークは、図２では略図的に参照符号５５で示している。図２には、接点板２４がまさに固定接点３１、３２から離れようとする状態にあるスイッチ１０を示している。

図２に示すように温度依存スイッチ１０が開くと、アーク５５は、接点板２４が固定接点３１、３２から離れるときに発達し始め、すぐさまアーク電圧１０ボルトに達する。その結果、半導体バルブ４１にとって十分に高く、かつ長く持続する制御電流が生じる。この電流は接点板２４、ばねスナップアクションディスク２１及び下部１４を通じて制御ライン５０へ流れ、半導体バルブ４１をトリガする。

半導体バルブ４１は、トリガされると、すなわち導通するとただちに負荷電流を取り込み、温度依存スイッチ１０の電流は遮断される。その結果、アーク５５は消去される。ＡＣ動作電圧４５がゼロ交差に達する、すなわち極性が変化すると、半導体バルブ４１は閉じる。この間、接点板２４は固定接点３１、３２から十分に離れているので、フラッシュオーバや新たなアークの形成は生じない。

ここで自己保持抵抗器３７は残留電流を取り込む。この残留電流により、機器４６の温度が下がった後も、スイッチ１０は開いた状態に保たれる。

図２にはまた、加熱抵抗器５６を示している。加熱抵抗器５６は固定接点３１と外部端子３５、すなわち過熱保護回路４２の接続端子の１つとの間に直列に接続されている。

自己保持抵抗器３７も加熱抵抗器５６も、本発明において用いられるスイッチ１０と半導体バルブ４１との相互作用を損なうことはない。

図１に示すスイッチ１０の場合、下部１４は導電性であるが、絶縁材料から作製することもできる。スイッチング機構１１を制御入力４９に接続するには、スイッチング機構１１との接続を確立するためのさらなる電極が必要となる。このさらなる電極は、図１に示す設計の場合、肩部１８の側面から突き出た突起であってもよい。

接点板２４がバイメタルスプリングの自由端に配置されている場合、これはバイメタルスプリングの他端、すなわち固定されている端部と接続された電極であってもよい。

２つの外部端子３５及び３６はまた、それぞれ接続端子３９及び４０を兼ねていてもよい。外部ライン５３、５４は、それぞれ接続ライン４３及び４４であってもよい。この目的のために、接続ライン４３及び４４は機器４６及びＡＣ電源４５に接続されている。

２対の同時に開く接点２７／３１及び２８／３２を有するスイッチ１０に代えて、例えば、ＤＥ ２１ ２１ ８０２ Ａ及び出願人が所有するその他の知的所有権に記載されているように、２つの単極温度依存スイッチを用いることもできる。

図３には、２つの接続端子５９、６０間に接続された過熱保護回路６１を示している。過熱保護回路６１には、トライアック６２の形態をした半導体バルブが、２本の接続ライン６５、６６及び制御ライン６７を介して２つの単極温度依存スイッチ６３、６４に接続されている。スイッチ６３及び６４は、いわゆるツインとして相互に接続されている。

トライアック６２は、２つの電流端子６８、６９及び制御入力７１を備える。

スイッチ６３、６４は、それぞれ２つの外部端子７２、７３及び７３、７４を有する。外部端子７３及び７５は、互いに接続され、制御ライン６７を介して制御入力７１に接続されている。外部端子７２及び７４はそれぞれ、接続端子５９及び６０と、接続ライン６５及び６６とに接続されている。

スイッチ６３、６４はそれぞれ、スイッチング機構７６及び７７を有する。スイッチング機構７６及び７７は、外部端子７３及び７５を介してトライアック６２に接続されている。接続端子５９、６０に接続された機器７８の過熱の結果、ＡＣ電源電圧７９の同じ半周期内でスイッチング機構７６、７７が開くと、図２に示す過熱保護回路４１の場合に匹敵する機能が得られる。外部ライン８０は、過熱保護回路６１、機器７８、及びＡＣ電源７９を直列に接続するために用いられる。

本発明において用いられるトライアックの保護機能により、非常に簡単な設計の温度依存スイッチ６３、６４を、図３に示す過熱保護回路６１に用いることができる。これらのスイッチは、実際は低いスイッチング電力のみを意図して設計されたものである。上述のように、トライアック６２により、生じたアークが非常に素早く確実に消去されるため、これらのスイッチを比較的高いスイッチング電力に用いることが可能となり、また、その寿命も比較的長い。

２つの外部端子７２及び７４は、それぞれ接続端子５９及び６０としての役割も果たす。外部ライン８０もまた接続ライン６５及び６６によって兼ねることができる。この目的のために、接続ライン６５及び６６は機器７８及びＡＣ電源７９に接続されている。

図４に、一例として簡単な単極温度依存スイッチ６３を示す。このスイッチは、ベース電極８１を有する。ベース電極８１は、射出成形によりプラスチック製の支持部８２で封止されている。支持部８２にカバー電極８３が載置されて支持部８２の熱圧縮リム８４によって保持されている。

カバー電極８３及びベース電極８１は、それぞれ外部端子７２及び７３を備える。

この場合、温度依存スイッチング機構７６は、バイメタル材料から作製されたばね舌片８５を備え、上記のように形成されたスイッチ６３のハウジング内に配置されている。

ばね舌片８５は、その自由端８７で可動接点部８６を支持している。可動接点部８６は、ベース電極８１の凸状湾曲部８８と相互に作用する。凸状湾曲部８８は固定接点部として作用し、接点部８６及び凸状湾曲部がスイッチング接点を形成する。

ばね舌片８５は、その後端部８９が中間部９１を介してカバー電極８３に接続されている。

スイッチ６３内の温度がばね舌片８５の応答温度を超えて上昇すると、ばね舌片の自由端８７は図４において上向きに移動する。その結果、可動接点部８６が持ち上がり、凸状湾曲部８８から離れる。このようにして生じたアークは、上述のようにトライアック６２により消去される。

図５に、別の温度依存スイッチ１１２の、図１と同じような略断面図を示す。温度依存スイッチ１１２は図２の過熱保護回路４２に用いることができる。スイッチ１０と同様に、スイッチ１１２は、内部に２つの固定接点３１、３２を備えた上部１５を備え、固定接点３１、３２は２つの外部端子３５、３６に接続されている。

温度依存スイッチング機構１１は、その上側１１４に２つの受け接点２７、２８を有するバイメタルスナップアクションディスク１１３を備える。バイメタルスナップアクションディスク１１３自体が導電性であるため、最も簡単な場合、上側１１４自体が受け接点２７、２８となっている。ばね部としてのバイメタルスナップアクションディスク１１３は、接点板２４の役割を果たし、したがって電流伝達素子の役割をも果たす。

バイメタルスナップアクションディスク１１３は、中央において、導電性ボルト１１５により導電性支持電極１１７の内側端部１１６に接続されており、支持電極の外側端部１１８は図２の制御ライン５０に接続されている。この実施形態では、下部１４も上部１５と同様に絶縁材料で作製されている。

これに対して、下部１４が導電性である場合、下部１４を制御入力４９との恒久的な電気的接続に用いることができるよう、ボルト１１６の下部を、下部１４の内部底面に直接接続することができる。

バイメタルスナップアクションディスク１１３の温度が応答温度を超えて上昇すると、矢印１２０で示すように、そのリム１１９が図６において下向きに移動する。この動作の間に、受け接点２７、２８は固定接点３１、３２から離れ、アークは形成されるものの、上述したように半導体バルブ４１によってただちに消去される。

Claims (17)

1. ２つの電気接続端子（３９、４０）を備えた、電気機器（４６）を保護するための過熱保護回路であって、前記過熱保護回路が、温度依存スイッチング機構（１１）と、接続端子（３９、４０）に接続された２つの固定接点（３１、３２）と、スイッチング機構（１１）上に配置され、前記スイッチング機構によって動作し、互いに電気的に接続された２つの受け接点（２７、２８）を備える電流伝達素子（２４；１１３）とを備える温度依存スイッチ（１０）を備え、前記受け接点が温度により前記２つの固定接点（３１、３２）と支持接触し、この接触状態において前記固定接点を電気的に互いに接続し、
   前記過熱保護回路が、２つの電流端子（４７、４８）と制御入力（４９）とを有するＡＣ電圧用の制御可能な半導体バルブ（４１）を備え、前記２つの電流端子（４７、４８）がそれぞれ接続端子（３９、４０）の一方と接続されており、少なくとも前記温度依存スイッチ（１０）が閉じているとき前記制御入力（４９）が前記スイッチング機構（１１）を介して前記電流伝達素子（２４）の前記受け接点（２７、２８）と電気的に接続されていることを特徴とする過熱保護回路。
2. 前記制御可能な半導体バルブ（４１）がトライアック（６２）と同様に機能すること、好ましくはトライアック（６２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の過熱保護回路。
3. 前記温度依存スイッチング機構（１１）がばね部（２１、２２）を備え、ばね部が前記電流伝達素子（２４）を支持してこれと電気的に導通するよう接続され、かつ少なくとも前記温度依存スイッチ（１０）が閉じているときに前記制御入力（４９）と電気的に導通するよう接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過熱保護回路。
4. 前記スイッチ（１０）がハウジング（１２）を有し、ハウジングが前記スイッチング機構（１１）を収納し、下部（１４）及び上部（１５）を有し、上部の内側（２９）に配置された固定接点（３１、３２）を有することを特徴とする請求項３に記載の過熱保護回路。
5. 前記ばね部（２１、２２）が、少なくとも温度依存スイッチ（１０）が閉じているときに下部（１４）で支持されているバイメタルスナップアクションディスク（２２）であることを特徴とする請求項４に記載の過熱保護回路。
6. 前記ばね部（２１、２２）が、少なくとも温度依存スイッチ（１０）が閉じているときには下部（１４）によって支持されているばねスナップアクションディスク（２１）であり、自体のスイッチング温度を超えると固定接点（３１、３２）から電流伝達素子（２４）を離れさせるバイメタルスナップアクションディスク（２２）が備えられていることを特徴とする請求項４に記載の過熱保護回路。
7. 前記下部（１４）が導電性であることを特徴とする請求項５又は６に記載の過熱保護回路。
8. 前記ばね部（２１、２２）が常に下部（１４）と電気的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の過熱保護回路。
9. 自己保持抵抗器（３７）が固定接点（３１、３２）の間に接続されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の過熱保護回路。
10. 固定接点（３１、３２）のうち１つ（３１）とそれに関連付けられた接続端子（３９）との間に加熱抵抗器（５６）が接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の過熱保護回路。
11. 電流伝達素子（２４）が、２つの受け接点（２７、２８）が配置された導電性の接点板（２４）であり、２つの受け接点が接点板（２４）を介して互いに電気的に導通するよう接続されており、接点板（２４）がスイッチング機構（１１）と電気的に導通するように接続されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の過熱保護回路。
12. 前記電流伝達素子（２４、１１３）が、２つの受け接点（２７、２８）が配置された導電性のばね部（１１３）であり、２つの受け接点がばね部（１１３）を介して互いに電気的に導通するように接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過熱保護回路。
13. 前記ばね部（１１３）がバイメタルスナップアクションディスク（１１３）であることを特徴とする請求項１２に記載の過熱保護回路。
14. 前記ばね部（１１３）が常に前記制御入力（４９）と接続されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の過熱保護回路。
15. ２つの電気接続端子（５９、６０）を有する、電気機器（７８）を保護するための過熱保護回路であって、２つの外部端子（７２、７３；７４、７５）間の電気的接続を温度により確立したり開いたりする温度依存スイッチング機構（７６、７７）をそれぞれ備える２つの温度依存スイッチ（６３、６４）を備え、それぞれの場合において、それぞれのスイッチ（６３、６４）の１つの外部端子（７２、７４）が接続端子（５９、６０）の一方に接続されているか、又はそれ自体が接続端子の役割を果たし、他方の外部端子（７３、７５）が互いに接続されており、
    前記過熱保護回路が、２つの電流端子（６８、６９）と制御入力（７１）とを有するＡＣ電圧用の制御可能な半導体バルブ（６２）を備え、２つの電流端子（６８、６９）がそれぞれ接続端子（５９、６０）の一方と接続されており、制御入力（７１）が、互いに接続されている外部端子（７３、７５）と電気的に接続されていることを特徴とする過熱保護回路。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の過熱保護回路を備える電気機器（４６）。
17. 前記半導体バルブ（４１；６２）が、好ましくはプラグを介して、取り外し可能な状態で温度依存スイッチ（１０；６３、６４）に接続されていることを特徴とする請求項１６に記載の機器。