JP2016521109A - 過電圧保護装置の過負荷保護ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一つの電圧制限素子と、少なくとも一つの電圧スイッチング素子と、オプショナルなバックアップヒューズと、を有する過電圧保護装置の過負荷保護ユニットに関する。該電圧制限素子はバリスタの形で、該電圧スイッチング素子はスパークギャップの形であり、これらの素子は直列接続されている。本発明により、許容不能なパルス電流からの保護を行なうために、前記直列回路の前記電圧制限素子には、バイパスを形成するモニタリングスパークギャップが並列接続されている。さらに、経年劣化、許容不能な高いメイン電圧および／または低エネルギーの周期的な高周波過電圧に際して、前記モニタリングスパークギャップおよび前記電圧スイッチング素子の双方をバイパスするモニタリング装置、たとえば熱モニタリング装置が設けられている。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、少なくとも一つの電圧制限素子と、少なくとも一つの電圧スイッチング素子と、オプショナルな直列ヒューズと、を有する過電圧保護装置の過負荷保護ユニットであって、電圧制限素子はバリスタとして、電圧スイッチング素子はスパークギャップとしてそれぞれ形成されていると共にこれらの素子は直列接続されている、請求項１のプリアンブル記載のユニットに関する。

許容不能な高電圧から保護するために、電気系統に過電圧保護装置を装備することは公知に属する。過電圧保護装置は、一般に、所望の電気的機能を遂行するために、電圧スイッチング素子と電圧制限素子とを有する。

ただし、避雷装置または過電圧保護装置自体も、潜在的過負荷たとえば雷サージあるいはスイッチングサージならびにまたいわゆる一時的な動作周波数過電圧（ＴＯＶ）等の過渡事象から保護される必要がある。そのために、外部ないし内部の直列ヒューズを使用することが可能である。

直接の保護は電圧制限保護素子たとえば酸化金属バリスタを使用する際に必要であるが、それは、電圧制限保護素子が損傷を蒙ると、当該過電圧保護装置に物理的に隣接する素子に影響が及ぼされるのみならず、当該装置それ自体がそれぞれの周辺機器と共に完全に破壊される危険があるからである。

ドイツ特許出願公開第１０２００８０２２７９４（Ａ１）号明細書は、二または三個の電極を備えたガス充填サージアレスタを含む短絡装置を有する電気保護素子を開示している。それぞれの場合にあって、電極の一つはサージアレスタの端部に配置されている。該保護素子は、さらに、熱動短絡装置を有している。これは少なくとも二つのセクションを有するクリップを有している。クリップの第一のセクションはサージアレスタにスナップオンされる。

第二のセクションは第一のセクションを少なくとも部分的に包囲し、可溶体によって第一のセクションから離間されている。さらに、第二のセクションの一端は短絡クリップを有している。この短絡クリップは、可溶体が溶融すると、サージアレスタの上記一連の電極を電気的に接続する。

さらに別の実施形態において、サージアレスタは三個の電極を有し、セラミック中空体として形成されている。この場合、第三の電極は、中空体を二つの部分に分離する。中央の電極は前述の空隙に突き入り、可溶体と直接に接触している。

可溶体は短絡クリップを外部電極から離間させるようにして配置されているのが好ましい。可溶体が溶融すると、クリップはサージアレスタの外部電極を押圧して、それらを互いに接続する。サージアレスタが付加的な中央電極を有していれば、短絡クリップは外部電極を中央電極に接続する。

上記公知の解決法を備えたサージアレスタは過負荷から自らを保護することが可能であるとはいえ、複数の構造素子を含んだ過電圧保護装置内部の電圧制限素子の保護を実現することはそれほど容易ではない。

したがって、上記背景から、本発明の目的は、さらに向上改善された、過電圧保護装置の過負荷保護ユニットを供することである。過電圧保護装置は少なくとも一つの電圧制限素子ならびに少なくとも一つの電圧スイッチング素子を有し、直列ヒューズを備えもしくは直列ヒューズと接続されている。電圧制限素子は好ましくはバリスタ（ＭＯＶ）として形成され、電圧スイッチング素子はスパークギャップまたはガスアレスタ（ＧＤＴ）として形成されている。先に挙げた素子は直列ヒューズと直列接続されている。

上記課題に基づき、すべてのコンポーネントは上述したようにして保護され、過電圧保護装置は過負荷に際して電源遮断が可能でなければならない。この場合、ユニットは高いパルス電流による過負荷に対する保護を供すると共に、過電圧制限素子の許容不能な加熱からの保護も保証しなければならない。

本発明は、上記課題を、請求項１記載の特徴コンビネーションを備えるユニットによって解決するものであり、従属クレームは少なくとも有利な実施形態および発展形態を記載したものである。

したがって、少なくとも一つの電圧制限素子ならびに少なくとも一つの電圧スイッチング素子を有すると共に、付加的に直列ヒューズを有していてよい過電圧保護装置の過負荷保護ユニットが出発点とされる。電圧制限素子は好ましくはバリスタとして形成され、電圧スイッチング素子は好ましくはスパークギャップまたはガス放電アレスタとして形成されている。上述した素子は直列接続されている。

本発明により、許容不能なパルス電流からの保護を行うために、直列接続回路の電圧制限素子には、バイパスを形成するモニタリングスパークギャップが並列接続されている。

さらに、経年劣化、許容不能な高いメインシステム電圧および／または低エネルギーの周期的な高周波パルスといった事象に際して、構造素子を保護すべく直列ヒューズを活性化させるため、モニタリングスパークギャップならびに電圧スイッチング素子の双方をバイパスする熱モニタリング装置が設けられている。

熱モニタリング装置は構造的にスパークギャップに接続されて、モニタリングスパークギャップと電圧スイッチング素子のスパークギャップとの直列接続回路を短絡する接点を有している。

好ましい実施形態において、本発明によるユニットは回路板上たとえばプリント回路板上に形成され、該回路板は電圧制限素子ならびに電圧スイッチング素子、直列ヒューズ、モニタリングスパークギャップおよび熱モニタリング装置を収容している。

上述したように、電圧スイッチング素子はガスアレスタとして形成され、電圧制限素子はバリスタとして形成されていてよい。

本発明の別の好ましい実施形態において、熱モニタリング装置は熱伝導を蒙るガスアレスタ近傍に配置されたソルダプリフォームとして形成され、該プリフォームの溶融によって解除されるばね留めクリップがモニタリング機能をトリガするかまたは招来する。

上記に関する別途解決法において、スライダがガス放電アレスタと回路板上の該はんだ付け点に作用し、該はんだ付け点が溶融するとバイパス機能をトリガするか生み出すようにすることが可能である。

スライダも同様に、たとえばばねによって、はんだ付け点の方向に向かってプリロードされることが可能である。

別の好ましい実施形態において、所望のプリロード力を生み出すと同時にバイパスの導電部を成すラップスプリングが設けられる。

上記効果のために、ラップスプリングは二つのスプリング端部と本体とを有し、第一のスプリング端部は回路板に支持され、第二のスプリング端部はソルダプリフォームまたはスライダに支持される。

ラップスプリングは直列ヒューズに固定され、該ヒューズと導電接触している。この場合、ヒューズが円筒状に形成されていることを前提として、ラップスプリングは、該直列ヒューズの外周を円周方向に包囲するように寸法設計されているのが好ましい。

この点で、追加的な実装スペースを要することなく、電圧制限素子、電圧スイッチング素子およびヒューズ素子の直近の、回路板上の極めて狭いスペースに必要な機能を実装することが可能である。

以下、実施形態ならびに図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。ここで、各図は以下を示している。

短絡クリップがプッシュもしくはプルされた状態の過電圧保護装置の過負荷保護ユニットの概略的な回路図。 短絡クリップがプッシュもしくはプルされた状態の過電圧保護装置の過負荷保護ユニットの概略的な回路図。 短絡ポジションに向かってプルもしくはプッシュされた素子を有するモニタリング装置構造の概略的な回路図。 短絡ポジションに向かってプルもしくはプッシュされた素子を有するモニタリング装置構造の概略的な回路図。 過電圧保護装置内部のプリント回路板に実装された本発明によるユニットの斜視図。外部ハウジング部分は分かり易さを優先させて図中不図示である。 過電圧保護装置内部のプリント回路板に実装された本発明によるユニットの斜視図。外部ハウジング部分は分かり易さを優先させて図中不図示である。 過電圧保護装置内部のプリント回路板に実装された本発明によるユニットの斜視図。外部ハウジング部分は分かり易さを優先させて図中不図示である。

図１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂにおいて、先ず、過電圧保護装置のコンポーネントをなす、バリスタとして形成された電圧制限素子Ｈが描かれる。このバリスタＨには、従来の火花放電ギャップＢが直列接続されている。この直列接続回路は、さらに、直列ヒューズＩを含んでいる。

本発明により、バリスタＨには、高いパルス電流による損傷からバリスタを保護するためのモニタリングスパークギャップＡが並列接続されている。バリスタＨでの電圧降下がモニタリングスパークギャップＡの応答電圧を上回ると、それはスパークすることになろう。すると電流は、形成されたバイパスを横断して流れ、バリスタＨは放電されることになる。

さらに、コンポーネントの経年劣化による損傷あるいは、上位電圧系の故障および／またはほとんどの場合に電力変換中に生ずる低エネルギーの周期的な高周波サージから生ずる許容不能な高いメインシステム電圧に起因する損傷を防止すべく、過電圧保護装置のコンポーネントたとえばスパークギャップＢには、概略的に図示したように、モニタリングユニットＣが設けられている。

これに関する限界温度が達成されると、たとえば、ばね留め短絡クリップＤは、スパークギャップＡおよびＢの外部電極を短絡させ、こうして、過負荷によるバリスタＨおよびスパークギャップＢの破壊の危険を防止することが可能である。こうしてもたらされる低抵抗短絡により、提案された直列ヒューズＩをトリップさせる機会がもたらされる。

スパークギャップＢの熱モニタリングは、多くの理由から好適である。先ず、シンプルかつコンパクトな構造設計が可能となることにより、最小の標準コンポーネントが使用できるようになる。スパークギャップの直列接続はコンパクトに設計することができるため、短絡装置Ｄはコンポーネントの当該アセンブリに直接配置することが可能であり、それゆえ、事実上、それぞれさらに爾後処理可能な単一のコンパクトな構造素子が得られることになる。

並列コンポーネントに過度に高い電圧降下が生ずることにより、モニタリングスパークギャップＡがスパークすると、電流は上流のヒューズＩとスパークギャップＡおよびＢを通って流れる。それぞれのスパークギャップアークのせいで、それに続く逆電圧は非常に大きくなるため、直列接続回路Ｉ＋Ｄ＋Ｈを通って流れる電流はヒューズＩをトリップさせるには不十分である。この場合、電流はスパークギャップＢを熱すると共に、熱モニタリング装置または短絡装置−これらは熱モニタリング装置Ｃおよび短絡クリップＤからなる−をそれぞれ加熱するため、スパークギャップ電圧降下はバイパスされることになる。

図１ａに示したように、力Ｆは短絡クリップとして構成された短絡装置Ｄを短絡ポジションに向かってプッシュする。図１ｂに示した概略図から、短絡クリップＤは、モニタリングユニットが作動した後に、力Ｆによって短絡ポジションにプルされることが認められる。Ｆに付した矢印は、短絡ポジションへの短絡クリップのプッシュまたはプルを表している。

図２ａに示したように、モニタリングユニットが作動した後、力Ｆは、好ましくはプルによって、短絡素子を短絡ポジションへ移動させる。力Ｆに付した矢印の意味は、この場合にも、上記と同様である。

図２ｂに示したように、モニタリングユニットが作動した後、力Ｆは、好ましくはプッシュによって、短絡素子を短絡ポジションへ移動させる。これはまたも矢印によって象徴されている。

図３ａ〜３ｃは、本発明による思想を構造的に具体化するいくつかの可能性を図示したものである。

図３ａによれば、熱モニタリングされるガスアレスタの直近に配されたソルダプリフォームが設けられている。

過電圧によってガスアレスタの許容不能な加熱が引き起こされると、ソルダプリフォームは溶融する。すると、図示したように、ラップスプリングのアームはソルダプリフォームの左側に配された接点ピンに向かって変位し、短絡を引き起こすことができる。次いで、それに続いて流れる電流は、ラップスプリングが固定されている直列ヒューズをトリップさせる。

図３ｂに示した解決法によれば、回路板／プリント回路板の面内を変位し得るスライダがガスアレスタはんだ固定域に設けられている。

許容不能な高熱によってガスアレスタはんだ付け点が溶融し始めると、スライダは、またもラップスプリングの力を得て、（図中左側の）接点ピンに向かって変位し、所望の短絡を生み出すと共に直列ヒューズのトリップを可能とする。

図３ａおよび３ｂに示した上述した解決法において、ラップスプリングは電気的バイパス装置の機能を引き受ける。ただし、この電気的機能は、図３ｃに示したように、導電仕様のスライダによって実現することも可能である。この場合、ラップスプリングは、ヒューズではなく、ハウジング延長部に固定可能である。

Claims (11)

1. 少なくとも一つの電圧制限素子（Ｈ）と、少なくとも一つの電圧スイッチング素子（Ｂ）と、オプショナルな直列ヒューズ（Ｉ）と、を有する過電圧保護装置の過負荷保護ユニットであって、該電圧制限素子はバリスタ（Ｈ）として、該電圧スイッチング素子はスパークギャップ（Ｂ）としてそれぞれ形成されていると共に、これらの素子は直列接続されているユニットにおいて、
   前記電圧制限素子（Ｈ）を保護するために、バイパスを形成するモニタリングスパークギャップまたはモニタリングガスアレスタ（Ａ）が前記直列接続回路に並列接続され、
   さらに、経年劣化、許容不能な高いメインシステム電圧および／または低エネルギーの周期的な高周波パルスに際し、前記電圧スイッチング素子の逆電圧に応じ、それぞれ前記モニタリングスパークギャップまたはモニタリングガスアレスタ（Ａ）のみをバイパスするか、もしくは前記モニタリングスパークギャップまたはモニタリングガスアレスタ（Ａ）と前記電圧スイッチング素子（Ｂ）とをバイパスするモニタリング装置（Ｃ）が設けられていることを特徴とするユニット。
2. 前記モニタリング装置または前記モニタリングガスアレスタ（Ｃ）は、構造的に前記スパークギャップ（Ｂ）に接続され、モニタリングスパークギャップ（Ａ）と前記電圧スイッチング素子のスパークギャップ（Ｂ）とからなる直列接続回路を短絡させる接点（Ｄ）を有することを特徴とする、請求項１に記載のユニット。
3. オプショナルに設けられる前記直列ヒューズ（Ｉ）は、前記電圧スイッチング素子（Ｂ）および前記電圧制限素子（Ｈ）と直列接続されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のユニット。
4. 前記直列ヒューズ（Ｉ）は、構造素子を保護すべく、バイパスによってトリガされることを特徴とする、請求項３に記載のユニット。
5. 前記ユニットは、前記電圧制限素子（２）ならびに前記電圧スイッチング素子（３）、オプショナルな前記直列ヒューズ（４）、前記モニタリングスパークギャップおよび前記熱モニタリング装置を収容する回路板（１）上に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のユニット。
6. 前記電圧スイッチング素子（３）はガスアレスタとして形成され、前記電圧制限素子（２）はバリスタとして形成されていることを特徴とする、請求項５に記載のユニット。
7. 前記の熱モニタリング装置は前記ガス放電アレスタ（３）の熱伝導を蒙る該アレスタ近傍に配置されたソルダプリフォーム（５）であり、上記モニタリング機能をトリガするかまたは招来するばね留めクリップは、前記プリフォーム（５）の溶融によって解除されることを特徴とする、請求項６に記載のユニット。
8. スライダ（６）は、前記ガス放電アレスタ（３）と前記回路板上の該はんだ付け点に作用し、はんだ付け点が溶融すると前記モニタリング機能をトリガするかまたは招来することを特徴とする、請求項６に記載のユニット。
9. 前記スライダ（６）は、前記はんだ付け点の方向に向かってプリロードされていることを特徴とする、請求項８に記載のユニット。
10. 前記所望のプリロード力を生み出すと同時にバイパスの導電部を成すラップスプリング（７）が設けられていることを特徴とする、請求項７、８または９に記載のユニット。
11. 前記ラップスプリング（７）は二つのスプリング端部（８および９）を有し、
    第一のスプリング端部（８）は、前記回路板上に着座しおよび／または支持され、
    第二のスプリング端部（９）は、前記ソルダプリフォーム（５）上または前記スライダ（６）上に着座しおよび／または支持され、
    前記ラップスプリング（７）のラップ本体（１０）は、前記直列ヒューズ（４）に固定されて、該ヒューズと電気的に接触していることを特徴とする、請求項１０に記載のユニット。

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