JP2831594B2 - Ｐｔｃ素子を有する保護回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、ＰＴＣ導電性ポリマ
ー物質で構成した素子からなる回路保護器を備えた電気
回路に関する。 【０００２】 【従来の技術】多くの導電性物質の固有抵抗は温度にし
たがって変化することはよく知られており、特定の温度
範囲以上において固有抵抗が急激に増大するようなこれ
等の導電物質は、通常、正性の温度係数(以降、ＰＴＣ
と称す)物質として称されている。 【０００３】ＰＴＣ物質の例として、チタン酸バリウム
のようにドープされたセラミック材とか、導電性のポリ
マー材、たとえば、特殊な導電性を有するフイラーを散
在させて成るポリマー材等がある。近来利用されている
ＰＴＣセラミック材は、非常に安定した電気的特性を有
する。他方、比較的高い電界、たとえば、２ボルト(Ｖ)
／mil において、これ等のＰＴＣセラミック材の固有抵
抗は不都合にも最高値に達した後に急激に低下する傾向
がある。ここで、さらに重要なことは、２５℃での最小
固有抵抗率は比較的大きく、一般に４０オームcm以上も
あり、このため、低抵抗値の小形の抵抗体としては使用
することができない。さらには、これ等ＰＴＣセラミッ
ク材は、もろくかつ成形しにくいものである。導電性の
ＰＴＣポリマー材は、一般に比較的に可撓性を有しかつ
成形容易であり、つい最近までは物理および電気の分野
での有用性が限定されていたが、最近の研究は、より広
帯域特性を有する導電性ポリマー(特に低温域で低固有
抵抗を示し高温域で高固有抵抗を示すように結合された
もの)がどのようにして提供されるか或いは導電性ポリ
マーを含む改良された装置がいかにして製造されるかを
開示した。 【０００４】この種の装置の参考例としては、たとえ
ば、米国特許、Ｎo.３,８５８,１４４,ドイツ国特許公
開公報Ｎo.Ｐ２,５４３,３１４.１、Ｐ２,７５５,０７
７.２、Ｐ２,７５５,０７６.１、Ｐ２,８２１,７９９.
４、および、Ｐ２,９０３,４２２.２,並びに、本願米国
特許出願と同時提出の米国出願に対応する、特公昭６４
−３３２２号公報および特公平１−５１０４１号公報等
がある。ＰＴＣセラミック材料は、既に、ヒータや、回
路保護器{たとえば、“ＰＴＣ抵抗器(“Ｔhe ＰＴＣ
Ｒesistor"の表題の文献で、西暦１９７１年、電子部品
会議におけるＲ．Ｆ．Ｂlaha による論稿を参照)}など
に使用されている。しかしながら、たとえば、１／２ア
ンペアもしくはそれ以上の比較的高い安定度の電流を扱
う回路においては、ＰＴＣセラミック材を基礎とする回
路保護器は、(該ＰＴＣセラミック材は高い固有抵抗を
有するために)不要に大形のものとなる。導電性のＰＴ
Ｃポリマー材はヒータとして広く使用されている。さら
には、文献、たとえば、米国特許;Ｎo.２,９７８,６６
５(バーネット・エト・アルＶernet et al)およびＮ
o.３,２４３,７５３(コーラ,Ｋohler)に提案されている
ように、上記ＰＴＣ導電性ポリマー材が回路保護器に使
用されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、満足で
きる結果が得られると考えられるＰＴＣ導電性ポリマー
を含む特有の回路保護装置は一般的には上記文献にも開
示されていない。これに対して、たとえこの種の特定の
回路保護器を実際に作ることができることを上記文献が
示唆しているにしてもこれらの示唆は不充分でかつ誤っ
たものであることが我々の研究によって証明されるに至
った。 【０００６】そこで、この発明の目的は従来のセラミッ
クＰＴＣ材料を用いた装置における欠点を除去し、新規
ＰＴＣポリマー材料を使用して小形でかつ構造的に強
く、電流の遮断特性もすぐれた回路保護器を備えた電気
回路と提供することにある。また、この発明は、ＰＴＣ
素子(すなわち、ＰＴＣポリマー組成物を用いて構成し
た素子である)を備え、たとえ小さな寸法のものである
としても比較的高電流を取扱い得る改良した電気回路を
提供することを目的とするものである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】この発明は、つぎのよう
な電気回路を提供するものであり、すなわち、電力源
と、ＰＴＣ素子を含む第１の回路保護器と、上記ＰＴＣ
素子に直列に接続されかつインピーダンスＲ_Lオームを
有する他の回路素子とを備えた保護回路であって、該保
護回路は通常の動作状態を有し、上記第１回路保護器の
周囲が過剰温度となるかまたは該保護回路に過剰の電流
が流れる故障が起こった時に高温安定動作状態に変換さ
れ、 （１）上記ＰＴＣ素子は、 （ａ）導電性充填材を、ポリマーに分散させる方法によ
って調製され、かつ （ｂ）２５℃にて１０オーム・cm以下の抵抗率を有す
る、ＰＴＣ導電性ポリマーからなり、 （２）上記第１回路保護器は二つの金属平板電極と一定
厚みｔの平板ＰＴＣ素子からなり、該ＰＴＣ素子の両側
に金属平板電極を配してなり、 （３）電極が電力供給源に接続されるときは、行路長さ
ｔを有する等価直径ｄとすると、電流はｄ／ｔが少なく
とも１０であるような範囲で上記ＰＴＣ素子を通して流
れるようになっており、 （４）上記第１回路保護器は２５℃で抵抗値が１オーム
以下で、 （５）上記回路は第２回路保護器を配し、 （６）少なくとも上記第１回路保護器の周囲の過剰温度
によって上記保護回路が高温安定動作状態に変換される
時には、高温安定動作状態下での保護回路の電力に対す
る通常動作状態下での保護回路の電力比、即ちスイッチ
比が少なくとも８であることを特徴とする保護回路にあ
る。 【０００８】上記の構成を有する電気回路において、電
源から電流が回路保護器を介して回路素子に流れると、
ＰＴＣ素子は回路電流により加熱される。そして、周囲
温度が所定の温度よりも高くなるか回路電流が異常に上
昇してＰＴＣ素子を流れる電流が増加してＰＴＣ素子の
温度が上昇するとＰＴＣ素子は遮断状態となり回路電流
を抑制する。これによって回路を保護する。 【０００９】この発明の回路を決定する場合において、
上記回路は、回路保護素子を通じる電流の緩慢な増加分
に応答しあるいは該回路を取り囲む媒体の温度の緩慢な
増加分に応答するように基準が設けられている。しかし
ながら、この発明の回路は、やがて臨界的な作動状態に
変更され、そしてこのときから、同時に、電流および温
度の両方の増加により高温度での作動状態に変更される
ことが明らかに理解できることになるであろう。また、
温度および／又は電流の増加は必ずしも緩慢なものでな
くともよい(確かに、一般に予想される故障状態、たと
えば、短絡とか異常電圧とかが発生するときには、電流
の増加は緩慢なものではないであろう)ことも明らかに
理解できよう。 【００１０】上述のごとく定義される種々の回路におい
ては、回路保護器は、他の回路素子、当該回路を取り囲
む媒体、および、当該回路で熱が回路保護器から上記媒
体へ放散し得る割合に応じて決定されることに留意しな
ければならない。なお、多くの目的に有用なる回路保護
器は、標準的な回路中に、かつ、標準的な熱的環境中に
置かれるときにふるまう機能を参照することによって決
定することができる。 【００１１】この発明は、互いに異なった故障条件で開
閉動作し得る２個又はそれ以上の回路保護器を備えた回
路をも含むことは理解し得るであろう。そして、この回
路保護器という用語は、それぞれ、所望の保護効果を発
揮するように、直列および／又は並列に接続された２個
もしくはそれ以上の多数個の回路構成部品を含む場合に
も使用するものであることも理解できよう。 【００１２】また、この発明は、上述のごとく定義され
た電気回路および回路構成部品を含むものであり、たと
え、各電気回路もしくは各回路構成素子自体が、意図さ
れたすべての要求を同時的に満足しなければならないも
のでもなく、たとえば、回路構成部品の電気的特性が製
作された初期には満足し得ないものであっても製作以降
におけるエージング処理によって、該回路構成部品が上
述のごとく定義したものに該当するようになるものであ
ればよい。 【００１３】この新規なる回路保護器においては、複数
の電極およびＰＴＣ素子は、該素子の平均行程長さをt
等価直径dとして、比d／t が好ましくは少なくとも１
０、さらに好ましくは２０とする該素子の領域に電流が
通じるように調整されている。この“等価直径"という
用語は、上記素子の電流の通過する領域に相当する円形
面積の直径をいうものである;ここでいう領域とは、一
般的に容易に製造できるという見地から円形又は方形と
なっているが、上記素子の形状はどのようなものであっ
てもよい。一般的には、一定の厚みで平坦状のＰＴＣ素
子板の両側にそれぞれ互いに対向するように、２枚の互
いに同等面積の板状の電極が配設されるようになってい
る。 【００１４】ＰＴＣ素子は、一般に、均質的な組成物体
ではあるが、たとえば、異なる固有抵抗および／又は種
々のスイッチング温度を有する２以上の層を有するもの
でもよい。複数の電極は、直接的にＰＴＣ素子に取り付
けられ、あるいは、それ等の電極のうち、１つもしくは
それ以上のものがＰＴＣ素子と、他の導電材、たとえ
ば、それぞれ一定の電力容量の導電性ポリマー組成物に
てなる層を介して、電気的に接続されるようにしてもよ
い。上記回路保護器の製作にあたっては、余分な接触抵
抗がないように注意する必要がある。 【００１５】複数の電極は、一般に、低い固有抵抗率、
たとえば、１×１０^-4オーム・cmよりも小さい固有抵抗
で、当該素子の動作中に顕著な熱量が発生しないような
厚さになっている。これ等の電極は、典型的には、金
属、好ましくは、ニッケル製のものとか、ニッケル製の
板状のものである。これ等の電極における接着性の改善
とか、接触抵抗の低減化のために、各電極には複数個の
開口部を設けることが好ましく、各開口部は、開口設定
領域を含む電極の全表面に亘って実質的に均等電位とな
るように、十分に小さいものとする。伸展された網目状
の金属或いは溶接された線状網目電極を用いるのが好ま
しく、この網目部の開口領域は、各開口が０.１３cm²よ
りも小さい、好ましくは、０.０６〜０.０１３cm²程の
ものとして占有率が５０％から８０％程のものとし、こ
のようにすれば電極の全体の面積がＰＴＣ素子中への電
流の流入領域とみなされ、上記開口群の存在を無視し得
るものである。 【００１６】上記ＰＴＣ素子は、通常の条件での当該回
路の作動時において各組成物の固有抵抗率が１０オーム
・cmより小さいもの、好ましくは、５オーム・cmより小
さく、さらに好ましくは１オーム・cmよりも小さいもの
で構成するようにする。この種のほとんどの回路におけ
る通常の作動条件では、当該素子の温度Ｔ dn は約２５
℃以上で、２５℃におけるこのＰＴＣ素子の固有抵抗率
は、好ましくは３オーム・cmよりも小さく、さらに好ま
しくは１オーム・cmより小さいものが用いられる。好ま
しくはＰＴＣ素子の組成物としては導電性を有するポリ
マー材で、好ましくは導電性のカーボンブラックを含む
導電性の充填材を含有するものとする。特に、ＰＴＣ組
成物として有用なものは、上述の米国特許願Ｎo.９６
５,３４３号（特公昭６４−３３２２号公報）の明細書
に開示されており、そのＰＴＣ組成物の概略は、有機ポ
リマー材料に導電性カーボンブラックを分散させたＰＴ
Ｃ導電性ポリマーからなり、 (a)２５℃にて５オーム・cm以下の抵抗率を有し、 (b)
(i)ポリマー成分の結晶融点が少なくとも１１８℃であ
り、(ii)カーボンブラックの量は、カーボンブラックの
ポリマー成分に対する体積比が少なくとも０，２５にな
る量であり、(c)ポリマー成分が溶融し、少なくとも１８
０℃に達する機械的剪断工程に固体ポリマー成分および
カーボンブラックの混合物を付すことにより調製される
ことを特徴としている。 【００１７】この種のＰＴＣ素子の厚みが薄いものとな
ればなる程、それだけ素子が耐えなければならない電圧
応力は大きいものとなる。それ故、上記ＰＴＣ素子材
は、少なくとも、電界５０ボルト／ミリメートルの電圧
応力、特に、高い温度で安定した熱平衡状態となるもの
にあっては少なくとも２００ボルト／ミリメートルの電
圧応力に耐えられるものとし、かつ、ＰＴＣ素子は、少
なくとも０.０５cmの厚さが必要である。 【００１８】上記回路保護器の通常の回路作動条件での
抵抗値、いいかえれば、値Ｒ dn は、２個の金属電極を
当該ＰＴＣ素子と接触させて構成したような単純な構成
のものにあっては、主として当該ＰＴＣ素子の抵抗率で
決定されるものであり、上記値Ｒ dn は１オームより小
さい、好ましくは０.２オームよりも小さい、さらには
０.１オームよりも小さいものが好ましい。 【００１９】保護対象の回路における電源装置からの電
圧が、たとえば、５０ボルトもしくはそれ以下、特に、
３０ボルトもしくはそれ以下、さらには、１２ボルトも
しくはそれ以下であるように低いものである場合には、
それだけ回路保護器の抵抗値は小さいものとすることが
好ましい。上述のことに鑑みて、ＰＴＣ素子は、一般的
には厚み０.０５ないし１cm、好ましくは０.１ないし
０.５cmであり、また等価直径寸法は０.６ないし５cm、
好ましくは１.５ないし３.３cmとし、実質的には、該素
子の厚みおよび／又は等価直径がより大きい素子を使用
し得る。また、上記回路保護器が使用されている回路に
おいて、上記Ｒ dn は０.５×Ｒ_L オームよりも小さい
ものとする必要がある;ここで、Ｒ_L とは、当該回路保
護器と直列接続されている残部のインピーダンスであ
る;値Ｒ dn は、好ましくは０.１×Ｒ_L オームよりも小
さい、特に０.０４×Ｒ_L オームよりも小さい、さらに
は、０.００１×Ｒ_L オームよりも小さいものにする。
このＲ_L は、好ましくは、実質的に一定のもの、すなわ
ち、当該回路が作動する温度範囲内で±２５％の範囲以
上には超えないものを使用する。Ｒ_L は一般的には抵抗
性の負荷であるが、その負荷の全体もしくは一部が、容
量性もしくは誘導性のものであってもよい。しかしなが
ら、負荷Ｒ_L が、実質的に作動温度範囲内を超えて作動
するようなものである場合には、回路保護器は、抵抗Ｒ
_L が減少することによる過剰電流に対する保護作用、お
よび／又は抵抗Ｒ_L が増加することによる過剰熱発生に
対する保護作用により、抵抗Ｒ_L の過剰な変化に対して
回路を保護する。 【００２０】上述のことから解るように、上記回路の通
常の作動条件における電力容量は非常に小さいものであ
り、よって、即座に周囲に消失されるであろう。他方、
回路に事故が発生したときには、当該回路保護器の電力
容量は、最初、急激に増大してこの電力の周囲への消失
を成し得ず、その後、高温度での安定した熱平衡の作動
状態に達するまで減少するのであり、この高温度におい
て、当該電力容量は消失され得るとともに、回路保護器
の抵抗値は、確実に回路が“閉じる"ように大きな値と
なり、即ち、回路中の電流が適宜な低レベルに減じられ
る。この回路保護器の電力容量は、それ自体の抵抗値
(この抵抗値は、回路保護素子自体の温度に依存してい
る)、および、それ自体を通過する電流に依存している
から、この回路保護器は、それ自体の周囲の過剰温度、
或いは回路中の過剰電流(或いは、勿論、両者の組み合
せ)に応答して回路を遮断する。我々は、実際に適用す
る場合において要求されるレベルまでに電流を減少させ
るためには、上述したスイッチング比、すなわち、高温
度での安定な作動条件での電力容量に対する通常の作動
条件での回路における電力容量の比は少なくとも８とし
なければならず、一般的には少なくとも１０とし、好ま
しくは実質的により高く、たとえば、少なくとも２０、
好ましくは少なくとも４０、さらには少なくとも１００
とすることが好ましいことを見い出した。 【００２１】過剰な周囲温度および過剰電流の両者に対
して回路を保護するためにこの発明に係る装置を多く使
用することができる。一方、最適な動作をするために
は、上記装置の詳細な要件および当該装置の熱的環境要
件が、予想される事故状態に応じて選択されるべきであ
り、そして、与えられた当該装置が電流中の増加分に応
じてこの発明に従って機能する反面、周囲温度における
不要な増加分に応じては機能することのないような或い
はこれと逆の動作をするいくつかの回路構成とか環境と
かが存在するものである。上記装置は、通常の作動条件
において電流が０.５アンペアよりも大きい、たとえ
ば、０.５〜４アンペア、好ましくは０.５〜２.５アン
ペアであるような回路において、特に有用なものであ
り、また、１５アンペアもしくはそれよりも大きい定常
電流を通過し得るように設計できるものである。 【００２２】したがって、本発明の好ましい実施の形態
としては、第１に上記第２回路保護器がサーモスタット
またはバイメタルスイッチである保護回路が挙げられ
る。また、第２に上記第１回路保護器および第２回路保
護器が同様の故障に対して回路を保護しようとする保護
回路が挙げられ、上記第２回路保護器が故障した時第１
回路保護器が作動するようにすることができる。さら
に、第３に上記第１回路保護器および第２回路保護器が
異なった故障に対して回路を保護しようとする保護回路
が挙げられる。さらにまた、スイッチ比が少なくとも４
０である保護回路があげられる。 【００２３】 【作用】以下に、上記装置の作用を、添付の図１乃至図
４に従って説明する。図１は、代表的な装置の抵抗と温
度との関係を示すものである。図２は電源、抵抗負荷Ｒ
_L ,および１個のＰＴＣ回路保護素子Ｒd を備えたこの
発明に係る代表的な回路例を示す。図３は、周囲温度に
おける変化および抵抗発熱Ｉ²Ｒの変化結果にしたがっ
て回路保護器の抵抗が変化する以外は電気回路が変化し
ないときの当該装置の電力とその温度との関係を示す。
また、この図３には、それぞれ異なった条件における熱
放散により上記装置が消散し得る電力を表わす代表的な
負荷線群、Ａ₁,Ａ₂,Ａ₃,Ａ₄,Ｂ₁,Ｂ₂,Ｂ₃およびＢ₄が示
されている。これ等の各負荷線の傾度(一般的に起り得
るように上記装置の温度と、この装置を取り囲む媒体の
温度間の差が、１００℃よりも小さいときには、ほぼ、
直線となっている)は、当該装置を取り囲む媒体の熱伝
導率、媒体および回路保護器の表面の変動(もし、いく
らかでもあれば)に従属したものであり、各負荷線の位
置は、当該回路保護器を取り囲む媒体の温度に従属した
ものとなっている。これ等負荷線Ａ₁,Ａ₂,Ａ₃およびＡ₄
は、第１媒体における第１回路保護器のものを、該媒体
の温度Ｔ₁,Ｔ₂,Ｔ₃,Ｔ₄の増加順に示されている。一
方、各負荷線Ｂ₁,Ｂ₂,Ｂ₃,およびＢ₄は、たとえば、(a)
第１媒体よりも低い熱伝導率を有する第２媒体中におけ
る同一の回路保護器、もしくは(b)、第１回路保護器と
同一の電力・温度曲線を有し、しかしながら、第１回路
保護器よりも小さい表面領域を有し、第１媒体中におけ
る第２回路保護器のものを示している。 【００２４】上記回路保護器が負荷線Ａ₁,Ａ₂,Ａ₃およ
びＡ₄を有し、媒体の温度に関する限り温度Ｔ₃以下にあ
る限り、当該回路保護器は安定した平衡状態にあるであ
ろう。 【００２５】しかしながら、媒体の温度が臨界温度Ｔ
₃(温度Ｔ crit として示すもの)に到達すると、この温
度Ｔ₃の点で回路保護器は温度Ｔd tripA となってお
り、 平衡状態が不安定なものとなり、さらに、媒体の温
度がさらにいくらか上昇すると、該回路保護器の電力容
量を、高温度での安定した平衡点に到達されるまで電力
容量対温度Ｐ／Ｔの曲線の頂点を越えさせる。 【００２６】もし、たとえば、媒体の温度が非常にゆっ
くり上昇し、よって、安定した平衡状態は、負荷線Ａ₃
が電力容量−温度曲線に、電力容量曲線の頂点を越えて
交わる点で到達する。即ち、回路保護器が温度Ｔd latc
h に到達する時である。もし、媒体の温度が温度Ｔ₄ま
で上昇すると、このとき、平衡状態は、回路保護器が高
温度Ｔd latch Ａ₄ となるときに達成される。上記回
路保護器が、一旦、高抵抗、高温度、安定した平衡状態
となるように強制されたとすると、このとき、もし、媒
体の温度が温度Ｔ₂以下に低下して、実質的に、回路保
護器を第１の位置に移行させる媒体の温度Ｔ crit 以下
とならない限り、低抵抗状態(すなわち、回路中での実
質的に電流の流れの防止を続行することができなくな
る)に復帰することができなくなることは明らかであろ
う。以降、回路保護器が“拘束された(latched)"状態に
あると称する。上記回路保護器が、再び、リセット、す
なわち、該回路保護器が、その周囲への熱消失率を大巾
に高めることにより、低抵抗状態に戻らしめることがで
きる。しかしながら、一般に、この発明の回路保護器
は、もし、回路保護器のラッチングが発生すると、電流
を遮断するとともに回路保護器を冷却することによりリ
セットされるようになっている。 【００２７】負荷線Ｂ₁,Ｂ₂,Ｂ₃およびＢ₄を有する回路
保護器の動作が、同様に説明される。これ等の負荷線に
対して、回路保護器を包囲する媒体の温度が温度Ｔ₂(実
質的にＴ₃以下である)となったとき、この回路保護器が
作動され、この状態における該回路保護器の温度はＴd
tripB (実質的に温度Ｔ tripA 以下である)となってい
る。 【００２８】図４は代表的な電力対温度曲線、Ｐと
Ｐ¹、および、この発明の典型的な回路保護装置の負荷
線ＡとＢを示す。 【００２９】Ｐは、電気回路が、周囲温度の変化および
／又は抵抗発熱Ｉ²Ｒによる回路保護器の抵抗が変化す
る以外は変化しないときにおける該回路保護器の電力／
温度曲線である。周囲温度Ｔで定常の作動状態のものと
では、回路保護器の温度は、もし、回路保護器が負荷線
Ａを有するものとするとＴ d_A となり、また、負荷線
Ｂを有するものとするとＴ d_B となる。Ｐ¹は、定常の
作動状態時の電流より大きい電流が回路に流れたときの
回路保護器の電力／温度の曲線である。もし、電気的事
故、たとえば、抵抗Ｒ_L の短絡や電圧サージ等が発生し
て回路保護器を流れる電流が急激に増加すると、この回
路保護器の電力は、ほとんど瞬間的に、もし、この保護
器が負荷線Ａを有する場合にはＰ_A になり、また、もし
負荷線Ｂを有する場合にはＰ_B になる。このように、回
路保護器の電力が非常に高いレベルに増大するととも
に、この回路保護器の温度(したがって、その抵抗値)に
応じて傾きが大きくなり、この負荷線が電力／温度曲線
と交わる時点で平衡状態となる。もし、この回路保護器
が負荷線Ａを有するものであるならば、この回路保護器
が温度Ｔ d_A となって、当該回路から短絡事故を解消さ
せて、以前の定常作動状態に復帰し、一方、この回路保
護器が負荷線Ｂを有するものであるならば、この回路保
護器は、ラッチされ、即ち、温度Ｔ d_B とされて、当該
回路から短絡事故を解消しても、この回路保護器の温度
はわずかに低下し、したがって、この回路保護器の電力
がわずかに低下し、以前の定常の作動状態に復帰しなく
なるということに留意しなければならない。 【００３０】本発明にかかる回路保護器の多くの用途に
おいて、この回路保護器は、たとえ高抵抗、高温度状態
下でエージングが生起した場合でも、多少の長い期間に
亘って、実質的に同じ状態で動作し続けるようにするこ
とが重要である。この発明の好ましい回路においては、
保護器が既述の高温度平衡点で１０時間動作し、電流を
遮断し、保護器を実質的にＴ dn 以下に冷却し、媒体温
度を実質的にＴn 以下に低下せしめる。というエージン
グ処理をした後において、この回路が既述の正常作動状
態となり、媒体が温度Ｔn からゆっくり加熱された時、
回路が(Ｔ crit−２０)℃と(Ｔcrit＋１０)℃の間、好
ましくは(Ｔ crit−５)℃と(Ｔ crit＋５)℃の間にある
不安定平衡点に達し、さらに媒体がＴ crit／１０以上
に加熱された時、高温度安定点に到達するような、(電
力／温度)関係を回路保護器が持つようになっている。
また回路保護器は上記エージング処理後には、エージン
グされた回路の正常作動状態において０.５×Ｒ dn と
３×Ｒ dn 、好ましくは０.７×Ｒ dn と１.５×Ｒ dn
の間にある抵抗値Ｒ dn／１０を持つようにする。回路
保護器が長期間トリップ状態とされる場合には、上述の
ように特定されたエージングを１００時間行った後でも
保護器が同一状態を維持できるようにすべきである。 【００３１】回路保護器を１０時間、好ましくは１００
時間高温度平衡点に設定し、電流をしゃ断し、実質的に
Ｔ dn 以下に回路保護器を冷却するエージング処理を行
なった場合において、Ｒをオームで表わした保護器の抵
抗、Ｔを保護器の温度とすると、温度がＴn とＴd trip
の間にあるとき量 【数１】 が±５０％以上、好ましくは±２５％以上には変化しな
いようにすることによって回路保護器の動作の均一性が
改良されることを我々は見出した。 【００３２】回路保護器が動作する態様は、部分的には
熱を当該回路保護器から消失させる割合に依存してい
る。この割合は回路保護器の熱伝達係数に依存してお
り、静止空気中での回路保護器の平均全表面に関して測
定したとき、熱伝達係数が２.５ないし６ミリワット／
℃・cm²、好ましくは２.５ないし５ミリワット／℃／cm
²の間にあるべきであることを我々は見出した。回路保
護器の最適の熱的設計は、保護対象の故障条件に依存す
る。大抵の場合保護器は故障に対して出来るだけ早く応
答する必要がある。したがって、回路を熱的過負荷から
保護する場合には、回路保護器を包囲する媒体と回路保
護器とができるだけ良好に接触すべきであり、一方回路
を過剰電流から保護する場合には、回路保護器は熱的に
絶縁されるべきである。熱的過負荷に対して保護する場
合には、回路保護器は過剰な熱が発生する場所と保護器
とが熱的に連結されるべきである。 【００３３】この発明にかかる回路保護装置は、通常、
ＰＴＣ素子と複数個の電極を包囲する電気絶縁用ジャケ
ットを備え、このジャケットはリード線を電極まで挿通
している。このジャケットは、また、この回路保護装置
の熱特性に影響を与えるものであり、このジャケットの
厚みは適宜選定されている。この回路保護装置は、好ま
しくは酸素遮蔽層を設けることが好ましい。 【００３４】この発明の回路は、もう１つの回路保護機
器、たとえば、簡便形のサーモスタットもしくはバイメ
タルスイッチ等を備えており、この回路保護機器は、Ｐ
ＴＣ回路保護器とかその他のものと同様、同一事故に対
して回路を保護するためのものである。簡便形の回路保
護機器およびＰＴＣ回路保護器は同一の事故に対して保
護作用するようになっており、ＰＴＣ回路保護器は、通
常、他の機器あるいは保護器が故障したときにのみ動作
するようになっている。電源装置は、たとえば、直流用
のもので、たとえば、１２Ｖを出力する１個又は数個の
バッテリとか、交流用の１１０Ｖとか２２０Ｖを出力す
るものである。 【００３５】この発明に係る装置の断面図が、図５およ
び図６に示される。図５に示す回路保護器は、円板状の
ＰＴＣ素子１を有しており、このＰＴＣ素子１の対向す
る両側面には丸形のメッシュ電極２が取り付けられてい
る;リード４は、電極２と接続されている;酸素遮蔽層３
はＰＴＣ素子１および電極２を包み込んでおり、リード
４が該遮蔽層３を貫通している。酸素遮蔽層３とＰＴＣ
素子１との境界面は、実質的に大きな空間を有しないよ
うになっている。図６の回路保護器は、図５の回路保護
器とは、各電極は、適宜電力許容値を有する導電性のポ
リマー組成材製の層５内に埋め込まれていることを除い
て、同様のものとなっている。 【００３６】この発明に係る回路保護装置を構成する水
槽ヒータおよび該水槽ヒータの回路図が、それぞれ、図
７および図８に示される。図５に示される回路保護器１
１は巻線ヒータ１２と直列に接続されており、この巻線
ヒータ１２は、中空状のセラミックコア１２２にヒータ
用抵抗線１２１を巻回して構成されている。バイメタル
のサーモスタット１３は、その周りの空気の温度が２５
℃から４５℃までの範囲を越えるときに、ナールドノブ
１３１により開くようになっている。キャパシタ１３２
は、サーモスタット１３と並列に接続されている。プラ
グ１５は、ヒータ１２を作動すべく１２０Ｖの交流電源
装置(図示しない)と接続するようになっている。ランプ
１６および抵抗１７(第７図中には図示しない)は、ヒー
タ１２と回路保護器１１とに並列に接続されており、ラ
ンプ１６はプラグ１５を介して交流電力が供給されて点
灯するようになっている。ランプ１８および抵抗１９
は、回路保護器１１と並列に接続されて、該回路保護器
１１が高温度での平衡状態にあるときに点灯される一
方、水槽ヒータが定常作動状態にあるときには、点灯さ
れないようになっている。 【００３７】上述の種々の構成部品は、下方に延在する
フレーム部材２０１を有する成形されたプラスチック製
のキャップ２０に固定され、これ等構成部品は、ガラス
管ケース２１に挿入されている。このガラス管ケース２
１の先端には、成形されたプラスチック部材２２が取り
付けられ、このプラスチック部材２２はキャップ２０と
組み合わさるようになっており、そしてこのガラス管ケ
ース２１の底部にはガラス繊維１４が入っている。ま
た、このガラス管ケース２１は成形されたプラスチック
リング２３により補強されている。図７および図８に示
す水槽ヒータは、付設される回路保護器１１、ランプ１
８、および抵抗１９を除いて、公知のものと同一のもの
である。上記水槽ヒータの底部が水中に浸されると、こ
のとき、１２０Ｖの交流電源装置と接続され、ヒータ１
２により発生された熱が水に放散され、この結果、サー
モスタット１３は、その周りの空気の温度に応じて開い
たり閉じたりし、また、回路保護器１１は低抵抗状態と
なっている。もし上記水槽ヒータが水から取り出される
と、ガラスケース内の空気が急速に加熱されて、サーモ
スタット１３が正しく作動する。このサーモスタット１
３が開くと、電流は、最早、回路中を流れることができ
ず、回路保護器１１は、低抵抗状態のままとなる。しか
しながら、バイメタルのサーモスタットは全く信頼性に
乏しいので、このサーモスタットが故障でもして、サー
モスタットが閉じることがしばしばある。このことから
解るように、上記水槽ヒータは、回路保護器１１と共働
せずに、もし、サーモスタットが故障すると、ガラスケ
ースが過熱されることになり、この結果、この水槽ヒー
タが再び水に浸されると、該水槽ヒータのガラスケース
が割れ、場合によっては発火する。しかしながら、図７
および図８の水槽ヒータにおいては、たとえバイメタル
のサーモスタットが故障しても、このときには、ケース
内の空気は、回路保護器１１が作動するまで温度上昇
し、よって、回路電流は非常に低いレベルまで減じら
れ、このようなレベルでは、ヒータ１２は多量の熱を発
生しない。 【００３８】 【実施例】この発明を、以下の例にしたがって説明す
る。 実施例１ 図５に示した回路保護器は、前述した特公平１−５１０
４１号公報の例に記載した方法で製作したものである。
回路保護器は、直径（ｄ）１.９１ｃｍで、厚み２.０３
ｍｍインチの円板に形成したＰＴＣ素子を有するもの
で、このＰＴＣ素子の両面に、それぞれ、ニッケル板に
銅メッシュを有する電極が埋め込まれており、両電極間
隔は約１.５２ｍｍ程に適宜形成されている(すなわち、
比d／t は約１２となっている)。上記ＰＴＣ素子は、高
密度のポリエチレンとエチレン／アクリル酸コポリマー
との混合体にカーボンブラックを分散させて構成したも
のである。この回路保護器の抵抗値は、２５℃で約０.
１オーム程であり、また、この回路保護器の最大通過電
流値(Ｉmax)は約２.５アンペア(この回路保護器の２５
℃の静止気体中での値である)。 【００３９】本装置は図７に示すように養魚用水槽に使
用され、水中に設置され１２０ボルトの交流電源に接続
した。巻線抵抗形ヒータの抵抗値は１４４オームであっ
た。水槽中のヒータの底部、すなわち正常な動作条件の
もとでは回路電流は０.８３アンペアであり装置の温度
(Ｔ dn )は５０℃以下であり装置の抵抗(Ｒ dn )は０.
２オーム以下であった。水槽用ヒータは水中から取り出
されて空気中に置かれ故障をシュミレートするためにサ
ーモスタットは常に閉じる位置に設定した。巻線形ヒー
タから生じた熱によって、ガラスケース内の温度は急速
に８０℃(Ｔ crit )に上昇し、その点で装置の抵抗(Ｒd
trip )は０.３オームとなった。装置の温度(Ｔd trip
)は約９０℃となり、Ｉ²Ｒ加熱によって装置が発生す
る熱の割合は装置が消費できる熱の割合を越えた。そし
て装置の温度はＩ²Ｒ加熱によって生じる熱の消費する
高温の平衡状態になるまで急速に上昇した。この点で装
置の温度(Ｔd latch )は約１２５℃で、抵抗値(Ｒd lat
ch )は約７,２００オーム、回路電流は約０.０２アンペ
アとなり巻線形ヒータはもはや顕著な熱を発生しなかっ
た。スイッチング比は約５０であった。そして装置は拘
束状態となり巻線形ヒータは発熱しないにもかかわら
ず、回路電流は極端に低下した。電流を遮断して装置を
室温に低下させることによって水槽用ヒータは元の状態
に復帰した。 【００４０】実施例２ 例１に述べた装置と、この装置に直列接続した１４４オ
ームの抵抗および１２０ボルトの交流電源にてなる回路
に本装置を設置した。この回路は実質的に例１の回路と
同じ電気回路であり、同様の正常作動条件を備えるよう
にした。抵抗の近傍に短絡回路を設置して本装置と直列
の負荷を１オームとして電流を約１２０アンペアに増加
させた。本装置の電力はほぼ瞬間的に約１５００ワット
に上昇し装置が高温となり抵抗値が増加するにしたがっ
て高温度の均衡点に達するまで電力が減少した。例１と
同様にスイッチング比は約５０で本装置は拘束状態とな
った。

【図面の簡単な説明】 【図１】 典型的なＰＴＣ素子の抵抗／温度の関係を示
すグラフである。 【図２】 この発明の典型的な回路例を示す回路図であ
る。 【図３】 この発明に係る典型的な回路保護器の電力／
温度の関係を示すグラフである。 【図４】 この発明に係る典型的な回路保護器の電力／
温度の関係を示すグラフである。 【図５】 この発明にかかる回路保護器の実施例を示す
断面図である。 【図６】 この発明にかかる回路保護器の実施例を示す
断面図である。 【図７】 図５の回路保護器を備えた水槽用ヒータを示
す図である。 【図８】 図７の水槽用ヒータの電気回路図である。 【符号の説明】 １…ＰＴＣ素子 ２…電極 ３…酸素遮蔽層 ４…リード ５…層 １１…回路保護器 １２…巻線ヒータ １３…サーモスタット １４…ガラス繊維 １５…プラグ １６…ランプ １７…抵抗 １８…ランプ １９…抵抗 ２０…キャップ ２１…ガラス管ケース ２２…部材 ２３…リング １２１…ヒータ用抵抗線 １２２…セラミックコア １３１…ナールドノブ １３２…キャパシタ ２０１…フレーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド・フランク・ペテンジル アメリカ合衆国94306カリフォルニア、 パロ・アルト、マルガリタ・アベニュー 233番 (56)参考文献 特公 昭42−13657（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭55−12683（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭64−3322（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−51041（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02H 9/02 G05D 23/24 H01C 7/02

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．電力源と、ＰＴＣ素子を含む第１の回路保護器と、
   上記ＰＴＣ素子に直列に接続されかつインピーダンスＲ
   _Lオームを有する他の回路素子とを備えた保護回路であ
   って、該保護回路は通常の動作状態を有し、上記第１回
   路保護器の周囲が過剰温度となるかまたは該保護回路に
   過剰の電流が流れる故障が起こった時に高温安定動作状
   態に変換され、 （１）上記ＰＴＣ素子は、 （ａ）導電性充填材を、ポリマーに分散させる方法によ
   って調製され、かつ （ｂ）２５℃にて１０オーム・cm以下の抵抗率を有す
   る、ＰＴＣ導電性ポリマーからなり、 （２）上記第１回路保護器は二つの金属平板電極と一定
   厚みの平板ＰＴＣ素子からなり、該ＰＴＣ素子の両側に
   金属平板電極を配してなり、 （３）電極が電力供給源に接続されるときは、行路長さ
   ｔを有する等価直径ｄとすると、電流はｄ／ｔが少なく
   とも１０であるような範囲で上記ＰＴＣ素子を通して流
   れるようになっており、 （４）上記第１回路保護器は２５℃で抵抗値が１オーム
   以下で、 （５）上記保護回路は第２回路保護器を配し、 （６）少なくとも上記第１回路保護器の周囲の過剰温度
   によって上記保護回路が高温安定動作状態に変換される
   時には、高温安定動作状態下での保護回路の電力に対す
   る通常動作状態下での保護回路の電力比、即ちスイッチ
   比が少なくとも８であることを特徴とする保護回路。 ２．上記第２回路保護器がサーモスタットまたはバイメ
   タルスイッチである請求項１記載の保護回路。 ３．上記第１回路保護器および第２回路保護器が同様の
   故障に対して回路を保護しようとする請求項１または請
   求項２に記載の保護回路。 ４．上記第２回路保護器が故障した時第１回路保護器が
   作動する請求項３記載の保護回路。 ５．上記第１回路保護器および第２回路保護器が異なっ
   た故障に対して回路を保護しようとする請求項１または
   請求項２に記載の保護回路。 ６．スイッチ比が少なくとも４０である請求項１乃至５
   のいずれかに記載の保護回路。