JP3829692B2 - 限流器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、短絡電流を抑制する限流器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図11は、例えば特開平4−266001号公報に示された従来の限流器を示す斜視図で、図12は図11に示す限流器の正面図である。図11と図12において、1は例えばポリエチレンにカーボンブラックまたは金属粒子が混練されたPTC(positive temperature coefficient)素子、2A、2Bは例えば銅で製作された電極、4は例えばエポキシ樹脂で製作された絶縁物製のケース、5は弾性体で例えば板バネ、皿バネ、あるいは有機弾性体が用いられる。電極2A、2BとPTC素子1は弾性体5で加圧され、電極2A、2BとPTC素子1は電気的に接続されている。このような接続を圧接と呼ぶ。電極2A、2Bは図示しない電線に電気的に接続される。
【0003】
次に図11を用い、従来の限流器の動作について説明する。通常の負荷電流は一方の電極2A、PTC素子1、他方の電極2Bを経由して流れる。通常の負荷電流を通電する場合、PTC素子1の温度上昇は低い状態に保たれている。
【0004】
短絡電流が流れると、電極2A、2BとPTC素子1の間の接触抵抗によりPTC素子1が加熱され、PTC素子1の表面層が高抵抗状態に遷移し、短絡電流が抑制される。PTC素子1によって抑制された電流は、図示しない遮断器で遮断される。なお、PTC素子1の表面部は、PTC素子1のポリエチレンの分解温度に達し、特開平4−266001号公報に示されているように、電極2A、2BとPTC素子1の間にアークが発生する。なお、アークは一方の電極とPTC素子1の間で発生する場合と、電極2A、2BとPTC素子1の間で両方とも発生する場合がある。
【0005】
なお、PTC素子1が高抵抗状態に遷移する時、PTC素子1の両端に過電圧が発生する。この過電圧を抑制するため、PTC素子1の両端にアレスターや抵抗器などが接続される場合がある。
【0006】
短絡電流が流れ始めてから前記PTC素子と前記電極の間にアークが発生するまでのジュール積分値(前記PTC素子に流れる電流の二乗を時間積分した値。例えば、新版電気工学ハンドブック(電気学会 昭和63年発行)のp.816に記載されているように、ヒューズの限流動作開始の指標などにジュール積分値が利用されている。)をXとし、短絡電流が流れ始めてから前記PTC素子と直列接続される開閉器が前記PTC素子によって限流された電流を遮断するまでのPTC素子におけるジュール積分値をYとした時、電極2A、2BとPTC素子1の間に接触抵抗が存在するため、従来の限流器ではX<Yとなり、電極2A、2BとPTC素子1の間でアークが発生する。アークが発生すると、電極2A、2BとPTC素子1の間の接触の状態が変化し、元の状態に戻らないため、一度限流動作をした限流器は接触抵抗が増大し、その後の限流波高値と通電性能が変化してしまうという問題点があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、電極2A、2BとPTC素子1の間でアークが発生する現象を防止して、限流動作後における電極2A、2BとPTC素子1の間の接触抵抗を安定化し、限流波高値と通電性能を安定化することにより、信頼性の高い限流器を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る限流器は、PTC素子と、このPTC素子に電流を流すために上記PTC素子の両端部に設けられた電極とを備え、上記PTC素子の上記電極との接続部以外の部分に、切り欠きを設けることにより電流に対する断面縮小部を構成して、上記電極との接続部における電流密度よりも電流密度が高い部分を設けるとともに、前記切り欠きに抵抗体を挿入したものである。
【0009】
また、この発明に係る限流器は、上記に加え、断面縮小部における電流経路が複数となるよう切り欠きを設けたものである。
また、断面縮小部の電流に対する断面積が、電極からPTC素子へ電流が流れ込む部分の総面積の2分の1以下としたものである。
また、電極がPTC素子に熱融着されたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1に本発明の実施の形態1による限流器の構造を示す正面図である。図1において、1は例えばポリエチレンにカーボンブラックまたは金属粒子が混練された板状のPTC素子で、切り欠き1Aが設けられることにより、断面縮小部1Bが形成されている。なお、PTC素子1は円柱状、角柱状など他の形状であってもよい。PTC素子1の斜視図を図2に示す。電極2A、2Bは例えば銅で製作された電極である。4は例えば樹脂で製作された絶縁物製のケース、5は弾性体で例えば板バネ、皿バネ、有機弾性体が用いられる。上記電極2A、2BとPTC素子1は弾性体5で加圧されることにより圧接されている。なお、電極2A、2Bは図3または図4の斜視図で示されるようにPTC素子1の側方に設けられ、弾性体5により電極2A、2BがPTC素子1に圧接されてもよい。
【0011】
これらの限流器において、短絡事故が発生すると、PTC素子1の断面縮小部1Bの電流密度が他の部分、特に電極との接続部よりも高いため、断面縮小部1Bが強く加熱され、高抵抗状態に遷移し、短絡電流が抑制される。PTC素子1によって抑制された電流は、図示しない遮断器で遮断される。断面縮小部1Bは、PTC素子の電極接続部以外の部分に設けられればよい。すなわち、短絡事故が発生し、断面縮小部で発生した熱が、限流動作が開始するまでの時間、例えば1ms程度の間に電極との接続部へほとんど伝わらない距離だけ、断面縮小部1Bと電極接続部が離れていれば良い。この距離は非常に小さいから、結局断面縮小部1Bは、PTC素子の電極接続部以外の部分に設ければ本発明の効果を奏する。
【0012】
断面縮小部1Bがない図11のような従来の限流器において、図1の断面縮小部1B以外の部分の断面積と同一断面積である場合の、短絡電流が流れ始めてから前記PTC素子と前記電極の間にアークが発生するまでのジュール積分値(前記PTC素子に流れる電流の二乗を時間積分した値)をXとし、図1の本発明の実施の形態1による限流器において、短絡電流が流れ始めてから前記PTC素子と直列接続される開閉器が前記PTC素子によって限流された電流を遮断するまでのPTC素子におけるジュール積分値をYとすれば、実施の形態1では、PTC素子1に断面縮小部を設けることにより、Y<Xとなるように本発明では構成されている。すなわち、本発明の実施の形態1による限流器によればアークが発生する前に限流動作が開始し、結局、アークは発生しない構成となっている。
【0013】
以上のように、本発明の実施の形態1による限流器によれば、PTC素子1の電極との接続部以外の部分に断面縮小部を設けることにより、PTC素子1の電極との接続部以外の部分に、電流に作用する単位長当りの電気抵抗値が、PTC素子の電極との接続部直近における電流に作用する単位長当りの電気抵抗値よりも高い部分を設けることにより、PTC素子と電極の間にアークを発生する現象を防止できる。その結果、PTC素子と電極の間の接触抵抗が安定した限流器を得ることができるため、限流性能と通電性能が安定した限流器を得ることができる。
【0014】
また、従来の限流器では、限流動作後における通電性能を確保するため、PTC素子1の断面積を予め大きくしておくことが必要であった。その結果、初回の限流動作時における限流波高値が高くなるため、初回の限流時に素子が破損しやすいという問題点があった。また、初回の限流動作時に素子が破損しない場合でも、初回の限流波高値が高いため、PTC素子1に作用する熱的、機械的応力が高くなり、PTC素子1が破損するまでの限流動作回数が少ないという問題点があった。本発明では、接触抵抗が安定するため、PTC素子1の断面積を予め大きくする必要がないので、初回の限流波高値を2回目の限流動作時における限流波高値と同じにすることができる。その結果、限流動作時におけるPTC素子1の破損を起こし難くできる。
【0015】
また、本発明の限流器では、PTC素子1と電極2A、2Bの間にアークが発生しないため、PTC素子1が損傷しない。従って、限流動作を繰り返してもPTC素子1を破損しにくくすることができる。
【0016】
さらに、実施の形態1では、PTC素子1に断面縮小部を設けるという簡単な構成のため、安価な限流器を得ることができる。
【0017】
実施の形態2.
本発明の実施の形態2による限流器の構成の正面図を図5に示す。実施の形態2では、図5に示すように、断面縮小部1Bが電流に対して並列に複数設けられたものとなるよう切り欠き1Aを設けたをことを特徴とする。
【0018】
このように構成することで、断面縮小部1Bが電流に対して並列に複数あるため、PTC素子1の断面を縮小していない部分の電流分布を均一化できるため、通電性能を高めることができる。
【0019】
実施の形態3.
本発明の実施の形態3による限流器の構成の正面図を図6に示す。実施の形態3では、図6に示すように前記断面縮小部1Bを設けるために形成された切り欠きに電気的絶縁物6を設けたことを特徴とする。
【0020】
実施の形態2による限流器のように、断面縮小部1Aを形成するための切り欠きが空間になっている場合、PTC素子1に曲げ応力が作用すると破損しやすいが、実施の形態3による限流器では、断面縮小部1Aを設けるために形成された切り欠きに電気的絶縁物6を設けたため、PTC素子が補強されるので、破損しにくく信頼性の高い限流器を得ることができる。
【0021】
実施の形態4.
本発明の実施の形態4による限流器の構成の正面図を図7に示す。実施の形態4では、図7に示すように、前記断面縮小部1Bを設けるために形成された切り欠きに抵抗体7を設けたことを特徴とする。
【0022】
従来の限流器では、限流動作時における過電圧を抑制するために、電極2A、2Bの両端に電線を介して抵抗が接続される。このような接続方式では、抵抗回路のインダクタンスが大きくなるため、過電圧を大きく低減することができない。その結果、限流動作時に限流器に注入されるエネルギーが大きくなり、限流器が破損しやすくなる。
【0023】
実施の形態4では、断面縮小部1Bを設けるために形成された切り欠きに抵抗体7を設けたことにより、外部に抵抗を接続する必要がないため、抵抗回路のインダクタンスを顕著に低減できるので、限流動作時に限流器に注入されるエネルギーが小さくなり、限流器が破損しにくくなる。
【0024】
実施の形態5.
本発明の実施の形態5による限流器の構成の断面図を図8に示す。図8において、1は例えばポリエチレンにカーボンブラックまたは金属粒子が混練された円柱状のPTC素子で、切り欠き1Aが形成されることにより、断面縮小部1Bが形成されている。電極2A、2Bは例えば銅で製作された円形の電極である。4は例えばエポキシ樹脂で製作された円筒状の電気的絶縁容器である。5は円形の弾性体で例えば有機弾性体が用いられる。8は円形の端板で、端板8により弾性体5が圧縮され、上記電極2A、2BとPTC素子1は圧接されている。
【0025】
図8のような構成とするために、例えば次のような製造方法がとられる。接着剤で電極2Bとケース4を接着することにより電極2Bとケース4を封止し、PTC素子1、上部電極2A、有機弾性体5を挿入する。この状態では、有機弾性体5は円筒状の電気的絶縁容器4の上面より一部が突出した状態になっている。次に、端板8を加圧し、接着剤で端板8と円筒状の電気的絶縁容器4を接着する。有機弾性体5は、端板8で加圧されることにより弾性変形し、有機弾性体5が上部端子2A、円筒状の電気的絶縁容器4、端板8に加圧押圧されPTC素子1を密封する。
【0026】
また、図9のように、円筒状の電気的絶縁容器4と電極2A、2Bとを接着して密封することもできる。この場合、接着時に電極2A、2BをPTC素子1の側に押し付けるようにした状態で接着することにより、電極2A、2BとPTC素子との電気的接続が確保できる。
【0027】
実施の形態5では、以上のように、前記PTC素子1が外気と遮断されたことを特徴とする。PTC素子1は吸湿すると劣化しやすく、また、硫化水素などの雰囲気ガスと反応すると劣化しやすい。PTC素子1はケース4の内部に設けられ、前記PTC素子1が外気と遮断されたことより、劣化しにくい限流器を得ることができる。
【0028】
なお、これまでの実施の形態1〜5において、PTC素子の端面を金属蒸着などにより、メタライズしてもよい。PTC素子の端面がメタライズされたことにより、PTC素子1と電極2A、2Bの間の接触抵抗は大きく低減する。その結果、PTC素子と電極の間でアークが発生する現象をいっそう確実に防止できる。
【0029】
また、電極を粗面化し、PTC素子に熱融着または圧接してもよい。その結果、PTC素子1と電極2A、2Bの間の接触抵抗は顕著に低減するので、PTC素子と電極の間でアークが発生する現象をいっそう確実に防止できる。
【0030】
実施の形態6.
本発明の実施の形態6による限流器は、PTC素子の断面縮小部の断面積を電極とPTC素子の接続部の面積、すなわち電極からPTC素子へ電流が流れ込む部分の総面積の1/2以下としたことを特徴とする。ここで、電極とPTC素子の接続部の面積、すなわちPTC素子へ電流が流れ込む部分の総面積とは、図1に示した限流器の場合、電極2AとPTC素子1との接続部の面積を意味し、図3に示した限流器の場合、2個の電極2AとPTC素子の接続部の合計の面積を意味する。これにより、電極とPTC素子の接触部に流れる電流の密度をPTC素子の断面縮小部の電流密度の1/2以下に低減できるので、短絡電流が流れ始めてから前記PTC素子と前記電極の間にアークが発生するまでのジュール積分値(前記PTC素子に流れる電流の二乗を時間積分した値)を1/4以下に低減できる。その結果、PTC素子と電極の間でアークが発生する現象を極めて確実に防止できる。
【0031】
実施の形態7.
本発明の実施の形態7による限流器の構成の正面図を図10に示す。これまでの実施の形態では、PTC素子に断面縮小部を設けることによりアークが発生せずに限流動作ができるようにしたが、図10のように、PTC素子の中央部に常温抵抗率が高い層10を設けることによりアーク発生を防止することもできる。この場合、PTC素子と電極の間でアークが発生する前に、PTC素子における常温抵抗率が高い層10が短絡電流を抑制し、この抑制された電流はPTC素子に直列接続された開閉器で遮断される。従って、PTC素子と電極の間でアークが発生する現象が防止される。
【0032】
なお、常温抵抗率が高い層を有するPTC素子は、例えば下記のようにして製作される。まず、常温抵抗率が低いPTC素子を2枚、常温抵抗率が高いPTC素子を1枚製作する、常温抵抗率が低い2枚のPTC素子の間に常温抵抗率が高いPTC素子を設ける。これらを粗面化された電極の間に設け、熱融着することにより本実施の形態の限流器を製作することができる。
【0033】
【発明の効果】
この発明に係る限流器は、PTC素子と、このPTC素子に電流を流すために上記PTC素子の両端部に設けられた電極とを備え、上記PTC素子の上記電極との接続部以外の部分に、切り欠きを設けることにより電流に対する断面縮小部を構成して、上記電極との接続部における電流密度よりも電流密度が高い部分を設けるとともに、前記切り欠きに抵抗体を挿入したので、PTC素子と電極との接続部分でアークが発生しにくくなり、簡単な構造で、PTC素子と電極の間の接触抵抗が安定した限流器を得ることができるとともに、限流動作時に限流器に注入されるエネルギーが小さくなり、破損しにくく信頼性が高いものが得られる。
【0034】
また、この発明に係る限流器は、上記に加え、断面縮小部における電流経路が複数となるよう切り欠きを設けたので、PTC素子の断面を縮小していない部分の電流分布を均一化できるため、通電性能を高めることができる。
【0035】
また、断面縮小部の電流に対する断面積が、電極からPTC素子へ電流が流れ込む部分の総面積の2分の1以下としたので、アークの発生をより確実に防止することができ、より信頼性の高いものを提供できる。
【0036】
また、電極をPTC素子に熱融着したので、PTC素子と電極の間の接触抵抗が顕著に低減し、PTC素子と電極の間でアークが発生する現象をいっそう確実に防止することができ、より信頼性の高いものを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による限流器を示す正面図である。
【図2】 この発明の実施の形態1によるPTC素子を示す斜視図である。
【図3】 この発明の実施の形態1による電極部の一実施例を示す斜視図である。
【図4】 この発明の実施の形態1による電極部の他の実施例を示す斜視図である。
【図5】 この発明の実施の形態2による限流器を示す正面図である。
【図6】 この発明の実施の形態3による限流器を示す正面図である。
【図7】 この発明の実施の形態4による限流器を示す正面図である。
【図8】 この発明の実施の形態5による限流器を示す断面図である。
【図9】 この発明の実施の形態5による限流器の他の実施例を示す断面図である。
【図10】 この発明の実施の形態7による限流器を示す正面図である。
【図11】 従来の限流器を示す斜視図である。
【図12】 従来の限流器のPTC素子を示す正面図である。
【符号の説明】
1 PTC素子、1A 切り欠き、1B 断面縮小部、2A、2B 電極
6 電気的絶縁物、7 抵抗体
Claims (4)
- PTC素子と、このPTC素子に電流を流すために上記PTC素子の両端部に設けられた電極とを備えた限流器において、上記PTC素子の上記電極との接続部以外の部分に、切り欠きを設けることにより電流に対する断面縮小部を構成して、上記電極との接続部における電流密度よりも電流密度が高い部分を設けるとともに、前記切り欠きに抵抗体を挿入したことを特徴とする限流器。
- 断面縮小部における電流経路が複数となるよう切り欠きを設けたことを特徴とする請求項1記載の限流器。
- 断面縮小部の電流に対する断面積が、電極からPTC素子へ電流が流れ込む部分の総面積の2分の1以下としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の限流器。
- 電極がPTC素子に熱融着されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の限流器。
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