JP3970854B2 - 内部の一時的準気密シールを備えるヒューズエレメント - Google Patents

Description

本発明は、可溶導体を備えるヒューズエレメントに関し、可溶導体は、電気絶縁物から成る円筒形の管内の空洞内で管の両端面間を延びており、可溶導体との電気的接触が作り出されるように電気的に導電性材料製のエンドキャップが管の両端部に取り付けられる。

上述したタイプのヒューズエレメントは以前から知られている。例えば、円筒形の管がセラミック材料で構成されており、かつ、円形の円筒形空洞とエッジが丸められた矩形の外形とを有するヒューズエレメントがある。可溶導体は、例えば、端部においてのみ管壁に接触するように空洞内を対角線的に延びるワイヤである。可溶導体のワイヤは、両端部において管の端面周囲を通され、それによって、可溶導体ワイヤの端部は管外壁と係合する。金属製エンドキャップが管両端部に取り付けられる。エンドキャップは、例えば、弾性材料製で、かつ、管端部に押し付けることができ、それによって、押圧工程によりエンドキャップの堅固な嵌着だけでなく可溶導体との電気的接触も保証される。金属のエンドキャップは、接着剤により管端部に固着したり、適切に準備した後に管外壁に溶接したりすることもできる。エンドキャップの堅固な嵌着だけでなく可溶導体との良好な電気的接触を保証する一連のエンドキャップ取り付け技法は公知である。

上述したタイプのヒューズエレメントがあり、そこでは、管内部が空隙を介して管の環境と接続されるように、エンドキャップと管外壁との間に空隙が残る。この場合には、内部空間と環境との間のガス交換がある。内部空間内のガスの加温および膨張が万一発生した場合、比較的迅速な圧力平衡が生じるようにガスが内部空間から流出する。

内部空間が気密的にシールされるようにエンドキャップが管端部に取り付けられるヒューズエレメントもある。これらのエレメントの内部空間は、常圧または減圧下の空気、特殊なガス混合物（例えば、窒素）で満たしたり、真空を含むこともできる。

管内部の可溶導体が破断する（飛ぶ、すなわち、ヒューズが接触を切断する）と、一般にアークが発生する。アークの結果としての供給エネルギーのパルスが、空洞内に存在することがあるガスおよび溶断により蒸発した材料を加熱する。気密的にシールされた空気などの気体が充填されている空洞を備えるヒューズエレメントの場合、アークにより供給されるエネルギーは、ヒューズエレメント内部のガス圧の急で激しい上昇という結果を招く。この圧力は、アークに対するクエンチング（消弧）効果を有し、従って望ましいものである。しかしながら、ヒューズエレメントが外部から、例えば、据付け工程の間に加熱された場合にも内部での圧力上昇が引き起こされることは、内部が気密的にシールされたヒューズエレメントには不利である。そのような加熱は、例えば、ＳＭＤヒューズエレメントをはんだ付けする際に生じる。そのような加熱に関連する管内部での圧力上昇は、ヒューズエレメントの望ましくない応力負荷をもたらし、極端な据付け条件下でのエレメントの損傷を招き得る。

本発明の目的は、可溶導体が万一破断した場合の突然の圧力上昇の利点と、エレメント据付けの間に万一加熱が生じた場合のエレメントの高い信頼性とを兼ね備えるヒューズエレメントを提供することである。

この目的は、請求項１の特徴要件を備えるヒューズエレメントにより解決される。上述したタイプのヒューズエレメントから始めると、アークの発生による空洞内での突然の圧力上昇がアークの消弧に寄与でき、空洞内の圧力変化が非常に緩やかに平衡化されるような小さい断面積の１つ以上の圧力平衡化通路が管内の気体で充たされている空洞とヒューズエレメントの外部環境との間に残るように、少なくとも１つのそれぞれの弾性を有するシールエレメントが、管の両端部において、それぞれのエンドキャップと管の端面との間の空間中へおよび／または端面に隣接する管の空洞の一部へ挿入される。万一突然の圧力変化が短期間で生じた場合、ヒューズエレメントは、あたかも空洞が気密的にシールされているかのように過渡的に（一時的に）振る舞う。これは、本明細書の文脈の中で空洞の一時的準気密シールと呼ばれる。空洞と外部環境との間の圧力平衡化通路の有効断面積および長さは、空洞内での所定の最大圧力上昇が据付けの間に超過されることがないように、空洞の容積および据付けの間に生じる温度勾配に応じて寸法が決められるべきである。これにより、圧力平衡化通路の断面積が最少で、かつ、長さが最大という結果が得られる。他方で、万一遮断が生じた場合の所望の突然の圧力上昇が最初にアークに作用してこれを消弧できるように非常に緩やかに減衰するように、圧力平衡化通路は十分小さくあるべきである。

気体で充たされている空洞および気体が流れる圧力平衡化通路を備えるシステムは、突然の圧力変化を受けた場合に、空洞内で平衡化プロセスを示し、これは電気的な類推で、低域通過挙動の形で近似的にモデル化できる。一次の低域通過の近似のために時間定数が作り出され、これは空洞中の指数関数的に減衰する圧力から導き出される。好ましくは、ヒューズエレメントは、空洞と外部環境との間の差圧の突然の変化の減衰の時間定数が約１０^-2 〜１０ ² 秒となるように寸法が決められるべきである。そのような好ましい寸法を用いると、ＳＭＤ据付け工程において生じる、例えば、２ケルビン／秒にすぎない温度勾配は、受け入れられる程度に低い圧力上昇を空洞内で作り出す。

本発明の一実施形態において、可溶導体はワイヤを含み、このワイヤは、管内の空洞から出て、ワイヤ両端部が管外壁とエンドキャップのそれぞれの内壁との間に配設されるように端面を周り、各エンドキャップ内のシールエレメントは、管の外側断面に一致した形状を有するエンドキャップ中に挿入されたそれぞれのプレート形の弾性を有するシールエレメントを含む。これらのシールエレメントはエンドキャップによって管端面に対して押し付けられ、それによって、可溶導体ワイヤは、押圧されたプレートと端面との間を通り、その結果、挿入されたプレート形のシールエレメントの弾性変形の結果として、管端面、可溶伝導ワイヤおよびシールエレメントの間に非常に小さい圧力平衡化通路が残る。シールエレメントがより強く押圧されればされるほど、ワイヤの両側に残る圧力平衡化通路の断面は小さくなる。

本発明によるヒューズエレメントの好ましい実施形態において、可溶導体は同様にワイヤを含み、このワイヤは、管内の空洞から出て、ワイヤ両端部が管外壁とエンドキャップのそれぞれの内壁との間に配設されるように端面を周り、シールエレメントは、両端部において管内の空洞内へ圧入された少なくとも１つの弾性材料製プラグ状のシールエレメントを含む。空洞内へ導入された弾性材料製プラグは、可溶導体ワイヤの短い部分を管内壁に対して押し付け、その結果、断面積が非常に小さい２つの圧力平衡化通路が、管内壁、ワイヤおよび弾性のある変形されたシールエレメントの間に残る。圧力平衡化通路の断面積は、ワイヤ断面およびシールエレメントの弾性変形によって決まる。

好ましい実施形態において、それぞれの弾性プラスチックプラグが、管両端部において空洞内へ圧入される。プラスチックプラグは、機械的無負荷状態（圧入される前）において、管の内側断面積と同じか若干大きい断面積を有している。挿入されたプラスチックプラグは、可溶導体を管内壁に対して緊密に押し付けて、可溶導体、管内壁およびプラスチックプラグの間に非常に狭隘な圧力平衡化通路のみが残るように、内壁に対して押し付けられた可溶導体の周囲に嵌合する。弾性プラスチックプラグは、例えば、シリコンゴム製で構成される。

本発明のヒューズエレメントにより、可溶導体が万一破断した場合の突然の圧力上昇の利点と、エレメント据付けの間に万一加熱が生じた場合のエレメントの高い信頼性とが提供される。

本発明のさらなる有利かつ好ましい実施形態は、従属請求項で特徴付けられる。次に、本発明を好ましい実施形態を参照してより詳細に説明する。

本発明によるヒューズエレメントの好ましい実施形態が図１Ａおよび１Ｂに例示してある。ヒューズエレメント１は可溶導体２を有しており、この可溶導体は、空洞３をほぼ対角線に横断するように円筒形の管４の内部空洞３内に配置されている。可溶導体は管４の内壁に接触しないので、空洞３内で可溶導体２を対角線に配置することによって、可溶導体の表面に定義された環境条件が作り出される。可溶導体２は、例えば、円形断面を有するワイヤである。代替の実施形態において、可溶導体は、電気絶縁性コア周囲に螺旋状に巻回されたワイヤを有することもできる。可溶導体２は、一緒に導通された複数のワイヤ部分で構成することもできる。管４の端部において、可溶導体は、可溶導体２の端部が管４の外壁に接触したままでいるように、端面周囲を通される。

管４の端部には、電気的に導電性材料製のエンドキャップ、好ましくは金属製のエンドキャップが取り付けられている。エンドキャップは、例えば、黄銅プレートから製造され、その後、すずめっきされる。管４は、例えば、セラミック材料（例えば、ＡＬ₂ Ｏ₃ ）、ガラス材料または何か他の電気絶縁物から製造することができる。好ましい実施形態において、プラスチック管、例えば、ポリアミドコポリマー製の管が用いられ、これはガラス繊維で任意に強化される。管４は円筒形であって、好ましい実施形態においては、図１Ｂに示されるように、円形の円筒形内壁およびエッジが丸められた矩形の外側断面を有している。この実施形態において、可溶導体ワイヤ２は、管４の４つの外面の１つと軸線方向におけるほぼその中心において係合するように、管４の端面周りを通されている。エンドキャップ５は、管４の外側断面よりも若干大きい内側断面を有している。エンドキャップは、可溶導体がその上を通された管４の端部に押圧され、管４上に機械的に強固に設置され、従って、可溶導体２を適正位置に締着するように押込み加工により外側から変形される。可溶導体２とエンドキャップ５との間に確実な電気的接触を作り出すために、可溶導体２とエンドキャップ５の壁との間の位置６にレーザパルスはんだ付けが好ましくは設けられる。好ましい実施形態において、管４は、内径が約２．５ｍｍであり、外寸が約４ｍｍ×４ｍｍ×９．６ｍｍである。エンドキャップは、長さが約２．８ｍｍであり、外径が約４．４ｍｍである。

本発明によれば、それぞれの弾性変形可能な第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７が管４の両端部において空洞３内へ圧入される。弾性プラスチックプラグの外径は、管４の内径に一致するか若干大きい。好ましい実施形態において、プラスチックプラグは、直径が２．５ｍｍで、長さが２ｍｍである。第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７は、プラスチックプラグの全長にわたって可溶導体２を管４の内壁に対して押し付ける。第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７は、比較的容易に変形可能な弾性材料、例えば、シリコンゴムから製造される。図１Ｂの拡大部分図に示されるように、第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７の材料は、可溶導体の周囲に係合し、それによって、小さい圧力平衡化通路１０および１１が管４の内壁との可溶導体２の係合面の両側において可溶導体２に沿って残るように、可溶導体の近傍で変形する。第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７は、可溶導体２を完全に包囲しかつ圧力平衡化通路を全く残さないように、塑性変形および流動する材料から製造することができない。さらに、ヒューズエレメント１の好ましい例示的実施形態においては、小さい第２のシールエレメント（プラスチックプレート）８が、双方のエンドキャップ５内でエンドキャップ５のベースと管４の端面との間に挿入されている。これらのプラスチックプレートは圧縮され、従って、可溶導体２の周りに部分的に係合して可溶導体が管４の端面に係合するように変形される。さらに、第２のシールエレメント（プラスチックプレート）８は、第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７を支持する。第２のシールエレメント（プラスチックプレート）８および第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７は、例えば、同じ材料から製造することができる。

図２は、本発明によるヒューズエレメント１’の代替の実施形態の一部の断面図である。再び可溶導体２’は、管４’内の空洞３’を対角線に通っており、可溶導体２’の端部は管４’の端面周りを通って管４’の外壁と係合している。エンドキャップ５’が管４’の端部に配置されている。エンドキャップの変形により、可溶導体２’の緊密な嵌合および機械的保持が保証される。より良好な電気的接触を作り出すために、レーザパルスはんだ付け接合６’を付加的に設けることができる。

エンドキャップ５’のベースと管４’の端面との間に、エンドキャップのベースと端面とに対して緊密に押し付けられた変形可能な多孔性材料製のプレート９’が配置されている。エンドキャップは、その端部に開口部１２を有しており、この開口部内ではプレート９の一部が露出されている。プレート９の多孔性構造の結果として、材料を適切に選択することにより、開口部１２と内部空間３’との間のプレート９内部に小さい圧力平衡化通路１３が形成される。

本発明の範囲内で多くの代替の実施形態が可能である。例えば、図１に例示される実施形態は、別個の第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）７および第２のシールエレメント（プラスチックプレート）８を一緒に接続して１つのシールエレメントを形成することにより変更できる。シールエレメントを管の一端にのみ取り付け、他端を気密的にシールすることも可能である。図１Ａに例示される実施形態のさらなる変形において、エンドキャップ５は、管４の外壁に密閉的に固定（例えば、接着剤により、または、はんだ付け）し、エンドキャップ中に付加的な孔を設けて圧力平衡化通路を形成することができ、それによって、このケースでは、第２のシールエレメント（プラスチックプレート）８はガス透過性材料からなる。最後に、エンドキャップが管４の端部に気密的に設置され、かつ、圧力平衡化通路が管４の壁中に形成される実施形態も可能である。

本発明によるヒューズエレメントの概略縦断面図である。 図１Ａのヒューズエレメントの概略横断面図である。 本発明によるヒューズエレメントの代替の実施形態を示す。

符号の説明

１ ヒューズエレメント
２ 可溶導体
３ 空洞
４ 管
５ エンドキャップ
６ 接合位置
７ 第１のシールエレメント（プラスチックプラグ）
８ 第２のシールエレメント（プラスチックプレート）

Claims (5)

1. 可溶導体（２）を含むヒューズエレメント（１）であって、可溶導体（２）は、電気絶縁物からなる円筒形の管（４）内の気体で充たされている空洞（３）内で管（４）の両端面間を延びており、可溶導体（２）との電気的接触が作り出されるように２つの電気的に導電性材料製のエンドキャップ（５）が管（４）の両端部に取り付けられてなるヒューズエレメントにおいて、可溶導体（２）が破断により生成されるアークの発生による空洞（３）内での突然の圧力上昇がアークの消弧に寄与でき、空洞（３）内の圧力変化が非常に緩やかに平衡化されるような小さい断面積の１つ以上の圧力平衡化通路（１０，１１）が管（４）内の気体で充たされている空洞（３）とヒューズエレメント（１）の外部環境との間に残るように、第１のシールエレメント（７）が、両端部において管（４）の空洞（３）内へ圧入された少なくとも１つの弾性材料製プラグ状の第１のシールエレメント（７）を含み、少なくとも１つのそれぞれの弾性を有する第２のシールエレメント（８）が、両端部の少なくとも一方において、エンドキャップ（５）と管（４）の端面との間の空間中の一部へ挿入されることを特徴とするヒューズエレメント。
2. 空洞（３）と外部環境との間の差圧の突然の変化の減衰の時間定数は、約１０^-2〜１０² 秒であることを特徴とする請求項１記載のヒューズエレメント。
3. 可溶導体（２）はワイヤを含み、前記ワイヤは、管（４）内の空洞（３）から出て、ワイヤの両端部が管（４）の外壁とエンドキャップ（５）のそれぞれの内壁との間に配設されるように第１のシールエレメント（７）の周りを通ることを特徴とする請求項１または２記載のヒューズエレメント。
4. 各エンドキャップ（５）内の第２のシールエレメント（８）は、管（４）の外側断面に一致した形状を有するエンドキャップ（５）中に挿入されたそれぞれのプレート形の弾性を有する第２のシールエレメント（８）を含むことを特徴とする請求項３記載のヒューズエレメント。
5. それぞれの弾性材料製プラグ状の第１のシールエレメント（７）が管（４）の両端部において空洞（３）内へ圧入され、この弾性材料製プラグ状の第１のシールエレメント（７）は、機械的無負荷状態において、管（４）の内側断面積と同じか若干大きい断面積を有しており、それによって、挿入された弾性材料製プラグ状の第１のシールエレメント（７）は、可溶導体（２）を管（４）の内壁に対して緊密に押し付けて、可溶導体（２）、管（４）の内壁および弾性材料製プラグ状の第１のシールエレメント（７）の間に非常に狭隘な圧力平衡化通路（１０，１１）のみが残るように、内壁に対して押し付けられた可溶導体の周囲に嵌合することを特徴とする請求項４記載のヒューズエレメント。

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