JP4464032B2 - 温度保護素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば家電製品等の電気機器の回路を構成し、周辺の環境温度が所定の温度を越えると回路への通電を解除して当該電気機器の安全を確保するための温度保護素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ほとんどの家電製品には、周辺の環境温度が限界値を越えると回路への通電を解除して機器の安全を確保する温度保護素子が使用されている。こういった類の温度保護素子としては、比較的安価な筒形ヒューズ、つめ付きヒューズ、プラグヒューズ等があるが、これらは一般的に定格電流が小さいため（２Ａ（アンペア）程度）、例えば電子レンジのように使用する回路電流が比較的大きな（１５〜２０Ａ程度）家電製品には使用することができない。そこで、こういった家電製品には、バイメタルを使ったブレーカを温度保護素子として代用している場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このバイメタルタイプのブレーカは部品点数が多く構造が複雑で、上記のような各種ヒューズと比較して非常に高価であり、家電製品の製造コストを引き上げる一因となっている。
【０００４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、構造が単純で安価に調達可能な温度保護素子を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。
すなわち本発明の温度保護素子は、導電性ポリマーと、該導電性ポリマーを挟んで配設された２つの電極とを備え、該２つの電極間で前記導電性ポリマーを介して通電した状態を、周辺の環境温度が所定の温度を超過することを契機として切断する温度保護素子であって、
前記導電性ポリマーに、前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張して抵抗値を変化させる特性が与えられるとともに、熱膨張後の抵抗値がその他の箇所よりも小さく、前記通電による電流が集中することで焼失して前記２つの電極間の接続を断つ小抵抗部が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
導電性ポリマーは、例えばポリエチレンとカーボンブラックとを混練した後、放射線によって架橋することで構成される高分子樹脂体である。導電性ポリマーの内部には、常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、良好な導電性が発揮される。ところが、周囲の環境温度の上昇や導電パスを流れる電流の超過等によって導電性ポリマーが熱膨張すると、カーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切られ、導電性が急激に低下してしまう（抵抗値が急激に増大する）。これを導電性ポリマーの正の抵抗温度特性、すなわちＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）といい、本発明ではこの特性を利用している。
【０００７】
まず、本発明の温度保護素子を、電気機器の回路に、２つの電極間に通電されるようにして設置する。常温の環境下でこの回路に所定の電流が流れると、導電性ポリマーは良好な導電性を発揮し、回路の通電状態が確保される。
【０００８】
電気機器の過熱等の原因で本発明の温度保護素子を含む回路周辺の環境温度が上昇し、あらかじめ設定された限界温度（所定の温度）を超えると、導電性ポリマーは周囲から伝わる熱に影響されて膨張し、内部の導電パスが切られて抵抗値を急激に増大させる。このとき、小抵抗部とその他の箇所との間で抵抗値に差が生じ、比較的抵抗値の小さい小抵抗部に電流が集中して非常に高い電圧が印可され、この部分を過熱させる。やがて、過熱した小抵抗部が焼失して２つの電極間の接続が不可逆的に断たれる。
【０００９】
本発明の温度保護素子は上記のように機能して電気機器の安全を確保するのであるが、その構造は、導電性ポリマーと、該導電性ポリマーを挟んで配設された２つの電極とからなり、バイメタルタイプのブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純で、製造コストもかなり安価に抑えられる。
【００１０】
本発明においては、小抵抗部を、導電性ポリマーへの放射線の照射量をその他の箇所よりも少なくすることにより形成するのが望ましい。放射線の照射量を調整することにより、導電性ポリマーのＰＴＣ特性に様々な性格付けをする技術は既に確立されており、小抵抗部およびその他の箇所のそれぞれに、明確な差をもったＰＴＣ特性を与えることが可能である。これにより、小抵抗部が熱膨張を開始する温度や焼失する時期等を的確に設定することができる。
【００１１】
本発明においては、小抵抗部を、導電性ポリマーを圧迫することにより形成してもよい。小抵抗部については、放射線の照射量を減らしたり照射を行わなかったりすることで必要なＰＴＣ特性を与える以外に、導電性ポリマーを圧迫し、物理的に熱膨張を抑制して抵抗値の増大を抑えることも可能である。これによると、温度保護素子を製作するにあたって作業が簡略化されるので、製造コストの削減が可能である。
【００１２】
本発明においては、小抵抗部を、耐火材により被覆することが望ましい。小抵抗部は電流が集中すると一瞬のうちに燃焼するが、その際高熱を発するので、耐火材でその熱の周囲への発散を防ぐことにより、本発明の温度保護素子が設置された回路その他の構造物の損傷が未然に防止される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
本発明の温度保護素子の第１の実施形態を図１ないし図３に示して説明する。図１および図２において、符号１はポリマーＰＴＣ素子、２，３はポリマーＰＴＣ素子１に通電可能に接合された端子である。ポリマーＰＴＣ素子１は、端子２を接合される第１の分割体１Ａと、端子３を接合される第２の分割体１Ｂと、第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂの間に配置されて金属製のジャンパーリード４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂを介して通電可能に接合される第３の分割体１Ｃの３つのパートに分けられている。こららはすべてが耐火性のセラミックケース６に収められており、端子２，３の脚の部分のみがセラミックケース６から突き出している。
【００１４】
ポリマーＰＴＣ素子１は、いずれの分割体も厚さが均一な導電性ポリマーの生板の両面に、電極となるニッケル箔をそれぞれ圧着したワークを切り出したものである。ポリマーＰＴＣ素子１を構成する第１の分割体１Ａは、矩形で板状の導電性ポリマー７と、この導電性ポリマー７と同形状、同寸法でその両側面に接合された金属製の電極８ａ，８ｂからなる。第２の分割体１Ｂは、第１の分割体１Ａと全く同じ形状、同じ構造で、導電性ポリマー９と電極１０ａ，１０ｂとからなる。第３の分割体１Ｃは、第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂのそれと比較すると明らかに小さい導電性ポリマー１１と、この導電性ポリマー１１と同形状、同寸法でその両側面に接合された金属製の電極１２ａ，１２ｂからなる。
【００１５】
すべての導電性ポリマー７，９，１１は、例えばポリエチレンとカーボンブラックとを混練した後、放射線によって架橋することで構成される高分子樹脂体である。導電性ポリマーの内部には、常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、良好な導電性が発揮されるが、周囲の環境温度の上昇や導電パスを流れる電流の超過等によって導電性ポリマーが熱膨張すると、カーボンブラックの粒子間距離が拡大して導電パスが切られ、導電性が急激に低下してしまう（抵抗値が急激に増大する）という特性を備えている。
【００１６】
端子２は、第１の分割体１Ａの一方の電極８ａに通電可能に接合され、端子３は、第２の分割体１Ｂの他方の電極１０ｂに通電可能に接合されている。これらは本実施形態の温度保護素子を電気回路中に設置する際の接続端子となる。
【００１７】
第１、第２、第３の分割体１Ａ，１Ｂ，１Ｃはすべて同一面内に配置されている。さらに、第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂはそれぞれの一辺を平行に離間させて配置されており、第３の分割体１Ｃは、これら第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂからほぼ等しく離間した位置に配置されている。
【００１８】
第１の分割体１Ａおよび第３の分割体１Ｃは、第１の分割体１Ａの一方の電極８ａと第３の分割体１Ｃの一方の電極１２ａとの間に架設されたジャンパーリード４ａ、および第１の分割体１Ａの他方の電極８ｂと第３の分割体１Ｃの他方の電極１２ｂとの間に架設されたジャンパーリード４ｂによって通電可能に接続されている。
【００１９】
第２の分割体１Ｂおよび第３の分割体１Ｃは、第２の分割体１Ｂの一方の電極１０ａと第３の分割体１Ｃの一方の電極１２ａとの間に架設されたジャンパーリード５ａ、および第２の分割体１Ｂの他方の電極１０ｂと第３の分割体１Ｃの他方の電極１２ｂとの間に架設されたジャンパーリード５ｂによって通電可能に接続されている。
【００２０】
上記のような構成の温度保護素子が、周辺の環境温度があらかじめ設定された限界温度を超過することを契機として、自らが設置された電気回路の通電状態を解除するべく機能するように、ポリマーＰＴＣ素子１の各分割体１Ａ，１Ｂ，１Ｃを構成する導電性ポリマー７，９，１１にはそれぞれ次のような特性が与えられている。
【００２１】
すべての導電性ポリマー７，９，１１には、定格電流であるｑＡの通電によりわずかな抵抗を生じ、環境温度が限界温度を超過すると周囲から伝わる熱の影響を受けて膨張してその抵抗値を増大させる特性が与えられている。
【００２２】
さらにいえば、第１の分割体１Ａを構成する導電性ポリマー７、および第２の分割体１Ｂを構成する導電性ポリマー９は、熱膨張後の抵抗値が非常に大きく、第３の分割体１Ｃを構成する導電性ポリマー１１は、導電性ポリマー７，９と比較して熱膨張後の抵抗値が小さくなるような特性が与えられている（図３参照、導電性ポリマー１１が本発明でいうところの小抵抗部となる）。
このような特性は、導電性ポリマー中のカーボンブラックの含有量や架橋の際の放射線の照射量を適宜調節することにより与えられる。
【００２３】
上記のように構成され、かつポリマーＰＴＣ素子１の各分割体１Ａ，１Ｂ，１Ｃを構成する導電性ポリマー７，９，１１に上記のような特性を与えられた温度保護素子を、端子２，３間に通電がなされるようにして電気機器の回路に設置し、常温の環境下でこの回路に定格電流を通電すると、電流は三方に分かれて並列に流れる。ひとつの流れは端子２、電極８ａ、導電性ポリマー７、電極８ｂ、ジャンパーリード４ｂ、電極１２ｂ、ジャンパーリード５ｂ、電極１０ｂ、端子３を順（もしくはその逆）に辿る。もうひとつの流れは端子２、電極８ａ、ジャンパーリード４ａ、電極１２ａ、ジャンパーリード５ａ、電極１０ａ、導電性ポリマー９、電極１０ｂ、端子３を順（もしくはその逆）に辿る。さらにもうひとつの流れは端子２、電極８ａ、ジャンパーリード４ａ、電極１２ａ、導電性ポリマー１１、電極１２ｂ、ジャンパーリード５ｂ、電極１０ｂ、端子３を順（もしくはその逆）に辿る。すべての導電性ポリマー７，９，１１は、常温の環境下では良好な導電性を発揮し、回路の通電状態が確保される。
【００２４】
電気機器の過熱等の原因で温度保護素子を含む回路周辺の環境温度が上昇し、あらかじめ設定された限界温度を超えると、すべての導電性ポリマー７，９，１１は周囲から伝わる熱に影響されて膨張し、内部の導電パスが切られて抵抗値を増大させる。このとき、導電性ポリマー１１と導電性ポリマー７，９との間で抵抗値に差が生じ、比較的抵抗値の小さい導電性ポリマー１１に電流が集中して非常に高い電圧が印可され、この部分の導電性ポリマー１１を過熱させる。やがて、過熱した導電性ポリマー１１が電極１２ａ，１２ｂやジャンパーリード４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂもろとも焼失して第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂ間が離断し、端子２，３間の接続が不可逆的に断たれる。
【００２５】
本実施形態の温度保護素子は、上記のように機能して限界温度を超えた電気機器の安全を確保するのであるが、その構造は、２つの電極の間に導電性ポリマーを介在させたポリマーＰＴＣ素子１の３つの分割体１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、これらを通電可能に接続するジャンパーリード４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂとからなり、バイメタルタイプのブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純なので、製造コストも安価に抑えられる。
【００２６】
本実施形態の温度保護素子においては、導電性ポリマー１１に、端子２，３間に定格値をはるかに超える過剰な電流が流れたときに熱暴走して焼失する特性を追加して与えてもよい。このような特性を追加すれば、温度保護素子を含む回路に、たとえ常温の環境下であっても何らかの原因で過電流が流れると、導電性ポリマー１１がジュール熱による自己発熱を生じて熱膨張し、さらに過熱した導電性ポリマー１１が熱暴走して焼失して第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂ間が離断し、端子２，３間の接続が不可逆的に断たれる。つまり、本来の温度保護素子としての機能に加えて過電流保護素子としての機能が付加されるので、汎用性が格段に高まる。
【００２７】
ところで、本実施形態においては温度保護素子を覆うセラミックケースを設けたが、これについては必要がなければ省略した構成としてもよい。
【００２８】
［第２の実施形態］
本発明の温度保護素子の第２の実施形態を図４および図５に示して説明する。なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図４および図５において、符号１３はポリマーＰＴＣ素子、１４，１５はポリマーＰＴＣ素子１２の２つの電極にそれぞれ通電可能に接合された端子である。平面視するとＨ字形をなす導電性ポリマー１６と、導電性ポリマー１６と同形状、同寸法でその両側面に接合された金属製の電極１７，１８とからなるが、機能的には、端子２を接合される第１の部位１３Ａ、端子３を接合される第２の部位１３Ｂ、第１、第２の部位１３Ａ，１３Ｂの中間に位置する第３の部位１３Ｃの３つに分かれて構成されている。
【００２９】
ポリマーＰＴＣ素子１３を構成する第１の部位１３Ａは、それだけでは矩形で板状をなしている。第２の部位１３Ｂは、第１の部位１３Ａと全く同じ形状をなしている。第３の分割体１３Ｃは、第１、第２の分割体１３Ａ，１３Ｂと比較すると明らかに小さく、第１、第２の分割体１３Ａ，１３Ｂ間に架設されるごとく一体に形成されている。
【００３０】
端子１４は、第１の部位１３Ａを構成する電極１７に通電可能に接合され、端子１５は、第２の部位１３Ｂを構成する電極１８に通電可能に接合されている。これらは本実施形態の温度保護素子を電気回路中に設置する際の接続端子となる。
【００３１】
上記のような構成の温度保護素子が、周辺の環境温度があらかじめ設定された限界温度を超過することを契機として、自らが設置された電気回路の通電状態を解除するべく機能するように、ポリマーＰＴＣ素子１３を構成する導電性ポリマー１６には、各部位１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃごとに、上記第１の実施形態におけるポリマーＰＴＣ素子１の各分割体１Ａ，１Ｂ，１Ｃを構成する導電性ポリマー７，９，１１にそれぞれ相当する特性が与えられている。すなわち、第１、第２の部位１３Ａ，１３Ｂに存在する導電性ポリマー１６は熱膨張後の抵抗値が非常に大きく、第３の部位１３Ｃに存在する導電性ポリマー１６は、第１、第２の部位１３Ａ，１３Ｂのそれと比較して熱膨張後の抵抗値が小さくなるような特性が与えられている（図３参照、第３の部位１３Ｃに存在する導電性ポリマー１６が本発明でいうところの小抵抗部となる）。
【００３２】
このような特性は、第３の部位１３Ｃに、電極１７，１８の外側から、導電性ポリマー１６を常時圧迫する付勢手段１９を設けることにより与えられる。圧迫された導電性ポリマー１６は、熱膨張したとしてもその部分だけが膨張しないように押さえ込まれ、カーボンブラック粒子間の導電パスが切られず残って抵抗値の増大が抑制される。この場合の付勢手段１９には、第３の部位１３Ｃを取り巻いて内側に圧迫するカシメ環、同じく第３の部位１３Ｃを取り巻いて内側に圧迫するとともに耐火材としての働きをするセラミック糸等が採用される。
【００３３】
上記のように構成され、かつポリマーＰＴＣ素子１３を構成する導電性ポリマー１６に上記のような特性を与えられた温度保護素子を、端子１４，１５間に通電がなされるようにして電気機器の回路に設置し、常温の環境下でこの回路に定格電流を通電すると、電流は端子１４から電極１７に流れ、電極１７全面に広がり、導電性ポリマー１６、電極１８、端子１５の順（もしくはその逆）に流れる。導電性ポリマー１６は、常温の環境下では良好な導電性を発揮し、回路の通電状態が確保される。
【００３４】
電気機器の過熱等の原因で温度保護素子を含む回路周辺の環境温度が上昇し、あらかじめ設定された限界温度を超えると、導電性ポリマー１６は周囲から伝わる熱に影響されて膨張し、内部の導電パスが切られて抵抗値を増大させる。このとき、第１、第２の部位１３Ａ，１３Ｂに存在する導電性ポリマー１６と、第３の部位１３Ｃに存在する導電性ポリマー１６との間で抵抗値に差が生じ、比較的抵抗値の小さい第３の部位１３Ｃの導電性ポリマー１６に電流が集中して非常に高い電圧が印可され、この部分の導電性ポリマー１６を過熱させる。やがて、過熱した導電性ポリマー１６が第２の部位に存在する電極１７，１８もろとも焼失して第１、第２の部位１３Ａ，１３Ｂ間が離断し、端子１４，１５間の接続が不可逆的に断たれる。
【００３５】
本実施形態の温度保護素子は、上記のように機能して限界温度を超えた電気機器の安全を確保するのであるが、その構造は、２つの電極１７，１８間に導電性ポリマー１６を介在させたポリマーＰＴＣ素子１３と、第３の部位１３Ｃを圧迫する例えばカシメ環やセラミック糸等の付勢手段１９とからなり、バイメタルタイプのブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純なので、製造コストも安価に抑えられる。
【００３６】
本実施形態の温度保護素子においても、第３の部位１３Ｃに存在する導電性ポリマー１６に、端子１４，１５間に定格値をはるかに超える過剰な電流が流れたときに熱暴走して焼失する特性を追加して与えてもよい。これによっても、本来の温度保護素子としての機能に加えて過電流保護素子としての機能が付加されるので、汎用性が格段に高まる。
【００３７】
ところで、本実施形態では、第３の部位１３Ｃに存在する導電性ポリマー１６を付勢手段１９によって圧迫したが、例えば図６および図７に示すように、第３の部位１３Ｃの電極１７，１８を内側に組成変形させて凹み２０を形成し、両電極１７，１８間に存在する導電性ポリマー１６を、凹み２０，２０で挟んで圧迫するように構成してもよい。この場合、部品点数がさらに少なくなるので大きなコスト削減効果が期待できる。
また、第３の部位１３Ｃに圧を加えるのではなく、この部分に存在する導電性ポリマー１６への放射線の照射量を第１、第２の部位１３Ａ，１３Ｂよりも少なくして、上記第１の実施形態のごとく構成しても構わない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１記載の温度保護素子によれば、導電性ポリマーと、該導電性ポリマーを挟んで配設された２つの電極とからなり、、バイメタルタイプのブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純なので、安価な製造コストを実現できる。
【００３９】
請求項２記載の温度保護素子によれば、導電性ポリマーへの放射線の照射量をその他の箇所よりも少なくして小抵抗部を形成することにより、小抵抗部が熱膨張を開始する温度や焼失する時期等を的確に設定することができる。
【００４０】
請求項３記載の温度保護素子によれば、導電性ポリマーを圧迫して小抵抗部を形成することにより、温度保護素子を製作するにあたって作業が簡略化されるので、製造コストのさらなる削減が可能である。
【００４１】
請求項４記載の音素保護素子によれば、小抵抗部を耐火材により被覆することにより、小抵抗部が焼失する際に発する熱の周囲への発散を防ぎ、回路その他の構造物の損傷を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の温度保護素子の第１の実施形態を示す図であって、温度保護素子を平面視した図である。
【図２】 図１におけるII-II線矢視断面図である。
【図３】 （ａ）はポリマーＰＴＣ素子１を構成する第１、第２の分割体１Ａ，１Ｂにおける環境温度と抵抗値との関係を示すグラフ、（ｂ）は第３の分割体１Ｃにおける環境温度と抵抗値との関係を示すグラフである。
【図４】 本発明の温度保護素子の第２の実施形態を示す図であって、付勢手段１９を備える温度保護素子を平面視した図である。
【図５】 図４におけるV-V線矢視断面図である。
【図６】 上記第２の実施形態の変形例を示す図であって、電極１７，１８を組成変形させた温度保護素子を平面視した図である。
【図７】 図６におけるVII-VII線矢視断面図である。
【符号の説明】
１ ポリマーＰＴＣ素子
１Ａ 第１の分割体
１Ｂ 第２の分割体
１Ｃ 第３の分割体
２，３ 端子
６ セラミックケース
７，９，１１ 導電性ポリマー
８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ 電極

Claims (4)

1. 導電性ポリマーと、該導電性ポリマーを挟んで配設された２つの電極とを備え、該２つの電極間で前記導電性ポリマーを介して通電した状態を、周辺の環境温度が所定の温度を超過することを契機として切断する温度保護素子であって、
   前記導電性ポリマーに、前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張して抵抗値を変化させる特性が与えられるとともに、熱膨張後の抵抗値がその他の箇所よりも小さく、前記通電による電流が集中することで焼失して前記２つの電極間の接続を断つ小抵抗部が設けられていることを特徴とする温度保護素子。
2. 前記小抵抗部が、前記導電性ポリマーへの放射線の照射量を前記その他の箇所よりも少なくすることにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の温度保護素子。
3. 前記小抵抗部が、前記導電性ポリマーを圧迫することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の温度保護素子。
4. 前記小抵抗部が、耐火材により被覆されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の温度保護素子。

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