JP4842004B2

JP4842004B2 - 直撃雷用ｓｐｄ

Info

Publication number: JP4842004B2
Application number: JP2006116944A
Authority: JP
Inventors: 健七郎三島; 佳康古賀; 健治木本
Original assignee: Otowa Electric Co Ltd
Current assignee: Otowa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: JP2007288114A

Description

本発明は、酸化亜鉛形バリスタを内蔵し、直撃雷によるサージ電圧を酸化亜鉛形バリスタで吸収してその直撃雷から電気機器を保護する直撃雷用ＳＰＤに関する。

例えば直撃雷などによる雷害を防止する目的から、単相交流電路において電気機器と大地間に、直撃雷による過渡的な過電圧を制限してサージ電流を分流するデバイスとしてサージ防護デバイス（Surge Protective Device：ＳＰＤ）が設置されている。この直撃雷用ＳＰＤとしては、酸化亜鉛形バリスタを内蔵させた構造のものがある。

この酸化亜鉛形バリスタは、直撃雷によるサージが繰り返し入力されると、その入力レベルによっては経時的に劣化する。酸化亜鉛形バリスタが劣化すると、漏れ電流が増加して発熱し、熱暴走による発煙発火の原因となる。また、酸化亜鉛バリスタの劣化により、その酸化亜鉛形バリスタの定格耐量を大幅に超えた過大サージによって、酸化亜鉛形バリスタが瞬時に短絡して周囲の電気機器を破損する原因となる。

このことから、直撃雷用ＳＰＤでは、酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止すると共に、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタの瞬時短絡を防止する機能を備えたものが望ましい。

この酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止すると共に、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタの瞬時短絡を防止する機能を発揮するものとして、耐雷素子用の保護ヒューズが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この保護ヒューズは、酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止する温度ヒューズ機能と、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタの瞬時短絡を防止する電流ヒューズ機能とを兼ね備えたものである。

この特許文献１で開示された保護ヒューズを内蔵した直撃雷用ＳＰＤでは、酸化亜鉛形バリスタが劣化して自己発熱により温度が上昇すると、保護ヒューズが溶断することにより酸化亜鉛形バリスタを主回路から切り離すようにしている。また、定格耐量を超えた過大サージによりサージ電流が流れた場合も、保護ヒューズが溶断することにより、その酸化亜鉛形バリスタを主回路から切り離すようにしている。
特開２００３−１９７０８０号公報

ところで、前述した従来の直撃雷用ＳＰＤでは、酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止する温度ヒューズ機能と、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタの瞬時短絡を防止する電流ヒューズ機能とを兼ね備えた保護ヒューズを内蔵させたものである。

しかしながら、酸化亜鉛形バリスタの切り離し機能、つまり、酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止する温度ヒューズ機能と、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタの瞬時短絡を防止する電流ヒューズ機能からなる二つの切り離し機能を一つの保護ヒューズに持たせた場合、その保護ヒューズ自体の機械的強度が低いことから、直撃雷用ＳＰＤのように放電エネルギーの非常に大きなサージ電流では電磁力や自己発熱による温度上昇により、酸化亜鉛形バリスタの定格耐量内でも保護ヒューズが溶断してしまうことが生じ、過大サージに対して安定した遮断性能を発揮させることが困難になる可能性がある。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、放電エネルギーの非常に大きなサージ電流で電磁力や自己発熱による温度上昇があっても、過大サージに対して安定した遮断性能を発揮させ得る直撃雷用ＳＰＤを提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、酸化亜鉛形バリスタを一対の端子間に接続し、酸化亜鉛形バリスタといずれか一方の端子間に、酸化亜鉛形バリスタと端子間を切り離し可能とする分離器を接続した直撃雷用ＳＰＤであって、分離器は、酸化亜鉛形バリスタの劣化による発熱で溶断し、かつ、定格耐量以下のサージ電流で自己発熱により溶断しない低溶融金属からなる温度ヒューズと、その温度ヒューズに直結され、かつ、酸化亜鉛形バリスタの定格耐量を超えた限界耐量で切離される切り離し導体とを一直線上に配置し、その切り離し導体は、表示器を連結するために切り離し導体と交差する方向に引張力を弾性的に付勢するばねを引っ掛け係止するスリットが長手方向に沿って形成された短冊状薄板で構成されていることを特徴とする。

本発明では、酸化亜鉛形バリスタの劣化による発熱で溶断し、かつ、定格耐量以下のサージ電流で自己発熱により溶断しない低溶融金属からなる温度ヒューズと、その温度ヒューズに直結され、かつ、酸化亜鉛形バリスタの定格耐量を超えた限界耐量で切離される切り離し導体とで分離器を構成したことにより、酸化亜鉛形バリスタの熱暴走による発煙発火を防止する温度ヒューズ機能を前述の温度ヒューズに持たせ、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタの瞬時短絡を防止する電流ヒューズ機能を前述の切り離し導体に持たせるようにしている。

このように温度ヒューズ機能と電流ヒューズ機能からなる二つの切り離し機能を温度ヒューズと切り離し導体で機能分離したことにより、機械的強度が低く、かつ、強度的ばらつきが大きい低溶融金属からなる温度ヒューズについては温度ヒューズ機能のみを持たせることに限定できるので、機械的強度に余裕のある温度ヒューズの選定が容易となり、過大サージに対して安定した遮断性能を発揮させることが容易となる。

また、本発明は、前述した構成において、酸化亜鉛形バリスタを密閉ケース内に収容すると共にその密閉ケースから一対の端子を導出し、分離器の温度ヒューズを酸化亜鉛形バリスタ側に接続すると共に切り離し導体を端子側に接続し、温度ヒューズおよび切り離し導体からなる分離器を、密閉ケース内の酸化亜鉛形バリスタと隣接する空間に収納配置した構造とすることが望ましい。

このように、酸化亜鉛形バリスタに温度ヒューズを直結し、かつ、その温度ヒューズを密閉ケース内の酸化亜鉛形バリスタと隣接する空間に収納配置すれば、酸化亜鉛形バリスタの劣化により生じた熱を温度ヒューズに効率よく伝達することが容易となってその温度ヒューズの温度設定を高くすることが可能となる。

さらに、本発明は、前述した構成において、温度ヒューズと切り離し導体を一直線上に配置し、その切り離し導体と交差する方向に引張力を弾性的に付勢するばねを介して表示器を切り離し導体に連結し、温度ヒューズの溶断あるいは切り離し導体の切離のいずれか一方の動作時にばねの引張力により表示器をその引張力の作用方向に変位させるようにした構造が望ましい。

このように、温度ヒューズと切り離し導体を一直線上に配置した方向と交差する方向に引張力を切り離し導体に付勢し、その引張力でもって表示器を変位させることで温度ヒューズの溶断あるいは切り離し導体の切離のいずれか一方の動作を表示させることにより、機械的強度が高い切り離し導体に引張力を分担させるようにすれば、機械的強度が低い温度ヒューズに大きな引張力が直接的に作用して不所望な応力が加わることなく、温度ヒューズの正常動作を確保することができる。

本発明によれば、温度ヒューズ機能と電流ヒューズ機能からなる二つの切り離し機能を温度ヒューズと切り離し導体で機能分離したことにより、機械的強度が低く、かつ、強度的ばらつきが大きい低溶融金属からなる温度ヒューズについては温度ヒューズ機能のみを持たせることに限定できるので、機械的強度に余裕のある温度ヒューズの選定が容易となり、過大サージに対して安定した遮断性能を発揮させることが容易となり、信頼性の高い直撃雷用ＳＰＤを提供することができる。

また、酸化亜鉛形バリスタに温度ヒューズを直結し、かつ、その温度ヒューズを密閉ケース内の酸化亜鉛形バリスタと隣接する空間に収納配置すれば、酸化亜鉛形バリスタの劣化により生じた熱を温度ヒューズに効率よく伝達することが容易となってその温度ヒューズの温度設定を高くすることが可能となり、直撃雷用ＳＰＤの設計が容易となる。

さらに、温度ヒューズと切り離し導体を一直線上に配置した方向と交差する方向に引張力を切り離し導体に付勢し、その引張力でもって表示器を変位させることで温度ヒューズの溶断あるいは切り離し導体の切離のいずれか一方の動作を表示させることにより、機械的強度が高い切り離し導体に引張力を分担させるようにすれば、機械的強度が低い温度ヒューズに大きな引張力が直接的に作用して不所望な応力が加わることなく、温度ヒューズの正常動作を確保することができ、直撃雷用ＳＰＤの信頼性を向上させることができる。

図１は本発明の実施形態における直撃雷用ＳＰＤの基本回路構成を示す。

この実施形態の直撃雷用ＳＰＤは、同図に示すようにＺｎＯを主成分とする耐雷素子である酸化亜鉛形バリスタ１０と、温度ヒューズ２２および切り離し導体２４からなる分離器２０とを一対の端子３０ａ，３０ｂ間に直列に接続したものであり、その分離器２０による酸化亜鉛形バリスタ１０の切り離し動作でもって酸化亜鉛形バリスタ１０の劣化あるいは過大サージの侵入を報知する表示器４０を分離器２０に連結した構造を具備する。この直撃雷用ＳＰＤでは、酸化亜鉛形バリスタ１０と、温度ヒューズ２２および切り離し導体２４からなる分離器２０とを含む主要な構成要素を樹脂製の密閉ケース５０に内蔵させ、その分離器２０に連結された表示器４０を密閉ケース５０の窓部に配設した構造を具備する。

図２は酸化亜鉛形バリスタ１０を密閉ケース５０に内蔵させた直撃雷用ＳＰＤを示す組立分解斜視図、図３は密閉ケース５０の蓋体５４（図２参照）を取り外した状態を示す正面図、図４は前述した酸化亜鉛形バリスタ１０を含む主要な各構成要素の接続形態を示す模式図である。

酸化亜鉛形バリスタ１０は、図２に示すように薄板円盤状をなし、その表裏両面に導電性金属からなる一対の電極１２，１４（図４参照）が接合されている。この酸化亜鉛形バリスタ１０の表面側に設けられた一方の電極１２は、その一部を切り起こすことにより舌片状の電極引き出し部１２ａが形成され、酸化亜鉛形バリスタ１０の裏面側に設けられた他方の電極１４は、その一部を切り起こすと共に折り曲げ成形して表面側に導出することにより舌片状の電極引き出し部１４ａが形成されている。このように、一対の電極１２，１４を酸化亜鉛形バリスタ１０の表面側同一方向に導出して二つの電極引き出し部１２ａ，１４ａを配置したことにより、密閉ケース５０内での配線作業を容易にすることができる。

図２に示すように、密閉ケース５０は略矩形状をなし、酸化亜鉛形バリスタ１０、温度ヒューズ２２および切り離し導体２４からなる分離器２０を含む主要な構成要素を収容するケース本体５２と、そのケース本体５２の開口部を閉塞する蓋体５４とで構成されている。

ケース本体５２の周壁部には、円盤状の酸化亜鉛形バリスタ１０を囲撓するように略円形に湾曲した隔壁部５６が一体的に設けられている。このケース本体５２の底部には、複数条のスリット５８が形成され、また、周縁部をケース本体５２の深さ方向に折曲成形した凹椀状のスペーサ５１が収納配置されてケース本体５２の底部との間に空隙が形成されている。ケース本体５２の二つの隅部には、導電性金属からなる一対の端子３０ａ，３０ｂが配設されている。それぞれの端子３０ａ，３０ｂは、屈曲成形された板状部材であり、基端部が隔壁部５６の近傍に配置され、先端部がケース本体５２から導出されている。

一方、蓋体５４は、ケース本体５２の開口形状と合致した形状を有する蓋板部５４ａと、その蓋板部５４ａの四箇所から厚み方向に突出させた止め部５４ｂとからなる。この蓋板部５４ａでケース本体５２の開口部を閉塞すると共に止め部５４ｂをケース本体５２の周壁部外周の凹所５２ｂに引っ掛け係止することにより、蓋体５４をケース本体５２に装着して密閉ケース５０を形成する。

なお、蓋板部５４ａには、多数の小孔５３が穿設されており、これら小孔５３の形成部位に粘着性シート５５を貼着することにより前述の小孔５３を閉塞して密閉ケース５０を形成する。これにより、温度ヒューズ２２の溶断あるいは切り離し導体２４の切離時に金属蒸発により密閉ケース５０の内部圧力が上昇した場合であっても、粘着性シート５５の一部を剥離させて小孔５３を介して圧力上昇分を吸収して密閉ケース５０の破裂を未然に防止するようにしている。

この直撃雷用ＳＰＤでは、ケース本体５２に一対の端子３０ａ，３０ｂを装着した状態で、そのケース本体５２の底部にスペーサ５１を収容配置させた上で隔壁部５６内に酸化亜鉛形バリスタ１０を格納する。このスペーサ５１によりケース本体５２との間で空隙を設けることにより酸化亜鉛形バリスタ１０からの熱によりケース本体５２が加熱されることを抑制している。さらに、ケース本体５２の加熱を抑制するため、ケース本体５２のスリット５８を通気孔として機能させている。

この状態で酸化亜鉛形バリスタ１０を収容した隔壁部５６の内部にシリコーン樹脂などの充填材６０を注入することにより、その充填材６０内に酸化亜鉛形バリスタ１０を埋設する。なお、充填材６０としては、シリコーン樹脂が好適であるが、耐湿、難燃、高絶縁機能を発揮するものであれば、他の素材であってもよい。

酸化亜鉛形バリスタ１０の充填材６０から突き出た一対の電極引き出し部１２ａ，１４ａのうち、酸化亜鉛形バリスタ１０の裏面側電極１４から導出した電極引き出し部１４ａを、ケース本体５２に取り付けられた一方の端子３０ａにねじ止めにより電気的かつ機械的に接続する。また、酸化亜鉛形バリスタ１０の表面側電極１２から導出した電極引き出し部１２ａに温度ヒューズ２２の一端を接続する。この温度ヒューズ２２は、例えば１３８℃で溶融するビスマス、スズの低溶融合金を素材とする直方体形状をなし、その一端を前述の電極引き出し部１２ａにねじ止めにより電気的かつ機械的に接続する。

この直方体形状の温度ヒューズ２２の他端をねじ止めにより切り離し導体２４の一端に電気的かつ機械的に接続する。この切り離し導体２４は、銅製の短冊状薄板で構成され、その長手方向に沿ってスリット２４ａが形成されている。この切り離し導体２４の他端を、ケース本体５２に取り付けられた他方の端子３０ｂにねじ止めにより電気的かつ機械的に接続する。

このようにして、温度ヒューズ２２と切り離し導体２４は、一直線上に配置され、かつ、充填材６０の表面と略平行に近接した状態で設置されている。この切り離し導体２４には、温度ヒューズ２２の溶断あるいは切り離し導体２４の切離のいずれか一方の動作を表示させる表示器４０が付設されている（図２および図３参照）。

この表示器４０は、ケース本体５２の一つの隅部に設けられた窓部５７の近傍に引張コイルばね４２の一端を固定し、その引張コイルばね４２のコイル部４２ａに指標となる棒状部材４４を内挿し、その棒状部材４４の基端部を引張コイルばね４２のコイル部４２ａの端部に引っ掛け係止すると共にそのコイル部４２ａの端部から延びた他端を切り離し導体２４に連結する。この引張コイルばね４２の他端は、鉤状に成形されて切り離し導体２４のスリット２４ａにその切り離し導体２４が延びる方向と略直交する方向から引っ掛け係止することにより連結されている。

このように、引張コイルばね４２が切り離し導体２４と連結された定常状態では、棒状部材４４の先端部が密閉ケース５２の窓部５７で退入した状態にある。この引張コイルばね４２の弾性力は、切り離し導体２４と直交する方向、つまり、棒状部材４４が突出する方向に付勢されている。これにより、温度ヒューズ２２の溶断あるいは切り離し導体２４の切離により、引張コイルばね４２の弾性力の作用により棒状部材４４が密閉ケース５０から突出することになる。

図３は引張コイルばね４２が切り離し導体２４と連結された定常状態で、表示器４０の指標である棒状部材４４の先端が密閉ケース５２の窓部５７で退入した状態を示す。また、図６は温度ヒューズ２２の溶断でもって引張コイルばね４２の弾性力の作用により棒状部材４４が密閉ケース５０から突出した状態を示し、図７は切り離し導体２４の切離でもって引張コイルばね４２の弾性力の作用により棒状部材４４が密閉ケース５０から突出した状態を示す。

なお、この実施形態では、ケース本体５２の棒状部材４４と隣接する部位に警報用接点６２が配設されており、その警報用接点６２のスイッチ部６２ａを棒状部材４４の側部に形成された凹所４４ａに挿入配置することにより、温度ヒューズ２２の溶断あるいは切り離し導体２４の切離時、引張コイルばね４２の弾性力の作用により棒状部材４４が密閉ケース５０から突出する動作で、前述の警報用接点６２のスイッチ部６２ａを移動させることでその警報用接点６２がオンするようになっている。

この実施形態の直撃雷用ＳＰＤは、酸化亜鉛形バリスタ１０の劣化による発熱で溶断し、かつ、定格耐量以下のサージ電流で自己発熱により溶断しない低溶融金属からなる温度ヒューズ２２と、その温度ヒューズ２２に直結され、かつ、酸化亜鉛形バリスタ１０の定格耐量を超えた限界耐量で切離される切り離し導体２４とで分離器２０を構成している。

このように、酸化亜鉛形バリスタ１０の劣化による発熱で溶断し、かつ、定格耐量以下のサージ電流で自己発熱により溶断しない低溶融金属からなる温度ヒューズ２２と、その温度ヒューズ２２に直結され、かつ、酸化亜鉛形バリスタ１０の定格耐量を超えた限界耐量で切離される切り離し導体２４とで分離器２０を構成したことにより、酸化亜鉛形バリスタ１０の熱暴走による発煙発火を防止する温度ヒューズ機能を前述の温度ヒューズ２２に持たせ、定格耐量を超えた過大サージによる酸化亜鉛形バリスタ１０の瞬時短絡を防止する電流ヒューズ機能を前述の切り離し導体２４に持たせるようにしている。

従って、温度ヒューズ機能と電流ヒューズ機能からなる二つの切り離し機能を温度ヒューズ２２と切り離し導体２４で機能分離したことにより、機械的強度が低く、かつ、強度的ばらつきが大きい低溶融金属からなる温度ヒューズ２２については温度ヒューズ機能のみを持たせることに限定できるので、機械的強度に余裕のある温度ヒューズ２２の選定が容易となり、過大サージに対して安定した遮断性能を発揮させることが容易となる。

また、この直撃雷用ＳＰＤでは、酸化亜鉛形バリスタ１０を密閉ケース５０内に収容すると共にその密閉ケース５０から一対の端子３０ａ，３０ｂを導出し、分離器２０の温度ヒューズ２２を酸化亜鉛形バリスタ側に接続すると共に切り離し導体２４を端子側に接続し、温度ヒューズ２２および切り離し導体２４からなる分離器２０を、密閉ケース５０内の酸化亜鉛形バリスタ１０と隣接する空間ｍに収納配置した構造としている（図５参照）。

このように、酸化亜鉛形バリスタ１０に温度ヒューズ２２を直結し、かつ、その温度ヒューズ２２を密閉ケース５０内の酸化亜鉛形バリスタ１０と隣接する空間ｍに収納配置したことにより、酸化亜鉛形バリスタ１０の劣化により生じた熱を温度ヒューズ２２に効率よく伝達することが容易となってその温度ヒューズ２２の温度設定を高くすることが可能となる。

さらに、この直撃雷用ＳＰＤでは、温度ヒューズ２２と切り離し導体２４を一直線上に配置し、その切り離し導体２４が延びる方向と直交する方向に引張力を弾性的に付勢するばね４２を介して表示器４０の棒状部材４４を切り離し導体２４に連結し、温度ヒューズ２２の溶断あるいは切り離し導体２４の切離のいずれか一方の動作時にばね４２の引張力により表示器４０をその引張力の作用方向に突出させるようにしている。

このように、温度ヒューズ２２と切り離し導体２４を一直線上に配置した方向と直交する方向に引張力を切り離し導体２４に付勢し、その引張力でもって表示器４０を突出させることで温度ヒューズ２２の溶断あるいは切り離し導体２４の切離のいずれか一方の動作を表示させることにより、機械的強度が強い切り離し導体２４に引張力を分担させることで、機械的強度が低い温度ヒューズ２２に大きな引張力が直接的に作用して不所望な応力が加わることなく、温度ヒューズ２２の正常動作を確保することができる。

本発明の実施形態で、直撃雷用ＳＰＤの基本回路構成を示す回路図である。直撃雷用ＳＰＤの具体的な構造例で、直撃雷用ＳＰＤの組立分解斜視図である。直撃雷用ＳＰＤの具体的な構造例で、密閉ケースの蓋体を取り外した状態を示す正面図である。酸化亜鉛形バリスタを含む主要な各構成要素の接続形態を示す模式図である。直撃雷用ＳＰＤの具体的な構造例で、密閉ケースの内部構造を示す断面図である。密閉ケースの蓋体を取り外した状態で、温度ヒューズの溶断により表示器が突出した状態を示す正面図である。密閉ケースの蓋体を取り外した状態で、切り離し導体の切離により表示器が突出した状態を示す正面図である。

符号の説明

１０酸化亜鉛形バリスタ
２０分離器
２２温度ヒューズ
２４切り離し導体
３０ａ，３０ｂ端子
４０表示器
５０密閉ケース
ｍ空間
４２ばね

Claims

酸化亜鉛形バリスタを一対の端子間に接続し、前記酸化亜鉛形バリスタといずれか一方の端子間に、酸化亜鉛形バリスタと端子間を切り離し可能とする分離器を接続した直撃雷用ＳＰＤであって、
前記分離器は、酸化亜鉛形バリスタの劣化による発熱で溶断し、かつ、定格耐量以下のサージ電流で自己発熱により溶断しない低溶融金属からなる温度ヒューズと、その温度ヒューズに直結され、かつ、前記酸化亜鉛形バリスタの定格耐量を超えた限界耐量で切離される切り離し導体とを一直線上に配置し、前記切り離し導体は、表示器を連結するために切り離し導体と交差する方向に引張力を弾性的に付勢するばねを引っ掛け係止するスリットが長手方向に沿って形成された短冊状薄板で構成されていることを特徴とする直撃雷用ＳＰＤ。
前記酸化亜鉛形バリスタを密閉ケース内に収容すると共にその密閉ケースから一対の端子を導出し、前記分離器の温度ヒューズを酸化亜鉛形バリスタ側に接続すると共に切り離し導体を端子側に接続し、前記温度ヒューズおよび切り離し導体からなる分離器を、前記密閉ケース内の酸化亜鉛形バリスタと隣接する空間に収納配置した請求項１に記載の直撃雷用ＳＰＤ。