JP4981430B2 - バリスタ材料のウェハーを備える過電圧保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧サージ保護装置に関し、さらに詳細にはバリスタ材料のウェハーを備える電圧サージ保護装置に関するものである。

電力を住居、営業用施設及び公共施設に送る給電路には、過電圧が印加されることがしばしある。このような過電圧もしくは電圧スパイクは、例えば、落雷により生ずることがある。電圧サージは、特に、通信分配センター、病院、そしてその他の設備であって、電圧サージにより生ずる機器の破損及びその結果として生ずる停止時間が非常に高価な費用に結びつくものにおいて問題となる。

一般的には、電圧サージから設備を保護するための１つ以上のバリスタ（即ち、電圧依存型抵抗器）を用いることが行われる。通常、バリスタは、ＡＣ入力の両端に直接に、かつ保護回路と並列に結合されている。バリスタは、固有の制限電圧を有しており、固有の制限電圧は、同バリスタが、規定の電圧を超える電圧上昇に応答して、過敏に反応して要素が損傷する可能性を減少させる過電圧電流のための低抵抗短絡路を形成している。一般的には、配線ヒューズを保護回路に設けることができ、また、この配線ヒューズは、サージ電流又はバリスタ要素の損傷により切れるか又は弱化することがある。

バリスタは、異なる用途に対して、いくつかの設計手法に基づき構成されてきた。通信施設の保護のような重要な用途（例えば、約６０〜２００ｋＡの範囲にあるサージ電流の能力）には、遮断バリスタが通常使用されている。遮断バリスタは樹脂製のハウジング内に入れられているディスク形のバリスタ要素を備えることが一般的である。バリスタ・ディスクは、酸化亜鉛や、例えば炭化ケイ素が挙げられるその他の適切な材料のような金属酸化物材料を圧力鋳造することにより形成されている。銅、又はその他の導電性材料がディスクの両表面上に火炎溶射される。リング形の電極は、被覆された両表面に接合され、ディスク及び電極組立体は樹脂製のハウジング内に収容される。このような遮断バリスタの例には、シーメンス・マツシタ・コンポーネンツ（Siemens Matsushita Components）GmbH＆Co. KGから入手可能な製品番号ＳＩＯＶ−Ｂ８６０Ｋ２５０及びハリス・コーポレーション(Harris Corporation)から入手可能な製品番号Ｖ２７１ＢＡ６０がある。

バリスタの別の設計手法には、ディスク・ダイオード・ケース(disk diode case)内に収容される高エネルギ用バリスタ・ディスクがある。ダイオード・ケースは向かい合った電極板を有しており、バリスタ・ディスクはそれらの間に配置されている。電極の一方又は双方は、バリスタ・ディスクを所定の位置に保持するために、電極板とバリスタ・ディスクとの間に配置されるばね部材を備えている。単数又は複数のばね部材は、バリスタ・ディスクと比較的小さな接触面積で接触させているに過ぎない。

バリスタ・ウェハーを用いる別の形式の過電圧保護装置には、ギリシャのレイキャップ・コーポレーション（Raycap Corporation)から入手可能なストライクソーブ（Strikesorb）というサージ保護モジュールがあり、これはレイヴォス(Rayvoss)という過渡電圧サージ抑制システムの一部を形成することが可能である。

多くの実施形態において、本発明は、極端であり、繰返され、及び／又は寿命末期にある過電圧状態を、安全に、永続的に及び一貫して取扱うことについて、多くの効果をもたらすことの可能な過電圧保護装置を導き出すものである。

本発明の実施形態によると、過電圧保護装置は、導電性の第１及び第２の電極部材と、バリスタ材料から形成され、前記第１及び第２の電極部材の各々に電気的に接続されるバリスタ部材と、導電性の可溶部材とを備えている。前記可溶部材は、前記過電圧保護装置内の熱に反応して溶融し、前記可溶部材を介して前記第１及び第２の電極部材間に電流流路を形成する。

特定の実施形態によると、前記可溶部材により形成された前記電流流路は、前記可溶部材を前記第１及び第２の電極部材の各々に係合させて前記第１の電極部材から前記第２の電極部材へ完全に延在している。

前記可溶部材は金属から形成されても良い。特定の実施形態によると、前記可溶部材は、約１１０℃〜１６０℃の範囲内に融点を有している。

特定の実施形態によると、前記第１の電極部材は、チャンバを画成するハウジングを備えており、前記可溶部材と前記第２の電極部材の少なくとも一部とは前記チャンバ内に配置されている。特定の実施形態によると、前記可溶部材は前記チャンバ内で前記第２の電極部材の前記一部に取付けられている。

特定の実施形態によると、導電性の補強部材が前記第１及び第２の電極部材間で前記チャンバ内に配置されており、前記補強部材は、前記ハウジングの材料よりも高い融点を有する材料から形成されていると共に、前記第２の電極部材からの電気アークを収容する位置に配置されている。前記チャンバは封止されている。特定の実施形態によると、電気絶縁部材が前記チャンバ内に配置されると共に前記第１及び第２の電極部材間に介在されている。

本発明の特定の実施形態によると、過電圧保護装置は、バリスタ材料から形成されるバリスタ部材と、導電性の可溶部材とを備えている。この過電圧保護装置は、過電圧事象に応答して電流が前記バリスタ部材を通るべく方向付ける構成となっている。前記可溶部材は、前記過電圧保護装置内の熱に反応して溶融し、前記過電圧保護装置内に新たな電流流路を形成して、前記過電圧保護装置の少なくとも幾分かの電気的に引き起こされる加熱を抑制する。特定の実施形態によると、前記新たな電流流路が、電流を前記バリスタ部材から離れるように方向付けている。

本発明の方法の実施形態によると、過電圧保護を行う方法は、導電性の第１及び第２の電極部材と、バリスタ材料から形成されると共に前記第１及び第２の電極部材の各々に電気的に接続されるバリスタ部材と、導電性の可溶部材とを備える過電圧保護装置を用意するステップを含んでいる。この方法は更に、前記過電圧保護装置内の熱に反応して溶融し、前記可溶部材を介して前記第１及び第２の電極部材間に電流流路を形成するステップを備えている。

本発明の更なる特徴、利点及び詳細は、以下の好適な実施形態についての詳細な説明及び図面を読み取ることにより明らかになるであろうが、かかる説明は本発明を単に例示するだけである。

本明細書の一部を形成する図面は本発明の主な実施形態を例示している。図面は説明と共に本発明を十分に説明するのに役立っている。

次に、本発明の例示的な条件が示されている添付図面を参照して、本発明についてより詳細に説明する。図面において、領域及び特徴の相対的な大きさは明瞭にするため誇張されていることがある。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施可能であり、ここに記載した実施形態に限定されると考えるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が最初から最後まで完全であると共に本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されているものである。

ある要素が別の要素に対して「連結されている」又は「接続されている」と言う場合には、その要素が他の要素に対して直接に連結又は接続されることが可能か、又は介在する要素が存在することが可能であると理解されたい。対照的に、ある要素が別の要素に対して「直接連結されている」又は「直接接続されている」と言う場合には、介在する要素は何も存在しない。全体を通じて同様の符号は同様の要素について言及しているものとする。

また、「下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」等のように空間に関する相対的用語は、１つの要素を説明する記載あるいは図面に例示したような別の要素もしくは特徴に対する関係を説明する記載を容易にするために、ここで使用されることがある。これらの空間に関する相対的用語は、図面に示された指向方向に加えて、使用中又は動作中の装置の種々の指向方向を含むものと理解されたい。例えば、図面に記載の装置がひっくり返される場合、他の要素もしくは特徴の「下」又は「真下」にあると記載された要素は他の要素もしくは特徴の「上」に方向付けられることになることとなる。従って、具体例としての用語「下」は、上及び下の双方の指向方向を含むものとする。装置は別な方法で方向付けられてもよく（９０度又は他の方向に回転される）、また、ここで使用される空間に関する相対的記載はその状態に応じて解釈される。

簡潔化及び／又は明瞭化のために、既知の機能又は構成については詳細に説明しないことがある。

ここで使用されている表現「及び／又は」は、関連した掲載事項のうちの１つ以上の任意の組み合わせ及び全ての組み合わせを含んでいる。

ここで使用されている用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図しているのではない。ここで使用されている用語は、文脈が明らかに複数形を指していなければ、単数形及び複数形の双方を含むものと考えられる。更に、「構成する」及び／又は「構成される」という用語は、この明細書で使用される場合、記載された特徴、ユニット、ステップ、動作、素子、及び／又は構成要素の存在を規定しており、１つ以上の他の特徴、ユニット、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではないことが理解されるであろう。

特に定義されていなければ、ここで使用されている全ての用語（技術用語及び科学用語を含め）は、本発明が属する技術分野に習熟する者により普通に理解されるものと同じ意味を有している。更に、普通に使用される辞典に定義されているような用語は、関連技術の背景において、それらの意味に一致する意味を有すると解釈されるべきであり、また、ここに明確に定義されていなければ、理想化されてしまった意味、又は過度に形式的な意味で解釈されることはないであろう。

ここで使用されている用語「ウェハー」とは、その直径、長さ又は幅の寸法と比較して相対的に小さな厚みを有する基板を意味している。

図１〜図５を参照すると、本発明の第１実施形態による過電圧保護装置は、符号１００で表されている。保護装置１００は長手方向の軸心Ａ−Ａ（図３）を有している。保護装置１００は、ハウジング１２０と、ピストン形の電極１３０と、バリスタ材料のウェハー１１０と、後から詳細に論じるその他の構成要素とを備えている。ハウジング１２０は、端部の電極壁１２２（図３）と、この電極壁１２２から延在する円筒形側壁１２４とを備えている。側壁１２４及び電極壁１２２は、開口１２６と連通するチャンバもしくはキャビティ１２１を形成している。ねじが切られた柱状部もしくはピン１２９（図３）がこのハウジング１２０から外方に延在している。電極１３０は、キャビティ１２１内に配置された頭部１３２と、開口１２６を通り外方へ突出する一体の軸１３４とを備えている。バリスタ・ウェハー１１０は、電極壁１２２と頭部１３２との間でそれらの各々と接触して、キャビティ１２１内に配置されている。保護装置１００は、後から詳細に論じるように、前記保護装置の過熱もしくは熱暴走を防止又は抑制する構成となっている導電性の可溶部材１８０を更に備えている。

使用中においては、保護装置１００が、ＡＣ又はＤＣ入力（例えば、共同配電ボックス内にある）の両端間に直接に接続されていていると良い。給電路は、電気流路が電極１３０、バリスタウェハー１１０、ハウジング電極壁１２２及びハウジング柱状部１２９を通り形成されるように、電極１３０及びハウジングの柱状部１２９の各々に直接又は間接的に接続されている。過電圧状態でない場合、バリスタ・ウェハー１１０は大きな電気抵抗を付与するため、電気的に開回路であると見えるような、大きな電流が保護装置１００を通り流れることはない。（装置の設計電圧に対して）過電圧状態である場合、バリスタ・ウェハーの抵抗は急激に低下して、電流が保護装置１００に流れることを可能とし、連結する電気系統のその他の要素を保護するため電流の短絡路を形成する。バリスタ装置のような過電圧保護装置の一般的な使用及び用途は、当業者には良く知られており、従って、ここで更なる説明はしないものとする。

保護装置１００の構造についての詳細を参照すると、この保護装置１００は、ばね座金１４０と、平座金１４５と、絶縁リング１５０と、エンドキャップ１６０と、クリップ１７０と、キャビティ１２１内に配置されたO−リング１７２，１７４，１７５とを更に備えている。これら要素の各々は以下に詳細が記載されている。

ハウジング１２０の電極壁１２２は、内側に向く略平坦な接触表面１２２Ａを備えている。側壁１２４の内側面には環状のスロット１２３が形成されている。特定の実施形態によると、ハウジング１２０はアルミニウムから形成されている。しかしながら、導電性の任意の金属を使用しても良い。特定の実施形態によれば、ハウジング１２０は単一体である。例示したハウジング１２０は、円筒形の形状であるが、異なる形状に形成されていても良い。

図３で最良に示されるように、電極１３０の頭部１３２は、電極壁１２２の接触表面１２２Ａに向いている略平坦な接触表面１３２Ａを備えている。頭部１３２の頂面１３２Ｂは、下側の軸部１３４Ａから外方に、かつ下方に面取りされ、もしくはテーパが付けられている（即ち、半径方向に傾いている）。下側の軸部１３４Ａは、頭部１３２の直径と比較して縮小された直径となっている。上側の軸部１３４Ｂは、下側の軸部１３４Ａの上端から延在している。上側の軸部１３４Ｂは、下側の軸部１３４Ａの直径と比較して縮小された直径となっている。特定の実施形態によると、軸部１３４Ｂは約２.５〜３.８ｃｍ（１〜１．５ｉｎ）の直径となっている。一体となっている環状の中間フランジ１３８は、軸部同士１３４Ａ，１３４Ｂの間で軸１３４から半径方向の外方に延在している。環状となっている側方へ開く溝１３９Ａは、上側のフランジ１３８の側方周壁で画成されている。別の環状になっている側方へ開く溝１３９Ｂは、上側の軸部１３４Ｂで画成されている。軸１３４の端には、ねじ孔１３６が形成されていて、母線もしくはその他の電気コネクタを電極１３０に取付けるためにボルトを収容する。特定の実施形態によると、電極１３０はアルミニウムから形成されている。しかしながら、任意の適切な導電性金属を使用しても良い。

可溶部材１８０は電極１３０に取付けられている。この可溶部材１８０は、下側の軸部１３４Ａを取り巻く円筒形の、管状片もしくはスリーブであり、従って、軸部１３４Ａは可溶部材１８０の中央通路内に配置される。特定の実施形態によると、可溶部材１８０は下側の軸部１３４Ａに接触しており、また、特定の実施形態によると、可溶部材１８０は下側の軸部１３４Ａの全長にほぼ沿って下側の軸部１３４Ａに接触している。可溶部材１８０はまた、フランジ１３８の下側表面と頭部１３２の頂面とに係合している。

可溶部材１８０は、熱で溶融し得る導電性材料から形成されている。特定の実施形態によると、可溶部材１８０は金属から形成されている。特定の実施形態によると、可溶部材１８０は導電性金属の合金から形成されている。特定の実施形態によると、可溶部材１８０は、アルミニウム合金、亜鉛合金、及び／又は錫合金からなるグループから選択した金属合金から形成されている。しかしながら、任意の適切な導電性金属を使用しても良い。

特定の実施形態によると、可溶部材１８０は、融点が規定の最大標準動作温度よりも高くなるように選択されている。最大標準動作温度は、検査せずに放置していると熱暴走を生じる動作中ではなく、通常の動作中に（保護装置１００の設計範囲内で取扱われる過電圧サージを含む）可溶部材１８０に発生すると予測される最高温度であると良い。特定の実施形態では約１１０〜１６０℃の範囲にあり、別の特定の実施形態では約１３０〜１５０℃の範囲にある融点を有する材料から、可溶部材１８０が形成されている。特定の実施形態によると、可溶部材１８０の融点は、ハウジング１２０、電極１３０及び絶縁リング１５０の融点よりも少なくとも２０℃低く、特定の実施形態によると、ハウジング１２０、電極１３０及び絶縁リング１５０の融点よりも少なくとも３０℃低く、特定の実施形態によると、ハウジング１２０、電極１３０及び絶縁リング１５０の融点よりも少なくとも４０℃低くなっている。

特定の実施形態によると、可溶部材１８０は、約３×１０⁷ジーメンス/メータ(Ｓ/ｍ）〜４×１０⁷Ｓ/ｍの範囲にあり、特定の実施形態によると、約３.５×１０⁷Ｓ/ｍ〜３.８×１０⁷Ｓ/ｍの範囲にある導電率を有している。

可溶部材１８０は、任意の適切な方法で電極１３０に取付けることが可能である。特定の実施形態によると、可溶部材１８０は電極１３０上に鋳造又は成形される。特定の実施形態によると、可溶部材１８０は電極１３０上に機械的に取付けられる。

バリスタ・ウェハー１１０は、略平坦な第１及び第２の向かい合った接触表面１１２を備えている。バリスタ・ウェハー１１０は、接触表面１２２Ａと１３２Ａとの間に介在している。以下に詳しく述べるように、頭部１３２及び電極壁１２２は、バリスタ・ウェハー１１０に機械的に負荷をかけられていて、表面１３２Ａ，１２２Ａと、バリスタ・ウェハー１１０の各向かい合った表面１１２との間で安定かつ均一な係合を確実にしている。

特定の実施形態によると、バリスタ・ウェハー１１０はディスク形となっている。しかしながら、バリスタ・ウェハー１１０は他の形状に形成されても良い。バリスタ・ウェハー１１０の厚さ及び直径は、特定の用途で要求されるバリスタ特性に依存するであろう。バリスタ・ウェハー１１０は、導電性の被覆が各側面にコーティングされたバリスタ材料のウェハーを含んでいるので、このコーティングの露出表面が接触表面の役割を果たしている。コーティングは、例えば、アルミニウム、銅又は銀から形成することが可能である。

バリスタ材料は、バリスタ用に従来から用いられている適切な材料、即ち、印加電圧と共に非線形抵抗特性を示す材料とすることが可能である。好ましいものとして、規定の電圧を超えたときに抵抗が非常に小さくなることがある。バリスタ材料は、例えば、ドープ金属酸化物又は炭化ケイ素とすることが可能である。適切な金属酸化物には酸化亜鉛化合物がある。

ばね座金１４０は、上側の軸部１３４Ｂを取り囲むと共に、フランジ１３８の上側表面に係合している。各ばね座金１４０は電極１３０の上側の軸部１３４Ｂを収容する孔１４２を備えている。ばね座金１４０は、フランジ１３８の頂面に当接している。特定の実施形態によると、孔１４２と軸部１３４Ｂとの間の間隙は約０.３８〜０.８９ｍｍ（０.０１５〜０.０３５ｉｎ）の範囲内にある。ばね座金１４０は弾性材料から形成することが可能である。特定の実施形態によると、また、例示したように、ばね座金１４０は、ばね鋼から形成した皿座金（Belleville washer）である。一つのばね座金１４０のみが示されているが、より多くのばね座金を使用しても良い。

金属製の平座金１４５がばね座金１４０と絶縁リング１５０との間に介在しており、平座金１４５に形成された孔１４６には軸部１３４Ｂが挿通されている。平座金１４５は、ばね座金が絶縁リング１５０に切り込んで入ることを防止するために、ばね座金１４０の負荷を機械的に分散する役割を果たしている。

絶縁リング１５０は平座金１４５の上にあって平座金１４５に当接している。絶縁リング１５０は、リング本体部１５４と、リング本体部１５４から上方に延びる円筒形の上側フランジもしくはカラー１５６と、リング本体部１５４から下方に延びる円筒形の下側フランジもしくはカラー１５８とを備えている。孔１５２は軸部１３４Ｂを収容している。特定の実施形態によると、孔１５２と軸部１３４Ｂとの間の間隙は約０.６４〜１.６５ｍｍ（０.０２５〜０.０６５ｉｎ）の範囲内にある。リング本体部１５４及びカラー１５６，１５８は接着されるか又は一体に成形されている。リング本体部１５４の上角部には、上方及び外方側に開いた周溝１５９が形成されている。

絶縁リング１５０は、高い溶融及び燃焼温度を有する誘電性もしくは電気絶縁性材料から形成されていることが好ましい。絶縁リング１５０は、例えば、ポリカーボネート、セラミック、又は高温用ポリマーから形成することが可能である。特定の実施形態によると、絶縁リング１５０は、可溶部材１８０の融点よりも高い融点を有する材料から形成されている。

エンドキャップ１６０は絶縁リング１５０の上にあってそれに当接している。エンドキャップ１６０は、軸部１３４Ｂを収容する孔１６２を備えている。特定の実施形態によると、孔１６２と軸部１３４Ｂとの間の間隙は約０.６４〜１.６５ｍｍ（０.０２５〜０.０６５ｉｎ）の範囲内にある。エンドキャップ１６０は、例えば、アルミニウムから形成することが可能である。

クリップ１７０は、弾性を有すると共に、切頭リング形となっている。クリップ１７０は、部分的にスロット１２３に収容され、部分的にハウジング１２０の内壁から半径方向の内側に延在して、エンドキャップ１６０の外向き軸方向の変位を制限している。クリップ１７０はばね鋼から形成することが可能である。

O−リング１７２は、それがフランジ１３８と下側カラー１５８との間で保持されるように溝１３９Ａ内に位置決めされている。O−リング１７４は、それが軸部１３４Ｂと上側カラー１５６との間に捕捉されるように溝１３９Ｂ内に位置決めされている。O−リング１７５は、溝１５９内に位置決めされると共に、絶縁リング１５０及び側壁１２４の間で保持されている。O−リング１７２，１７４，１７５は、取付けられたときに、圧縮され、それらは隣接する境界表面に対して付勢され隣接する境界表面間にシールを形成している。過電圧の事象が起きた場合、高温ガス及びウェハー１１０の断片のような副生成物はキャビティ１２１内に充満して、散在することとなる。これらの副生成物は、軸１３４と絶縁リング１５０との間の通路、あるいは絶縁リング１５０と側壁１２４との間の通路に沿って過電圧保護装置１００から漏れることをO−リング１７２，１７４，１７５により制限もしくは阻止される。

O−リング１７２，１７４，１７５は同一材料又は異種材料から形成して良い。特定の実施形態によると、O−リング１７２，１７４，１７５はエラストマーのような弾性材料から形成されている。特定の実施形態によると、O−リング１７２，１７４，１７５はゴムから形成されている。O−リング１７２，１７４，１７５は、デュポンから入手可能なヴィトン（ＶＩＴＯＮ）のようなフッ素ゴムから形成しても良い。ブチルゴムのようなその他のゴムもまた使用しても良い。特定の実施形態によると、ゴムは、約６０〜１００ショアーＡの硬度計硬さを有する。特定の実施形態によると、各O−リング１７２，１７４，１７５の融点は可溶部材１８０の融点よりも高い。

図３で示すような組み立て時において、ハウジング１２０、ウェハー１１０、電極軸部１３４Ａ、頭部１３２、フランジ１３８及び下側カラー１５８は、ハウジングキャビティ１２１の封止されたサブチャンバである環状チャンバ１０２を画成している。可溶部材１８０は環状チャンバ１０２に収容される。

上述のように、また、図３で最良に示されるように、電極頭部１３２及び電極壁１２２は、バリスタ・ウェハー１１０に負荷をかけられており、ウェハー表面１１２と表面１２２Ａ，１３２Ａとの間の安定かつ均一な係合を確実にしている。保護装置１００のこの態様は、本発明による保護装置１００を組み立てる方法を考慮することにより理解されるであろう。O−リング１７２，１７４，１７５は、溝１３９Ａ，１３９Ｂ，１５９に設置されている。バリスタ・ウェハー１１０は、ウェハー表面１１２が接触表面１２２Ａに係合してキャビティ１２１内に配置されている。電極１３０は、接触表面１３２Ａがバリスタ・ウェハー表面１１２に係合してキャビティ１２１内に挿入されている。ばね座金１４０は、軸部１３４Ｂを滑り降りてフランジ１３８の上に載置される。平座金１４５、絶縁リング１５０及びエンドキャップ１６０は軸部１３４Ｂを滑り降りてばね座金１４０の上に載置される。治具（図示せず）又はその他の適切な装置を使用してエンドキャップ１６０を押し下げ、次いでばね座金１４０を変形させる。エンドキャップ１６０が治具の負荷をまだ受けている間に、クリップ１７０を圧縮してスロット１２３に挿入する。その後、クリップ１７０は解放されて初期の直径に戻り、直後にクリップ１７０は、部分的にスロットを満たし、キャビティ１２１内において、部分的にスロット１２３から半径方向の内側に延在することとなる。そのため、クリップ１７０及びスロット１２３は、ばね座金１４０を部分的に変形させるため、エンドキャップ１６０にかかる負荷を保持する役割を果たしている。絶縁リング１５０に作用し、かつ絶縁リングからばね座金１４０に作用するエンドキャップ１６０の負荷は、次に頭部１３２に伝えられる。このようにして、バリスタ・ウェハー１１０は頭部１３２と電極壁１２２との間に挟持される（クランプされる）。

上述したように、過電圧状態でない場合、バリスタ・ウェハー１１０は高い抵抗を付与し、電気的には開回路のように見えるため、電流が保護装置１００を通って流れることはない。（装置の設計電圧に対して）過電圧状態である場合、バリスタ・ウェハーの抵抗は急激に低下して、電流が保護装置１００に流れることを可能にし、関連する電気系統の他の要素を保護するために電流の短絡路を形成する。しかしながら、特定の条件では、保護装置１００内に熱の蓄積が生じる。例えば、バリスタ・ウェハーが全面的又は部分的に劣化する「寿命末期」モード（即ち、「寿命末期」状態）に、保護装置１００があることが考えられる。また、保護装置１００は、長期間にわたる過電流事象又は短期間で連続する１回以上の過電流事象に遭遇することがある。これらの場合、バリスタ材料は電流を導通させるには不十分であり、電極１３０とハウジング１２０との間にアークを発生させてしまう。同様に、導電路の断面積はこの電流量に対しては不十分であり、大きな抵抗損とその結果として生ずる熱生成とをもたらす可能性がある。かかるアークの発生は、次に保護装置１００における熱の蓄積を発生させる。検査が実施されないままの場合、この熱の蓄積は熱暴走を発生させる結果となり、装置温度は規定の最高温度を超えることがある。例えば、装置の外側表面についての許容最高温度は、隣接する要素の燃焼を防止する規約もしくは基準（例えば、規格認定ＵＬ１４４９）により設定されている。このような熱暴走を回避する一つの方法としては、保護装置１００において過熱が発生する前に切れるヒューズを使用して保護装置１００に流れる電流を遮断することがある。しかしながら、後述するように、ある場合に、この解決策は、連結する回路における他の重要な要素に損傷を与えるかも知れず、又はサージ保護装置の電源が切れた後、負荷を保護されないままにするかも知れず、望ましくない。

本発明の実施形態よると、可溶部材１８０は、保護装置１００を通る電流を遮断することを必要とせずに、かかる熱暴走を防止又は禁止する役割を果たしている。まず、図１及び図３に示すように、可溶部材１８０は、頭部１３２を介することを除いて、電極１３０とハウジング１２０とを電気的に結合させていない第１の形状を備えている。熱の蓄積事象が発生した際には、それにより電極１３０が加熱される。可溶部材１８０はまた、直接に加熱されるか、及び／又は電極１３０により加熱される。通常の動作中、可溶部材１８０の温度はその融点よりも低いままであるから、可溶部材１８０は固体の形に留まっている。しかしながら、可溶部材１８０の温度がその融点を超えたときには、可溶部材１８０が（全体的に又は部分的に）溶融して、重力により流れて第１の形状とは異なる第２の形状となる。保護装置１００が垂直の姿勢にある場合、溶融した可溶部材１８０はチャンバ１０２の下方部分に溜まり、図４に示されるように形を変えた可溶部材１８０Ａ（全面的に又は部分的に溶融されていて良い）となる。可溶部材１８０Ａは、電極１３０をハウジング１２０に橋絡又は短絡させている。即ち、新しく直結した流路（単数又は複数）が、電極部１３４Ａの表面から、可溶部材１８０Ａを介して、ハウジング電極壁１２２及びハウジング側壁１２４の表面まで構成される。特定の実施形態によると、これら流路の少なくとも一部はバリスタ・ウェハー１１０を含んでいない。

従って、可溶部材１８０Ａは、電極１３０とハウジング１２０との間の電気的接触表面の拡大と電流流路の拡大とをもたらす。即ち、可溶部材１８０Ａを含む導電路の断面積及び容積が増大する。その結果、熱の発生を引き起こすアークの発生、オーム加熱及びその他の現象は減少もしくは排除され、保護装置１００の度を越えた過熱及び／又は熱暴走が防止される。そのため保護装置１００は、比較的に高電流を安全に（即ち、装置の著しい破損なしに）維持できる比較的低抵抗の要素に変更しても良い。保護装置１００はその後、過電圧保護装置としては役立たなくなるが、著しい破損（例えば、燃焼温度になること、破裂、又は保護装置１００からの材料の流出）が避けられることは理解されるであろう。

下側の軸部１３４Ａの比較的に大きな直径は、軸部１３４Ａの外側表面をハウジング側壁１２４の内側表面に極めて接近して配置し、形が変わった可溶部材１８０Ａと軸部１３４Ａ及び側壁との間により大きな接触面積を形成している。特定の実施形態によると、可溶部材１８０が溶融して形の変わった可溶部材１８０Ａを形成するときに、軸部１３４Ａ，１３４Ｂの直径は、軸部１３４Ａ，１３４Ｂを過熱することなくサージ電流を搬送する大きさになっており、保護装置１００はサージ電流又は非サージ電流を搬送し続けている。

保護装置１００は、あらゆる姿勢においても有効に用いられる。例えば、図５で参照されるように、保護装置１００は水平の姿勢で配置されても良い。可溶部材１８０が過熱発生事象により溶融するとき、可溶部材１８０は、チャンバ１０２の下方部分に流れ、そこで上述したように電極１３０及びハウジング１２０に橋絡する形の変わった可溶部材１８０Ｂ（全面的に又は部分的に溶融している）を形成する。絶縁リング１５０、O−リング１７５及び側壁１２４のみならず、フランジ１３８、O−リング１７２及び絶縁リングの下側カラー１５８は協同してチャンバ１０２を封止するため、溶融した可溶部材１８０がチャンバ１０２の外に流出することはない。O−リング１７４は二次的なシールを形成している。

図６を参照すると、本発明の実施形態による電気回路３０が概略的に示されている。電気回路３０は、電源３２、回路遮断器３４、保護負荷３６、アース４０及び過電圧保護装置１００を備えている。保護装置１００は、例えば、共同配電ボックス内に取付けることが可能である。電源３２は、ＡＣ又はＤＣ電源で良く、負荷３６に電力を供給する。負荷３６は、任意の適切な装置、システム、設備等（例えば、家庭用電化製品、セルラー通信放送塔等）としても良い。保護装置１００は、負荷３６と並列に接続されている。通常の使用中、保護装置１００は開回路として動作するため、電流は負荷３６に向かう。過電圧事象の際、バリスタ・ウェハーの抵抗は急激に低下するため、過電圧が負荷３６を損傷させることが防止される。回路遮断器３４が、動作して開いても良い。しかしながら、特定の場合には、保護装置１００はバリスタ・ウェハー１１０の容量を超える電流を受けることがあり、上述したように、アークの発生等により過剰に熱を発生させてしまう。可溶部材１８０は、上述したように保護装置１００を短絡するため、溶融して流れる。次に保護装置１００の短絡により回路遮断器３４が動作して開く。このようにして、負荷３６は電力サージもしくは過電流事象から保護されている。加えて、保護装置１００は安全に直流電流を通電する。

特に、保護装置１００は、過電流事象を受けて電気回路３０を連続的に短絡する。その結果、回路遮断器３４はリセットされることができずに、保護装置１００を修理すべきか又は交換すべきであることをオペレータに知らせる。もしも、代わりに保護装置１００の技路が短絡されるより、むしろ遮断されるようならば、回路遮断器３４は閉じられることが可能になり、負荷３６がもはや機能的な過電圧保護装置によって保護されていないことに、オペレータが気づかない可能性がある。

図７を参照すると、本発明の別の実施形態による過電圧保護装置２００が示されている。保護装置２００は、チャンバ２０２内におけるライナー２９０の追加した構成を除いて、保護装置１００と対応しているものである。ライナー２９０は、電気的及び熱的に伝導性のある材料の管又はスリーブである。特定の実施形態によると、ライナー２９０は、ハウジング２２０の材料よりも高い融点を有する材料から形成されている。過電流事象の場合、電極２３０及び／又はバリスタ・ウェハー２１０からの発生アークのいくつか又は全てが、ハウジング２２０自体（及び特に側壁２２４）よりも、むしろライナー２９０に導かれている。このようにして、ライナー２９０は、ハウジング２２０に穴を開け、又はハウジング２２０を破損させる可能性のあるハウジング２２０の局部的な溶融を防止し、又は遅延させている。ライナー２９０は、またハウジング側壁２２４を構造的に補強し、側壁２２４が熱で軟化されていれば、追加的な剛性を付与する。そのため、ライナー２９０は、可溶部材２８０が溶融し、流れ、及び電極２３０とハウジング２２０との間で拡大された電流流路を構成する追加の時間を付与する。

図８を参照すると、本発明の別の実施形態による可溶部材組立体３８１が斜視分解図で示されている。可溶部材組立体３８１は可溶部材１８０の代わりに使用することが可能である。可溶部材組立体３８１は、一対の可溶部材サブパーツ３８２とクランプ３８４とを備えている。サブパーツ３８２は、電極の下側軸部１３４Ａの周りに配置され、保持装置としてクランプ３８４を使用する所定の位置に取付けることが可能である。サブパーツ３８２は、可溶部材１８０と関連して上述したような材料から形成することが可能である。特定の実施形態によると、サブパーツ３８２の外側表面には、クランプ３８４がサブパーツ３８２内で部分的又は全体的に凹んで収容されるように、周方向の凹部が形成されていても良い。

図９を参照すると、本発明の別の実施形態による可溶部材組立体４８１が示されている。この可溶部材組立体４８１は可溶部材１８０の代わりに使用することが可能である。可溶部材組立体４８１は、一対の可溶部材サブパーツ４８２を備えている。各サブパーツ４８２は、雄型突起部４８４Ａ及び雌型穴４８４Ｂの形態をした一体的保持機構を有している。サブパーツ４８２は、電極の下側の軸部１３４Ａの周りに配置される、突起部４８４Ａ及び穴４８４Ｂの係合により所定位置に固定されることができる。突起部４８４Ａ及び穴４８４Ｂは、締り嵌めを形成するための相対的な大きさ及び形状に形成されている。サブパーツ３８２は、可溶部材１８０と関連して上述したような材料から形成することが可能である。

本発明の実施形態による過電圧保護装置（例えば、装置１００，２００）は、上述した利点に加えて多くの利点をもたらすことが可能である。保護装置は、比較的にコンパクトな形状因子を有するように形成されている。保護装置は、上述したような可溶部材を有していない類似タイプの過電圧保護装置に代えて取付けるために、後から取り付けることが可能である。特に、本保護装置は以前の装置と同じ長さ方向の寸法とすることが可能である。

特定の実施形態によると、本発明の過電圧保護装置（例えば、装置１００，２００）は、可溶部材が溶融して過電圧保護装置を短絡するときに、過電圧保護装置の導電率がこの保護装置に接続された給電側及び出口側ケーブルの導電率と少なくとも同程度の導電率を有する構成となっている。

特定の実施形態によると、本発明の過電圧保護装置（例えば、装置１００，２００）は、ハウジング（例えば、ハウジング１２０又は２２０）に不具合を発生することなく１０００アンペアの電流を持続するか、又は１７０℃を超える外部表面温度に到達する構成となっている。

上述した可溶部材又は可溶部材組立体は、それらが電極（例えば、電極１３０）に接触して取り囲むように取付けられているが、本発明の他の実施形態によると、可溶部材は保護装置内の他の箇所に代わりに又は追加として取付けることが可能である。例えば、可溶部材（例えば、可溶部材のスリーブ又はライナー）は、側壁１２４の内側表面及び／又はフランジ１３８の下側に取付けることが可能である。同様に、可溶部材は本発明の特定の実施形態に従って異なる形状にすることができる。例えば、特定の実施形態によると、チャンバ、電極及び／又はハウジングに関して、可溶部材は管状でなくてもよく、及び／又は対称でなくてもよい。

特定の実施形態によると、接触表面（例えば、接触表面１２２Ａ，１３２Ａ）の各々とバリスタ・ウェハー表面（例えば、ウェハー表面１１２）との間の係合の面積は少なくとも３.２ｃｍ²（０.５平方インチ）である。

特定の実施形態によると、ハウジング１２０及び電極１３０の総計熱質量（thermalmass)は、バリスタ・ウェハー１１０の熱質量よりも大きい。ここで使用している用語「熱質量」とは、対象物（例えば、バリスタ・ウェハー１１０）の材料（単数又は複数）の比熱に対象物の材料（単数又は複数）の質量（単数又は複数）を乗じた積である。即ち、熱質量とは、対象物の材料１グラムを１℃だけ上昇させるのに必要なエネルギの量を対象物の材料の質量倍したものである。特定の実施形態によると、電極頭部１３２及び電極壁１２２の各々の熱質量はバリスタ・ウェハー１１０の熱質量よりも大きい。特定の実施形態によると、電極頭部１３２及び電極壁１２２の各々の熱質量はバリスタ・ウェハー１１０の熱質量の少なくとも２倍であり、特定の実施形態によると、少なくとも１０倍ほど大きい。

本発明の過電圧保護装置のうちのいくつかの要素を形成するための方法は、以下の記載を考慮することにより当業者に理解されるであろう。例えば、ハウジング１２０、電極１３０及びエンドキャップ１６０は、機械加工、鋳造又は衝撃成形により形成することが可能である。これら要素の各々は、一体に形成しても良く、あるいは例えば溶接による固定で接合される複数の要素から形成されていても良い。

複数のバリスタ・ウェハー（図示せず）を積み重ねて電極頭部と中心壁との間に挟持されていても良い。上側及び下側のバリスタ・ウェハーの外側表面は、ウェハーの接触表面としての機能を果たしている。しかしながら、バリスタ・ウェハーの特性は、複数のバリスタ・ウェハーを積み重ねるというよりは単一のバリスタ・ウェハーの厚さを変えることにより修正することが好ましい。

上述したように、ばね座金１４０は皿座金である。皿座金は、大きな軸方向のスペーサを要することなく比較的に大きな負荷を加えるために使用することが可能である。しかしながら、皿座金（単数又は複数）に代えて又は加えて他の形式の付勢手段を使用することが可能である。適切な代替の付勢手段には、１つ以上のコイルばね、波形座金又は渦巻き座金がある。

本発明の恩恵を受ける当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の改変及び修正を行いうるであろう。従って、例示した実施形態は、単なる例のために記載されているのであって、特許請求の範囲に規定された本発明を限定するものと受け取られるべきではないことが分かる。従って、特許請求の範囲は、文字どおり記載された諸要素の組合せだけでなく、ほぼ同じ結果を得るのにほぼ同じ方法でほぼ同じ機能を遂行する全ての均等要素を包含するものと解釈されるべきである。従って、特許請求の範囲は、上に特定的に記載され例示されたこと、概念的に均等であること、本発明の必須概念を組み入れたことを含むものと理解されるべきである。

本発明の実施形態による過電圧保護装置の分解斜視図である。 図１の過電圧保護装置の上からの斜視図である。 図２の線３−３に沿って切断した図１の過電圧保護装置の断面図である。 図２の線３−３に沿って切断した図１の過電圧保護装置の断面図であり、過電圧保護装置の可溶部材が垂直の向きの溶融により形が変えられている。 図２の線３−３に沿って切断した図１の過電圧保護装置の断面図であり、可溶部材が水平姿勢での溶融により形が変えられている。 本発明の実施形態による図１の過電圧保護装置を備える回路を表す概略図である。 本発明の別の実施形態による過電圧保護装置の断面図である。 本発明の別の実施形態による可溶部材組立体の分解斜視図である。 本発明の別の実施形態による可溶部材組立体の分解頂面図である。

符号の説明

１００ 過電圧保護装置
１１０ バリスタ・ウェハー（バリスタ部材）
１１２ 接触表面（ウェハー表面）
１２０ ハウジング
１２２Ａ 第１の電極部材の接触表面
１２１ チャンバ
１２２ 電極壁
１２６ ハウジングの開口
１３０ 電極
１３２ 電極の頭部
１３２Ａ 第２の電極部材の接触表面
１３４ 電極の軸
１３４Ａ 下側の軸部（第２の電極部材の少なくとも一部）
１３４Ｂ 上側の軸部
１３８ フランジ
１４０ ばね座金
１５０ 絶縁リング
１５２ 絶縁リング孔
１６０ 金属エンドキャップ
１６２ エンドキャップ孔
１８０ 可溶部材
１８０Ａ 可溶部材
１８０Ｂ 可溶部材
２００ 過電圧保護装置
２１０ バリスタ・ウェハー（バリスタ部材）
２２０ ハウジング
２３０ 電極
２９０ ライナー（補強部材）
３８１ 可溶部材組立体
３８２ サブパーツ
３８４ クランプ（保持装置）
４８１ 可溶部材組立体
４８２ サブパーツ
４８４Ａ 雄型突起部（一体的保持機構）
４８４Ｂ 雌型穴（一体的保持機構）

Claims (17)

1. ハウジングを有する導電性の第１の電極部材であって、前記ハウジングが、その内部に長手方向軸線を有するチャンバを画成するように筒状に形成され、かつ前記ハウジングが端部の電極壁を有する、第１の電極部材と、
   前記チャンバ内に配置され、かつ前記長手方向軸線に沿って延びる導電性の第２の電極部材であって、頭部及び軸を有する第２の電極部材と、
   バリスタ材料から形成され、前記第１及び第２の電極部材の各々に電気的に接続され、かつ前記電極壁及び前記頭部の間に配置されるバリスタ部材であって、互いに対向する第１のウェハー表面及び第２のウェハー表面を有しており、バリスタ部材の寿命末期状態時に抵抗損から熱を生成するように構成されているバリスタ部材と、
   前記チャンバ内で前記軸の外周に取付けられた導電性の可溶部材と
   を備えており、
   前記可溶部材は、前記バリスタ部材の寿命末期状態時に抵抗損から生成される熱を電気的に引き起こすことに反応して溶融し、少なくとも電気的に引き起こされた装置内の熱を抑制することによって、熱暴走に起因する装置の破損を防止するように、前記溶融した可溶部材を介して前記第１及び第２の電極部材間に電流流路を形成する構成となっており、
   前記第１の電極部材における前記端部の電極壁が、前記第１のウェハー表面に向かって付勢された第１の接触表面を有し、前記第２の電極部材における前記頭部が、前記第２のウェハー表面に向かって付勢された第２の接触表面を有しており、
   前記可溶部材の外周が前記ハウジングの内周と間隔を空けて配置されている、過電圧保護装置。
2. 前記第２電極部材が、前記シャフトに設けられるとともに前記頭部と前記長手軸線方向に間隔を空けて配置されたフランジを有し、
   前記頭部及び前記フランジの間における前記軸の一部が、前記頭部及び前記フランジと比較して減少した直径を有しており、
   前記可溶部材が、前記頭部及び前記フランジの間における前記シャフトの前記減少した直径を有する一部の外周に取付けられている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
3. 前記可溶部材が、所定の最大標準動作温度よりも高い融点を有し、
   前記所定の最大標準動作温度が、装置内で熱暴走の生じている動作中ではなく通常の動作中に前記可溶部材に発生する最高温度に設定されている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
4. 前記可溶部材により形成された前記電流流路は、前記可溶部材を前記第１及び第２の電極部材の各々に係合させて、前記第１の電極部材から前記第２の電極部材へと完全に延在している、請求項１に記載の過電圧保護装置。
5. 前記可溶部材は金属から形成されている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
6. 前記可溶部材は、アルミニウム合金、亜鉛合金及び／又は錫合金からなるグループから選択した金属から形成されている、請求項５に記載の過電圧保護装置。
7. 前記可溶部材は、約１１０℃〜１６０℃の範囲内にある融点を有している、請求項１に記載の過電圧保護装置。
8. 前記可溶部材は前記チャンバ内で前記第２の電極部材の前記一部に鋳込まれている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
9. 前記可溶部材は、別個の第１及び第２のサブパーツを備えており、前記第１及び第２のサブパーツは、保持装置により前記チャンバ内で前記第２の電極部材の前記一部に互いに取付けられている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
10. 前記可溶部材は、別個の第１及び第２のサブパーツを備えており、前記第１及び第２のサブパーツは、少なくとも１つの一体的保持機構により前記チャンバ内で前記第２の電極部材の前記一部に互いに取付けられている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
11. 前記第１及び第２の電極部材間で前記チャンバ内に配置される導電性の補強部材を備えており、前記補強部材は、前記ハウジングの材料よりも高い融点を有する材料から形成され、前記第２の電極部材からの電気アークを受けるように位置決めされている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
12. 前記チャンバは封止されている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
13. 前記チャンバ内に配置され、前記第１及び第２の電極部材間に介在されている電気絶縁部材を備えている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
14. 前記開口内に配置された金属エンドキャップであって、金属エンドキャップにはエンドキャップ孔が形成されていて、前記軸がエンドキャップ孔を通り延在している、金属エンドキャップと、
    前記第２の電極部材及び前記エンドキャップの間に介在された電気絶縁リング部材であって、電気絶縁リング部材にはリング孔が形成されていて、前記軸が前記リング孔を通り延在している、電気絶縁リング部材と
    を更に備えている請求項１に記載の過電圧保護装置。
15. 前記第２の電極部材は、前記チャンバ内に位置した頭部と、軸と、フランジとを備えており、前記フランジは、前記軸から延在し、前記頭部から離間しており、
    前記可溶部材は、前記頭部と前記フランジとの間で前記軸に取付けられており、
    前記過電圧保護装置は、前記頭部に負荷を加えるため前記頭部の反対側で前記フランジに取付けられたばね座金を更に備えている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
16. 前記バリスタ材料は、酸化金属化合物及び炭化ケイ素からなるグループから選択されている、請求項１に記載の過電圧保護装置。
17. 過電圧保護をもたらす方法であって、
    ハウジングを有する導電性の第１の電極部材であって、前記ハウジングが、その内部に長手方向軸線を有するチャンバを画成するように筒状に形成され、かつ前記ハウジングが端部の電極壁を有する、第１の電極部材と、
    前記チャンバ内に配置され、かつ前記長手方向軸線に沿って延びる導電性の第２の電極部材であって、頭部及び軸を有する第２の電極部材と、
    バリスタ材料から形成され、前記第１及び第２の電極部材の各々に電気的に接続され、かつ前記電極壁及び前記頭部の間に配置されるバリスタ部材であって、互いに対向する第１のウェハー表面及び第２のウェハー表面を有しており、バリスタ部材の寿命末期状態時に抵抗損から熱を生成するように構成されているバリスタ部材と、
    前記チャンバ内で前記軸の外周に取付けられた導電性の可溶部材であって、可溶部材の外周が前記ハウジングの内周と間隔を空けて配置されている、可溶部材と
    を備えている過電圧保護装置を、準備するステップと、
    前記端部の電極壁に設けられる第１の接触表面を前記第１のウェハー表面に向かって付勢し、かつ前記頭部に設けられる第２の接触表面を前記第２のウェハー表面に向かって付勢するステップと、
    電気的に引き起こされた熱が前記バリスタ部材にて抵抗損から生成されるように、前記バリスタ部材が寿命末期状態である時に、前記バリスタ部材に通電することによって、前記過電圧保護装置内に熱を発生させるステップと、
    少なくとも電気的に引き起こされた前記過電圧保護装置内の熱を抑制することによって、熱暴走に起因する装置の破損を防止するように、前記過電圧保護装置内の熱に反応して前記可溶部材が溶融して、前記可溶部材を介して前記第１及び第２の電極部材間に電流流路が形成される、ステップと
    を含む方法。

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