JP5243485B2 - 電流遮断素子および電流遮断素子を用いた高電圧装置 - Google Patents

Description

この発明は電流遮断素子、特に高電圧を利用する機器の放電に起因する回路ショートや回路部品の故障などにおける異常電流発生時に回路を遮断する電流遮断素子に関するものである。

電流遮断素子として、異常電流が流れた場合に導体が蒸発して電流を遮断するヒューズが一般に用いられており、従来多くの種類のヒューズが高電圧を使用する機器に用いられてきた。ところで、大容量のオゾン発生装置（オゾナイザ）では、高電圧電源に接続される負荷として放電管が１００本以上用いられている。オゾナイザでは、放電管のばらつきにより、１本の放電管に短絡放電が生じてその放電管でアーク放電が生じた場合でも、その放電管のみ高電圧電源から切り離して、装置全体の運転を継続できるようにできれば、メインテナンス時間が省略でき、信頼性の高い高電圧装置にできる。しかし、このような多数の負荷が高電圧電源に接続された高電圧装置に用いる電流遮断素子として適切に使用できるものが従来なかった。

従来のこの種の装置に用いられる電流遮断素子の一例としてヒューズエレメントを少なくとも２つの接点要素間に半田付け等によって結合し、結合部分の温度が所定値を超えたときに上記半田が溶融してヒューズエレメントと少なくとも１つの接点要素との間を分離して電気接触を遮断することにより、電流遮断時に妨害となるアーク放電を回避するようにしたものがある。（例えば特許文献１参照）。

また、アーク放電を素早く消弧するため、第三の電極を用意し、第三の電極をばねで引き離すことにより、素早く、電極間距離を引き離すように構成したものがある（例えば特許文献２参照）。

特開平１１−３１７１４４号公報 特開２００９−９９４０４号公報

上述したような温度ヒューズによる従来の電流遮断素子は、ヒューズ導体が溶断することで電気接触が分離されるものであり、ヒューズ導体溶断後にアーク放電が生じ、高電圧装置の電流を完全に遮断できないことがある。このため、このアーク放電を抑制する必要があり、アーク放電抑制のため硅砂などの消弧剤を用いたり、消孤剤を用いない場合は溶断後に電極間に１ｋV当たり1mm以上の空隙が開くように、電極間距離を設計したりしていた。また、電流遮断素子を装置で使用する場合、定格使用時において素子での発熱が問題になることがあった。アーク放電を抑制するため電極間距離を長くし、かつヒューズ導体の発熱を抑制するには、ヒューズ導体を太くしてヒューズ導体の抵抗を小さくする必要があった。しかし、ヒューズ導体を太くすれば、ヒューズ導体の熱容量が大きくなるため、ヒューズ導体の溶融にかかる時間が長くなる。例えば、高電圧装置において何らかの原因で放電が生じて異常電流が流れる場合のように、瞬時に大電流が流れ、そのエネルギーにより装置が破損するような系において、絶縁破壊時の電流がそれほど大きくない場合には、ヒューズ導体の溶融にかかる時間が長いと、装置の破損を防止することが困難であるという問題があった。また、アーク放電を抑制するための消弧剤を用いる場合には、消弧剤自身がヒューズ導体と接触してヒューズ導体の熱を奪い、瞬時の温度上昇を妨げるため、上記と同様に溶融に至るまでの時間がかかり過ぎるという問題があった。

装置の異常時の電流が十分に大きい場合には、従来の電流遮断素子でも瞬時にヒューズ導体を溶断して装置を保護することは可能であるが、瞬時にヒューズ導体を溶断させるために、装置の異常時に意図的に電流を増やすことは、異常発生時に装置にかけるエネルギーを大きくすることにつながり、装置保護が難しくなる。また、異常発生時のエネルギーに耐える装置とするためには装置自体を大容量化する必要があるという問題も発生する。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、通常運転時のヒューズ導体での発熱量が少なく、装置の一部が絶縁破壊により破損して異常電流が流れた場合でも、装置の破損部への電力注入が抑制でき、装置全体の破損を防止できる電流遮断素子を提供することを目的とする。

この発明に係る電流遮断素子は、定格電流を上回る異常電流により溶融・蒸発するヒューズ導体が２つの電極間に接続された電流遮断素子において、ヒューズ導体が存在しない場合に２つの電極間に印加される電圧により２つの電極間で絶縁破壊が生じる電界強度となるようにヒューズ導体の長さを設定するとともに、ヒューズ導体の寸法を、ヒューズ導体に所定の異常電流が流れた場合にヒューズ導体が所定の時間以内に蒸発する寸法に設定した。

この発明に係る電流遮断素子は上記のように構成されているため、極めて短時間で装置を保護できる抵抗を形成でき、装置の損傷を最小にすることができる。また、ヒューズ導体による電力損失が少ないため、ヒューズ導体の温度上昇が低く、電流遮断素子の寿命を長くできる。

この発明の実施の形態１による電流遮断素子の動作を説明するための模式図である。 従来の電流遮断素子の動作を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１による電流遮断素子のヒューズ導体がスズの場合の条件を示す図である。 この発明の実施の形態１による電流遮断素子のヒューズ導体が銅の場合の条件を示す図である。 この発明の実施の形態１による電流遮断素子のヒューズ導体の条件を説明する図である。 この発明の実施の形態２による電流遮断素子の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２による別の電流遮断素子の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるさらに別の電流遮断素子の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるさらに別の電流遮断素子の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態３による電流遮断素子の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態４による電流遮断素子を用いた高電圧装置の概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態５による電流遮断素子を用いた高電圧装置の概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態６による電流遮断素子を用いた高電圧装置の概略構成を示す回路図である。

実施の形態１．
本発明の電流遮断素子は、少なくとも異常電流が流れた場合に溶融、蒸発するヒューズ導体とこのヒューズ導体を接続する２つの電極を有する。まず、本発明の電流遮断素子の動作について説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施の形態１による電流遮断素子の動作を説明する図である。本発明では、ピーク電圧が５ｋV以上の高電圧装置
の保護を目的とし、異常発生時に、通常使用電流の５倍以上の電流がヒューズ導体に流れるような回路で、かつ、短時間で異常発生部分に供給される電流を削減することを目的としている。すなわち、高電圧が印加される装置において、装置の一部の絶縁物が破損し、破損部位で放電してアーク放電などの負荷の破損部位の放電による異常電流が流れ、破損部位で発生する熱によって、破損部位の周辺まで損傷が広がるのを防止することを目的の一つとする。

図１の左側の図は電流遮断素子のヒューズ導体の状態毎の模式図、右側の図は、ヒューズ導体のそれぞれの状態における電源と負荷を含めた等価回路である。図１（Ａ）はヒューズ導体が溶融しない通常動作時における状態、図１（Ｂ）は、負荷が破損して破損部位で放電が生じ、ヒューズ導体が溶融した後に電極間に印加される高電圧によって電極間にアーク放電が生じた状態、図１（Ｂ）は電極間のアーク放電が消滅した後の状態を示す。図１において、１はヒューズ導体、２、３はヒューズ導体を取り付ける電極、４はヒューズが溶融した後に電極２、３間に印加される高電圧によって生じるアーク放電である。等価回路において、Ｖは電源電圧、Ｒ0は負荷の抵抗値、R1は電流遮断素子の電極間で生じ
たアーク放電による抵抗値、R2は負荷の破損部位で生じた放電による抵抗値を示す。ここでは、負荷の破損部位で放電が生じても、負荷のその他の部位は負荷抵抗としてはほぼR0のままで、破損部位の放電による抵抗R2がR0に並列に接続された状態になることを想定している。

負荷が破損して破損部位でアーク放電が生じて負荷に異常電流が流れ、ヒューズ導体に流れる異常電流によりヒューズ導体１が蒸発する。本実施の形態１によるヒューズ導体１は、導体の直径が十分小さいため、所定の時間以内にヒューズ導体が蒸発する。図１（Ｂ)に示すように、ヒューズ導体が蒸発しても空間に残るプラズマにより電極間でアーク放電４が生じ、アーク放電が継続する。ただし、電極間でアーク放電が継続しても、電極間のアーク放電４による放電抵抗により電流が制限され、周辺への損傷拡大を防止する。等価回路に示すように、図１（Ａ）（通常動作時）においては、負荷に入力される電力P0は、P0=V²／R0である。ヒューズ導体１の抵抗はR0に比較して十分小さいため、無視できる。また、以後の検討では、異常時に通常電流の５倍以上の電流が流れることから、R0>>R2として、R0、R2の並列抵抗をR2で近似する。一方、ヒューズ導体１が溶融した後にアーク放電４が発生し、図１（Ｂ）に示すように、電流遮断素子の電極間で生じるアーク放電４による放電抵抗R1、および負荷と並列に破損部位でのアーク放電による放電抵抗R2が形成される。この場合、放電抵抗R2で消費される電力P1は、瞬時的（電源電圧が下がらない時間）には、P1=R2・V²／（R1+R2)²となる。一方、電流遮断素子がない場合に負荷の破損部位でのアーク放電部で消費される電力P2は、R1=0として、P2=V²／R2となる。R1、R2は共に放電抵抗であり、比較のために、R1とR2が等しい場合を想定すれば、P1=P2/4となり、破損部位での放電の電力を１／４まで削減して、負荷の破損部位の放電による装置の損傷を抑制するのが可能であることがわかる。

参考のため、従来の電流遮断素子の動作を図２に示す。従来の電流遮断素子のヒューズ導体５では、放電時に溶断するように設定されているため、図２（Ｂ）に示すように。異常電流が流れ始めた時、瞬時的には液体金属４０でつながった状態となり、図１（Ｂ）で示した、ヒューズ導体１が蒸発してアーク放電４となった状態における放電抵抗R1と比較すると抵抗値が小さく、この状態では、上記で説明した電流遮断素子がない場合に負荷の破損部位で生じた放電部分で消費される電力P2と同様となり、負荷破損部位へ入力される電力を十分に抑制できない。

本発明にかかるヒューズ導体に必要な最大断面積Ｓ（mm²）は、以下のように算出され
る。
S ＝（Id²・γ・ｔ／（Ｃp・ρ・（Ｔb−Ｔ0）））^0.5 （１）
ここで、ｔ（s）は、異常発生からヒューズが蒸発するまでの時間で装置の保護に必要
な最大時間、Id（A）は放電時の電流、Ｔ0（℃）は室温、Ｔb（℃）はヒューズ導体の沸
点、T0〜Tbまでのヒューズ導体の体積抵抗率の平均値がγ（Ωmm）、T0〜Tbまでのヒューズ導体の密度の平均値がρ（g/mm³）、T0〜Tbまでのヒューズ導体の比熱の平均値が Ｃp
（J/g/k）である。ただし、各パラメータの括弧内は単位を示す。

式（１）は、以下の諸式を整理することで求めることができる。
昇温ΔTは室温から沸点 ΔT=Ｔb−Ｔ0、
比熱の定義 ΔT=Q／w／Cp T：昇温 Q：入熱 ｗ：ヒューズ導体重量 Cp：比熱
密度の定義 ｗ=ρ・V ρ：ヒューズ導体密度 V：ヒューズ導体体積
電流による入熱 Q=I^２・R・ｔ I：電流 R：ヒューズ導体抵抗 ｔ：入熱時間
ヒューズ導体抵抗 R=γ・L／S γ：体積抵抗率
ヒューズ導体体積 V=S・L L：ヒューズ導体長 S：ヒューズ導体断面積
である。ヒューズ導体は断面円形の線状部材から選定する場合が多いため、断面形状を円形とした場合の直径ｄで（１）式を書き換えると、
ｄ＝２・（Id²・γ・ｔ／（π²・Ｃp・ρ・（Ｔb−Ｔ0）））^0.25 （２）

式の導出からわかるように、本試算では、伝熱を考慮していない。ｄより小さい径を持つヒューズ導体なら、断熱条件（ヒューズ導体から熱が逃げない条件）において、所定時間内にヒューズは蒸発する。ただし、実際のヒューズ設計では、安全率、入手性などを考慮したヒューズ直径ｄを選ぶ必要がある。一般には、ヒューズから少しは熱が逃げるため、この試算で得られるｄより、５％以上径を小さい径を選んだ方がよい。

一方で、ヒューズ導体の径を細くすると、導体の抵抗が大きくなり、導体が加熱される。この際、ヒューズ導体の温度が上がりすぎると、融点に達して、ヒューズ導体が溶融する可能性がある。

この事情を説明するため、実際にヒューズ導体としてよく利用される、スズと銅について、ヒューズ導体の線径を試算してみる。
スズの場合、Tb＝2602℃であり、体積抵抗率γ、密度ρ、比熱Ｃpは、それぞれ、γ＝1.1x10⁻⁴（Ωmm）、ρ＝7.31 x10⁻³（g/mm³）、Ｃp＝0.228（J/g/k）とし、負荷の異常
時の電流Id＝20（A）、回路保護のための時間ｔ=0.01（ｓ）、室温T0＝27（℃）として試算する。尚、以上の値は、室温T0の値であるため、高温では体積抵抗率が大きくなり、この試算値より細径でも蒸発する。

式（２）より断熱条件においてヒューズ導体が沸点に達する線径は、0.114mmであり、
これより5%小さい線径は0.108mmとなる。すなわち、実際のヒューズ直径D（D＜ｄ）は、
入手が容易な線径として、D＝0.1mmのスズ線を用いれば、10mS以内にヒューズを蒸発させ、装置を保護することが可能となる。

同様に銅の場合を試算すると、 Tb＝2567℃、γ＝1.6x10^-5（Ωmm）、ρ＝8.92 x10⁻³（g/mm³）、Ｃp＝0.38（J/g/k）を用いて、蒸発する最大の線径は、0.059mm、これより5%小さい線径は0.056mmとなる。すなわち、D＝0.05mm径の銅線を選べばよい。

一方、線径を細くすると、表面積が小さくなり、通常通電時においても、ヒューズ導体からの空冷による冷却効果は下がる。このため、通常通電時においては、主としてヒューズ両端の電極に熱が流れ込むことになる。そこで、両端の導体は十分空冷されているとして、ヒューズ導体の中央の温度Ｔを以下の式を用いて求める。
Ｔ ＝ 2000・（Ip²・γ・L²／（π²・λ・D⁴））＋ T0 （３）
ここで、Ipは通常通電時に流れる電流、L（mm）はヒューズ導体の長さ、λ（J/(m・s・K)）は熱伝導率であり、D（mm）はｄよりも小さく、入手可能なヒューズ導体の線直径で
ある。

式（３）は、以下の諸式を用い、文中に示す単位を代入して所定の値になるように定数項を調整することで得られる。まず、内部発熱のある厚さLの平板の両端が同じ温度とし
た場合の中央部の温度上昇を与える式、
ΔT＝P・L／（８λ） P：内部発熱 λ：熱伝導率
ここで、昇温ΔTは最終温度T−室温T0 ΔT＝T−T0
次に、内部発熱の計算式 P＝I^２・R I：電流 R：ヒューズ導体抵抗
ヒューズ導体抵抗 R=γ・L／S γ：体積抵抗率
ヒューズ導体体積 V=S・L L：ヒューズ導体長
ヒューズ導体断面積 S=πD^２／４ D：ヒューズ導体直径

ここで、従来のヒューズとの違いを明確にするため、本ヒューズの要件を整理する。まず、所定時間ｔ以内に、ヒューズ導体が蒸発するという条件（式（２））より、
D＜ｄ＝２・（Id²・γ・ｔ／（π²・Ｃp・ρ・（Ｔb−Ｔ0）））^0.25 （４）
また、異常放電電流が通常電流の５倍以上で動作するという条件から、
Id＞５・Ip （５）

式（４）、（５）より、Dが以下の範囲を満たせば、本ヒューズは動作する。
D＜２・（２５・Ip²・γ・ｔ／（π²・Ｃp・ρ・（Ｔb−Ｔ0）））^0.25 （６）
また、通常通電時のヒューズ温度Ｔの最大値は、ヒューズ導体の融点Ｔmを越えること
は出来ないので、
Ｔm ＞ 2000・（Ip²・γ・L²／（π²・λ・D4））＋ T0 より
Ｄ＞（2000・（Ip²・γ・L²／（π²・λ・（Tm−Ｔ0）））^0.25 （７）
すなわち、本特許におけるヒューズ導体の条件は、（６）、（７）の不等式を満たすD
、Lを有するものである。

式（６）、式（７）はヒューズ導体の断面形状が円形であるとしてその直径についての式として表しているが、より一般的には、ヒューズ導体の断面積Ｓについて表す下式（８）、（９）の不等式が条件となる。
S ＜（Id²・γ・ｔ／（Ｃp・ρ・（Ｔb−Ｔ0）））^0.5 （８）
S ＞（125・（Ip²・γ・L²／（λ・（Tm−Ｔ0）））^0.5 （９）

通常の高電圧に使用される電流遮断素子（ヒューズ）は、ヒューズ導体断線時の電極間での絶縁破壊によるアーク放電が継続しないように、電極間距離を3mm／ｋV程度（空気での絶縁破壊電界以上となる距離であり、５ｋVで15mm）に設定しているが、ここでは、１
０mmでも放電しないことを想定し、従来のヒューズの最小電極間距離（ヒューズ導体長さ）を１０mmとおいて、従来のヒューズが（６）、（７）の不等式を満たすかどうか試算した。試算の条件は、通常電流（定格電流）４A、異常時の電流を定格電流の５倍の２０Aとした。この条件で、線径0.001〜1mmで、従来よく用いられているスズと銅を材料としたヒューズを例として、蒸発するまでの時間を求めた（式（６））。また、ヒューズ導体長さ１，５，１０，１５ｍｍのヒューズ導体の中央部が溶融しない線径を求めた（式（７））。さらに、蒸発までの時間が0.05ｓとなる線径において、溶融しない最大の長さを求めた（式（６）と式（７）を共に満たす最大のＬ）。その結果を図３、図４に示す。図３はヒューズ導体がスズの場合、図４はヒューズ導体が銅の場合を示している。図より、従来の、電極間距離が絶縁破壊を生じない寸法のヒューズ（ヒューズ導体の長さ１０ｍｍ以上）は、通常電流で溶融しないように径を定めると、図の太線の○印より上側となる。一方、（６）式を満たすDは、図の●印より下側であり、スズ、銅共に従来の条件（長さ１０ｍｍ）では、（６）、（７）の不等式の条件を満たさないことがわかる。

図３および図４では、蒸発時間を変数として本発明のヒューズの条件をグラフ化したが、蒸発時間を一定とし、本発明のヒューズに要求されるDとLの条件を求めたグラフを図５に示す。図５中の曲線（太実線）は、式（７）の条件より求まるもので、この曲線より上側のL、Dを持つヒューズは、通常動作で溶融するため使用できない。図５中の縦実線は、式（６）の条件から求まるもので、この線より左側の径を持つヒューズは、0.05ｓ以内に蒸発する。すなわち、式（６）、（７）の条件を満たすヒューズは、図の斜めハッチの領域のL、Dを持つヒューズ導体である。なお、前述のように、（６）、（７）の不等式は、ヒューズ導体の断面積Ｓで表す（８）、（９）の不等式によれば、断面形状が円形以外のヒューズ導体にも適用することができ、より一般的である。

図５中の横破線は、ヒューズ断線時の電極間放電限界を示したもので、この線より下側では、溶断後もヒューズ電極間で放電が継続する。本試算では５ｋV印加を想定しており
、通常の設計では、ヒューズ長さが10mm以下で放電することになる。従来の高電圧で使用する電流遮断素子は、ヒューズ導体溶断後の放電が許容されておらず、線の下側のヒューズ導体の電流遮断素子はなかった。線の上側に斜めハッチの領域がないことから、従来は本発明の条件を満たす電流遮断素子が存在しないことがわかる。

一方、実際に電流遮断素子を設計する際には、ヒューズ導体温度はヒューズ導体の融点ではなく、それよりも低い温度に設定する。ヒューズ導体の温度をどの程度に設定するかは、導体の溶融、消費電力の上限、ヒューズ導体の酸化などによる劣化防止など、複数の観点から決まり、一概には言えない。設定温度をＴ1とすれば、上式より、ヒューズ導体
の長さの上限を以下の式で求めることができる。
L ＝ 0.07・（λ・D4・（Ｔ1−T0）／（Ip ²・γ）） ^0.5 （１０）

仮に、温度上限を100℃とし、定格通電時に流れる電流を異常時の1/5の４Aとすればヒ
ューズ導体の長さ上限は、スズの場合、λ＝65（J/(m・s・K)）、D＝0.1（mm）、Ｔ1＝100（℃） 、Ｔ0＝27（℃）、Ip＝４（A）、γ＝1.1x10⁻⁴（Ωmm）を用いて 1.15mm、銅の場合は、λ＝350（J/(m・s・K)）、D＝0.05（mm）、γ＝1.6x10^-5（Ωmm）を用いて、1.75mm以下であれば良いことがわかる。

一方、蒸発後に電極間で発生する放電による放電抵抗は、電極間距離が大きいほど大きくなり、異常発生部の電流を削減できるため、銅を用いたヒューズの方がより効果的に損傷を防止できることがわかる。すなわち、この発明にかかるヒューズは、溶融より蒸発に重点をおいているため、常識的にはより効果的に電流を抑制できるように思われる低融点のスズより、高融点の銅の方がより効果的に装置を保護できることがわかる。

なお、図１（Ａ）に示したヒューズ導体１と２つの電極２、３は、一枚の薄板から、エッチング等で切り出した一体物で構成してもよい。このようにして電極とヒューズ導体を一体として作製することで、非常に細いヒューズ導体と電極とが接続されたものを簡単に作製できる。

実施の形態２．
図６〜図９はこの発明の実施の形態２による電流遮断素子の構成を示す模式図である。実施の形態２は、ヒューズ導体が蒸発した後、電極間距離を引き離すため、電極に移動機構を設けたものである。ここでは、移動機構としてばねを用いたものを説明する。図６において、９は電極２を電極３から離すように引っ張るためのばね、１０は可撓導体である。本発明にかかるヒューズは、短時間でヒューズ導体が蒸発するため、蒸発後の電流を抑制できるが、電極間距離が短くアーク自体は切れないため、電流は流れ続ける。この電流を切るためには、電極間に印加される電圧を下げるか、電極間距離を引き離す（拡大する）必要がある。ここでは、片側の電極にばねを入れておき、蒸発後に電極間距離を引き離してアーク電流を切るようにした。この際、可能な限り素早く電極を引き離すため、電極の質量を小さくし、慣性を小さくするのが望ましい。

図７に、ばね自身を電極として用い、電極の質量を小さくした例を示す。図７（Ａ）において、２はばねの先端部でヒューズ導体１との接続点であり、電気的には図１や図６における電極２に相当する部分である。自身を電極とする場合、ばね材によっては、電気抵抗が大きくなり、通常通電時の消費電力が問題になる場合がある。この場合、図７（Ｂ）に示すように、抵抗率の大きいばね材の抵抗を電流が流れないようにするため、ばねの途中に抵抗の小さい金属のリード１１を取り付け、この金属のリード１１を介して給電することで、消費電力を小さくすることができる。また、図７（Ｃ）に示すように、ばね自身の抵抗を減らすため、ばねを断面積が線状部材より大きい板ばね１２にして、動作する部分の質量を軽減しつつ、電気抵抗を小さくすることも出来る。ただし、この方法ではばね蒸発後の電極間距離を大きく取れないため、印加する電圧が大きい場合は、電流の遮断が難しい。図８に、ばね導体１２間に絶縁物１３を配置し、引き離す距離が短くても、アークを遮断出来る構造の例を示す。尚、この図で絶縁物中央に溝１４があるのは、絶縁物表面の長さを長くして沿面放電を抑制するためのものである。

ところで、ばね力は大きい方が早く引き離せるが、本発明にかかるヒューズ導体は、線径が細いため、あまり大きな力をかけることが出来ない。一方で、本発明によるヒューズ導体は急激な温度上昇により、爆発的な気体（ヒューズを置く雰囲気の気体と、蒸発した金属気体）の膨張を伴う。この圧力を利用した電流遮断素子の構成の模式図を図９に示す。ヒューズ導体１の周辺を、圧力を受けるカップ状（平面でも可）部材１５で覆っている。このカップ状部材１５がヒューズ導体１蒸発時の圧力を受け、ばね力より大きな力で電極間を引き離すことができ、より早くアークを切ることができる。

以上では、電極間を引き離す移動機構としてばねを用いたものを説明したが、移動機構はばね以外であっても良い。例えば電磁石を用いて、ヒューズ導体の蒸発あるいは異常電流を検知した後、電磁石を用いて電極を移動させるような構成にしても良く、電極を素早く移動できる機構であればどのようなものでも良い。

実施の形態３．
図１０（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施の形態３による電流遮断素子の構成を示す模式図である。図に示すように、径の異なるあるいは材質の異なる複数のヒューズ導体６や径の等しい複数のヒューズ導体８を、空冷可能な表面積を持つ導体（ヒューズ接続板７）を挟んで複数個直列に接続している。この場合、間に挟むヒューズ接続板７を十分に冷却すれば、ヒューズ導体の抵抗による電力損失が無視できなくなるまで、ヒューズ導体を増やすことができる。また、空冷可能な表面積を持つ導体の両端にヒューズを設ければ、異常電流発生時に両端が蒸発（もしくは溶融）して、導体が切り離されるため、導体を落下さ
せる等の手法で、放電後の絶縁距離を大きく取り、電源再投入時の放電を防止するように構成することも可能となる。このような、ヒューズ接続板７と複数のヒューズ導体６や８と電極２、３は、前述したような、一枚の薄板からエッチング等で切り出しする方法で簡単に作製することができる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４による電流遮断素子を利用した高電圧装置の回路図を示すものである。図１１において、１６は高電圧電源、１７は本発明による電流遮断素子、１８は負荷で、高電圧電源１６に対して、負荷に電流遮断素子１７が直列に接続された直列体が複数並列に接続されている。１９は何らかの原因で放電により絶縁破壊が生じた負荷である。本実施の形態４では、一つの高電圧電源に対し、多数の負荷１８が並列に接続されており、その各々の機能がほぼ同一で、一つの負荷が破壊されても、全体に及ぼす効果が小さいような系を想定している。このような系で、一つの負荷で放電が起こり、絶縁が破壊された場合、絶縁破壊されて抵抗が小さくなった負荷１９のみ高電圧電源からに電流が流れ、過電流により高電圧がかからなくなり、装置全体が動作しなくなる。しかし、一つの負荷を上記ヒューズにより切り離せば、それ以外の大多数の負荷により、全体としての機能を保つことができる。例えば、負荷として、あるものＡを発生する同一の負荷がｎ個あり、そのうちの一つが破損してＡを発生できなくなった場合、残りの（ｎ−１）個の負荷が元通りＡを発生すれば、装置全体としてのＡの発生量は、ｎ個の負荷全体がＡを発生していた場合の（ｎ−１）／ｎ倍の発生量となる。ｎが１００とすると、Ａの発生量は全体としては１％低下するだけなので、装置全体の機能の低下はごくわずかで運転を続けることができる。

実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５による電流遮断素子を用いた高電圧装置の回路図を示すものである。図１２において、２０は高電圧電源からの出力電流を検出する電流検出部、２１は電流検出部２０からの信号により出力電流が許容値以上の場合は電源出力OFF信号あるいは出力電圧を低下させる信号を出す高電圧電源制御回路、２２は高電圧電源制御回路２１により制御可能な高電圧電源である。また、図１２において図１１と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態５の高電圧装置では、一つの高電圧電源に対し、多数の負荷が並列に並んでおり、その各々の機能がほぼ同一で、一つの負荷の絶縁破壊だけでは、全体に及ぼす効果が小さいが、絶縁破壊による過電流により、装置全体が再起動出来ないような損傷を被る系を想定している。具体的には、一つの負荷の絶縁破壊により生ずるアーク放電が継続することにより、装置の隔壁に穴が開き、外部の流体が装置内部に侵入して、装置全体の機能を停止させるような系である。

このような系では、上記電流遮断素子により絶縁破壊した負荷を切り離しても、例えばヒューズ導体が蒸発して電極間でアーク放電が生じている間に装置の隔壁に穴が開くことが懸念されるため、電源側で絶縁破壊による過電流発生を検知し、電流遮断素子の電極間でアーク放電が生じている間に電源の出力電圧を低下、望ましくは停止するまで低下させる手段を講ずる必要がある。この場合、電源が出力を停止または低下するまでの間にヒューズが溶断、もしくは蒸発しており、例えば実施の形態２で示したような機構によりヒューズ断線時に電極間距離を引き離すことができる。ヒューズは異常放電時に、蒸発までの温度に達しなくても、ヒューズ導体がバネなどで引き離されることで、電源の再投入は可能となり、一応の目的は達されるが、さらに、実施の形態１で説明した蒸発するヒューズを用いることで、装置への損傷を以下のように低減することが可能となる。まず本発明の電流遮断素子のヒューズ導体が溶融・蒸発して電極間でアーク放電が生じ、実施の形態１で説明したように、装置の絶縁破壊が生じて破損した負荷１９への電力入力が抑制され、その間に電源の出力が停止または低下することで、電流遮断素子の電極間のアーク放電が消滅する。また、電源が停止している間に電流遮断素子の電極間距離が電源電圧に対する絶縁破壊距離以上となる。この後に電源の出力電圧を負荷の動作電圧まで回復させることにより、電極間距離が広がった電流遮断素子の電極間でアーク放電が生じることはないため、破損した負荷１９には電流が流れず、装置の破損部を除いて機能が復帰するので故障時の装置停止時間を短くできる。

実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６による電流遮断素子を用いた高電圧装置の概略構成を示す図である。本実施の形態６は、実施の形態５における高電圧装置としてオゾン発生装置（オゾナイザ）を適用したものである。図１３において図１２と同一符号は同一または相当する部分を示す。図１３において、２３はガラス管などで構成される円筒形状の放電管で、片端は閉鎖されている。放電管２３の内面には高圧電極となる金属薄膜２４が形成されている。放電管２３は、金属管で形成された接地電極２５の内部に挿入されており、放電管２３の外面と接地電極２５の内面との間に間隙２６が形成されている。また接地電極の外面は冷却水２７が流れ、冷却するように構成されている。金属薄膜２４には給電素子２８により高電圧電源２２から本発明による電流遮断素子１７を介して高電圧が印加される。図に示すように、間隙２６に酸素ガスや空気など酸素（Ｏ_２）を含むガスを流して、高圧電極となる金属薄膜２４と接地電極２５の間に高電圧電源２２から高電圧を印加することで、ガスが放電して酸素をオゾン（Ｏ_３）化する。なお、図１３では放電管２３は２本だけを図示しているが、大容量のオゾナイザでは、放電管２３と接地電極２５の対が多数、例えば１００本以上、さらに大容量のものでは１０００本近く配置されている。

このようなオゾナイザでは、放電管２３の品質のばらつきにより、希に一本の放電管２３が貫通破壊し、高圧電極である金属薄膜２４と接地電極２５の電極間で短絡するアーク放電が生じる場合がある。通常、接地電極２５は、放電により生ずる発熱を吸収するため、水冷されており、水と放電空間の隔壁ともなっている。この接地電極２５に、放電により発生したアークにより穴が開くと、オゾナイザ全体が水に浸かり、使用できなくなるため、放電管２３が貫通破壊した場合は、電流遮断素子を用いて速やかに電流を制限し、アークによる接地電極２５の貫通破壊を防止するか、放電による過電流もしくは電圧低下を検知して、電源の出力を停止または低下させる必要がある。

本実施の形態６においても、実施の形態５で説明したように、貫通破壊した放電管２３に設けられた電流遮断素子のヒューズ導体がまず溶融・蒸発して電流遮断素子の電極間でアーク放電が生じ、実施の形態１で説明したように、貫通破壊した放電管２３への電力入力が抑制され、その間に電源の出力を低下（望ましくは停止するまで低下）させることで、電流遮断素子の電極間のアーク放電が消滅する。また、電源出力が停止または低下している間に電流遮断素子の電極間距離が電源電圧に対する絶縁破壊距離以上となる。この後に電源の出力電圧を負荷の動作電圧まで回復することにより、電極間距離が広がった電流遮断素子の電極間でアーク放電が生じることはないため、貫通破壊した放電管２３には電流が流れず、装置の破損部を除いて機能が復帰するので故障時の装置停止時間を短くできる。

ここで、ヒューズ導体が蒸発した電流遮断素子の片側の電極は、放電管２３が貫通しているため、アース電位となる。ヒューズを放電管の外部に配置すると、隣に配置されたヒューズの電極との間に高電圧が印加されるため、絶縁のため電極間距離を取る必要がある。このため、放電管同士の距離が大きくなり、オゾナイザが大型化する。しかし、図１３で示すように、電流遮断素子１７を放電管の内部に納めれば、放電管２３の誘電体により隣接する電流遮断素子１７の電極が絶縁されるため、隣接する放電管の距離を小さく取ることができ、オゾナイザを小型化できる。さらに、ヒューズ導体の材料としてSUS材を用いることで、オゾナイザ内部の高酸化雰囲気中でも安定した電流遮断素子を構成できる。

１：ヒューズ導体 ２、３：電極
９：ばね １２：板ばねを兼ねた電極
１６、２２：高電圧電源 １７：電流遮断素子
２０：電流検出部 ２１高電圧電源制御部
２３：放電管

Claims (13)

1. 定格電流を上回る異常電流により溶融・蒸発するヒューズ導体が２つの電極間に接続された電流遮断素子において、上記ヒューズ導体が存在しない場合に上記２つの電極間に印加される所定の電圧により上記２つの電極間で絶縁破壊が生じる電界強度となるように上記ヒューズ導体の長さが設定されるとともに、上記ヒューズ導体の寸法が、上記ヒューズ導体に所定の異常電流が流れた場合に上記ヒューズ導体が所定の時間以内に蒸発する寸法に設定されたことを特徴とする電流遮断素子。
2. ヒューズ導体が断面積Ｓ（mm²）、長さＬ（mm）の線状導体であり、
   S ＜（Id²・γ・ｔ／（Ｃp・ρ・（Ｔb−Ｔ0）））^0.5
   S ＞（125・（Ip²・γ・L²／（λ・（Tm−Ｔ0）））^0.5
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の電流遮断素子。
   ただし、ｔ（s）は、所定の時間、Id（A）は所定の異常電流、Ｔ0（℃）は室温、Ｔb（℃）はヒューズ導体の沸点、γ（Ωmm）はT0とTb間のヒューズ導体の体積抵抗率の平均値、ρ（g/mm ³ ）はT0とTb間のヒューズ導体の密度の平均値、Ｃp（J/g/k）はT0とTb間のヒューズ導体の比熱の平均値、Ipは定格電流、λ（J/(m・s・K)）はヒューズ導体の熱伝
   導率である。
3. 所定の異常電流は定格電流の５倍の電流であり、所定の時間は０．０５秒であり、所定の電圧は５ｋＶ以上であることを特徴とする請求項２に記載の電流遮断素子。
4. ヒューズ導体が蒸発した後に２つの電極間距離を広げるように２つの電極のうち少なくとも一方の電極を移動する移動機構を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の電流遮断素子。
5. 移動機構は、電極に接続されたばねであることを特徴とする請求項４に記載の電流遮断素子。
6. ２つの電極を板ばねにより形成し、この２つの電極と、上記２つの電極間に接続されたヒューズ導体とを、表面が湾曲した絶縁体に沿わせるように配置したことを特徴とする請
   求項５に記載の電流遮断素子。
7. ヒューズ導体が、複数の導体、もしくは断面積または材料の異なる複数の導体を直列に接続して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電流遮断素子。
8. ２つの電極とヒューズ導体は一枚の薄板で一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の電流遮断素子。
9. 請求項１乃至８いずれか１項に記載の電流遮断素子が直列に接続された負荷が複数個並列に高圧電源に接続されたことを特徴とする高電圧装置。
10. 高電圧電源の出力電流を検出する電流検出部と、この電流検出部において異常電流が検出された場合に上記高電圧電源の出力電圧を低下させる制御を行う高電圧電源制御部を備えたことを特徴とする請求項９に記載の高電圧装置。
11. 高電圧電源制御部は、高電圧電源の出力電圧を低下させた後に、上記高電圧電源の出力電圧を負荷の動作電圧まで回復させる制御を行うことを特徴とする請求項１０に記載の高電圧装置。
12. 高電圧装置は、円筒状の放電管を複数備え、放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置であり、上記複数の放電管がそれぞれの負荷を形成することを特徴とする請求項９乃至１１いずれか１項に記載の高電圧装置。
13. 電流遮断素子が放電管内部に配置されたことを特徴とする請求項１２に記載の高電圧装置。
    

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