JP5612879B2 - fuse - Google Patents

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Description

本発明は、SPD(Surge Protective Device:サージ防護デバイス)分離器として用いられるヒューズに関する。   The present invention relates to a fuse used as an SPD (Surge Protective Device) separator.

落雷などで引き起こされる過渡電圧変動により電源系に流れる雷サージ電流で生じる過電圧を抑制し、電源系に接続されている機器を保護するため、サージ保護を目的としたSPDが、図1(c)に示すように電源系と接地点との間に介挿されている。
また、このSPDにサージ電流耐量を超えるサージ電流が流れたり、経年変化によって短絡の故障が起きた場合、電源系に直列に介挿されているブレーカで電子機器への電力供給が遮断され、機器が停止してしまうことがあった。
このため、SPDが短絡故障した場合、故障したSPDを電源線路から切り離すための遮断器(SPD分離器)としてヒューズ(例えば、特許文献1参照)が、SPDに対して直列に接続されている。
In order to suppress overvoltage caused by lightning surge current flowing in the power supply system due to transient voltage fluctuations caused by lightning strikes, etc., and to protect devices connected to the power supply system, an SPD for surge protection is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the power supply system is interposed between the ground point.
In addition, when a surge current exceeding the surge current capability flows through this SPD or when a short-circuit failure occurs due to secular change, the power supply to the electronic device is interrupted by the breaker inserted in series in the power supply system, Sometimes stopped.
For this reason, when the SPD is short-circuited, a fuse (see, for example, Patent Document 1) is connected in series with the SPD as a circuit breaker (SPD separator) for disconnecting the failed SPD from the power supply line.

特開昭52−93950号公報JP-A-52-93950

しかしながら、SPD分離器にヒューズを用いた場合、従来の電力用ヒューズにおいては、サージに対するインパルス電流耐量の規定がない。
このため、雷サージ波形から求めたItよりも大きな溶断Itを有するヒューズを用いた場合、保護対象装置である電子機器に対する入力ブレーカ(ブレーカ)よりも定格電流が大きくなる場合があった。
したがって、SPDに短絡故障が発生し、ヒューズ及び短絡したSPDを介して流れる電流が入力ブレーカの定格電流より大きい場合、入力ブレーカが先に遮断することにより、保護協調を取れなくなる場合があった。
However, when a fuse is used for the SPD separator, the conventional power fuse does not have a definition of an impulse current withstand capability against a surge.
For this reason, when a fuse having a fusing I 2 t larger than the I 2 t obtained from the lightning surge waveform is used, the rated current may be larger than the input breaker (breaker) for the electronic device that is the protection target device. It was.
Therefore, when a short-circuit failure occurs in the SPD and the current flowing through the fuse and the short-circuited SPD is larger than the rated current of the input breaker, the input breaker may be cut off first, thereby preventing protection coordination.

すなわち、ヒューズエレメントで発生するジュール熱(RIt)から、ヒューズエレメントの消弧砂などへ、特許文献1においては高アルミナセラミックス焼結体への放熱量や熱放射量(Tout)を除いた熱エネルギー(E(element))がヒューズ内に蓄積される。そして、この蓄積された熱エネルギーによりヒューズエレメントの温度が上昇し、ヒューズエレメントがこの熱により溶融され、ヒューズが遮断されることにより、SPDが系統から分離される。
ここで、ヒューズの大電流遮断時(10ms以内)での遮断において、ヒューズエレメントは、ヒューズエレメントから消弧砂あるいは高アルミナセラミックス焼結体への熱移動は点接触による熱伝達のため伝わり難く、断熱状態と同様となり、発熱が進むこととなる。
このため、短絡電流の遮断特性は、ヒューズが遮断するまでに、ヒューズに流れる電流の二乗時間積分値(溶断It)で評価されている。以下に、ヒューズに流れる電流の二乗時間積分値を求める式(1)を示す。
That is, from the Joule heat (RI 2 t) generated in the fuse element to the arc extinguishing sand of the fuse element, in Patent Document 1, the heat radiation amount and heat radiation amount (Tout) to the high alumina ceramic sintered body are removed. Thermal energy (E (element)) is stored in the fuse. The accumulated thermal energy raises the temperature of the fuse element, the fuse element is melted by this heat, and the fuse is cut off, so that the SPD is separated from the system.
Here, when the fuse is interrupted when a large current is interrupted (within 10 ms), the heat transfer from the fuse element to the arc-extinguishing sand or the high alumina ceramic sintered body is difficult to be transmitted due to heat transfer by point contact. It becomes the heat insulation state, and heat generation proceeds.
For this reason, the interruption characteristic of the short-circuit current is evaluated by the square time integral value (melting I 2 t) of the current flowing through the fuse before the fuse is interrupted. Equation (1) for obtaining the square time integral value of the current flowing through the fuse is shown below.

Figure 0005612879
Figure 0005612879

また、雷サージ電流によるヒューズエレメントの温度上昇も極めて短時間の現象のために断熱変化と考えることができる。このため、雷サージによりヒューズに加わる熱エネルギーは、上記(1)式より求められる、サージ電流の時間変動カーブから算出した電流の二乗時間積分値(サージIt)が基準とされる。したがって、このサージItよりも、ヒューズの短絡遮断試験で電流が流れ始めてから、ヒューズが溶断し、アークが発生する直前までの時間でItを積分して求めた値である溶断Itがより大きいヒューズを選定することで、SPD分離器としてのヒューズが選定される。
一般的に、ヒューズエレメントは導電性の金属だけで構成されており、導体の断面積は、ヒューズの定格電流増大に伴い大きくなる。
そして、ヒューズエレメントの断面積が大きくなると、体積が増加することにより、ヒューズエレメントの熱容量が増加する。この熱容量の増加により、ヒューズの溶断Itは大きくなる。
Also, the temperature rise of the fuse element due to lightning surge current can be considered as an adiabatic change because of a very short time phenomenon. For this reason, the heat energy applied to the fuse by the lightning surge is based on the square time integrated value (surge I 2 t) of the current calculated from the time fluctuation curve of the surge current, which is obtained from the above equation (1). Therefore, the fusing I, which is a value obtained by integrating I 2 t in the time from when the current starts to flow in the short-circuit breaking test of the fuse to just before the fuse blows and the arc is generated, than the surge I 2 t. by 2 t is selected larger fuses, fuse as SPD separator is selected.
In general, the fuse element is composed only of a conductive metal, and the cross-sectional area of the conductor increases as the rated current of the fuse increases.
When the cross-sectional area of the fuse element is increased, the volume is increased, thereby increasing the heat capacity of the fuse element. Due to the increase in the heat capacity, the fuse blown I 2 t increases.

また、電力用ヒューズは、定格電流が大きく、一般的に変圧器に隣接した低圧分電盤内など、異常時の短絡電流が極めて大きな回路で使用されることが多い。このため、なるべく溶断Itが小さく、遮断速度が速いヒューズが使用される必要がある。
そのため、電力用ヒューズからサージ電流耐量(サージIt)の大きなヒューズを選定すると、ヒューズの定格電流が大きく(溶断Itが大きく)なり、SPDが保護する対象装置の入力ブレーカの定格電流よりも大きくなる。
したがって、SPDが劣化し短絡故障した場合、SPD分離器であるヒューズよりも保護対象装置の入力ブレーカが先に遮断動作してしまい、機器に電源を供給する際の障害となる問題があった。
In addition, power fuses have a large rated current and are generally used in circuits that have a very large short-circuit current in an abnormal state, such as in a low voltage distribution board adjacent to a transformer. For this reason, it is necessary to use a fuse with as small a fusing I 2 t as possible and a high breaking speed.
Therefore, if a fuse with a large surge current resistance (surge I 2 t) is selected from the power fuse, the rated current of the fuse will be large (melting I 2 t will be large), and the rated current of the input breaker of the target device protected by the SPD Bigger than.
Therefore, when the SPD deteriorates and a short-circuit failure occurs, the input breaker of the protection target device is cut off before the fuse serving as the SPD separator, which causes a problem when supplying power to the device.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、インパルス的なサージ電流に対するサージ電流耐量(サージIt)に比較し、なるべく過電流に対する可溶断電流が小さく、定格電流の低いヒューズを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a fuse having a low rated current and a low melting current as much as possible with respect to an overcurrent, as compared with a surge current withstand capability (surge I 2 t) against an impulse surge current. The purpose is to provide.

本発明のヒューズは、導体と、当該導体の電極となる端部以外の表面全体にコーティングされ、前記導体に発生する熱量を熱伝導により放熱する絶縁体膜とからなるヒューズエレメントにより構成され 前記ヒューズエレメントが複数本に分割されて並列に接続され、かつ分割された当該ヒューズエレメント各々の導体が前記絶縁体膜でコーティングされており、当該絶縁体膜の厚さが、定常電流を印加した際の前記導体の均衡温度が、前記ヒューズエレメントを分割せず、かつ当該絶縁体膜をコーティングしない場合の導体の均衡温度より低くなる厚さであるを特徴とする。 Fuse of the present invention, a conductor is coated on the electrodes and the entire surface other than the end portion consisting of the conductor, the amount of heat generated in the conductor is constituted by a fuse element made of an insulator film for radiating the heat conduction, the The fuse element is divided into a plurality of pieces and connected in parallel, and the conductor of each of the divided fuse elements is coated with the insulator film, and the thickness of the insulator film is determined when a steady current is applied. The conductor has an equilibrium temperature that is lower than the conductor equilibrium temperature when the fuse element is not divided and the insulator film is not coated .

本発明のヒューズは、電流の流れる経路方向に対して平行な貫通口を有する導体と、当該導体の電極となる端部以外の前記貫通口の内面を含む表面全体をコーティングする絶縁体膜とからなるヒューズエレメントにより構成されていることを特徴とする。 The fuse of the present invention comprises a conductor having a through hole parallel to the direction of a current flow path, and an insulator film that coats the entire surface including the inner surface of the through hole other than the end portion serving as an electrode of the conductor. It is comprised by the fuse element which becomes.

本発明のヒューズは、発泡金属からなる導体と、当該導体の電極となる端部以外の当該
導体の気孔の表面全体にコーティングされ、前記導体に発生する熱量を熱伝導により放熱
する絶縁体膜とからなるヒューズエレメントにより構成され 前記ヒューズエレメントが複数本に分割されて並列に接続され、かつ分割された当該ヒューズエレメント各々の導体が前記絶縁体膜でコーティングされており、当該絶縁体膜の厚さが、定常電流を印加した際の前記導体の均衡温度が、前記ヒューズエレメントを分割せず、かつ当該絶縁体膜をコーティングしない場合の導体の均衡温度より低くなる厚さであることを特徴とする。
The fuse of the present invention includes a conductor made of a metal foam and an insulator film that is coated on the entire surface of the pores of the conductor other than an end portion that becomes an electrode of the conductor, and dissipates heat generated in the conductor by heat conduction. is constituted by a fuse element made of said fuse element is connected in parallel are divided into a plurality of, and divided the fuse element, each of the conductor are coated with the insulator film, the thickness of the insulating film The thickness of the conductor when the steady current is applied is lower than the temperature of the conductor when the fuse element is not divided and the insulator film is not coated. To do.

本発明のヒューズは、前記絶縁体膜の厚さが、規定されているサージ波形でサージ電流を印加した際に、前記導体の温度が最大になったとき、導体の外周面から前記絶縁体膜の外周面までの厚さ方向における温度勾配が生じている距離以下であることを特徴とする。 In the fuse of the present invention, the insulator film has a thickness from the outer peripheral surface of the conductor when the temperature of the conductor reaches a maximum when a surge current is applied with a prescribed surge waveform. It is less than the distance which the temperature gradient in the thickness direction to the outer peripheral surface of has arisen.

本発明のヒューズは、前記ヒューズエレメントが複数本に分割されて並列に接続され、かつ分割された当該ヒューズエレメント各々の導体が前記絶縁体膜でコーティングされており、当該絶縁体膜の厚さが、定常電流を印加した際の前記導体の均衡温度が、前記ヒューズエレメントを分割せず、かつ当該絶縁体膜をコーティングしない場合の導体の均衡温度より低くなる厚さであることを特徴とする。 In the fuse of the present invention, the fuse element is divided into a plurality of pieces and connected in parallel, and the conductor of each of the divided fuse elements is coated with the insulator film, and the thickness of the insulator film is The balance temperature of the conductor when a steady current is applied is a thickness that is lower than the balance temperature of the conductor when the fuse element is not divided and the insulator film is not coated.

本発明のヒューズは、前記絶縁体膜が導体にコーティングされたヒューズエレメントを複数並列に接続されて構成されていることを特徴とする。   The fuse of the present invention is characterized in that a plurality of fuse elements each having the insulator film coated on a conductor are connected in parallel.

以上説明したように、本発明によれば、ヒューズの構成において、導体の電極を除いた外周面に対し、熱伝導を起こす絶縁体膜のコーティングを行い、絶縁体膜を導体の外周面全体に密着させ、熱伝導による放熱効果を高めているため、雷サージにおける過渡的なサージ電流による温度上昇を抑制することができ、ヒューズのインパルス電流に対するサージ電流耐量を向上させることが可能となる。
この結果、ヒューズの定格電流を大きく変化させずに、サージ電流耐量(溶断It)を増加させることができるため、SPDが保護する対象装置の入力ブレーカの定格電流よりも小さな定格電流であり、かつ必要なサージ電流耐量を有するヒューズを提供することが可能となる。
As described above, according to the present invention, in the fuse configuration, the outer peripheral surface excluding the conductor electrode is coated with the insulator film that causes thermal conduction, and the insulator film is applied to the entire outer peripheral surface of the conductor. Since the heat dissipation effect by heat conduction is enhanced, it is possible to suppress a temperature rise due to a transient surge current in a lightning surge, and to improve the surge current withstand capability against the impulse current of the fuse.
As a result, the surge current withstand capability (melting I 2 t) can be increased without greatly changing the rated current of the fuse, so that the rated current is smaller than the rated current of the input breaker of the target device protected by the SPD. In addition, it is possible to provide a fuse having a necessary surge current capability.

本発明の実施形態によるヒューズの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuse by embodiment of this invention. ヒューズエレメント(a):従来ヒューズ、(b):本実施形態のヒューズについて、サージ電流を印加した後の導体Hの最大温度の変化を示すグラフである。Fuse element (a): Conventional fuse, (b): A graph showing a change in the maximum temperature of the conductor H after applying a surge current for the fuse of the present embodiment. サージ電流を印加開始後20μ秒経過後の導体H及び絶縁体膜C内部断面における温度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature distribution in the conductor H and insulator film C internal cross-section after progress for 20 microseconds after applying a surge current. 異なる厚さの絶縁体膜Cをコーティングした導体Hに2秒間通電後の、通電電流とそれぞれの導体Hにおける最大温度との対応を示すグラフである。It is a graph which shows a response | compatibility with the energizing current and the maximum temperature in each conductor H, after energizing for 2 seconds to the conductor H which coated the insulator film C of different thickness. サージ電流印加後の導体Hの最大温度の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the maximum temperature of the conductor H after surge current application. 絶縁体膜Cが10μmの厚さに各々コーティングされた異なる断面積の導体Hにサージ電流印加後の導体Hの最大温度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the maximum temperature of the conductor H after applying a surge current to the conductor H of a different cross-sectional area each coated with the insulator film C to a thickness of 10 μm. 導体の断面積当たり等しいサージ電流(8/20μs、ピーク電流7500kA/cm)を導体Hに流した際、導体の断面積に対応した導体Hの最大温度を示すグラフである。It is a graph which shows the maximum temperature of the conductor H corresponding to the cross-sectional area of a conductor, when the same surge current (8/20 microseconds and peak current of 7500 kA / cm < 2 >) per cross-sectional area of a conductor is sent through the conductor. 本発明の他の実施形態によるヒューズの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuse by other embodiment of this invention.

<第1の実施形態>
以下、図を用いて本発明の一実施形態によるヒューズの説明を行う。図1は本発明の一実施形態によるヒューズ(SPD分離器)の構成例を示す概念図である。本実施形態は、SPD故障時にこの故障したSPDを電源系から切り離す分離器として用いるものである。
この図1(b)に示すように、本実施形態のヒューズはヒューズエレメントGから構成され、このヒューズエレメントGは、可溶体である導体Hと(図1(a))と、可溶体である導体Hの電極面D1、D2以外の全ての外周面(被密着面)に密着(全体の面で接触)させた熱伝導性の良い絶縁性物質からなる絶縁体膜Cとから構成されている。図1(c)に示すように、電極面D1及びD2により、SPDと直列に接続され、電源系と接地点との間に介挿されている。ここで、導体Hは、図1(a)に示すように直方体形状だけでなく、円柱形状でも良い。円柱の場合、円柱の双方の底面を電極とする。
ここで、導体Hは銅などの金属が用いられ、絶縁体膜Cの絶縁性物質としては二酸化珪素(SiO)、アルミナ系の酸化アルミニウム(Al)、チタニア系の酸化チタン(TiO)、ジルコニア系の(ZrO)、タングステンカーバイト(WC)などを用いることができる。
以下、被密着面に密着された絶縁性物質を絶縁体膜Cとして説明する。この絶縁体膜Cは、例えば、上記被密着面に対して、絶縁性物質をコーティングにより密着させることで形成している。
<First Embodiment>
Hereinafter, a fuse according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a fuse (SPD separator) according to an embodiment of the present invention. This embodiment is used as a separator that disconnects the failed SPD from the power supply system when the SPD fails.
As shown in FIG. 1 (b), the fuse of this embodiment is composed of a fuse element G. The fuse element G is a fusible conductor H (FIG. 1 (a)) and a fusible body. It is comprised from the insulator film C which consists of an insulating substance with good heat conductivity closely contacted (contacted on the whole surface) except for the electrode surfaces D1 and D2 of the conductor H. . As shown in FIG. 1C, the electrode surfaces D1 and D2 are connected in series with the SPD and are interposed between the power supply system and the grounding point. Here, the conductor H may be not only a rectangular parallelepiped shape as shown in FIG. In the case of a cylinder, both bottom surfaces of the cylinder are used as electrodes.
Here, a metal such as copper is used for the conductor H, and the insulating material of the insulator film C is silicon dioxide (SiO 2 ), alumina-based aluminum oxide (Al 2 O 2 ), titania-based titanium oxide (TiO). 2 ), zirconia-based (ZrO 2 ), tungsten carbide (WC), or the like can be used.
Hereinafter, the insulating material adhered to the adherend surface will be described as the insulator film C. The insulator film C is formed, for example, by bringing an insulating substance into close contact with the adherend surface by coating.

また、導体Hの断面積は、絶縁体膜Cを形成することにより、従来の同等の定格電流のヒューズエレメントの導体断面積に対して、より小さな値に設定されている。
すなわち、導体Hの被密着面(電極形成面以外の表面全体)に絶縁体膜Cを形成することで、雷サージにより発生する過渡的な電流変動により発生する熱量を、導体Hから絶縁体膜Cに対し、熱放射や熱伝達に比較して応答時間の短い熱伝導により放熱が可能となる。
これにより、本実施形態においては、導体Hの雷サージなどの過渡的なサージ電流による温度上昇を低減することができ、同じサージ電流耐量をヒューズが備える場合、導体Hの断面積を従来のヒューズに比較して小さく設定しても高いサージ電流耐量特性を得ることができる。すなわち定格電流を下げることが可能である。
この結果、本実施形態によれば、SPDが短絡故障した際に、この故障電流により迅速かつ確実に故障したSPDを電源から遮断するとともに、ヒューズの溶断Itを大きく設定することができ、SPDが保護する対象装置の入力ブレーカの定格電流よりも小さく設定することが可能となる。
Further, by forming the insulator film C, the cross-sectional area of the conductor H is set to a smaller value than the conventional conductor cross-sectional area of the fuse element having the same rated current.
That is, by forming the insulator film C on the adherend surface of the conductor H (entire surface other than the electrode formation surface), the amount of heat generated by the transient current fluctuation generated by the lightning surge can be reduced from the conductor H to the insulator film. C can be dissipated by heat conduction with a shorter response time than heat radiation or heat transfer.
Thereby, in this embodiment, the temperature rise by transient surge currents, such as a lightning surge of the conductor H, can be reduced, and when the fuse has the same surge current withstand capability, the cross-sectional area of the conductor H is changed to the conventional fuse. High surge current withstand characteristics can be obtained even if it is set smaller than the above. That is, the rated current can be reduced.
As a result, according to the present embodiment, when the SPD has a short-circuit failure, the SPD that has failed due to this failure current can be quickly and reliably cut off from the power supply, and the fuse blown I 2 t can be set large. It becomes possible to set smaller than the rated current of the input breaker of the target device protected by the SPD.

次に、本実施形態における絶縁体膜Cの形成する厚さの設定について説明する。上述した雷サージにより発生した熱量により、絶縁体膜C内における温度勾配が生じる。この温度勾配は、導体H及び絶縁体膜Cの材質による熱伝導率、比熱、密度などの特性、また雷サージにより発生した熱量の大きさにより変化する。
そのため、放熱に必要な絶縁体膜Cの厚さの条件は、以下の(2)式により設定される。
Next, the setting of the thickness formed by the insulator film C in this embodiment will be described. A temperature gradient in the insulator film C is generated by the amount of heat generated by the above-described lightning surge. This temperature gradient changes depending on characteristics such as thermal conductivity, specific heat, density, and the like depending on the materials of the conductor H and the insulator film C, and the amount of heat generated by a lightning surge.
Therefore, the condition for the thickness of the insulator film C necessary for heat dissipation is set by the following equation (2).

Figure 0005612879
Figure 0005612879

上述した非定常熱伝導方程式により、定格とするサージ電流(ピーク電流7500kA/cm、8/20μs:定格ピークサージ電流)を流し、導体Hの温度を計算し、この温度が最大となるときにおいて、導体Hの被密着面近傍の絶縁体膜C内部、すなわち導体Hの外周面から絶縁体膜Cの外周面までの厚さ方向において生じている温度勾配を求める。そして、絶縁体膜Cの厚さを、この温度勾配が生じている距離と同等か、あるいは短い距離として設定する。これにより、絶縁体膜Cの外周面から効果的に熱量を外部に放熱することができ、雷サージ電流による過渡的な発熱下において導体Hの温度上昇を制御することができる。 When the rated surge current (peak current 7500 kA / cm 2 , 8/20 μs: rated peak surge current) is flowed according to the above-described unsteady heat conduction equation, the temperature of the conductor H is calculated, and when this temperature becomes maximum Then, a temperature gradient generated in the thickness direction from the outer peripheral surface of the conductor H to the outer peripheral surface of the insulator film C inside the insulator film C in the vicinity of the adherend surface of the conductor H is obtained. Then, the thickness of the insulator film C is set to be equal to or shorter than the distance where the temperature gradient is generated. As a result, the amount of heat can be effectively radiated to the outside from the outer peripheral surface of the insulator film C, and the temperature rise of the conductor H can be controlled under transient heat generation due to a lightning surge current.

次に、SPDが短絡故障した際に流れる過電流により、導体Hが溶断し、SPD分離器として動作するために必要な絶縁体膜Cの厚さの設定について説明する。
導体Hに生じるジュール熱と、導体Hの外周面から放熱される表面放射熱量、及び表面放射熱量の均衡条件から、以下の(3)式により過電流によるヒューズの最大温度を算出する。そして、過電流によるヒューズの最大温度を、絶縁体膜Cを形成した場合に、絶縁体膜Cのない場合に対して、20%以上低下しないよう、絶縁体膜Cの厚さを設定する。
Next, the setting of the thickness of the insulator film C necessary for the conductor H to be melted by the overcurrent that flows when the SPD is short-circuited and operates as an SPD separator will be described.
From the Joule heat generated in the conductor H, the surface radiant heat radiated from the outer peripheral surface of the conductor H, and the balance condition of the surface radiant heat, the maximum temperature of the fuse due to overcurrent is calculated by the following equation (3). Then, the thickness of the insulator film C is set so that the maximum temperature of the fuse due to overcurrent does not decrease by 20% or more when the insulator film C is formed compared to the case without the insulator film C.

Figure 0005612879
Figure 0005612879

ここで、過電流によるヒューズの最大温度を、絶縁体膜Cを形成した場合に、絶縁体膜Cのない場合に対して、20%以上低下させないように、絶縁体膜Cの厚さを設定するのは以下の理由による。
すなわち、ヒューズは大別してA種及びB種ヒューズとが存在する。定格電流に対して、A種は1.35倍、B種は1.6倍の電流が流れると遮断するよう規格(JIS C 8352)により決められている。したがって、定格電流の変更を行わずに、A種ヒューズをB種ヒューズに変更することで、サージ電流耐量を向上させるには可溶断電流の大きさを1.18(1.6/1.35)倍以内とする必要がある。そのためには、過電流によるヒューズの最大温度を、絶縁体膜Cを形成した場合に、絶縁体膜Cのない場合に対して、20%以上低下させない必要がある。
Here, the thickness of the insulator film C is set so that the maximum temperature of the fuse due to overcurrent is not reduced by 20% or more when the insulator film C is formed compared to the case without the insulator film C. The reason is as follows.
That is, fuses are roughly classified into type A and type B fuses. According to the standard (JIS C 8352), the A type is 1.35 times the rated current and the B type is cut off when 1.6 times the current flows. Therefore, by changing the type A fuse to the type B fuse without changing the rated current, the magnitude of the fusible breaking current is 1.18 (1.6 / 1.35) in order to improve the surge current withstand capability. ) Must be within double. For this purpose, it is necessary that the maximum temperature of the fuse due to overcurrent should not be lowered by 20% or more when the insulator film C is formed compared to the case where the insulator film C is not provided.

上記(3)式において、Δd=0(絶縁体膜Cの厚さが0の場合、すなわちΔm=0)の時の均衡温度Tに対して、均衡温度を20%以上低下させないΔdを求める。これにより、SPDの短絡故障時に、ヒューズがSPD分離器として働くための過電流遮断特性を損ねない絶縁体膜Cの厚さを求めたΔdとして設定する。   In the above equation (3), Δd that does not decrease the equilibrium temperature by 20% or more is obtained with respect to the equilibrium temperature T when Δd = 0 (when the thickness of the insulator film C is 0, that is, Δm = 0). Thus, when the SPD is short-circuited, the thickness of the insulator film C that does not impair the overcurrent cutoff characteristic for the fuse to function as an SPD separator is set as Δd.

次に、本実施形態において、導体Hとして銅を用い、絶縁体膜Cの材質としてSiOを用いた場合について説明する。
図2は、断面積の等しい導体Hへ、導体Hの断面積当たり等しいサージ電流(ピーク電流7500kA/cm、8/20μs)印加した場合について、縦軸に導体Hの最大温度を、横軸にサージ印加開始からの経過時間を示しており、従来のヒューズ(絶縁体膜無し)と本実施形態のヒューズ(新発明ヒューズにおけるヒューズエレメントG:導体Hに100μmの厚さの絶縁体膜Cをコーティング)とにおける導体Hの最大温度の変化を示している。導体Hの断面は正方形であり、その断面積は10000(=100×100)μmである。
この図2から解るように、導体Hに対して絶縁体膜Cをコーティングすることにより、導体Hのサージ電流による発熱による最大温度を低減させることができる。
Next, in the present embodiment, a case where copper is used as the conductor H and SiO 2 is used as the material of the insulator film C will be described.
FIG. 2 shows the maximum temperature of the conductor H on the vertical axis when the same surge current (peak current 7500 kA / cm 2 , 8/20 μs) per cross-sectional area of the conductor H is applied to the conductor H having the same cross-sectional area. Shows the elapsed time from the start of surge application, and the conventional fuse (no insulator film) and the fuse of this embodiment (the fuse element G in the fuse of the present invention: the insulator film C having a thickness of 100 μm on the conductor H). The change of the maximum temperature of the conductor H in coating) is shown. The cross section of the conductor H is square, and its cross sectional area is 10000 (= 100 × 100) μm 2 .
As can be seen from FIG. 2, by coating the conductor H with the insulator film C, the maximum temperature due to heat generated by the surge current of the conductor H can be reduced.

次に、図3は、本実施形態におけるヒューズに対し、サージ電流を印加して20μ経過後の導体H及び絶縁体膜Cの断面(図1(b)の切断面Sによる断面)における温度分布を示している。縦軸に温度を、横軸にヒューズエレメントGの中心からの距離を示す。この場合、ヒューズエレメントは断面積10000μmの導体Hに100μmの厚さの絶縁体膜Cをコーティングした構成となっている。
この図3から解るように、絶縁体膜C内部断面の温度勾配(温度境界層)は、導体H外周面に接した位置から、15μmの距離まで生じている。このため、絶縁体膜CがSiOの場合、導体Hの被密着面に対し、絶縁体膜Cをコーティングする厚さは、15μm、あるいは15μm以下とすることにより、導体Hの最大温度を効果的に低減させることができる。すなわち、本実施形態においては、絶縁体膜Cの厚さは、放熱特性を考慮し、温度勾配の生じている距離あるいはそれ以下となる距離にて設定される。
Next, FIG. 3 shows the temperature at the cross section of the conductor H and the insulator film C (cross section taken along the cut surface S in FIG. 1B) after applying a surge current to the fuse according to the present embodiment after 20 μs has elapsed. Distribution is shown. The vertical axis represents temperature, and the horizontal axis represents the distance from the center of the fuse element G. In this case, the fuse element has a structure in which a conductor H having a cross-sectional area of 10000 μm 2 is coated with an insulating film C having a thickness of 100 μm.
As can be seen from FIG. 3, the temperature gradient (temperature boundary layer) of the inner cross section of the insulator film C occurs from the position in contact with the outer peripheral surface of the conductor H to a distance of 15 μm. Therefore, when the insulator film C is SiO 2, relative to the contact surface of the conductor H, thickness of coating the insulator film C, by a 15μm or 15μm or less, the effect of the maximum temperature of the conductor H Can be reduced. In other words, in the present embodiment, the thickness of the insulator film C is set at a distance where a temperature gradient is generated or less than that in consideration of heat dissipation characteristics.

次に、図4は、同一の導体H(φ100μm)に異なる5種類の厚さ(0μm、5μm、10μm、15μm、30μm)の絶縁体膜Cをコーティングした5種類のヒューズエレメントについて、(3)式により計算した、異なる通電電流を2秒間通電(温度が均衡するために十分な時間と仮定)させた後の導体Hの均衡温度T’の関係を示す図である。縦軸に均衡温度T’を、横軸にヒューズエレメントへ通電する電流値を示す。
図4から解るように、導体Hに絶縁体膜Cをコーティングすることにより、導体H及び絶縁体膜Cを含む全体の断面積が増大、すなわち放熱面積が大きくなることにより、ヒューズの放熱量が増加し、最大温度が低下することがわかる。この最大温度の低下により、サージ電流耐量の増加のみでなく、同時に過電流の定格電流を増加させることになる。
このため、すでに説明したように、絶縁体膜Cをコーティングしていない場合に比較して、コーティングした場合の最大温度の低下を20%以内とするため、図5の結果から絶縁体膜Cの厚さを10μm以内とする必要があることが解る。
Next, FIG. 4 shows five types of fuse elements in which the same conductor H (φ100 μm) is coated with an insulator film C having five different thicknesses (0 μm, 5 μm, 10 μm, 15 μm, and 30 μm). It is a figure which shows the relationship of the equilibrium temperature T 'of the conductor H after energizing for 2 seconds (it is assumed that it is sufficient time for temperature to be balanced) calculated by the formula. The vertical axis represents the equilibrium temperature T ′, and the horizontal axis represents the current value for energizing the fuse element.
As can be seen from FIG. 4, by coating the conductor H with the insulator film C, the overall cross-sectional area including the conductor H and the insulator film C is increased, that is, the heat dissipation area is increased. It can be seen that the maximum temperature decreases and the maximum temperature decreases. This decrease in the maximum temperature not only increases the surge current withstand capability, but also increases the overcurrent rated current at the same time.
For this reason, as already explained, in order to keep the decrease in the maximum temperature when coated with the insulator film C within 20% as compared with the case where the insulator film C is not coated, the result of FIG. It can be seen that the thickness needs to be within 10 μm.

次に、図5は、絶縁体膜Cの厚さが等しく(SiOの厚さは10μm)、異なる正方形の導体断面積(10000μm、2500μm、100μm)を持つ3種類のヒューズエレメントへ導体Hの断面積当たり等しいサージ電流(ピーク電流7500kA/cm、8/20μs)を印加した場合について、縦軸に導体Hの最大温度を、横軸にサージ電流印加開始後の経過時間を示す。
この図5から解るように、絶縁体膜Cがコーティングされ、かつ導体Hの断面積が小さくなるほど、導体Hから絶縁体膜Cへ放熱される割合が増加し、導体Hの温度上昇が抑制され、最大温度が低下することが解る。
Next, FIG. 5 shows three types of fuse elements having the same insulator film C thickness (SiO 2 thickness is 10 μm) and different square conductor cross-sectional areas (10000 μm 2 , 2500 μm 2 , 100 μm 2 ). When equal surge current (peak current 7500 kA / cm 2 , 8/20 μs) is applied per cross-sectional area of the conductor H, the maximum temperature of the conductor H is shown on the vertical axis, and the elapsed time after the start of surge current application is shown on the horizontal axis. .
As can be seen from FIG. 5, as the insulator film C is coated and the cross-sectional area of the conductor H is reduced, the rate of heat radiation from the conductor H to the insulator film C increases and the temperature rise of the conductor H is suppressed. It can be seen that the maximum temperature decreases.

次に、図6は、断面が正方形で異なる断面積を持つ2種類の導体に、10μmの絶縁体膜Cをコーティングした2種類のヒューズエレメントに、異なるサージ電流を印加した場合について、縦軸に導体Hの最大温度を、横軸サージ電流印加開始後の経過時間を示す。 この結果から、絶縁体膜Cが等しいとき、導体Hの最大温度が同じ場合、100μmの導体断面をもつヒューズエレメントGが10000μmの導体断面をもつヒューズエレメントGに対し、約1.3倍のサージ電流を流すことが可能であることが解る。 Next, FIG. 6 shows the case where different surge currents are applied to two types of fuse elements in which two types of conductors having a square cross section and different cross sectional areas are coated with a 10 μm insulator film C. The maximum temperature of the conductor H is the elapsed time after the start of application of the horizontal axis surge current. From this result, when the insulator films C are equal and the maximum temperature of the conductor H is the same, the fuse element G having a conductor cross section of 100 μm 2 is about 1.3 times as large as the fuse element G having a conductor cross section of 10000 μm 2. It can be seen that it is possible to flow a surge current.

この結果、導体Hに絶縁体膜Cをコーティングして密着形成し、断面積の小さな導体Hを有するヒューズエレメントGを複数本並列に接続してヒューズを構成することにより、ヒューズエレメントの導体断面積あたりのサージ電流耐量を増加させることが可能となった。このように、本実施形態においては、同じ定格電流のヒューズでは、ヒューズエレメントの導体断面積を小さくすることにより、断面積あたりのサージ電流耐量を増加させることが可能となる。
また、同一のサージのヒューズでは、ヒューズエレメントの導体断面積を従来のヒューズに対して低下させることが可能となったため、本実施形態によれば、大きなサージ電流耐量と小さな定格電流を併せ持つヒューズを実現することができる。
As a result, the conductor H is coated and formed in close contact with the insulator film C, and a fuse is formed by connecting a plurality of fuse elements G each having a conductor H having a small cross-sectional area in parallel. It has become possible to increase the permissible surge current tolerance. Thus, in the present embodiment, with a fuse having the same rated current, it is possible to increase the surge current resistance per cross-sectional area by reducing the conductor cross-sectional area of the fuse element.
In addition, with the same surge fuse, the conductor cross-sectional area of the fuse element can be reduced as compared with the conventional fuse. Therefore, according to the present embodiment, a fuse having both a large surge current resistance and a small rated current is provided. Can be realized.

次に、図7は、ヒューズエレメントの導体断面積当たり等しいサージ電流(7500kA/cm2)を絶縁体膜Cの厚さが等しい(10μm)ヒューズエレメントに印加した場合の、縦軸に導体Hの最大温度を、横軸に導体断面積を示す。
この図から解るように、サージ電流耐量を増加させようとした場合、断面積が10000μm以上では絶縁体膜をコーティングしない場合とほとんど変わらないと考えると、本実施形態においては、断面積が10000μmの導体Hの最大温度の80%以下となるよう、導体Hの断面積を400μmと小さくした。
Next, FIG. 7 shows a case where the same surge current (7500 kA / cm 2 ) per conductor cross-sectional area of the fuse element is applied to the fuse element having the same insulator film C thickness (10 μm). Maximum temperature is shown on the horizontal axis.
As can be seen from this figure, when the surge current resistance is increased, if the cross-sectional area is 10000 μm 2 or more, the cross-sectional area is 10000 μm in the present embodiment, assuming that there is almost no difference from the case where the insulator film is not coated. The cross-sectional area of the conductor H was reduced to 400 μm 2 so as to be 80% or less of the maximum temperature of the second conductor H.

したがって、絶縁体膜Cの厚さが同一の場合、ヒューズエレメントの導体断面積を低減することは、より導体Hからの放熱を促進することになり、サージ電流耐量を増加させることができる。
しかしながら、SPDが短絡故障した場合にSPD分離器として動作するための、過電流を規定する定格電流も増大するため、絶縁体膜Cの厚さが(2)式及び(3)式の条件を満足させる厚さとする必要はある。
つまり、導体全体の断面積を変化させずに、複数本のヒューズエレメントGに分割することにより、より絶縁体膜Cが導体Hの発熱量を吸収することができ、サージ電流耐量が増加し、定格電流を低下させる方向に、(2)式及び(3)式の条件を満足させつつ、効果的に絶縁体膜Cの厚さを最適化することができる。
Therefore, when the thickness of the insulator film C is the same, reducing the conductor cross-sectional area of the fuse element further promotes heat dissipation from the conductor H, and can increase the surge current resistance.
However, since the rated current that defines the overcurrent increases in order to operate as an SPD separator when the SPD is short-circuited, the thickness of the insulator film C satisfies the conditions of the expressions (2) and (3). The thickness needs to be satisfied.
That is, by dividing into a plurality of fuse elements G without changing the cross-sectional area of the entire conductor, the insulator film C can more absorb the amount of heat generated by the conductor H, increasing the surge current withstand capability, The thickness of the insulator film C can be effectively optimized while satisfying the conditions of the equations (2) and (3) in the direction of decreasing the rated current.

上述したように、本実施形態によれば、導体Hに対して絶縁体膜Cを密着させることにより、導体Hから絶縁体膜Cへの熱伝導による放熱特性を向上させ、雷サージなどにより過渡的に流れるサージ電流による、導体Hの温度上昇を低減することが可能となり、ヒューズのサージ電流耐量を向上させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、上記絶縁体膜Cの厚みを(2)式の非定常熱解析、及び過電流によるジュール熱と熱伝達、放射による放熱の均衡条件から(3)式を用いた算出法を用いることにより、ヒューズの定格電流をさほど増加させずに、サージ電流耐量の向上を可能とする。
As described above, according to this embodiment, the insulating film C is brought into close contact with the conductor H, thereby improving the heat dissipation characteristics due to heat conduction from the conductor H to the insulating film C, and transients caused by lightning surges and the like. Therefore, it is possible to reduce the temperature rise of the conductor H due to the surge current flowing in an automatic manner, and it is possible to improve the surge current resistance of the fuse.
Further, according to the present embodiment, the thickness of the insulator film C is calculated using the equation (3) from the unsteady thermal analysis of the equation (2) and the equilibrium condition of Joule heat and heat transfer due to overcurrent and heat dissipation due to radiation. By using this calculation method, the surge current withstand capability can be improved without increasing the rated current of the fuse so much.

次に、図8は、ヒューズエレメントGの他の実施形態の構成例を示す図である。この図において、上述した図1(a)に示す導体Hは立方体であったが、図8(a)に示すように導体Hの内部に金属で形成された発泡金属とし、金属内の気孔の直径の半分の長さを、すでに説明した空洞として直径Lの貫通口Pを形成する。そして、図8(b)に示すように、この貫通口Pの内面を含む導体Hの外周面全体に絶縁体膜Cを密着させて、ヒューズエレメントGを構成しても良い。このヒューズエレメントGからなるヒューズは、図1(c)と同様に、SPD分離器として用いる。
上記貫通口Pは、図8に示すように、貫通方向に対して垂直な面における断面が直径Lの穴が電極D1から電極D2に向かって(電流の流れる経路方向に対して平行に)形成されている。また、この穴は断面が各辺の長さがLの正方形として形成しても良い。
また、貫通口Pの貫通方向に対して垂直な面における断面が円の場合、この貫通口Pの半径であるL/2を、すでに説明した条件に対応して設定した絶縁体膜Cの厚さと同様の数値とし、貫通口P内に絶縁体膜Cを充填する。
また、貫通方向に対して垂直な面における断面が正方形の場合、一辺の長さLの半分であるL/2を、すでに説明した条件に対応して設定した絶縁体膜Cの厚さと同様の数値とし、貫通口P内に絶縁体膜Cを充填する。
Next, FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of another embodiment of the fuse element G. In this figure, the conductor H shown in FIG. 1 (a) is a cube, but as shown in FIG. 8 (a), a metal foam is formed inside the conductor H, and the pores in the metal are A through-hole P having a diameter L is formed with the half length of the diameter as the cavity already described. Then, as shown in FIG. 8B, the fuse element G may be configured by adhering the insulating film C to the entire outer peripheral surface of the conductor H including the inner surface of the through hole P. The fuse composed of the fuse element G is used as an SPD separator as in FIG.
As shown in FIG. 8, the through hole P has a hole having a diameter L in a plane perpendicular to the penetrating direction and is formed from the electrode D1 toward the electrode D2 (parallel to the direction of the current flow path). Has been. Further, this hole may be formed as a square whose cross section is L with the length of each side.
In addition, when the cross section of the through hole P in a plane perpendicular to the penetrating direction is a circle, the thickness of the insulator film C in which the radius L / 2 of the through hole P is set in accordance with the conditions described above. The insulating film C is filled in the through hole P.
When the cross section in the plane perpendicular to the penetrating direction is a square, L / 2, which is half the length L of one side, is the same as the thickness of the insulator film C set in accordance with the conditions described above. A numerical value is used, and the insulating film C is filled in the through hole P.

さらに、導体Hを銅やアルミニウムなどの金属で形成された発泡金属とし、金属内の気孔の直径の半分の長さを、すでに説明した条件に対応して設定した絶縁体膜Cの厚さと同様の数値とし、絶縁体膜Cを充填させて(発泡金属の表面全体、すなわち気孔内部全面を覆うように)形成しても良い。
上述した導体Hに貫通口Pが形成されている場合、また導体Hが発泡金属である場合においても、電極には絶縁体膜Cを形成しない。
Further, the conductor H is a foam metal formed of a metal such as copper or aluminum, and the length of half the diameter of the pores in the metal is the same as the thickness of the insulator film C set in accordance with the conditions already described. It may be formed by filling the insulator film C (so as to cover the entire surface of the foam metal, that is, the entire inside of the pores).
Even when the through hole P is formed in the conductor H described above or when the conductor H is a foam metal, the insulator film C is not formed on the electrode.

また、本実施形態によれば、導体Hに対して絶縁体膜Cを密着させてヒューズエレメントGを形成し、複数のヒューズエレメントGを並列に接続してヒューズを形成することにより、導体Hの導体の合計の断面積を、1本の場合に比較して変化させずに、よりサージ電流耐量の高いヒューズを形成することが可能となる。
また、本実施形態によれば、上記のように形成したヒューズをSPD分離器として用いることにより、導体Hの導体断面積を変化させず、溶断Itの値を増加させ、サージ電流耐量を増加させることが可能となり、従来のようにヒューズにサージ電流耐量を持たせることで、入力ブレーカよりヒューズの定格電流が大きくなることを防止することができる。
Further, according to the present embodiment, the insulator film C is brought into close contact with the conductor H to form the fuse element G, and a plurality of fuse elements G are connected in parallel to form a fuse. It is possible to form a fuse with a higher surge current withstand without changing the total cross-sectional area of the conductor as compared with the case of a single conductor.
Further, according to the present embodiment, by using the fuse formed as described above as the SPD separator, the conductor cross-sectional area of the conductor H is not changed, the value of the fusing I 2 t is increased, and the surge current withstand capability is increased. It is possible to increase the rated current of the fuse as compared with the input breaker by providing the fuse with a surge current withstand capability as in the prior art.

C…絶縁体膜
D1,D2…電極面
G…ヒューズエレメント
H…導体
P…貫通口
C ... Insulator film D1, D2 ... Electrode surface G ... Fuse element H ... Conductor P ... Through-hole

Claims (5)

導体と、
当該導体の電極となる端部以外の表面全体にコーティングされ、前記導体に発生する熱量を熱伝導により放熱する絶縁体膜と
からなるヒューズエレメントにより構成され
前記ヒューズエレメントが複数本に分割されて並列に接続され、かつ分割された当該ヒューズエレメント各々の導体が前記絶縁体膜でコーティングされており、当該絶縁体膜の厚さが、定常電流を印加した際の前記導体の均衡温度が、前記ヒューズエレメントを分割せず、かつ当該絶縁体膜をコーティングしない場合の導体の均衡温度より低くなる厚さであることを特徴とするヒューズ。
Conductors,
It is coated on the entire surface other than the end portion that becomes the electrode of the conductor, and is composed of a fuse element including an insulator film that dissipates heat generated by the conductor by heat conduction ,
The fuse element is divided into a plurality of pieces and connected in parallel, and the conductor of each of the divided fuse elements is coated with the insulator film, and the thickness of the insulator film is applied with a steady current. The fuse is characterized in that the equilibrium temperature of the conductor is lower than the equilibrium temperature of the conductor when the fuse element is not divided and the insulator film is not coated .
電流の流れる経路方向に対して平行な貫通口を有する導体と、
当該導体の電極となる端部以外の前記貫通口の内面を含む表面全体をコーティングする絶縁体膜と
からなるヒューズエレメントにより構成されていることを特徴とするヒューズ。
A conductor having a through hole parallel to the direction of the current flow path;
A fuse comprising: a fuse element comprising: an insulating film that coats the entire surface including the inner surface of the through-hole other than the end portion serving as an electrode of the conductor.
前記ヒューズエレメントが複数本に分割されて並列に接続され、かつ分割された当該ヒューズエレメント各々の導体が前記絶縁体膜でコーティングされており、当該絶縁体膜の厚さが、定常電流を印加した際の前記導体の均衡温度が、前記ヒューズエレメントを分割せず、かつ当該絶縁体膜をコーティングしない場合の導体の均衡温度より低くなる厚さであることを特徴とする請求項に記載のヒューズ。 The fuse element is divided into a plurality of pieces and connected in parallel, and the conductor of each of the divided fuse elements is coated with the insulator film, and the thickness of the insulator film is applied with a steady current. 3. The fuse according to claim 2 , wherein an equilibrium temperature of the conductor is lower than an equilibrium temperature of the conductor when the fuse element is not divided and the insulator film is not coated. . 発泡金属からなる導体と、
当該導体の電極となる端部以外の当該導体の気孔の表面全体にコーティングされ、前記導体に発生する熱量を熱伝導により放熱する絶縁体膜と
からなるヒューズエレメントにより構成され
前記ヒューズエレメントが複数本に分割されて並列に接続され、かつ分割された当該ヒューズエレメント各々の導体が前記絶縁体膜でコーティングされており、当該絶縁体膜の厚さが、定常電流を印加した際の前記導体の均衡温度が、前記ヒューズエレメントを分割せず、かつ当該絶縁体膜をコーティングしない場合の導体の均衡温度より低くなる厚さであることを特徴とするヒューズ。
A conductor made of foam metal;
The entire surface of the pores of the conductor other than the end portion serving as the electrode of the conductor is coated, and is constituted by a fuse element including an insulating film that dissipates heat generated by the conductor by heat conduction ,
The fuse element is divided into a plurality of pieces and connected in parallel, and the conductor of each of the divided fuse elements is coated with the insulator film, and the thickness of the insulator film is applied with a steady current. The fuse is characterized in that the equilibrium temperature of the conductor is lower than the equilibrium temperature of the conductor when the fuse element is not divided and the insulator film is not coated .
前記絶縁体膜の厚さが、規定されているサージ波形でサージ電流を印加した際に、前記導体の温度が最大になったとき、導体の外周面から前記絶縁体膜の外周面までの厚さ方向における温度勾配が生じている距離以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のヒューズ。 The thickness from the outer peripheral surface of the conductor to the outer peripheral surface of the insulator film when the temperature of the conductor becomes maximum when a surge current is applied with a prescribed surge waveform. The fuse according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuse is equal to or shorter than a distance at which a temperature gradient in the vertical direction is generated.
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