JP6247002B2 - 接触器の中に組込可能な、交流電流が供給される電気回路を保護するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電流が供給される電気回路の保護に関し、より具体的には、交流電流が供給される電気回路に結合される可動接触器へのヒューズの組込に関する。

ヒューズ付き回路遮断器は、主に電気回路又は電子回路における安全装置として用いられる。この型式の安全装置の役割は、その安全装置が関連付けられた電子回路を、その回路を通って流れる電流が危険な強度に達したときに開くことにより、この電流をゼロ強度に戻すことである。この型式の保護は、一般には電気回路の保全性、より具体的には電源供給回路の保全性、及び、ひとたび故障が解消した際の回路の稼働状態への復帰を保証する。従って、回路遮断器は、過電流が続くこと又は短絡が引き起こし得る、例えば、絶縁体の劣化、電子機器の破壊、材料の融解、さらには発火といった、潜在的に破局的な結果を見込んでいる。

ヒューズ付き回路遮断器は、より簡単には「ヒューズ」と呼ばれ、ヒューズ素子の融解を通して動作する。ヒューズ素子の融解は、ヒューズを通過する過電流による温度上昇によって引き起こされる。ヒューズは、一般に、例えば可融性の金属又は合金で作られた導電性フィラメント又はストリップなどの導電部分を含み、これは絶縁物体の中に取り付けられ、２つの接続部品に接続される。導電部分を通過する電流が定格、即ちこれより上では導電部分が融解し始めるという強度閾値を超えたときに、ヒューズの導電部分は融解し、回路が開く。

ヒューズの絶縁物体は、空気、又は、導電部分の融解中に放出される熱エネルギーを吸収することが意図された材料を収容することができる。従って、シリカ粉末又は絶縁性液体を用いて絶縁物体の内容積を満たすことができる。絶縁物体は、一般にセラミック又はガラス積層円柱の形状で実装され、その両端にはそれぞれ圧着された金属ベルが設けられ、この金属ベルは、一方では絶縁物体の内側に配置された導電部分に結合し、もう一方では接続タブに結合する。

この型式の安全装置の主な欠点は、その占有体積にある。切り詰めた空間内に取り付けられる可動接触器の場合、接触器が取り付けられる空間の体積を変えずにこの型式の安全装置を接触器に取り付けることはできない。

本発明は、接触器などの電気装置内に実装することが可能であり、保護される接触器の追加の占有体積が限られたものであるように実現される、電気回路を保護するための装置及び方法を提案することによって、この欠点を克服することを提案する。本発明の別の目的は、電気装置の中に組み込むことができ、実装が簡単な保護装置を提案することである。

１つの態様によると、１つの実施形態において、ハウジングと、ハウジング内に配置されたヒューズ素子とを含む、交流電流が供給される電気回路を保護するための装置が提案される。

本発明の１つの一般的な特徴によると、ハウジングは、互いに対して可動な第１の部分及び第２の部分と、第１の部分が第２の部分に当接して支えられるようにさせ、ハウジングが閉鎖状態にセットされるようにさせるのに適した弾性手段とを含む。

第１の部分及び第２の部分は、特に短絡によって引き起こされるヒューズ素子の融解に続いて生成される電気アークが出現した場合に、互いに分離される。実際には、ヒューズ素子の融解とそれに続く気化が、ハウジング内部の温度の上昇と、その結果としての圧力の上昇とを引き起こし、内圧が相当なものになったときに第１の部分と第２の部分とが互いに離れるように強いる。

弾性手段は、ハウジング内の圧力が閾値より高いときにハウジングの第１の部分と第２の部分とを分離させることができるように設けられることが有利である。

従って、ハウジングの第１の部分と第２の部分とは、ハウジング内の圧力が弾性手段の反動する力に対応する圧力閾値より高いときに、互いに分離するようになる。

保護装置は、ヒューズ素子の各々の側に結合した、第２の部分上に固定された少なくとも２つの接続端子を含み、第１の部分及び第２の部分は、２つの接続端子によって定められる方向に従って互いに分離することになるように設けられることが好ましい。

第１の部分は、閉じたトンネルを２つの接続端子及びヒューズの周囲に第２の部分と一緒になって形成するのに適した溝を含むことができる。

２つの接続端子によって定められる方向に従ったハウジングの開放は、ハウジングの外部への電気アークの膨張を促進し、結果的に、ハウジングが閉じたときの電気アークの遮断を促進する。実際、２つの接続端子によって定められる方向に従ってハウジングを開放することにより、電気アークがそこを経てハウジングの外部に延びることができる開口部は、例えば２つの接続端子によって定められる方向に直交する方向に従ってハウジングを開放する場合よりも大きくなる。

ハウジングの第１の部分及び第２の部分は、炭化しない面を有する材料をその内面に含むことが好ましい。

ハウジング内での電気アークの生成は、相当な温度上昇を引き起こす。炭化しない材料を用いてハウジングの少なくとも内面を実装することで、電気アークがハウジングの内面の部分を燃焼させてこの面上に微量の炭素を残すことが防止される。これら微量の炭素は、破裂放電、及び、結果としての電気アークの再形成を助長することになる。

ヒューズは、２つの接続端子の間に設けられた少なくとも１つのろう付け接合部を含むことができることが、有利である。

ろう付け接合部は、ヒューズ素子の、そのヒューズの残りの部分より細い箇所である。ヒューズに１つ又はそれ以上のろう付け接合部を設けることで、ヒューズが破断する位置及びアークが生成される位置を制御することが可能になり、そしてまたヒューズ素子が融解して破断することになる電流の強度を制御することも可能になる。

異なる態様によると、交流電流が供給される電気回路を開路又は閉路するのに適したスイッチング素子と、スイッチング素子が電気回路を開路又は閉路することを制御するのに適した制御手段とを含む、電気接触器が提案される。

１つの一般的な特徴によると、スイッチング素子は、保護装置を含む。この型式のスイッチング素子は、ヒューズ素子が結合した２つの接続端子によって定められる方向に沿って２つの部分に分離可能なハウジングを含むように実装することができる。

接触器は、電気回路に接続された電気結合端子を含むことが好ましく、スイッチング素子は、保護装置の接続端子にそれぞれ接続された少なくとも２つの接続スタッドを含み、制御手段は、接続スタッドが電気結合端子から切り離される電気回路開位置と接続スタッドが電気結合端子に結合する電気回路閉位置との間でスイッチング素子を移動させる、スイッチング素子に結合された移動手段を含む。

可動接触器の移動手段は、スイッチング素子が機械的に結合される移動バーに結合した、電磁石を含むことができる。バーは、電磁石によって駆動され、可動スイッチング素子を、電気結合端子の方に向かって、及び、外側に、動かす。

接触器は、好ましくは、スイッチング素子を電気回路閉位置に持ってくるように移動手段に結合された弾性接触手段を含み、弾性接触手段は、保護装置の弾性手段を含む。

弾性接触手段と保護装置の弾性手段とを組み合わせることができる。

従って、接触器は、電磁石のバーとスイッチング素子との間に機械的に結合したばねを含むことができる。このばねの第１の目的は、スイッチング素子と電気結合端子との接触を保つためにスイッチング素子上の押圧力を維持することである。このばねの第２の目的は、ハウジング内部の圧力が閾値を超過するまでハウジングのトンネルを閉じた状態に保つように、ハウジングの第１の部分と第２の部分とが離ればなれにならないよう保持させる、保護装置の弾性手段としての役割も果たすことである。

接触器は、有利には、３０Ａより大きい電力を伴う接触器又はＲＣＣＢ（遠隔制御回路遮断器）とすることができる。

異なる態様によると、１つの実施形態において、短絡に関連した電流の増大によって引き起こされるハウジング内のヒューズ素子の融解に続く電気アークの生成を含む、交流電流が供給される電気回路を保護するための方法が提案される。

１つの一般的な特徴によると、保護方法は、
ａ）ハウジングの開放、
ｂ）ハウジングの外部への電気アークの膨張、
ｃ）ハウジングの閉鎖、
ｄ）ハウジングが閉鎖されたときの、電気アークの遮断、及び
ｅ）電気アークが再形成された場合の、ステップａ）からｄ）までの反復
を含む。

圧力、温度及び電流の条件、並びに、特にヒューズ素子の部分の寸法が許せば、先行する電気アークを遮断するハウジングの閉鎖に続いて、電気アークが再び形成される可能性がある。実際、短絡電流が高電流であり、かつ、ヒューズ素子の２つの部分、即ちまだ気化されていない２つの部分を隔てる距離が比較的短い場合には、電気アークが形成される可能性がある。

有利には、ハウジングは、ハウジング内の圧力が閾値より高いときには開放され、圧力が閾値より低いときには閉鎖され、ハウジング内の圧力は、交流電流の絶対値が減少したときに降下する。

ハウジング内の圧力はまた、より大きな体積にわたるハウジングの開放に伴って減少する。この圧力降下も、ハウジング内の圧力の全体としての減少に寄与し、ハウジングを閉鎖させる。

本発明の他の利点及び特徴は、決して限定ではない本発明の様々な実施形態の詳細な説明、及び添付の図面から収集することができる。

本発明の１つの実施形態によるスイッチング素子を含む可動接触器の断面図を示す。 図１の可動接触器の横方向面による断面図を示す。 図１の可動接触器の長手方向面による断面図を示す。 １つの実施形態による、保護方法のフローチャートを示す。 電気アークの出現の間の接続端子上の電圧及び電流を表す曲線の例を示す。

図１は、本発明の１つの実施形態による、スイッチング素子２を含む可動接触器１の断面図を示す。

可動接触器１は、航空機の電力回路上に取り付けられることが意図されたものであり、スイッチング素子２の移動によって電力回路の開路又は閉路を可能にする。接触器１は、電力回路内での電流の確立及び中断を可能にする電気接点である、電極３、即ち電気結合端子を含む。

接触器１は、制御回路及び補助接点も含む。補助接点は、接触器の状態（開又は閉）の情報を提供することが意図される。可動接触器１の制御回路は、電磁石５も含む。この電磁石５は、銅コイルと、固定部５１及び可動部５２からなる磁気回路とを含む。電磁石５に電力が供給されると、電流がコイルを通って流れ、これが、磁気回路によって伝えられる磁界を生成して可動部５２を近くに引き寄せ、これにより、接点が閉じられ又は開かれる。この制御回路は、有利には交流とすることができ、その場合には、磁気回路は積層することができるものとなる。

電磁石５の可動部５２は、ばね６を介して接触器２に結合する。ばね６は、可動部５２が下がっているときに接触器２が電極３との接触を保つように接触器２に押圧力がかかることを可能にする。

可動接触器２は、それぞれ可動接触器２の横方向面による断面図、及び長手方向面による断面図を示す、図２及び図３に詳細に示される。

可動接触器２は、接触器２を電磁石５の可動部５２に接合することが意図される機械的結合要素１３に機械的に結合された、第１の部分１１と第２の部分１２とを含むハウジング１０を含む。機械的結合要素１３は、第１の部分１１及び第２の部分１２と直角に交わる。ばね６は、第２の部分１２に対向する面の反対側の面上に支持されるよう、第１の部分１１の上方に配置されるように、機械的結合要素１３に取り付けられる。

第１の部分１１は、機械的結合要素１３と交わらないように、かつ、第１の部分１１の端の一方に現れないように設けられた、溝１４を含む。従って、第１の部分１１が第２の部分１２に接触しているときには、溝１４は両端が閉じたトンネルＴを形成する。

示された実施形態においては、第２の部分１２は、炭化しない面を有するセラミック又は別の材料で作られたプレートを含むように設けられる。第１の部分１１は、炭化しない面を有する同じ材料又は別の材料で設けることができる。

第２の部分１２は２つの接続端子１５を含み、それらの間にはヒューズ１６が接続される。接続端子１５及びヒューズ１６は、第１の部分１１が第２の部分１２と接しているとき、即ちハウジング１０が閉じているときに、トンネル１４と第２の部分１２とによって形成されたトンネルＴがヒューズ１６を含むよう、かつ、各接続端子１５がトンネルＴの一端に配置されるよう、第２の部分１２上に配置される。溝１４は、接続端子１５の大きさ及び形に適合するように、その端の方をより広くすることができる。

接続端子１５は、第１の部分１１に対向する第２の部分１２の面上に取り付けられ、各々がそれぞれ第２の部分１２の反対側の面上に固定された接続スタッド１７に結合するように固定される。

ヒューズ１６は、フィラメント又は導電性リボンとすることができる。図３に示される実施形態においては、ヒューズ１６は、フィラメントの、ヒューズ１６の残りの部分より断面が小さい区間に対応する、プライマー１８を含む。従って、プライマー１８は、過電流、即ち公称強度を上回る強度の電流がそのヒューズを通過したときのヒューズ１６の破断点を定める。プライマー１８におけるヒューズ１６の断面の直径はまた、ヒューズ１６が融解し始めることになる電流の値の精密な定義を可能にする。プライマー１８が用いられない場合には、接続がヒューズの端部を冷やして、その結果ヒューズの中央部分で融解させるように、ヒューズ材料は熱の良導体でなければならない。

図４を参照すると、ここで説明した結合器１は、以下のように動作する。

公称動作電流を上回る強度の電流がヒューズ１６上を長時間にわたって通過すると、ヒューズ１６は、特にプライマー１８又はヒューズの中央部において昇温し、ヒューズ１６の抵抗を、ろう付け接合部１８のところでヒューズが破断するまで、温度の関数として増大させる。ヒューズ１６が昇温すると、ハウジング１０のトンネルＴ内の温度は上昇する。ヒューズが破断するときには、電流の強度及びトンネルＴ内の周囲温度は、破断したヒューズの２つの部分の間に電気アークが生成される程になっている（ステップ３０１）。

ヒューズ１６の２つの残存部分の間にこのように生成された電気アークは、ヒューズ１６の２つの部分を電気的に結合して、ヒューズ１６の温度及びトンネルＴ内の周囲温度を再び上昇させる。ヒューズ１６の温度は、ヒューズ１６が気化するまで上昇し続ける（ステップ３０２）。ヒューズ１６の気化は、ハウジング１０のトンネルＴ内部の温度上昇と、その結果としての圧力上昇とを引き起こす。

ハウジング１０の内部、とりわけトンネルＴ内の圧力が圧力閾値より高いときには（ステップ３１０）、第１の部分１１と第２の部分１２とが分離することになり、トンネルＴの開放をもたらす（ステップ３２０）。圧力閾値は、ばね６によって第１の部分１１上に及ぼされる押圧力に対応する。

ひとたびハウジング１０のトンネルＴが開放されると、電気アークは、トンネルＴの外部に延びる（ステップ３３０）。

電流は交流電流であるので、電流の絶対値がゼロ値に向かって減少するときには、電気アーク内の電流の強度は減少する（ステップ３４０）。電気アークの強度の減少の結果、温度は下降し、その結果、圧力は降下する。さらに、ハウジング１０の開放も、ハウジング１０のトンネルＴ内の圧力のさらなる降下をもたらす。

これら２つの圧力降下の効果（ステップ３５０）は、ハウジング１０内、とりわけトンネルＴ内の圧力を、圧力閾値を下回るまで降下させ、次いでハウジング１０の閉鎖をもたらす（ステップ３６０）。

ハウジング１０の閉鎖、従ってトンネルＴの閉鎖は、電気アークがトンネルＴによって定められる空間の外部にあるときに行われる。従って、ハウジング１０の閉鎖は、電気アークの遮断をもたらす（ステップ３７０）。

ヒューズ１６の気化が完全ではなく、そのため高い強度の過電流がまだ供給されているときにヒューズ１６の一部が近接したままである場合には、電気アークが再生成される可能性がある（ステップ３８０）。その場合、ステップ３１０から３７０までが、電気アークがもはや再生成できなくなり、遮断が効力を生じるまで繰り返される。

図５は、ヒューズ１６の端子上の、即ち２つの接続端子１５の間で測定された、電圧Ｖを表す第１の曲線、及び、ヒューズ１６を通過する電流Ｉをアンペアで表した第２の曲線を示す。２つの曲線は、電気アークの生成の例を示す条件下で、時間の関数として示される。

この例において、時間ｔ₁より前では、電流は、−７８０Ａと７８０Ａとの間で正常に振動し、電圧は、ゼロ電圧の付近でごくわずかに振動する。時間ｔ₁において、ヒューズ１６が融解し、電気アークが生成される。次いで、電流が中断する時間ｔ₂まで、アーク電圧が次第に増大する一方で電流が減少することが観測され、次いで電気アークの遮断が効力を生じる。

時間ｔ₁と時間ｔ₂との間において、電流がゼロになるたびに、ハウジング１０は再閉鎖し、電気アークを遮断する。電気アークのいずれの再生成も、電圧曲線上で電圧ピークによって表される。この電圧ピークは、電圧曲線Ｖ上のそれぞれの正弦半波上ではっきりと観測することができる。それぞれの電流の正弦半波ごとに、電流がゼロになった後の電気アークの再生成に続いて、電流の絶対値が減少してゼロになる前に、温度及び圧力が再び上昇して、ハウジング１０の新たな開放を生じさせる。次いで、圧力の降下、ハウジング１０の閉鎖、及び、その結果としての、ハウジング１０のトンネルＴの外部に延びていた電気アークの遮断が観測される。

この例は、電気アークを最終的に遮断するためにハウジングの開放及び閉鎖の複数サイクルが必要とされる、相当な過電流の場合を示す。異なる条件下においては、電気アークは、ハウジング１０の最初の閉鎖のときから、最終的に遮断されることができる。

以上のように、本発明により、接触器内に組み込まれる、回路を短絡から保護するための、装置を提供することが可能であり、その実装は簡単であり、追加重量は元々の接触器と比べて無視できる。

１：接触器
２：スイッチング素子
３：電気結合端子
５：電磁石
６：弾性手段（ばね）
１０：ハウジング
１１：第１の部分
１２：第２の部分
１３：機械的結合要素
１４：溝
１５：接続端子
１６：ヒューズ素子
１７：接続スタッド
１８：ろう付け接合部
５１：固定部
５２：可動部
Ｔ：トンネル
ｔ₁、ｔ₂：時間
Ｖ：電圧
Ｉ：電流

Claims (10)

1. ハウジング（１０）と、前記ハウジング（１０）内に配置されたヒューズ素子（１６）とを備えた、交流電流が供給される電気回路を保護するための装置であって、前記ハウジング（１０）は、互いに対して可動な第１の部分（１１）及び第２の部分（１２）と、前記第１の部分（１１）が前記第２の部分に当接して支えられるようにさせて、前記ハウジング（１０）が閉鎖状態にセットされるようにさせるのに適した弾性手段（６）とを備え、前記ハウジング（１０）の前記第１の部分（１１）は前記ヒューズ素子（１６）の周囲にあるトンネルを含み、前記ハウジング（１０）の前記第１の部分（１１）及び前記第２の部分（１２）は、炭化しない面を有する材料をその内面上に含んでいることを特徴とする、装置。
2. 前記弾性手段（６）は、前記ハウジング（１０）内の圧力が閾値より高いときに前記ハウジング（１０）の前記第１の部分（１１）と前記第２の部分（１２）とを分離させることができるように設けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記ヒューズ素子（１６）の各々の側に結合した、前記第２の部分（１２）上に固定された少なくとも２つの接続端子（１５）を備え、前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記２つの接続端子（１５）を結ぶ方向に従って互いに分離することになるように設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項２のいずれかに記載の装置。
4. 前記ヒューズ素子（１６）は、前記２つの接続端子（１５）間に設けられた少なくとも１つのろう付け継手（１８）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 交流電流が供給される電気回路を開路又は閉路するのに適したスイッチング素子（２）と、前記スイッチング素子（２）が前記電気回路を開路又は閉路することを制御するのに適した制御手段とを備えた電気接触器（１）であって、前記スイッチング素子（２）は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の保護装置を含むことを特徴とする、電気接触器（１）。
6. 前記電気接触器は、前記電気回路に接続された電気結合端子（３）を備え、前記スイッチング素子は、前記保護装置の前記接続端子（１５）にそれぞれ接続された少なくとも２つの接続スタッド（１７）を備え、前記制御手段は、前記接続スタッド（１７）が前記電気結合端子（３）から切り離される前記電気回路開位置と前記接続スタッド（１７）が前記電気結合端子（３）に結合する前記電気回路閉位置との間で前記スイッチング素子（２）を移動させる、前記スイッチング素子（２）に結合した移動手段（５）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の電気接触器（１）。
7. 前記スイッチング素子（２）を前記電気回路閉位置に持ってくるように前記移動手段（５）に結合された弾性接触手段を備え、前記弾性接触手段は、前記保護装置の前記弾性手段（６）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の電気接触器（１）。
8. 前記接触器（１）は、電力接触器であることを特徴とする、請求項５〜請求項７のいずれかに記載の電気接触器（１）。
9. 短絡に関連した電流の増大によって引き起こされるハウジング（１０）内のヒューズ素子（１６）の融解に続く電気アークの生成を含む、交流電流が供給される電気回路を保護するための方法であって、前記ハウジング（１０）は前記ヒューズ素子（１６）の周囲にあるトンネル、互いに対して可動な第１の部分（１１）及び第２の部分（１２）、及び前記第１の部分（１１）が前記第２の部分に当接して支えられるようにさせて、前記ハウジング（１０）が閉鎖状態にセットされるようにさせるのに適した弾性手段（６）を含んでおり、前記ハウジング（１０）の前記第１の部分（１１）及び前記第２の部分（１２）は、炭化しない面を有する材料をその内面上に含んでおり、前記方法は、
   ａ）前記ハウジング（１０）の開放ステップ、
   ｂ）前記ハウジング（１０）の外部への前記電気アークの膨張ステップ、
   ｃ）前記ハウジング（１０）の閉鎖ステップ、
   ｄ）前記ハウジング（１０）が閉鎖されたときの、前記電気アークの遮断ステップ、及び
   ｅ）前記電気アークが再形成された場合の、ステップａ）からｄ）までの反復ステップを含むことを特徴とする、方法。
10. 前記ハウジング（１０）は、前記ハウジング（１０）内の圧力が閾値より高いときには開放され、前記圧力が前記閾値より低いときには閉鎖され、前記ハウジング（１０）内の前記圧力は、交流電流の絶対値が減少したときに降下することを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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