JP6252398B2 - 過電流遮断機能付き電線 - Google Patents

Description

本発明は、過電流遮断機能付き電線に関し、さらに詳しくは、過電流によって導体が溶断されて回路を遮断するヒューズ機能を持った過電流遮断機能付き電線に関するものである。

電気回路において、万一異常な電流が流れた場合に機器を守るためには、その回路を速やかに遮断することが必要である。過電流に対する回路保護のため、電気回路には通常、ヒューズが挿入されている。また、ヒューズの挿入に代えて、ヒューズと同等の機能を持った電線としてヒュージブルリンク電線が用いられることがある。

特開平０２−２１３４５６号公報 特開２０１４−６３６３９号公報

過電流に対する回路保護のため回路内にヒューズを取り付ける場合、ヒューズの価格やヒューズの取り付け工数が発生することから、コストが大きくなる。これに対し、ヒューズを用いない構成であれば、コストを低く抑えることができる。しかしながら、従来のヒュージブルリンク電線にはＳｎめっき軟銅が用いられている。軟銅は融点が高いため、従来のヒュージブルリンク電線は溶断の際の発熱量が大きく、周りの機器や絶縁被覆に損傷を与えるおそれがある。そこで、特許文献１では、導体と絶縁被覆との間に耐熱性の高いセラミックス層を介装している。しかしながら、セラミックス層の形成にはコストがかかり、また、セラミックス層は固くもろいためハンドリング性がよくない。

また、特許文献２では、融点の低い金属で導体を構成し、過電流によって導体が溶断することで遮断するようにしている。しかしながら、特許文献２に開示される低融点のＳｎ合金は高温における引張強度が低いため、電線の絶縁被覆を押出成形する際の高温条件下で、導体にかかる押出張力に導体が負けて断線し、安定した電線製造ができない。

本発明の解決しようとする課題は、低コストで、過電流がかかったときに安全に回路を遮断できるとともに、電線製造性にも優れる過電流遮断機能付き電線を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明に係る過電流遮断機能付き電線は、Ｃｕを３．０質量％以上１５．０質量％以下含有し残部がＳｎおよび不可避的不純物よりなるＳｎ合金線からなる導体が絶縁被覆で覆われ、過電流によって前記導体が溶断することを要旨とするものである。

また、本発明に係る他の過電流遮断機能付き電線は、Ｃｕを５．０質量％以上１５．０質量％以下含有し残部がＳｎおよび不可避的不純物よりなるＳｎ合金線からなる導体が絶縁被覆で覆われ、過電流によって前記導体が溶断することを要旨とするものである。

前記Ｓｎ合金線は、１５０℃における引張強さが１２ＭＰａ以上であることが好ましい。また、前記Ｓｎ合金線は、２５℃における引張強さが５２ＭＰａ以上であることが好ましい。そして、絶縁被覆よりも内側部分に空隙が設けられていることが好ましい。

本発明に係る過電流遮断機能付き電線によれば、特定の組成よりなるＳｎ合金線を導体に用いるので、過電流によって溶断される際の発熱量が小さく、周りの機器や絶縁被覆に与える熱的な影響が小さい。したがって、過電流がかかったときに安全に回路を遮断できる。また、Ｓｎ合金における銅の含有量が高いため、高温における強度が向上し、電線の絶縁被覆を押出成形する際の高温条件下でも、導体にかかる押出張力に導体は負けず、断線することなく長尺の押出成形が可能となり、安定した電線製造を行うことができる。そして、過電流に対する回路保護に対し回路内にヒューズを用いない構成であるので、コストが低く抑えられる。

このとき、絶縁被覆よりも内側部分に空隙が設けられていると、過電流によって導体が溶融したときに空隙を利用して導体が変形しやすくなるので、回路を遮断しやすくなる。

本発明の一実施形態に係る過電流遮断機能付き電線の模式図（ａ）とＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。 図１（ｂ）に示す導体を圧縮成形した過電流遮断機能付き電線の断面図である。

次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る過電流遮断機能付き電線の構成を示している。過電流遮断機能付き電線１０は、複数本の金属素線１６からなる導体１２を有し、導体１２の外周が絶縁被覆１４により覆われている。

複数本の金属素線１６は束ねられて撚り合わされて撚線を形成している。撚線は圧縮成形されておらず、撚線内部の金属素線１６間には空隙１８ａが形成されている。

絶縁被覆１４は円筒状に成形されたものからなる。絶縁被覆１４は撚線からなる導体１２の外周を覆っており、凹凸状に構成されている導体１２の外周表面と絶縁被覆１４の内周面との間には空隙１８ｂが形成されている。

絶縁被覆１４よりも内側部分に占める空隙の割合は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図に示すように電線の径方向（軸方向と直交する方向）に電線を切断したときの絶縁被覆１４よりも内側部分に占める導体部分の面積を除いた空隙部分（１８ａ，１８ｂ）の面積によって表すことができる。

導体１２を構成している複数本の金属素線１６は低融点の金属によって形成されている。低融点の金属を導体１２に用いることで、所定の電流値（過電流）で溶断させ、過電流がかかったときに回路を遮断することができる。つまり、導体１２に用いる金属は過電流によって溶断するものとする。過電流とは、回路に通常流される電流よりもさらに大きな電流であり、異常電流をいう。例えば回路がショートしたときなどに回路に瞬時に流れる電流などである。このような低融点の金属として、Ｃｕを所定量含有し残部がＳｎおよび不可避的不純物よりなるＳｎ−Ｃｕ合金を用いる。

低融点のＳｎ合金は高温における引張強度が低いため、電線の絶縁被覆１４を押出成形する際の高温条件下で、導体１２にかかる押出張力に導体１２が負けて断線し、安定した電線製造ができない。このため、Ｓｎ合金におけるＣｕの添加量を多くして、高温における強度を向上させる。これにより、電線の絶縁被覆１４を押出成形する際の高温条件下でも、導体１２にかかる押出張力に導体１２は負けず、断線することなく長尺の押出成形が可能となり、安定した電線製造を行うことができるようにする。

安定した電線製造の観点から、導体１２に求められる高温強度として、Ｓｎ合金線は、絶縁被覆の押出時に１５０℃前後となり、さらに、張力を掛けて製造するため、１５０℃において引張強さが１２ＭＰａ以上であることが好ましい。より好ましくは１５ＭＰａ以上である。強度と伸びは、引張試験機にてＧＬ＝２５０ｍｍ、引張速度５０ｍｍ／ｍｉｎで測定する。この高温強度を満足するためには、室温（２５℃）における強度として、５２ＭＰａ以上であることが好ましい。より好ましくは５５ＭＰａ以上である。導体１２の強度は、例えばＳｎ−Ｃｕ合金におけるＣｕ含有量により調整することができる。また、その他に、鋳造時に急冷することで固溶させることや強加工を施すことにより調整することもできる。

Ｓｎ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量は、高温における強度の向上の観点から、３．０質量％以上にする。より好ましくは５．０質量％以上、さらに好ましくは７．５質量％以上である。一方、Ｓｎ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量が多すぎると、晶出物により伸線や圧延加工性が悪くなる。したがって、加工性の観点から、Ｓｎ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量は、１５．０質量％以下であることが好ましい。より好ましくは１０．０質量％以下である。

導体１２の断面積としては、所定の電流値（過電流）で溶断されやすいなどの観点から、０．７５ｍｍ^２以下であることが好ましい。より好ましくは０．５ｍｍ^２以下である。また、端子との固着力の観点から、０．１３ｍｍ^２以上であることが好ましい。より好ましくは０．３５ｍｍ^２以上である。金属素線１６の径は、所望の導体断面積となるよう金属素線１６の本数などに応じて適宜定められる。

絶縁被覆１４に用いられる絶縁材としては、特に限定されるものではなく、電線被覆材として用いられる絶縁材を適用することができる。このような絶縁材としては、塩化ビニル系樹脂材料、オレフィン系樹脂材料、エンジニアリングプラスチックなどが挙げられる。絶縁被覆１４は、過電流によって導体１２が溶断される際の熱による影響が小さくなるように、耐熱性に優れることが好ましい。したがって、絶縁被覆１４は架橋されていてもよい。

以上の構成の過電流遮断機能付き電線１０によれば、特定の組成よりなるＳｎ合金線を導体１２に用いるので、過電流によって溶断する際の発熱量が小さく、周りの機器や絶縁被覆１４に与える熱的な影響が小さい。したがって、過電流がかかったときに安全に回路を遮断できる。また、Ｓｎ合金における銅の含有量が高いため、高温における強度が向上し、電線の絶縁被覆１４を押出成形する際の高温条件下でも、導体１２にかかる押出張力に導体１２は負けず、断線することなく長尺の押出成形が可能となり、安定した電線製造を行うことができる。さらに、過電流に対する回路保護に対し回路内にヒューズを用いない構成であるので、コストが低く抑えられる。

そして、複数本の金属素線１６からなる導体１２の内部や導体１２と絶縁被覆１４との間には空隙１８ａや空隙１８ｂが設けられており、過電流によって導体１２が溶融したときには空隙１８ａや空隙１８ｂを利用して導体１２が変形できるため、溶融した部分で導体１２が切れやすくなっている。すなわち、回路を遮断しやすくなっている。

本発明に係る過電流遮断機能付き電線においては、過電流によって溶断するのであれば、撚線内部あるいは導体と絶縁被覆との間に空隙が設けられていない構成であってもよい。また、導体は複数本の金属素線ではなく単線によって構成していてもよい。また、絶縁被覆は円筒状に成形したものでなくてもよく、導体の外周表面に密着するように成形していてもよい。また、導体が複数本の金属素線で構成する場合には、図２に示すように圧縮成形していてもよい。

本発明に係る過電流遮断機能付き電線は、過電流によって導体が溶断して回路を遮断するヒューズ機能を持った電線である。したがって、ヒューズが挿入される種々の回路の一部あるいは全部の配線に適用することができる。また、導体に用いる金属の抵抗が比較的高いことから、本発明に係る過電流遮断機能付き電線は、大電流を流すパワー回路よりも、微小の電流しか流れない検知線などの信号回路などに好適に用いられる。

本発明においては、検知線の全長あるいはその一部に過電流遮断機能付き電線を用いるので、検知線の導体同士が接触して過電流が流れたときに、導体の接触部などが瞬時に溶融することで検知回路の遮断を可能にしている。これにより、機器や他の回路を保護することができる。

以下、本発明を実施例によって説明する。

（実施例）
表１に記載の合金組成からなる合金を表１に記載の線径（φ０．２６〜０．３２ｍｍ）に伸線加工し、所定の撚りピッチで７本を撚り合わせて撚線導体とした。この際、撚線導体には、適宜、円形圧縮成形加工を行った。その後、導体の外周に塩化ビニル系絶縁材を図１（ｂ）に示すように押出加工した（被覆厚０．２〜０．３ｍｍ）。これにより、過電流遮断機能付き電線を作製した。

電線製造において、導体にかかる押出張力に対し、導体が破断することなく押出成形が可能であった押出長さを測定した。また、作製した各過電流遮断機能付き電線について、溶断特性を調べた。また、評価１にしたがって短絡時の挙動を調べた。さらに、評価２にしたがって各過電流遮断機能付き電線を配線の一部に用いた場合における大電流が流れたときの挙動を調べた。測定方法および評価基準を以下に示す。また、これらの結果を表１〜２に示す。

（溶断特性）
作製した過電流遮断機能付き電線（長さ１ｍ）に所定の電流を加え、断線するまでの時間（溶断時間）を測定した。

（評価１）
作製した過電流遮断機能付き電線を２本（長さ各５０ｃｍ）準備し、それぞれの電線の片端部の導体を１ｃｍずつ露出させ、露出させた導体同士を軽く接触させた。この状態を保持したままもう一方の端部から所定の電流値で通電を行い、このときの挙動を調べた。導体の発熱による絶縁被覆からの発煙や絶縁被覆の燃焼が起こることなく安全に回路遮断した場合を合格「○」とし、安全に回路遮断しなかった場合を不合格「×」とした。

（評価２）
銅電線（導体断面積０．５ｍｍ^２、塩化ビニル系絶縁材、被覆厚０．３ｍｍ、長さ１ｍ）の導体に、金属スリーブを用いて、作製した過電流遮断機能付き電線（長さ２ｃｍ）の導体を圧着接続した。これに所定の電流値で通電を行い、このときの挙動を調べた。導体の発熱による絶縁被覆からの発煙や絶縁被覆の燃焼が起こることなく安全に回路遮断した場合を合格「○」とし、安全に回路遮断しなかった場合を不合格「×」とした。

比較例１では、Ｓｎ合金のＣｕ含有量が少なく、高温強度が低いため、絶縁被覆を押出成形する際の高温条件下で、導体にかかる押出張力に導体が負けて断線し、押出長さが短く、安定した電線製造ができていない。これに対し、実施例では、Ｓｎ合金のＣｕ含有量を多くし、高温強度を向上させたため、絶縁被覆を押出成形する際の高温条件下でも、導体にかかる押出張力に導体が負けて断線することなく、押出長さを十分に確保できている。これにより、安定した電線製造ができている。

そして、実施例の溶断特性の評価では、０．５Ａの通電、１Ａの通電では断線しなかったがこれらの通電量は過電流ではなく、導体の発熱量も大きくないため、絶縁被覆の外観変化は特に観察されなかった。１０Ａ以上の通電に対しては、いずれの過電流遮断機能付き電線も断線した。１０Ａの通電では数秒〜数十秒の時間を要したが、比較的速いうちに導体が溶断したので、絶縁被覆からの発煙や絶縁被覆の燃焼は観察されなかった。また、５０Ａ以上の各通電量においても速いうちに導体が溶断したので、絶縁被覆からの発煙や絶縁被覆の燃焼は観察されなかった。

評価１では、１０Ａ以上の通電に対して、いずれの過電流遮断機能付き電線も導体同士の接触部で断線した。そして、導体の発熱による絶縁被覆からの発煙や絶縁被覆の燃焼が起こることなく安全に回路遮断できた。

評価２では、１０Ａ以上の通電に対して、いずれの場合も過電流遮断機能付き電線の部分で断線した。そして、導体の発熱による絶縁被覆からの発煙や絶縁被覆の燃焼が起こることなく安全に回路遮断できた。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１０ 過電流遮断機能付き電線
１２ 導体
１４ 絶縁被覆
１６ 金属素線
１８ａ，１８ｂ 空隙

Claims (5)

1. Ｃｕを３．０質量％以上１５．０質量％以下含有し残部がＳｎおよび不可避的不純物よりなるＳｎ合金線からなる導体が絶縁被覆で覆われ、過電流によって前記導体が溶断することを特徴とする過電流遮断機能付き電線。
2. Ｃｕを５．０質量％以上１５．０質量％以下含有し残部がＳｎおよび不可避的不純物よりなるＳｎ合金線からなる導体が絶縁被覆で覆われ、過電流によって前記導体が溶断することを特徴とする過電流遮断機能付き電線。
3. 前記Ｓｎ合金線は、１５０℃における引張強さが１２ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の過電流遮断機能付き電線。
4. 前記Ｓｎ合金線は、２５℃における引張強さが５２ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の過電流遮断機能付き電線。
5. 前記絶縁被覆よりも内側には空隙が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の過電流遮断機能付き電線。

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