JP6503542B2 - 直流用感熱遮断器 - Google Patents

Description

本発明は自動車に搭載される直流電源で使用される機器に取り付けられるものであり、異常過熱時に機器への通電を遮断して保護するための感熱遮断器に関するものである。

従来から自動車用の付属機器に取り付けられる感熱スイッチとして各種のものが提案されており、その一例として熱伝導性の良い金属製の密閉容器内にスイッチ機構とこのスイッチ機構を駆動するためのバイメタルを収納したものがある。（例えば特許文献１参照）

また、この感熱スイッチを例えばカーエアコン用冷媒圧縮機の容器に取り付けることで異常過熱時に制御回路に信号を伝えるようにしたものがある。（例えば特許文献２参照）

近年、自動車の電動化が進む中で、冷媒圧縮機やヒータなどの付属機器で従来の車両で使われてきたものよりも高電圧高電流の直流電源が使用されるようになっている。通常はその通電量などはコントローラーで制御されるが、万が一のときには通電を遮断するために保護装置の必要性が増している。

例えば前述した電動圧縮機の回路やヒータが何らかの原因で異常過熱した場合などにはまず火災などの危険を避けるために対象機器への通電を遮断する必要がある。前述した従来の感熱スイッチは制御用の小さな電流を流すものであり、直流の高電圧大電流を直接遮断できないため、遮断用の装置としてはサーキットブレーカーや電流ヒューズが使用されている。

一方でサーキットブレーカーや電流ヒューズなどの保護装置はそれ自身だけでは温度などで動作させることができない。そのため、回路上に電路を短絡させる感熱スイッチを設けることにより、過熱を検知した際には短絡電流で保護装置を作動させて負荷への通電を遮断するものなどが提案されている。（例えば特許文献３）

特開平０５−１０１７６１

特開２００２−３６７４９５

特開２０１０−２４６２１８

しかし回路を短絡させた大電流でサーキットブレーカーや電流ヒューズなどの保護装置を作動させる場合、短絡電流は電源から主回路を通じて流れるため、異常の発生した機器の回路だけでなく主回路に設けたヒューズなどの保護装置が動作してしまう場合がある。そのため電気自動車においては例えばヒータ回路などに異常が発生して通電を遮断する場合にも、全動力が遮断されてしまい突然走行不能になってしまう可能性がある。

また高電圧大電流に対応した直流用リレーなどを使用することで、短絡電流ではなく制御信号でリレーを動作させることが可能になるが、温度センサー等を別に用意する必要があり、取付作業が煩雑になると言う問題があった。また直流の大電流に対応するものは大型化するため、自動車などにおいては取付位置の確保が難しい。

また交流電流と違い直流電流は電流のゼロ点が発生しないため、アークが切れにくくなる。そのため大電流を遮断するためにはアークを短時間で消すために接点間距離を大きくとるなどして、リレーの構造が大型化すると言う問題がある。さらに電流遮断時にアークによる接点表面の荒れが激しくなるため接点を大型化しても繰り返しの使用に対する寿命は非常に短くなる。そのため一度でも動作したものは一見問題ないようであっても、再使用の際には所定の性能が得られない場合がある。特に再使用の際に表面が荒れた接点同士が接触することで接触抵抗が高くなると、大電流の通電により高熱になった接点間が溶着を起こしてしまうことがあり、保護動作に支障を生ずると言う問題がある。また通電状態で再投入されると投入時のアークで溶着を起こす可能性がより高くなる。そのため、使用できる状態においては所期の性能を得られるように保護動作後の繰り返し使用ができない保護装置が求められている。

一方でヒューズを溶断させるものにおいては、その構造上繰り返し使用はできないが、直流電流には電流のゼロ点が発生しないため大電流を遮断することが困難であり、サーキットプレーカーなどと比べても決して小型と言えないサイズの電流ヒューズを使用する必要がある。さらに温度ヒューズであっても、冷媒圧縮機などの過熱状態を検出すべき保護対象機器に接触させることは難しい。また過熱によって動作する温度ヒューズでは大電流による自己発熱の影響もあり、保護対象機器の過熱だけを検出して所望の温度で動作させることが困難である。

そのため直流の高圧大電流を遮断できる遮断器と感熱装置とを一体にし、動作後は再使用できないようにした遮断器が求められている。

そこで本発明の直流用感熱遮断器は、電気絶縁性材料で構成された収納容器を持ち、この収納容器内に温度検出部とこの温度検出部により駆動されて接点間を開放する接点機構を有し、この接点機構は一対の可動接点を直列かつ一体に接続された可動接点ユニットを同時に解離する構造とされており、温度検出部は通電部分から離された収納容器の一端に金属製のカバーによって固定されており、この温度検出部は温度に応じて熱応動板が変形し所定温度に達すると接点機構の起動部を駆動して接点間を開放させるものであり、接点機構は温度検出部によって接点間を開放されたのちは再接続不能にされている。

この可動接点ユニットを有する接点機構はバネによって付勢されながら係止部によって接点間を接触した状態で保持されており、温度検出部は通常時には接点機構の起動部と接触しておらず所定温度で動作することで起動部を駆動して前記係止部を外すことにより前記バネが接点機構を駆動して可動接点ユニットが一対の接点間を同時に開放することを特徴としている。

熱応動板は金属製のカバーと直接接触、または金属製のカバーに設けられた開口部を通して保護対象機器に直接接触できる。

さらに保護対象機器の遮断器設置部には遮断器の温度検出部を含む収納容器を収める金属製のガイドキャップを取り付けて、このガイドキャップに収納容器を収めることによりガイドキャップの底面と遮断器の熱応動板が直接接触する。

本発明によれば繰り返し動作のできない一回動作の遮断器としたことで、接点機構の構造をシンプルにできるとともに特殊な接点などを必要とせず、所望の性能を得ることができる。また接点機構を直列に接続された一対の可動接点を同時に開放する構造としたことで、一つの接点間に掛かる電圧を下げることができ、接点開放時のアークが継続しにくくなる。さらに遮断器と温度検知部を一体にするとともに、この温度検知部を通電部から離れた位置に置かれた熱応動板で構成することにより所定の温度で起動部を駆動して接点間を開放するので、通電量の影響を受けず所定の温度で精度よく動作させることができる。

本発明の直流用感熱遮断器の一例の外形を示す斜視図 図１の直流用感熱遮断器の正面図 図１の直流用感熱遮断器の動作前の状態を示す断面図 図３の直流用感熱遮断器の動作後の状態を示す断面図 保護対象機器へ本発明の直流用感熱遮断器を取り付けた状態を示す一実施例 保護対象機器へ本発明の直流用感熱遮断器を取り付けた状態を示す他の実施例

次に図１ないし図４を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明の直流用感熱遮断器１（以下、遮断器と記す）は、電気絶縁材料で構成された収納容器内に温度検出部とこの温度検出部により駆動されて接点間を開放する接点機構を有している。この収納容器はベース２と円筒容器３からなり、その内部に後述する可動接点の移動できる接点空間４が構成されている。ベース２の外側端面にはそれぞれに容器内側に固定接点５を固定された一対の金属製の端子板６が電気絶縁性のトップカバー７と共に固定されており、端子ネジ６Ａを含む接続部だけが露出した状態となっている。

ベース２はその中央に貫通穴が設けられ、前記一対の固定接点間を接続するために金属製のバイパス板８上に一対の可動接点９（図３および４では重なっているため一つしか図示されない）を固定した可動接点ユニット１０が配置されている。可動接点ユニット１０は移動ブロック１１と一体に固定され、通常時は後述する係止部により保持されることでベース２に配置されたバネ１２の反発力に抗して二つの固定接点５間を接続している。

円筒容器３内には接点機構の起動部であるＬ字型のラッチ１３がＬ字の中間点となる軸１３Ｅを中心に回動可能に配置され、その一端にある係止部１３Ａを前記移動ブロック１１の端面に係止させることで移動ブロックおよび可動接点ユニット１０が移動しないように所定位置で保持されている。他方の受動端１３Ｂは外側方向を向いており、後述する熱応動板の動作によって移動するように配置されている。また本実施例ではラッチ１３に移動ブロックの戻りを防止するための突起１３Ｃが設置されている。

接点機構などの通電部分から充分に離れた円筒容器３の外側端面３Ａには、温度検出部としてバイメタルなどを浅い皿状に絞り成形して所定温度で反転動作するように設定された熱応動板１４が配置されている。本実施例では熱応動板１４には円形のバイメタルが使用され、外側端面３Ａを覆うように金属カバー１５で覆うことにより固定されている。また熱応動板１４の容器内側の面には薄い金属板で作られた押さえバネ１６が配置され、熱応動板をその動作に実質的な影響を与えない力で押圧しながら金属カバー１５側に直接接触させることで、感熱面となる金属カバーが受けた熱を熱応動板に速やかに伝えることができる。さらに本実施例では金属カバー１５にはその中央に開口部１５Ａが設けられ、熱応動板１４の中央が露出している。そのため熱応動板１４を保護対象機器の所定の部分に直接接触させることができる。逆に熱応動板を露出したくない場合は、開口部のない金属カバーで外側端面を覆うようにしてもよい。

この遮断器１は自動車用の冷媒圧縮機や温水ヒータなどの保護対象機器に対して、熱応動板１４が確実に熱を拾うことができるように配置される。例えば冷媒圧縮機の密閉容器の外側の所定の部分に熱応動板が対向するように取り付けられる。熱応動板１４は直接通電される構造ではなく、また接点機構などの通電部分からも充分に離されているので、通電量による熱の影響はなく保護対象機器の温度をより正確に検知することができる。

遮断器１は動作前の状態では図３に示すように接点間を閉じた状態とされており、一対の端子板６間はそれぞれの接点とバイパス板を介して電気的に接続されている。

次にこの遮断器による保護動作について説明する。

何らかの異常により保護対象機器の表面温度が上昇し、熱応動板１４が所定の動作温度に達するとその湾曲方向を反転する。実施例ではこの反転動作はスナップアクションを伴って行われるため、その動作までは熱応動板１４とラッチ１３は接触していないためラッチに力はかからない。動作時には反転した熱応動板により瞬時に受動端１３Ｂを押し込まれる。受動端１３Ｂを押し込まれることで駆動されたラッチ１３は、軸１３Ｅを中心に回動して係止部１３Ａが移動ブロック１１から外れる。そのためバネ１２によって押された移動ブロック１１が円筒容器内部に設けられた案内溝３Ｂに沿って移動を始めるとともに、移動ブロックと一体に固定された可動接点ユニット１０が固定接点から解離する。この時、接点間にアーク放電が発生するが、接点間距離を充分に取るとともに容器の内面にアークの熱で消弧ガスを発生するようにするなどしてアークの継続を抑えることができる。また接点が直列に２対配置されているため、接点開放時に一つの接点間に掛かる電圧が分圧されてアークが継続しにくくなる。

移動ブロック１１は円筒容器の内側端面３Ｃに達して止まる。本実施例では前述したようにラッチ１３に移動ブロックの戻りを防止するための突起１３Ｃが設置されている。移動ブロック１１は移動時にラッチ１３先端の舌状部１３Ｄを撓ませながら突起１３Ｃの鈍角になっている斜面側から乗り越える。移動ブロック１１が勢いを保ったまま円筒容器の内側端面３Ｃに当接すると、跳ね返りを起こして接点を再度接続してしまう可能性があるが、この時は突起１３Ｃの鋭角になっている斜面に当接するためそれ以上移動することができない。こうして移動ブロック１１の跳ね返りによる接点間の再接続を防ぐとともに、この遮断器は一旦動作したのちには手動でも復帰させることはできず再接続不能にされる。

そのため、遮断動作時の強いアークにより表面が荒れた接点の再接続を防ぐことができる。こうすることで遮断器は確実に未動作のものだけを使用されることになり、その再利用による保護性能の低下や接点の溶着などによる動作不良などの事態を防ぐことができる。

また復帰用のレバーなどの構成を設ける必要がないので、装置全体を小型にすることができる。さらに再接続を必要としないことで、接点材料には必ずしも直流開閉用やアーク対策を施した特殊な金属などは必要としないので、製造がより容易になる。また、感熱部である熱応動板や金属カバーは導電部から充分に離れているため、感熱部を保護対象機器に直接接触させることができる。

なお、実施例ではラッチに移動ブロックおよび可動接点ユニットの戻り止めのための突起を設けているが、同様の突起を収納容器に設けてもよいし、戻り止めの代わりに移動ブロックの跳ね返りを防止する緩衝部を設けてもよい。また可動接点と固定接点の開放時に両者の間に遮蔽板を挿入することで、可動接点ユニットの跳ね返りを防ぐとともに接点間に発生するアークを早期に遮断することが可能になる。

次にこの遮断器の保護対象機器への取付けについて図５を参照しながら説明する。保護対象機器２１はエアコン用の冷媒圧縮機であり密閉容器２１Ａの内部に電動機２１Ｂや図示しない圧縮機が配置され、密閉容器内部が冷媒通路とされている。遮断機１は密閉容器に外側に設けられた非貫通の取付穴２１Ｃにその温度検出部である端面が接触するように取り付けられている。遮断機１は前述のようにカバーの端面に開口部を設けておくことにより、熱応動板を密閉容器の取付穴２１Ｃの底面に接触させることができる。この場合、密閉容器の薄くされた部分に温度検出素子である熱応動板が直接接触することで温度変化に素早く対応することができるが、スイッチ内の気密性が必要とされる場合は開口部のない金属カバーとすることもできる。

この実施例では遮断器１を、一端を密閉容器上に固定した板バネ２２により固定している。取付穴２１Ｃの底部は容器の他の部分と比較して薄くされており、内部の冷媒温度が遮断器１に素早く伝わるようにされている。また実施例では取付穴２１Ｃにサーミスタのような温度センサー２３を遮断器１と共に配置することにより、通常運転においては保護対象機器の温度状況を基に運転を制御するとともに、異常な過熱時には遮断器１により確実に通電を遮断できる。

次に図６を参照しながら他の取付例について説明する。図６の保護対象機器４１は電気自動車などで使われる液体循環式のヒータであり、密閉された循環路内に封入された熱媒体となる液体を電気式のヒータ４１Ｂで加熱し、この熱媒体を通す熱交換機で室内に流れる空気を暖めるものである。

通常は前記熱媒体となる液体が所定の温度以下となるようにヒータ出力を制御されているが、何らかの原因で液体が減ったり抜けたりして空焚き状態になるとヒータが高熱になり発火に至る可能性がある。特に自動車で使用される場合、冬季に室内を素早く暖めることが求められるためにヒータは高い発熱能力を持つ。そのため、図５のような密閉容器越しの取付けでは空焚き状態の急激な過熱に検出や制御が充分に追い付かない場合がある。そのため、本実施例では密閉容器４１Ａに貫通穴４１Ｃが設けられ、遮断器取付け用の円筒形の収納部を設けた金属製のガイドキャップ４２がその開口部側に設けられたフランジを溶接などの方法で気密に固定されている。このガイドキャップ４２は金属板をプレス加工などにより遮断器１を収納できる円筒形にされており、密閉容器４１Ａを直接加工するよりも薄くすることができる。さらに実施例ではガイドキャップの収納部の外周面４２Ａが、密閉容器の貫通穴４１Ｃの内周面に直接接触しないように配置されている。

また遮断機３１にはベースから外側に延長された取付部３１Ａが設けられている。この取付部３１Ａはボルト３１Ｂで密閉容器４１Ａに固定され、このとき遮断器３１を前記ガイドキャップ４２の収納部に収納することで遮断器はその端面がガイドキャップの底面に接触している。

ガイドキャップ４２は薄い金属板で作られていることにより、熱媒体の温度を遮断器端面の熱応動体へと素早く伝えることができる。一方でガイドキャップ４２の収納部外周面４２Ａと密閉容器貫通穴４１Ｃの内周面とに隙間を設けた事により、ガイドキャップ端面の熱は密閉容器へと伝わりにくくなり遮断器の熱応答性がよくなる。さらにガイドキャップを電気ヒータ４２Ｂ近傍に対向させたり接触させたりすることで、ヒータの過熱状態を遮断器の温度検出部により素早く伝えられるようになる。そのため空焚き状態によって起きる急速な温度上昇に対しても適切な保護動作を得ることができる。最適な実施例としては、熱媒体となる液体の沸点を超える温度に熱応動体の動作温度を設定することで、液体循環式ヒータの空焚き状態からの発火などの事故を防ぐことができる。

なお、この実施例でも前述の例のようにガイドキャップ内に制御用の温度センサーを配置することもできることは言うまでもない。

１：直流用感熱遮断器
２：ベース（収納容器）
３：円筒容器（収納容器）
４：接点空間
５：固定接点
６：端子板
７：トップカバー
８：バイパス板
９：可動接点
１０：可動接点ユニット
１１：移動ブロック
１２：バネ
１３：ラッチ
１３Ａ：係止部
１３Ｂ：受動端
１３Ｃ：突起
１４：熱応動板
１５：金属カバー
１５Ａ：開口部
１６：押さえバネ

Claims (4)

1. 電気絶縁性材料で構成された収納容器を持ち、
   この収納容器内に温度検出部とこの温度検出部により駆動されて接点間を開放する接点機構を有し、
   この接点機構は一対の可動接点を直列かつ一体に接続された可動接点ユニットを同時に解離する構造とされており、
   温度検出部は通電部分から離された収納容器の一端に金属製のカバーによって固定されており、
   この温度検出部は温度に応じて熱応動板が変形し所定温度に達すると接点機構の起動部を駆動して接点間を開放させるものであり、
   接点機構は温度検出部によって接点間を開放されたのちは再接続不能にされている直流用感熱遮断器であり、
   可動接点ユニットを有する接点機構はバネによる付勢に抗して接点間を接触した状態となるように起動部上に設けられた係止部によって保持されており、
   通常時には起動部と接触していない温度検出部が、所定温度で動作することにより起動部を駆動して係止部を接点機構から外すことにより前記バネが接点機構を駆動して可動接点ユニットが一対の接点間を同時に開放することを特徴とする直流用感熱遮断器。
2. 熱応動板は金属製のカバーと直接接触していることを特徴とする請求項１に記載の直流用感熱遮断器。
3. 金属製のカバーは開口部があり、この開口部を通して熱応動板が保護対象機器に直接接触できることを特徴とする請求項１または２に記載の直流用感熱遮断器。
4. 保護対象機器の遮断器設置部には遮断器の温度検出部を含む収納容器を収める金属製のガイドキャップが取り付けられており、
   このガイドキャップに収納容器を収めることによりガイドキャップの底面と遮断器の熱応動板が直接接触することを特徴とする請求項３に記載の直流用感熱遮断器。

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