JP6620725B2 - 電気接続箱 - Google Patents

Description

本発明は電気接続箱に関する。

例えば車両においては、スイッチング素子及び制御素子が実装された回路基板と回路基板を収容する収容体とを備える電気接続箱が、電源と負荷とを接続する電気回路の中途に設けられていることがある（特許文献１参照）。
スイッチング素子は、電源と負荷との接続を継断する。制御素子は、スイッチング素子のオンオフを制御する。スイッチング素子がオンの場合、電源からスイッチング素子を通して負荷へ電流が流れる。スイッチング素子がオフの場合、スイッチング素子に電流が流れないので、電源と負荷との接続が切断される。

通電されたスイッチング素子は発熱する。特に、過電流がスイッチング素子に流れた場合、スイッチング素子は過熱する。過熱したスイッチング素子は発火する虞がある。

しかしながら、電源又は負荷とスイッチング素子とを接続する導線の中途には、ヒュージブルリンクが設けられる。過電流が導線に流れた場合、ヒュージブルリンクは溶断する。故に、過電流がスイッチング素子に流れることが防止されるので、スイッチング素子は過熱から保護される。
また、制御素子は、例えば過電流より小さい上限値を上回る電流がスイッチング素子に流れた場合、又は、スイッチング素子の温度が過熱時の温度より低い上限温度を上回った場合に、スイッチング素子をオフにする。故に、スイッチング素子は過熱から保護される。

特開２０１６−１５８３７３号公報

発明者らは、例えばヒュージブルリンクが溶断に至らず、しかも制御素子の不具合によってスイッチング素子の過熱保護が行なわれなくなるような、万が一の非常事態を想定した。このような非常事態においては、スイッチング素子が発火に至るほど過熱するので、このような非常事態に対応する策を講じることが技術的な課題である。

そこで、スイッチング素子の発火を未然に防ぐことができる電気接続箱を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る電気接続箱は、スイッチング素子が一面に実装された回路基板と、該回路基板を収容する収容体とを備える電気接続箱であって、前記収容体には、熱膨張する膨張材が更に収容されており、前記スイッチング素子の温度が低い場合、前記膨張材は、前記回路基板及び前記スイッチング素子から離隔して前記一面に対向配置され、前記スイッチング素子の温度が高い場合、熱膨張した前記膨張材に前記スイッチング素子が埋め込まれる。

上記によれば、スイッチング素子の発火を未然に防ぐことができる電気接続箱を提供することが可能となる。

本発明の一態様に係る電気接続箱の斜視図である。 電気接続箱が備える枠体から蓋体を取り外した状態を示す斜視図である。 電気接続箱の断面図である。 電気接続箱が備える蓋体及び膨張材等の斜視図である。 蓋体及び膨張材等の分解斜視図である。 膨張材が熱膨張した場合の説明図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（１）本発明の一態様に係る電気接続箱は、スイッチング素子が一面に実装された回路基板と、該回路基板を収容する収容体とを備える電気接続箱であって、前記収容体には、熱膨張する膨張材が更に収容されており、前記スイッチング素子の温度が低い場合、前記膨張材は、前記回路基板及び前記スイッチング素子から離隔して前記一面に対向配置され、前記スイッチング素子の温度が高い場合、熱膨張した前記膨張材に前記スイッチング素子が埋め込まれる。

本態様にあっては、スイッチング素子が過熱している場合（以下、過熱時という）、スイッチング素子の温度が高いので、膨張材が熱膨張する。スイッチング素子は、熱膨張した膨張材に埋め込まれる。
故に、スイッチング素子の周辺に酸素が流入しなくなる。従って、スイッチング素子の発火を未然に防ぐことができる。
また、過熱時にスイッチング素子から発生したガス又は微粒子等が収容体の外部に漏出することを防止することができる。

過熱時ではない場合（以下、非過熱時という）、スイッチング素子の温度が低いので、膨張材は回路基板及びスイッチング素子から離隔配置されている。故に、非過熱時に膨張材が回路基板又はスイッチング素子に接触することがない。従って、膨張材が導電性を有している場合であっても、膨張材と回路基板又はスイッチング素子との接触による電気回路の短絡を防止することができる。

（２）前記収容体に、前記スイッチング素子が発した熱を前記膨張材に伝える熱伝導体が更に収容されている構成が好ましい。

本態様にあっては、スイッチング素子が発した熱が、熱伝導体を通って速やかに膨張材に伝わる。故に、過熱時に膨張材を速やかに熱膨張させることができる。

（３）前記熱伝導体は、前記膨張材の前記一面に対向する表面及び前記膨張材の内部に接触している構成が好ましい。

本態様にあっては、スイッチング素子が発した熱が、熱伝導体を通って速やかに膨張材の表面及び内部に伝わる。故に、過熱時に膨張材を更に速やかに熱膨張させることができる。

（４）前記熱伝導体は、前記膨張材を前記収容体に固定する固定部材を兼ねている構成が好ましい。

本態様にあっては、固定部材と熱伝導体とが一体なので、部品点数を削減することができる。

（５）前記収容体の内部に、前記スイッチング素子及び前記膨張材が収容されている空間と前記スイッチング素子及び前記膨張材が収容されていない空間とを区画する隔壁が設けられている構成が好ましい。

本態様にあっては、スイッチング素子及び膨張材が、隔壁によって区画された空間の内部にあるので、熱膨張した膨張材にスイッチング素子を確実に埋め込むことができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る電気接続箱の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の一態様に係る電気接続箱の斜視図である。
図中１は電気接続箱である。電気接続箱１は車載される。電気接続箱１は、電源（例えばメインバッテリ。不図示）と第１の負荷（例えばヘッドランプ又はワイパ。不図示）とを接続する電気回路の中途に設けられる。電源には、第２の負荷（例えばスタータ。不図示）が直接的に接続されている。電気接続箱１は、電源から第２の負荷に大きな電流が流れる場合に電源と第１の負荷との接続を遮断することによって、第１の負荷を大きな電流の悪影響から保護する。

電気接続箱１は、収容体２を備える。収容体２は、枠体２１及び蓋体２２を有する。
図２は、電気接続箱１が備える枠体２１から蓋体２２を取り外した状態を示す斜視図である。図３は、電気接続箱１の断面図である。

枠体２１は矩形短筒状をなす。枠体２１の軸長方向は、図中上下方向である。
蓋体２２は矩形皿状をなす。蓋体２２の底壁の内面には隔壁２３が垂直に突設されている。隔壁２３は矩形筒状をなす（後述する図４及び図５参照）。蓋体２２の内面における隔壁２３に囲まれている部分には、６つのボス２４が垂直に突設されている。６つのボス２４は３行２列に配されている（後述する図４及び図５参照）。
蓋体２２が枠体２１の一方の開口（図中上側の開口）を閉塞することによって、収容体２が形成される。蓋体２２の隔壁２３及び６つのボス２４は、収容体２の内部に配される。
以下の説明では、図中の上下方向を電気接続箱１の上下方向とする。

枠体２１の上端面には、２つのスタッドボルト１１が上向きに突設されている。２つのスタッドボルト１１は、枠体２１の上側の開口を挟んで向かい合う位置に配されている。蓋体２２は、６つのボス２４の行方向が、２つのスタッドボルト１１が向かい合う方向に沿うように、枠体２１の開口を閉塞する。
各スタッドボルト１１には、バスバー１２が取り付けられる。
バスバー１２は導電性を有する。バスバー１２は、例えばＺ型に折り曲げられた１枚の金属板である。バスバー１２は、３つの矩形平板１２１〜１２３を有する。矩形平板１２１，１２２は、矩形平板１２３の互いに対向する２辺部に垂直に突設されている。矩形平板１２１，１２２夫々の突出方向は、互いに逆向きである。

矩形平板１２１には貫通孔が設けられている。矩形平板１２１の貫通孔にはスタッドボルト１１が挿通される。
矩形平板１２１は枠体２１の上端面に載置される。矩形平板１２３は、枠体２１の内周面に沿う。矩形平板１２２は、枠体２１の下側の開口を部分的に閉塞するようにして、枠体２１の下端面に面一に配される。

一方のスタッドボルト１１に取り付けられたバスバー１２には、一の導線（不図示）を介して電源が接続される。他方のスタッドボルト１１に取り付けられたバスバー１２には、他の導線（不図示）を介して第１の負荷が接続される。バスバー１２と導線とは、バスバー１２と導線に設けられている接続端子（不図示）とを接触させ、スタッドボルト１１及びナット（不図示）を用いて枠体２１に共締めすることによって、接続される。

各バスバー１２の矩形平板１２２の下面には、ヒートシンク１３が取り付けられる。
ヒートシンク１３は熱伝導性が高く、例えば金属製である。ヒートシンク１３は矩形平板状をなす。バスバー１２の矩形平板１２２の下面とヒートシンク１３の上面とは、例えば熱硬化性を有する合成樹脂製の接着剤（不図示）によって接着される。この接着剤が硬化することによって、バスバー１２とヒートシンク１３との間に接着層（不図示）が形成される。この接着層は、電気絶縁性を有し、バスバー１２からヒートシンク１３への熱伝導を妨げない。
２つのバスバー１２に取り付けられたヒートシンク１３は、枠体２１の下端面を覆い、枠体２１の下側の開口を閉塞する。この結果、枠体２１及びヒートシンク１３は、枠体２１を周壁とし、ヒートシンク１３を底壁とする箱体を形成する。
なお、ヒートシンク１３の下面に放熱フィンが設けられてもよい。

電気接続箱１は、回路基板３１を更に備える。
回路基板３１は、一面を下向きにして、各バスバー１２の矩形平板１２２の上面に取り付けられる。
回路基板３１の上面には、６つのスイッチング素子３２と制御素子３３とが実装されている。
６つのスイッチング素子３２夫々は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor ）である。６つのスイッチング素子３２は２つ１組である。１組のスイッチング素子３２は、例えばソース端子同士が接続される。この場合、１組のスイッチング素子３２夫々のドレイン端子は、互いに異なるバスバー１２に接続される。各スイッチング素子３２のゲート端子は、制御素子３３に接続される。
１組のスイッチング素子３２は、２つのスタッドボルト１１が向かい合う方向（即ち蓋体２２の６つのボス２４の行方向）に配され、３組のスイッチング素子３２は、蓋体２２の６つのボス２４の列方向に配される。蓋体２２を閉めた場合、６つのスイッチング素子３２と６つのボス２４とは上下方向に向かい合う。

全てのスイッチング素子３２がオンである場合、２つのバスバー１２が互いに接続される。このとき、電源から３組のスイッチング素子３２を通して第１の負荷へ電流が流れる。
１組のスイッチング素子３２に流れる電流は、バスバー１２に流れる電流の１／３である。即ち、３組のスイッチング素子３２を用いることによって、各スイッチング素子３２に流れる電流を小さくすることができる。

全てのスイッチング素子３２がオフである場合、各スイッチング素子３２に電流が流れないので、２つのバスバー１２の接続が切断される。このとき、電源と第１の負荷との接続が切断される。電源と第１の負荷との接続が切断されている場合、第１の負荷は、第１の負荷に直接的に接続されている補助電源（例えばサブバッテリ。不図示）から給電される。

ところで、１組のスイッチング素子３２において、一方のスイッチング素子３２が有する寄生ダイオードの順方向と、他方のスイッチング素子３２が有する寄生ダイオードの順方向とは互いに逆である。故に、全てのスイッチング素子３２がオフである場合に、６つのスイッチング素子３２夫々が有する寄生ダイオードを通して２つのバスバー１２が接続されることはない。

なお、スイッチング素子３２はＦＥＴに限定されない。スイッチング素子３２は２個１組に限定されない。２つのバスバー１２間には、少なくとも１個のスイッチング素子３２が介在していればよい。

制御素子３３は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit ）である。制御素子３３にはコネクタ３４が接続されている。コネクタ３４は回路基板３１の周縁部に設けてある。制御素子３３には、コネクタ３４に接続された信号線（不図示）を介して、電気接続箱１の外部から制御信号が入力される。
制御素子３３は、入力された制御信号に応じて、各スイッチング素子３２のオン／オフを切り替える。例えばスタータが作動を開始することを示す制御信号が入力された場合、制御素子３３は、全てのスイッチング素子３２をオフに切り替える。スタータによるエンジンの始動後、制御素子３３は、全てのスイッチング素子３２をオンに切り替える。

電気接続箱１は、図示しない温度センサを更に備える。温度センサは、６つのスイッチング素子３２の温度を検出する。温度センサによる温度の検出結果は、制御素子３３に与えられる。

制御素子３３は、６つのスイッチング素子３２の温度（即ち温度センサが検出した温度）が所定の上限温度を上回った場合に、全てのスイッチング素子３２をオフに切り替える。所定の上限温度とは、過熱時の６つのスイッチング素子３２の温度より低い温度である。
即ち、制御素子３３は、６つのスイッチング素子３２を過熱から保護する。
６つのスイッチング素子３２の温度に基づいて６つのスイッチング素子３２をオフに切り替えた場合、制御素子３３は、少なくとも６つのスイッチング素子３２の温度が所定の安全温度を下回るまでは、６つのスイッチング素子３２をオフのままにしておく。所定の安全温度とは、所定の上限温度よりも十分に低い温度である。

なお、電気接続箱１には電流センサが備えられてもよい。電流センサは、スイッチング素子３２に流れる電流を検出する。制御素子３３は、例えば過電流より小さい上限値を上回る電流がスイッチング素子３２に流れた場合に、スイッチング素子３２をオフに切り替える。
即ち、制御素子３３は、６つのスイッチング素子３２を過電流から保護することによって、６つのスイッチング素子３２を過熱から保護する。

電気接続箱１は、膨張材４１及び６つの固定部材４２を更に備える。
図４は、電気接続箱１が備える蓋体２２及び膨張材４１等の斜視図である。図５は、蓋体２２及び膨張材４１等の分解斜視図である。

膨張材４１は、例えば黒鉛及び合成ゴムを含み、熱膨張性、難燃性、及び導電性を有している。膨張材４１を構成する材料として、例えば特開平９−１７６４９８号公報に記載の防火用膨張性樹脂組成物が用いられる。
膨張材４１は、所定温度以上の温度に曝されると急激に熱膨張する。本実施の形態においては、膨張材４１が急激な熱膨張を開始する所定温度は、過熱時の６つのスイッチング素子３２の温度（例えば250 ℃〜300 ℃）である。
なお、膨張材４１は導電性を有していなくてもよい。

膨張材４１は矩形シート状又は矩形板状をなす。膨張材４１は、膨張材４１の上面が蓋体２２の内面に接するように、隔壁２３に囲まれている部分に嵌め込まれる。このとき、膨張材４１の上面から膨張材４１に６つのボス２４が埋め込まれる。

固定部材４２は熱伝導体である。固定部材４２は、不燃性、及び高い熱伝導性を有する。固定部材４２は例えば金属製である。固定部材４２は、固定部４２１及び熱伝導部４２２を有する。
固定部４２１は、頭部及び頭部から突出した脚部を有する鋲である。熱伝導部４２２は、頭部及び頭部から突出した脚部を有する鋲状をなす。固定部４２１及び熱伝導部４２２夫々の頭部は円盤状をなす。固定部４２１及び熱伝導部４２２夫々の脚部は、互いに同軸に配された円柱状をなす。固定部４２１の頭部と熱伝導部４２２の頭部との間に熱伝導部４２２の脚部が介在している。

各固定部４２１の脚部は、膨張材４１の下面から膨張材４１に埋め込まれる。膨張材４１に埋め込まれた固定部４２１の脚部の先端部は、ボス２４に嵌め込まれる。この結果、固定部４２１の頭部と蓋体２２との間に膨張材４１が挟持される。故に、膨張材４１が蓋体２２に固定される。
固定部４２１の頭部は、膨張材４１の下面（膨張材４１の表面）に接触する。各固定部４２１の脚部のボス２４に嵌め込まれていない部分は、膨張材４１の内部に接触する。
なお、固定部４２１に雄ネジが設けられ、ボス２４に雌ネジが設けられていてもよい。

図１及び図３に示すように、蓋体２２が閉じられた場合、各バスバー１２の矩形平板１２２，１２３、回路基板３１、６つのスイッチング素子３２、制御素子３３、コネクタ３４、膨張材４１、及び各固定部材４２は、収容体２に収容される。ただし、蓋体２２の周壁には切り欠き状の凹部が設けられており、この凹部と枠体２１とを用いて形成される開口から、コネクタ３４の一部（具体的には、コネクタ３４に前述の信号線を接続する部分）が収容体２の外部に露出する。２つのスタッドボルト１１、各バスバー１２の矩形平板１２１、及びヒートシンク１３は収容体２の外部に露出する。

回路基板３１の上面と膨張材４１とは対向配置される。ただし、回路基板３１及び６つのスイッチング素子３２と膨張材４１とは離隔配置される。故に、膨張材４１が回路基板３１又はスイッチング素子３２に接触することがない。従って、膨張材４１と回路基板３１又はスイッチング素子３２との接触による電気回路の短絡を防止することができる。

隔壁２３の先端面は、回路基板３１の上面に接触する。
６つのスイッチング素子３２及び膨張材４１は、回路基板３１と蓋体２２と隔壁２３とに囲まれた空間に収容される。換言すれば、隔壁２３は、６つのスイッチング素子３２及び膨張材４１が収容されている空間と６つのスイッチング素子３２及び膨張材４１が収容されていない空間とを区画する。
各固定部材４２の熱伝導部４２２の頭部は、スイッチング素子３２の非導電性を有する部分に接触する。

以上のような電気接続箱１において、通電されたスイッチング素子３２は発熱する。スイッチング素子３２が発した熱は、回路基板３１、バスバー１２、及びヒートシンク１３に伝達され、ヒートシンク１３から電気接続箱１の外部へ放出される。
非過熱時は、スイッチング素子３２の温度は低い。

ここで、過熱時について説明する。
スイッチング素子３２の過熱は、制御素子３３に不具合が生じて制御素子３３によるスイッチング素子３２の過熱保護が行なわれなくなるような、万が一の非常事態に起こり得る。
過熱時は、スイッチング素子３２の温度は高い。
ところで、スイッチング素子３２が発する熱は、例えば、回路基板３１と膨張材４１との間の空気が対流することによって、膨張材４１の表面に伝わる。更に、スイッチング素子３２が発する熱は、固定部材４２を通って膨張材４１の表面及び内部に速やかに伝わる。以上の結果、過熱時において、膨張材４１は速やかに熱膨張する。

図６は、電気接続箱１が備える膨張材４１が熱膨張した場合の説明図である。
蓋体２２は、膨張材４１が回路基板３１及びスイッチング素子３２から離隔する方向に熱膨張することを防止する。隔壁２３は、熱膨張中の膨張材４１を、回路基板３１及びスイッチング素子３２に接近する方向に案内する。故に、熱膨張した膨張材４１は、膨張材４１と回路基板３１がスイッチング素子３２の周辺の空間を閉塞するようにして、スイッチング素子３２を上側から覆う。このようして、スイッチング素子３２は、熱膨張した膨張材４１に確実に埋め込まれる。

故に、スイッチング素子３２の周辺に酸素が流入しなくなる。従って、スイッチング素子３２の発火を未然に防ぐことができる。
また、過熱時にスイッチング素子３２から発生した有害なガス又は微粒子等が収容体２の外部に漏出することを防止することができる。

熱膨張した膨張材４１が回路基板３１又はスイッチング素子３２に接触することによって電気回路が短絡した場合、前述の導線に過電流が流れる。このとき、導線の中途に設けられているヒュージブルリンク（不図示）が溶断するので、電源及び負荷は過電流から保護される。

固定部材４２には、部品点数を削減することができるという利点があるが、膨張材４１を収容体２に固定する部材とは別に、スイッチング素子３２が発した熱を膨張材４１に伝える熱伝導体が備えられていてもよい。
なお、電気接続箱１は車載されるものに限定されない。電気接続箱１は、電源の電力を複数の負荷に選択的に分配する構成でもよい。

１ 電気接続箱
２ 収容体
２３ 隔壁
３１ 回路基板
３２ スイッチング素子
４１ 膨張材
４２ 固定部材（熱伝導体）

Claims (5)

1. スイッチング素子が一面に実装された回路基板と、
   該回路基板を収容する収容体と
   を備える電気接続箱であって、
   前記収容体には、熱膨張する膨張材が更に収容されており、
   前記スイッチング素子の温度が低い場合、前記膨張材は、前記回路基板及び前記スイッチング素子から離隔して前記一面に対向配置され、
   前記スイッチング素子の温度が高い場合、熱膨張した前記膨張材に前記スイッチング素子が埋め込まれる
   電気接続箱。
2. 前記収容体に、前記スイッチング素子が発した熱を前記膨張材に伝える熱伝導体が更に収容されている
   請求項１に記載の電気接続箱。
3. 前記熱伝導体は、前記膨張材の前記一面に対向する表面及び前記膨張材の内部に接触している
   請求項２に記載の電気接続箱。
4. 前記熱伝導体は、前記膨張材を前記収容体に固定する固定部材を兼ねている
   請求項２又は３に記載の電気接続箱。
5. 前記収容体の内部に、前記スイッチング素子及び前記膨張材が収容されている空間と前記スイッチング素子及び前記膨張材が収容されていない空間とを区画する隔壁が設けられている
   請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載の電気接続箱。

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