JP7134394B2 - ヒューズエレメント - Google Patents

Description

本発明は、ＥＶやＨＥＶの主回路のような高電圧で変動の激しい大電流の流れる回路に使用されるヒューズのヒューズエレメントに関する。

世界規模で拡大するＥＶやＨＥＶ等の高電圧のリチウムイオン電池と繋がる主回路は短絡等の大きな電流が流れると大きな被害を及ぼすため、ヒューズとして速やかに電流遮断を達成すべく溶断ジュール積分（溶断Ｉ^２ｔ）を小さくするための狭隘部と通常の走行時の加速或いは制動に伴い頻繁に発生する数秒単位に及ぶ時間の長い過電流に対して発生するジュール熱を放熱しヒューズエレメントの可溶部の温度を一定温度以下に保つ幅広部を有するヒューズエレメントが求められている。

前記目的に対し従来のヒューズエレメントは円形や菱形の孔、或いは切り欠きを金属板に燐接して並列及び直列にプレスによる打ち抜き加工で狭隘部と幅広部を構成するヒューズエレメントが一般的であり、更にヒューズエレメントに求められる電気的性能を満たす金属板厚とヒューズに求められる電極の金属板厚の違いによる組立工程の煩雑さを解決すべく金属板の中間部を溶断性能に応じた厚みに予め圧潰し加工した後、孔或いは切り欠きを打ち抜き加工したヒューズエレメントがある。

特開２００４－１１９１０５号 公報 特開２００９－２７２１８４号 公報

上記従来技術によればヒューズエレメントの狭隘部は圧潰し加工することにより溶断性能に応じた厚みを得ることができるものの、長期使用において熱的、機械的ストレスの影響を最も受ける狭隘部への大きな圧潰・加工は、加工硬化による脆化を招き耐震性や電流変化による熱膨張と収縮の繰返しに対する耐久性の低下、更には狭隘部形成のための切断加工は、その切断面の化学的活性を上昇させ狭い部位において腐食を生じやすくし信頼性を低下させる危険性がある。

また、ヒューズエレメント成形のための円形や菱形の孔をプレス加工により打ち抜き、孔に隣接して残ることで形成される狭隘部の幅は孔の変形を引き起こさないために板厚により孔径或いは外形切り欠き幅は板厚の約１．５倍、孔の端から孔の端或いは外形までは板厚の約２倍以上が必要という制約を受け、速やかな電流遮断を達成するための小さな溶断Ｉ^２ｔを得るための断面積を確保することが困難であり、無理に前記比率を確保するため圧潰し加工部の板厚を極端に薄くすると機械的強度を低下させる問題を生じる。

本発明は上述した問題を解決するものであり、その目的とするところは保護する回路に要求される溶断時間－電流特性及び速やかに異常な過電流を遮断できる溶断Ｉ^２ｔを有するヒューズエレメントを提供することである。

上記の課題を解決するための請求項１記載のヒューズエレメントは、狭小部を有する薄板金属を、中間部に複数の打ち抜き孔を有し錫メッキ処理した一対の厚板金属で挟み込み、熱圧着等の接合手段等により接合することで、打ち抜き孔から露出した狭小薄板金属部はヒューズエレメントの狭隘部を成し、厚板金属の打ち抜き孔残存部は放熱板の役割を担う幅広部を成し、その両端部は端子部を成すことを特徴とする。

請求項２記載のヒューズエレメントは請求項１記載のヒューズエレメントにおいて、薄板金属の狭小部が１列或いは複数並列に繋がった形状であることを特徴とする。

請求項３記載のヒューズエレメントは請求項２記載のヒューズエレメントにおいて、厚板金属の孔から露出し狭隘部の平面形状がＳ字形状を成すことを特徴とする。

請求項４記載のヒューズエレメントは請求項１記載のヒューズエレメントにおいて、狭小部を有する薄板金属を線状金属で構成することを特徴とする。

請求項５記載のヒューズエレメントは請求項４記載のヒューズエレメントにおいて、狭小部の線状金属がスパイラル形状を成すことを特徴とする。

本発明のヒューズエレメントは、上記の課題を解決するため、狭小部を有する薄板金属を、中間部に複数の打ち抜き孔を有し錫メッキ処理した一対の厚板金属で挟み込み、熱圧着等の接合手段等により接合することで、打ち抜き孔から露出した狭小薄板金属部はヒューズエレメントの狭隘部を成し、厚板金属の打ち抜き孔残存部は放熱板の役割を担う幅広部を成し、その両端部は端子部を成すことで、その狭隘部の断面積や形状を自由に設定できることで回路に要求される溶断時間－電流特性と速やかな異常な過電流の遮断を達成するための溶断Ｉ^２ｔを得ることが可能となる利点がある。

一方で放熱板の役割を担う幅広部はヒューズの電極と同じ板厚で成形できることで板厚の違う電極を組付ける工程を必要とせず製造工程の簡素化を図ることができ、且つ速やかな溶断を受け持つ狭隘部は線状金属或いは狭小薄板金属から成ることで従来技術のヒューズエレメントのような無理な圧潰・加工による加工硬化を引き起こすことなく耐震性や電流変化による熱膨張と収縮の繰返しに対する耐久性に優れた信頼性の高いヒューズエレメントを得ることができる利点がある。

本発明のヒューズエレメントを適用したヒューズの一例を示す斜視図である。 図１のヒューズエレメントの狭小部を有する薄板金属を厚板金属に挟む前の斜視図である。 図２のヒューズエレメントの狭小部を有する薄板金属を厚板金属に挟み込んだ時の斜視図である。 図２のヒューズエレメントの不要部分を切除しヒューズ容器に組込む前の斜視図である。 図２のヒューズエレメントをヒューズ容器に組込んだ時の斜視図である。 図２のヒューズエレメントだけを表した斜視図である。 図２のヒューズエレメントの平面図である。 図７のヒューズエレメントの側面図である。 図７のＡ－Ａ’の断面図である。 ヒューズエレメントの別の実施例の狭隘部となる線状金属を厚板金属に挟む前の斜視図である。 ヒューズエレメントの別の実施例で狭隘部がＳ字形状を成す時の平面図および拡大図である。 本発明のヒューズエレメントの溶断時間－電流特性を示すグラフである。 従来技術として引用した特許文献１のヒューズエレメントである。 従来技術として引用した特許文献２のヒューズエレメントである。

図２乃至図９は本発明に成るヒューズエレメントの実施例を示し、図２は図１のヒューズエレメントの狭小部を有する薄板金属を厚板金属に挟む前の斜視図で錫メッキ処理した一枚の厚板金属２の中間部に複数の打ち抜き孔３を有し、その孔３から狭小部を除く部分の形状が厚板金属と同一（除く厚み）の薄板金属１を、もう一枚の厚板金属２で挟み込み熱圧着等の接合手段等により接合することで接合し図３の形状となる。

図３においてヒューズの左右の電極７となる厚板金属の連結部分６を残し不要部分を切除することで図４のように中間部に残った厚板金属は放熱板の役割を担う幅広部５となり、厚板金属の打ち抜き孔部３から露出した狭小薄板金属はヒューズエレメントの狭隘部４及び厚板金属の両端はヒューズをネジ止めするための端子７となる。

次に図４の部材を、電極連結部６が、図５に示すヒューズ容器８の電極連結部固定溝１２に入るように組込んだ後、厚板金属の連結部分６を切断し、ヒューズ容器の端面孔１０から消弧剤を容器内に充填後、ヒューズ容器の左右から口金９を圧入することで図１のヒューズとなる。なおヒューズエレメントだけを図示すると図６の形状となる。

上記厚板金属２で挟み込んだ狭小薄板金属１から成るヒューズエレメントの狭隘部４は、その断面積や形状を従来の厚い電極端子と同一の部材で加工するより自由度が大きく回路に要求される溶断時間－電流特性と異常な過電流の遮断を達成するための溶断Ｉ^２ｔを得ることが可能となる。

一方で放熱を受け持つ幅広部５は従来のヒューズのように一枚の板状金属から打ち抜き加工で成形したヒューズエレメントのように板厚の違う電極を組付ける工程を必要とせず、電極として発熱がなく十分な通電能力を有するとともに幅広部５として大きな放熱を確保できる板厚の錫メッキ処理した一対の厚板金属２を約２５０℃で熱圧着等の接合手段等により接合することで容易に一体化でき電極とヒューズエレメントを組付ける工程を必要とせずに製造が可能で工程の簡素化を図ることができる。

次に本発明になるヒューズエレメントを用いた定格電流１５０Ａの高電圧ヒューズの応用例を説明する。
ＥＶ或いはＨＥＶに使用される高電圧ヒューズの電流耐久条件は、その電流のモデル波形として、ＪＡＳＯ Ｄ ６２２－３：２０１６「自動車部品―高電圧ヒューズ第３部：ねじ締め形高電圧ヒューズ」においてトランジェント電流断続耐久試験（定格電流の２００％で通電を開始、０．２５秒で定格電流の１２５％から１３５％の電流に減衰し１秒から１０秒間定格電流の５０％通電後、５０秒間休止するサイクル）が規定されており、同高電圧ヒューズの第１部：定義及び一般試験要求事項ＪＡＳＯ Ｄ ６２２－１規格では、このサイクルを最小５０，０００回繰返し通電することを要求している。
このモデル波形は、実効値ではなく、経過時間の関数として、瞬時電流値（定格電流の％）で表示されている。このモデル波形を経過時間の関数として、経過時間Ｔまでの瞬時電流の自乗の平均の平方根を計算すると、おおむね図１２の破線の値となる。

ヒューズエレメントを銅材で構成する場合、前記要求事項を満足するためには実際の耐久試験結果からモデル波形に対し安全率２倍以上の溶断時間－電流特性（図１２の一点鎖線）を有する必要があり且つ事故電流に対してはできるだけ速やかに電流遮断を達成するため図１２の実線で示した溶断時間－電流特性が設計目標となる。

設計目標の図１２実線の溶断時間－電流特性において１０ｍｓで１，２００Ａ（溶断Ｉ^２ｔ＝１４，４００Ａ^２ｓ）を得るためには、狭隘部を３本の狭小薄板金属の並列構造で構成する場合、その１本当たり板厚０．２ｍｍ、板幅０．５４ｍｍを用い錫メッキ処理した０．７４ｍｍ厚みの一対の厚板金属に挟む（ＪＡＳＯ Ｄ ６２２－３規格では定格電流１５０Ａのヒューズの電極の端子厚みは１．５ｍｍと規定されていることから）ことで従来技術のように狭隘部成形のために無理な変形或いは加工をせず設計目標の溶断Ｉ^２ｔを確保することが可能となる。

従来技術により電極と同じ厚みを有する板材でヒューズエレメントを構成し圧潰・加工で起きる前述の加工硬化の問題に目を瞑り、前記の溶断Ｉ^２ｔ＝１４，４００Ａ^２ｓをプレス加工の制約（孔の端から孔の端或いは外形までは板厚の約２倍以上）を守り前記実施例と同じ板幅０．５４ｍｍで得ようとした場合、電極の端子厚み１．５ｍｍを約１／７の０．２ｍｍまで圧潰し（図１４の場合、Ｌ２）、その圧潰した部分を打ち抜き狭隘部を成形する必要があり自動車で生じる激しい振動に対しその耐久性に問題を生じる危険がある。

本発明のヒューズエレメントによれば、並列本数や狭小薄板金属１の厚みを変えるだけで所要の定格電流や溶断時間－電流特性に変更が可能で、従来技術のようにプレス加工でヒューズエレメントを成形する場合のように溶断時間－電流特性に合わせた円形や菱形の孔を空ける多数の打ち抜き金型の投資の必要がなく、安価に所要の特性をもつヒューズエレメントを得ることができる。

また本発明のヒューズエレメントによれば消弧剤を充填した高電圧ヒューズにおいて溶断が難しくなる定格電流の２倍程度の小さな事故電流では一対の厚板金属２を接合している狭隘部近傍の錫メッキが狭隘部４の発熱で狭隘部４に流れ込み、その拡散作用により確実な溶断を達成することができる。

さらに狭小薄板金属１は厚板金属と組成が異なっても良く、また耐蝕性に優れたメッキを処理することで優れた耐環境性と狭隘部に比べ放熱及び熱容量の大きな幅広部５による大きな放熱作用で狭隘部４の温度が狭小薄板金属１の再結晶温度以下になるよう放熱し且つ溶断時間が１０秒を超えるような長い領域において溶断電流を引き上げる（溶断時間－電流特性がほぼ水平となる）ことができ、連続通電に対する長期的信頼性を確保することができる。

図１０は本発明の別の実施形態で狭小部を有する薄板金属１を線状金属１１に置き換えたヒューズエレメントの構成を示したもので、本実施例においては厚板金属２に線状金属１１が収まる凹溝を成形し厚板金属２の対向面の密着を図ることもある。

さらに本発明の別の実施形態として、図１１に示すように打ち抜き孔３、露出する狭小薄板金属１または線状金属１１を用いてＳ字形状に成形或いは線状金属１１の露出部分をスパイラル形状にすることで、通常動作状態で断続的に発生する時間が短く、幅広部５での放熱作用が発揮できない大きな過電流でのヒューズエレメントの熱膨張による応力を緩和させることができ優れた耐久性能を得ることができる。

なお狭小薄板金属１或いは線状金属１１の並列本数は図に示した３本に限定されるものではなく、また厚板金属２に空けられた打ち抜き孔３の数も定格電圧により変化し３箇所に限定されるものではない。

１ 狭小部を有する薄板金属
２ 厚板金属
３ 厚板金属に空けられた打ち抜き孔
４ 薄板金属狭小部から成る狭隘部
５ 厚板金属から成る幅広部
６ 切り離し前の電極連結部
７ ヒューズ電極
８ ヒューズ容器
９ 口金
１０ 消弧剤充填孔
１１ 線状金属
１２ 電極連結部固定溝

Claims (5)

1. 狭小部を有する薄板金属を、中間部に複数の打ち抜き孔を有し錫メッキ処理した一対の厚板金属で挟み込み、熱圧着等の接合手段等により接合することで、打ち抜き孔から露出した狭小薄板金属部はヒューズエレメントの狭隘部を成し、厚板金属の打ち抜き孔残存部は放熱板の役割を担う幅広部を成し、その両端部は端子部を成すことを特徴とする端子部一体形ヒューズエレメント。
2. 薄板金属の狭小部は１列或いは複数並列に繋がった形状であることを特徴とする請求項１に記載のヒューズエレメント。
3. 厚板金属の孔から露出し狭隘部の平面形状がＳ字形状を成すことを特徴とする請求項２に記載のヒューズエレメント。
4. 狭小部を有する薄板金属を線状金属に置き換えた請求項１に記載のヒューズエレメント。
5. 狭小部の線状金属がスパイラル形状を成すことを特徴とする請求項４に記載のヒューズエレメント。

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