JPH0161212B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、形状記憶合金の特性を用いた温度の
連続的な制御と、予め設定した温度及び電流値を
超えたとき電気回路を遮断する過温度電流保護の
機能を併有する温度電流保護兼温度制御スイツチ
に関する。

Ni−Ti合金・Cu−Al−Ni合金・Cu−Zn−Al
合金の如きある合金組成範囲の形状記憶合金は、
温度の高い母相変態の状態で一定の形態を成形し
ておき、その後温度を下げてマルテンサイト変態
の状態にしてその形状を変形し、再び温度を上げ
て母相の状態に戻すと、予め母相で成形した形状
に戻る性質を有する。また形状記憶合金は、母相
変態の状態にあるときとマルテンサイト変態の状
態にあるときとでは、同じひずみ量に対する抗張
力の値が前者の方が後者より約３倍大きい性質を
併有する。従つて、この特性を有する形状記憶合
金と機械的なばねとを組合せることにより、ある
温度範囲で任意の温度に制御することができる温
度制御スイツチを構成することができる。また予
め変形しておいた形状記憶合金は、温度を下げて
マルテンサイト変態の温度になつても、外部から
力を加えない限り、母相変態時において変形した
形態を保持する性質もある。

一方、形状記憶合金を用いた温度制御スイツチ
は、感温素子に形状記憶合金を１個用いることに
より、構造簡単かつ廉価に提供し得る。しかし形
状記憶合金は、母相・マルテンサイト変態の合金
組成と温度との間にはヒステリシス特性を持つて
いるため、結局、温度制御スイツチも温度によつ
てスイツチ作動の際ヒステリシスを持ち、そのた
め狭い温度範囲で使用する温度制御スイツチには
不適といえる。

本発明はかかる点に鑑み、マルテンサイト変態
から母相変態への変態温度の異なる２つ以上の形
状記憶合金を組合せることにより、温度範囲の狭
い制御及び広い制御を可能とし、かつ通常は温度
制御スイツチとして作動せしめると共に異常な温
度上昇を生じたり回路に異常な過電流が流れたと
き電気接点を開放せしめて回路を遮断して保護
し、定常状態に復帰させるときは外力によらない
と復帰することができないようにしたこの種スイ
ツチを提案することを主たる目的とする。

以下本発明の一実施例について図面を参照しな
がら詳細に説明する。

第１図は本発明の一例を示す平面図、第２図は
その側面図、第３図は第１図中−線断面図、
第４図は第１図中−線断面図、第５図及び第
６図は夫々スイツチの作動状態を示す断面図であ
る。１は制御感温素子を示し、形状記憶合金によ
り形成される。形状記憶合金は、温度が上昇して
母相の組織に戻ると、母相変態時に予め成形した
形状に戻る性質を有しているため、母相変態の状
態のときに、第５図に示す如く、上方に反つた形
状に成形しておく。従つて、形状記憶合金がマル
テンサイト変態から母相変態に組織が変化する
と、制御感温素子１は、第５図に示す如く、元の
成形形状に戻ることになる。２は制御感温素子１
のマルテンサイト変態温度より高い制御感温素子
を示し、ほぼ同じ形状に成形される。感温素子
１，２により複合制御感温素子を構成している
が、感温素子を３個以上含む構造とすることがで
きる。３は保護感温素子を示し、これは制御感温
素子１，２のマルテンサイト変態温度より高い変
態温度を有するものが選択される。そして保護感
温素子３は制御感温素子１，２と同様に、第６図
に示す如く、母相変態時において上方に反つた形
状に成形しておく。但し、第７図に示す如く、保
護感温素子３の作用端には直角に形成したフツク
部３ａが一体に形成され、制御感温素子１，２の
作用端が係合し得るように構成される。４は、通
常の板ばねより成るばねを示し、設定する制御温
度の範囲内でばね力の変化しない材料が用いられ
る。そして制御感温素子１のマルテンサイト変態
温度をT₁、マルテンサイト変態時の偏倚力を
M₁、母相変態時の偏倚力をA₁とし、制御感温素
子２のマルテンサイト変態温度をT₂、マルテン
サイト変態時の偏倚力をM₂、母相変態時の偏倚
力A₂とし、保護感温素子３のマルテンサイト変
態温度をT₃、マルテンサイト変態時の偏倚力を
M₃、母相変態時の偏倚力をA₃とすると、T₁＜T₂
＜T₃の関係となる各感温素子を設定する。一方、
ばね４のばね力をＳとすると、温度を連続的に制
御し得る温度範囲はT₁〜T₂間となる。温度が低
く全ての感温素子１，２，３がマルテンサイト変
態の状態にあるときは、M₁＋M₂＜Ｓの関係とな
り、第３図に示す如く、各感温素子１，２，３が
直線状に伸長して被検温体２０に接触しているこ
とになる。被検温体２０の温度が上昇し、制御感
温素子１，２の温度がマルテンサイト変態温度を
超えて母相変態に至ると、各制御感温素子１，２
は記憶している形状に戻り、このとき抗張力もマ
ルテンサイト変態時の約３倍となつているため、
A₁＋A₂＞Ｓとなり、ばね４の力に抗して、第５
図に示す如く、上方に反ることになる。

５は、ばね４のばね力を微調整するための調整
ねじを示し、ねじ５の回動により一定の温度範囲
の調整が可能である。

８は発熱体を示し、これは保護感温素子３の上
面に電気絶縁層９を介して設けられたものであ
る。発熱体８はセラミツク発熱体・抵抗発熱体の
いずれも適用し得る。発熱体８は、入出力端子６
ａ，６ｂ間を電気的に接続するために導体１３と
接続され、端子６ｂ→導体１３→発熱体８→導体
１３→接点７ｂ→接点７ａ→導線１１→端子６ａ
を経由して外部の回路端子と接続される。そのた
め、回路中に過大電流が流れると発熱体８が発熱
して昇温するため、保護感温素子３が加熱されて
温度がマルテンサイト変態から母相変態へ上昇す
ると、保護感温素子３は、第６図に示す如く、上
方に反上がることになる。この場合、保護感温素
子３のフツク部３ａにより感温素子１，２共に反
上げられることになる。保護感温素子３は、一旦
母相変態温度に達して変形すると、その後温度が
下がりマルテンサイト変態温度になつても元の形
状に戻ることなく、第６図に示す如き上方に反つ
た形状を保持している。従つて、第３図に示す如
き形状に戻すには、人手等の外部力により、保護
感温素子３に設けた押子１０を被検温体２０側に
押圧して行なわれなければならない。また被検温
体２０が予め設定した保護作動温度即ち保護感温
素子３の母相変態温度を超えている場合は、保護
感温素子３の一部が被検温体２０に接触している
ため、外力で押子１０を押圧しても、保護感温素
子３の偏倚力が大きくかつばね性があり、被検温
体２０に密着した形状（第３図又は第５図参照）
に戻ることがない。

第８図において、１５は感温磁性材、１６は永
久磁石を示す。感温磁性材１５は制御感温素子
１，２と一体に動く接点取付用板１７に、永久磁
石１６は基台１８に固定され、夫々相対向するよ
うに配置される。そして感温磁性材１５の磁気変
態点を任意に設定することにより、制御感温素子
１，２とばね４との作用に加えて温度ヒステリシ
スを任意に設定することができる。

第９図に複合制御感温素子１，２の温度と応力
との関係を示す特性曲線図である。この関係は第
１図例に示した感温素子１，２の配列に相当す
る。そして感温素子２のマルテンサイト変態温度
は感温素子１のそれより高く設定されていること
上述した通りであるが、更に温度ヒステリシスを
小に設定するため、感温素子１の母相変態終了温
度Ｂ点と感温素子２のマルテンサイト変態終了温
度Ａ点とをほぼ同じになる感温素子を選択する。
そしてばね４によるばね力は、制御感温素子１，
２の合成した偏倚力の中点f₁となるように調整ね
じ５により調整する。更に感温磁性材１５の磁気
変態点は、感温素子１の母相変態終了温度Ｂ点よ
り僅かに高い温度のものとしておく。

今、制御感温素子１，２の温度が高く、共に母
相変態の状態にある温度t₁のときは、第９図に示
す如く、制御感温素子１，２の合成偏倚力は、抗
張力がマルテンサイト変態時の約３倍と大きいた
め、ばね４の力に抗して制御感温素子１，２が第
５図に示す如く、上方に反つて各接点７ａ，７ｂ
を開放している。

次に温度が下がつてくると、制御感温素子１，
２は、第９図に示す曲線に沿つて変化し、それに
伴つて応力も低下する。但し、感温素子２のマル
テンサイト変態終了温度Ｃ点では、感温磁性材１
５の磁気変態点より高くなつており、感温磁性材
１５と永久磁石１６との吸引はない。

感温素子２のマルテンサイト変態終了温度Ａ点
近くになると、感温素子２の抗張力が減少して各
接点７ａ，７ｂが接触し始めるが、このとき感温
磁性材１５の磁気変態点より僅かに低い温度に至
ると、感温磁性材１５と永久磁石１６とは急速に
吸引し合うので、接点７ａ，７ｂの閉塞状態とな
る。感温素子１，２とばね４のばね力とが平衡し
ていても感温磁性材１５と永久磁石１６との吸引
力が存在するため、接点の急速な閉塞が生ずるこ
とになる。

逆に温度が上がると、感温素子１の曲線に沿つ
て変化し、感温素子１の母相変態終了温度Ｂ点に
近づくと、制御感温素子１，２の合成偏倚力とば
ね４の力とは平衡することになるが、感温磁性材
１５の磁気変態点がＢ点より僅かに高く設定して
いるため、感温磁性材１５と永久磁石１６との吸
引力により、接点７ａ，７ｂは閉じたままであ
る。感温磁性材１５の磁気変態点を超えて温度が
高くなると、感温磁性材１５の吸引力が消失する
ため、既に感温素子１，２の合成偏倚力がばね４
の力より大きいため、接点７ａ，７ｂは急速に開
放することになる。従つて、接点７ａ，７ｂ間に
大きい電流容量を印加してもチヤツタリング現象
による接点の消耗を防ぐことができる。このよう
にして制御温度幅（温度ヒステリシス）の極めて
小さい温度制御スイツチを構成することができ
る。

第１０図は制御感温素子の温度・応力特性曲線
の他の例を示す図である。本例においては、マル
テンサイト変態温度の低い感温素子１のマルテン
サイト変態終了温度Ｄ点における抗張力とばね４
の力を平衡させると共に、マルテンサイト変態温
度の高い感温素子２の母相変態終了温度Ｅ点と感
温磁性材１５の磁気変態点とを一致せしめる構成
としている。

このような構成によると、第１０図において制
御感温素子１，２が共に母相変態の状態にある温
度t₅から温度が下がつて感温磁性材１５の磁気変
態点Ｅより低くなつても、感温素子１，２の合成
偏倚力は感温磁性材１５及び永久磁石１６の吸引
力とばね４の力との合成力より大に設定しておく
ことにより、接点７ａ，７ｂの閉塞は生じない。
感温磁性材１５は、永久磁石１６との間隔が大き
いときは磁性を有していても永久磁石１６を吸引
する力が作用しないためである。

温度が更に低下して感温素子１のマルテンサイ
ト変態終了温度Ｄ点に至ると、感温素子１の抗張
力が弱化するため、接点７ａ，７ｂの間は狭くな
り、かつ感温磁性材１５の永久磁石１６に対する
吸引力により、接点７ａ，７ｂはばね４の力に基
き急速に接触して閉塞することになる。

更にこの温度から上昇するときは、感温磁性材
１５と永久磁石１６との吸引力がＥ点まで持続し
ているため、温度Ｄ点を上昇して制御感温素子
１，２の合成偏倚力がばね４の力に勝つても、接
点７ａ，７ｂは開放されない。温度Ｅ点を超える
と、感温磁性材１５の永久磁石１６に対する吸引
力が消失して急速に接点７ａ，７ｂが開放される
ことになる。このようにして制御温度幅の大きい
温度制御スイツチを構成し得る。

尚、感温磁性材と永久磁石との個有抵抗が低い
ときは、磁気回路上に、接点の電気回路が短絡し
ないように絶縁層を設ける必要がある。また感温
磁性材は、フエライト・金属磁性材料を用いるこ
とができ、永久磁石はバリウムフエライト系・ア
ルニコ系・希土類系のいずれも用いることができ
る。

一方、保護感温素子３が異常温度を感知して上
方に反つて変形すると、制御感温素子１，２も上
方に反り、接点７ａ，７ｂを開放して回路を遮断
することができるのは上述に徴して明らかであ
る。この場合、被検温体２０の温度が下がり、制
御感温素子１，２及び保護感温素子３がマルテン
サイト変態温度に至り、ばね４の力により押下げ
られようとするが、M₁＋M₂＋M₃＞Ｓの関係に
設定しておくと、制御感温素子１，２の元への変
形が保護感温素子３のフツク部３ａによつて妨げ
られることになる。従つて、保護感温素子３を外
部力により復帰されない限り、制御感温素子１，
２に連動する接点７の開放状態は持続することに
なる。保護感温素子３が作動するということは、
保護感温素子３が作動する程の温度上昇又は過電
流が流れていることを意味し、そのため保護感温
素子３の作動原因を解明した後に押子１０を押し
て元に復帰せしめることができる。

尚、図中１９は基台１８に穿設した被検温体２
０に取付ける透孔を示す。

以上述べた如く本発明によれば、マルテンサイ
ト変態温度の異なる複数の形状記憶合金より成る
感温素子と、複数の感温素子の合成偏倚力に対抗
するばね手段と、複数の感温素子のマルテンサイ
ト変態温度より高い形状記憶合金より成る保護感
温素子と、発熱体とより成り、ばね手段のばね力
は上記合成偏倚力の中間値に設定し、複数の感温
素子はその一方の母相変態終了温度と他方のマル
テンサイト変態終了温度とが近接する組成としか
つ可動接点側とし、発熱体は保護感温素子に接触
したので、 回路中に異常電流が印可されたときに上記感温
素子の接点閉中であつても接点を開放し得、かつ
狭い温度範囲の設定が可能なこの種温度制御スイ
ツチを提供し得る。

また本発明によれば、マルテンサイト変態温度
の異なる複数の形状記憶合金より成る感温素子
と、複数の感温素子の合成偏倚力に対抗するばね
手段と、複数の感温素子のマルテンサイト変態温
度より高い形状記憶合金より成る保護感温素子
と、発熱体とより成り、ばね手段のばね力は上記
合成偏倚力の中間値に設定し、複数の感温素子は
その一方の母相変態終了温度と他方のマルテンサ
イト変態終了温度とが離間する組成としかつ可動
接点側とし、発熱体は保護感温素子に接触したの
で、 回路中に異常電流が印可されたときに上記感温
素子の接点閉中であつても接点を開放し得、かつ
広い温度範囲の設定が可能なこの種温度制御スイ
ツチを提供し得る。

更に本発明によれば、マルテンサイト変態温度
の異なる複数の形状記憶合金より成る感温素子
と、複数の感温素子の合成偏倚力に対抗するばね
手段と、複数の感温素子のマルテンサイト変態温
度より高い形状記憶合金より成る保護感温素子
と、発熱体とより成り、ばね手段のばね力は上記
合成偏倚力の中間値に設定し、複数の感温素子は
その一方の母相変態終了温度と他方のマルテンサ
イト変態終了温度とが近接する組成としかつ可動
接点側とし、発熱体は保護感温素子に接触し、可
動接点側には磁石又は感温磁性体を設け、感温素
子のマルテンサイト変態時に上記磁石又は感温磁
性体と固定側の感温磁性体又は磁石とが吸引され
るように構成し、磁気吸引力は複数の感温素子の
母相変態時の変位力より小にマルテンサイト変態
時の変位力より大に設定したので、 接点開放の際瞬発的に開放可能となりアーク放
電を解消し得、回路中に異常電流が印可されたと
きに上記感温素子の接点閉中であつても接点を開
放し得、かつ狭い温度範囲の設定が可能なこの種
温度制御スイツチを提供し得る。

更に本発明によれば、マルテンサイト変態温度
の異なる複数の形状記憶合金より成る感温素子
と、複数の感温素子の合成偏倚力に対抗するばね
手段と、複数の感温素子のマルテンサイト変態温
度より高い形状記憶合金より成る保護感温素子
と、発熱体とより成り、ばね手段のばね力は上記
合成偏倚力の中間値に設定し、複数の感温素子は
その一方の母相変態終了温度と他方のマルテンサ
イト変態終了温度とが離間する組成としかつ可動
接点側とし、発熱体は保護感温素子に接触し、可
動接点側には磁石又は感温磁性体を設け、感温素
子のマルテンサイト変態時に上記磁石又は感温磁
性体と固定側の感温磁性体又は磁石とが吸引され
るように構成し、磁気吸引力は複数の感温素子の
母相変態時の変位力より小にマルテンサイト変態
時の変位力より大に設定したので、 接定開放の際瞬発的に開放可能となりアーク放
電を解消し得、回路中に異常電流が印可されたと
きに上記感温素子の接点閉中であつても接点を開
放し得、かつ広い温度範囲の設定が可能なこの種
温度制御スイツチを提供し得る。したがつて、本
発明によれば、一定の温度範囲で連続的なスイツ
チの開閉を行なうことができることは勿論、平常
の制御温度範囲以上の高い異常温度になつたとき
にスイツチの電気接点を開放して回路の遮断を行
なうことができる。しかもスイツチの作動には外
部電源を必要とせず構造簡単に構成し得る。また
制御感温素子の形状記憶合金の各変態温度を任意
に選択することにより、温度制御幅の大きいスイ
ツチ又は小さいスイツチを容易に製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例を示す側面図、第２図は
同じく背面図、第３図は第１図中−線断面
図、第４図は同じく−線断面図、第５図及び
第６図はスイツチの作動状態を示す断面図、第７
図は保護感温素子の一例を示す斜視図、第８図は
第１図中−線断面図、第９図は制御感温素子
の温度・応力特性曲線の一例を示す図、第１０図
は同じく他の例を示す温度・応力特性曲線図であ
る。 １，２……制御感温素子、３……保護感温素
子、４……ばね、５……調整ねじ、７ａ，７ｂ…
…電気接点、８……発熱体、１５……感温磁性
材、２０……被検温体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マルテンサイト変態温度の異なる複数の形状
   記憶合金より成る感温素子と、複数の感温素子の
   合成偏倚力に対抗するばね手段と、複数の感温素
   子のマルテンサイト変態温度より高い形状記憶合
   金より成る保護感温素子と、発熱体とより成り、 ばね手段のばね力は上記合成偏倚力の中間値に
   設定し、複数の感温素子はその一方の母相変態終
   了温度と他方のマルテンサイト変態終了温度とが
   近接する組成としかつ可動接点側とし、発熱体は
   保護感温素子に接触したことを特徴とする温度電
   流保護兼温度制御スイツチ。 ２ マルテンサイト変態温度の異なる複数の形状
   記憶合金より成る感温素子と、複数の感温素子の
   合成偏倚力に対抗するばね手段と、複数の感温素
   子のマルテンサイト変態温度より高い形状記憶合
   金より成る保護感温素子と、発熱体とより成り、 ばね手段のばね力は上記合成偏倚力の中間値に
   設定し、複数の感温素子はその一方の母相変態終
   了温度と他方のマルテンサイト変態終了温度とが
   離間する組成としかつ可動接点側とし、発熱体は
   保護感温素子に接触したことを特徴とする温度電
   流保護兼温度制御スイツチ。 ３ マルテンサイト変態温度の異なる複数の形状
   記憶合金より成る感温素子と、複数の感温素子の
   合成偏倚力に対抗するばね手段と、複数の感温素
   子のマルテンサイト変態温度より高い形状記憶合
   金より成る保護感温素子と、発熱体とより成り、 ばね手段のばね力は上記合成偏倚力の中間値に
   設定し、複数の感温素子はその一方の母相変態終
   了温度と他方のマルテンサイト変態終了温度とが
   近接する組成としかつ可動接点側とし、発熱体は
   保護感温素子に接触し、可動接点側には磁石又は
   感温磁性体を設け、感温素子のマルテンサイト変
   態時に上記磁石又は感温磁性体と固定側の感温磁
   性体又は磁石とが吸引されるように構成し、磁気
   吸引力は複数の感温素子の母相変態時の変位力よ
   り小にマルテンサイト変態時の変位力より大に設
   定したことを特徴とする温度電流保護兼温度制御
   スイツチ。 ４ マルテンサイト変態温度の異なる複数の形状
   記憶合金より成る感温素子と、複数の感温素子の
   合成偏倚力に対抗するばね手段と、複数の感温素
   子のマルテンサイト変態温度より高い形状記憶合
   金より成る保護感温素子と、発熱体とより成り、 ばね手段のばね力は上記合成偏倚力の中間値に
   設定し、複数の感温素子はその一方の母相変態終
   了温度と他方のマルテンサイト変態終了温度とが
   離間する組成としかつ可動接点側とし、発熱体は
   保護感温素子に接触し、可動接点側には磁石又は
   感温磁性体を設け、感温素子のマルテンサイト変
   態時に上記磁石又は感温磁性体と固定側の感温磁
   性体又は磁石とが吸引されるように構成し、磁気
   吸引力は複数の感温素子の母相変態時の変位力よ
   り小にマルテンサイト変態時の変位力より大に設
   定したことを特徴とする温度電流保護兼温度制御
   スイツチ。