JPH0543449U

JPH0543449U - 通信端末機器用過電流遮断器

Info

Publication number: JPH0543449U
Application number: JP9207891U
Authority: JP
Inventors: 克彦吉村; 陽介河内
Original assignee: Hakusan Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Hakusan Seisakusho Co Ltd
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1991-11-11
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】雷サージに対しては遮断せずに、電力線の混
触による電流に対しては遮断する特性を容易に得る。【構成】過電流遮断器１０は、熱膨張率の異なる二種
の材料を貼り合わせてなり導電性を有する可動片１２
と、導電性を有する固定部材１４と、固定部材１４と可
動片１２の一端とを接触させて電気的な接点１６を形成
した状態で固定部材１４と可動片１２の他端とを固設さ
せた絶縁部材１８とを備え、可動片１２及び固定部材１
４に流れる過電流によって可動片１２が自己発熱すると
ともに変形して接点１６を開くように構成されている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、雷又は電力線混触等に起因する過電流から、通信回線に接続される端末機器側を保護する目的で使用される通信端末機器用過電流遮断器（以下、単に「過電流遮断器」という）に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図５は、通信回線に接続される端末機器を保護する保安器を示す回路図である。従来、保安器４８には過電流遮断器としてヒューズ５８が用いられる。保安器４８は、端末機器５０に並列に接続されたガス入避雷器５２と、ガス入避雷器５２の局側５４の通信回線５６に挿入されたヒューズ５８とから構成されている。ここで、通信回線５６または６０に雷サージが印加されると、ヒューズ５８は溶断せず、ガス入避雷器５２で放電が生じる。また、電力線混触による電流に対してはヒューズ５８が溶断する。このようにして、端末機器５０側が保護される。すなわち、ヒューズ５８は、電力線混触のような小電流で長時間の過電流に対しては、ガス入避雷器５２が動作しないので、溶断する特性が要求されるとともに、雷サージのような大電流で短時間の過電流に対しては、ガス入避雷器５２で放電させるために、溶断しない特性が要求される。ヒューズ５８の動作機構は、ヒューズ線が自己発熱でその融点まで温度上昇することにより溶断し、電流を遮断するものである。ヒューズ線は、最低動作電流に応じて、線径、固有抵抗、融点等が決定される。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、このようなヒューズ５８では、雷サージに対しては溶断せずに、電力線混触による電流に対しては溶断する特性を得ることが非常に困難である。すなわち、ヒューズ５８は、雷サージで溶断しないように設計すると、電力線混触でも溶断しない傾向があり、電力線混触で溶断するように設計すると、雷サージでも溶断してしまう傾向があるからである。その理由は次のように考えられる。ヒューズ５８は、ｈｃ：ヒューズ線の熱容量〔Ｊ／℃〕 δＴ：常温から融点までの温度差〔℃〕ｐ１：雷サージのような大電流で短時間の過電流をヒューズ線両端に流した場合のジュール熱量〔Ｊ〕ｐ２：電力線混触のような小電流で長時間の過電流をヒューズ線両端に流した場合のジュール熱量〔Ｊ〕とすると、次式の関係を満たす必要がある。ｐ２＞（ｈｃ×δＴ）＞ｐ１なお、電力線混触時の過電流は、雷サージ時の過電流に比べて、小電流でも長時間流れるので、電力線混触時のジュール熱量ｐ２は雷サージ時のジュール熱量ｐ１よりも大きい。すなわち、ヒューズ５８では、同一材料ならば融点が常に一定であることから δＴは定数である。したがって、ｈｃのみで所望の特性を設計しなければならない。しかし、δＴが適当な値でないと、ｈｃのみでは所望の特性を得ることが困難である。そのため、他の材料を選定する手間が生じ、しかも、そのようにして選定された材料が高価であったり入手しにくかったりする場合には、所望の特性を得ることはほとんど不可能になる。そこで、この考案の目的は、雷サージによる過電流に対しては遮断せずに、電力線混触による過電流に対しては遮断する特性を容易に得ることができる過電流遮断器を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

請求項１記載の過電流遮断器は、低熱膨張率金属と高熱膨張率金属とを貼り合わせてなる可動片と、導電性を有する固定部材と、動作温度における上記可動片の変位量に相当する力で上記可動片の一端の上記高熱膨張率金属側を上記固定部材に押圧させて電気的な接点を形成した状態で上記固定部材と上記可動片の他端とを固設させた絶縁部材とを備え、上記可動片は、その熱容量をＨＣ、常温から上記動作温度までの温度差をΔＴ、雷サージのような大電流で短時間の過電流を上記可動片両端に流した場合のジュール熱量をＰ１、電力線混触のような小電流で長時間の過電流を上記可動片両端に流した場合のジュール熱量をＰ２とすると、Ｐ２＞（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１の関係を満たすものである。

【０００５】請求項２記載の過電流遮断器は、低熱膨張率金属と高熱膨張率金属とを貼り合わせてなる二枚の可動片と、これらの可動片の一方の一端の上記高熱膨張率金属側と可動片の他方の一端の上記高熱膨張率金属側とを押圧させて電気的な接点を形成した状態で上記可動片の一方の他端と上記可動片の他方の他端とを固設させた絶縁部材とを備え、上記可動片は、その熱容量をＨＣ、常温から上記動作温度までの温度差をΔＴ、雷サージのような大電流で短時間の過電流を上記可動片両端に流した場合のジュール熱量をＰ１、電力線混触のような小電流で長時間の過電流を上記可動片両端に流した場合のジュール熱量をＰ２とすると、Ｐ２＞（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１の関係を満たすものである。

【０００６】請求項３記載の過電流遮断器は、請求項１又は２記載の過電流遮断器において、接点が半田付けされ、可動片のジュール熱によって上記半田が溶融するものである。

【０００７】

【作用】

請求項１乃至３記載の過電流遮断器の作用は次のとおりである。雷サージのような大電流で短時間の過電流では、可動片のジュール熱量Ｐ１が可動片を動作温度にするのに必要な熱量（ＨＣ×ΔＴ）に達しないため、過電流遮断器は動作しない。電力線混触のような小電流で長時間の過電流では、一定の時間が経過すれば可動片のジュール熱量Ｐ２が（ＨＣ×ΔＴ）に達する。その結果、可動片が動作温度に達することにより変形して接点を開き、過電流遮断器が動作して端末機器を保護する。

【０００８】請求項１記載の過電流遮断器では、可動片と固定部材との接点が開放される。請求項２記載の過電流遮断器では、二枚の可動片が互いに離れるように変形するので、より急速にその接点が開放される。請求項３記載の過電流遮断器では、半田が溶融するまでは可動片が変形しないが、半田が溶融すると可動片が瞬間的に変形する。

【０００９】

【実施例】

図１及び図２は請求項１記載の過電流遮断器の一実施例を示し、図１は斜視図、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線縦断面図である。以下、図１及び図２に基づき詳しく説明する。過電流遮断器１０は、低熱膨張率金属と高熱膨張率金属とを貼り合わせてなる可動片１２と、導電性を有する固定部材１４と、動作温度における可動片１２の変位量Ｄに相当する力Ｆで可動片１２の一端の上記高熱膨張率金属側を固定部材１４に押圧させて電気的な接点１６を形成した状態で固定部材１４と可動片１２の他端とを固設させた絶縁部材１８とを備えている。可動片１２は、ＨＣ：可動片の熱容量〔Ｊ／℃〕 ΔＴ：常温から動作温度までの温度差〔℃〕Ｐ１：雷サージのような大電流で短時間の過電流を可動片両端に流した場合のジュール熱量〔Ｊ〕Ｐ２：電力線混触のような小電流で長時間の過電流を可動片両端に流した場合のジュール熱量〔Ｊ〕とすると、次式の関係を満たす。Ｐ２＞（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１・・・（イ）なお、電力線混触時の過電流は、雷サージ時の過電流に比べて、小電流でも長時間流れるので、電力線混触時のジュール熱量Ｐ２は雷サージ時のジュール熱量Ｐ１よりも大きい。

【００１０】可動片１２を構成する高膨張率金属（左）及び低膨張率金属（右）には例えば次のようなものがある。イ）黄銅（３０〜４０％亜鉛）＋３４％ニッケル鋼・・・使用温度１００℃以下ロ）黄銅（３０〜４０％亜鉛）＋アンバー（３６％ニッケル鋼）・・・使用温度１５０℃以下ハ）モネメタル（ニッケル銅合金）＋３４〜４２％ニッケル鋼・・・使用温度２５０℃付近ニ）２０％ニッケル鋼＋４２〜５４％ニッケル鋼・・・使用温度２５０℃付近可動片１２の形状は、この実施例で示した片持ち型の短冊状の他に、片持ち針状、コイル状、Ｕ字状、平板状などとしてもよい。

【００１１】固定部材１４は、この実施例ではニッケル製の細長い板状を呈しているが、可動片１２と接点１６を形成すればよいので、特に材料、形状等を限定するものではない。

【００１２】接点１６は、平面に限らず突起としてもよい。また、可動片１２又は固定部材１４とは異なる材料で形成してもよい。

【００１３】絶縁部材１８は、電気的絶縁性及び望ましくは耐熱性を有する、セラミックス、ガラス又は合成樹脂等によって板状に形成されている。絶縁部材１８には、可動片１２及び固定部材１４を固設する透孔２０ａ、２０ｂが設けられている。可動片１２の他端及び固定部材１４の他端をそれぞれ透孔２０ａ、２０ｂへ挿入した後、ねじ、接着剤等で固定される。また、透孔２０ａ、２０ｂから突出した可動片１２の他端、固定部材１４の他端はそれぞれ外部端子２２ａ、２２ｂとして用いられる。なお、絶縁部材１８は、板状に限らず箱状、筒状等としてもよい。

【００１４】次に、過電流遮断器１０の組立方法について説明する。可動片１２は、例えば２Ａｒｍｓ（交流実効値）で１５０〜２００℃になるように設計する。そして、可動片１２を多少湾曲させることにより、動作温度における可動片１２の変位量Ｄに相当する力Ｆで可動片１２を固定部材１４に密接させる。図２で説明すれば、可動片１２が常に下向きの復元力で固定部材１４に接っするように絶縁部材１８に可動片１２を固定する。このようにして、常温での接触抵抗の小さい接点１６を形成する。また、発熱とともに上向きに変形するように、接点１６側を高熱膨張率の材料にする。さらに、可動片１２を最初に湾曲させておく力Ｆの大小によっても、接点１６が開放される温度を調節することができる。すなわち、力Ｆが大きいほど、接点１６を開放するまでに要する可動片１２の変位量Ｄが大きくなるので、接点１６が開放される温度が高くなる。

【００１５】次に、過電流遮断器１０の動作を説明する。過電流遮断器１０は、図５におけるヒューズ５８の代わりに通信回線５６に介挿される。可動片１２に過電流が流れると、可動片１２はジュール熱によって温度が上昇する。可動片１２の温度が上昇するにしたがい、高膨張金属側の伸びが大きくなり、動作温度における可動片１２の変位量Ｄに相当する力Ｆが徐々に減少する。そして、可動片１２の温度が動作温度を越えると、可動片１２が固定部材１４から離れて、接点１６が開放される。雷サージ時の過電流では大電流でも短時間であるので、可動片１２の温度は動作温度にまで達しない。しかし、電力線混触時の過電流では、雷サージ時の過電流に比べて小電流でも長時間流れるので、可動片１２の温度が動作温度を越えて接点１６を開放することにより、過電流遮断器１０が動作して端末機器を保護する。可動片１２が変形して接点１６が一度開放されると、可動片１２が溶断したり、可動片１２が弾性限界を越えて元に戻らなくなったり、接点１６に酸化膜が生じて導通しなくなったりすることにより、過電流遮断器１０は導通を回復させないことが望ましい。

【００１６】次に、過電流遮断器１０の設計方法の一例を説明する。図示した片持ち型の可動片１２において、Ｋ：湾曲係数〔／℃〕（ＪＩＳＣ−２５３０による）Ｅ：弾性係数〔ｋｇ／ｍｍ²〕 ΔＴ：常温から動作温度までの温度差〔℃〕Ｌ：作動長〔ｍｍ〕Ｗ：幅〔ｍｍ〕ｔ：板厚〔ｍｍ〕Ｉ：電流〔Ａ〕Ｒ：抵抗〔Ω〕Ｍ：質量〔ｇ〕Ｃ：比熱〔Ｊ／ｇ／℃〕Ｓ：動作温度に至るまでの通電時間〔ｓ（秒）〕とする。変位量Ｄ〔ｍｍ〕は、Ｄ＝（Ｋ×ΔＴ×Ｌ²）／ｔ・・・（ロ）このときの力Ｆ〔ｋｇ〕は、Ｆ＝（Ｋ×ΔＴ×Ｅ×Ｗ×ｔ²）／（４×Ｌ）・・・（ハ）でそれぞれ与えられる。また、熱容量ＨＣは、ＨＣ＝Ｍ×Ｃ・・・（ニ）であり、可動片を動作温度にするのに必要な熱量（ＨＣ×ΔＴ）は、ＨＣ×ΔＴ＝Ｉ²×Ｒ×Ｓ・・・（ホ）となる。

【００１７】まず、適当な大きさ（作動長Ｌ、幅Ｗ、板厚ｔ）及び材質の可動片１２を用意する。このとき、湾曲係数Ｋ、弾性係数Ｅ、抵抗Ｒ、質量Ｍ、比熱Ｃについて、未知のものは計算又は測定して、明らかにしておく。熱容量ＨＣは（ニ）式から求まる。続いて、電力線混触時の過電流をＩ、動作温度に至るまでのその通電時間をＳとすると、常温から動作温度までの温度差ΔＴは、（ホ）式から、 ΔＴ＝（Ｉ²×Ｒ×Ｓ）／ＨＣで求まる。次に、（ロ）式によって変位量Ｄ、（ハ）式によって力Ｆがそれぞれ求まる。電力線混触時の過電流の実際の持続時間をＳ２とすれば、電力線混触時の過電流を可動片１２両端に流した場合のジュール熱量Ｐ２は、Ｐ２＝Ｉ²×Ｒ×Ｓ２で与えられるから、Ｓは、Ｓ＜Ｓ２・・・（へ）を満たすとともに、（イ）式及び（ホ）式から、Ｓ＞｛Ｐ１／（Ｉ²×Ｒ）｝・・・（ト）を満たすように決める必要がある。なお、Ｓは、（へ）式においては短時間で動作するようにできるだけ小さく、（ト）式においては動作しないようにできるだけ大きいことが望ましい。 ΔＴ、Ｄ、Ｆ、Ｓの値が適当でない場合は、他の可動片１２を用意し、始めから設計をやり直す。ΔＴ、Ｄ、Ｆ、Ｓの値が適当であれば、前述したように、動作温度における可動片１２の変位量Ｄに相当する力Ｆで、可動片１２を多少湾曲させて固定部材１４に密接させることにより、所望の特性を有する過電流遮断器１０が完成する。

【００１８】具体的な数値例をあげて説明する。可動片１２は、２Ａｒｍｓでの動作を考えて、材料として（Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）＋（３６Ｎｉ−Ｆｅ）を用い、長さＬを２０ｍｍ、幅Ｗを１ｍｍ、厚さｔを０．１５ｍｍに形成した。従来のヒューズは材料Ｃｕ−Ｎｉ、直径０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍである。この可動片１２によって構成された過電流遮断器１０は、２Ａｒｍｓに対しては従来のヒューズと同等の３〜５ｓで遮断した。また、最大サージ電流は、１０／１０００μｓで、従来のヒューズが７０Ａで遮断したのに対し、過電流遮断器１０が１５０Ａで遮断した。このように、電力線混触のような小電流で長時間の過電流に対しては動作するが、雷サージのような大電流で短時間の過電流に対しては動作しない遮断特性が実現できた。換言すると、従来のヒューズでは２Ａ程度の最低動作電流に設定すると、サージ電流が少ない領域１０／１０００μｓ、７０Ａで遮断してしまう。これに対し、この考案に係る過電流遮断器は、最低動作電流が７Ａ程度の従来のヒューズに相当する、最大サージ電流１０／１０００μｓ、１５０Ａまで上昇できた。なお、この可動片１２は、抵抗Ｒが０．２Ω、質量Ｍが０．０１５ｇ、比熱Ｃが０．１２Ｊ／ｇ／℃であり、（ニ）式より熱容量ＨＣが１．８×１０^-3Ｊ／℃ である。また、常温を２５℃、動作温度を１８３℃とすればΔＴが１５８℃となる。すなわち、可動片１２を動作温度にするのに必要な熱量（ＨＣ×ΔＴ）は、０．２８４Ｊである。一般に、雷サージ時の過電流は１５０Ａで１μｓ、電力線混触時の過電流は２Ａで３ｓであり、Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ４．５×１０^-3Ｊ、２．４Ｊである。したがって、Ｐ２＝２．４、（ＨＣ×ΔＴ）＝０．２８４、Ｐ１＝４．５×１０^-3であるから（イ）式を満たす。

【００１９】このような遮断特性が実現できた理由を説明する。過電流遮断器１０が雷サージ時の過電流に対して動作しない特性を得るには、（イ）式において、（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１を満たせばよい。そのためには、可動片１２の熱容量ＨＣを大きくすればよい。具体的には、大きい可動片１２を用いれば、容易に所望の特性が得られる。また、電力線混触時の過電流に対して動作する特性を得るには、（イ）式において、Ｐ２＞（ＨＣ×ΔＴ）を満たせばよい。そのためには、常温から動作温度までの温度差ΔＴを小さくすればよい。具体的には、動作温度における可動片１２の変位量Ｄに相当する力Ｆで可動片１２を多少湾曲させて固定部材１４に密接させる場合の、力Ｆを調節することで、動作温度までの温度差ΔＴを小さくすれば、容易に所望の特性が得られる。実際には、可動片１２が大きすぎると、小型化及び材料費低減の妨げになるので、適当な大きさ及び材料の可動片１２を選び、その力Ｆを決めることで上記の特性を得る。ＨＣとΔＴとはそれぞれ独立して選定することができるので、上記の両方の特性を得ることはきわめて容易である。

【００２０】図３は請求項２記載の過電流遮断器の一実施例を示す縦断面図である。図２と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。過電流遮断器３０は、低熱膨張率金属と高熱膨張率金属とを貼り合わせてなる可動片１２ａ、１２ｂと、可動片１２ａの一端の上記高熱膨張率金属側と可動片１２ｂの一端の上記高熱膨張率金属側とを押圧させて電気的な接点１６を形成した状態で可動片１２ａの他端と可動片１２ｂの他端とを固設させた絶縁部材１６とを備え、可動片１２ａ、１２ｂは、その熱容量をＨＣ、常温から上記動作温度までの温度差をΔＴ、雷サージのような大電流で短時間の過電流を可動片１２ａ、１２ｂのそれぞれの両端に流した場合のジュール熱量をＰ１、電力線混触のような小電流で長時間の過電流を可動片１２ａ、１２ｂのそれぞれの両端流した場合のジュール熱量をＰ２とすると、Ｐ２＞（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１の関係を満たすものである。

【００２１】可動片１２ａ、１２ｂを多少湾曲させることにより、可動片１２の弾性を利用して固定部材１４に密接させる。図３で説明すれば、可動片１２ａが常に下向きの復元力で可動片１２ｂに接っするように、可動片１２ｂが常に上向きの復元力で可動片１２ａに接っするように、絶縁部材１８に可動片１２ａ、１２ｂを固定する。過電流遮断器３０では、可動片１２ａ、１２ｂが互いに離れるように変形するので、より急速に接点１６が開放される。

【００２２】図４は請求項３記載の過電流遮断器の一実施例を示す縦断面図である。図２と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。過電流遮断器４０は、接点１６が半田付けされ、可動片１２に流れる過電流によって半田４２が溶融することを特徴とするものである。半田４２が溶融するまでは可動片１２は変形しない。しかし、半田４２が溶融すると、それまでに蓄えられた力が一気に開放され、可動片１２が瞬間的に変形する。半田４２の組成としては、例えば鉛、錫、亜鉛、ビスマス、インジウム、カドミウム、銀及び水銀から選ばれた二種以上の金属元素からなる合金が望ましく、特に、半田付け性が良好で入手しやすい等の理由から鉛−錫系合金が望ましい。例えば、過電流遮断器１０の一実施例で用いた、（Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）＋（３６Ｎｉ−Ｆｅ）により長さ２０ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍに形成された可動片１２に対しては、鉛３７％、錫６３％の融点１８３℃の半田を用いる。

【００２３】

【考案の効果】

請求項１乃至３記載の過電流遮断器によれば、雷サージ時の過電流に対しては熱容量ＨＣを大きくすることで動作しない特性を得ることができ、電力線混触時の過電流に対しては常温から動作温度までの温度差ΔＴを小さくすることで動作する特性を得ることができ、かつ、ＨＣとΔＴとはそれぞれ独立して選定できるので、電力線混触時の過電流に対しては動作するが、雷サージ時の過電流に対しは動作しない遮断特性を容易に得ることができる。

【００２４】請求項２記載の過電流遮断器によれば、二枚の可動片が互いに離れることにより接点を開放するので、より高速に接点を開放することができる。

【００２５】請求項３記載の過電流遮断器によれば、半田が溶融すると可動片が瞬間的に変形するので、さらに高速に接点を開放することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の過電流遮断器の一実施例を示す
斜視図。

【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線縦断面図。

【図３】請求項２記載の過電流遮断器の一実施例を示す
縦断面図。

【図４】請求項３記載の過電流遮断器の一実施例を示す
縦断面図。

【図５】従来の保安器を示す回路図。

【符号の説明】

１０、３０、４０…過電流遮断器１２、１２ａ、１２ｂ…可動片１４…固定部材１６…接点１８…絶縁部材４２…半田

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】低熱膨張率金属と高熱膨張率金属とを貼り
合わせてなる可動片と、導電性を有する固定部材と、動
作温度における上記可動片の変位量に相当する力で上記
可動片の一端の上記高熱膨張率金属側を上記固定部材に
押圧させて電気的な接点を形成した状態で上記固定部材
と上記可動片の他端とを固設させた絶縁部材とを備え、
上記可動片は、その熱容量をＨＣ、常温から上記動作温
度までの温度差をΔＴ、雷サージのような大電流で短時
間の過電流を上記可動片両端に流した場合のジュール熱
量をＰ１、電力線混触のような小電流で長時間の過電流
を上記可動片両端に流した場合のジュール熱量をＰ２と
すると、Ｐ２＞（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１の関係を満たす通
信端末機器用過電流遮断器。
【請求項２】低熱膨張率金属と高熱膨張率金属とを貼り
合わせてなる二枚の可動片と、これらの可動片の一方の
一端の上記高熱膨張率金属側と可動片の他方の一端の上
記高熱膨張率金属側とを押圧させて電気的な接点を形成
した状態で上記可動片の一方の他端と上記可動片の他方
の他端とを固設させた絶縁部材とを備え、上記可動片
は、その熱容量をＨＣ、常温から上記動作温度までの温
度差をΔＴ、雷サージのような大電流で短時間の過電流
を上記可動片両端に流した場合のジュール熱量をＰ１、
電力線混触のような小電流で長時間の過電流を上記可動
片両端に流した場合のジュール熱量をＰ２とすると、Ｐ
２＞（ＨＣ×ΔＴ）＞Ｐ１の関係を満たす通信端末機器
用過電流遮断器。
【請求項３】接点が半田付けされ、可動片のジュール熱
によって上記半田が溶融する請求項１又は２記載の通信
端末機器用過電流遮断器。