JPH08512192A - 電熱による解氷装置のアース不良保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 航空機面と航空機面に接着される電熱による解氷システムとの間の容量性漏れ電流を補償することによりアース不良を保護する電気回路であり、導電性シールド装置は解氷システムの抵抗性加熱素子とアースされた航空機面との間に配設され、容量性漏れ電流の流路を制御する。漏れ電流は加熱素子への戻り電流と加算されるGFI変流器の一次コイルへ送られる。この結果は加熱素子の負荷電流と比較される。負荷電流が漏れ電流および戻り電流の和に等しければ回路は動作状態を維持し、一方負荷電流が漏れ電流および戻り電流の和が閾値を越えたとき負荷電流が抑止される。

Description

【発明の詳細な説明】 電熱による解氷装置のアース不良保護装置 （技術分野） 本発明は電気回路のアース不良保護装置、特に電熱による解氷システムのアー ス不良保護装置に関する。 （背景技術） アース不良中断(GFI)回路は感電の回避を必要とする用途に採用され、使用者 が不注意により露出した電線に接触した場合に、負荷電流を中断するように構成 されている。図１にGFI回路の検出部分が示される。GFI変流器において２つの一 次巻線は負荷電流Ｉ₁および戻り電流Ｉ₂が等しいとき、その２磁束が打ち消され て変流器の二次巻線に誘起され、閾値検出器に送られる電流が実質的にゼロとな るように設けられている。しかして図１のGFI回路では負荷回路の露出部分に人 等が接触しアースへの回路が形成されると、負荷電流は漏れ電流より接触者を流 れる感電電流Ｉ₃に等しい量だけ大になる。これを数学的に表すとＩ₁＝Ｉ₂＋Ｉ₃ となる。この状態では負荷電流Ｉ₁および戻り電流Ｉ₂は等しくなくなり、それら による磁束も打ち消しあうことはない。従つて感電電流Ｉ₃に比例する電流がGFI 変流器の二次巻線に誘起される。この誘起された電流は次に所定の閾値と比較さ れ、過大であることが判別されると、リレー、接触器あるいは半導体スイツチを 介して直ちに電力供給の停止が始められる。、上述したアース不良検出回路は殆 どの場合良好に動作し長年に亘り使用されて来た。しかしながら抵抗の大きな負 荷が広いアース 金属面の直近に設置される場合には問題が生じていた。この種の装置の適用例の 一としては電熱による解氷システムが挙げられ、このシステムは航空機の翼に付 設され、この航空機においては抵抗加熱素子の大きさがその付設面とほぼ同一に される。電熱による解氷システムに使用される抵抗加熱体としては本明細書に含 まれる、ニユーマン(Newman)等による米国特許第4,942,078号に開示のものが用 いられ得る。この米国特許には複数の層からなるフアブリツクが用いられており 、このフアブリツクは積層樹脂を処理し、積層構造体に硬化されてなる。少なく ともフアブリツクの層の一は導電性ポリマで処理されて導電性にされる。ニツケ ルでメツキされた非織物カーボンクロスを電熱による解氷システムにおいて別の 材料として採用できる。代表的な非織物ウエブ構成はクラウス(Kraus)等による 米国特許第4,534,886号に開示されており、本明細書に含まれる。この米国特許 には導電性フアイバおよび導電性粒子の双方を含む導電性非織物ウエブが開示さ れている。一般的な実施例において、非織物加熱素子は接着剤を含浸したクロス の層間に挿入され得る。最多用されているクロスは織物あるいは非織物のフアイ バグラスであろう。市販され入手の容易な電熱による解氷システムに適用される 導電性フアイバとしては英国のケンダル(Kendal)にあるテクニカル・フアイバ・ プロダクト(Technical Fibre Products)社で製造されるものが挙げられる。 電熱による解氷システムにおいては、抵抗性加熱素子および翼が２枚の平行な プレートでなるコンデンサをなし、これ らのプレートは図３に簡単に示される誘電装置として機能する。一旦電熱による 解氷システムが設置されたとき、絶縁体の耐圧は極めて良好であり、抵抗性加熱 素子から翼への漏れ電流は無視できる。しかしながら小さくとも不都合な交流電 流がコンデンサを経て接地面へ流れる。この容量性漏れ電流Ｉ₄によつて、感電 電流Ｉ₃が存在しない場合でも解氷システムに設置されたアース不良中断装置を 不必要に作動させる場合がある。この不都合なコンデンサの動作は予測できず良 好な制御を行い得ないので、単にGFI回路の閾値レベルを上げる程度では実際上 の問題の解決にはならない。また保守作業者の安全性を保つことは最重要であり 、作業者の安全性を損なうことになるような解決法では安全性に重大な問題を引 き起こす危惧がある。 また一般に他の電流検出装置を用いた別の解決法でも解氷に使用する場合は好 ましくない。加熱装置と翼との間の容量は接着剤の厚さと温度の関数で定まり、 十分には予測できない。接着剤の厚さは加熱装置の正常温度範囲で最大20％変化 する。 従つて本発明の１目的は電熱による解氷に採用され安全で信頼性の高いアース 不良中断回路を含むアース不良保護装置を提供することにある。 本発明の別の目的は加熱素子と翼との間の容量とは独立して動作する信頼性の 高いアース不良保護装置を提供することにある。 （発明の開示） 本発明は電熱による解氷システムと航空機の翼との間において生じる不都合な 容量を補償するアース不良中断装置を含むアース不良保護装置提供することによ り、上述の問題を解決することにある。 本発明の好適な実施例によれば、容量性漏れ電流の回路を制御する解氷装置に 付加した絶縁シールト層が備えられる。この場合漏れ電流は戻り電流と加算され るGFI変流器の一次巻線へ送られ、加算結果が負荷電流と比較される。負荷電流 が漏れ電流と戻り電流との和に等しければ、回路は動作状態を維持し、一方負荷 電流が閾値を越え漏れ電流と戻り電流との和を越えると、負荷電流が中断される ことになる。 （図面の簡単な説明） 本発明の上述の、並びに他の、目的および利点は同一部材に同一の番号および 記号を付して示す添付図面に沿つた以下の詳細な説明から明らかとなろう。 図１は代表的なアース不良検出回路の電気的な簡略図、図２は感電電流の流路 を示す図１の構成の電気的な簡略図、図３は本発明に関連した問題を説明するた めの電気的な簡略図、図４は本発明を採用するアース不良検出回路の電気的な簡 略図、図５は電熱による解氷システムを適用した例の説明図、図６は本発明を採 用する電熱による解氷装置の幾分誇張して示す部分縦断面図、図７は感電電流の 流路を示す図４の構成の電気的な簡略図、図８は本発明を適用した他の例の電気 的な簡略図である。 （発明を実施するための最良の形態） 図４には絶縁分布された抵抗性加熱素子12を備える電熱による解氷装置に付設 した絶縁シールド層10の電気回路を示す。解氷装置は飛行機の表面、例えば図５ に示されるような翼13に重ねて設置される。解氷装置は解氷パラメータによるが 、航空機の全面例えば先頭縁部に覆設、あるいは面の一部のみにも覆設され得る 。加熱素子12および翼13に対する絶縁シールド層10の配列位置が図６に示されて いる。この絶縁シールド層10の表面積の寸法は加熱素子12の表面積寸法にほぼ等 しくされる。絶縁シールド層10は加熱素子12と出来る限り物理的に接近して配置 され、且つ高い誘電分離を維持しシールド層10と翼面13との間の容量を最小限に すべく構成され。加熱素子12およびシールド層10は絶縁体24の多層間に、好まし くはフアイバーグラスクロスと接着剤26との間に配設され、翼13に接着される。 加熱素子12とシールド層10との間には約4000Ｖの誘電性を与える誘電体材28が配 設される。この誘電体材は好ましくはニユージヤージー州のモーリスタウン(Mor ristown)にあるアライド・シグナル(AlliedSignal)社で製造されたアピカル（Ap ical：登録商標）のような厚さ１ミルのポリイミドフイルムが採用される。絶縁 層24により分離されるシールド層10および翼13は別のコンデンサを形成するが、 このコンデンサの容量プレートはアース電位であるため電流は流れない。 シールド層10は容量性漏れ電流Ｉ₄の流路を制御し、この漏れ電流は漏れ電流 Ｉ₄を変流器のような検出手段へ流れるとき、加熱素子12から翼13へ流れる、、 以下に説明する実験例 では、容量計の読み値から計算して漏れ電流値Ｉ₄が得られる。上記のシールド 層10は好ましくは高い導電性層でなり、加熱素子あるいは銅またはアルミニウム のような金属フオイルの導電性層の作成に使用したものと同一材料で形成される 。 特に図４を参照するに、GFI変流器14は好ましくはトロイド型二次巻線を備え 、不平衡電流が変流器14の一次巻線を流れるとき常にこの二次巻線に電流が流れ る。変流器14の一次巻線はトロイド型の二次巻線の中心を通過する３本の単線を 備える。電路18には電流Ｉ₁が、電路20には電流Ｉ₂が、また一次巻線22には電流 Ｉ₄がそれぞれ流れる。このような構成をとる場合、容量性漏れ電流Ｉ₄は抵抗性 加熱素子12からシールド層10へ、次にGFI変流器14の一次巻線22を介しアースへ 流れる。好適な動作時には、Ｉ₁＝Ｉ₂＋Ｉ₄となり、これにより磁束が有効に打 消しされ維持されて、GFI回路は初期の如く動作し得る。 図７は感電電流Ｉ₃が変流器14により検出されない故障状態を示す。この場合 Ｉ₁＞Ｉ₂＋Ｉ₄となつていて、不平衡な電流が流れ、これに伴い感電電流Ｉ₃に比 例する電流が変流器14の二次巻線に誘起される。この誘起された電流Ｉ₃は当業 者に周知の如く、アース不良中断回路（図示せず）に入力される。当業者に周知 のある種類のGFI回路にはナシヨナル・セミコンダクタ(National Semiconductor )社で製造されるグラウンド・フオールト・インターラプタ(Ground Fault Inter rupter)チツプ LM 1851のような電子半導体チツプが具備され、アース不良が検 出されたとき、チツプの出力により 中断リレー（図示せず）が駆動され、電気回路が開路されるような構成がとられ る。 理解を容易にするため、基本的なGFI回路、問題点および解決法は全て単相電 源および負荷を含む構成をとる例で上述したが、同様の構成を３相電源の場合も 当てはめることができ、このとき単相に接続した負荷が図８に示される如く中性 端子がアースされた３相システムの２相に接続されることになる。 実験例１ 容量性漏れ電流の測定 容量計をセツトし、上部および底部にフアイバグラス絶縁体の３層を有した導 電性の非織物材と飛行機の翼をなすアルミニウムプレートとの間の容量を測定し た。測定結果および計算値は以下の通りである。 このとき電熱による解氷装置の最大サイズを2,400インチ²とした。 容量＝2,400インチ²×0.111ｎＦ／インチ²＝266ｎＦ ・400ヘルツで115 VAC(従来の飛行機の動作電源)の漏れ電流Ｉ₄は であつた。 上述の特定の実施例は単に本発明の基本構成を開示するものであり、各種設計 変更が可能である。本発明の範囲および精神は以下の特許請求の範囲のみにより 限定されることは当業者には理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アースされた導電性面と重ねて絶縁され分布された抵抗性負荷を有し、抵抗 性負荷が平行コンデンサの第１のプレートをなし、且つ導電性面がコンデンサの 第２のプレートをなし、絶縁がコンデンサの誘電体でされ、 ａ．負荷電流を抵抗性負荷に与える電源装置と、 ｂ．負荷電流を検出する第１の検出装置と、 ｃ．抵抗性負荷から電源装置への戻り電流を検出する第２の検出装置と、 ｄ．抵抗性負荷と導電性面との間の容量性漏れ電流を検出する第３の検出装置 と、 ｅ．容量性漏れ電流の流れを第３の検出装置へ向ける導電装置と、 ｆ．負荷回路の値を戻り電流と漏れ電流との値の和と比較する第１の比較装置 と、 ｇ．第１の比較装置の結果を閾電流制限値と比較する第２の比較装置と、 ｈ．第１の比較装置の結果が閾電流制限値を越すとき負荷電流を抑止する制御 装置と を備え、アース不良時に感電電流が閾電流制限値を越えたとき負荷電流を抑止す るよう構成されてなる電気回路のアース不良保護装置。 ２．導電装置が実質的に抵抗性負荷の表面積に相当する導電シールド層でなる請 求項１の装置。 ３．電力を電熱による解氷システムへ供給する電源を有し、 解氷システムは分布された抵抗性加熱素子を有し、アースされた航空機の導電性 面と重ねて設置され、 ａ．抵抗性加熱素子と導電性面との間に配設され、加熱素子と実質的に同一の 表面積を有するアースされたシールド装置と、 ｂ．負荷電流を検出する第１の一次巻線と、加熱素子から電源への戻り電流を 検出する第２の一次巻線と、加熱素子からシールド装置へ流れる容量性漏れ電流 を検出する第３の一次巻線とを有し、負荷電流の値が戻り電流と容量性漏れ電流 との和と比較されるように一次巻線が構成されてなる検出変流器と を備え、 ｃ．検出変流器は負荷電流と戻り電流および容量性漏れ電流の和との差に比例 する制御電流を誘起する二次巻線を有し、 且つ ｄ．閾電流制限値を有し、制御電流が閾電流制限値を越えたとき負荷電流を中 断する制御装置 を備え、アース不良時に感電電流が閾電流制限値を越えたとき負荷電流を抑止す るよう構成されてなる電気回路のアース不良保護装置。 ４．電力を電熱による解氷システムへ供給する電源を有し、解氷システムは分布 された抵抗性加熱素子を有し、アースされた航空機の導電性面と重ねて設置され 、 ａ．加熱素子への負荷電流、加熱素子からの戻り電流およ び加熱素子と導電性面との間の容量性漏れ電流を検出する変流器 を備え、 ｉ．変流器は第１、第２および第３の一次巻線および二次巻線を有し、第１ の一次巻線は負荷電流を通す第１の導線からなり、第２の一次巻線が戻り電流を 通す第２の導線からなり、第３の一次巻線が容量性電流を通す第３の導線からな り、二次巻線が第１、第２及び第３の導線が通過する中心を有したトロイド型の コイルでなり、二次巻線の電気信号出力は負荷電流の値と、戻り電流および容量 性電流の和との差に比例するよう設けられ、 且つ、 ｂ．加熱素子と導電性面との間に配設され容量性漏れ電流の流れを第３の一次 巻線へ送るシールド装置と、 ｃ．二次巻線の出力を閾電流制限値と比較し二次巻線の出力が閾値を越えると 負荷電流を中断する制御回路と を備え、アース不良時に感電電流が閾電流制限値を越えたとき負荷電流を抑止す るように構成されてなる電気回路のアース不良保護装置。 ５．電気回路がアースされた導電性面と重ねて絶縁され分布された抵抗性負荷を 有し、抵抗性負荷は平行コンデンサの第１のプレートをなし、且つ導電性面がコ ンデンサの第２のプレートをなし、絶縁がコンデンサの誘電体でなされ、 ａ．抵抗性負荷の負荷電流を検出する工程と、 ｂ．抵抗性負荷からの戻り電流を検出する工程と、 ｃ．抵抗性負荷と導電性面との間にアースされたシールド層を配設する工程と 、 ｄ．抵抗性負荷とシールト層との間に容量性漏れ電流を検出する工程と、 ｅ．負荷回路の値を戻り電流および漏れ電流の値の和と比較する工程と、 ｆ．工程（ｅ）の結果を閾電流制限値と比較する工程と、 ｇ．工程（ｅ）の結果が閾電流制限値を越えるとき負荷電流を抑止する工程と を包有し、アース不良時に感電電流が閾電流制限値を越えたとき負荷電流を抑止 するよう構成されてなる電気回路のアース不良保護方法。