JPH11512557A

JPH11512557A - 電気スイッチ

Info

Publication number: JPH11512557A
Application number: JP9512121A
Authority: JP
Inventors: ダフィー，ヒュー
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1999-10-26
Also published as: ATE212147T1; DE69618605D1; KR19990044604A; WO1997010609A1; CN1158686C; CN1202268A; KR100459357B1; DE69618605T2; EP0850486B1; EP0850486A1; US5737160A

Abstract

(57)【要約】第１の直列機械式スイッチ４と、第２の並列機械式スイッチ６と、ＰＴＣ装置２とを有し、ＰＴＣ装置と第２スイッチを並列に接続し、この並列の組合せを第１スイッチと直列に接続するか、或いは、ＰＴＣ装置と第１スイッチを直列に接続し、この直列の組合せを第２スイッチと並列に接続した図１及び図９に示す電気切換装置。本装置は、各スイッチ及びＰＴＣ装置の定格電流及び電圧より高い電流及び電圧を断続することができる。並列スイッチは、電気切換装置の定格電圧以下の電圧で電気切換装置の定格断続電流を断続するように定格を定めることが可能であり、また直列スイッチは、電気切換装置の定格電圧で電気切換装置の定格断続電流を下回る電流を断続するように定格を定めることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】電気スイッチ本発明は、電気スイッチに関する。電気回路に於ける電流の流れの制御には、機械式スイッチが広く使用されている。本明細書では、「機械式スイッチ」という用語を、機械的（手動を含む）、電気的、熱的及びその他の形式による起動に応答して開閉する機械式接点で構成される電気スイッチという意味で使用している。こうした装置には、単純な手動スイッチ、回路遮断器、地絡断続器（ＧＦＩ）、リレー及びバイメタル装置（電熱リレー、熱起動式スイッチ及び電熱装置とも称される）がある。機械式スイッチを作動して電流の流れを断続させると、離れた接点間にほぼ必ずアークが発生し、アークが消えるまでは引き続きスイッチに（アークという形で）電流が流れる。アークは、電流、電圧（ＡＣ、ＤＣ電圧を問わない）、接点の分離速度及び接点の材質によって程度に差はあるが、接点を損傷させる。一般に機械式スイッチの定格は、それが一定のＡＣ及びＤＣ電圧下で一定作動回数に渡って安全に断続することのできる最大電流に基づいて決定される。スイッチのコスト、サイズ及び複雑さは、スイッチの定格が上昇するにつれて著しく増大する。スイッチの定格を定める標準的手順には、通常、特定電圧の異なる規格電流レベルに於ける試験が含まれている。スイッチの定格は、それが試験に合格する最高レベルの規格電流に定める。例えば、規格電流レベルの１つが１５アンペア（１２０ボルトで）であり、次の高位規格電流レベルが２０アンペア（１２０ボルトで）であるとすると、定格を１５アンペアと定めたスイッチは１５アンペアの試験には合格するが、２０アンペアでは不合格となるのが普通である。また、１５−２０アンペア間の非規格電流下では合格であったり不合格であったりする。ＰＴＣ回路保護装置は、よく知られた装置である。この装置は、一定の負荷下で直列に配置するもので、通常の作動状況に於いては低温、低抵抗状態にある。しかしながら、ＰＴＣ装置を流れる電流が極端に増加する、またＰＴＣ装置周辺の大気温度が極端に上昇する、或いは通常の動作電流が通常の動作時間を越えて持続すると、このＰＴＣ装置は「トリップ」される、つまり、高温、高抵抗状態へと変化して実質上電流が低減する。一般に、電流及び／或いは温度がその通常のレベルにまで戻った場合でも、ＰＴＣ装置はそれが電源から切断されて冷却が可能になるまでトリップ状態のままである。特に有用なＰＴＣ装置は、ＰＴＣ導電ポリマーで構成するＰＴＣ要素、即ち(１)有機ポリマー、(２)ポリマー中に分散または分布した導電性の粒状充填材、好適にはカーボンブラック、から成る構成物を含んでいる。これらを含むＰＴＣ導電ポリマー及びＰＴＣ装置については、米国特許第４,２３７,４４１号、第４,２３８,８１２号、第４,３１５,２３７号、第４,３１７,０２７号、第４,４２６,６３３号、第４,５４５,９２６号、第４,６８９,４７５号、第４,７２４,４１７号、第４,７７４,０２４号、第４,７８０,５９８号、第４,８００,２５３号、第４,８４５,８３８号、第４,８５７, ８８０号、第４,８５９,８３６号、第４,９０７,３４０号、第４,９２４,０７４号、第４,９３５,１５６号、第４,９６７,１７６号、第５,０４９,８５０号、第５,０８９,８０１号、第５,３７８,４０７号等に説明されている。回路の通常の動作状態では、ＰＴＣ回路保護装置は低温、低抵抗状態にある。しかしながら、故障が発生すると（例えば、ＰＴＣ装置を流れる電流が極端に増加する、また装置周辺の大気温度が極端に上昇する、或いは通常の動作電流が通常の動作時間を越えて持続する等）、このＰＴＣ装置は「トリップ」される、つまり、高温、高抵抗状態へと変化して回路の電流が安全レベルにまで低減する。一般に、故障が取り除かれても、ＰＴＣ装置はそれが電源から切断されて冷却可能となるまでトリップ状態のままである。同一の製造工程で作るＰＴＣ装置のバッチに於いては、制御不能な工程変化が個々の装置をトリップするような実質上の状況変化を引き起こす場合がある。本明細書では、バッチ内の何れの装置もトリップさせることのない最大の定常電流を「パス電流」（Ｉ（パス））または「ホールド電流」と称し、全ての装置をトリップさせる最小の定常電流を「トリップ電流」（Ｉ（トリップ））と称している。一般に、大気温度が上昇するにつれて、Ｉ（パス）とＩ（トリップ）の差は徐々に低減する。特定タイプの装置では、Ｉ（トリップ）は、２０℃で例えばＩ（パス）の１.５−２.５倍である。個々の装置の中には、パス電流とトリップ電流が事実上同じであるものもある。但し実際問題として、電気スイッチのメーカーはＩ（パス）とＩ（トリップ）が相違する装置のバッチからのＰＴＣ装置を利用せざるを得ないことから、本明細書ではこうしたＰＴＣ装置について言及している。概して、大気温度が高いほどパス電流及びトリップ電流は低い。この現象を「熱的定格低下」といい、パス電流に対する温度のグラフを表す場合は「定格低下曲線」という用語が使用されている。我々は、２つの直列または並列の機械式スイッチと、その内の１つのスイッチ（本書では「並列スイッチ」という）とは並列に、もう１つのスイッチ（本書では「直列スイッチ」という）とは直列に配置したＰＴＣ装置とで構成する電気切換装置の働きについて研究してきた。その結果、２つのスイッチが事実上同時に作動する場合、或いは直列スイッチが並列スイッチよりも僅かに遅れて作動する場合、電流Ｉ（スイッチ）がある印加電圧Ｖ（スイッチ）で装置を流れると、並列スイッチが事実上Ｖ（スイッチ）を僅かに下回る電圧で電流Ｉ（スイッチ）を断続すること、及びＰＴＣ装置の抵抗が高まるために直列スイッチがＶ（スイッチ）を僅かに下回る電圧で事実上Ｉ（スイッチ）を下回る電流を断続することが解った。従って、両スイッチの一方または双方が電圧Ｖ（スイッチ）でＩ（スイッチ）未満の定格を保有することができる（または言い換えれば、両スイッチの一方または双方がＶ（スイッチ）未満の電圧で定格Ｉ（スイッチ）を保有することができる）。つまりこうした切換装置は、電圧Ｖ（スイッチ）で電流Ｉ（スイッチ）を断続する従来型の単スイッチよりも格安で信頼性の高いものになり得る。さらに、こうした効果はＰＴＣ装置の電気的及び熱的特性に関係していること、またＰＴＣ装置が室温で１０オーム／ｃｍ未満の固有抵抗を有する物質で構成するＰＴＣ要素を含むときに最良の結果が得られる場合が多いことも解った。こうした発見を使用すれば、手動操作による、または通常の回路使用中に発生する状況に応答するスイッチを有し、回路の通常の使用に於いて回路の開閉を切換する切換装置を提供することができる。またこれらを使用して故障防護装置を提供することもできる。この場合、スイッチは故障の状況によって間接的に操作される。また、本発明による切換装置では、ＰＴＣ装置は切換操作中に負荷へと流れるエネルギーを制限する。この特徴が、「故障電流制限」特性である。並列スイッチが開状態のとき、ＰＴＣ装置の抵抗は装置を流れる電流によって必ず増大する。さらに、抵抗が増大する速度は装置の設計に重大な影響を与える。両スイッチを同時に作動させると、電流は、離れていく接点間に生じるアークの形で、ＰＴＣ装置の抵抗が増大してアークが維持されないレベルになるまで直列スイッチを流れ続ける。従って、ＰＴＣ装置の抵抗がそのレベルに達する時間が早いほど、直列スイッチに必要な定格が下がる。直列スイッチを並列スイッチの後で作動させる場合は直列スイッチに於けるアークの持続時間が低減し、またアークが完全に消失することがある。従って、直列スイッチが作動するまでにＰＴＣ装置の抵抗が必要レベルにまで到達すれば、直列スイッチにアークは発生しない。直列スイッチにとってこれは理想ではあるが、目標とする遅延を確定する費用は低定格スイッチを使用する好ましさを凌駕している。ＡＣ回路ではアーク（もし発生していれば）は電流がゼロになれば止むことから、通常、２分の１サイクルに至るまでにＰＴＣ装置が必要な抵抗値を達成すれば、直列スイッチを遅延させる理由はない。また、ＰＴＣ装置の抵抗が必要レベルに到達しても直列スイッチが作動しない場合、ＰＴＣ装置は直列スイッチが作動するまでＰＴＣ装置自体或いは他の構成要素を損傷することなくその高温状態を維持可能なものでなければならない点についても留意すべきである。さらに、並列スイッチの作動後のかなりの間、回路が生きていないことを保証するためには、並列スイッチ以後１００ミリ秒を越えない間に直列スイッチを開放する、及び／或いは作動させることが望ましい。ＰＴＣ装置は通常、特定電流（または特定の電流範囲）及び特定電圧（または特定の電圧範囲）に於ける使用に適しているとされているが、これは、ＰＴＣ装置がこうした条件下で安全にトリップするという必要条件に基づいている。本発明の重要な優位点は、電流がＰＴＣ装置を通るのはほんの限られた時間（例えば、並列スイッチの動作時間から電流の流れが止む時間まで）でしかなく、またＰＴＣ装置は必ずしもその通常の「トリップ」状態である超高抵抗値には到達しないことから、ＰＴＣ装置がＩ（スイッチ）及びＶ（スイッチ）で作動するＰＴＣ装置に一般に付随する特性を有する必要のないことにある。その結果、本発明による切換装置は、ＰＴＣ装置に一般に関係している電流及び電圧よりもかなり高い電流、電圧の断続に使用可能である。Ｉ（スイッチ）及び／或いはＩ（電圧）が高ければ、ＰＴＣ装置が吸収するエネルギー量は相対的に高くなる。本発明の第１の形態は、 (１) 第１の直列機械式スイッチと、 (２) 第２の並列機械式スイッチと、 (３) ＰＴＣ装置とで構成する電気切換装置であって、 (ａ) ＰＴＣ装置が第２スイッチと並列に接続し、この並列の組合せが第１スイッチと直列に接続しており、或いは (ｂ) ＰＴＣ装置が第１スイッチと直列に接続し、この直列の組合せが第２スイッチと並列に接続しており、同電気切換装置が、両スイッチを同時に作動して電圧Ｖ（スイッチ）で動作回路の電流Ｉ（スイッチ）を断続する既定の手順で定格化されている場合に、少なくとも、 (ａ) 直列スイッチが、電圧V（スイッチ）で同一手順によって独自に定格化された場合に最大ｊ×Ｉ（スイッチ）（ｊは０.８、好適には０.６、特には０. ２５、特定的には０.１）である定格電流Ｉ（直列）を有するか、 (ｂ) 並列スイッチが、最大ｋ×Ｖ（スイッチ）（ｋは０.８、好適には０.６、特には０.２５、特定的には０.１）である電圧V（並列）で同一手順によって独自に定格化された場合に最大Ｉ（スイッチ）である定格電流Ｉ（並列）を有しており、ＰＴＣ装置が、開回路電圧Ｖ（スイッチ）を有する試験回路に於いて独自に最大ｍ×Ｉ（スイッチ）（ｍは０.７５、好適には０.５、特には０.２５、特定的には０.１）である電流Ｉ（ＰＴＣ）を印加されると、抵抗が最大１００ミリ秒、好適には最大３０ミリ秒、特には最大８ミリ秒、特定的には最大５ミリ秒の抵抗増加時間内に、最低１００、好適には最低２００、特には最低７００、特定的には最低１０００の係数で増大する、電気切換装置を提供している。本発明の第２の形態は、 (１) 第１の直列機械式スイッチと、 (２) 第２の並列機械式スイッチと、 (３) ＰＴＣ装置とで構成する電気切換装置であって、 (ａ) ＰＴＣ装置が第２スイッチと並列に接続し、この並列の組合せが第１スイッチと直列に接続しており、或いは (ｂ) ＰＴＣ装置が第１スイッチと直列に接続し、この直列の組合せが第２スイッチと並列に接続しており、少なくとも以下のような特性の１つを有する電気切換装置を提供している： (Ａ) ＰＴＣ装置が、５オーム−ｃｍ未満の固有抵抗を有するＰＴＣ導電ポリマーで構成するＰＴＣ要素を含んでいる、 (Ｂ) スイッチは纏めて同時に作動させるため、直列スイッチは並列スイッチと同時に操作可能である、 (Ｃ) 本装置が、並列スイッチの作動後１０乃至１００ミリ秒の既定時間に直列スイッチを作動させる手段を含んでいる（既定時間は、ＰＴＣ装置の抵抗が増大する速度及び２つのスイッチの定格によって決まる）、 (Ｄ) 並列スイッチは、装置に過電流が流れると作動しない、 (Ｅ) 並列スイッチは、手動操作が可能である、 (Ｆ) 電圧が１０ボルトから６００ボルトに変わると、直列スイッチ、並列スイッチ、ＰＴＣ装置及びその他切換装置のあらゆる構成要素のそれぞれの抵抗が、最大５、好適には最大４、特には最大２、特定的には最大１.２の係数で変化する、 (Ｇ) ＰＴＣ装置が、開回路電圧V（ＰＴＣ）を有する試験回路に於いて独自に電流Ｉ（ＰＴＣ）を印加されると、抵抗が最大１００ミリ秒、好適には最大３０ミリ秒、特には最大８ミリ秒、特定的には最大５ミリ秒の抵抗増加時間内に、最低１００、好適には最低２００、特には最低７００、特定的には最低１０００の係数で増大し、このときのＩ（ＰＴＣ）及びＶ（ＰＴＣ）が次の内の１つである： (i) V（ＰＴＣ）がＡＣ１２ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (ii) Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ２４ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (iii) Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ６０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (iv) Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ１２０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (v) Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ２５０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (vi) Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ６００ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (vii) Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ１２ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (viii) Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ２４ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (ix) Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ６０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (x) Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ１２０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (xi) Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ２５０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、 (xii) Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ６００ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、或いは (Ｈ) (i) 直列スイッチを独自に使用して、直列スイッチの両接点間にアークを発生させる既定のＤＣ電流と電圧で作動する回路を断続する場合に、物質のウェイトＭ（直列）が１つの接点からもう一方の接点へと移転する、 (ii) 並列スイッチを独自に使用して同じ回路を断続することにより並列スイッチの両端子間にアークが発生する場合に、物質のウエイトＭ（並列）が１つの接点からもう一方の接点へと移転する、 (iii) Ｍ（並列）が少なくともｐ×Ｍ（直列）（ｐは１.５、好適には４、特には８）である。本発明の第３の形態は、 (Ａ) 電圧がＶ（常規）である電源と、 (Ｂ) 電気的負荷と、 (Ｃ) (１) 電源及び負荷と直列に接続した第１の直列機械式スイッチと、 (２) 第２の並列機械式スイッチと、 (３) ＰＴＣ装置とを含む電気切換装置と、で構成する電気回路であって、 (ａ) ＰＴＣ装置が第２スイッチと並列に接続し、この並列の組合せが第１スイッチと直列に接続しており、或いは (ｂ) ＰＴＣ装置が第１スイッチと直列に接続し、この直列の組合せが第２スイッチと並列に接続しており、同回路が、両スイッチが閉じていて回路電流がＩ（常規）である正常作動条件を有し、同電気切換装置が、電圧Ｖ（常規）で両スイッチが同時に作動する既定の手順で定格化された場合に少なくともｑ×Ｉ（常規）（ｑは１、好適には１.５、特には２）である定格電流Ｉ（スイッチ）を有し、直列スイッチが、電圧Ｖ（回路）で同一手順によって独自に定格化された場合に最大ｒ×Ｉ（常規）（ｒは０.９、好適には０.７５、特には０.５、特定的には０.２５）である定格電流Ｉ（直列）を有し、並列スイッチが、最大ｓ×Ｖ（常規）（ｓは０.９、好適には０.７５、特には０.５、特定的には０.２５）である電圧Ｖ（並列）で同一手順によって独自に定格化された場合に最大Ｉ（常規）である定格電流Ｉ（並列）を有し、ＰＴＣ装置が、開回路電圧Ｖ（常規）を有する試験回路に於いて独自に最大ｔ ×Ｉ（常規）（ｔは０.９、好適には０.７５、特には０.５、特定的には０.２５）である電流Ｉ（ＰＴＣ）を印加されると、抵抗が最大１００ミリ秒、好適には最大３０ミリ秒、特には最大８ミリ秒、特定的には最大５ミリ秒の抵抗増加時間内に、最低１００、好適には最低２００、特には最低７００、特定的には最低１０００の係数で増大する、電気回路を提供している。本発明の第４の形態は、電気回路を流れる電流Ｉ（回路）を断続する方法であって、同電気回路が、 (Ａ) 電圧がＶ（常規）である電源と、 (Ｂ) 抵抗R（負荷）を有する電気的負荷と、 (Ｃ) (１) 電源及び負荷と直列に接続した第１の直列機械式スイッチと、 (２) 第２の並列機械式スイッチと、 (３) ＰＴＣ装置とを含む電気切換装置と、で構成され、 (ａ) ＰＴＣ装置が第２スイッチと並列に接続し、この並列の組合せが第１スイッチと直列に接続しており、或いは (ｂ) ＰＴＣ装置が第１スイッチと直列に接続し、この直列の組合せが第２スイッチと並列に接続しており、ＰＴＣ装置が、開回路電圧Ｖ（回路）を有する試験回路に於いて独自に電流Ｉ（回路）を印加されると、抵抗を最大１００ミリ秒、好適には最大３０ミリ秒、特には最大８ミリ秒、特定的には最大５ミリ秒の抵抗増加時間内に少なくともｗ ×Ｒ（負荷）（ｗは１０、好適には５０、特には１００）まで増大し、同方法が、 (Ａ) 並列スイッチを操作し、 (Ｂ) 段階(Ａ)から０乃至１００ミリ秒後に直列スイッチを操作することで構成される電流断続方法を提供している。本明細書に於いてＰＴＣ装置へのｍＩ（スイッチ）またはＩ（常規）の関数である電流Ｉ（ＰＴＣ）の印加について言及する場合、Ｉ（ＰＴＣ）はＩ（スイッチ）またはＩ（常規）がＡＣ電流であればＡＣ電流であり、Ｉ（スイッチ）またはＩ（常規）がＤＣ電流であればＤＣ電流である。Ｉ（ＰＴＣ）がＡＣ電流であって装置がハーフサイクルまでに必要な抵抗値に到達する場合には、電流は実際には指定値に到達することができない。また、希望の抵抗レベルに到達するまでの時間は、試験開始時の電流の位相角に依存する。従って本明細書に示した時間は、（断続されなければ）指定値（いわゆる「規定」電流）に到達する電源を使用して測定したものである。本書では本発明をＰＴＣ装置と機械式スイッチとの組合せとして説明しているが、同一の各定格特性を有する固体装置を本発明の電気スイッチに於ける機械式スイッチの代わりに使用することも可能である。２つのスイッチは手動操作が可能であり、またある実施例では、例えば本装置が高電圧下で作動する回路遮断器の一部であるような場合に、変圧器または変流器からの低電圧で作動する保護リレーを経由する信号に応答して作動する。図１は、ＰＴＣ装置２と並列スイッチ６の並列の組合せが直列スイッチ４と直列に接続している本発明による装置１０を示している。電気切換装置１０が作動すると直ちに並列スイッチ６が開き、電流が並列ＰＴＣ装置２に分路される。その結果、ＰＴＣ装置２が抵抗を増し、電流が低減して直列スイッチ４が低電流で開放可能になる。用途によっては、直列スイッチ４と並列スイッチ６が同時に開放するものがある（両スイッチを共に同時作動する等）。他の用途では、直列スイッチ４の作動を遅らせる方が有効な場合がある。こうした遅延は、機械的または電気的に達成することができる。本発明による装置に他の構成要素を組み合わせれば、追加的または代替的機能性を提供することができる。例えば、誘導負荷を有する回路では、ＰＴＣ装置２が低インピーダンス状態から高インピーダンス状態へと増加すると、回路内の急速な電流降下によってＰＴＣ装置２に於いて電圧サージが発生することがある。図２は、こうした状況下で有効であり、バリスタ８のような電圧クランプ装置をＰＴＣ装置２と並列に接続してこうした電圧サージを制限する装置を示している。ゼナーダイオード等の他の電圧クランプ装置も使用可能である。図３は、電圧と電流の関係を表すプロット図であり、陰をつけた部分ＯＡＢＣＤが、Ｖボルトで電流定格Ｉアンペアを有する一般的な機械式スイッチによって安全に断続することのできる電圧と電流の組合せの範囲を示している。図３が示すように、選択する電圧によって同じ装置の定格を様々に決定することが可能である。また、電流及び電圧には、それを越えるとスイッチを使用できない最大値が存在している。図４は図３と同様のものであるが、関連の電圧（指定Ｖ（スイッチ））と電流（指定Ｉ（スイッチ））の組合せを示している。図３及び図４が描くような定格特性を有するスイッチは、常規回路電圧Ｖ（スイッチ）で常規回路電流Ｉ（スイッチ）を断続することはできない。各スイッチが図５の示すような定格を有する本発明による電気切換装置であれば、Ｖ（スイッチ）に等しい電圧でＩ（スイッチ）に等しい電流を断続することができる。本装置では、ＰＴＣ装置が電流の断続を２つの別個の切換作業（第１がＩ（スイッチ）／Ｖ（断続）点に於いて、第２がＩ（断続）／Ｖ（スイッチ）点に於いて）に分割するという効果を有している。直列スイッチと並列スイッチが図６のような異なる定格特性を有している図１に一致するＰＴＣ装置装置と機械式スイッチによる装置は、同じくＶ（スイッチ）に等しい電圧に於いてＩ（スイッチ）に等しい電流を断続することができる。図５または図６の何れかの定格特性を有する機械式スイッチで構成する電気切換装置では、並列スイッチが印加電圧Ｖ（断続）に於いて電流Ｉ（スイッチ）を断続するように定格化され、直列スイッチが印加電圧Ｖ（スイッチ）に於いて電流Ｉ（断続）を断続するように定格化されている。図５及び図６のプロット図表は、任意の２スイッチ（図５が示すような同じ特性を有する、或いは図６が示すような異なる特性を有している）をＰＴＣ装置と組み合わせて何れのスイッチでも単独では不可能な電流及び電圧の断続を行なわせる方法を示している。図７のプロット図は、Ｉ（スイッチ）及びＶ（スイッチ）等の関連の電流及び電圧の任意の組合せでは、ＰＴＣ装置と共に配置してＩ（スイッチ）及びＶ（スイッチ）を断続するための機械式スイッチの異なる組合せが数多くある（両スイッチの何れも個々にはＩ（スイッチ）及びＶ（スイッチ）を断続することができない）ことを示している。直列及び並列の機械式スイッチ（Ｓ_i 及びＰ_i、ｉ＝１．．．Ｎ）のＮ個の組合せの各々について、並列スイッチは電圧Ｖ_iに於いて電流Ｉ（スイッチ）を断続することができ、対応する直列スイッチは電圧Ｖ（スイッチ）で電流Ｉ_iを断続することができる。実際には、電気スイッチの設計者の目標は機械式スイッチの最も安価な組合せ（通常、最も安価な組合せは最小でもあるが、スイッチはますます小さくなっているため必ずしもこれはあてはまらない）を選択することにあるであろう。図８は、本発明による電気切換装置１０を電源１２及び負荷１４と共に組み込んだ回路２０の回路図である。図５及び図６のプロット図を参照すれば、回路２０の常規電圧はＶ（スイッチ）以下であり、サンプル回路２０の常規回路電流はＩ（スイッチ）以下である。直列スイッチ４と並列スイッチ６は図５または図６が示すような電圧及び電流断続定格特性を有しているが、何れのスイッチも単独では電圧Ｖ（スイッチ）で電流Ｉ（スイッチ）を断続することはできない。但し、並列スイッチ６は低減電圧Ｖ（断続）では電流Ｉ（スイッチ）を断続することができ、直列スイッチ４はＶ（スイッチ）で低減電流Ｉ（断続）を断続することができる。回路２０では、またＰＴＣ装置２が低温抵抗Ｒ（ＰＴＣ低）及び高温抵抗Ｒ（ＰＴＣ高）を有する場合には、次のような関係が成立する：Ｒ（ＰＴＣ低）×Ｉ（スイッチ）＜Ｖ（断続）ＰＴＣ装置２の低抵抗状態抵抗と並列スイッチ６の断続定格との関係を決定する、Ｖ（スイッチ）／Ｒ（ＰＴＣ高）＜Ｉ（断続）ＰＴＣ装置２の高抵抗状態抵抗と直列スイッチ４の断続定格との関係を決定する。こうした関係性により、電気切換装置１０を構成する構成要素に必要な特性を以下のように決定することができる。電圧Ｖ（スイッチ）で電流Ｉ（スイッチ）を断続するように定格化した本発明による電気切換装置では、１．直列スイッチと並列スイッチが、閉じた状態でＩ（スイッチ）以上の電流を継続して流すことができる。２．ＰＴＣ装置がＩ（スイッチ）より低いパス電流Ｉ（パス）を有している。３．ＰＴＣ装置がＶ（スイッチ）でＩ（スイッチ）より低いトリップ電流Ｉ（トリップ）を有している。４．ＰＴＣ装置が低抵抗Ｒ（ＰＴＣ低）を有し、並列スイッチがＲ（ＰＴＣ低）×Ｉ（スイッチ）以下の印加電圧でＩ（スイッチ）に等しい電流を断続するように定格化されている。５．ＰＴＣ装置が高抵抗Ｒ（ＰＴＣ高）を有し、直列スイッチが印加電圧Ｖ（スイッチ）でＶ（スイッチ）／Ｒ（ＰＴＣ高）以下の電流を断続するように定格化されている。図１が示す直列／並列の組合せでは、電気切換装置１０に於いて直列スイッチ４がＰＴＣ装置２と並列スイッチ６の組合せよりも先行して示されている。電気切換装置の電気的特性はこうした順序に依存するものではないが、他の要件が直列スイッチのこの配置を指示する可能性がある。例えば図１の順序には、過電流保護を提供するための電気切換装置１０の用途では直列スイッチ４が、負荷の分離に加えて電源から過電流保護回路の構成要素を分離するように機能する、といった優位点が追加されている。人がアクセス可能で人が接触しやすい構成要素である場合には、これは特に必要である。図８の回路の特定例では、直列スイッチ４と並列スイッチ６はＡＣ１２０ボルトで１／２アンペアを断続するように定格化されている。ＰＴＣ装置２は、その低抵抗状態で公称抵抗が１オームであるレイケムＲＸＥ０３０ポリスイッチ（Ra ychem RXE０３０ Polyswitch（登録商標））装置であり、電源１２はＡＣ１２０ボルトで作動し、負荷１４は１２オームのインピーダンスを有している。従って、サンプル回路２０の常規電流は１０アンペアである。両スイッチが同時に作動すると、並列スイッチ６が即座に開いて電流をＰＴＣ装置２へと転じる。ＰＴＣ装置２の抵抗は１オームであるため、並列スイッチ６が開いている場合のＰＴＣ装置２に掛かる電圧は、１オーム×（１２０ボルト／（１オーム＋１２オーム））であり、これは約９.２ボルトである。従って、上記定義との整合からすると、並列スイッチ６はＡＣ９.２ボルトの電圧でＩ（スイッチ）を僅かに下回る電流を断続できるものでなければならない。ＰＴＣ装置２のＩ²Ｒ加熱は、約１０ミリ秒の短時間にＰＴＣ装置２の抵抗を数千オームにまで増大させる。従って、直列スイッチ４は約１０ミリ秒の間に１０アンペアに始まり数ミリアンペア等の超低レベルまで降下する電流を通し、この時点で直列スイッチ４が開いて１２０ボルトでその低電流を断続する。しかしながら、同じ回路に於いて直列スイッチ４が開放を遅延するように設定してある場合には、その低抵抗状態で抵抗が約０.１オームであるレイケムＲＸＥ１６０ポリスイッチ（登録商標）装置等のＰＴＣ装置２を使用可能である。並列スイッチ６が開くと１０アンペアを切り換えるが、これは１ボルトに於いてのみである。ＰＴＣ装置２のＩ²Ｒ加熱は、約３秒の間にその抵抗を数千オームまで増大させる。直列スイッチ４の開放を３秒遅らせるように設定すれば、直列スイッチ４は結果的に１２０ボルトで超低電流（約０.０２アンペア等）を切り換えるだけでよい。同じ回路に於いてＰＴＣ装置２がその低抵抗状態で約４オームの抵抗を有するレイケムＲＸＥ０１７ポリスイッチ（登録商標）装置である場合には、その抵抗は１０アンペアで約１ミリ秒の間に数千オームまで増大する。次いで、１０アンペアの制限電流がそのピーク値に到達するまでに断続される。制限電流がゼロになって並列スイッチ６が開くと、ＰＴＣ装置２は直列スイッチ４を通る電流をそのピーク前に制限する。並列スイッチ６は、４０ボルトで１０アンペアを断続するように定格化されている。理論上は、交換を考慮に入れれば、直列スイッチを１２０ボルトで超低電流を断続するように定格化することは可能である。実際には直列スイッチの定格は、直列スイッチが閉状態で１０アンペアの常規電流を継続して通さなければならないという要件によって決定される。本発明に使用する機械式スイッチ及びＰＴＣ装置の選択に際しては、妥協しなければならない点がある。低抵抗状態にあるＰＴＣ装置の抵抗が増大すると、ＰＴＣ装置は短時間に必要な高抵抗に到達する傾向があり、直列スイッチを開ける遅延時間が低減する。しかしながら、低抵抗状態にあるＰＴＣ装置の抵抗が増大すれば、並列スイッチ６の電圧定格が必ず増大する。上述の例で説明した本発明による実施例では、回路の構成要素が共働して電気交換能力を提供している。ＰＴＣ装置と機械式スイッチの相助的組合せは、回路遮断器にも同様に適用可能である。従来型の回路遮断器では、開放を指令する信号を開放される回路とは別にすることができ、また高電圧下では、同信号は一般に、変圧器（ＰＴ）または変流器（ＣＴ）から低電圧で作動する保護リレーを通じて送信される。図２が示す電気切換装置を採用している回路遮断器では、両機械式スイッチ４、６が同時に開き始め、並列スイッチ６がＰＴＣ装置２を直列スイッチ４に直列に繋ぐ。この組合せの優位点は、ＰＴＣ装置２が回路に在るのは１／２サイクルであるため、大型電圧に長時間耐える必要がないこと、ＰＴＣ装置２は実際には回路をトリップしないために回路遮断器の作動はＰＴＣ装置２の温度の正確な認知に依存しないこと、故障電流を２０−３０制限するのに、ＰＴＣ装置２は抵抗を例えば２０−３０だけ増加するだけでよいこと、機械式スイッチ４、６の故障電流断続要件が２０-３０低減すること、にある。この装置には１つではなく２つの機械式接点４、６が必要であるが、低故障電流接点２個の価格は、高故障電流接点１個に比べるとほんの僅かである。図９は、本発明の原理に基づく電気切換装置１０’を形成する２つの機械式スイッチとＰＴＣ装置の第２の配置を示している。この第２の配置では、並列スイッチ６がＰＴＣ装置２と直列スイッチ４の直列の組合せと並列している。ＰＴＣ装置２、直列スイッチ４及び並列スイッチ６の間の関係性は、先に図２の装置に関して論じたものと同じである。図１０は、電気切換装置１０’の第２配置を採用した第２サンプル回路３０の回路図である。図１０が示す装置はまた、直列スイッチ４の開放を遅延できるような配置方法を示している。第２サンプル回路では、直列スイッチ４が通常は開状態である一連のリレー接点で構成され、リレー接点が低電流リレーコイル１８に接続されている。電気切換装置１０’がまず閉じると、並列スイッチ６が閉じて電流が負荷１４へと流れ、リレーコイル１８が励磁される。励磁されたリレーコイル１８は直列スイッチ４が閉じる。通常の運転中は、負荷電流が並列スイッチを流れる。電気切換装置１０’が開くと並列スイッチ６が開き、負荷電流をＰＴＣ装置２及び直列スイッチ４へ分路する。ＰＴＣ装置２はその高インピーダンス状態へとトリップし、そのために回路３０の電流が低減し、リレーコイル１８には電流が流れなくなる。非励磁状態のリレーコイル１８は直列スイッチ４を開き、電気切換装置１０’の開放が完了する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，ＫＲ，ＭＸ

Claims

【特許請求の範囲】１．電気切換装置であって、（１）第１直列機械式スイッチと、（２）第２並列機械式スイッチと、（３）ＰＴＣ装置と、を有し、（ａ）ＰＴＣ装置と第２スイッチが並列に接続され、この並列の組合せが第１スイッチと直列に接続されているか、或いは、（ｂ）ＰＴＣ装置が第１スイッチと直列に接続され、この直列の組合せが第２スイッチと並列に接続されており、両スイッチを同時に作動して電圧Ｖ（スイッチ）で電流を断続する既定の手順で定格化している場合、本装置が定格電流Ｉ（スイッチ）を有し、少なくとも、（Ａ）直列スイッチが、電圧Ｖ（スイッチ）で同一手順によって独自に定格化された場合に、最大ｊ×Ｉ（スイッチ）（ｊは０.８）である定格電流Ｉ（直列）を有するか、（Ｂ）並列スイッチが、最大ｋ×Ｖ（スイッチ）（ｋは０.８）である電圧Ｖ（並列）で同一手順によって独自に定格化された場合に、最大Ｉ（スイッチ）である定格電流Ｉ（並列）を有しており、ＰＴＣ装置が、開路電圧Ｖ（スイッチ）を有する試験回路に於いて独自に電流Ｉ（ＰＴＣ）を印加されると（Ｉ（ＰＴＣ）は最大ｍ×Ｉ（スイッチ）、ｍは０ .２５）、最大１６ミリ秒の抵抗増加時間内に抵抗を最低１００の係数で増加させる電気切換装置。２．Ｖ（スイッチ）及びＩ（スイッチ）が、（１）Ｖ（スイッチ）がＡＣ１２ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（２）Ｖ（スイッチ）がＡＣ２４ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（３）Ｖ（スイッチ）がＡＣ６０ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（４）Ｖ（スイッチ）がＡＣ１２０ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（５）Ｖ（スイッチ）がＡＣ２５０ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（６）Ｖ（スイッチ）がＡＣ６００ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（７）Ｖ（スイッチ）がＤＣ１２ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（８）Ｖ（スイッチ）がＤＣ２４ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（９）Ｖ（スイッチ）がＤＣ６０ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（１０）Ｖ（スイッチ）がＤＣ１２０ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（１１）Ｖ（スイッチ）がＤＣ２５０ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（１２）Ｖ（スイッチ）がＤＣ６００ボルトでＩ（スイッチ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、の内の１つである請求項１に記載の装置。３．装置及びスイッチを、（１）ＵＬ２０：汎用スナップスイッチに関する規格、第１１版、１９９５年５月２５日、（２）ＵＬ５０８：産業用制御機器に関する規格、第１６版、１９９４年９月２０日、（３）ＵＬ１０５４：特殊用途用スイッチに関する規格、第５版、１９９５年５月２０日、（４）ＪＩＳＣ４５０６-１９７９：単相モータ用小型スイッチ、（５）ＪＩＳＣ４５２０-１９８４：制御スイッチ一般規定、（６）ＪＩＳＣ４６１０-１９９０：装置用回路遮断器、（７）ＩＥＣ２０４：産業機械の電気機器、（８）ＩＥＣ３３７、３４１、１０２０：スイッチ、押しボタン式スイッチ、（９）ＩＥＣ１０５８、３２８、６６９：家庭用及び同種のスイッチ、器具、の内の何れか１つの規定によって定格化した請求項２に記載の装置。４．ＰＴＣ装置がＰＴＣ導電ポリマーで構成されるＰＴＣ要素を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。５．ＰＴＣ導電ポリマーが２１℃でｎオーム−ｃｍ未満の抵抗を有し、ｎが５である請求項４に記載の装置。６．ＰＴＣ装置が２１℃でＲオーム未満の抵抗を有し、Ｒが５である請求項５に記載の装置。７．ＰＴＣ装置と並列に接続された電圧クランプ装置を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。８．並列スイッチが作動すると直列スイッチも作動する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。９．並列スイッチが作動すると最大１００ミリ秒の遅延時間後に直列スイッチも作動する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。１０．（Ａ）スイッチが同時に作動するため、直列スイッチと並列スイッチを同時に操作可能である、（Ｂ）装置が並列スイッチの操作から１０乃至１００ミリ秒後の既定時間に直列スイッチを作動させる手段を含んでおり、既定時間はＰＴＣ装置及び２つのスイッチの特性によって決定される、（Ｃ）装置に過電流が流れると並列スイッチが作動しない、（Ｄ）並列スイッチは手動操作が可能である、（Ｅ）直列スイッチ、並列スイッチ、ＰＴＣ装置及び切換装置のその他の構成要素は各々、電圧が１０ボルトから６００ボルトに変化するとその抵抗が最大４の係数で変化する、（Ｆ）ＰＴＣ装置が、開路電圧Ｖ（ＰＴＣ）を有する試験回路に於いて独自に電流Ｉ（ＰＴＣ）を印加されると、最大３０ミリ秒の抵抗増加時間内に、最低１００の係数によって抵抗を増加する場合、Ｉ（ＰＴＣ）及びＶ（ＰＴＣ）が、（i）Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ１２ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（ii）Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ２４ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（iii）Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ６０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（iv）Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ１２０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（v）Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ２５０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（vi）Ｖ（ＰＴＣ）がＡＣ６００ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（vii）Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ１２ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（viii）Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ２４ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（ix）Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ６０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（x）Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ１２０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（xi）Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ２５０ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、（xii）Ｖ（ＰＴＣ）がＤＣ６００ボルトでＩ（ＰＴＣ）が１、３、５、１０、１５、２０、３０または６０アンペア、の内の何れかである、（G）（i）直列スイッチを独自に使用して既定のＤＣ電流及び電圧で動作する回路を断続すると直列スイッチの２接点間でアークが発生する場合に、材料のウエイトＭ（直列）が一方の接点から他の接点に移動する、（ii）並列スイッチを独自に使用して同じ回路を断続すると並列スイッチの２接点間にアークが発生する場合に、材料のウエイトＭ（並列）が一方の接点から他の接点に移動する、（iii）Ｍ（並列）が少なくともｐ×Ｍ（直列）であり、ｐが１.５である、という特徴の内の少なくとも１つを有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電気切換装置。１１．抵抗増加時間が最大５ミリ秒である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電気切換装置。１２．電気回路であって、（Ａ）電圧V（スイッチ）を有する電源と、（Ｂ）電気負荷と、（Ｃ）請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電気切換装置と、を有する電気回路。１３．（i）ｊが０.５であり、（ii）ｓが０.５であり、（iii）ｍが０.２５であり、抵抗増加時間が最大８ミリ秒である、という条件の内の少なくとも１つを適用した請求項１２に記載の電気回路。１４．電気回路を流れる電流Ｉ（回路）を断続する方法であって、該電気回路が、（Ａ）電圧Ｖ（回路）を有する電源と、（Ｂ）抵抗Ｒ（負荷）を有する電気負荷と、（Ｃ）請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電気切換装置と、を有し、（i）並列スイッチを作動させ、（ii）段階（i）から０乃至１００ミリ秒後に直列スイッチを作動させるようにした電流断続方法。