JPS5842131A - ヒユ−ズ用の可融素子およびヒユ−ズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１９８０年１月１７日付の米国特許出願第１
１２７３３号に示されているような種類の高電圧汎用電
流制限型ヒユーズとして分類できるヒユーズＫｒＩａす
るものである。

〔背景技術〕

先行技術では、電流制限ヒユーズの最小迩断電流宇格値
以下の電流を遮断するようにとくに設計されているいわ
ゆる弱いリンク除去ヒユーズ（ｗｅａｋｌｉｎｋ　ｅｘ
ｐｕｌｓｉｏｎ　ｆｕｓｅ）に直列接続されて最大遮断
定格電流から最小遮断定格電流までの全ての電流を遮断
できるヒユーズが知られている。しかし、２個のヒユー
ズを必要としないようにすることは明らかＫＷましいこ
とである。

ａ４ｋｌ！の可融素子を用いているヒユーズの低温動作
を維持するために広く用いられている別の装置ハイわゆ
るメットカーフ効果（Ｍｅｔｃａｌｆ　ｅｆｆｅｃｔ）
すなわちＭ効果を利用する。この種のヒユーズにおいて
は、銀のリボンの１点にスズまたはスズ合金の小さな粒
をつけて銀との共融合金を形成し。

その点が約２３０℃の温度に達した時にその点における
融解を促進している０Ｍ効果がないと銀の素子は約９６
０℃の温度で融ける０共融効来がない時ＫＵそのように
高い融点ではヒユーズが破壊され、ヒユーズの望ましい
動作に対しては非生産的であることは明らかである。Ｍ
効果を利用できる場合には銀リボンの融解はその点に限
定され、その結果生ずるアークと連続して流れる電流が
リボンの温度を更に約７００℃だけ必ず上昇させる。ま
た、非融解電流がそのＭ点に合金を生ずることがあり、
ヒユーズの融解特性が永久に変化することになる。

共融合金を用いるヒユーズの１つの変更例においては１
Ｍ点で最初に融けたのに続いて可融素子において更に２
個所の破断を開始させる目的で、並列の従属素子が設け
られる。このような構造ｆより融ける点が３個所に限定
されることになるが、これは全く望ましくないことであ
り、かつ構造が複雑となることは明らかである０ 別のｓ類のヒユーズでは、ガスを発生する材料で作られ
たコアの周囲に可融素子が巻かれる。この種のヒユーズ
於用いられる場合にはハウジングに通気孔を設けなけれ
ばならない。ハウジングに通気孔を設けた場合には遮断
動作は分離された状況の中では行われず、ヒユーズが故
障したり、他の装置に損傷を与えたりすることがある。

更に別の種類のヒユーズはスズ素子に直列接続される鐵
素子を用いる。そのスズ素子は絶縁管の中に納められ、
異状電流が流れた時にその絶縁管から排出されて充填素
子の中に押し込まれ低電流遮断を達成する。明らかにこ
の構造は複雑であって、小さな電流定格のみに適する。

更に別の種類のヒユーズは、小電流の遮断を助けるよう
に、鎖素子に直列接続されている消弧管内に金の合金を
用いる。先行技術についての以上の説明から、小さな電
流を遮断することが困難であることが明らかである。更
に、小さな電流な遮断しようとするとヒユーズの構造が
複雑となり、形が大きくなり、かつコストが高くなると
ともに。

最大遮断定格電流と用途が制限されることになる。

カドミウムから作られた可融素子を有するヒユーズには
従来のヒユーズの前記した諸欠点のほとんどがないが、
カドミウムが昇華しやすいために完全に満足できるもの
ではない口 米国特許第３８３８３７６４１Ｍ／ｃは、カドミウム製
のコアがアルミニウムの中に埋込まれ、アルミニウムに
より部分的に囲まれて構成されたヒユーズが開示されて
いる０この構造の機能はヒユーズを爆発させることによ
り電流を遮断することであって、外装は厚くて頑丈であ
る。

〔発明の概要〕

本発明の１つの態様によれば、高電圧電気回路において
所定の大きさの電流を遮断するためのヒユーズが得られ
る。そのヒユーズの可融素子ｖｃ′Ｉｔ流を流してその
可融素子の温度をその可融素子のほば全長にわたってそ
の可融素子のほぼ融点まで所定の時間内に上昇させて、
可融素子をその長さに沿うある点で最初に切断させ、そ
れに続いてアークが生じ、その可融素子の残りの部分が
、そのアークとのｉ！接液接触、そのアークから離れて
いる可融素子の部分への熱伝導と、その離れている部分
に電流が引き続いて流れていることのために融かされて
、その融かされた部分に前記アークと直列の別のアーク
が生じ、回路の回復電圧に耐えられる十分な間隙が生ず
るようにするものである。

可融素子は、ヒユーズの定格負荷電流の何倍もの十分な
大きさの電流に対して、交流系の１サイクルの一部とい
うような短い時間内に電流制限素子として機能するよう
にも構成される。可融素子は純度が９５〜９９．９９９
１のカドミウムで作られ、絶縁材料で作られたハウジン
グの中にほぼいっばいに詰められている粒状の充填材の
中に埋込まれて、その充填材により支持される。前記ハ
ウジングの両端には１子キヤツプがかぶせられ、それら
の端子キャップには可融素子端部がそれぞれ接続される
Ｏ 本発明の主な特徴に従って、カドミウムが昇華する傾向
は、カドミウムの融点より高い融点を有する金属で形成
された被覆を付着することによりほぼ阻止される。その
金属はニッケル、アルミニウム、鉄、クロム、マンガン
、ベリリウムより成る金属群から選択される。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する０図におい
て、参照番号１は絶縁材料で作られた管状ハウジングを
示す。このハウジング１の両端には端部キャップ２．３
がとりつけられる。それらの端部キャップ２．３は適商
な導電材料で作られる。他の端部キャップ４．５が端部
キャップ２゜３の上からプレス嵌めされる０端部キャッ
プ２゜３は接着剤によってハウジング１に固着される。

端部端子スリーブ８と端子キャップ９が端部キャップ２
．３内に形成されている中心穴の中に配置されて、端部
キャップ２．３の内面に固着される。

ハウジングの内部には砕砂１０が充される。その砕砂は
なるべく与えられた範囲内のまちまちな寸法のほぼ球形
の粒状のものを用いるようにする。

砕砂１０の中にはらせん状の可融素子１１〜１５が複数
１１！埋込まれ、それらの可融索子は砕砂１０により支
持される０第２図から明らかなように、それらのらせん
状可融素子の両端は端子スリーブ８と端子キャップ９に
−それぞれ接続されるｏしたがって。

スリーブ８とキャップ９は端子素子を構成する。

可融索子の中間部分は粒状の砕砂１０により支持される
。

第３図から明らかなように、らせん状の可融素子１１〜
１５には切れ目１６が設けられるＣそれらの切れ目１６
は各可融素子の長手方向に沿って配置される０各可融素
子１１〜１５は断面が全体として円形の線状またはリボ
ン状とすることができる口重発明は１０００ボルトおよ
びそれ以上の高電圧電気回路に用いるヒユーズに関する
ものであるから、本発明のヒユーズは高電圧ヒユーズと
して分類されるものである。

定格負荷電流の何倍というような大きな異常電流が生ず
ると、可融索子１１〜１５の横断面が小さくなっている
部分の全てがほぼ瞬時に融けてアーク列な形成する０そ
うすると、可融素子はしだいに融けるからそれらのアー
クはアークの根からアークのとぶ向きとは逆の向きへ急
速に延びることになる。

本発明は複数の可融素子を有するヒユーズのみに限定さ
れるものではないが、与えられた定格電流に対して要求
される可融素子の全横断面を小さくするほど冷却効率を
高くするために、正常な電流が流れている時に可融素子
を冷却するには粒状の充填物１０の中に埋込まれて並列
接続される複数の可融索子が有利である。

ヒユーズの正常な負荷電流よりわずかに大きい電流を遮
断するには複数の可融索子を用いることがとくに有利で
ある。そのように小さな電流状態の下では、他の可融素
子が融ける前に１つの可融素子の切れ目】６のような１
つの点が融ける。非常に大きな電流を含む状況とは異な
り、電流が小さい場合には友だ１つの可融素子のただ１
つの点だけが最初に融ける。その結果として、融けた可
融素子に短い遮断点が生ずることになる。この短い遮断
点は残りの可融素子と並列であるから、この最初の遮断
点にはアークは発生せず、その遮断された可融素子に流
れていた電流は残りの可融素子により分担される。それ
から他の可融素子が類似の条件の下で融け、その可融索
子な流れていた電流は残りの可融素子の間で分担される
。このようにして全ての可融素子は順次融けてゆき、融
けた可融索子に流れていた電流は残っている可融素子に
よって分担される。したがって、残りの融けていない可
融索子を流れる電流はしだいに大きくなり、＊流密度が
高くなる。

最後まで残っていた可融素子が融けるとこのヒユーズに
アークが生ずる口電流が小さい時はアークは多くの可融
素子の遮断部分に並列に生ずるのでなく、全ての電流は
１つのアーク路に集中される。アークが生ずるのはアー
ク発生に最も適する条件を備えた可融素子の遮断部分に
おいてであって、アーク長が長くなるにつれて電流はア
ークなより発生しやすくなった他の可融素子の速断部分
へ移る。これらの条件の下における電流の転流は知られ
ている現象であるが、本願発明者が知っている限りでは
、いままでは高電圧ヒユーズにおいては写真撮影された
り、オツシログラフで表示されたことはない。アークの
生じている可融素子の温度はその可融素子の全長にわた
ってほぼその融点になっているから、１つの可融素子に
アークが生ずるとその可融素子のアークの根にあたる部
分が融けてアークは急速に長くなり、切れ目１６ばかり
でなく、切れ目の間の部分も融かす。したがって１つの
可融素子におけるアークはその可融素子の長さのほぼ大
部分にわ九って急速に延びることになる。このようにア
ークがその根からアークのとぶ向きとは逆の向きに急速
に延び、それから別の可融素子の切れ目が融けて新しい
アークが生ずる理由は、アークを生じている可融素子に
隣接している可融素子の一部がアークに直接接触するこ
と、アークにより発生された熱が伝えられることおよび
アークから離れている可融素子に流れ続けている電流に
より生じた熱が伝えられることによるものである。本発
明の１つの面に従って、可融素子の温度はその融点近く
に既に達しているから。

このように可融素子が急速に消費されることはとくに効
果的である。本願発明者が行った試験によれば、アーク
はある時刻には１つのアーク路に制限されるばかりでな
く、非常に動きやすくて、電流波の任意の点において転
流することが明らかに示されている。転流動作が終ると
全ての可融素子がその長さの大部分にわたって融かされ
る。融けたことにより生じた間隙は回路の回復電圧に十
分耐えることができ、非常に小さい回路電流が効果的に
遮断される。

以上の説明から１本発明の重要な特徴は可融素子のため
に選択される特定の材料に関するものである。小さな電
流を効果的Ｋｉｌ断するために可融素子の材料の融点は
３５０℃と低くなければならない。アークが消えた後の
一絶縁耐力を高くするため、Ｋ、アークにエリ形成され
た酸化物の電気抵抗値は高くなければならないロカドミ
ウムが非常に望ましい材料であることが試験によって判
明している。カドミウムの純度は９５−９９．９９９１
にできる〇カドミウムの融点は約３２１℃と比較的低く
、またその蒸発湿層も約７５０℃と比較的低い。カドミ
ウムの蒸気が酸化され、粒状の充填材により冷却される
と、それも良い絶縁体となる。小電流の場合にはカドミ
ウム可融素子はそのほぼ全長にわたって融かされ、した
がって再び加えられる回復電圧に耐えることができる０ 純カドミウムは典型的なヒユーズ動作条件の下において
下記の４種類の主な劣化機構にさらされることが見出さ
れている。

１、昇華 ２、腐食 ３、機械的疲労 ４、侵食による摩耗 上記の機構は、変化する負荷電流と、その結果として、
それらの可融素子が埋込まれている砕砂に対して可融素
子が少し動くことにより可融素子の温度条件が連続して
変化することにより悪化させられる。

高゛１圧電流制限ヒユーズの構造にはカドミウムは用い
られていなかったから、高温条件の下におけるカドミウ
ムの長期間経時変化を調べることが望ましかった。カド
ミウムを制御された雰囲気の中で行った試験により、高
温の真空中ではカドミウムｑ非常に急速に昇華すること
が判明している。

カドミウムの昇華速度を酸素中と窒素中、および酸素と
窒素の混合ガス中で測定した結果、純金属は高電圧汎用
ヒユーズの環境においては満足できる寿命を示さないと
いう結論に達した。

昇華を効果的に減少させるための被覆材として用いるた
め［６種類の金属を選択した。選択された被覆材はカド
ミウム中に望ましくない拡散を行わないような金属であ
った◎可融素子全体を保饅するために可融素子に切れ目
を入れた後で被覆を施した一完全に制御された環境にお
いて自動微小平衡測定（ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍ１ｃｒ
ｏｂａｌａｎｃｅ　ｍｅａａｕｒ−ｅａｍｅｎｔ）　ｉ
ｋ基にシテ１０　　グラムの確度又昇華速度試験を行っ
た結果を次の表に示す◎また。乙の試験の結果を第５図
にグラフで示す口 本発明によれば、被覆金属の融点はカドミウムの融点よ
り縞くなくてはならず、かつ力Ｐミウムの希望のパル２
７１！性の変化を阻止するために被覆金属がカドミウム
素子内へ大きな金属間拡散をしてはならない。被覆はほ
ぼ非多孔質でなければならず、かつ、０．１〜１０ミク
ロンのほぼ一様な厚さでなければならない、また、被覆
はカドミウムの融点以下の温度では昇華してはならない
。

不発、明に従って、金属被覆に用いる金属はニッケｈ＊
　鉄、アルミニウム、クロム、マンガン、ベリリウムよ
りｉｒＫる金属群から選択される。試験によれば、ニッ
ケル、クロム、アルミニウムがそれらの金属を被覆され
たカドミウム可融素子の昇華をほとんどなくすのにとく
に有効であることが示されている。それらの被覆は腐食
防止、機械的強度の向上、耐侵食性の向上にも寄与する
。

それらの被覆に電着、真空蒸着、または非電気的な方法
で施すことができる。第４図にはカドミウム可融素子と
被覆は参照番号１７．１８でそれぞれ示されている。

本発明のヒユーズは、トランス、コンデン、開閉器など
のように液体が充されている装置の保護に用いるのにと
くに適する。大電流を急速に制限でき、かつ比較的小さ
な異常電流により、ヒユーズ全体の温度を、ヒユーズ自
体を破壊したり、ヒユーズに近接している絶縁部品に損
傷を与えたりするような非常に高い温度まで上昇させる
ことなしに、比較的小さな異常電流により可融素子の融
点近くの温度まで温度上昇できるという事実を一般の理
由として、ヒユーズの定格電流より少し大きな電流で確
実に動作するヒユーズが得られる。

本発明の可融素子に施された被覆によりヒユーズの耐久
性が高まる。正常な全負荷状聾の下では。

可融素子の温１１．は１５０℃を大きくはこえない。

通常は１本発明の可融素子は、正常な寿命期間中は、１
５０℃を矢きくこえない温度に対して、その最初の重量
と最初の体積の少くとも５０チを維持する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヒユーズの一実施例の斜視図。 第２図は第１図に示すヒユーズの一部を切り欠いて示す
縦断面図、第３図は第２図に示す可融素子の拡大斜視図
、第４図は第３図の４−４線に沿う拡大断面図、第５図
は被覆を施された可融素子と被覆を施されていないカド
ミウム可融素子を種々の条件の下で試験して得た重量−
損失特性の結果を示すグラフである。 １・・・ハウジング、２．３・・・１１１部キャップ、
１０・・・珪砂、１１〜１５・・・可融素子、１６・・
・切れ目、１７・・・カドミウム可融素子２１８・・・
被覆０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、カドζラムで作られた細長い素子と、この細長い素
   子の昇華、腐食１機械的な疲労および侵食を含め元融解
   の前段における劣化を効果的に阻止するために前記細長
   い素子のほぼ全外面を覆う厚さが０．１〜１０ミク四ン
   である金属被覆とで構成され、その金属被覆はカドミウ
   ムの融点より高い融点を有する金属で構成され、その金
   属はニッケル、鉄、アルミニウム、クロム、マンガン、
   ベリリウムより成る群から選択されることを特徴とする
   ヒユーズ用の可融素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記被覆はニッケルで構成されることを特徴とする可融素
   子口 ３、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記被覆は鉄で構成されることを特徴とする可融素子□ ４、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記被覆はアルミニウムで構成されることを特徴とする可
   融素子０ ５、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記被覆はクロムで構成されることを特徴とする可融素子
   。 ６、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記被覆はマンガンで構成されることを特徴とする可融素
   子。 ７、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記被覆はベリリウムで構成されることを特徴とする可融
   素子。 ８、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、前
   記細長い素子には横断面が小さくされた領域が複数個長
   手方向に沿って作られ、前記金属被ｌｌｌ１は横断面が
   小さくされた前記領域を含めて前記細長い素子の外面全
   体を被覆するように構成されることを特徴とする可融素
   子〇９、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって
   、前記金属被覆の厚さはほぼ一様であることを特徴とす
   る可融素子０ １０、特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、
   前記金属被覆はほぼ非多孔質であることを特徴とする可
   融素子＠ １１、特許請求の範囲第１項記載の可融素子でありて、
   大気圧の下でカドミウムの融点以下の温度では前記金属
   被覆は昇華しないことを特徴とする可融素子Ｃ 迄特許請求の範囲第１項記載の可融素子であって、１５
   ０℃を大幅にこえない温度では、可融素子はその通常の
   寿命の間はその最初の重量の少くとも９５％を保つこと
   を特徴とする可融素子。 １λ蟻低１０００ボルトの回路に使用するための汎用電
   流制限ヒユーズ用ダ融素子であって、前記可融素子は純
   度が９５〜９９．９９９−のカドミウムで構成された細
   長い素子と、この細長い素子上の金属被覆とで形成され
   、カドミウムで作られた前記細長い素子と前記金属被覆
   との境界面は、カドミウムの融点以下の温度では、被覆
   金属のカドミウム可融素子中への金属拡散がほとんど起
   きないようなものであることを特徴とする汎用電流制限
   ヒユーズ用可融素子。 １４、カドミウムで作られた細長い素子と、この細長い
   素子を０．１〜１０ミクｉンのほぼ一様な厚さで糧うほ
   ぼ非多孔質の金属被覆とを備え、カドミウムの融点以下
   の温度では被覆金属のカドミウム素子への金属拡散はほ
   とんど起きないことを特徴とするヒユーズ用可融素子。 １５、最低１０００ボルトの回路で使用するための汎用
   電流制限ヒユーズであって、ヒユーズによる回路遮断の
   後の回路回復電圧に耐えることができるように作られた
   絶縁材料製の管状ハウジングと、この管状ハウジングの
   各端部にとりつけられてそのハウジングの閉じ素子を構
   成する端子キャップと、前記ハウジングの中にほぼ充さ
   れる砕砂と、純度が９５〜９９．９９９１のカドミウム
   により形成され、前記砕砂の中に埋込まれて前記砕砂に
   エリ支持され、端部が前記端子キャップにそれぞれ接続
   されてそれらの端子キャップの間に複数の並列導電路を
   形成する複数のらせん状可融素子と、それらの可融素子
   を覆う０」〜１０ミクロンのほぼ一様な厚さのほぼ非多
   孔質性の金属被覆とを備え、カドミウムの融点以下の温
   度ではカドミウム素子中への被覆金属の金属拡散がほと
   んど起らず、前記可融素子はヒユーズの定格電流の何倍
   かの電流で融けて、高い電流制限能力で電流を遮断し、
   前記可融素子は正規の定格電流より僅かに大きい電流に
   よりその可融素子のほぼ融点まで加熱されて、それらの
   可融素子をでたらめな順序で融かし、それらの可融素子
   が融けｔ後でアークが生じ、それらのアークは転流作用
   により前記可融素子においてでたらめな順序で消される
   ことを特徴とする汎用電流制限ヒユーズ。 １ら特許請求の範囲第１５項記載のヒユーズであって、
   前記各カドミウム可融素子の長さ方向に沿って横断面の
   小さい領域の複数の切れ目が設けられ、可融素子の横断
   面が小さくされている部分を効果的に樋うように可融素
   子に前記切れ目が設けられた後で前記被覆を施すことを
   特徴とするヒユーズ。