JPWO2003009323A1 - 温度ヒューズ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器や家庭用電気製品などが異常高温となるのを防止するために取付ける温度ヒューズに関する。
背景技術
温度ヒューズの構造および機能を図1および図2にもとづき説明する。図1は温度ヒューズの平常時の断面図であり、図2は作動後の断面図である。温度ヒューズは図1に示すとおり金属ケース1、リード線2,3、絶縁材5、圧縮バネ8,9、可動電極4および感温材7を主要構成要素とし、可動電極4は導電性の金属ケース1の内面に接触しながら移動し得る。可動電極4と絶縁材5の間には圧縮バネ8、また可動電極4と感温材7の間には圧縮バネ9がある。平常時には圧縮バネ8,9はそれぞれ圧縮状態にあり、圧縮バネ8より圧縮バネ9の方が強いため、可動電極4は絶縁材5側に付勢され、可動電極4はリード線2に圧接されている。したがってリード線2,3を電子機器などの配線に接続すると、電流はリード線2から可動電極4へ、可動電極4から金属ケース1へ、金属ケース1からリード線3へと伝わり通電する。感温材は有機物質、たとえば150℃の融点を有するアジピン酸などを使用することができる。所定の作動温度に達すると感温材7は軟化しまたは溶融し、圧縮バネ9からの負荷により変形する。このため温度ヒューズを接続する電子機器などが過熱し所定の作動温度に達すると感温材7は変形し、圧縮バネ9を除荷し、圧縮バネ9の伸張に応動して圧縮バネ8の圧縮状態が解放され、圧縮バネ8が伸張することにより図2に示すとおり可動電極4とリード線2とは離隔し通電が遮断される。このような機能を有する温度ヒューズを電子機器などの配線に接続することにより、機器の異常過熱による機器本体の破損や火災などを事前に防止することができる。
温度ヒューズは接続する機器の温度が急速に上昇する場合には、感温材7が急速に軟化溶融し変形するため、リード線2と可動電極4との離隔は急速に行なわれる。しかし温度が緩慢に上昇する場合には、感温材7は緩慢に軟化溶融し変形するため、リード線2と可動電極4との離隔も緩慢に進む。この結果、リード線2と可動電極4との間に局部的に微小なアークが発生しやすく、アークにより可動電極4とリード線2とが溶着し、温度ヒューズとしての機能を果たさなくなるという問題がある。
たとえば可動電極4の材料としてAg−CdOを選択する場合、Ag−CdOは電気抵抗が低く熱伝導性が高い点で優れているが、リード線2と可動電極4との間にアークが発生すると、CdOは蒸気圧が高いためアークにより密閉された空間にCdOが盛んに揮発し昇華することや、可動電極4がAg−CdOよりなるために、変形しやすいことなどの事由により、リード線2との溶着現象が生じやすくなるという問題がある。
このような溶着の問題は、Ag−CdO中のCdOの含有量を増加することにより改善するが、CdOの含有量を増加するとリード線2との接触抵抗が増加し接触部分の温度上昇を招きやすくなり、温度ヒューズとしての性能が低下するという問題がある。
可動電極4の材料としてAg合金酸化物材料を用いる場合、Ag合金酸化物材料中に点在する酸化物が微粒子であれば溶着の問題が生じにくくなるが、酸化物を微粒子にするとリード線2との接触抵抗が増加し、接触部の温度上昇に伴い前述した温度ヒューズの性能低下という問題が生じる。
本発明は、温度ヒューズを接続する機器の温度上昇が緩慢な場合であっても可動電極とリード線2との溶着トラブルがなく、通電時の電気抵抗の小さい温度ヒューズを提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、感温材が作動温度で溶融して圧縮バネを除荷し、圧縮バネが伸張することによって、圧縮バネにより圧接されていた可動電極とリード線とが離隔して電流を遮断する温度ヒューズにおいて、前記可動電極の材料がAgを99〜80重量部とCuを1〜20重量部含む組成の合金を内部酸化処理をすることにより得られ、該材料の表層の酸化物希薄層の厚さが5μm以下であり、材料中の酸化物粒子の平均粒径が0.5〜5μmであることを特徴とする。
この内部酸化処理は酸素分圧0.3〜2MPaで行なうことが好ましい。
本発明の温度ヒューズにおいて可動電極の材料はSnまたはInの少なくとも1種を0.1〜5重量部含む組成の合金より得ることができる。
また可動電極の材料はFe、Co、NiおよびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を0.01〜1重量部含む組成の合金より得ることができる。
本発明において可動電極の材料はSnまたはInの少なくとも1種を0.1〜5重量部、さらにFe、Co、NiおよびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を0.01〜1重量部含む組成の合金より得ることが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、可動電極の材料がAgおよびCuを含む合金を内部酸化処理することにより得られ、該材料の表層の酸化物希薄層の厚さが5μm以下であり、材料中の酸化物粒子の平均粒径が0.5〜5μmである温度ヒューズに関する。
可動電極の材料はAgおよびCuを含む合金を内部酸化処理することにより得られる。Agマトリックスに配するCu酸化物はCd酸化物より高温における蒸気圧が低いため、リード線2と可動電極4との間に局部的な微小アークが発生しても、Cu酸化物はCd酸化物に比べて揮発、昇華を起こしにくい。したがって従来のCd酸化物に代えてCu酸化物を配することにより、可動電極4とリード線2との溶着を効果的に抑制することが可能となる。
可動電極の原料である合金中に占めるAgとCuの組成は、Agが99〜80重量部に対してCuは1〜20重量部であり、好ましくはAgが94〜86重量部に対してCuは6〜14重量部であり、より好ましくはAgが92〜88重量部に対してCuは8〜12重量部である。Agの99重量部に対してCuの配合量が1重量部未満になると、Cuの効果が不充分となって可動電極4とリード線2との溶着が起こりやすくなり、温度ヒューズとしての機能を果たさなくなる。一方Agの80重量部に対してCuの配合量が20重量部より多くなると、リード線2と可動電極4との接触部における電気抵抗が大きくなり、通電時に接触部の温度が上昇し、温度ヒューズの性能を低下させる。
本発明において可動電極4の材料はAgおよびCuを含む合金を内部酸化処理することにより得られる。内部酸化処理とは、酸素が十分に供給され得る雰囲気中で合金が高温にさらされたような場合に、合金の表面から内部へ酸素が拡散することにより組成金属の表層が選択的に酸化することをいう。AgおよびCuの合金を内部酸化処理することによりCuが選択的に酸化され、酸化物として合金内にCuOが生じる。本発明では可動電極の材料としてAg−CuOの合金を用いる代わりに、AgおよびCuの合金を所定の条件で内部酸化処理したものを用いることにより、該材料の表層の酸化物希薄層の厚さを5μm以下とし、材料中の酸化物粒子の平均粒径を0.5〜5μmとすることができ、温度上昇が緩慢な場合でも溶着トラブルがなく、通電時の電気抵抗も小さい温度ヒューズを提供することができる。
本発明の温度ヒューズにおいて可動電極の材料はSnまたはInの少なくとも1種を含む組成の合金より得ることができる。SnやInを配合することにより内部酸化処理後、(Cu−Sn)Ox、(Cu−In)Ox、(Cu−Sn−In)Oxなどの複合酸化物となり、リード線と可動電極との間で局部的に発生する微小アークに対する耐溶着性の向上が顕著となる。
原料である合金中に占めるSnやInの組成は、Agの99〜80重量部およびCuの1〜20重量部に対して0.1〜5重量部が好ましく、より好ましくは0.5〜4重量部であり、特に好ましくは1〜3重量部である。SnやInが0.1重量部より少ないとアーク特性を十分に改善することができず、一方5重量部より多いと接触抵抗の増加を招く原因となる。SnやInを合金成分全体の0.1〜5重量%、AgおよびCuを99.9〜95重量%含む組成が好ましい。
可動電極の材料はFe、Co、NiおよびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む組成の合金より得ることができる。内部酸化処理中は酸化物と未酸化物との急激な濃度勾配が生じるため、未酸化物が内部から表層に向かって移動し表層と内部では不均質な状態が生じやすい。Fe、Co、Ni、Tiを配合することにより、内部酸化処理時の未酸化物の移動を抑制し、酸化物の均質な分散が得られる。
原料である合金中に占めるFe、Co、Ni、Tiの組成は、Agの99〜80重量部およびCuの1〜20重量部に対して0.01〜1重量部が好ましく、より好ましくは0.05〜0.5重量部であり、特に好ましくは0.2〜0.4重量部である。Fe、Co、Ni、Tiの配合量が0.01重量部より少ないと内部酸化処理時に未酸化物の移動を十分に抑制することができず酸化物の均質な分散が得られにくくなる。一方、1重量部より多いと結晶粒界などに粗い酸化物を形成し、接触抵抗の増加の原因となる。Fe、Co、Ni、Tiを合金成分全体の0.01〜1重量%、AgおよびCuを99.99〜99重量%含む組成が好ましい。
より好ましい実施態様として、本発明ではAgを99〜80重量部、Cuを1〜20重量部、SnまたはInの少なくとも1種を0.1〜5重量部、さらにFe、Co、NiおよびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を0.01〜1重量部含む組成の合金を可動電極用材料の原料とすることができる。かかる組成の合金から得られる可動電極は、各成分の長所を単に合成した以上に接触抵抗の低い材料となり、通電時の温度上昇を抑制できるとともに、耐アーク性も優れているというような相乗効果が得られる。SnやInを合金成分全体の0.1〜5重量%、Fe、Co、Ni、Tiを0.01〜1重量%、AgおよびCuを99.89〜94重量%含む組成が好ましい。
可動電極の表層にある酸化物希薄層の厚さは5μm以下であり、好ましくは3μm以下、より好ましくは1μm以下である。酸化物希薄層が5μmより厚いと表層が純Agに近い組成となるため、可動電極4とリード線2との溶着が起きやすくなる。ここで可動電極の表層とは、可動電極の表面から約20μmまでの範囲の層をいい、酸化物希薄層とは酸化物の濃度が約1重量%より低い層をいう。
可動電極4の表層にある酸化物粒子の平均粒径は0.5〜5μmであり、好ましくは1〜4μmであり、より好ましくは2〜3μmである。酸化物粒子の平均粒径が0.5μm未満ではリード線2と可動電極4との接触部において酸化物粒子の粒径が微細なため、溶着しやすくなる。一方、酸化物粒子の平均粒径が5μmより大きいと、接触抵抗が高くなるため、溶着しやすくなる。
可動電極の材料は前記組成の合金を好ましくは酸素分圧0.3〜2MPaで内部酸化処理することにより製造することができる。内部酸化処理時の酸素分圧は0.3〜2MPaが好ましく、より好ましくは0.4〜1MPaであり、特に好ましくは0.5〜0.9MPaである。内部酸化処理時の酸素分圧は、可動電極の表層における酸化物希薄層の生成を抑制するとともに酸化物粒子の平均粒径を0.5〜5μmに調整する上で重要である。すなわち、酸素分圧が0.3MPa未満であると酸化物希薄層の生成を抑制する作用が不十分となって溶着が生じやすくなり、また酸化物粒子の平均粒径が5μmより大きくなる。一方酸素分圧が2MPaより大きいと酸化物粒子の平均粒径が0.5μm未満となってしまう結果、前述のように可動電極表層が溶着しやすくなる。内部酸化処理時の温度は500〜780℃が好ましく、550〜700℃がより好ましい。500℃より低いと十分に酸化反応が進まず、一方、780℃より高温であると、酸化物希薄層の厚さや酸化物粒子の大きさを制御しにくくなる。
本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例1〜18
可動電極の原料となる合金成分を表1に示す組成で混合し、融解、鍛造後、所定の厚さにまで圧延した。内部酸化炉を用い、酸素分圧0.5MPa、550℃で30時間かけて内部酸化処理を行なった。続いて仕上げ圧延加工を行ない、プレス加工により所定の形状をした可動電極を得た。各可動電極について表層の酸化物希薄層の厚さおよび酸化物粒子の大きさ(平均粒径)を評価した。また図1に示す構造を有する温度ヒューズに、150℃の融点を有するアジピン酸からなる感温材および前記各種原料から得られた可動電極を実装し、DC30V、20A、昇温速度1℃/分に設定して通電試験および電流遮断試験を行なった。
(評価方法)
1.酸化物希薄層の厚さ
図3に示すように、可動電極4の断面において、酸化物濃度が1%未満の領域をもって酸化物希薄層16とし、電子顕微鏡を用い、酸化物の定量分析を断面の最表層部から中心へ向けて1μm毎に行なう方法により、酸化物希薄層16の厚さを計測した。
2.酸化物粒子の大きさ
可動電極4の断面を金属顕微鏡にて、1000倍で酸化物粒子17の平均粒径を計測した。
3.通電試験
温度ヒューズに10分間通電して、試験前後の金属ケース1の表面での温度差が10℃未満のものを○とし、10℃以上のものを×と評価した。
4.電流遮断試験
温度ヒューズに10分間通電した後、通電を続けながら試験環境の温度を、動作温度150℃よりも10℃高い160℃まで上昇させることにより、温度ヒューズを実際に動作させ、電流の遮断を試みた。試験後、可動電極とリード線2とが溶着しなかったもの、つまり電流を遮断できたものを○とし、溶着したもの、つまり電流を遮断できなかったものを×と評価した。
比較例1,2
Cuの代わりにCdを8.0重量部、12.0重量部配合した以外は実施例1〜3と同様な条件で可動電極を製造し、酸化物希薄層の厚さおよび酸化物粒子の大きさを評価し、通電試験および電流遮断試験を行なった。
可動電極用材料の原料の成分組成、各種評価結果を表1に示す。
実施例1〜3および比較例1,2から、可動電極用材料の原料としてCdを8.0重量部、12.0重量部用いた温度ヒューズはいずれも電流遮断試験において可動電極とリード線2が溶着したが、Cdの代わりにCuを1〜20重量部用いた温度ヒューズは溶着せず、設定温度である150℃で電流が確実に遮断された。
実施例4〜10から、可動電極の材料としてFe、Co、Ni、Tiを0.01〜1重量部用いた温度ヒューズは、酸化物がさらに均質に分散しており、Fe、Co、Ni、Tiは内部酸化処理時に合金内における未酸化の溶質元素の移動を抑制する効果のあることがわかった。
実施例11〜15から、可動電極4の材料としてSn、Inを0.1〜5重量部用いた温度ヒューズは、試験後の可動電極4の観察により、Sn、Inはリード線2と可動電極4の接触部におけるアーク特性を安定的に高める効果のあることがわかった。
実施例16〜18から、可動電極の材料としてFe、Co、Ni、TiおよびSn、Inを併用することにより、接触抵抗が低くなり、通電時の温度上昇を抑制でき、試験後の可動電極の変形がより少なくなるという効果を発揮した。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
産業上の利用可能性
本発明によれば温度ヒューズを接続する機器の温度上昇が緩慢な場合であっても可動電極4とリード線2との溶着トラブルがなく、通電時の電気抵抗の小さい温度ヒューズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は温度ヒューズの平常時の断面図であり、図2は温度ヒューズの作動後の断面図である。また、図3は本発明に係る可動電極の表層部の断面図を表す模式図である。
Claims (5)
- 感温材(7)が作動温度で溶融して圧縮バネ(9)を除荷し、圧縮バネ(9)が伸張することによって、圧縮バネ(9)により圧接されていた可動電極(4)とリード線(2)とが離隔して電流を遮断する温度ヒューズにおいて、前記可動電極(4)の材料はAgを99〜80重量部とCuを1〜20重量部含む組成の合金を内部酸化処理をすることにより得られ、該材料の表層の酸化物希薄層の厚さが5μm以下であり、材料中の酸化物粒子の平均粒径が0.5〜5μmであることを特徴とする温度ヒューズ。
- 内部酸化処理を酸素分圧0.3〜2MPaで行なうことを特徴とする請求項1記載の温度ヒューズ。
- 可動電極(4)の材料はAgを99〜80重量部、Cuを1〜20重量部、さらにSnまたはInの少なくとも1種を0.1〜5重量部含む組成の合金を内部酸化処理をすることにより得られることを特徴とする請求項1記載の温度ヒューズ。
- 可動電極(4)の材料はAgを99〜80重量部、Cuを1〜20重量部、さらにFe、Co、NiおよびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を0.01〜1重量部含む組成の合金を内部酸化処理をすることにより得られることを特徴とする請求項1記載の温度ヒューズ。
- 可動電極(4)の材料はAgを99〜80重量部、Cuを1〜20重量部、SnまたはInの少なくとも1種を0.1〜5重量部、さらにFe、Co、NiおよびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を0.01〜1重量部含む組成の合金を内部酸化処理をすることにより得られることを特徴とする請求項1記載の温度ヒューズ。
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