WO2003092029A1 - Dispositif de protection contre les elevations de temperature - Google Patents

Dispositif de protection contre les elevations de temperature Download PDF

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WO2003092029A1
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Katsuaki Suzuki
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Tyco Electronics Raychem K.K.
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    • H01H37/761—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material with a fusible element forming part of the switched circuit

Definitions

  • the present invention relates to a temperature protection element that constitutes a circuit of an electric device such as a home electric appliance, and that when a surrounding environmental temperature exceeds a predetermined temperature, the power supply to the circuit is released to ensure the safety of the electric device.
  • a temperature protection element that constitutes a circuit of an electric device such as a home electric appliance, and that when a surrounding environmental temperature exceeds a predetermined temperature, the power supply to the circuit is released to ensure the safety of the electric device.
  • Most home appliances use a temperature protection element that shuts off power to the circuit when the surrounding environmental temperature exceeds a limit value to ensure the safety of the equipment.
  • These types of temperature protection devices include relatively inexpensive tubular fuses, nailed fuses, plug fuses, etc., but these are generally small in rated current (about 2 A (amperes)).
  • the circuit current used is relatively large (about 15 to 20 A) like a microwave oven. It cannot be used for home appliances. Therefore, in such home appliances, a breaker using a bimetal may be used as a temperature protection element.
  • this bimetal type breaker has a large number of parts and a complicated structure, and is extremely expensive compared to the various types of fuses described above, which is one factor that increases the manufacturing cost of home electric appliances.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a temperature protection element having a simple structure and which can be procured at low cost.
  • the temperature protection element of the present invention includes: a polymer PTC element having a conductive polymer interposed between two electrodes; and a metal member joined to one electrode of the polymer PTC element. The state in which electricity is supplied between the other electrode of
  • a temperature protection element that is released when the surrounding environmental temperature exceeds a predetermined temperature
  • the conductive polymer is provided with a property of thermally expanding when the environmental temperature exceeds the predetermined temperature, and a material that is melted by heat generation of the conductive polymer that has been overheated by thermal expansion is selected for the metal member. It is characterized by having been done.
  • the conductive polymer is, for example, a polymer resin body formed by kneading polyethylene and carbon black and then crosslinking by radiation. Under the normal temperature environment, a large number of conductive paths through which current flows are formed inside the conductive polymer due to the presence of the carbon black particles in a normal temperature environment, and good conductivity is exhibited.
  • the temperature protection element of the present invention is installed in a circuit of an electric device so as to be energized between the other electrode of the polymer PTC element and the metal member.
  • a predetermined current flows through this circuit under an environment of normal temperature, the conductive polymer exhibits good conductivity, and the energized state of the circuit is ensured.
  • the conductive polymer will affect the heat transmitted from the surroundings. As a result, the internal conductive path is cut off and the resistance value increases rapidly. In addition, by increasing the resistance value, the heat generated by the overheated conductive polymer causes the metal member to melt and break between the other electrode of the polymer PTC element and irreversibly cut off the current-carrying state.
  • the temperature protection element of the present invention functions as described above to ensure the safety of electrical equipment, but its structure is similar to that of a polymer in which a conductive polymer is interposed between two electrodes—a PTC element.
  • the temperature protection element of the present invention comprises a first polymer PTC element having a conductive polymer interposed between two electrodes, and a second polymer PTC element having a conductive polymer interposed between the two electrodes.
  • An element a first metal member laid between and joined to one electrode of the first polymer PTC element and one electrode of the second polymer PTC element, and A first metal PTC element, comprising: a second metal member laid between and joined to the other electrode of the first polymer PTC element and the other electrode of the second polymer PTC element;
  • the state in which electricity is supplied between one electrode of the element and the other electrode of the second polymer PTC element via the first and second metal members is such that the surrounding environmental temperature exceeds a predetermined temperature.
  • Temperature protection element to be released in response to
  • the conductive polymer of each of the first and second polymer PTC elements is given a property of thermally expanding when the environmental temperature exceeds the predetermined temperature, and the first and second metal members are provided with: A material that is melted by heat generation of the conductive polymer that has been overheated by thermal expansion is selected.
  • the temperature protection element of the present invention is composed of two polymer PTC elements in which a conductive polymer is interposed between two electrodes and two metal members having relatively low melting points, and is a component compared to a bimetal type breaker. Since the number is small and the structure is simple, inexpensive manufacturing costs can be realized. In addition, because the current-carrying paths are configured in parallel, it is possible to handle very small electrical equipment with relatively high circuit current.
  • FIG. 1 is a view showing a first embodiment of the temperature protection element of the present invention, and is a perspective view of the temperature protection element from one side.
  • FIG. 2 is a view showing a first embodiment of the temperature protection element of the present invention, and is a perspective view of the temperature protection element from the other side.
  • FIG. 3 is a graph showing a relationship between a conduction time and a surface temperature of a polymer PTC element when the temperature protection element of the present invention is installed in a circuit of an electric device.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a conduction time and a surface temperature of a polymer PTC element when the temperature protection element of the present invention is installed in a circuit of an electric device.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the temperature protection element of the present invention, and is a perspective view of the temperature protection element from one side.
  • FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the temperature protection element of the present invention, and is a perspective view of the temperature protection element from the other side.
  • FIGS. 1 and 2 A first embodiment of the temperature protection device of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • reference numeral 1 denotes a Bolimer PTC element
  • 2 denotes a metal member
  • 3 and 4 denote terminals joined to the polymer PTC element 1 and the metal member 2 so as to be able to conduct electricity.
  • the polymer PTC element 1 is composed of a rectangular plate-shaped conductive polymer 5 and metal electrodes 6 and 7 having the same shape and dimensions as those of the conductive polymer 5 and joined to both side surfaces thereof.
  • the polymer PTC element 1 having such a structure is obtained by cutting out a work in which nickel foils serving as the electrodes 6 and 7 are pressure-bonded to both surfaces of a raw plate of a conductive polymer having a uniform thickness.
  • Terminals 3 and 4 are connection terminals when installing the temperature protection element of the present embodiment in an electric circuit.
  • the conductive polymer 15 is, for example, a polymer resin body formed by kneading polyethylene and carbon black and then crosslinking by radiation. A large number of conductive paths through which current flows are formed inside the conductive polymer 5 at normal temperature due to the presence of the carbon black particles in a normal temperature environment, and good conductivity is exhibited. However, when the conductive polymer 5 thermally expands due to an increase in the ambient temperature of the surrounding environment or an excess of the current flowing through the conductive path, the distance between the particles of the carbon black increases, the conductive path is cut, and the conductive path is cut off. It has the characteristic that it drops rapidly (the resistance value sharply increases).
  • the metal member 2 is formed of a material having a relatively low melting point in the shape of a thin strip, and is joined to one electrode 7 of the polymer PTC element 1 so as to be able to conduct electricity.
  • the terminal 3 is connected to the other electrode 6 constituting the polymer PTC element 1 so as to be able to conduct electricity, and the terminal 4 is electrically connected to the metal member 2 without contacting the polymer PTC element 1 at all. These serve as connection terminals when the temperature protection element of the present embodiment is installed in an electric circuit.
  • the temperature protection element configured as above triggers the circuit current; d A (ampere)
  • the following properties are given to the conductive polymer 5 and the metal member 2 constituting the polymer PTC element 1 so as to function to cancel the problem. ⁇
  • the conductive polymer 5 generates heat due to the conduction of the circuit current qA, and raises its temperature higher than the current environmental temperature regardless of the environmental temperature. In addition to maintaining the temperature above the limit temperature of P ° C, the thermal expansion is started.
  • the temperature of the conductive polymer 5 in the energized state is always higher than the environmental temperature at that time.
  • the temperature of the conductive polymer 5 can only be equal to the environmental temperature, but generates heat by itself. The temperature will be higher by the minute). That is, when the environmental temperature reaches the limit temperature P ° C, the temperature of the conductive polymer 15 becomes r ° C higher than p ° C. Therefore, the conductive polymer 5 is provided with a feature that when the operating temperature exceeds r ° C, the thermal expansion starts when the operating temperature is r ° C.
  • the calorific value and the heat radiation amount are reduced.
  • a characteristic is given in which the temperature becomes an equilibrium state and keeps its temperature almost constant.
  • the temperature of the conductive polymer 5 when reaching the equilibrium state is about s ° C, which is higher than the operating temperature r ° C.
  • Such characteristics are provided by appropriately adjusting the content of carbon black in the conductive polymer 5 and the radiation dose during crosslinking, and appropriately setting the resistance value of the conductive polymer 5 during thermal expansion.
  • the metal member 2 has a melting point equal to or higher than the temperature (r ° C.) at which the conductive polymer 5 starts thermal expansion, and the calorific value of the conductive polymer 5 that has been overheated by thermal expansion.
  • a material whose calorific value is equal to or lower than the temperature (s ° C) at which equilibrium is reached is selected.
  • the melting point of the metal member 2 is set to t (r ⁇ t ⁇ s) ° C.
  • the temperature protection element configured as described above and having the above-described characteristics provided to the conductive polymer 15 and the metal member 2 constituting the polymer PTC element 1 is connected to an electric circuit having a circuit current of QA (ampere).
  • a current of q A is applied to this circuit under normal temperature environment, the terminal 3, electrode 6, conductive polymer 5, Current flows in the order of electrode 7, metal member 2, and terminal 4 (or vice versa).
  • Polymer The conductive polymer 5 that constitutes the PTC element 1 exhibits good conductivity under normal temperature environment, and ensures the circuit's current-carrying state.
  • the conductive polymer 5 expands due to the heat transmitted from the surroundings, and the internal conductive path is cut off to sharply increase the resistance value. Increase sharply. Further, the temperature of the conductive polymer 15 which has been heated by increasing the resistance value exceeds the melting point of the metal member 2, that is, the melting point of the metal member 2, and moves toward s ° C. 2 is blown, and the conduction between terminals 3 and 4 is irreversibly cut off.
  • the temperature protection element of the present embodiment functions as described above to ensure the safety of the electrical equipment that has exceeded the limit temperature.
  • the structure is such that the conductive polymer 5 is provided between the two electrodes 6 and 7. Interposed polymer PTC element 1 and metal part with relatively low melting point Composed of material 2, the number of parts is smaller and the structure is simpler than that of the bimetal type, and the manufacturing cost is low.
  • the conductive polymer 5 is kept at around s ° C because the calorific value and the heat radiation amount are balanced. Therefore, there is no danger that the conductive polymer 15 will be burned out and the two electrodes 6 and 7 will be short-circuited, and it is safe.
  • the conductive polymer 5 has a property of starting thermal expansion when the environmental temperature exceeds the limit temperature P ° C, and a heat generation and heat dissipation when the thermal expansion causes overheating. Is given the property of becoming an equilibrium state and keeping its temperature substantially constant. However, the following property may be given to the conductive polymer 5 instead of the latter property. In other words, as shown in Fig. 4, when it is thermally expanded and overheated, thermal runaway occurs, and it does not reach an equilibrium state but continues to rise in temperature and eventually breaks down. In this case, destruction means that the material is oxidized violently due to an increase in temperature, and the property is changed to a state without PTC characteristics.
  • the content of carbon black in the conductive polymer and the irradiation amount of radiation at the time of crosslinking are appropriately adjusted, and the resistance value of the conductive polymer 5 during thermal expansion is appropriately set.
  • the resistance value during thermal expansion can be suppressed to a lower value.
  • the conductive polymer 15 has a very wide range from the temperature at which thermal expansion starts (r ° C) to the temperature at which thermal runaway occurs and breaks down (u ° C). Therefore, when selecting the metal member 2, a material having a melting point within the temperature range may be used, so that the range of material selection is expanded, and it is possible to select a cheaper material. Also, by reducing the resistance value during thermal expansion, the voltage applied between terminals 3 and 4 during thermal expansion is reduced, so that the temperature protection device can be used in higher voltage circuits. Will be possible.
  • the temperature protection element of the present embodiment when an overcurrent far exceeding QL A flows through the conductive polymer 5 between the terminals 3 and 4, heat is generated and the temperature of the metal member is reduced.
  • the property of making the temperature higher than the melting point of 2 may be additionally provided.
  • FIGS. A second embodiment of the temperature protection device of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the same reference numerals are given to the components already described in the first embodiment, and description thereof will be omitted.
  • reference numerals 11 and 12 are both polymer PTC elements (first and second polymer PTC elements), 13 and 14 are both metal members (first and second metal members), Terminals 15 and 16 are bonded to the polymer PTC elements 11 and 12, respectively.
  • the structure and shape of the polymer PTC elements 11 and 12 are the same as the polymer PTC element 1 described in the first embodiment, and the polymer PTC element 11 is a rectangular plate-shaped conductive polymer 1. 7 and metal electrodes 18 and 19 of the same shape and dimensions as the conductive polymer 17 and bonded to both sides of the polymer.
  • the polymer PTC element 12 is a rectangular, plate-shaped conductive polymer. It comprises metal electrodes 21 and 22 having the same shape and dimensions as those of the conductive polymer 17 and joined to both side surfaces thereof.
  • the two polymer PTC elements 11 and 12 are arranged on the same plane with their respective sides parallel and separated.
  • the metal member 13 is made of a material having a relatively low melting point and is formed in a thin strip shape.
  • the metal member 13 is connected between one electrode 18 of the polymer PTC element 11 and one electrode 21 of the polymer PTC element 12. It is erected between them and connected to each other so as to be able to conduct electricity.
  • the metal member 14 is bridged between the other electrode 19 of the polymer PTC element 11 and the other electrode 22 of the polymer PTC element 12, and is connected to each other so as to be able to conduct electricity.
  • the two metal members 13, 14 are arranged as far apart as possible.
  • Terminal 15 is electrically connected to electrode 18 of polymer PTC element 11 without any contact with metal member 13.
  • Terminal 16 is connected to electrode 22 of polymer PTC element 12 and metal member 14. Are connected so as to be able to conduct without any contact. These serve as connection terminals when the temperature protection element of the present embodiment is installed in an electric circuit.
  • the temperature protection element When the ambient temperature exceeds the limit temperature (predetermined temperature); p ° C, the temperature protection element with the above configuration changes the energization state of the circuit current; qA (ampere).
  • the polymer PTC elements 11 and 20 and the metal members 13 and 14 constituting the polymer PTC elements 11 and 12 are provided with the polymer PTC elements according to the first embodiment. The same characteristics as those of the conductive polymer 1 and the metal member 2 that constitute 1 are given (see FIG. 3).
  • a temperature protection element configured as described above and provided with the above-described characteristics to the conductive polymers 17 and 20 and the metal members 13 and 14 constituting the polymer PTC elements 11 and 12 is provided. Install in a circuit of electrical equipment with a circuit current of dA (ampere) so that power is supplied between terminals 15 and 16. When a QA current is applied to this circuit in an environment at room temperature, the current splits into two parts and flows in parallel, while one current flows through terminal 15, electrode 18, metal member 13, electrode 21, and conductive Conducting polymer 20, electrode 22, metal member 2, terminal 16, and vice versa, and the other current flows through terminal 15, electrode 18, conductive polymer 17, electrode 19, metal member 14, the electrode 22, and the terminal 16 (or vice versa).
  • the conductive polymers 17 and 20, which make up the polymer PTC elements 11 and 12 exhibit good conductivity under normal-temperature environments, and the energized state of the circuit is ensured.
  • the conductive polymers 17 and 20 are affected by the heat transmitted from the surroundings. Expands and cuts the internal conductive path, causing the resistance to increase rapidly.
  • the temperature of the conductive polymer 17 and 20, which is heated by increasing the resistance value goes to s ° C beyond the melting point t ° C of the metal members 13 and 14, and the heat generated by the electrode 18 , 2 1 metal part 13 melts down, electrode 1 9
  • the metal member 14 is blown between the terminals 15 and 16, and the conduction between the terminals 15 and 16 is irreversibly cut off.
  • the temperature protection element of the present embodiment functions as described above to secure the safety of the electrical equipment that has exceeded the limit temperature, but its structure is relatively similar to that of the two polymer PTC elements 11 and 12. Consisting of metal members 13 and 14 with low melting points, the number of parts is smaller and the structure is simpler than that of a breaker for bimetallic eve, and the manufacturing cost can be kept low.
  • the temperature protection element of the present embodiment is configured such that the current-carrying paths are arranged in parallel, it is possible to cope with electrical equipment that is extremely small and has a relatively high circuit current.
  • the thermal expansion and overheating of each of the conductive polymers 17 and 20 causes thermal runaway, and the temperature rises without reaching an equilibrium state, and eventually increases.
  • Destructive properties may be provided (see Figure 4). According to this, a wider range of materials can be selected when selecting the metal members 13 and 14, and a cheaper material can be selected. Further, the temperature protection device can be used for a higher voltage circuit.
  • the temperature protection element of the present embodiment when an overcurrent far exceeding qA flows between the terminals 15 and 16 in the conductive polymers 17 and 20, heat is generated and its own temperature is reduced. A characteristic of raising the temperature higher than the melting point of the metal members 13 and 14 may be additionally provided. According to this, the function as an overcurrent protection element is added in addition to the function as an original temperature protection element, so that the versatility is greatly improved.

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Description

温度保護素子
技 ¼分野
本発明は、 例えば家電製品等の電気機器の回路を構成し、 周辺の環境温度が 所定の温度を越えると回路への通電明を解除して当該電気機器の安全を確保する ための温度保護素子に関する。
書 背景技術
ほとんどの家電製品には、 周辺の環境温度が限界値を越えると回路への通電 を解除して機器の安全を確保する温度保護素子が使用されている。 こういった 類の温度保護素子としては、 比較的安価な筒形ヒューズ、 つめ付きヒューズ、 プラグヒューズ等があるが、 これらは一般的に定格電流が小さいため （2 A ( アンペア） 程度） 、 例えば電子レンジのように使用する回路電流が比較的大き な （ 1 5〜2 0 A程度） 家電製品には使用することができない。 そこで、 こう いった家電製品には、 バイメタルを使ったブレーカを温度保護素子として代用 している場合がある。
しかしながら、 このバイメタルタイプのブレーカは部品点数が多く構造が複 雑で、 上記のような各種ヒューズと比較して非常に高価であり、 家電製品の製 造コストを引き上げる一因となっている。
発明の開示
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、 構造が単純で安価に調達 可能な温度保護素子を提供することを目的としている。 上記の課題を解決するために、 以下の手段を採用した。 すなわち本発明の温 度保護素子は、 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させたポリマー P T C 素子と、 該ポリマー P T C素子の一方の電極に接合された金属部材とを備え、 前記ポリマー P T C素子の他方の電極と前記金属部材との間に通電した状態を
、 周辺の環境温度が所定の温度を超過することを契機として解除する温度保護 素子であって、
前記導電性ポリマーに、 前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張 する特性が与えられ、 前記金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ポ リマ一の発熱によって溶融する材料が選択されていることを特徴とする。 導電性ポリマーは、 例えばポリエチレンとカーボンブラックとを混練した後 、 放射線によって架橋することで構成される高分子樹脂体である。 導電性ポリ マ一の内部には、 常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存在す るために電流が流れる多数の導電パスが形成され、 良好な導電性が発揮される 。 ところが、 周囲の環境温度の上昇や導電パスを流れる電流の超過等によって 導電性ポリマ一が熱膨張すると、 力一ポンプラックの粒子間距離が拡大して導 電パスが切られ、 導電性が急激に低下してしまう （抵抗値が急激に増大する）
。 これを導電性ポリマーの正の抵抗温度特性、 すなわち P T C (Positive Temperature Coefficient) といい、 本発明ではこの特性を利用している。
まず、 本発明の温度保護素子を、 電気機器の回路に、 ポリマー P T C素子の 他方の電極と金属部材との間に通電されるようにして設置する。 常温の環境下 でこの回路に所定の電流が流れると、 導電性ポリマーは良好な導電性を発揮し 、 回路の通電状態が確保される。
電気機器の過熱等の原因で本発明の温度保護素子を含む回路周辺の環境温度 が上昇し、 あらかじめ設定された限界温度 （所定の温度） を超えると、 導電性 ポリマーは周囲から伝わる熱に影響されて膨張し、 内部の導電パスが切られて 抵抗値を急激に増大させる。 さらに、 抵抗値を増すことで過熱した導電性ポリ マーの発熱によって金属部材が溶融してポリマー P T C素子の他方の電極との 間で断裂し、 不可逆的に通電状態が断たれる。 本発明の温度保護素子は上記のように機能して電気機器の安全を確保するの であるが、 その構造は、 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させたポリマ — P T C素子と、 比較的融点の低い金属部材とからなり、 バイメタルタイプの ブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純なので、 安価な製造コストを 実現できる。 本発明の温度保護素子は、 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させた第 1のポリマー P T C素子と、 同じく 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在さ せた第 2のポリマ一 P T C素子と、 前記第 1のポリマ一 P T C素子の一方の電 極と前記第 2のポリマ一 P T C素子の一方の電極との間に架設されてそれぞれ に接合された第 1の金属部材と、 前記第 1のポリマ一 P T C素子の他方の電極 と前記第 2のポリマ一 P T C素子の他方の電極との間に架設されてそれぞれに 接合された第 2の金属部材とを備え、 前記第 1のポリマー P T C素子の一方の 電極と前記第 2のポリマー P T C素子の他方の電極との間で前記第 1、 第 2の 金属部材を介して通電した状態を、 周辺の環境温度が所定の温度を超過するこ とを契機として解除する温度保護素子であって、
前記第 1、 第 2のボリマ一 P T C素子のそれぞれの導電性ポリマーに、 前記 環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張する特性が与えられ、 前記第 1 、 第 2の金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ポリマーの発熱によ つて溶融する材料が選択されていることを特徴とする。
本発明の温度保護素子は、 2つの電極の間に導電性ポリマ一を介在させたポ リマ一 P T C素子 2つと、 比較的融点の低い金属部材 2つとからなり、 バイメ タルタイプのブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純なので、 安価な 製造コストを実現できる。 しかも、 通電の経路が並列に構成されているため、 非常に小型でありながら回路電流の比較的高い電気機器への対応が可能となる
図面の簡単な説明 図 1は、 本発明の温度保護素子の第 1の実施形態を示す図であって、 温度保 護素子を一方の側面から斜視した図である。
図 2は、 本発明の温度保護素子の第 1の実施形態を示す図であって、 温度保 護素子を他方の側面から斜視した図である。
図 3は、 本発明の温度保護素子をある電気機器の回路に設置した場合の、 通 電時間とポリマー P T C素子の表面温度との関係を示すグラフである。
図 4は、 本発明の温度保護素子をある電気機器の回路に設置した場合の、 通 電時間とポリマー P T C素子の表面温度との関係を示すグラフである。
図 5は、 本発明の温度保護素子の第 2の実施形態を示す図であって、 温度保 護素子を一方の側面から斜視した図である。
図 6は、 本発明の温度保護素子の第 2の実施形態を示す図であって、 温度保 護素子を他方の側面から斜視した図である。
発明を実施するための最良の形態 .
[第 1の実施形態]
本発明の温度保護素子の第 1の実施形態を図 1ないし図 4に示して説明する 。 図 1および図 2において、 符号 1はボリマー P T C素子、 2は金属部材、 3， 4はポリマー P T C素子 1および金属部材 2にそれぞれ通電可能に接合さ れた端子である。 ポリマー P T C素子 1は、 矩形で板状の導電性ポリマ一 5と 、 導電性ポリマー 5と同形状、 同寸法でその両側面に接合された金属製の電極 6 , 7からなる。 このような構造のポリマー P T C素子 1は、 厚さが均一な導 電性ポリマーの生板の両面に、 電極 6 , 7となるニッケル箔をそれぞれ圧着し たワークを切り出したものである。 端子 3， 4は、 本実施形態の温度保護素子 を電気回路中に設置する際の接続端子となる。
導電性ポリマ一 5は、 例えばポリエチレンとカーボンブラックとを混練した 後、 放射線によって架橋することで構成される高分子樹脂体である。 導電性ポ リマー 5の内部には、 常温の環境下ではカーボンブラックの粒子が繋がって存 在するために電流が流れる多数の導電パスが形成され、 良好な導電性が発揮さ れるが、 周囲の環境温度の上昇や導電パスを流れる電流.の超過等によって導電 性ポリマー 5が熱膨張すると、 力一ボンブラックの粒子間距離が拡大して導電 パスが切られ、 導電性が急激に低下してしまう （抵抗値が急激に増大する） と いう特性を備えている。
金属部材 2は、 比較的融点の低い材料を細い短冊状に形成したもので、 ポリ マ一 P T C素子 1を構成する一方の電極 7に通電可能に接合されている。 端子 3は、 ポリマー P T C素子 1を構成する他方の電極 6に通電可能に接合され、 端子 4は、 ポリマー P T C素子 1に一切接することなく金属部材 2に通電可能 に接合されている。 これらは本実施形態の温度保護素子を電気回路中に設置す る際の接続端子となる。
上記のような構成の温度保護素子が、 周辺の環境温度が限界温度 （所定の温 度） ； p °Cを超過することを契機として、 回路電流； d A (アンペア） の電気 回路の通電状態を解除するべく機能するように、 ポリマー P T C素子 1を構成 する導電性ポリマー 5、 および金属部材 2には次のような特性が与えられてい る。 ·
まず、 導電性ポリマ一 5には、 図 3に示すように、 回路電流である q Aの通 電により発熱し、 環境温度の高さに関係なく自らの温度をそのときの環境温度 よりも高温に保つとともに、 環境温度が限界温度である P °Cを超過すると熱膨 張を開始する特性が与えられている。
詳述すると、 導電性ポリマー 5は、 熱膨張していなくても通電されれば僅か ながら抵抗を生じて発熱する。 そのため、 通電状態にある導電性ポリマー 5の 温度はそのときの環境温度よりも常に高温になる （通電状態になければ導電性 ポリマ一 5の温度は環境温度と同等にしかならないが、 自ら発熱する分だけ高 温になる） 。 つまり、 環境温度が限界温度である P °Cに達したときに、 導電性 ポリマ一 5の温度は p °Cよりも高い r °Cとなる。 そこで、 導電性ポリマー 5に は、 作動温度を r °Cとして自らの温度が r °Cを超過すると熱膨張を開始する特 定が与えられているのである。
さらに、 導電性ポリマ一 5には、 熱膨張して過熱すると発熱量と放熱量とが いずれ平衡状態となって自らの温度をほぼ一定に保つ特性が与えられている。 平衡状態に至ったときの導電性ポリマー 5の温度は作動温度の r °Cよりも高い s °C前後となる。
このような特性は、 導電性ポリマー 5中のカーボンブラックの含有量や架橋 の際の放射線の照射量を適宜調節し、 導電性ポリマー 5の熱膨張時の抵抗値を 適宜に設定することにより与えられる。
次に、 金属部材 2には、 その融点が導電性ポリマー 5が熱膨張を開始する温 度 （r °C) 以上であって、 かつ熱膨張して過熱した導電性ポリマー 5の発熱量 と放熱量とが平衡状態となる温度 （s °C) 以下である材料が選択されている。 ここでは、 金属部材 2の融点を t ( r≤ t≤ s ) °Cとする。
上記のように構成され、 かつポリマー P T C素子 1を構成する導電性ポリマ 一 5、 および金属部材 2に上記のような特性を与えられた温度保護素子を、 回 路電流が Q A (アンペア） の電気機器の回路に、 端子 3 : 4間に通電がなされ るようにして設置し、 常温の環境下でこの回路に q Aの電流を通電すると、 端 子 3、 電極 6、 導電性ポリマ一 5、 電極 7、 金属部材 2、 端子 4の順 （もしく はその逆） に電流が流れる。 ポリマー P T C素子 1を構成する導電性ポリマー 5は、 常温の環境下では良好な導電性を発揮し、 回路の通電状態が確保される 電気機器の過熱等の原因で温度保護素子を含む回路周辺の環境温度が上昇し 、 あらかじめ設定された限界温度である p °Cを超えると、 導電性ポリマ一 5は 周囲から伝わる熱に影響されて膨張し、 内部の導電パスが切られて抵抗値を急 激に増大させる。 さらに、 抵抗値を増すことで過熱した導電性ポリマ一 5の温 度は金属部材 2の融点である t °Cを超えて s °Cに向かい、 その発熱によって電 極 7との間で金属部材 2が溶断し、 端子 3， 4間の通電状態が不可逆的に断た れる。
本実施形態の温度保護素子は、 上記のように機能して限界温度を超えた電気 機器の安全を確保するのであるが、 その構造は、 2つの電極 6， 7の間に導電 性ポリマー 5を介在させたポリマー P T C素子 1と、 比較的融点の低い金属部 材 2とからなり、 バイメタルタイプのブレ一力と比較すると部品数が少なく構 造も単純で、 製造コストも安価に抑えられる。
また、 万が一にも金属部材 2が溶断せずに端子 3 , 4間の通電状態が継続し たとしても、 導電性ポリマー 5は発熱量と放熱量とが平衡して s °C前後に保た れるので、 導電性ポリマ一 5が焼失して 2つの電極 6 , 7が短絡するといつた 危険がなく、 安全である。
本実施形態の温度保護素子においては、 導電性ポリマー 5に、 環境温度が限 界温度である P °Cを超過すると熱膨張を開始する特性と、 熱膨張して過熱する と発熱量と放熱量とがいずれ平衡状態となって自らの温度をほぼ一定に保つ特 性とが与えられているが、 導電性ポリマー 5に、 後者の特性にかえて次のよう な特性を与えてもよい。 すなわち、 図 4に示すように、 熱膨張して過熱すると 熱暴走を起こし、 平衡状態に至らずに温度を上昇させ続けていずれ自ら破壌す る特性である。 この場合の破壊とは、 温度の上昇により激しく酸化して P T C 特性を有さない状態に性質を変化させてしまうことをいう。 このような特性は 、 上記と同様に、 導電性ポリマー中のカーボンブラックの含有量や架橋の際の 放射線の照射量を適宜調節し、 導電性ポリマー 5の熱膨張時の抵抗値を適宜に 設定することにより与えられるが、 上記のように熱膨張時の発熱量と放熱量と が平衡状態となる特性を与えられた導電性ポリマーと比較すると、 熱膨張時の 抵抗値が低く抑えられることになる。
上記のような特性を与えることで、 導電性ポリマ一 5が熱膨張を開始する温 度 （ r °C ) から熱暴走を起こして破壊する温度 （u °C) までの範囲が非常に広 くなり、 金属部材 2の選定に際してはその温度範囲内に融点が存在する材料を 採用すればよいので、 材料選択の幅が広がり、 より安価な材料を選択すること が可能である。 また、 熱膨張時の抵抗値を低く抑えることにより、 熱膨張時に 端子 3， 4間に印可される電圧が抑えられるので、 結果的に当該温度保護素子 をより高電圧の回路に使用することも可能になる。
本実施形態の温度保護素子においては、 導電性ポリマー 5に、 端子 3， 4間 に QL Aをはるかに超える過電流が流れたときに発熱して自らの温度を金属部材 2の融点よりも高温にする特性を追加して与えてもよい。 このような特性を追 加すれば、 温度保護素子を含む回路に、 たとえ常温の環境下であっても何らか の原因で過電流が流れると、 導電性ポリマ一 5がジュール熱による自己発熱を 生じて熱膨張し、 過熱した導電性ポリマ一 5の発熱によって金属部材 2が溶融 して電極 7との間で断裂し、 不可逆的に通電状態が断たれる。 つまり、 本来の 温度保護素子としての機能に加えて過電流保護素子としての機能が付加される ので、 汎用性が格段に高まる。
[第 2の実施形態]
本発明の温度保護素子の第 2の実施形態を図 5および図 6に示して説明する 。 なお、 上記第 1の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付 して説明は省略する。
図 5および図 6において、 符号 1 1， 1 2はともにポリマー PTC素子 （第 1、 第 2のポリマ一 PTC素子） 、 1 3, 14はともに金属部材 （第 1、 第 2 の金属部材） 、 1 5， 1 6はポリマ一 PTC素子 1 1, 1 2にそれぞれ接合さ れた端子である。 ポリマー PTC素子 1 1, 1 2の構造や形状は、 上記第 1の 実施形態にて説明したポリマ一 P T C素子 1と同じで、 ポリマ一 P T C素子 1 1は、 矩形で板状の導電性ポリマー 1 7と、 導電性ポリマー 1 7と同形状、 同 寸法でその両側面に接合された金属製の電極 1 8, 1 9とからなり、 ポリマー PTC素子 1 2は、 矩形で板状の導電性ポリマ一 20と、 導電性ポリマー 1 7 と同形状、 同寸法でその両側面に接合された金属製の電極 21， 22からなる 。 2つのポリマ一 PTC素子 1 1， 1 2は、 同一面内にそれぞれの一辺を平行 に離間させて配置されている。
金属部材 1 3は、 比較的融点の低い材料を細い短冊状に形成したもので、 ポ リマー PTC素子 1 1の一方の電極 1 8とポリマ一 PTC素子 1 2の一方の電 極 2 1との間に架設されてそれぞれに通電可能に接合されている。 金属部材 1 4は、 ポリマー PTC素子 1 1の他方の電極 1 9とポリマー PTC素子 12の 他方の電極 22との間に架設されてそれぞれに通電可能に接合されている。 2 つの金属部材 1 3, 14は可能な限り離間して配置されている。 端子 1 5は、 ポリマ一 PTC素子 1 1の電極 1 8に、 金属部材 13には一切 接することなく通電可能に接合され、 端子 1 6は、 ポリマー PTC素子 12の 電極 22に、 金属部材 14には一切接することなく通電可能に接合されている 。 これらは本実施形態の温度保護素子を電気回路中に設置する際の接続端子と なる。
上記のような構成の温度保護素子が、 周辺の環境温度が限界温度 （所定の温 度） ； p°Cを超過することを契機として、 回路電流； qA (アンペア） の電気 回路の通電状態を解除するべく機能するように、 ポリマー PTC素子 1 1, 1 2を構成する導電性ポリマ一 1 7， 20、 および金属部材 1 3， 14には、 上 記第 1の実施形態におけるポリマ一 P T C素子 1を構成する導電性ポリマ一 1 、 および金属部材 2と同様の特性が与えられている （図 3参照） 。
上記のように構成され、 かつポリマ一 PTC素子 1 1, 1 2を構成する導電 性ポリマ一 1 7， 20、 および金属部材 1 3， 14に上記のような特性を与え られた温度保護素子を、 回路電流が dA (アンペア） の電氡機器の回路に、 端 子 1 5, 1 6間に通電がなされるようにして設置する。 そして、 常温の環境下 でこの回路に Q Aの電流を通電すると、 電流は二手に分かれて並列に流れ、 一 方の電流は端子 1 5、 電極 1 8、 金属部材 1 3、 電極 2 1、 導電性ポリマー 2 0、 電極 22、 金属部材 2、 端子 16の順 （もしくはその逆） に流れ、 他方の 電流は、 端子 1 5、 電極 1 8、 導電性ポリマ一 1 7、 電極 1 9、 金属部材 14 、 電極 22、 端子 16の順 （もしくはその逆） に流れる。 ポリマー PTC素子 1 1, 1 2を構成する導電性ポリマ一 17， 20は、 常温の環境下では良好な 導電性を発揮し、 回路の通電状態が確保される。
電気機器の過熱等の原因で温度保護素子を含む回路周辺の環境温度が上昇し 、 あらかじめ設定された限界温度である Ptを超えると、 導電性ポリマー 1 7 ， 20は周囲から伝わる熱に影響されて膨張し、 内部の導電パスが切られて抵 抗値を急激に増大させる。 さらに、 抵抗値を増すことで過熱した導電性ポリマ 一 1 7， 20の温度は金属部材 1 3, 14の融点である t°Cを超えて s°Cに向 かい、 その発熱によって電極 1 8, 2 1間で金属部材 1 3が溶断し、 電極 1 9 ， 2 2間で金属部材 1 4が溶断し、 端子 1 5， 1 6間の通電状態が不可逆的に 断たれる。
本実施形態の温度保護素子は、 上記のように機能して限界温度を超えた電気 機器の安全を確保するのであるが、 その構造は、 2つのポリマー P T C素子 1 1， 1 2と、 比較的融点の低い金属部材 1 3 , 1 4とからなり、 バイメタル夕 イブのブレーカと比較すると部品数が少なく構造も単純で、 製造コストも安価 に抑えられる。
また、 万が一にも金属部材 1 3 , 1 4が溶断せずに端子 1 5， 1 6間の通電 状態が継続したとしても、 導電性ポリマ一 1 7， 2 0は発熱量と放熱量とが平 衡して s °C前後に保たれるので、 導電性ポリマ一 1 7， 2 0が焼失して電極 1 8 , 1 9や電極 2 1 , 2 2が短絡するといつた危険がなく、 安全である。 さらに、 本実施形態の温度保護素子は、 通電の経路が並列に構成されている ため、 非常に小型でありながら回路電流の比較的高い電気機器への対応が可能 となる。
本実施形態の温度保護素子においても、 導電性ポリマ一 1 7， 2 0のそれぞ れに、 熱膨張して過熱すると熱暴走を起こし、 平衡状態に至らずに温度を上昇 させ続けていずれ自ら破壊する特性を与えてもよい （図 4参照） 。 これによつ ても、 金属部材 1 3， 1 4の選定に際して材料選択の幅が広がり、 より安価な 材料を選択することが可能である。 さらに、 当該温度保護素子をより高電圧の 回路に使用することも可能になる。
本実施形態の温度保護素子においても、 導電性ポリマ一 1 7， 2 0に、 端子 1 5 , 1 6間に q Aをはるかに超える過電流が流れたときに発熱して自らの温 度を金属部材 1 3 , 1 4の融点よりも高温にする特性を追加して与えてもよい 。 これによつても、 本来の温度保護素子としての機能に加えて過電流保護素子 としての機能が付加されるので、 汎用性が格段に高まる。

Claims

請求の範囲
1 . 2つの電極め間に導電性ポリマーを介在させたポリマー P T C素子と、 該ポリマー P T C素子の一方の電極に接合された金属部材とを備え、 前記ポリ マ一 P T C素子の他方の電極と前記金属部材との間に通電した状態を、 周辺の 環境温度が所定の温度を超過することを契機として解除する温度保護素子であ つて、
前記導電性ポリマーに、 前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張 する特性が与えられ、
前記金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ポリマーの発熱によつ て溶融する材料が選択されていることを特徴とする温度保護素子。
2 . 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させたポリマ一 P T C素子と、 該ポリマ一 P T C素子の一方の電極に接合された金属部材とを備え、 前記ポリ マ一 P T C素子の他方の電極と前記金属部材との間に通電した状態を、 周辺の 環境温度が所定の温度を超過することを契機として解除する温度保護素子であ つて、
前記導電性ポリマーに、 前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張 し、 熱膨張して過熱すると発熱量と放熱量とがいずれ平衡状態となる特性が与 えられ、 '
前記金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ボリマーの発熱によつ て溶融するとともに、 その融点が、 前記導電性ポリマーが熱膨張を開始する温 度以上であって、 かつ熱膨張して過熱した前記導電性ポリマーの発熱量と放熱 量とが平衡状態となる温度以下である材料が選択されていることを特徴とする 温度保護素子。
3 . 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させたポリマー P T C素子と、 該ポリマー P T C素子の一方の電極に接合された金属部材とを備え、 前記ポリ マー P T C素子の他方の電極と前記金属部材との間に通電した状態を、 周辺の 環境温度が所定の温度を超過することを契機として解除する温度保護素子であ つて、 前記導電性ポリマ一に、 前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張 し、 熱膨張して過熱すると発熱量と放熱量との平衡状態に至らず熱暴走する特 性が与えられ、
前記金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ポリマーの発熱によつ て溶融するとともに、 その融点が、 前記導電性ポリマーが熱膨張を開始する温 度以上であって、 かつ熱膨張して過熱した前記導電性ポリマーが熱暴走を起こ して自ら破壊する温度よりも低い材料が選択されていることを特徴とする温度 保護素子。
4 . 2つの電極の間に導電性ポリマ一を介在させたポリマ一 P T C素子と、 該ポリマー P T C素子の一方の電極に接合された金属部材とを備え、 前記ポリ マ一 P T C素子の他方の電極と前記金属部材との間に通電した状態を、 周辺の 環境温度が所定の温度を超過することを契機として解除する温度保護素子であ つて、
前記導電性ポリマ一に、 前記環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張 し、 前記他方の電極と前記金属部材との間に過電流が流れたときに発熱して自 らの温度を前記金属部材の融点よりも高温にする特性が与えられ、
前記金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ポリマーの発熱によつ て溶融する材料が選択されていることを特徴とする温度保護素子。
5 . 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させた第 1のポリマー P T C素 子と、 同じく 2つの電極の間に導電性ポリマーを介在させた第 2のポリマー P T C素子と、 前記第 1のポリマー P T C素子の一方の電極と前記第 2のポリマ — P T C素子の一方の電極との間に架設されてそれぞれに接合された第 1の金 属 材と、 前記第 1のポリマー P T C素子の他方の電極と前記第 2のポリマー P T C素子の他方の電極との間に架設されてそれぞれに接合された第 2の金属 部材とを備え、 前記第 1のポリマ一 P T C素子の一方の電極と前記第 2のポリ マ一 P T C素子の他方の電極との間で前記第 1、 第 2の金属部材を介して通電 した状態を、 周辺の環境温度が所定の温度を超過することを契機として解除す る温度保護素子であって、 前記第 1、 第 2のポリマ一 P T C素子のそれぞれの導電性ポリマーに、 前記 環境温度が前記所定の温度を超過すると熱膨張する特性が与えられ、
前記第 1、 第 2の金属部材には、 熱膨張により過熱した前記導電性ポリマー の発熱によって溶融する材料が選択されていることを特徴とする温度保護素子
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