WO2015002187A1 - 保護デバイス - Google Patents

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横田　貴之
正明 岩井
博紹 竹川
井川　直孝
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Uchihashi Estec Co Ltd
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Uchihashi Estec Co Ltd
Tyco Electronics Japan GK
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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
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    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/0241—Structural association of a fuse and another component or apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a protection device.
  • a protection device As such a protection device, there is known a protection device, a so-called fusing resistor, which includes a thermal fuse and a resistor, and heats the resistor by energizing the resistor in the event of an abnormality and operates the thermal fuse with the heat.
  • Patent Document 1 a so-called fusing resistor, which includes a thermal fuse and a resistor, and heats the resistor by energizing the resistor in the event of an abnormality and operates the thermal fuse with the heat.
  • the protection device as described in Patent Document 2 can achieve sufficient protection in many cases, but depending on the conditions, it has been found that the arc generated at the time of interruption may not be sufficiently suppressed. It was done. Even when the current flow is substantially cut off by tripping the PTC element to a high resistance state, a minute current (leakage current) flows and even though it is a minute current, It has been discovered that it may be preferable to prevent flow. Further, if a minute current continues to be supplied, the PTC element will continue to operate when the time until the abnormality is removed becomes longer, which may cause a problem.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a protective device that has a large rated voltage and rated current, can sufficiently suppress the occurrence of arc during operation, and can completely open the circuit.
  • the first temperature fuse and the resistor are included, and when the resistor is energized, the resistor generates heat by being energized, and the heat causes the first temperature fuse to operate,
  • a protective element for blocking (Ii) a PTC element; (Iii) comprising a second thermal fuse; A second temperature fuse is electrically connected in series with the PTC element; The first temperature fuse of the protection element is electrically connected in parallel to the PTC element and the second temperature fuse;
  • a protection device is provided in which the PTC element trips and generates heat by operating the protection element when an abnormality occurs, and the second temperature fuse is blown by the heat.
  • an electrical apparatus having the above protection device is provided.
  • the protection device of the present invention protects the circuit by operating the first thermal fuse by energizing the resistor of the protection element when any abnormality occurs in the circuit or electrical apparatus in which the protection device is incorporated.
  • a part of the current flowing through the first temperature fuse can be commutated to the circuit on the PTC element side, so that the generation of arc can be suppressed. Withstand voltage is improved.
  • the PTC element is tripped to a high temperature, and the circuit can be completely opened by blowing the second temperature fuse by this heat.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of one embodiment of the protection device of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of another embodiment of the protection device of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of still another aspect of the protection device of the present invention.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the protection device of the present invention in the embodiment.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a test circuit for a fusing test.
  • FIG. 6 is a graph showing the voltage across the protection device and the circuit current in the fusing test.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram corresponding to one aspect of the protection device of the present invention.
  • the protection device 1 of the present invention includes a protection element 2, a PTC element 4, and a second thermal fuse 6, and the PTC element 4 and the second thermal fuse 6 are electrically in series with each other.
  • the protective element 2 is electrically connected in parallel to these.
  • the protection element 2 is a portion surrounded by a dotted line in FIG. 1 and includes a first thermal fuse 8 and a resistor 10.
  • the protection element 2 is operated by energizing the resistor 10 and operating the first thermal fuse 8 by heat generated by the resistor.
  • the protection device 1 has terminals 12 and 14 for connection to an electric circuit or an electric device to be protected, and a terminal 16 for energizing the resistor 10.
  • the current flows in the order of the terminal 12 ⁇ the first temperature fuse 8 ⁇ the terminal 14 (or its On the other hand, it does not substantially flow into the PTC element 4 and the second thermal fuse 6.
  • the resistor 10 When an abnormality occurs, for example, when a short circuit, overcurrent, overvoltage, abnormal heat generation, or the like occurs in the electric circuit or device, the resistor 10 is energized from the terminal 16, thereby causing the resistor 10 to generate heat. Due to this heat, the first temperature fuse 8 operates (that is, the protection element 2 operates), whereby the current flowing through the first temperature fuse 8 is commutated to the PTC element 4, and the commutated current causes the PTC. The element 4 trips (operates). Then, the heat generated by the tripped PTC element 4 blows the second thermal fuse 6 to completely open the circuit and protect the electric circuit or the electric device.
  • the resistor and the first thermal fuse are arranged to be thermally coupled. That is, the first thermal fuse is under the influence of heat of the resistor and operates by heat generated by the resistor.
  • the number of the first thermal fuses to be installed is not particularly limited, and may be one or a plurality of, for example, two or three.
  • the installation location of the first thermal fuse is electrically connected in series to the electrical circuit or electrical device to be protected, electrically connected in parallel to the PTC element and the second thermal fuse, and the heat of the resistor There is no particular limitation as long as it is placed under the influence, and it may be installed either upstream and / or downstream of the resistor.
  • the resistor used in the protective element is not particularly limited as long as it is a resistor that can be used as a heating element.
  • the first temperature fuse used for the protection element a material using a material generally used as a temperature fuse can be used.
  • a low melting point metal such as solder (low (Including melting point alloys) can be used for the first thermal fuse.
  • solder low (Including melting point alloys)
  • Preferable low melting point metals are not particularly limited, and examples thereof include Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-58Bi.
  • a person skilled in the art can select an appropriate temperature fuse as the first temperature fuse so as to exhibit the intended function based on the contents of the present specification.
  • the first temperature fuse may be operated by general fusing, that is, when the fuse element is melted and is attracted to the electrodes at both ends of the element by its surface tension and split, or a mechanical auxiliary mechanism
  • the electrodes may be operated by physically separating the electrodes to which the fuse element is connected by using a spring, a magnet, etc., and ensuring an insulation distance.
  • the protective element has a mechanism that mechanically assists the operation of the first thermal fuse.
  • one of the electrodes of the first thermal fuse may be a movable electrode, the other may be a fixed electrode, or both may be movable electrodes.
  • a fusing resistor is a temperature fuse with a resistor having a resistor and a low melting point metal (functioning as a temperature fuse) that melts by heat generated by energizing the resistor.
  • it has a pair of lead fixed electrodes, a guide shaft is juxtaposed with these lead fixed electrodes, and a movable electrode is inserted over the guide shaft and is disposed across the lead fixed electrodes.
  • a compression spring is provided between the distal end of the fixed electrode and the movable electrode and between the guide shaft and the movable electrode with a low melting point alloy and applies a force in a direction away from the lead fixed electrode to the movable electrode.
  • a fusing resistor is used, wherein when the low melting point alloy is melted, the movable electrode is biased by a compression spring and separated from the lead fixed electrode.
  • one lead conductor of a resistor having lead conductors attached to both ends of the resistor is used as a guide shaft, a coil spring is used as a compression spring, and the coil spring is connected to the resistor.
  • a fusing resistor characterized in that a resistor energization heating circuit is connected between one lead conductor of a resistor and either one of the two lead fixed electrodes between the movable electrode and the one lead conductor. Is used.
  • the PTC element used in the protective device of the present invention is not particularly limited, and a conventionally used PTC element, for example, a polymer PTC element or a ceramic PTC element can be used.
  • a preferred PTC element is a polymer PTC element.
  • the number of installed PTC elements is not particularly limited, and may be one or more, for example, two or three.
  • the installation location of the PTC element is not particularly limited as long as it is electrically connected in series to the electrical circuit or device to be protected and the second temperature fuse and electrically connected in parallel to the first temperature fuse. .
  • the polymer PTC element is formed by extruding a conductive composition containing a polymer (for example, polyethylene, polyvinylidene fluoride, etc.) in which a conductive filler (for example, carbon black, nickel alloy, etc.) is dispersed. And the electrode (for example, metal foil) arranged on both sides thereof.
  • a conductive composition containing a polymer (for example, polyethylene, polyvinylidene fluoride, etc.) in which a conductive filler (for example, carbon black, nickel alloy, etc.) is dispersed.
  • the electrode for example, metal foil
  • other elements such as leads may be directly connected to the PTC element, in which case the electrode can be omitted.
  • the PTC element has a resistance value equal to or lower than the rated voltage / abnormal current of the protective element at the operating temperature. That is, in this aspect, during the operation of the first temperature fuse, the current flowing through the first temperature fuse is commutated to the PTC element so that a voltage higher than the rated voltage is not applied to the protection element.
  • R d is a combined resistance of the protection element (first temperature fuse), the PTC element, and the second temperature fuse.
  • the resistance value of the PTC element By setting the resistance value of the PTC element to be equal to or lower than the rated voltage / abnormal current, the voltage applied to the protective element during operation can be reduced to the rated voltage or lower. That is, by reducing the resistance value of the PTC element as much as possible, the current that can be tolerated during an abnormality increases.
  • said use temperature is the temperature of the environment where the protection device of this invention is used in a normal state, and is determined according to the use, installation place, etc. of a protection device.
  • the use temperature is typically room temperature (about 20 to 25 ° C.), but is not limited thereto, for example, higher temperature, specifically about 25 to 100 ° C., for example about 30 to 60 ° C. It may be in the range.
  • said abnormal current means the electric current value which flows through a protection device at the time of a short circuit, when abnormality arises, for example.
  • the polymer PTC element has a resistance value equal to or lower than the rated voltage / abnormal current of the protective element at a temperature 10 ° C., preferably 5 ° C. lower than the softening point of the polymer material of the polymer PTC element.
  • the softening point of the polymer material of the polymer PTC element can be obtained, for example, by measuring according to JIS K7206.
  • the rate of increase in the resistance value of the PTC element increases rapidly.
  • the slope of the tangent line of the resistance value-temperature curve is 5 times or more.
  • the softening point of the polymer material of the polymer PTC element is set several tens of degrees Celsius higher than the use temperature. Therefore, the polymer PTC element has a resistance value equal to or lower than the rated voltage / abnormal current of the protective element at a temperature slightly lower than the softening point, for example, a temperature lower by 10 ° C., preferably 5 ° C. Even when the ambient temperature is equal to or higher than the assumed operating temperature, it is possible to suppress the occurrence of an arc during the operation of the first thermal fuse.
  • the PTC element has an operating time longer than the insulation time of the first thermal fuse.
  • the operation time of the PTC element refers to the voltage between both ends (electrodes) of the PTC element after the current that is commutated by the operation of the protection element is applied to the PTC element. Means the time to reach
  • the insulation time of the first temperature fuse means the time from when the first temperature fuse is operated until the insulation is secured.
  • the fuse element after fusing from the time when the fuse element starts fusing that is, from the time when the fuse element melts and becomes thin and its resistance value starts to rise.
  • the time to solidify Means the time to solidify.
  • the fuse element (low melting point metal) that connects the electrodes of the first thermal fuse melts and the insulation distance is reliably maintained after the electrodes start to separate. It means the time until it becomes ready.
  • the operating time of the PTC element is preferably 30 milliseconds or more, and more preferably 40 milliseconds or more when the operation of the first thermal fuse is based on general fusing.
  • the operation time of the PTC element is preferably 3 milliseconds or more, and more preferably 5 milliseconds or more, when the operation of the first temperature fuse is mechanically assisted.
  • the fuse element In the first temperature fuse, the fuse element is melted by Joule heat generated by the resistor, the melted fuse element is blown, or is cut by a mechanical auxiliary mechanism, and the distance between the cut fuse elements (between electrodes) is Safely cuts off current by exceeding the insulation distance.
  • An arc can occur when the distance between the melted or divided elements (between the electrodes) is less than the insulation distance, but when the distance exceeds the insulation distance, the arc is extinguished.
  • the first thermal fuse is operated by general fusing, the element immediately after fusing is not completely solidified and has fluidity, so that the distance between the divided elements that are deformed and divided is less than the insulation distance. There is a case.
  • the movable electrode vibrates for a certain period of time after the division, so the distance from the other electrode is not fixed and is less than the insulation distance There is. At this time, if the voltage applied to the protective element exceeds the rated voltage of the protective element, an arc is generated violently, causing a serious problem such as damaging the device to be protected. As described above, by making the operation time of the PTC element longer than the insulation time of the element of the first thermal fuse, the above problems can be avoided and the current can be cut off more safely. .
  • the second thermal fuse used in the PTC device of the present invention is not particularly limited, and in addition to a commercially available thermal fuse, one generally used as a thermal fuse can be used.
  • the number of second thermal fuses installed is not particularly limited, and may be one or more, for example, two or three.
  • the installation location of the second thermal fuse is not particularly limited as long as it is under the thermal influence of the PTC element and is electrically connected in series to the electrical circuit or device to be protected and the PTC element.
  • the second thermal fuse has an operating temperature that is lower than the trip temperature of the PTC element. Since the second temperature fuse has such an operating temperature, the second temperature fuse can be surely blown after the trip of the PTC element, and the circuit can be completely opened more reliably.
  • the trip temperature of the PTC element means that the PTC element has tripped (operated) and is in a high temperature and high resistance state, specifically, the resistance value of the PTC element is 10 3 times or more than normal. Means the temperature.
  • the second thermal fuse has a fusing time with an abnormal current longer than the trip time of the PTC element. Since the second temperature fuse has such a fusing time, the second temperature fuse can be blown after the PTC element trips, that is, after the current is significantly suppressed. It is possible to suppress the occurrence of arcs associated with.
  • the trip time of the PTC element is specifically the PTC element from when the protective element is operated and the commutated current is applied to the PTC element until the PTC element is tripped to a high temperature / high resistance state. Means the time until the resistance value becomes 10 3 times or more of the normal value.
  • the fusing time of the second temperature fuse is the time until the second temperature fuse is blown when this current continues to flow after the protective element is activated and the commutated current is supplied to the second temperature fuse. Means time.
  • the second temperature fuse has a withstand voltage higher than an abnormal voltage in a leakage current when the PTC element is in a trip state. Even after a trip, the PTC element can pass a leakage current (micro current), for example, a current of about 30 mA. Since the second temperature fuse has a withstand voltage higher than an abnormal voltage (voltage applied to the circuit at the time of abnormality, for example, a short circuit) in such a leakage current, an arc is generated due to the melting of the second temperature fuse. Can be suppressed.
  • the protection device of the present invention when the first temperature fuse of the protection element operates, a part of the current flowing through the first temperature fuse can be shunted to the circuit on the PTC element side, and an arc is generated during operation. Therefore, even if it is used for an electric circuit or an electric device in which a voltage exceeding the rated voltage of the protective element and / or a current exceeding the rated current flows, the current can be safely interrupted.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of another aspect of the protection device of the present invention.
  • the protection device of the present invention further includes another PTC element 18. That is, the protection device of the present invention in this embodiment includes two PTC elements. These PTC elements are electrically connected to each other in parallel and electrically connected to the second thermal fuse in series. Other configurations are substantially the same as those shown in FIG.
  • PTC elements In FIG. 2, two PTC elements are used, but more PTC elements can also be used. These PTC elements are electrically connected to each other in parallel and electrically connected to the second thermal fuse in series.
  • the “resistance value of the PTC element” is a combined resistance value of the plurality of PTC elements. Therefore, by using a plurality of PTC elements in parallel as described above, the “resistance value of the PTC element” can be further reduced, and the resistance value of the PTC element is set to be equal to or lower than the rated voltage / abnormal current of the protective element. Easy to do.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of still another aspect of the protection device of the present invention.
  • the resistor is incorporated in the same circuit as the first thermal fuse.
  • the resistor is incorporated in another independent circuit.
  • the protection device of the present invention has four terminals: terminal 12, terminal 14, terminal 20 and terminal 22.
  • Other configurations are substantially the same as those shown in FIG.
  • the present invention also provides an electric apparatus comprising the protection device of the present invention.
  • protection device Fusing resistor (model number: BZ05, rated current: 75A; rated voltage: 60V) manufactured by Uchihashi Estec Co., Ltd. as protection element 102, polyswitch (registered trademark) manufactured by TE Connectivity as PTC element 104 ) (Model number: TRF600-400, resistance value: 1.2 ⁇ , softening point: 80 ° C.), and as the second thermal fuse 106, a thermo protector (model number: TR92; nominal operating temperature: manufactured by Uchihashi Estec Co., Ltd.) 115 ° C .; rated current: 9 A; rated voltage: 32 V), and connected so as to be the circuit diagram shown in FIG. 4 to produce the protection device of the present invention.
  • a portion surrounded by a dotted line is a fusing resistor, and the fusing resistor includes a resistor 110 and a thermal fuse 108.
  • the protection device normally cut off the current without any problems. Further, although not shown in FIG. 6, after about 4 seconds, the second temperature fuse was blown normally without any trouble and the circuit was completely opened.
  • a voltage increase of about 10 V was recognized immediately after the fusing resistor thermal fuse was activated, but thereafter it was confirmed that the voltage increase was suppressed until about 10 milliseconds later. This is because the current flowing through the fusing resistor is commutated to the PTC element.
  • the operating current is about 90A, which is higher than the rated current of the fusing resistor, but the operating voltage is 10V or less, which is much lower than the rated voltage. Can do.

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Abstract

　定格電圧および定格電流が大きく、動作時のアークの発生を十分に抑制でき、かつ回路を完全に開くことができる保護デバイスを提供すること。　（ｉ）第１温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが動作して、電流を遮断する保護素子と、　（ｉｉ）ＰＴＣ素子と、　（ｉｉｉ）第２温度ヒューズ とを含んで成り、　第２温度ヒューズが、ＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続されており、　保護素子の第１温度ヒューズが、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して電気的に並列に接続されており、　異常時に、保護素子を動作させることによってＰＴＣ素子がトリップして発熱し、この熱により第２温度ヒューズが溶断されること を特徴とする保護デバイス。

Description

保護デバイス
　本発明は、保護デバイスに関する。
　種々の電気回路において、定格電流より大きい電流が流れた場合および／または定格電圧より大きい電圧が印加された場合、回路に組み込まれた電気・電子装置および／または電気・電子部品、あるいは電気・電子回路を保護するために保護デバイスが回路に組み込まれている。
　そのような保護デバイスとして、温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することにより抵抗体を発熱させ、その熱で温度ヒューズを動作せしめる保護デバイス、いわゆるヒュージングレジスタが知られている（特許文献１）。
　また、他の保護デバイスとして、バイメタルスイッチとＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子とを並列に接続して用いることが提案されている（特許文献２）。そのような保護デバイスでは、過電流条件となった時に、バイメタルスイッチのバイメタル部分が高温となってその接点が離間して開き、電流がＰＴＣ素子に転流される。その結果、ＰＴＣ素子は過電流によって高温・高抵抗状態にトリップしてＰＴＣ素子を流れる電流を実質的に遮断する。
特開２００９－２９５５６７号公報 国際公開第２００８／１１４６５０号
　特許文献１に記載のような保護デバイスにより、多くの場合において、十分な保護を達成することができるが、高電圧もしくは高電流の電池または電源を使用する電気装置においては、このような保護デバイスの定格電圧および定格電流では必ずしも十分でない場合がある。
　特許文献２に記載のような保護デバイスにより、多くの場合において、十分な保護を達成することができるが、条件によっては、遮断時に発生するアークを必ずしも十分に抑制できない場合があることが見出された。また、ＰＴＣ素子がトリップして高抵抗状態になることによって実質的に電流の流れを遮断した場合であっても、微小電流（リーク電流）が流れており、微小電流であるといえども、その流れを防止するのが好ましい場合があることに気付いた。また、微小電流が通電され続けると、異常を取り除くまでの時間が長くなった場合に、ＰＴＣ素子が動作し続けることになり不具合が生じ得る。
　そこで、本発明が解決しようとする課題は、定格電圧および定格電流が大きく、動作時のアークの発生を十分に抑制でき、かつ回路を完全に開くことができる保護デバイスを提供することである。
　第１の要旨において、（ｉ）第１温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが動作して、電流を遮断する保護素子と、
　（ｉｉ）ＰＴＣ素子と、
　（ｉｉｉ）第２温度ヒューズ
とを含んで成り、
　第２温度ヒューズが、ＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続されており、
　保護素子の第１温度ヒューズが、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して電気的に並列に接続されており、
　異常時に、保護素子を動作させることによって、ＰＴＣ素子がトリップして発熱し、この熱により第２温度ヒューズが溶断されること
を特徴とする保護デバイスを提供する。
　第２の要旨において、上記の保護デバイスを有する電気装置を提供する。
　本発明の保護デバイスは、当該保護デバイスが組み込まれている回路または電気装置において、何らかの異常が生じた場合、保護素子の抵抗体に通電することによって、第１温度ヒューズを動作させて回路を保護するが、動作時に、この第１温度ヒューズを流れている電流の一部をＰＴＣ素子側の回路に転流することができるので、アークの発生を抑制することができ、その結果、保護デバイスの耐電圧が向上する。また、第１温度ヒューズが動作した後、ＰＴＣ素子はトリップして高温となり、この熱により第２温度ヒューズを溶断することによって、回路を完全に開くことができる。
図１は、本発明の保護デバイスの１つの態様の回路図である。 図２は、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図である。 図３は、本発明の保護デバイスの更に別の態様の回路図である。 図４は、実施例における本発明の保護デバイスの回路図である。 図５は、溶断試験の試験回路の回路図である。 図６は、溶断試験における保護デバイスの両端電圧と、回路電流を示すグラフである。
　以下に図面を参照して、本発明の保護デバイスを詳細に説明する。但し、本発明の保護素子は、図示する態様に限定されないことに留意されたい。
　図１に、本発明の保護デバイスの一の態様に対応する回路図を示す。図１に示されるように、本発明の保護デバイス１は、保護素子２、ＰＴＣ素子４、および第２温度ヒューズ６を含んで成り、ＰＴＣ素子４と第２温度ヒューズ６が互いに電気的に直列に接続され、これらに対して電気的に並列に保護素子２が接続されている。保護素子２は、図１において点線によって包囲した部分であり、第１温度ヒューズ８および抵抗体１０を含んで成る。この保護素子２は、抵抗体１０に通電がなされ、抵抗体で生じる熱により、第１温度ヒューズ８が動作することによって動作する。さらに、保護デバイス１は、保護すべき電気回路または電気装置に接続するための端子１２および１４を有し、抵抗体１０に通電するための端子１６を有する。
　本発明の保護デバイス１において、正常時には、第１温度ヒューズの抵抗値がＰＴＣ素子４の抵抗値より十分に小さいため、電流は、端子１２→第１温度ヒューズ８→端子１４の順（またはその逆）に流れ、ＰＴＣ素子４および第２温度ヒューズ６には実質的に流れない。
　異常時、例えば、電気回路または電気装置において、短絡、過電流、過電圧、異常発熱等が生じた場合には、端子１６から抵抗体１０に通電がなされ、これにより抵抗体１０が発熱する。この熱により第１温度ヒューズ８が動作し（即ち、保護素子２が動作し）、これによって第１温度ヒューズ８を流れていた電流がＰＴＣ素子４に転流され、この転流した電流によってＰＴＣ素子４がトリップ（動作）する。ついで、トリップしたＰＴＣ素子４が生じる熱により、第２温度ヒューズ６が溶断し、回路が完全に開かれ、電気回路または電気装置が保護される。
　本発明の保護デバイスに用いられる保護素子において、抵抗体および第１温度ヒューズは、熱結合するように配置される。即ち、第１温度ヒューズは、抵抗体の熱影響下にあり、抵抗体で生じる熱により動作する。第１温度ヒューズの設置数は、特に限定されず、１つまたは複数、例えば２つまたは３つであってもよい。第１温度ヒューズの設置箇所は、保護すべき電気回路または電気装置に対して電気的に直列に接続され、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して電気的に並列に接続され、抵抗体の熱影響下に配置される限り特に限定されず、抵抗体の上流および／または下流のいずれに設置してもよい。
　上記保護素子に用いられる抵抗体は、発熱体として用いることができる抵抗体であれば、特に限定されない。
　上記保護素子に用いられる第１温度ヒューズとしては、一般的に温度ヒューズとして用いられる材料を使用したものを使用することができ、例えば、市販の温度ヒューズに加え、はんだ等の低融点金属（低融点合金も包含する）を第１温度ヒューズに用いることができる。好ましい低融点金属としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ、Ｓｎ－５８Ｂｉが挙げられる。当業者であれば、本明細書の内容に基づいて、目的の機能を発揮できるように適切な温度ヒューズを第１温度ヒューズとして選択することができる。
　上記第１温度ヒューズは、一般的な溶断により、即ち、ヒューズエレメントが溶融し、その表面張力によりエレメント両端の電極に引き寄せられて分裂することにより動作してもよく、あるいは、機械的な補助機構、例えばバネ、磁石などを利用して、ヒューズエレメントが接続している電極同士を物理的に引き離し、絶縁距離を確保することにより動作してもよい。
　好ましい態様において、上記保護素子は、第１温度ヒューズの動作を、機械的に補助する機構を有する。この態様において、第１温度ヒューズの電極は、一方が可動電極であり、他方が固定電極であってもよく、または、両方が可動電極であってもよい。このような機械的な補助機構を用いることにより、瞬時に絶縁距離を確保できるので、アークの発生をより抑制することができる。
　上記保護素子の例としては、ヒュージングレジスタが挙げられる。ヒュージングレジスタとは、抵抗体およびこの抵抗体に通電することにより生じた熱により溶融する低融点金属（温度ヒューズとして機能する）を有する、抵抗体付き温度ヒューズである。
　好ましくは、一対のリード固定電極を有し、これらのリード固定電極にガイド軸が並設され、可動電極がガイド軸に挿通された状態で前記リード固定電極間にまたがって配設され、各リード固定電極の先端と可動電極との間および前記ガイド軸と可動電極との間が低融点合金で接合され、前記可動電極に前記リード固定電極より離隔させる方向の力を作用させる圧縮バネが設けられ、前記低融点合金の溶融で可動電極が圧縮バネで付勢されて前記リード固定電極より離隔されることを特徴とするヒュージングレジスタが用いられる。
　さらに好ましくは、上記ヒュージングレジスタにおいて、抵抗体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮バネにコイルバネが使用され、該コイルバネが抵抗体と可動電極との間において前記一方のリード導体に挿通され、抵抗器の一方のリード導体と両リード固定電極の何れかとの間に抵抗器通電発熱回路が接続されることを特徴とするヒュージングレジスタが用いられる。
　上記ヒュージングレジスタは、例えば、特許第４６３０４０３号公報、特許第４７５７９３１号公報、特許第４６３０４０４号公報、特許第４７５７８９５号公報、特許第４７５７８９８号公報、特許第４９４３３５９号公報、および特許第４９４３３６０号公報に記載されている。これらの文献は、参照により全体を本明細書に組み入れる。
　本発明の保護デバイスに用いられるＰＴＣ素子は、特に限定されるものではなく、従来用いられているＰＴＣ素子、例えばポリマーＰＴＣ素子またはセラミックＰＴＣ素子を用いることができる。好ましいＰＴＣ素子は、ポリマーＰＴＣ素子である。ＰＴＣ素子の設置数は、特に限定されず、１つまたは複数、例えば２つまたは３つであってもよい。ＰＴＣ素子の設置箇所は、保護すべき電気回路または電気装置および第２温度ヒューズに対して電気的に直列に接続され、第１温度ヒューズに対して電気的に並列に接続される限り特に限定されない。
　上記ポリマーＰＴＣ素子とは、導電性充填剤（例えば、カーボンブラック、ニッケル合金等）が分散しているポリマー（例えば、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等）を含んで成る導電性組成物を押出することによって得られる層状のＰＴＣ要素およびその両側に配置された電極（例えば金属箔）を有して成る。ただし、ＰＴＣ要素に直接リードなどの他の要素を接続してもよく、その場合電極は省略できる。
　好ましい態様において、ＰＴＣ素子は、使用温度において、保護素子の定格電圧／異常電流以下の抵抗値を有する。即ち、この態様において、第１温度ヒューズの動作時、保護素子にその定格電圧よりも高い電圧がかからないように、第１温度ヒューズを流れていた電流がＰＴＣ素子に転流する。
　保護素子（具体的には、第１温度ヒューズ）に印加される電圧は、保護デバイスに印加される電圧（図１において端子１２－端子１４間の電圧）となる。したがって、保護デバイスの両端電圧が、第１温度ヒューズ５の動作時に、保護素子の定格電圧を上回らなければよい。即ち、
　　　Ｅｄ’≦Ｅｒ　　・・・（１）
［式中、Ｅｄ’＝第１温度ヒューズの動作時（異常時）の保護デバイスの両端電圧、
Ｅｒ＝保護素子の定格電圧］
を満たせばよい。
　保護デバイスの両端電圧は、
　　　Ｅｄ＝Ｉｃ×Ｒｄ　　・・・（２）
［式中、Ｅｄ＝保護デバイスの両端電圧、
　Ｉｃ＝回路電流、
　Ｒｄ＝保護デバイス全体の抵抗］
となる。
　ここで、Ｒｄは、保護素子（第１温度ヒューズ）、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズの合成抵抗となるので、
　　　Ｒｄ＝１／（１／Ｒ１＋１／（Ｒｐ＋Ｒ２））
［式中、Ｒ１＝保護素子（第１温度ヒューズ）の抵抗、
　Ｒｐ＝ＰＴＣ素子の抵抗、
　Ｒ２＝第２温度ヒューズの抵抗］
となる。
　Ｒｐは、Ｒ２よりも十分に大きいので、Ｒ２は無視することができ、
　　　Ｒｄ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒｐ）　　・・・（３）
となる。
　さらに、異常が生じて第１温度ヒューズが動作する時は、第１温度ヒューズの抵抗値は∞とみなすことができるので、１／Ｒ１は無視することができる。即ち、第１温度ヒューズの動作時の保護デバイス全体の抵抗（Ｒｄ’）は、
　　　Ｒｄ’＝１／（１／Ｒｐ）＝Ｒｐ　　・・・（３’）
となる。
　式（１）、（２）および（３’）から異常時の回路電流（本明細書において、異常電流ともいう）、例えば異常が短絡である場合は短絡電流をＩｃ’とすると、
　　　Ｉｃ’×Ｒｐ≦Ｅｒ
変形して、
　　　Ｒｐ≦Ｅｒ／Ｉｃ’
［式中、Ｒｐ＝ＰＴＣ素子の抵抗、
Ｅｒ＝保護素子の定格電圧、
Ｉｃ’＝異常電流］
となる。
　このように、ＰＴＣ素子の抵抗値を、定格電圧／異常電流以下とすることにより、動作時に保護素子に印加される電圧を定格電圧以下とすることができる。即ち、ＰＴＣ素子の抵抗値を可及的に小さくすることにより、異常時に許容できる電流が大きくなる。
　なお、上記の使用温度とは、本発明の保護デバイスが正常状態で用いられる環境の温度であり、保護デバイスの用途、設置場所等に応じて決定される。使用温度は、典型的には室温（約２０～２５℃）であるが、これに限定されるものではなく、例えばより高温、具体的には、約２５～１００℃、例えば約３０～６０℃の範囲にあってもよい。また、上記の異常電流とは、異常が生じた際に、例えば短絡時に保護デバイスを流れる電流値を意味する。
　別の好ましい態様において、ポリマーＰＴＣ素子は、ポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点より１０℃低い温度、好ましくは５℃低い温度で、保護素子の定格電圧／異常電流以下の抵抗値を有する。
　上記ポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点は、例えば、ＪＩＳ　Ｋ７２０６に従って測定することにより得ることができる。ポリマーＰＴＣ素子の温度が、この軟化点よりも高い温度になると、ＰＴＣ素子の抵抗値の上昇率が急激に大きくなり、例えば、抵抗値－温度曲線の接線の傾きが、２５℃での傾きの５倍以上となる。
　一般的にポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点は、使用温度よりも数十℃高く設定される。したがって、軟化点よりも少し低い温度、例えば１０℃低い温度、好ましくは５℃低い温度で、ポリマーＰＴＣ素子が保護素子の定格電圧／異常電流以下の抵抗値を有することにより、何らかの理由によりＰＴＣ素子の周囲の温度が、想定した使用温度以上となった場合であっても、第１温度ヒューズの動作時に、アークの発生を抑制することができる。
　さらにもう一つの好ましい態様において、ＰＴＣ素子は、第１温度ヒューズの絶縁時間よりも長い動作時間を有する。
　本明細書において、上記ＰＴＣ素子の動作時間とは、保護素子が動作して転流された電流がＰＴＣ素子に通電されてから、ＰＴＣ素子の両端（電極）間の電圧が保護素子の定格電圧に達するまでの時間を意味する。
　本明細書において、上記第１温度ヒューズの絶縁時間とは、第１温度ヒューズが動作してから、その絶縁が確保されるまでの時間を意味する。例えば、第１温度ヒューズの動作が一般的な溶断による場合、ヒューズエレメントが溶断を開始してから、即ちヒューズエレメントが溶融して細くなりその抵抗値が上昇し始めた時点から、溶断後ヒューズエレメントが凝固するまでの時間を意味する。また、第１温度ヒューズが機械的な補助機構により動作する場合、第１温度ヒューズの電極間を接続するヒューズエレメント（低融点金属）が溶融し、電極同士が離れ始めてから絶縁距離を確実に保持できる状態になるまでの時間を意味する。
　上記ＰＴＣ素子の動作時間は、第１温度ヒューズの動作が、一般的な溶断による場合、３０ミリ秒以上が好ましく、４０ミリ秒以上がより好ましい。
　また、上記ＰＴＣ素子の動作時間は、第１温度ヒューズの動作が機械的に補助される場合、３ミリ秒以上が好ましく、５ミリ秒以上がより好ましい。
　第１温度ヒューズは、抵抗体で生じるジュール熱によりヒューズエレメントが溶融し、溶融したヒューズエレメントが溶断され、あるいは機械的な補助機構により分断され、分断されたヒューズエレメント間（電極間）の距離が絶縁距離以上となることにより安全に電流を遮断する。溶断または分断されたエレメント間（電極間）の距離が絶縁距離未満の状態では、アークが生じ得るが、絶縁距離以上になると、アークは消弧する。しかしながら、第１温度ヒューズが一般的な溶断により動作する場合、溶断直後のエレメントは、完全に凝固しておらず流動性があるので、変形して、分断したエレメント間の距離が絶縁距離未満となる場合がある。また、第１温度ヒューズが機械的な補助機構、例えばバネにより分断される場合、分断後一定の時間、可動電極が振動する為、他方の電極との距離が定まらず、絶縁距離未満となる場合がある。この時に、保護素子に印加される電圧が、保護素子の定格電圧を超えていると、アークが激しく発生し、保護すべき機器に損傷を与えるなど大きな不具合を生じる。上記のように、ＰＴＣ素子の動作時間を、第１温度ヒューズのエレメントの絶縁時間よりも長くすることにより、上記のような問題を回避することができ、より安全に電流を遮断することができる。
　本発明のＰＴＣデバイスに用いられる第２温度ヒューズは、特に限定されず、市販の温度ヒューズに加え、一般的に温度ヒューズとして用いられるものを用いることができる。第２温度ヒューズの設置数は、特に限定されず、１つまたは複数、例えば２つまたは３つであってもよい。第２温度ヒューズの設置箇所は、ＰＴＣ素子の熱影響下にあり、保護すべき電気回路または電気装置およびＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続される限り特に限定されない。
　好ましい態様において、第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子のトリップ温度よりも低い動作温度を有する。第２温度ヒューズがこのような動作温度を有することにより、ＰＴＣ素子のトリップ後に第２温度ヒューズを確実に溶断することができ、より確実に回路を完全に開くことが可能になる。
　上記ＰＴＣ素子のトリップ温度とは、ＰＴＣ素子がトリップ（動作）し、高温、高抵抗状態になった状態、具体的にはＰＴＣ素子の抵抗値が、正常時の１０３倍以上となった時の温度を意味する。
　さらに好ましい態様において、第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子のトリップ時間よりも長い異常電流での溶断時間を有する。第２温度ヒューズがこのような溶断時間を有することにより、第２温度ヒューズの溶断を、ＰＴＣ素子がトリップした後、即ち電流が大幅に抑制された後にすることができ、第２温度ヒューズの溶断に伴うアークの発生を抑制することができる。
　ＰＴＣ素子のトリップ時間とは、保護素子が動作して転流された電流がＰＴＣ素子に通電されてから、ＰＴＣ素子がトリップして、高温・高抵抗状態となるまで、具体的にはＰＴＣ素子の抵抗値が、正常時の１０３倍以上となるまでの時間を意味する。
　第２温度ヒューズの溶断時間とは、保護素子が動作して転流された電流が第２温度ヒューズに通電されてから、この電流が流れ続けた場合に、第２温度ヒューズが溶断されるまでの時間を意味する。
　より好ましい態様において、第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子がトリップ状態にある場合のリーク電流において、異常電圧以上の耐電圧性を有する。ＰＴＣ素子はトリップ後も、リーク電流（微小電流）、例えば約３０ｍＡの電流を流し得る。第２温度ヒューズが、このようなリーク電流において、異常電圧（異常時、例えば短絡時に回路に印加される電圧）以上の耐電圧を有することにより、第２温度ヒューズの溶断に伴うアークの発生を抑制することができる。
　なお、当然ながら、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズは、第１温度ヒューズよりも後に動作する必要があるので、抵抗体の熱影響下には位置しない。
　本発明の保護デバイスは、保護素子の第１温度ヒューズが動作する際、第１温度ヒューズを流れていた電流の一部をＰＴＣ素子側の回路に分流することができ、動作時のアークの発生を抑制することができるので、保護素子の定格電圧を超える電圧および／または定格電流を超える電流が流れる電気回路または電気装置に用いても、安全に電流を遮断することができる。
　以上、本発明の保護デバイスについて説明したが、本発明は種々の改変が可能である。
　図２に、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図を示す。
　この態様において、本発明の保護デバイスは、さらにもう１つのＰＴＣ素子１８を含む。即ち、この態様における本発明の保護デバイスは２つのＰＴＣ素子を含む。これらのＰＴＣ素子は、互いに電気的に並列に接続され、かつ、第２温度ヒューズに電気的に直列に接続されている。その他の構成は、図１に示した態様と実質的に同じである。
　図２においては、２つのＰＴＣ素子を用いているが、それ以上のＰＴＣ素子を用いることもできる。これらのＰＴＣ素子は、互いに電気的に並列に接続され、かつ、第２温度ヒューズに電気的に直列に接続される。
　このように複数のＰＴＣ素子を用いる場合、上記「ＰＴＣ素子の抵抗値」は、これらの複数のＰＴＣ素子の合成抵抗値となる。したがって、このように複数のＰＴＣ素子を並列で用いることにより、「ＰＴＣ素子の抵抗値」をより小さくすることが可能になり、ＰＴＣ素子の抵抗値を、保護素子の定格電圧／異常電流以下とすることが容易になる。
　図３に、本発明の保護デバイスのさらに別の態様の回路図を示す。
　図１に示した態様では、抵抗体は、第１温度ヒューズと同じ回路に組み入れられているが、図３では、抵抗体を別の独立した回路に組み入れている点で異なる。したがって、この態様では、本発明の保護デバイスは、４つの端子、即ち、端子１２、端子１４、端子２０および端子２２を有する。その他の構成は、図１に示した態様と実質的に同じである。
　第２の要旨において、本発明は、上記の本発明の保護デバイスを有して成る電気装置をも提供する。
（実施例）
　・保護デバイスの作成
　保護素子１０２として、内橋エステック株式会社製のヒュージングレジスタ（型番：ＢＺ０５、定格電流：７５Ａ；定格電圧：６０Ｖ）、ＰＴＣ素子１０４として、TE Connectivity 社製のポリスイッチ（登録商標）（型番：ＴＲＦ６００－４００、抵抗値：１．２Ω、軟化点：８０℃）を２つ、および第２温度ヒューズ１０６として、内橋エステック株式会社製のサーモプロテクタ（型番：ＴＲ９２；公称動作温度：１１５℃；定格電流：９Ａ；定格電圧：３２Ｖ）を使用して、図４に示す回路図となるように接続して、本発明の保護デバイスを作製した。なお、図４において点線によって包囲した部分がヒュージングレジスタであり、ヒュージングレジスタは、抵抗体１１０と温度ヒューズ１０８を含む。
　・遮断試験
　作製した保護デバイス１０１を用いて、図５に示す回路にて遮断試験を行った。用いた機器は下記表１に示す。なお、内側の破線によって包囲した部分がヒュージングレジスタであり、外側の破線によって包囲した部分が保護デバイスである。室温で、パワーライン直流電源１１２により、回路に１００Ａ－５００Ｖの電流を流した状態で、信号ライン直流電源１１８からヒュージングレジスタの抵抗体に通電し、ヒュージングレジスタの温度ヒューズを動作させた。保護デバイスの両端電圧と、回路電流を測定した。結果を図６に示す（ヒュージングレジスタの温度ヒューズの動作時を０秒とする）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　・結果
　ヒュージングレジスタの定格電流（７５Ａ）および定格電圧（６０Ｖ）を大きく超える電流および電圧であったにもかかわらず、保護デバイスは、不具合無く、正常に電流を遮断した。また、図６には示していないが、約４秒後に、第２温度ヒューズも不具合なく、正常に溶断し、回路は完全に開かれた状態となった。
　また、図６から、ヒュージングレジスタの温度ヒューズが動作した直後、約１０Ｖの電圧上昇が認められたが、その後は約１０ミリ秒後まで電圧の上昇が抑制されていることが確認された。これはヒュージングレジスタを流れていた電流が、ＰＴＣ素子に転流されたためである。なお、動作時の電流は約９０Ａであり、ヒュージングレジスタの定格電流を上回っているが、動作時の電圧は１０Ｖ以下であり、定格電圧を大きく下回っているので、不具合無く電流を遮断することができる。
　１…保護デバイス；２…保護素子；４…ＰＴＣ素子；
　６…第２温度ヒューズ；８…第１温度ヒューズ；１０…抵抗体；
　１２…端子；１４…端子；１６…端子；１８…ＰＴＣ素子；
　２０…端子；２２…端子；１０１…保護デバイス；１０２…保護素子；
　１０４…ＰＴＣ素子；１０６…第２温度ヒューズ；
　１０８…第１温度ヒューズ；１１０…抵抗体；
　１１２…パワーライン直流電源；１１４…パワーライン負荷；
　１１６…スイッチ；１１８…信号ライン直流電源；１２０…スイッチ

Claims (14)

  1. 　（ｉ）第１温度ヒューズと抵抗体とを含んで成り、異常時に抵抗体に通電することによって抵抗体が発熱し、この熱により第１温度ヒューズが動作して、電流を遮断する保護素子と、
    　（ｉｉ）ＰＴＣ素子と、
    　（ｉｉｉ）第２温度ヒューズ
    とを含んで成り、
    　第２温度ヒューズが、ＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続されており、
    　保護素子の第１温度ヒューズが、ＰＴＣ素子および第２温度ヒューズに対して電気的に並列に接続されており、
    　異常時に、保護素子を動作させることによって、ＰＴＣ素子がトリップして発熱し、この熱により第２温度ヒューズが溶断されること
    を特徴とする保護デバイス。
  2. 　保護素子がヒュージングレジスタであることを特徴とする、請求項１記載の保護デバイス。
  3. 　ヒュージングレジスタが、一対のリード固定電極を有し、これらのリード固定電極にガイド軸が並設され、可動電極がガイド軸に挿通された状態で前記リード固定電極間にまたがって配設され、各リード固定電極の先端と可動電極との間および前記ガイド軸と可動電極との間が低融点合金で接合され、前記可動電極に前記リード固定電極より離隔させる方向の力を作用させる圧縮バネが設けられ、前記低融点合金の溶融で可動電極が圧縮バネで付勢されて前記リード固定電極より離隔されることを特徴とする、請求項２記載の保護デバイス。
  4. 　ヒュージングレジスタにおいて、抵抗体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮バネにコイルバネが使用され、該コイルバネが抵抗体と可動電極との間において前記一方のリード導体に挿通され、抵抗器の一方のリード導体と両リード固定電極の何れかとの間に抵抗器通電発熱回路が接続されることを特徴とする、請求項３記載の保護デバイス。
  5. 　ＰＴＣ素子が、ポリマーＰＴＣ素子であることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の保護デバイス。
  6. 　使用温度でのＰＴＣ素子の抵抗値が、保護素子の定格電圧／異常電流以下であることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の保護デバイス。
  7. 　ポリマーＰＴＣ素子のポリマー材料の軟化点より１０℃低い温度でのＰＴＣ素子の抵抗値が、保護素子の定格電圧／異常電流以下であることを特徴とする、請求項５に記載の保護デバイス。
  8. 　ＰＴＣ素子の動作時間が、第１温度ヒューズのヒューズエレメントの絶縁時間よりも長いことを特徴とする、請求項１～７のいずれかに記載の保護デバイス。
  9. 　ＰＴＣ素子の動作時間が、３ミリ秒以上であることを特徴とする、請求項１～８のいずれかに記載の保護デバイス。
  10. 　前記ＰＴＣ素子に電気的に並列に接続され、かつ、第２温度ヒューズに電気的に直列に接続されている１つまたはそれ以上の別のＰＴＣ素子を含むことを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の保護デバイス。
  11. 　第２温度ヒューズの動作温度が、ＰＴＣ素子のトリップ温度よりも低いことを特徴とする、請求項１～１０のいずれかに記載の保護デバイス。
  12. 　異常電流での第２温度ヒューズの溶断時間が、ＰＴＣ素子のトリップ時間よりも長いことを特徴とする、請求項１～１１のいずれかに記載の保護デバイス。
  13. 　第２温度ヒューズは、ＰＴＣ素子がトリップ状態にある場合のリーク電流において、異常電圧以上の耐電圧性を有することを特徴とする、請求項１～１２のいずれかに記載の保護デバイス。
  14. 　請求項１～１３のいずれかに記載の保護デバイスを有する電気装置。
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