JP4514669B2 - 温度ヒューズを用いた保護装置 - Google Patents

Description

本発明は温度ヒューズの使用領域を高電圧、高電流用機器に拡大する保護回路を備える温度ヒューズを用いた保護装置、特に、温度ヒューズを電流感応ヒューズと併用することにより温度ヒューズの作動直後の異常事態を回避する温度ヒューズ利用回路を有する保護装置に関する。

温度ヒューズは、電気機器の異常過熱を正確に検知し、速やかに回路を遮断させる保護部品であり、各種家電製品、携帯機器、通信機器、事務機器、車載機器、エアコン、ＡＣアダプタ、充電器、電池、その他電子部品に使用されている。通常、温度ヒューズは使用する感温材料により大きく２つに分類される。すなわち、導電性低融点可溶合金を感温材に使用する可溶合金型温度ヒュ−ズと非導電性の感温物質を使用する感温ペレット型温度ヒュ−ズとがある。いずれも装着する電気機器の異常温度上昇に感応して作動し、電気機器への電流を遮断するなど通電路の導通状態を切り換えて電気機器類を保護する、いわゆる非復帰型温度スイッチである。換言すると、初期の常温状態における導通状態を所定の動作温度で逆転させて遮断状態にする電気用品の保護手段であり、作動する動作温度が使用する感温材で決められ、通常、６０℃から２５０℃、定格電流が０．５Ａから１５Ａの範囲で機能するよう品揃えして市販される汎用保護部品である。

たとえば、特許文献１および特許文献２に示すように、内部抵抗が小さくて遮断電流が大きいという特長の感温ペレット型温度ヒューズは、熱可塑性樹脂の感温ペレットを使用して広範囲に亘る動作温度を任意に設定することのできる。また、遮断電流は小さいが絶縁ケース入りで密着装着して温度検出できる可溶合金型温度ヒューズは、低融点可溶合金にフラックスを被着して溶融時の可溶合金を球状化させてカットオフするもので、６０〜２３０℃の比較的低い動作温度を有する。低融点可溶合金の表面に被着されるフラックスは低融点可溶合金が溶融温度で溶断する際に酸化膜の妨害を阻止すると共に所定温度で溶融した可溶合金を表面張力により球状化して両電極部間の電気的接続を断つのに役立てられる（特許文献３および４を参照）。
特開２００５−１５８６８１号公報 特開２００３−３１７５８９号公報 特開平０６−２４３７６７号公報 特開平０４−２８２５２３号公報

一方、電流ヒューズは、ガラス管タイプ、遅延作動するタイムラグタイプ、高耐圧高電流タイプなどが使用されている。一般に、定格電流の２００％の過電流に対し２分以内に作動させることを要求する規定などがある。また、定格電流が２倍未満でも通電時間が１分以上経過すると作動するもの、さらに局部的に細くした抵抗のジュール熱で溶断させる抵抗ヒューズがある。このような電流に感応して回路遮断する電流ヒュ−ズの使用回路においては、負荷自体によるジュ−ル熱の発生や周囲温度の上昇により過熱による危険状態を招くことがあり、こうした危険の回避に温度ヒュ−ズを併設して安全に回路を遮断して過熱状態から脱却させる。たとえば、温度ヒュ−ズを電流ヒューズと合わせて使用する複合化構造も周知であり、各ヒュ−ズエレメントを同一基板上に配置したり、中間電極を設け直列接続して絶縁パッケ−ジしたりする。この種複合ヒュ−ズは、たとえば、特許文献５に示すように、一対のリ−ド導体の先端部を樹脂ベースフィルムに固着すると共にこれらの導体先端部間に中間電極を設け、一方の側に温度ヒュ−ズエレメント、他方の側に電流ヒュ−ズエレメントを接続した複合ヒュ−ズが知られている。また、特許文献６に示すように、電流ヒューズエレメントの発生熱を感知して温度ヒューズエレメントを溶断させる複合ヒューズ、および特許文献７に示すように、外枠を有するリ−ドフレ−ムを用いて中間電極と一対のリ−ド導体の各先端部との間に各ヒュ−ズエレメントを接続した電流ヒューズと温度ヒューズの複合構造が知られている。
特開２００３−２９７２０６号公報 特開２０００−１２３６９４号公報 特開２０００−１３３１０２号公報

ところで、温度ヒューズを電気機器に装着して使用する場合、負荷容量に適合する温度ヒューズを市販される汎用の温度ヒューズから選んで使用しているが、温度ヒューズの適合領域を拡大したい場合がある。たとえば、ＡＣ電源を使用する抵抗負荷への汎用温度ヒューズは、電圧２５０Ｖ、電流１５Ａ以内の範囲となっているが、これをＤＣ電源で使用する場合に、温度ヒューズの遮断時に生ずるアーク放電が継続して不具合を伴なうことがある。すなわち、温度ヒューズが過熱を感応して動作温度で作動して回路遮断する際、温度ヒューズの遮断した接点間に生ずるプラズマが交流のように極性が変わらないため持続してプラズマ放電となり不測の事態を招くことがある。そのために、汎用温度ヒューズの適用範囲は遮断電流が大きいと定格条件の電圧２４Ｖ、電流１０Ａ以内に制約される。また、直流の誘導抵抗負荷や電源機器の過熱阻止に温度ヒューズを利用する際、温度ヒューズの作動による回路遮断時のプラズマ放電による不具合を解消することが望まれている。そして、市販の温度ヒューズを使用して、より高電圧、高電流で使用できるように適用領域を拡大する安全な保護装置の提供が要請されていた。一方、電流ヒューズでは汎用品で幅広い電気定格と特性、遮断能力を持った製品が用意されており、ほとんどの電気機器の保護として使用されている。

したがって、本発明の目的は、上記欠点を解消するために提案されたものであり、既存の製品をより高電圧、高電流で使用可能にする保護回路を備える新規かつ改良された保護装置の提供にある。本発明の目的を達成するために、汎用品の感温ペレット型温度ヒューズや可溶合金型温度ヒューズがそれぞれの内部抵抗を配慮して、予め決められた内部抵抗を有する電流感応ヒューズと併用した保護回路として、高負荷への適応を実現する温度ヒューズを用いた保護装置を構成する。

本発明によれば、電源および負荷に直列接続の保護回路を設け、この保護回路は電源および／または負荷の過熱に感応して作動する所定の動作温度を有する温度ヒューズおよびこの温度ヒューズに並列接続された所定の動作電流で作動する電流感応ヒューズを具備し、電流感応ヒューズは前記温度ヒューズが所定の動作温度で作動した後にのみ作動することを特徴とする保護装置が提供される。ここで、前記電流感応ヒューズの通電電流は前記負荷の定常時メイン電流に対して５０％以内であり、前記電流感応ヒューズが作動する前記所定の動作電流は前記通電電流の２倍以上に設定され、温度ヒューズの作動後に電流感応ヒューズが遮断され、それにより温度ヒューズの電極間に発生する放電を阻止することのできる保護装置を開示する。

換言すると、本発明の保護装置は、温度ヒューズと電流感応ヒューズとを並列接続した保護回路が電源と負荷の間に直列接続して構成され、保護回路に使用する電流感応ヒューズの内部抵抗と温度ヒューズの内部抵抗によってメイン電流に対する電流感応ヒューズの通電電流が決められ、この通電電流に基づいて電流感応ヒューズの定格値が設定される。たとえば、温度ヒューズの内部抵抗については、リードを含めた全長２５ｍｍの抵抗値として表示すると、感温ペレット型温度ヒューズの内部抵抗は概ね１．５ｍΩ／２５ｍｍ以内であるが、可溶合金型温度ヒューズの内部抵抗は概ね１５ｍΩ／２５ｍｍ以内である。また、電流ヒューズの内部抵抗は、定格電流によって多様であるが、通常、上述の温度ヒューズに比べて大きな値である。したがって、市販される汎用品の温度ヒューズと電流ヒューズとを使用することで保護回路は安価にでき、高電圧で大電流の負荷に適応ができる温度ヒューズを用いた保護装置が提供される。

本発明の温度ヒューズに電流感応ヒューズを並列接続した保護回路は、温度ヒューズが作動しない限り電流感応ヒューズが作動せず、かつ温度ヒューズが所定の動作温度で作動した際にはタイムラグで電流感応ヒューズを作動させるので、所定の動作温度で温度ヒューズが作動した時に発生するアーク放電を抑止する。これは、保護回路の電流感応ヒューズを通して電流が流れるので、カットオフ状態になった温度ヒューズの切離した接点間や断線した可溶合金間に印加される電圧を抑止することによる。一方、温度ヒューズの遮断作動で電流感応ヒューズには多くの電流が流れて溶断することになるが、回路遮断にタイムラグが生ずる。それゆえに、温度ヒューズのアーク放電を生じさせず、温度ヒューズの遮断後の放電に伴なう不具合を生じさせない。一般的に可溶合金型温度ヒューズは可溶体の溶融時にはすばやく合金が引き分かれ回路遮断するので、数μ秒程度からのタイムラグで問題ないが、感温ペレット型温度ヒューズでは感温物質の溶融により可動接点が移動して回路遮断するため、数秒程度以上のタイムラグが好ましい。

本発明の温度ヒューズを用いた保護装置の特長として、温度ヒューズおよび電流感応ヒューズを市販汎用品の使用で安価に提供できることである。すなわち、温度ヒューズと並列に電流感応ヒューズを接続することで、温度ヒューズの定格電圧、電流を越える領域での使用を可能にし、温度ヒューズの遮断直後に生ずるアーク放電を阻止する。特に、高電圧、高電流用負荷に対する電源や負荷に使用して過熱を阻止する温度ヒューズの利用領域で、電流感応ヒューズの並列接続によって高負荷装置への適用領域を拡大して工業的価値を高める。本発明の保護装置は、車載関連やＤＣモータ関連でカーエアコンや電動工具の安全保護手段を低価格で提供し、温度ヒューズの適用範囲を遮断電流３５〜１００００Ａ、電圧ＡＣ６００ＶまたはＤＣ６００Ｖの負荷にも対応可能として適応範囲の拡大を図る。

本発明による温度ヒューズを用いた保護装置の実施の形態は、電源および／または負荷の過熱に感応して作動する所定の動作温度を有する温度ヒューズおよびこの温度ヒューズに並列接続された所定の動作電流で作動する電流感応ヒューズを具備する保護回路を電源および負荷に直列接続して構成される、電流感応ヒューズは温度ヒューズが所定の動作温度で作動した後にのみ作動することを特徴とするもので、高電圧、高電流用負荷で使用可能として温度ヒューズの利用範囲を拡大する。以下、図１に示す具体的実施例について説明する。本発明の保護装置１０は、メイン電流用電流ヒューズを含む直流電源１２に負荷１４が接続され、これに温度ヒューズ１６と電流感応ヒューズ１８とを並列接続した保護回路２０が負荷１４に直列接続して構成される。温度ヒューズ１６は、感温ペレット型温度ヒューズまたは可溶合金型温度ヒューズの何れでも良く、通常時に使用される電流値などによって、汎用の市販製品から所定の動作温度に該当するものが選ばれる。ここでは、負荷１４の過熱防止に対応する動作温度を有する温度ヒューズ１６であるが、電源内の制御回路やコンセント等の回路部品の過熱阻止として使用することもできる。一方、電流感応ヒューズ１８は、これに流れる通電電流が負荷に流れる定常時のメイン電流に対して５０％以内に設定され、かつ電流感応ヒューズ１８が作動する所定の電流の定格値が通電電流の２倍以上に設定されたものを使用する。それにより、温度ヒューズ１６の作動後にタイムラグで電流感応ヒューズ１８を遮断することとなり、温度ヒューズ１６の遮断作動時に電極間に発生するアーク放電を阻止する。電流感応ヒューズとしては汎用電流ヒューズのタイムラグタイプ、ガラス管タイプ、高電圧耐圧タイプ、直流電圧タイプの何れか、あるいは抵抗ヒューズを選択する。電流感応ヒューズの内部抵抗は温度ヒューズの内部抵抗に比べて大きく、前述の温度ヒューズの公称定格（電圧または電流）値を拡大した領域で使用可能にする。

図２および図３は保護回路２０における電流の分流状態とそれぞれのヒューズ内部抵抗との関係を説明する回路図である。図２に示すように、温度ヒューズ１６は内部抵抗Ｒ１、電流感応ヒューズ１８は内部抵抗Ｒ２で表わしている。この回路状態で、電源１２から負荷１４へのメイン電流Ｉは温度ヒューズ１６を流れる電流Ｉ１と電流感応ヒューズ１８を流れる電流Ｉ２の和である。したがって、正常動作において、電流感応ヒューズ１８に流れる電流Ｉ２は式（１）で表わせられる電流が流れる。したがって、電流感応ヒューズ１８の遮断電流は前述する電流Ｉ２では動作しないが、メイン電流Ｉでは確実に動作するようメイン電流の１００％よりは小さくした電流値に設定される。ここで、実用回路で利用されるリードを含めて全長２５ｍｍの実測値として、内部抵抗Ｒ１は、感温ペレット型温度ヒューズの場合に概ね１．５ｍΩ／２５ｍｍ以下、多くの品種は０．７〜０．９ｍΩ／２５ｍｍであるのに対し、可溶合金型温度ヒューズの場合に概ね１５ｍΩ／２５ｍｍ以下、多くの品種は３〜１０ｍΩ／２５ｍｍの範囲内にある。一方、電流感応ヒューズ１８の内部抵抗Ｒ２は極めて広範囲にわたり汎用ガラス管タイプの電流ヒューズで実測した場合に約１０ｍΩ乃至６０Ωである。品種別の定格電流と一般的な内部抵抗の関係は表１に示すことができる。ここで、具体的にメイン電流が約１０Ａで使用される負荷に内部抵抗Ｒ１が１．０ｍΩ／２５ｍｍの感温ペレット型温度ヒューズを使用した場合、電流感応ヒューズの内部抵抗Ｒ２が２０ｍΩと仮定すると、電流感応ヒューズ１８の電流Ｉ２は式（１）から求めると式（２）のようになる。それゆえに、電流感応ヒューズ１８には０．４８Ａが通電電流となり、電流ヒューズの規定により通電電流の２倍の電流値は０．９６Ａとなる。従って、定格１Ａ以上でかつ１０Ａ以下でその内部抵抗が約２０ｍΩの汎用電流ヒューズを選定して保護回路に用いる。

（数式）
Ｉ２＝（Ｒ１＊Ｉ１）／（Ｒ１＋Ｒ２） … （１）
Ｉ２＝（Ｒ１＊Ｉ１）／（Ｒ１＋Ｒ２）
＝（１＊１０）／（１＋２０）＝０．４８Ａ … （２）

図１は、本発明に係る実施例として示した図１の保護装置において、負荷１４が作動中に異常過熱して温度ヒューズ１６の所定の動作温度となった時、温度ヒューズ１６が作動して遮断状態にされる。しかし、並列接続の電流感応ヒューズ１８は接続状態で正常作動するので温度ヒューズの遮断直後の電流感応ヒューズが作動して遮断されるまで、負荷１４に電流が流される。この結果、温度ヒューズ１６の遮断した直後にその電極間に生ずるアーク放電を抑止する。こうして、温度ヒューズの作動に伴なう不具合は解消され、温度ヒューズの実質的定格値は拡大され、温度ヒューズ単独使用比べて適用領域の拡大となる。すなわち、市販品の温度ヒューズの使用領域が実質的に拡大され、低価格の温度ヒューズを用いた保護装置が提供される。こうした適用範囲の拡大は、直流用途の抵抗負荷において顕著であり、温度ヒューズの定格電圧や定格電流を越えて使用できることとなる。

次に、温度ヒューズの品種により異なる電流感応ヒューズに流れる電流値Ｉ２について、前述の式により求めて、表２および表３に示した。表２は内部抵抗Ｒ１が１ｍΩの感温ペレット型温度ヒューズを使用した場合に、メイン電流値Ｉと電流感応ヒューズの内部抵抗Ｒ２をパラメータとして示した。同じく表３は内部抵抗Ｒ１が５ｍΩの可溶合金型温度ヒューズを使用した場合に、メイン電流値Ｉと電流感応ヒューズの内部抵抗Ｒ２をパラメータとして示している。

前述したように、電流感応ヒューズの選択条件は、定常メイン電流が流れる場合の電流感応ヒューズに流れる通電電流値を表２または表３から求めて、その２倍以上に定格電流を設定する。この場合に、使用する温度ヒューズの内部抵抗、温度ヒューズの通電電流値、および電流感応ヒューズ自身の内部抵抗が決定要因として必要となる。なお、図３（ａ）は通常使用状態での保護回路２０における通電電流で、Ｉ１≫Ｉ２の関係から断線の心配がない正常状態を示し、図３（ｂ）は保護回路２０の温度ヒューズが所定の動作温度で作動した時の通電電流の状態を示し、温度ヒューズが作動した時、電流感応ヒューズにはメイン電流Ｉがその遮断能力まで流れて作動する。したがって、温度ヒューズの動作時、電流感応ヒューズに導通してスパークや溶着に伴なう不具合が回避される。

温度ヒューズの定格電圧または定格電流を越えた領域に適用範囲拡大するため、電流感応ヒューズと併用することを提案し、それにより保護装置は低価格で提供される。特に、本発明は高負荷電気機器の過熱時の不具合発生を防止する温度ヒューズを使用した保護装置において効果的に利用される。

本発明の実施の形態を示す温度ヒューズを使用した保護装置の回路図である。 同じく図１に示す保護回路についての作用を説明する部分的回路図である。 同じく図２に示す保護回路の動作状態を説明する概要図である。

符号の説明

１０；保護装置、 １２；電源、 １４；負荷、 １６；温度ヒューズ、
１８；電流感応ヒューズ、 ２０；保護回路

Claims (3)

1. 電源および負荷に直列接続した過熱に感応して所定の動作温度で作動する温度ヒューズと、この温度ヒューズに並列接続した所定の動作電流で作動する電流感応ヒューズとを備える保護回路において、前記電流感応ヒューズはその内部抵抗が前記温度ヒューズの内部抵抗に比べて大きく設定した汎用のタイムラグタイプ電流ヒューズまたは抵抗ヒューズからなり、前記温度ヒューズが前記所定の動作温度で作動した際に、前記電流感応ヒューズをタイムラグ作動させると共に前記温度ヒューズの作動後にのみ作動させ、前記負荷のメイン電流は、通常の動作中には５０％以上の電流が前記温度ヒューズ側に、残りの電流が前記電流感応ヒューズに分配され、前記温度ヒューズの使用領域をその公称定格値を超えて使用したこと特徴とする温度ヒューズを用いた保護装置。
2. 前記電流感応ヒューズの通電電流は前記負荷のメイン電流に対して５０％以内であり、前記電流感応ヒューズが作動する前記所定の動作電流は前記通電電流の２倍以上でメイン電流の１００％以内に設定され、前記温度ヒューズの作動後に前記電流感応ヒューズが遮断され、それにより前記温度ヒューズの電極間に発生する放電を阻止することを特徴とする請求項１に記載の温度ヒューズを用いた保護装置。
3. 前記温度ヒューズは内部抵抗が１．５ｍΩ／２５ｍｍ以内の感温ペレット型温度ヒューズ、または内部抵抗が１５ｍΩ／２５ｍｍ以内の可溶合金型温度ヒューズであることを特徴とする請求項１または２に記載の温度ヒューズを用いた保護装置。

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