JP7397815B2 - 熱応動スイッチ素子及び電気回路 - Google Patents
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Description
本発明は、熱応動スイッチ素子等に関する。
従来、熱応動スイッチ素子の一例として、温度上昇に応じて電流を遮断するブレーカーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記特許文献１に開示されている熱応動スイッチ素子は、通常時に可動接点が固定接点に接触し、可動片と固定片との間で導通状態が維持されているため、可動片及び固定片にジュール熱が発生する。従って、熱応動素子の温度は、熱応動スイッチ素子の周辺温度に上記ジュール熱によって上昇する温度が加えられた温度となり、熱応動スイッチ素子の周辺温度を正確に感知できない虞がある。
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、ジュール熱の影響を受けることなく、熱応動スイッチ素子の周辺の温度上昇に応じて正確に動作する熱応動スイッチ素子を提供することを主たる目的としている。
本発明の第１発明は、固定接点と、可動接点を有し、前記可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動片と、前記可動片を弾性変形させることにより、前記固定接点から前記可動接点を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点に接触するように前記可動片を作動させる熱応動素子とを備え、前記熱応動素子は、第１熱膨張率の第１層と、前記第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層とを有し、前記熱応動素子の厚さ方向で、前記第１層は前記固定接点の側に、前記第２層は前記可動接点の側に配されている。
本発明の第２発明は、固定接点と、可動接点を有し、前記可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動片と、前記可動片を弾性変形させることにより、前記固定接点から前記可動接点を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点に接触するように前記可動片を作動させる熱応動素子とを備え、前記熱応動素子は、第１熱膨張率の第１層と、前記第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層とを有し、前記熱応動素子の厚さ方向で、前記第２層は前記可動片の側に配されている。
本発明に係る前記熱応動スイッチ素子において、前記固定接点、前記可動片及び前記熱応動素子を収容する空間を有するケースを備え、前記ケースは、底壁と前記底壁から前記熱応動素子の側に突出し、前記第１層と接触する接触部を有する、ことが望ましい。
本発明に係る前記熱応動スイッチ素子において、前記ケースには、前記熱応動素子の厚さ方向から視た平面視で、前記熱応動素子の一部と重複する領域に、前記ケースを貫通する貫通孔が形成されている、ことが望ましい。
本発明の第３発明は、前記熱応動スイッチ素子と、電源と、負荷とを含む電気回路であって、前記熱応動スイッチ素子は、前記電源と前記負荷とを接続するパワーラインに直列に接続されている。
本発明の第４発明は、前記熱応動スイッチ素子と、電源と、負荷とを含む電気回路であって、前記熱応動スイッチ素子は、前記電源と前記負荷とを接続するパワーラインで負荷に対して並列に接続されている。
本第１発明の前記熱応動スイッチ素子は、前記熱応動素子は、ジュール熱が生じない状態で前記可動片を弾性変形させることにより、前記固定接点から前記可動接点を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点に接触するように前記可動片を作動させる。これにより、前記熱応動スイッチ素子は、前記固定接点、前記可動接点及び前記可動片で生ずるジュール熱の影響を受けることなく、前記熱応動スイッチ素子の周辺の温度上昇に応じて正確に動作する。さらに、前記熱応動素子は、前記第１熱膨張率の前記第１層と、前記第１熱膨張率より高い前記第２熱膨張率の前記第２層とを有し、前記熱応動素子の厚さ方向で、前記第１層は前記固定接点の側に、前記第２層は前記可動接点の側に配されている。従って、前記熱応動スイッチ素子の厚さを肥大させることなく、正確な上記動作が得られる。
本第１発明の前記熱応動スイッチ素子は、前記熱応動素子は、ジュール熱が生じない状態で前記可動片を弾性変形させることにより、前記固定接点から前記可動接点を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点に接触するように前記可動片を作動させる。これにより、前記熱応動スイッチ素子は、ジュール熱の影響を受けることなく、前記熱応動スイッチ素子の周辺の温度上昇に応じて正確に動作する。さらに、前記熱応動素子は、前記第１熱膨張率の前記第１層と、前記第１熱膨張率より高い前記第２熱膨張率の前記第２層とを有し、前記熱応動素子の厚さ方向で、前記第２層は前記可動片の側に配されている。従って、前記熱応動スイッチ素子の厚さを肥大させることなく、正確な上記動作が得られる。
本発明の一実施形態による熱応動スイッチ素子について図面を参照して説明する。図１乃至図３は、熱応動スイッチ素子１の構成を示している。熱応動スイッチ素子１は、固定接点２１と、可動接点４１を有する可動片４と、温度変化に伴って変形する熱応動素子５とを備える。本実施形態の熱応動スイッチ素子１では、固定接点２１、可動接点４１、可動片４及び熱応動素子５は、ケース１０の内部に設けられている。ケース１０は、ケース本体（第１ケース）７とケース本体７に装着される蓋部材（第２ケース）８等によって構成されている。
固定接点２１は、固定片２に設けられている。固定片２は、例えば、銅等を主成分とする金属板（この他、銅－チタニウム合金、洋白、黄銅などの金属板）をプレス加工することにより形成され、ケース本体７にインサート成形により埋め込まれている。固定片２は、外部回路と電気的に接続される端子２２を有している。端子２２は、ケース本体７の端縁の側壁から外側に突出している。
固定接点２１は、銀、ニッケル、ニッケル－銀合金の他、銅－銀合金、金－銀合金などの導電性の良い材料のクラッド、メッキ又は塗布等により可動接点４１に対向する位置に形成され、ケース本体７の内部に形成されている開口７３ａの一部から露出されている。
本出願においては、特に断りのない限り、固定片２において、固定接点２１が形成されている側の面（すなわち図２において上側の面）を第１面、その反対側の面を第２面として説明している。固定接点２１から可動接点４１に向く方向を第１方向と、第１方向とは反対の方向を第２方向とそれぞれ定義した場合、第１面は第１方向を向き、第２面は第２方向を向く。他の部品、例えば、可動片４及び熱応動素子５等についても同様である。
可動接点４１は、可動片４の長手方向の先端部に形成されている。可動接点４１は、例えば、固定接点２１と同等の材料によって形成され、溶接の他、クラッド、かしめ（crimping）等の手法によって可動片４の先端部に接合されている。
可動片４は、銅等を主成分とする板状の金属材料をプレス加工することにより、長手方向の中心線に対して対称なアーム状に形成されている。可動片４は、可動接点４１を固定接点２１に押圧して接触させる。
可動片４の長手方向の他端部には、外部回路と電気的に接続される端子４２が形成されている。端子４２はケース本体７の端縁の側壁から外側に突出している。可動片４は、可動接点４１と端子４２との間に、固定部４３及び弾性部４４を有している。
固定部４３は、端子４２と弾性部４４との間に設けられ、ケース本体７と蓋部材８とによって裏表両面側から挟み込まれて固定される。これにより、ケース本体７に対する可動片４の位置及び姿勢が安定する。
弾性部４４は、固定部４３から可動接点４１の側に延出されている。すなわち、固定部４３から延びる弾性部４４の先端部に可動接点４１が設けられている。
固定部４３においてケース本体７と蓋部材８によって可動片４が固定され、弾性部４４が弾性変形することにより、その先端に形成されている可動接点４１が可動片４の厚さ方向に移動し、固定接点２１と可動接点４１との距離が変動し、熱応動スイッチ素子１の開閉が実現される。
可動片４は、弾性部４４において、プレス加工により湾曲又は屈曲されている。湾曲又は屈曲の度合いは、熱応動素子５を収納できる限り特に限定はなく、作動温度及び復帰温度における弾性力、接点の押圧力などを考慮して適宜設定すればよい。また、弾性部４４の第２面には、熱応動素子５に対向して一対の突起（接触部）４４ａ，４４ｂが形成されている。突起４４ａ，４４ｂと熱応動素子５とは接触して、突起４４ａ，４４ｂを介して熱応動素子５の変形が弾性部４４に伝達される（図２及び３参照）。
熱応動素子５は、温度変化に伴って変形することにより、可動片４を作動させる。熱応動素子５は、熱膨張率の異なる２種類の材料が積層されることにより構成される。
熱応動素子５は、円弧状に湾曲した初期形状をなし、熱膨張率の異なる薄板材を積層することにより形成される。過熱により作動温度に達すると、熱応動素子５の湾曲形状は、スナップモーションを伴って逆反りし、冷却により復帰温度を下回ると復元する。熱応動素子５の初期形状は、プレス加工により形成することができる。熱応動素子５の材質及び形状は特に限定されるものでないが、生産性及び逆反り動作の効率性の観点から矩形状が望ましく、小型でありながら弾性部４４を効率的に押し上げるために正方形に近い長方形であるのが望ましい。
ケース１０を構成するケース本体７及び蓋部材８は、難燃性のポリアミド、耐熱性に優れたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの熱可塑性樹脂により成形されている。上述した樹脂と同等以上の特性が得られるのであれば、樹脂以外の絶縁材料を適用してもよい。
ケース本体７には、固定接点２１、可動片４及び熱応動素子５などを収容するための内部空間である収容凹部７３が形成されている。収容凹部７３は、可動片４を収容するための開口７３ａ，７３ｂ、可動片４及び熱応動素子５を収容するための開口７３ｃ等を有している。なお、ケース本体７に組み込まれた熱応動素子５の端縁は、収容凹部７３の内部に形成されている枠によって適宜当接され、熱応動素子５の熱変形時に案内される。
蓋部材８には、カバー片９がインサート成形によって埋め込まれている（図２参照）。カバー片９は、上述した銅等を主成分とする金属又はステンレス鋼等の金属をプレス加工することにより板状に形成される。カバー片９は、図２及び図３が示すように、可動片４の第１面と適宜当接し、可動片４の動きを規制すると共に、蓋部材８のひいては筐体としてのケース１０の剛性・強度を高めつつ熱応動スイッチ素子１の小型化に貢献する。
図１に示されるように、固定接点２１、可動片４及び熱応動素子５等を収容したケース本体７の開口７３ａ、７３ｂ、７３ｃ等を塞ぐように、蓋部材８が、ケース本体７に装着される。ケース本体７と蓋部材８とは、例えば超音波溶着によって接合される。このとき、ケース本体７と蓋部材８とは、それぞれの外縁部の全周にわたって連続的に接合され、ケース１０の気密性が向上する。これにより、収容凹部７３がもたらすケース１０の内部空間は密閉され、固定接点２１、可動片４及び熱応動素子５等の部品がケース１０の外部の雰囲気から遮断され、保護されうる。また、超音波溶着によって、可動片４の固定部４３がケース本体７及び蓋部材８と溶着される。
図２は、通常温度における熱応動スイッチ素子１の動作を示している。通常温度の熱応動素子５は、図１及び２に示されるように、第２方向の側に凸となる初期形状を維持している。初期形状の熱応動素子５は、熱応動スイッチ素子１の長手方向での両端部において突起４４ａ及び４４ｂと当接する。このとき、熱応動素子５は、可動片４の弾性部４４が発生する弾性力より大きい弾性力を発生し、可動片４の先端部の突起４４ｂを第１方向の側に押し上げて、可動片４を可動接点４１が固定接点２１から離隔する遮断状態に維持している。従って、固定片２と可動片４との間の通電に伴うジュール熱は生じないため、熱応動素子５の温度は、熱応動スイッチ素子１の周辺の温度を正確に反映した温度となる。
図３は、異常温度における熱応動スイッチ素子１の動作を示している。熱応動スイッチ素子１の周辺温度が過度に上昇すると、作動温度に達した熱応動素子５は第１方向の側に凸となる形状に変形する。熱応動素子５の上記作動温度は、例えば、７０℃～９０℃である。熱応動素子５の変形に伴い熱応動素子５が弾性部４４を押し上げていた力が消滅または著しく減少し、弾性部４４の弾性力によって、可動接点４１が固定接点２１の側に押圧されて固定接点２１に接触する。これにより、可動片４が導通状態に移行する。
熱応動スイッチ素子１では、熱応動素子５はジュール熱が生じない状態で可動片４を弾性変形させることにより、固定接点２１から可動接点４１を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより可動接点４１が固定接点２１に接触するように可動片４を作動させる。これにより、熱応動スイッチ素子１は、固定接点２１、可動接点４１及び可動片４で生ずるジュール熱の影響を受けることなく、熱応動スイッチ素子１の周辺の温度上昇に応じて正確に動作する。
図２及び図３に示されるように、熱応動素子５は、第１熱膨張率の第１層５１と、第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層５２とを有する、いわゆるバイメタルによって構成されている。第１層５１には、例えば、鉄－ニッケル合金をはじめとする、洋白、黄銅、ステンレス鋼などの合金からなる材料が採用される。第２層５２には、例えば、銅－ニッケル－マンガン合金又はニッケル－クロム－鉄合金などの合金からなる材料が採用される。熱応動素子５は、三層以上の積層構造のトリメタル等によって構成されていてもよい。
本熱応動スイッチ素子１では、熱応動素子５の厚さ方向で、第１層５１は固定接点２１の側に、第２層５２は可動接点４１の側に配されている。すなわち、第１層５１は第２方向の側、第２層５２は第１方向の側に配されている。このような配置により、固定接点２１及び可動接点４１と熱応動素子５とを熱応動スイッチ素子１の長手方向に並べて位置させることが可能となり、熱応動スイッチ素子１の厚さを肥大させることなく、正確な上記動作が得られる。
また、本熱応動スイッチ素子１では、熱応動素子５の厚さ方向で、第２層５２は可動片４の側に配されている。このような配置により、固定接点２１及び可動接点４１と熱応動素子５とを熱応動スイッチ素子１の長手方向に並べて位置させることが可能となり、熱応動スイッチ素子１の厚さを肥大させることなく、正確な上記動作が得られる。
図１ないし図３に示されるように、ケース本体７は、底壁７５と、熱応動素子５と接触する接触部７６とを有している、のが望ましい。接触部７６は、底壁７５から熱応動素子５の側に突出し、熱応動素子５の第１層５１と接触する。すなわち、熱応動素子５は、図１において、接触部７６の上方に載置される。
図２に示されるように、初期形状の熱応動素子５は、その中央部において接触部７６と接触する。これにより、熱応動素子５が底壁７５よりも第１方向の側に位置され、遮断状態での固定接点２１からの可動接点４１の距離が十分に確保される。従って、熱応動スイッチ素子１が何らかの事情により衝撃を受けた場合等であっても、固定接点２１から可動接点４１が離隔した状態が容易に維持されるようになり、熱応動スイッチ素子１の動作が安定する。
図４は、ケース本体７の変形例であるケース本体７Ａを示している。ケース本体７Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述したケース本体７の構成が採用されうる。 ケース本体７Ａには、底壁７５を貫通する貫通孔７７が形成されている。
ケース本体７Ａの底壁７５に貫通孔７７が設けられることにより、熱応動スイッチ素子１の外部の熱が放射・対流により熱応動素子５に伝わりやすくなり、熱応動スイッチ素子１の応答性能、感度特性などが向上する。そして、熱応動スイッチ素子１の応答性能が向上すると、熱応動スイッチ素子１の外部環境の温度と熱応動素子５の動作温度との差が小さくなり、より安全に電気回路を保護することができる。
図２、図３に示されるように、固定片２が底壁７５の領域までのびている形態では、貫通孔７７は、固定片２を貫通していてもよい。貫通孔７７が固定片２を貫通することにより、熱応動スイッチ素子１の外部の熱が放射・対流により熱応動素子５に伝わりやすくなる。一方、貫通孔７７が固定片２を貫通しない構成では、ケース１０内の収容凹部７３の機密性が高められる。また、熱応動スイッチ素子１の外部の熱が端子２２を介して熱応動素子５に伝わりやすくなる。
図５は、熱応動素子５と貫通孔７７との関係を示している。貫通孔７７は、熱応動素子５の厚さ方向から視た平面視で、熱応動素子５の一部と重複する領域に形成されている。このような配置により、熱応動スイッチ素子１の外部の熱が、より一層、熱応動素子５に伝わりやすくなる。
ケース本体７Ａでは、同一形状の３個の貫通孔７７が形成されている。貫通孔７７の形状及び個数は任意である。各貫通孔７７の間には、底壁７５と接触部７６とをつなぐブリッヂ部７８が設けられている。ブリッヂ部７８によって接触部７６の位置が安定し、固定接点２１に対する可動接点４１の位置も安定する。
図６は、熱応動スイッチ素子１を含む電気回路１００を示している。電気回路１００は、熱応動スイッチ素子１と、電源１０１と、負荷１０２とを含んでいる。電源１０１は、パワーライン１０３を介して負荷１０２に駆動電圧を印加する。電気回路１００では、熱応動スイッチ素子１は、電源１０１と負荷１０２とを接続するパワーライン１０３に直列に接続されている。
熱応動スイッチ素子１は、熱源（図示せず）の一部または近傍に設けられている。熱源は、電気回路１００内の負荷１０２とは別の負荷であってもよく、電気回路１００とは独立したものであってもよい。負荷１０２は、熱源を冷却するための冷却装置である。冷却装置の一例としては、熱源を冷却するための電動ファンが挙げられる。冷却装置は、電動ファンの他、熱源から熱を奪うための熱交換装置であってもよい。
通常動作時の電気回路１００では、熱応動スイッチ素子１は、固定接点２１から可動接点４１が離隔した開状態である。このとき、負荷１０２には電源１０１の駆動電圧が印加されない。
一方、電気回路１００において、熱源が過熱すると、熱応動素子５の熱変形に伴い、可動接点４１が固定接点２１に接触し、熱応動スイッチ素子１は、閉状態に移行する。このとき、冷却装置である負荷１０２に駆動電圧が印加され、熱源が冷却される。そして、熱源の温度低下に伴い、熱応動素子５が元の形状に復元すると、熱応動スイッチ素子１は、開状態に復帰する。このような電気回路１００によって熱源の温度が制御される。
図７は、電気回路１００の変形例である電気回路１００Ａの回路図を示している。電気回路１００と同様に、電気回路１００Ａは、熱応動スイッチ素子１と、電源１０１と、負荷１０２とを含んでいる。電源１０１は、パワーライン１０３を介して負荷１０２に駆動電圧を印加する。電気回路１００では、熱応動スイッチ素子１は、電源１０１と負荷１０２とを接続するパワーライン１０３で負荷１０２に対して並列に接続されている。また、負荷１０２とは別の負荷（例えば、抵抗１０４）が、熱応動スイッチ素子１に対して直列に接続されている。
電気回路１００Ａでは、熱源は、電気回路１００Ａ内の負荷１０２を含んでいる。そして、熱応動スイッチ素子１は、熱源である負荷１０２の一部または近傍に設けられている。
通常動作時の電気回路１００Ａでは、熱応動スイッチ素子１は、固定接点２１から可動接点４１が離隔した開状態である。このとき、負荷１０２には電源１０１の駆動電圧が印加される。
一方、電気回路１００において、熱源が過熱すると、熱応動素子５の熱変形に伴い、可動接点４１が固定接点２１に接触し、熱応動スイッチ素子１は、閉状態に移行する。このとき、熱応動スイッチ素子１にも電源１０１の駆動電圧が印加され、負荷１０２に流れる電流の一部がバイパスされる。従って、負荷１０２に流れる電流が制限され、熱源である負荷１０２の過熱が抑制される。そして、負荷１０２の温度低下に伴い、熱応動素子５が元の形状に復元すると、熱応動スイッチ素子１は、開状態に復帰する。このような電気回路１００によって熱源の温度が制御される。
以上、本発明の熱応動スイッチ素子１が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、熱応動スイッチ素子１は、少なくとも、固定接点２１と、可動接点４１を有し、可動接点４１を固定接点２１に押圧して接触させる可動片４と、可動片４を弾性変形させることにより、固定接点２１から可動接点４１を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより可動接点４１が固定接点２１に接触するように可動片４を作動させる熱応動素子５とを備え、熱応動素子５は、第１熱膨張率の第１層５１と、第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層５２とを有し、熱応動素子５の厚さ方向で、第１層５１は固定接点２１の側に、第２層５２は可動接点４１の側に配されていればよい。
また、熱応動スイッチ素子１は、少なくとも、固定接点２１と、可動接点４１を有し、可動接点４１を固定接点２１に押圧して接触させる可動片４と、可動片４を弾性変形させることにより、固定接点２１から可動接点４１を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより可動接点４１が固定接点２１に接触するように可動片４を作動させる熱応動素子５とを備え、熱応動素子５は、第１熱膨張率の第１層５１と、第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層５２とを有し、熱応動素子５の厚さ方向で、第２層５２は可動片４の側に配されていればよい。
１ 熱応動スイッチ素子
４ 可動片
５ 熱応動素子
１０ ケース
２１ 固定接点
４１ 可動接点
５１ 第１層
５２ 第２層
７５ 底壁
７６ 接触部
７７ 貫通孔
１００ 電気回路
１００Ａ 電気回路
１０１ 電源
１０２ 負荷
１０３ パワーライン
４ 可動片
５ 熱応動素子
１０ ケース
２１ 固定接点
４１ 可動接点
５１ 第１層
５２ 第２層
７５ 底壁
７６ 接触部
７７ 貫通孔
１００ 電気回路
１００Ａ 電気回路
１０１ 電源
１０２ 負荷
１０３ パワーライン
Claims (6)
- 固定接点と、
可動接点を有し、前記可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動片と、
前記可動片を弾性変形させることにより、前記固定接点から前記可動接点を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点に接触するように前記可動片を作動させる熱応動素子とを備え、
前記熱応動素子は、第１熱膨張率の第１層と、前記第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層とを有し、
前記熱応動素子の厚さ方向で、前記第１層は前記固定接点の側に、前記第２層は前記可動接点の側に配されている、
熱応動スイッチ素子。 - 固定接点と、
可動接点を有し、前記可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動片と、
前記可動片を弾性変形させることにより、前記固定接点から前記可動接点を離隔させ、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点に接触するように前記可動片を作動させる熱応動素子とを備え、
前記熱応動素子は、第１熱膨張率の第１層と、前記第１熱膨張率より高い第２熱膨張率の第２層とを有し、
前記熱応動素子の厚さ方向で、前記第２層は前記可動片の側に配されている、
熱応動スイッチ素子。 - 前記固定接点、前記可動片及び前記熱応動素子を収容する空間を有するケースを備え、
前記ケースは、底壁と前記底壁から前記熱応動素子の側に突出し、前記第１層と接触する接触部を有する、請求項１又は２に記載の熱応動スイッチ素子。 - 前記ケースには、前記熱応動素子の厚さ方向から視た平面視で、前記熱応動素子の一部と重複する領域に、前記ケースを貫通する貫通孔が形成されている、請求項３に記載の熱応動スイッチ素子。
- 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱応動スイッチ素子と、電源と、負荷とを含む電気回路であって、
前記熱応動スイッチ素子は、前記電源と前記負荷とを接続するパワーラインに直列に接続されている、
電気回路。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱応動スイッチ素子と、電源と、負荷とを含む電気回路であって、
前記熱応動スイッチ素子は、前記電源と前記負荷とを接続するパワーラインで前記負荷に対して並列に接続されている、
電気回路。
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