(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路における電圧サージを抑制するための使い捨て電圧抑制デバイスであって、
電気絶縁材料で形成されたチューブ状ケーシングと、
前記ケーシングの第一端に取り付けられた第一の伝導部材と、
前記ケーシングの第二端に取り付けられた第二の伝導部材と、
前記ケーシング内部で、第一面と、第二面と、第一面および第二面の間で所定の定格電圧を有し、前記第一面および第二面に印加される電圧が前記定格電圧を超えると温度が上昇する電圧感受性素子と、
前記電圧感受性素子の前記第一面および前記第一の伝導部材と電気的に接続された第一端子と、
前記電圧感受性素子の前記第二面と電気的に接続されており、室温で導電性固体であって、所定の軟化温度を持つ熱素子と、
前記第二の伝導部材と電気的に接続されており、第一の伝導部材と第二の伝導部材との間の電圧降下を感受する前記電圧感受性素子の前記第二面と電気的に接続させる接触部を持ち、前記熱素子によって前記電圧感受性素子との電気的接続が保持され、かつそれから離間するように付勢され、前記電圧感受性素子によって感受された過電圧状態が前記電圧感受性素子の定格電圧を超えて電圧感受性素子が熱素子をその軟化温度以上に加熱すると、前記電圧感受性素子との電気接点から離間して電流経路を遮断する第二端子と、
前記第二端子が前記電圧感受性素子との電気接点から離間するときに、前記第二端子の前記接触部と前記電圧感受性素子とを接触させる第一ポジションから、前記第二端子の前記接触部と前記電圧感受性素子との間に配置される第二ポジションへと移動可能なアークシールドとで構成され、
前記電圧感受性素子は、チューブ状の金属酸化物バリスタである
ことを特徴とする使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項２】
電気回路における電圧サージを抑制するための使い捨て電圧抑制デバイスであって、
電気絶縁材料で形成されたチューブ状ケーシングと、
前記ケーシングの第一端に取り付けられた第一の伝導部材と、
前記ケーシングの第二端に取り付けられた第二の伝導部材と、
前記ケーシング内部で、第一面と、第二面と、第一面および第二面の間で所定の定格電圧を有し、前記第一面および第二面に印加される電圧が前記定格電圧を超えると温度が上昇する電圧感受性素子と、
前記電圧感受性素子の前記第一面および前記第一の伝導部材と電気的に接続された第一端子と、
前記電圧感受性素子の前記第二面と電気的に接続されており、室温で導電性固体であって、所定の軟化温度を持つ熱素子と、
前記第二の伝導部材と電気的に接続されており、第一の伝導部材と第二の伝導部材との間の電圧降下を感受する前記電圧感受性素子の前記第二面と電気的に接続させる接触部を持ち、前記熱素子によって前記電圧感受性素子との電気的接続が保持され、かつそれから離間するように付勢され、前記電圧感受性素子によって感受された過電圧状態が前記電圧感受性素子の定格電圧を超えて電圧感受性素子が熱素子をその軟化温度以上に加熱すると、前記電圧感受性素子との電気接点から離間して電流経路を遮断する第二端子と、
前記第二端子が前記電圧感受性素子との電気接点から離間するときに、前記第二端子の前記接触部と前記電圧感受性素子とを接触させる第一ポジションから、前記第二端子の前記接触部と前記電圧感受性素子との間に配置される第二ポジションへと移動可能なアークシールドとで構成され、
前記アークシールドは、前記第二ポジションに向かって付勢され、かつ、前記電圧感受性素子の内部を前記ケーシングの軸方向に沿って移動可能である
ことを特徴とする使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項３】
前記アークシールドは、バネ素子によって付勢される
ことを特徴とする請求項２に記載の電圧抑制デバイス。
【請求項４】
前記アークシールドは、前記第二端子が前記熱素子と接触しているときに、前記第二端子によって前記第一ポジションに支持される
ことを特徴とする請求項３に記載の電圧抑制デバイス。
【請求項５】
前記熱素子は、可溶合金で構成された金属はんだである
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電圧抑制デバイス。
【請求項６】
前記金属はんだの融点は、約９５℃である
ことを特徴とする請求項５に記載の電圧抑制デバイス。
【請求項７】
前記熱素子は、導電性ポリマーである
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電圧抑制デバイス。
【請求項８】
前記アークシールドは、前記第二端子によって前記第一ポジションに支持される
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電圧抑制デバイス。
【請求項９】
前記第二端子は、接触部と前記接触部から離れて伸長する第二部分とを有し、少なくとも前記第二端子の前記第二部分は、屈曲可能であって、前記アークシールドの少なくとも一部を覆うように位置し、前記熱素子に向かって湾曲しており、
前記第二端子の前記接触部は、前記熱素子が軟化する前に、前記熱素子によって前記電圧感受性素子との電気接点に保持され、
前記第二端子は、前記熱素子が軟化するときに、前記熱素子から離間して外側に屈曲し、
前記アークシールドは、前記熱素子が軟化する前に、前記熱素子に向かって付勢されるが、前記熱素子が軟化して前記第二端子が前記熱素子から離間して外側に屈曲するまで、前記第二端子の前記第二部分によって、前記接触部から間隔が置かれた前記第二部分に沿う位置に前記熱素子へ向かう移動が抑制される
ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項１０】
前記第二端子は、前記熱素子が軟化したときに、前記湾曲状態から解放されて、より直線状態へ外側に屈曲する
ことを特徴とする請求項９に記載の使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項１１】
前記第二端子は、前記熱素子が軟化するときに、前記熱素子から間隔が置かれた位置に外側へ屈曲し、
アークシールドの少なくとも一部は、前記電圧感受性素子にかかる電圧が前記電圧感受性素子の定格電圧を超えて、前記熱素子を軟化させるように前記電圧感受性素子が昇温するときに、前記熱素子と前記第二端子との間を通過する
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項１２】
前記電圧感受性素子の通常動作時において前記熱素子は固体であるが、前記電圧感受性素子にかかる電圧が前記電圧感受性素子の定格電圧を超えて増加したときは、前記電圧感受性素子は、前記所定の軟化温度以上に昇温して熱素子を軟化させ、
前記第二端子は、接触部と、前記接触部から離間して伸長する第二部分とを有し、
前記第二端子の前記接触部は、前記熱素子のみによって前記電圧感受性素子との電気接点に保持され、前記第二端子の前記第二部分は、前記熱素子が軟化する前にアークシールドの経路を遮断するように位置されており、前記第二端子の前記接触部は、前記熱素子が軟化するときに前記熱素子から解放され、
前記第二端子は、前記熱素子が軟化して前記アークシールドを前記熱素子に接近する経路に沿って通過するように開放するときに、前記熱素子から離間する
ことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項１３】
前記第二端子は、接触部と第二部分とを有し、前記接触部は、前記熱素子によって前記電圧感受性素子との電気接点で保持され、前記第二端子の内部機械力によって前記電圧感受性素子から離間するように付勢され、
前記アークシールドは、前記第二端子の前記接触部が前記熱素子に保持されているときに、前記電圧感受性素子と前記第二端子の前記第二部分との間に位置し、
前記第二端子の第二部分は、前記熱素子が軟化する前に、前記アークシールドの移動を抑制するように前記アークシールドの経路を通して伸長しており、
前記アークシールドは、一度前記熱素子が軟化して前記第二端子の前記接触部を開放すると、前記電圧感受性素子に略平行な経路を通過する
ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の使い捨て電圧抑制デバイス。
【請求項１４】
前記アークシールドの移動を表示するインジケータを含む
ことを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の電圧抑制デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には回路保護デバイス、より具体的には過渡電流／電圧サージを抑制するデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
商業や家庭内で用いられるコンピュータやコンピュータ関連の機器のような、今日における感受性電子部品の多くは、過渡電圧サージ抑制（ＴＶＳＳ）デバイスを備えている。これらのデバイスは、高精度でかつ高価な電気回路および電気部品を、過電圧障害状態による損傷から保護する。このような過渡電圧サージ抑制システムは、典型的には通常の使用時に予想される障害状態を和らげるために設計される。この点において、このようなシステムは、比較的問題でない障害状態を抑制する設計がなされるが、問題となる過電圧状態から保護する設計はなされない。問題となる過電圧状態は、例えば、システムの中性線や接地線の接続が失われること、または落雷から繰り返される電流パルスによって発生する。このような問題となる過電圧状態は、感受性電気回路や部品に壊滅的な効果をもたらす。このような電気回路、部品、機器のダメージから障害状態を予防するためには、より大きな電圧サージ抑制デバイスを用いることが知られている。これらのデバイスは、建物への電線における電力サージを制御するために、典型的には建物への電力供給線か、または配電網の内部に配置される。あるいは、建物の特定の階への電線に配置される。このような電圧サージ抑制デバイスは、典型的には、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を多く含んでおり、電力供給線と接地線または中性線との間や、中性線と接地線との間に並列接続される。
【０００３】
ＭＯＶは、酸化亜鉛粒子と複雑な非結晶で内部が粒状の材料で形成され、セラミックのような材料で作られた、非線形の電気デバイスである。広い電流の範囲にわたって、電圧は一般的にバリスタ電圧と呼ばれる狭いバンドに維持される。瞬時電圧［ボルト］と瞬時電流［アンペア］との両対数グラフは、略水平線となる。この特有な電圧―電流特性によって、ＭＯＶは、感受性電気回路を電気サージ、過電圧、故障や短絡から保護する理想的なデバイスとなる。
【０００４】
ＭＯＶが、その電圧値を超える電圧に曝されると、過電圧に関するエネルギーを吸収したり分散させたりする伝導デバイスとなり、同時に中性線や接地面へのダンプ電流を制限する。過電圧状態が中断されなければ、ＭＯＶは、オーバーヒートを継続して壊滅的な故障、すなわち、破裂したり爆発したりする。このような壊滅的な故障は、ＭＯＶの近傍における感受性電子機器や部品を破壊する。配電システムにおける電子機器や部品の破壊によって、この部品が取り替えられるか修理されるまでの長い期間、建物や各階への電力が途絶えるおそれがある。さらに、サージ抑制システムにおけるＭＯＶの故障によって、障害状態が、保護するために設計された感受性電子機器にも到達するおそれがある。
【０００５】
サージ抑制システム内で配列された金属酸化物バリスタを保護する電圧抑制デバイスが、回路保護デバイスと題された米国特許番号６，０４０，９７１号で、マーティンソン他によって開示されている。このデバイスは、電圧サージが、配列されたＭＯＶの少なくとも一つが壊滅的に故障した場所に達すると、配列されたＭＯＶ全体をオフラインとする動作をすることができる。開示されたデバイスおよびシステムによれば、トリガーＭＯＶは、配列した中のどのＭＯＶのよりも低い電圧定格をもつように設計される。このため、サージ状態がトリガーＭＯＶの定格電圧を超えると、配列全体がオフラインとなる。しかしながら、ＭＯＶの配列は作動させつつ、所定の定格電圧を超える電圧サージを感受するＭＯＶのみをオフラインにすることが望ましい。
【０００６】
モーセシアン他による米国特許番号６，２５６，１８３号は、デバイス中のＭＯＶが、ＭＯＶの定格電圧を超える電圧サージを感受すると、オフラインとなる回路保護デバイスを開示している。前述した二つのデバイスは、供給線と中立線または接地線との間に接続されるように設計されている。
【０００７】
本発明は、極端な過電圧状態による壊滅的な故障や繰り返される故障状態から電気システムを保護するために用いられるチューブ状ケーシング内に組み込まれた回路保護デバイスおよび過渡電圧サージ抑制システムを提供する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態は、回路内における電圧サージを抑制する使い捨て電圧抑制デバイスが提供される。デバイスは電気絶縁材料で形成されたチューブ状ケーシングで構成される。第一の伝導部材は、ケーシングの第一端に取り付けられている。第二の伝導部材は、ケーシングの第二端に取り付けられている。電圧感受性素子はチューブ状ケーシングの内部に配置されている。電圧感受性素子は、第一面と、第二面と、第一面と第二面との間に所定の定格電圧を持っている。電圧感受性素子は、第一面と第二面との間に印加される電圧が定格電圧を超えると温度が上昇する。第一端子は電圧感受性素子の第一面および第一の伝導部材と電気的に接続されている。熱素子は、電圧感受性素子の第二面と電気的に接続されている。熱素子は、室温で導電性固体であって、所定の軟化温度を持っている。第二端子は、第二の伝導部材と電気的に接続されている。第二端子は、電圧感受性素子の第二面との電気的接続における接触部を持っている。電圧感受性素子は第一の伝導部材と第二の伝導部材との間の電圧降下を感受する。第二端子は、熱素子によって電圧感受性素子との電気的接続が維持され、それから離間するように付勢される。電圧感受性素子によって感受された過電圧状態が電圧感受性素子の定格電圧を超えて、電圧感受性素子が熱素子をその軟化温度以上に加熱させると、第二端子は、電圧感受性素子との電気接点から離間して電流経路を遮断する。アークシールドは、第二端子の接触部と電圧感受性素子とを接触させる第一ポジションから、第二端子が電圧感受性素子との電気接点から離間するときに、シールドが第二端子の接触部と電圧感受性素子との間に配置される第二ポジションへと移動可能である。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、電気回路において電圧サージを抑制するための電圧抑制デバイスが提供される。デバイスは、電気的絶縁材料で形成されたチューブ状ケーシングで構成されている。第一の伝導性部材は、ケーシングの第一端に取り付けられている。第二の伝導材料は、ケーシングの第二端に取り付けられている。所定の定格電圧をもつ電圧感受性素子が提供される。電圧感受性素子は、定格電圧を超える電圧が電圧感受性素子に印加されると昇温する。第一の伝導性部材と第二の伝導部材との間に電圧感受性素子が接続されるための複数の端子が提供される。標準で閉状態の熱スイッチは、複数の端子の一つの一端と、電圧感受性素子の表面と、熱素子から構成される。複数の端子の一つの一端は熱素子によって電圧感受性素子の表面と電気的に接続されるように保持される。熱スイッチは、伝導材料の一つと電圧感受性素子との間で電気的に直列接続される。熱スイッチは、電圧感受性素子の、複数の端子の一つが標準のクローズドポジションからオープンポジションへと動く箇所に熱結合される。クローズドポジションは、複数の端子の一つが電圧感受性素子の表面との電気的接続が保持される場所である。オープンポジションは、電圧感受性素子の温度が熱素子の軟化温度に達したときに、複数の端子の一つと電圧感受性素子との間のギャップを形成するように、複数の端子の一つが電圧感受性素子との電気的接続から動く場所である。複数の端子の一つは、接触部を含み、第二部分は接触部から離間するように伸長する。非伝導性バリアは、複数の端子の一つがオープンポジションに移動したときに、ギャップの中に移動するよう動作する。バリアは、複数の端子の一つと電圧感受性素子との間のアーク放電から発生する線間電圧サージを防止する。複数の端子の一つの第二部分は、少なくとも非伝導性バリアの一部を覆うように伸長し、接触部が、熱素子が軟化し始めるまで熱素子によって保持されるように、熱素子に向かって湾曲する。非伝導性バリアは、熱素子に向かって付勢されるが、熱素子が軟化し始めるまで接触部から離間した場所における複数の端子の一つの第二部分との接触によって熱素子に向かう移動が制限される。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、電気回路における電圧サージを抑制する電圧抑制デバイスが提供される。デバイスは、電気的絶縁材料で形成されたチューブ状ケーシングで構成される。第一の伝導性部材は、ケーシングの第一端に取り付けられる。第二の伝導部材は、ケーシングの第二端に取り付けられる。電圧感受性素子は、ケーシングの内部に配置している。電圧感受性素子は、第一面と、第二面と、第一面と第二面との間に所定の定格電圧を持っている。電圧感受性素子は、第一面と第二面との間に印加された電圧が定格電圧を超えると温度が上昇する。第一端子は、電圧感受性素子の第一面および第一の伝導性部材と電気的に接続される。熱素子は、電圧感受性素子の第二面と電気的に接続される。熱素子は、室温で伝導性固体であって、所定の軟化温度をもつ。第二端子は、バネ金属で形成されており、一端が電圧感受性素子の第二面と電気的に接続されており、他端が第二の伝導部材と接続されている。電圧感受性素子は、第一の伝導性部材と第二の伝導部材との間の電圧降下を感受する。第二端子は、熱素子による電圧感受性素子との接続を維持するために、標準の緩和した形状から湾曲される。第二端子は、本質的に電圧感受性素子から標準の緩和した形状に向かって付勢される。標準の緩和した形状は、第二端子が電圧感受性素子との電気接点からバネのように離間する。電圧感受性素子は、電圧感受性素子によって感受された過電圧状態が電圧感受性素子の定格電圧を超えて、電圧感受性素子が熱素子をその軟化温度以上に加熱すると、電流経路を軟化して遮断する。アークシールドは、第一ポジションから第二ポジションへと移動可能である。第一ポジションは、アークシールドが第二端子と電圧感受性素子とを接触させる箇所であり、第二ポジションは、第二端子が電圧感受性素子との電気接点から離間するときに、アークシールドが第二端子と電圧感受性素子との間に配置される箇所である。第二端子は、熱素子と電気的に接触する接触部と、第二部分とをもつ。第二部分は、アークシールドの経路を通って伸長し、熱素子が軟化温度に到達するまで、アークシールドの移動を遮断する。
【００１１】
本発明の好ましい形態では、感受性回路部品およびシステムを電流サージや電圧サージから保護する回路保護デバイスを提供する。
【００１２】
本発明の別の好ましい形態では、繰り返される回路故障や極端な規模の一回の故障が起こりうる回路内部の過渡電圧サージ抑制（ＴＶＳＳ）システムの壊滅的な故障を防止するために、上記の電圧保護デバイスを提供する。
【００１３】
本発明のより好ましい形態では、電流抑制デバイスと電圧抑制デバイスとを含んだ上記の回路保護デバイスを提供する。
【００１４】
本発明の別の好ましい形態では、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を有する過渡電圧サージ抑制システムを保護するために、上記の回路保護デバイスを提供する。
【００１５】
本発明のさらに好ましい形態では、回路遮断デバイスとして金属酸化物バリスタを含んだ上記の回路保護デバイスを提供する。
【００１６】
本発明のさらに好ましい形態では、回路において容易に置き換え可能に設計されたモジュールである上記の回路保護デバイスを提供する。
【００１７】
これらの他の好ましい形態は、以下の本発明の好ましい実施の形態と関連する図面とから明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明は、部品の物理的形状と部品の配置や、明細書に詳細が記載され、部品を形成する関連図面に示された好ましい実施の形態をとることができる。
【００１９】
図１は、フューズホルダーの一部を断面にした側面図であって、チューブ状の回路保護デバイスがフューズホルダーの内部に部分的に挿入された状態を示す。
【００２０】
図２は、本発明の好ましい実施の形態に係る回路保護デバイスの斜視図であって、回路保護デバイスがＤＩＮレールフューズホルダーに取り付けられた状態を示す。
【００２１】
図３は、図２に示された回路保護デバイスの断面図であって、標準動作状態のデバイスを示す。
【００２２】
図４は、図２に示された回路保護デバイスの断面図であって、故障状態による動作後のデバイスを示す。
【００２３】
図５は、図２に示された回路保護デバイスの分解斜視図である。
【００２４】
図６は、図３の６−６線に沿って切り取った断面図である。
【００２５】
図７は、本発明の別の実施の形態に係る２ピースの金属酸化物バリスタの斜視図である。
【００２６】
図８は、“トリップされた回路”のインジケーターを有する回路保護デバイスの断面図であって、本発明の別の実施の形態を描く。
【００２７】
図９は、図８の回路保護デバイスの断面図を示し、“トリップされた回路”の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図面は本発明の好ましい実施の形態を示す目的のみに用いられ、これらを限定する目的では用いられない。図１は、本発明の好ましい実施の形態に関し、通常のヒューズホルダー１２の内部の回路保護デバイス１０を示している。ヒューズホルダー１２内部およびそれ自身は、本発明の一部ではなく、回路保護デバイス１０の好ましい使用態様を示すために簡易に記載されたものである。
【００２９】
ヒューズホルダー１２は、下面に脚部１４ａ、１４ｂを有する成形樹脂ハウジング１４で構成されている。脚部１４ａ、１４ｂは、ハウジング１４がスナップロック方式で取付レール（図示せず）に取り付けられるように設計される。電気回路の一部を形成する、間隔をおいたリード（図示せず）が、コンタクトブレード２４の間隔をおいた対の電気的接触となる。レシーバー１６は、ハウジング１４へピン１７で枢着されている。レシーバー１６は、円筒状のヒューズ（図示せず）や本発明の回路保護デバイス１０が入るように寸法設計された長穴１６ａを含んでいる。
【００３０】
レシーバー１６はハウジング１４に対して回転可能であり、図１に示すようなオープン位置と、後述するような、ヒューズまたは回路保護装置１０の端部がコンタクトブレード２４と電気的に接続するクローズ位置とを動くことができる。
【００３１】
図２において、回路保護デバイス１０は、ベース２２と間隔をおいたコンタクトブレード２４の対を持つ通常のＤＩＮレールヒューズ台２０に取り付けられている。
【００３２】
回路保護デバイス１０は、一般的に内側のボアまたはキャビティ３４を有するチューブ状の絶縁ケーシング３２で構成されている。ボアまたはキャビティ３４はケーシング３２の軸方向に伸張している。本実施の形態においては、ケーシング３２は円筒形状をしており、円筒状の内側キャビティを有する。ケーシング３２は所定の厚さの壁を持っている。本実施の形態においては、円筒形状のケーシング３２は円筒状の外側表面３６を有する。ケーシング３２の遠心端は縮小した厚さの２つの壁領域を持つように形成されている。環状の溝または凹部４２は、図５に示すように、ケーシング３２の外側表面３６で切断されている。これらの環状の溝または凹部４２は断面が縮小した壁領域３８から離間している。
【００３３】
ケーシングの内部には、外側に面する第一面５２ａ、内側に面する第二面５２ｂを有する電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２が配置されている。本実施の形態では、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２はチューブ状であって、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の円筒外側表面が第一面５２ａであり、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の円筒内側表面が第二面５２ｂである。電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、ケーシング３２の内部にフィットするように寸法設計される。電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の軸方向長さは、ケーシングの軸方向長さよりもわずかに短い。詳細については後述する。
【００３４】
本発明において、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、その名の通り、電圧を感受するものであって、デバイスに印加される電圧が、前もって選択された電圧を超えると昇温するよう動作することができる。本発明において、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）であることが好ましい。
【００３５】
背景技術として、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）は、主として、まとめて焼結された酸化亜鉛粒子で構成されていることを述べた。本実施の形態では、酸化亜鉛粒子は円筒状のチューブを形成するようにまとめて焼結される。固体としての酸化亜鉛は、高い伝導性をもつ材料である。しかしながら、焼結された酸化亜鉛粒子の間に微小な空気間隙や粒子境界が存在し、この空気間隙や粒子境界が、低電圧における電流の流れを妨害する。高電圧の際は、酸化亜鉛粒子の間隙と境界は、電流の流れを遮断するほど広くないため、ＭＯＶは高い伝導性をもつ部品となる。しかし、この伝導性はＭＯＶにおいて顕著な熱エネルギーを生み出す。ＭＯＶは典型的には、“バリスタ電圧”によって分類され、特定される。ＭＯＶのバリスタ電圧は、典型的にはＶＮ（ＤＣ）によって特定され、デバイスが“オフ状態”（すなわち、ＭＯＶがおおむね非伝導性である状態）から変化する電圧であって、その動作状態が導通状態となる電圧である。重要なことに、この電圧は１ｍＡの点で特徴づけられ、最小電圧レベルと最大電圧レベルを特定する。以下、最小電圧レベル、最大電圧レベルをそれぞれＶＭＩＮ、ＶＭＡＸと称す。例えば、２００ボルトのバリスタバリスタ電圧ＶＮ（ＤＣ）を持つ金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）は、実際には１８４ボルトの最小電圧ＶＭＩＮと、２２８ボルトの最大電圧ＶＭＡＸとの間の電圧において非伝導状態から伝導状態への変化を示すが、これに限られない。このＭＯＶの定格バリスタ電圧ＶＮ（ＤＣ）の動作範囲はデバイスの本質によるものである。この点において、実際のＭＯＶの電圧値は、基本的にＭＯＶの厚さと、二つの電極表面に配置された酸化亜鉛粒子の数および大きさに依存する。現在のところ、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）の構造や構成の組み立てのため、特定の動作特性をもつ特定のデバイスを製造することは事実上不可能である。
【００３６】
このため、回路保護デバイス１０の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、１ｍＡにおける定格“バリスタ電圧”ＶＮ（ＤＣ）を有することが好ましいが、実際にＭＯＶとその他すべてのＭＯＶが非伝導状態から伝導状態に変化する電圧は、定格バリスタ電圧のＶＭＩＮとＶＭＡＸとの間でバラついてしまう。本発明においては、選択されたＭＯＶの最小電圧ＶＭＩＮは重要である。詳細については後述する。
【００３７】
第二の伝導性ライニング７２は電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の第二面５２ｂと電気的に接続されている。本実施の形態では、第二の伝導性ライニング７２は、チューブ状であって、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の内側表面である第二面５２ｂの隣で、かつそれに接触する位置に入るように寸法設計されている。第二の伝導性ライニング７２は、少なくともライニング７２の一部分が電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の中央部に沿って伸長するように寸法設計されている。本実施の形態では、第二の伝導性ライニング７２は、円筒状であって、少なくとも電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２と同じ長さを持っている。
【００３８】
第一の伝導性ライナー６２は、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の第一面５２ａ上に配置されている。本実施の形態では、第一の伝導性ライナー６２は、金属等の導電性材料で形成されたチューブ状の素子で構成されている。好ましい実施の形態において、伝導性ライナー６２は、銅で形成されている。本実施の形態では、第一の伝導性ライナー６２は原則として電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２と同じ長さを持っている。第一の伝導性ライナー６２の内径は、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の外形とぴったりと整合するように設計されている。第一の伝導性ライナー６２が電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２を覆うときに、第一の伝導性ライナー６２が電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の第一面５２ａと電気的に接続されるようにするためである。第一端子６４は第一の伝導性ライナー６２と電気的に接続されている。本実施の形態では、第一端子６４は概ねＵ字型である。第一端子６４は、図３および４に示すように、ケーシング３２の一端の周りを覆うように設計されている。また、Ｕ字型の第一端子６４の脚部６４ａは、第一の伝導性ライニング６２と電気的に接続されており、他の脚部６４ｂは、ケーシング３２の外側表面を覆い、かつそれに平行に伸長している。図３および４に示すように、脚部６４ｂは、ケーシングの壁の厚さが減少する、ケーシング３２の端部の壁領域３８の隣に配置されている。Ｕ字型端子６４の脚部６４ａは、脚部６４ｂ内側に向かってわずかに湾曲しており、壁領域３８よりもわずかに広く、わずかにフレア状または拡幅したベース部６４ｃが規定される。
【００３９】
次に図５を参照する。第二端子７４は、ベース部７６と腕部７８とで構成されている。本実施の形態では、ベース部７６は、平坦で円形の板状の外形をしており、腕部７８は、細長く、平坦で長方形の帯状の外形をしている。標準的な外形では、腕部７８は、ベース部７６から概ね垂直に伸長する。ベース部７６と腕部７８は、剛性や導電性を有し、平坦で板状またはシート状の材料であることが好ましい。好ましい実施の形態としては、第二端子７４、すなわちベース部７６と腕部７８は、銅板で形成されている。ベース部７６および腕部７８を形成する板状の材料としては、腕部７８は剛性を持つが、腕部７８の自由端が可動できるような厚さであることが好ましい。すなわち、腕部７８の自由端は、以下に詳細を示す方法で、ベース部７６に対して曲げられている。
【００４０】
ベース部７６の半径は、ケーシング３２の半径とおよそ等しく、腕部７８の長さは、回路保護デバイス１０が組み立てられたときに、腕部７８の自由端がケーシング３２の軸心付近に位置するようにする。
【００４１】
図に示すように、ベンド８２は、腕部７８の自由端の付近に形成されている。ベンド８２は、第二の伝導性ライナー７２の内側表面との電気的接続を形成する接触点８２ａを有する。詳細については後述する。
【００４２】
電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２および第一、第二の導電性ライナー６２、７２はケーシング３２内部に配置するように寸法設計されている。そして、図３および４に示すように、第一の導電性ライナー６２の外側表面がケーシング３２の内側表面に対してぴったりと合うように配置されている。図に示すように、本実施の形態では、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２と第一、第二の伝導性ライニング６２、７２の長さは、ケーシング３２よりもわずかに短い。Ｕ字型の第一端子６４は、ケーシング３２の外側表面に沿って配置された脚部６４ｂで、ケーシング３２の端部の周辺を覆うように寸法設計されている。第二端子７４はケーシング３２の他端に入るように寸法設計されている。
【００４３】
エンドキャップ９２、９４は、ケーシング３２の遠心端に配置されており、第一端子と第二端子をケーシング内部に閉じ込めている。キャップ９２、９４は、それぞれケーシング３２の端部を囲むように設計されている。この点において、エンドキャップ９２、９４はそれぞれキャップ状であって、円形の底壁部９６と円筒形の側壁部９８を持っている。キャップ９２、９４は、側壁部９８の開口端をケーシング３２上に圧着することによって、ケーシング３２に取り付けられている。図３および４に示すように、キャップ９２、９４の側壁部９８の開口端は、キャップ９２、９４の側壁部９８の自由端が、ケーシング３２の外側表面に形成された環状凹部４２内に押し込まれるようにして圧着される。
【００４４】
図３に示すように、Ｕ字型の第一端子６４の脚部６４ｂは、ケーシング３２の壁領域３８とエンドキャップ９２の側壁部９８との間に拘束される。これにより、第一端子６４の脚部６４ｂは金属製のエンドキャップ９２と電気的に接続される。この点において、エンドキャップ９２は、第一端子６４および第一の伝導性ライニング６２を通して、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の第一面５２ａと電気的に接続される。絶縁ディスク１１２は、エンドキャップ９２の内部に配置されている。図に示すように、絶縁ディスク１１２は、底壁部９６の内側表面上に配置するように設計されている。絶縁ディスク１１２は電気絶縁材料で形成されており、基本的にエンドキャップ９２と第二の導電性ライニング７２との電気的絶縁を保証するために設けられている。
【００４５】
図４に示すように、Ｕ字型第一端子６４のベース部６４ｃは電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の端部のみならず、ケーシング３２の端部から離間した電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の内側表面に沿って配置された第一の伝導性ライニング６２を固定するように拡大されている。換言すると、本実施の形態では、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の端部と第一の伝導性ライニング６２は第一の絶縁ディスク１１２から離間している。
【００４６】
第二端子７４の、円形の底壁部７６は、底壁部７６に対向して配置されたキャップ９４の内部に適合するように、かつエンドキャップ９４の底壁部９６と電気的に接続されるように寸法設計されている。
【００４７】
絶縁材料で形成された第二の絶縁ディスク１１４はエンドキャップ９４の内部の位置に設けられている。第二の絶縁ディスク１１４は、エンドキャップ９４内部に適合するように寸法設計された円形の外縁をもつ平坦なディスクである。開口若しくは穴１１６が絶縁ディスク１１６の中央に形成されている。開口１１６は、第二端子７４の腕部７８が貫通するように寸法設計されている。この点において、絶縁ディスク１１４は、ケーシング３２の端部、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の端部および第一、第二の伝導性ライニング６２、７２の端部の隣に位置するように設計されている。第二の絶縁ディスク１１４は、本質的には、第一、第二の伝導性ライニング６２、７２を、エンドキャップ９４の底壁部９６から絶縁している。図３および４に示すように、第二端子７４のベース部７６は第二の絶縁ディスク１１４とエンドキャップ９４の底壁部９６との間で拘束されている。
【００４８】
第二端子７４が最初にケーシング３２に組み立てられたとき、第二端子７４の腕部７８ケーシング３２に設けられた開口部３４の中へ軸方向に伸長する。図３および４に示すように、第二端子７４の腕部７８の自由端はわずかに湾曲しており、オフセット部を規定している。第二端子７４のの腕部７８は、切り替えられるように設計されている。すなわち、第二端子７４のの腕部７８は、標準の第一ポジション（図４に示す）から、腕部７８に形成されたベンド８２が第二の伝導性ライニング７２の内側表面と電気的に接続する第二ポジションへと押し上げられる。
【００４９】
本発明の一態様では、第二端子７４の細長い腕部７８は、熱素子１２２によって、第二の導電性ライニング７２の内側表面と電気的に接続する第二ポジション（図３に示す）に保持されている。好ましい実施の形態では、熱素子１２２は、固体金属であって、比較的軟化温度や融解温度が低いものである。融解温度が低い金属合金や、軟化温度が低いポリマーが用いられる。熱素子１２２は、好ましくは室温（２５℃）で固体であって、３５℃付近まで固体である。熱素子１２２は、好ましくは７０℃から１４０℃までの間に融解温度または軟化温度を持ち、さらに好ましくは、９０℃から１００℃までの間に融解温度または軟化温度を持つ。
【００５０】
図３に示すように、第二の伝導性ライニング７２に取り付けられると、第二端子７４の腕部７８は、（塑性変形と対比される）弾性変形して、第二の伝導性ライニング７２の内側表面に対向する場所に腕部７８が保持される。しかし、第二端子７４の腕部７８は、熱素子１２２によって抑制されなければ、およそ最初の標準位置に弾性的に戻る。換言すると、腕部７８は細長く、全体的に剛性金属材料で形成されているため、ばねのような特徴を持っている。図３に示すように、第二ポジションにされたとき、溝または凹部１２６は、腕部７８の接触領域と第二の伝導性ライニング７２の内側表面との間に形成される。
【００５１】
バリア素子１３２は、ケーシング３２の内部で移動可能に設けられている。以下、詳細を説明する。バリア素子１３２は、本質的にはアークシールドである。より具体的には、バリア素子１３２は、第二の伝導性ライニング７２の内部を移動可能である。本実施の形態では、バリア素子１３２は、全体的にカップ状のデバイスであって、平坦で円形のベース１３２ａと円筒形の側壁１３２ｂを有する。バリア素子１３２は、円筒形の内側キャビティ１３２ｃを形成している。バリア１３２の円筒形の側壁１３２ｂは、バリア１３２が第二の伝導性ライニング７２に設けられた開口の内部をスライド自在となるように寸法設計される。バリア素子１３２は、好ましくは電気絶縁材料、すなわち非伝導性部材で一体形成されている。バリア素子１３２は、例えば、ポリマー材料であるが、これに限られない。バイアス素子１３４は、バリア素子１３２を、第二端子７４の腕部７８の方向に付勢する。熱素子１２２によって、腕部７８が第二の伝導性ライニング７２の内側に保持されているとき、バリア素子１３２の側壁１３２ｂの縁部は、腕部７８の湾曲端と第二の伝導性ライニング７２の表面凹部または溝１２６に拘束される。本実施の形態では、バイアス素子１３４は圧縮バネである。腕部７８とバリア素子１３２と圧縮バネ１３４は、細長い腕７８の自由端が第二の伝導性ライニング７２の内側表面に保持されているときに、バリア素子１３２が、腕部７８のベンド８２によって、第二の伝導性ライニング７２の内部において腕部７８に対して移動が制限されるように寸法設計されている。図３に示すように、圧縮バネ１３２は圧縮されて、腕部７８のベンド８２によって移動が制限されたカップ状のバリア１３２のベース１３２ａに対して付勢力を加える。
【００５２】
次に回路保護デバイス１０の動作について説明する。回路故障状態から電気回路を保護するために、一つまたは複数の回路保護デバイス１０が用いられる。図２に示すように、回路保護デバイス１０は、ありふれたＤＩＮレールヒューズ台２０に取り付けられるとともに、好ましくは、図１に示すように、ヒューズホルダー１２に取り付けられる。ヒューズホルダー１２は、通電された電力線に曝されることなく、回路保護デバイス１０を、保護すべき電気システム若しくは回路と容易に接続させる。換言すると、ヒューズホルダー１２は、“活きた”回路や着脱可能な部品に、回路保護デバイス１０を安全かつ容易に取り付けることができる。
【００５３】
回路保護デバイス１０がホルダー１２の内部に配置され、かつホルダー１２がクローズ位置になると、回路保護デバイス１０のキャップ９２、９４は、ホルダー１２のコンタクトブレード２４と接触する。ホルダー１２が、電気回路の電力線と接地中立線との間に取り付けられると、電流経路は回路保護デバイス１０を経て作り出される。より具体的には、電流経路は、エンドキャップ９２から、第一の伝導性ライニング６２と電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２を経て、第二の伝導性ライニング７２へと作り出される。電流経路は、第二の伝導性ライニング７２から、第二端子７４の腕部７８（熱素子１２２によって伝導性ライニング７２と接触して保持されている）を経て、エンドキャップ９４へと続いている。換言すると、ホルダー１２が取付レール（図示せず）に保持され、かつ回路保護デバイス１０がコンタクトブレード２４と電気的に接続されているとき、伝導経路は、電力線と接地または中立線との間で回路保護デバイス１０を通過する。伝導経路は、エンドキャップ９２、９４が逆であったとしても、回路保護デバイス１０を経るようになっている。
【００５４】
前述したように、電気回路を保護するために、一つ以上の回路保護デバイス１０が用いられる。回路保護システムは、電力線と接地線または中立線とに並列接続された“Ｎ”個の回路保護デバイス１０を有しても良い。このような“マルチプルデバイスシステム”において、各回路保護デバイス１０は、同じ定格“バリスタ電圧”ＶＮ（ＤＣ）と定格ピーク電流を持っている。このようなマルチプルデバイスシステムによってなされた全電流サージ保護は、システムに用いられる回路保護デバイス１０の、定格ピーク電流サージの約“Ｎ”倍となる。例えば、各回路保護デバイス１０の定格ピーク電流サージが１０００アンペアである場合、そのアセンブリの全定格ピーク電流サージは１０００×Ｎアンペアとなる。前述したように、各回路保護デバイス１０は、同じ“定格バリスタ電圧”を持つが、実際には回路保護デバイス内の各ＭＯＶの“定格バリスタ電圧”はＶＭＩＮとＶＭＡＸの間で様々である。結果として、各回路保護デバイス１０による電流サージは、後述するように、同時に発生しないかもしれない。
【００５５】
過電圧状態または繰り返しパルス状態の場合、回路保護デバイス１０の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、過電圧状態となる。この過電圧状態は、第一の伝導性ライニング６２と第二の伝導性ライニング７２との間と、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の第一面５２ａと第二面５２ｂとの間に電圧の差異（バイアス）を生み出す。これにより、サージ電流によって熱エネルギーが生み出され、チューブ状の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、それぞれエネルギーの吸収および熱エネルギーの分散を始める。電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の電圧の差異が大きくなると、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の導電性は向上し、それによって増加した熱量が発生する。前述したように、各電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の実際の特性は全く同じではないため、直列の一つの電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の定格エネルギーは、他のものと比較して低くなり、熱反応時間は早くなる。そのため、個々の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、マルチプルデバイスシステム内部の他の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２よりも素早く昇温する。故障状態が深刻である場合、一つ以上の回路保護デバイス１０の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は、熱素子１２２である低温はんだ材料の融解温度に昇温する。これにより、第二端子７４の腕部７８は、もはや第一ポジション（図３に示す）に保持されなくなる。熱素子１２２が融解すると、第二端子７４を形成する金属材料は標準の平面外形に戻ろうとするため、腕部７８は電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の内側表面５２ａから自由に離間する。
【００５６】
本発明の一態様では、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の第二面（内側表面）５２ｂは、第一面（外側表面）５２ａよりも素早く昇温する。なぜなら、それぞれの表面の半径が異なるため、第二面５２ｂの表面積が第一面５２ａの表面積よりも小さいからである。表面積が小さいと、単位面積当たりの電流密度および単位面積当たりのジュール熱は高くなる。第二面面５２ｂを素早く加熱することによって、障害状態となったときに熱素子を融解することができる。
【００５７】
腕部７８が電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２から離間すると、回路保護デバイス１０の伝導経路は遮断され、回路保護デバイス１０は“オフライン”となる。
【００５８】
一つの回路保護デバイス１０が“オフライン”となると、マルチプルデバイスシステムの他の回路保護デバイス１０の定格電流サージは減少する。前述した例を用いると、一つの回路保護デバイス１０が“オフライン”となると、オフラインの回路保護デバイス１０が交換されるまでの期間、システムは１０，０００アンペアのサージ能力を失い、定格電流サージは１０，０００×（Ｎ−１）アンペアとなる。
【００５９】
このため、本発明は、回路保護システムを形成するために、単独で、または他の同様のデバイスと一体として用いられる回路保護デバイス１０を提供する。回路保護デバイス１０は、電圧スパイクが、壊滅的な故障を予防して保護するデバイスの定格バリスタ電圧を大幅に超えたときに、回路の電圧スパイクを抑制してオフラインとなる動作が可能な内蔵ユニットである。
【００６０】
次に、図８、図９を用いて説明する。本発明の最終的な実施の形態を描く回路保護デバイス２１０が示されている。回路保護デバイス２１０は多くの点で回路保護デバイス１０と共通である。この点において、回路保護デバイス１０の構成と同様の、回路保護デバイス２１０の構成には同一の参照番号を示す。回路保護デバイス２１０と前述した回路保護デバイス１０との主な違いは、円筒形のバリア素子１３２が、バリア素子１３２の、平坦で円形のベース１３２ａから軸方向に伸長する細長のピン２３２を有することである。ピン２３２は、図８に示すように、バリア素子１３２が、第二端子７４の腕部７８によって、バイアス素子に対して第一ポジションに保持されているとき、絶縁ディスク１１２とエンドキャップ９２の底壁部９６とを貫通して形成された開口２３４を通過して伸長するように寸法設計されている。図８に示すように、回路保護デバイス２１０が通常動作の形態であるとき、ピン２３２の端部２３２ａは、エンドキャップ９２の底壁部９６を超えて伸長している。故障状態の場合、バイアス素子１３４がバリア素子１３２を“トリップ位置”に押し上げるため、回路保護デバイス２１０は“トリップ”し、ピン２３２の端部２３２ａは、ケーシング３２のインナーボア３４の内部へ引き込まれる。そのため、エンドキャップ９２から伸長するピン２３２の端部２３２ａが見えなくなることで、回路保護デバイス２１０が“トリップ”されており、交換すべきであることが示される。よって、回路保護デバイス２１０は、回路保護デバイス２１０の状態を示すインジケータ手段として、素早くて単純な構成を提供する。
【００６１】
前述した記載は、本発明の特別な実施の形態である。この実施の形態は例示の目的のみで記載されており、発明の範囲や思想と離れずに、当技術分野において通常の知識を有する者によって、多数の代替や変更が実施される。例えば、前述した実施の形態では、電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２は１ピースの部品である場合を述べたが、図７において電圧感受性素子１５２は、回路保護デバイス１０の電圧感受性素子（ＭＯＶ）５２の代わりに、二つのセクション１５４、１５６で形成されている場合が示されている。そして、当分野において通常の知識を有する者によれば、第一および第二の伝導性ライニング６２、７２が、回路保護デバイス１０内部の理想的なチューブ状の形態に、セクション１５４、１５６を保持することは自明である。変更物や代替物が、特許請求の範囲に記載された発明の範囲またはこれに準ずるものの内部にある限り、その変更物や代替物は全て含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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