(57)【要約】本発明は回路内の電流を遮断する装置及び方法であって、導体を流れる電流により誘導された磁気圧力が導体を流し、それにより、関連する回路を開くことを特徴とする装置及び方法を提供する。磁気圧力はローレンツ方程式から導き出すことができる。導体材料を流すのに重力に頼らない。発明は導体サイズ及び材料選択に応じて大きい電流を有する回路に使用できる。
2007534112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
しきい値電流が中を通過するときに開くようにできている電気回路用電流遮断器において、前記回路への接続に適合した流動性導体を備える電流遮断器であって、
前記導体が断面積を有しており、この導体断面積が前記しきい値電流に応じて、十分な磁気圧力が前記導体中に発生して前記導体を強制的に流すような大きさをしており、前記流れが前記回路を開くに十分であることを特徴とする電流遮断器。
【請求項２】
前記導体が前記電気回路の正常動作温度の間は固体であり、前記正常動作温度を超える温度で流動性であることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器。
【請求項３】
前記流れがこの流れに対する何れの重力効果とも実質的に独立に流れることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器。
【請求項４】
前記導体が共晶材料であることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器。
【請求項５】
前記流れを受ける少なくとも一つの貯蔵部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器。
【請求項６】
前記貯蔵部が、前記導体が重力のみの作用の下で前記貯蔵部内に完全に流れ込めないように構成されることを特徴とする請求項５記載の電流遮断器。
【請求項７】
前記導体が芯と軸方向を有し、前記貯蔵部が、前記導体の芯と直接連通し、前記導体材料を芯領域から前記貯蔵部内に軸方向に流れ込めるようにできていることを特徴とする請求項５記載の電流遮断器。
【請求項８】
しきい値電流が中を通過するときに開くようにできている電気回路用電流遮断器において、前記回路に接続された流動性導体を強制的に十分流して前記回路を開く圧力手段を備える電流遮断器であって、
前記圧力手段が導体としきい値電流を備え、前記導体が、前記導体を通過する前記しきい値電流が前記流れを強制するに十分な温度と強制圧力を発生するような大きさをしかつそのような材料から成り、前記強制圧力が前記流れに対する重力効果より大きい、前記流れに対する駆動効果を有することを特徴とする電流遮断器。
【請求項９】
前記回路を開く前記圧力手段を有し、前記回路を開く他の何れの手段からも解放されていることを特徴とする請求項８記載の電流遮断器。
【請求項１０】
回路からのしきい値電流が導体を通過するときに物理的に変化して関連する回路を開くようにできている導体を少なくとも有する電流遮断器を設ける方法において、
前記導体がそれより高温では流れる流動温度を有する導体材料を選択し、
導体断面積を選択し、
前記しきい値電流を決定する、
各ステップを含む方法であって、前記しきい値電流が前記断面積に対応する位置での少なくとも前記流動温度まで導体温度を上昇させるに十分であり、前記しきい値電流が十分な圧力を前記導体内に誘導して十分な量の前記導体材料が開回路を生じるようにすることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記導体の流れに関連する圧力損失を少なくとも克服するように前記誘導された圧力を選択するステップを更に含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
電流遮断器を設ける方法において、
ａ）導体を有する遮断器構成を選択し、
ｂ）前記導体用の材料と、前記導体に対する断面積と、電流遮断が望まれる所望のしきい値電流とを選択し、
ｃ）前記導体がそれより高温では流動状態になる温度を決定し、
ｄ）前記導体を通過する前記しきい値電流に関連する磁気圧力を決定し、
ｅ）前記導体が流動状態にあるときに前記導体を前記遮断器構成中に流すのに必要な圧力を決定し、
ｆ）前記磁気圧力と前記必要な圧力を比較して前記磁気圧力が前記必要な圧力を超えるかどうかを判定し、
ｇ）ステップａ）及びｂ）においてなされた選択に従って遮断器を設ける、
各ステップを含む方法であって、ステップｆ）において前記磁気圧力が前記必要な圧力を超えなければ、前記磁気圧力が前記必要な圧力を超えるという条件が満たされるまでステップａ）及びｂ）の少なくとも一つと、ステップｃ）、ｄ）及びｅ）の少なくとも一つと、少なくともステップｆ）とが反復され、ステップｇ）が実行される前に前記条件が満たされることを特徴とする方法。
【請求項１３】
しきい値電流が回路の導体を通過するときに回路内の電流を遮断する方法において、
導体材料でできた導体を設け、
前記導体を通る電流を供給する、
各ステップを含む方法であって、前記電流が、前記導体材料が流れる温度まで前記導体温度を上昇させるに十分であり、前記電流が、前記導体を流し、それにより前記回路を遮断するに足る大きさの圧力を誘導するに十分であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
しきい値電流が回路の導体を通過するときに回路内の電流を遮断する方法において、
前記導体を通るしきい値電流を供給し、
前記導体に流動状態をもたらし、
前記導体内に十分な磁気圧力をもたらし、それに従って前記導体を流し、それにより前記回路を遮断する、
各ステップを含む方法であって、前記磁気圧力が前記導体を通過する電流により誘導されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記磁気圧力が０．１ｐｓｉを超えることを特徴とする請求項１４記載の電流遮断器。
【請求項１６】
前記磁気圧力が０．５ｐｓｉを超えることを特徴とする請求項１５記載の電流遮断器。
【請求項１７】
前記磁気圧力が１ｐｓｉを超えることを特徴とする請求項１６記載の電流遮断器。
【請求項１８】
前記しきい値電流を供給するステップが前記導体内に関連する温度上昇を生じ、前記温度上昇が前記導体に流動状態をもたらすステップを生じることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記流れる導体からの材料が貯蔵部内に捕捉されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
前記導体が前記流動性導体に対する重力効果と実質的に独立に流れることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２１】
回路に電流遮断器を設ける方法であって、
所望のしきい値電流を決定し、
導体がそれより高温では流れる流動温度を有する導体材料を選択し、
導体断面サイズを選択し、
前記しきい値電流、前記導体材料、及び前記導体断面サイズに関連する磁気圧力を決定し、
前記導体材料を通過する前記しきい値電流から生じるしきい値導体温度を決定し、
前記導体しきい値温度が前記導体流動温度を超えることを保証し、
前記しきい値電流が前記導体を通過するときに前記磁気圧力が十分であり、それにより、前記導体材料を強制的に流して前記回路を遮断することを保証する、
各ステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気回路用の電流遮断器に関し、詳細には大電流回路での使用に好適な電流遮断器に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な溶解性ヒューズタイプの電気遮断器はしきい値電流に達したら溶解する導体部を含み、溶解は電流増加とそれに伴うI2Ｒ効果に関連する温度上昇により生じる。一旦溶解されたら、溶解された導体は重力及び／又は表面張力の結果として関連する導体から流れ去り、それによりヒューズは回路を開く。この種の装置はカー、ジュニア（Ｋｅｒｒ  Ｊｒ．）の米国特許第４，３６８，４５２号及びボウマン（Ｂｏｗｍａｎ）の米国特許第４，６２２，５３４号に一般的に述べられている。
【０００３】
しかしながら、そのようなヒューズ装置は大電流用途には適しない。電流が増加するにつれ、溶融温度も増加し、非常に大きい電流では一旦しきい値電流に達したら溶融材料は蒸発することとなるが、これは溶融材料がその付近から十分速く除去されず、電気が溶融された導体を流れ続けるからである。アーク放電が結果として生じ、アーク放電は蒸発した導体媒質を通って生じ続ける可能性があるので、装置が大電流回路において意図通りに機能できるように、珪砂又はガスを備える等のアーク消失手段を設けなければならない。従って装置は結局、複雑で、高価で、重くて、信頼性の低下したものとなることが多い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
溶解性ヒューズタイプの遮断器のもう一つの欠点は、回路から溶解された導体を除去して回路を開くのに重力に頼っていることである。ヒューズの姿勢又は重力が変化し得る用途（例えば航空又は宇宙用途）において、これらのタイプの溶解性ヒューズはやはり適していない可能性がある。また、重力への依存によって応答時間が遅れる。従って、特に大電流通電回路及び／又は可変姿勢用途で使用する遮断器の改良の必要性があり、本発明の目的はそのような装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一つの態様において、本発明は、しきい値電流が中を通過するときに開くようにできている電気回路用電流遮断器において、回路への接続に適合した流動性導体を備える電流遮断器であって、前記導体が断面積を有しており、この導体断面積がしきい値電流に応じて、十分な磁気圧力が導体中に発生して導体を強制的に流すような大きさをしており、前記流れが回路を開くに十分であることを特徴とする電流遮断器を提供する。第２の態様において、本発明は、しきい値電流が中を通過するときに開くようにできている電気回路用電流遮断器において、回路に接続された流動性導体を強制的に十分流して回路を開く圧力手段を備える電流遮断器であって、前記圧力手段が導体としきい値電流を備え、前記導体が、導体を通過するしきい値電流が前記流れを強制するに十分な温度と強制圧力を発生するような大きさをしかつそのような材料から成り、前記強制圧力が前記流れに対する重力効果より大きい、前記流れに対する駆動効果を有することを特徴とする電流遮断器を提供する。もう一つの態様において、本発明は、回路からのしきい値電流が導体を通過するときに物理的に変化して関連する回路を開くようにできている導体を少なくとも有する電流遮断器を設ける方法において、導体がそれより高温では流れる流動温度を有する導体材料を選択し、導体断面積を選択し、前記しきい値電流を決定する、各ステップを含む方法であって、しきい値電流が断面積に対応する位置での少なくとも流動温度まで導体温度を上昇させるに十分であり、しきい値電流が十分な圧力を導体内に誘導して十分な量の導体材料が開回路を生じるようにすることを特徴とする方法を提供する。もう一つの態様において、本発明は、電流遮断器を設ける方法において、ａ）導体を有する遮断器構成を選択し、ｂ）導体用の材料と、導体に対する断面積と、電流遮断が望まれる所望のしきい値電流とを選択し、ｃ）導体がそれより高温では流動状態になる温度を決定し、ｄ）導体を通過するしきい値電流に関連する磁気圧力を決定し、ｅ）導体が流動状態にあるときに導体を遮断器構成中に流すのに必要な圧力を決定し、ｆ）磁気圧力と必要な圧力を比較して磁気圧力が必要な圧力を超えるかどうかを判定し、ｇ）ステップａ）及びｂ）においてなされた選択に従って遮断器を設ける、各ステップを含む方法であって、ステップｆ）において磁気圧力が必要な圧力を超えなければ、磁気圧力が必要な圧力を超えるという条件が満たされるまでステップａ）及びｂ）の少なくとも一つと、ステップｃ）、ｄ）及びｅ）の少なくとも一つと、少なくともステップｆ）とが反復され、ステップｇ）が実行される前に条件が満たされることを特徴とする方法を提供する。なおもう一つの態様において、本発明は、しきい値電流が回路の導体を通過するときに回路内の電流を遮断する方法において、導体材料でできた導体を設け、導体を通る電流を供給する、各ステップを含む方法であって、電流が、導体材料が流れる温度まで導体温度を上昇させるに十分であり、電流が、導体を流し、それにより回路を遮断するに足る大きさの圧力を誘導するに十分であることを特徴とする方法を提供する。更なる態様において、本発明は、しきい値電流が回路の導体を通過するときに回路内の電流を遮断する方法において、導体を通るしきい値電流を供給し、導体に流動状態をもたらし、導体内に十分な磁気圧力をもたらし、それに従って導体を流し、それにより回路を遮断する、各ステップを含む方法であって、磁気圧力が導体を通過する電流により誘導されることを特徴とする方法を提供する。もう一つの態様において、本発明は、回路に電流遮断器を設ける方法であって、所望のしきい値電流を決定し、導体がそれより高温では流れる流動温度を有する導体材料を選択し、導体断面サイズを選択し、しきい値電流、導体材料、及び導体断面サイズに関連する磁気圧力を決定し、導体材料を通過するしきい値電流から生じるしきい値導体温度を決定し、導体しきい値温度が導体流動温度を超えることを保証し、しきい値電流が導体を通過するときに磁気圧力が十分であり、それにより、導体材料を強制的に流して回路を遮断することを保証する、各ステップを含む方法を提供する。
【０００６】
さて本発明をよりよく理解し、如何にそれを実行し得るかをより明確に示すために、添付図への参照が例として行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は溶解又は液体状態時の導体を移動させるために使用できる、導体を流れる電流に関連する磁力を使用する。図１に言及すれば、電流Ｉが導体Ｃを流れる（この例では紙面に入る方向に）ときに、導体を通る電流の流れの結果として発生された磁力Ｆmが導体に対して収斂かつ圧縮方向に作用する。図２に言及すれば、導体に作用する正味の力は導体Ｃ内に圧力Ｐmを結果として生じ、これはＦmの方向に概ね垂直な方向ｍ、この場合、軸方向に外に向かう方向への導体の流れを生じようとする傾向にある。圧力Ｐmはローレンツ方程式から導き出すことができ、以下の、
Ｐm＝Ｉ2＊Ｋ＊μ／πＲ2  （式１）
のように単純に表現できる。ただし、Ｐmは圧力［Ｐａ］であり、Ｉは電流［Ａ］であり、Ｋ＝μ0／４π（ただし、μ0は自由空間の透磁率、即ち１．２５７ｅ−６）、μは導体の溶解状態でのμ0に対するその透磁率であり、πＲ2は導体の断面積［ｍ2］である（ただし、Ｒは導体の半径［ｍ］）。
【０００８】
例１：透磁率μ＝１．０を有する０．０８０インチ（２ｍｍ）直径の導体は１０００Ａで約４ｐｓｉ（２７．５ｋＰａ）の磁気圧力を生じる。
【０００９】
例２：隣接する銅の導体に接続された０．０６２ｘ０．１２５インチ（１．５ｘ３ｍｍ）の鉛−銀はんだ導体材料（溶解温度３１５℃）（即ち、図３に示されるものと同様の構成）はおよそ８００Ａで本発明に従って断絶することができる。
【００１０】
力Ｆmと圧力Ｐmは導体の芯において最大であるが、この力と圧力は外周においてゼロである。従って、正味の効果は液体導体に対する軸方向ポンプ送り効果であり、これは大まかに言って、歯磨きチューブがその周囲を囲んで搾り出されるように、導体を搾り出す傾向にある。正常な電流レベルにおいて、Ｆmの力は容易に測定されないし、それらは導体に影響も与えないが、導体が流体（例えば溶解金属）であり、Ｐmが十分大きいときは、結果として生じる磁気圧力は流体の運動又は流れをもたらし、このことは本遮断器を構築するために使用できることを発明者は見出した。
【００１１】
材料選択と設計構成により設計者が導体内の電流の流れと磁気の相互作用を秩序立てて使用して電気遮断器内の溶解されたリンク素子のような溶解された導体流体を「つまみ」あるいは「ポンプ送り」し、それにより、更に以下に述べられるように、ある一定のしきい値電流に達したときに関連する回路を開くことができることを発明者は見出した。このようにして、リンク材料の温度が蒸発温度まで上昇する前に、それが実質的に「ポンプ送り」去られるので、先行技術のヒューズの蒸発に関連する悪影響が回避できる。導体を流れる電流がリンク材料を溶解温度に到達させるに十分大きいときは、今や溶解された導体の芯は両軸方向、外に向かって流れる傾向にあり（図２参照）、導体路の直径の減少をもたらす。再び式１に言及すれば、駆動力Ｆm又は圧力Ｐmが導体半径の二乗に反比例し、従って、例えば、導体半径が半分になれば、駆動圧力は４倍に増加する等々である。これは材料の流れを常に加速して導体路から出す結果となる。従って、そのような遮断器はアーク放電及び蒸発の効果を簡単にかつ設計により最小にする。
【００１２】
図３に言及すれば、本発明による電気遮断器１０の実施例が示される。遮断器１０は、間に電流を導く二つの隣接する導体１４に隣接する溶解性（好ましくは）金属リンク１２と、導体１４とリンク１２の両者を囲む絶縁されたスリーブ１６とを含む。少なくとも一つ、好ましくは少なくとも二つの貯蔵部１８がリンク１２に隣接している。貯蔵部１８は好ましくは初期の「閉じた」状態では空であり、以下にもっと詳細に述べられるように、好ましくは溶解状態でのリンク１２の体積と同じ又はそれより大きい容積を有するような大きさをしている。貯蔵部１８は好ましくはリンク１２に近接して配置され、それと流体連通し、より好ましくはリンク１２と貯蔵部１８の間で溶解されたリンク材料１２’の流体連通を許すように設けられた開口又は接続通路２０を介してリンク１２と連通している。通路２０は好ましくはリンク１２の芯、即ち最中心部と連通するが、それは上記のように、これが最大圧力Ｐmの領域であるからである。通路２０は好ましくはまたそこを通って導かれる電流の結果としてそれら自身の磁気圧力効果を受けないようにそれら自身は非導電性である。導体１４は何れかの適当な方式により電気回路（図示せず）への接続に適合している。貯蔵部はそれらの初期状態では空でもよく、あるいは流体、例えばアーク抑制流体、冷却オイル、又は導体により変位され、あるいは導体の元の位置にポンプ送りされ、あるいは導体と混合される等々の他の流体を含んでもよい。
【００１３】
既述の実施例において、導体１４は好ましくは概ね矩形の断面を有し、銅でできている（適当な断面及び導体材料であれば何れも使用可）。リンク１２は好ましくはまたこの実施例では概ね矩形断面を有し、好ましくは共晶材料、より好ましくは、８０％Ａｕ（金）、２０％Ｓｎ（スズ）の処方と２８０℃の溶解温度を有するＩｎｄａｌｌｏｙ＃１８２（インジウム社（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の商標）でできている。再び式１に言及すれば、Ｉｎｄａｌｌｏｙ＃１８２は１．０の透磁率μを有する（鉄又はニッケルを含有する導電性材料は１より大きいが）。リンク１２と導体１４は適当な任意の手段により接合される。リンク材料は選択されたしきい値電流に対応するその溶解温度に概ね基づいて選択されるが、機械的特性と耐酸化性も考慮することが望ましい。導体材料は好ましくは他の何よりも、しきい値電流に達するまでその固体状態に留まるように選択される。共晶金属材料はそのよく制御された融点とその強い機械的材料特性のために好ましいが、共晶材料が好ましいけれども、他の材料が使用されてもよい。温度を特定の電流において設定するためにその周囲への電力散逸と熱平衡／伝導を使用して、先行技術のヒューズで現在行われるように、所定の電流に基づいて動作するように遮断器１０を設計することも可能である。式１はリンク１２用の導体材料を選択するのに適切である。
【００１４】
貯蔵部１８は好ましくは数が二つであり、導体１４中の概ね円筒形の穴、又空洞であり、これらの円筒の容積は好ましくはリンク１２の溶解状態時のその計算体積におよそ等しいか、あるいはそれより大きい。貯蔵部１８は好ましくは、導体１４がリンク１２に対して組み込まれた後に、導体１４の中に切削され、あるいは打ち抜かれるが、それらを設けるどのような方法が使用されてもよい。
【００１５】
使用時に、正常な動作条件において、電気回路（図示せず）を流れる電流Ｉ（図３において矢印で示される）は遮断器１０の中へと流れ、第１の導体１４を通り、第１の貯蔵部１８の周囲を通り、リンク１２を通り、第２の貯蔵部１８の周囲を通り、次いで第２の導体１４を通って通過して、残りの回路に至る。回路内の電流が増加した場合、大きい電流の流れは電流路内の導体中に増加された熱と磁力を発生する。図４に言及すれば、電流Ｉが、しきい値電流Ｉしきい値に達するに十分大きい、即ち、リンク１２を溶解するに丁度足る熱及び温度上昇を発生するに十分であるときに、Ｉしきい値により生じる磁力から生じるリンク１２の周囲に対する圧力は、リンク１２の溶解金属１２’がこの圧力（式１参照）の作用の下に貯蔵部１８により与えられた空間の中に押しやられるようにし、それにより、回路の遮断をもたらし、こうして、回路を開いて、電流の流れを防止する。回路が開いた後に生じる冷却はリンク材料１２’の再凝固を結たらすが、この実施例においては、冷却によりヒューズが電流導通状態に戻れないような構成になっている。図４において、遮断器１０の動作を重力に頼っていないので、貯蔵部１８の配置はリンク材料１２’の重力供給を考慮する必要がないことに注意のこと。
【００１６】
既述のように、本電流遮断器は誘導された圧力を利用して導体を流し、関連する回路を開く。その結果、遮断器１０は、流れにより導体を移動させるに十分な圧力が提供されることを保証するために、温度及び導体状態と同様に予測圧力を考慮に入れて設計すべきである。設計者は一般的に、溶解された導体を移動させるに当り、与えられた電流における導体中に発生する熱、導体の融点、及び克服すべき圧力損失を考慮する。設計に影響し得る圧力の考慮には溶解された導体の表面張力、毛細管作用及び粘性損失や、遮断器形状による損失を含む。次いで、遮断器設計は以下の両方を保証するように行われる。即ち、（ａ）所望のしきい値に対応する温度において導体が流動状態、好ましくは液体状態にあること、（ｂ）計算された圧力損失を克服し、それにより導体をそれに従って流すために十分な磁気圧力が発生されること（式１及び例１参照）である。
【００１７】
既述のように、磁気圧力は部分的に導体の直径に依存する。従って、導体の断面積が減少するにつれ（即ち導体材料が「ポンプ送り」去られるにつれ）、与えられた電流において磁気圧力Ｐmが直径比の二乗で増加することは言うまでもない。従って、導体流が進行するにつれ（それは一般的には瞬時ではない）、磁気圧力が増加する。再び例１に言及すれば、流体の体積が例１の中間点にあるときは、圧力は１６ｐｓｉ（１００ｋＰａ）となる。設計者は従って、この振る舞いを利用して断面積の減少が始まるに丁度足る磁気圧力と流動性導体が存在し、その後に、対応する圧力増加が残りの工程を「キックする」ことを保証する。圧力は導体サイズ、材料等に依存するけれども、磁気圧力は０．１又は０．２ｐｓｉ（それぞれ０．７又は１．２ｋＰａ）と同じくらい低くても、又はそれ未満でもよい。
【００１８】
図４が、リンク１２の全てが溶解され、貯蔵部１８内に流れ込む理想化された状況を表していることは言うまでもない。しかしながら、実際には、本発明において要求されることは、十分な量のリンク１２が溶解し、隣接する一つ又は二つの導体１４から適当な方式で強制的に排除され、それにより遮断器１０、従って関連する回路を開くことである。実際に、導体１４の材料はある程度腐食してもよい。
【００１９】
図５に描かれるもう一つの実施例において、単一の貯蔵部１８’が異なる位置に設けられ、貯蔵部１８’は溶解されたリンク１２の体積より大きい。リンク１２と貯蔵部１８’間の溶解されたリンク材料１２’に対する流体連通をもたらすために接続通路２０が設けられる。本発明の動作において重力は決定的な要因ではないので、貯蔵部１８はリンク１２の「下」側（即ち、地面により近く）になくてもよいことに注意のこと。
【００２０】
図６に言及すれば、なおもう一つの実施例において、貯蔵部１８には全く何もなく、リンク材料１２’（図示せず）はリンク１２の元の位置からポンプ送り去られる。やはり、本発明は重力に頼らないので、通路２０の位置にもかかわらず、図６のヒューズは如何なる姿勢においても旨く動作するように作ることができる。
【００２１】
本システムは、かなり遅い応答時間をもたらす流体粘性効果と重力による供給のような先行技術の受動的システムの欠陥を克服する能動的システムである。従って、本発明は高速溶融の必要がない（即ち、スロー・ブローヒューズの）比較的大きい電流回路の用途に特に好適である。しきい値電流が十分大きくなるように装置が設けられるときに、この電流における磁気圧力は、既述のように既述の磁気現象に溶解されたリンクを「ポンプ送り」させるに十分となる。より小さい電流において、誘導された圧力は既述の結果を達成するには不十分である。しかしながら、再び式１に言及すれば、「大」電流を構成するものが、何よりも導体のサイズと組成に依存することも言うまでもない。従って、この装置の適用可能性は「大電流」という伝統的な概念に限定されず、ナノテクノロジーの引き続く発展により、本発明が適用可能な電流下限は未だ不明である。
【００２２】
本発明は何よりも内部短絡により生じる損傷から電気機械を保護することへの応用に特に好適である。図７に言及すれば、そのような電気機械１１９がガスタービンエンジン１００用のスタータ発電機用途として示される。
【００２３】
図８ａに言及すれば、電流制限装置１０は、その内容がこの開示に引用して援用される、２００３年５月２７日に出願された出願人の同時係属出願出願番号第１０／４４４，９５２号に述べられるタイプの永久磁石交流発電機の２次又は制御巻線に有利に使用することができる。図８ａは２次巻線１２４の一つ又は複数の脚１４２（好ましくは全ての脚）に設けられた本発明による遮断器１０を簡潔に示す。援用された参考文献に詳細に述べられるように、使用時に、回転子１１２が固定子１２０の回りを回転する際に、磁石１１４は１次巻線１２２に電流を誘導する。１次巻線１２２、２次巻線１２４、及び隣接する固定子歯１３０間に伸びるブリッジ１４０の存在及び相互作用はまた２次巻線１２４内に誘導電流の流れを生じる。図８ｂに言及すれば、使用時に、２次巻線１２４内の電流がある一定のしきい値を超えたら、上記のように、リンク１２が溶解し、リンク材料１２’が貯蔵部１８内に流れ込むことにより遮断器要素１０が「開き」、それにより、遮断器１０が２次巻線に開回路を作り出し（即ち、２次電流が生じない）、１次及び２次回路間の電気的相互関係のために、１次巻線１２２の出力電流が適切に制御される。その結果、機械の誘導リアクタンスが増加され、これは最大出力電流を機械１１０の最大同期インピーダンスに制限するために使用できる。こうして、遮断器１０は機械のインピーダンスの制御に、また交流発電機モードでの動作時の１次巻線１２２における短絡に対する本質的な熱的保護の機械１１０への提供に使用できる。
【００２４】
本発明はまた先行技術とは違って、設計者に種々の選択肢を提供する。例えば、何らかの理由により、遮断器１０を含む電気装置が正常又は低負荷電流で動作しているが（即ち、電気的欠陥がないが）、しかしながら、たとえ電気的欠陥が存在しなくても、装置に過熱を生じる欠陥がある場合（例えば、冷却材の遮断、又は非常に高い冷却材温度）、遮断器１０の構成はリンク１２を溶解及び排出させ、それにより回路を開いて、装置の動作を停止する。そのような動作はもちろん、適切な電流レベルにより生じる磁気圧力Ｐmの恩恵に預からないであろうが、それにもかかわらず、装置に熱的保護を与える点において設計者にフレキシビリティを与える。逆に、設計者は、溶解された導体を「ポンプ送り」去るために十分な電流が存在しなければ回路を開くためにリンク１２が流れない構成を提供することもでき、このようにして、設計者はしきい値電流を超えない限り装置を意識的に「熱く」稼動させてもよい。なおもう一つの実施例において、設計者は、たとえリンク１２を通過する電流がリンク１２に対する「非冷却」しきい値を超えたとしても、リンク１２の動作温度を下げるためにリンク１２に冷却を提供し、それにより、回路を開くべく何時またどの電流において遮断器１０が動作するかを選択する点において設計者にフレキシビリティを与える。
【００２５】
再び図５に言及すれば、本遮断器のもう一つの特徴は、それが自動的に、本質的にリセット可能な構成として提供されることである。導体材料は、溶解された材料がその元の位置に流し戻されてリンク１２を再構成できるように加熱又は再加熱してもよい。重力による供給が使用されてもよく、あるいはより好ましくは、貯蔵部１８から導体材料を排除してリンク１２としてその元の位置に戻すために駆動電流が使用される。酸化等がそのようなリセット可能な装置において多分問題となるので、好ましくは酸素のない環境が設けられる。
【００２６】
図９ａ及び図９ｂに言及すれば、なおもう一つの実施例において、リンク１２と貯蔵部１８がリセット可能なカートリッジ２２として設けられて、動作において一旦遮断器１０が開かれたら（図９ａ）、カートリッジ２２が、この例においては例えば手動の取り外し及び回転により位置決めし直され、リンク１２と貯蔵部１８の位置を切り替えることにより遮断器１０をリセットし、それにより、それらの機能と位置が図９ｂに示されるように逆転されてもよい。代わりに自動再位置決め手段（図示せず）が設けられてもよい。
【００２７】
好都合にも、本発明では、先行技術の溶解ヒューズタイプの遮断器におけるようなリンク全体の蒸発は生じず、従って、溶解温度、従って応答時間は設計においてより良好に予測できる。標準の先行技術のヒューズにおいては過電流条件がヒューズ材料の温度をその溶融又は溶解温度まで上昇させる。温度が増加するにつれ、材料の抵抗も増加し、材料中の増大する電力散逸（Ｉ2Ｒ）を生じ、これが温度上昇を生じる等々である。こうして、先行技術のヒューズは電力散逸が低減又は除去されるまで常に加速する速度で常により高い温度までそれ自身を駆り立てる。ある点において、導電経路に遮断を生じ、これは典型的には特に比較的大電流状況においてアークを生じる。これは導体の局部的な蒸発を生じ、これがアークの持続を促進し、それが進行するにつれ初期の遮断点から広がってより多くの材料を蒸発し、終には、今や長くなったアークを通る電流の流れを維持するのに必要な電圧が外部回路から得られず、アークは消える。このように、蒸発とアーク放電は先行技術においては比較的無制御であり、従って、応答時間と操作可能性に悪影響を与える。本発明は能動的なポンプ送り効果を与えてアーク放電に対する蒸発の効果を最小にし、アーク放電を最小にし、これにより応答時間を改善（即ち減少）する。
【００２８】
もう一つの利点は、本発明による遮断器には設計により先行技術において可能であった電気抵抗より小さい電気抵抗を与えられることである。これは、リンク１２の初期断面（即ち初期導電面積）が先行技術のヒューズよりしきい値電流に影響を与えないからであり、また、リンク１２が漸次溶解するにつれ導電面積が低減されるからである。
【００２９】
以上の説明は単なる例示のつもりであり、開示された発明の範囲から逸脱することなく述べられた実施例に変更を行えることが当業者には分かるであろう。例えば、一つ又は複数の貯蔵部はヒューズの作動の前は空である必要はないが、むしろ貯蔵部は別の材料で満たされ、これがヒューズの作動の際に貯蔵部を退出し、あるいは遮断器１０に回路を開かせるために十分な体積のリンク１２を受入ることができてもよい。貯蔵部の機能は、導体がその初期位置から去るようにして回路を開く任意の手段により果たされてもよい。絶縁体１６は設ける必要はなく、あるいは所望により変更してもよい。リンク１２は遮断器１０を作動させるために部分的にのみ溶解してもよい。遮断器１０に設けられる一つ又は複数のリンク１２は所望により同じ材料からできていても、異なる材料でできていてもよく、所望により並列に配列されても、直列に配列されてもよい。遮断器１０は線形状を有する必要も、説明された原始的な幾何学形状である必要もなく、適当な任意のヒューズ構成が使用されてもよい。溶解性固体導体が終始論じられたが、磁気圧力に応じて流れる適当な導体が使用できる。また、しきい値電流が、導体に流動状態をもたらす手段であることは望ましいが、その必要はない。何故なら、例えば、別個の加熱手段を設ける、あるいはそれがなくても無関係に流動状態である導体を設ける等の、流動性導体を提供する代替の方法が利用可能であるからである。本原理の応用が電気機械の制御や航空機での使用に限定されないことはもちろんである。この開示を検討すれば、発明された事物の範囲外に出ないなお更なる変形が当業者には明らかとなるであろうし、従って、そのような変形は、添付の請求項及びそれらのそれぞれの均等物の範囲内に入るよう意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】横断面で見た単純な導体の模式図。
【図２】軸断面で見た単純な導体の模式図
【図３】「閉じた」状態で示される本発明の実施例の模式的断面図。
【図４】「開いた」状態で示される図３の装置の図。
【図５】「開いた」状態の図３の装置の代替の実施例を示す図。
【図６】「開いた」状態の図３の装置の代替の実施例を示す図。
【図７】中に本発明を組み入れた電気機械を示すために一部を切り欠いたガスタービンエンジンの側面図。
【図８ａ】図７の例示的電気機械の拡大部分等角図。
【図８ｂ】図７の例示的電気機械の拡大部分断面図。
【図９ａ】「開いた」位置にある図３の装置の更なる代替の実施例を示す図。
【図９ｂ】「リセット」位置にある図３の装置の更なる代替の実施例を示す図。
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年9月6日(2005.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
しきい値電流が中を通過するときに開くようにできている電気回路用電流遮断器（１０）において、前記回路への接続に適合した導体（１２）を備える電流遮断器（１０）であって、
前記導体（１２）が断面積を有しており、この導体断面積が前記しきい値電流に応じて、十分な磁気圧力が前記導体（１２）中に発生して溶解されたときに前記導体（１２）を強制的に流すような大きさをしており、前記溶解された導体の流れが前記回路を開くに十分であることを特徴とする電流遮断器（１０）。
【請求項２】
前記導体（１２）が前記電気回路の正常動作温度の間は固体であり、前記正常動作温度を超える温度で溶解されることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器（１０）。
【請求項３】
前記溶解された導体がこの流れに対する何れの重力効果とも実質的に独立に流れることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器（１０）。
【請求項４】
前記導体（１２）が共晶材料であることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器（１０）。
【請求項５】
前記流れを受ける少なくとも一つの貯蔵部（１８）を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電流遮断器（１０）。
【請求項６】
前記貯蔵部が、前記導体（１２）が重力のみの作用の下で前記貯蔵部内に完全に流れ込めないように構成されることを特徴とする請求項５記載の電流遮断器（１０）。
【請求項７】
前記導体（１２）が芯と軸方向を有し、前記貯蔵部（１８）が、前記導体の芯と直接連通し、前記溶解された導体を芯領域から前記貯蔵部（１８）内に軸方向に流れ込めるようにできていることを特徴とする請求項５記載の電流遮断器（１０）。
【請求項８】
しきい値電流が回路の導体（１２）を通過するときに回路内の電流を遮断する方法において、
前記導体（１２）を通るしきい値電流を供給し、
前記導体（１２）に流動性の溶解された状態をもたらし、
前記導体（１２）内に十分な磁気圧力をもたらし、それに従って前記溶解された導体を流し、それにより前記回路を遮断する、
各ステップを含む方法であって、前記磁気圧力が前記導体（１２）を通過する電流により誘導されることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記磁気圧力が０．１ｐｓｉを超えることを特徴とする請求項８記載の電流遮断器。
【請求項１０】
前記磁気圧力が０．５ｐｓｉを超えることを特徴とする請求項９記載の電流遮断器。
【請求項１１】
前記磁気圧力が１ｐｓｉを超えることを特徴とする請求項１０記載の電流遮断器。
【請求項１２】
前記しきい値電流を供給するステップが前記導体（１２）内に関連する温度上昇を生じ、前記温度上昇が前記導体（１２）に流動性の溶解された状態をもたらすステップを生じることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記溶解された導体からの材料が貯蔵部（１８）内に捕捉されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１４】
前記溶解された導体がそれに対する重力効果と実質的に独立に流れることを特徴とする請求項８記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
一つの態様において、本発明は、請求項１に記載の電気回路用電流遮断器を提供する。もう一つの態様において、本発明は、請求項８に記載の電流遮断器を設ける方法を提供する。
【国際調査報告】
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