(57)【要約】【課題】低圧電力契約需要家の電気設備の電源回路に組み込まれるスイッチ装置の小形化と経済性及び信頼性の改善。【解決手段】温度変化で抵抗値が可逆的に変動するポリマースイッチ素子２０と、このポリマースイッチ素子２０を加熱して導通状態から非導通状態にスイッチ動作させる発熱体３０を積層して一体としたポリマースイッチ装置１０で、平常時は常温のポリマースイッチ素子２０が導通状態の低抵抗体となってスイッチオン動作をし、異常発生時等の必要時に発熱体３０に通電して自己発熱させてポリマースイッチ素子２０にスイッチオフ動作をさせる。または、平常時においてポリマースイッチ素子２０に過電流が突入されると、この過電流でポリマースイッチ素子２０自体を発熱させて過電流を抑制する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の抵抗温度係数をもつポリマースイッチ素子と、通電により発熱して前記ポリマースイッチ素子を非導通状態になるよう加熱する発熱体とを一体に積層したことを特徴とするポリマースイッチ装置。
【請求項２】
正の抵抗温度係数をもつ板状のポリマースイッチ素子と、前記板状ポリマースイッチ素子の一方の主面側に絶縁状態で一体に積層されて、外部からの通電により発熱して前記ポリマースイッチ素子を加熱する発熱体と、前記ポリマースイッチ素子の他方の主面側に同ポリマースイッチ素子と直列接続して一体に積層された板状の電圧依存性非線形電圧素子を有する耐雷素子とを具備したことを特徴とするポリマースイッチ装置。
【請求項３】
前記耐雷素子は、前記板状電圧依存性非線形電圧素子の一方の面側に共通電極を形成し、前記一方の面と平行な他方の面側に前記共通電極と対向する複数の電極を互いに絶縁距離で離隔させて形成した複数素子一体形で、この耐雷素子の前記互いに離隔させた複数の電極の各々に複数の板状ポリマースイッチ素子を直列接続して一体に積層し、この複数の板状ポリマースイッチ素子上に跨るように共通の発熱体を一体に積層したことを特徴とする請求項２記載のポリマースイッチ装置。
【請求項４】
前記発熱体は、外部からの制御信号でオンオフ制御されてオン時に発熱体に通電する発熱制御手段を直列に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポリマースイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度変化で抵抗値が可逆的に変動して電気回路の過電流抑制や回路開閉等のスイッチ動作をするポリマースイッチ素子を使用したスイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低圧電力契約需要家の電源回路には、電源の入切制御をする開閉素子に特定の操作、制御、保護等の機能を有する機能素子を組み合わせたスイッチ装置が組み込まれる。この種スイッチ装置における開閉素子は、開閉動作を繰り返す交流用半導体スイッチング素子であるトライアックや保護リレーのリレー接点、遮断動作だけする温度ヒューズ、電流ヒューズ等が一般的である。また、開閉素子に組み付けられる機能素子は、開閉素子の動作を安定させるための制御機能素子や、開閉素子を過電圧や過電流から保護する保護機能素子等であって、これら個々の開閉素子と機能素子を組合せ接続したスイッチ装置が低圧電力契約需要家の電源回路に設置されて、低圧電力契約需要家の電気設備の安全な運営と管理が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスイッチ装置は、個々の開閉素子や保護機能素子等が安定した動作を約束するが、スイッチ装置を構成する個々の開閉素子や保護機能素子等の回路構成部品の多くが大形で割高となる傾向にあって、低圧電力契約需要家の小型低圧電源回路に設置するには設置スペースの確保が難しいと共に、スイッチ装置自体が割高となっていた。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは低圧電力契約需要家の電源回路に好適となる小形で経済的なポリマースイッチ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的を達成する技術的手段は、正の抵抗温度係数をもつポリマースイッチ素子と、通電により発熱して前記ポリマースイッチ素子を非導通状態になるよう加熱する発熱体とを一体に積層したことを特徴とする。
【０００６】
ここで、ポリマースイッチ素子は、高分子材料たとえばポリオレフィン、ポリアミドまたはポリイミドに導電性微粉子たとえばカーボン、銀や金、ニッケルなどの金属、若しくはシリコンやチタン、タングステンなどの炭化物または硼化物の微粒子を分散させた複合材料で構成され、常温下では抵抗が極めて低くなって良導電体となり、スイッチ動作としてはオンの状態となる。このポリマースイッチ素子が加熱されて、その温度が閾値温度たとえば約８０〜９０℃を越えると抵抗が著しく高くなって電流をほとんど流さない非導通状態となり、スイッチ動作としてはオフとなる。そして、ポリマースイッチ素子の温度が閾値以下となって常温にまで戻ると、温度上昇時と逆の特性で抵抗が低下して非導通状態から導通状態に復帰する。ポリマースイッチ素子の常温からの温度上昇は、それ自体に流れる電流通電による自己発熱で、或いは、外部からの強制加熱で行われ、高温から常温までの温度降下は自然放熱等で行われる。このようなポリマースイッチ素子に、このポリマースイッチ素子を加熱するための発熱体を一体に積層して単品製品のスイッチ装置が構成される。発熱体は通電により発熱するセラミック発熱体やカーボン発熱体等で、これをポリマースイッチ素子に積層することで、オン・オフのスイッチ動作をする開閉素子とこれの開閉を制御する制御機能素子が一体化された小形で安価、高性能なポリマースイッチ装置の製品が実現される。
【０００７】
また、本発明は、板状にした上記ポリマースイッチ素子と、このポリマースイッチ素子の一方の主面側に絶縁状態で一体に積層された発熱体と、同ポリマースイッチ素子の他方の主面側にポリマースイッチ素子と直列接続状態で一体に積層された板状の電圧依存性非線形電圧素子を有する耐雷素子とを具備したことを特徴とする。
【０００８】
この発明の場合、オン・オフのスイッチ動作をする開閉素子とこれの開閉を制御する制御機能素子と、耐雷素子による耐雷保護装置が一体化された小形で多機能なポリマースイッチ装置となる。ポリマースイッチ素子と耐雷素子を直列接続すると、スイッチ装置に流れる電流でポリマースイッチ素子が自己発熱してその抵抗値が上昇し、それによってこの装置に流れる電流が制限される。これにより耐雷素子が過電流から保護され、また、耐雷素子が雷サージ電圧を抑制することでポリマースイッチ素子が過電圧から保護されて、保護機能の高い高信頼性のポリマースイッチ装置が実現される。
【０００９】
また、本発明は、上記耐雷素子の板状電圧依存性非線形電圧素子を、その一方の面側に共通電極を形成し、他方の面側に前記共通電極と対向する複数の電極を互いに絶縁距離で離隔させて形成した複数素子一体形とし、この耐雷素子の前記互いに離隔した複数の電極の各々に板状ポリマースイッチ素子の複数を直列接続して一体に積層し、この複数の板状ポリマースイッチ素子上に跨るように共通の発熱体を一体に積層したことを特徴とする。
【００１０】
この発明のポリマースイッチ装置は、複数の耐雷素子と複数のポリマースイッチ素子を一体化し、かつ、複数のポリマースイッチ素子に共通の発熱体を積層したもので、このような複数素子一体形のポリマースイッチ装置は単相三線交流電路等の電源回路に小形のスイッチ装置、耐雷保護装置として組み込まれる。
【００１１】
また、本発明は、上記発熱体は、外部からの制御信号でオンオフ制御されてオン時に発熱体に通電する発熱制御手段を直列に有することを特徴とする。この発明における発熱制御手段をオンオフ制御する外部からの制御信号は、特定の電気設備の異常を検出して自動的に発信される信号や、電気設備の稼動状況を管理して必要時に発信される信号等で、この制御信号で発熱制御手段がオン動作すると発熱体の通電が開始されて、所定の短時間経過後にポリマースイッチ素子が実質的に非導通状態となって電気設備の電源回路が遮断され、制御信号で発熱制御手段をオフ動作させるとポリマースイッチ素子が導通状態に復帰して電源回路の遮断が解除される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、第１〜第３の実施形態について図１〜図５を参照して順に詳述する。
【００１３】
図１（Ａ）（Ｂ）に示される第１の実施形態のポリマースイッチ装置１０は、板状のポリマースイッチ素子２０と板状の発熱体３０を積層して一体化したものである。ポリマースイッチ素子２０は、板状のポリマー本体２１の両面に一対の対向する電極２２、２３を形成して構成される。ポリマー本体２１は、板厚方向の抵抗値が温度変化で可逆的に変動する温度抵抗素子で、常温時には導通状態の低抵抗体となり、８０〜９０℃程度の高温時には非導通状態の高抵抗体となる正の抵抗温度係数をもつポリマー本体２１は、両面の電極２２、２３間を流れる電流による自己発熱か、発熱体３０による外部からの加熱のいずれかによって温度変化し、それに応じて導通状態が変化する。板状の発熱体３０は、ポリマー本体２１の片面の電極２３上に絶縁状態で積層されて、ポリマースイッチ素子２０と熱的結合されて一体化される。発熱体３０はセラミック発熱体やカーボン発熱体等で、板厚方向と直交する長さ方向の両端に引出端子３１、３２を有する。両引出端子３１、３２間の電圧印加で発熱体３０に長さ方向に電流を流すと、発熱体３０が発熱してポリマースイッチ素子２０を直接に効率良く加熱する。
【００１４】
なお、図１ではポリマー本体２１の一方の電極２３と発熱体３０の一方の引出端子３１を接続してポリマースイッチ装置１０を３端子構造にしているが、電極２３と引出端子３１を非接続にした４端子構造であってもよい。
【００１５】
ポリマー本体２１の常温時の抵抗値は０．０１Ω程度とゼロに近くて良導電体となり、常温から８０〜９０℃程度までに温度上昇すると抵抗が数百ｋΩ程度と上昇して非導通の高抵抗体となり、温度が高温から常温に戻るとそれに応じて抵抗も低下する。つまり、板状ポリマー本体２１の両面の電極２２、２３に定格電圧を印加した状態でポリマー本体２１が常温にあるとき、ポリマー本体２１が導通するスイッチオンの動作を継続して両電極２２、２３間に定格電流が流れる。このポリマー本体２１を例えば発熱体３０で非導通となる高温まで加熱すると、ポリマー本体２１が高抵抗体となってスイッチオフの動作に切換わる。
【００１６】
また、ポリマー本体２１の両電極２２、２３間に定格電流を超える過電流が流れると、ポリマー本体２１が自己発熱して抵抗値が増加し、この抵抗値増加で過電流が抑制され、さらに抵抗値が増加するとポリマー本体２１が非導通の高抵抗体となって過電流を遮断する。このようにポリマー本体２１は発熱体３０と過電流のいずれかで温度上昇するため、ポリマースイッチ素子２０が電源回路等の過電流保護機能と開閉制御機能を発揮して、ポリマースイッチ装置１０を多機能なものにする。
【００１７】
また、ポリマースイッチ装置１０は、例えば低圧電力契約需要家の各種電気設備の電源回路に設置されて、電源回路の開閉制御機能や過電流保護機能を備えたスイッチ装置として使用される。このポリマースイッチ装置１０は開閉機能と過電流抑制機能を有するポリマースイッチ素子２０と、これの開閉を制御する発熱体３０を積層して一体とした小形構造ゆえに、電源回路のスイッチ装置の大幅な小形化とコストダウンを可能にし、而も、過電流抑制機能も兼備してスイッチ装置の信頼性を上げる。
【００１８】
次に、図２に示す第２の実施形態のポリマースイッチ装置１０１を説明すると、同図のポリマースイッチ装置１０１は一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂと共通の１つの発熱体３０１を積層して一体とした構造である。一対の各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂは図１のポリマースイッチ素子２０と同様な構造で、板状のポリマー本体２１１ａ、２１１ｂの両面に電極２２１ａ、２３１ａ、２２１ｂ、２３１ｂを形成して構成される。一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが共通の板状発熱体３０１の片面に絶縁状態で積層されて一体に固定される。板状発熱体３０１は長さ方向の両端に引出端子３３、３４を有し、一方の引出端子３３が一方のポリマースイッチ素子２０１ａの電極２３１ａに接続され、他方の引出端子３４が他方のポリマースイッチ素子２０１ｂの電極２３１ｂに接続される。
【００１９】
また、共通の発熱体３０１は中央が二分され、二分された発熱体中央の２点から一対の引出端子３５、３６が引き出されて、引出端子３５、３６間にオン・オフのスイッチング動作をする発熱制御手段４０が接続される。発熱制御手段４０は半導体スイッチやリレー接点等で、外部の制御回路４１からの制御信号でオン・オフ制御され、オン動作時に引出端子３５、３６を接続して二つの発熱体３０１を通電可能な状態にし、オフ動作するとこれら発熱体３０１間をオフにして通電不可な状態にする。
【００２０】
なお、図２のポリマースイッチ装置１０１の場合は、１枚の板状発熱体３０１を一対の板状ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂでサンドイッチ式に挟持させて一体化してもよい。
【００２１】
図３は図２のポリマースイッチ装置１０１を低圧電力契約需要家の単相三線交流電路における電源回路に設置したときの回路図で、単相三線用変圧器６１のライン相Ｌ，Ｌにポリマースイッチ装置１０１のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが直列に介挿される。なお、図３における６２は電力計、６３は引込口ブレーカで電気設備の負荷に電力を供給する。
【００２２】
図３のポリマースイッチ装置１０１を設置した電源回路において、平常時は発熱制御手段４０がオフ状態に保持されてポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが導通状態にあって電気設備への正常な電力供給が行われる。電気設備に異常が発生する等して電源回路を遮断したい事態が生じた場合、制御回路４１から発熱制御手段４０をオンさせる制御信号が発信されて発熱制御手段４０がオン動作する。すると、発熱体３０１に変圧器６１のライン相Ｌ、Ｌを通じて電流が流れて発熱を開始し、短時間経過後に発熱体３０１で各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが高温に加熱されて非導通状態となり、電源回路を遮断状態にする。電気設備の異常が無くなる等して電源回路の遮断を解除する場合は、制御回路４１からオフ指令信号が発信されて発熱制御手段４０がオン状態からオフ状態に切り換えられて、発熱体３０１への通電が停止する。この停止で発熱体３０１が温度降下を開始して各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂの抵抗値が下がり、短時間経過後に導通状態に復帰して電源回路の遮断が解除される。
【００２３】
また、図３の電源回路が正常なときに変圧器６１に過電流が突入すると、この過電流で各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが自己発熱をして抵抗値が上がり、過電流を抑制して電気設備等を過電流から保護する。
【００２４】
図４は、図２のスイッチ装置に耐雷保護機能を追加した第３の実施形態のポリマースイッチ装置１０２を示す。この図４の図２と同一、又は、相当部分には同一符号が付してある。
【００２５】
図４のポリマースイッチ装置１０２は、図２のポリマースイッチ装置に板状耐雷素子５０を積層して一体化した構造である。板状耐雷素子５０は、１枚の板状の電圧依存性非線形電圧素子５１の一方の面側に共通電極５２が形成され、また他方の面側に複数例えば２つの電極５３、５４を互いに絶縁距離で離隔させて形成された構造である。一対の電極５３、５４は共通電極５２と対向して、一方の電極５３と共通電極５２の間で第１の耐雷素子部５０ａが構成され、他方の電極５４と共通電極５２の間で第２の耐雷素子部５０ｂが構成される。２つの耐雷素子部５０ａ、５０ｂが電圧素子５１で一体化されて２素子一体形の板状耐雷素子５０が形成され、この板状耐雷素子５０の一対の各電極５３、５４が一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂに積層されて、各電極５３、５４がポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂの一方の電極を兼用する。
【００２６】
図４のポリマースイッチ装置１０２を低圧電力契約需要家の単相三線交流電路における電源回路に設置したときの回路図が図５に示される。単相三線用変圧器６１のライン相Ｌ，Ｌにポリマースイッチ装置１０２のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが直列に介挿され、耐雷素子５０の共通電極５２が接地相Ｎに接続され、一対の耐雷素子部５０ａ、５０ｂがライン相Ｌ，Ｌと接地相Ｎの間に接続される。また、共通電極５２と大地の間に放電ギャップＧが必要に応じて接続される。放電ギャップＧは、耐雷素子５０の続流防止と雷サージ電流による破壊防止の保護機能を有する。
【００２７】
図５の電源回路においても、平常時は発熱制御手段４０がオフ状態に保持されてポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが導通状態にあり、このとき一対の耐雷素子部５０ａ，５０ｂと放電ギャップＧで形成される耐雷保護回路が雷サージ電圧を抑制して電気設備を雷撃から保護する。また、耐雷素子部５０ａ、５０ｂが雷サージの過電圧を抑制することで、一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂを過電圧から保護する。さらに、耐雷素子５０に耐雷電流容量を超えた続流が発生して自己発熱で温度上昇すると、発熱した耐雷素子５０と一体のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが温度上昇してその抵抗値が上がり、ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂに流れる電流が抑制されて耐雷保護回路が過電流から保護される。
【００２８】
なお、以上の第３の実施形態の耐雷素子は２素子一体形であるが、１つの板状電圧依存性非線形電圧素子の片面に１つの共通電極を形成し、他の片面に３つの電極を離隔させて形成して３つの耐雷素子部を一体化させた３素子一体形にして、その３つの耐雷素子部の全て、或いは、選択された１つか２つにだけポリマースイッチ素子を一体に積層することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は以下の効果を有する。
【００３０】
ポリマースイッチ素子に独立した発熱体を一体に設けることで電源回路の入切制御機能を有し、而も、過電流保護を兼ね備えた多機能なスイッチ装置が提供できる。また、ポリマースイッチ素子と発熱体を一体に積層することで、多機能なスイッチ装置の小形化とコストダウンが図れる。
【００３１】
また、ポリマースイッチ素子に耐雷素子を一体化することで、ポリマースイッチ素子が耐雷素子を過電流から保護し、耐雷素子がポリマースイッチ素子を過電圧から保護すると共に、雷サージから電気設備類を保護する耐雷保護機能をも備えた多機能で小形、経済性に優れたスイッチ装置が提供でき、而も、このスイッチ装置は耐雷素子とポリマースイッチ素子の相互の保護機能でもって信頼性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は第１の実施形態を示すポリマースイッチ装置の断面図である。
（Ｂ）は等価回路図である。
【図２】第２の実施形態を示すポリマースイッチ装置の断面図である。
【図３】図２のポリマースイッチ装置を使用した電源回路図である。
【図４】第３の実施形態を示すポリマースイッチ装置の断面図である。
【図５】図４のポリマースイッチ装置を使用した電源回路図である。
【符号の説明】
１０    ポリマースイッチ装置
１０１  ポリマースイッチ装置
１０２  ポリマースイッチ装置
２０    ポリマースイッチ素子
２０１ａ    ポリマースイッチ素子
２０１ｂ    ポリマースイッチ素子
２２、２３    電極
３０    発熱体
３１〜３６    引出端子
４０    発熱制御手段
４１    発熱制御回路
５０    耐雷素子
５０ａ    耐雷素子部
５０ｂ    耐雷素子部
５１    電圧依存性非線形電圧素子
５２    共通電極
５３，５４    電極
【図１】
2004350383.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004350383.tif 000006
【図５】
2004350383.tif 000007