(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＴＣ素子と、このＰＴＣ素子に電流を流すために上記ＰＴＣ素子の両端部に設けられた電極とを備えた限流器において、上記ＰＴＣ素子の上記電極との接続部以外の部分に、切り欠きを設けることにより電流に対する断面縮小部を構成して、上記電極との接続部における電流密度よりも電流密度が高い部分を設けるとともに、前記切り欠きに抵抗体を挿入したことを特徴とする限流器。
【請求項２】
断面縮小部における電流経路が複数となるよう切り欠きを設けたことを特徴とする請求項１記載の限流器。
【請求項３】
断面縮小部の電流に対する断面積が、電極からＰＴＣ素子へ電流が流れ込む部分の総面積の２分の１以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の限流器。
【請求項４】
電極がＰＴＣ素子に熱融着されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の限流器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、短絡電流を抑制する限流器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、例えば特開平４−２６６００１号公報に示された従来の限流器を示す斜視図で、図１２は図１１に示す限流器の正面図である。図１１と図１２において、１は例えばポリエチレンにカーボンブラックまたは金属粒子が混練されたＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子、２Ａ、２Ｂは例えば銅で製作された電極、４は例えばエポキシ樹脂で製作された絶縁物製のケース、５は弾性体で例えば板バネ、皿バネ、あるいは有機弾性体が用いられる。電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１は弾性体５で加圧され、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１は電気的に接続されている。このような接続を圧接と呼ぶ。電極２Ａ、２Ｂは図示しない電線に電気的に接続される。
【０００３】
次に図１１を用い、従来の限流器の動作について説明する。通常の負荷電流は一方の電極２Ａ、ＰＴＣ素子１、他方の電極２Ｂを経由して流れる。通常の負荷電流を通電する場合、ＰＴＣ素子１の温度上昇は低い状態に保たれている。
【０００４】
短絡電流が流れると、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間の接触抵抗によりＰＴＣ素子１が加熱され、ＰＴＣ素子１の表面層が高抵抗状態に遷移し、短絡電流が抑制される。ＰＴＣ素子１によって抑制された電流は、図示しない遮断器で遮断される。なお、ＰＴＣ素子１の表面部は、ＰＴＣ素子１のポリエチレンの分解温度に達し、特開平４−２６６００１号公報に示されているように、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間にアークが発生する。なお、アークは一方の電極とＰＴＣ素子１の間で発生する場合と、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間で両方とも発生する場合がある。
【０００５】
なお、ＰＴＣ素子１が高抵抗状態に遷移する時、ＰＴＣ素子１の両端に過電圧が発生する。この過電圧を抑制するため、ＰＴＣ素子１の両端にアレスターや抵抗器などが接続される場合がある。
【０００６】
短絡電流が流れ始めてから前記ＰＴＣ素子と前記電極の間にアークが発生するまでのジュール積分値（前記ＰＴＣ素子に流れる電流の二乗を時間積分した値。例えば、新版電気工学ハンドブック（電気学会 昭和６３年発行）のｐ．８１６に記載されているように、ヒューズの限流動作開始の指標などにジュール積分値が利用されている。）をＸとし、短絡電流が流れ始めてから前記ＰＴＣ素子と直列接続される開閉器が前記ＰＴＣ素子によって限流された電流を遮断するまでのＰＴＣ素子におけるジュール積分値をＹとした時、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間に接触抵抗が存在するため、従来の限流器ではＸ＜Ｙとなり、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間でアークが発生する。アークが発生すると、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間の接触の状態が変化し、元の状態に戻らないため、一度限流動作をした限流器は接触抵抗が増大し、その後の限流波高値と通電性能が変化してしまうという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間でアークが発生する現象を防止して、限流動作後における電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１の間の接触抵抗を安定化し、限流波高値と通電性能を安定化することにより、信頼性の高い限流器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る限流器は、ＰＴＣ素子と、このＰＴＣ素子に電流を流すために上記ＰＴＣ素子の両端部に設けられた電極とを備え、上記ＰＴＣ素子の上記電極との接続部以外の部分に、切り欠きを設けることにより電流に対する断面縮小部を構成して、上記電極との接続部における電流密度よりも電流密度が高い部分を設けるとともに、前記切り欠きに抵抗体を挿入したものである。
【０００９】
また、この発明に係る限流器は、上記に加え、断面縮小部における電流経路が複数となるよう切り欠きを設けたものである。
また、断面縮小部の電流に対する断面積が、電極からＰＴＣ素子へ電流が流れ込む部分の総面積の２分の１以下としたものである。
また、電極がＰＴＣ素子に熱融着されたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１による限流器の構造を示す正面図である。図１において、１は例えばポリエチレンにカーボンブラックまたは金属粒子が混練された板状のＰＴＣ素子で、切り欠き１Ａが設けられることにより、断面縮小部１Ｂが形成されている。なお、ＰＴＣ素子１は円柱状、角柱状など他の形状であってもよい。ＰＴＣ素子１の斜視図を図２に示す。電極２Ａ、２Ｂは例えば銅で製作された電極である。４は例えば樹脂で製作された絶縁物製のケース、５は弾性体で例えば板バネ、皿バネ、有機弾性体が用いられる。上記電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１は弾性体５で加圧されることにより圧接されている。なお、電極２Ａ、２Ｂは図３または図４の斜視図で示されるようにＰＴＣ素子１の側方に設けられ、弾性体５により電極２Ａ、２ＢがＰＴＣ素子１に圧接されてもよい。
【００１１】
これらの限流器において、短絡事故が発生すると、ＰＴＣ素子１の断面縮小部１Ｂの電流密度が他の部分、特に電極との接続部よりも高いため、断面縮小部１Ｂが強く加熱され、高抵抗状態に遷移し、短絡電流が抑制される。ＰＴＣ素子１によって抑制された電流は、図示しない遮断器で遮断される。断面縮小部１Ｂは、ＰＴＣ素子の電極接続部以外の部分に設けられればよい。すなわち、短絡事故が発生し、断面縮小部で発生した熱が、限流動作が開始するまでの時間、例えば１ｍｓ程度の間に電極との接続部へほとんど伝わらない距離だけ、断面縮小部１Ｂと電極接続部が離れていれば良い。この距離は非常に小さいから、結局断面縮小部１Ｂは、ＰＴＣ素子の電極接続部以外の部分に設ければ本発明の効果を奏する。
【００１２】
断面縮小部１Ｂがない図１１のような従来の限流器において、図１の断面縮小部１Ｂ以外の部分の断面積と同一断面積である場合の、短絡電流が流れ始めてから前記ＰＴＣ素子と前記電極の間にアークが発生するまでのジュール積分値（前記ＰＴＣ素子に流れる電流の二乗を時間積分した値）をＸとし、図１の本発明の実施の形態１による限流器において、短絡電流が流れ始めてから前記ＰＴＣ素子と直列接続される開閉器が前記ＰＴＣ素子によって限流された電流を遮断するまでのＰＴＣ素子におけるジュール積分値をＹとすれば、実施の形態１では、ＰＴＣ素子１に断面縮小部を設けることにより、Ｙ＜Ｘとなるように本発明では構成されている。すなわち、本発明の実施の形態１による限流器によればアークが発生する前に限流動作が開始し、結局、アークは発生しない構成となっている。
【００１３】
以上のように、本発明の実施の形態１による限流器によれば、ＰＴＣ素子１の電極との接続部以外の部分に断面縮小部を設けることにより、ＰＴＣ素子１の電極との接続部以外の部分に、電流に作用する単位長当りの電気抵抗値が、ＰＴＣ素子の電極との接続部直近における電流に作用する単位長当りの電気抵抗値よりも高い部分を設けることにより、ＰＴＣ素子と電極の間にアークを発生する現象を防止できる。その結果、ＰＴＣ素子と電極の間の接触抵抗が安定した限流器を得ることができるため、限流性能と通電性能が安定した限流器を得ることができる。
【００１４】
また、従来の限流器では、限流動作後における通電性能を確保するため、ＰＴＣ素子１の断面積を予め大きくしておくことが必要であった。その結果、初回の限流動作時における限流波高値が高くなるため、初回の限流時に素子が破損しやすいという問題点があった。また、初回の限流動作時に素子が破損しない場合でも、初回の限流波高値が高いため、ＰＴＣ素子１に作用する熱的、機械的応力が高くなり、ＰＴＣ素子１が破損するまでの限流動作回数が少ないという問題点があった。本発明では、接触抵抗が安定するため、ＰＴＣ素子１の断面積を予め大きくする必要がないので、初回の限流波高値を２回目の限流動作時における限流波高値と同じにすることができる。その結果、限流動作時におけるＰＴＣ素子１の破損を起こし難くできる。
【００１５】
また、本発明の限流器では、ＰＴＣ素子１と電極２Ａ、２Ｂの間にアークが発生しないため、ＰＴＣ素子１が損傷しない。従って、限流動作を繰り返してもＰＴＣ素子１を破損しにくくすることができる。
【００１６】
さらに、実施の形態１では、ＰＴＣ素子１に断面縮小部を設けるという簡単な構成のため、安価な限流器を得ることができる。
【００１７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２による限流器の構成の正面図を図５に示す。実施の形態２では、図５に示すように、断面縮小部１Ｂが電流に対して並列に複数設けられたものとなるよう切り欠き１Ａを設けたをことを特徴とする。
【００１８】
このように構成することで、断面縮小部１Ｂが電流に対して並列に複数あるため、ＰＴＣ素子１の断面を縮小していない部分の電流分布を均一化できるため、通電性能を高めることができる。
【００１９】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３による限流器の構成の正面図を図６に示す。実施の形態３では、図６に示すように前記断面縮小部１Ｂを設けるために形成された切り欠きに電気的絶縁物６を設けたことを特徴とする。
【００２０】
実施の形態２による限流器のように、断面縮小部１Ａを形成するための切り欠きが空間になっている場合、ＰＴＣ素子１に曲げ応力が作用すると破損しやすいが、実施の形態３による限流器では、断面縮小部１Ａを設けるために形成された切り欠きに電気的絶縁物６を設けたため、ＰＴＣ素子が補強されるので、破損しにくく信頼性の高い限流器を得ることができる。
【００２１】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４による限流器の構成の正面図を図７に示す。実施の形態４では、図７に示すように、前記断面縮小部１Ｂを設けるために形成された切り欠きに抵抗体７を設けたことを特徴とする。
【００２２】
従来の限流器では、限流動作時における過電圧を抑制するために、電極２Ａ、２Ｂの両端に電線を介して抵抗が接続される。このような接続方式では、抵抗回路のインダクタンスが大きくなるため、過電圧を大きく低減することができない。その結果、限流動作時に限流器に注入されるエネルギーが大きくなり、限流器が破損しやすくなる。
【００２３】
実施の形態４では、断面縮小部１Ｂを設けるために形成された切り欠きに抵抗体７を設けたことにより、外部に抵抗を接続する必要がないため、抵抗回路のインダクタンスを顕著に低減できるので、限流動作時に限流器に注入されるエネルギーが小さくなり、限流器が破損しにくくなる。
【００２４】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５による限流器の構成の断面図を図８に示す。図８において、１は例えばポリエチレンにカーボンブラックまたは金属粒子が混練された円柱状のＰＴＣ素子で、切り欠き１Ａが形成されることにより、断面縮小部１Ｂが形成されている。電極２Ａ、２Ｂは例えば銅で製作された円形の電極である。４は例えばエポキシ樹脂で製作された円筒状の電気的絶縁容器である。５は円形の弾性体で例えば有機弾性体が用いられる。８は円形の端板で、端板８により弾性体５が圧縮され、上記電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子１は圧接されている。
【００２５】
図８のような構成とするために、例えば次のような製造方法がとられる。接着剤で電極２Ｂとケース４を接着することにより電極２Ｂとケース４を封止し、ＰＴＣ素子１、上部電極２Ａ、有機弾性体５を挿入する。この状態では、有機弾性体５は円筒状の電気的絶縁容器４の上面より一部が突出した状態になっている。次に、端板８を加圧し、接着剤で端板８と円筒状の電気的絶縁容器４を接着する。有機弾性体５は、端板８で加圧されることにより弾性変形し、有機弾性体５が上部端子２Ａ、円筒状の電気的絶縁容器４、端板８に加圧押圧されＰＴＣ素子１を密封する。
【００２６】
また、図９のように、円筒状の電気的絶縁容器４と電極２Ａ、２Ｂとを接着して密封することもできる。この場合、接着時に電極２Ａ、２ＢをＰＴＣ素子１の側に押し付けるようにした状態で接着することにより、電極２Ａ、２ＢとＰＴＣ素子との電気的接続が確保できる。
【００２７】
実施の形態５では、以上のように、前記ＰＴＣ素子１が外気と遮断されたことを特徴とする。ＰＴＣ素子１は吸湿すると劣化しやすく、また、硫化水素などの雰囲気ガスと反応すると劣化しやすい。ＰＴＣ素子１はケース４の内部に設けられ、前記ＰＴＣ素子１が外気と遮断されたことより、劣化しにくい限流器を得ることができる。
【００２８】
なお、これまでの実施の形態１〜５において、ＰＴＣ素子の端面を金属蒸着などにより、メタライズしてもよい。ＰＴＣ素子の端面がメタライズされたことにより、ＰＴＣ素子１と電極２Ａ、２Ｂの間の接触抵抗は大きく低減する。その結果、ＰＴＣ素子と電極の間でアークが発生する現象をいっそう確実に防止できる。
【００２９】
また、電極を粗面化し、ＰＴＣ素子に熱融着または圧接してもよい。その結果、ＰＴＣ素子１と電極２Ａ、２Ｂの間の接触抵抗は顕著に低減するので、ＰＴＣ素子と電極の間でアークが発生する現象をいっそう確実に防止できる。
【００３０】
実施の形態６．
本発明の実施の形態６による限流器は、ＰＴＣ素子の断面縮小部の断面積を電極とＰＴＣ素子の接続部の面積、すなわち電極からＰＴＣ素子へ電流が流れ込む部分の総面積の１／２以下としたことを特徴とする。ここで、電極とＰＴＣ素子の接続部の面積、すなわちＰＴＣ素子へ電流が流れ込む部分の総面積とは、図１に示した限流器の場合、電極２ＡとＰＴＣ素子１との接続部の面積を意味し、図３に示した限流器の場合、２個の電極２ＡとＰＴＣ素子の接続部の合計の面積を意味する。これにより、電極とＰＴＣ素子の接触部に流れる電流の密度をＰＴＣ素子の断面縮小部の電流密度の１／２以下に低減できるので、短絡電流が流れ始めてから前記ＰＴＣ素子と前記電極の間にアークが発生するまでのジュール積分値（前記ＰＴＣ素子に流れる電流の二乗を時間積分した値）を１／４以下に低減できる。その結果、ＰＴＣ素子と電極の間でアークが発生する現象を極めて確実に防止できる。
【００３１】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７による限流器の構成の正面図を図１０に示す。これまでの実施の形態では、ＰＴＣ素子に断面縮小部を設けることによりアークが発生せずに限流動作ができるようにしたが、図１０のように、ＰＴＣ素子の中央部に常温抵抗率が高い層１０を設けることによりアーク発生を防止することもできる。この場合、ＰＴＣ素子と電極の間でアークが発生する前に、ＰＴＣ素子における常温抵抗率が高い層１０が短絡電流を抑制し、この抑制された電流はＰＴＣ素子に直列接続された開閉器で遮断される。従って、ＰＴＣ素子と電極の間でアークが発生する現象が防止される。
【００３２】
なお、常温抵抗率が高い層を有するＰＴＣ素子は、例えば下記のようにして製作される。まず、常温抵抗率が低いＰＴＣ素子を２枚、常温抵抗率が高いＰＴＣ素子を１枚製作する、常温抵抗率が低い２枚のＰＴＣ素子の間に常温抵抗率が高いＰＴＣ素子を設ける。これらを粗面化された電極の間に設け、熱融着することにより本実施の形態の限流器を製作することができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明に係る限流器は、ＰＴＣ素子と、このＰＴＣ素子に電流を流すために上記ＰＴＣ素子の両端部に設けられた電極とを備え、上記ＰＴＣ素子の上記電極との接続部以外の部分に、切り欠きを設けることにより電流に対する断面縮小部を構成して、上記電極との接続部における電流密度よりも電流密度が高い部分を設けるとともに、前記切り欠きに抵抗体を挿入したので、ＰＴＣ素子と電極との接続部分でアークが発生しにくくなり、簡単な構造で、ＰＴＣ素子と電極の間の接触抵抗が安定した限流器を得ることができるとともに、限流動作時に限流器に注入されるエネルギーが小さくなり、破損しにくく信頼性が高いものが得られる。
【００３４】
また、この発明に係る限流器は、上記に加え、断面縮小部における電流経路が複数となるよう切り欠きを設けたので、ＰＴＣ素子の断面を縮小していない部分の電流分布を均一化できるため、通電性能を高めることができる。
【００３５】
また、断面縮小部の電流に対する断面積が、電極からＰＴＣ素子へ電流が流れ込む部分の総面積の２分の１以下としたので、アークの発生をより確実に防止することができ、より信頼性の高いものを提供できる。
【００３６】
また、電極をＰＴＣ素子に熱融着したので、ＰＴＣ素子と電極の間の接触抵抗が顕著に低減し、ＰＴＣ素子と電極の間でアークが発生する現象をいっそう確実に防止することができ、より信頼性の高いものを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による限流器を示す正面図である。
【図２】  この発明の実施の形態１によるＰＴＣ素子を示す斜視図である。
【図３】  この発明の実施の形態１による電極部の一実施例を示す斜視図である。
【図４】  この発明の実施の形態１による電極部の他の実施例を示す斜視図である。
【図５】  この発明の実施の形態２による限流器を示す正面図である。
【図６】  この発明の実施の形態３による限流器を示す正面図である。
【図７】  この発明の実施の形態４による限流器を示す正面図である。
【図８】  この発明の実施の形態５による限流器を示す断面図である。
【図９】  この発明の実施の形態５による限流器の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】  この発明の実施の形態７による限流器を示す正面図である。
【図１１】  従来の限流器を示す斜視図である。
【図１２】  従来の限流器のＰＴＣ素子を示す正面図である。
【符号の説明】
１  ＰＴＣ素子、１Ａ  切り欠き、１Ｂ  断面縮小部、２Ａ、２Ｂ  電極
６  電気的絶縁物、７  抵抗体
【図１】
0003829692.tif 000002
【図２】
0003829692.tif 000003
【図３】
0003829692.tif 000004
【図４】
0003829692.tif 000005
【図５】
0003829692.tif 000006
【図６】
0003829692.tif 000007
【図７】
0003829692.tif 000008
【図８】
0003829692.tif 000009
【図９】
0003829692.tif 000010
【図１０】
0003829692.tif 000011
【図１１】
0003829692.tif 000012
【図１２】
0003829692.tif 000013