JP6186144B2

JP6186144B2 - 直流電流遮断装置

Info

Publication number: JP6186144B2
Application number: JP2013051440A
Authority: JP
Inventors: 昇若月
Original assignee: 昇若月
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: JP2014179189A

Description

本発明は、直流電流遮断装置に関する。

一般的な電流遮断装置として、定格以上の大電流から回路を保護したり、発火を防止したりするために、回路内にヒューズが設けられている。ヒューズは、正常な動作時には電流を流し、電流が増大した場合など、回路に何らかの異常が発生した時には、回路を保護するために溶断するよう構成されている。ヒューズが溶断したとき、ヒューズには回路電圧がかかる状態になり、アーク放電現象が発生することがある。このアーク放電は、低電圧大電流の持続放電で、所定の条件が整えば放電は止まらなくなる。このアーク放電は、電圧が高く電流が大きい程激しくなり、ヒューズの能力を超えたときには回路を遮断できず、機器そのものが破損してしまうこともある。

このため、回路を流れる電流を遮断するには、安全に素早くアーク放電を止める必要がある。交流回路の場合には、５０Ｈｚであれば１／１００秒以内に電圧、電流のゼロ点が現れるため、消弧しやすい。例えば、交流用ガラス管ヒューズでは、アーク放電の電力で金属線を瞬時に蒸発させて内壁等へ吸着させることにより、接点距離を広げることができ、アークを止めて電流を遮断することができる。これに対し、直流回路の場合には、交流とは異なりゼロ点がないため、アーク放電が持続しやすく、装置の破損や火災が発生してしまうことがある。

直流回路でアーク放電を止めて回路電流を遮断するために、従来の直流遮断ヒューズとして、端子周辺を高耐熱・難燃性の物質で電気的に完全に絶縁して、金属線以外の部分ではアーク放電を発生させないもの（例えば、特許文献１参照）や、ヒューズエレメントを高耐熱・難燃性の物質で封止して空間をなくし、アーク放電の成長を許さないもの、高融点金属をアーク路の近傍に置いてアーク放電のエネルギーを奪い、アーク放電の低抵抗状態を高抵抗にしてしまう限流ヒューズ（例えば、特許文献２参照）などが開発されている。

例えば、一般的な管型の限流ヒューズは、けい砂などの消弧砂を充填した容器内に、銀線等の可溶体（ヒューズエレメント）を張ったものから成っている。限流ヒューズでは、まず、ヒューズを流れる電流によるジュール熱で可溶体が溶断すると、これに伴って発生するアークの高温により、可溶体が溶融して気化状になる。この気化したものが消弧砂の空間に浸透拡散して消弧砂をも融かし、溶融芋虫を形成する。この生成物が絶縁物化するため、消弧することができる。この消弧過程は、短時間に進行する。また、限流ヒューズでは、消弧の過程でアーク電圧が発生し、短絡電流は抑制されて限流効果が現れる。このため、限流ヒューズは、小形であるが遮断容量が大きい、短絡電流が小さい、遮断時にアークの噴出および騒音が無い、受電設備の経済設計が可能となる、などのいくつかの特徴を有している。

特開２０１２−２１２５４３号公報特開２０１０−１６５５０４号公報

特許文献１や特許文献２などの従来の直流遮断ヒューズでは、溶断後に一旦アーク放電が発生するため、回路の破損や火災などの危険性に対する不安が残るという課題があった。また、限流ヒューズのような熱的破壊により電流を遮断するものでは、アーク放電による異常電流が遮断されるまで、ある程度の時間がかかるという課題もあった。また、アーク放電による雑音も発生してしまうという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、アーク放電を発生させることなく比較的短時間で直流電流を遮断することができ、安全性が高く、雑音を抑えることができる直流電流遮断装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る直流電流遮断装置は、定格以上の電流が流れたとき溶断して電流を遮断する電流ヒューズ部と、ダイオードとコンデンサとを直列に接続して成り、前記電流ヒューズ部に対して並列に設けられた過渡電流回路部とを、有することを特徴とする。

本発明に係る直流電流遮断装置は、電流ヒューズ部に対して並列に設けられた過渡電流回路部により、電流ヒューズ部が溶断してもアーク放電が発生するのを防ぐことができる。アーク放電が発生しないため、異常電流が流れる時間を短縮することができ、限流ヒューズのような熱的破壊により電流を遮断するものと比べて、短時間で直流電流を遮断することができる。また、アーク放電による回路の破損や火災などの危険性がなく、安全性が高い。アーク放電による雑音も抑えることができる。

本発明に係る直流電流遮断装置で、電流ヒューズ部には、市販の交流用のヒューズを用いることができる。また、過渡電流回路部は、コンデンサに対して並列に接続された抵抗を有していてもよい。この場合、その抵抗により、電流遮断後にコンデンサに蓄えられた電荷を放電することができる。本発明に係る直流電流遮断装置は、過電流防止機構として、電気自動車や２次電池、太陽電池などの直流配線中に配置することができる。また、ヒューズボックス等として一体化することにより、交換を容易にすることができる。

本発明に係る直流電流遮断装置で、前記コンデンサは、前記電流ヒューズ部が溶断したときから所定の時間、その溶断した部分間の電圧が所定の電圧以下になるよう容量が設定されていることが好ましい。特に、前記所定の電圧は２０Ｖであることが好ましい。この場合、より確実にアーク放電の発生を防止することができる。また、所定の時間は、電流値にほぼ比例し、電流値が１０Ａの場合には１μｓｅｃである。

本発明に係る直流電流遮断装置で、前記電流ヒューズ部は、所定の温度以上になると溶断して電流を遮断するよう構成されていてもよい。また、本発明に係る直流電流遮断装置は、前記電流ヒューズ部に対して直列に設けられた、所定の温度以上になると溶断して電流を遮断する温度ヒューズ部を有していてもよい。これらの場合、異常電流による回路や機器の温度上昇時や、可炎装置に近接配置したときにも、電流を遮断することができる。このため、回路の破損や火災などを防ぐことができ、安全性が高い。さらに電磁リレーと組み合わせることにより、フェールセーフを実現することもできる。

本発明によれば、アーク放電を発生させることなく比較的短時間で直流電流を遮断することができ、安全性が高く、雑音を抑えることができる直流電流遮断装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の直流電流遮断装置の使用状態を示す回路図である。（ａ）図１に示す直流電流遮断装置の、直流溶断実験での電流ヒューズ部の両端電圧Ｖ_１、電流ヒューズ部を通過後の電流Ｉ、およびコンデンサ（１μＦ）の両端電圧Ｖ_２の時間変化を示すグラフ、（ｂ）過渡電流回路部がない場合の、直流溶断実験での電流ヒューズ部の両端電圧Ｖ_１、および電流ヒューズ部を通過後の電流Ｉの時間変化を示すグラフである。（ａ）図１に示す直流電流遮断装置の、熱による溶断実験での電流ヒューズ部の両端電圧Ｖ_１、電流ヒューズ部を通過後の電流Ｉ、およびコンデンサの両端電圧Ｖ_２の時間変化を示すグラフ、（ｂ）過渡電流回路部がない場合の、熱による溶断実験での電流ヒューズ部の両端電圧Ｖ_１、および電流ヒューズ部を通過後の電流Ｉの時間変化を示すグラフである。図１に示す直流電流遮断装置の、直流溶断実験での電流ヒューズ部の両端電圧Ｖ_１、電流ヒューズ部を通過後の電流Ｉ、およびコンデンサ（１０μＦ）の両端電圧Ｖ_２の時間変化を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の直流電流遮断装置を示している。
図１に示すように、直流電流遮断装置１は、電流ヒューズ部２と過渡電流回路部３とを有している。

電流ヒューズ部２は、被保護回路に直列に取り付けられ、定格以上の電流が流れたとき溶断して電流を遮断するよう構成されている。電流ヒューズ部２は、例えば、市販の交流用のヒューズから成っている。

過渡電流回路部３は、直列に接続されたダイオードＤおよびコンデンサＣと、コンデンサＣに対して並列に接続された放電用の抵抗Ｒ_ｄとを有している。過渡電流回路部３は、電流ヒューズ部２に対して並列に設けられている。コンデンサＣは、電流ヒューズ部２が溶断したときから１μｓｅｃの間、その溶断した部分間の電圧が２０Ｖ以下になるよう容量が設定されている。なお、溶断後の時間の１μｓｅｃは、電流値が１０Ａの場合であって、この時間は電流値にほぼ比例する。このため、電流値を変えた場合には、この溶断後の時間も変わり、それに応じてコンデンサＣの容量を設定し直すことが好ましい。
以下、実施例に基づいて、直流電流遮断装置１の作用効果について説明する。

図１に示すように、直流電流遮断装置１を電源Ｅおよび負荷抵抗Ｒ_Ｌを有する回路に取り付けて、直流溶断実験を行った。電流ヒューズ部２として、交流用の市販の耐ラッシュ型ヒューズ（定格電圧：ＡＣ２５０Ｖ、定格電流：５Ａ、定格遮断電流：ＡＣ１００Ａ）を用いた。実験条件として、電源Ｅの電圧を５０Ｖ、電流を５Ａ、コンデンサＣの容量を１μＦ、抵抗Ｒ_ｄを１ｋΩとした。実験では、負荷抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値を、２０Ωから５．３Ωに減らし、電流値を２．５Ａから９．４Ａに増加させて電流ヒューズ部２を溶断した。

溶断したときの電流ヒューズ部２の両端電圧Ｖ_１、電流ヒューズ部２を通過後の電流Ｉ、およびコンデンサＣの両端電圧Ｖ_２の時間変化を、図２（ａ）に示す。また、比較のため、過渡電流回路部３がない場合のＶ_１およびＩの時間変化を、図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示すように、過渡電流回路部３がなく、電流ヒューズ部２が単独の場合には、溶断後の約７ｍｓの間、アーク放電が発生していることが確認できる。これに対し、図２（ａ）に示すように、過渡電流回路部３を有する場合には、電流Ｉは迅速に遮断されており、アーク放電が発生していないことが確認できる。また、このとき、溶断直後にμｓｅｃオーダー程度の幅で、約１０Ｖ程度のバルスが発生していることも確認できる。

このように、直流電流遮断装置１によれば、電流ヒューズ部２に対して並列に設けられた過渡電流回路部３により、電流ヒューズ部２が溶断してもアーク放電が発生するのを防ぐことができることが確認された。また、アーク放電が発生しないため、異常電流が流れる時間を短縮することができ、短時間で直流電流を遮断できることも確認された。このため、アーク放電による回路の破損や火災などの危険性がなく、安全性が高いといえる。また、アーク放電による雑音も抑えることができる。

図１に示す回路で、電流ヒューズ部２として、所定の温度以上になると溶断して電流を遮断する銅爪ヒューズ（定格電圧：ＡＣ２５０Ｖ、定格電流：１０Ａ）を用い、外部からの熱による溶断実験を行った。実験条件として、電源Ｅの電圧を５０Ｖ、電流を５Ａ、負荷抵抗Ｒ_Ｌを１０Ω、抵抗Ｒ_ｄを１ｋΩ、コンデンサＣの容量を１μＦとした。セラミック発熱体で電流ヒューズ部２の導線部分を挟み、はんだ溶融温度（約３００℃）で加熱し、電流ヒューズ部２を溶断した。

このときの電流ヒューズ部２の両端電圧Ｖ_１、電流ヒューズ部２を通過後の電流Ｉ、およびコンデンサＣの両端電圧Ｖ_２の時間変化を、図３（ａ）に示す。また、比較のため、過渡電流回路部３がない場合のＶ_１およびＩの時間変化を、図３（ｂ）に示す。図３に示すように、過渡電流回路部３を有する場合には、過渡電流回路部３がなく電流ヒューズ部２が単独の場合と比べて、迅速に電流が遮断されることが確認できる。このように、温度ヒューズを用いた直流電流遮断装置１によれば、異常電流による回路や機器の温度上昇時にも、電流を遮断することができる。このため、回路の破損や火災などを防ぐことができ、安全性が高い。

図１に示す回路を使用し、コンデンサＣの容量以外は実施例１と同じ条件で、コンデンサＣの容量を１０μＦ、０．１μＦとした場合について、直流溶断実験を行った。コンデンサＣの容量が１０μＦのときの、電流ヒューズ部２の両端電圧Ｖ_１、電流ヒューズ部２を通過後の電流Ｉ、およびコンデンサＣの両端電圧Ｖ_２の時間変化を、図４に示す。コンデンサＣの容量が０．１μＦのときのＶ_１およびＩの時間変化は、図２（ｂ）とほとんど同じであった。なお、コンデンサＣの容量が１μＦのときの結果は、実施例１の図２（ａ）である。

図４に示すように、コンデンサＣの容量が１０μＦのときには、図２（ａ）に示すコンデンサＣの容量が１μＦのときと同様に、電流Ｉは迅速に遮断されており、アーク放電が発生していないことが確認できる。また、このとき、溶断直後にμｓｅｃオーダー程度の幅で、約１０Ｖ程度のバルスが発生していることも確認できる。また、コンデンサＣの容量が０．１μＦのときには、アーク放電の発生を防止できないことも確認された。

この実験結果から、アーク放電の発生を防止するためには、コンデンサＣの容量を調節する必要があるといえる。例えば、高速で電流を遮断する場合には、容量を小さくすればよいが、小さくしすぎるとアーク放電が発生してしまう。また、急激な電流遮断を避けたい場合には、容量を大きくするとよい。また、図２（ａ）および図４から、コンデンサの容量を、電流ヒューズ部２が溶断したときから０．６〜１μｓｅｃの間、その溶断した部分間の電圧が１６〜２０Ｖ以下になるよう設定することにより、より確実にアーク放電の発生を防止可能であるといえる。

１直流電流遮断装置
２電流ヒューズ部
３過渡電流回路部

Claims

定格以上の電流が流れたとき溶断して電流を遮断する電流ヒューズ部と、
ダイオードとコンデンサとを直列に接続して成り、前記電流ヒューズ部に対して並列に設けられた過渡電流回路部とを、
有することを特徴とする直流電流遮断装置。
前記コンデンサは、前記電流ヒューズ部が溶断したときから所定の時間、その溶断した部分間の電圧が所定の電圧以下になるよう容量が設定されていることを特徴とする請求項１記載の直流電流遮断装置。
前記所定の電圧は２０Ｖであることを特徴とする請求項２記載の直流電流遮断装置。
前記電流ヒューズ部は、所定の温度以上になると溶断して電流を遮断するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
前記電流ヒューズ部に対して直列に設けられた、所定の温度以上になると溶断して電流を遮断する温度ヒューズ部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。