JPH0461578B2

JPH0461578B2 -

Info

Publication number: JPH0461578B2
Application number: JP54156288A
Authority: JP
Inventors: Maaku Midoruman Rii; Hiru Ebansu Josefu; Furanku Petenjiru Donarudo
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-12-01
Publication date: 1992-10-01
Also published as: GB2038550A; JP2750265B2; JPH0819174A; NL7908691A; FR2443124A1; IL58838A0; IT1126465B; DE2948281A1; FR2443124B1; DE2948281C2; CA1143802A; JPH06202744A; JPS5582313A; SE7909910L; GB2038550B; IT7927774A0; SE445691B; US4238812A; JP2831594B2; IL58838A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、PTC物質で構成した素子を備え
た電気回路に関する。

多くの導電性物質の固有抵抗は温度にしたがつ
て変化することはよく知られており、特定の温度
範囲以上において固有抵抗が急激に増大するよう
なこれ等の導電物質は、通常、正性の温度係数
（以降、PTCと称す）物質として称されている。

PTC物質の例として、チタン酸バリウムのよ
うにドープされたセラミツク材とか、導電性のポ
リマー材、たとえば、特殊な導電性を有するフイ
ラーを散在させて成るポリマー材等がある。近年
利用されているPTCセラミツク材は、非常に安
定した電気的特性を有する。他方、比較的高い電
界、たとえば、２ボルト（Ｖ）／milにおいて
は、これ等のPTCセラミツク材の固有抵抗は不
都合にも最高値に達した後に急激に低下する傾向
がある。ここで、さらに重要なことは、25℃での
最小固有抵抗率は比較的大きく、一般に40オー
ム・cm以上もあり、このため、低抵抗値の小形の
抵抗体としては使用することができない。さらに
は、これ等PTCセラミツク材は、もろくかつ成
形しにくいものである。導電性のPTCポリマー
材は、一般に比較的に可撓性を有しかつ成形容易
であり、つい最近までは物理および電気の分野で
の有用性が限定されていたが、最近の研究は、よ
り広帯域特性を有する導電性ポリマー（特に低温
域で低固有抵抗を示した高温域で高固有抵抗を示
すように結合されたもの）かどのようにして提供
されるが或いは導電性ポリマーを含む改良された
装置がいかにして製造されるかを開示した。

この種の装置の参考例としては、たとえば、米
国特許、No.3858144、ドイツ国特許公開公報No.
P25433141、P2755077.2、P27550761、
P2821799.4、および、P2903422.2、並びに、特公
昭64−3322号公報および特公平１−51041号公報
等がある。PTCセラミツク材料は、既に、ヒー
タや、回路保護器｛たとえば、“PTC抵抗器
（“The PTC Resistor”の表題の文献で、西暦
1971年、電子部品会議におけるR.F.Blahaによる
論稿を参照）｝などに使用されている。しかしな
がら、たとえば、1/2アンペアもしくはそれ以上
の比較的高い安定度の電流を扱う回路において
は、PTCセラミツク材を基礎とする回路保護器
は、（該PTCセラミツク材は高い固有抵抗を有す
るために）不要に大形のものとなる。導電性の
PTCポリマー材はヒータとして広く使用されて
いる。さらには、文献、たとえば、米国特許；No.
2978665（バーネツト・エト・アルVernet et al）
およびNo.3243753（コーラ、Kohler）に提案され
ているように、上記PTC導電性ポリマー材が回
路保護器に使用されている。しかしながら、満足
できる結果が得られると考えられるPTC導電性
ポリマーを含む特有の回路保護装置は一般的には
上記文献にも開示されていない。これに対して、
たとえこの種の特定の回路保護器を実際に作るこ
とができることを上記文献が示唆しているにして
もこれらの示唆は不充分かつ誤つたものであるこ
とが我々の研究によつて証明されるに至つてい
る。

この発明の目的は従来のセラミツクPTC材料
を用いた装置における欠点を除き、小形でかつ構
造的に強く、電流の遮断特性もすぐれた回路保護
装置とそのような回路保護装置を備えた電気回路
とを提供することにある。

この発明は、PTC素子（すなわち、PTC物質
を用いて構成した素子である）を備え、たとえ小
さい寸法のものであるとしても比較的高電流を取
扱い得る改良した電気回路を提供するものであ
る。

この発明の一態様においては、つぎのような電
気回路を提供するものであり、すなわち、 (1) 電源 (2) 少なくとも２個の電極を備えるとともに、ス
イツチング温度T_sを有し、かつ導電性カーボ
ンブラツクをポリマー中に分散させる処理によ
つて得られるPTC組成物を用いて構成した
PTC素子を備えた回路保護器 (3) 上記PTC素子と直列に接続されるとともに、
インピーダンスR_Lオームを有する他の種々の
回路素子；を備え、該電気回路は (A) 電流が、上記PTC素子の等価直径ｄ、平均
行程長さｔの領域を介して流れ、比ｄ／ｔが少
なくとも２である； (B) 上記回路保護器は、温度Tdnにおいて、抵抗
Rdnを有し、この抵抗値Rdnが、 (a) １オームよりも小さく、かつ (b) 0.5×R_Lオーム、好ましくは0.1×R_Lオーム
よりもより小さいものであり、並びに、上記
PTC組成物の固有抵抗率が、10オーム・cm
よりも小さい； (C) 上記回路保護器は、温度Tnの媒体と接触し
ている；および、 (D) 回路保護器が発熱する抵抗発熱量I²Rの割合
と該回路保護器からの熱消失の割合とが安定し
た平衡状態にある；そして、上記回路保護器は、電力／温度の相関
関係を有し、かつ、所定の割合で上記媒体に対し
て熱消失が可能となつており、この割合は、 (a) たとえば (i) 上記媒体が、抵抗値R_Lおよび電源から出
力される電圧を一定にしたままで、温度Tn
から加熱されるか、あるいは、 (ii) 当該回路の各素子が、温度Tnが実質的に
一定に維持されたままで、上記回路保護器を
流れる電流が電流値inから増加して、上記回
路保護器の温度は、当該回路が上記回路保護
器からの抵抗発熱量I²Rの割合と、該回路保
護器からの熱消失の割合との間の平衡状態が
不安定となるような臨界的な作動状態に到達
する迄は回路保護器の温度が上昇し、上記回
路保護器は、温度Tdtripとなるとともに、
抵抗値Rddtrip′を有することになり、このと
きの回路保護器の抵抗値が温度にしたがつて
変化する変化率、dRd trip／dTdtipが正で
あり、 (i) 上記媒体が温度Tcrit′となるか、あるい
は、(ii)電流が値icrit′となる；そして、 (b) たとえば (i) 上記媒体が、抵抗値R_Lおよび電源から出
力される電圧を実質的に一定に維持したまま
で上記温度Tcrit′以上に加熱されるか、ある
いは、 (ii) 上記回路の各構成素子は、さらに、回路保
護器を流れる電流が、温度Tnを実質的に維
持したままで、２×icrit′に増加するように
変更されると、このとき、回路保護器が発生
する抵抗発熱量I²Rの発生率が、該回路保護
器からの熱消失率を上まわり、よつて、この
回路保護器の温度および抵抗値に急速に増大
させるとともに、回路電流を、当該回路が高
温度での安定した作動状態に到達するまで低
下させ、このようにして、回路保護器が発生
する抵抗発熱量I²Rの発生率が当該回路保護
器からの熱消失率と等しくなり；そして、回
路保護器の温度は温度Tdlatchとなりかつ抵
抗値Rdlatchを有するようになり、すなわ
ち、高温度での安定した作動状態での回路の
電力容量に対する定常の作動状態での回路の
電力容量の比（この比は、以下にスイツチン
グ率と称す）が少なくとも８、好ましくは少
なくとも10となる。

上記の構成を有する電気回路において、電源か
ら電流が回路保護記を介して回路素子に流れる
と、PTC素子は回路電流により加熱される。そ
して周囲温度が所定温度よりも高くなるか回路電
流が異常に上昇してPTC素子を流れる電流が増
加してPTC素子の温度が上昇するとPTC素子は
遮断状態となり回路電流を抑制する。これによつ
て回路を保護する。

この発明の回路を決定する場合において、上記
回路は、回路保護素子を通じる電流の緩慢な増加
分に応答しあるいは該回路を取り囲む媒体の温度
の緩慢な増加分に応答するように基準が設けられ
ている。しかしながら、この発明の回路は、やが
て臨界的な作動状態に変更され、そしてこのとき
から、同時に、電流および温度の両方の増加によ
り高温度での作動状態に変更されることが明らか
に理解できることになるであろう。また、温度お
よび／又は電流の増加は必ずしも緩慢なものでな
くともよい（確かに、一般に予想される故障状
態、たとえば、短絡とか異常電圧とかが発生する
ときには、電流の増加は緩慢なものではないであ
ろう）ことも明らかに理解できよう。

上述のごとく定義される種々の回路において
は、回路保護器は、他の回路素子、当該回路を取
り囲む媒体、および、当該回路で熱が回路保護器
から上記媒体へ放散し得る割合に応じて決定され
ることに留意しなければならない。なお、多くの
目的に有用なる回路保護器は、標準的な回路中
に、かつ、標準的な熱的環境中に置かれるときに
ふるまう機能を参照することによつて決定するこ
とができる。従つて、別の態様において、この発
明は、スイツチング温度T_sを有するPTC組成物
から成る１個のPTC素子と、電源に接続される
とともに該電源により上記PTC素子に電流が流
れるようにする少なくとも２個の電極とで構成す
る回路保護器を備え、上記回路保護器は、静止気
体中に配設されて、該回路保護器を含む試験回路
の一部を形成し、電源は、10Vもしくは100Vの
いずれかの出力電圧および上記回路保護器に直列
に接続する選定された抵抗値の抵抗体を有し、上
記抵抗体は、静止気体が25℃であるときに上記試
験回路が過渡的な作動状態となるように選定さ
れ、上記試験回路は、所定の定常作動条件を有し
ており、すなわち、 (A) 電流は、上記PTC素子の等価直径ｄおよび
平均行程長さｔの領域を流れるもので、少なく
ともｄ／ｔが２であり； (B) 上記回路保護器は、温度Tdnにおいて１オー
ムよりも小さい抵抗値Rdnを有するとともに、
上記PTC組成物が該温度Tdnにおいて10オー
ム・cmよりも小さい固有抵抗率を有し； (C) 上記空気は０℃であり；および (D) 上記回路保護器が発する抵抗発熱量I²Rの割
合と該回路保護器からの熱消失の割合とが安定
した平衡状態にあること；そして、上記試験回路中での回路保護器は、電
力容量対温度の相関関係を有しているとともに、
所定の割合で上記気体中への熱消失が可能となつ
ており、この割合とは、 (a) もし、気体が、上記抵抗体および上記電源を
実質的に一定に維持したままで０℃からゆつく
り加熱されると、回路保護器の温度は、当該回
路が臨界的な作動状態となるまでゆつくり上昇
し、この場合、回路保護器が発する抵抗発熱量
I²Rの割合と該回路保護器からの熱消失の割合
との平衡状態が不安定であり、そして、気体が
25℃であると、回路保護器は温度Tdtripで抵
抗値Rdtripを有し、このとき該回路保護器の
抵抗値が温度とともに変化し、変化率
dRtrip／dTdtripが正であり； (b) もし、気体が、正に、25℃以上に加熱される
と、このとき回路保護器からの抵抗発熱量I²R
の割合が、該回路保護器から熱消失し得る割合
を上まわり、よつて、この回路保護器の温度お
よび抵抗値を急速に上昇させるとともに、回路
電流を、該回路が高温での安定した作動状態に
到達するまで低下させ、このようにして回路保
護器からの抵抗発熱量I²Rの割合が該回路保護
器からの熱消失の割合と等しくなり、この回路
保護器は温度Tdlatchとなるとともに抵抗値
Rdlatchを有することになり、すなわち、高温
度での安定した作動状態における電力容量に対
する規定の作動状態における電力容量に対する
規定の作動状態における電力容量の比（スイツ
チング率）が少なくとも８、好ましくは少なく
とも10となることである。

上述の試験回路に使用される抵抗体の抵抗値
は、上記回路保護器を25℃の静止気体中に設置し
て、可変電圧電源に接続し、当該回路保護器に印
加される電圧に対する平衡化電流値をプロツトす
ることにより容易に決定される。このようにプロ
ツトすると、回路保護器が通電し得る最大の定常
電流（Imax）を示す尖頭値が顕示されることに
なる；当該試験回路における電源の出力電圧値
（すなわち、10ボルトもしくは100ボルトである）
を、上記最大電流値Imaxで除算した値が、選定
される抵抗値となる。多くの回路保護器は上述の
ごとく、試験回路における電圧が10ボルトである
場合にもまたは100Vである場合にも上述のごと
き試験条件に適合できることになるだろうが、し
かしながら、この発明は、複数の回路保護器を備
えるけれども、単に、１方の電圧値にて上述の条
件に適合すればよく、他の電圧値にて適合しなく
てもよい。

この発明は１個のPTC回路保護素子を備える
回路として述べるが、互いに異なつた故障条件で
開閉動作し得る２個又はそれ以上の回路保護器を
備えた回路をも含むことは理解し得るであろう
し、そして、この回路保護器という用語は、それ
ぞれ、所望の保護効果を発揮するように、直列お
よび／又は並列に接続された２個もしくはそれ以
上の多数個の回路構成部品を含む場合にも使用す
るものであることも理解できる。

また、この発明は、上述のごとく定義された電
気回路および回路構成部品を含むものであり、た
とえ、各電気回路しくは各回路構成素子自体が、
意図されたすべての要求を同時的に満足しなけれ
ばならないものでなく、たとえば、回路構成部品
の電気的特性が製作された初期には満足し得ない
ものであつても製作以降におけるエージング処理
によつて、該回路構成部品が上述のごとく定義し
たものに該当するようになるものであればよい。

この新規なる回路保護器においては、複数の電
極およびPTC素子は、該素子の平均行程長さを
ｔ等価直径ｄとして、比ｄ／ｔが少なくとも２、
好ましくは少なくとも10、さらに好ましくは20と
する該素子の領域に電流が通じるように調整され
ている。この“等価直径”という用語は、上記素
子の電流の通過する領域に相当する円形面積の直
径をいうものである；ここでいう領域とは、一般
的に容易に製造できるという見地から円形又は方
形となつているが、上記素子の形状はどのような
ものであつてもよい。一般的には、一定の厚みで
平坦状のPTC素子板の両側にそれぞれ互いに対
向するように、２枚の互いに同等面積の板状の電
極が配設されるようになつている。しかしなが
ら、上記素子の構成は、空間的もしくは電気的な
要求に応じて、たとえば、２個以上の電極を設け
たものとか、複数個の素子を用いたものとか、く
さび形に形成した素子を用いたものとか同一の厚
みの曲線形の積層PTC素子の両面に、それぞれ、
曲線形の積層電極を設けるようにしたものであつ
てもよい。このような構成にする場合において、
上述のごとく設定すべく比ｄ／ｔの計算方法は、
当業者にとつて明らかなものであろう。

PTC素子は、一般に、均質的な組成物体では
あるが、たとえば、異なる固有抵抗および／又は
種々のスイツチング温度を有する２以上の層を有
するものでもよい。複数の電極は、直接的に
PTC素子に取り付けられ、あるいは、それ等の
電極のうち、１つもしくはそれ以上のものが
PTC素子と、他の導電材、たとえば、それぞれ
一定の電力容量の導電性ポリマー組成物にてなる
層を介して、電気的に接続されるようにしてもよ
い。上記回路保護器の製作にあたつては、余分な
接触抵抗がないように注意する必要がある。

複数の電極は、一般に、低い固有抵抗率、たと
えば、１×10^-4オーム・cmよりも小さい固有抵抗
で、当該素子の動作中に顕著な熱量が発生しない
ような厚さになつている。これ等の電極は、典型
的には、金属、好ましくは、ニツケル製のものと
か、ニツケル製の板状のものである。これ等の電
極における接着製の改善とか、接触抵抗の低減化
のために、各電極には複数個の開口部を設けるこ
とが好ましく、各開口部は、開口設定領域を含む
電極の全表面に亘つて実質的に均等電位となるよ
うに、十分に小さいものとする。伸展された網目
状の金属或いは溶接された線状網目電極を用いる
のが好ましく、この網目部の開口領域は、各開口
が0.13cm²よりも小さい、好ましくは、0.06〜0.013
cm²程のものとして占有率が50％から80％程のもの
とし、このようにすれば電極の全体の面積が
PTC素子中への電流の流入領域とみなされ、上
記開口群の存在を無視し得るものである。

上記PTC素子は、通常の条件での当該回路の
作動時において各組成物の固有抵抗率が10オー
ム・cmよりも小さいもの、好ましくは、５オー
ム・cmより小さく、さらに好ましくは１オーム・
cmよりも小さいもので構成するようにする。この
種のほとんどの回路における通常の作動条件で
は、当該素子の温度Tdnは約25℃以上で、25℃に
おけるこのPTC素子の固有抵抗率は10オーム・
cmよりも小さい、一般的には７オーム・cmよりも
小さく、好ましくは３オーム・cmよりも小さく、
さらに好ましくは１オーム・cmよりも小さいもの
が用いられる。好ましくPTC素子の組成物とし
ては導電性を有するポリマー材で、好ましくは導
電性のカーボンブラツクを含む導電性の充填材を
含有するものとする。特に、PTC組成物として
有用なものは、上述の特公昭64−3322号公報に開
示されている。当該PTC組成物の概略は、０℃
以上のスイツチング温度Tsを有し、PTC挙動を
示す導電性ポリマー組成物において、Tsおよび
−40℃の間の少なくとも一温度において7ohm・
cmより低い比抵抗を有し、(1)結晶化度が少なくと
も10％であるポリマー成分、および(2)該ポリマー
成分に分散され、20〜150ミリミクロンの粒径Ｄ
ならびに表面積Ｓ（m²／ｇ）とＤの比Ｓ／Ｄが10
を越えない表面積Ｓを有するカーボンブラツクか
ら成る粒状充填材成分から成ることを特徴とし、
又、少なくとも1000ohm・cmのピーク比抵抗を有
することを特徴としている。この種のPTC素子
の厚みが薄いものとなればなる程、それだけ素子
が耐えなければならない電圧応力は大きいものと
なる。それ故、上記PTC素子材は、少なくとも、
電界50ボルト／ミリメートルの電圧応力、特に、
高い温度で安定した熱平衡状態となるものにあつ
ては少なくとも200ボルト／ミリメートルの電圧
応力に耐えられるものとし、かつ、PTC素子は、
少なくとも0.05cmの厚さが必要である。

上記回路保護器の通常の回路作動条件での抵抗
値、いいかえれば、値Rdnは、２個の金属電極を
当該PTC素子と接触させて構成したような単純
な構成のものにあつては、主として当該PTC素
子の抵抗値で決定されるものであり、上記値Rdn
は１オームより小さい、好ましくは0.2オームよ
りも小さい、さらには0.1オームよりも小さいも
のが好ましい。

保護対象の回路における電源装置からの電圧
が、たとえば、50ボルトもしくはそれ以下、特
に、30ボルトもしくはそれ以下、さらには、12ボ
ルトもしくはそれ以下であるように低いものであ
る場合には、それだけ回路保護器の抵抗値は小さ
いものとすることが好ましい。上述のことに鑑み
て、PTC素子は、一般的には厚み0.05ないし１
cm、好ましくは0.1ないし0.5cmであり、また等価
直径寸法は0.6ないし５cm、好ましくは1.5ないし
3.3cmとし、実質的には、該素子の厚みおよび／
又は等価直径がより大きい素子を使用し得る。ま
た、上記回路保護器が使用されている回路におい
て、上記Rdnは0.5×R_Lオームよりも小さいもの
とする必要がある；ここで、R_Lとは、当該回路
保護器と直列接続されている残部のインピーダン
スである；値Rdnは、好ましくは0.1×R_Lオーム
よりも小さい、特に0.04×R_Lオームよりも小さ
い、さらには、0.001×R_Lオームよりも小さいも
のにする。このR_Lは、好ましくは、実質的に一
定のもの、すなわち、当該回路が作動する温度範
囲内で±25％の範囲以上には超えないものを使用
する。R_Lは一般的には抵抗性の負荷があるが、
その負荷の全体もしくは一部が、容量性もしくは
誘導性のものであつてもよい。しかしながら、負
荷R_Lが、実質的には作動温度範囲内を超えて作
動するようなものである場合には、回路保護器
は、抵抗R_Lが減少することによる過剰電流に対
する保護作用、および／又は抵抗R_Lが増加する
ことによる過剰熱発生に対する保護作用により、
抵抗R_Lの過剰な変化に対して回路を保護する。

上述のことから解るように、上記回路の通常の
作動条件における電力容量は非常に小さいもので
あり、よつて、即座に周囲に消失されるであろ
う。他方、回路に事故が発生したときには、当該
回路保護器の電力容量は、最初、急激に増大して
この電力の周囲への消失を成し得ず、その後、高
温度での安定した熱平衡の作動状態に達するまで
減少するのであり、この高温度において、当該電
力容量は消失され得るとともに、回路保護器の抵
抗値は、確実に回路が“閉じる”ように大きな値
となり、即ち、回路中の電流が適宜な低レベルに
減じられる。この回路保護器の電力容量は、それ
自体の抵抗値（この抵抗値は、回路保護素子自体
の温度に依存している）、および、それ自体を通
過する電流に依存しているから、この回路保護器
は、それ自体の周囲の過剰温度、或いは回路中の
過剰電流（或いは、勿論、両者の組み合せ）に応
答して回路を遮断する。我々は、実際に適用する
場合において要求されるレベルまでに電流を減少
させるためには、上述したスイツチング率、すな
わち、高温度での安定な作動条件での電力容量に
対する通常の作動状条件の回路における電力容量
の比は、少なくとも８としなければならず、一般
的には少なくとも10とし、好ましくは実質的によ
り高く、たとえば、少なくとも20、好ましくは少
なくとも40、さらには少なくとも100とすること
が好ましいことを見い出した。

過剰な周囲温度および過剰電流の両者に対して
回路を保護するためにこの発明に係る装置を多く
使用することができる。一方、最適な動作をする
ためには、上記装置の詳細な要件および当該装置
の熱的環境要件が、予想される事故状態に応じて
選択されるべきであり、そして、与えられた当該
装置が電流中の増加分に応じてこの発明に従つて
機能する反面、周囲温度における不要な増加分に
応じては機能することのないような或いはこれと
逆の動作をするいくつかの回路構成とか環境とか
が存在するものである。上記装置は、通常の作動
条件において電流が0.5アンペアよりも大きい、
たとえば、0.5〜４アンペア、好ましくは0.5〜2.5
アンペアであるような回路において、特に有用な
ものであり、また、15アンペアもしくはそれより
も大きい定常電流を通過し得るように設計できる
ものである。

以下に、上記装置の作用を、添付の第１図乃至
第４図にしたがつて説明する。

第１図は、代表的な装置の抵抗と温度との関係
を示すものである。第２図は電源、抵抗負荷R_L、
および１個のPTC回路保護素子Rdを備えたこと
の発明に係る代表的な回路例を示す。第３図は、
周囲温度における変化および抵抗発熱I²Rの変化
結果にしたがつて回路保護器の抵抗が変化する以
外は電気回路が変化しないときの当該装置の電力
とその温度との関係を示す。また、この第３図に
は、それぞれ異なつた条件における熱放散により
上記装置が消散し得る電力を表わす代表的な負荷
線群、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃およびB₄
が示されている。これ等の各負荷線の傾度（一般
的に起り得るように上記装置の温度と、この装置
を取り囲む媒体の温度間の差が、100℃よりも小
さいときには、ほぼ、直線となつている）は、当
該装置を取り囲む媒体の熱伝導率、媒体および回
路保護器の表面の変動（もし、いくらかでもあれ
ば）に従属したものであり、各負荷線の位置は、
当該回路保護器を取り囲む媒体の温度に従属した
ものとなつている。これ等負荷線A₁、A₂、A₃及
びA₄は、第１媒体における第１回路保護器のも
のを、該媒体の温度T₁、T₂、T₃、T₄の増加順に
示されている。一方、各負荷線B₁、B₂、B₃、お
よびB₄は、たとえば、(a)第１媒体よりも低い熱
伝導率を有する第２媒体中における同一の回路保
護器、もしくは(b)、第１回路保護器と同一の電
力・温度曲線を有し、しかしながら、第１回路保
護器よりも小さい表面領域を有し、第１媒体中に
おける第２回路保護器のものを示している。

上記回路保護器が負荷線A₁、A₂、A₃およびA₄
を有し、媒体の温度に関する限り温度T₃以下に
ある限り、当該回路保護器は安定した平衡状態に
あるであろう。

しかしながら、媒体の温度が臨界温度T₃（温度
Tcritとして示すもの）に到達すると、この温度
T₃の点で回路保護器は温度Tdtrip_Aとなつてお
り、平衡状態が不安定なものとなり、さらに、媒
体の温度がさらにいくらか上昇すると、該回路保
護器の電力容量を、高温度での安定した平衡点に
到達されるまで電力容量対温度Ｐ／Ｔの曲線の頂
点を越えさせる。

もし、たとえば、媒体の温度が非常にゆつくり
上昇し、よつて、安定した平衡状態は、負荷線
A₃が電力容量−温度曲線に、電力容量曲線の頂
点を越えて交わる点で到達する、即ち、回路保護
器が温度Tdlatchに到達する時である。もし、媒
体の温度が温度T₄まで上昇すると、このとき、
平衡状態は、回路保護器が高温度TdlatchA₄とな
るときに達成される。上記回路保護器は、一旦、
高抵抗、高温度、安定した平衡状態となるように
強制されたとすると、このとき、もし、媒体の温
度が温度T₂以下に低下して、実質的に、回路保
護器を第１の位置に移行させる媒体の温度Tcrit
以下とならない限り、低抵抗状態（すなわち、回
路中での実質的に電流の流れの防止を続行するこ
とができなくなる）に復帰することができなくな
ることは明らかであろう。以降、回路保護器が
“拘束された（latched）”状態にあると称する。
上記回路保護器が、再び、リセツト、すなわち、
該回路保護器が、その周囲への熱消失率を大巾に
高めることにより、低抵抗状態に戻らしめること
ができる。しかしながら、一般に、この発明の回
路保護器は、もし、回路保護器のラツチングが発
生すると、電流を遮断するとともに回路保護器を
冷却することによりリセツトされるようになつて
いる。

負荷線B₁、B₂、B₃およびB₄を有する回路保護
器の動作が、同様に、説明される。これ等の負荷
線に対して、回路保護器を包囲する媒体の温度が
温度T₂（実質的にT₃以下である）となつたとき、
この回路保護器が作動され、この状態における該
回路保護器の温度はTd trip_B（実質的に温度
Ttrip_A以下である）となつている。

第４図は代表的な電力対温度曲線、ＰとP¹、
および、この発明の典型的な回路保護装置の負荷
線ＡとＢを示す。

Ｐは、電気回路が、周囲温度の変化および／又
は抵抗発熱I²Rによる回路保護器の抵抗が変化す
る以外は変化しないときにおける該回路保護器の
電力／温度曲線である。周囲温度Ｔで定常の作動
状態のもとでは、回路保護器の温度は、もし、回
路保護器が負荷線Ａを有するものとするとTd_Aと
なり、また、負荷線Ｂを有するものとするとTd_B
となる。P¹は、定常の作動状態時の電流より大
きい電流が回路に流れたときの回路保護器の電
力／温度の曲線である。もし、電気的事故、たと
えば、抵抗R_Lの短絡や電圧サージ等が発生して
回路保護器を流れる電流が急激に増加すると、こ
の回路保護器の電力は、ほとんど瞬間的に、も
し、この保護器が負荷線Ａを有する場合にはP_A
になり、また、もし負荷線Ｂを有する場合には
P_Bになる。このように、回路保護器の電力が非
常に高いレベルに増大するとともに、この回路保
護器の温度（したがつて、その抵抗値）に応じて
傾きが大きくなり、この負荷線が電力／温度曲線
と交わる時点で平衡状態となる。もし、この回路
保護器が負荷線Ａを有するものであるならば、こ
の回路保護器が温度Td_Aとなつて、当該回路から
短絡事故を解消させて、以前の定常作動状態に復
帰し、一方、この回路保護器が負荷線Ｂを有する
ものであるならば、この回路保護器は、ラツチさ
れ、即ち、温度Td_Bとされて、当該回路から短絡
事故を解消しても、この回路保護器の温度はわず
かに低下、したがつて、この回路保護器の電力が
わずかに低下し、以前の定常の作動状態に復帰し
なくなるということに留意しなければならない。

本発明に係る回路保護器の多くの用途におい
て、この回路保護器は、たとえ高抵抗、高温度状
態下でエージングが生起した場合でも、多少の長
い期間に亘つて、実質的に同じ状態で動作し続け
るようにすることが重要である。この発明の好ま
しい回路においては、保護器が既述の高温度平衡点で10時間動作し、
電流を遮断し、保護器を実質的にTdn以下に冷却
し、媒体温度を実質的にTn以下に低下せしめるというエージング処理をした後において、この回
路が既術の正常作動状態となり、媒体が温度Tn
からゆつくり加熱された時、回路が（Tcrit−20）
℃と（Tcrit＋10）℃の間、好ましくは（Tcrit−
５）℃と（Tcrit＋５）℃の間にある不安定平衡
点に達し、さらに媒体がTcrit／1010以上に加熱
された時、高温度安定点に到達するような、（電
力／温度）関係を回路保護器が持つようになつて
いる。また回路保護器は上記エージング処理後に
は、エージングされた回路の正常作動状態におい
て0.5×Rdnと３×Rdn、好ましくは0.7×Rdnと
1.5×Rdnの間にある抵抗値Rdn／10を持つよう
にする。回路保護器が長期間トリツプ状態とされ
る場合には、上述のように特定されたエージング
を100時間行つた後でも保護器が同一状態を維持
できるようにすべきである。

回路保護器を10時間、好ましくは100時間高温
度平衡点に設定し、電流をしや断し、実質的に
Tdn以下に回路保護器を冷却するエージング処理
を行なつた場合において、Ｒをオームで表わした
保護器の抵抗、Ｔを保護器の温度とすると、温度
がTnとTd tripの間にあるとき量１／Ｒ×d_R／d_T が±50％以上、好ましくは±25％以上には変化し
ないようにすることによつて回路保護器の動作の
均一性が改良されることを我々は見出した。

回路保護器が動作する態様は、部分的には熱を
当該回路保護器から消失させる割合に依存してい
る。この割合は回路保護器の熱伝熱係数に依存し
ており、静止空気中での回路保護器の平均全表面
に関して測定したとき、熱伝達係数が2.5ないし
６ミリワツト／℃・cm³、好ましくは2.5ないし５
ミリワツト／℃／cm²の間にあるべきあることを
我々は見出した。回路保護器の最適の熱的設計
は、保護対象の故障条件に依存する。大抵の場合
保護器は故障に対して出来るだけ早く応答する必
要がある。したがつて、回路を熱的過負荷から保
護する場合には、回路保護器を包囲する媒体と回
路保護器とができるだけ良好に接触すべきであ
り、一方回路を過剰電流から保護する場合には、
回路保護器は熱的に絶縁されるべきである。熱的
過負荷に対して保護する場合には、回路保護器は
過剰な熱が発生する場所と保護器とが熱的に連結
されるべきである。

この発明に係る回路保護装置は、通常、PTC
素子と複数個の電極を包囲する電気絶縁用ジヤケ
ツトを備え、このジヤケツトはリード線を電極ま
で挿通している。このジヤケツトは、また、この
回路保護装置の熱特性に影響を与えるものであ
り、このジヤケツトの厚みは適宜選定されてい
る。この回路保護装置は、好ましくは、酸素遮蔽
層を設けることが好ましい。

この発明の回路は、もう１つの回路保護機器、
たとえば、簡便形のサーモスタツトもしくはバイ
メタルスイツチ等を備えており、この回路保護機
器は、PTC回路保護器とかその他のものと同様、
同一事故に対して回路を保護するためのものであ
る。簡便形の回路保護機器およびPTC回路保護
器は同一の事故に対して保護作用するようになつ
ており、PTC回路保護器は、通常、他の機器あ
るいは保護器が故障したときにのみ動作するよう
になつている。電源装置は、たとえば、直流用の
もので、たとえば、12Vを出力する１個又は数個
のバツテリとか、交流用の110Vとか220Vを出力
するものである。

この発明に係る装置の断面図が、第５図および
第６図に示される。

第５図に示す回路保護器は、円板状のPTC素
子１を有しており、このPTC素子１の対向する
両側面には丸形のメツシユ電極２が取り付けられ
ている；リード４は、電極２と接続されている；
酸素遮蔽層３はPTC素子１および電極２を包み
込んでおり、リード４が該遮蔽層３を貫通してい
る。酸素遮蔽層３とPTC素子１との境界面は、
実質的に大きな空間を有しないようになつてい
る。第６図の回路保護器は、第５図の回路保護器
とは、各電極は、適宜電力許容値を有する導電性
のポリマー組成材製の層５内に埋め込まれている
ことを除いて、同様のものとなつている。

この発明に係る回路保護装置を構成する水槽ヒ
ータおよび該水槽ヒータの回路図が、それぞれ、
第７図および第８図に示される。第５図に示され
る回路保護器１１は巻線ヒータ１２と直列に接続
されており、この巻線ヒータ１２は、中空状のセ
ラミツクコア１２２にヒータ用抵抗線１２１を巻
回して構成されている。バイメタルのサーモスタ
ツト１３は、その周りの空気の温度が25℃から45
℃までの範囲を越えるときに、ナールドノブ１３
１により開くようになつている。キヤパシタ１３
２は、サーモスタツト１３と並列に接続されてい
る。プラグ１５は、ヒータ１２を作動すべく
120Vの交流電源装置（図示しない）と接続する
ようになつている。ランプ１６および抵抗１７
（第７図中には図示しない）は、ヒータ１２と回
路保護器１１とに並列に接続されており、ランプ
１６はプラグ１５を介して交流電力が供給されて
点灯するようになつている。ランプ１８および抵
抗１９は、回路保護器１１と並列に接続されて、
該回路保護器１１が高温度での平衡状態にあると
きに点灯される一方、水槽ヒータが定常作動状態
にあるときには、点灯されないようになつてい
る。

上述の種々の構成部品は、下方に延在するフレ
ーム部材２０１を有する成形されたプラスチツク
製のキヤツプ２０に固定され、これ等構成部品
は、ガラス管ケース２１に挿入されている。この
ガラス管ケース２１の先端には、成形されたプラ
スチツク部材２２が取り付けられ、このプラスチ
ツク部材２２はキヤツプ２０と組み合わさるよう
になつており、そしてこのガラス管ケース２１の
底部にはガラス繊維１４が入つている。また、こ
のガラス管ケース２１は成形されたプラスチツク
リング２３により補強されている。

第７図および第８図に示す水槽ヒータは、付設
される回路保護器１１、ランプ１８、および抵抗
１９を除いて、公知のものと同一のものである。

上記水槽ヒータの底部が水中に浸されると、こ
のとき、120Vの交流電源装置と接続され、ヒー
タ１２により発生された熱が水に放散され、この
結果、サーモスタツト１３は、その周りの空気の
温度に応じて開いたり閉じたりし、また、回路保
護器１１は低抵抗状態となつている。もし上記水
槽ヒータが水から取り出されると、ガラスケース
内の空気が急速に加熱されて、サーモスタツト１
３が正しく作動する。このサーモスタツト１３が
開くと、電流は、最早、回路中を流れることがで
きず、回路保護器１１は、低抵抗状態のままとな
る。しかしながら、バイメタルのサーモスタツト
は全く信頼性に乏しいので、このサーモスタツト
が故障でもして、サーモスタツトが閉じることが
しばしばである。このことから解るように、上記
水槽ヒータは、回路保護器１１と共働せずに、も
し、サーモスタツトが故障すると、ガラスケース
が過熱されることになり、この結果、この水槽ヒ
ータが再び水に浸されると、該水槽ヒータのガラ
スケースが割れ、場合によつては発火する。しか
しながら、第７図および第８図の水槽ヒータにお
いては、たとえバイメタルのサーモスタツトが故
障しても、このときには、ケース内の空気は、回
路保護器１１が作動するまで温度上昇し、よつ
て、回路電流は非常に低いレベルまで減じられ、
このようなレベルでは、ヒータ１２は多量の熱を
発生しない。

この発明を、以下の例にしたがつて説明する。

例１第５図に示した回路保護器は、前述した特公平
１−51041号公報の例に記載した方法で製作した
ものである。

回路保護器は、直径(d)1.91センチメートル
（0.75インチ）で、厚み2.03ミリメートル（0.08イ
ンチ）の円板に形成したPTC素子を有するもの
で、このPTC素子の両面に、それぞれ、ニツケ
ル板に銅メツシユを有する電極が埋め込まれてお
り、両電極間隔は約1.52ミリメートル（0.06イン
チ）程に適宜形成されている（すなわち、比ｄ／
ｔは約12となつている）。上記PTC素子は、高密
度のポリエチレンとエチレン／アクリル酸コポリ
マーとの混合体にカーボンブラツクを分散させて
構成したものである。この回路保護器の抵抗値
は、25℃で約0.1オーム程であり、また、この回
路保護器の最大通過電流値（Imax）は約2.5アン
ペア（この回路保護器の25℃の静止気体中での値
である）。

本装置は第７図に示すように養魚用水槽に使用
され、水中に設置され120ボルトの交流電源に接
続した。巻線抵抗形ヒータの抵抗値は144オーム
であつた。水槽中のヒータの底部、すなわち正常
な動作条件のもとでは回路電流は0.83アンペアで
あり装置の温度（Tdn）は50℃以下であり装置の
抵抗（Rdn）は0.2オーム以下であつた。水槽用
ヒータは水中から取り出されて空気中に置かれ故
障をシミユレートするためにサーモスタツトは常
に閉じる位置に設定した。巻線形ヒータから生じ
た熱によつて、ガラスケース内の温度は急速に80
℃（Tcrit）に上昇し、その点で装置の抵抗
（Rdtrip）は0.3オームとなつた。装置の温度
（Tdtrip）は約90℃となり、I²R加熱によつて装
置が発生する熱の割合は装置が消費できる熱の割
合を越えた。そして装置の温度はI²R加熱によつ
て生じる熱を消費する高温の平衡状態になるまで
急速に上昇した。この点で装置の温度
（Tdlatch）は約125℃で、抵抗（Rdlatch）は約
7200オーム、回路電流は約0.02アンペアとなり巻
線形ヒータはもはや顕著な熱を発生しなかつた。
スイツチング率は約50であつた。そして装置は拘
束状態となり巻線形ヒータは発熱しないにもかか
わらず、回路電流は極端に低下した。電流を遮断
して装置を室温に低下させることによつて水槽用
ヒータは元の状態に復帰した。

例２例１に述べた装置と、この装置に直列接続した
144オームの抵抗および120ボルトの交流電源にて
なる回路に本装置を設置した。この回路は実質的
に例１の回路と同じ電気回路であり、同様の正常
作動条件を備えるようにした。抵抗の近傍に短絡
回路を設置して本装置と直列の負荷を１オームと
して電流を約120アンペアに増加させた。本装置
の電力はほぼ瞬間的に約1500ワツトに上昇し装置
が高温となり抵抗値が増加するにしたがつて高温
度の均衡点に達するまで電力が減少した。例１と
同様にスイツチング率は約50で本装置は拘束状態
となつた。

以上詳述したように、この発明によればPTC
素子は通常時においては低抵抗であるので電力消
費が従来のものに比して低くなり、かつ寸法が小
さく熱的容量も低いから外部からあるいは内部か
ら発生する熱に対する応答を早くすることができ
る。さらに本発明の導電ポリマーPTC素子を有
する回路は小寸法でありながら大電流をも流すこ
とができるという利点もある。さらにPTC素子
は導電性有機ポリマーにカーボンブラツクを分散
したものを使用したからPTC素子に割れなどが
生じ難く、したがつて種々の形状でのかつ小形で
も製造が容易となり、その結果バツテリや集積回
路装置などにも容易に組み込める。

【図面の簡単な説明】

第１図は典型的なPTC素子の抵抗／温度の関
係を示すグラフ、第２図はこの発明の典型的な回
路例を示す回路図、第３図と第４図はこの発明に
係る典型的な回路保護器の電力／温度の関係を示
すグラフ、第５図と第６図はこの発明に係る回路
保護器の実施例を示す断面図、第７図は第５図の
回路保護器を備えた水槽用ヒータを示す図、第８
図は第７図の水槽用ヒータの電気回路図である。１……PTC素子、２……電極、３……酸素遮
蔽層、４……リード、５……層、１１……回路保
護器、１２……巻線ヒータ、１３……サーモスタ
ツト、１４……ガラス繊維、１５……プラグ、１
６……ランプ、１７……抵抗、１８……ランプ、
１９……抵抗、２０……キヤツプ、２１……ガラ
ス管ケース、２２……部材、２３……リング、１
２１……ヒータ用抵抗線、１２２……セラミツク
コア、１３１……ナールドノブ、１３２……キヤ
パシタ、２０１……フレーム。

Claims

【特許請求の範囲】１電力源と、PTC素子を含む回路保護器と、
上記PTC素子に直列に接続されかつインピーダ
ンスR_Lオームを有する他の回路素子とを備えた
電気回路であつて、該電気回路は通常の動作状態
と、故障発生時には高温安定動作状態を有し、 (イ) PTC素子は有機ポリマー材料に導電性カー
ボンブラツクを分散させたPTC導電性ポリマ
ーからなり、かつ25℃にて10オーム・cm以下の
抵抗率を有し、 (ロ) PTC素子を流れる電流の範囲の等価直径を
ｄ、平均長さをｔとするとき、ｄ／ｔが少なく
とも２である範囲内で電流が流れるようになつ
ており、 (ハ) 回路保護器は25℃で抵抗値が１オーム以下
で、かつ0.5×R_Lオーム以下であり、 (ニ) 電気回路における高温安定動作状態下の電力
に対する通常動作状態下での電力の比、即ちス
イツチング比は少なくとも８であることを特徴とする電気回路。２ PTC組成物は25℃で７オーム・cm以下の抵
抗率を有し、かつ保護器は25℃で0.2オーム以下、
かつ0.01RLオーム以下の抵抗値を有する特許請
求の範囲第１項に記載の電気回路。３スイツチング比は少なくとも40である特許請
求の範囲第１項または第２項に記載の電気回路。