KR20160137571A

KR20160137571A - 보호 디바이스

Info

Publication number: KR20160137571A
Application number: KR1020167027859A
Authority: KR
Inventors: 마사아키 이와이; 다카유키 요코타
Original assignee: 리텔퓨즈 재팬 지.케이.
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-11-30
Also published as: JP6357221B2; US20170076900A1; JPWO2015133538A1; EP3116013A1; EP3116013A4; US10395877B2; EP3116013B1; WO2015133538A1; CN106663566B; CN106663566A

Abstract

본 발명은 정격 전압 및 정격 전류가 크고, 동작 시의 아크의 발생을 충분히 억제할 수 있고, 나아가, 주회로의 단락 등에 의한 과전류에 대해서도 적절하게 보호할 수 있는 보호 디바이스를 제공한다. 본 발명의 보호 디바이스는, (i) 제1 온도 퓨즈와 저항체를 포함하여 이루어지고, 이상 시에 저항체에 통전함으로써 저항체가 발열되고, 이 열에 의해 제1 온도 퓨즈가 동작하여, 전류를 차단하는 보호 소자와, (ii) 상기 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되고, 또한, 서로 전기적으로 직렬로 접속된, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈와, (iii) 상기 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 접속된 전류 퓨즈를 포함하여 이루어진다.

Description

보호 디바이스{PROTECTIVE DEVICE}

본 발명은 보호 디바이스에 관한 것이다.

여러가지 전기 회로에 있어서, 정격 전류보다 큰 전류가 흘렀을 경우 및/또는 정격 전압보다 큰 전압이 인가된 경우, 회로에 내장된 전기·전자 장치 및/또는 전기·전자 부품, 또는 전기·전자 회로를 보호하기 위하여 보호 디바이스가 회로에 내장되어 있다.

그러한 보호 디바이스로서, 온도 퓨즈와 저항체를 포함하여 이루어지고, 이상 시에 저항체에 통전함으로써 저항체를 발열시켜, 그 열로 온도 퓨즈를 동작시키는 보호 디바이스, 소위 퓨징 레지스터가 알려져 있다(특허문헌 1).

또한, 다른 보호 디바이스로서, 바이메탈 스위치와 PTC(positive temperature coefficient) 소자를 병렬로 접속하여 사용하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 2). 이러한 보호 디바이스에서는, 과전류 조건이 된 때에, 바이메탈 스위치의 바이메탈 부분이 고온이 되어서 그 접점이 이격되어 개방되어, 전류가 PTC 소자에 전류된다. 그 결과, PTC 소자는 과전류에 의해 고온·고저항 상태로 트립하여 PTC 소자에 흐르는 전류를 실질적으로 차단한다.

일본 특허 공개 제2009-295567호 공보 국제 공개 제2008/114650호

특허문헌 1에 기재된 바와 같은 보호 디바이스에 의해, 많은 경우에 있어서, 충분한 보호를 달성할 수 있지만, 고전압 또는 고전류의 전지 또는 전원을 사용하는 전기 장치에 있어서는, 이러한 보호 디바이스의 정격 전압 및 정격 전류로는 반드시 충분한 것은 아닌 경우가 있어, 보다 큰 정격 전압 및 정격 전류가 요구되고 있다.

또한, 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 보호 디바이스는, 일반적으로, 리튬 이온 축전지에 있어서 과충전이 발생한 경우에, 리튬 이온 축전지를 보호할 목적으로 사용되고 있다. 특허문헌 1에 기재된 보호 디바이스는 3개의 단자를 갖고 있다. 리튬 이온 축전지의 충전 회로에서 사용되는 경우, 이 단자는, 각각, 전원, 축전지 및 스위치(또는 제어용 IC 등)에 접속된다(각각, 전원측 단자, 축전지측 단자 및 스위치측 단자라고 칭한다). 그리고, 전원-전원측 단자-온도 퓨즈-축전지측 단자-축전지의 순서로 직렬로 접속함으로써 주회로를 구성하고, 전원-스위치-스위치측 단자-저항체-축전지측 단자-축전지의 순서로 직렬로 접속함으로써 부회로를 구성한다. 과충전이 발생한 경우, 스위치가 온이 되어서 부회로에 통전되고, 즉, 저항체에 통전되고, 거기에서 발생한 열에 의해 온도 퓨즈가 용단된다. 이와 같이 하여 주회로를 오픈으로 하여, 리튬 이온 축전지를 과충전으로부터 보호하고 있다. 그러나, 이와 같은 구성은, 주회로에 있어서 단락이 발생한 경우 등에 발생할 수 있는 과전류로부터의 보호에는, 반드시 적합한 것이라고는 할 수 없음을 알았다.

특허문헌 2에 기재된 바와 같은 보호 디바이스에 의해, 많은 경우에 있어서, 충분한 보호를 달성할 수 있지만, 조건에 따라서는, 특히 비교적 높은 전압으로 사용하는 경우에는, 차단 시에 발생하는 아크를 반드시 충분히 억제할 수는 없는 경우가 있는 것이 발견되었다. 또한, PTC 소자가 트립하여 고저항 상태로 되는 것에 의해 실질적으로 전류의 흐름을 차단한 경우에도, 실제로는 미소 전류(누설 전류)가 흐른다. 미소 전류라고 하더라도, 그 흐름을 차단하는 것이 바람직한 경우가 있음을 알게 되었다. 또한, 미소 전류가 계속하여 통전되면, 이상을 제거할 때까지의 시간이 길어진 경우에, PTC 소자가 계속하여 동작하게 되어 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 정격 전압 및 정격 전류가 보다 크고, 동작 시의 아크의 발생을 일층 억제할 수 있고, 나아가, 주회로의 단락 등에 의한 과전류에 대해서도 보다 적절하게 보호할 수 있는 보호 디바이스를 제공하는 것이다.

제1 요지에 있어서, 본 발명은 (i) 제1 온도 퓨즈와 저항체를 포함하여 이루어지고, 이상 시에 저항체에 통전함으로써 저항체가 발열되고, 이 열에 의해 제1 온도 퓨즈가 동작하여, 전류를 차단하는 보호 소자와,

(ii) 상기 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되고, 또한, 서로 전기적으로 직렬로 접속된, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈와,

(iii) 상기 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 접속된 전류 퓨즈

를 포함하여 이루어지는 보호 디바이스를 제공한다.

제2 요지에 있어서, 본 발명은 상기 보호 디바이스를 갖는 전기 장치를 제공한다.

본 발명의 보호 디바이스는, 그것이 내장되어 있는 회로 또는 전기 장치에 있어서, 어떠한 이상이 발생한 경우, 보호 소자의 저항체에 통전함으로써, 제1 온도 퓨즈를 동작시켜서 회로를 보호한다. 이때, 이 제1 온도 퓨즈에 흐르고 있는 전류의 일부를 PTC 소자측의 회로에 전류할 수 있으므로, 아크의 발생을 억제할 수 있고, 그 결과, 보호 디바이스의 내전압이 향상된다. 또한, 제1 온도 퓨즈가 동작한 후, PTC 소자는 트립하여 고온이 되고, 이 열에 의해, PTC 소자의 열영향 하에 있는 제2 온도 퓨즈를 용단함으로써, 회로를 완전히 개방할 수 있다. 나아가, 단락 등에 의해 주회로에 과전류가 흘렀을 경우에도, 전류 퓨즈가 동작하여 전류를 차단할 수 있으므로, 이러한 과전류에 대해서도 적절한 보호를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 보호 디바이스의 일 형태의 회로도이다.
도 2는, 본 발명의 보호 디바이스의 다른 형태의 회로도이다.
도 3은, 본 발명의 보호 디바이스의 다른 형태의 회로도이다.
도 4는, 본 발명의 보호 디바이스의 다른 형태의 회로도이다.
도 5는, 본 발명의 보호 디바이스의 다른 형태의 회로도이다.

이하에 도면을 참조하여, 본 발명의 보호 디바이스를 상세하게 설명한다. 단, 본 발명의 보호 소자는, 도시하는 형태에 한정되지 않음에 유의하기 바란다.

도 1에, 본 발명의 보호 디바이스의 일 형태에 대응하는 회로도를 도시한다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 보호 디바이스(1)는 보호 소자(2), PTC 소자(4), 제2 온도 퓨즈(6) 및 전류 퓨즈(7)를 포함하여 이루어지고, PTC 소자(4)와 제2 온도 퓨즈(6)가 서로 전기적으로 직렬로 접속되고, 이들에 대하여 전기적으로 병렬로 보호 소자(2)가 접속되고, 또한, PTC 소자(4) 및 제2 온도 퓨즈(6)에 대하여 전기적으로 병렬로, 또한, 보호 소자(2)에 대하여 전기적으로 직렬로 전류 퓨즈(7)가 접속되어 있다. 보호 소자(2)는 도 1에 있어서 점선에 의해 포위한 부분이며, 제1 온도 퓨즈(8) 및 저항체(10)를 포함하여 이루어진다. 이 보호 소자(2)는 저항체(10)에 통전이 이루어지고, 저항체에서 발생하는 열에 의해, 제1 온도 퓨즈(8)가 용단됨으로써 동작한다. 또한, 보호 디바이스(1)는 전원에 접속하기 위한 단자(12), 보호해야 할 전기 장치에 접속하기 위한 단자(14), 및 저항체(10)에 통전하기 위한 단자(16)를 갖는다. 단자(12)-전류 퓨즈(7)-제1 온도 퓨즈(8)(및 그것에 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 PTC 소자(4)-제2 온도 퓨즈(6))-단자(14)는, 전원으로부터 전기 장치에 전류를 흘리기 위한 주회로의 일부를 구성하고, 단자(16)-저항체(10)-단자(14)는, 저항체(10)에 통전을 행하기 위한 부회로의 일부를 구성한다.

본 발명의 보호 디바이스(1)에 있어서, 정상 시에는, 제1 온도 퓨즈(8)의 저항값이 PTC 소자(4)의 저항값보다 충분히 작기 때문에, 전류는, 단자(12)→전류 퓨즈(7)→제1 온도 퓨즈(8)→단자(14)의 순서(또는 그의 역순)로 흐르고, PTC 소자(4) 및 제2 온도 퓨즈(6)에는 실질적으로 흐르지 않는다.

본 발명의 보호 디바이스는, 2개의 보호 기구를 갖는다. 1개의 보호 기구는, 보호 소자(2)가 동작하는 것에 의한 기구이며, 이상 시, 즉, 전기 회로 또는 전기 장치에 있어서 바람직하지 않은 상황이 발생했을 때, 예를 들어, 과전압, 이상 발열, 과충전 등이 발생한 경우에는, 단자(16)로부터 저항체(10)로 통전이 이루어지고, 이에 의해 저항체(10)가 발열한다. 이 열에 의해 제1 온도 퓨즈(8)가 동작하고(즉, 보호 소자(2)가 동작하고), 이에 의해 제1 온도 퓨즈(8)에 흐르고 있었던 전류가 PTC 소자(4)로 전류되고, 이 전류된 전류에 의해 PTC 소자(4)가 트립(동작)한다. 계속해서, 트립한 PTC 소자(4)가 발생하는 열에 의해, 제2 온도 퓨즈(6)가 용단되어, 회로가 완전히 개방되어, 전기 회로 또는 전기 장치가 보호된다. 또 하나의 보호 기구는, 전기 회로 또는 전기 장치에 있어서, 단락 등에 의해 과전류가 발생한 경우, 전류 퓨즈(7)가 용단되고, 이에 의해 전류 퓨즈(7)에 흐르고 있었던 전류가 PTC 소자(4)로 전류되고, 상기와 마찬가지로, 이 전류된 전류에 의해 PTC 소자(4)가 트립하여, 제2 온도 퓨즈(6)가 용단되어, 주회로가 개방되어, 과전류로부터 전기 회로 또는 전기 장치가 보호된다. 또한, 통상, 과전류는 전류 퓨즈(7)에 의해 차단될 수 있지만, 과전류에 응답하여 보호 소자(2)의 저항체(10)에 통전하도록 설계함으로써, 보호 소자(2)에 의해 차단할 수도 있다. 이렇게 설계함으로써 보다 확실한 보호가 가능해진다.

본 발명의 보호 디바이스에 사용되는 보호 소자에 있어서, 저항체 및 제1 온도 퓨즈는 열결합하도록 배치된다. 즉, 제1 온도 퓨즈는, 저항체의 열영향 하에 있고, 저항체에서 발생하는 열에 의해 용단됨으로써 동작한다. 제1 온도 퓨즈의 설치수는, 특별히 한정되지 않고 1개 또는 복수, 예를 들어 2개 또는 3개여도 된다. 제1 온도 퓨즈의 설치 장소는, 보호해야 할 전기 회로 또는 전기 장치에 대하여 전기적으로 직렬로 접속되고, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되고, 저항체의 열영향 하에 배치되는 한 특별히 한정되지 않고 저항체의 접속 개소의 상류 및/또는 하류 중 어디에 설치해도 된다.

상기 보호 소자에 사용되는 저항체는, 발열체로서 사용할 수 있는 저항체이기만 하면, 특별히 한정되지 않는다.

상기 보호 소자에 사용되는 제1 온도 퓨즈로서는, 일반적으로 온도 퓨즈로서 사용되는 재료를 사용한 것을 사용할 수 있고, 예를 들어, 시판하고 있는 온도 퓨즈 외에, 땜납 등의 저융점 금속(저융점 합금도 포함한다)을 제1 온도 퓨즈에 사용할 수 있다. 바람직한 저융점 금속으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-58Bi를 들 수 있다. 당업자라면 본 명세서의 내용에 기초하여, 목적으로 하는 기능을 발휘할 수 있도록 적절한 온도 퓨즈를 제1 온도 퓨즈로서 선택할 수 있다.

상기 제1 온도 퓨즈는, 일반적인 용단에 의해, 즉, 퓨즈 엘리먼트가 용융되고, 그것의 표면 장력에 의해 엘리먼트 양단의 전극에 끌어당겨져서 분열됨으로써 동작해도 되고, 또는, 기계적인 보조 기구, 예를 들어 스프링, 자석 등을 이용하여, 퓨즈 엘리먼트가 접속하고 있는 전극끼리를 물리적으로 분리하고, 절연 거리를 확보함으로써 동작해도 된다.

바람직한 형태에 있어서, 상기 보호 소자는, 제1 온도 퓨즈의 동작을 기계적으로 보조하는 기구를 갖는다. 이 형태에 있어서, 제1 온도 퓨즈의 전극은, 한쪽이 가동 전극이며, 다른 쪽이 고정 전극이어도 되고, 또는, 양쪽이 가동 전극이어도 된다. 이러한 기계적인 보조 기구를 사용함으로써, 순간적으로 절연 거리를 확보할 수 있으므로, 아크의 발생을 보다 억제할 수 있다.

상기 보호 소자의 예로서는, 퓨징 레지스터를 들 수 있다. 퓨징 레지스터란, 저항체 및 이 저항체에 통전함으로써 발생한 열에 의해 용융되는 저융점 금속(온도 퓨즈로서 기능한다)을 갖는 저항체 구비 온도 퓨즈이다.

바람직하게는, 한 쌍의 리드 고정 전극을 갖고, 이들 리드 고정 전극에 가이드축이 병설되고, 가동 전극이 가이드축에 삽입 관통된 상태에서 상기 리드 고정 전극 간에 걸쳐서 배치되고, 각 리드 고정 전극의 선단과 가동 전극 사이 및 상기 가이드축과 가동 전극 사이가 저융점 합금으로 접합되고, 상기 가동 전극에 상기 리드 고정 전극으로부터 이격시키는 방향의 힘을 작용시키는 압축 스프링이 설치되고, 상기 저융점 합금의 용융으로 가동 전극이 압축 스프링으로 가압되어서 상기 리드 고정 전극으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 퓨징 레지스터가 사용된다.

더욱 바람직하게는, 상기 퓨징 레지스터에 있어서, 저항체의 양단에 리드 도체가 설치되어서 이루어지는 저항기의 한쪽 리드 도체가 가이드축으로서 사용되고, 압축 스프링에 코일 스프링이 사용되고, 당해 코일 스프링이 저항체와 가동 전극 사이에 있어서 상기 한쪽 리드 도체에 삽입 관통되고, 저항기의 한쪽 리드 도체와 양쪽 리드 고정 전극 중 어느 하나와의 사이에 저항기 통전 발열 회로가 접속되는 것을 특징으로 하는 퓨징 레지스터가 사용된다.

상기 퓨징 레지스터는, 예를 들어, 일본 특허 제4630403호 공보, 일본 특허 제4757931호 공보, 일본 특허 제4630404호 공보, 일본 특허 제4757895호 공보, 일본 특허 제4757898호 공보, 일본 특허 제4943359호 공보, 및 일본 특허 제4943360호 공보에 기재되어 있다. 이들 문헌은, 참조에 의해 전체를 본 명세서에 편입시킨다.

또한, 도 1에 있어서, 제1 온도 퓨즈는 1개만이지만, 이것에 한정되지 않고, 복수개, 예를 들어 2개 또는 그 이상의 제1 온도 퓨즈를 사용해도 된다. 또한, 보호 소자는, 상기 퓨징 레지스터와 같이 하나의 전자 부품일 필요는 없고, 저항체 및 제1 온도 퓨즈가, 이상 시에 저항체에 통전함으로써 저항체가 발열되고, 이 열에 의해 제1 온도 퓨즈가 절단되도록 배치되어 있으면 된다.

본 발명의 보호 디바이스에 사용되는 PTC 소자는, 특별히 한정되는 것은 아니라, 종래 사용되고 있는 PTC 소자, 예를 들어 폴리머 PTC 소자 또는 세라믹 PTC 소자를 사용할 수 있다. 바람직한 PTC 소자는, 폴리머 PTC 소자이다. PTC 소자의 설치수는, 특별히 한정되지 않고 1개 또는 복수, 예를 들어 2개 또는 3개여도 된다. PTC 소자의 설치장소는, 보호해야 할 전기 회로 또는 전기 장치 및 제2 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 접속되고, 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되는 한 특별히 한정되지 않는다.

상기 폴리머 PTC 소자란, 도전성 충전제(예를 들어, 카본 블랙, 니켈 합금 등)가 분산되어 있는 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 등)를 포함하여 이루어지는 도전성 조성물을 압출함으로써 얻어지는 층상의 PTC 요소 및 그 양측에 배치된 전극(예를 들어 금속박)을 갖고 이루어진다. 단, PTC 요소에 직접 리드 등의 다른 요소를 접속해도 되고, 그 경우 전극은 생략할 수 있다.

바람직한 형태에 있어서, PTC 소자는, 사용 온도에 있어서, 보호 소자의 정격 전압/이상 전류 이하의 저항값을 갖는다. 즉, 이 형태에 있어서, 제1 온도 퓨즈의 동작 시, 보호 소자에 그 정격 전압보다도 높은 전압이 걸리지 않도록, 제1 온도 퓨즈에 흐르고 있었던 전류가 PTC 소자로 전류한다.

여기에, 본 명세서에 있어서 「정격 전류」 및 「정격 전압」이란, 온도 퓨즈, 전류 퓨즈, PTC 소자, 보호 소자, 보호 디바이스 등의 각 전기 요소에 설정되고, 정상적으로 그 전류 및 전압을 가한 경우에 각 소자가 소정의 기능을 발휘할 수 있고, 또한 안전하게 사용할 수 있는 최대 전류 및 최대 전압을 각각 의미한다.

보호 소자(구체적으로는, 제1 온도 퓨즈)에 인가되는 전압은, 보호 디바이스에 인가되는 전압(도 1에 있어서 단자(12)-단자(14) 사이의 전압)이 된다. 따라서, 보호 디바이스의 양단 전압이, 제1 온도 퓨즈(5)의 동작 시에, 보호 소자의 정격 전압을 상회하지 않으면 된다. 즉,

E_d _'≤E_r ···(1)

[식 중, E_d _'=제1 온도 퓨즈의 동작 시(이상 시)의 보호 디바이스의 양단 전압,

E_r=보호 소자의 정격 전압]

를 만족하면 된다.

보호 디바이스의 양단 전압은,

E_d=I_c×R_d ···(2)

[식 중, E_d=보호 디바이스의 양단 전압,

I_c=회로 전류,

R_d=보호 디바이스 전체의 저항]

이 된다.

여기서, R_d는, 보호 소자(제1 온도 퓨즈), PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈의 합성 저항이 되므로,

R_d=1/(1/R₁+1/(R_p+R₂))

[식 중, R₁=보호 소자(제1 온도 퓨즈)의 저항,

R_p=PTC 소자의 저항,

R₂=제2 온도 퓨즈의 저항]

이 된다.

R_p는, R₂보다도 충분히 크므로, R₂는 무시할 수 있고,

R_d=1/(1/R₁+1/R_p) ···(3)

이 된다.

또한, 이상이 발생하여 제1 온도 퓨즈가 동작할 때는, 제1 온도 퓨즈의 저항값은 ∞로 간주할 수 있으므로, 1/R₁은 무시할 수 있다. 즉, 제1 온도 퓨즈의 동작 시의 보호 디바이스 전체의 저항(R_d')은

R_d _'=1/(1/R_p)=R_p ···(3')

이 된다.

식 (1), (2) 및 (3')로부터 이상 시의 회로 전류(본 명세서에 있어서, 이상 전류라고도 한다), 예를 들어 이상이 단락인 경우에는 단락 전류를 I_c'로 하면,

I_c _'×R_p≤E_r

변형하여,

R_p≤E_r/I_c _'

[식 중, R_p=PTC 소자의 저항,

E_r=보호 소자의 정격 전압,

I_c _'= 이상 전류]

이 된다.

이와 같이, PTC 소자의 저항값을, 정격 전압/이상 전류 이하로 함으로써, 동작 시에 보호 소자에 인가되는 전압을 정격 전압 이하로 할 수 있다. 즉, PTC 소자의 저항값을 가급적으로 작게 함으로써, 이상 시에 허용할 수 있는 전류가 커진다.

또한, 상기 사용 온도란, 본 발명의 보호 디바이스가 정상 상태에서 사용되는 환경의 온도이며, 보호 디바이스의 용도, 설치 장소 등에 따라서 결정된다. 사용 온도는, 전형적으로는 실온(약 20∼25℃)이지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 보다 고온, 구체적으로는, 약 25∼100℃, 예를 들어 약 30∼60℃의 범위에 있어도 된다. 또한, 상기 이상 전류란, 이상이 발생한 때에, 예를 들어 단락 시에 보호 디바이스에 흐르는 전류값을 의미한다.

다른 바람직한 형태에 있어서, 폴리머 PTC 소자는, 폴리머 PTC 소자의 폴리머 재료의 연화점보다 10℃ 낮은 온도, 바람직하게는 5℃ 낮은 온도에서, 보호 소자의 정격 전압/이상 전류 이하의 저항값을 갖는다.

상기 폴리머 PTC 소자의 폴리머 재료의 연화점은, 예를 들어, JIS K7206에 따라서 측정함으로써 얻을 수 있다. 폴리머 PTC 소자의 온도가 이 연화점보다도 높은 온도로 되면, PTC 소자의 저항값 상승률이 급격하게 커져서, 예를 들어, 저항값-온도 곡선의 접선 기울기가, 25℃에서의 기울기의 5배 이상으로 된다.

일반적으로 폴리머 PTC 소자의 폴리머 재료의 연화점은, 사용 온도보다도 수십℃ 높게 설정된다. 따라서, 연화점보다도 약간 낮은 온도, 예를 들어 10℃ 낮은 온도, 바람직하게는 5℃ 낮은 온도에서, 폴리머 PTC 소자가 보호 소자의 정격 전압/이상 전류 이하의 저항값을 가짐으로써, 어떠한 이유에 의해 PTC 소자의 주위 온도가, 상정한 사용 온도 이상으로 된 경우에도, 제1 온도 퓨즈의 동작 시에, 아크의 발생을 억제할 수 있다.

추가로 또 하나의 바람직한 형태에 있어서, PTC 소자는, 제1 온도 퓨즈의 절연 시간보다도 긴 동작 시간을 갖는다.

본 명세서에 있어서, 상기 PTC 소자의 동작 시간이란, 보호 소자가 동작하여 전류된 전류가 PTC 소자에 통전되고 나서, PTC 소자의 양단(전극) 간의 전압이 보호 소자의 정격 전압에 도달할 때까지의 시간을 의미한다.

본 명세서에 있어서, 상기 제1 온도 퓨즈의 절연 시간이란, 제1 온도 퓨즈가 동작하고 나서, 그 절연이 확보될 때까지의 시간을 의미한다. 예를 들어, 제1 온도 퓨즈의 동작이 일반적인 용단에 의한 경우, 퓨즈 엘리먼트가 용단을 개시하고 나서, 즉 퓨즈 엘리먼트가 용융되어 가늘어져서 그 저항값이 상승하기 시작한 시점부터, 용단 후 퓨즈 엘리먼트가 응고될 때까지의 시간을 의미한다. 또한, 제1 온도 퓨즈가 기계적인 보조 기구에 의해 동작하는 경우, 제1 온도 퓨즈의 전극 간을 접속하는 퓨즈 엘리먼트(저융점 금속)가 용융되고, 전극끼리가 이격되기 시작하고 나서부터 절연 거리를 확실하게 유지할 수 있는 상태가 될 때까지의 시간을 의미한다.

상기 PTC 소자의 동작 시간은, 제1 온도 퓨즈의 동작이, 일반적인 용단에 의한 경우, 30밀리초 이상이 바람직하고, 40밀리초 이상이 보다 바람직하다.

또한, 상기 PTC 소자의 동작 시간은, 제1 온도 퓨즈의 동작이 기계적으로 보조되는 경우, 3밀리초 이상이 바람직하고, 5밀리초 이상이 보다 바람직하다.

또한, 도 1에 있어서, PCT 소자는 1개만이지만, 이것에 한정되지 않고, 복수개, 예를 들어 2개 또는 그 이상의 PCT 소자를 사용해도 된다.

제1 온도 퓨즈는, 저항체에서 발생하는 줄 열에 의해 퓨즈 엘리먼트가 용융되고, 용융된 퓨즈 엘리먼트가 용단되거나, 또는 기계적인 보조 기구에 의해 분단되고, 분단된 퓨즈 엘리먼트 간(전극 간)의 거리가 절연 거리 이상으로 됨으로써 안전하게 전류를 차단한다. 용단 또는 분단된 엘리먼트 간(전극 간)의 거리가 절연 거리 미만인 상태에서는, 아크가 발생할 수 있지만, 절연 거리 이상으로 되면 아크는 소멸한다. 그러나, 제1 온도 퓨즈가 일반적인 용단에 의해 동작하는 경우, 용단 직후의 엘리먼트는, 완전히 응고되지 않아 유동성이 있으므로, 변형되어, 분단된 엘리먼트 간의 거리가 절연 거리 미만이 되는 경우가 있다. 또한, 제1 온도 퓨즈가 기계적인 보조 기구, 예를 들어 스프링에 의해 분단되는 경우, 분단 후 일정한 시간, 가동 전극이 진동하기 때문에, 다른 쪽 전극과의 거리가 정해지지 않고, 절연 거리 미만으로 되는 경우가 있다. 이 때에, 보호 소자에 인가되는 전압이, 보호 소자의 정격 전압을 초과하면, 아크가 격렬하게 발생하여, 보호해야 할 기기에 손상을 끼치는 등 큰 문제를 발생시킬 수 있다. 상기한 바와 같이 PTC 소자의 동작 시간을, 제1 온도 퓨즈의 엘리먼트의 절연 시간보다도 길게 함으로써, 상기와 같은 문제를 회피할 수 있어, 안전하게 전류를 차단할 수 있다.

본 발명의 PTC 디바이스에 사용되는 제2 온도 퓨즈는, 특별히 한정되지 않고 시판하고 있는 온도 퓨즈 외에, 일반적으로 온도 퓨즈로서 사용되는 것을 사용할 수 있다. 제2 온도 퓨즈의 설치수는, 특별히 한정되지 않고 1개 또는 복수, 예를 들어 2개 또는 3개여도 된다. 제2 온도 퓨즈의 설치 장소는, PTC 소자의 열영향 하에 있고, 보호해야 할 전기 회로 또는 전기 장치 및 PTC 소자에 대하여 전기적으로 직렬로 접속되는 한 특별히 한정되지 않는다.

바람직한 형태에 있어서, 제2 온도 퓨즈는, PTC 소자의 트립 온도보다도 낮은 동작 온도를 갖는다. 제2 온도 퓨즈가 이러한 동작 온도를 가짐으로써, PTC 소자의 트립 후에 제2 온도 퓨즈를 확실하게 용단할 수 있어, 보다 확실하게 회로를 완전히 개방하는 것이 가능해진다.

상기 PTC 소자의 트립 온도란, PTC 소자가 트립(동작)하고, 고온, 고저항 상태로 된 상태, 구체적으로는 PTC 소자의 저항값이, 정상 시의 10³배 이상으로 되었을 때의 온도를 의미한다.

더욱 바람직한 형태에 있어서, 제2 온도 퓨즈는, PTC 소자의 트립 시간보다도 긴 이상 전류에서의 용단 시간을 갖는다. 제2 온도 퓨즈가 이러한 용단 시간을 가짐으로써, 제2 온도 퓨즈의 용단을, PTC 소자가 트립한 후, 즉 전류가 대폭으로 억제된 후에 할 수 있고, 제2 온도 퓨즈의 용단에 수반하는 아크의 발생을 억제할 수 있다.

PTC 소자의 트립 시간이란, 보호 소자가 동작하여 전류된 전류가 PTC 소자에 통전되고 나서, PTC 소자가 트립하고, 고온·고저항 상태로 될 때까지, 구체적으로는 PTC 소자의 저항값이, 정상 시의 10³배 이상으로 될 때까지의 시간을 의미한다.

제2 온도 퓨즈의 용단 시간이란, 보호 소자가 동작하여 전류된 전류가 제2 온도 퓨즈에 통전되고 나서, 이 전류가 계속하여 흘렀을 경우에, 제2 온도 퓨즈가 용단될 때까지의 시간을 의미한다.

더 바람직한 형태에 있어서, 제2 온도 퓨즈는, PTC 소자가 트립 상태에 있는 경우의 누설 전류에 있어서, 이상 전압 이상의 내전압성을 갖는다. PTC 소자는 트립 후에도, 누설 전류(미소 전류), 예를 들어 약 30mA의 전류를 흘릴 수 있다. 제2 온도 퓨즈가, 이러한 누설 전류에 있어서, 이상 전압(이상 시, 예를 들어 단락 시에 회로에 인가되는 전압) 이상의 내전압을 가짐으로써, 제2 온도 퓨즈의 용단에 수반하는 아크의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 당연히, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈는, 제1 온도 퓨즈보다도 후에 동작할 필요가 있으므로, 저항체의 열영향 하에는 위치하지 않는다.

이와 같이, 본 발명의 보호 디바이스는, 보호 소자의 제1 온도 퓨즈가 동작할 때, 제1 온도 퓨즈에 흐르고 있었던 전류의 일부를 PTC 소자측의 회로로 분류할 수 있어, 동작 시의 아크의 발생을 억제할 수 있으므로, 보호 소자의 정격 전압을 초과하는 전압 및/또는 정격 전류를 초과하는 전류가 흐르는 전기 회로 또는 전기 장치에 사용해도, 안전하게 전류를 차단할 수 있다.

본 발명의 PTC 디바이스에 사용되는 전류 퓨즈는, 특별히 한정되지 않고 시판하고 있는 전류 퓨즈를 사용할 수 있다. 당업자라면 원하는 특성에 따라, 사용하는 전류 퓨즈를 적절히 선택할 수 있다.

도 1에 있어서 전류 퓨즈는 1개지만, 2개 이상의 전류 퓨즈를 사용해도 된다. 2개 이상의 전류 퓨즈를 사용하는 경우, 이들은, 서로 전기적으로 직렬로 접속되어 있어도 되고, 병렬로 접속되어 있어도 된다. 전류 퓨즈 전체의 정격 전류를 크게 하는 관점에서는, 2개 이상의 전류 퓨즈는 병렬로 사용하는 것이 바람직하다.

전류 퓨즈의 설치 장소는, 주회로(즉, 정상 시에 전원으로부터 전기 장치에 전기를 공급하는 회로, 도 1에 있어서는, 단자(12)로부터 제1 온도 퓨즈(8)를 통하여 단자(14)에 도달하는 회로) 상에 설치되는 한, 한정되지 않는다.

전류 퓨즈는, 도 1에 도시한 바와 같이, PTC 소자(4) 및 제2 온도 퓨즈(6)에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되어 있어도 되고, 도 2에 도시한 바와 같이, PTC 소자(4) 및 제2 온도 퓨즈(6)에 대하여 전기적으로 직렬로 접속되어 있어도 된다.

바람직하게는, 전류 퓨즈는, 도 1에 도시되는 바와 같이, PTC 소자(4) 및 제2 온도 퓨즈(6)에 대하여 전기적으로 병렬로 접속된다. 이렇게 PTC 소자와 병렬로 배치함으로써, 전류 퓨즈가 용단될 때, 거기를 흐르고 있었던 전류가 PTC 소자측의 회로로 전류하므로, 아크의 발생을 억제할 수 있어, 내전압이 향상된다.

바람직한 형태에 있어서, 상기 전류 퓨즈는, 상기 보호 소자의 정격 전류의 130％ 이상, 바람직하게는 145％ 이상, 보다 바람직하게는 160％ 이상의 정격 전류를 갖는다. 이러한 범위의 정격 전류로 함으로써, 인가 전류의 변동을 보다 허용하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 보호 소자의 정격 전류의 200％ 이하, 바람직하게는 180％ 이하의 정격 전류를 갖는다. 이러한 범위의 정격 전류로 함으로써, 보다 과전류에 대한 감도를 높일 수 있다. 또한, 2개 이상의 전류 퓨즈를 사용하는 경우, 이 정격 전류는, 각 전류 퓨즈의 정격 전류의 합성값을 의미한다.

바람직한 형태에 있어서, 상기 전류 퓨즈는, 상기 보호 소자의 정격 전압의 200％ 이상, 바람직하게는 250％ 이상의 정격 전압을 갖는다. 이러한 범위의 정격 전압으로 함으로써, 이상 시에 허용할 수 있는 전류가 커진다.

바람직한 형태에 있어서, 상기 전류 퓨즈는, 상기 보호 소자보다도 20％ 이하, 바람직하게는 15％ 이하, 보다 바람직하게는 10％ 이하의 높은 정격 전압을 갖는다.

더욱 바람직한 형태에 있어서, 상기 보호 소자(2), PTC 소자(4), 제2 온도 퓨즈(6) 및 전류 퓨즈(7)는 단자(12, 14 및 16)만이 케이스로부터 돌출되도록 동일한 케이스 내에 수용해도 된다. 이렇게 하나의 케이스 내에 수용함으로써, 보호 디바이스를 전기 장치 또는 전기 회로에 편입시키는 것이 용이해진다.

본 발명의 보호 디바이스는, 과전압, 이상 발열, 과충전 등의 이상 시에 보호 소자의 저항체에 통전함으로써 회로를 오픈으로 하는 기능 외에, 주회로에 과전류가 흘렀을 경우에 전류 퓨즈가 용단됨으로써 회로를 오픈으로 하는 기능을 갖는 점에서, 여러가지 이상에 대하여 적절한 보호를 부여할 수 있다.

이상, 본 발명의 보호 디바이스에 대하여 설명했지만, 본 발명은 여러가지 개변이 가능하다.

도 3에, 본 발명의 보호 디바이스의 다른 형태의 회로도를 도시한다.

이 형태에 있어서, 본 발명의 보호 디바이스는, 추가로 PTC 소자(4')를 하나 더 포함한다. 즉, 이 형태에 있어서의 본 발명의 보호 디바이스는 2개의 PTC 소자를 포함한다. 이 PTC 소자는, 서로 전기적으로 병렬로 접속되고, 또한, 제2 온도 퓨즈에 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 기타의 구성은, 도 1에 도시한 형태와 실질적으로 동일하다.

도 3에 있어서는, 2개의 PTC 소자를 사용하고 있지만, 그 이상의 PTC 소자를 사용할 수도 있다. 이 PTC 소자는, 서로 전기적으로 병렬로 접속되고, 또한, 제2 온도 퓨즈에 전기적으로 직렬로 접속된다.

이와 같이 복수의 PTC 소자를 사용하는 경우, 상기 「PTC 소자의 저항값」은, 이 복수의 PTC 소자의 합성 저항값이 된다. 따라서, 이렇게 복수의 PTC 소자를 병렬로 사용함으로써, 「PTC 소자의 저항값」을 보다 작게 하는 것이 가능해져서, PTC 소자의 저항값을, 보호 소자의 정격 전압/이상 전류 이하로 하는 것이 용이해진다.

이 형태에 있어서도, 전류 퓨즈의 설치 장소는, 주회로 상에 설치되는 한, 한정되지 않는다. 즉, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 배치해도 되고, 전기적으로 병렬로 설치해도 된다.

도 4에, 본 발명의 보호 디바이스의 또 다른 형태의 회로도를 도시한다.

이 형태에 있어서, 본 발명의 보호 디바이스는, 추가로 제1 온도 퓨즈(8')를 하나 더 포함한다.

이 형태에 있어서도, 전류 퓨즈의 설치 장소는, 주회로 상에 설치되는 한, 한정되지 않는다. 즉, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 배치해도, 병렬로 설치해도 된다. 또한, 제1 온도 퓨즈(8 및 8') 사이에 설정해도 된다.

도 5에, 본 발명의 보호 디바이스의 또 다른 형태의 회로도를 도시한다.

도 1에 도시한 형태에서는, 저항체는, 제1 온도 퓨즈와 동일한 회로에 편입시켜져 있지만, 도 5에서는, 저항체를 다른 독립한 회로에 편입시키고 있는 점에서 상이하다. 따라서, 이 형태에서는, 본 발명의 보호 디바이스는, 4개의 단자, 즉, 단자(12), 단자(14), 단자(20) 및 단자(22)를 갖는다. 기타의 구성은, 도 1에 도시한 형태와 실질적으로 동일하다.

제2 요지에 있어서, 본 발명은 상기 본 발명의 보호 디바이스를 갖고 이루어지는 전기 장치도 제공한다.

1: 보호 디바이스
2: 보호 소자
4: PTC 소자
4': PTC 소자
6: 제2 온도 퓨즈
7: 전류 퓨즈
8: 제1 온도 퓨즈
8': 제1 온도 퓨즈
10: 저항체
12: 단자
14: 단자
16: 단자
20: 단자
22: 단자

Claims

(i) 제1 온도 퓨즈와 저항체를 포함하여 이루어지고, 이상 시에 저항체에 통전함으로써 저항체가 발열되고, 이 열에 의해 제1 온도 퓨즈가 동작하여, 전류를 차단하는 보호 소자와,
(ii) 상기 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되고, 또한, 서로 전기적으로 직렬로 접속된, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈와,
(iii) 상기 제1 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 접속된 전류 퓨즈
를 포함하여 이루어지는 보호 디바이스.
제1항에 있어서, 전류 퓨즈가, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항에 있어서, 전류 퓨즈가, PTC 소자 및 제2 온도 퓨즈에 대하여 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 소자가 퓨징 레지스터인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제4항에 있어서, 퓨징 레지스터가, 한 쌍의 리드 고정 전극을 갖고, 이들 리드 고정 전극에 가이드축이 병설되고, 가동 전극이 가이드축에 삽입 관통된 상태에서 상기 리드 고정 전극 간에 걸쳐서 배치되고, 각 리드 고정 전극의 선단과 가동 전극 사이 및 상기 가이드축과 가동 전극 사이가 저융점 합금으로 접합되고, 상기 가동 전극에 상기 리드 고정 전극으로부터 이격시키는 방향의 힘을 작용시키는 압축 스프링이 설치되고, 상기 저융점 합금의 용융으로 가동 전극이 압축 스프링으로 가압되어서 상기 리드 고정 전극으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제5항에 있어서, 퓨징 레지스터에 있어서, 저항체의 양단에 리드 도체가 설치되어서 이루어지는 저항기의 한쪽 리드 도체가 가이드축으로서 사용되고, 압축 스프링에 코일 스프링이 사용되고, 당해 코일 스프링이 저항체와 가동 전극 사이에 있어서 상기 한쪽 리드 도체에 삽입 관통되고, 저항기의 한쪽 리드 도체와 양쪽 리드 고정 전극 중 어느 하나와의 사이에 저항기 통전 발열 회로가 접속되는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 소자에 있어서, 제1 온도 퓨즈와 저항체가, 각각 별도의 독립한 회로에 편입시켜져 있는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, PTC 소자가 폴리머 PTC 소자인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 사용 온도에서의 PTC 소자의 저항값이, 보호 소자의 정격 전압/이상 전류 이하인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제8항에 있어서, 폴리머 PTC 소자의 폴리머 재료의 연화점보다 10℃ 낮은 온도에서의 PTC 소자의 저항값이, 보호 소자의 정격 전압/이상 전류 이하인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, PTC 소자의 동작 시간이, 제1 온도 퓨즈의 퓨즈 엘리먼트의 절연 시간보다도 긴 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, PTC 소자의 동작 시간이, 3밀리초 이상인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PTC 소자에 전기적으로 병렬로 접속되고, 또한, 제2 온도 퓨즈에 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 1개 또는 그 이상의 다른 PTC 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 온도 퓨즈의 동작 온도가, PTC 소자의 트립 온도보다도 낮은 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 이상 전류에서의 제2 온도 퓨즈의 용단 시간이, PTC 소자의 트립 시간보다도 긴 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 온도 퓨즈가, PTC 소자가 트립 상태에 있는 경우의 누설 전류에 있어서, 이상 전압 이상의 내전압성을 갖는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 퓨즈의 정격 전압이, 보호 소자의 정격 전압의 200％ 이상인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 퓨즈의 정격 전류가, 보호 소자의 정격 전류의 130％ 이상인 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 소자, PTC 소자, 제2 온도 퓨즈 및 전류 퓨즈가, 케이스에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는, 보호 디바이스.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 기재된 보호 디바이스를 갖는 전기 장치.