JP4283624B2 - 短絡保護用のヒューズ並びにこのヒューズを用いた床暖房装置 - Google Patents

Description

この発明は、とくに床暖房装置の面状発熱体の発熱回路に用いて好適な短絡保護用のヒューズ並びにこのヒューズを用いた床暖房装置に関する。

近年、室内を暖房する暖房装置として、人体にやさしく、大気を汚染しないことから、電気を用いて発熱させる複数枚のプレート状ヒーターから成る面状発熱体を用いた床暖房装置が注目されている。しかし、この床暖房装置は、床下地材と床材の間に複数枚のプレート状ヒーターを設置して面状発熱体とするものであるが、とくに既存の建物の床に面状発熱体を設置しようとすると、床下地材と床材の間にプレート状ヒーターを挟んだり、配線用の溝を刻設したりする必要のあることから、施工に多大な費用が掛かるため、普及の障害となっていた。

特開平１１−３３７０９３号公開特許公報

そこで、カーペットのように床材の上に敷設して電源に接続すれば、そのまま床暖房ができるようにした、シート状で可撓性を備えた構成の床暖房装置がこの発明者によって開発された。このシート状の床暖房装置は、面状発熱体を薄くて可撓性のある複数枚のシート状ヒーターで構成し、このシート状ヒーターを複数枚可撓性を有する床安定シートの上に敷設して面状発熱体と成し、その上に同じく可撓性を有するフロアシートを重ねて全体を接着し、厚さ５ｍｍ程度の一枚の可撓性を有するシート状に構成するものである。

そうすると、床暖房装置全体が薄く可撓性を有することとなったことから、短絡等の事故が起こる虞が多くなることから、短絡時に面状発熱体が発火するのを防止して安全性の向上を図るために、ヒューズが必要となった。そこで、このヒューズ自体も薄板状にして、かつ、短絡に伴う溶断時に溶断部に発生する火花や高温の溶解部によって面状発熱体やこの面状発熱体をサンドイッチするシート状の床材やフロアー材が発火しないように工夫することが必要となった。

この発明の目的は、薄型で踏まれても切断されたり壊れたりしてしまうことない上に、溶断部が溶断した際に火花が飛散したり、発火させたりすることのない、とくに床暖房装置のシート状ヒーターの短絡保護用のヒューズを提供せんとするにある。

この発明のもう一つの目的は、かかるシート状ヒーターの短絡保護用のヒューズを用いた床暖房装置を提供せんとするにある。

上述した目的を達成するためにこの発明は、床安定シートの上に、短絡すると発火し易い性質を有する複数のシート状ヒーターからなる面状発熱体を敷設し、この面状発熱体の上にさらにフロアシートを重ねて取り付け、全体を一体化させることによって構成した床暖房装置における前記シート状ヒーターの短絡保護用のヒューズであって、両端部に設けた端子部とこれらの各端子部に続いて設けられた当該各端子部よりも幅の狭い連結部とこれらの連結部の間に設けられた当該連結部よりも幅の狭い溶断部とを有する全体として薄板状のヒューズ本体と、このヒューズ本体をその上下方向から覆って接着された耐熱フィルムとから成り、前記各端子部に鳩目取付用の透孔を設け、前記各連結部の長さを前記各端子部の長さよりも短く構成し、少なくとも３分の１程度に構成し、前記溶断部はその中央部長手方向に長孔を設けると共に、前記耐熱フィルムは前記溶断部と前記各連結部の全部、及び前記各端子部の一部を覆って設けられていることを特徴とする。

その際にこの発明は、前記溶断部の幅を、前記ヒューズ本体の構成材料を鉛、錫、銅の合金とし、材厚を０．０８ｍｍ、全体の長さを６０ｍｍ、各端子部の幅を１０ｍｍとした時に、２．３５ｍｍから２．９５ｍｍとすることが好ましい。

この発明はまた、前記耐熱フィルムを、雲母を原料とするものであり、片面に接着剤を塗布してあることを特徴とする。

この発明はまた、前記短絡保護用のヒューズを、前記床暖房装置の各シート状ヒーターへ電力を供給する平線と、前記各シート状ヒーターの内部に設置した銅線との間に取り付けたことを特徴とする。

以上のように構成したこの発明に係るヒューズは、全体として薄く、かつ溶断部の溶断時に生ずる火花や溶解物が耐熱フィルムによって外部へ飛散したり、外接物へ付着したりするのを防止できるので、これを床暖房装置の面状発熱体のシート状ヒーターの発熱回路に用いると、上下方向に凹凸がほとんど生ずることがなく上下に設けた床材でその厚さを吸収できる上に、短絡が生ずると極めて短時間の間に溶断部が切断して面状発熱体が発火することを防止すると共に、溶断部の溶断時に生ずる火花や溶解物が溶断部を覆った耐熱フィルムによって外部へ飛火したり、上下に設けた床材等の外接物へ付着したりすることも防止できるので、面状発熱体の上面と下面に重ね合わせた外接物である床安定シートやフロアシートが燃えることを確実に防止して安全性を高めることができる上に、シート状を呈した床暖房装置を可能とするので、単に既存の床の上に敷設して電源に接続するだけで良いことから、設置費用が安価で済むという効果を奏し得る。

以下にこの発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１乃至図３において、指示記号１で示したものが薄板状を呈したヒューズ本体である。このヒューズ本体１は、両端部に設けた幅広の端子部１ａ，１ａに鳩目取付用の透孔１ｂ，１ｂを設け、各端子部１ａ，１ａに続いて当該端子部１ａ，１ａより幅狭の連結部１ｃ，１ｃを設け、この連結部１ｃ，１ｃ間に長手方向に伸びる長孔２ａを有する連結部１ｃ，１ｃよりさらに幅狭の溶断部２を一体的に設けたもので、さらに各端子部１ａ，１ａの一部と連結部１ｃ，１ｃ及び溶断部２を例えば雲母フィルム（商品名：マイカ粘着テープ）から成る耐熱フィルム３を貼着被覆することによって、この発明に係る短絡保護用のヒューズ（以下単にヒューズという）４を構成してある。

このヒューズ本体１の材料は、鉛、錫、銅の合金を用いているが、このものに限定されず、必要に応じて燐青銅、その他の銅合金、鉛、錫、アルミニウム等を単体で或は適宜組み合わせて合金として用いることができる。耐熱フィルム３は、雲母フィルム（商品名：マイカ粘着テープ）が好適であるが、これ以外に耐熱温度５００℃以上のフィルムやテープ等を用いることができる。

尚、耐熱フィルム３でヒューズ４の溶断部２を覆う方法としては、図１乃至図３に示したように、耐熱フィルム３を短冊状に切って溶断部２の上下方向から貼着するようにしても良いし、図４に示したように、耐熱フィルム５を中央部より折り畳んで溶断部２を上下方向から覆うようにしても良い。

また、図５に示したように、耐熱フィルム６を溶断部２に巻きつけるようにしても良い。

ヒューズ本体１の材料は、上述したように鉛、錫、銅の合金で、その材厚は、０．０８ｍｍ程度の極めて薄いものを使用し、全体の長さを６０ｍｍ、両端部の端子部の幅を１０ｍｍ、その長さを１２．５ｍｍ、耐熱フィルムの厚さを０．１５ｍｍ、その幅を１２ｍｍ、溶断部の幅を２．３５ｍｍ、その長さを２０ｍｍ、長孔の幅を１．５ｍｍ、その長さを１４ｍｍとし、さらに端子部１ａ，１ａから溶断部２に至る連結部１ｃ，１ｃの幅を５ｍｍ、その長さを３．５ｍｍとしたものであり、両端子部１ａ，１ａの長さよりも連結部１ｃ，１ｃの長さが短く、適度な強度を持ち、単に上から踏む等の圧力が加えられただけでは折れたり、切断されてしまうことはない。

図６と図７は、上述したこの発明に係るヒューズ４を床暖房装置の面状発熱体を構成するシート状ヒーターに装着してヒューズ特性の確認試験を行った際の接続例を示すもので、図６のものが商用周波数２Ｐ−１００Ｖ電源を用いた例であり、図７に示したものが、商用周波数２Ｐ−２００Ｖ電源を用いた例である。

ヒューズ特性の確認試験に用いた試料としてのシート状ヒーターは、全てＰＴＣ導電性塗料を含浸させた上で、乾燥、加熱加工して作成した綿布生地を基材としたものである。このうち表１の左側の試料Ｎｏ．１のものは、幅１１７ｍｍ、長さ２６５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのもので、長手方向両端部に１０４ｍｍの幅を空けて０．２ｍｍ程度の銅線を１４本ずつ織り込んだ電極を平行に配置し、さらに基材の両面をポリエステルフィルムでラミネートしたものを用いた。

試料Ｎｏ．２のものは、幅１１７ｍｍ、長さ２６５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのもので、長手方向両端部に１０４ｍｍの幅を空けて０．２ｍｍ程度の銅線を１４本ずつ織り込んだ電極を平行に配置し、さらに基材の両面をポリエステルフィルムでラミネートしたものを用いた。

表１の右側の資料Ｎｏ．１のものは、幅２３５ｍｍ、長さ２６５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのもので、長手方向両端部に２１５ｍｍの幅を空けて０．２ｍｍ程度の銅線を１４本ずつ織り込んだ電極を平行に配置し、さらに基材の両面をポリエステルフィルムでラミネートしたものを用いた。

表１の右側の資料Ｎｏ．２のものは、幅２３５ｍｍ、長さ２６５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのもので、長手方向両端部に２１５ｍｍの幅を空けて０．２ｍｍ程度の銅線を１４本ずつ織り込んだ電極を平行に配置し、さらに基材の両面をポリエステルフィルムでラミネートしたものを用いた。

次に、表３、表５、表６の各試料１〜４は、幅１１７ｍｍ、長さ２６５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのもので、長手方向両端部に１０４ｍｍの幅を空けて０．２ｍｍ程度の銅線を１４本ずつ織り込んだ電極を平行に配置し、さらに基材の両面をポリエステルフィルムでラミネートしたものを用いた。

表４の各試料１〜４のものは、幅２３５ｍｍ、長さ２６５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのもので、長手方向両端部に２１５ｍｍの幅を空けて０．２ｍｍ程度の銅線を１４本ずつ織り込んだ電極を平行に配置し、さらに基材の両面をポリエステルフィルムでラミネートしたものを用いた。

各試料は全てＰＴＣ導電特性を有し、このＰＴＣ導電特性を有するものは、大電流の通過時に電気抵抗が増して電流ひいては発熱量が減少する自己温度制御特性を示すことから、床暖房装置の面状発熱体を構成するシート状ヒーターとして最も好ましい発熱シートである。かかるシート状ヒーターを用いることにより、該シート状ヒーターの温度が短絡等の事故のない場合、実用上又は安全上の上限値を超える温度にまで上昇する危険はなくなり、ニクロム線を使ったシート状ヒーターと違って、複雑な加熱防止機構が不要となる利点を有することになる。

図６と図７にはいずれもシート状ヒーター７，８の中に組み込んだ銅線９，９を短絡用電線１０と１１で接続して短絡したものを示してあるが、この短絡用電線１０と１１はいずれも短絡時のヒューズ特性を調べるためのものであり、定常電流通電試験の時には取り外すものである。

このようにして、図６と図７のものからいずれも短落用電線１０と１１を取り外して、ナイフスイッチ１２とこの発明に係るヒューズ４，４との間に図示してない電流計を直列に接続し、ナイフスイッチ１２をＯＮにして定常電流通電試験を行った結果を表１に示す。

この表１から解かるように、シート状ヒーター７，８のワット数が同じに設定してあるため、電源電圧が１００Ｖでも２００Ｖでも発熱回路に通電される電流値に大きな変わりはなかった。

次に、図６に示した回路構成で、ヒューズ４，４を取り外してシート状ヒーター７を電源に直結し、かつ短絡用電線を取り付けて短絡試験を行ったところ、以下の表２のような結果となった。

この表２から、短絡開始より１．５秒経過程度で面状発熱体に既に発煙現象が見られることから、この時間以前に発熱回路を遮断する必要があることが解かる。

続いて、短絡用電線１０，１１を図６と図７に示したように、シート状ヒーター７と８の各銅線９，９間に短絡接続し、さらに溶断部２の幅を２．３５ｍｍとしたヒューズ４，４を図示のようにナイフスイッチ１２，１２と銅線９，９の間に直列に接続し、さらに各ナイフスイッチ１２とヒューズ４，４との間に、オシロスコープにつないだ図示してないシャントを直列に挿入して、各ナイフスイッチ１２をＯＮした時に、各ヒューズ４，４がどのような挙動を示すかを試験した。そして、ヒューズ４，４の溶断後の絶縁抵抗は、試験後直ちにヒューズ４，４を発熱回路から取り外し、ＤＣ５００Ｖメガーを用いて該ヒューズ４の両端子部１ａ，１ａ間で測定した。

以上の試験結果を表３と表４に示す。

定常電流使用時においては、上述した表２に示したように、電源電圧が１００Ｖでも２００Ｖであってもシート状ヒーター７，８の各ワット数がほぼ同じに設定されているため、発熱回路に通電される電流値は表１に示したようにあまり変わりがなかった。しかし、短絡時においては短絡箇所が銅線部分であり、個々の銅線９の抵抗値が全く同じであるため、電源電圧が１００Ｖの場合より２００Ｖの方が電圧の高い分だけ回路電流は大きな値を示した。これはオームの法則・Ｅ＝ＩＲによって計算した場合、２００Ｖ発熱回路においてはＲ＝Ｅ／１：２００／２４６ ＝０．８１３（Ω）となる。これを１００Ｖ発熱回路に適合させるとＩ＝Ｅ／Ｒ：１００／０．８１３＝１２３（Ａ）となり、実測値にほぼ等しい値となる。

上記の事柄を考え合わせ、回路電流値が小さい１００Ｖの方が遮断時間が長くなるため、ヒューズ４の溶断部２の寸法の幅を狭小にしなければならないことが解かる。発熱回路の短絡時には、１００Ｖよりも２００Ｖの方が電圧の高い分、ヒューズ４との溶断部２の溶断後のアーク発生量は多くなるが、回路電流が大きいため、瞬時にアークを消滅させて発熱回路を遮断できる。

シート状ヒーター７，８の各銅線９間で短絡事故が発生した場合、上述したように極めて短時間にヒューズ４の溶断部２が溶断してシート状ヒーター（ＰＥＴ樹脂）７，８の発火を防止しなければならないことから、短絡電流値の小さい１００Ｖ発熱回路に照準を合わせ、量産品（量産金型）における溶断部の溶断部の最適寸法を確定するため、該溶断部の寸法を変えた上で、以下の短絡試験は図６に示したシート状ヒーター７を用いて各ヒーター４の溶断部２の幅寸法を変え、電源電圧を１００Ｖに定めて行った。

以上の短絡試験結果から、ヒューズ４の溶断部２の幅寸法は、最大の２．９５ｍｍであっても、溶断時間が試料Ｎｏ．１〜４に伴って１７８．２ｍｓから１９５．０ｍｓであることから、いずれも１秒以内であり、それはシート状ヒーター４の発煙時間１．５秒よりも短いので問題が生じないことが解かった。しかし、安全性及び強度等を加味して、溶断部の幅寸法を２．３５ｍｍとするのを最適とする。溶断部の幅寸法を２．３５ｍｍよりも狭くすると、ちょっとした電圧の変化で溶断してしまったり、切れてしまったり、安全性と強度の点で問題が生じた。尚、いずれの場合にも溶断部には、図１乃至図５に示したような長孔を設けたものを使用した。この長孔があると、強度と溶断性のバランスを取りやすいという利点がある。

図８乃至図９はこの発明に係るヒューズを、シート状ヒーターを面状発熱体として使用した床暖房装置に実施した場合を示す。図面によれば、この床暖房装置１５は、図８に示したように、床安定シート１６と、複数枚のシート状ヒーター１７，１７に電力を送る平型配線から成る面状発熱体１８と、フロアーシート１９の合計３枚のシートを重ね合わせて互いを接着することにより、可撓性を有するシート状に形成されている。なお、図示してないが、面状発熱体は、両面をポリプロピレンフィルム等でラミネートして絶縁処理をしてあり、ヒューズ４の部分もフィルムその他の手段によって絶縁処理をしてある。

このうち床安定シート１６は、鉄粉と粉状のアスファルトとを均一に捏練して加熱した後、圧延ロールで圧延することによりシート状に形成したものであり、鉄粉を少なくとも３０％前後含んでおり、約１．５ｍｍ厚で３坪の大きさにすると、約６０ｋｇの重さとなって、床上にしわがよったり、めくれ上がることなく安定した状態で敷設展延される。

各シート状ヒーター１７は、上述した試料１のものを使用したが、試料１以外のものを使用することが可能である。例えば布帛としては、ポリエステル系繊維の他に、綿、ポリアミド系繊維、アクリル系繊維、ビニロン系繊維等、又はこれらのうち少なくとも１種を含む紡績糸、又は混繊糸等よりなる繊維糸条を経糸及び／又は緯糸に配し、その経糸及び又は緯糸の一部に銅線又はこれに代わる良導電性線条物を所定間隔で配置した繊維織物が挙げられる。加熱方法としては、例えば、遠赤外線照射、マイクロウエーブ照射、誘電加熱等が利用できるが、これらに限定されるものではなく、適切な温度管理が可能なものであればよく、また、導電性塗料の溶媒の発散速度に塗膜の表面と内部とで差ができない方法が好ましい。

この際使用されるＰＴＣ導電性塗料としては、米国特許第５，５５６，５７６号明細書に記載されているものが典型的に用いられる。すなわち、次の順序の工程により製造される導電性塗料である。（１）加熱された攪拌容器に芳香族の溶剤を入れ、４０〜６０℃の温度まで加熱する。（２）熱可塑性樹脂、未硬化の熱硬化性樹脂及びエラストマーより選ばれた基板形成物質を，後の工程における導電性物質の２５〜４０重量％加える。（３）添加される導電性粉体の２５〜４０重量％のパラフィンを添加し、すべての固形分が溶解するまで、攪拌を続ける。（４）黒鉛、カーボンブラック、金属粉等から選択された導電性微細粉体を加え、滑らかなペーストが形成されるまで攪拌する。（５）そのペーストを、導電性微細粉体の実質的に均一な分散体となるまで混練する。このようにして得たＰＴＣ導電性塗料は、布帛や繊維に塗布したり、浸漬させたりして用いることになる。

次に、フロアシート１９としては、市販されている例えば南海アートフロアー２１のような床暖房対応品を使用し、厚さ３ｍｍ程度が望ましいが、この厚さのものに限定されない。６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍというように現場に応じて選択できる。

そして、図９に示したように、床暖房装置１５の各シート状ヒーター１７から成る面状発熱体１８へ電流を流すラミネート加工した平線２０，２０と、各シート状ヒーター１７の銅線２１，２１との間に、鳩目加工によって、この発明に係るヒューズ４，４が接続されている。

このように構成すると、ヒューズ４自体が薄いために全体としてシート状の床暖房装置１５に凹凸ができるのを防止できた上で、足で踏んでもそれによって破壊されてしまう心配がない上に、シート状ヒーター１７に何らかの原因によって短絡電流が流れた時に、ヒューズ４の溶断部が溶断することによって、電流が遮断されるので、シート状ヒーター１７が発火するのを未然に防止することができるものである。また、ヒューズ４自体が溶断しても、その際の火花や高温の溶解物が耐熱フィルム３によって外部へ飛び散ることを防止し、床安定シート１６やフロアーシート１９及びシート状ヒーター１７がその火花や溶解物によって焼けたり、発火するのを防止することができるものである。

勿論、この発明に係るヒューズは、シート状の床暖房装置に用いる面状発熱体以外の面状発熱体及びそれ以外のものに用いることができる上に、床暖房装置以外の電子回路・モーター等にも用いることができる。

以上詳細に説明したように、この発明に係るヒューズは薄く、短絡時において瞬時に回路を遮断できた上で、溶断部の溶断時に火花が飛散したり、高温の溶解物が外接物に付着することがないので、とくにシート状の床暖房装置の面状発熱体を構成するシート状ヒーターの短絡保護用にヒューズとして最適である。

また、この発明にかかるヒューズを用いた床暖房装置は、該床暖房装置をシート状ヒーターを面状発熱体として用いた、可撓性を有するしシート状のものとすることができ、安価であることから、とくに一般家庭用の床暖房装置として利用価値の高いものとなる。

この発明に係る短絡保護用ヒューズの斜視図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズの一部欠載の平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズの他の実施の形態を示す一部欠載の斜視図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズのさらに他の実施の形態を示す一部欠載の斜視図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズの短絡遮断試験を行った際の回路構成図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズの短絡遮断試験を行った際の他の回路構成図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズを使用した床暖房装置の説明図である。 この発明に係る短絡保護用ヒューズを使用したシート状ヒーターの接続例を説明する説明図である。

１ ヒューズ本体
１ａ 端子部
１ｂ 透孔
１ｃ 連結部
２ 溶断部
２ａ 長孔
３，５，６ 耐熱フィルム
７，８ シート状ヒーター
９ 銅線
１０，１１ 短絡用電線
１２ ナイフスイッチ
１５ 床暖房装置
１６ 床安定シート
１７ シート状ヒーター
１８ 面状発熱体
１９ フロアーシート
２０ 平線
２１ 銅線

Claims (4)

1. 床安定シートの上に、短絡すると発火し易い性質を有する複数のシート状ヒーターからなる面状発熱体を敷設し、この面状発熱体の上にさらにフロアシートを重ねて取り付け、全体を一体化させることによって構成した床暖房装置における前記シート状ヒーターの短絡保護用のヒューズであって、両端部に設けた端子部とこれらの各端子部に続いて設けられた当該各端子部よりも幅の狭い連結部とこれらの連結部の間に設けられた当該連結部よりも幅の狭い溶断部とを有する全体として薄板状のヒューズ本体と、このヒューズ本体をその上下方向から覆って接着された耐熱フィルムとから成り、前記各端子部に鳩目取付用の透孔を設け、前記各連結部の長さを前記各端子部の長さよりも短く構成し、少なくとも３分の１程度に構成し、前記溶断部はその中央部長手方向に長孔を設けると共に、前記耐熱フィルムは前記溶断部と前記各連結部の全部、及び前記各端子部の一部を覆って設けられていることを特徴とする、短絡保護用のヒューズ。
2. 前記溶断部は、前記ヒューズ本体の構成材料を鉛、錫、銅の合金とし、材厚を０．０８ｍｍ、全体の長さを６０ｍｍ、各端子部の幅を１０ｍｍとした時に、その幅を２．３５ｍｍから２．９５ｍｍとしたことを特徴とする、請求項１に記載の短絡保護用のヒューズ。
3. 前記耐熱フィルムは、雲母を原料とするものであり、片面に接着剤を塗布してあることを特徴とする、請求項１乃至２のいずれか１項に記載の短絡保護用のヒューズ。
4. 前記床暖房装置の各シート状ヒーターへ電力を供給する平線と、前記各シート状ヒーターの内部に設置した銅線との間に、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の短絡保護用のヒューズを取り付けたことを特徴とする、床暖房装置。

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