KR20130105730A

KR20130105730A - 회로 보호 디바이스

Info

Publication number: KR20130105730A
Application number: KR1020137020887A
Authority: KR
Inventors: 가쯔아끼 스즈끼
Original assignee: 타이코 일렉트로닉스 레이켐 케이. 케이.
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2013-09-25
Also published as: JPWO2008114650A1; KR20120050532A; KR20090132599A; CA2680861A1; US20100208406A1; JP2014100057A; CN101647168A; TWI443921B; CN101647168B; EP2133973B1; TW200845528A; JP5752354B2; US20120120538A1; EP2133973A1; KR101509369B1; EP2133973A4; WO2008114650A1

Abstract

회로를 보호할 수 있는 가능성을 한층 향상시킨 회로 보호 디바이스를 제공한다. 바이메탈 스위치(4) 및 PTC 소자(2)를 포함하는 회로 보호 디바이스(1)에서, 바이메탈 스위치와 PTC 소자는, 전기적으로 병렬로 접속되고, PTC 소자는 회로 보호 디바이스를 내장할 전기 회로의 정격 전압 및 정격 전류에 기초하여 식 : 정격 전압/정격 전류=고유 저항값(1)에 의해 산출되는 회로의 고유 저항값의 1.1배 이하의 동작 후 저항값을 갖는다.

Description

회로 보호 디바이스{CIRCUIT PROTECTION DEVICE}

본 발명은, 회로 보호 디바이스(또는 회로 보호 소자)에 관한 것이다. 상세하게는 바이메탈 스위치 및 PTC 소자를 포함하는 회로 보호 디바이스와 그와 같은 회로 보호 디바이스를 갖는 전기 회로(또는 전기 장치)에 관한 것이다. 그와 같은 회로 보호 디바이스는, 예를 들면 전기 자동차, 무선 진공 청소기, 전동 공구, 무선 기지국 등에서 이용되는 여러 가지의 고전압 혹은 고전류의 배터리를 사용하는 전기 회로에서 보호 소자로서 사용할 수 있다.

여러 가지의 전기 회로에서, 정격 전압보다 높은 전압이 회로에 인가되는 경우 및 정격 전류보다 높은 전류가 회로를 통과하여 흐르는 경우 중 적어도 하나의 경우, 회로에 내장된 전기ㆍ전자 장치 및 전기ㆍ전자 부품 중 적어도 하나를 보호하기 위해 회로 보호 디바이스가 회로에 내장되어 있다.

그와 같은 회로 보호 디바이스로서, 바이메탈 스위치와 PTC 소자를 병렬로 접속하여 이용하는 것이 제안되어 있다(하기 특허 문헌 참조). 그와 같은 회로 보호 디바이스에서는, 통상의 운전 조건에서는, 즉 정격 전압 이하의 전압 및 정격 전류 이하의 전류의 조건 하에서는, 회로를 통과하여 흐르는 전류는, 실질적으로 모두가 바이메탈 스위치의 접촉 상태에 있는 접점 간을 통과하여 흐르고, 예를 들어 과전류 조건으로 되었을 때에는, 바이메탈 스위치의 바이메탈 부분이 고온으로 되어 그 접점이 이격하여 열리고, 전류가 PTC 소자로 분류(divert)한다. 그 결과, PTC 소자는 과전류에 의해 고온ㆍ고저항 상태로 트립하여 PTC 소자를 통과하여 흐르는 전류를 실질적으로 차단한다. 이 때, PTC 소자의 고온이 바이메탈 부분을 고온으로 유지하고, 그에 의해 바이메탈 스위치가 열려진 상태를 유지한다. 즉, 바이메탈 스위치의 래치 상태를 유지한다. 이와 같은 회로 보호 디바이스에서는, 전류를 절환(switch)할 필요가 없으므로, 바이메탈 스위치의 접점에서 아크가 생기지 않는다고 하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공표 평11-512598호 공보

발명자는, 전술한 회로 보호 디바이스에 대해서 검토를 거듭한 결과, 단지 PTC 소자를 바이메탈 스위치에 대해 병렬로 접속한 회로 보호 디바이스에서는, 바이메탈 스위치의 접점에서 아크가 발생하여, 최악의 경우에서는, 접점이 용착되는 것을 발견하였다. 이와 같은 용착이 발생하면, 이 디바이스는 회로 보호 디바이스로서 기능하지 않아, 회로에 내장된 전기ㆍ전자 장치 및 전기ㆍ전자 부품 중 적어도 하나를 보호할 수 없다. 따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 회로를 보호할 수 있는 가능성을 한층 향상시킨, 전술한 회로 보호 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명은, 바이메탈 스위치 및 PTC 소자를 포함하는 회로 보호 디바이스로서,

바이메탈 스위치와 PTC 소자는, 전기적으로 병렬로 접속되고,

PTC 소자는, 회로 보호 디바이스를 내장할 전기 회로의 정격 전압 및 정격 전류에 기초하여 식 (1)

정격 전압/정격 전류=고유 저항값 … (1)

에 의해 산출되는 회로의 특정(또는, 고유) 저항값의 1.1배 이하의 동작 후 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스를 제공한다.

본 발명의 회로 보호 디바이스를 전기 회로에 내장하는 경우, 바이메탈 스위치의 접점에 용착부가 형성되는 것을 한층 억제할 수 있다. 그 결과, 회로 보호 디바이스에 의한 회로 보호 기능이 더 향상된다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 회로 보호 디바이스를 내장한 전기 회로도 제공한다.

도 1은 소정의 전기 장치(또는 부품) B 및 바이메탈 스위치 C가 내장되어 있는 소정의 전기 회로 A를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 회로 보호 디바이스를 내장한 전기 회로를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 회로 보호 디바이스의 보다 구체적인 형태의 예를 모식적 측면도로 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 회로 보호 디바이스의 보다 구체적인 형태의 예를 모식적 측면도로 나타내는 도면.
도 5는 실시예 1에서 측정한 전류 및 전압의 파형을 나타내는 도면.
도 6은 실시예 2에서 측정한 전류 및 전압의 파형을 나타내는 도면.
도 7은 실시예 3에서 측정한 전류 및 전압의 파형을 나타내는 도면.

바이메탈 스위치의 접점에서 용착이 생기는 것에 대해 검토한 결과, 다음과 같은 사고 방식이 가능하다는 결론에 이르렀다. 단, 전술 및 후술하는 본 발명은, 발명자가 실험적으로 확인한 사실에 기초하는 것이다. 따라서, 이 사고 방식은, 본 발명을 설명할 수 있는 사고 방식 중 1개이며, 이 사고 방식의 적부는, 본 발명의 개념을 부당하게 제한하는 것은 아니다.

바이메탈 스위치의 접점이 열리는 동작은, 매크로적으로는 순간적인 동작이다. 그러나, 마이크로적으로 보면 접점이 이격하는 미소 시간에서 접점이 서서히 이격하는 동작이라고 생각할 수 있다. 그 미소 시간의 최초에서는 접점 간에서 정격 전류가 흐르고, 그 미소 시간의 최후에서는 접점 간에서 전류가 차단되어 있다. 바꿔 말하면, 그 미소 시간의 최초에서는 접점 간의 저항값이 실질적으로 제로인 상태이며, 그 미소 시간의 최후에서는 접점 간의 저항값이 무한대로 증가하고 있다. 따라서, 이 미소 시간 내에서, 전류가 흘러, 저항값이 크게 증가되므로, 접점 간에서 전력이 소비되게 된다.

한편, 바이메탈 스위치의 접점이 용착되는 현상은, 과잉 전압 및 과잉 전류 중 적어도 하나가 작용하는 결과로서 접점의 온도가 상승함으로써 생긴다고 생각하는 것이 가능하다. 따라서, 접점 간에서 소비되는 에너지가 대량으로 되면, 용착이 생기는 위험이 증가하게 된다.

따라서, 발명자는, 에너지의 척도로서 전력이 있는 것을 감안하여, 접점 간에서의 용착의 발생의 유무는, 전술한 미소 시간에서 접점 간에서 소비되는 전력, 특히 그 최대값을 척도로서 이용함으로써 판단할 수 있을 것이라고 하는 생각에 이르렀다. 이 접점 간에서의 소비 전력 및 그 최대값은, 도 1의 회로를 참조하여, 이하에 설명하는 바와 같이 산출된다.

도 1에서 소정의 회로 A를 생각한다. 통상적으로, 그와 같은 회로에는, 의도하는 기능을 발현하기 위해, 소정의 전기 장치(또는 부품) B가 내장되어 있고, 그 회로는 소정의 저항값 Rf를 갖는다. 또한, 회로에 이상 전압이 인가되는 경우 및 이상 전류가 흐르는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 회로를 열 수 있도록, 회로에 바이메탈 스위치 C가 내장되어 있다. 그리고, 그와 같은 회로에는 소정의 전압 E가 인가되도록 되어 있다.

이와 같이 소정의 회로는, 전기 장치 B에 소정의 전압이 인가되고, 또한 소정의 전류가 회로를 통과하여 흐르도록 구성되어 있다. 그와 같은 전압 및 전류는, 각각 정격 전압 Vr 및 정격 전류 Ir이라고 부르고 있다. 이 정격 전압 및 정격 전류는, 회로에 전압 Vr을 인가하면, 전류 Ir이 이 회로를 통과하여 흐르고, 따라서, 그 회로는, Vr/Ir의 저항값을 갖는 것을 의미한다.

따라서, Vr/Ir=Rf인 경우, 정격 전압 및 정격 전류가 각각 Vr 및 Ir이라고 불리는 회로는, 도 1에서, E=Vr이며, 저항값(Rf)으로서 Vr/Ir의 저항값을 갖는 전기 장치가 내장되어 있는 회로에 상당한다. 즉, 도 1에 도시한 회로 A는, 정격 전압 및 정격 전류가 각각 Vr 및 Ir인 회로(단, E=Vr, I=Ir)와 등가이며, 이와 같은 회로의 고유 저항값은, Vr/Ir이다.

도 1의 회로에서, 회로에는 전압 E가 인가되고, 전기 장치는 저항값 Rf를 갖고, 바이메탈 스위치는 접점 간 저항으로서 저항값 Rb를 갖는 것으로 한다. 또한, 전기 장치에 인가되는 전압을 Vf로 하고, 바이메탈 스위치의 접점 간의 전압을 Vb로 한다.

이 경우, 회로 A를 통과하여 흐르는 전류를 I로 하고, 회로 전체를 고려하면,

I=E/(Rf+Rb)

로 된다.

바이메탈 스위치의 접점 간에서 소비되는 전력을 P로 하면,

P=I×Vb

로 된다.

여기서, Vb=E-Vf이므로,

P=I×(E-Vf)

로 된다.

또한, Vf=I×Rf이므로,

P=I×(E-I×Rf)=IE-I²×Rf

로 된다.

I의 함수로서 표현된 소비 전력 P를 I로 미분하면,

P'=E-2I×Rf

로 된다.

소비 전력이 최대로 될 때, P'가 0으로 되므로,

P'=E-2I×Rf=0

으로 되고, 이 때의 전류값 I를 Imax로 하면,

Imax=E/(2Rf)=(1/2)×(E/Rf)

로 된다.

이 때의 Vb를 Vmax로 하면,

Vmax=E-Vf=E-Imax×Rf

=E-[E/(2Rf)]×Rf=E/2

로 된다.

여기서, E/Rf는, Rb가 제로일 때에 회로를 통과하여 흐르는 전류값과 동등하다. Rb가 제로로 되는 것은 있을 수 없지만, Rf와의 비교에서 Rb를 실질적으로 무시할 수 있는 경우, 즉 바이메탈 스위치의 접점이 충분히 접촉되어 닫힌 상태에 있는 경우에는, Rf>>Rb로 되므로, Rb가 실질적으로 제로인 것으로 가정하여도 지장이 없다. 이와 같은 상태는, 회로 A에 전압 E로서 정격 전압 Vr이 인가되고, 정격 전류 Ir이 회로 A를 통과하여 흐르고 있는 상태인 것으로 생각할 수 있다.

따라서, 바이메탈 스위치의 접점간의 소비 전력이 최대로 될 때,

Imax=E/(2Rf)=(1/2)×(Vr/Rf)=(1/2)×Ir

Vmax=E/2=(1/2)×Vr

로 된다.

따라서, 접점 간의 소비 전력이 최대로 될 때는, 접점 간을 흐르는 전류는, 정격 전류의 절반, 즉 Ir/2의 전류값으로 되고, 또한 접점 간에 인가되는 전압은, 정격 전압의 절반, 즉 Vr/2의 전압값으로 된다.

요컨대, 회로 보호 디바이스로서 소정의 회로에 직렬로 내장된 바이메탈 스위치의 접점 간의 소비 전력이 최대로 될 때의 전압 및 전류는, 그 회로의 정격 전압 및 정격 전류의 각각 절반의 값으로 된다. 따라서, 이 때의 접점 간의 저항값은 (Vr/2)÷(Ir/2)=Vr/Ir=정격 전압/정격 전류로 된다. 바꿔 말하면, 이 저항값은 회로의 고유 저항값이다.

이 저항값 부근에서는, 접점 간의 소비 전력이 최대로 되고, 그 결과 접점 간에서 아크가 발생하여 접점이 용착될 가능성이 높아진다고 추정되기 때문에, 이 저항값(=Vr/Ir)을 「아크 저항값」이라고도 임시로 부른다. 단, 본 명세서에서 이용하는 용어 「아크 저항값」은 단순히 편의적으로 이용하는 것으로서, 접점 간에서의 아크의 발생과 어떠한 상관 관계가 있을 것이라고 추정되지만, 접점 간에서 아크가 발생하는 경우에, 접점 간의 저항값이 이 아크 저항값으로 되어 있을 것이라고 반드시 추정할 수 있는 것이 아닌 점에 유의해야 한다.

발명자는, 더욱 검토를 거듭하여, 바이메탈 스위치에 대해 전기적으로 병렬로 접속하는 PTC 소자의 저항값이 아크 저항값 이하인 경우, 바이메탈 스위치의 접점 간에서 용착이 발생할 가능성이 저감되는 것을 실험적으로 발견하였다. 또한, 여기서 언급되는 「PTC 소자의 저항값」이란, PTC 소자가 바이메탈 스위치와 병렬로 접속된 후의 PTC 소자의 (전기) 저항값이다. 시판된 PTC 소자를 바이메탈 스위치와 접속하기 위해 땜납을 이용하는 경우, 땜납 접속에 의한 열 때문에 접속 후의 PTC 소자는 이미 1회 트립한 후(즉, 열적으로 트립한 후)의 상태에 있고, 그와 같은 상태에 있는 PTC 소자의 저항값을 본 명세서에서는 「PTC 소자의 저항값」이라고 부르고, 이 저항값은, 상기 기술 분야에서는 「동작 후 저항값」이라고도 불린다. 또한, PTC 소자를 바이메탈 스위치와 접속하기 위해 전기 용접을 이용하는 경우, PTC 소자에는 트립하는 정도의 열이 전해지지 않을 경우가 있을 수 있다. 그와 같은 경우에는, PTC 소자에 과전류가 최초로 흐를 때 PTC 소자가 최초로 트립하고(즉, 전기적으로 트립하고), 그 후의 저항값이 전술한 「동작 후 저항값」에 상당한다. 따라서, 본 발명에서, 「동작 후 저항값」은, 시판된 PTC 소자가 열적 또는 전기적으로 최초로 트립한 후의 저항값을 의미한다. 땜납 접속 전의 PTC 소자(즉, 시판된 PTC 소자 자체)는, 그와 같은 저항값보다도 작은 저항값을 갖는다(이 작은 저항값은, 해당 분야에서는 「기본(또는, 기준) 저항값」이라고도 불린다).

앞서 설명한 바와 같이, 바이메탈 스위치와 PTC 소자가 병렬로 접속된 회로 보호 디바이스를 소정의 회로에 내장하는 경우, 바이메탈 스위치가 열릴 때에, 바이메탈 스위치를 통과하여 흐르고 있었던 전류를 PTC 소자로 분류시킬 수 있다. 예를 들면, PTC 소자의 저항값이 회로의 고유 저항값(또는 아크 저항값)의 1.1배 이하인 경우, 바람직하게는 1.0배 이하인 경우, 보다 바람직하게는 0.9배 이하인 경우, 가장 바람직하게는 0.4배 이하인 경우, 특히 0.3배 이하인 경우, 보다 특히 0.2배 이하, 예를 들면 0.15배 이하인 경우, 접점 간에서의 소비 전력이 최대로 될 때에, PTC 소자가 존재하지 않는 경우에 접점 간을 흐를 것인 전류의 절반을 PTC 소자쪽으로 분류할 수 있다. 그 결과, 접점 간에서 아크가 발생할 가능성은 저감된다. 가장 바람직한 양태에서는, PTC 소자의 저항값이 회로의 고유 저항값(또는 아크 저항값)의 0.2배 이하, 예를 들면 0.15배 이하이다. 또한, 본 발명의 회로 보호 디바이스에서, PTC 소자의 기준 저항값은 고유 저항값(또는 아크 저항값)의 5분의 4 이하인 것이 바람직하고, 3분의 2 이하인 것이 보다 바람직하고, 예를 들면 2분의 1 이하이다.

반대로, PTC 소자의 저항값이, 회로의 아크 저항값보다 큰 경우, 예를 들면 2배인 경우에는, 회로 내에 PTC 소자를 내장하였음에도 불구하고, 아크의 발생을 충분히 억제할 수 없어, 용착되는 경우가 있다.

본 발명의 회로 보호 디바이스에서, 회로 보호 디바이스에 이용하는 바이메탈 스위치는, 바이메탈 요소를 이용한 스위치이며, 주지의 것을 사용할 수 있다. 이것은, 바이메탈 스위치를 통과하여 흐르는 전류가 소정의 전류값을 초과하여 과잉으로 될 때에, 생기는 열의 작용에 의해, 서로 접촉하고 있는 접점이 이격하도록 구성되어 있는 스위치이다.

그와 같은 바이메탈 스위치 중에서도, 본 발명의 회로 보호 디바이스에 이용하는 것이 특히 바람직한 것은, 예를 들면 접점의 재료로서 백금, 금, 은, 구리, 카본, 니켈, 주석, 납, 또는 이들 금속의 합금(예를 들면 주석-납 합금)을 이용하고 있는 것을 예로 들 수 있다. 그 중에서도, 은을 접점의 재료로서 이용한 바이메탈 스위치가 특히 바람직하다. 또한, 바이메탈 스위치의 접점 간의 간극이 비교적 좁은 것, 바람직하게는 0.5∼4㎜의 것, 특히 2㎜ 이하의 것, 보다 바람직하게는 0.7∼2㎜의 것, 특히 바람직하게는 0.8∼1.5㎜의 것, 예를 들면 1㎜ 정도의 것이 본 발명의 회로 보호 디바이스에 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 회로 보호 디바이스에 있어서, 바이메탈 스위치에 대해 병렬로 접속되는 PTC 소자는, 회로 보호 디바이스로서 자체 이용되고 있는 통상의 PTC 소자이면 되고, 도전성 요소가 세라믹으로 이루어져 있어도, 혹은 폴리머 재료로 이루어져 있어도 된다. 특히 바람직한 PTC 소자는, 폴리머 PTC 소자라고 불리는 것이며, 폴리머 재료(예를 들면 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴플루올라이드 등) 내에 도전성 필러(예를 들면 카본, 니켈, 니켈코발트필러)가 분산되어 있는 도전성 폴리머 요소를 포함하는 PTC 소자를 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명의 회로 보호 디바이스를 소정의 회로에 내장하여 의도한 기능을 정상적으로 행하는 경우, 회로를 통과하여 흐르는 전류는 실질적으로 그 전부가 바이메탈 스위치를 통과한다. 따라서, 본 발명의 회로 보호 디바이스에서, PTC 소자의 저항값은, 바이메탈 스위치가 원래 갖는 전기 저항값(통상은 0.5∼20 밀리오옴)의 적어도 10배, 바람직하게는 적어도 50배, 보다 바람직하게는 적어도 100배, 특히 바람직하게는 적어도 300배의 저항값을 갖는다.

도 2에 본 발명의 회로 보호 디바이스(1)를 내장한 회로(3)를 나타낸다. 회로(3)는, 소정의 전기 요소(예를 들면 전기/전자 장치 또는 부품 등)(6)를 갖고, 이 전기 요소에 직렬로 회로 보호 디바이스(1)가 접속되어 있다. 전기 요소(6)는, 1개의 저항 기호로 나타내고 있지만, 이것은 1개의 전기 요소, 또는 회로(3)에 포함되는 복수의 전기 요소의 집합체를 의미한다. 그와 같은 전기 요소의 저항값은 Rf로 나타내어지고, 이것은 회로(3)의 고유 저항값이며, 구체적으로는 회로(3)의 정격 전압 Vr/정격 전류 Ir에 의해 산출되는 것이다. 또한, 도 2에서, 후술하는 실시예에서 설명하는 측정을 위해, 전류계 A 및 전압계 V를 내장한 상태로 나타낸다.

본 발명의 회로 보호 디바이스(1)는, PTC 소자(2) 및 바이메탈 스위치(4)를 포함하고, 이들이 전기적으로 병렬로 접속되어 있거나, 혹은 전기적으로 병렬로 접속되어 있지 않은 경우에는, 그와 같이 접속될 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, PTC 소자(2)의 저항값은 회로(3)의 고유 저항값 Rf의 예를 들면 1배 이하, 바람직하게는 절반 이하, 보다 바람직하게는 3분의 1 이하, 예를 들면 4분의 1 이하, 특히 8분의 1 이하이다. 그리고, PTC 소자는 바이메탈 스위치(4)의 본래의 저항값의 예를 들면 적어도 10배, 바람직하게는 적어도 100배의 저항값을 갖는다.

본 발명의 회로 보호 디바이스(1)의 보다 구체적인 형태의 예를 도 3 및 도 4에서 모식적 측면도로 나타낸다.

도 3은, 전기 회로(전기 회로의 리드(10 및 10')만을 도시)에 내장된, PTC 소자(12) 및 바이메탈 스위치(16)를 갖는 본 발명의 회로 보호 디바이스에서, 바이메탈 스위치가 작동되어 접점이 열리기 전 및 후의 모습(각각 도 3의 (a) 및 도 3의 (b))을 나타낸다. 리드(10 및 10')는, 각각 단부에 단자 부분(20 및 20')을 갖는다. 단자 부분(20)은, 바이메탈 스위치의 단자 부분(17)에 접속되어 있다. 전기 회로가 정상적으로 작동되어 적절한 전류가 흐르고 있는 경우, 즉 바이메탈 스위치(16)를 통하여 전류가 흐르고 있는 경우, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 단자 부분(20')은 바이메탈 스위치(16)의 접점(18)과 접촉한 상태에 있다. 이 경우, 실질적으로 모든(혹은 대부분) 전류는, 리드(10)로부터 바이메탈 스위치(16)를 거쳐서 리드(10')에로 흐른다.

도시한 양태에서, PTC 소자(12)는, PTC 요소(23) 및 그 양측에 배치한 전극층(22 및 24)을 포함하고, PTC 소자(12)와 리드 사이에는 절연층(26)이 존재한다. PTC 요소 및 그 양측의 전극층에 대해서는, 주지의 PTC 소자에 채용되어 있는 것과 마찬가지이어도 되고, 전극층은, 그 외측 표면에 리드를 가져도 된다. 이 경우, 도시하는 PTC 요소(23) 대신에, PTC 요소가 그 양측에 위치하는 전극층(바람직하게는 금속박 전극)과 일체로 되어 PTC 소자를 형성하고, 또한 도시하는 전극층(22 및 24) 대신에, 전술한 외측 표면에 위치하는 리드를 형성하는데, 이들 리드는 각각 리드(10 및 10')에 접속된다. 이와 같이, PTC 소자(12)와 바이메탈 스위치(16)를 전기 회로에 내장함으로써, 이들이 전기적으로 병렬의 관계로 접속된 전기 회로를 구성한다. 또한, 도시한 양태에서는, 바이메탈 스위치(16)와 리드(10') 사이에 별도의 절연층(26')이 배치되어 있다.

전기 회로에 이상 전류가 흘러 바이메탈 스위치(16)의 온도가 상승하면, 접점(18)과 단자 부분(20')과의 접촉 상태가 해제된다. 이 때, 전기 회로를 통과하여 흐르고 있는 전류는, 순간적으로, 리드(10)로부터 PTC 소자의 전극층(22)에 흐르고, 그 후 PTC 요소(23) 및 전극층(24)을 거쳐 리드(10')로 분류한다. 이 경우, PTC 소자의 동작 후 그것의 저항값이 회로의 고유 저항값의 1.1배 이하이면, 바이메탈 스위치가 열린 순간에, 이상 전류의 비교적 큰 비율을 PTC 소자쪽으로 분류할 수 있으므로, 바이메탈 스위치의 접점 부근에서의 아크의 발생, 용착의 발생 등의 가능성이 대폭 경감된다. 그 후, PTC 소자는 트립 상태로 되어, 전류의 흐름을 실질적으로 차단한다.

또한, 도 3에서, 본 발명의 회로 보호 디바이스를 포위하는 파선은, 회로 보호 디바이스를 포위하는 요소, 예를 들면 케이싱, 하우징 등을 의미한다. 본 발명의 보호 디바이스는, 바이메탈 스위치 및 PTC 소자로부터의 (이상 전류에 의해 생긴) 열의 발산을 방지하는 데에 유용하고 바이메탈 스위치의 래치 상태를 유지할 수 있는 그러한 요소를 더 갖는 것이 바람직하다. 또한, 도시한 양태에서는, PTC 소자(12)와 바이메탈 스위치(16)가 비교적 좁은 공간(30)을 이격한 인접 상태여서, 이상 전류에 의해 PTC 소자가 트립하였을 때의 열의 영향을 바이메탈 스위치에 미치기 쉬우므로, 그러한 인접 상태는 바이메탈 스위치의 래치 상태를 유지하는 데에 유리하다.

도 4에, 또 다른 양태의 본 발명의 회로 보호 디바이스(단, 바이메탈 스위치가 작동하기 전의 상태)를 나타낸다. 이 양태에서는, 바이메탈 스위치(16)와 PTC 소자가 이격한 상태에 있다. 바이메탈 스위치(16)와 PTC 소자(12) 사이에 리드(10') 및 절연층(26 및 26')이 존재하고, 그 결과, 도 3의 양태와 비교하면, PTC 소자(12)와 바이메탈 스위치(16)가 보다 떨어져 있으므로, 바이메탈 스위치가 먼저 설명한 열의 영향을 덜 받게 되겠지만, 바이메탈 소자와 PTC 소자를, 단순하게 서로 겹친 구조이기 때문에, 디바이스의 생산성의 점에서 유리하다.

<실시예 1>

하기의 시판된 PTC 소자, 바이메탈 스위치 및 전기 요소(저항기, 저항값 Rf=2.67Ω)를 이용하여 도 2에 도시한 회로 보호 디바이스를 내장한 회로를 구성하였다.

PTC 소자 : 타이코일렉트로닉스레이켐사제, 상품명 : RXE010, 기준 저항값 : 2.6Ω, 동작 후 저항값 : 4.21Ω

바이메탈 스위치 : 센서터ㆍ테크놀러지즈사제, 상품명 : 서멀 프로텍터 9700K21-215, 접점 간격 : 1㎜, 바이메탈 스위치의 저항값 : 11.6mΩ

바이메탈 스위치의 최대 접점 정격의 2배의 DC48V/18A(따라서, 고유 저항값=2.67Ω=Rf)을 인가하여, 그 때의 전류(바이메탈 스위치를 통과하여 흐르는 전류) 및 전압(바이메탈 스위치의 양단의 전압, 즉 바이메탈 스위치에서의 강하 전압)의 파형을, 도 2에 도시한 회로에 내장한 전류계 A 및 전압계 V에 의해 측정하였다. 측정한 전류 및 전압의 파형을 도 5에 도시한다(단, 진동하는 파형을 평활화하여 도시한다). 도 5의 그래프에서, 종축은 전압 또는 전류값이며, 각각의 1 눈금(양단 화살표의 길이)당, 5A 및 10V이며, 횡축은 시간이며, 1 눈금은 40㎳이다.

도 5로부터, 바이메탈 스위치의 접점 개방 동작 개시 시(시각=0)로부터 약 146㎳ 경과한 후에, 전류값ㆍ전압값이 접점 개방 동작 전의 전류값ㆍ전압값으로 되돌아간 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 회로 보호 디바이스는 그 기능을 발휘하지 않았다. 또한, 바이메탈 스위치를 조사한 결과, 접점에서 용착하고 있었다.

<실시예 2>

사용한 시판된 PTC 소자를 하기의 다른 PTC 소자로 변경한 것 이외는, 같은 조건으로 실시예 1을 반복하였다.

PTC 소자 : 타이코일렉트로닉스레이켐사제, 상품명 : RXE025, 기준 저항값 : 1.5Ω, 동작 후 저항값 : 2.31Ω)

측정한 전류 및 전압의 파형을 도 6에 나타낸다. 도 6의 그래프에서, 종축은 전압 또는 전류값이며, 각각의 1 눈금(양단 화살표의 길이)당, 5A 및 10V이며, 횡축은 시간이며, 1 눈금은 100㎲이다.

도 6으로부터, 바이메탈 소자를 통과하여 흐르는 전류가 순시로 저감되고, 바꿔 말하면 PTC 소자에 바꿔 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 회로 보호 디바이스는 그 기능을 발휘하였다.

<실시예 3>

PTC 소자 : 타이코일렉트로닉스레이켐사제, 상품명 : RXE040, 기준 저항값 : 0.67Ω, 동작 후 저항값 : 1.02Ω)

측정한 전류 및 전압의 파형을 도 7에 나타낸다. 도 7의 그래프에서, 종축은 전압 또는 전류값이며, 각각의 1 눈금(양단 화살표의 길이)당, 5A 및 10V이며, 횡축은 시간이며, 1 눈금은 100㎲이다.

도 7로부터, 바이메탈 소자를 통과하여 흐르는 전류가 순시로 저감되고, 바꿔 말하면 PTC 소자에 바꿔 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 회로 보호 디바이스는 그 기능을 발휘하였다.

<실시예 4>

사용한 시판된 PTC 소자를 하기의 다른 PTC 소자로 변경하고, 정격 전압/전류를 48VDC/20A(따라서 고유 저항값을 2.4Ω)로 한 것 이외는, 같은 조건으로 실시예 1을 반복하였다.

PTC 소자 : 타이코일렉트로닉스레이켐사제, 상품명 : RXE135, 기준 저항값 : 0.18Ω, 동작 후 저항값 : 0.3Ω)

본 실시예에서도, 실시예 3과 마찬가지의 전류 및 전압의 측정 결과가 얻어졌다. 따라서, 본 실시예에서는, 회로 보호 디바이스는 그 기능을 발휘하였다.

<실시예 5>

PTC 소자 : 타이코일렉트로닉스레이켐사제, 상품명 : RXE020, 기준 저항값 : 1.8Ω, 동작 후 저항값 : 2.82Ω)

상기 실시예의 결과를 이하의 표 1에 정리한다.

	PTC 소자 기준 저항값 R_PTCO	PTC 소자 동작 후 저항값 R_PTC	고유 저항값 Rf	R_PTCO/Rf(상단) R_PTC/Rf(후단)	회로 보호 디바이스로서의 성능의 발휘
실시예 1	2.6Ω	4.21Ω	2.67Ω	0.97 1.56	× (발휘하지 않음)
실시예 2	1.5Ω	2.31Ω	2.67Ω	0.56 0.87	○ (발휘)
실시예 3	0.67Ω	1.02Ω	2.67Ω	0.25 0.38	○ (발휘)
실시예 4	0.18Ω	0.3Ω	2.4Ω	0.075 0.125	○ (발휘)
실시예 5	1.8Ω	2.82Ω	2.67Ω	0.67 1.08	○ (발휘)

본 발명의 회로 보호 디바이스는, 바이메탈 스위치의 접점 부근에서의 아크의 발생 및 용착의 발생의 가능성을 저감할 수 있다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 바이메탈 스위치는, 열에 기초하여 접점이 열리도록 작용하는 스위치이며, 감열 재료로 이루어진 바이메탈 소자와 적어도 한 쌍의 기계적 접점을 포함한다. 따라서, 당업자이면, 본 발명의 회로 보호 디바이스에서, 바이메탈 스위치 대신에, 다른 기계적 접점 구비 스위치, 예를 들면 릴레이(특히 전자식 릴레이)를 이용할 수 있는 것을 이해할 수 있는 것이다.

따라서, 가장 넓은 개념에서, 본 발명은, 기계적 접점 구비 스위치(예를 들면 릴레이, 바이메탈 스위치 등) 및 PTC 소자를 포함하는 회로 보호 디바이스로서,

기계적 접점 구비 스위치와 PTC 소자는, 전기적으로 병렬로 접속되고,

정격 전압/정격 전류=고유 저항값 … (1)

에 의해 산출되는 회로의 고유 저항값의 1.1배 이하의 동작 후 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스를 제공한다.

1 : 회로 보호 디바이스
2 : PTC 소자
3 : 회로
4 : 바이메탈 스위치
6 : 전기 요소
10, 10' : 리드
12 : PTC 소자
16 : 바이메탈 스위치
18, 18' : 접점
20 : 단자 부분
22 : 전극층
23 : PTC 요소
24 : 전극층
26, 26' : 절연층
30 : 공간

Claims

바이메탈 스위치 및 PTC 소자를 포함하는 회로 보호 디바이스로서,
상기 바이메탈 스위치와 상기 PTC 소자는 전기적으로 병렬로 접속되고,
상기 PTC 소자는, 상기 회로 보호 디바이스가 포함될 전기 회로의 고유 저항값의 1.1배 이하의 동작 후 저항값을 갖고, 상기 고유 저항값은 상기 전기 회로의 정격 전압 및 정격 전류에 기초하여 이하의 식 (1)
정격 전압/정격 전류=고유 저항값 … (1)
에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 PTC 소자는 상기 고유 저항값의 0.9배 이하의 동작 후 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 PTC 소자는 상기 고유 저항값의 0.4배 이하의 동작 후 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PTC 소자는 상기 고유 저항값의 3분의 2 이하의 기준 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PTC 소자는 상기 바이메탈 스위치의 저항값의 적어도 10배의 기준 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제5항에 있어서,
상기 PTC 소자는 상기 바이메탈 스위치의 저항값의 적어도 100배의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PTC 소자는 폴리머 PTC 소자인 회로 보호 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 회로 보호 디바이스를 포함하는 전기 회로.
제4항에 있어서, 상기 PTC 소자는 상기 바이메탈 스위치의 저항값의 적어도 10배의 기준 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로 보호 디바이스.
제4항에 있어서, 상기 PTC 소자는 폴리머 PTC 소자인 회로 보호 디바이스.
제5항에 있어서, 상기 PTC 소자는 폴리머 PTC 소자인 회로 보호 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 PTC 소자는 폴리머 PTC 소자인 회로 보호 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 PTC 소자는 폴리머 PTC 소자인 회로 보호 디바이스.